車內(nèi)氣體氣味特性及氣味開發(fā)技術(shù)路線探討

鐘廣亮 趙海英 曹慧林 李雪 任天奇

（北京汽車集團越野車有限公司，北京 101300）

1 前言

隨著社會生產(chǎn)力進步和生活品質(zhì)的不斷提高，每位駕乘人員都會在車內(nèi)乘坐相當長的時間，汽車現(xiàn)在不僅僅是代步工具，已經(jīng)成為人們生活的第二環(huán)境空間。車內(nèi)空氣質(zhì)量越來越引起客戶和各個主機廠的關(guān)注，其中氣味是駕乘人員重要的感官感受之一。根據(jù)J.D.POWER 年度報告調(diào)查結(jié)果顯示，車內(nèi)異味已經(jīng)連續(xù)5 年成為客戶最為關(guān)注的問題。當乘員受到不舒適的氣味干擾時，車內(nèi)感知要素的特性及強弱相對被弱化和影響。車內(nèi)氣味不僅引起駕乘時嗅覺不舒適，還是引起暈車的一個重要誘因。汽車行業(yè)對車內(nèi)氣味的研究從主觀評價到主觀溯源，再到客觀氣味溯源，目前已經(jīng)逐步開始從降低和消除異味轉(zhuǎn)向降低異味和氣味設(shè)計并舉。無論是客觀氣味溯源，還是氣味設(shè)計都離不開對氣體氣味特性的研究作為基礎(chǔ)，特別是2017 年起興起的氣味客觀化研究更是掀起了對車內(nèi)氣味氣體識別的技術(shù)熱潮。

目前對于氣味的控制主要以各企業(yè)組建的鼻子團隊進行審核把關(guān)，由于人對氣味的感知受到性別、生活習慣、個人愛好等因素影響，無論是多么專業(yè)和有經(jīng)驗的鼻子團隊也都無法代表每一位客戶的感官感受，而且各企業(yè)的鼻子團隊之間存在明顯的差異。在對氣味氣體識別時也面臨同樣的問題。因此對車內(nèi)氣體氣味特性的研究就顯得尤為重要，氣體氣味特性不僅是氣味溯源、氣味客觀化的基礎(chǔ)也是氣味設(shè)計的基礎(chǔ)性研究課題。做好氣體氣味特性研究，對于車型的氣味品質(zhì)改進，推動駕乘舒適性和品質(zhì)提升具有重要意義，在更廣泛的室內(nèi)氣味、工業(yè)生產(chǎn)氣味、環(huán)境氣味領(lǐng)域也具有重要的參考意義。

2 車內(nèi)氣味氣體分類及其特性

根據(jù)整車及零件散發(fā)性氣體數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，可將車內(nèi)散發(fā)出的氣味氣體分醛類、醇類、苯類、苯酚類、酸類、酯類、酮類、烷烴類、烯烴類、含氮類、含硫類十余類氣體類型。每類氣體因其官能團、分子結(jié)構(gòu)、分子量等因素以及毒理特性和在人類進化過程中的不同角色表現(xiàn)出了不同的氣味特性。

2.1 閾值特性

氣體嗅覺閾值是重要氣體氣味的技術(shù)特性之一。劉偉等研究發(fā)現(xiàn)各國測得的嗅閾值差異明顯[1]，并呈現(xiàn)一定的總體性規(guī)律，其中日本環(huán)境衛(wèi)生中心測得的氣體嗅覺閾值與中國研究機構(gòu)（天津國家惡臭重點實驗室、中國汽車技術(shù)研究中心等）[2-3]測得的嗅覺閾值最為接近。本研究以日本環(huán)境衛(wèi)生中心測得的氣體嗅覺閾值作為參考閾值對各氣體種類進行濃度與嗅覺閾值特性分析。如圖1-圖12 所示。

圖1 醛類氣體氣味閾值特性（按分子量從小道大排列）

圖2 醇類氣體氣味閾值特性（按分子量從小道大排列）

圖3 苯類氣體氣味閾值特性（按分子量從小道大排列）

圖4 苯酚類氣體氣味閾值特性（按分子量從小道大排列）

圖5 酸類氣體氣味閾值特性（按分子量從小道大排列）

圖6 酯類氣體氣味閾值特性（按分子量從小道大排列）

圖7 酮類氣體氣味閾值特性（按分子量從小道大排列）

圖8 烷烴類氣體氣味閾值特性（按分子量從小道大排列）

圖9 烯烴類氣體氣味閾值特性（按分子量從小道大排列）

圖10 含氮氣體氣味閾值特性（按分子量從小道大排列）

圖11 有機含硫氣體氣味閾值特性（按分子量從小道大排列）

圖12 無機含硫氣體氣味閾值特性（按分子量從小道大排列）

從氣體分類嗅覺閾值折線圖可以看出醛類、醇類、苯類、苯酚類、酸類、酯類、酮類、烷烴類、烯烴類在單一官能團的情況下，氣體嗅覺檢知閾值濃度值隨著分子增大而降低。硫醇類含硫有機氣體嗅覺檢知閾值濃度值隨著分子增大而降低；含硫無機氣體嗅覺檢知閾值濃度值隨著分子增大而升高。除氨氣外氨基有機氣體嗅覺檢知閾值濃度值隨著分子增大而升高。由此可以看出單一官能團氣體嗅覺檢知閾值濃度值隨著分子量呈現(xiàn)趨勢性變化。而含有硫、氮等特殊原子氣體嗅覺檢知閾值濃度隨著分子量變化趨勢與僅含有碳、氫、氧元素官能團的氣體有所不同，這可能是由于含有硫、氮等特殊原子的氣體會產(chǎn)生令人難受的惡臭氣味，而且閾值偏低，而隨著分子增大硫、氮所起的刺激作用占比有所減弱的原因。

圖1 中幾類氣體相比，其中烷烴類氣體檢知閾值濃度相對最高，硫醇類氣體檢知閾值濃度相對最低。

2.2 閾值與濃度

氣體嗅覺閾值是氣味氣體的本身特性，氣體濃度是對氣體實際含量檢測的重要量化指標，在不同的情景下氣味氣體會有不同的濃度，不同的濃度直接決定氣味強烈程度[4-5]。所以氣體嗅覺閾值與氣體濃度是互依存的一對氣體氣味量化數(shù)據(jù)。幾種基于嗅覺閾值和氣體濃度的研究方法如下。

a.韋伯-費希納定律。

式中，OI 為氣味強度；k為常數(shù)；C為氣味物質(zhì)的化學濃度。

b.閾稀釋倍數(shù)。

式中，Di為第i種物質(zhì)的閾稀釋倍數(shù);Ci為第i種物質(zhì)的物質(zhì)濃度;CiT 為第i種物質(zhì)的嗅閾值。

c.氣味值OAV、氣味單位OU：計算方法同閾稀釋倍數(shù)。

式中，Ci為第i種物質(zhì)的物質(zhì)濃度;CiT 為第i種物質(zhì)的嗅閾值。

2.3 氣味類型特性

氣體氣味類型是另一個重要的技術(shù)特性。不同分類的氣體具有不同氣味類型表現(xiàn)[6-8]，同類氣體也隨著分子量的變化而發(fā)生著變化。單官能團氣味氣體類型參考如表1 所示。

表1 單官能團氣味氣體類型參考

苯乙烯、丙烯醛、苯甲醛、羰基硫等雙官能團或多官能團氣味氣體的閾值、氣味類型都與單官能團氣體不同，受到了不同官能團共同作用的影響。另外氫氣、氮氣、氧氣、一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣等表現(xiàn)為無氣味或無特定氣味，這與人類生存和進化過程中所處環(huán)境及進化需要有關(guān)?，F(xiàn)代工業(yè)造成的大量人造氣體增加，改變了人類的生存空間氣體環(huán)境，而產(chǎn)生了人類尚未適應(yīng)的大量人造氣味氣體或改變了相關(guān)氣體的濃度，使得氣味感官變得更加復(fù)雜。檢測手段的增強也促進了人類嗅覺依賴性減弱，使得對氣味感官能力的相對退化。

3 氣體氣味特性應(yīng)用探討

3.1 閾值差異性及公稱閾值

王亙、劉偉等不同研究團隊研究發(fā)現(xiàn)各國測得的嗅閾值差異明顯[1,3]。即使在同一地區(qū)，不同研究團隊測得的氣味氣體閾值和氣味類型也存在差異。已知報道過進行過氣體檢知閾值測定的氣體種類超過1 500 種，車內(nèi)常見的氣味氣體種類200～1 000 種，研究團隊對每種氣體進行閾值測定的工作量是非常巨大，周期非常長的。而且不同的研究團隊的測定值相差明顯，造成巨大的重復(fù)投入，和數(shù)據(jù)的混亂，而使得研究難以有顯著成效。氣味氣體的閾值是氣體氣味特性的重要基本特性之一，因此建立國家級或大區(qū)域組織級的統(tǒng)一的閾值測定結(jié)果，將氣體閾值統(tǒng)一化為公認的“公稱閾值”非常必要。

3.2 氣味強度及類型特點

對于單一氣味氣體氣味強度使用韋伯-費希納定律和OAV 進行規(guī)律研究和測定，已經(jīng)證明效果明顯，且在環(huán)境、食品等氣味研究中應(yīng)用。但是對于多種氣體組合的氣體氣味強度和氣味類型尚沒有可以準確應(yīng)用的方法或數(shù)據(jù)。

氣體之間氣味存在著者相促進、協(xié)同、遮蔽、阻抗、異化等多種作用。氣味氣體的種類和組合方式，再加上濃度的組合影響，其需要測定研究的數(shù)量極其龐大。例如車輛在不同條件下的氣味表現(xiàn)會不同[8-9]，參見表 2 案例。

表2 車輛在不同條件下的氣味表現(xiàn)舉例

其中25 ℃光照模擬是將車輛按照HJ/T 400—2007《內(nèi)揮發(fā)性有機物和醛酮類物質(zhì)采樣測定方法》在標準環(huán)境倉內(nèi)25 ℃條件下培養(yǎng)16 h，然后按照ISO 12219—1《道路車輛的內(nèi)部空氣-第1 部分》的條件進行紅外光模擬照射4.5 h 后進行氣味評價；耐受評價是將車輛按照HJ/T 400—2007《內(nèi)揮發(fā)性有機物和醛酮類物質(zhì)采樣測定方法》在標準環(huán)境倉內(nèi)25 ℃條件下培養(yǎng)16 h，然后進行氣味評價，每個評價員在車內(nèi)至少靜坐15 min，然后進行氣味等級、氣味類型、主觀感受的評價。

根據(jù)整車氣味短時評價（汽車行業(yè)常規(guī)氣味評價方法）、耐受評價（北汽越野車特有氣味評價方法）、高溫評價等不同評價方法對不同車輛氣味評價結(jié)果，車內(nèi)氣味有如下幾個特點。

a.車內(nèi)氣味氣體是在變化的，不同材料散發(fā)的不同氣體隨時間變化在車內(nèi)可以達到的濃度是發(fā)生著變化的，多數(shù)是逐漸消減的。對于濃度消減的速率也有不同。這也是車內(nèi)氣味會隨著時間變化，氣味強度和氣味類型會發(fā)生變化的原因。

b.在不同環(huán)境下不同零件的不同材料溫度也是不同的。不同的溫度下同一材料散發(fā)的不同氣體可達到的濃度也是不同。這也是車內(nèi)氣味會隨著車輛環(huán)境變化，氣味強度和氣味類型會發(fā)生變化的主要原因。實踐證明，人的嗅覺感知能力在不同溫度下也存在較大差異。

c.任何一種難聞氣味氣體濃度較高，或具有相互促進、協(xié)同的一類氣體濃度綜合濃度較高時都會造成車內(nèi)氣味不良。對于車內(nèi)氣味的研究以及相應(yīng)產(chǎn)品的開發(fā)，原則上考慮最差情況。

d.根據(jù)整車氣味短時評價（汽車行業(yè)常規(guī)氣味評價方法）、耐受評價（北汽越野車特有氣味評價方法）評價結(jié)果，當人處于車內(nèi)，有些氣味感受時效只有幾秒，有些氣味感受則相對時間更長，有些氣味感受一直存在甚至會越來越強（表3）。

表3 車輛在不同評價方法下的氣味表現(xiàn)舉例

3.3 車內(nèi)氣味客觀化研究及管控技術(shù)路徑

鑒于多組分組合氣味氣體強度、類型特點和車內(nèi)氣味特點，在開展車內(nèi)氣味客觀化研究中有以下2 種技術(shù)路徑。

a.使用陣列傳感或氣體快速分析設(shè)備采集氣體氣味譜圖，使用數(shù)據(jù)庫設(shè)定譜圖偏離范圍，設(shè)定氣味指紋特性。這種方法對于單一產(chǎn)品可以有效進行氣味波動監(jiān)測，快速、準確，適用于質(zhì)量一致性管控。但是每個產(chǎn)品都需要在初期采集氣味譜普圖庫，建立氣味指紋信息。在發(fā)生問題時無法進行有效和快速的問題分析。例如市場上的各種主流電子鼻產(chǎn)品。

b.對于常見氣味氣體建立氣味氣體閾值和氣味類型庫，開發(fā)多個常用的同類氣體氣味強度和類型計算模型。這種方法對于一般的產(chǎn)品開發(fā)、質(zhì)量監(jiān)測都具有良好的監(jiān)測作用，結(jié)果快速、準確。在發(fā)生問題時可以進行快速的問題分析和溯源分析，同時也是氣味設(shè)計的必要手段。這種方法需要深入的氣味氣體研究基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)庫、模型構(gòu)建能力，高精度和快速的檢測設(shè)備投入相對較大。

對于過往研究的綜合氣體氣味強度和氣味類型客觀化模型研究，其投入高，難度高，對于氣體在發(fā)生變化的車內(nèi)氣味適應(yīng)性差，風險評估能力弱。因此短期內(nèi)不建議使用。

3.4 車內(nèi)氣味設(shè)計

在客觀和研究基礎(chǔ)上進行車內(nèi)氣味設(shè)計，開發(fā)具有品牌識別度的車內(nèi)氣味特性是車內(nèi)空氣開發(fā)的主要趨勢之一。進行車內(nèi)氣味設(shè)計主要應(yīng)用了氣味氣體的遮蔽、阻抗、異化作用。在進行車內(nèi)氣味設(shè)計時首先開展車內(nèi)氣味等級控制，使車內(nèi)氣味方案程度并不高，按照6 級氣味評價法，車內(nèi)氣味至少要控制在≤3.5 級的水平，≤3.0 級的水平時效果更佳。根據(jù)用于調(diào)味的氣味成分對車內(nèi)原有氣味成分的相互作用效果不同，將氣味設(shè)計方法主要有如下3 種方法。

a.遮蔽法。通過具有較強氣味識別度，乘客接受程度較高，且對車內(nèi)難聞氣味具有遮蔽作用的氣味遮蔽車內(nèi)不良氣味。可在特定材料（如PVC面料）中加入相對持久散發(fā)特定氣味氣體的成分實現(xiàn)。例如某PVC 面料廠生產(chǎn)的茶香PVC 面料、檸檬香PVC 面料、桔子味PVC 面料等。

b.阻抗法。通過氣味識別度不高，乘客接受程度較高，且對車內(nèi)難聞氣味具有阻抗作用的氣味阻抗車內(nèi)不良氣味?？稍谔囟ú牧希ㄈ鏟VC 面料）中加入相對持久散發(fā)特定氣味氣體的成分實現(xiàn)，也可通過開發(fā)車內(nèi)香氛實現(xiàn)。方法技術(shù)難度高，需要專門的嗅覺及氣味研究機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)。目前在車內(nèi)空氣領(lǐng)域尚且沒有應(yīng)用案例。

c.異化法。通過多種氣味氣體成分相互作用，按照經(jīng)過驗證的特定比例配制產(chǎn)生目標氣味類型感受的香氛。這種香氛產(chǎn)生異于單一組分的氣味，且可以對車內(nèi)異味具有一定的遮蔽作用。例如某品牌車型已經(jīng)開發(fā)的車載香氛，某香水公司開發(fā)的各種香氛產(chǎn)品。香氛產(chǎn)品一般在使用后不同的時間段表現(xiàn)出前調(diào)、中調(diào)、后調(diào)不同的氣味類型。

根據(jù)車內(nèi)原有氣味的強度、類型、組成成分綜合車型定位指定氣味涉及目標，然后根據(jù)前述內(nèi)容和設(shè)計目標選擇遮蔽、阻抗、異化中最為合適的方法作為主要技術(shù)路線進行車內(nèi)氣味調(diào)試，最終達到預(yù)期效果。

4 車內(nèi)主要氣味氣體來源及其影響

根車內(nèi)氣味主要來源于車內(nèi)非金屬材料散發(fā)的氣體。車內(nèi)非金屬材料總類多達數(shù)百種，結(jié)合不同工藝、應(yīng)用量、配方，其散發(fā)的氣味氣體種類及含量復(fù)雜?？梢酝ㄟ^對目標對象散發(fā)的氣體進行分析，結(jié)合主觀氣味評價解雇進行規(guī)律性研究。某真皮面料氣味氣體分析見表4。

表4 某真皮面料氣味氣體分析

根據(jù)整車氣味氣體定性檢測分析、車內(nèi)氣味溯源分析、材料氣味溯源分析數(shù)據(jù)，車內(nèi)主要氣味來源材料及其散發(fā)的主要氣味氣體[6-7]如表5 所示。

表5 車內(nèi)主要氣味來源材料及其散發(fā)的主要氣味氣體

材料中的氣味氣體主要來源于其材料主料、助劑、雜質(zhì)的含有物質(zhì)和改性、合成、成型時的主要生成物質(zhì)及副產(chǎn)物。每種刺激性、惡臭性氣體在散發(fā)后的濃度達到刺激范圍后，都會對車內(nèi)氣味造成難以接受的影響。因此對每種刺激性、惡臭性氣體的濃度都要進行限制，從配方、原料、工藝多角度降低或消除其散發(fā)濃度，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計、倉儲物流、后處理進行全方位進行管控和提升效果。

5 總結(jié)

重點介紹了車內(nèi)氣味氣體的特性及特性應(yīng)用策略，并總結(jié)了主要氣味來源，為車內(nèi)氣味客觀化研究制定技術(shù)路線。

a.車內(nèi)氣味氣體可按不同種類進行氣味閾值、氣味類型的分析和研究；

b.使用氣味強度計算模型、氣味類型判定方法、氣味作用方式制定車內(nèi)氣味分析、客觀化管控、氣味設(shè)計技術(shù)路線；

c.不同氣味影響不同，針對車內(nèi)氣味主要非金屬材料來源及其影響制定針對性的改善措施。