动态散发法测定侧围总成关键散发参数及散发预测研究

任重磊，童丽萍，王 雷，刘 伟，刘雪峰

(中汽数据有限公司 天津300300)

0 引 言

随着社会的发展，汽车已经成为现代人类生活的必需品。目前，我国汽车保有量已达 2.7亿辆，汽车驾驶人数达到 4亿，预计还将以每年约7%的速率快速增长。汽车驾乘人员每日在乘用车内的滞留时间达数小时，汽车已成为人们除室内、工作场所之外的第三活动空间，车内空气质量的优劣直接影响乘客的身心健康，以苯、甲苯、乙苯、二甲苯、甲醛、乙醛等挥发性有机物(volatile organic compounds，VOCs)为主要成分的车内空气污染成为影响人们身体健康的重要问题[1-2]。2013年北京召开的车内空气质量与发展国际峰会上，将车内空气污染问题定义为危害人们身体健康的第三大室内环境污染问题；世界卫生组织WHO也将VOCs列为影响现代人体健康的十大威胁之一[3]。如何控制和改善汽车车内空气品质，为人类营造健康、舒适的绿色车内环境，已成为关系国计民生的大事。

车内材料散发的挥发性有机化合物是造成空气质量低劣的罪魁祸首[4]，车内环境中的 VOCs源自各个零部件挥发，主要包括仪表板、门板、侧围、地毯、顶棚、座椅和各种车内塑料装饰件等[5]。车辆在生产时，内饰零部件要使用大量的塑料制品和黏合剂，这些都是车内VOCs的重要散发源。研究材料中VOCs的散发特性对于揭示 VOCs的散发规律进而有效控制和改善车内空气品质具有重要意义。

研究表明，车内材料污染物的散发特性由3个关键参数表征：初始可散发浓度C0，扩散系数Dm和分配系数K[6-7]。材料 VOCs的散发速率和浓度是关键参数的函数，测定散发关键参数是研究材料VOCs散发规律的基础。在以往的工作中，关于材料污染物散发特性的研究大致可分为两类：建立描述VOCs散发过程的数学模型并求解；对VOCs散发关键参数的实验测定。如何快速精确地测定影响 VOCs散发的3个关键参数，借助散发模型预测车内零部件 VOCs的散发情况，以便对车内空气品质进行控制和改善，成为当前的研究热点。

本文采用直流舱浓度轨迹法同时测定汽车侧围材料VOCs散发关键参数C0、Dm和K。通过对VOCs散发实验的数据结果进行对比分析，验证了该方法的准确性，并将关键散发参数应用到汽车内饰零部件总成上，对内饰零部件的散发特性实现快速预测。

1 方法与实验

1.1 关键散发参数测定原理

本研究采用直流舱浓度轨迹法测定车内材料散发过程的关键参数——初始浓度C0、分配系数K和扩散系数Dm，其测定过程及原理为：①将待测车内材料(本报告为侧围材料)置于密闭的环境舱里面散发甲醛/VOCs 直到平衡；②将流量恒定的纯净氮气引入环境舱内，每隔一段时间采样 VOCs的浓度。测试过程示意图如图1所示，环境舱内污染物浓度变化如图2所示。

图1 直流舱浓度轨迹法测定示意图Fig.1 Schematic diagram of concentration trajectory method in ventilated chamber

图2 环境舱内污染物浓度变化Fig.2 Change of pollutant concentration in environmental chamber

基于物理分析和数学推导，可以得到以下公式：

式中：R(V/Vm)为环境舱体积与材料体积之比；α＝QL2/VDm；β＝AL/V；Bim＝hmL/Dm；Q为通风量，m3/s；L为材料的厚度，m；V为环境舱体积，m3；A为材料有效散发表面积，m2；hm为材料表面对流传质系数，m/s；t*(t-t0)，表示直流舱中的散发时间；Bim为传质毕渥数；q1、G1分别为式(3)和(4)的第 1项，是与Dm和K有关的参数。

根据实验测得不同时刻的直流舱内 VOCs浓度数据，利用(3)式对无量纲浓度对数和时间进行线性拟合，即可获得斜率SL和截距INT，利用斜率SL和截距INT可以求得扩散系数Dm和分配系数K。然后将计算出的K值代入(1)式即可求得初始可散发浓度C0值。

1.2 侧围材料关键散发参数测定实验

1.2.1 测试条件

实验温度：25℃。

侧围厚度：2.4～2.62mm，取均值2.51mm。材料散发面积：4005.5cm2。

1.2.2 测试步骤

①将待测侧围材料进行切割并密封存放。

②将切割好的侧围材料放入环境舱中，在 25℃下密闭放置36h，保证材料中各VOCs浓度达到散发平衡并采样，此时刻即为起始时刻(0h)，见图3。

图3 侧围材料的切割、密封存放和平衡处理Fig.3 Cutting，sealing storage and balancing of side panel materials

③以500mL/min的体积流量向环境舱中通入洁净氮气，采集不同时刻下苯系物和醛系物的散发质量浓度，采样时间为起始后 1、2、3、5、7、9、24、25h，见表 1和图 4、5。

表1 侧围材料中不同采样时时VOC浓度Tab.1 VOC concentration of side panel materials at different sampling time

表2 侧围材料中各VOCs的关键散发参数Tab.2 Key emission parameters of VOCs in side panel materials

图4 侧围动态散发法环境舱中苯系物质量浓度的变化Fig.4 Change of concentration of benzene series with time in environmental chamber by dynamic emission method about side panel

图5 侧围动态散发法环境舱中醛系物质量浓度的变化Fig.5 Change of concentration of aldehyde series with time in environmental chamber by dynamic emission method about side panel

1.2.3 拟合Ca-t数据计算关键散发参数

根据关键散发参数测定原理，将不同时刻下的各VOCs的Ca转化为ln(Ca/Cequ)，拟合ln(Ca/Cequ)与时间t，得到各 VOCs浓度随时间散发的斜率SL和截距INT，如表 2所示。由于斜率SL和截距INT分别是Dm和K的函数，可以由此计算出Dm和K。C0是平衡浓度Cequ和K的函数，在已知平衡浓度Cequ和K的情况下，可以求出C0，整个运算均在专门编写的计算程序中进行。

图6为侧围材料中甲醛随散发时间的变化曲线，可以看出模拟值与实测值拟合效果较好，说明该曲线能够较好地展示VOCs在侧围材料中的散发趋势，据此计算出的关键散发参数可用于预测袋式法测试实验中侧围材料的VOCs散发浓度(25℃)。

图6 动态散发实验侧围材料中甲醛浓度随散发时间的变化曲线Fig.6 Variation curve of formaldehyde concentration with time in side panel materials in dynamic emission experiment

2 散发预测

将通过动态散发法测得的侧围材料中各 VOCs关键散发参数Dm、K和C0(表 2)代入密闭环境VOCs散发预测模型中，可以预测出袋式法侧围总成各 VOCs浓度随时间的变化。密闭环境 VOCs散发预测模型已编成计算程序，实际使用时，只需将各关键散发参数代入程序即可。

根据吉利提供的侧围总成数据，得出半车份侧围总成的总散发面积为 1.3848m2，侧围材料的厚度为0.0024～0.00262m，计算过程中取厚度均值为0.00251m。经计算得出，袋式法实验中侧围总成各VOCs浓度随时间的变化如图7所示。表3为袋式法实验中侧围总成各VOCs浓度在2、24h下散发的预测值。

表3 袋式法实验侧围总成在2、24 h下的各VOCs散发浓度预测值(μg/m3)Tab.3 Predicted values of VOCs emission concentration in side panel assembly in bag method experiment under 2 h and 24 h(μg/m3)

图7 袋式法实验中侧围总成各VOCs浓度随时间的变化预测曲线Fig.7 Prediction curve of variation of VOCs concentration with time in side panel assembly in bag method experiment

3 结 论

本研究建立了直流舱浓度轨迹法测定侧围材料中苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、甲醛、乙醛散发过程的关键参数C0、K、Dm。通过对比侧围材料中甲醛散发的拟值与实测值，表明拟合效果较好，测定得到的关键散发参数能够较好地展示侧围材料中VOCs的散发趋势。同时，利用本研究方法得到的侧围材料各VOCs关键散发参数，可以预测袋式法侧围总成所含各 VOCs浓度随时间的变化。通过预测可以帮助汽车企业在新车研发阶段实现整车 VOCs散发特性的正向设计，提高检测效率，节省检测成本。