如何科学驾驶

原文标题：《如何科学开车 ？》

对于开车的人来说，油钱无疑是日常开车最主要的花销之一。油价的波动，总是牵扯着老司机们的神经。因此，“怎么开车省油”总是司机们交流时津津乐道的话题。

影响开车油耗的因素非常多。例如，减轻车上不必要的载重、避免频繁加减速的侵略性驾驶行为、长时间停车等待的时候熄火，这些简单的做法都可以节约油耗。

相比这些琐碎的因素，只讨论“开多快最省油”似乎要简单一些，尤其是在匀速行驶的情况下。那么有没有一个所谓的“最适车速”或者最经济的车速，能够让油耗最小呢？

这个问题有一个简单的回答：不快不慢是最好的，车速太快或者太慢都会增加油耗，油耗和车速之间大致呈 U 形关系。不过具体到要开多少时速是最省油的，不同的车会有一定的差别。

不快不慢最好

对于最常见的燃油汽车来说，在发动机内燃烧的油料释放出的化学能提供了全部的动力来源。通过层层传动系统之后，能量最终传递到车轮上，转化为车辆行驶的动能。

在行驶过程中，车辆传动系统内的效率损失、车轮与地面的滚动摩擦力、车辆行驶时的空气阻力（风阻）等环节都会不断地消耗能量，这也是为什么即便在匀速行驶时汽车依然会耗油。如果把复杂的模型简化，在以速度 v 匀速行驶、无坡度的情况下，汽车的道路载荷（road load，也就是汽车受到的阻力）可以用一个二次函数来表示：

F 对应的便是汽车受到的阻力，同时也是匀速行驶所需要的牵引力。其中，系数 A、B、C 都是车辆的特征属性，不同的车之间存在差异。A 对应的是车轮的滚动摩擦力、制动系统和车轮轴承的摩擦力，B 对应的是车轮的滚动摩擦力和各种泵装置，而 C 对应的则是我们最为熟悉的风阻。

很显然，由于风阻的存在，道路载荷与车速之间存在着二次函数关系，当车速很快时，行驶的阻力就会急剧增大。因此，高速行驶本身是非常耗油的。曾经有研究对 15 款不同的汽车进行了实验，发现相比 90 千米 / 小时的车速，以 120 千米 / 小时行驶时车辆的燃油经济性（单位体积的油料可以行驶的距离）降低了 15%~44%；换句话说，开同样的路途，120 千米比 90 千米的时速要多花 18%~79% 的油。美国能源部的建议也指出，高速驾驶会使燃油经济性降低 15%~30%。

反过来，为什么开得太慢也会更费油呢？这与机械系统的能量传递效率有关。实际上，燃油中储藏的化学能，最终只有一小部分能够真正传递到车轮上，用于维持汽车行驶的动能。有研究发现，在低速行驶时，发动机、变速箱和离合器的效率都明显低于中高速行驶，因为档位（也就是齿比）影响了机械系统的效率。

其中，发动机是效率损失最大的部件，在低速行驶时效率只有 10% 左右，而在高速行驶状态下也不过只有 30% 左右。而传动系统中的变速箱和离合器的效率受档位的影响更大，尤其是变速箱的效率随着换挡呈现明显的阶梯式变化，在有的车型中，低档位时的变速箱效率不到 50%，而高档位时效率接近 100%。

因此，在低速行驶时，虽然汽车受到的外部阻力小，但是内部效率的降低不仅抵消了这种差异，还导致油耗飙升。车速增加，阻力略微增大，效率显著提升，整体的油耗反而会降低，这时汽车就处在经济速度范围内。一旦速度太高，风阻就会急剧增加，同时效率达到瓶颈甚至会略微下降，所以油耗也会增加。

开多快最省油？

前面提到，不同的车型最省油的车速并不相同。1988 年的一项研究对 15 款不同的车进行了测试，发现它们的最适车速在 28~78 千米 / 小时之间，其中最适车速最低的是 1982 年产的丰田卡罗拉，最高的则是 1982 年产的雪佛兰 Citation。大体上看，有 10 款车的最适车速在 40~70 千米 / 小时之间。

更近一些的研究得到的结果也大同小异。2008 年，清华大学的一项研究对 10 辆不同的车进行了测试，发现最适车速在 50~70 千米 / 小时之间。这些车涵盖了一些较为常见的车型，包括大众桑塔纳、捷达、帕萨特等，结果对于普通人来说也比较有参考性。例如，2001 年产的大众捷达的最适车速是 65 千米 / 小时。

不过在实际驾驶中，要想把车速总是控制在一个特定的数值几乎是不可能的。好在当车速相对最适速度在一定范围内上下浮动时，燃油经济性的损失并不会很大。1988 年的那项研究就发现，平均而言，如果浮动的幅度在 8 千米 / 小时以内，那么燃油经济性的损失不超过 5%；如果浮动的幅度在 19 千米 / 小时以内，燃油经济性损失不超过 15%。

2010 年的一项研究对本田思域、福特福克斯、本田雅阁和福特探险者进行了模拟，发现在一定的速度区间内，百公里油耗值可以控制在比最适车速下的油耗高出不到 5%—— 对于福特福克斯，这个区间最窄，是 63-70 千米 / 小时；对于本田雅阁，这个区间最宽，为 48-63 千米 / 小时。

一般规律

由于不同研究中的车型、测试方法和条件等各种因素都不同，所以这些研究中得到的结果差别也比较大，但总体上看，最适车速大致上都在四五十到七八十千米 / 小时的范围内，和平时在路况畅通的城市主干道、外环路、二级路等道路行驶的速度差不多。

另外，研究也发现了与最适车速有关的一些普遍规律。例如，大型车的最适车速似乎要高于小型车，使用 4 缸、6 缸和 8 缸发动机的车，最适车速分别平均为 44 千米 / 小时、59 千米 / 小时和 68 千米 / 小时；下坡时，坡度每增加 1%，最适车速大致会增加 5~10 千米 / 小时。2010 年的那项研究则总结出了风阻、功重比和档位数对油耗量的影响（见下表）。

你可能会觉得前面的许多结果都是零星的数据，看起来既不具有普遍的意义也不容易记忆。建立一个关于油耗和车速之间的纯理论模型确实非常困难，但还是有研究通过大量测试进行了近似的估计。在美国橡树岭国家实验室 2013 年发表的一项研究中，研究人员使用了 74 款车，在 50~80 英里 / 小时（约 80~129 千米 / 小时）的范围内进行了匀速行驶测试，并构建了几个模型来拟合车辆的燃油经济性。

其中，最简单的一个模型只用到了 2 个变量：除了车速之外，还有车辆标称的 MPG 值，后者是依照美国环境保护署（EPA）的规定评估的一个燃油效率指标，其数值并不等于车辆真实的燃油效率，而是在一定程度上反映了车辆的燃油效率。这个模型的公式也较为简单：

等号左边的 MPG 就是实际的燃油效率，单位是英里 / 加仑；而右边的 X 是标称的 MPG，v 则是车速，单位是英里 / 小时。如果把变量都换成以常用的米制单位来表示，公式就近似变成：

以最新款的丰田卡罗拉为例，它在高速路工况下的标称 MPG 是 40，代入公式后把变量转换为以米制单位表示，就得到

也就是说，在研究所考虑的速度范围内，时速越高，燃油经济性越差。考虑到研究的时速范围已经超出了我们前面说的通常的最适范围，出现这种单调变化的趋势也是正常的。从公式可以看出，时速每增加 1 千米，1 升油料能行驶的里程就要减少超过 200 米；相比 80 千米 / 小时的百公里油耗（3.88 升），100 千米 / 小时的百公里油耗（4.65 升）高出了 20%，120 千米 / 小时的百公里油耗（5.81 升）则高出了 50%。

假设你生活在一座大城市中，每天的通勤里程为 50 千米，按一年 250 天法定工作日、油价 9 元 / 升计算，相比 120 千米的时速，以 80 千米的时速驾驶这款丰田卡罗拉，一年能省下将近 2200 元，足够买一部性能还不错的手机。

时间就是金钱？

也许有的读者会觉得，开得快虽然费油，但是可以节省自己宝贵的时间，而这些时间可以用在打工挣钱上，说不定最后还能抵消多花的油钱，甚至倒赚一笔。美国东南路易斯安那大学的副教授 Rhett Allain 也料想到了这一点。于是他提出，不妨把油价和个人的收入水平也考虑在内，综合计算车开多快是最经济的。

假设从在交通工具上省下的时间可以完全转化为自己正常工作的收入，那么驾车通勤的总成本就可以表示为：

换言之，单位通勤距离的总成本为：

其中，Δx 是行驶的距离，G 是油价，R 是单位时间内的收入。推导后可以得出，G 和 R 的比值越大，也就是说油价越高、收入水平越低，最经济车速就越慢。

Allain 教授还提供了简单的 Python 代码，可以方便地计算出最经济的车速（精确到 1 千米 / 小时）。比如，假设油价为 9 元 / 升，若时薪为 30 元，则最经济车速为 90 千米 / 小时；若时薪为 60 元，最经济车速会达到 107 千米 / 小时；若时薪为 150 元，最经济时速会达到 128 千米 / 小时。

当然需要强调的是，这样的模型毕竟是过度简化的，文中的许多前提假设在现实生活中也并不成立。无论结果如何，最重要的都是遵守交通法规、切勿超速驾驶。如果真的想要省油，不妨改变一些个人的驾驶习惯，或者在可行的情况下，换为乘坐公共交通工具、骑自行车或者步行通勤，抑或是住在离工作地更近的地方。

或者换一份高薪的工作，不用再想这个问题。

参考链接：

• https://www.wired.com/story/is-there-an-optimal-driving-speed-that-saves-gas-and-money/

• https://www.fueleconomy.gov/feg/driveHabits.jsp

• https://doi.org/10.4271/2013-01-1113

• https://doi.org/10.1016/0191-260788)90036-2

• https://doi.org/10.1016/j.trd.2008.09.002

• https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/58392

• https://www.fueleconomy.gov/feg/Find.do?action=sbs&id=44074

本文来自微信公众号：环球科学 （ID：huanqiukexue），撰文 ：李诗源，审校：王昱