周博雅,崔晨,方茂東,張?jiān)娊?,王?/p>
(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300)
隨著當(dāng)前社會(huì)的快速發(fā)展和生活水平的不斷提高,人們對(duì)健康的要求也越來越高。這一轉(zhuǎn)變表現(xiàn)為消費(fèi)者在選購汽車的時(shí)候,不再局限于動(dòng)力、安全、外觀、價(jià)格等因素,更加看重其健康環(huán)保性能。車內(nèi)氣味作為消費(fèi)者進(jìn)入座艙后最直觀感受到的信息,其好壞嚴(yán)重影響著汽車品質(zhì)。據(jù)某調(diào)研機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,在2018-2019 年有過氣味投訴的車型中,有49%的用戶明確表示由于氣味問題不推薦該車型,車內(nèi)氣味對(duì)品牌推薦的影響程度不可小覷。
為改善車內(nèi)氣味問題,近年來國家有關(guān)政府部門、行業(yè)機(jī)構(gòu)及汽車制造企業(yè)在法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)制定、供應(yīng)鏈體系管控等方面開展了大量工作并取得了一定成效。然而,由于車內(nèi)氣味的復(fù)雜性,企業(yè)在車內(nèi)氣味改善方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。目前汽車行業(yè)現(xiàn)行的氣味評(píng)價(jià)方法為主觀評(píng)價(jià),此種方法受氣味評(píng)價(jià)員的主觀影響較大[1],還存在個(gè)體差異大、穩(wěn)定性不佳、環(huán)境波動(dòng)大等缺點(diǎn),此外,長時(shí)間連續(xù)評(píng)價(jià)還會(huì)給氣味評(píng)價(jià)員造成一定的身體健康危害。因此,氣味客觀化檢測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
電子鼻是一種模擬動(dòng)物嗅覺的電子系統(tǒng),由上個(gè)世紀(jì)80年代開始發(fā)展起來的[2]。電子鼻可以對(duì)各種氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測分析,其優(yōu)點(diǎn)是重復(fù)性好、響應(yīng)時(shí)間短、測定范圍廣[3],還能對(duì)某些不適應(yīng)用人鼻子鑒別的氣體進(jìn)行有效檢測,比如刺激性和有毒有害氣體。因此,以電子鼻為代表的氣味客觀檢測技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,并逐步應(yīng)用到環(huán)境、食品、化工、醫(yī)藥、汽車等領(lǐng)域[4]。
本文將基于光離子化傳感器(Photo Ionization Detector,簡稱PID)為主要檢測器的電子鼻對(duì)車內(nèi)揮發(fā)性污染物氣體進(jìn)行客觀檢測[5],將其檢測結(jié)果與氣味強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行關(guān)聯(lián),獲得氣味客觀強(qiáng)度;與此同時(shí),對(duì)上述車內(nèi)氣體進(jìn)行主觀氣味評(píng)價(jià),得到氣味主觀強(qiáng)度。將氣味主觀強(qiáng)度與氣味客觀強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,以此判定氣味客觀評(píng)價(jià)方法的結(jié)果有效性,為汽車行業(yè)車內(nèi)氣味評(píng)價(jià)技術(shù)提供方法參考。
(1)試驗(yàn)樣品:2018-2020 年市場主流車型30 款,包括自主品牌、合資品牌。
(2)試驗(yàn)材料:聚四氟乙烯管、10L PET 采樣袋、氮?dú)怃撈繗猓?9.99%)、質(zhì)量流量計(jì)、玻璃或不銹鋼材質(zhì)嗅杯。
(3)試驗(yàn)儀器:PID 電子鼻、肺吸式氣泵。
(4)試驗(yàn)人員:具備氣味評(píng)價(jià)專業(yè)證書的氣味評(píng)價(jià)員5人。
1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)
本次試驗(yàn)將依據(jù)如下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試:
HJ/T 400-2007《車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物和醛酮類物質(zhì)采樣測定方法》[6];
ISO 12219-1:2012 Interior air of road vehicles-Part 1:Whole vehicle test chamber-Specification and method for the determination of volatile organic compounds in cabin interiors[7];
T/CMIF13-2016《汽車車內(nèi)空氣的氣味評(píng)價(jià)規(guī)范》[8];
T/CAS 406-2020《車內(nèi)空氣 氣味的評(píng)價(jià) 感官與光離子化檢測儀耦合分析法》[9]。
1.2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備
采用整車試驗(yàn)艙法,試驗(yàn)車輛樣品及環(huán)境艙應(yīng)按照 HJ/T 400-2007《車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物和醛酮類物質(zhì)采樣測定方法》規(guī)定的方法進(jìn)行準(zhǔn)備及封閉過程[10],方可進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)步驟。
PID 電子鼻開機(jī)預(yù)熱30min,之后進(jìn)行相應(yīng)檢測步驟。
1.2.3 氣體采樣
利用肺吸式氣泵,將車內(nèi)氣管、10L 采樣袋與之連接后進(jìn)行采樣,每款車型均采集3~5 袋車內(nèi)氣體樣品。
1.2.4 氣味客觀評(píng)價(jià)
(1)將PID 電子鼻調(diào)至零氣清洗狀態(tài),待基線平穩(wěn)后方可進(jìn)行下步操作;
(2)將采樣袋與PID 電子鼻進(jìn)氣口相連接,氮?dú)怃撈繗獬鰵馑俣日{(diào)節(jié)至10L/min 后與PID 電子鼻快載氣接口相連接,將嗅杯與PID 電子鼻出氣口相連接;
(3)將PID 電子鼻調(diào)至快載氣主客觀評(píng)價(jià)狀態(tài),由1位氣味評(píng)價(jià)員依次調(diào)節(jié)旋鈕刻度至不同稀釋倍數(shù),一方面嗅辨不同稀釋倍數(shù)下的稀釋樣品氣味等級(jí),另一方面PID 檢測儀將對(duì)不同稀釋倍數(shù)下稀釋樣品揮發(fā)性污染物濃度進(jìn)行檢測,將兩者數(shù)據(jù)分別記錄下來;
(4)其它4 位評(píng)價(jià)員依次重復(fù)上述操作,并將結(jié)果記錄下來;
(5)將PID 電子鼻調(diào)至原氣檢測狀態(tài),記錄PID 檢測儀數(shù)值作為該樣品氣體的原始樣品氣體濃度;
(6)另取1 個(gè)該氣體樣品采樣袋,由5 位氣味評(píng)價(jià)員輪流進(jìn)行評(píng)價(jià),記錄原始樣品氣味強(qiáng)度結(jié)果。
1.2.5 氣味主觀評(píng)價(jià)
依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)T/CMIF13-2016《汽車車內(nèi)空氣的氣味評(píng)價(jià)規(guī)范》進(jìn)行氣味主觀評(píng)價(jià),并將結(jié)果記錄下來。
1.2.6 氣味強(qiáng)度評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)
車內(nèi)氣味強(qiáng)度評(píng)分等級(jí)分為1~6 級(jí),見下表1。氣味評(píng)價(jià)員在給氣味強(qiáng)度評(píng)分時(shí),可以給出0.5 級(jí)的評(píng)分等級(jí)[11]。
表1 氣味強(qiáng)度評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)
本文選取光離子化傳感器(PID)作為車內(nèi)氣體檢測的傳感器。光離子化傳感器是一種具有極高靈敏度、用途廣泛的氣體傳感器[5],可以檢測從1ppb 到10000ppm 的揮發(fā)性有機(jī)物和其他有毒氣體。此外,PID 對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物靈敏度很高,僅為1ppb。
凡是電離勢(shì)能(Ionization Potential,簡稱IP)低于PID自身的紫外輻射能量(常見10.6eV 或11.7eV)的氣體均可被檢測到[12],這是PID 的檢測原理。依據(jù)此原理可知,PID可檢測的氣體物質(zhì)覆蓋車內(nèi)大多數(shù)的揮發(fā)性有機(jī)物(86%~95%),包括芳香烴類、酮類、醛類、氯代烴類、胺及胺類化合物和不飽和烴類等,因此可用于對(duì)車內(nèi)氣體的檢測。
氣味強(qiáng)度是人的嗅覺對(duì)氣味的心理感受程度,是對(duì)氣味強(qiáng)弱程度的一種描述。在20 世紀(jì)人們對(duì)于氣味的研究中,應(yīng)用實(shí)驗(yàn)心理學(xué)的方法,發(fā)現(xiàn)對(duì)于中等強(qiáng)度的刺激,人的氣味感覺強(qiáng)度與刺激強(qiáng)度之間的關(guān)系符合韋伯-費(fèi)希納定律,即當(dāng)刺激強(qiáng)度以幾何級(jí)數(shù)增加時(shí),感覺強(qiáng)度以算術(shù)級(jí)數(shù)增加[13]。其關(guān)系式為:
式(1)中:
I 為氣味強(qiáng)度,無量綱;
k 為常數(shù),無量綱;
C 為刺激強(qiáng)度,即臭氣濃度,無量綱。
由于氣味強(qiáng)度與嗅閾值密切相關(guān),某種氣味物質(zhì)的嗅閾值越低,表明其越能被人的嗅覺器官感受到,其氣味強(qiáng)度越大,故臭氣濃度通常用閾稀釋倍數(shù)表示,即氣味物質(zhì)的物質(zhì)濃度除以該污染物的嗅閾值[14]。
常數(shù)k 是由污染物的性質(zhì)所決定的,對(duì)于同一污染物,k為常數(shù)。而車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物為混合物,其強(qiáng)度與物質(zhì)種類有關(guān)。由于同款車型的氣體物質(zhì)組成可近似看作固定不變,因此在同款車型中可把k 視為常數(shù)值。此外,在實(shí)際評(píng)價(jià)中,氣味強(qiáng)度為1 的樣品幾乎不存在,因此該模型在y 軸應(yīng)具有截距。由此,基于韋伯-費(fèi)希納定律的車內(nèi)氣味客觀強(qiáng)度計(jì)算模型可表示為:
式(2)中:k、b 為常數(shù),無量綱。
依據(jù)1.2.4 的試驗(yàn)步驟開展30 款主流車型的氣味客觀評(píng)價(jià),其氣味客觀強(qiáng)度結(jié)果如下表2 所示。
表2 30 款車型氣味客觀強(qiáng)度結(jié)果
依據(jù)1.2.5 的試驗(yàn)步驟開展30 款主流車型的氣味主觀評(píng)價(jià),其氣味客觀強(qiáng)度結(jié)果如下表3 所示。
表3 30 款車型氣味主觀強(qiáng)度結(jié)果
將上述氣味主客觀強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,見下表4。
表4 30 款車型氣味主客觀強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果
由表4 和圖1 可以看出,氣味主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果偏差在±0.4級(jí)以內(nèi),顯著優(yōu)于人工主觀評(píng)價(jià)誤差0.5 級(jí)。其中,93.3%的車型氣味主客觀偏差在±0.3 級(jí)以內(nèi),26.7%的車型氣味主客觀結(jié)果完全一致。該結(jié)果證明了基于PID 電子鼻的氣味客觀評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確度較高。
圖1 整車氣味主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比圖
由圖2 可以看出,30 款車的氣味主觀和客觀強(qiáng)度結(jié)果均位于區(qū)間[2.5,4.5),且主要分布在區(qū)間[3.0,4.0),車型數(shù)量分別為24 和22;二者位于區(qū)間[2.5,3.0)的車型數(shù)量差異顯著,車型數(shù)量分別為1 和5。由此可以看出,氣味客觀強(qiáng)度結(jié)果明顯好于氣味主觀評(píng)價(jià)結(jié)果。此外,由于氣味客觀評(píng)價(jià)結(jié)果可以精確到小數(shù)點(diǎn)后一位,比起氣味主觀評(píng)價(jià)的半級(jí)打分制,其結(jié)果更加精確。
圖2 整車氣味主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分布圖
(1)針對(duì)30 款車型進(jìn)行氣味主客觀評(píng)價(jià)試驗(yàn),得到氣味客觀強(qiáng)度偏差在±0.4 級(jí)以內(nèi),顯著優(yōu)于氣味主觀強(qiáng)度誤差±0.5 級(jí);
(2)分析30 款車型的氣味主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果,可以看出氣味客觀強(qiáng)度結(jié)果明顯好于氣味主觀評(píng)價(jià)結(jié)果,且由于氣味客觀評(píng)價(jià)結(jié)果可以精確到小數(shù)點(diǎn)后一位,比起氣味主觀評(píng)價(jià)的半級(jí)打分制,其結(jié)果更加精確,更適應(yīng)當(dāng)前車內(nèi)氣味管控水平的發(fā)展趨勢(shì)。