汽车座舱环境挥发性有机物测试研究

2020-07-09顾娟温旭光

环境技术 2020年3期

顾娟，温旭光

（1.吉利汽车研究院（宁波）有限公司，宁波 315336；2.浙江吉利控股集团有限公司，宁波 310051）

引言

随着消费者环保意识的增强，打造健康环保的汽车座舱环境已成为汽车企业的共同追求。汽车座舱环境空气污染物主要来源于车内零部件如座椅、仪表板、车门内饰板、地毯、顶盖内饰板等内饰材料中释放出的挥发性有机化合物（VOC），如苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、甲醛等。针对座舱环境VOC管控，国内外均出台了相应的法规来约束汽车企业优化材料选型、提升绿色制造水平，比较有代表性的有ISO 12219系列标准、日本汽车工业协会（JAMA）《降低汽车内VOC的自主举措》[1]、韩国《新规制作汽车的室内空气质量管理标准》[2]、德国VDA系列标准以及我国的GB/T 27630-2011《乘用车内空气质量评价指南》[3]等。

整车座舱环境VOC测试均是模拟客户使用场景，在一定的温度、湿度或模拟太阳光辐射的条件下，测量内饰材料中的有机溶剂、助剂、添加剂等物质挥发引起车内空气中蓄积的VOC含量[4]。目前国内各车企管控主要采用HJ/T 400-2007[5]标准，该标准测试的是常温状态座舱环境VOC含量，但往往消费者抱怨的是夏季高温状态车内VOC引发的异味问题，因此本文以ISO 12219-1：2012[6]、JAMA《降低汽车内VOC的自主举措》、德国大众PV3938[7]三种不同整车座舱环境VOC高温测试方法为研究对象，分别从方法原理、测试结果分析等角度系统性的分析了不同方法之间的差异，为各企业整车座舱环境高温VOC方法的制定提供参考。

1 整车座舱环境VOC高温测试方法简介

1.1 ISO 12219-1：2012

该标准规定了三种不同模式下座舱VOC含量的测试，包括环境模式（Ambient mode）、停车模式（Parking mode）及驾驶模式（Driving mode）。具体测试过程为：将受检车辆置于整车试验舱中，车门打开状态于23±2 ℃，50±10 %RH环境下预平衡1 h，接着将车门密闭进行至少8 h的环境模式调节，随后进入停车模式，该阶段采用模拟光照系统调节距离车顶10 cm高度的光照能量为400±50 W/m2，光照4 h后进入驾驶模式，驾驶模式开启空调（内循环，23 ℃风量最大）并立即采集车内空气，各模式车内空气采样点的位置参照图1所示。

1.2 JAMA《降低汽车内VOC的自主举措》

该标准的测试过程为：车门窗开启通风30 min后，密闭车门窗采用光照系统对受检车辆进行加热，采样点处（位置与ISO 12219-1：2012一致）的温度达到40℃后保持4.5 h后进行高温状态下VOC样品采集，采样结束后开启空调系统（内循环，23 ℃风量最大），同时采集乘车状态下座舱环境VOC。JAMA标准与ISO停车模式&驾驶模式模拟的实际客户应用场景一致，均是模拟测试夏季高温状态车辆曝晒后人刚进入车内接触的VOC状态及空调开启后车内VOC状态。

1.3 德国大众PV3938

该方法是德国大众汽车开发的针对整车VOC的测试方法，主要测试过程为采用四台红外加热装置对车身进行加热，红外加热装置位于车身四周50 cm处，照射面与前后挡风玻璃/车窗平行，控制采样点（前排座椅头枕中心距离顶盖内饰板20 cm处）的温度为65±5 ℃（要求加热3 h内达到该温度），红外加热4 h后采集车内VOC。

以上三类标准车内VOC气体样品的采集及分析均是参照环境空气VOC苯系物（ISO 16000-6[8]）及醛酮类羰基化合物（ISO 16000-3[9]）测试方法执行。

2 整车座舱环境VOC高温测试方法对比分析

图1 采样点位置示意图

表1 某车型座舱环境VOC含量

为了研究不同方法之间的差异，针对同一款车型同一天下线的三辆车分别进行了ISO、JAMA、德国大众标准的测试，具体结果参见表1。通过对比可知，针对同一车型，高温辐射加热状态座舱环境VOC数据：PV3938＞JAMA（高温状态）＞ISO（停车模式），其中ISO停车模式高温引发的VOC释放量应扣除环境模式蓄积的VOC量后进行比较，高温状态VOC释放量的差异是由于试验条件对应的车内环境的差异导致的，具体如表2所示，可见高温状态下PV3938标准更严苛。

从表1 ISO标准不同测试模式下的座舱VOC含量可以看出停车模式座舱环境VOC含量最高，进入驾驶模式后由于空调开启，经空调滤芯快速净化座舱环境VOC迅速降低。JAMA标准中高温状态向乘车模式的转变与ISO标准一致。匹配客户实际应用场景，停车模式与夏季车辆高温曝晒状态类似，因温度升高汽车座舱内的发泡、PVC座椅皮革、塑料、橡胶等内饰材料及油漆、胶粘剂等辅料中的有机溶剂、未反应的单体等会快速挥发在车厢中积累形成一个高VOC的密闭环境。因此建议夏季车辆室外曝晒后，人员第一时间应打开车门窗通风换气后再进入车内，避免短期高浓度VOC吸入。

表2 车内各监控点温度

图2 ISO标准停车＆驾驶模式车内各监控点温度

图3 JAMA标准车内各监控点温度

通过在车内零部件表面布设温度传感器的方式，监控测试全过程温度状态以详细对比不同分析方法的差异可知（参见图2～4）：①高温阶段随着辐照时间的延长，ISO标准车内各零部件表面温度持续升高，JAMA标准车内各零部件表面在达到某一温度后则基本保持恒定，PV3938标准车内各零部件表面在3 h达到最大值后也基本保持恒定。这是由三个标准的差异导致的，ISO标准控制的是恒定的辐照强度，因此辐照时间越长，车内温度越高；JAMA和PV3938则是通过调整辐照强度来保持恒定温度，因此车内温度再达到恒定值后基本不变，只有地毯由于离辐照源最远受辐照直接影响较小，随着车内温度的累积影响呈现表面温度缓慢持续上升趋势；②根据高温阶段车内各零部件表面温度对比，ISO及JAMA标准呈现相同趋势，即仪表板上罩＞顶盖内饰板＞转向盘≈前座椅头枕≈遮阳板＞前座椅坐垫＞搁物帘表皮＞地毯，而PV3938则为仪表板上罩＞前座椅头枕＞转向盘＞遮阳板＞前座椅坐垫＞顶盖内饰板＞搁物帘表皮＞地毯。造成差异的原因是高温阶段辐射方式，ISO及JAMA采用的是顶部垂直辐照加热，玻璃的传热能力大于金属钣金件，因此仪表板上罩表面温度最高，顶盖内饰板次之，越远离光源处温度越低，如地毯；而PV3938采取的是车前后左右玻璃处辐照加热，因此越靠近玻璃处受外界光源辐照影响最大的区域处的零部件表面温度越高。

目前汽车行业整车VOC试验舱配备的阳光模拟光照系统照射角度均为垂直照射，且皆为红外光源，而实际户外太阳光对车内各零部件的照射角度随地球自转而逐渐变化，太阳光的辐射光谱包括紫外光段、可见光段及红外光段[10]。为了研究户外阳光曝晒车内环境状态与试验舱状态的差异，将车辆密闭置于海南琼海地区户外空旷场地进行高温曝晒，筛选了平均温度最高的6月份全月车内各零部件表面温度数据（见图5），通过对比可知：高温曝晒状态下各零部件表面能达到的最高温度：仪表板上罩＞转向盘＞座椅坐垫＞搁物帘表皮＞遮阳板＞顶盖内饰板＞座椅头枕＞地毯；平均温度：仪表板上罩＞转向盘＞搁物帘表皮＞顶盖内饰板＞遮阳板＞座椅头枕＞座椅坐垫＞地毯。从以上对比可以看出影响各零部件表面最高温度的主要因素是受阳光照射角度，如仪表板上罩/转向盘属于阳光透过玻璃的直射区域，温度明显高于其他区域，仪表板上罩最高温度几乎达到了100℃；而影响各零部件表面平均温度的主要因素是受阳光照射影响的时间长短，如顶盖内饰板平均温度排名靠前原因是其外表面及车顶钣金件一直受阳光照射。从平均温度来看，户外曝晒车内各零部件表面达到的温度水平与JAMA标准较匹配度更高些。