美國、歐盟、日本乘用車經濟性法規的對比

姚 勇，邸敏艷

(河北師范大學，河北 石家莊50016)

隨著近年來世界氣候逐漸變暖，引起各種自然災害的頻繁發生，給人類的生存和發展帶來巨大困難。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovermental Panel on Climate Change，簡稱 IPCC)預計，自1990—2100年全球氣溫將升高1.4～5.8℃。目前的評估顯示，如果京都議定書能被徹底執行，到2050年僅可以把氣溫的升幅減少0.02～0.28 ℃［1］。因此，世界各國政府對溫室氣體的排放開始采取更加嚴格的措施，鑒于汽車污染物排放的數量巨大，尤其加大了對汽車污染物排放的限制。目前，世界汽車污染物的排放法規主要有歐盟、美國和日本3大體系，這些國家不僅在汽車的研發、制造領域居世界領先水平，而且在汽車相關法規的制定上也代表著未來的發展方向，其他國家和地區大都參照執行這些法規(表1)。由于這些法規在結構、形式及測試方法上各不相同，不能直接進行比較。這給世界各地汽車經濟性標準的比較帶來了極大的挑戰［2］。筆者結合3大經濟性法規的特點，尋找一個近似的比較方法，從而使這些法規可以互相換算。

表1 世界主要國家和地區機動車燃油經濟性標準［1］Tab.1 Fuel consumption standards for motor vehicles of major countries and regions［1］

1 世界主要國家乘用車油耗計算方法

1.1 美國乘用車燃油消耗計算方法［3］

美國燃油經濟性的測定是結合排放測試進行的，即采用城市道路行駛循環(圖1)和高速公路行駛循環(圖2)［4］，分別測定每種車型的排放物，將測得的HC、CO和CO2排放量代入碳平衡公式中，得到該車型以“英里/加侖”表示的城市道路行駛燃油經濟性CFE和高速公路行駛燃油經濟性HFE。

綜合的平均燃油經濟性CAFE(Corporate Average Fuel Economy)包括55%的城市道路行駛循環和45%高速公路行駛循環。美國油耗法規控制的是綜合CAFE，即每個制造廠每年銷售的各型轎車或輕型貨車，以其所占總銷售量的百分比作為加權系數，乘以該型車輛的綜合的CAFE，再將各車型的加權燃油經濟性總加起來，得到該廠的總平均燃油經濟性值，此值應滿足法規限值的要求。美國轎車的燃油經濟性限值目前是27.5英里/加侖。計算方法如下［4］:

對于汽油汽車，碳平衡公式為:

對于柴油汽車，碳平衡公式為:

式(1)、式(2)中:CFE為城市道路行駛燃油經濟性，英里/加侖;HFE為高速公路行駛燃油經濟性，英里/加侖;CWF為汽油中碳質量的百分比，%;SG為汽油的實測比重，g/mL;NHV為汽油的實測低熱值，BTU/Pl;HC、CO和CO2的單位均為g/mile。

將求得的CFE和HFE代入公式(3)，求出該車型的燃油經濟性FE［5］，單位為英里/加侖:

這種測定需要在2～3輛車上進行，取其平均數。

根據美國40CFR600規定，城市燃油經濟性的調節因子為0.9，公路的燃油經濟性的調節因子為0.78，則:

式中:FEA為經調節后得到的燃油經濟性值，英里/加侖;CFEA為經調節后的城市循環燃油經濟性值;HFEA為經調節后的公路循環燃油經濟性值。

1.2 歐洲(中國)汽車燃油消耗限定計算方法

目前，歐洲汽車工業與歐盟委員會達成的自愿協議來消減乘用車CO2排放。1998年3月簽訂的ACEA(Association des Constructeurs Européens d’Automobiles)協議是一個集體承諾，歐洲汽車生產廠商協會及它的成員承諾自愿消減在歐盟銷售的機動車CO2排放率。特別是這個協議建立了整個汽車工業在歐洲銷售的新機動車的平均排放目標。協議規定，到2008年，在歐洲銷售的新機動車要達到CO2排放140 g/km的平均目標，現在該協議延伸到2012年的 CO2排放目標為120 g/km［3］，到2020年降為95 g/km。方法是，從成批生產的車輛中隨機抽取3輛，進行CO、HC和CO2測定試驗。將測得的污染物代入碳平衡公式，求得燃油消耗量。測試循環由4個市區運轉循環和一個市郊運轉循環(圖3)組成，試驗的車輛在試驗前行駛 3 000～15 000 km進行磨合。試驗時應使用規定的基準燃料，汽油的氫碳比固定為1.85，柴油為1.86，在計算燃料消耗量時采用此固定的氫碳比。

圖3 歐洲試驗循環［4］Fig.3 New Europe drive cycle［4］

中國汽車油耗強制性國家標準 GB 19578—2004《乘用車燃料消耗量限值》于2004年10月29日頒布。第1階段的執行日期為2006年7月1日。從2008年1月1日起，乘用車新定型車型的燃料消耗量將執行第2階段限值標準，乘用車在產車型則從2009年1月1日起執行第2階段限值標準［6］。在測量上基本執行歐盟標準。歐盟的乘用車經濟性計算方法如式(5)［4］:

式中:FE為車輛燃油經濟性，L/(100 km);K為燃料系數，汽油車:K=SG/0.115 4，柴油車 K=SG/0.115 5(SG 為燃油的實測比重，g/mL);HC、CO 和CO2以g/km表示。

1.3 日本輕型乘用車和商用車燃油經濟性計算方法

日本政府1999年提出了汽油和柴油驅動的輕型乘用車和商用車的燃油經濟性標準，標準限值基于按重量分類的平均燃油經濟性，機動車必須達到它們各自所屬重量級別對應的標準要求。在其質量段范圍內采用CAFE方法，即某一汽車廠在某一質量段內銷售的汽車，只要各車型的加權油耗的總和滿足該質量段的限值要求即可。根據日本政府的說明，2010年日本乘用車的車隊平均燃油經濟性為15.1 km/L(35.5 英里/加侖)。

如圖4、圖5，試驗車輛應在底盤測功機上進行預熱，以恒速(60±2)km/h運行15 min，測量冷卻液和潤滑油溫度。再運行5 min，并運行15工況1次和怠速24 s。隨后，連續運行10工況3次和15工況1次。在第1個15工況的終點開始將排氣取入定容取樣器中，于最后一個15工況末了終止。計算測得的HC、CO和CO2排放量。其經濟性的計算方法如式(6)［4］:

式中:FE為車輛燃油經濟性，km/L;K為燃料系數，汽油車:K=649，柴油車:K=735;其他符號意義同式(5)。

2 美國、歐盟、日本測試工況的換算

可以看出，美國、歐盟、日本測試工況在結構、形式以及測試方法有很大不同。另外，各國的燃料成分、添加劑、氣候、地理環境等存在差異。筆者介紹一種通用的只考慮主要因素的比較方法。

2.1 單位不同的換算

美國汽車油耗FEA的單位為英里/加侖，在不考慮試驗規程時換算至歐洲或我國油耗單位，1英里/加侖 =1.609 344 km/(3.785 411 78 L)，所以:

2.2 美國、日本的燃油經濟性與歐洲或中國的燃料消耗量的換算

2.2.1 美國的燃油經濟性換算為歐洲(中國)的燃料消耗量——計算式法

根據美國專家介紹，由于美國和歐洲(中國)的試驗規程不同，將美國的FEA轉換為歐洲或中國的燃油耗時，需要先將FEA乘以0.86，式(4)是美國的燃油經濟性的計算公式，因此，將式(4)換算至歐洲或中國油耗單位的公式為:

2.2.2 日本的燃油經濟性換算為歐洲(中國)的燃料消耗量

日本自工會推薦的乘用車換算公式是［4］:式中:Y為歐洲或中國的燃料消耗量，L/(100 km);X為按日本10-15工況測量和計算得到的燃油經濟性，km/L。

日本豐田公司推薦的乘用車換算公式是［4］:按公式(10)換算8種豐田車型的燃油經濟性，得到的燃料消耗量，比較接近實測值(圖6)。

圖6 日本自工會換算式與豐田公司換算式對比Fig.6 Conversion from the Japanese-style union-type compared with that of TMC

從圖6可以看出，在100 km油耗13 L時，式(9)和式(10)的差為 1.305 3，偏差 10.04%。當100 km油耗大于13 L，偏差增大。日本乘用車的100 km油耗在4.74～12.8 L之間，平均100 km 油耗6.6 L，在這區間偏差不大。

2.2.3 將美國、日本的燃油經濟性換算為歐洲(中國)的燃料消耗量轉換因子法

通常來說，測試工況的平均速度與對應的燃油經濟性正相關。從表2看出，美國綜合CAFE工況平均速度為48 km/h。歐盟NEDC工況的平均速度約33.64 km/h。日本工況的平均速度約23.82 km/h［7］。經計算，將歐洲測試工況得到的燃油經濟性指標轉換為基于美國CAFE工況的燃油經濟性指標需要乘一個轉換因子1.13;將日本工況下測試得到的燃油經濟性指標轉換為美國CAFE工況下數值，需要乘轉換因子1.35。這些轉換因子應用于英國VTA(Vehicle Type Approval)公布的26種汽油車和50多種柴油車試驗數據中［8］，得到較好的驗證。

表2 美國、歐盟、日本測試工況比較Tab.2 Comparison of test conditions of U.S.，EU，Japan

3 西方國家汽車經濟性法規的等效結果與分析

將美國采用的CAFE工況，和日本采用的10-15工況，在通過上述方法換算成歐洲NEDC工況下的限值后，進行比較(見圖7)。從圖中看出，世界3大經濟性法規體系中，日本乘用車的經濟規范最為嚴格，歐盟次之，美國最為寬松。

圖7 2002—2020年中國、美國、歐盟和日本新型客車溫室氣體排放Fig.7 Greenhouse gas emissions of new passenger cars of China，U.S.，EU and Japan during 2002－2020

4 結語

1)現在絕大多數汽車的燃料是汽油或柴油，在分析時汽油和柴油轉換成CO2的轉換因子可以作為常數來使用。在歐盟和日本的車輛燃油經濟性計算式(5)和式(6)中K就是這樣。

2)在歐盟、日本和美國的車輛燃油經濟性控制法規中，由于控制指標不同，試驗測試循環不同，很難進行比較。通過換算成CO2的排放量，再根據測試循環的差異，使用轉換因子完成轉換。使各國車輛燃油經濟性可以比較。

3)由于車輛燃油經濟性控制法規中，沒有對燃料種類作出規定，所以這些法規鼓勵了柴油車的發展。

由于各國的燃料添加劑不同，氣候環境不同，所以完全等同的換算仍需做大量的試驗分析，本文只是提供了一個近似的方法。

［1］FENG An.Passenger Vehicle Greenhouse Gas and Fuel Economy Standards［M/OL］.Washington D.C.，USA:International Council on Clean Transportation，2008［2010-09-01］.http://www.Theicct.org.

［2］Ford D R，Mazyar Zeinali.Test Cycles Uesed To Evaluate Vehicle Efficiency［R/OL］.Washington D.C.，USA:International Council on Clean Transportation，2011［2011-03-01］.http://www.Theicct.org.

［3］孫路訓.汽車燃油標準促進美國車企技術提升［R/OL］.北京:搜狐公司，2009［2010-10-11］.http://www.auto.sohu.com.

［4］許拔民.汽車油耗標準及技術法規的現狀與發展［J］.汽車標準化，2005(10/11):53-58.XU Ba-min.Automobile fuel standards and technical regulations of the current situation and development［J］.Auto Standardization，2005(10/11):53-58.

［5］International Council on Clean Transportation.ICCT technical vehicle efficiency handout［M/OL］Washington D.C.，USA:International Council on Clean Transportation2010［2011-01-05］.http://www.Theicct.org.

［6］GB 19578—2004乘用車燃料消耗量限值［S］.北京:中國標準出版社，2005.

［7］Bandivadekar A.Review of Fuel Economy/GHG Standard Worldwide［R/OL］.Washington D.C.，USA:International Council on Clean Transportation，2008［2011-03-01］.http://www.theicct.org.

［8］Markwick P.Searchabl Database:Vehicle Certification Agency［R/OL］.Bristol.BS5 6XX.，UK:Department for Transport，2010［2011-03-01］.http://www.vca.gov.uk.