王俊昌 李軍民

安陽工學(xué)院，機械工程學(xué)院，河南，安陽 455000

0 引 言

隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展和國民消費水平的不斷提升，中國汽車保有量已達(dá) 1.47億輛，這不僅加劇了能源緊張局面，也給環(huán)境保護(hù)帶來了嚴(yán)重壓力。全球石油資源緊張，石油價格仍有持續(xù)走高的趨勢。在車輛使用過程中，燃油消耗費用已成為汽車消費的主要成本之一；同時，我國石油對外依存度已突破國際公認(rèn)的50%能源安全線，2013年達(dá)到了58.1%[1]，能源形勢岌岌可危。面對資源約束趨緊的嚴(yán)峻形勢，對汽車滑行節(jié)能技術(shù)分析研究，降低車用燃油消耗，一舉多得、利國利民。

1 汽車滑行特征及其分類

1.1 汽車滑行的特征

所謂滑行，有兩方面含義，一是指滑動前進(jìn)，即一個物體在另一個物體上接觸面不變地移動，如滑冰等；二是指機動車行駛時，不依靠發(fā)動機的動力，而依靠慣性前進(jìn)[2]。顯然，這里所講的滑行是指其第二個含義，即：汽車在行駛中，解除發(fā)動機驅(qū)動力，靠汽車本身的慣性行駛，稱為汽車滑行。毋庸置疑，汽車滑行可以降低燃油消耗，實現(xiàn)節(jié)能的目的。在確保行車安全的前提下，合理采用車輛滑行方式，已被駕駛員廣泛采用。

滑行不僅指車輛依靠運動慣性自由前行，而且也包括車輛利用重力勢能無動力前行，在此過程中，車輛既可能處于帶擋滑行狀態(tài)，也可能處于脫擋滑行狀態(tài)，發(fā)動機既可能處于熄火運轉(zhuǎn)狀態(tài)，也可能處于非熄火狀態(tài)?？梢?，車輛滑行中無論處于何種狀態(tài)，其共同特征為：（1）發(fā)動機不再對車輛提供前進(jìn)所需的動力；（2）油門控制踏板處于怠速狀態(tài)。

1.2 汽車滑行的分類

按照傳統(tǒng)的汽車滑行分類方法，根據(jù)變速器擋位的不同，汽車滑行可分為：脫擋滑行和帶擋滑行；根據(jù)發(fā)動機的工作狀態(tài)不同，汽車滑行可分為：熄火滑行和不熄火滑行；傳統(tǒng)的車輛熄火滑行是指發(fā)動機處于熄火停轉(zhuǎn)狀態(tài)下的滑行，現(xiàn)代車輛廣泛采用制動真空助力裝置和轉(zhuǎn)向液壓助力裝置，發(fā)動機熄火停轉(zhuǎn)則會影響制動系、轉(zhuǎn)向系正常工作，不能滿足行車安全要求，可見，傳統(tǒng)的車輛熄火滑行方式已被禁止。現(xiàn)代的車輛熄火滑行有別于傳統(tǒng)的車輛熄火滑行，是在發(fā)動機處于慣性運轉(zhuǎn)而無可燃混合氣燃燒的狀態(tài)下的車輛滑行。由于現(xiàn)代電控燃油噴射發(fā)動機具有減速斷油功能，當(dāng)高速帶擋滑行時，車輛實際上就自動進(jìn)入熄火滑行狀態(tài)。因此，現(xiàn)代車輛節(jié)能滑行只能是發(fā)動機不熄火狀態(tài)下的脫擋滑行或者是發(fā)動機熄火熄火狀態(tài)下的帶擋滑行，即：現(xiàn)代汽車滑行實際上只有兩種：一是帶擋滑行，二是脫擋（不熄火）滑行。

2 汽車滑行節(jié)油機理

2.1 帶擋滑行節(jié)油機理分析

所謂帶擋滑行是指車輛滑行過程中，發(fā)動機通過離合器、變速器與傳動軸、車輪等相聯(lián)接，車輛依靠運動慣性，在帶動車輪旋轉(zhuǎn)的同時，并通過車輪反拖作用，帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)動。由于現(xiàn)代發(fā)動機具有減速斷油功能，在帶擋滑行過程中，發(fā)動機油門控制踏板處于放松狀態(tài)，且發(fā)動機在車輪的反拖作用下高速轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)速高于發(fā)動機斷油控制轉(zhuǎn)速，因此，在此滑行過程中發(fā)動機雖然處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)但噴油器不噴射燃油，當(dāng)其轉(zhuǎn)速降到1 200~1 500 n/min（不同車型對應(yīng)轉(zhuǎn)速不同）時噴油器恢復(fù)噴油。與非滑行狀態(tài)相比，從“減速斷油”到“正常噴油”這一過程中節(jié)約燃油，其斷油時間長短受發(fā)動機轉(zhuǎn)速高低影響；另一方面，在車輛帶擋滑行過程中，由于發(fā)動機運轉(zhuǎn)阻力對車輛有一定制動作用，相應(yīng)縮短了車輛滑行距離，因此，車輛帶擋滑行節(jié)油效果是上述兩方面因素的綜合。

2.2 脫擋滑行節(jié)油機理分析

所謂脫擋滑行是指車輛滑行過程中，通過變速器切斷與傳動軸、車輪等聯(lián)接，發(fā)動機依靠自身動力怠速轉(zhuǎn)動，車輛依靠運動慣性帶動車輪滑行。此滑行過程中發(fā)動機處于無負(fù)荷怠速狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于帶擋行駛過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速，與帶擋行駛相同距離所用燃油相比，大幅度減少了燃油消耗。并且，在脫擋滑行中，切斷了發(fā)動機運轉(zhuǎn)與車輪的聯(lián)系，避免發(fā)動機制動作用對滑行距離的影響，與帶擋滑行方式相比脫擋滑行時滑行距離更長。顯然，當(dāng)車輛脫擋滑行時的車速低于車輛帶擋滑行中發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)對應(yīng)的車速時，脫擋滑行是不節(jié)油的。

3 帶擋滑行與脫擋滑行節(jié)能性比較

3.1 論證方案設(shè)計

帶擋滑行與脫擋滑行均可節(jié)約燃油，但二者相比哪一種更節(jié)油？對此問題有多位學(xué)者通過試驗進(jìn)行驗證，但均帶有一定的片面性[3-4]。文獻(xiàn)[3]對兩種滑行模式對比時，只考慮滑行初速度，不考慮滑行末速度，其試驗可比性較差；車輛開始滑行時車速相同，滑行末速度不同，末速度高者說明滑行中損耗能量較少，滑行末速度較低的車輛再加速行駛時，必消耗較多的燃油，在比較燃油消耗時不能不考慮這一因素。在文獻(xiàn)[4]中，雖然是以不同的初、末速度進(jìn)行試驗，但沒把車輛具有不同速度（即：不同動能）的影響考慮在內(nèi)，其換算的滑行燃油消耗率，只是將某一段距離的累計燃油消耗換算為百公里油耗；其換算能耗的意義、目的沒表達(dá)清楚，合理性存疑。以不同的車速進(jìn)行滑行試驗，會影響到試驗數(shù)據(jù)，其選擇的滑行始、末速度合理性也待論證。

影響車輛滑行節(jié)油效果的主要因素有：車輛風(fēng)阻系數(shù)、車輛傳動系運轉(zhuǎn)阻力、車輛滑行初速度、末速度、輪胎與路面的附著系數(shù)等，如何使這些因素對不同滑行車輛的影響均相同，是確保正確比較不同滑行方式節(jié)油性能的關(guān)鍵所在。本文設(shè)計一論證方案，消除各種因素對不同車輛滑行影響的差別，以相同車型、相同道路、相同滑行始、末速度為條件進(jìn)行研究，并且取車輛處于高擋位帶擋滑行，滑行的末速度為車輛帶擋滑行時發(fā)動機恢復(fù)正常噴油時對應(yīng)車速，從能耗與做功相互轉(zhuǎn)換的角度，對兩種滑行方式的節(jié)油效果進(jìn)行理論分析比較。

設(shè)A、B兩車為同一型號的手動擋車輛，在同一道路上行駛，A車采用脫擋滑行方式，以減速度1a從車速1v滑行到2v，滑行距離為1s，此時發(fā)動機為怠速狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速為1n；B車采用帶擋滑行方式，以減速度2a從車速1v滑行到2v，滑行距離為2s，此時變速器掛高速擋、發(fā)動機轉(zhuǎn)速為恢復(fù)噴油轉(zhuǎn)速；然后A、B兩車均以相同的加速度0a加速到1v，再進(jìn)行滑行，以此類推，進(jìn)行多次循環(huán)滑行。令：A車滑行消耗燃油總量為AQ，每滑行一段距離1s消耗燃油為1Q。取汽油的熱值

3.2 滑行節(jié)能性推導(dǎo)

整理可得：

可見：A車k次滑行距離與B車 1 + k次滑行距離相等，且B車比A車多加速一次；A車在k次滑行過程中，所消耗燃油為 QA= kQ1。

由于 B車在此滑行過程中處于減速斷油狀態(tài)，不消耗燃油，但受發(fā)動機制動作用影響，縮短了滑行距離，若與A車滑行距離相等，需多滑行一次。

為便于對比分析，取B車與A車行駛距離相等，假設(shè) B車增加的一次滑行是通過瞬間加速實現(xiàn)車輛提速，這樣的加速過程為理想狀態(tài)，即：通過消耗燃油給B車注入能量kEΔ，將B車在沒有位移的情況下，由2v加速到1v；根據(jù)能量守恒定律，這一加速過程消耗燃油為

2

η—— 為車輛加速過程中發(fā)動機的指示熱效率。

從上述分析可知，在上述循環(huán)滑行的加速過程中，A、B兩車由于加速度相同，加速時初速度、末速度也相同，因此，每次加速所消耗的燃油也相同。由于B車比A車多加速一次，從而使B車在加速過程中比A車多消耗燃油BQ，因此，要比較A車與B車滑行節(jié)油性能，就應(yīng)比較 A車滑行中消耗燃油量QA與B車加速過程中多消耗燃油量 QB的大小。

令A(yù)車脫擋滑行過程中滑行阻力為 FA，B車帶擋滑行過程中滑行阻力為 FB；則A車滑行過程中阻力所作功為 WA= FAs1；由于在 A車滑行過程中，其動能減少量全部轉(zhuǎn)換為滑行阻力做功，因此，

將式（1）代入式（4），可得

式中， Ff為車輛滾動阻力； FC為車輛空氣阻力； Fj為發(fā)動機被拖動時反作用于車輪上的制動力；δ為汽車質(zhì)量換算系數(shù)；I為車輪的轉(zhuǎn)動慣量；r為車輪半徑。

由于A、B二車車型相同，平均車速相同，行駛道路相同，迎風(fēng)面積相同，因此，兩車輛滾動阻力相同、空氣阻力相同；則有： FB= FA+Fj，代入式（6）可得

由于車輛帶擋滑行中，車輪反拖帶動發(fā)動機高速轉(zhuǎn)動，此時發(fā)動機損失的功率包括：摩擦損失功率、泵氣損失功率和驅(qū)動輔助機械損失功率，這些損失功率均與發(fā)動機轉(zhuǎn)速成正比，且對車輪產(chǎn)生反制作用，阻礙車輛運動[5-6]。因此，令： Fj= k0n2，其中 k0為一待定系數(shù)，代入式（7）可得

式中，2n為車輛帶擋滑行中發(fā)動機的平均轉(zhuǎn)速。

將式（8）代入式（3）可得

同理，令發(fā)動機在車輛反拖作用下怠速運轉(zhuǎn)時，發(fā)動機對車輪產(chǎn)生的阻力 Fd為 Fd= k0n1，則在車輛反拖發(fā)動機怠速滑行 s1過程中發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)阻力所作負(fù)功 Wd為， Wd=Fds1=k0n1s1

根據(jù)能量守恒原則，A車在每滑行 s1過程中，要維持發(fā)動機無負(fù)荷怠速運轉(zhuǎn)需克服負(fù)功 Wd，因此，此過程中發(fā)動機耗油量為：

式中：1η—— 為怠速時發(fā)動機的指示熱效率；

n1—— 為發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速。

由式（9）、式（10）可得

整理后得

3.3 滑行節(jié)能性對比分析

判斷式（11）的值是否小于1，即可判斷脫擋滑行是否比帶擋滑行更省油。根據(jù)發(fā)動機減速斷油功能，發(fā)動機起始斷油轉(zhuǎn)速為 1 800～2 000 r/min，發(fā)動機恢復(fù)噴油轉(zhuǎn)速為 1 200～1 500 r/min，因此，帶擋滑行時發(fā)動機平均轉(zhuǎn)速不低于 1 600 r/min，故取n2≥1 600 r/min；發(fā)動機怠速n1= 8 00 r min，可見：

將式（12）代入式（11）可得

對于汽油機，其指示熱效率雖然隨負(fù)荷增加而增大，但最高指示熱效率也沒有達(dá)到怠速時指示熱效率的2倍以上；并且，在上式推導(dǎo)中，車輛脫擋滑行時發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)阻力是按反拖發(fā)動機時阻力計算，而反拖時阻力比正常運轉(zhuǎn)時阻力高15%～20%[7]；另一方面，上述推導(dǎo)中車輛 B額外多加速的過程是按理想過程計算耗油量，實際加速中耗油量要大于BQ，因此，式（13）值小于1；故可得出結(jié)論：電控汽油發(fā)動機車輛采用脫擋滑行比帶擋滑行更省油。對于柴油機，其指示熱效率隨負(fù)荷增加變化較大，且由于柴油發(fā)動機調(diào)速器的作用，在車輛帶擋滑行中發(fā)動機切斷噴油和恢復(fù)噴油時對應(yīng)轉(zhuǎn)速均較低，因此，在少數(shù)工況下，如：空車高擋低速時可能出現(xiàn)帶擋滑行比脫擋滑行節(jié)油的情況；但在通常情況下，特別是對于高轉(zhuǎn)速柴油機，仍是采用脫擋滑行方式比帶擋滑行方式節(jié)油。

式（13）的推導(dǎo)，是以 B車掛高速擋為前提，如滑行中車輛掛低速擋，則發(fā)動機轉(zhuǎn)動阻力將被放大，對車輛的制動作用更明顯；可見，車輛低速、低擋行駛時，脫擋滑行節(jié)油效果更好。

4 車輛滑行方式對節(jié)油性的影響

車輛在實際使用中，常常根據(jù)實際路況和交通狀況，選擇不同類別的滑行或不同組合方式的滑行。車輛常見滑行方式有：加速滑行、坡道滑行和減速滑行，選擇不同的滑行方式其節(jié)油效果相差較大。因此，辨明不同滑行方式對節(jié)油性的影響，根據(jù)實際路況合理選擇滑行方式，是提高節(jié)油效果的關(guān)鍵。

4.1 加速滑行節(jié)油性分析

加速滑行也稱為人為滑行，一般適用于平原地區(qū)或坡度在2%以下的良好道路?；星跋葘④囕v平穩(wěn)加速至經(jīng)濟車速，然后迅速放松油門踏板變換為滑行狀態(tài)，汽車?yán)眉铀贂r儲存的動能滑行。當(dāng)車速降到經(jīng)濟車速的 80%左右時，再平穩(wěn)加速車輛至經(jīng)濟車速，這樣加速與滑行交替進(jìn)行，即為加速滑行。在滑行時，發(fā)動機處于怠速或不噴油狀態(tài)，從而可節(jié)省一部分燃油；并且加速過程中，增大了發(fā)動機負(fù)荷率，降低了發(fā)動機比油耗，因此，通過加速滑行可降低車輛油耗[8]。

如前述論證，加速滑行采用脫擋滑行方式節(jié)油效果更好，但必須注意以下條件：

（1）自動變速器不能采取脫擋滑行方式。由于自動變速器潤滑油泵受發(fā)動機轉(zhuǎn)速影響，當(dāng)高速脫擋滑行時，變速器輸出軸、行星齒輪機構(gòu)在車輛帶動下高速旋轉(zhuǎn)，而發(fā)動機處于怠速狀態(tài)，潤滑油泵轉(zhuǎn)速和油壓都較低，潤滑質(zhì)量無法保證，會導(dǎo)致行星齒輪、軸承、變速器軸頸燒損等后果，因此，自動變速器禁止脫擋滑行。特別是當(dāng)空擋滑行過程中發(fā)動機意外熄火時，變速箱無油壓，無法實現(xiàn)換擋和發(fā)動機制動功能，即使重新將操縱桿換回到前進(jìn)擋位置也不起作用，車輛容易失控，危及人身安全。

（2）采用渦輪增壓發(fā)動機的車輛不宜脫擋滑行。對于渦輪增壓發(fā)動機，若采用脫擋滑行，發(fā)動機轉(zhuǎn)速急劇降低，機油泵供油量減少、供油壓力降低，而渦輪增壓器由于慣性作用，仍在高速旋轉(zhuǎn)，缺少機油的潤滑和冷卻，會導(dǎo)致渦輪增壓器燒損，因此，渦輪增壓發(fā)動機不宜采取脫擋滑行。

（3）加速滑行節(jié)油的另一因素在于：車輛加速過程比勻速行駛的發(fā)動機熱效率更高。一般車輛在良好道路上以正常車速行駛時，負(fù)荷率在 20%左右，在車輛加速時，發(fā)動機負(fù)荷率達(dá)到 70%~80%，從而提高發(fā)動機有效熱效率，降低其有效燃油消耗率[9]。因此，當(dāng)車輛勻速行駛發(fā)動機負(fù)荷率較低時，宜采用加速滑行模式；當(dāng)車輛滿載或上行坡道等發(fā)動機負(fù)荷較高情況，則不宜采取加速滑行。

4.2 坡道滑行節(jié)油性分析

坡道滑行是指利用汽車到達(dá)坡頂后的重力勢能和下坡時的運動慣性進(jìn)行滑行。適用于坡度小于5%長而寬直的坡道上，以及在陡坡接近坡尾處可采用坡道滑行?！吨腥A人民共和國道路交通安全法實施條例》第四章第二節(jié)第六十二條也明確規(guī)定：駕駛機動車下陡坡時不得熄火或空擋滑行，因此，下坡滑行速度應(yīng)控制在相應(yīng)路況的安全車速以內(nèi)，不能采用脫擋滑行，也不能踩下離合器滑行，以免越滑越快，以致于制動器不能控制車速。坡道滑行只能采用帶擋滑行方式，在發(fā)揮發(fā)動機制動作用的同時，利用其“減速斷油”功能實現(xiàn)節(jié)油。

4.3 減速滑行節(jié)油性分析

所謂減速滑行也稱為預(yù)見性滑行，是指汽車在行駛時，駕駛員在預(yù)見要減速或停車的情況下用滑行代替制動的方法。當(dāng)行駛到交叉路口遇紅燈，前方交通擁擠不能順利通過，道路不平需減速緩行，轉(zhuǎn)彎、橋梁、涵洞處會車，或到目的地停車之前等事先可預(yù)見的情況，均可采用提前滑行方式，利用車輛滑行阻力自動降低車速到相應(yīng)的安全范圍[10]。

“以滑代剎”是車輛減速滑行能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)油的根本所在，因此，減速滑行的基本原則是：充分利用汽車慣性，減少不必要制動。在紅綠燈路口允許滑行距離較短的情況下，若采用脫擋滑行方式，因滑行阻力小，車速降不下來，不得不再對車輛進(jìn)行制動，這樣會造成車輛動能無謂損耗；如采用帶擋滑行方式，縮短車輛滑行距離，及時將車速降到安全車速范圍，不但可以節(jié)省燃油，而且可以減少制動器的磨損與沖擊。因此，當(dāng)減速滑行時，在預(yù)見距離較短或車速較高的情況下，應(yīng)采用帶擋滑行方式，在充分利用滑行阻力降低車速、確保行車安全的同時，發(fā)揮“減速斷油”功能，降低車輛燃油消耗。

5 結(jié) 論

通過對車輛滑行節(jié)油機理研究，得出以下結(jié)論：

（1）車輛加速滑行過程中，采用脫擋滑行方式節(jié)油效果更高。

（2）在坡道滑行或超速擋位、高速行駛時，應(yīng)選擇帶擋滑行方式，既有利于行車安全，又可利用現(xiàn)代發(fā)動機“減速斷油”功能，實現(xiàn)節(jié)油。

（3）在低速擋位、低速行駛過程中，可采用脫擋滑行方式，以避免“發(fā)動機制動”對滑行造成影響，最大限度利用車輛運動慣性，降低燃油消耗。

（4）在視野差、可預(yù)見性行駛距離較短時，應(yīng)采用帶擋滑行方式，以滑代剎，避免在制動中損耗能量，有利于車輛節(jié)油。

（5）研發(fā)一種可實時實現(xiàn)帶擋滑行與脫擋滑行相互轉(zhuǎn)換的車輛滑行器，有助于合理選擇滑行方式，實現(xiàn)安全行車與節(jié)油降耗。

節(jié)油是一個日積月累過程，需注重車輛使用中每一項操作，從點滴節(jié)約做起，涓涓細(xì)流必成江河。

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