汽车在行驶时是发动机的转速越低越省油吗？ 第1页

多数情况下是的，但也有例外，而且这些列外对于多数人并不难遇到。

很多老司机开车的时候总喜欢尽可能早地升档，这样发动机的转速就可以尽可能的低，尤其是一些出租车司机，恨不得1000转出头就升档，我也遇到过一些开自动档车的人，但总喜欢自己用手动模式尽早升档，每次换完档都把转速落在将将高于怠速附近，并且信心满满地告诉我转速高了发动机摩擦阻力大，这么做的话更省油。

然鹅这么做真的有科学依据吗？事实到底是什么样的呢？

解答这个问题其实很简单，只需要我们相信一件事情，能量守恒。

因为 ，在给定动力需求的情况下，动力系统转换效率越高，那个时刻的油耗就越低，所以我们只需要看动力系统的效率即可。

作为一个简单的回答，并不是在所有情况下都是转速越低越省油，而是要具体看，一般在某一个（发动机作为）动力系统的低功率区间，这个论述通常是成立的，而在中高功率区间，油耗的最优值并不是在（可实现的）最低转速取得的。

以下是详细回答。

让我们先看来一下汽车行驶时动力需求的基本情况，再看看这个需求对于发动机来说意味着什么，就可以得出我们感兴趣的结论了。

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1. 我们需要的动力是什么？

2. 这意味着什么？

3. 能差多少以及永远有效？

4. 对一些潜在问题的提前回答

5. 课后习题：事情又要起变化？

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1. 我们需要的动力是什么？

对于行驶中的汽车，假设平地，我们需要的功率，

为了简化讨论，我们先看匀速行驶需要多少功率，即 为0，

（注：之所以简化，是因为不难证明，任何速度下匀速行驶的功率需求，都可以被等价成在某一个更低的速度加速时的功率需求（且速度和加速有无穷多种组合），故讨论匀速行驶即可囊括所有情况，后会举例说明）

考虑滚阻 和空阻

其中，

• 是车的质量， 是重力加速度， 是滚动阻力
• 是空气密度 ， 是车行进方向投影面积， 是空租系数， 是车速
• 均基于标准单位

按几类简单划分一下，

• 和 都是完全固定的，分别是 和
• 简单计算也足以简化为常数0.01，因为其在我们关心的速度范围内变化幅度不超过正负10%。 考虑2018年的情况，轿车的风阻系数多在0.23-0.29之间，如果我们取平均值0.25，也就是说实际的 变化幅度不会超过0.26上下10%
• 看起来很麻烦，但是庆幸地是人们很早就发现 有一个和车重（质量） 的关系，如下图所示，逻辑也很简单，就是越重的车正面的投影面积也越大，量化来说就是 ，

综上，此时我们的公式里只剩下质量 和 车速是自变量，其他都是常数，所以最滚阻 和空阻 的总和就可以简化成，

再乘以速度 ，就是我们关心的功率 ，

如果此时我们让唯一两个自变量，质量 和 车速，

• 在1400kg到1600Kg再到1800kg之间变化（福克斯/明锐到帕萨特/雅阁再到E级/五系））
• 在我们关心的常用速度区间50km/h到100km/h之间变化

画出图来就是下图的样子，

如果考虑 和 潜在的变化，只需要把这个结果加减个10%，就能得到全部可能的范围，如下所示，在我们关心的主要速度区间匀速行驶，粗略地说，功率只要大概4-12kw，也就是5-16马力，需要注意的一点是，这个数值（功率）对于不同的质量（即车大或者小）不是很敏感，主要是速度的函数，

为了简化，我们取 为0.01， 为0.25分析，此时考虑一个重约1.5吨的B级车，70Km/h平地匀速行驶时需要约5.5Kw（7马力）的动力（功率）。

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2. 这意味着什么？

为了简化问题，假设一个固定的传动效率（最后会说明为什么可以假设固定），比如90%，我们只需要让发动机的 等于这个5.5Kw的需求除以90%即可，对于我们1.5吨的B级车，就是约6Kw。

为了让扭矩乘以转速的乘积保持在这个定值（6Kw），在发动机扭矩-转速图上（纵轴扭矩/单位NM，横轴转速/单位rpm），我们只需要让扭矩和转速保持在一条反比例函数上即可，如下图所示，此时发动机的输出只要在这条紫线上的任意一点，都可以满足车辆的动力需求，

（注：如果不理解，问题其实很简单，就回想一下你骑过的变速自行车，都是一个道理，你要保持一定的速度骑上一个大坡，可以低档位，此时你输出的扭矩小但是要蹬得快，也可以高档，这样可以蹬得慢但需要使更大劲儿，即扭矩大。）

假设我们的B级车使用的是一台2.0L自然吸气发动机，比如下图，其中等高线是发动机总效率，

那么这条等功率的反比例曲线在发动机图上，就如下图紫线所示，

此时，如果我们使用的是CVT变速箱，那么紫色反比例曲线上的任意点都是可以被变速箱匹配给发动机的，实际中，多数变速箱都是有固定档位数量的非CVT变速箱，那么我们只能取紫色反比例曲线上的若干点，如下图所示，

但是不管怎么样，我们都可以比较确定地说，转速越低，发动机效率越高，因为为了保持相同的功率，发动机的负荷会随着转速的降低而增加，而增加动力输出意味着发动机的效率会提升，所以转速越低（档位越高）越省油。

（注：下文为了简化，我们取CVT变速箱可覆盖的工况分析（非CVT不会定性改变结果，只是CVT取得到的点的子集））

现在如果我们把50，60，80，90km/h匀速行驶的情况都标上，基本也是没有什么大问题的，如下图所示，

但是细心的人这个时候会发现一个问题，在大约80-90Km/h匀速行驶的时候，更低的转速貌似不一定能获得更低的油耗，

因为放大来看，如果一个人会看等高线的话，这么就不难发现1000rpm下的油耗此时已经不是最低的了，而是在稍高于1000rpm的时候，

没错，事情正在起变化。

如果我们把时速100km/h的等功率曲线带入的话，我们会得到下图中黄色的反比例曲线，

问题更明显了，发动机效率最高的是下图橘红色圈出的地方，也就是大约1400rpm，而不是1000rpm，

为什么会发生这样的事情？

因为中低负荷的等效率曲线，如下图圈出的区域，其在垂直（扭矩）方向的效率等高线是基本平行的，又因为随着转速的下降，为了保持功率不变，扭矩必须要上升，而这（扭矩上升）对于（在扭矩方向）基本平行的效率等高线而言，就意味着效率会随转速的降低而严格单调地增加，所以自然是转速越低（也就是扭矩越高）效率越高（越省油），

而中高负荷的等效率曲线，因为效率的等高线在这个局部是环形的，这也就导致转速在降低时（扭矩随之增加），工况穿过的是一个有效率峰值的区域，那么效率自然会先高后低地变化（油耗反之），油耗最优解也就自然不在可取到的最低转速了，

此时需要提醒的是，某个功率需求并不一定只在匀速的时候才可以被产生，还可以由某个相对低的速度下的加速需求产生（且有无穷个这种组合），我们只是为了简化而讨论匀速的情况。

举例来说，100km/h匀速行驶需要的是下图黄线的动力，但是，同样的动力需求也可以在70km/h时因为需要加速而被产生，如下图所示，橘黄色阴影区域就是用于加速的动力，

所以最准确和概括的说法应该是，在匀速行驶速度足够快或者需要加速的时候，即本质上是功率需求比较大的时候，转速低不一定省油，因为像我们上面说的，发动机到了效率不随转速降低而单调变化的工作区间，

至此，我们基本可以给出定性的结论，

• 在较小的功率需求情况下，也就是一般的中低速匀速行驶时，都是转速低越低越省油，
• 在中高功率范畴，即开得快了或者中低速但有一定加速需求的话，则不一定是档位越高越好

其中的小功率和中高功率，分别指的是下图画出的区间，

转速低不一定省油也就是转速高不一定费油=档位不是越高越好，故正确的换挡逻辑不是转速越低越好，而是根据功率需求还有发动机特性，选择最合适的转速（档位），当然，现实中这对于装备自动变速箱的车一般都不是问题，因为搞标定的人都不是傻子，肯定会给你找效率最高的点的档位使用，所以不必操心，自动档的车放D档上油耗上就是最优解，除非不同的驾驶模式那另说。

但是，对于一些开手动档的老司机（包括用自动挡的手动模式），某些人转速越低越省油的概念就容易出问题了，尤其是一些北京的出租车司机，到了令人发指的地步，比如转速在什么情况下也不出1500rpm。这种时候，基本可以确定，虽然使用的转速更低但其实油耗是更高的，所以搞清楚这个问题，现实中还是有意义的。

相信看到这里，大家都意识到了问题的关键其实是，为什么发动机的效率图会长成这个样子？

个人认为这个问题其实不属于这个问题该回答的范畴了，因为这里我们在讨论的是发动机和变速箱，在“软件层面”的匹配/调教问题，或者说是在研究给定发动机和变速箱硬件的情况下如何最优地使用变速箱的档位。理论上在这里发动机的特性是“给定”的，我们用就好了，不用深究为什么，当然，简单说一下发动机为什么长成这样其实也是可以的，如果不感兴趣可以略过。

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大前提：发动机总效率（效率图上的等高线的数值）等于指示效率乘以机械效率，其中，

• 指示效率是压缩比/点火角/空燃比/燃烧室设计等的函数，本质是1减去排温损失和散热损失
• 机械效率考虑的是摩擦和泵吸损失（对于汽油机而言）的影响

在此基础上，效率图之所以长成他的样子主要是以下三个原因，

• 纵轴（随负荷）方向效率变化大的本质原因是，指示效率基本不变但机械效率（泵吸和摩擦，摩擦其实随负荷基本固定，但泵吸从0到1Bar变化）变化范围极大，量化上基本都是从0变化到90%
• 横轴（随转速）方向效率有变化（注意与负荷方向的“变化大”不同）的本质原因是，首先，指示效率随转速降低而降低（热损失），其次，摩擦随转速升高而变大
• 最后在高负荷区间因为压强温度上升，点火角迟滞所以效率会再下降，并且在过高转速和过低转速区间这个现象更明显，因为一个需要加浓保护发动机，一个需要比较大程度的点火迟滞（因为爆震是温度压强，但更关键还是时间的函数），所以最大扭矩附近的效率又会降低

对应上面三个原因，我用图示示意一下，

只引入纵向因素的影响，效率等高线会是大概这样，

在上面的基础之上，再引入横向因素的影响，效率等高线就成了大概这样，

最后，如果再叠加最大扭矩附近加浓和点火迟滞的影响，效率等高线就基本是我们现在看到的这样了，

综上几点，我们不得不面对一个大概长成上图这样的发动机效率特性图。

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3. 能差多少以及永远有效？

基本情况说完了，补充点儿细节，我们会发现一些有意思的事情。

第一个问题，如果某人就用最低转速，油耗上能差多少呢？

以我们70km/h匀速行驶的例子，下图重两点的效率是36%和32%，差了大约10%，也就是说，仅仅是因为不同的档位（转速）选择，油耗就相差了差10%，可以说不算少了，

更令人惊异的是，如果你深究一下此时1000rpm和什么转速的效率是等价的，你会发现，竟然是大约2200rpm！也就是说，在1000rpm到2200rpm这段区间里，你无论用哪个转速，都会比1000rpm的油耗更低！！

如果再举个例子，如果我们需要用更大的功率（比如32kw），如下图黄色线所示，

我们更加惊异地发现，与其用1700rpm（可取到的最低转速），不如用1700rpm到3700rpm之间的任意转速！！在非常宽广的“更高”的转速范围，发动机竟然是更省油的！！这是不是完全打破你之前的认知呢？！

如果定性地总结，我们完全可以说，骚年！对于比较高的车速，或者比较猛的加速需求，大胆地放开手去用中高转速吧！！在很广的范围内，都比你抠唆在低转速区域强（省油）！而且还能提供更好的驾驶性，因为显然更低的档位（也就是更高的转速）提供更强的加速。

所以，真的不一定是转速越低越好，而是合适为好，所谓的合适，就是要找到产生那个动力（功率）最高效的方式（转速-扭矩的组合）。

第二个问题，有一些变化的时候还是这样吗？

如果变换油品，

其实我们之前用的那副Skyactive-G的2.0L发动机的效率图是美国人实测出来的，用的是93AKI的油品（AKI可以理解为燃油标号（是RON和MON的平均）），其实当时还做了88AKI的实验，如下图所示，不难理解，如果标号降低了，显然最高负荷效率要下去（因为点火要推迟，当然低负荷也会有但是推后得没那么明显），结果就是中高负荷更加明显的环形等高线，考虑上面相同比较的话，1000rpm的效率降到了30%，对比可取到的36%的最大值，使用最低转速的话油耗会高大约15%，仅仅是因为档位的不同，

如果再看不同的发动机，

情况也都基本类似的，因为我上面解释的原因，发动机效率都长这个样子，比如下图的老丰田2.0自吸，最大效率35%左右，具体可以自己画反比例曲线简单分析，

再更老一些1.6L自吸，最大效率33%左右，

同样老的Saturn的1.9L自吸发动机，最大效率33%左右，反比例曲线画好了，

最终你会发现，不管什么发动机，如果用等功率曲线去画图，在中功率区间，都会遇到同样的问题，本质就是因为他们背后最根本的东西其实都是一样的。

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4. 对一些潜在的问题的提前回答

第一，转速越高摩擦越大所以越费油这句话到底错在哪儿了？

这句话是属于那种普通人听起来非常正确，但是其实狗屁不通但一般人又都很难反驳的典型。

我想强调，我特别不建议，也特别不喜欢，只从所谓转速和摩擦的角度看“转速是否越低越省油”的问题（虽然其实是可以的，见下），因为通常这代表一个人没有宏观系统看待这个问题的能力，为什么要宏观系统？因为只有宏观系统才不容易遗漏，才能看得全面，得到的结论和视角才会更加客观。

如果你要看摩擦的话，不是不可以的，转速高的话摩擦是多，但这不是效率低了的充分条件，因为如果这么一项一项地看，你还得考虑泵吸损失和指示效率（燃烧相关）。事实上，在相同输出功率下，指示效率基本不变，摩擦会变坏但是比例其实没那么夸张（绝对不是3000rpm是1000rpm的3倍），最大的影响其实是泵吸损失的增加（翻着倍增加），最终导致发动机总效率下去，另外两个因素尤其是泵吸这个我怎么没见你说呢？

人都容易被表面现象迷惑，转速高了摩擦增加，所以效率低油耗就高，看起来似是而非，你真的想过这句话充分吗？如果你考虑全面，即考虑摩擦和泵吸还有燃烧，其实就是考虑总效率，所以最简单直观又准确的方法是看总体效率就可以了，如果你想再深究，可以再去看发动机总效率的变化里面这几项分别是什么情况，而不是一上来就一头扎到摩擦这个不充分决定总效率的细枝末节里。

所以回答这个问题我们学到的是，要看到事物的本质，要学会算总账，学会从总效率的角度看问题，不要被似是而非的表面现象所迷惑，比如转速和摩擦。

第二，为什么变速箱效率变化的影响可以忽略？

变速箱的效率变化有影响？当然有影响，但是绝大多数情况不会定性改变结论。分析问题，最重要的是识别哪些是一介问题，换成文科生的话，叫做抓住主要矛盾，不重要或者不会根本性地改变结论的东西要先忽略，如果总是一上来就被细枝末节搞晕菜，就永远看不清big pictures。

举例来讲，下图的几个工况点没考虑变速箱不同档位和负荷下效率的变化，

举转速最低的两个点比较，一个效率30%一个25%，两者差了20%，那请问，变速箱相邻的两个档位之间的传动效率能差超过20%吗？答，不可能的，所以不会定性改变问题的结果，作为比如DCT变速箱，不同档位不同工况差5%顶天了（而且还得是和发动机功率点的效率反着差，不然是在扩大高效率点的效率优势），比如92%vs.87%之类的。

综上，一上来就扯空燃比/喷油量/点火角，扯燃烧/流体/混合气，扯发动机摩擦/变速箱效率的，大多都根本不明白这个问题的答案，即使少数真正明白的，也大概率属于自己懂但讲不清楚的。

回答这个问题，如果不从下面这张图（或类似）的角度讲，就都是耍流氓。

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5. 课后习题：事情又要起变化？

上面的回答很完整，如果时间停留在2010年左右，因为从这个时间开始，我们开始把发动机小排量增压化。

作为课后习题，请自行分析，相同动力系统，比如3.0自吸和2.0T增压（如下图所示），在同一辆车上，哪个更容易遇到我们上面说的问题呢？（即不是转速越低越省油）

（提示：假设同样动力，小排量增压的效率图可以简化理解为原本自然吸气效率图加其最大效率在增压阶段的延申）

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PS：这个回答回答的是在给定发动机和变速箱的硬件基础之上，从油耗的角度，如何最优地选择工况点（档位/转速）。

其实沿着我们布下的逻辑，顺势还能回答另外两个问题，

• 如果我就不选择油耗最低的这个转速而是选择其他更高（或者更低）的转速，我是在选择什么？这个问题叫做，对于发动机和变速箱组成的动力系统，不同的驾驶模式到底在选择什么？
• 另一个问题是，如何优化汽车发动机的排量大小，使得其在相同车辆相同驾驶循环相同换挡策略的情况下的油耗最低？如果说本回答是从“软件”的角度回答，那么这个问题就是从“硬件”选型的角度回答，这个问题叫做，发动机排量大就一定费油吗？或者发动机越小就一定越省油吗？

先留着这两个问题，以后再找机会详细说吧。