摩托車排放控制技術評價方法研究*

(天津大學內燃機研究所 天津 300072)

引言

2019 年7 月1 日，摩托車“國Ⅳ”排放標準正式全面實施。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 系統的強制性要求，使得電噴化加OBD 成為滿足“國Ⅳ”排放標準的“標配”技術路線[1-2]。目前，行業中存在多種應對“國Ⅳ”的技術路線，不同的企業可以根據技術實力、經濟實力以及自身特點選擇不同的技術路線。技術路線的多樣性雖然能給企業提供更多的選擇空間，但同時也帶來了許多問題。

在我國，絕大多數摩托車生產企業為中小型企業，受經濟、技術實力以及研發能力的限制，在排放控制技術方案的選擇和設定上存在盲目性。很多企業照搬或抄襲行業龍頭企業的現有技術，在方案的選擇上也多以成本高低為主要判斷依據，缺乏科學有效的評價標準和方法。其后果是生產的產品同質化和劣質化嚴重，缺乏市場競爭力，這不僅影響到企業的產品定位和持續發展，對降低污染排放，保護環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，建立科學的評價方法和體系，在幫助和指導企業選擇和確定適合自身特點和發展路徑的技術方案的同時，也可以為行業的技術升級提供技術支撐。

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的特點，構建包括環境、經濟、技術等評價指標的多因素、多層次的評價指標體系和評估方法。以125 mL 踏板摩托車的“國Ⅳ”排放控制技術為例，對3 種典型技術組合從減排、成本和技術等方面進行綜合評價，研究和探索摩托車排放控制技術科學有效的評價方法，為開展摩托車排放污染治理和制定相關標準法規提供技術支撐。

1 評估方法及研究對象

1.1 評估方法選擇

技術評估方法的產生和形成是一個不斷研究、探索和逐步完善的過程，它是將數學、統計學及經濟學等學科的分析理論和方法相結合，將定量分析與定性分析相結合的綜合性學科。技術評估的方法很多，如層次分析法（AHP）、灰度綜合評估法、德爾菲法、數據包絡分析法和模糊綜合評價法等，各種方法差異明顯，適用領域也各不相同。在實際應用中，經常將多種方法結合使用，以實現優勢互補[3]。

層次分析法（AHP）由美國著名運籌學家Thomas L.Saaty 最早提出，其基本原理是：根據問題的性質和評價目標將問題分解成若干組成因素，按照各因素間的相互關系及隸屬關系將因素層次化，組成一個自上而下逐層支配的層次結構模型，然后逐層分析獲得最低層（基礎指標層）因素相對于最高層（目標層）的重要性權值，最后按照因素權重和指標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合，基于各因素權重和相互重要性進行決策的多準則分析方法，其關鍵是構建一個有效、合理的層次結構評估模型[4-5]。

模糊綜合評價法是針對現實中大量事物現象具有模糊性而設計的一種評價模型和方法，其借助于模糊數學理論中模糊關系合成原理，將一些模糊不清的、難以進行量化分析的因素通過數學工具矩陣化，從各個因素對評價對象的歸屬等級進行加權平均得出針對評價對象的綜合評價。模糊綜合評價數學模型簡單，對信息比較模糊的多因素、多層次的復雜問題評判效果好，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，可實現系統化、數學化、模型化、定量與定性相結合；分析時需要的定量數據不多，具有靈活性和實用性等特點，適用于多準則、多目標的復雜問題的系統評估。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進行評分，容易受到主觀因素的影響。模糊綜合評價法的結果清晰，評判系統性強，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”排放路線具有技術種類和評價因素多，評價系統層次性強的特點，將層次分析法與模糊綜合評價法相結合作為其評估方法，既能充分發揮各自優點，又能有效避免單一評估方法引起的客觀性不強，評判結果不明確的問題[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備等方面進行了較大幅度的修訂。要滿足“國Ⅳ”排放法規要求，除了必須采用電控系統實現對空燃比的精確控制，保障排放控制系統的耐久性和滿足OBD 功能外，對排放后處理系統也提出了更高的要求。比如，對催化轉化器載體的蜂窩孔道結構、尺寸及孔密度等進行優化，加快廢氣與孔道表面的傳質傳熱進程，提高催化轉化率；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化，提高催化劑的催化性能和可靠性；采用兩級催化轉化器，提高廢氣轉化率等。通過對國內主要摩托車企業已經上市車型的統計，歸納出當前應對中小排量摩托車“國Ⅳ”排放法規的主要控制技術和技術組合如表1 所示。

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

表1 摩托車“國Ⅳ”排放控制主要技術路線

2 建立評價指標體系

評價指標體系是評估系統構架的基礎，體現了評估系統的側重點、評估目的和評估目標。評價指標體系的建立應當遵循科學性、獨立性、可操作性、定性與定量結合的原則，綜合考慮經濟、環境和社會效益。本文通過文獻參考、現場調研和專家咨詢等多種形式，結合摩托車排放控制技術的特點，構建了摩托車排放控制技術評價指標體系。如圖1 所示，評價指標體系包含三級指標，其中選取環境指標、經濟指標、技術指標作為二級評價指標，選取HC 減排效率、CO 減排效率、NOx減排效率、設備安裝成本、設備維護成本、設備使用壽命、技術先進性、技術穩定性及技術復雜性作為三級評價指標。

圖1 排放控制技術評價指標體系框圖

依據評價指標體系中的評價指標，可構成評價因素集：

U={U1，U2，U3}={環境指標，經濟指標，技術指標}；

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

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

U3={u31，u32，u33}={技術先進性，技術穩定性，技術復雜性}。

在評價體系中，各評價因素之間相互關聯、相互制約，很難直接獲得各評價指標的權重。運用層次分析法，以專家咨詢、問卷調查的方式對各指標之間的相對重要性進行評價賦值，據此構成一系列判斷矩陣，通過計算判斷矩陣獲得各評價指標的權重。

2.1 構建判斷矩陣

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

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

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

表2 重要性標度的定義

2.2 評價指標的權重分析

根據判斷矩陣A=（aij）n×n，應用層次分析法中的“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相對上一層指標的權重值。

由于客觀事物的復雜性，導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中，n 為判斷矩陣的階數。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CI 與平均隨機一致性指標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RI 的取值如表3 所示。當CR ＜0.10時，判斷矩陣才具有滿意的一致性，否則就需要調整或修正判斷矩陣。

表3 平均隨機一致性指標

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

式中：Wi為第i 個基礎指標的權重值，m 表示評價體系的總層次數，Wji表示第j 層中與第i 個基礎指標相關的權重值。

本文根據行業內12 位專家的問卷調查結果，采用層次分析法獲得的摩托車排放控制技術評價體系中各項評價指標的權重值，如表4 所示。可以看出，在排放控制技術指標體系的二級指標中，環境指標所占權重最高，其次是經濟指標和技術指標，這反映出行業專家更為關心排放控制技術的有效性，在技術達標的前提下，成本和使用壽命是企業必須考慮的問題。在技術指標中，企業更為關心技術的穩定性和便利性，先進性的權重相對較低。

表4 排放控制技術評價指標權重值

3 排放控制技術綜合評價

3.1 評價指標的量化方法

評價體系中的評價指標既有定量指標也有定性指標，在定量指標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進行量化處理。本文引入模糊數學中的隸屬函數概念，將評估指標中的定量指標和定性指標，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采用歸一化的量化處理方法。如公式（3）所示，表示環境指標的隸屬度函數（假設轉化效率85%為限值）：

式中：Yi為第i 項減排效率指標經過歸一化處理后的取值；Xi為第i 項減排效率指標的實際值。

對于技術先進性、技術穩定性及技術復雜性等定性指標，首先通過專家評分，問卷調查，文獻參考等方式確定各指標所在的賦值區間，然后進行通過相應隸屬度函數轉化成[0，1]之間的數值。如針對技術穩定性指標，依據表5 進行等級賦值，然后通過隸屬度函數進行處理，隸屬度函數如公式（4）所示：

表5 技術穩定性指標的等級與賦值表

式中，Yi為排放控制技術中第i 項指標經過等級賦值法變換后的取值；Xi為排放控制技術中第i 項指標的原始等級賦值。值越大，說明該項指標的等級越高。

基于綜合評價指標體系，針對“國Ⅳ”階段125 mL踏板摩托車采用的3 種排放控制技術方案，通過專家咨詢、企業調研、問卷調查等方式，得到各技術指標的賦值等級或數值，經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指標量化結果。

3.2 排放控制技術的綜合評價

在對摩托車排放控制技術評價指標體系研究分析的基礎上，根據評價指標的權重分析的結果（表4），可構成排放控制技術評價指標綜合權重矩陣：

表6 摩托車排放控制技術指標量化結果

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

根據評價指標的量化分析的結果（表6 所示），可構成排放控制技術評價指標量化矩陣，對應于閉環電噴+一級催化轉化器+碳罐、閉環電噴+兩級催化轉化器+碳罐、閉環電噴+二次補氣+催化轉化器+碳罐等3 種排放控制技術的評價指標量化矩陣分別為：

則，每項排放控制技術的綜合得分可由公式（5）求得：

式中：Qi為第i 項技術的綜合得分，A 為排放控制技術評價指標綜合權重矩陣，Bi為排放控制技術的評價指標量化矩陣。各項排放控制技術的綜合評價結果詳見表7、表8 和表9。

從綜合評價結果看，針對125 mL 踏板摩托車排放控制技術，得分最高的是閉環電噴+一級催化轉化+碳罐的技術路線，該路線是目前中小排量摩托車滿足“國Ⅳ”排放法規的主流技術路線。受成本因素的影響，閉環電噴+兩級催化轉化+碳罐的技術路線的綜合得分排在第2 位，只有當一級催化轉化器的技術路線不能滿足HC 和CO 排放要求時，才考慮采用該技術路線。閉環電噴+二次補氣+催化轉化器+碳罐的技術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1 的綜合評價結果

表8 摩托車排放控制技術2 的綜合評價結果

表9 摩托車排放控制技術3 的綜合評價結果

4 結論

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的特點，構建針對環境、經濟及技術等評價指標的多因素、多層次的評價指標體系和評估方法。可為摩托車行業技術升級、排放治理以及相關標準法規的制定提供技術支撐。

2）以125 mL 踏板摩托車的“國Ⅳ”排放控制技術為例，針對3 種典型技術路線進行綜合評價：閉環電噴+一級催化轉化器+碳罐的技術路線是目前中小排量摩托車滿足“國Ⅳ”排放法規的主流技術路線，得分最高；當一級催化轉化器的技術路線不能滿足HC 和CO 排放要求時，可采用閉環電噴+兩級催化轉化器+碳罐的技術路線；閉環電噴+二次補氣+催化轉化器+碳罐的技術路線在中小排量摩托車的排放控制中較少采用，得分最低。