汽車怠速熄火時間的調查與分析

許凌，魯楊，張蓉，遲英姿，魯植雄

（1.南京工業(yè)大學浦江學院，江蘇 南京 211134；2.南京農業(yè)大學工學院，江蘇 南京 210031）

1 前言

隨著世界各地汽車數量的急速上升，其產生的問題也開始越發(fā)嚴重，其中環(huán)境問題和能源問題尤為凸顯。為了減緩汽車的污染排放，我國近年開始實施怠速熄火的政策，即車主在停車超過3分鐘時需要熄火停車的規(guī)定。

《中華人民共和國大氣污染防治法（2016版）》第五十七條規(guī)定：“國家倡導環(huán)保駕駛，鼓勵燃油機動車駕駛人在不影響道路通行且需停車3分鐘以上的情況下熄滅發(fā)動機，減少大氣污染物的排放”。

《北京市大氣污染防治條例（2017版）》第七十四條規(guī)定：本市提倡環(huán)保駕駛。在學校、賓館、商場、公園、辦公場所、社區(qū)、醫(yī)院的周邊和停車場等不影響汽車正常行駛的地段，機動車駕駛員在停車3分鐘以上時，應當熄滅發(fā)動機。

但是，人們對停車怠速熄火的最佳時間也提出了疑問。有些人認為3分鐘的怠速時間是合理的[1,2]，因為時間過短無法保證汽車怠速所消耗的油耗和排放會低于汽車一次性啟動的油耗和排放，且從汽車保養(yǎng)來說，時間過短的頻繁啟動也會對汽車發(fā)動機有所損害[3]；有些人認為應根據地區(qū)實際決定，2分半或者2分鐘都可以；同時還有人認為多次熄火會損害汽車的發(fā)動機，這個時間長度會導致自己需要多次熄火，對汽車造成不可逆轉的損害[4,5]。本論文對汽車怠速熄火的時間進行了調查與分析，希望能從經濟環(huán)保和汽車自身等多方面的角度探求汽車怠速熄火的最佳時長，以求達到最佳節(jié)能減排的效果。

2 計算與分析

2.1 汽車油耗的理論計算

在計算氣缸的循環(huán)充氣量時，采用空氣流量法[6]，則每缸每循環(huán)充氣量可表示為：

式中：q為每缸每循環(huán)的進氣量，mg/ms；i為汽缸數；n為轉速，r/min；Q1為空氣流量，kg/h。

一般情況下，目標空燃比α=α1（基本量）+α2（校正量），則α1（基本量），即理論空燃比所對應的噴油脈寬TP為：

式中：Q為循環(huán)噴油量，mg/ms，；S為噴孔截面積，mm2；K為常數，K=0.03；μ為噴油孔的流量系數，約為0.7；ρ為汽油密度，約為0.7kg/L；Pa為燃油壓力，kPa。

冷卻水溫校正因子為：

式中：C為常數，t為冷卻水溫度，℃。

進氣溫度校正因子為：

式中：t為進氣溫度，℃。

電壓補償函數為：

式中：Tu為補償電壓，V；U為電源電壓，V。

由此可以得到α所對應的噴油脈寬T為：

得到噴油脈寬后，通過ECU中的噴油率就可以知道汽車怠速或重啟時所需要的噴油量了。

2.2 噴油量的計算與比較

現以4缸4沖程桑塔納轎車1.8L發(fā)動機為例進行實際計算，選用的計算參數為：負荷（進氣壓力）為 60kPa；進氣溫度為40℃。冷卻水溫度為80℃；噴孔截面積為10mm；燃油壓力為250kPa。其中怠速時發(fā)動機轉速為800r/min，熱車重啟時的轉速為1500r/min，查表可知，怠速時的空氣流量為8.5g/s，熱車重新啟動時的空氣流量為33.0g/s。

由于在怠速和重啟的實際計算中可以忽略校正量，所以此時噴油脈寬。即怠速時的噴油脈寬為0.100ms，重新啟動時的噴油脈寬為 0.191ms。又由于汽車的噴油率相同，則噴油脈寬越大，噴油量越大，即重啟噴油量是怠速噴油量的1.9倍。

2.3 汽車尾氣污染物的理論計算

隨汽車工業(yè)的發(fā)展和汽車保有量的增加，其尾氣排放對大氣環(huán)境的影響日趨嚴重，酸雨、酸霧等自然災害也日益增多。汽車環(huán)境相關產物中的有害排放物主要有尾氣排放物、燃油系統蒸發(fā)物和噪音。其中汽油機的尾氣排放物一般是CO、HC和NOX。

汽車行駛過程中，其尾氣污染物的多少與汽車行駛條件有很大關系，即汽車在怠速時HC和CO的濃度最高，NOX濃度最低；正常行駛時HC和CO濃度則小于怠速行駛的尾氣濃度[7]。同時，在汽車剛啟動時的尾氣濃度則大于汽車怠速時的尾氣濃度。即尾氣濃度大?。赫Ｐ旭偅嫉∷傩旭偅计噯印?/p>

汽車尾氣污染物的排放量采用經驗法計算[8]：

式中：D為廢氣排放量，m3；T為汽車運行時間，min；α為目標空燃比，理想狀態(tài)下可取14.7；Qs為燃油消耗量，kg/min；A為尾氣污染物密度。

而各污染物排放量則為：

式中：G為污染物排放量，mg；C為污染物的排放濃度，ppm（容積比）；X為容積與質量換算系數。

而汽車廢氣主要污染物中，容積與質量的換算系數為：

式中：X為污染物以每立方米的毫克數表示的濃度值，mg/m3；C為污染物以ppm或者%表示的濃度值；M為污染物的分子量，即CO=28，HC（以正戊烷計）=72，NO2=46；22.4為標準狀態(tài)下的氣體摩爾體積，mol/m3。

2.4 汽車尾氣污染物的比較

由于在重啟和怠速過程中，汽車的空燃比均小于14.7，因此可以近似相等，且在這兩個工況下的尾氣污染物可以近似相等，即在相同時間內，（D1，Qs1為重啟時的污染物排放量和燃油量，D2，Qs2為怠速時的污染物排放量和燃油量）。而在各污染物排放量的比較中，由于各污染物的換算系數（X1，C1為重啟時的各污染物換算系數和濃度，X2，C2為怠速時的各污染物換算系數和濃度）。因此，重啟與怠速時，各污染物排放量之比為（G1、G2為重啟與怠速時的各污染物排放量）。

因此，由實驗和文獻[7]可知，由于 CO重啟時的燃油消耗量與怠速時的燃油消耗量之比，而查表[9]可知，重啟時的標準濃度 C1為 4%-10%，怠速時標準濃度 C2為 3%-8%，則近似等于1.27，即。而HC重啟時的燃油消耗量與怠速時的燃油消耗量之比也為，查表可知，重啟時的標準濃度 C3為 500-2000ppm，怠速時標準濃度濃度C4為 1200ppm，則近似等于1.04，即。所以，就CO和HC來說，重啟時的尾氣污染物質量是怠速行駛工況下的尾氣污染物的2-3倍。

3 實驗與分析

3.1 汽車油耗量的測定與比較

關于怠速行駛工況下的油耗，由于實地較難檢測，所以在查閱資料后，采取了車托之家論壇的檢測方法。首先使汽車進入熱車狀態(tài)，然后將油加滿至油箱口。打開空調，將風量設定為最大風量的三分之一，開始停車怠速，在計滿一小時后再重新加滿油得出最終結果，如表1所示。

表1 怠速行駛工況下的油耗實驗記錄表

關于重新啟動工況下的油耗，每怠速3分鐘后熄火，然后等待3分鐘后重啟（因為各款汽車平均重啟時間為2秒鐘左右，所以假設為2秒鐘），即大概6分鐘一個循環(huán)，這樣也經過一個小時后，共重啟10次。最后，重新加滿油，讀取加油具體數據，得出最終結果，如表2所示。

由表2可知，上汽（1.5排量）重啟時的燃油消耗量是怠速時的倍，東風本田（1.8排量）重啟時的燃油消耗量為怠速時的倍，一汽奧迪（2.5排量）重啟時的燃油消耗量為怠速時的倍。由于加油站的加油量只能精確到0.01，所以可能造成一定程度上的誤差，但是就平均而言，汽車重啟時的燃油消耗量是怠速的4.93倍，接近于5倍的關系，即汽車怠速5秒后的油耗量就與汽車重啟的油耗量相同。

表2 重新啟動工況下的油耗實驗記錄表

3.2 汽車尾氣污染物排放量的測定與比較

本次汽車尾氣污染物排放量的實驗分為怠速工況和重新啟動工況的汽車尾氣污染物排放量實驗[9]。由于怠速時氮氧化物含量很低，所以此次試驗中忽略 NOX，只記錄與分析CO和HC。本實驗取用汽車為桑塔納SVU7180CEI，發(fā)動機號為AFE0451759，排量為1.8L，使用年限為13年。

第一次實驗時，汽車在啟動后污染排放量不斷攀升，到15秒時CO上升至5.28%，HC上升至6765ppm，1分鐘后CO下降至2.21%，HC下降至4020ppm，1分45秒后CO下降至1.45%，HC下降至2707ppm，且經過10分鐘后數據沒有變化，即處于怠速穩(wěn)定工況。后面幾次實驗的趨勢與第一次實驗相同。怠速行駛工況和重新啟動工況下的檢測結果如表3和表4所示。

表3 怠速行駛工況下的尾氣污染物檢測結果

表4 重新啟動工況下的尾氣污染物檢測結果

由以上數據可知，該汽車重新啟動工況時CO是汽車怠速行駛工況的倍，而汽車重新啟動工況時HC是汽車怠速行駛工況的倍。因此，綜合數據統計可知，汽車穩(wěn)態(tài)怠速行駛3.5秒以上就超過了汽車重新啟動的尾氣污染物排放量。

4 調查與分析

4.1 調查問卷的發(fā)放與回收

此次共發(fā)放調查問卷378份，其中實地問卷調查共發(fā)放200份調查問卷，回收200份；網絡問卷調查共回收178份調查問卷。在回收的378份調查問卷中，共有男性駕駛員228人，女性駕駛員150人。

4.2 調查問卷的怠速熄火選擇

對于遇到紅綠燈時的怠速熄火選擇，在遇到紅綠燈時，接近一半的駕駛員會選擇怠速等待而不熄火。而對于遇到紅綠燈會選擇熄火的駕駛員，有近三分之一的駕駛員在遇到紅燈16至30秒后會熄火等待，有27.59%的駕駛員在遇到紅燈31至45秒后會熄火等待，有22.41%的駕駛員在遇到紅燈少于15秒時會熄火等待，而多于45秒時熄火等待的駕駛員則相對較少。由此可見大多數駕駛員在紅燈少于45秒時會選擇怠速等待而非熄火等待，而除了大交叉口的紅綠燈，大多數紅燈時間少于45秒，也就是說，駕駛員在遇到紅燈時怠速等待的可能性很大。

對于遇到交通堵塞時的怠速熄火選擇，43.1%的駕駛員在遇到堵車時會選擇怠速等待，31.03%的駕駛員在遇到堵車時會選擇熄火等待，而25.86%的駕駛員則會具體情況具體分析。而在交通堵塞會選擇熄火的駕駛員，46.55%的駕駛員在等待 1-3分鐘后就會選擇熄火，24.14%的駕駛員在等待 0-1分鐘后就會熄火。由此可見，接近一半的駕駛員在等待 1-3分鐘后就會熄火，且接近七分之六的駕駛員等待時間在五分鐘以內，一直到交通重新暢通，他們認為這個時間段是最節(jié)油環(huán)保的，且對于他們自身的心理來說，能夠接受汽車等待時怠速的時間的長度。因此，堵車時的怠速時間大致上在五分鐘以內。

對于在路邊等人時的怠速熄火選擇，等人時怠速熄火的概率較為平均，而在等人過程中，很多駕駛員會視等人的時間長短來判斷是否熄火，53.45%的駕駛員在路邊等人時，怠速1-3分鐘就會熄火，也就是說，超過一半的駕駛員在靠邊等人時怠速1-3分鐘后選擇熄火而不是繼續(xù)怠速等待。由此看來，大多數駕駛員等人時如果能夠預料等待的時間，那么就會按照等待習慣熄火，而如果不知道時間時，在等待 1-3分鐘后，就會熄火。因此，路邊熄火等待的汽車比其他兩種情況下的汽車要多。

4.3 汽車怠速等待最佳時間

當路人發(fā)現周圍汽車在怠速等待時，36.51%的人能夠忍受3分鐘，28.57%的人能夠忍受5分鐘，而各有17.46%的人在發(fā)現汽車怠速時只能夠忍受1分鐘或者能夠忍受5分鐘以上，如圖1所示。由此可見當路人發(fā)現周圍有汽車在怠速等待時，容忍極限的較大范圍是3至5分鐘，也有時間更短或者更長的容忍時間，但是相對于3分鐘和5分鐘來說，其所占比例的總和還未達到35%。由于此次的問卷調查只是屬于定性調查，對定量的要求不是很嚴苛，所以，大致上可以認為路人在發(fā)現周圍汽車怠速時，忍耐極限為3分鐘至5分鐘。

而對于汽車的怠速工況，最為突出的就是節(jié)油環(huán)保這兩方面。對于最佳節(jié)油環(huán)保的時間，有86.51%的駕駛員認為汽車怠速熄火時間為5分鐘以下（包括5分鐘）較為節(jié)油環(huán)保，其中超過三分之一的駕駛員認為怠速3分鐘后熄火最為節(jié)油環(huán)保，而只有13.49%的駕駛員認為怠速熄火時間為5分鐘以上較為節(jié)油環(huán)保，如圖2所示。由此可見，大多數的駕駛員認為汽車怠速熄火時間在5分鐘以下最為節(jié)油環(huán)保。而就各年齡段和不同性別的分類統計來說，均有一致的認識，與總體統計圖的趨勢相一致。雖然怠速1分鐘后熄火和5分鐘后熄火的駕駛員可能有變化，但是怠速3分鐘后熄火最為節(jié)油環(huán)保的認知基本上是一致的，且汽車怠速熄火時間5分鐘以下（包括5分鐘）較為節(jié)油環(huán)保也是一致的。因此，相對來說，怠速熄火時間為3分鐘最為節(jié)油環(huán)保是大多數駕駛員認同的。

圖1 駕駛員認為汽車怠速等待的最長忍受時間

圖2 環(huán)保節(jié)油的最佳怠速等待時間

5 結果與討論

5.1 理論與實驗結果的對比

由理論計算可知，汽車重啟時的油耗是汽車怠速的 1.9倍，尾氣污染物是2-3倍，換言之，汽車怠速2秒的油耗就與重啟的油耗相同，汽車怠速2至3秒的尾氣污染物就與重啟相同。而由實驗可以看出，汽車怠速5秒的油耗與重啟相同，汽車怠速3.5秒的尾氣污染物與重啟相同。

上述結果可以看出，實驗結果高于理論計算結果，這可能有多方面的原因。其一，由于汽車重啟時的油耗量較小，而加油時的油表的量程又較大，所以可能導致實驗誤差增加；其二，由于實驗用車年限較久，所以本身測量的 HC和CO的值就遠遠大于國家標準。

5.2 汽車本身對怠速時間的影響

又由于汽車自身的限制，還需要考慮多次啟動汽車對汽車本身的傷害程度。如果單純按照實驗的結果，怠速時間超過3-5秒鐘就需要熄火等待，這樣過于頻繁的熄火、啟動對汽車的起動機及蓄電池也會造成一定不可逆轉的損害。汽車專家觀點：停啟頻繁確實會對發(fā)動機和蓄電池有一些磨損，但那都是按照工信部規(guī)定的行駛工況，在嚴苛的條件下測試的結果。如果視日常老百姓使用汽車，這些磨損就可以忽略不計，可能發(fā)動機還沒有到這個壽命就要換新車了。平常所接觸的家用車發(fā)動機，一般都有啟動5萬次以上的壽命，假設每天需要再啟動10次，那么，一年為3650次，10年才3萬多次，發(fā)動機仍然是可用的。因此，只要不像實驗過程中那么過于頻繁地啟動發(fā)動機，汽車損害程度還是很低的。

5.3 駕駛員對怠速熄火時間的觀點

在調查問卷中，就環(huán)保節(jié)油問題而言，86.51%的環(huán)保認為汽車怠速熄火時間為5分鐘以下（包括5分鐘）較為節(jié)油環(huán)保，其中超過三分之一的環(huán)保認為怠速3分鐘后熄火最為節(jié)油環(huán)保，而只有13.49%的環(huán)保認為怠速熄火時間為5分鐘以上較為節(jié)油環(huán)保。由此可見，大多數的環(huán)保認為汽車怠速熄火時間在5分鐘以下最為節(jié)油環(huán)保。而就各年齡段和不同性別的分類統計來說，均有一致的認識，與總體統計圖的趨勢相一致。雖然怠速1分鐘后熄火和5分鐘后熄火的人數有所變化，但是怠速3分鐘后熄火最為節(jié)油環(huán)保的認知基本上是一致的，且汽車怠速熄火時間5分鐘以下（包括5分鐘）較為節(jié)油環(huán)保也是一致的。因此，相對來說，怠速熄火時間為3分鐘最為節(jié)油環(huán)保是多數駕駛員認同的。

5.4 建議與討論

綜上所述，現出臺的大氣污染條例中，“3分鐘怠速熄火”有一定的道理。由于各汽車的性能與排量等的不同，導致汽車油耗與尾氣排放量也不同。雖然重啟時的油耗和尾氣排放量分別只有怠速工況時的1-5倍，但是還需要從其他各個方面進行考慮。換言之，雖然汽車怠速3-5秒的油耗或者尾氣排放物與重啟工況相同，也不能簡單認為汽車怠速熄火的時間為3-5秒。

由上述意見可知，除了要考慮汽車節(jié)能環(huán)保的方面，還要考慮到汽車發(fā)動機的磨損，蓄電池及起動機的損傷，具體交通狀態(tài)下的停車狀況以及駕駛員對此的接受程度。

即使很多車速的油耗和尾氣污染物與重啟時的油耗和尾氣污染物的交叉點遠遠低于3分鐘，甚至于美國、西班牙等國家的規(guī)定速熄火時間為60秒，日本為20秒[2]，但是由于該條例需要考慮中國的具體交通環(huán)境以及所有汽車損耗的情況以及駕駛員對該時間的看法，所以從一定程度上來說，3分鐘還是比較合理的。就大部分汽車而言，3分鐘是一個較為合適的時間節(jié)點。因此，從節(jié)油環(huán)保以及汽車自身方面考慮，提倡汽車3分鐘怠速熄火。

[1] Shancita H H,Masjuki M A,Kalam I M. A review on idling reduction strategies to improve fuel economy and reduce exhaust emissions of transport vehicles[J].Energy Conversion and Management, 2014（88）:794～807.

[2] Rong-Chang Jou, Chih-Wei Pai, Yuan-Chan Wu. Idling stop fines for exceeding legal idling times–From the driver’s perspective. Trans-portation Research[J], 2014（66）:88～99.

[3] 王俊昌,李軍民.汽車啟動與起步過程燃油消耗分析[J].安陽工學院學報,2013,12（6）:22～25.

[4] 劉寶雙,高波.機動車駕駛員紅燈怠速熄火的意愿研究[J]. 公路交通科技,應用技術版,2017,（11）:269-272.

[5] 初彥龍.機動車長時間停車怠速不熄火處罰的可行性探究[J].遼寧警察學院學報,2015,（2）:26-29.

[6] 汪云.發(fā)動機噴油量的計算[J].內燃機,2005（1）:22～24.

[7] 周慶輝.現代汽車排放控制技術[M].北京:北京大學出版社,2010:15～42.

[8] 楊強,單敏.地下車庫汽車尾氣污染源強計算淺析[J].環(huán)境科學與管理,2006,31（5）:75～77.

[9] 陳永林,曹曉春,吳柳柳.汽車尾氣排放量的計算方法[J].浙江交通職業(yè)技術學院學報,2009,10（3）:20～25.