摩托車(chē)排放控制技術(shù)評(píng)價(jià)方法研究*

(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所 天津 300072)

引言

2019 年7 月1 日，摩托車(chē)“國(guó)Ⅳ”排放標(biāo)準(zhǔn)正式全面實(shí)施。與“國(guó)Ⅲ”相比，“國(guó)Ⅳ”除了測(cè)試方法和排放限值更加嚴(yán)格外，還增加OBD 系統(tǒng)的強(qiáng)制性要求，使得電噴化加OBD 成為滿足“國(guó)Ⅳ”排放標(biāo)準(zhǔn)的“標(biāo)配”技術(shù)路線[1-2]。目前，行業(yè)中存在多種應(yīng)對(duì)“國(guó)Ⅳ”的技術(shù)路線，不同的企業(yè)可以根據(jù)技術(shù)實(shí)力、經(jīng)濟(jì)實(shí)力以及自身特點(diǎn)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(shí)也帶來(lái)了許多問(wèn)題。

在我國(guó)，絕大多數(shù)摩托車(chē)生產(chǎn)企業(yè)為中小型企業(yè)，受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)實(shí)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法。其后果是生產(chǎn)的產(chǎn)品同質(zhì)化和劣質(zhì)化嚴(yán)重，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，這不僅影響到企業(yè)的產(chǎn)品定位和持續(xù)發(fā)展，對(duì)降低污染排放，保護(hù)環(huán)境也具有不可忽視的負(fù)面作用。分析研究摩托車(chē)排放控制技術(shù)，建立科學(xué)的評(píng)價(jià)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(diǎn)和發(fā)展路徑的技術(shù)方案的同時(shí)，也可以為行業(yè)的技術(shù)升級(jí)提供技術(shù)支撐。

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

1 評(píng)估方法及研究對(duì)象

1.1 評(píng)估方法選擇

技術(shù)評(píng)估方法的產(chǎn)生和形成是一個(gè)不斷研究、探索和逐步完善的過(guò)程，它是將數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)及經(jīng)濟(jì)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(píng)估的方法很多，如層次分析法（AHP）、灰度綜合評(píng)估法、德?tīng)柗品?、?shù)據(jù)包絡(luò)分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法等，各種方法差異明顯，適用領(lǐng)域也各不相同。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常將多種方法結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[3]。

層次分析法（AHP）由美國(guó)著名運(yùn)籌學(xué)家Thomas L.Saaty 最早提出，其基本原理是：根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)和評(píng)價(jià)目標(biāo)將問(wèn)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(gè)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(duì)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(píng)分進(jìn)行綜合評(píng)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(jìn)行決策的多準(zhǔn)則分析方法，其關(guān)鍵是構(gòu)建一個(gè)有效、合理的層次結(jié)構(gòu)評(píng)估模型[4-5]。

模糊綜合評(píng)價(jià)法是針對(duì)現(xiàn)實(shí)中大量事物現(xiàn)象具有模糊性而設(shè)計(jì)的一種評(píng)價(jià)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(jìn)行量化分析的因素通過(guò)數(shù)學(xué)工具矩陣化，從各個(gè)因素對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的歸屬等級(jí)進(jìn)行加權(quán)平均得出針對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)。模糊綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，對(duì)信息比較模糊的多因素、多層次的復(fù)雜問(wèn)題評(píng)判效果好，能夠避免僅從單一因素做出評(píng)判帶來(lái)的片面性[6-7]。

層次分析法思路清楚，精確度高，可實(shí)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(shí)需要的定量數(shù)據(jù)不多，具有靈活性和實(shí)用性等特點(diǎn)，適用于多準(zhǔn)則、多目標(biāo)的復(fù)雜問(wèn)題的系統(tǒng)評(píng)估。但該方法在評(píng)估過(guò)程中需要對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)因素集和各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行評(píng)分，容易受到主觀因素的影響。模糊綜合評(píng)價(jià)法的結(jié)果清晰，評(píng)判系統(tǒng)性強(qiáng)，適用于解決各種模糊的、難以量化非確定性問(wèn)題。摩托車(chē)“國(guó)Ⅳ”排放路線具有技術(shù)種類(lèi)和評(píng)價(jià)因素多，評(píng)價(jià)系統(tǒng)層次性強(qiáng)的特點(diǎn)，將層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)法相結(jié)合作為其評(píng)估方法，既能充分發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)，又能有效避免單一評(píng)估方法引起的客觀性不強(qiáng)，評(píng)判結(jié)果不明確的問(wèn)題[8]。

1.2 研究對(duì)象選擇

與“國(guó)Ⅲ”相比，摩托車(chē)“國(guó)Ⅳ”在排放限值、測(cè)試運(yùn)行工況和測(cè)試設(shè)備等方面進(jìn)行了較大幅度的修訂。要滿足“國(guó)Ⅳ”排放法規(guī)要求，除了必須采用電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)排放后處理系統(tǒng)也提出了更高的要求。比如，對(duì)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(jìn)行優(yōu)化，加快廢氣與孔道表面的傳質(zhì)傳熱進(jìn)程，提高催化轉(zhuǎn)化率；對(duì)表面涂層材料、制備工藝、耐熱強(qiáng)度、貴金屬含量及成本控制等進(jìn)行優(yōu)化，提高催化劑的催化性能和可靠性；采用兩級(jí)催化轉(zhuǎn)化器，提高廢氣轉(zhuǎn)化率等。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)主要摩托車(chē)企業(yè)已經(jīng)上市車(chē)型的統(tǒng)計(jì)，歸納出當(dāng)前應(yīng)對(duì)中小排量摩托車(chē)“國(guó)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(guó)Ⅳ”階段的125 mL 踏板摩托車(chē)為例，研究閉環(huán)電噴+一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器+碳罐、閉環(huán)電噴+兩級(jí)催化轉(zhuǎn)化器+碳罐、閉環(huán)電噴+二次補(bǔ)氣+催化轉(zhuǎn)化器+碳罐（少數(shù)車(chē)型）等3 種排放技術(shù)方案的評(píng)價(jià)方法。

表1 摩托車(chē)“國(guó)Ⅳ”排放控制主要技術(shù)路線

2 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是評(píng)估系統(tǒng)構(gòu)架的基礎(chǔ)，體現(xiàn)了評(píng)估系統(tǒng)的側(cè)重點(diǎn)、評(píng)估目的和評(píng)估目標(biāo)。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立應(yīng)當(dāng)遵循科學(xué)性、獨(dú)立性、可操作性、定性與定量結(jié)合的原則，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。本文通過(guò)文獻(xiàn)參考、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和專(zhuān)家咨詢等多種形式，結(jié)合摩托車(chē)排放控制技術(shù)的特點(diǎn)，構(gòu)建了摩托車(chē)排放控制技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。如圖1 所示，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包含三級(jí)指標(biāo)，其中選取環(huán)境指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)作為二級(jí)評(píng)價(jià)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(hù)成本、設(shè)備使用壽命、技術(shù)先進(jìn)性、技術(shù)穩(wěn)定性及技術(shù)復(fù)雜性作為三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖1 排放控制技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系框圖

依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可構(gòu)成評(píng)價(jià)因素集：

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}={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(hù)成本，設(shè)備使用壽命}；

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

在評(píng)價(jià)體系中，各評(píng)價(jià)因素之間相互關(guān)聯(lián)、相互制約，很難直接獲得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。運(yùn)用層次分析法，以專(zhuān)家咨詢、問(wèn)卷調(diào)查的方式對(duì)各指標(biāo)之間的相對(duì)重要性進(jìn)行評(píng)價(jià)賦值，據(jù)此構(gòu)成一系列判斷矩陣，通過(guò)計(jì)算判斷矩陣獲得各評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(duì)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(zhuān)家按照9 級(jí)比例標(biāo)度法，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性（模糊屬性）進(jìn)行比較后的量化結(jié)果，1～9 級(jí)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)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(zhuān)家對(duì)事物的認(rèn)識(shí)具有多樣性和模糊性，因此需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。在T.L.Satty 等人定義的一致性檢驗(yàn)指標(biāo)中，n 為判斷矩陣的階數(shù)。對(duì)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(duì)于二階以上的多階判斷矩陣一致性檢驗(yàn)，需要將一致性指標(biāo)CI 與平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI 進(jìn)行比較，得到隨機(jī)一致性比率，記作CR=CI/RI，隨機(jī)一致性指標(biāo)RI 的取值如表3 所示。當(dāng)CR ＜0.10時(shí)，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(jī)一致性指標(biāo)

由于評(píng)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(shí)，從底層開(kāi)始，依次計(jì)算各層評(píng)估指標(biāo)相對(duì)于上一層評(píng)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(duì)應(yīng)的各層次權(quán)重的乘積：

式中：Wi為第i 個(gè)基礎(chǔ)指標(biāo)的權(quán)重值，m 表示評(píng)價(jià)體系的總層次數(shù)，Wji表示第j 層中與第i 個(gè)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(zhuān)家的問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果，采用層次分析法獲得的摩托車(chē)排放控制技術(shù)評(píng)價(jià)體系中各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，如表4 所示?？梢钥闯觯谂欧趴刂萍夹g(shù)指標(biāo)體系的二級(jí)指標(biāo)中，環(huán)境指標(biāo)所占權(quán)重最高，其次是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)，這反映出行業(yè)專(zhuān)家更為關(guān)心排放控制技術(shù)的有效性，在技術(shù)達(dá)標(biāo)的前提下，成本和使用壽命是企業(yè)必須考慮的問(wèn)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(jìn)性的權(quán)重相對(duì)較低。

表4 排放控制技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

3 排放控制技術(shù)綜合評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化方法

評(píng)價(jià)體系中的評(píng)價(jià)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(jí)和量綱的差異，很難進(jìn)行準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)，因此需要對(duì)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)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(píng)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(jí)賦值法進(jìn)行量化處理，以便進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

對(duì)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(xiàng)減排效率指標(biāo)經(jīng)過(guò)歸一化處理后的取值；Xi為第i 項(xiàng)減排效率指標(biāo)的實(shí)際值。

對(duì)于技術(shù)先進(jìn)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(guò)專(zhuān)家評(píng)分，問(wèn)卷調(diào)查，文獻(xiàn)參考等方式確定各指標(biāo)所在的賦值區(qū)間，然后進(jìn)行通過(guò)相應(yīng)隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)化成[0，1]之間的數(shù)值。如針對(duì)技術(shù)穩(wěn)定性指標(biāo)，依據(jù)表5 進(jìn)行等級(jí)賦值，然后通過(guò)隸屬度函數(shù)進(jìn)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(jí)與賦值表

式中，Yi為排放控制技術(shù)中第i 項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)過(guò)等級(jí)賦值法變換后的取值；Xi為排放控制技術(shù)中第i 項(xiàng)指標(biāo)的原始等級(jí)賦值。值越大，說(shuō)明該項(xiàng)指標(biāo)的等級(jí)越高。

基于綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，針對(duì)“國(guó)Ⅳ”階段125 mL踏板摩托車(chē)采用的3 種排放控制技術(shù)方案，通過(guò)專(zhuān)家咨詢、企業(yè)調(diào)研、問(wèn)卷調(diào)查等方式，得到各技術(shù)指標(biāo)的賦值等級(jí)或數(shù)值，經(jīng)過(guò)量化和歸一化處理后，得到如表6 所示的摩托車(chē)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(píng)價(jià)

在對(duì)摩托車(chē)排放控制技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重矩陣：

表6 摩托車(chē)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)量化矩陣，對(duì)應(yīng)于閉環(huán)電噴+一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器+碳罐、閉環(huán)電噴+兩級(jí)催化轉(zhuǎn)化器+碳罐、閉環(huán)電噴+二次補(bǔ)氣+催化轉(zhuǎn)化器+碳罐等3 種排放控制技術(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)量化矩陣分別為：

則，每項(xiàng)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(xiàng)技術(shù)的綜合得分，A 為排放控制技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重矩陣，Bi為排放控制技術(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)量化矩陣。各項(xiàng)排放控制技術(shù)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果詳見(jiàn)表7、表8 和表9。

從綜合評(píng)價(jià)結(jié)果看，針對(duì)125 mL 踏板摩托車(chē)排放控制技術(shù)，得分最高的是閉環(huán)電噴+一級(jí)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(chē)滿足“國(guó)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(jí)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(jí)催化轉(zhuǎn)化器的技術(shù)路線不能滿足HC 和CO 排放要求時(shí)，才考慮采用該技術(shù)路線。閉環(huán)電噴+二次補(bǔ)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(chē)的排放控制中較少采用。

表7 摩托車(chē)排放控制技術(shù)1 的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

表8 摩托車(chē)排放控制技術(shù)2 的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

表9 摩托車(chē)排放控制技術(shù)3 的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

1）基于層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)理論，針對(duì)摩托車(chē)排放控制技術(shù)的特點(diǎn)，構(gòu)建針對(duì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)及技術(shù)等評(píng)價(jià)指標(biāo)的多因素、多層次的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)估方法。可為摩托車(chē)行業(yè)技術(shù)升級(jí)、排放治理以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的制定提供技術(shù)支撐。

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