摩托车排放控制技术评价方法研究*

(天津大学内燃机研究所 天津 300072)

引言

2019 年7 月1 日，摩托车“国Ⅳ”排放标准正式全面实施。与“国Ⅲ”相比，“国Ⅳ”除了测试方法和排放限值更加严格外，还增加OBD 系统的强制性要求，使得电喷化加OBD 成为满足“国Ⅳ”排放标准的“标配”技术路线[1-2]。目前，行业中存在多种应对“国Ⅳ”的技术路线，不同的企业可以根据技术实力、经济实力以及自身特点选择不同的技术路线。技术路线的多样性虽然能给企业提供更多的选择空间，但同时也带来了许多问题。

在我国，绝大多数摩托车生产企业为中小型企业，受经济、技术实力以及研发能力的限制，在排放控制技术方案的选择和设定上存在盲目性。很多企业照搬或抄袭行业龙头企业的现有技术，在方案的选择上也多以成本高低为主要判断依据，缺乏科学有效的评价标准和方法。其后果是生产的产品同质化和劣质化严重，缺乏市场竞争力，这不仅影响到企业的产品定位和持续发展，对降低污染排放，保护环境也具有不可忽视的负面作用。分析研究摩托车排放控制技术，建立科学的评价方法和体系，在帮助和指导企业选择和确定适合自身特点和发展路径的技术方案的同时，也可以为行业的技术升级提供技术支撑。

本文基于层次分析法和模糊综合评价理论，针对摩托车排放控制技术的特点，构建包括环境、经济、技术等评价指标的多因素、多层次的评价指标体系和评估方法。以125 mL 踏板摩托车的“国Ⅳ”排放控制技术为例，对3 种典型技术组合从减排、成本和技术等方面进行综合评价，研究和探索摩托车排放控制技术科学有效的评价方法，为开展摩托车排放污染治理和制定相关标准法规提供技术支撑。

1 评估方法及研究对象

1.1 评估方法选择

技术评估方法的产生和形成是一个不断研究、探索和逐步完善的过程，它是将数学、统计学及经济学等学科的分析理论和方法相结合，将定量分析与定性分析相结合的综合性学科。技术评估的方法很多，如层次分析法（AHP）、灰度综合评估法、德尔菲法、数据包络分析法和模糊综合评价法等，各种方法差异明显，适用领域也各不相同。在实际应用中，经常将多种方法结合使用，以实现优势互补[3]。

层次分析法（AHP）由美国著名运筹学家Thomas L.Saaty 最早提出，其基本原理是：根据问题的性质和评价目标将问题分解成若干组成因素，按照各因素间的相互关系及隶属关系将因素层次化，组成一个自上而下逐层支配的层次结构模型，然后逐层分析获得最低层（基础指标层）因素相对于最高层（目标层）的重要性权值，最后按照因素权重和指标评分进行综合评估并排序。层次分析法是一种定性与定量相结合，基于各因素权重和相互重要性进行决策的多准则分析方法，其关键是构建一个有效、合理的层次结构评估模型[4-5]。

模糊综合评价法是针对现实中大量事物现象具有模糊性而设计的一种评价模型和方法，其借助于模糊数学理论中模糊关系合成原理，将一些模糊不清的、难以进行量化分析的因素通过数学工具矩阵化，从各个因素对评价对象的归属等级进行加权平均得出针对评价对象的综合评价。模糊综合评价数学模型简单，对信息比较模糊的多因素、多层次的复杂问题评判效果好，能够避免仅从单一因素做出评判带来的片面性[6-7]。

层次分析法思路清楚，精确度高，可实现系统化、数学化、模型化、定量与定性相结合；分析时需要的定量数据不多，具有灵活性和实用性等特点，适用于多准则、多目标的复杂问题的系统评估。但该方法在评估过程中需要对各个评价因素集和各项技术进行评分，容易受到主观因素的影响。模糊综合评价法的结果清晰，评判系统性强，适用于解决各种模糊的、难以量化非确定性问题。摩托车“国Ⅳ”排放路线具有技术种类和评价因素多，评价系统层次性强的特点，将层次分析法与模糊综合评价法相结合作为其评估方法，既能充分发挥各自优点，又能有效避免单一评估方法引起的客观性不强，评判结果不明确的问题[8]。

1.2 研究对象选择

与“国Ⅲ”相比，摩托车“国Ⅳ”在排放限值、测试运行工况和测试设备等方面进行了较大幅度的修订。要满足“国Ⅳ”排放法规要求，除了必须采用电控系统实现对空燃比的精确控制，保障排放控制系统的耐久性和满足OBD 功能外，对排放后处理系统也提出了更高的要求。比如，对催化转化器载体的蜂窝孔道结构、尺寸及孔密度等进行优化，加快废气与孔道表面的传质传热进程，提高催化转化率；对表面涂层材料、制备工艺、耐热强度、贵金属含量及成本控制等进行优化，提高催化剂的催化性能和可靠性；采用两级催化转化器，提高废气转化率等。通过对国内主要摩托车企业已经上市车型的统计，归纳出当前应对中小排量摩托车“国Ⅳ”排放法规的主要控制技术和技术组合如表1 所示。

本文以“国Ⅳ”阶段的125 mL 踏板摩托车为例，研究闭环电喷+一级催化转化器+碳罐、闭环电喷+两级催化转化器+碳罐、闭环电喷+二次补气+催化转化器+碳罐（少数车型）等3 种排放技术方案的评价方法。

表1 摩托车“国Ⅳ”排放控制主要技术路线

2 建立评价指标体系

评价指标体系是评估系统构架的基础，体现了评估系统的侧重点、评估目的和评估目标。评价指标体系的建立应当遵循科学性、独立性、可操作性、定性与定量结合的原则，综合考虑经济、环境和社会效益。本文通过文献参考、现场调研和专家咨询等多种形式，结合摩托车排放控制技术的特点，构建了摩托车排放控制技术评价指标体系。如图1 所示，评价指标体系包含三级指标，其中选取环境指标、经济指标、技术指标作为二级评价指标，选取HC 减排效率、CO 减排效率、NOx减排效率、设备安装成本、设备维护成本、设备使用寿命、技术先进性、技术稳定性及技术复杂性作为三级评价指标。

图1 排放控制技术评价指标体系框图

依据评价指标体系中的评价指标，可构成评价因素集：

U={U1，U2，U3}={环境指标，经济指标，技术指标}；

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

U2={u21，u22，u23}={设备安装成本，设备维护成本，设备使用寿命}；

U3={u31，u32，u33}={技术先进性，技术稳定性，技术复杂性}。

在评价体系中，各评价因素之间相互关联、相互制约，很难直接获得各评价指标的权重。运用层次分析法，以专家咨询、问卷调查的方式对各指标之间的相对重要性进行评价赋值，据此构成一系列判断矩阵，通过计算判断矩阵获得各评价指标的权重。

2.1 构建判断矩阵

判断矩阵是层次分析的基本信息，也是评价指标权重分析的重要依据，其形式如式（1）所示：

矩阵中的aij（i，j=1，2…n）代表指标ui与指标uj相对于上一层指标重要性的比例标度，应满足下述3 条关系式：

aij>0，aij=aji，aii=1（i，j=1，2，3，…，n），它是由行业专家按照9 级比例标度法，对各评价指标的重要性（模糊属性）进行比较后的量化结果，1～9 级比例标度的定义如表2 所示。

表2 重要性标度的定义

2.2 评价指标的权重分析

根据判断矩阵A=（aij）n×n，应用层次分析法中的“特征值法”分别求解判断矩阵的最大特征根λmax和相应的特征向量W，将最大特征向量归一化后即可得到某一层评价指标相对上一层指标的权重值。

由于客观事物的复杂性，导致不同专家对事物的认识具有多样性和模糊性，因此需要对判断矩阵进行一致性检验。在T.L.Satty 等人定义的一致性检验指标中，n 为判断矩阵的阶数。对于一阶、二阶判断矩阵一般要求具有完全的一致性，即CI=0。对于二阶以上的多阶判断矩阵一致性检验，需要将一致性指标CI 与平均随机一致性指标RI 进行比较，得到随机一致性比率，记作CR=CI/RI，随机一致性指标RI 的取值如表3 所示。当CR ＜0.10时，判断矩阵才具有满意的一致性，否则就需要调整或修正判断矩阵。

表3 平均随机一致性指标

由于评估体系呈现层次性，任一层次都由下一层次指标聚合而成。在权重分析时，从底层开始，依次计算各层评估指标相对于上一层评估指标的权重，如式（2）所示，基础指标Wi的综合权重等于该指标对应的各层次权重的乘积：

式中：Wi为第i 个基础指标的权重值，m 表示评价体系的总层次数，Wji表示第j 层中与第i 个基础指标相关的权重值。

本文根据行业内12 位专家的问卷调查结果，采用层次分析法获得的摩托车排放控制技术评价体系中各项评价指标的权重值，如表4 所示。可以看出，在排放控制技术指标体系的二级指标中，环境指标所占权重最高，其次是经济指标和技术指标，这反映出行业专家更为关心排放控制技术的有效性，在技术达标的前提下，成本和使用寿命是企业必须考虑的问题。在技术指标中，企业更为关心技术的稳定性和便利性，先进性的权重相对较低。

表4 排放控制技术评价指标权重值

3 排放控制技术综合评价

3.1 评价指标的量化方法

评价体系中的评价指标既有定量指标也有定性指标，在定量指标中还存在量级和量纲的差异，很难进行准确地评价，因此需要对评估指标进行量化处理。本文引入模糊数学中的隶属函数概念，将评估指标中的定量指标和定性指标，分别用归一化法和等级赋值法进行量化处理，以便进行综合评价。

对于减排效率、安装成本及使用寿命等定量指标采用归一化的量化处理方法。如公式（3）所示，表示环境指标的隶属度函数（假设转化效率85%为限值）：

式中：Yi为第i 项减排效率指标经过归一化处理后的取值；Xi为第i 项减排效率指标的实际值。

对于技术先进性、技术稳定性及技术复杂性等定性指标，首先通过专家评分，问卷调查，文献参考等方式确定各指标所在的赋值区间，然后进行通过相应隶属度函数转化成[0，1]之间的数值。如针对技术稳定性指标，依据表5 进行等级赋值，然后通过隶属度函数进行处理，隶属度函数如公式（4）所示：

表5 技术稳定性指标的等级与赋值表

式中，Yi为排放控制技术中第i 项指标经过等级赋值法变换后的取值；Xi为排放控制技术中第i 项指标的原始等级赋值。值越大，说明该项指标的等级越高。

基于综合评价指标体系，针对“国Ⅳ”阶段125 mL踏板摩托车采用的3 种排放控制技术方案，通过专家咨询、企业调研、问卷调查等方式，得到各技术指标的赋值等级或数值，经过量化和归一化处理后，得到如表6 所示的摩托车排放控制技术指标量化结果。

3.2 排放控制技术的综合评价

在对摩托车排放控制技术评价指标体系研究分析的基础上，根据评价指标的权重分析的结果（表4），可构成排放控制技术评价指标综合权重矩阵：

表6 摩托车排放控制技术指标量化结果

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

根据评价指标的量化分析的结果（表6 所示），可构成排放控制技术评价指标量化矩阵，对应于闭环电喷+一级催化转化器+碳罐、闭环电喷+两级催化转化器+碳罐、闭环电喷+二次补气+催化转化器+碳罐等3 种排放控制技术的评价指标量化矩阵分别为：

则，每项排放控制技术的综合得分可由公式（5）求得：

式中：Qi为第i 项技术的综合得分，A 为排放控制技术评价指标综合权重矩阵，Bi为排放控制技术的评价指标量化矩阵。各项排放控制技术的综合评价结果详见表7、表8 和表9。

从综合评价结果看，针对125 mL 踏板摩托车排放控制技术，得分最高的是闭环电喷+一级催化转化+碳罐的技术路线，该路线是目前中小排量摩托车满足“国Ⅳ”排放法规的主流技术路线。受成本因素的影响，闭环电喷+两级催化转化+碳罐的技术路线的综合得分排在第2 位，只有当一级催化转化器的技术路线不能满足HC 和CO 排放要求时，才考虑采用该技术路线。闭环电喷+二次补气+催化转化器+碳罐的技术路线的综合得分排在第3 位，在中小排量摩托车的排放控制中较少采用。

表7 摩托车排放控制技术1 的综合评价结果

表8 摩托车排放控制技术2 的综合评价结果

表9 摩托车排放控制技术3 的综合评价结果

4 结论

1）基于层次分析法和模糊综合评价理论，针对摩托车排放控制技术的特点，构建针对环境、经济及技术等评价指标的多因素、多层次的评价指标体系和评估方法。可为摩托车行业技术升级、排放治理以及相关标准法规的制定提供技术支撑。

2）以125 mL 踏板摩托车的“国Ⅳ”排放控制技术为例，针对3 种典型技术路线进行综合评价：闭环电喷+一级催化转化器+碳罐的技术路线是目前中小排量摩托车满足“国Ⅳ”排放法规的主流技术路线，得分最高；当一级催化转化器的技术路线不能满足HC 和CO 排放要求时，可采用闭环电喷+两级催化转化器+碳罐的技术路线；闭环电喷+二次补气+催化转化器+碳罐的技术路线在中小排量摩托车的排放控制中较少采用，得分最低。