基于模糊综合评价法的轻型汽油车排放控制技术评价

2020-06-13孟庆斌王运静汪晓伟

环境科学导刊 2020年3期

马冬，孟庆斌，肖寒，吉喆，王运静，汪晓伟

(1.中国环境科学研究院，国家环境保护机动车污染控制与模拟重点实验室，北京 100012；2.清华大学环境学院，北京 100084；3.潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061；4.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300)

当前，我国大气环境污染形势严峻。《中国生态环境状况公报2017》[1]显示，338个地级以上城市中，239个城市环境空气质量超标，占70.7%。其中颗粒物(PM)超标严重，以细颗粒物(PM2.5)为首要污染物的天数占重度及以上污染天数的74.2%。大气PM2.5源解析结果显示，机动车、工业生产、燃煤、扬尘等是当前我国大部分城市环境空气中颗粒物的主要污染来源，其中北京、杭州、广州、深圳等城市首要污染来源是机动车排放[2]。《中国机动车环境管理年报2018》统计显示，2017年全国汽油车保有量为18 526.2万辆，占汽车保有量的89.0%；CO排放量为2482.3万t，HC排放量为251.5万t，NOx排放量为142.8万t，分别占汽车排放总量的85.0%、73.5%、26.8%。汽油车排放的HC、NOx是导致重污染天气的重要前体物。机动车排放已成为当前大气污染防治工作的重点之一。

汽油车排放控制技术对降低污染物排放具有重要作用，科学评价不同控制技术的成本效益，可为汽油车污染治理提供参考，为污染物减排潜力分析提供依据。2006年，美国环境保护总局(US EPA)[3]率先采用基于模糊评价理论的集成规划模型，对燃煤电厂大气污染控制技术的环境、经济效益进行了评估，科学分析了不同控制技术的适用条件。2010年，于超等[4]采用模糊评价法对燃煤电厂NOx控制技术进行了定量综合评价，建立了包括环境、技术、经济三方面11项指标的评价体系，为有效筛选最佳可行技术提供了重要参考。目前，我国主要对燃煤电厂、工业锅炉等行业开展了污染控制技术评价研究[5-7]，但对机动车排放控制技术评价研究相对较少。2017年12月原环境保护部发布了《机动车污染防治技术政策》，从车油路等方面提出一系列机动车污染防治技术政策，但尚未开展经济、环境、技术等综合评价研究。

笔者应用模糊综合评价法对轻型汽油车排放控制技术进行评估，针对其技术特点，构建包括环境、经济、技术三方面共10项指标的多因素多级综合评价指标体系，以国六轻型汽油车为例，量化评价5种典型技术方案的技术、经济和环境性能，筛选出最佳可行技术，以期为有效开展机动车污染治理以及制定相关法规政策提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究方法

综合评价是指对多种因素所影响的事物或现象进行总的评价，若该评价过程涉及模糊因素，便是模糊综合评价，还可以采取多层次模糊综合评价的方式，逐级评价，进而汇总[8-12]。

多层次模糊综合评价的原理为：将评价对象的多种因素按属性分成若干类大因素，然后对每一类大因素进行较低层次的评价，在此基础上再对初级评价的结果进行高一级的综合评价[17-24]。设评价对象集为：

Y={Y1，Y2，…，Yn}

设U是因素集，按一定的方式将U中元素分成p个互不相交的因素子集：

U={U1，U2，…，Up}

对每个Uk(k=1，2，…，p)进行初级综合评价。设Uk含有m个评价指标，即Uk={uk1，uk2，…，ukm}，对于Y中的Yj(j=1，2，…，n)可用向量Xj(k)表示m个评价指标的属性值，即Xj(k)=(x1j(k),x2j(k),…xmj(k))

对于因素子集Uk来说，n个评价指标属性值可用如下矩阵表示：

=(xij(k))(i=1,2，...，m)

由于各评价指标之间没有统一的度量标准，如果直接使用指标值不便于进行分析和比较。因此在进行综合评价前，应先将评价指标进行规范化，即构造评价指标的隶属函数使指标值统一变换到[0，1]。由Uk中的每个因素uki的隶属度组成隶属度评价矩阵：

根据Uk中各因素所起作用大小定出权重分配：

Ak=(a1(k)，a2(k)，…，am(k))

通过对模糊矩阵进行复合运算，可得出对Uk的一级综合评价：

Bk=Ak·Ek=(bk1,bk2,∧bkn),(k=1,2,∧p)

将U中的p个因素子集Uk(k=1，2，…，p)看成是U上的p个单因素，按各Uk在U中所起作用的大小，给出其权重分配

A={a1·a2，∧ap}

由各Uk的评价结果Bk(k=1,2,…p)得出总的单因素评价矩阵：

经模糊复合运算可得U的综合评价矩阵：

这里全面考虑各个因素，对所有因素依权重的大小均衡兼顾，适用于要求整体指标的情形。对应的模糊算子方案为加权平均模式(⊕-⊙)，即：

1.2 评价对象

以国六排放标准的轻型汽油车排放控制技术为例进行评价。目前国六轻型汽油车主要的排放控制技术方案有以下几类:

(1)三元催化器(TWC)。TWC是汽油机后处理系统中应用最广泛的装置，主要由载体、催化剂涂层(包括铂、钯、铑等贵金属以及稀土材料)和金属外壳等组成。TWC的主要作用是降低汽油机气体污染物HC、CO和NOx的排放，当尾气流经TWC时，涂层中的催化剂铂和钯就会促使HC与CO发生氧化反应生成水蒸汽与CO2；铑催化剂促使NOx发生还原反应生成N2和O2。TWC对颗粒物也有一定的净化作用，在催化剂的作用下，通过氧化反应可使颗粒物中的可溶性有机物SOF(Soluble Organic Fractions )转化成CO2和H2O，转化效率可达80%。TWC是国六排放标准发布之前轻型汽油车最常见的后处理技术，该技术较为成熟，企业有相对较多的技术储备。

(2)汽油机颗粒捕集器(GPF)。GPF是一种壁流式的颗粒捕集装置。GPF内有很多平行孔道，相邻的2个孔道内一个只有进口开放，另一个只有出口开放。排气从开放的进口孔道流入，通过GPF载体多孔壁面至相邻孔道排出，而颗粒物被滞留在孔道内，从而实现捕集作用。GPF分为带催化剂涂层的cGPF和不带催化剂涂层的GPF。

(3)四效催化器(FWC)。四效催化器也可认为是一种带涂层的GPF，只是GPF所涂覆的贵金属需要满足转化气态污染物排放的要求。这种技术路线目前国内还比较少见。

(4)稀燃氮氧化物捕集(LNT)技术。汽油机采用稀薄燃烧技术时的NOx排放量较大，必须增加LNT技术装置用来降低NOx的排放。

(5)TWC+GPF。该组合技术是目前汽油车尤其是缸内直喷汽油车应对国六排放标准的可选技术方案。

(6)TWC+cGPF。该组合技术是目前汽油车尤其是缸内直喷汽油车应对国六排放标准的主流技术方案。

(7)TWC+LNT。由于在稀燃条件下TWC对污染物尤其是NOx的催化效率较低，因此，如果汽油车采用稀薄燃烧技术，满足排放标准就必须要增加额外的NOx催化器，如LNT。该技术方案正处于研究阶段。

2 评价指标及量化

2.1 评价指标体系

通过对模糊综合评价法的研究，结合轻型汽油车排放控制技术的特点，构建了轻型汽油车排放控制技术综合评价指标体系，如图1所示。综合评价指标体系包含两级指标，第一级指标包括环境指标、经济指标、技术指标；第二级指标包括NOx减排率、PN减排率、CO减排率、HC减排率、安装成本、运营成本、寿命、技术稳定性、技术复杂性、技术升级性。

根据综合评价指标体系的要求，确定本研究的评价因素集为：

U={U1，U2，U3}={环境指标，经济指标，技术指标}

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

U2={u21，u22，u23} = {安装成本，运营成本，寿命}

3={u31，u32，u33}={技术稳定性，技术复杂性，技术升级性}

国六轻型汽油车排放控制技术方案的主要指标见表1。

表1 国六轻型汽油车排放控制技术方案主要指标

注：设备成本、平均转化率、设备使用年限的数据通过企业调研得到。

2.2 评价指标量化

由于指标间评价等级和量纲存在差异，不具有可比性，无法直接进行综合比较，因此对评价指标进行量化。评价指标量化常用方法主要有归一化法(定量指标)和等级赋值法(定性指标)，在评价过程中将评价指标分为定量指标和定性指标，分别用归一化法和等级赋值法对其进行量化[25-28]。各评价指标的等级与量化方法见表2。

表2 评价指标等级与量化方法

注：运营成本指由于需要再生造成的油耗成本增加。

定性指标的量化，通过文献调研和专家评分的方式对不同控制技术的某项指标进行赋值[24]。首先根据定性指标的等级进行赋值，结果见表3。

表3 定性指标等级及对应的赋值

然后按照下式计算得分：

ui越大，表明基于该项技术指标的得分越高。

定量指标的量化，采取归一化法将其量化。对于减排效率、设备成本、增加的能源消耗、设备寿命的量化，可以采用下列公式进行

式中：a、b为边界条件。其中，归一化法的参数都有各自的对应边界条件，通过专家研讨的方式，确定各边界条件如下：安装成本的a为2000元，b为0元；运营成本的a为15%，b为0。使用年限的a为4a，b为6a。

基于综合评价指标体系，通过文献调研、专家咨询，得到各技术方案指标的赋值，结果见表4。

表4 轻型汽油车排放控制技术指标量化结果

注：括号内数据为量化后结果。技术稳定性、复杂性、升级性的评价通过行业专家研讨得到。

3 结果与讨论

3.1 初级评价结果

虽然各技术指标已得到量化，但每个指标在评价过程中的权重各不相同，因此各技术方案之间还是无法直接比较。通过专家调研、文献调研确定了各指标权重[28-32]，结果见表5。

根据专家调研确定环境指标的二级指标权重矩阵A1=(0.167，0.5，0.167，0.167)，加权平均后的环境指标综合评价矩阵B1=(0.600，0.900，0.925，0.950，0.650)。

根据专家调研确定经济指标的二级指标权重矩阵A2=(0.600，0.300，0.100)，加权平均后得到综合评价矩阵B2=(0.940，0.671，0.686，0.680，0.410)。

确定技术指标的二级指标权重矩阵A3=(0.375，0.375，0.250)，加权平均后得到综合评价矩阵B3=(0.900，0.600，0.750，0.750，0.700)。

3.2 综合评价结果

根据3.1节计算结果，确定综合评价的权重矩阵A=(0.450，0.350，0.200)，得到加权后综合评价矩阵B=(0.779，0.760，0.806，0.816，0.576)。国六轻型汽油车排放控制技术综合评价得分见表6。

表5 评价指标权重

表6 轻型汽油车控制技术综合评价结果

从表6可以看出，轻型汽油车排放控制技术得分最高的是TWC+cGPF方案。这也是目前各厂家的主流技术方案。对于进气道喷射(PFI)的汽油机，颗粒物排放不是问题。但在国六排放标准出台后，引入了车辆实际道路测试方法RDE(Real Drive Emission)，PFI汽油机也有可能存在实际道路排放测试不达标的问题。因此，GPF基本已经成为满足国六排放标准的标配。

柴油车、摩托车、非道路移动机械等其他移动源的排放控制技术的评价也可使用模糊综合评价方法进行评价，根据自身要求，调整指标值和权重值，可得到最佳可行排放技术。