汽车怠速熄火时间的调查与分析

许凌，鲁杨，张蓉，迟英姿，鲁植雄

（1.南京工业大学浦江学院，江苏 南京 211134；2.南京农业大学工学院，江苏 南京 210031）

1 前言

随着世界各地汽车数量的急速上升，其产生的问题也开始越发严重，其中环境问题和能源问题尤为凸显。为了减缓汽车的污染排放，我国近年开始实施怠速熄火的政策，即车主在停车超过3分钟时需要熄火停车的规定。

《中华人民共和国大气污染防治法（2016版）》第五十七条规定：“国家倡导环保驾驶，鼓励燃油机动车驾驶人在不影响道路通行且需停车3分钟以上的情况下熄灭发动机，减少大气污染物的排放”。

《北京市大气污染防治条例（2017版）》第七十四条规定：本市提倡环保驾驶。在学校、宾馆、商场、公园、办公场所、社区、医院的周边和停车场等不影响汽车正常行驶的地段，机动车驾驶员在停车3分钟以上时，应当熄灭发动机。

但是，人们对停车怠速熄火的最佳时间也提出了疑问。有些人认为3分钟的怠速时间是合理的[1,2]，因为时间过短无法保证汽车怠速所消耗的油耗和排放会低于汽车一次性启动的油耗和排放，且从汽车保养来说，时间过短的频繁启动也会对汽车发动机有所损害[3]；有些人认为应根据地区实际决定，2分半或者2分钟都可以；同时还有人认为多次熄火会损害汽车的发动机，这个时间长度会导致自己需要多次熄火，对汽车造成不可逆转的损害[4,5]。本论文对汽车怠速熄火的时间进行了调查与分析，希望能从经济环保和汽车自身等多方面的角度探求汽车怠速熄火的最佳时长，以求达到最佳节能减排的效果。

2 计算与分析

2.1 汽车油耗的理论计算

在计算气缸的循环充气量时，采用空气流量法[6]，则每缸每循环充气量可表示为：

式中：q为每缸每循环的进气量，mg/ms；i为汽缸数；n为转速，r/min；Q1为空气流量，kg/h。

一般情况下，目标空燃比α=α1（基本量）+α2（校正量），则α1（基本量），即理论空燃比所对应的喷油脉宽TP为：

式中：Q为循环喷油量，mg/ms，；S为喷孔截面积，mm2；K为常数，K=0.03；μ为喷油孔的流量系数，约为0.7；ρ为汽油密度，约为0.7kg/L；Pa为燃油压力，kPa。

冷却水温校正因子为：

式中：C为常数，t为冷却水温度，℃。

进气温度校正因子为：

式中：t为进气温度，℃。

电压补偿函数为：

式中：Tu为补偿电压，V；U为电源电压，V。

由此可以得到α所对应的喷油脉宽T为：

得到喷油脉宽后，通过ECU中的喷油率就可以知道汽车怠速或重启时所需要的喷油量了。

2.2 喷油量的计算与比较

现以4缸4冲程桑塔纳轿车1.8L发动机为例进行实际计算，选用的计算参数为：负荷（进气压力）为 60kPa；进气温度为40℃。冷却水温度为80℃；喷孔截面积为10mm；燃油压力为250kPa。其中怠速时发动机转速为800r/min，热车重启时的转速为1500r/min，查表可知，怠速时的空气流量为8.5g/s，热车重新启动时的空气流量为33.0g/s。

由于在怠速和重启的实际计算中可以忽略校正量，所以此时喷油脉宽。即怠速时的喷油脉宽为0.100ms，重新启动时的喷油脉宽为 0.191ms。又由于汽车的喷油率相同，则喷油脉宽越大，喷油量越大，即重启喷油量是怠速喷油量的1.9倍。

2.3 汽车尾气污染物的理论计算

随汽车工业的发展和汽车保有量的增加，其尾气排放对大气环境的影响日趋严重，酸雨、酸雾等自然灾害也日益增多。汽车环境相关产物中的有害排放物主要有尾气排放物、燃油系统蒸发物和噪音。其中汽油机的尾气排放物一般是CO、HC和NOX。

汽车行驶过程中，其尾气污染物的多少与汽车行驶条件有很大关系，即汽车在怠速时HC和CO的浓度最高，NOX浓度最低；正常行驶时HC和CO浓度则小于怠速行驶的尾气浓度[7]。同时，在汽车刚启动时的尾气浓度则大于汽车怠速时的尾气浓度。即尾气浓度大小：正常行驶＜怠速行驶＜汽车启动。

汽车尾气污染物的排放量采用经验法计算[8]：

式中：D为废气排放量，m3；T为汽车运行时间，min；α为目标空燃比，理想状态下可取14.7；Qs为燃油消耗量，kg/min；A为尾气污染物密度。

而各污染物排放量则为：

式中：G为污染物排放量，mg；C为污染物的排放浓度，ppm（容积比）；X为容积与质量换算系数。

而汽车废气主要污染物中，容积与质量的换算系数为：

式中：X为污染物以每立方米的毫克数表示的浓度值，mg/m3；C为污染物以ppm或者%表示的浓度值；M为污染物的分子量，即CO=28，HC（以正戊烷计）=72，NO2=46；22.4为标准状态下的气体摩尔体积，mol/m3。

2.4 汽车尾气污染物的比较

由于在重启和怠速过程中，汽车的空燃比均小于14.7，因此可以近似相等，且在这两个工况下的尾气污染物可以近似相等，即在相同时间内，（D1，Qs1为重启时的污染物排放量和燃油量，D2，Qs2为怠速时的污染物排放量和燃油量）。而在各污染物排放量的比较中，由于各污染物的换算系数（X1，C1为重启时的各污染物换算系数和浓度，X2，C2为怠速时的各污染物换算系数和浓度）。因此，重启与怠速时，各污染物排放量之比为（G1、G2为重启与怠速时的各污染物排放量）。

因此，由实验和文献[7]可知，由于 CO重启时的燃油消耗量与怠速时的燃油消耗量之比，而查表[9]可知，重启时的标准浓度 C1为 4%-10%，怠速时标准浓度 C2为 3%-8%，则近似等于1.27，即。而HC重启时的燃油消耗量与怠速时的燃油消耗量之比也为，查表可知，重启时的标准浓度 C3为 500-2000ppm，怠速时标准浓度浓度C4为 1200ppm，则近似等于1.04，即。所以，就CO和HC来说，重启时的尾气污染物质量是怠速行驶工况下的尾气污染物的2-3倍。

3 实验与分析

3.1 汽车油耗量的测定与比较

关于怠速行驶工况下的油耗，由于实地较难检测，所以在查阅资料后，采取了车托之家论坛的检测方法。首先使汽车进入热车状态，然后将油加满至油箱口。打开空调，将风量设定为最大风量的三分之一，开始停车怠速，在计满一小时后再重新加满油得出最终结果，如表1所示。

表1 怠速行驶工况下的油耗实验记录表

关于重新启动工况下的油耗，每怠速3分钟后熄火，然后等待3分钟后重启（因为各款汽车平均重启时间为2秒钟左右，所以假设为2秒钟），即大概6分钟一个循环，这样也经过一个小时后，共重启10次。最后，重新加满油，读取加油具体数据，得出最终结果，如表2所示。

由表2可知，上汽（1.5排量）重启时的燃油消耗量是怠速时的倍，东风本田（1.8排量）重启时的燃油消耗量为怠速时的倍，一汽奥迪（2.5排量）重启时的燃油消耗量为怠速时的倍。由于加油站的加油量只能精确到0.01，所以可能造成一定程度上的误差，但是就平均而言，汽车重启时的燃油消耗量是怠速的4.93倍，接近于5倍的关系，即汽车怠速5秒后的油耗量就与汽车重启的油耗量相同。

表2 重新启动工况下的油耗实验记录表

3.2 汽车尾气污染物排放量的测定与比较

本次汽车尾气污染物排放量的实验分为怠速工况和重新启动工况的汽车尾气污染物排放量实验[9]。由于怠速时氮氧化物含量很低，所以此次试验中忽略 NOX，只记录与分析CO和HC。本实验取用汽车为桑塔纳SVU7180CEI，发动机号为AFE0451759，排量为1.8L，使用年限为13年。

第一次实验时，汽车在启动后污染排放量不断攀升，到15秒时CO上升至5.28%，HC上升至6765ppm，1分钟后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，且经过10分钟后数据没有变化，即处于怠速稳定工况。后面几次实验的趋势与第一次实验相同。怠速行驶工况和重新启动工况下的检测结果如表3和表4所示。

表3 怠速行驶工况下的尾气污染物检测结果

表4 重新启动工况下的尾气污染物检测结果

由以上数据可知，该汽车重新启动工况时CO是汽车怠速行驶工况的倍，而汽车重新启动工况时HC是汽车怠速行驶工况的倍。因此，综合数据统计可知，汽车稳态怠速行驶3.5秒以上就超过了汽车重新启动的尾气污染物排放量。

4 调查与分析

4.1 调查问卷的发放与回收

此次共发放调查问卷378份，其中实地问卷调查共发放200份调查问卷，回收200份；网络问卷调查共回收178份调查问卷。在回收的378份调查问卷中，共有男性驾驶员228人，女性驾驶员150人。

4.2 调查问卷的怠速熄火选择

对于遇到红绿灯时的怠速熄火选择，在遇到红绿灯时，接近一半的驾驶员会选择怠速等待而不熄火。而对于遇到红绿灯会选择熄火的驾驶员，有近三分之一的驾驶员在遇到红灯16至30秒后会熄火等待，有27.59%的驾驶员在遇到红灯31至45秒后会熄火等待，有22.41%的驾驶员在遇到红灯少于15秒时会熄火等待，而多于45秒时熄火等待的驾驶员则相对较少。由此可见大多数驾驶员在红灯少于45秒时会选择怠速等待而非熄火等待，而除了大交叉口的红绿灯，大多数红灯时间少于45秒，也就是说，驾驶员在遇到红灯时怠速等待的可能性很大。

对于遇到交通堵塞时的怠速熄火选择，43.1%的驾驶员在遇到堵车时会选择怠速等待，31.03%的驾驶员在遇到堵车时会选择熄火等待，而25.86%的驾驶员则会具体情况具体分析。而在交通堵塞会选择熄火的驾驶员，46.55%的驾驶员在等待 1-3分钟后就会选择熄火，24.14%的驾驶员在等待 0-1分钟后就会熄火。由此可见，接近一半的驾驶员在等待 1-3分钟后就会熄火，且接近七分之六的驾驶员等待时间在五分钟以内，一直到交通重新畅通，他们认为这个时间段是最节油环保的，且对于他们自身的心理来说，能够接受汽车等待时怠速的时间的长度。因此，堵车时的怠速时间大致上在五分钟以内。

对于在路边等人时的怠速熄火选择，等人时怠速熄火的概率较为平均，而在等人过程中，很多驾驶员会视等人的时间长短来判断是否熄火，53.45%的驾驶员在路边等人时，怠速1-3分钟就会熄火，也就是说，超过一半的驾驶员在靠边等人时怠速1-3分钟后选择熄火而不是继续怠速等待。由此看来，大多数驾驶员等人时如果能够预料等待的时间，那么就会按照等待习惯熄火，而如果不知道时间时，在等待 1-3分钟后，就会熄火。因此，路边熄火等待的汽车比其他两种情况下的汽车要多。

4.3 汽车怠速等待最佳时间

当路人发现周围汽车在怠速等待时，36.51%的人能够忍受3分钟，28.57%的人能够忍受5分钟，而各有17.46%的人在发现汽车怠速时只能够忍受1分钟或者能够忍受5分钟以上，如图1所示。由此可见当路人发现周围有汽车在怠速等待时，容忍极限的较大范围是3至5分钟，也有时间更短或者更长的容忍时间，但是相对于3分钟和5分钟来说，其所占比例的总和还未达到35%。由于此次的问卷调查只是属于定性调查，对定量的要求不是很严苛，所以，大致上可以认为路人在发现周围汽车怠速时，忍耐极限为3分钟至5分钟。

而对于汽车的怠速工况，最为突出的就是节油环保这两方面。对于最佳节油环保的时间，有86.51%的驾驶员认为汽车怠速熄火时间为5分钟以下（包括5分钟）较为节油环保，其中超过三分之一的驾驶员认为怠速3分钟后熄火最为节油环保，而只有13.49%的驾驶员认为怠速熄火时间为5分钟以上较为节油环保，如图2所示。由此可见，大多数的驾驶员认为汽车怠速熄火时间在5分钟以下最为节油环保。而就各年龄段和不同性别的分类统计来说，均有一致的认识，与总体统计图的趋势相一致。虽然怠速1分钟后熄火和5分钟后熄火的驾驶员可能有变化，但是怠速3分钟后熄火最为节油环保的认知基本上是一致的，且汽车怠速熄火时间5分钟以下（包括5分钟）较为节油环保也是一致的。因此，相对来说，怠速熄火时间为3分钟最为节油环保是大多数驾驶员认同的。

图1 驾驶员认为汽车怠速等待的最长忍受时间

图2 环保节油的最佳怠速等待时间

5 结果与讨论

5.1 理论与实验结果的对比

由理论计算可知，汽车重启时的油耗是汽车怠速的 1.9倍，尾气污染物是2-3倍，换言之，汽车怠速2秒的油耗就与重启的油耗相同，汽车怠速2至3秒的尾气污染物就与重启相同。而由实验可以看出，汽车怠速5秒的油耗与重启相同，汽车怠速3.5秒的尾气污染物与重启相同。

上述结果可以看出，实验结果高于理论计算结果，这可能有多方面的原因。其一，由于汽车重启时的油耗量较小，而加油时的油表的量程又较大，所以可能导致实验误差增加；其二，由于实验用车年限较久，所以本身测量的 HC和CO的值就远远大于国家标准。

5.2 汽车本身对怠速时间的影响

又由于汽车自身的限制，还需要考虑多次启动汽车对汽车本身的伤害程度。如果单纯按照实验的结果，怠速时间超过3-5秒钟就需要熄火等待，这样过于频繁的熄火、启动对汽车的起动机及蓄电池也会造成一定不可逆转的损害。汽车专家观点：停启频繁确实会对发动机和蓄电池有一些磨损，但那都是按照工信部规定的行驶工况，在严苛的条件下测试的结果。如果视日常老百姓使用汽车，这些磨损就可以忽略不计，可能发动机还没有到这个寿命就要换新车了。平常所接触的家用车发动机，一般都有启动5万次以上的寿命，假设每天需要再启动10次，那么，一年为3650次，10年才3万多次，发动机仍然是可用的。因此，只要不像实验过程中那么过于频繁地启动发动机，汽车损害程度还是很低的。

5.3 驾驶员对怠速熄火时间的观点

在调查问卷中，就环保节油问题而言，86.51%的环保认为汽车怠速熄火时间为5分钟以下（包括5分钟）较为节油环保，其中超过三分之一的环保认为怠速3分钟后熄火最为节油环保，而只有13.49%的环保认为怠速熄火时间为5分钟以上较为节油环保。由此可见，大多数的环保认为汽车怠速熄火时间在5分钟以下最为节油环保。而就各年龄段和不同性别的分类统计来说，均有一致的认识，与总体统计图的趋势相一致。虽然怠速1分钟后熄火和5分钟后熄火的人数有所变化，但是怠速3分钟后熄火最为节油环保的认知基本上是一致的，且汽车怠速熄火时间5分钟以下（包括5分钟）较为节油环保也是一致的。因此，相对来说，怠速熄火时间为3分钟最为节油环保是多数驾驶员认同的。

5.4 建议与讨论

综上所述，现出台的大气污染条例中，“3分钟怠速熄火”有一定的道理。由于各汽车的性能与排量等的不同，导致汽车油耗与尾气排放量也不同。虽然重启时的油耗和尾气排放量分别只有怠速工况时的1-5倍，但是还需要从其他各个方面进行考虑。换言之，虽然汽车怠速3-5秒的油耗或者尾气排放物与重启工况相同，也不能简单认为汽车怠速熄火的时间为3-5秒。

由上述意见可知，除了要考虑汽车节能环保的方面，还要考虑到汽车发动机的磨损，蓄电池及起动机的损伤，具体交通状态下的停车状况以及驾驶员对此的接受程度。

即使很多车速的油耗和尾气污染物与重启时的油耗和尾气污染物的交叉点远远低于3分钟，甚至于美国、西班牙等国家的规定速熄火时间为60秒，日本为20秒[2]，但是由于该条例需要考虑中国的具体交通环境以及所有汽车损耗的情况以及驾驶员对该时间的看法，所以从一定程度上来说，3分钟还是比较合理的。就大部分汽车而言，3分钟是一个较为合适的时间节点。因此，从节油环保以及汽车自身方面考虑，提倡汽车3分钟怠速熄火。

[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,李军民.汽车启动与起步过程燃油消耗分析[J].安阳工学院学报,2013,12（6）:22～25.

[4] 刘宝双,高波.机动车驾驶员红灯怠速熄火的意愿研究[J]. 公路交通科技,应用技术版,2017,（11）:269-272.

[5] 初彦龙.机动车长时间停车怠速不熄火处罚的可行性探究[J].辽宁警察学院学报,2015,（2）:26-29.

[6] 汪云.发动机喷油量的计算[J].内燃机,2005（1）:22～24.

[7] 周庆辉.现代汽车排放控制技术[M].北京:北京大学出版社,2010:15～42.

[8] 杨强,单敏.地下车库汽车尾气污染源强计算浅析[J].环境科学与管理,2006,31（5）:75～77.

[9] 陈永林,曹晓春,吴柳柳.汽车尾气排放量的计算方法[J].浙江交通职业技术学院学报,2009,10（3）:20～25.