車內(nèi)空氣質(zhì)量失控原因仿真分析

劉 偉，夏 琳，王 雷，莊夢(mèng)夢(mèng)

（中汽數(shù)據(jù)有限公司，天津 300300）

揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）濃度和氣味強(qiáng)度是車內(nèi)空氣質(zhì)量的主要指標(biāo)，在每款車型的開(kāi)發(fā)階段都會(huì)被重點(diǎn)關(guān)注，從內(nèi)飾原料選型、零部件生產(chǎn)工藝優(yōu)化等方面進(jìn)行控制，以使樣車的VOCs 和氣味滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)相關(guān)健康指標(biāo)的要求[1-2]。理論上，只要確定了原料和工藝，就應(yīng)能使量產(chǎn)階段的成品車和開(kāi)發(fā)階段的樣車保持相近的車內(nèi)空氣質(zhì)量水平。然而，眾多主機(jī)廠在汽車量產(chǎn)階段發(fā)現(xiàn)，同一款車的車內(nèi)空氣質(zhì)量并不如預(yù)期穩(wěn)定[3-4]。

關(guān)于汽車量產(chǎn)階段車內(nèi)空氣質(zhì)量失控的原因，尚未見(jiàn)成體系的定量分析研究報(bào)道。一般認(rèn)為這與內(nèi)飾材料或零部件的VOCs 散發(fā)難易程度，供應(yīng)商偷工減料，運(yùn)輸倉(cāng)儲(chǔ)階段環(huán)境溫度、通風(fēng)速率、通風(fēng)污染、倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間，以及內(nèi)飾修補(bǔ)膠的不定量使用等因素有關(guān)[5]。由于車內(nèi)空氣質(zhì)量失控的主要原因尚未定量明晰，故無(wú)法設(shè)計(jì)針對(duì)性的空氣質(zhì)量控制工藝，這給主機(jī)廠的量產(chǎn)階段車內(nèi)空氣質(zhì)量管控工作帶來(lái)了較大困難。

本文將在內(nèi)飾VOCs 稀物質(zhì)傳遞散發(fā)仿真研究的基礎(chǔ)上[6]，構(gòu)建包含稀物質(zhì)傳遞、跨溫度段VOCs 分配和VOCs 對(duì)流流動(dòng)的三物理場(chǎng)耦合仿真分析方法。定量分析倉(cāng)儲(chǔ)溫度、通風(fēng)速率、通風(fēng)污染、倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間及散發(fā)難易程度對(duì)示例內(nèi)飾材料中VOCs 濃度的影響，從而確定導(dǎo)致車內(nèi)空氣質(zhì)量失控的主要原因，為主機(jī)廠針對(duì)這些主要原因設(shè)計(jì)較優(yōu)的空氣質(zhì)量控制工藝提供參考。

1 仿真分析方法

1.1 繪制幾何模型

將一截長(zhǎng)10 cm、高1 cm 的內(nèi)飾材料偏左靠下繪制在長(zhǎng)0.5 m、高0.15 m 的散發(fā)空間中，有限元網(wǎng)格劃分形成15 403 個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn)，得到待仿真分析的內(nèi)飾VOCs 散發(fā)二維幾何模型。

1.2 構(gòu)建控制方程

基于質(zhì)量守恒定律、菲克第二擴(kuò)散定律、吸附勢(shì)能理論、亨利定律和流體動(dòng)力學(xué)理論，在仿真軟件中構(gòu)建包含稀物質(zhì)傳遞、跨溫度段VOCs 分配和VOCs對(duì)流流動(dòng)的三物理場(chǎng)耦合仿真模型，并套用于幾何模型上。其中，VOCs 對(duì)流流動(dòng)僅發(fā)生在內(nèi)飾以外的散發(fā)空間中，應(yīng)用不可壓縮流體的層流穩(wěn)態(tài)方程[7]。跨溫度段VOCs 分配僅發(fā)生在內(nèi)飾內(nèi)部，且與稀物質(zhì)傳遞有復(fù)雜耦合，應(yīng)用專利CN2022106222344 中所述技術(shù)[8]。

1.3 設(shè)置邊界條件及仿真參數(shù)初始值

對(duì)幾何模型設(shè)置邊界條件，使充分發(fā)展的通風(fēng)從散發(fā)空間的左側(cè)邊界法向流入、并在靜壓為0 的情況下從右側(cè)邊界法向流出，定義散發(fā)空間的上、下邊界為無(wú)滑移的不滲透壁。

表1 為仿真模型賦參數(shù)初始值。將初始可散發(fā)濃度和內(nèi)飾中的擴(kuò)散系數(shù)賦值給內(nèi)飾材料的各網(wǎng)格頂點(diǎn)；將空氣中的擴(kuò)散系數(shù)賦值給散發(fā)空間的各網(wǎng)格頂點(diǎn)；將分配系數(shù)賦值給內(nèi)飾材料與散發(fā)空間交界處的各網(wǎng)格頂點(diǎn)；將通風(fēng)速率和通風(fēng)污染賦值給散發(fā)空間左側(cè)邊界上的各網(wǎng)格頂點(diǎn)；將倉(cāng)儲(chǔ)溫度賦值給幾何模型中的所有網(wǎng)格頂點(diǎn)；設(shè)置仿真計(jì)算的時(shí)間為倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間。

表1 仿真分析主要參數(shù)

其中，氣象站監(jiān)測(cè)記錄的倉(cāng)儲(chǔ)溫度為廣州某地夏季和冬季連續(xù)9 d 中每隔3 h 的環(huán)境溫度。在仿真計(jì)算時(shí)采用線性插值方法補(bǔ)全未監(jiān)測(cè)到的溫度值。

1.4 定義仿真分析關(guān)注量

重點(diǎn)分析仿真過(guò)程中計(jì)算出的4 組關(guān)注量，分別是：①每1 ℃溫度段中材料內(nèi)各網(wǎng)格頂點(diǎn)平均的逐時(shí)VOCs 可散發(fā)濃度，簡(jiǎn)記為各溫度段可散發(fā)濃度，mg/m3；②將每個(gè)仿真計(jì)算時(shí)步中不大于該時(shí)步處溫度的各溫度段可散發(fā)濃度相加，得到逐時(shí)溫度下可散發(fā)濃度，mg/m3；③將每個(gè)仿真計(jì)算時(shí)步中不大于25 ℃的各溫度段可散發(fā)濃度相加，得到25 ℃下可散發(fā)濃度，mg/m3；④散發(fā)空間右側(cè)邊界處各網(wǎng)格頂點(diǎn)VOCs 濃度的平均值，簡(jiǎn)記為通風(fēng)出口濃度，μg/m3。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 倉(cāng)儲(chǔ)溫度對(duì)內(nèi)飾VOCs 的影響

使用表1 中易散發(fā)材料的數(shù)據(jù)，在1 L/min 通風(fēng)速率、0 mg/m3通風(fēng)污染、倉(cāng)儲(chǔ)溫度為廣州夏季和冬季連續(xù)9 d 氣象站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的條件下進(jìn)行仿真計(jì)算，可得廣州夏季和冬季內(nèi)飾材料倉(cāng)儲(chǔ)9 d 過(guò)程中的逐時(shí)溫度下可散發(fā)濃度曲線和25 ℃下可散發(fā)濃度曲線如圖1 所示。

圖1 倉(cāng)儲(chǔ)溫度對(duì)可散發(fā)濃度的影響

由圖1 中的逐時(shí)溫度下可散發(fā)濃度仿真結(jié)果和溫度變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，內(nèi)飾材料的逐時(shí)溫度下可散發(fā)濃度的時(shí)域變化規(guī)律與倉(cāng)儲(chǔ)溫度的升降規(guī)律同步，即在白天溫度較高時(shí)可散發(fā)濃度較大、在夜間溫度較低時(shí)可散發(fā)濃度較小。且廣州夏季溫度整體高于冬季溫度，因此夏季的逐時(shí)溫度下可散發(fā)濃度仿真結(jié)果也相應(yīng)地大于冬季。

觀察圖1 中夏季和冬季的25 ℃下可散發(fā)濃度仿真結(jié)果可知，夏季的仿真值從倉(cāng)儲(chǔ)開(kāi)始的100 mg/m3經(jīng)9 d 倉(cāng)儲(chǔ)逐步降低到了51 mg/m3，而冬季的仿真值從倉(cāng)儲(chǔ)開(kāi)始的100 mg/m3經(jīng)9 d 倉(cāng)儲(chǔ)僅逐步降低到了87 mg/m3。即在相同的倉(cāng)儲(chǔ)通風(fēng)速率、通風(fēng)污染和倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間條件下，同一款內(nèi)飾材料中的VOCs 冬季的25 ℃下可散發(fā)濃度比夏季的大71%。這些因倉(cāng)儲(chǔ)溫度降低而滯留在內(nèi)飾中的VOCs 將參與總裝上車，是導(dǎo)致冬季車內(nèi)空氣質(zhì)量失控的重要原因。

2.2 通風(fēng)速率對(duì)內(nèi)飾VOCs 的影響

使用表1 中易散發(fā)材料的數(shù)據(jù)，通風(fēng)速率設(shè)定為0.01、1 或100 L/min，在0 mg/m3通風(fēng)污染、倉(cāng)儲(chǔ)溫度為廣州夏季連續(xù)9 d 氣象站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的條件下進(jìn)行仿真計(jì)算，可得3 種通風(fēng)速率下內(nèi)飾材料于廣州夏季倉(cāng)儲(chǔ)9 d 過(guò)程中的通風(fēng)出口濃度曲線和25 ℃下可散發(fā)濃度曲線如圖2 所示。

由圖2 中的通風(fēng)出口濃度曲線可知，通風(fēng)速率由0.01 L/min（最大線速度為0.011 9 mm/s，近似靜止）增大到1 L/min（最大線速度為1.19 mm/s）或100 L/min（最大線速度為114 mm/s），可顯著降低散發(fā)空間右側(cè)邊界處的VOCs 濃度。這是因?yàn)檩^大速率的通風(fēng)可以將內(nèi)飾材料散發(fā)出的VOCs 較快地稀釋、帶離散發(fā)空間。

由圖2 中的25 ℃下可散發(fā)濃度曲線可知，在本文的仿真參數(shù)范圍內(nèi)通風(fēng)速率由0.01 L/min 增大到1 L/min或100 L/min，僅可使內(nèi)飾材料倉(cāng)儲(chǔ)9 d 后的25 ℃下可散發(fā)濃度降低0.6%或0.8%。這是因?yàn)閮?nèi)飾材料VOCs散發(fā)的限速步驟主要是材料內(nèi)部的擴(kuò)散進(jìn)程，如25 ℃下VOCs 在內(nèi)飾中的擴(kuò)散系數(shù)一般比在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)小5 至9 個(gè)數(shù)量級(jí)，而增大空氣中的通風(fēng)速率只能改變材料固氣界面處的VOCs 濃度平衡，卻無(wú)法顯著加速材料內(nèi)部的VOCs 擴(kuò)散進(jìn)程。因此，在沒(méi)有通風(fēng)污染的前提下通風(fēng)速率的波動(dòng)不是導(dǎo)致車內(nèi)空氣質(zhì)量失控的主要原因。

2.3 通風(fēng)污染對(duì)內(nèi)飾VOCs 的影響

使用表1 中易散發(fā)材料的數(shù)據(jù)，通風(fēng)污染設(shè)定為0、0.1、0.5 或1 mg/m3，在1 L/min 通風(fēng)速率、倉(cāng)儲(chǔ)溫度為廣州夏季連續(xù)9 d 氣象站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的條件下進(jìn)行仿真計(jì)算，可得4 種通風(fēng)污染下內(nèi)飾材料于廣州夏季倉(cāng)儲(chǔ)9 d 過(guò)程中的25 ℃下可散發(fā)濃度曲線如圖3 所示。

圖3 通風(fēng)速率對(duì)通風(fēng)出口濃度和可散發(fā)濃度的影響

圖4 通風(fēng)污染對(duì)25 ℃下可散發(fā)濃度的影響

由圖3 可知，通風(fēng)污染顯著影響內(nèi)飾材料的25 ℃下可散發(fā)濃度。0.1、0.5 或1 mg/m3的持續(xù)污染可使倉(cāng)儲(chǔ)9 d 后的內(nèi)飾25 ℃下可散發(fā)濃度相比于無(wú)污染通風(fēng)情況分別升高8%、42%或82%。且較嚴(yán)重的0.5 或1 mg/m3通風(fēng)污染不僅抑制了材料內(nèi)部VOCs的散發(fā)減小，還多次使?jié)舛惹€不降反增，即內(nèi)飾材料反向吸收了通風(fēng)污染中的VOCs。這些因倉(cāng)儲(chǔ)通風(fēng)污染而滯留甚至反向吸收在內(nèi)飾中的VOCs 將參與總裝上車，也是導(dǎo)致車內(nèi)空氣質(zhì)量失控的重要原因。

2.4 內(nèi)飾VOCs 散發(fā)難易程度的影響

使用表1 中難散發(fā)材料的數(shù)據(jù)，在倉(cāng)儲(chǔ)溫度為廣州夏季和冬季連續(xù)9 d 氣象站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的條件下進(jìn)行仿真計(jì)算，可得廣州夏季和冬季難散發(fā)內(nèi)飾材料倉(cāng)儲(chǔ)9 d 過(guò)程中的25 ℃下可散發(fā)濃度曲線如圖4 所示。

圖4 倉(cāng)儲(chǔ)溫度對(duì)難散發(fā)內(nèi)飾材料可散發(fā)濃度的影響

難散發(fā)材料是從VOCs 關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)層面定義的以致密塑料為代表的具有較小內(nèi)飾中擴(kuò)散系數(shù)和較大固氣界面分配系數(shù)的材料。由圖4 可知，在表1 的難散發(fā)材料參數(shù)條件下經(jīng)夏季或冬季9 天倉(cāng)儲(chǔ)，材料的25 ℃下可散發(fā)濃度從100mg/m3分別緩慢降低到了94.7mg/m3或96.4 mg/m3，降幅約為5%。與圖1 中易散發(fā)材料的冬夏季仿真結(jié)果相比，難散發(fā)材料的25 ℃下可散發(fā)濃度受溫度變化的影響很小，即VOCs 性能比較穩(wěn)定。因此，較難散發(fā)VOCs 的內(nèi)飾材料不會(huì)導(dǎo)致車內(nèi)空氣質(zhì)量失控。

3 結(jié)論

冬夏溫差要重視，內(nèi)飾材料倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中的環(huán)境溫度波動(dòng)可造成高達(dá)71%的25 ℃下可散發(fā)濃度增幅，是最有可能造成車內(nèi)空氣質(zhì)量失控的原因。內(nèi)飾材料倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中的通風(fēng)污染對(duì)車內(nèi)空氣質(zhì)量的失控可產(chǎn)生高達(dá)82%濃度增大的顯著貢獻(xiàn)，應(yīng)將污染控制在如0.1 mg/m3的較低水平。在沒(méi)有通風(fēng)污染的前提下，通風(fēng)速率的波動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致車內(nèi)空氣質(zhì)量失控。較難散發(fā)VOCs 的內(nèi)飾材料不會(huì)導(dǎo)致車內(nèi)空氣質(zhì)量失控，應(yīng)將易散發(fā)內(nèi)飾材料作為重點(diǎn)管控對(duì)象。