Start-Stopp-Automatik: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 26. Mai 2008, 10:23 Uhr

Kurzfassung

Die BMW Auto Start Stop Funktion ist eine der zahlreichen Innovationen im Rahmen des BMW EfficientDynamics Programms zur Steigerung von Fahrdynamik und Antriebseffizienz. Mit Hilfe dieser Funktion wird der Motor automatisch abgestellt, wenn er nicht benötigt wird, wie z.B. bei Fahrzeugstillstand an einer Ampel oder im Stau. Dadurch ergibt sich ein signifi-kanter Beitrag zur Reduzierung der CO2 Emissionen im EU Verbrauchszyklus und im Kun-denbetrieb. Dieser Verbrauchsvorteil wird jedoch nicht zu Lasten der Schadstoffemissionen erzielt. Mit Einführung der Schnellstartfunktion und Maßnahmen im Rahmen der Betriebs-strategie wird ein negativer Einfluss auf die Schadstoffemissionen verhindert.

Einleitung

Im Automobilbereich sind Start-Stopp-Systeme im Grunde schon lange bekannt und wurden z.B. im Golf Ecomatic (1990), Lupo 3l (1999) oder Audi A2 (1999) eingesetzt. Diesen Model-len blieb jedoch der Markterfolg weitgehend verwehrt, da die einseitige Ausprägung als Spar- und Verzichtsmodell nur von wenigen Kunden geschätzt wurde. Das zum Einsatz kommende Start Stopp System wurde als gewöhnungsbedürftig und unkomfortabel empfunden. Ausgelöst durch die ACEA Selbstverpflichtung von 1995 zur Reduzierung der Flottenemissi-onen um 25% bis 2008 wurden bei BMW Maßnahmen zur Effizienzsteigerung bei gleichzei-tiger Wahrung der BMW typischen Fahrdynamik untersucht. Nach einem positiven Konzept-nachweis wurde beschlossen, ein für die Großserie geeignetes Start Stopp System zu entwi-ckeln, das den BMW Anspruch an Dynamik und Komfort gerecht wird. Um eine möglichst breite die CO2 Emissionen absenkende Wirkung für die gesamte BMW Group Flotte zu erzielen, wurden für den Erstanlauf die volumenstarken 4-Zylinder Benzin- und Dieselmodelle der MINI und BMW 1er und 3er Baureihe mit Handschaltgetriebe ausge-wählt. Das Start Stop System wird in diesen Modellen seit 2007 serienmäßig verbaut und ist nicht aufpreispflichtig. In den folgenden wird nun das BMW Start Stop System mit der zugrunde liegenden Be-triebsstrategie näher beschrieben und ein Einblick in die damit erzielte Absenkung der CO2 Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs gegeben. Anschließend wird der Einfluss des Start Stop Systems auf die Schadstoffemissionen erläutert. Ein Ausblick auf die weitere Entwick-lung rundet die Ausführungen ab.

2 Die BMW Auto Start Stop Funktion im Fahrzeug

Die BMW Auto Start Stop Funktion basiert zum Großteil auf Komponenten, die sich schon im Fahrzeugbordnetzverbund befinden und für die neue Auto Start Stop Funktion „intelligent“ vernetzt wurden. Die Grundfunktionalität ist in der Motorsteuerung abgelegt. Die Bedienung durch den Fahrer erfolgt über Schalthebel und Kupplung.

2.1 Bedienung

Eine einfache intuitive Bedienung und hohe Nachvollziehbarkeit der Funktion durch den Kun-den waren die wichtigsten Entwicklungsziele des Anzeige- und Bedienkonzepts. Somit wurde die BMW Auto Start Stop Funktion an die übliche Betätigung von Schalthebel und Kupplung gekoppelt. Nimmt der Fahrer bei ausrollendem Fahrzeug oder im Stand den Gang heraus und den Fuß von der Kupplung, wird der Motor automatisch abgestellt. Die im Hintergrund wirkende Automatikfunktion gibt den Motorstopp frei, wenn dieser ohne negative Auswirkungen auf Sicherheit und Komfort möglich ist. Andernfalls wird der Mo-torstopp über das Setzen eines „Abschaltverhinderers“ unterbunden und der Motor läuft wei-ter. Die wichtigsten Abschaltverhinderer wie z.B. „Motortemperatur“ oder „Anforderung Kli-maanlage“ sind im nächsten Abschnitt beschrieben.

Bild 1: Bedienung der BMW Auto Start Stop Funktion

Bei erfolgtem Motorstopp wird der jetzt anliegende Fahrzeugzustand dem Fahrer über das Start Stop Symbol im Instrumentenkombi angezeigt. Das Fahrzeug befindet sich im Zustand der Betriebsbereitschaft bei nicht laufenden Motor. Alle Steuergeräte sind in diesem Zustand aktiv und erfüllen ihre Funktion. Die elektrischen Verbraucher werden während dieser Mo-torstoppphase von der Batterie mit Strom versorgt. Während des Motorstopps wird die Lüf-tungsleistung der Klimaanlage etwas reduziert, um Luftdurchsatz und Lüftergeräusch zu ver-ringern. Während einer durchschnittlichen Standzeit des Motors von 25-35 Sekunden (z.B. an einer roten Ampel) kühlt die Klimaanlage den Innenraum noch eine Zeit lang mit Hilfe der gespeicherten Restkälte im Kältekreislauf. Durch die Koppelung des Motorstopps an die Betätigung des Kupplungspedals bleibt der Wunsch des Fahrers das ausschlaggebende Kriterium für den Abstell- und Startvorgang. Sollte ein Kunde keinen automatischen Motorstopp wünschen, muss er lediglich den Fuß auf dem Kupplungspedal belassen. Außerdem lässt sich die BMW Start Stop Funktion über ei-nen Taster in der Mittelkonsole deaktivieren. Somit bleibt der Fahrer autonom und bestimmt weiterhin selbst, wie sich das Fahrzeug verhält – ein wichtige Eigenschaft im Sinne des ge-wünschten souveränen BMW Fahrerlebnisses. Der Motorstart erfolgt im üblichen Bewegungsablauf. Sobald die Kupplung bei grüner Ampel getreten wird startet der Motor automatisch. Dank der neu entwickelten Schnellstartfunktion kann nach Einlegen des Ganges sofort losgefahren werden. Das Gefühl, beim Anfahren auf den Motorstart warten zu müssen, stellt sich bei der hier erzielten Startzeit von maximal 500 ms gar nicht erst ein. Beim Motorstart erlischt die Start Stop Anzeige in der Instrumenten-kombination. Im April 2007 wurde die BMW Auto Start Stop Funktion erfolgreich im Markt eingeführt. Die fortwährende Feldbeobachtung und Auswertung von Informationen aus dem Servicebereich lassen darauf schließen, dass das System von den Kunden sehr gut angenommen wurde. Beanstandungen am System sind die Ausnahme.

2.2 Kundenerlebnis

Die BMW Auto Start Stop Funktion ist im Gegensatz zu den meisten Effizienzmaßnahmen für den Kunden direkt erlebbar. Nach einer kurzen Eingewöhnungsphase möchten viele Kunden auf die Funktion nicht mehr verzichten. Es ist für die Kunden offensichtlich, dass der ruhende Motor keinen Kraftstoff benötigt („spürbares Sparen“). Damit nimmt die Start Stop Funktion in der subjektiven Wahrnehmung einen hohen Stellenwert ein und gilt bei Kunden-umfragen als die Effizienzmaßnahme mit dem höchsten Einsparpotential. Außerdem werden in Kundenumfragen der verblüffend schnelle Motorstart per Kupplungs-pedalbetätigung und die Ruhe und Entspannung beim Fahrzeugstillstand positiv herausge-hoben. Rote Ampeln verlieren Dank der BMW Auto Start Stop Funktion einen Teil ihres Schreckens, da das Stress-Gefühl, Zeit zu verlieren und Kraftstoff zu vergeuden, nicht so stark auf kommt. Gerade in einer Fahrzeugkolonne vor einer roten Ampel wiegt sich der Fahrer in dem guten Gefühl, aktiv Ressourcenschonung zu betreiben. Im eigenen Fahrzeug ruht der Motor, wäh-rend er bei den anderen Fahrzeugen in der Kolonne praktisch nutzlos im Leerlauf läuft und Kraftstoff verschwendet wird. 2.3 Betriebsstrategie

Vielfältige teilweise auch konträre Anforderungen wurden an die Betriebsstrategie gestellt. Sicherheit und Komfort dürfen durch die BMW Auto Start Stop Funktion nicht eingeschränkt werden. Auch das BMW typische Fahrerlebnis und die Nachvollziehbarkeit des Systemver-haltens müssen gewährleistet sein. Die Betriebsstrategie wurde mit Hilfe der Festlegung von System-Deaktivierern, Abschaltverhinderern und Einschaltauffordern umgesetzt.

Bild 2: Auszug der Abschalt-Verhinderer und Einschaltaufforderer

System Deaktivierer verhindern einen automatischen Motorstopp und Motorstart. Dieser wird gesetzt, sobald die Grundvoraussetzungen für eine ordnungsgemäße Systemfunktion nicht gegeben sind. Z.B. wenn der Fahrer nicht angegurtet ist, die Auto Start Stop Funktion ist per Tasterbetätigung ausgeschaltet wurde oder Sensorfehler vorliegen. Abschaltverhinderer bewirken, dass der Motor während eines Fahrzeugstillstands nicht abgestellt wird. Sicherheits- und Komfortgründe sind hier ausschlaggebend, wie z.B. der Motor ist nicht betriebswarm, Geschwindigkeit > 3km/h, Betätigung der Lenkung, Rückwärts-fahrt, Außentemperatur <3°C, Klimatisierungsanforderung der Klimaautomatik, beginnender Beschlag der Frontscheibe, Bremsunterdruck zu gering, Batterieladezustand nicht ausrei-chend und relevante Fehlerspeichereinträge in der Motorsteuerung. Eine Einschaltaufforderung wird vom Auto Start Stop Funktion gesetzt, wenn der Motor während eines Stopps zur Energiebereitstellung für die Fahrzeugfunktionen benötigt wird. Ohne Einwirkung des Fahrers startet der Motor z.B. wenn das Fahrzeug anrollt, die Klimaan-lage ein Kühlungsdefizit erkennt, die Frontscheibe beschlägt, der Bremsunterdruck durch mehrfaches Betätigen der Bremse nicht mehr ausreichend ist oder der Batterieladezustand unter eine kritische Schwelle abgesunken ist.

2.4 Systemkomponenten

Der hohe Grad der Systemvernetzung wird schon an der Vielzahl der Einflussfaktoren er-kennbar, die auf die Betriebsstrategie einwirken. Die BMW Auto Start Stop Funktion nutzt vorhandene Bordnetztopologien und Kommunikationswege und bezieht ihre Eingangsinfor-mationen von den im Fahrzeug vorhandenen Steuergeräten. Über die Kommunikation im BUS System fließen die Informationen in der Motorsteuerung zusammen. Hier werden die jeweiligen Entscheidungen der Betriebsstrategie getroffen.

Bild 3: Die Systemkomponenten mit Einfluss auf die BMW Auto Start Stop Funktion

Das BMW Auto Start Stop System ist aktiv, wenn die Motorhaube geschlossen ist, der Fah-rer angegurtet ist, der Motor läuft, das Fahrzeug angerollt ist und die Funktion nicht über den Taster in der Mittelkonsole ausgeschaltet wurde. Zum Auslösen eines automatischen Motorstopps werden das Geschwindigkeitssignal, die Kupplung und der Nullagesensor im Getriebe ausgewertet. Der Motorstopp erfolgt, sobald das Fahrzeug zum Stillstand kommt, der Kunde den Fuß von der Kupplung nimmt und keine weiteren Abschaltverhinderer anliegen. Der automatische Motorstart erfolgt bei Treten der Kupplung über das CAS (Car Access Sys-tem) per Startfreigabe an den Anlasser. Zur Erhöhung der Systemsicherheit erfolgt der Sig-nalpfad über das CAS per Botschaft im BUS System und über eine feste Hardwareleitung auf redundantem Wege. Der Anlasser wurde aufgrund der höheren Anforderungen an Le-bensdauer und Dauerfestigkeit entsprechend verstärkt ausgeführt. Weitere Signale, die von der Betriebsstrategie zum Setzen von Abschaltverhinderern und Einschaltaufforderern herangezogen werden, senden die Klimaanlage, der Bremsunter-drucksensor und der intelligente Batteriesensor. Die höher zyklenfeste 12V Batterie in AGM Technologie (Absorbent Glass Mat) stellt die Stromversorgung während der Stopp Phasen sicher.

3 BMW Auto Start Stop Funktion und Emissionen

3.1 Einfluss auf CO2 Emissionen

Die BMW Auto Start Stop Funktion trägt zur Reduzierung der CO2 Emissionen bei, indem der Motor bei Fahrzeugstillstand abgestellt wird. Die eingesparte Menge Kraftstoff ist abhängig vom Leerlaufverbrauch und der Zeit, die sich das Fahrzeug im Stillstand befindet. Bei den modernen BMW Vierzylinder Benzin und Dieselmotoren beträgt der Leerlaufverbrauch nur ca. 0,4 – 0,6 Liter Kraftstoff je Stunde. Die für den Motorstart erforderliche Kraftstoffmenge beträgt 0,17 – 0,33 ml und der Energiebedarf des elektrischen Anlassers liegt bei ca. 800 Ws (entspricht ca. 0,2 ml Kraftstoff). Folglich ist es schon ab ca. 4-5 Sekunden energetisch vor-teilhaft, den Motor während einer Stillstandsphase abzustellen. Im Vergleich der verschiedenen BMW Modelle hatten die BMW 116i den höchsten Stadtan-teil mit den meisten Stoppphasen. Im Mittel betrug die Stillstandszeit 16% der Fahrtzeit und die mittlere Stoppdauer 25-35 Sekunden. Anhand dieser Daten wurde für die 116i Fahrer ein Verbrauchseinsparpotential durch die BMW Auto Start Stop Funktion von 3-5% ermittelt.

Bild 4: Aus energetischer Sicht ist ein Motorstopp ab 4-5 sec Fahrzeugstillstand vorteilhaft.

Im Europäischen Normverbrauchszyklus NEDC (Richtlinie 93/116/EWG) sind die Stillstands-zeiten fest vorgegeben. Auch die Zeitpunkte für Kupplungsbetätigung und Gangwechsel sind festgelegt. Der Motor wird zu den im Rollenprofil vorgegebenen Zeitpunkten „Kupplung schließen“ abgestellt und bei „Kupplung öffnen“ wieder gestartet. Von den insgesamt 293 Sekunden Fahrzeugstillstand im Europäischen Normverbrauchszyk-lus kann z.B. der BMW 4-Zylinder Dieselmotor für 160 Sekunden abgestellt werden. In den verbleibenden 133 s Fahrzeugstillstand läuft der Motor weiter. Hier ergibt sich noch bei Än-derung der Kupplungsbetätigungszeitpunkte im Normverbrauchszyklus oder Änderung der Bedienungsstrategie ein Optimierungspotential. Im Kundenbetrieb ist der Verbrauchsvorteil abhängig von Verkehrsfluss und Fahrstrecke. Naturgemäß ist der Verbrauchvorteil im Stadtbetrieb mit vielen Ampeln und Stop & Go Ver-kehr am größten. Durch Einbau von Aufzeichnungsgeräten in repräsentative Kundenfahr-zeuge wurden typische Kundenfahrprofile mit Anzahl der Stillstandsphasen ermittelt.

Bild 5: Die Aufteilung der Standphasen bei Fahrten mit einem BMW 116i.

3.2 Einfluss auf Schadstoffemissionen beim Benziner

Die neu entwickelte Schnellstartfunktion verhindert, dass während des Startvorgangs zusätz-liche unverbrannte Kohlenwasserstoffe entstehen. Mittels des neu entwickelten Kurbelwel-lenlagesensors mit Rückdreherkennung behält der Motor auch während des Stopps die Syn-chronisation bei. Dadurch können Einspritzung und Zündung schon bei der ersten Kompres-sion erfolgen. Gegenüber eines normalen Motorstarts betragen der Zeitgewinn 200 ms und damit die gesamte Startzeit 380 ms.

Bild 6: Mit der Schnellstartfunktion reduziert sich die Startzeit auf 380ms.

Das Aufheizen des Motors wird während der Warmlaufphase durch die Motorstopps leicht verzögert. Am Ende des Stadtanteils im EU-Verbrauchszyklus liegt die Kühlwassertempera-tur des Benzinmotors mit Motorstopp um 10°C niedriger als ohne Motorstopp. Die Warmlauf-phase des Motors verlängert sich dadurch geringfügig. In der Energiebilanz ist der Kraftstoff-Einspareffekt durch das Abstellen des Motors in den Leerlaufphasen jedoch höher als der Effekt durch einen schnelleren Warmlauf bei weiter laufendem Motor. Zur Kompensation dieses verzögerten Warmlaufs sind Maßnahmen im Wärmemanagement bei BMW in Ent-wicklung. Am Ende des Überlandanteils haben sich die Aufheizkurven mit und ohne Mo-torstopp wieder angeglichen.

Bild 7: Die Aufheizkurve des Kühlwassers im NEFZ Verbrauchszyklus beim Benziner.

Entscheidend für die Abgasqualität ist die auch während der Stoppphasen erhaltene Bereit-schaft der Abgasreinigungssysteme. Beim Benzinmotor wird der Motor im EU-Verbrauchs-zyklus ab der 3. Stillstandsphase abgestellt. In den ersten beiden Stillstandsphasen ist ein Motorlauf erforderlich, um den Katalysator auf die erforderliche Betriebstemperatur zu brin-gen. Während der Motorstillstandsphasen fällt das Temperaturniveau am Eingang des NOx Spei-cherkatalysators zwar geringfügig um ca. 20-30°C ab, jedoch bleibt das Temperaturniveau im Speicherkatalysator aufgrund seiner hohen Wärmekapazität nahezu konstant. Sowohl im NOx-Speicherkat als auch im Vorkatalysator bleiben die Temperaturniveaus erhal-ten, so dass die Schadstoffe auch nach den Stoppphasen zuverlässig konvertiert werden. Der Aktivkohlefilter der Tankentlüftung ist zur Vermeidung von HC Emissionen mit in die Be-triebsstrategie integriert. Bei den gelegentlich erforderlichen Spülvorgängen wird von der Motorsteuerung ein Abschaltverhinderer gesetzt, so dass der Motor nicht automatisch abge-stellt wird. In Summe ist die BMW Auto Start Stop Funktion neutral bezüglich der Abgaskom-ponenten HC, CO und NOx.

Bild 8: Termperaturverlauf im NOx Speicherkat während im NEFZ Verbrauchszyklus beim Benziner.

3.3 Einfluss auf Schadstoffemissionen beim Dieselmotor

Auch der Dieselmotor mit der BMW Auto Start Stop Funktion verfügt über eine neue Schnellstartfunktion. Einspritzung und Zündung erfolgen bei der ersten Kompression. Das Common Rail System wurde hierzu um eine Druckhaltefunktion ergänzt. Der Motor kann im EU-Verbrauchszyklus schon ab der ersten Leerlaufphase abgestellt wer-den. Ähnlich wie beim Benzinmotor verzögert sich die Aufheizung des Kühlwassers durch die Motorstopps am Ende der Stadtanteils um ca. 8°C. Auch beim Dieselmotor ist der Ein-spareffekt durch das Abstellen des Motors in den Leerlaufphasen höher als der Effekt durch einen schnelleren Warmlauf bei weiter laufendem Motor. In den Motor Stillstandsphasen kühlt sich der Vorkat geringfügig um ca. 5°C ab. Dies hat jedoch keinen Einfluss auf die Funktion des Katalysators.

Bild 9: Aufheizkurve des Kühlwassers im NEFZ Zyklus beim Dieselmotor.

Während der Motor Stillstandsphasen werden naturgemäß keine Schadstoffe erzeugt. Da-durch wird die Gesamtbilanz der Schadstoffemissionen (HC, CO, NOx) beim Dieselmotor durch die BMW Start Stopp Funktion tendenziell positiv. Während der gelegentlich erforderlichen Regenerationsphasen des Diesel Partikelfilters bleibt die BMW Start Stop Funktion weiterhin aktiv und der Motor wird automatisch abge-stellt.

Bild 10: Temperaturverlauf im Vorkats während des NEFZ Zyklus beim Dieselmotor.

4 Zusammenfassung und Ausblick

Die BMW Auto Start Stop Funktion ist eine Maßnahme im BMW EfficientDynamics Pro-gramm, die einen für den Kunden erlebbaren signifikanten Beitrag zur Reduzierung der CO2 Emissionen liefert. Mit dem serienmäßigen Einsatz in 2007 bei den Vierzylindermotoren mit Handschaltgetriebe ist BMW Vorreiter beim Einsatz eines Start Stopp Systems in der Groß-serie. Mit der BMW Auto Start Stop Funktion gelingt der Brückenschlag zwischen dem Kunden-wunsch nach einer leistungsstarken Motorisierung einerseits und geringem Kraftstoff-verbrauch anderseits. Der Motor wird einfach abgestellt, wenn er nicht benötigt wird. Da die Funktion nicht im Verborgenen arbeitet, sondern sowohl vom Fahrer als auch von Passanten wahrgenommen werden kann, hat sie einen hohen Wahrnehmungswert und unterstützt die Empfindung, sich als Besitzer eines BMW Fahrzeugs umweltbewusst zu verhalten. Der Verbrauchsvorteil der BMW Autos Start Stop Funktion im Kundenbetrieb ist abhängig von Fahrstrecke und Verkehrsfluss und liegt bei 2,5 – 5%. Im EU-Verbrauchszyklus beträgt der Verbrauchsvorteil 2,5- 3%. Aufgrund der steigenden Anforderungen an die Verbrauchseffizienz werden Start Stopp Sys-teme zukünftig Standard werden. Bei BMW wird an der Weiterentwicklung des System für den Einsatz bei 6-Zylindermotoren und in Fahrzeugen mit Automatikgetriebe gearbeitet.