汽车空调系统出风空气质量提升

2022-10-19张吉光李不凡王健张俊华

汽车工艺与材料 2022年10期

张吉光李不凡王健张俊华

（奇瑞汽车股份有限公司，芜湖 241009）

1 前言

随着大众消费水平和环保意识的提升，车内空气质量的关注度越来越高。在全世界范围内，世界卫生组织已将车内空气污染与高血压、艾滋病等列为危害人类健康的十大威胁之一，加之受新冠疫情影响，人们对空气质量与健康需求的关注度达到了前所未有的高度。车内空气质量是否达标，已成为消费者衡量汽车品质的一个重要因素，整车生产企业在车辆的设计生产环节，对车内空气质量的控制要求也越来越高[1]。

整车气味和可挥发有机物（Volatile Organic Compounds，VOC）是关系乘客健康安全2 个非常重要的指标。车内气味是汽车在一定温度和湿度条件下，由车内材料释放出的挥发性物质，分散在车内空气中，通过人的嗅觉器官所感知到的感官特性，是车内第一感观质量，车内气味不佳极易引发客户投诉。VOC可挥发有机物是指一系列苯类、醛类化学物质的总和，是导致当前癌症类重大疾病的重要根源。车内VOC 如果达到一定浓度，短时间内会使人感到头痛、恶心、呕吐、乏力，严重时会出现抽搐、昏迷，并会伤害到肝肾大脑和神经系统[2]。

2 汽车空调系统功能介绍

图1 所示汽车空调系统是指能对车内空气进行调节的系统，其功能有以下4 个方面。

图1 汽车空调系统结构示意

a.控制车厢内的温度，既能加热空气，也能冷却空气，以便把车厢内温度控制到人体舒适的水平；

b.排出空气中的湿气，干燥空气吸收人体汗液，以营造更舒适的环境；

c.可吸入新风，具有通风功能；

d.可过滤空气，排除空气中的灰尘、花粉等杂质。

车内空气质量很大程度上影响着乘坐的舒适性，汽车空调作为提升乘员舒适性的关键系统，其重要性也越来越突出，汽车空调已不再单纯用于制冷制暖，而是涉及到节能环保、车内空气质量等多维度需求。为了应对消费者的需求，提升品牌竞争力，结合空调系统的功能，各主机厂打造了属于自己车内空气质量管理系统。

3 提升空调系统空气质量的方案

3.1 空调系统材料提升

汽车零部件使用的塑料、橡胶、织物、油漆涂料、保温材料、粘合剂等材料中含有的有机溶剂、助剂、添加剂等挥发性成分释放到车内，会造成车内空气污染。空调箱总成位于车内仪表板总成下方位置，空调箱总成材料散发的挥发性组分在空调箱相对狭小封闭的空间中聚集，当空调启动后鼓风机将这些挥发性物质吹入车舱内，这不仅会引起驾乘人员嗅觉上的不愉快，更为严重的是，这些VOC 组分对人体健康会产生严重的影响。因此需要对空调箱总成各个分零件所使用原材料进行筛选和控制，选用环保的材料是降低车内污染的重要手段。各主机厂车内空气质量控制系统介绍见表1。

表1 各主机厂车内空气质量控制系统介绍

如表2 所示，为了改善空调箱总成气味性，需要对重要材料进行提升，空调箱壳体聚丙烯加20%滑石粉（PP-T20）材料需要选用低散发规格，如普利特A5132T VOC，通过配方设计优化选用低散发的原料和助剂，添加吸附剂及除味剂，加工过程中采用双真空循环烘料系统可以全面改善PP-T20材料的气味性和散发性[3]。拨盘拨杆选用低散发聚甲醛（POM）规格，通过使用高纯度的聚合单体，减少不稳定聚合终端的数量，添加甲醛捕捉剂，可使甲醛挥发量减少至普通规格的10%以下。空调箱壳体PP-T20 材料用量大对气味和VOC 贡献度高，POM 对甲醛含量影响较大，切换为低散发材料后，可以大大降低空调箱总成VOC 散发量，如图2所示，采用袋式法VOC 测试方法，将改进前后的空调箱总成分别放入1 000 L Tedlar 采样袋中，充入适量氮气，加热65 ℃/2 h，待VOC 气体充分散发后，用Tenax 管吸附苯烃类物质，用ATD-GC-MS 检测，用DNPH 管吸附醛酮类物质，洗脱后用HPLC检测。改进后的空调箱总成苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛8 种有害物质的浓度均有很大程度的降低。

表2 空调箱总成主要分零件及材料提升方案

图2 空调箱总成改进前后散发性对比

传统的空调风门一般采用聚丙烯加40%滑石粉（PP-T40）注塑件加背胶粘接聚氨酯（PU）海绵，改为PP-T40+苯乙烯热塑性弹性体（SEBS）二次注塑结构后，避免了胶黏剂的使用，同时热塑性的SEBS 材料与PU 海绵相比在气味性、密封性、工艺稳定性方面都有很大提升。同理传统三元乙丙橡胶（EPDM）橡胶排水管也可以采用更环保的热塑性SEBS 或者热塑性硫化橡胶（TPV）材料进行替换。进风处密封海绵、膨胀阀与前挡板密封海绵由于密水性的要求，一般采用半开半闭孔结构聚氯乙烯/丁腈橡胶（PVC/NBR）或者EPDM 海绵，圣戈班的生物基PU 海绵采用生物基来源的多元醇进行聚合，含有疏水性的烷基接枝聚合物，可以在满足密水性要求的同时达到低气味低VOC 散发的要求。如表3 所示采用大众VDA270 气味测试方法，取(10±1)cm3体积大小海绵放置于容量为1L带有密封盖的玻璃器皿中，在电热鼓风干燥箱进行80 ℃/2 h加热处理，取出回冷到（60±5）℃后进行气味等级评价，PU 生物基海绵气味等级可达到3.0 级，同时有机物总碳挥发量、冷凝组分远远低于PVC/NBR 及EPDM海绵，是比较理想的环保替代材料。

表3 PU生物基海绵与PVC/NBR、EPDM海绵性能对比

3.2 空调系统结构设计和控制策略优化

除了评价空调系统使用的非金属材料气味等级外，在整车实际使用过程中，还需要通过主观感受评价空调出风质量、其评价维度主要有气味强度、气味倾向和气味感觉（表4），评价的工况条件要涵盖空调使用的各种场景，要求出风口气味强度≤3.0级，无化学品或内装材料等异味，气味感觉清新舒适。

表4 空调出风空气质量主观评价推测

常见的空调出风异味有废气味、霉味、酸臭味、化学溶剂味、塑料橡胶味等，这些问题一直困扰着汽车用户和设计人员，由于汽车空调结构复杂，异味形成的原因多种多样，通常情况下往往比较难以彻底解决，因此需要在材料选用上进行严格把关外，在空调系统的结构设计和控制策略都需要不断进行改进和优化。

a.废气味。空调系统进风口位于前风挡下装饰板处，为了防止发动机工作时产生的前舱废气通过装饰板与车身空隙处的贯穿孔，吸入外循环进风口后进入乘客舱。这要求在前期设计过程中充分考虑好车身工艺孔、风挡下饰板和流水槽搭接处、发盖和风挡下饰板搭接处的密封阻隔效果。另外下装饰板进风口格栅的位置、形状及流水槽的设计也要提前考虑，格栅进风口的位置优先考虑在车辆左侧位置开孔，避免正对空调系统进风口。为了防止树叶、树枝、昆虫等异物进入，开孔尺寸建议长度≤50 mm，宽度≤4 mm，或者设计为蜂窝状结构。流水槽要设计足够的倾斜角度，流水孔的位置要位于最低处。当驾驶人员清洗前风挡玻璃时，玻璃水从雨刮臂根部进入流水槽，如流水槽设计不合理，玻璃水无法及时排走，其中添加的酒精挥发后与空气混合，从外循环风口进入车内，可以被驾乘人员清晰地感知到。

b.霉味、酸臭味。空调出风霉味在IQS 抱怨中比例较高，其产生的原理是空调系统运转时，空气中的水汽在空调的冷凝蒸发器表面形成冷凝水，其中一部分水在空调关闭后会留在蒸发器和空调管路中，这些水汽和空气中的微生物及污染物相结合，在潮湿、温暖和黑暗的空调系统中成为霉菌和螨虫滋生的温床，所以减少空调系统内部潮湿环境是预防霉味产生的有效途径[4]。通过对冷凝蒸发器翅片表面涂覆亲水涂层，形成亲水涂膜，可以减少翅片挂水现象，使冷凝水迅速在翅片上铺展并流走，避免冷凝水在蒸发器处集聚。对于空调管路来讲，在HPDE 吹塑风管外包裹保温棉或者采用发泡的XPE 管，降低材料导热系数减少热损失，可以减少瞬间冷热冲击产生的冷凝水。大多数人习惯于停车后直接熄火，这样会使冷凝水与进入风管的灰尘混合，久而久之发生霉变，通过空调控制策略设置鼓风机延迟关闭，在停车后增加后吹风功能，以便吹干残留在冷凝器和管路中的水滴。当然培养用户形成良好的用车习惯，定期更换空调滤芯，对空调系统内冷凝器和管路进行清洗也是消除空调霉味的重要手段。

c.化学溶剂味。为了满足油耗要求更多的车辆开始配置发动机启停功能，同时为了满足快速制冷的要求，压缩机功率过大，会使蒸发器表面温度短暂过冲到0 ℃以下，冷凝水结冰后，溶解在冷凝水中的亲水性异味分子集中释放后会产生类似化学溶剂的刺激性气味，为了消除这个气味需要采用变排量压缩机配合新的软件标定策略，精确控制压缩机排量和鼓风机风量等参数，使蒸发器表面温度极限靠近0 ℃而又不低于冰点，这样既可以消除异味又不过分损失制冷能力[5]。

d.塑料橡胶味。塑料橡胶等非金属材料由于其材料本身的特性，虽然可以通过选用低散发环保材料来尽量降低材料气味，但往往很难做到无色无味。尤其在夏天室外暴晒后，受车内高温影响，空调系统中橡胶塑料材料中异味分子在高温条件下更容易散发在空调箱及风管中，这部分空气在空调开启的瞬间被鼓风机送出来，可以被驾乘人员感知到而引起抱怨。在车辆启动前，可以通过钥匙解锁或者手机APP远程控制，提前开启空调风扇以最大风速将车外新鲜空气送入车内，通过空气循环吹走空调箱及车内浑浊空气，让车厢内充盈新鲜空气，如果驾驶侧车门打开，空气循环即停止。当车辆长时间驻车，空调系统可以通过时间控制实现自动启动，定期将车内气体通过尾部排风口排出。通过以上控制策略可以大大减少塑料橡胶味的抱怨。

3.3 空调系统功能升级

汽车空调的使用性能关联着驾驶舒适性，随着科学技术的进步，人们对汽车空调功能提出越来越多的要求，除了单纯的制冷制热外，还涉及到节能环保、车内空气质量和满足用户个性化的需要，汽车空调技术向着更智能，多电子控制与显示更精密的方向发展[6]。

a.AQS 空气质量管理系统。汽车在公路上行驶时，车外空气中污染物主要包括各种悬浮粉尘，汽车尾气（CO、CO2、SO2等有害气体），各种烟雾、花粉、细菌等。车内空气的污染则主要由人体活动产生，如人体呼出的CO2，身体散发出的汗味，吸烟产生的烟雾等等。随着智能化空调的普及，越来越多的车型开始配置AQS 空气质量管理系统，该系统可以通过电子传感器对车内外的空气质量，例如 PM2.5、PM10、SO2、NO2和 CO 等有害物质浓度进行分析，并通过中控大屏实时显示相关信息。当检测到外界空气污染严重时，车辆自动将通风系统切换到内循环模式，有效阻止污染物进入车内，同时通过多重过滤器（包括颗粒物花粉过滤器、活性炭过滤器）对车内空气进行净化，更好的控制车内空气质量。

b.空调滤芯技术。空调滤芯能过滤空气中灰尘、花粉等固体杂质，吸附空气中有害物质和水分，保证车内空气的清洁，其重要性不言而喻。随着技术的发展，空调滤芯功能不断升级，从传统的单效滤芯到多效滤芯，甚至向电子滤芯发展。单效滤芯多为普通滤纸或无纺布制成，可以阻挡花粉等颗粒，但不具备吸附病菌、灰尘、PM2.5等有害物质的能力，双效滤芯在单效滤芯的基础上增加活性炭物质，有一定吸收异味和甲醛的功能。多效滤芯在双效滤芯的基础上增加了静电吸附材质，有了对超微粒物质的吸附能力，可有效过滤PM2.5。电子滤芯在传统滤芯基础上增加了电子元器件，能产生等离子场或者静电场，清除车内甲醛、异味，灭杀车内细菌和病毒、进一步提高空气净化效果。

c.负离子净化器。通常由负离子发生器、微风扇、空气过滤器等系统组成。如图3所示，污染的空气通过空调系统的各种装置进行过滤杀菌除臭等净化处理后，再经过装在出风口的负离子发生器（工作时负离子发生器中的高压产生直流负高压），将空气不断电离，产生大量负离子，被微风扇送出，形成负离子气流，达到清洁、净化空气的目的。

图3 空气净化系统工作流程

d.车内主动香氛。汽车空调可以把车内温湿度保持在人体体感舒适的区间，嗅觉的调节也属于空调的范畴。车载香氛系统一般放置于手套箱内，与空调系统连接，香水通过空调管路均匀的释放到车内，同时还可以根据挡位调节香味的浓烈。香氛系统中香型的选择非常重要，通常原车会推出一些适合本车的香型，车主也可以根据自己的喜好自行替换或添加香水，满足用户个性化的需要。香氛系统气味调节功能可以令人神清气爽，营造更为舒适的车内氛围，提升整车质感及豪华感。