汽车滑行节油性研究

王俊昌 李军民

安阳工学院，机械工程学院，河南，安阳 455000

0 引 言

随着我国汽车工业的发展和国民消费水平的不断提升，中国汽车保有量已达 1.47亿辆，这不仅加剧了能源紧张局面，也给环境保护带来了严重压力。全球石油资源紧张，石油价格仍有持续走高的趋势。在车辆使用过程中，燃油消耗费用已成为汽车消费的主要成本之一；同时，我国石油对外依存度已突破国际公认的50%能源安全线，2013年达到了58.1%[1]，能源形势岌岌可危。面对资源约束趋紧的严峻形势，对汽车滑行节能技术分析研究，降低车用燃油消耗，一举多得、利国利民。

1 汽车滑行特征及其分类

1.1 汽车滑行的特征

所谓滑行，有两方面含义，一是指滑动前进，即一个物体在另一个物体上接触面不变地移动，如滑冰等；二是指机动车行驶时，不依靠发动机的动力，而依靠惯性前进[2]。显然，这里所讲的滑行是指其第二个含义，即：汽车在行驶中，解除发动机驱动力，靠汽车本身的惯性行驶，称为汽车滑行。毋庸置疑，汽车滑行可以降低燃油消耗，实现节能的目的。在确保行车安全的前提下，合理采用车辆滑行方式，已被驾驶员广泛采用。

滑行不仅指车辆依靠运动惯性自由前行，而且也包括车辆利用重力势能无动力前行，在此过程中，车辆既可能处于带挡滑行状态，也可能处于脱挡滑行状态，发动机既可能处于熄火运转状态，也可能处于非熄火状态。可见，车辆滑行中无论处于何种状态，其共同特征为：（1）发动机不再对车辆提供前进所需的动力；（2）油门控制踏板处于怠速状态。

1.2 汽车滑行的分类

按照传统的汽车滑行分类方法，根据变速器挡位的不同，汽车滑行可分为：脱挡滑行和带挡滑行；根据发动机的工作状态不同，汽车滑行可分为：熄火滑行和不熄火滑行；传统的车辆熄火滑行是指发动机处于熄火停转状态下的滑行，现代车辆广泛采用制动真空助力装置和转向液压助力装置，发动机熄火停转则会影响制动系、转向系正常工作，不能满足行车安全要求，可见，传统的车辆熄火滑行方式已被禁止。现代的车辆熄火滑行有别于传统的车辆熄火滑行，是在发动机处于惯性运转而无可燃混合气燃烧的状态下的车辆滑行。由于现代电控燃油喷射发动机具有减速断油功能，当高速带挡滑行时，车辆实际上就自动进入熄火滑行状态。因此，现代车辆节能滑行只能是发动机不熄火状态下的脱挡滑行或者是发动机熄火熄火状态下的带挡滑行，即：现代汽车滑行实际上只有两种：一是带挡滑行，二是脱挡（不熄火）滑行。

2 汽车滑行节油机理

2.1 带挡滑行节油机理分析

所谓带挡滑行是指车辆滑行过程中，发动机通过离合器、变速器与传动轴、车轮等相联接，车辆依靠运动惯性，在带动车轮旋转的同时，并通过车轮反拖作用，带动发动机转动。由于现代发动机具有减速断油功能，在带挡滑行过程中，发动机油门控制踏板处于放松状态，且发动机在车轮的反拖作用下高速转动，其转速高于发动机断油控制转速，因此，在此滑行过程中发动机虽然处于运转状态但喷油器不喷射燃油，当其转速降到1 200~1 500 n/min（不同车型对应转速不同）时喷油器恢复喷油。与非滑行状态相比，从“减速断油”到“正常喷油”这一过程中节约燃油，其断油时间长短受发动机转速高低影响；另一方面，在车辆带挡滑行过程中，由于发动机运转阻力对车辆有一定制动作用，相应缩短了车辆滑行距离，因此，车辆带挡滑行节油效果是上述两方面因素的综合。

2.2 脱挡滑行节油机理分析

所谓脱挡滑行是指车辆滑行过程中，通过变速器切断与传动轴、车轮等联接，发动机依靠自身动力怠速转动，车辆依靠运动惯性带动车轮滑行。此滑行过程中发动机处于无负荷怠速状态，其转速远低于带挡行驶过程中发动机转速，与带挡行驶相同距离所用燃油相比，大幅度减少了燃油消耗。并且，在脱挡滑行中，切断了发动机运转与车轮的联系，避免发动机制动作用对滑行距离的影响，与带挡滑行方式相比脱挡滑行时滑行距离更长。显然，当车辆脱挡滑行时的车速低于车辆带挡滑行中发动机怠速运转对应的车速时，脱挡滑行是不节油的。

3 带挡滑行与脱挡滑行节能性比较

3.1 论证方案设计

带挡滑行与脱挡滑行均可节约燃油，但二者相比哪一种更节油？对此问题有多位学者通过试验进行验证，但均带有一定的片面性[3-4]。文献[3]对两种滑行模式对比时，只考虑滑行初速度，不考虑滑行末速度，其试验可比性较差；车辆开始滑行时车速相同，滑行末速度不同，末速度高者说明滑行中损耗能量较少，滑行末速度较低的车辆再加速行驶时，必消耗较多的燃油，在比较燃油消耗时不能不考虑这一因素。在文献[4]中，虽然是以不同的初、末速度进行试验，但没把车辆具有不同速度（即：不同动能）的影响考虑在内，其换算的滑行燃油消耗率，只是将某一段距离的累计燃油消耗换算为百公里油耗；其换算能耗的意义、目的没表达清楚，合理性存疑。以不同的车速进行滑行试验，会影响到试验数据，其选择的滑行始、末速度合理性也待论证。

影响车辆滑行节油效果的主要因素有：车辆风阻系数、车辆传动系运转阻力、车辆滑行初速度、末速度、轮胎与路面的附着系数等，如何使这些因素对不同滑行车辆的影响均相同，是确保正确比较不同滑行方式节油性能的关键所在。本文设计一论证方案，消除各种因素对不同车辆滑行影响的差别，以相同车型、相同道路、相同滑行始、末速度为条件进行研究，并且取车辆处于高挡位带挡滑行，滑行的末速度为车辆带挡滑行时发动机恢复正常喷油时对应车速，从能耗与做功相互转换的角度，对两种滑行方式的节油效果进行理论分析比较。

设A、B两车为同一型号的手动挡车辆，在同一道路上行驶，A车采用脱挡滑行方式，以减速度1a从车速1v滑行到2v，滑行距离为1s，此时发动机为怠速状态，其转速为1n；B车采用带挡滑行方式，以减速度2a从车速1v滑行到2v，滑行距离为2s，此时变速器挂高速挡、发动机转速为恢复喷油转速；然后A、B两车均以相同的加速度0a加速到1v，再进行滑行，以此类推，进行多次循环滑行。令：A车滑行消耗燃油总量为AQ，每滑行一段距离1s消耗燃油为1Q。取汽油的热值

3.2 滑行节能性推导

整理可得：

可见：A车k次滑行距离与B车 1 + k次滑行距离相等，且B车比A车多加速一次；A车在k次滑行过程中，所消耗燃油为 QA= kQ1。

由于 B车在此滑行过程中处于减速断油状态，不消耗燃油，但受发动机制动作用影响，缩短了滑行距离，若与A车滑行距离相等，需多滑行一次。

为便于对比分析，取B车与A车行驶距离相等，假设 B车增加的一次滑行是通过瞬间加速实现车辆提速，这样的加速过程为理想状态，即：通过消耗燃油给B车注入能量kEΔ，将B车在没有位移的情况下，由2v加速到1v；根据能量守恒定律，这一加速过程消耗燃油为

2

η—— 为车辆加速过程中发动机的指示热效率。

从上述分析可知，在上述循环滑行的加速过程中，A、B两车由于加速度相同，加速时初速度、末速度也相同，因此，每次加速所消耗的燃油也相同。由于B车比A车多加速一次，从而使B车在加速过程中比A车多消耗燃油BQ，因此，要比较A车与B车滑行节油性能，就应比较 A车滑行中消耗燃油量QA与B车加速过程中多消耗燃油量 QB的大小。

令A车脱挡滑行过程中滑行阻力为 FA，B车带挡滑行过程中滑行阻力为 FB；则A车滑行过程中阻力所作功为 WA= FAs1；由于在 A车滑行过程中，其动能减少量全部转换为滑行阻力做功，因此，

将式（1）代入式（4），可得

式中， Ff为车辆滚动阻力； FC为车辆空气阻力； Fj为发动机被拖动时反作用于车轮上的制动力；δ为汽车质量换算系数；I为车轮的转动惯量；r为车轮半径。

由于A、B二车车型相同，平均车速相同，行驶道路相同，迎风面积相同，因此，两车辆滚动阻力相同、空气阻力相同；则有： FB= FA+Fj，代入式（6）可得

由于车辆带挡滑行中，车轮反拖带动发动机高速转动，此时发动机损失的功率包括：摩擦损失功率、泵气损失功率和驱动辅助机械损失功率，这些损失功率均与发动机转速成正比，且对车轮产生反制作用，阻碍车辆运动[5-6]。因此，令： Fj= k0n2，其中 k0为一待定系数，代入式（7）可得

式中，2n为车辆带挡滑行中发动机的平均转速。

将式（8）代入式（3）可得

同理，令发动机在车辆反拖作用下怠速运转时，发动机对车轮产生的阻力 Fd为 Fd= k0n1，则在车辆反拖发动机怠速滑行 s1过程中发动机怠速运转阻力所作负功 Wd为， Wd=Fds1=k0n1s1

根据能量守恒原则，A车在每滑行 s1过程中，要维持发动机无负荷怠速运转需克服负功 Wd，因此，此过程中发动机耗油量为：

式中：1η—— 为怠速时发动机的指示热效率；

n1—— 为发动机怠速转速。

由式（9）、式（10）可得

整理后得

3.3 滑行节能性对比分析

判断式（11）的值是否小于1，即可判断脱挡滑行是否比带挡滑行更省油。根据发动机减速断油功能，发动机起始断油转速为 1 800～2 000 r/min，发动机恢复喷油转速为 1 200～1 500 r/min，因此，带挡滑行时发动机平均转速不低于 1 600 r/min，故取n2≥1 600 r/min；发动机怠速n1= 8 00 r min，可见：

将式（12）代入式（11）可得

对于汽油机，其指示热效率虽然随负荷增加而增大，但最高指示热效率也没有达到怠速时指示热效率的2倍以上；并且，在上式推导中，车辆脱挡滑行时发动机怠速运转阻力是按反拖发动机时阻力计算，而反拖时阻力比正常运转时阻力高15%～20%[7]；另一方面，上述推导中车辆 B额外多加速的过程是按理想过程计算耗油量，实际加速中耗油量要大于BQ，因此，式（13）值小于1；故可得出结论：电控汽油发动机车辆采用脱挡滑行比带挡滑行更省油。对于柴油机，其指示热效率随负荷增加变化较大，且由于柴油发动机调速器的作用，在车辆带挡滑行中发动机切断喷油和恢复喷油时对应转速均较低，因此，在少数工况下，如：空车高挡低速时可能出现带挡滑行比脱挡滑行节油的情况；但在通常情况下，特别是对于高转速柴油机，仍是采用脱挡滑行方式比带挡滑行方式节油。

式（13）的推导，是以 B车挂高速挡为前提，如滑行中车辆挂低速挡，则发动机转动阻力将被放大，对车辆的制动作用更明显；可见，车辆低速、低挡行驶时，脱挡滑行节油效果更好。

4 车辆滑行方式对节油性的影响

车辆在实际使用中，常常根据实际路况和交通状况，选择不同类别的滑行或不同组合方式的滑行。车辆常见滑行方式有：加速滑行、坡道滑行和减速滑行，选择不同的滑行方式其节油效果相差较大。因此，辨明不同滑行方式对节油性的影响，根据实际路况合理选择滑行方式，是提高节油效果的关键。

4.1 加速滑行节油性分析

加速滑行也称为人为滑行，一般适用于平原地区或坡度在2%以下的良好道路。滑行前先将车辆平稳加速至经济车速，然后迅速放松油门踏板变换为滑行状态，汽车利用加速时储存的动能滑行。当车速降到经济车速的 80%左右时，再平稳加速车辆至经济车速，这样加速与滑行交替进行，即为加速滑行。在滑行时，发动机处于怠速或不喷油状态，从而可节省一部分燃油；并且加速过程中，增大了发动机负荷率，降低了发动机比油耗，因此，通过加速滑行可降低车辆油耗[8]。

如前述论证，加速滑行采用脱挡滑行方式节油效果更好，但必须注意以下条件：

（1）自动变速器不能采取脱挡滑行方式。由于自动变速器润滑油泵受发动机转速影响，当高速脱挡滑行时，变速器输出轴、行星齿轮机构在车辆带动下高速旋转，而发动机处于怠速状态，润滑油泵转速和油压都较低，润滑质量无法保证，会导致行星齿轮、轴承、变速器轴颈烧损等后果，因此，自动变速器禁止脱挡滑行。特别是当空挡滑行过程中发动机意外熄火时，变速箱无油压，无法实现换挡和发动机制动功能，即使重新将操纵杆换回到前进挡位置也不起作用，车辆容易失控，危及人身安全。

（2）采用涡轮增压发动机的车辆不宜脱挡滑行。对于涡轮增压发动机，若采用脱挡滑行，发动机转速急剧降低，机油泵供油量减少、供油压力降低，而涡轮增压器由于惯性作用，仍在高速旋转，缺少机油的润滑和冷却，会导致涡轮增压器烧损，因此，涡轮增压发动机不宜采取脱挡滑行。

（3）加速滑行节油的另一因素在于：车辆加速过程比匀速行驶的发动机热效率更高。一般车辆在良好道路上以正常车速行驶时，负荷率在 20%左右，在车辆加速时，发动机负荷率达到 70%~80%，从而提高发动机有效热效率，降低其有效燃油消耗率[9]。因此，当车辆匀速行驶发动机负荷率较低时，宜采用加速滑行模式；当车辆满载或上行坡道等发动机负荷较高情况，则不宜采取加速滑行。

4.2 坡道滑行节油性分析

坡道滑行是指利用汽车到达坡顶后的重力势能和下坡时的运动惯性进行滑行。适用于坡度小于5%长而宽直的坡道上，以及在陡坡接近坡尾处可采用坡道滑行。《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》第四章第二节第六十二条也明确规定：驾驶机动车下陡坡时不得熄火或空挡滑行，因此，下坡滑行速度应控制在相应路况的安全车速以内，不能采用脱挡滑行，也不能踩下离合器滑行，以免越滑越快，以致于制动器不能控制车速。坡道滑行只能采用带挡滑行方式，在发挥发动机制动作用的同时，利用其“减速断油”功能实现节油。

4.3 减速滑行节油性分析

所谓减速滑行也称为预见性滑行，是指汽车在行驶时，驾驶员在预见要减速或停车的情况下用滑行代替制动的方法。当行驶到交叉路口遇红灯，前方交通拥挤不能顺利通过，道路不平需减速缓行，转弯、桥梁、涵洞处会车，或到目的地停车之前等事先可预见的情况，均可采用提前滑行方式，利用车辆滑行阻力自动降低车速到相应的安全范围[10]。

“以滑代刹”是车辆减速滑行能够实现节油的根本所在，因此，减速滑行的基本原则是：充分利用汽车惯性，减少不必要制动。在红绿灯路口允许滑行距离较短的情况下，若采用脱挡滑行方式，因滑行阻力小，车速降不下来，不得不再对车辆进行制动，这样会造成车辆动能无谓损耗；如采用带挡滑行方式，缩短车辆滑行距离，及时将车速降到安全车速范围，不但可以节省燃油，而且可以减少制动器的磨损与冲击。因此，当减速滑行时，在预见距离较短或车速较高的情况下，应采用带挡滑行方式，在充分利用滑行阻力降低车速、确保行车安全的同时，发挥“减速断油”功能，降低车辆燃油消耗。

5 结 论

通过对车辆滑行节油机理研究，得出以下结论：

（1）车辆加速滑行过程中，采用脱挡滑行方式节油效果更高。

（2）在坡道滑行或超速挡位、高速行驶时，应选择带挡滑行方式，既有利于行车安全，又可利用现代发动机“减速断油”功能，实现节油。

（3）在低速挡位、低速行驶过程中，可采用脱挡滑行方式，以避免“发动机制动”对滑行造成影响，最大限度利用车辆运动惯性，降低燃油消耗。

（4）在视野差、可预见性行驶距离较短时，应采用带挡滑行方式，以滑代刹，避免在制动中损耗能量，有利于车辆节油。

（5）研发一种可实时实现带挡滑行与脱挡滑行相互转换的车辆滑行器，有助于合理选择滑行方式，实现安全行车与节油降耗。

节油是一个日积月累过程，需注重车辆使用中每一项操作，从点滴节约做起，涓涓细流必成江河。

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