從MAZDA Axela i-Stop談怠速熄火系統
記者：文/Hayabusa 整理/lulu 2009-10-08 | |
有四門房車也有五門掀背車型MAZDA 3相信是國內車友相當熟悉的車款，七月份MAZDA在日本推出該車日規車型Axela的全新第二代大改款車型，二代車型的各項新技術與設計之中，有一項與環保節能減碳相當有關係的技術值得注意，那就是「i-Stop」怠速熄火系統。
簡單說起來，怠速熄火(Idling Stop)就是引擎在進入怠速運轉狀態下就會自動熄火，節省油耗也減少廢氣的排放。在環保問題倍受關注，各類環保技術多頭並進的現在，怠速熄火系統也逐漸受到重視陸續在市售車上出現並成為車廠所標榜的賣點。這次我們就以MAZDA的i-Stop為引子，跟大家淺談一下怠速熄火技術這個存在已久，但一直到現在才開始「火」的新話題。
又基本、又老、又不受重視的觀念
一般車輛在起動引擎之後，當你在駕駛的過程中車子停下來，腳不去踩油門踏板，引擎也不會停止而維持在最低限度的運轉，也就是怠速。車輛在停止時維持怠速的理由，包括重新起動比較麻煩(老車有時還會要發好幾次才會成功)，比較花時間，不但平常容易影響交通，遇到緊急狀況時如果車子引擎不能即時起動，很可能還會有安全上的疑慮。另外，引擎熄火時空調系統也跟著停止，對於炎熱或寒冷的天氣下開車，恐怕也不會有太多駕駛能夠接受。
事實上，怠速熄火裝置既不是什麼新觀念，多年前在實際應用上也早已成形，法國的CITROEN汽車2004年時就已經將它們的Stop & Start系統搭載於C3之上。但全球其他主流車廠在過去的這段期間似乎沒有太多的跟進腳步，直到最近節能減碳觀念受到注意，大家才又在節能的最基本作法—停止引擎運作消耗燃料的老思維上下功夫。
車上有怠速熄火系統，到底能夠省多少油，根據日本財團法人能源節省中心的調查，一部引擎排氣量2000cc的車打到空檔、不開空調的狀態怠速運轉十分鐘，大約會消耗140cc的燃油。如果打到D檔，開空調系統的話，消耗的燃料更達到260cc。如果以每天怠速十分鐘來計算，一年大概可以節省51~95公升的燃油與減少120~220公斤的二氧化碳排放。
不是反覆熄火、起動就好了
怠速熄火聽起來很單純，但其實光是在運作過程中就牽涉許多的複雜考慮。以i-Stop系統來說，當車子從行駛狀態停下來後，系統必須先確認引擎、變速箱充分暖機、車內溫度在適當範圍、電池狀態良好、引擎蓋是關著的、排檔桿在D檔位、煞車油液壓在規定值以上...等條件都符合時才會休止，以保護車輛及使用上的安全性。
即使是在休止狀態下，車上的一些電裝配備也幾乎都能繼續使用，不會讓你等紅燈時沒音樂聽或導航關機/重設(如果長時間休止，電瓶電量過少就會自動起動引擎)。而在某些狀態下，更會自動完全停止，也就等於是駕駛把車子熄火。
當駕駛者釋放煞車踏板或轉動方向盤或把檔位從N檔排入D檔時，系統就會從休止狀態中重新起動引擎。這時重點來了，為了讓重新起動的動作順暢，引擎在休止狀態中，就會決定重新起動時首先運作的汽缸，該汽缸內的活塞會停止在適當位置且汽缸內完成掃氣行程。等到系統判斷要重新起動時，就會將燃料噴射至汽缸內快速點火燃燒，同時驅動起動馬達，讓重新起動過程平順而迅速。
構成i-Stop的技術重點
從之前的介紹可以知道，i-Stop的運作，是靠一些關鍵的控制技術相整合才能順利運作。我們先從引擎停止位置控制看起，引擎在休止狀態下，汽缸內的缸壓為大氣壓力，所以燃燒時所使用空氣的量就決定活塞停止時的位置。能夠正確將活塞停在正確位置，就可以盡快重新起動。
車廠的工程師發現，重新起動時最先燃燒進入爆發行程的那個汽缸，其活塞在休止狀態的停止位置是在壓縮上死點後40度至100度間的話，再起動所需時間短且比較穩定。所以在進入休止狀態停止供油時，活塞會停止於這個範圍之內。
缸內掃氣控制
要讓引擎從休止狀態迅速重新起動，就必須獲得充足的燃燒壓力，這就有賴於讓在壓縮行程時停止的汽缸內獲得更多的空氣。i-STOP系統在引擎進入休止狀態停止供油後，節氣閥會打開讓新鮮空氣進入汽缸內「掃氣」，不過節氣閥若一直開著，會產生回壓而造成轉速的不穩定以及令人不舒服的震動。為了避免這種現象，掃氣中引擎轉速下降時節氣閥就會關閉。
對自排車來說，在上坡時引擎休止狀態到重新起動這段期間，會有一段抓地扭力不足的空窗期，所以i-STOP系統搭載了自動煞車起步輔助機能，煞車系統在這段時間內都會保持液壓，避免在起步時車子向後滑，這也是怠速熄火系統在安全上必須注意到的一個問題。
自排油壓控制
自排車的另一個問題，就是讓變速箱作動的油壓幫浦在引擎休止時也會停止，並解除與起步用離合器的連結，這會影響重新起動後車子起步的迅速性。為了解決這個問題，i-STOP系統中追加了電動油壓幫浦，引擎即使在休止狀態下也會提供油壓給變速箱，維持與離合器的連結。等到引擎重新起動後，電動幫浦會與機械幫浦一起運作，直到機械幫浦油壓回復正常才會停止運轉。
電力系統管理
即使是在引擎休止狀態下，車內的空調或音響系統等等配備也不能停止運作，這樣自然就增加了電瓶的負擔。所以i-STOP系統除了供電給車內電裝配備的主電瓶外，還有專供引擎起動用的獨立副電瓶，形成雙系統化。系統內的電流感應與溫度感應器會監測電瓶的充電狀態與放電深度，若有異常就會限制怠速熄火的運作，避免過度放電與電瓶過早劣化。副電瓶則是以經常保持在滿電狀態為原則，確保每一次都能夠正常重新起動引擎。萬一副電瓶發生問題不能供電，繼電器會與主電瓶並連確保供電無虞。
TOYOTA Prius混合動力車上面的行車顯示幕上，會顯示煞車回生電力與全電力行駛等狀態，讓駕駛者可以透過這些資訊顯示了解自己對環保節能的「貢獻」，對車主有很大的「鼓勵」效果。MAZDA在這方面也有類似的設計，一開始會在彩色顯示幕上顯示樹木的新芽，隨著平日怠速熄火時間的累積，新芽會逐漸長成小樹，大約累積至8.4小時就會成長為大樹，配合實際的怠速熄火時間顯示數據，讓駕駛者更能夠「感受」到自己對於節能所做的貢獻。
結論
怠速熄火系統經過了不算短時間的發展至今，已經相當的成熟，已i-stop系統來說，從引擎休止狀態下到再起動只要0.35秒，對於駕駛者與乘客來說其實是沒什麼特別感覺的。怠速熄火系統雖然節能效果沒有混合動力系統那麼強，但由於技術層次並沒有那麼高，因此比較容易普及化。
戴姆勒集團很早就將ECO Start運用於廂型車、大型車輛上，保時捷也表示美規Panamera會搭載stop/start系統，這些高油耗車種搭載怠速熄火系統，自然能夠替地球省下更多的能源，減少更多污染。在替代能源車輛發展尚未成熟的今日，怠速熄火系統不失為一個能夠立刻為汽車節能減碳做出一點貢獻的技術。
