美国汽车排放法规探析

郑州市公共交通集团有限公司 卓浩天

目前世界上最严苛的汽车排放标准，莫过于美国和欧洲了。从2020年开始，包括我国在内，各国都开始执行更加严苛的车辆排放法规。但与欧美相比，我国号称史上最严的国六排放标准，仍然与发达国家的排放标准有着较大的差距。以美国目前正在分阶段实施的EPA Tier3（EPA为美国环境保护署英文缩写）排放标准为例，其规定NOx的排放大约为0.02 g/mile（参考EPA Tier2，1 mile=1.609 km），即12.4 mg/km，而中国轻型汽车国六b的排放限值为50 mg/km，相当于需要在国六限值基础上大幅降低75%，才能达到美国EPA Tier3阶段的排放水平。目前，我国国六汽车排放法规正在逐步落地实施，由于我国汽车排放法规基本上是参考欧洲汽车排放法规体系制定的，而作为综合国力第一的美国，其汽车排放法规又是怎样的呢？

1 美国法规的基本情况

不同于我国排放标准已经排到了国六，美国环保局（EPA，Environmental Protection Agency）发布的轻型汽车排放法规到现在为止只有3个阶段，即Tier1、Tier2和Tier3。Tier1于1991年6月5日发布，并于1994年至1997年分阶段逐步实施；Tier2于1999年12月21日通过，并于2004年至2009年分阶段逐步实施；Tier3于2014年3月3日最终确定，在2017年至2025年分阶段实施。

需要注意，我国轻型汽车排放标准序列号多，但大多没有过渡阶段，到法规执行之日起即必须执行法规限值。美国轻型汽车排放标准序列号虽少，但每个排放阶段实施初期都规定了为期数年的过渡期，过渡期内分阶段逐步提高排放要求，并在过渡期结束后达到最终排放限值。

1.1 汽车的分类

美标中的单位采用英制单位，质量单位为磅（lb，1 lb=453.59 g），长度单位为英里（mile，1 mile=1.609 km）或英尺（ft，1 ft=0.304 8 m）。根据质量的不同，EPA法规对汽车进行表1所列的划分。相较于Tier1，Tier2汽车分类增加了中型乘用车，主要代表大型SUV、乘用VAN车等车型，而且对于MDPV分类，厂家可以选择进行重型柴油发动机排放认证。

表1 美国汽车分类

1.2 FTP75排放限值

EPA Tier2的排放标准以“certification bins（认证箱）”的结构体现，其中共包含8级（1～8）的永久认证标准和3级（9～11）的临时认证标准，从11级到1级排放限值逐步降低。其中临时认证标准是Tier2的过渡时期采用的标准，从2008年以后不再使用。污染物的测试循环为FTP75，限值见表2所列（单位是g/mile）。将2级～8级限值的单位转化为国标常用的g/km，限值见表3所列。与我国轻型汽车的排放要求不同，EPA Tier2不针对车型设定排放限值，而是规定厂家全部轻型车（即车队）的平均排放限值。Tier2要求厂家可以从“certification bins（认证箱）”中自由选择任何级别对车型进行认证，但厂家车队的平均NOx排放要达到0.07 g/mile，这与“certification bins”中Tier2 Bin5的NOx限值相当。因此，如果有部分汽车是按Tier2 Bin6及更高的排放级别进行的认证，意味着厂家必须出售足够数量的Tier2 Bin4及更低排放级别的汽车，使车队平均的NOx排放达到0.07 g/mile。

表2 FTP75排放限值（单位：g/mile）

表3 将2级～8级限值的单位转化为国标常用的g/km后的排放限值

EPA Tier2的排放耐久性里程包括中间寿命和全寿命两种：中间寿命规定为5年或5万mile（8万多km），以先到者为准；LDV和LLDT的全寿命为10年或12万mile（约19.3万km），以先到者为准；HLDT和MDPV的全寿命为11年或12万mile（约19.3万km），以先到者为准。厂家同时可以选择按生命周期15万mile（约24.1万km）或15年进行认证，这样就可以不进行中间寿命认证。

1.3 SFTP排放限值

EPA Tier2还要求LDV和LDT汽车需进行SFTP的认证，MDPV、两用燃料LDV/LDT及非汽油柴油动力的LDV/LDT则不需要。SFTP标准要求分别认证4 000 mile（6 437 km）和全寿命的排放情况，其中4 000 mile监测NMHC+NOx、CO两种排放污染物，所有汽车的排放限值（表4）是一致的。全寿命监测NMHC+NOx、PM和CO三种污染物，权重按下式计算，

表4 SFTP排放限值（单位：g/mile）

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

限值按下面公式计算，

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

EPA Tier1阶段SFTP标准的排放限值见表5所列，单位为g/mile。将单位转化为国标常用的g/km，柴油车的排放限值见表6所列。对于SFTP标准的全寿命排放限值，与汽车类型及FTP认证等级相关，以LDT4、Tier2 Bin10的汽车为例，在全生命周期内，SFTP标准的排放限值见表7所列（单位为g/mile）。

表5 EPA Tier1 阶段SFTP标准的排放限值（单位：g/mile）

表6 EPA Tier1 阶段SFTP标准的排放限值（单位：g/km）

表7 在全生命周期内SFTP标准的排放限值（单位：g/mile）

此外，还应注意以下法规条款。

（1）对于LDV和LDT汽车，在HFET循环的NOx测试结果不得大于相应FTP75循环测试结果的1.33倍。

（2）从2001年起，曲轴箱污染物不可以排到大气。

（3）如果车队平均NOx排放低于标准，厂家可获得NOx积分；如果车队平均NOx排放高于标准，厂家则获得NOx赤字。积分可用于未来厂家自己使用或与其他厂家交易。

由此可见，我国轻型汽车的排放标准要求每一种车型都必须达到给定的排放限值，而美国认证不针对车型设定排放限值，而是规定厂家各类轻型车（即车队）的平均排放限值，这是很重要的区别；EPA Tier2要求厂家可自由选择“certification bins”中任何一级标准对车型进行认证，但厂家车队的平均NOx排放要达到0.07 g/mile（即0.043 5 g/km），比我国国6b的轻型汽车排放限值0.050 g/km还要低；EPA Tier2在2009年后全面实施，而我国国6b将在2023年全国实施，比美国晚了将近15年。所以，跟美国比，我国轻型汽车的排放法规还有比较大的差距。

2 美国汽车排放测试循环

美国轻型车排放测试循环称为联邦测试规程（FTP，Federal Test Procedure），FTP75用于轻型车的排放认证及燃油经济性测试，如图1所示，整个测试循环包括冷起动阶段（环境温度为20 ℃～30 ℃，总时长为505 s）、瞬态阶段（总时长为867 s）和热起动阶段（总时长为505 s，车速控制与冷起动阶段一致）等3个部分。在上述瞬态阶段之后，有约10 min的热浸阶段，停车熄火540 s～660 s后，再进行热起动阶段的测试。

图1 用于轻型车的排放认证及燃油经济性测试FTP75循环

FTP75来源于FTP72，FTP72又称为UDDS（Urban Dynamometer Driving Schedule，城市测功机行驶计划）或LA-4，FTP75的冷起动阶段+瞬态阶段即为FTP72。为了弥补FTP75测试循环的不足，2000年以后的排放测试又逐步采用了补充联邦测试规程（SFTP，Supplemental Federal Test Procedure）。SFTP包含2个试验循环，分别是US06和SC03。如图2所示，US06用于表征车辆高车速、高加速度及车速波动剧烈的情况，时长共计596 s。按试验规范要求，首先进行一次US06循环对车辆进行预热处理，然后运转60 s～120 s的怠速，最后再次运行US06循环，进行正式试验。

图2 SFTP的US06试验循环

SC03试验循环（图3）用于表征在空调开启时的车辆状态，时长为596 s。测试时的环境温度为35 ℃±5 ℃，空调需要开启到最大制冷量。首先进行一次SC03循环对车辆进行预热处理，然后熄火并在该环境温度下热浸540 s～660 s，最后再次运行SC03循环，进行正式试验。

图3 SFTP的SC03试验循环

2.1 美国汽车燃油经济性测试循环

我国评估车辆燃油经济性使用的是NEDC（New European Driving Cycle，新欧洲驾驶循环测试）循环，NEDC由城市驾驶工况（City）和市郊驾驶工况（Highway）两部分组成（图4）。城市驾驶工况由4次ECE-15（城市驾驶周期）循环单元组成，该循环单元在994.03 m的理论距离上以195 s结束，然后连续重复4次。在3 976.1 m的理论距离上，总持续时间为780 s，平均速度为18.35 km/h。市郊驾驶工况是更具挑战的高速驾驶模式，共1个循环，持续时间为400 s，理论距离为6 956 m，平均速度为62.6 km/h。相信大家也看出来了，由于NEDC标准的测试过于理想化，比如在195 s的城市驾驶周期中，机械化地重复起动、加速、匀速、减速停车等几个阶段，然后再次重复3次这个周期，可现实生活中这些测试几乎不具有可重复性和可比较性；再比如在400 s的市郊驾驶工况中，不包括持续的高速公路驾驶；再比如测试周期中没有开启空调或加热车窗等辅助设备。因此，NEDC标准测试总会与实际情况之间存在较大的差异。也正是由于NEDC的这种局限性，联合国欧洲经济委员会又通过了WLTP（World Harmonized Lightduty Vehicles Test Procedure）作为欧洲车辆认证程序。从2019年9月1日开始，所有要在欧盟国家及瑞士、挪威、冰岛和土耳其注册的轻型车辆必须遵守WLTP标准。WLTP最终版本于2015年发布，其主要目标是让实验室的燃油消耗和排放估算与实际公路驾驶条件下的指标更好地匹配。与NEDC相比，该标准更好地代表了实际和现代驾驶条件，并且也已经被中国、日本和美国所接受。

图4 NEDC测试循环

美国评估车辆燃油经济性的循环也与我国不同，使用的是HFET循环（高速燃油经济性测试循环，HWFET或HFET，Highway Fuel Economy Test）和FTP75循环。其中HFET代表高速工况油耗，FTP75代表城市工况油耗。另外，对于HFET循环同时需要进行排放测试，美国法规也有相关的排放限制要求。如图5所示，HFET循环时长为765 s，按试验要求需要进行2次HFET循环，2次循环的时间间隔最大17 s。第一次HFET循环对车辆进行预处理，第二次HFET循环是正式试验。

图5 HFET循环

2.2 中美试验循环对比

NEDC与FTP75测试循环的对比如图6所示，NEDC循环是恒速和恒加减速的结合，且加减速较平缓，高速工况的车速更快、时间更长。FTP75循环采用瞬态工况，总时间更长，但规律性更差。NEDC的城郊工况与US06测试循环的对比如图7所示。通过对比可以看出，US06循环的时间更长，开头与结尾的车速变化更剧烈。中美各测试循环的特征参数对比见表8所列。WLTC与FTP75的循环时间基本相当，但WLTC的平均车速和最大车速更高，主要是因为WLTC的高速段和超高速段车速偏高。

图6 NEDC与FTP75测试循环的对比

表8 中美各测试循环的特征参数对比

图7 NEDC的城郊工况与US06测试循环的对比

3 美国面向未来的EPA Tier3排放标准

目前美国最新的排放标准是EPA Tier3。美国的轻型汽车第3阶段排放标准于2013年3月提出，并于2014年3月3日签署成为法律。从2017年到2025年，EPA Tier3将分阶段实施。该法规同时还提高了汽油的含硫量限制。EPA Tier3的结构与EPA Tier2标准相似，制造商必须从7个可选的“certification bins（认证箱）”中选择一个等级对汽车进行排放认证，同时满足车队的平均排放标准。美国轻型车的排放测试循环称为联邦测试规程（FTP，Federal Test Procedure），目前使用的FTP75用于轻型车的排放认证及燃油经济性测试。FTP75的排放限值见表9所列。相较于EPA Tier2，轻型汽车的EPA Tier3排放法规主要特点有以下几点：一是按NMOG与NOx的总和进行排放限制；二是Bins的名称以相应NMOG+NOx的限值进行命名；三是EPA Tier3 Bin 160与EPA Tier2 Bin5的NMOG+NOx限值相当，EPA Tier3 Bin 30与EPA Tier2 Bin2的NMOG+NOx限值相当；四是到2025年，厂家车队的平均NMOG+NOx排放要达到30 mg/mile，即EPA Tier3 Bin 30的水平；五是排放耐久性里程从12万mile增长到15万mile（24.1万km）；六是除Bin0外，其他各级认证标准的PM、HCHO限值是一致的。

表9 美国排放标准EPA Tier3的FTP75的排放限值

EPA Tier3过渡阶段，轻型汽车的平均NMOG+NOx排放限值（FTP标准）见表10所列。EPA Tier3过渡阶段，FTP的PM标准并没有设定厂家车队的平均排放，而是对符合标准的汽车销量占比进行了规定（表11，单位为mg/mile）。

表10 美国EPA Tier3过渡阶段平均NMOG+NOx排放限值

表11 美国EPA Tier3过渡阶段符合标准的汽车销量占比

EPA Tier3 SFTP标准的权重因子与EPA Tier2一致，为SFTP=0.35（FTP）+ 0.28（US06）+ 0.37（SC03）。对于SFTP标准的NMOG+NOx标准，厂家可自行确定汽车的认证限值，但最大不超过1 180 mg/mile（111.87 mg/km）。同时要求，过渡阶段车队平均NMOG+NOx限值达到表12要求，到2025年要下降到50 mg/mile（31 mg/km）。其中，对于SFTP的CO标准，没有过渡阶段，从2018年开始车队平均限值为4.2 g/mile（2.61 g/km）。对于SFTP的PM标准，仅要求进行US06测试，同FTP标准一样，过渡阶段SFTP的PM标准也是基于汽车销量占比的（表13）。此外，HFET循环的NMOG+NOx排放也应满足轻型汽车“certification bins”的限值要求。

表12 美国EPA Tier3过渡阶段车队平均NMOG+NOx限值

表13 美国EPA Tier3过渡阶段PM标准

由此可见，我国的排放法规基本上是参考欧洲的法规体系，而美国轻型汽车的排放循环，与中国和欧洲的排放循环完全不同。

（1）我国轻型汽车排放标准序列号多，但都没有过渡阶段，到法规执行之日起即必须执行法规限值。美国轻型汽车排放标准序列号虽少，但每个排放阶段实施初期都规定了为期数年的过渡期，过渡期内分阶段逐步提高排放要求，并在过渡期结束后达到最终排放限值。

（2）我国轻型汽车的排放标准要求每一种车型都必须达到给定的排放限值；美国认证不针对车型设定排放限值，而是规定厂家各类轻型车（即车队）的平均排放限值。

（3）美国EPA Tier3的NOx排放大约为0.02 g/mile（参考EPA Tier2），即12.4 mg/km。而我国轻型汽车国六b的排放限值为50 mg/km，相当于需要在国六限值基础上大幅降低75%，才能达到美国3阶段的排放水平。同时，美国EPA Tier3的可靠性要求进一步提升，达到15万mile（24.1万km），这也比我国国六法规的20万km难度大。

（4）美国评估车辆燃油经济性的循环也与我国不同，我国使用的是NEDC循环，而美国使用的是HFET循环（Highway Fuel Economy Test，高速燃油经济性测试循环，HWFET或HFET）和FTP75循环。其中HFET代表高速工况油耗，FTP75代表城市工况油耗。NEDC循环是恒速和恒加减速的结合，且加减速较平缓，高速工况的车速更快、时间更长。FTP75循环采用瞬态工况，总时间更长，但规律性更差。欧盟WLTP与FTP75的循环时间基本相当，但WLTP的平均车速和最大车速更高，主要是因为WLTP的高速段和超高速段车速偏高（表8）。

所以，跟美国比，我国轻型汽车的排放法规还有比较大的差距。美国的排放法规真的太严了，到那时候，汽车的排放已经非常接近于0排放了，因此，该标准有可能成为最终的排放标准，该标准全面实施以后，内燃机车辆将专注于提升经济性，排放水平以后将不再频繁升级。