摩托車排放控制技術(shù)評價方法研究*

(天津大學(xué)內(nèi)燃機研究所 天津 300072)

引言

2019 年7 月1 日，摩托車“國Ⅳ”排放標(biāo)準正式全面實施。與“國Ⅲ”相比，“國Ⅳ”除了測試方法和排放限值更加嚴格外，還增加OBD 系統(tǒng)的強制性要求，使得電噴化加OBD 成為滿足“國Ⅳ”排放標(biāo)準的“標(biāo)配”技術(shù)路線[1-2]。目前，行業(yè)中存在多種應(yīng)對“國Ⅳ”的技術(shù)路線，不同的企業(yè)可以根據(jù)技術(shù)實力、經(jīng)濟實力以及自身特點選擇不同的技術(shù)路線。技術(shù)路線的多樣性雖然能給企業(yè)提供更多的選擇空間，但同時也帶來了許多問題。

在我國，絕大多數(shù)摩托車生產(chǎn)企業(yè)為中小型企業(yè)，受經(jīng)濟、技術(shù)實力以及研發(fā)能力的限制，在排放控制技術(shù)方案的選擇和設(shè)定上存在盲目性。很多企業(yè)照搬或抄襲行業(yè)龍頭企業(yè)的現(xiàn)有技術(shù)，在方案的選擇上也多以成本高低為主要判斷依據(jù)，缺乏科學(xué)有效的評價標(biāo)準和方法。其后果是生產(chǎn)的產(chǎn)品同質(zhì)化和劣質(zhì)化嚴重，缺乏市場競爭力，這不僅影響到企業(yè)的產(chǎn)品定位和持續(xù)發(fā)展，對降低污染排放，保護環(huán)境也具有不可忽視的負面作用。分析研究摩托車排放控制技術(shù)，建立科學(xué)的評價方法和體系，在幫助和指導(dǎo)企業(yè)選擇和確定適合自身特點和發(fā)展路徑的技術(shù)方案的同時，也可以為行業(yè)的技術(shù)升級提供技術(shù)支撐。

本文基于層次分析法和模糊綜合評價理論，針對摩托車排放控制技術(shù)的特點，構(gòu)建包括環(huán)境、經(jīng)濟、技術(shù)等評價指標(biāo)的多因素、多層次的評價指標(biāo)體系和評估方法。以125 mL 踏板摩托車的“國Ⅳ”排放控制技術(shù)為例，對3 種典型技術(shù)組合從減排、成本和技術(shù)等方面進行綜合評價，研究和探索摩托車排放控制技術(shù)科學(xué)有效的評價方法，為開展摩托車排放污染治理和制定相關(guān)標(biāo)準法規(guī)提供技術(shù)支撐。

1 評估方法及研究對象

1.1 評估方法選擇

技術(shù)評估方法的產(chǎn)生和形成是一個不斷研究、探索和逐步完善的過程，它是將數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)及經(jīng)濟學(xué)等學(xué)科的分析理論和方法相結(jié)合，將定量分析與定性分析相結(jié)合的綜合性學(xué)科。技術(shù)評估的方法很多，如層次分析法（AHP）、灰度綜合評估法、德爾菲法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法和模糊綜合評價法等，各種方法差異明顯，適用領(lǐng)域也各不相同。在實際應(yīng)用中，經(jīng)常將多種方法結(jié)合使用，以實現(xiàn)優(yōu)勢互補[3]。

層次分析法（AHP）由美國著名運籌學(xué)家Thomas L.Saaty 最早提出，其基本原理是：根據(jù)問題的性質(zhì)和評價目標(biāo)將問題分解成若干組成因素，按照各因素間的相互關(guān)系及隸屬關(guān)系將因素層次化，組成一個自上而下逐層支配的層次結(jié)構(gòu)模型，然后逐層分析獲得最低層（基礎(chǔ)指標(biāo)層）因素相對于最高層（目標(biāo)層）的重要性權(quán)值，最后按照因素權(quán)重和指標(biāo)評分進行綜合評估并排序。層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合，基于各因素權(quán)重和相互重要性進行決策的多準則分析方法，其關(guān)鍵是構(gòu)建一個有效、合理的層次結(jié)構(gòu)評估模型[4-5]。

模糊綜合評價法是針對現(xiàn)實中大量事物現(xiàn)象具有模糊性而設(shè)計的一種評價模型和方法，其借助于模糊數(shù)學(xué)理論中模糊關(guān)系合成原理，將一些模糊不清的、難以進行量化分析的因素通過數(shù)學(xué)工具矩陣化，從各個因素對評價對象的歸屬等級進行加權(quán)平均得出針對評價對象的綜合評價。模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型簡單，對信息比較模糊的多因素、多層次的復(fù)雜問題評判效果好，能夠避免僅從單一因素做出評判帶來的片面性[6-7]。

層次分析法思路清楚，精確度高，可實現(xiàn)系統(tǒng)化、數(shù)學(xué)化、模型化、定量與定性相結(jié)合；分析時需要的定量數(shù)據(jù)不多，具有靈活性和實用性等特點，適用于多準則、多目標(biāo)的復(fù)雜問題的系統(tǒng)評估。但該方法在評估過程中需要對各個評價因素集和各項技術(shù)進行評分，容易受到主觀因素的影響。模糊綜合評價法的結(jié)果清晰，評判系統(tǒng)性強，適用于解決各種模糊的、難以量化非確定性問題。摩托車“國Ⅳ”排放路線具有技術(shù)種類和評價因素多，評價系統(tǒng)層次性強的特點，將層次分析法與模糊綜合評價法相結(jié)合作為其評估方法，既能充分發(fā)揮各自優(yōu)點，又能有效避免單一評估方法引起的客觀性不強，評判結(jié)果不明確的問題[8]。

1.2 研究對象選擇

與“國Ⅲ”相比，摩托車“國Ⅳ”在排放限值、測試運行工況和測試設(shè)備等方面進行了較大幅度的修訂。要滿足“國Ⅳ”排放法規(guī)要求，除了必須采用電控系統(tǒng)實現(xiàn)對空燃比的精確控制，保障排放控制系統(tǒng)的耐久性和滿足OBD 功能外，對排放后處理系統(tǒng)也提出了更高的要求。比如，對催化轉(zhuǎn)化器載體的蜂窩孔道結(jié)構(gòu)、尺寸及孔密度等進行優(yōu)化，加快廢氣與孔道表面的傳質(zhì)傳熱進程，提高催化轉(zhuǎn)化率；對表面涂層材料、制備工藝、耐熱強度、貴金屬含量及成本控制等進行優(yōu)化，提高催化劑的催化性能和可靠性；采用兩級催化轉(zhuǎn)化器，提高廢氣轉(zhuǎn)化率等。通過對國內(nèi)主要摩托車企業(yè)已經(jīng)上市車型的統(tǒng)計，歸納出當(dāng)前應(yīng)對中小排量摩托車“國Ⅳ”排放法規(guī)的主要控制技術(shù)和技術(shù)組合如表1 所示。

本文以“國Ⅳ”階段的125 mL 踏板摩托車為例，研究閉環(huán)電噴+一級催化轉(zhuǎn)化器+碳罐、閉環(huán)電噴+兩級催化轉(zhuǎn)化器+碳罐、閉環(huán)電噴+二次補氣+催化轉(zhuǎn)化器+碳罐（少數(shù)車型）等3 種排放技術(shù)方案的評價方法。

表1 摩托車“國Ⅳ”排放控制主要技術(shù)路線

2 建立評價指標(biāo)體系

評價指標(biāo)體系是評估系統(tǒng)構(gòu)架的基礎(chǔ)，體現(xiàn)了評估系統(tǒng)的側(cè)重點、評估目的和評估目標(biāo)。評價指標(biāo)體系的建立應(yīng)當(dāng)遵循科學(xué)性、獨立性、可操作性、定性與定量結(jié)合的原則，綜合考慮經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。本文通過文獻參考、現(xiàn)場調(diào)研和專家咨詢等多種形式，結(jié)合摩托車排放控制技術(shù)的特點，構(gòu)建了摩托車排放控制技術(shù)評價指標(biāo)體系。如圖1 所示，評價指標(biāo)體系包含三級指標(biāo)，其中選取環(huán)境指標(biāo)、經(jīng)濟指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)作為二級評價指標(biāo)，選取HC 減排效率、CO 減排效率、NOx減排效率、設(shè)備安裝成本、設(shè)備維護成本、設(shè)備使用壽命、技術(shù)先進性、技術(shù)穩(wěn)定性及技術(shù)復(fù)雜性作為三級評價指標(biāo)。

圖1 排放控制技術(shù)評價指標(biāo)體系框圖

依據(jù)評價指標(biāo)體系中的評價指標(biāo)，可構(gòu)成評價因素集：

U={U1，U2，U3}={環(huán)境指標(biāo)，經(jīng)濟指標(biāo)，技術(shù)指標(biāo)}；

U1={u11，u12，u13}={HC 減排效率，CO 減排效率，NOx減排效率}；

U2={u21，u22，u23}={設(shè)備安裝成本，設(shè)備維護成本，設(shè)備使用壽命}；

U3={u31，u32，u33}={技術(shù)先進性，技術(shù)穩(wěn)定性，技術(shù)復(fù)雜性}。

在評價體系中，各評價因素之間相互關(guān)聯(lián)、相互制約，很難直接獲得各評價指標(biāo)的權(quán)重。運用層次分析法，以專家咨詢、問卷調(diào)查的方式對各指標(biāo)之間的相對重要性進行評價賦值，據(jù)此構(gòu)成一系列判斷矩陣，通過計算判斷矩陣獲得各評價指標(biāo)的權(quán)重。

2.1 構(gòu)建判斷矩陣

判斷矩陣是層次分析的基本信息，也是評價指標(biāo)權(quán)重分析的重要依據(jù)，其形式如式（1）所示：

矩陣中的aij（i，j=1，2…n）代表指標(biāo)ui與指標(biāo)uj相對于上一層指標(biāo)重要性的比例標(biāo)度，應(yīng)滿足下述3 條關(guān)系式：

aij>0，aij=aji，aii=1（i，j=1，2，3，…，n），它是由行業(yè)專家按照9 級比例標(biāo)度法，對各評價指標(biāo)的重要性（模糊屬性）進行比較后的量化結(jié)果，1～9 級比例標(biāo)度的定義如表2 所示。

表2 重要性標(biāo)度的定義

2.2 評價指標(biāo)的權(quán)重分析

根據(jù)判斷矩陣A=（aij）n×n，應(yīng)用層次分析法中的“特征值法”分別求解判斷矩陣的最大特征根λmax和相應(yīng)的特征向量W，將最大特征向量歸一化后即可得到某一層評價指標(biāo)相對上一層指標(biāo)的權(quán)重值。

由于客觀事物的復(fù)雜性，導(dǎo)致不同專家對事物的認識具有多樣性和模糊性，因此需要對判斷矩陣進行一致性檢驗。在T.L.Satty 等人定義的一致性檢驗指標(biāo)中，n 為判斷矩陣的階數(shù)。對于一階、二階判斷矩陣一般要求具有完全的一致性，即CI=0。對于二階以上的多階判斷矩陣一致性檢驗，需要將一致性指標(biāo)CI 與平均隨機一致性指標(biāo)RI 進行比較，得到隨機一致性比率，記作CR=CI/RI，隨機一致性指標(biāo)RI 的取值如表3 所示。當(dāng)CR ＜0.10時，判斷矩陣才具有滿意的一致性，否則就需要調(diào)整或修正判斷矩陣。

表3 平均隨機一致性指標(biāo)

由于評估體系呈現(xiàn)層次性，任一層次都由下一層次指標(biāo)聚合而成。在權(quán)重分析時，從底層開始，依次計算各層評估指標(biāo)相對于上一層評估指標(biāo)的權(quán)重，如式（2）所示，基礎(chǔ)指標(biāo)Wi的綜合權(quán)重等于該指標(biāo)對應(yīng)的各層次權(quán)重的乘積：

式中：Wi為第i 個基礎(chǔ)指標(biāo)的權(quán)重值，m 表示評價體系的總層次數(shù)，Wji表示第j 層中與第i 個基礎(chǔ)指標(biāo)相關(guān)的權(quán)重值。

本文根據(jù)行業(yè)內(nèi)12 位專家的問卷調(diào)查結(jié)果，采用層次分析法獲得的摩托車排放控制技術(shù)評價體系中各項評價指標(biāo)的權(quán)重值，如表4 所示。可以看出，在排放控制技術(shù)指標(biāo)體系的二級指標(biāo)中，環(huán)境指標(biāo)所占權(quán)重最高，其次是經(jīng)濟指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)，這反映出行業(yè)專家更為關(guān)心排放控制技術(shù)的有效性，在技術(shù)達標(biāo)的前提下，成本和使用壽命是企業(yè)必須考慮的問題。在技術(shù)指標(biāo)中，企業(yè)更為關(guān)心技術(shù)的穩(wěn)定性和便利性，先進性的權(quán)重相對較低。

表4 排放控制技術(shù)評價指標(biāo)權(quán)重值

3 排放控制技術(shù)綜合評價

3.1 評價指標(biāo)的量化方法

評價體系中的評價指標(biāo)既有定量指標(biāo)也有定性指標(biāo)，在定量指標(biāo)中還存在量級和量綱的差異，很難進行準確地評價，因此需要對評估指標(biāo)進行量化處理。本文引入模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)概念，將評估指標(biāo)中的定量指標(biāo)和定性指標(biāo)，分別用歸一化法和等級賦值法進行量化處理，以便進行綜合評價。

對于減排效率、安裝成本及使用壽命等定量指標(biāo)采用歸一化的量化處理方法。如公式（3）所示，表示環(huán)境指標(biāo)的隸屬度函數(shù)（假設(shè)轉(zhuǎn)化效率85%為限值）：

式中：Yi為第i 項減排效率指標(biāo)經(jīng)過歸一化處理后的取值；Xi為第i 項減排效率指標(biāo)的實際值。

對于技術(shù)先進性、技術(shù)穩(wěn)定性及技術(shù)復(fù)雜性等定性指標(biāo)，首先通過專家評分，問卷調(diào)查，文獻參考等方式確定各指標(biāo)所在的賦值區(qū)間，然后進行通過相應(yīng)隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)化成[0，1]之間的數(shù)值。如針對技術(shù)穩(wěn)定性指標(biāo)，依據(jù)表5 進行等級賦值，然后通過隸屬度函數(shù)進行處理，隸屬度函數(shù)如公式（4）所示：

表5 技術(shù)穩(wěn)定性指標(biāo)的等級與賦值表

式中，Yi為排放控制技術(shù)中第i 項指標(biāo)經(jīng)過等級賦值法變換后的取值；Xi為排放控制技術(shù)中第i 項指標(biāo)的原始等級賦值。值越大，說明該項指標(biāo)的等級越高。

基于綜合評價指標(biāo)體系，針對“國Ⅳ”階段125 mL踏板摩托車采用的3 種排放控制技術(shù)方案，通過專家咨詢、企業(yè)調(diào)研、問卷調(diào)查等方式，得到各技術(shù)指標(biāo)的賦值等級或數(shù)值，經(jīng)過量化和歸一化處理后，得到如表6 所示的摩托車排放控制技術(shù)指標(biāo)量化結(jié)果。

3.2 排放控制技術(shù)的綜合評價

在對摩托車排放控制技術(shù)評價指標(biāo)體系研究分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)評價指標(biāo)的權(quán)重分析的結(jié)果（表4），可構(gòu)成排放控制技術(shù)評價指標(biāo)綜合權(quán)重矩陣：

表6 摩托車排放控制技術(shù)指標(biāo)量化結(jié)果

A=[0.18，0.18，0.18，0.16，0.049，0.088，0.027，0.088，0.048]

根據(jù)評價指標(biāo)的量化分析的結(jié)果（表6 所示），可構(gòu)成排放控制技術(shù)評價指標(biāo)量化矩陣，對應(yīng)于閉環(huán)電噴+一級催化轉(zhuǎn)化器+碳罐、閉環(huán)電噴+兩級催化轉(zhuǎn)化器+碳罐、閉環(huán)電噴+二次補氣+催化轉(zhuǎn)化器+碳罐等3 種排放控制技術(shù)的評價指標(biāo)量化矩陣分別為：

則，每項排放控制技術(shù)的綜合得分可由公式（5）求得：

式中：Qi為第i 項技術(shù)的綜合得分，A 為排放控制技術(shù)評價指標(biāo)綜合權(quán)重矩陣，Bi為排放控制技術(shù)的評價指標(biāo)量化矩陣。各項排放控制技術(shù)的綜合評價結(jié)果詳見表7、表8 和表9。

從綜合評價結(jié)果看，針對125 mL 踏板摩托車排放控制技術(shù)，得分最高的是閉環(huán)電噴+一級催化轉(zhuǎn)化+碳罐的技術(shù)路線，該路線是目前中小排量摩托車滿足“國Ⅳ”排放法規(guī)的主流技術(shù)路線。受成本因素的影響，閉環(huán)電噴+兩級催化轉(zhuǎn)化+碳罐的技術(shù)路線的綜合得分排在第2 位，只有當(dāng)一級催化轉(zhuǎn)化器的技術(shù)路線不能滿足HC 和CO 排放要求時，才考慮采用該技術(shù)路線。閉環(huán)電噴+二次補氣+催化轉(zhuǎn)化器+碳罐的技術(shù)路線的綜合得分排在第3 位，在中小排量摩托車的排放控制中較少采用。

表7 摩托車排放控制技術(shù)1 的綜合評價結(jié)果

表8 摩托車排放控制技術(shù)2 的綜合評價結(jié)果

表9 摩托車排放控制技術(shù)3 的綜合評價結(jié)果

4 結(jié)論

1）基于層次分析法和模糊綜合評價理論，針對摩托車排放控制技術(shù)的特點，構(gòu)建針對環(huán)境、經(jīng)濟及技術(shù)等評價指標(biāo)的多因素、多層次的評價指標(biāo)體系和評估方法。可為摩托車行業(yè)技術(shù)升級、排放治理以及相關(guān)標(biāo)準法規(guī)的制定提供技術(shù)支撐。

2）以125 mL 踏板摩托車的“國Ⅳ”排放控制技術(shù)為例，針對3 種典型技術(shù)路線進行綜合評價：閉環(huán)電噴+一級催化轉(zhuǎn)化器+碳罐的技術(shù)路線是目前中小排量摩托車滿足“國Ⅳ”排放法規(guī)的主流技術(shù)路線，得分最高；當(dāng)一級催化轉(zhuǎn)化器的技術(shù)路線不能滿足HC 和CO 排放要求時，可采用閉環(huán)電噴+兩級催化轉(zhuǎn)化器+碳罐的技術(shù)路線；閉環(huán)電噴+二次補氣+催化轉(zhuǎn)化器+碳罐的技術(shù)路線在中小排量摩托車的排放控制中較少采用，得分最低。