车内空气质量失控原因仿真分析

刘 伟，夏 琳，王 雷，庄梦梦

（中汽数据有限公司，天津 300300）

挥发性有机物（VOCs）浓度和气味强度是车内空气质量的主要指标，在每款车型的开发阶段都会被重点关注，从内饰原料选型、零部件生产工艺优化等方面进行控制，以使样车的VOCs 和气味满足有关标准或行业相关健康指标的要求[1-2]。理论上，只要确定了原料和工艺，就应能使量产阶段的成品车和开发阶段的样车保持相近的车内空气质量水平。然而，众多主机厂在汽车量产阶段发现，同一款车的车内空气质量并不如预期稳定[3-4]。

关于汽车量产阶段车内空气质量失控的原因，尚未见成体系的定量分析研究报道。一般认为这与内饰材料或零部件的VOCs 散发难易程度，供应商偷工减料，运输仓储阶段环境温度、通风速率、通风污染、仓储时间，以及内饰修补胶的不定量使用等因素有关[5]。由于车内空气质量失控的主要原因尚未定量明晰，故无法设计针对性的空气质量控制工艺，这给主机厂的量产阶段车内空气质量管控工作带来了较大困难。

本文将在内饰VOCs 稀物质传递散发仿真研究的基础上[6]，构建包含稀物质传递、跨温度段VOCs 分配和VOCs 对流流动的三物理场耦合仿真分析方法。定量分析仓储温度、通风速率、通风污染、仓储时间及散发难易程度对示例内饰材料中VOCs 浓度的影响，从而确定导致车内空气质量失控的主要原因，为主机厂针对这些主要原因设计较优的空气质量控制工艺提供参考。

1 仿真分析方法

1.1 绘制几何模型

将一截长10 cm、高1 cm 的内饰材料偏左靠下绘制在长0.5 m、高0.15 m 的散发空间中，有限元网格划分形成15 403 个网格顶点，得到待仿真分析的内饰VOCs 散发二维几何模型。

1.2 构建控制方程

基于质量守恒定律、菲克第二扩散定律、吸附势能理论、亨利定律和流体动力学理论，在仿真软件中构建包含稀物质传递、跨温度段VOCs 分配和VOCs对流流动的三物理场耦合仿真模型，并套用于几何模型上。其中，VOCs 对流流动仅发生在内饰以外的散发空间中，应用不可压缩流体的层流稳态方程[7]。跨温度段VOCs 分配仅发生在内饰内部，且与稀物质传递有复杂耦合，应用专利CN2022106222344 中所述技术[8]。

1.3 设置边界条件及仿真参数初始值

对几何模型设置边界条件，使充分发展的通风从散发空间的左侧边界法向流入、并在静压为0 的情况下从右侧边界法向流出，定义散发空间的上、下边界为无滑移的不渗透壁。

表1 为仿真模型赋参数初始值。将初始可散发浓度和内饰中的扩散系数赋值给内饰材料的各网格顶点；将空气中的扩散系数赋值给散发空间的各网格顶点；将分配系数赋值给内饰材料与散发空间交界处的各网格顶点；将通风速率和通风污染赋值给散发空间左侧边界上的各网格顶点；将仓储温度赋值给几何模型中的所有网格顶点；设置仿真计算的时间为仓储时间。

表1 仿真分析主要参数

其中，气象站监测记录的仓储温度为广州某地夏季和冬季连续9 d 中每隔3 h 的环境温度。在仿真计算时采用线性插值方法补全未监测到的温度值。

1.4 定义仿真分析关注量

重点分析仿真过程中计算出的4 组关注量，分别是：①每1 ℃温度段中材料内各网格顶点平均的逐时VOCs 可散发浓度，简记为各温度段可散发浓度，mg/m3；②将每个仿真计算时步中不大于该时步处温度的各温度段可散发浓度相加，得到逐时温度下可散发浓度，mg/m3；③将每个仿真计算时步中不大于25 ℃的各温度段可散发浓度相加，得到25 ℃下可散发浓度，mg/m3；④散发空间右侧边界处各网格顶点VOCs 浓度的平均值，简记为通风出口浓度，μg/m3。

2 仿真结果分析

2.1 仓储温度对内饰VOCs 的影响

使用表1 中易散发材料的数据，在1 L/min 通风速率、0 mg/m3通风污染、仓储温度为广州夏季和冬季连续9 d 气象站监测数据的条件下进行仿真计算，可得广州夏季和冬季内饰材料仓储9 d 过程中的逐时温度下可散发浓度曲线和25 ℃下可散发浓度曲线如图1 所示。

图1 仓储温度对可散发浓度的影响

由图1 中的逐时温度下可散发浓度仿真结果和温度变化监测数据对比分析可知，内饰材料的逐时温度下可散发浓度的时域变化规律与仓储温度的升降规律同步，即在白天温度较高时可散发浓度较大、在夜间温度较低时可散发浓度较小。且广州夏季温度整体高于冬季温度，因此夏季的逐时温度下可散发浓度仿真结果也相应地大于冬季。

观察图1 中夏季和冬季的25 ℃下可散发浓度仿真结果可知，夏季的仿真值从仓储开始的100 mg/m3经9 d 仓储逐步降低到了51 mg/m3，而冬季的仿真值从仓储开始的100 mg/m3经9 d 仓储仅逐步降低到了87 mg/m3。即在相同的仓储通风速率、通风污染和仓储时间条件下，同一款内饰材料中的VOCs 冬季的25 ℃下可散发浓度比夏季的大71%。这些因仓储温度降低而滞留在内饰中的VOCs 将参与总装上车，是导致冬季车内空气质量失控的重要原因。

2.2 通风速率对内饰VOCs 的影响

使用表1 中易散发材料的数据，通风速率设定为0.01、1 或100 L/min，在0 mg/m3通风污染、仓储温度为广州夏季连续9 d 气象站监测数据的条件下进行仿真计算，可得3 种通风速率下内饰材料于广州夏季仓储9 d 过程中的通风出口浓度曲线和25 ℃下可散发浓度曲线如图2 所示。

由图2 中的通风出口浓度曲线可知，通风速率由0.01 L/min（最大线速度为0.011 9 mm/s，近似静止）增大到1 L/min（最大线速度为1.19 mm/s）或100 L/min（最大线速度为114 mm/s），可显著降低散发空间右侧边界处的VOCs 浓度。这是因为较大速率的通风可以将内饰材料散发出的VOCs 较快地稀释、带离散发空间。

由图2 中的25 ℃下可散发浓度曲线可知，在本文的仿真参数范围内通风速率由0.01 L/min 增大到1 L/min或100 L/min，仅可使内饰材料仓储9 d 后的25 ℃下可散发浓度降低0.6%或0.8%。这是因为内饰材料VOCs散发的限速步骤主要是材料内部的扩散进程，如25 ℃下VOCs 在内饰中的扩散系数一般比在空气中的扩散系数小5 至9 个数量级，而增大空气中的通风速率只能改变材料固气界面处的VOCs 浓度平衡，却无法显著加速材料内部的VOCs 扩散进程。因此，在没有通风污染的前提下通风速率的波动不是导致车内空气质量失控的主要原因。

2.3 通风污染对内饰VOCs 的影响

使用表1 中易散发材料的数据，通风污染设定为0、0.1、0.5 或1 mg/m3，在1 L/min 通风速率、仓储温度为广州夏季连续9 d 气象站监测数据的条件下进行仿真计算，可得4 种通风污染下内饰材料于广州夏季仓储9 d 过程中的25 ℃下可散发浓度曲线如图3 所示。

图3 通风速率对通风出口浓度和可散发浓度的影响

图4 通风污染对25 ℃下可散发浓度的影响

由图3 可知，通风污染显著影响内饰材料的25 ℃下可散发浓度。0.1、0.5 或1 mg/m3的持续污染可使仓储9 d 后的内饰25 ℃下可散发浓度相比于无污染通风情况分别升高8%、42%或82%。且较严重的0.5 或1 mg/m3通风污染不仅抑制了材料内部VOCs的散发减小，还多次使浓度曲线不降反增，即内饰材料反向吸收了通风污染中的VOCs。这些因仓储通风污染而滞留甚至反向吸收在内饰中的VOCs 将参与总装上车，也是导致车内空气质量失控的重要原因。

2.4 内饰VOCs 散发难易程度的影响

使用表1 中难散发材料的数据，在仓储温度为广州夏季和冬季连续9 d 气象站监测数据的条件下进行仿真计算，可得广州夏季和冬季难散发内饰材料仓储9 d 过程中的25 ℃下可散发浓度曲线如图4 所示。

图4 仓储温度对难散发内饰材料可散发浓度的影响

难散发材料是从VOCs 关键散发参数层面定义的以致密塑料为代表的具有较小内饰中扩散系数和较大固气界面分配系数的材料。由图4 可知，在表1 的难散发材料参数条件下经夏季或冬季9 天仓储，材料的25 ℃下可散发浓度从100mg/m3分别缓慢降低到了94.7mg/m3或96.4 mg/m3，降幅约为5%。与图1 中易散发材料的冬夏季仿真结果相比，难散发材料的25 ℃下可散发浓度受温度变化的影响很小，即VOCs 性能比较稳定。因此，较难散发VOCs 的内饰材料不会导致车内空气质量失控。

3 结论

冬夏温差要重视，内饰材料仓储过程中的环境温度波动可造成高达71%的25 ℃下可散发浓度增幅，是最有可能造成车内空气质量失控的原因。内饰材料仓储过程中的通风污染对车内空气质量的失控可产生高达82%浓度增大的显著贡献，应将污染控制在如0.1 mg/m3的较低水平。在没有通风污染的前提下，通风速率的波动不会导致车内空气质量失控。较难散发VOCs 的内饰材料不会导致车内空气质量失控，应将易散发内饰材料作为重点管控对象。