郭秋彥 馮書耀 劉 偉 汪海豐 馬 秋 朱振宇 王 雷 劉雪峰

(1.吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江 寧波 315000；2.中汽數(shù)據(jù)有限公司，天津 300300)

目前，車輛座艙已成為人們?nèi)粘Ｉ畹牡谌臻g，車內(nèi)空氣質(zhì)量對駕乘人員的身體健康具有顯著影響[1-3]。車內(nèi)空氣中的主要污染物有苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛(以下稱五苯三醛)，均屬于揮發(fā)性有機物(VOCs)，為改善車內(nèi)VOCs污染，目前的治理手段有采用低VOCs含量的內(nèi)飾材料、材料通風或應用空氣凈化除味劑除醛劑等。然而，不同治理方案的治理效果及性價比仍難以定量評估，主要體現(xiàn)在兩個方面：一是高性價比治理方案的篩選確定需要以大量的實驗測試為基礎(chǔ)，成本較高；二是較難通過實驗測試多種治理方案之間的相互促進、抑制、抵消等效果。為了解決上述車內(nèi)VOCs治理方案預期效果定量評價的難題，汽車行業(yè)迫切需要一套可靠性較高的車內(nèi)空氣質(zhì)量仿真分析技術(shù)。

近年來，有較多學者嘗試對車內(nèi)空氣質(zhì)量進行仿真研究，TONG等[4]基于質(zhì)量守恒定律和亨利定律構(gòu)建了多內(nèi)飾共存的VOCs穩(wěn)態(tài)散發(fā)仿真模型，并用22種內(nèi)飾模擬總裝測試來驗證仿真效果，發(fā)現(xiàn)五苯三醛的仿真相對偏差為-28.9%～50.0%，準確度較低；WANG等[5]通過30 L小艙測試，證實了用于表征室內(nèi)建材VOCs散發(fā)性能的3個關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)，分別為初始可散發(fā)濃度、擴散系數(shù)和分配系數(shù)，這3個參數(shù)同樣也適用于表征座椅、頂棚、地毯等汽車內(nèi)飾零部件的VOCs散發(fā)性能。

分析已有文獻可知，現(xiàn)有的車內(nèi)、室內(nèi)、飛機艙內(nèi)等密閉空間空氣質(zhì)量仿真研究多停留在均質(zhì)化單一樣品關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)的測算和應用上，即使有非均質(zhì)多樣品共存的VOCs散發(fā)研究，也是將散發(fā)空間中的VOCs濃度分布簡化為混合均勻狀態(tài)，沒有考慮實際無空氣對流、VOCs濃度分布不均勻情況下多個樣品相對空間位置對VOCs散發(fā)的影響，因此無法滿足車內(nèi)VOCs治理預期效果的定量評價要求。為此，本研究在質(zhì)量守恒定律、亨利定律、菲克第二擴散定律的基礎(chǔ)上，利用有限元分析技術(shù)構(gòu)建從單一內(nèi)飾到總裝內(nèi)飾的多級VOCs散發(fā)仿真模型，著力解決多內(nèi)飾總裝狀態(tài)下VOCs散發(fā)濃度的高準確度瞬態(tài)仿真問題，為車內(nèi)VOCs治理方案預期效果的定量評價提供比較可靠的解決思路。

1 研究方法

1.1 VOCs散發(fā)方程推導及實測

1.1.1 VOCs散發(fā)方程推導

非金屬內(nèi)飾零部件在密閉空間中動態(tài)散發(fā)VOCs至平衡態(tài)后，由質(zhì)量守恒定律和亨利定律可得式(1)：

Ca1×Va1+Ca1×K×Vm=Cm0×Vm

(1)

式中：Ca1為密閉空間中VOCs的質(zhì)量濃度，μg/m3；Va1為密閉空間中的空氣體積，m3；K為內(nèi)飾零部件固氣界面上VOCs的分配系數(shù)；Vm為內(nèi)飾零部件的體積，m3；Cm0為內(nèi)飾零部件VOCs的初始可散發(fā)質(zhì)量濃度，μg/m3。

假設(shè)該密閉空間中注入一定VOCs后，再次動態(tài)散發(fā)VOCs至平衡態(tài)，由質(zhì)量守恒定律和亨利定律可得式(2)：

Ca2×Va2+Ca2×K×Vm=Cm0×Vm+M

(2)

式中：Ca2為注入VOCs后密閉空間中的VOCs質(zhì)量濃度，μg/m3；Va2為注入一定VOCs密閉空間中的空氣體積，m3；M為向密閉空間中注入的VOCs質(zhì)量，μg。

由式(1)、式(2)整理后可得：

(3)

通過實驗測試得到M、Ca1、Va1、Ca2、Va2(鑒于注入的VOCs體積較少，引起的體積變化可忽略，即Va2=Va1)、Vm后，代入式(3)即可計算得到分配系數(shù)K，再將各參數(shù)值代入式(1)，即可計算得到Cm0。

在內(nèi)飾零部件的密閉空間動態(tài)散發(fā)過程中，測定多個時間點t處的密閉空間中VOCs質(zhì)量濃度，連同計算得到的K、Cm0代入C-history公式[6]中，擬合得到內(nèi)飾零部件中VOCs的擴散系數(shù)(D，m2/s)。

1.1.2 基于VOCs散發(fā)方程的實驗設(shè)計

為測算VOCs散發(fā)方程中的關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)計單獨零部件的密閉空間動態(tài)散發(fā)及加注VOCs實驗；為驗證VOCs仿真模型的模擬準確度，設(shè)計含12種內(nèi)飾的模擬總裝內(nèi)飾密閉空間動態(tài)散發(fā)實驗，包括地毯、前座椅、后座椅、儀表板、副儀表板、衣帽架、頂棚、門內(nèi)飾板、側(cè)圍、密封條、方向盤、阻尼板，每種內(nèi)飾樣品取兩份。第1份樣品測量內(nèi)飾尺寸得到Vm后，分別用低吸附低氣體滲透率的干凈聚氟乙烯采樣袋真空存放；第2份樣品分別用聚乙烯(PE)保鮮膜密封存放。兩份樣品都于室溫下避陽光靜置48 h以上，使樣品內(nèi)部的VOCs分布均勻。

將第2份樣品的PE包裝膜去除，參考車內(nèi)零部件裝配的相對位置，快速將12種內(nèi)飾擺放于1個4 000 L采樣袋中形成模擬總裝狀態(tài)，適度抽出袋中空氣。

分別向各采樣袋中充入一定氮氣(即為Va1)，使樣品在25 ℃下持續(xù)散發(fā)96 h，期間參照《車內(nèi)揮發(fā)性有機物和醛酮類物質(zhì)采樣測定方法》(HJ/T 400—2007)采樣6～8次分析五苯三醛，每次采樣測試完成后，向采樣袋中補充氮氣以維持恒定的密閉空間空氣體積，以96 h的采樣測定結(jié)果為Ca1。

完成96 h的采樣測定后，用微量進樣器向第1份樣品的采樣袋中分別注入分析純VOCs液體(組成為1 μL苯+1 μL甲苯+1 μL乙苯+1 μL二甲苯+1 μL苯乙烯+2 μL 30%(質(zhì)量分數(shù))甲醛+2 μL 40%(質(zhì)量分數(shù))乙醛+1 μL五苯三醛)，根據(jù)密度計算得到各VOCs的質(zhì)量M。使第1份樣品再次在25 ℃下靜置96 h，然后采樣測定各采樣袋中VOCs濃度，即為Ca2。

1.2 VOCs散發(fā)仿真模型構(gòu)建

根據(jù)整車測試艙中車內(nèi)VOCs的散發(fā)特點，仿真模型基于3項基本假設(shè)構(gòu)建：(1)因高分子降解、氧化等化學反應引起的材料內(nèi)各VOCs含量變化較慢，可忽略不計，因此車內(nèi)VOCs含量滿足質(zhì)量守恒定律；(2)各種VOCs的濃度較低，屬于極稀氣體，因此不同VOCs分子的擴散互不影響，且在固氣界面處的濃度滿足亨利定律；(3)車內(nèi)沒有宏觀氣體對流傳質(zhì)，只有氣體分子的自由擴散傳質(zhì)，因此在材料內(nèi)部和散發(fā)空間中的VOCs濃度分布都僅受菲克第二擴散定律控制。在此基礎(chǔ)上，分別構(gòu)建單一內(nèi)飾VOCs散發(fā)仿真模型和總裝內(nèi)飾VOCs散發(fā)仿真模型。

單一內(nèi)飾VOCs散發(fā)仿真模型以單一內(nèi)飾的材料厚度、面積、散發(fā)空間尺寸等幾何參數(shù)構(gòu)建仿真計算域，對域中幾何結(jié)構(gòu)進行有限元網(wǎng)格劃分。在材料內(nèi)部和散發(fā)空間各網(wǎng)格節(jié)點上應用菲克第二擴散定律，在材料與空氣的固氣界面處應用亨利定律，指定材料內(nèi)部各網(wǎng)格節(jié)點上的VOCs初始值為Cm0，指定散發(fā)空間各網(wǎng)格節(jié)點上的VOCs初始值為0 μg/m3，以一定時間步長運行仿真模型，計算得到任意散發(fā)時間點、任意散發(fā)空間位置處某內(nèi)飾散發(fā)出的及內(nèi)部含有的VOCs。

與單一內(nèi)飾VOCs散發(fā)仿真模型相比，總裝內(nèi)飾VOCs散發(fā)仿真模型中包含了多個內(nèi)飾的幾何結(jié)構(gòu)模型及這些內(nèi)飾之間的相對位置布局信息，將測算到的多個內(nèi)飾材料或零部件關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)分別指定到各內(nèi)飾的幾何結(jié)構(gòu)模型上，可計算得到任意散發(fā)時間點處及任意空間位置處的由所有內(nèi)飾共同決定的VOCs濃度。同時，通過分析各內(nèi)飾內(nèi)部的VOCs平均濃度水平，還可判定各內(nèi)飾的VOCs散發(fā)(源)或吸收(匯)貢獻情況。

1.3 VOCs治理方案仿真

1.3.1 VOCs治理方案仿真設(shè)計

本研究對汽車企業(yè)最常使用的初始可散發(fā)濃度治理方案——自然逸散法的治理效果進行仿真分析，該方案一般先使內(nèi)飾在相對潔凈的環(huán)境中室溫自然或高溫加速散發(fā)VOCs一段時間，以降低其初始可散發(fā)濃度，然后再將該內(nèi)飾總裝到白車身中，從而達到降低車內(nèi)VOCs的目的。假設(shè)內(nèi)飾所處3 m3空間以外的區(qū)域為清潔環(huán)境，VOCs恒定為0 μg/m3，散發(fā)條件為25 ℃下自然逸散24 h，在此方案下使用單一內(nèi)飾VOCs散發(fā)仿真模型完成內(nèi)飾的治理，然后將治理結(jié)果代入總裝內(nèi)飾VOCs散發(fā)仿真模型，分析各內(nèi)飾單獨治理對總裝狀態(tài)下VOCs減量的貢獻。

1.3.2 VOCs治理性價比指標

采用式(4)評估VOCs治理方案性價比：

(4)

式中：P為治理方案性價比；C1、C2分別為治理前后散發(fā)空間中VOCs的質(zhì)量濃度，μg/m3；MT為治理方案的成本。

2 仿真分析

2.1 VOCs關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)測算及驗證

2.1.1 VOCs關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)測算

因篇幅所限，本研究僅對甲苯監(jiān)測數(shù)據(jù)及其治理性價比進行仿真分析，其他幾種VOCs的仿真模型架構(gòu)與甲苯相同，在仿真分析時代入各VOCs相應的初始可散發(fā)濃度、擴散系數(shù)和分配系數(shù)即可。

按照1.1.2節(jié)的實驗設(shè)計開展12種內(nèi)飾甲苯的密閉空間動態(tài)散發(fā)測試，結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1中甲苯測試數(shù)據(jù)可將12種內(nèi)飾分為3類：(1)密封條、方向盤和儀表板在48～96 h甲苯濃度變化不大，認為甲苯達到散發(fā)平衡，則先使用式(3)計算得到分配系數(shù)K，再用式(1)計算得到初始可散發(fā)濃度Cm0，最后借助C-history公式計算得到擴散系數(shù)D；(2)副儀表板、門內(nèi)飾板、后座椅、前座椅、頂棚、地毯等內(nèi)飾零部件96 h后甲苯濃度繼續(xù)增加，未在96 h內(nèi)達到散發(fā)平衡，則直接借助C-history公式計算得到多組Cm0、D、K，然后基于相同材質(zhì)的內(nèi)飾材料K值相近的原則進行篩選，進而選擇同組的Cm0、D參數(shù)；(3)對于衣帽架、側(cè)圍、阻尼板3種甲苯測試數(shù)據(jù)接近甚至低于分析儀器檢測限的內(nèi)飾零部件，根據(jù)經(jīng)驗指定其關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)為Cm0=10.0 mg/m3、D=1.00×10-13m2/s、K=50。在此水平下，認為內(nèi)飾自身散發(fā)的甲苯和吸附外界甲苯的能力都小到忽略不計。通過以上3種方法測算的各內(nèi)飾的甲苯關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)見表2。

表1 甲苯的密閉空間動態(tài)散發(fā)測試結(jié)果1)

表2 各內(nèi)飾的甲苯關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)

2.1.2 關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)驗證

將某內(nèi)飾的尺寸數(shù)據(jù)及其甲苯關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)輸入單一內(nèi)飾VOCs散發(fā)仿真模型中，計算得到內(nèi)飾的甲苯散發(fā)情況及其內(nèi)部的衰減情況，將計算結(jié)果與表1中的實測結(jié)果進行比較，從而判斷測算得到的甲苯關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)的準確性。

以后座椅為例，采用單一內(nèi)飾VOCs散發(fā)仿真模型模擬甲苯濃度隨散發(fā)時間的變化情況，并與實測值進行對比，結(jié)果見圖1?？梢钥闯觯l(fā)空間甲苯濃度仿真效果較好，與實測值相比平均絕對偏差為4.0 μg/m3，平均相對偏差為9.5%，表明表2中的關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)準確性較好，可以較好地表征后座椅的甲苯散發(fā)性能。

此外，從圖1中還可看出隨著后座椅不斷向散發(fā)空間中釋放甲苯，其內(nèi)部含有的甲苯也相應地從12.00 mg/m3逐漸下降到了11.35 mg/m3，為甲苯源內(nèi)飾。

圖1 后座椅甲苯散發(fā)仿真曲線

2.2 總裝內(nèi)飾VOCs散發(fā)仿真及驗證

對照模擬總裝內(nèi)飾測試中使用的各內(nèi)飾尺寸、數(shù)量和相對位置，構(gòu)建多內(nèi)飾共存的模擬總裝幾何模型(見圖2)。將表2中各內(nèi)飾的甲苯關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)分別賦值到模擬總裝幾何模型中進行仿真計算，仿真得到甲苯濃度隨散發(fā)時間的變化情況，結(jié)果見圖3。

1—頂棚；2—副儀表板；3—密封條；4—門內(nèi)飾板；5—方向盤；6—側(cè)圍；7—儀表板；8—地毯；9—前座椅；10—阻尼板；11—后座椅；12—衣帽架

圖3 模擬總裝內(nèi)飾散發(fā)空間中甲苯仿真及實測值對比

由圖3可見，在12種內(nèi)飾共同參與的總裝內(nèi)飾VOCs散發(fā)仿真模型中，甲苯在散發(fā)空間內(nèi)散發(fā)濃度的仿真值與甲苯實測值符合較好，平均絕對偏差為10.5 μg/m3，平均相對偏差為8.2%，說明該仿真模型可以較準確地描述包含12種內(nèi)飾的甲苯實際散發(fā)情況，可為后續(xù)VOCs治理性價比分析提供可靠保障。

對仿真結(jié)果中12種內(nèi)飾樣品內(nèi)部的甲苯平均濃度變化趨勢進行分析，可知門內(nèi)飾板、副儀表板、后座椅、密封條、頂棚、儀表板等6種內(nèi)飾內(nèi)部的甲苯濃度呈下降趨勢，即為甲苯源內(nèi)飾，而其他內(nèi)飾則為甲苯匯內(nèi)飾。

2.3 重點內(nèi)飾VOCs治理仿真及性價比分析

2.3.1 重點內(nèi)飾VOCs治理仿真

將表2中門內(nèi)飾板、副儀表板、后座椅、密封條、頂棚、儀表板的關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)分別輸入單一內(nèi)飾VOCs散發(fā)仿真模型中，設(shè)置散發(fā)空間為3 m3、自然逸散24 h、開放邊界以外甲苯為0 μg/m3，可計算得到各內(nèi)飾治理前后的初始可散發(fā)濃度，結(jié)果如表3所示。

2.3.2 VOCs治理性價比分析

將表3中治理仿真結(jié)果和表2中關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)輸入總裝內(nèi)飾VOCs散發(fā)仿真模型，計算各內(nèi)飾甲苯初始可散發(fā)濃度的降低對模擬總裝狀態(tài)下甲苯濃度的影響，并計算治理方案的性價比。

表3 重點內(nèi)飾甲苯自然逸散治理前后初始可散發(fā)質(zhì)量濃度仿真結(jié)果

基于HJ/T 400—2007規(guī)定的散發(fā)時長和本研究的實驗設(shè)計，分別使用仿真模型計算散發(fā)16、96 h的甲苯濃度，計算VOCs治理性價比。由于自然逸散24 h治理方案的主要成本來自時間消耗，故令MT=1 d，仿真分析結(jié)果如表4所示。

表4 重點內(nèi)飾VOCs治理性價比

由表4可見，門內(nèi)飾板的甲苯治理性價比最高，通過在25 ℃下自然逸散治理門內(nèi)飾板24 h，可使模擬總裝散發(fā)16、96 h的甲苯質(zhì)量濃度分別由103、186 μg/m3下降至87、156 μg/m3。因此，若想降低車內(nèi)甲苯濃度，且擬采用的治理方案為內(nèi)飾零部件室溫自然逸散，則應優(yōu)先考慮針對門內(nèi)飾板開展治理。

3 結(jié)論與展望

以質(zhì)量守恒定律、亨利定律、菲克第二擴散定律為基本假設(shè)，利用有限元數(shù)值分析方法近似還原車輛內(nèi)飾在現(xiàn)實座艙中的空間分布及散發(fā)VOCs的時間跨度，開發(fā)單一內(nèi)飾VOCs散發(fā)仿真模型和總裝內(nèi)飾VOCs散發(fā)仿真模型。以后座椅為例，單一內(nèi)飾VOCs散發(fā)仿真模型模擬的甲苯仿真值與實測值平均絕對偏差為4.0 μg/m3，平均相對偏差為9.5%，關(guān)鍵散發(fā)參數(shù)準確性較好。總裝內(nèi)飾VOCs散發(fā)仿真模型對甲苯濃度的仿真平均絕對偏差為10.5 μg/m3，平均相對偏差為8.2%?；诳傃b內(nèi)飾VOCs散發(fā)仿真模型的高準確度仿真結(jié)果，可以實現(xiàn)不同VOCs治理方案的定量評估。

本研究構(gòu)建的模型適用于對單獨內(nèi)飾或整車開展VOCs散發(fā)測試仿真，以達到減少實驗量、降低管控成本的目的。后續(xù)研究將逐步解析車載空調(diào)或車身漏氣等引起的空氣對流、環(huán)境溫濕度的時程變化及以月為尺度的由材料降解、老化等引起的材料內(nèi)VOCs初始可散發(fā)濃度變化等因素對VOCs仿真的影響，以期進一步開發(fā)出能夠預測使用過程中車內(nèi)VOCs散發(fā)情況的仿真模型。