乘用车内空气净化技术研究现状及进展

2022-08-01孔维文张春秋罗玉林

制冷技术 2022年2期

孔维文，张春秋，罗玉林

（东风汽车有限公司东风日产乘用车公司技术中心，广东广州 510800）

0 引言

随着社会经济的高速发展，汽车在人们日常生活中的地位也越来越重要。人们在关注汽车的操控性、燃油经济性、安全性的同时，车内空气质量也日益成为人们关注的焦点问题。在新车质量调研评价体系中，用户对于车内空气质量的抱怨，几乎永远排在前五位。车内空气质量已成消费者投诉高感知领域，世界卫生组织已明确将车内污染与高血压、艾滋病等共同列为威胁人类健康的十大危害之一[1]。根据中国生态汽车评价管理中心测算，生态汽车（获得铜牌及以上就可以被认定为生态车型）在行业数量占比从2015年17.8%提升到了2018年59.6%[2]，说明仍然有40%比例的汽车存在生态问题。另外，上述生态汽车的评价结果与消费者切身感受是不相一致的，根据《21世纪经济报道》[3]，在982位被调查者中，52%的被调查者认为90%以上的车型都存在空气污染，可能损害人体健康，这说明评价标准与消费者的期待仍然有较大的差异。目前国内对于车内空气质量的技术标准，只有2012年3月正式实施的GB/T 27630—2011《乘用车内空气质量评价指南》[4]，该指南仅仅是一个行业技术标准，并非强制性法规，并且相对于欧美标准来说过低，采用了室内空气标准的上限水平。

车内空气质量污染不仅影响到乘客的健康，也会影响乘客的驾驶安全性，因此当前阶段对车内空气采取主动净化以改善车内空气质量及乘客的舒适性显得刻不容缓。

1 车内空气污染源及其危害

要改善车内空气质量，首先需要对车内空气污染的主要来源及污染物成分进行分析，然后对各种污染物对车内乘员造成的危害进行分类，才能做到针对性的改善。

1.1 车内空气污染的主要来源

1.1.1 车内材料及零部件

汽车内饰材料主要包括塑料、橡胶、皮革、织物以及各种油漆涂料和粘合剂[5]。污染物主要包括苯、甲苯、甲醛、丙酮和二甲苯等挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs），VOCs在新车中尤为突出。王晓格等[6]对17辆公交车及30辆店内新车进行挥发性有机化合物进行检测，检测发现仅有2辆车内的甲醛浓度未超过GB 50325—2010[7]甲醛限值。此外，消费者在使用汽车时，经常会在市场上购买其他装饰品，如方向盘套、廉价坐垫和车载香水等，这部分装饰材料中的粘合剂，胶水中也会释放出甲醛，丙酮等挥发性有机化合物。

汽车空调系统通常是车内污染来源之一，空调系统内通常搭载滤网，如果长期不更换维护，滤网上积累的污染物到达一定程度，会向车内释放吸收物造成车内二次污染。另外，空调系统在工作时，蒸发器长期处于高湿及阴暗的环境中，容易导致细菌和霉菌快速生长，产生大量代谢物[8]，并随气流进入乘客舱，引起车内人员的恶心，头晕等反应。王丹瑜等[9]对蒸发器异味产生机理进行研究，表明蒸发器由于冷热交替的工作环境，会释放出多种异味，对乘员造成很大困扰。钱海雷等[10]分别对公交车空调系统中铜、铝材料的换热翅片的菌落数进行对比分析，表面铜质换热翅片具有明显的抑菌效果。

1.1.2 车外污染物的侵入

车外环境存在多种污染物，如PM2.5粉尘[11]，悬浮在空气中的细菌/霉菌/病毒，汽车尾气中的CO，NOx等有毒气体[12]。由于车门/窗的经常开启，或空调外循环的使用，车外环境中的各类污染物都非常容易侵入到车内。污染物进入到车内后，通常会长期附着于车内座椅及其他零部件表面，对车内乘员的身体健康造成长期的影响。

1.2 车内污浊空气对人体的危害

1.2.1 挥发性有机化合物（VOCs）的危害

挥发性有机化合物种类繁多且危害较大[13]。各机构检测出来的车内挥发性有机物高达30余种，多数为烷烃及芳香族有机物。短期接触会让人产生恶心或者头痛等症状[14]，长期接触会导致机体免疫水平失调、食欲不振、昏迷和损害神经系统等。

1.2.2 颗粒物的危害

空气中的悬浮颗粒物是指直径小于10 μm的细微颗粒，并且颗粒物直径越小，对呼吸系统的影响更大。颗粒物被吸入人体后，会沉积在气管，肺部等位置导致疾病，对于直径较小的颗粒，如PM2.5，可以渗透到人体的支气管和肺泡，而PM1.0则可以渗透到人体的毛细血管中，造成组织纤维化、引起咳漱和哮喘等呼吸系统疾病，严重影响乘员的健康。

1.2.3 汽车尾气的危害

汽车尾气主要包含CO与NOx等气体，CO是一种无色无味的有毒气体，而NOx通常带有刺激性气味。两者与血红蛋白结合的能力都很强，所以对神经系统和血液有较强毒性，同时对呼吸道产生刺激和损伤[15]。其中CO对人体的危害，主要取决于CO的浓度和影响时间，如表1所示。

表1 CO浓度与影响时间对人体危害

1.2.4 细菌/霉菌的危害

空气中的细菌/霉菌进入空调系统后，附着在蒸发器表面，蒸发器长期处于阴暗、潮湿的环境中，导致细菌/霉菌大量繁殖。对某售后车辆蒸发器进行细菌种类检测发现，空调蒸发器上有多达十余种细菌/霉菌[16]。常见的有大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和曲霉。上述微生物跟随气流进入乘员舱内后，容易引起乘员消化道感染、发热和哮喘等呼吸系统疾病。

2 车内空气净化技术及应用现状

为了改善车内空气污染，各类车内空气净化技术/产品陆续被各供应商和主机厂进行开发和搭载。

2.1 高效空气过滤器滤网技术

高效空气过滤器（High Efficiency Particulate Air Filter，HEPA）滤网一般由聚丙烯或其他复合材料制成[17]，它对0.3 μm以上粒径的颗粒物过滤效率可达99.97%。HEPA滤网对颗粒物的过滤作用主要通过4个途径实现，如表2所示。

表2 HEPA对颗粒物过滤的4个途径

HEPA滤网对小颗粒物的过滤效率良好，主要用于净化车内的PM1.0或更小粒径的颗粒物。目前乘用车上使用的性能较好的高集尘滤网，对0.3 μm的灰尘过滤效率约90%~95%，普通滤网约为70%~80%。但如上文介绍，HEPA滤网对0.3 μm的NaCl颗粒的过滤效率可达99.97%以上，明显高于目前乘用车上使用的主流滤网产品。由于粒径尺寸分布等原因，NaCl颗粒的过滤难度要大于A2灰尘。HEPA滤网不能分解颗粒污染物，也不能完全净化甲醛和苯等有害气体；HEPA滤网的风阻很大，需要匹配较大功率的鼓风机，进而增加空调功耗以及引起噪音相关的问题；HEPA滤网需要定期进行更换，一定程度上增加客户的使用成本。

2.2 活性炭吸附技术

活性炭吸附技术在室内空气净化领域应用广泛[18]，目前在车内空气净化领域的应用集中在空调活性炭滤网。通过在滤网内喷涂活性炭层，对进入车内的空气进行吸附、消除异味和清洁车内空气。

活性炭是将有机原料（果壳、煤和木材等）在隔绝空气的条件下加热，以减少非碳成分，然后与气体反应，表面被侵蚀，产生微孔发达的结构[19]。活性炭表面的微孔直径大多在2~50 nm，这些微孔结构能够吸附空气中的异味分子，实现消除异味的作用。活性炭对异味的吸附能力可用平衡吸附容量表述，数值越大越有利于吸附。有机物的平衡吸附容量[20]如表3所示。

表3 有机物的平衡吸附容量[20]

活性炭滤网因为其吸附效果好，价格相对较低，已经被各厂商广泛应用在多个车型上[21]。由表3可知，活性炭在达到平衡吸附容量以后，不再具有足够的吸附能力。汽车空调滤网由于其尺寸和压损等方面的要求，活性炭容量也并非越多越好。通常乘用车活性炭滤网对常见有机挥发物的吸附量根据气体种类的不同，在几十毫克到几克之间，长期使用的活性炭滤网，其中吸附的各类污染物或异味分子，有再次释放的可能，对车内造成二次污染。

2.3 静电除尘技术

图1所示为静电除尘装置原理。静电除尘装置是由正负极电极板及相应的电路组成，在正负极之间接入直流高压，在电极板之间产生高压直流电场，电场使空气中的气体分子电离，产生大量的电子和阴阳离子，并在电场的作用下产生漂移，在漂移的过程中和尘埃中的中性分子或颗粒发生碰撞，粉尘颗粒带上电荷成为荷电颗粒。在电场力的作用下，这些荷电颗粒向相应电极板移动，并最后附着在电极板上[22]。同时，可以在静电除尘装置的后方加装滤网，将未附着在电极板上的荷电颗粒进行过滤，从而达到更好的空气净化目的。

图1 静电除尘技术原理[22]

在车内空气净化领域，静电除尘装置通常集成在空调箱体内，并安装在空调滤网前方，对进入车内的空气进行静电除尘。比亚迪唐上搭载的“绿净技术”用到了静电除尘技术：首层过滤网对大颗粒物进行过滤，中层的静电除尘装置使空气电离产生电子和阴阳离子，底层的高效过滤器对带电颗粒物进行收集和过滤，达到高效净化的车内空气的目的。

通过对比测试发现，目前车载滤网对0.3 μm的NaCl颗粒的过滤效率普遍不高，在50%~70%。使用静电除尘技术后，对0.3 μm的NaCl颗粒过滤效率可以达到92%以上。同时，测试结果显示，在开启高档位风量及内循环工况下，车内PM2.5浓度从“严重污染”净化为“优”的时间，也从300 s显著缩短为160 s。

静电除尘技术的除尘效率高，但是其作用原理是将污染物进行收集，而并不能进行分解。当污染物积累到一定程度后，可能会产生飞扬而造成二次污染。并且在断电的瞬间，正负极极板上附着的颗粒物都会有短时间的再次散发。与HEPA滤网类似，同样需要客户定期更换滤网或清理电极板，增加客户使用成本。

2.4 负离子发生器净化技术

负离子发生器通过脉冲、震荡电路将车载低压转化为直流负高压，并通过金属或碳元素制成的尖端放电产生电晕，高速释放出大量的电子e-。如图2所示，电子会与空气中的氧分子O2结合，形成负氧离子。带电的负氧离子可以与空气中其他带有电荷的颗粒物产生吸附和聚集效应，从而使颗粒物的重量和体积增大而沉降[23]。同时，负离子也可以吸附在细菌表面，由于其很强的氧化还原能力，能够破坏细菌的细胞膜或细胞原生质活性酶的活性，从而达到抗菌杀菌的目的。测试发现，在模拟车内约3.5 m3的空间内，某型离子发生器工作1 h，对空气中的大肠杆菌能达到90%以上的杀灭率。

图2 负离子发生器净化原理[23]

负离子发生器通常安装在空调箱体或风管上，随空调气流将负离子送入乘客舱内。离子发生器在出风口附近产生的离子每立方厘米可达100 000个，相当于茂密森林中的负离子浓度水平，对改善睡眠，促进新陈代谢也有一定的功效[24]。

负离子发生器目前在各厂商的新车型上应用较多，不论是欧美系，还是日系或自主品牌，负离子净化技术都已有应用。负离子发生器虽然对车内空气净化有诸多功效，但负离子除尘的原理，其实只是将颗粒物聚集进行沉降，大部分也是沉降在车内座椅或者地毯表面，如果环境发生扰动，有再次飞扬造成污染的可能。同时，电极放电产生负离子的同时，也会产生部分臭氧，对人体产生二次危害。

2.5 纳米水离子净化技术

纳米水离子是带电粒子净化技术中的一种，由于水分子包裹在电子及OH-表面，离子状态比普通负离子更稳定、存活时间长，且能够提供更好的净化和清洁作用，能够起到调节空气湿度的作用。

图3所示为某型号纳米水离子净化技术原理[25]。纳米水离子发生器是由针状电极与对极板组成一对放电电极，针状电极由吸热冷却器降温从而在表面形成冷凝水膜，在高压放电的作用下，将这些水膜逐渐分裂成水雾，最终形成纳米尺寸带负电的水微粒，直径约在5~20 nm。

图3 纳米水离子净化原理[25]

目前，在丰田某车型上已经开始应用纳米水离子发生器。相比于普通负离子发生器，纳米水离子由于其存活时间长，兼顾调节湿度的效果，也逐渐被广泛应用在家用空气净化领域。但其离子浓度相对较低，约25 000 个/cm3。

2.6 低温等离子净化技术

低温等离子净化技术是空气净化领域近几年兴起的一种新技术，它能够有效去除甲醛、苯等VOCs，同时对细菌等微生物也有一定的杀灭作用[26]。图4所示为低温等离子发送原理。通过在两个不均匀的电极之间施加一个脉冲电压，产生高浓度的等离子体，等离子体中含有大量的高能电子、离子、激发态分子和自由基等活性粒子。

图4 低温等离子发生原理

净化作用机理可以分为两个方面；1）在产生等离子体的过程中，高频放电产生的瞬间高能足够打开一些有害气体分子内的化学键，使之分解成单质原子或无害分子；2）等离子体中包含的高能电子、离子及自由基等，与空气中的污染物（VOCs，细菌等）结合，在电场的作用下，使污染物分子处于激发态。当污染物分子所获能量大于其分子键能时，也会引起其化学键断裂，分解成单质原子或无害分子，同时产生CO2及H2O等[27]无害物质。

与负离子技术类似，在脉冲电压放电的过程中，也会产生部分臭氧，对车内空气造成二次污染。并且单独的低温等离子杀菌，其VOCs祛除效率并不高，易形成有害副产物，通常需要与光触媒技术结合运用，相互协同作用，更快的分解空气中的有害物质和灭菌除臭。

2.7 光触媒净化技术

近年来，光触媒（TiO2）由于其稳定性好，功效持久，不产生二次污染等特点，在室内空气净化领域已经早有应用，搭载TiO2-活性炭复合材料的空气净化器对于室内甲醛净化具有良好效果[28]。近年来，也有部分厂商开始将光触媒产品应用在车内空气净化领域。

图5所示为光触媒空气净化原理。光触媒一般以TiO2材料作为催化剂[29]，在特定波长段的光照下，产生光生电子e-和光生空穴H+，随后与空气中的氧气和水发生反应，产生氧化能力极强的羟基自由基OH-和O2-。OH-和O2-附着在空气中的各种有机挥发物、细菌和病毒等表面，将其分解成无机小分子，二氧化碳和水，以达到净化空气的目的。在整个反应过程中，TiO2材料并不参与反应，只是作为反应的催化剂，所以其具有功效持久的特点。

图5 光触媒空气净化原理

目前在汽车后市场（各品牌4S店，维修店）已经开始应用该技术进行车内清洁，将适量的光触媒溶液喷洒到车内，并将汽车在阳光或人工光源下保持30 min以上，可以显著改善车内异味和降低有机挥发物浓度。但光触媒技术在汽车上进行前装设计应用时，必须匹配以特定的紫外线光源，才能保证反应顺利进行，并且需要匹配以特定的风机保证车内空气的循环流动，才能达到较好的效果同时，光触媒对空气中的粉尘的去除效果并不理想。以上限制条件，可能就是导致光触媒产品还未在汽车上大规模推广的原因之一，但不能否认的是，光触媒本身是一种较好的净化/除菌材料。

2.8 氧化锌涂层技术

氧化锌和银离子是两种应用较多的抗菌涂层材料，在车内空气净化领域都有不同程度的应用。但银离子不适合长期储存，并且高剂量对人体具有毒性，氧化锌材料具有更为广泛的应用前景[30]。

氧化锌涂层应用在空调蒸发器表面，可以在蒸发器的亲水剂中添加适量的氧化锌粉体或分散液，从而达到抗菌防霉的目的。此外，在空调风管或无纺布滤网上，也可以通过添加氧化锌的母粒，实现抗菌功能。对汽车地毯材料添加氧化锌母粒，并和未添加氧化锌的普通地毯进行抗菌防霉对比测试，其防霉等级可以达到0级（不生长），普通地毯为2级（肉眼可见的生长），24 h内对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率可以达到99.9%。

氧化锌的杀菌机理可以分为两个层面：一方面，氧化锌在含水介质中能够释放出锌离子，锌离子能够穿透细胞膜渗入细胞内部，与细菌菌体细胞内的蛋白质，核酸发生反应，使其失去活性。当细菌被杀死后，锌离子又会从菌体中游离出来，再去与其它细菌进行类似反应。另一方面，氧化锌还具有较强的光催化能力，与2.7中的光触媒TiO2类似，在光照条件下，氧化锌也能够产生氧化能力极强的羟基自由基OH-和O2-，达到杀死细菌及分解各类污染物的功能[31]。

2.9 深紫外线杀菌技术

深紫外线的波长为200~280 nm，深紫外杀菌技术广泛应用在杀菌消毒和食品保鲜等领域[32]。图6所示为深紫外线杀菌原理。深紫外线能够破坏细菌/霉菌等微生物DNA和RNA的分子结构，造成生长性细菌的细胞死亡，达到杀菌的效果。

图6 深紫外线杀菌原理

不论是汽车空调还是家用空调，蒸发器由于其工作环境阴暗潮湿的特点，容易滋生细菌等各种微生物，当开启空调时可能就会造成空气污染及病毒传播[33]。图7所示为深紫外线杀菌技术模块在某家用空调中的布置。主要通过安装结构固定在空调蒸发器前，对蒸发器表面进行照射杀菌。深紫外线杀菌技术在室内空气净化产品及净水器、消毒柜等产品上也有应用[34]。深紫外线对所有种类的细菌均有杀灭作用，并且杀菌速度和效率远高于其他空气净化技术。以某家用空调为例，其深紫外装置在5 min内对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等细菌的杀灭率可达到99%以上。近年来，部分汽车厂商已经在对车用深紫外杀菌产品进行研究，相信不久的将来，该技术也会应用在车内空气净化领域。

图7 深紫外杀菌模块在空调内部的布置

深紫外杀菌技术虽然杀菌效率高，但是也有其局限性，其对颗粒物及VOCs无净化作用，只对细菌/霉菌及病毒等微生物有杀灭作用。所以在整车上应用时，还需搭配高效滤网或其他净化产品，以实现更好的净化效果。

2.10 车内主动换气技术

目前空气质量传感器（Air Quality Sensor，AQS）以及CO2传感器也逐渐应用在车内空气质量领域。这些传感器与车辆空调控制器配合使用，可以达到改善车内空气质量的目的[35]。

在车辆行驶过程中或静止状态时，驾驶舱内CO2浓度会在短时间内快速上升，如果不及时通风换气，极易出现疲劳驾驶，影响驾驶安全。根据威斯康辛州卫生署网站提供的信息，当室内CO2浓度超过2.27×10-5mol/L，人就会有嗜睡的感觉，当CO2浓度超过4.54×10-5mol/L，人的注意力就会不集中了，心率增加。车内配置CO2传感器，该传感器可以实时监测车内CO2浓度数据，并将该数据发送给空调控制器，当空调控制器监测到车内CO2浓度值达到阈值后，空调控制器立即让空调内外循环电机作动，空调开启外循环模式，让车外新鲜空气进入车内，改善车内环境。CO2传感器按其原理主要可以分为电化学，固体电解质以及红外二氧化碳传感器3种类型[36]，其中红外二氧化碳传感器在车用空调及建筑空调领域应用较多。其检测原理是将一个广谱光源作为传感器的光源，光线穿过光路中的被测气体，透过窄带滤波片，到达红外探测器。基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度之间的关系，鉴别气体组分并确定其浓度。

AQS检测原理与其类似，主要是检测汽车尾气中较多的CO和NOx等有害气体[37]，通常安装在汽车前舱或者空调外循环的进气口。如图8所示，AQS检测到车外CO或者NOx的含量超标，会将浓度数据反馈至空调控制器，控制器将空调切换至内循环模式，防止外界污染空气进入舱内。若外界空气污染程度下降，AQS也将CO及NOx浓度发送至空调控制器，用以判断是否需要打开外循环，让外界清新空气进入车内。

图8 AQS传感器工作

目前而言，基于AQS传感器的主动换气技术目前应用更为广泛。上汽通用、大众、自主品牌中的上汽乘用车，吉利已在相关车型进行应用。主动换气技术属于从污染物来源上改善车内空气质量，不会产生二次污染，也不需要定期维护更换。但其对已存在于车内的污染物并无太好效果，需要与其他净化技术配合使用。

2.11 温湿度自动调节技术

随着对车内空气质量要求的进一步提高，部分针对车内气候调节的产品也逐渐出现在部分高端车型上。如图9所示，温湿度传感器及加湿器，可以实时监测车内的温度和湿度，并把监控数据传输至空调控制器，控制器可以通过调节空调压缩机或加湿器的开启，来调节车内环境的温度及湿度，给驾乘人员提供最舒适的车内环境。

图9 温/湿度传感器调节车内微气候原理

人体的舒适湿度一般在50%~60%。在春夏季，空气中湿度比较大，容易造成车内人员的“闷热”的感觉，并且湿度大的环境，也容易造成车内座椅，仪表表面的细菌快速繁殖，造成污染[38]。此时可通过调节压缩机开启，对车内空气进行除湿，既能给乘客提供舒适的湿度，也能够抑制细菌的生长。在秋冬季节，空气通常比较干燥，长期处于干燥的环境中，容易引起呼吸系统的不适和疾病[39]。此时可通过开启加湿器，防止车内空气过于干燥引起乘客的不适。湿度传感器会实时监控车内空气湿度，当达到一定的湿度范围后，空调控制器也会停止加湿器的工作，将车内湿度维持在人体较为舒适的水平。

综上所述，每一种车内空气净化产品或技术，根据其工作原理的不同，在净化对象、净化能力方面都存在差异。目前，高性能过滤网，活性炭吸附以及抑菌涂层技术，由于其成本较低，应用相对便利，已经在各车型上得到了广泛采用，但净化对象还是主要集中于颗粒物和异味。离子发生器，静电除尘，光触媒等技术，作为更加高效的净化技术，近年来也在部分较为高档车型上开始出现，将净化对象延伸到了车内VOCs，各种微生物等。随着车内空气质量关注度的日益提升，深紫外杀菌，主动换气，温湿度调节等技术的快速开发及落地，又将车内空气净化技术提升到更高效、更全面的层次。

3 车内空气质量解决方案展望

近年来，法国公司Valeo正在与某地图供应商联合进行开发[40]，通过大量采集城市街道的污染物数据，如PM2.5、CO、NOx和SO2等的浓度，可以在地图上实时显示不同地区的污染变化情况。开发的“Clean Road”应用程序，综合考虑行驶里程，驾驶时间和沿途空气质量，通过车联网技术实时运算，计算出最佳的行驶路线。同时，在车内配置高效滤网、离子发生器和光触媒等净化技术对车内空气进行持续净化。再辅以生物传感器和红外摄像头，根据每位乘客的心跳、呼吸频率以及体型，分析乘客的热量特征[41]、联动空调系统、香氛系统和加湿系统等，对每位乘客的微环境进行个性化调节。

未来对车内空气质量的改善，除了基础的空气净化，还将逐渐延伸到车内微气候的调节，多种技术手段协同作用，全面彻底地改善车内空气质量。