车内气体气味特性及气味开发技术路线探讨

2022-04-08钟广亮赵海英曹慧林李雪任天奇

汽车工艺与材料 2022年3期

钟广亮赵海英曹慧林李雪任天奇

（北京汽车集团越野车有限公司，北京 101300）

1 前言

随着社会生产力进步和生活品质的不断提高，每位驾乘人员都会在车内乘坐相当长的时间，汽车现在不仅仅是代步工具，已经成为人们生活的第二环境空间。车内空气质量越来越引起客户和各个主机厂的关注，其中气味是驾乘人员重要的感官感受之一。根据J.D.POWER 年度报告调查结果显示，车内异味已经连续5 年成为客户最为关注的问题。当乘员受到不舒适的气味干扰时，车内感知要素的特性及强弱相对被弱化和影响。车内气味不仅引起驾乘时嗅觉不舒适，还是引起晕车的一个重要诱因。汽车行业对车内气味的研究从主观评价到主观溯源，再到客观气味溯源，目前已经逐步开始从降低和消除异味转向降低异味和气味设计并举。无论是客观气味溯源，还是气味设计都离不开对气体气味特性的研究作为基础，特别是2017 年起兴起的气味客观化研究更是掀起了对车内气味气体识别的技术热潮。

目前对于气味的控制主要以各企业组建的鼻子团队进行审核把关，由于人对气味的感知受到性别、生活习惯、个人爱好等因素影响，无论是多么专业和有经验的鼻子团队也都无法代表每一位客户的感官感受，而且各企业的鼻子团队之间存在明显的差异。在对气味气体识别时也面临同样的问题。因此对车内气体气味特性的研究就显得尤为重要，气体气味特性不仅是气味溯源、气味客观化的基础也是气味设计的基础性研究课题。做好气体气味特性研究，对于车型的气味品质改进，推动驾乘舒适性和品质提升具有重要意义，在更广泛的室内气味、工业生产气味、环境气味领域也具有重要的参考意义。

2 车内气味气体分类及其特性

根据整车及零件散发性气体数据统计分析，可将车内散发出的气味气体分醛类、醇类、苯类、苯酚类、酸类、酯类、酮类、烷烃类、烯烃类、含氮类、含硫类十余类气体类型。每类气体因其官能团、分子结构、分子量等因素以及毒理特性和在人类进化过程中的不同角色表现出了不同的气味特性。

2.1 阈值特性

气体嗅觉阈值是重要气体气味的技术特性之一。刘伟等研究发现各国测得的嗅阈值差异明显[1]，并呈现一定的总体性规律，其中日本环境卫生中心测得的气体嗅觉阈值与中国研究机构（天津国家恶臭重点实验室、中国汽车技术研究中心等）[2-3]测得的嗅觉阈值最为接近。本研究以日本环境卫生中心测得的气体嗅觉阈值作为参考阈值对各气体种类进行浓度与嗅觉阈值特性分析。如图1-图12 所示。

图1 醛类气体气味阈值特性（按分子量从小道大排列）

图2 醇类气体气味阈值特性（按分子量从小道大排列）

图3 苯类气体气味阈值特性（按分子量从小道大排列）

图4 苯酚类气体气味阈值特性（按分子量从小道大排列）

图5 酸类气体气味阈值特性（按分子量从小道大排列）

图6 酯类气体气味阈值特性（按分子量从小道大排列）

图7 酮类气体气味阈值特性（按分子量从小道大排列）

图8 烷烃类气体气味阈值特性（按分子量从小道大排列）

图9 烯烃类气体气味阈值特性（按分子量从小道大排列）

图10 含氮气体气味阈值特性（按分子量从小道大排列）

图11 有机含硫气体气味阈值特性（按分子量从小道大排列）

图12 无机含硫气体气味阈值特性（按分子量从小道大排列）

从气体分类嗅觉阈值折线图可以看出醛类、醇类、苯类、苯酚类、酸类、酯类、酮类、烷烃类、烯烃类在单一官能团的情况下，气体嗅觉检知阈值浓度值随着分子增大而降低。硫醇类含硫有机气体嗅觉检知阈值浓度值随着分子增大而降低；含硫无机气体嗅觉检知阈值浓度值随着分子增大而升高。除氨气外氨基有机气体嗅觉检知阈值浓度值随着分子增大而升高。由此可以看出单一官能团气体嗅觉检知阈值浓度值随着分子量呈现趋势性变化。而含有硫、氮等特殊原子气体嗅觉检知阈值浓度随着分子量变化趋势与仅含有碳、氢、氧元素官能团的气体有所不同，这可能是由于含有硫、氮等特殊原子的气体会产生令人难受的恶臭气味，而且阈值偏低，而随着分子增大硫、氮所起的刺激作用占比有所减弱的原因。

图1 中几类气体相比，其中烷烃类气体检知阈值浓度相对最高，硫醇类气体检知阈值浓度相对最低。

2.2 阈值与浓度

气体嗅觉阈值是气味气体的本身特性，气体浓度是对气体实际含量检测的重要量化指标，在不同的情景下气味气体会有不同的浓度，不同的浓度直接决定气味强烈程度[4-5]。所以气体嗅觉阈值与气体浓度是互依存的一对气体气味量化数据。几种基于嗅觉阈值和气体浓度的研究方法如下。

a.韦伯-费希纳定律。

式中，OI 为气味强度；k为常数；C为气味物质的化学浓度。

b.阈稀释倍数。

式中，Di为第i种物质的阈稀释倍数;Ci为第i种物质的物质浓度;CiT 为第i种物质的嗅阈值。

c.气味值OAV、气味单位OU：计算方法同阈稀释倍数。

式中，Ci为第i种物质的物质浓度;CiT 为第i种物质的嗅阈值。

2.3 气味类型特性

气体气味类型是另一个重要的技术特性。不同分类的气体具有不同气味类型表现[6-8]，同类气体也随着分子量的变化而发生着变化。单官能团气味气体类型参考如表1 所示。

表1 单官能团气味气体类型参考

苯乙烯、丙烯醛、苯甲醛、羰基硫等双官能团或多官能团气味气体的阈值、气味类型都与单官能团气体不同，受到了不同官能团共同作用的影响。另外氢气、氮气、氧气、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气等表现为无气味或无特定气味，这与人类生存和进化过程中所处环境及进化需要有关。现代工业造成的大量人造气体增加，改变了人类的生存空间气体环境，而产生了人类尚未适应的大量人造气味气体或改变了相关气体的浓度，使得气味感官变得更加复杂。检测手段的增强也促进了人类嗅觉依赖性减弱，使得对气味感官能力的相对退化。

3 气体气味特性应用探讨

3.1 阈值差异性及公称阈值

王亘、刘伟等不同研究团队研究发现各国测得的嗅阈值差异明显[1,3]。即使在同一地区，不同研究团队测得的气味气体阈值和气味类型也存在差异。已知报道过进行过气体检知阈值测定的气体种类超过1 500 种，车内常见的气味气体种类200～1 000 种，研究团队对每种气体进行阈值测定的工作量是非常巨大，周期非常长的。而且不同的研究团队的测定值相差明显，造成巨大的重复投入，和数据的混乱，而使得研究难以有显著成效。气味气体的阈值是气体气味特性的重要基本特性之一，因此建立国家级或大区域组织级的统一的阈值测定结果，将气体阈值统一化为公认的“公称阈值”非常必要。

3.2 气味强度及类型特点

对于单一气味气体气味强度使用韦伯-费希纳定律和OAV 进行规律研究和测定，已经证明效果明显，且在环境、食品等气味研究中应用。但是对于多种气体组合的气体气味强度和气味类型尚没有可以准确应用的方法或数据。

气体之间气味存在着者相促进、协同、遮蔽、阻抗、异化等多种作用。气味气体的种类和组合方式，再加上浓度的组合影响，其需要测定研究的数量极其庞大。例如车辆在不同条件下的气味表现会不同[8-9]，参见表 2 案例。

表2 车辆在不同条件下的气味表现举例

其中25 ℃光照模拟是将车辆按照HJ/T 400—2007《内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法》在标准环境仓内25 ℃条件下培养16 h，然后按照ISO 12219—1《道路车辆的内部空气-第1 部分》的条件进行红外光模拟照射4.5 h 后进行气味评价；耐受评价是将车辆按照HJ/T 400—2007《内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法》在标准环境仓内25 ℃条件下培养16 h，然后进行气味评价，每个评价员在车内至少静坐15 min，然后进行气味等级、气味类型、主观感受的评价。

根据整车气味短时评价（汽车行业常规气味评价方法）、耐受评价（北汽越野车特有气味评价方法）、高温评价等不同评价方法对不同车辆气味评价结果，车内气味有如下几个特点。

a.车内气味气体是在变化的，不同材料散发的不同气体随时间变化在车内可以达到的浓度是发生着变化的，多数是逐渐消减的。对于浓度消减的速率也有不同。这也是车内气味会随着时间变化，气味强度和气味类型会发生变化的原因。

b.在不同环境下不同零件的不同材料温度也是不同的。不同的温度下同一材料散发的不同气体可达到的浓度也是不同。这也是车内气味会随着车辆环境变化，气味强度和气味类型会发生变化的主要原因。实践证明，人的嗅觉感知能力在不同温度下也存在较大差异。

c.任何一种难闻气味气体浓度较高，或具有相互促进、协同的一类气体浓度综合浓度较高时都会造成车内气味不良。对于车内气味的研究以及相应产品的开发，原则上考虑最差情况。

d.根据整车气味短时评价（汽车行业常规气味评价方法）、耐受评价（北汽越野车特有气味评价方法）评价结果，当人处于车内，有些气味感受时效只有几秒，有些气味感受则相对时间更长，有些气味感受一直存在甚至会越来越强（表3）。

表3 车辆在不同评价方法下的气味表现举例

3.3 车内气味客观化研究及管控技术路径

鉴于多组分组合气味气体强度、类型特点和车内气味特点，在开展车内气味客观化研究中有以下2 种技术路径。

a.使用阵列传感或气体快速分析设备采集气体气味谱图，使用数据库设定谱图偏离范围，设定气味指纹特性。这种方法对于单一产品可以有效进行气味波动监测，快速、准确，适用于质量一致性管控。但是每个产品都需要在初期采集气味谱普图库，建立气味指纹信息。在发生问题时无法进行有效和快速的问题分析。例如市场上的各种主流电子鼻产品。

b.对于常见气味气体建立气味气体阈值和气味类型库，开发多个常用的同类气体气味强度和类型计算模型。这种方法对于一般的产品开发、质量监测都具有良好的监测作用，结果快速、准确。在发生问题时可以进行快速的问题分析和溯源分析，同时也是气味设计的必要手段。这种方法需要深入的气味气体研究基础、数据库、模型构建能力，高精度和快速的检测设备投入相对较大。

对于过往研究的综合气体气味强度和气味类型客观化模型研究，其投入高，难度高，对于气体在发生变化的车内气味适应性差，风险评估能力弱。因此短期内不建议使用。

3.4 车内气味设计

在客观和研究基础上进行车内气味设计，开发具有品牌识别度的车内气味特性是车内空气开发的主要趋势之一。进行车内气味设计主要应用了气味气体的遮蔽、阻抗、异化作用。在进行车内气味设计时首先开展车内气味等级控制，使车内气味方案程度并不高，按照6 级气味评价法，车内气味至少要控制在≤3.5 级的水平，≤3.0 级的水平时效果更佳。根据用于调味的气味成分对车内原有气味成分的相互作用效果不同，将气味设计方法主要有如下3 种方法。

a.遮蔽法。通过具有较强气味识别度，乘客接受程度较高，且对车内难闻气味具有遮蔽作用的气味遮蔽车内不良气味。可在特定材料（如PVC面料）中加入相对持久散发特定气味气体的成分实现。例如某PVC 面料厂生产的茶香PVC 面料、柠檬香PVC 面料、桔子味PVC 面料等。

b.阻抗法。通过气味识别度不高，乘客接受程度较高，且对车内难闻气味具有阻抗作用的气味阻抗车内不良气味。可在特定材料（如PVC 面料）中加入相对持久散发特定气味气体的成分实现，也可通过开发车内香氛实现。方法技术难度高，需要专门的嗅觉及气味研究机构联合开发。目前在车内空气领域尚且没有应用案例。

c.异化法。通过多种气味气体成分相互作用，按照经过验证的特定比例配制产生目标气味类型感受的香氛。这种香氛产生异于单一组分的气味，且可以对车内异味具有一定的遮蔽作用。例如某品牌车型已经开发的车载香氛，某香水公司开发的各种香氛产品。香氛产品一般在使用后不同的时间段表现出前调、中调、后调不同的气味类型。

根据车内原有气味的强度、类型、组成成分综合车型定位指定气味涉及目标，然后根据前述内容和设计目标选择遮蔽、阻抗、异化中最为合适的方法作为主要技术路线进行车内气味调试，最终达到预期效果。

4 车内主要气味气体来源及其影响

根车内气味主要来源于车内非金属材料散发的气体。车内非金属材料总类多达数百种，结合不同工艺、应用量、配方，其散发的气味气体种类及含量复杂。可以通过对目标对象散发的气体进行分析，结合主观气味评价解雇进行规律性研究。某真皮面料气味气体分析见表4。

表4 某真皮面料气味气体分析

根据整车气味气体定性检测分析、车内气味溯源分析、材料气味溯源分析数据，车内主要气味来源材料及其散发的主要气味气体[6-7]如表5 所示。

表5 车内主要气味来源材料及其散发的主要气味气体

材料中的气味气体主要来源于其材料主料、助剂、杂质的含有物质和改性、合成、成型时的主要生成物质及副产物。每种刺激性、恶臭性气体在散发后的浓度达到刺激范围后，都会对车内气味造成难以接受的影响。因此对每种刺激性、恶臭性气体的浓度都要进行限制，从配方、原料、工艺多角度降低或消除其散发浓度，并从结构设计、仓储物流、后处理进行全方位进行管控和提升效果。