美國汽車排放法規探析

鄭州市公共交通集團有限公司 卓浩天

目前世界上最嚴苛的汽車排放標準，莫過于美國和歐洲了。從2020年開始，包括我國在內，各國都開始執行更加嚴苛的車輛排放法規。但與歐美相比，我國號稱史上最嚴的國六排放標準，仍然與發達國家的排放標準有著較大的差距。以美國目前正在分階段實施的EPA Tier3（EPA為美國環境保護署英文縮寫）排放標準為例，其規定NOx的排放大約為0.02 g/mile（參考EPA Tier2，1 mile=1.609 km），即12.4 mg/km，而中國輕型汽車國六b的排放限值為50 mg/km，相當于需要在國六限值基礎上大幅降低75%，才能達到美國EPA Tier3階段的排放水平。目前，我國國六汽車排放法規正在逐步落地實施，由于我國汽車排放法規基本上是參考歐洲汽車排放法規體系制定的，而作為綜合國力第一的美國，其汽車排放法規又是怎樣的呢？

1 美國法規的基本情況

不同于我國排放標準已經排到了國六，美國環保局（EPA，Environmental Protection Agency）發布的輕型汽車排放法規到現在為止只有3個階段，即Tier1、Tier2和Tier3。Tier1于1991年6月5日發布，并于1994年至1997年分階段逐步實施；Tier2于1999年12月21日通過，并于2004年至2009年分階段逐步實施；Tier3于2014年3月3日最終確定，在2017年至2025年分階段實施。

需要注意，我國輕型汽車排放標準序列號多，但大多沒有過渡階段，到法規執行之日起即必須執行法規限值。美國輕型汽車排放標準序列號雖少，但每個排放階段實施初期都規定了為期數年的過渡期，過渡期內分階段逐步提高排放要求，并在過渡期結束后達到最終排放限值。

1.1 汽車的分類

美標中的單位采用英制單位，質量單位為磅（lb，1 lb=453.59 g），長度單位為英里（mile，1 mile=1.609 km）或英尺（ft，1 ft=0.304 8 m）。根據質量的不同，EPA法規對汽車進行表1所列的劃分。相較于Tier1，Tier2汽車分類增加了中型乘用車，主要代表大型SUV、乘用VAN車等車型，而且對于MDPV分類，廠家可以選擇進行重型柴油發動機排放認證。

表1 美國汽車分類

1.2 FTP75排放限值

EPA Tier2的排放標準以“certification bins（認證箱）”的結構體現，其中共包含8級（1～8）的永久認證標準和3級（9～11）的臨時認證標準，從11級到1級排放限值逐步降低。其中臨時認證標準是Tier2的過渡時期采用的標準，從2008年以后不再使用。污染物的測試循環為FTP75，限值見表2所列（單位是g/mile）。將2級～8級限值的單位轉化為國標常用的g/km，限值見表3所列。與我國輕型汽車的排放要求不同，EPA Tier2不針對車型設定排放限值，而是規定廠家全部輕型車（即車隊）的平均排放限值。Tier2要求廠家可以從“certification bins（認證箱）”中自由選擇任何級別對車型進行認證，但廠家車隊的平均NOx排放要達到0.07 g/mile，這與“certification bins”中Tier2 Bin5的NOx限值相當。因此，如果有部分汽車是按Tier2 Bin6及更高的排放級別進行的認證，意味著廠家必須出售足夠數量的Tier2 Bin4及更低排放級別的汽車，使車隊平均的NOx排放達到0.07 g/mile。

表2 FTP75排放限值（單位：g/mile）

表3 將2級～8級限值的單位轉化為國標常用的g/km后的排放限值

EPA Tier2的排放耐久性里程包括中間壽命和全壽命兩種：中間壽命規定為5年或5萬mile（8萬多km），以先到者為準；LDV和LLDT的全壽命為10年或12萬mile（約19.3萬km），以先到者為準；HLDT和MDPV的全壽命為11年或12萬mile（約19.3萬km），以先到者為準。廠家同時可以選擇按生命周期15萬mile（約24.1萬km）或15年進行認證，這樣就可以不進行中間壽命認證。

1.3 SFTP排放限值

EPA Tier2還要求LDV和LDT汽車需進行SFTP的認證，MDPV、兩用燃料LDV/LDT及非汽油柴油動力的LDV/LDT則不需要。SFTP標準要求分別認證4 000 mile（6 437 km）和全壽命的排放情況，其中4 000 mile監測NMHC+NOx、CO兩種排放污染物，所有汽車的排放限值（表4）是一致的。全壽命監測NMHC+NOx、PM和CO三種污染物，權重按下式計算，

表4 SFTP排放限值（單位：g/mile）

SFTP=0.35（FTP） + 0.28（US06）+ 0.37（SC03）。

限值按下面公式計算，

SFTP標準=Tier1 SFTP-[0.35×（Tier1 FTP-Tier2 FTP）]。

EPA Tier1階段SFTP標準的排放限值見表5所列，單位為g/mile。將單位轉化為國標常用的g/km，柴油車的排放限值見表6所列。對于SFTP標準的全壽命排放限值，與汽車類型及FTP認證等級相關，以LDT4、Tier2 Bin10的汽車為例，在全生命周期內，SFTP標準的排放限值見表7所列（單位為g/mile）。

表5 EPA Tier1 階段SFTP標準的排放限值（單位：g/mile）

表6 EPA Tier1 階段SFTP標準的排放限值（單位：g/km）

表7 在全生命周期內SFTP標準的排放限值（單位：g/mile）

此外，還應注意以下法規條款。

（1）對于LDV和LDT汽車，在HFET循環的NOx測試結果不得大于相應FTP75循環測試結果的1.33倍。

（2）從2001年起，曲軸箱污染物不可以排到大氣。

（3）如果車隊平均NOx排放低于標準，廠家可獲得NOx積分；如果車隊平均NOx排放高于標準，廠家則獲得NOx赤字。積分可用于未來廠家自己使用或與其他廠家交易。

由此可見，我國輕型汽車的排放標準要求每一種車型都必須達到給定的排放限值，而美國認證不針對車型設定排放限值，而是規定廠家各類輕型車（即車隊）的平均排放限值，這是很重要的區別；EPA Tier2要求廠家可自由選擇“certification bins”中任何一級標準對車型進行認證，但廠家車隊的平均NOx排放要達到0.07 g/mile（即0.043 5 g/km），比我國國6b的輕型汽車排放限值0.050 g/km還要低；EPA Tier2在2009年后全面實施，而我國國6b將在2023年全國實施，比美國晚了將近15年。所以，跟美國比，我國輕型汽車的排放法規還有比較大的差距。

2 美國汽車排放測試循環

美國輕型車排放測試循環稱為聯邦測試規程（FTP，Federal Test Procedure），FTP75用于輕型車的排放認證及燃油經濟性測試，如圖1所示，整個測試循環包括冷起動階段（環境溫度為20 ℃～30 ℃，總時長為505 s）、瞬態階段（總時長為867 s）和熱起動階段（總時長為505 s，車速控制與冷起動階段一致）等3個部分。在上述瞬態階段之后，有約10 min的熱浸階段，停車熄火540 s～660 s后，再進行熱起動階段的測試。

圖1 用于輕型車的排放認證及燃油經濟性測試FTP75循環

FTP75來源于FTP72，FTP72又稱為UDDS（Urban Dynamometer Driving Schedule，城市測功機行駛計劃）或LA-4，FTP75的冷起動階段+瞬態階段即為FTP72。為了彌補FTP75測試循環的不足，2000年以后的排放測試又逐步采用了補充聯邦測試規程（SFTP，Supplemental Federal Test Procedure）。SFTP包含2個試驗循環，分別是US06和SC03。如圖2所示，US06用于表征車輛高車速、高加速度及車速波動劇烈的情況，時長共計596 s。按試驗規范要求，首先進行一次US06循環對車輛進行預熱處理，然后運轉60 s～120 s的怠速，最后再次運行US06循環，進行正式試驗。

圖2 SFTP的US06試驗循環

SC03試驗循環（圖3）用于表征在空調開啟時的車輛狀態，時長為596 s。測試時的環境溫度為35 ℃±5 ℃，空調需要開啟到最大制冷量。首先進行一次SC03循環對車輛進行預熱處理，然后熄火并在該環境溫度下熱浸540 s～660 s，最后再次運行SC03循環，進行正式試驗。

圖3 SFTP的SC03試驗循環

2.1 美國汽車燃油經濟性測試循環

我國評估車輛燃油經濟性使用的是NEDC（New European Driving Cycle，新歐洲駕駛循環測試）循環，NEDC由城市駕駛工況（City）和市郊駕駛工況（Highway）兩部分組成（圖4）。城市駕駛工況由4次ECE-15（城市駕駛周期）循環單元組成，該循環單元在994.03 m的理論距離上以195 s結束，然后連續重復4次。在3 976.1 m的理論距離上，總持續時間為780 s，平均速度為18.35 km/h。市郊駕駛工況是更具挑戰的高速駕駛模式，共1個循環，持續時間為400 s，理論距離為6 956 m，平均速度為62.6 km/h。相信大家也看出來了，由于NEDC標準的測試過于理想化，比如在195 s的城市駕駛周期中，機械化地重復起動、加速、勻速、減速停車等幾個階段，然后再次重復3次這個周期，可現實生活中這些測試幾乎不具有可重復性和可比較性；再比如在400 s的市郊駕駛工況中，不包括持續的高速公路駕駛；再比如測試周期中沒有開啟空調或加熱車窗等輔助設備。因此，NEDC標準測試總會與實際情況之間存在較大的差異。也正是由于NEDC的這種局限性，聯合國歐洲經濟委員會又通過了WLTP（World Harmonized Lightduty Vehicles Test Procedure）作為歐洲車輛認證程序。從2019年9月1日開始，所有要在歐盟國家及瑞士、挪威、冰島和土耳其注冊的輕型車輛必須遵守WLTP標準。WLTP最終版本于2015年發布，其主要目標是讓實驗室的燃油消耗和排放估算與實際公路駕駛條件下的指標更好地匹配。與NEDC相比，該標準更好地代表了實際和現代駕駛條件，并且也已經被中國、日本和美國所接受。

圖4 NEDC測試循環

美國評估車輛燃油經濟性的循環也與我國不同，使用的是HFET循環（高速燃油經濟性測試循環，HWFET或HFET，Highway Fuel Economy Test）和FTP75循環。其中HFET代表高速工況油耗，FTP75代表城市工況油耗。另外，對于HFET循環同時需要進行排放測試，美國法規也有相關的排放限制要求。如圖5所示，HFET循環時長為765 s，按試驗要求需要進行2次HFET循環，2次循環的時間間隔最大17 s。第一次HFET循環對車輛進行預處理，第二次HFET循環是正式試驗。

圖5 HFET循環

2.2 中美試驗循環對比

NEDC與FTP75測試循環的對比如圖6所示，NEDC循環是恒速和恒加減速的結合，且加減速較平緩，高速工況的車速更快、時間更長。FTP75循環采用瞬態工況，總時間更長，但規律性更差。NEDC的城郊工況與US06測試循環的對比如圖7所示。通過對比可以看出，US06循環的時間更長，開頭與結尾的車速變化更劇烈。中美各測試循環的特征參數對比見表8所列。WLTC與FTP75的循環時間基本相當，但WLTC的平均車速和最大車速更高，主要是因為WLTC的高速段和超高速段車速偏高。

圖6 NEDC與FTP75測試循環的對比

表8 中美各測試循環的特征參數對比

圖7 NEDC的城郊工況與US06測試循環的對比

3 美國面向未來的EPA Tier3排放標準

目前美國最新的排放標準是EPA Tier3。美國的輕型汽車第3階段排放標準于2013年3月提出，并于2014年3月3日簽署成為法律。從2017年到2025年，EPA Tier3將分階段實施。該法規同時還提高了汽油的含硫量限制。EPA Tier3的結構與EPA Tier2標準相似，制造商必須從7個可選的“certification bins（認證箱）”中選擇一個等級對汽車進行排放認證，同時滿足車隊的平均排放標準。美國輕型車的排放測試循環稱為聯邦測試規程（FTP，Federal Test Procedure），目前使用的FTP75用于輕型車的排放認證及燃油經濟性測試。FTP75的排放限值見表9所列。相較于EPA Tier2，輕型汽車的EPA Tier3排放法規主要特點有以下幾點：一是按NMOG與NOx的總和進行排放限制；二是Bins的名稱以相應NMOG+NOx的限值進行命名；三是EPA Tier3 Bin 160與EPA Tier2 Bin5的NMOG+NOx限值相當，EPA Tier3 Bin 30與EPA Tier2 Bin2的NMOG+NOx限值相當；四是到2025年，廠家車隊的平均NMOG+NOx排放要達到30 mg/mile，即EPA Tier3 Bin 30的水平；五是排放耐久性里程從12萬mile增長到15萬mile（24.1萬km）；六是除Bin0外，其他各級認證標準的PM、HCHO限值是一致的。

表9 美國排放標準EPA Tier3的FTP75的排放限值

EPA Tier3過渡階段，輕型汽車的平均NMOG+NOx排放限值（FTP標準）見表10所列。EPA Tier3過渡階段，FTP的PM標準并沒有設定廠家車隊的平均排放，而是對符合標準的汽車銷量占比進行了規定（表11，單位為mg/mile）。

表10 美國EPA Tier3過渡階段平均NMOG+NOx排放限值

表11 美國EPA Tier3過渡階段符合標準的汽車銷量占比

EPA Tier3 SFTP標準的權重因子與EPA Tier2一致，為SFTP=0.35（FTP）+ 0.28（US06）+ 0.37（SC03）。對于SFTP標準的NMOG+NOx標準，廠家可自行確定汽車的認證限值，但最大不超過1 180 mg/mile（111.87 mg/km）。同時要求，過渡階段車隊平均NMOG+NOx限值達到表12要求，到2025年要下降到50 mg/mile（31 mg/km）。其中，對于SFTP的CO標準，沒有過渡階段，從2018年開始車隊平均限值為4.2 g/mile（2.61 g/km）。對于SFTP的PM標準，僅要求進行US06測試，同FTP標準一樣，過渡階段SFTP的PM標準也是基于汽車銷量占比的（表13）。此外，HFET循環的NMOG+NOx排放也應滿足輕型汽車“certification bins”的限值要求。

表12 美國EPA Tier3過渡階段車隊平均NMOG+NOx限值

表13 美國EPA Tier3過渡階段PM標準

由此可見，我國的排放法規基本上是參考歐洲的法規體系，而美國輕型汽車的排放循環，與中國和歐洲的排放循環完全不同。

（1）我國輕型汽車排放標準序列號多，但都沒有過渡階段，到法規執行之日起即必須執行法規限值。美國輕型汽車排放標準序列號雖少，但每個排放階段實施初期都規定了為期數年的過渡期，過渡期內分階段逐步提高排放要求，并在過渡期結束后達到最終排放限值。

（2）我國輕型汽車的排放標準要求每一種車型都必須達到給定的排放限值；美國認證不針對車型設定排放限值，而是規定廠家各類輕型車（即車隊）的平均排放限值。

（3）美國EPA Tier3的NOx排放大約為0.02 g/mile（參考EPA Tier2），即12.4 mg/km。而我國輕型汽車國六b的排放限值為50 mg/km，相當于需要在國六限值基礎上大幅降低75%，才能達到美國3階段的排放水平。同時，美國EPA Tier3的可靠性要求進一步提升，達到15萬mile（24.1萬km），這也比我國國六法規的20萬km難度大。

（4）美國評估車輛燃油經濟性的循環也與我國不同，我國使用的是NEDC循環，而美國使用的是HFET循環（Highway Fuel Economy Test，高速燃油經濟性測試循環，HWFET或HFET）和FTP75循環。其中HFET代表高速工況油耗，FTP75代表城市工況油耗。NEDC循環是恒速和恒加減速的結合，且加減速較平緩，高速工況的車速更快、時間更長。FTP75循環采用瞬態工況，總時間更長，但規律性更差。歐盟WLTP與FTP75的循環時間基本相當，但WLTP的平均車速和最大車速更高，主要是因為WLTP的高速段和超高速段車速偏高（表8）。

所以，跟美國比，我國輕型汽車的排放法規還有比較大的差距。美國的排放法規真的太嚴了，到那時候，汽車的排放已經非常接近于0排放了，因此，該標準有可能成為最終的排放標準，該標準全面實施以后，內燃機車輛將專注于提升經濟性，排放水平以后將不再頻繁升級。