基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的輕型汽油車排放控制技術(shù)評(píng)價(jià)

馬 冬，孟慶斌，肖 寒，吉 喆，王運(yùn)靜，汪曉偉

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)機(jī)動(dòng)車污染控制與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084；3.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061；4.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

當(dāng)前，我國(guó)大氣環(huán)境污染形勢(shì)嚴(yán)峻。《中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)2017》[1]顯示，338個(gè)地級(jí)以上城市中，239個(gè)城市環(huán)境空氣質(zhì)量超標(biāo)，占70.7%。其中顆粒物(PM)超標(biāo)嚴(yán)重，以細(xì)顆粒物(PM2.5)為首要污染物的天數(shù)占重度及以上污染天數(shù)的74.2%。大氣PM2.5源解析結(jié)果顯示，機(jī)動(dòng)車、工業(yè)生產(chǎn)、燃煤、揚(yáng)塵等是當(dāng)前我國(guó)大部分城市環(huán)境空氣中顆粒物的主要污染來(lái)源，其中北京、杭州、廣州、深圳等城市首要污染來(lái)源是機(jī)動(dòng)車排放[2]?！吨袊?guó)機(jī)動(dòng)車環(huán)境管理年報(bào)2018》統(tǒng)計(jì)顯示，2017年全國(guó)汽油車保有量為18 526.2萬(wàn)輛，占汽車保有量的89.0%；CO排放量為2482.3萬(wàn)t，HC排放量為251.5萬(wàn)t，NOx排放量為142.8萬(wàn)t，分別占汽車排放總量的85.0%、73.5%、26.8%。汽油車排放的HC、NOx是導(dǎo)致重污染天氣的重要前體物。機(jī)動(dòng)車排放已成為當(dāng)前大氣污染防治工作的重點(diǎn)之一。

汽油車排放控制技術(shù)對(duì)降低污染物排放具有重要作用，科學(xué)評(píng)價(jià)不同控制技術(shù)的成本效益，可為汽油車污染治理提供參考，為污染物減排潛力分析提供依據(jù)。2006年，美國(guó)環(huán)境保護(hù)總局(US EPA)[3]率先采用基于模糊評(píng)價(jià)理論的集成規(guī)劃模型，對(duì)燃煤電廠大氣污染控制技術(shù)的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了評(píng)估，科學(xué)分析了不同控制技術(shù)的適用條件。2010年，于超等[4]采用模糊評(píng)價(jià)法對(duì)燃煤電廠NOx控制技術(shù)進(jìn)行了定量綜合評(píng)價(jià)，建立了包括環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)三方面11項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系，為有效篩選最佳可行技術(shù)提供了重要參考。目前，我國(guó)主要對(duì)燃煤電廠、工業(yè)鍋爐等行業(yè)開(kāi)展了污染控制技術(shù)評(píng)價(jià)研究[5-7]，但對(duì)機(jī)動(dòng)車排放控制技術(shù)評(píng)價(jià)研究相對(duì)較少。2017年12月原環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了《機(jī)動(dòng)車污染防治技術(shù)政策》，從車油路等方面提出一系列機(jī)動(dòng)車污染防治技術(shù)政策，但尚未開(kāi)展經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、技術(shù)等綜合評(píng)價(jià)研究。

筆者應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)輕型汽油車排放控制技術(shù)進(jìn)行評(píng)估，針對(duì)其技術(shù)特點(diǎn)，構(gòu)建包括環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)三方面共10項(xiàng)指標(biāo)的多因素多級(jí)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以國(guó)六輕型汽油車為例，量化評(píng)價(jià)5種典型技術(shù)方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境性能，篩選出最佳可行技術(shù)，以期為有效開(kāi)展機(jī)動(dòng)車污染治理以及制定相關(guān)法規(guī)政策提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究方法

綜合評(píng)價(jià)是指對(duì)多種因素所影響的事物或現(xiàn)象進(jìn)行總的評(píng)價(jià)，若該評(píng)價(jià)過(guò)程涉及模糊因素，便是模糊綜合評(píng)價(jià)，還可以采取多層次模糊綜合評(píng)價(jià)的方式，逐級(jí)評(píng)價(jià)，進(jìn)而匯總[8-12]。

多層次模糊綜合評(píng)價(jià)的原理為：將評(píng)價(jià)對(duì)象的多種因素按屬性分成若干類大因素，然后對(duì)每一類大因素進(jìn)行較低層次的評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上再對(duì)初級(jí)評(píng)價(jià)的結(jié)果進(jìn)行高一級(jí)的綜合評(píng)價(jià)[17-24]。設(shè)評(píng)價(jià)對(duì)象集為：

Y={Y1，Y2，…，Yn}

設(shè)U是因素集，按一定的方式將U中元素分成p個(gè)互不相交的因素子集：

U={U1，U2，…，Up}

對(duì)每個(gè)Uk(k=1，2，…，p)進(jìn)行初級(jí)綜合評(píng)價(jià)。設(shè)Uk含有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，即Uk={uk1，uk2，…，ukm}，對(duì)于Y中的Yj(j=1，2，…，n)可用向量Xj(k)表示m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的屬性值，即Xj(k)=(x1j(k),x2j(k),…xmj(k))

對(duì)于因素子集Uk來(lái)說(shuō)，n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)屬性值可用如下矩陣表示：

=(xij(k))(i=1,2，...，m)

由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間沒(méi)有統(tǒng)一的度量標(biāo)準(zhǔn)，如果直接使用指標(biāo)值不便于進(jìn)行分析和比較。因此在進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)前，應(yīng)先將評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范化，即構(gòu)造評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬函數(shù)使指標(biāo)值統(tǒng)一變換到[0，1]。由Uk中的每個(gè)因素uki的隸屬度組成隸屬度評(píng)價(jià)矩陣：

根據(jù)Uk中各因素所起作用大小定出權(quán)重分配：

Ak=(a1(k)，a2(k)，…，am(k))

通過(guò)對(duì)模糊矩陣進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算，可得出對(duì)Uk的一級(jí)綜合評(píng)價(jià)：

Bk=Ak·Ek=(bk1,bk2,∧bkn),(k=1,2,∧p)

將U中的p個(gè)因素子集Uk(k=1，2，…，p)看成是U上的p個(gè)單因素，按各Uk在U中所起作用的大小，給出其權(quán)重分配

A={a1·a2，∧ap}

由各Uk的評(píng)價(jià)結(jié)果Bk(k=1,2,…p)得出總的單因素評(píng)價(jià)矩陣：

經(jīng)模糊復(fù)合運(yùn)算可得U的綜合評(píng)價(jià)矩陣：

這里全面考慮各個(gè)因素，對(duì)所有因素依權(quán)重的大小均衡兼顧，適用于要求整體指標(biāo)的情形。對(duì)應(yīng)的模糊算子方案為加權(quán)平均模式(⊕-⊙)，即：

1.2 評(píng)價(jià)對(duì)象

以國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽油車排放控制技術(shù)為例進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前國(guó)六輕型汽油車主要的排放控制技術(shù)方案有以下幾類:

(1)三元催化器(TWC)。TWC是汽油機(jī)后處理系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的裝置，主要由載體、催化劑涂層(包括鉑、鈀、銠等貴金屬以及稀土材料)和金屬外殼等組成。TWC的主要作用是降低汽油機(jī)氣體污染物HC、CO和NOx的排放，當(dāng)尾氣流經(jīng)TWC時(shí)，涂層中的催化劑鉑和鈀就會(huì)促使HC與CO發(fā)生氧化反應(yīng)生成水蒸汽與CO2；銠催化劑促使NOx發(fā)生還原反應(yīng)生成N2和O2。TWC對(duì)顆粒物也有一定的凈化作用，在催化劑的作用下，通過(guò)氧化反應(yīng)可使顆粒物中的可溶性有機(jī)物SOF(Soluble Organic Fractions )轉(zhuǎn)化成CO2和H2O，轉(zhuǎn)化效率可達(dá)80%。TWC是國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之前輕型汽油車最常見(jiàn)的后處理技術(shù)，該技術(shù)較為成熟，企業(yè)有相對(duì)較多的技術(shù)儲(chǔ)備。

(2)汽油機(jī)顆粒捕集器(GPF)。GPF是一種壁流式的顆粒捕集裝置。GPF內(nèi)有很多平行孔道，相鄰的2個(gè)孔道內(nèi)一個(gè)只有進(jìn)口開(kāi)放，另一個(gè)只有出口開(kāi)放。排氣從開(kāi)放的進(jìn)口孔道流入，通過(guò)GPF載體多孔壁面至相鄰孔道排出，而顆粒物被滯留在孔道內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)捕集作用。GPF分為帶催化劑涂層的cGPF和不帶催化劑涂層的GPF。

(3)四效催化器(FWC)。四效催化器也可認(rèn)為是一種帶涂層的GPF，只是GPF所涂覆的貴金屬需要滿足轉(zhuǎn)化氣態(tài)污染物排放的要求。這種技術(shù)路線目前國(guó)內(nèi)還比較少見(jiàn)。

(4)稀燃氮氧化物捕集(LNT)技術(shù)。汽油機(jī)采用稀薄燃燒技術(shù)時(shí)的NOx排放量較大，必須增加LNT技術(shù)裝置用來(lái)降低NOx的排放。

(5)TWC+GPF。該組合技術(shù)是目前汽油車尤其是缸內(nèi)直噴汽油車應(yīng)對(duì)國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的可選技術(shù)方案。

(6)TWC+cGPF。該組合技術(shù)是目前汽油車尤其是缸內(nèi)直噴汽油車應(yīng)對(duì)國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的主流技術(shù)方案。

(7)TWC+LNT。由于在稀燃條件下TWC對(duì)污染物尤其是NOx的催化效率較低，因此，如果汽油車采用稀薄燃燒技術(shù)，滿足排放標(biāo)準(zhǔn)就必須要增加額外的NOx催化器，如LNT。該技術(shù)方案正處于研究階段。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)及量化

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

通過(guò)對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)法的研究，結(jié)合輕型汽油車排放控制技術(shù)的特點(diǎn)，構(gòu)建了輕型汽油車排放控制技術(shù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包含兩級(jí)指標(biāo)，第一級(jí)指標(biāo)包括環(huán)境指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)；第二級(jí)指標(biāo)包括NOx減排率、PN減排率、CO減排率、HC減排率、安裝成本、運(yùn)營(yíng)成本、壽命、技術(shù)穩(wěn)定性、技術(shù)復(fù)雜性、技術(shù)升級(jí)性。

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的要求，確定本研究的評(píng)價(jià)因素集為：

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

U1={u11，u12，u13，u14}={NOx減排率，PN減排率，CO減排率，HC減排率}

U2={u21，u22，u23} = {安裝成本，運(yùn)營(yíng)成本，壽命}

3={u31，u32，u33}={技術(shù)穩(wěn)定性，技術(shù)復(fù)雜性，技術(shù)升級(jí)性}

國(guó)六輕型汽油車排放控制技術(shù)方案的主要指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 國(guó)六輕型汽油車排放控制技術(shù)方案主要指標(biāo)

注：設(shè)備成本、平均轉(zhuǎn)化率、設(shè)備使用年限的數(shù)據(jù)通過(guò)企業(yè)調(diào)研得到。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)量化

由于指標(biāo)間評(píng)價(jià)等級(jí)和量綱存在差異，不具有可比性，無(wú)法直接進(jìn)行綜合比較，因此對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化。評(píng)價(jià)指標(biāo)量化常用方法主要有歸一化法(定量指標(biāo))和等級(jí)賦值法(定性指標(biāo))，在評(píng)價(jià)過(guò)程中將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為定量指標(biāo)和定性指標(biāo)，分別用歸一化法和等級(jí)賦值法對(duì)其進(jìn)行量化[25-28]。各評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)與量化方法見(jiàn)表2。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)與量化方法

注：運(yùn)營(yíng)成本指由于需要再生造成的油耗成本增加。

定性指標(biāo)的量化，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研和專家評(píng)分的方式對(duì)不同控制技術(shù)的某項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行賦值[24]。首先根據(jù)定性指標(biāo)的等級(jí)進(jìn)行賦值，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 定性指標(biāo)等級(jí)及對(duì)應(yīng)的賦值

然后按照下式計(jì)算得分：

ui越大，表明基于該項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的得分越高。

定量指標(biāo)的量化，采取歸一化法將其量化。對(duì)于減排效率、設(shè)備成本、增加的能源消耗、設(shè)備壽命的量化，可以采用下列公式進(jìn)行

式中：a、b為邊界條件。其中，歸一化法的參數(shù)都有各自的對(duì)應(yīng)邊界條件，通過(guò)專家研討的方式，確定各邊界條件如下：安裝成本的a為2000元，b為0元；運(yùn)營(yíng)成本的a為15%，b為0。使用年限的a為4a，b為6a。

基于綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研、專家咨詢，得到各技術(shù)方案指標(biāo)的賦值，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 輕型汽油車排放控制技術(shù)指標(biāo)量化結(jié)果

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為量化后結(jié)果。技術(shù)穩(wěn)定性、復(fù)雜性、升級(jí)性的評(píng)價(jià)通過(guò)行業(yè)專家研討得到。

3 結(jié)果與討論

3.1 初級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果

雖然各技術(shù)指標(biāo)已得到量化，但每個(gè)指標(biāo)在評(píng)價(jià)過(guò)程中的權(quán)重各不相同，因此各技術(shù)方案之間還是無(wú)法直接比較。通過(guò)專家調(diào)研、文獻(xiàn)調(diào)研確定了各指標(biāo)權(quán)重[28-32]，結(jié)果見(jiàn)表5。

根據(jù)專家調(diào)研確定環(huán)境指標(biāo)的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重矩陣A1=(0.167，0.5，0.167，0.167)，加權(quán)平均后的環(huán)境指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)矩陣B1=(0.600，0.900，0.925，0.950，0.650)。

根據(jù)專家調(diào)研確定經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重矩陣A2=(0.600，0.300，0.100)，加權(quán)平均后得到綜合評(píng)價(jià)矩陣B2=(0.940，0.671，0.686，0.680，0.410)。

確定技術(shù)指標(biāo)的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重矩陣A3=(0.375，0.375，0.250)，加權(quán)平均后得到綜合評(píng)價(jià)矩陣B3=(0.900，0.600，0.750，0.750，0.700)。

3.2 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)3.1節(jié)計(jì)算結(jié)果，確定綜合評(píng)價(jià)的權(quán)重矩陣A=(0.450，0.350，0.200)，得到加權(quán)后綜合評(píng)價(jià)矩陣B=(0.779，0.760，0.806，0.816，0.576)。國(guó)六輕型汽油車排放控制技術(shù)綜合評(píng)價(jià)得分見(jiàn)表6。

表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

表6 輕型汽油車控制技術(shù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

從表6可以看出，輕型汽油車排放控制技術(shù)得分最高的是TWC+cGPF方案。這也是目前各廠家的主流技術(shù)方案。對(duì)于進(jìn)氣道噴射(PFI)的汽油機(jī)，顆粒物排放不是問(wèn)題。但在國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)后，引入了車輛實(shí)際道路測(cè)試方法RDE(Real Drive Emission)，PFI汽油機(jī)也有可能存在實(shí)際道路排放測(cè)試不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題。因此，GPF基本已經(jīng)成為滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)配。

柴油車、摩托車、非道路移動(dòng)機(jī)械等其他移動(dòng)源的排放控制技術(shù)的評(píng)價(jià)也可使用模糊綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)自身要求，調(diào)整指標(biāo)值和權(quán)重值，可得到最佳可行排放技術(shù)。

4 結(jié)論

(1)國(guó)六輕型汽油車主要的排放控制技術(shù)方案有TWC、FWC、TWC+GPF、TWC+cGPF、TWC+LNT等，通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)控制技術(shù)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出TWC+cGPF方案的綜合評(píng)分最高。

(2)TWC+cGPF方案的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)有效降低輕型汽油車的氣態(tài)污染物和顆粒物排放。在國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)后，引入了RDE測(cè)試方法，TWC+cGPF對(duì)污染物的高效轉(zhuǎn)化可以滿足該測(cè)試方法，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。