姚 勇，邸敏艷

(河北師范大學(xué)，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(zāi)害的頻繁發(fā)生，給人類的生存和發(fā)展帶來巨大困難。根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovermental Panel on Climate Change，簡(jiǎn)稱 IPCC)預(yù)計(jì)，自1990—2100年全球氣溫將升高1.4～5.8℃。目前的評(píng)估顯示，如果京都議定書能被徹底執(zhí)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(guó)政府對(duì)溫室氣體的排放開始采取更加嚴(yán)格的措施，鑒于汽車污染物排放的數(shù)量巨大，尤其加大了對(duì)汽車污染物排放的限制。目前，世界汽車污染物的排放法規(guī)主要有歐盟、美國(guó)和日本3大體系，這些國(guó)家不僅在汽車的研發(fā)、制造領(lǐng)域居世界領(lǐng)先水平，而且在汽車相關(guān)法規(guī)的制定上也代表著未來的發(fā)展方向，其他國(guó)家和地區(qū)大都參照?qǐng)?zhí)行這些法規(guī)(表1)。由于這些法規(guī)在結(jié)構(gòu)、形式及測(cè)試方法上各不相同，不能直接進(jìn)行比較。這給世界各地汽車經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)的比較帶來了極大的挑戰(zhàn)［2］。筆者結(jié)合3大經(jīng)濟(jì)性法規(guī)的特點(diǎn)，尋找一個(gè)近似的比較方法，從而使這些法規(guī)可以互相換算。

表1 世界主要國(guó)家和地區(qū)機(jī)動(dòng)車燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)［1］Tab.1 Fuel consumption standards for motor vehicles of major countries and regions［1］

1 世界主要國(guó)家乘用車油耗計(jì)算方法

1.1 美國(guó)乘用車燃油消耗計(jì)算方法［3］

美國(guó)燃油經(jīng)濟(jì)性的測(cè)定是結(jié)合排放測(cè)試進(jìn)行的，即采用城市道路行駛循環(huán)(圖1)和高速公路行駛循環(huán)(圖2)［4］，分別測(cè)定每種車型的排放物，將測(cè)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?cè)加徒?jīng)濟(jì)性CFE和高速公路行駛?cè)加徒?jīng)濟(jì)性HFE。

綜合的平均燃油經(jīng)濟(jì)性CAFE(Corporate Average Fuel Economy)包括55%的城市道路行駛循環(huán)和45%高速公路行駛循環(huán)。美國(guó)油耗法規(guī)控制的是綜合CAFE，即每個(gè)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(quán)系數(shù)，乘以該型車輛的綜合的CAFE，再將各車型的加權(quán)燃油經(jīng)濟(jì)性總加起來，得到該廠的總平均燃油經(jīng)濟(jì)性值，此值應(yīng)滿足法規(guī)限值的要求。美國(guó)轎車的燃油經(jīng)濟(jì)性限值目前是27.5英里/加侖。計(jì)算方法如下［4］:

對(duì)于汽油汽車，碳平衡公式為:

對(duì)于柴油汽車，碳平衡公式為:

式(1)、式(2)中:CFE為城市道路行駛?cè)加徒?jīng)濟(jì)性，英里/加侖;HFE為高速公路行駛?cè)加徒?jīng)濟(jì)性，英里/加侖;CWF為汽油中碳質(zhì)量的百分比，%;SG為汽油的實(shí)測(cè)比重，g/mL;NHV為汽油的實(shí)測(cè)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(jīng)濟(jì)性FE［5］，單位為英里/加侖:

這種測(cè)定需要在2～3輛車上進(jìn)行，取其平均數(shù)。

根據(jù)美國(guó)40CFR600規(guī)定，城市燃油經(jīng)濟(jì)性的調(diào)節(jié)因子為0.9，公路的燃油經(jīng)濟(jì)性的調(diào)節(jié)因子為0.78，則:

式中:FEA為經(jīng)調(diào)節(jié)后得到的燃油經(jīng)濟(jì)性值，英里/加侖;CFEA為經(jīng)調(diào)節(jié)后的城市循環(huán)燃油經(jīng)濟(jì)性值;HFEA為經(jīng)調(diào)節(jié)后的公路循環(huán)燃油經(jīng)濟(jì)性值。

1.2 歐洲(中國(guó))汽車燃油消耗限定計(jì)算方法

目前，歐洲汽車工業(yè)與歐盟委員會(huì)達(dá)成的自愿協(xié)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(xié)議是一個(gè)集體承諾，歐洲汽車生產(chǎn)廠商協(xié)會(huì)及它的成員承諾自愿消減在歐盟銷售的機(jī)動(dòng)車CO2排放率。特別是這個(gè)協(xié)議建立了整個(gè)汽車工業(yè)在歐洲銷售的新機(jī)動(dòng)車的平均排放目標(biāo)。協(xié)議規(guī)定，到2008年，在歐洲銷售的新機(jī)動(dòng)車要達(dá)到CO2排放140 g/km的平均目標(biāo)，現(xiàn)在該協(xié)議延伸到2012年的 CO2排放目標(biāo)為120 g/km［3］，到2020年降為95 g/km。方法是，從成批生產(chǎn)的車輛中隨機(jī)抽取3輛，進(jìn)行CO、HC和CO2測(cè)定試驗(yàn)。將測(cè)得的污染物代入碳平衡公式，求得燃油消耗量。測(cè)試循環(huán)由4個(gè)市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)和一個(gè)市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)(圖3)組成，試驗(yàn)的車輛在試驗(yàn)前行駛 3 000～15 000 km進(jìn)行磨合。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)使用規(guī)定的基準(zhǔn)燃料，汽油的氫碳比固定為1.85，柴油為1.86，在計(jì)算燃料消耗量時(shí)采用此固定的氫碳比。

圖3 歐洲試驗(yàn)循環(huán)［4］Fig.3 New Europe drive cycle［4］

中國(guó)汽車油耗強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 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(zhí)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(zhí)行第2階段限值標(biāo)準(zhǔn)，乘用車在產(chǎn)車型則從2009年1月1日起執(zhí)行第2階段限值標(biāo)準(zhǔn)［6］。在測(cè)量上基本執(zhí)行歐盟標(biāo)準(zhǔn)。歐盟的乘用車經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法如式(5)［4］:

式中:FE為車輛燃油經(jīng)濟(jì)性，L/(100 km);K為燃料系數(shù)，汽油車:K=SG/0.115 4，柴油車 K=SG/0.115 5(SG 為燃油的實(shí)測(cè)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(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法

日本政府1999年提出了汽油和柴油驅(qū)動(dòng)的輕型乘用車和商用車的燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)限值基于按重量分類的平均燃油經(jīng)濟(jì)性，機(jī)動(dòng)車必須達(dá)到它們各自所屬重量級(jí)別對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。在其質(zhì)量段范圍內(nèi)采用CAFE方法，即某一汽車廠在某一質(zhì)量段內(nèi)銷售的汽車，只要各車型的加權(quán)油耗的總和滿足該質(zhì)量段的限值要求即可。根據(jù)日本政府的說明，2010年日本乘用車的車隊(duì)平均燃油經(jīng)濟(jì)性為15.1 km/L(35.5 英里/加侖)。

如圖4、圖5，試驗(yàn)車輛應(yīng)在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行預(yù)熱，以恒速(60±2)km/h運(yùn)行15 min，測(cè)量冷卻液和潤(rùn)滑油溫度。再運(yùn)行5 min，并運(yùn)行15工況1次和怠速24 s。隨后，連續(xù)運(yùn)行10工況3次和15工況1次。在第1個(gè)15工況的終點(diǎn)開始將排氣取入定容取樣器中，于最后一個(gè)15工況末了終止。計(jì)算測(cè)得的HC、CO和CO2排放量。其經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算方法如式(6)［4］:

式中:FE為車輛燃油經(jīng)濟(jì)性，km/L;K為燃料系數(shù)，汽油車:K=649，柴油車:K=735;其他符號(hào)意義同式(5)。

2 美國(guó)、歐盟、日本測(cè)試工況的換算

可以看出，美國(guó)、歐盟、日本測(cè)試工況在結(jié)構(gòu)、形式以及測(cè)試方法有很大不同。另外，各國(guó)的燃料成分、添加劑、氣候、地理環(huán)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(guó)汽車油耗FEA的單位為英里/加侖，在不考慮試驗(yàn)規(guī)程時(shí)換算至歐洲或我國(guó)油耗單位，1英里/加侖 =1.609 344 km/(3.785 411 78 L)，所以:

2.2 美國(guó)、日本的燃油經(jīng)濟(jì)性與歐洲或中國(guó)的燃料消耗量的換算

2.2.1 美國(guó)的燃油經(jīng)濟(jì)性換算為歐洲(中國(guó))的燃料消耗量——計(jì)算式法

根據(jù)美國(guó)專家介紹，由于美國(guó)和歐洲(中國(guó))的試驗(yàn)規(guī)程不同，將美國(guó)的FEA轉(zhuǎn)換為歐洲或中國(guó)的燃油耗時(shí)，需要先將FEA乘以0.86，式(4)是美國(guó)的燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算公式，因此，將式(4)換算至歐洲或中國(guó)油耗單位的公式為:

2.2.2 日本的燃油經(jīng)濟(jì)性換算為歐洲(中國(guó))的燃料消耗量

日本自工會(huì)推薦的乘用車換算公式是［4］:式中:Y為歐洲或中國(guó)的燃料消耗量，L/(100 km);X為按日本10-15工況測(cè)量和計(jì)算得到的燃油經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)性，得到的燃料消耗量，比較接近實(shí)測(cè)值(圖6)。

圖6 日本自工會(huì)換算式與豐田公司換算式對(duì)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(shí)，式(9)和式(10)的差為 1.305 3，偏差 10.04%。當(dāng)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(qū)間偏差不大。

2.2.3 將美國(guó)、日本的燃油經(jīng)濟(jì)性換算為歐洲(中國(guó))的燃料消耗量轉(zhuǎn)換因子法

通常來說，測(cè)試工況的平均速度與對(duì)應(yīng)的燃油經(jīng)濟(jì)性正相關(guān)。從表2看出，美國(guó)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(jīng)計(jì)算，將歐洲測(cè)試工況得到的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)轉(zhuǎn)換為基于美國(guó)CAFE工況的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)需要乘一個(gè)轉(zhuǎn)換因子1.13;將日本工況下測(cè)試得到的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)轉(zhuǎn)換為美國(guó)CAFE工況下數(shù)值，需要乘轉(zhuǎn)換因子1.35。這些轉(zhuǎn)換因子應(yīng)用于英國(guó)VTA(Vehicle Type Approval)公布的26種汽油車和50多種柴油車試驗(yàn)數(shù)據(jù)中［8］，得到較好的驗(yàn)證。

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

3 西方國(guó)家汽車經(jīng)濟(jì)性法規(guī)的等效結(jié)果與分析

將美國(guó)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(jìn)行比較(見圖7)。從圖中看出，世界3大經(jīng)濟(jì)性法規(guī)體系中，日本乘用車的經(jīng)濟(jì)規(guī)范最為嚴(yán)格，歐盟次之，美國(guó)最為寬松。

圖7 2002—2020年中國(guó)、美國(guó)、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(jié)語

1)現(xiàn)在絕大多數(shù)汽車的燃料是汽油或柴油，在分析時(shí)汽油和柴油轉(zhuǎn)換成CO2的轉(zhuǎn)換因子可以作為常數(shù)來使用。在歐盟和日本的車輛燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算式(5)和式(6)中K就是這樣。

2)在歐盟、日本和美國(guó)的車輛燃油經(jīng)濟(jì)性控制法規(guī)中，由于控制指標(biāo)不同，試驗(yàn)測(cè)試循環(huán)不同，很難進(jìn)行比較。通過換算成CO2的排放量，再根據(jù)測(cè)試循環(huán)的差異，使用轉(zhuǎn)換因子完成轉(zhuǎn)換。使各國(guó)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性可以比較。

3)由于車輛燃油經(jīng)濟(jì)性控制法規(guī)中，沒有對(duì)燃料種類作出規(guī)定，所以這些法規(guī)鼓勵(lì)了柴油車的發(fā)展。

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

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［3］孫路訓(xùn).汽車燃油標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)美國(guó)車企技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)法規(guī)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.汽車標(biāo)準(zhǔn)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)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.