基于模糊綜合評價法的輕型汽油車排放控制技術評價

馬 冬，孟慶斌，肖 寒，吉 喆，王運靜，汪曉偉

(1.中國環境科學研究院，國家環境保護機動車污染控制與模擬重點實驗室，北京 100012；2.清華大學環境學院，北京 100084；3.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061；4.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

當前，我國大氣環境污染形勢嚴峻?！吨袊鷳B環境狀況公報2017》[1]顯示，338個地級以上城市中，239個城市環境空氣質量超標，占70.7%。其中顆粒物(PM)超標嚴重，以細顆粒物(PM2.5)為首要污染物的天數占重度及以上污染天數的74.2%。大氣PM2.5源解析結果顯示，機動車、工業生產、燃煤、揚塵等是當前我國大部分城市環境空氣中顆粒物的主要污染來源，其中北京、杭州、廣州、深圳等城市首要污染來源是機動車排放[2]?！吨袊鴻C動車環境管理年報2018》統計顯示，2017年全國汽油車保有量為18 526.2萬輛，占汽車保有量的89.0%；CO排放量為2482.3萬t，HC排放量為251.5萬t，NOx排放量為142.8萬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是導致重污染天氣的重要前體物。機動車排放已成為當前大氣污染防治工作的重點之一。

汽油車排放控制技術對降低污染物排放具有重要作用，科學評價不同控制技術的成本效益，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。2006年，美國環境保護總局(US EPA)[3]率先采用基于模糊評價理論的集成規劃模型，對燃煤電廠大氣污染控制技術的環境、經濟效益進行了評估，科學分析了不同控制技術的適用條件。2010年，于超等[4]采用模糊評價法對燃煤電廠NOx控制技術進行了定量綜合評價，建立了包括環境、技術、經濟三方面11項指標的評價體系，為有效篩選最佳可行技術提供了重要參考。目前，我國主要對燃煤電廠、工業鍋爐等行業開展了污染控制技術評價研究[5-7]，但對機動車排放控制技術評價研究相對較少。2017年12月原環境保護部發布了《機動車污染防治技術政策》，從車油路等方面提出一系列機動車污染防治技術政策，但尚未開展經濟、環境、技術等綜合評價研究。

筆者應用模糊綜合評價法對輕型汽油車排放控制技術進行評估，針對其技術特點，構建包括環境、經濟、技術三方面共10項指標的多因素多級綜合評價指標體系，以國六輕型汽油車為例，量化評價5種典型技術方案的技術、經濟和環境性能，篩選出最佳可行技術，以期為有效開展機動車污染治理以及制定相關法規政策提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究方法

綜合評價是指對多種因素所影響的事物或現象進行總的評價，若該評價過程涉及模糊因素，便是模糊綜合評價，還可以采取多層次模糊綜合評價的方式，逐級評價，進而匯總[8-12]。

多層次模糊綜合評價的原理為：將評價對象的多種因素按屬性分成若干類大因素，然后對每一類大因素進行較低層次的評價，在此基礎上再對初級評價的結果進行高一級的綜合評價[17-24]。設評價對象集為：

Y={Y1，Y2，…，Yn}

設U是因素集，按一定的方式將U中元素分成p個互不相交的因素子集：

U={U1，U2，…，Up}

對每個Uk(k=1，2，…，p)進行初級綜合評價。設Uk含有m個評價指標，即Uk={uk1，uk2，…，ukm}，對于Y中的Yj(j=1，2，…，n)可用向量Xj(k)表示m個評價指標的屬性值，即Xj(k)=(x1j(k),x2j(k),…xmj(k))

對于因素子集Uk來說，n個評價指標屬性值可用如下矩陣表示：

=(xij(k))(i=1,2，...，m)

由于各評價指標之間沒有統一的度量標準，如果直接使用指標值不便于進行分析和比較。因此在進行綜合評價前，應先將評價指標進行規范化，即構造評價指標的隸屬函數使指標值統一變換到[0，1]。由Uk中的每個因素uki的隸屬度組成隸屬度評價矩陣：

根據Uk中各因素所起作用大小定出權重分配：

Ak=(a1(k)，a2(k)，…，am(k))

通過對模糊矩陣進行復合運算，可得出對Uk的一級綜合評價：

Bk=Ak·Ek=(bk1,bk2,∧bkn),(k=1,2,∧p)

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

A={a1·a2，∧ap}

由各Uk的評價結果Bk(k=1,2,…p)得出總的單因素評價矩陣：

經模糊復合運算可得U的綜合評價矩陣：

這里全面考慮各個因素，對所有因素依權重的大小均衡兼顧，適用于要求整體指標的情形。對應的模糊算子方案為加權平均模式(⊕-⊙)，即：

1.2 評價對象

以國六排放標準的輕型汽油車排放控制技術為例進行評價。目前國六輕型汽油車主要的排放控制技術方案有以下幾類:

(1)三元催化器(TWC)。TWC是汽油機后處理系統中應用最廣泛的裝置，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氣體污染物HC、CO和NOx的排放，當尾氣流經TWC時，涂層中的催化劑鉑和鈀就會促使HC與CO發生氧化反應生成水蒸汽與CO2；銠催化劑促使NOx發生還原反應生成N2和O2。TWC對顆粒物也有一定的凈化作用，在催化劑的作用下，通過氧化反應可使顆粒物中的可溶性有機物SOF(Soluble Organic Fractions )轉化成CO2和H2O，轉化效率可達80%。TWC是國六排放標準發布之前輕型汽油車最常見的后處理技術，該技術較為成熟，企業有相對較多的技術儲備。

(2)汽油機顆粒捕集器(GPF)。GPF是一種壁流式的顆粒捕集裝置。GPF內有很多平行孔道，相鄰的2個孔道內一個只有進口開放，另一個只有出口開放。排氣從開放的進口孔道流入，通過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，從而實現捕集作用。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)。四效催化器也可認為是一種帶涂層的GPF，只是GPF所涂覆的貴金屬需要滿足轉化氣態污染物排放的要求。這種技術路線目前國內還比較少見。

(4)稀燃氮氧化物捕集(LNT)技術。汽油機采用稀薄燃燒技術時的NOx排放量較大，必須增加LNT技術裝置用來降低NOx的排放。

(5)TWC+GPF。該組合技術是目前汽油車尤其是缸內直噴汽油車應對國六排放標準的可選技術方案。

(6)TWC+cGPF。該組合技術是目前汽油車尤其是缸內直噴汽油車應對國六排放標準的主流技術方案。

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

2 評價指標及量化

2.1 評價指標體系

通過對模糊綜合評價法的研究，結合輕型汽油車排放控制技術的特點，構建了輕型汽油車排放控制技術綜合評價指標體系，如圖1所示。綜合評價指標體系包含兩級指標，第一級指標包括環境指標、經濟指標、技術指標；第二級指標包括NOx減排率、PN減排率、CO減排率、HC減排率、安裝成本、運營成本、壽命、技術穩定性、技術復雜性、技術升級性。

根據綜合評價指標體系的要求，確定本研究的評價因素集為：

U={U1，U2，U3}={環境指標，經濟指標，技術指標}

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，運營成本，壽命}

3={u31，u32，u33}={技術穩定性，技術復雜性，技術升級性}

國六輕型汽油車排放控制技術方案的主要指標見表1。

表1 國六輕型汽油車排放控制技術方案主要指標

注：設備成本、平均轉化率、設備使用年限的數據通過企業調研得到。

2.2 評價指標量化

由于指標間評價等級和量綱存在差異，不具有可比性，無法直接進行綜合比較，因此對評價指標進行量化。評價指標量化常用方法主要有歸一化法(定量指標)和等級賦值法(定性指標)，在評價過程中將評價指標分為定量指標和定性指標，分別用歸一化法和等級賦值法對其進行量化[25-28]。各評價指標的等級與量化方法見表2。

表2 評價指標等級與量化方法

注：運營成本指由于需要再生造成的油耗成本增加。

定性指標的量化，通過文獻調研和專家評分的方式對不同控制技術的某項指標進行賦值[24]。首先根據定性指標的等級進行賦值，結果見表3。

表3 定性指標等級及對應的賦值

然后按照下式計算得分：

ui越大，表明基于該項技術指標的得分越高。

定量指標的量化，采取歸一化法將其量化。對于減排效率、設備成本、增加的能源消耗、設備壽命的量化，可以采用下列公式進行

式中：a、b為邊界條件。其中，歸一化法的參數都有各自的對應邊界條件，通過專家研討的方式，確定各邊界條件如下：安裝成本的a為2000元，b為0元；運營成本的a為15%，b為0。使用年限的a為4a，b為6a。

基于綜合評價指標體系，通過文獻調研、專家咨詢，得到各技術方案指標的賦值，結果見表4。

表4 輕型汽油車排放控制技術指標量化結果

注：括號內數據為量化后結果。技術穩定性、復雜性、升級性的評價通過行業專家研討得到。

3 結果與討論

3.1 初級評價結果

雖然各技術指標已得到量化，但每個指標在評價過程中的權重各不相同，因此各技術方案之間還是無法直接比較。通過專家調研、文獻調研確定了各指標權重[28-32]，結果見表5。

根據專家調研確定環境指標的二級指標權重矩陣A1=(0.167，0.5，0.167，0.167)，加權平均后的環境指標綜合評價矩陣B1=(0.600，0.900，0.925，0.950，0.650)。

根據專家調研確定經濟指標的二級指標權重矩陣A2=(0.600，0.300，0.100)，加權平均后得到綜合評價矩陣B2=(0.940，0.671，0.686，0.680，0.410)。

確定技術指標的二級指標權重矩陣A3=(0.375，0.375，0.250)，加權平均后得到綜合評價矩陣B3=(0.900，0.600，0.750，0.750，0.700)。

3.2 綜合評價結果

根據3.1節計算結果，確定綜合評價的權重矩陣A=(0.450，0.350，0.200)，得到加權后綜合評價矩陣B=(0.779，0.760，0.806，0.816，0.576)。國六輕型汽油車排放控制技術綜合評價得分見表6。

表5 評價指標權重

表6 輕型汽油車控制技術綜合評價結果

從表6可以看出，輕型汽油車排放控制技術得分最高的是TWC+cGPF方案。這也是目前各廠家的主流技術方案。對于進氣道噴射(PFI)的汽油機，顆粒物排放不是問題。但在國六排放標準出臺后，引入了車輛實際道路測試方法RDE(Real Drive Emission)，PFI汽油機也有可能存在實際道路排放測試不達標的問題。因此，GPF基本已經成為滿足國六排放標準的標配。

柴油車、摩托車、非道路移動機械等其他移動源的排放控制技術的評價也可使用模糊綜合評價方法進行評價，根據自身要求，調整指標值和權重值，可得到最佳可行排放技術。

4 結論

(1)國六輕型汽油車主要的排放控制技術方案有TWC、FWC、TWC+GPF、TWC+cGPF、TWC+LNT等，通過模糊綜合評價法對控制技術方案進行評價，得出TWC+cGPF方案的綜合評分最高。

(2)TWC+cGPF方案的優點是可以同時有效降低輕型汽油車的氣態污染物和顆粒物排放。在國六排放標準出臺后，引入了RDE測試方法，TWC+cGPF對污染物的高效轉化可以滿足該測試方法，達到標準要求。