汽車空調(diào)系統(tǒng)出風(fēng)空氣質(zhì)量提升

張吉光 李不凡 王健 張俊華

（奇瑞汽車股份有限公司，蕪湖 241009）

1 前言

隨著大眾消費(fèi)水平和環(huán)保意識(shí)的提升，車內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)注度越來(lái)越高。在全世界范圍內(nèi)，世界衛(wèi)生組織已將車內(nèi)空氣污染與高血壓、艾滋病等列為危害人類健康的十大威脅之一，加之受新冠疫情影響，人們對(duì)空氣質(zhì)量與健康需求的關(guān)注度達(dá)到了前所未有的高度。車內(nèi)空氣質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，已成為消費(fèi)者衡量汽車品質(zhì)的一個(gè)重要因素，整車生產(chǎn)企業(yè)在車輛的設(shè)計(jì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，對(duì)車內(nèi)空氣質(zhì)量的控制要求也越來(lái)越高[1]。

整車氣味和可揮發(fā)有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOC）是關(guān)系乘客健康安全2 個(gè)非常重要的指標(biāo)。車內(nèi)氣味是汽車在一定溫度和濕度條件下，由車內(nèi)材料釋放出的揮發(fā)性物質(zhì)，分散在車內(nèi)空氣中，通過(guò)人的嗅覺(jué)器官所感知到的感官特性，是車內(nèi)第一感觀質(zhì)量，車內(nèi)氣味不佳極易引發(fā)客戶投訴。VOC可揮發(fā)有機(jī)物是指一系列苯類、醛類化學(xué)物質(zhì)的總和，是導(dǎo)致當(dāng)前癌癥類重大疾病的重要根源。車內(nèi)VOC 如果達(dá)到一定濃度，短時(shí)間內(nèi)會(huì)使人感到頭痛、惡心、嘔吐、乏力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)抽搐、昏迷，并會(huì)傷害到肝腎大腦和神經(jīng)系統(tǒng)[2]。

2 汽車空調(diào)系統(tǒng)功能介紹

圖1 所示汽車空調(diào)系統(tǒng)是指能對(duì)車內(nèi)空氣進(jìn)行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，其功能有以下4 個(gè)方面。

圖1 汽車空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

a.控制車廂內(nèi)的溫度，既能加熱空氣，也能冷卻空氣，以便把車廂內(nèi)溫度控制到人體舒適的水平；

b.排出空氣中的濕氣，干燥空氣吸收人體汗液，以營(yíng)造更舒適的環(huán)境；

c.可吸入新風(fēng)，具有通風(fēng)功能；

d.可過(guò)濾空氣，排除空氣中的灰塵、花粉等雜質(zhì)。

車內(nèi)空氣質(zhì)量很大程度上影響著乘坐的舒適性，汽車空調(diào)作為提升乘員舒適性的關(guān)鍵系統(tǒng)，其重要性也越來(lái)越突出，汽車空調(diào)已不再單純用于制冷制暖，而是涉及到節(jié)能環(huán)保、車內(nèi)空氣質(zhì)量等多維度需求。為了應(yīng)對(duì)消費(fèi)者的需求，提升品牌競(jìng)爭(zhēng)力，結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)的功能，各主機(jī)廠打造了屬于自己車內(nèi)空氣質(zhì)量管理系統(tǒng)。

3 提升空調(diào)系統(tǒng)空氣質(zhì)量的方案

3.1 空調(diào)系統(tǒng)材料提升

汽車零部件使用的塑料、橡膠、織物、油漆涂料、保溫材料、粘合劑等材料中含有的有機(jī)溶劑、助劑、添加劑等揮發(fā)性成分釋放到車內(nèi)，會(huì)造成車內(nèi)空氣污染?？照{(diào)箱總成位于車內(nèi)儀表板總成下方位置，空調(diào)箱總成材料散發(fā)的揮發(fā)性組分在空調(diào)箱相對(duì)狹小封閉的空間中聚集，當(dāng)空調(diào)啟動(dòng)后鼓風(fēng)機(jī)將這些揮發(fā)性物質(zhì)吹入車艙內(nèi)，這不僅會(huì)引起駕乘人員嗅覺(jué)上的不愉快，更為嚴(yán)重的是，這些VOC 組分對(duì)人體健康會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此需要對(duì)空調(diào)箱總成各個(gè)分零件所使用原材料進(jìn)行篩選和控制，選用環(huán)保的材料是降低車內(nèi)污染的重要手段。各主機(jī)廠車內(nèi)空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)介紹見(jiàn)表1。

表1 各主機(jī)廠車內(nèi)空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)介紹

如表2 所示，為了改善空調(diào)箱總成氣味性，需要對(duì)重要材料進(jìn)行提升，空調(diào)箱殼體聚丙烯加20%滑石粉（PP-T20）材料需要選用低散發(fā)規(guī)格，如普利特A5132T VOC，通過(guò)配方設(shè)計(jì)優(yōu)化選用低散發(fā)的原料和助劑，添加吸附劑及除味劑，加工過(guò)程中采用雙真空循環(huán)烘料系統(tǒng)可以全面改善PP-T20材料的氣味性和散發(fā)性[3]。撥盤撥桿選用低散發(fā)聚甲醛（POM）規(guī)格，通過(guò)使用高純度的聚合單體，減少不穩(wěn)定聚合終端的數(shù)量，添加甲醛捕捉劑，可使甲醛揮發(fā)量減少至普通規(guī)格的10%以下?？照{(diào)箱殼體PP-T20 材料用量大對(duì)氣味和VOC 貢獻(xiàn)度高，POM 對(duì)甲醛含量影響較大，切換為低散發(fā)材料后，可以大大降低空調(diào)箱總成VOC 散發(fā)量，如圖2所示，采用袋式法VOC 測(cè)試方法，將改進(jìn)前后的空調(diào)箱總成分別放入1 000 L Tedlar 采樣袋中，充入適量氮?dú)?，加?5 ℃/2 h，待VOC 氣體充分散發(fā)后，用Tenax 管吸附苯烴類物質(zhì)，用ATD-GC-MS 檢測(cè)，用DNPH 管吸附醛酮類物質(zhì)，洗脫后用HPLC檢測(cè)。改進(jìn)后的空調(diào)箱總成苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛8 種有害物質(zhì)的濃度均有很大程度的降低。

表2 空調(diào)箱總成主要分零件及材料提升方案

圖2 空調(diào)箱總成改進(jìn)前后散發(fā)性對(duì)比

傳統(tǒng)的空調(diào)風(fēng)門一般采用聚丙烯加40%滑石粉（PP-T40）注塑件加背膠粘接聚氨酯（PU）海綿，改為PP-T40+苯乙烯熱塑性彈性體（SEBS）二次注塑結(jié)構(gòu)后，避免了膠黏劑的使用，同時(shí)熱塑性的SEBS 材料與PU 海綿相比在氣味性、密封性、工藝穩(wěn)定性方面都有很大提升。同理傳統(tǒng)三元乙丙橡膠（EPDM）橡膠排水管也可以采用更環(huán)保的熱塑性SEBS 或者熱塑性硫化橡膠（TPV）材料進(jìn)行替換。進(jìn)風(fēng)處密封海綿、膨脹閥與前擋板密封海綿由于密水性的要求，一般采用半開(kāi)半閉孔結(jié)構(gòu)聚氯乙烯/丁腈橡膠（PVC/NBR）或者EPDM 海綿，圣戈班的生物基PU 海綿采用生物基來(lái)源的多元醇進(jìn)行聚合，含有疏水性的烷基接枝聚合物，可以在滿足密水性要求的同時(shí)達(dá)到低氣味低VOC 散發(fā)的要求。如表3 所示采用大眾VDA270 氣味測(cè)試方法，取(10±1)cm3體積大小海綿放置于容量為1L帶有密封蓋的玻璃器皿中，在電熱鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行80 ℃/2 h加熱處理，取出回冷到（60±5）℃后進(jìn)行氣味等級(jí)評(píng)價(jià)，PU 生物基海綿氣味等級(jí)可達(dá)到3.0 級(jí)，同時(shí)有機(jī)物總碳揮發(fā)量、冷凝組分遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PVC/NBR 及EPDM海綿，是比較理想的環(huán)保替代材料。

表3 PU生物基海綿與PVC/NBR、EPDM海綿性能對(duì)比

3.2 空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制策略優(yōu)化

除了評(píng)價(jià)空調(diào)系統(tǒng)使用的非金屬材料氣味等級(jí)外，在整車實(shí)際使用過(guò)程中，還需要通過(guò)主觀感受評(píng)價(jià)空調(diào)出風(fēng)質(zhì)量、其評(píng)價(jià)維度主要有氣味強(qiáng)度、氣味傾向和氣味感覺(jué)（表4），評(píng)價(jià)的工況條件要涵蓋空調(diào)使用的各種場(chǎng)景，要求出風(fēng)口氣味強(qiáng)度≤3.0級(jí)，無(wú)化學(xué)品或內(nèi)裝材料等異味，氣味感覺(jué)清新舒適。

表4 空調(diào)出風(fēng)空氣質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)推測(cè)

常見(jiàn)的空調(diào)出風(fēng)異味有廢氣味、霉味、酸臭味、化學(xué)溶劑味、塑料橡膠味等，這些問(wèn)題一直困擾著汽車用戶和設(shè)計(jì)人員，由于汽車空調(diào)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，異味形成的原因多種多樣，通常情況下往往比較難以徹底解決，因此需要在材料選用上進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)外，在空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制策略都需要不斷進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

a.廢氣味?？照{(diào)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口位于前風(fēng)擋下裝飾板處，為了防止發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的前艙廢氣通過(guò)裝飾板與車身空隙處的貫穿孔，吸入外循環(huán)進(jìn)風(fēng)口后進(jìn)入乘客艙。這要求在前期設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮好車身工藝孔、風(fēng)擋下飾板和流水槽搭接處、發(fā)蓋和風(fēng)擋下飾板搭接處的密封阻隔效果。另外下裝飾板進(jìn)風(fēng)口格柵的位置、形狀及流水槽的設(shè)計(jì)也要提前考慮，格柵進(jìn)風(fēng)口的位置優(yōu)先考慮在車輛左側(cè)位置開(kāi)孔，避免正對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口。為了防止樹(shù)葉、樹(shù)枝、昆蟲(chóng)等異物進(jìn)入，開(kāi)孔尺寸建議長(zhǎng)度≤50 mm，寬度≤4 mm，或者設(shè)計(jì)為蜂窩狀結(jié)構(gòu)。流水槽要設(shè)計(jì)足夠的傾斜角度，流水孔的位置要位于最低處。當(dāng)駕駛?cè)藛T清洗前風(fēng)擋玻璃時(shí)，玻璃水從雨刮臂根部進(jìn)入流水槽，如流水槽設(shè)計(jì)不合理，玻璃水無(wú)法及時(shí)排走，其中添加的酒精揮發(fā)后與空氣混合，從外循環(huán)風(fēng)口進(jìn)入車內(nèi)，可以被駕乘人員清晰地感知到。

b.霉味、酸臭味?？照{(diào)出風(fēng)霉味在IQS 抱怨中比例較高，其產(chǎn)生的原理是空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空氣中的水汽在空調(diào)的冷凝蒸發(fā)器表面形成冷凝水，其中一部分水在空調(diào)關(guān)閉后會(huì)留在蒸發(fā)器和空調(diào)管路中，這些水汽和空氣中的微生物及污染物相結(jié)合，在潮濕、溫暖和黑暗的空調(diào)系統(tǒng)中成為霉菌和螨蟲(chóng)滋生的溫床，所以減少空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部潮濕環(huán)境是預(yù)防霉味產(chǎn)生的有效途徑[4]。通過(guò)對(duì)冷凝蒸發(fā)器翅片表面涂覆親水涂層，形成親水涂膜，可以減少翅片掛水現(xiàn)象，使冷凝水迅速在翅片上鋪展并流走，避免冷凝水在蒸發(fā)器處集聚。對(duì)于空調(diào)管路來(lái)講，在HPDE 吹塑風(fēng)管外包裹保溫棉或者采用發(fā)泡的XPE 管，降低材料導(dǎo)熱系數(shù)減少熱損失，可以減少瞬間冷熱沖擊產(chǎn)生的冷凝水。大多數(shù)人習(xí)慣于停車后直接熄火，這樣會(huì)使冷凝水與進(jìn)入風(fēng)管的灰塵混合，久而久之發(fā)生霉變，通過(guò)空調(diào)控制策略設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)延遲關(guān)閉，在停車后增加后吹風(fēng)功能，以便吹干殘留在冷凝器和管路中的水滴。當(dāng)然培養(yǎng)用戶形成良好的用車習(xí)慣，定期更換空調(diào)濾芯，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)冷凝器和管路進(jìn)行清洗也是消除空調(diào)霉味的重要手段。

c.化學(xué)溶劑味。為了滿足油耗要求更多的車輛開(kāi)始配置發(fā)動(dòng)機(jī)啟停功能，同時(shí)為了滿足快速制冷的要求，壓縮機(jī)功率過(guò)大，會(huì)使蒸發(fā)器表面溫度短暫過(guò)沖到0 ℃以下，冷凝水結(jié)冰后，溶解在冷凝水中的親水性異味分子集中釋放后會(huì)產(chǎn)生類似化學(xué)溶劑的刺激性氣味，為了消除這個(gè)氣味需要采用變排量壓縮機(jī)配合新的軟件標(biāo)定策略，精確控制壓縮機(jī)排量和鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量等參數(shù)，使蒸發(fā)器表面溫度極限靠近0 ℃而又不低于冰點(diǎn)，這樣既可以消除異味又不過(guò)分損失制冷能力[5]。

d.塑料橡膠味。塑料橡膠等非金屬材料由于其材料本身的特性，雖然可以通過(guò)選用低散發(fā)環(huán)保材料來(lái)盡量降低材料氣味，但往往很難做到無(wú)色無(wú)味。尤其在夏天室外暴曬后，受車內(nèi)高溫影響，空調(diào)系統(tǒng)中橡膠塑料材料中異味分子在高溫條件下更容易散發(fā)在空調(diào)箱及風(fēng)管中，這部分空氣在空調(diào)開(kāi)啟的瞬間被鼓風(fēng)機(jī)送出來(lái)，可以被駕乘人員感知到而引起抱怨。在車輛啟動(dòng)前，可以通過(guò)鑰匙解鎖或者手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制，提前開(kāi)啟空調(diào)風(fēng)扇以最大風(fēng)速將車外新鮮空氣送入車內(nèi)，通過(guò)空氣循環(huán)吹走空調(diào)箱及車內(nèi)渾濁空氣，讓車廂內(nèi)充盈新鮮空氣，如果駕駛側(cè)車門打開(kāi)，空氣循環(huán)即停止。當(dāng)車輛長(zhǎng)時(shí)間駐車，空調(diào)系統(tǒng)可以通過(guò)時(shí)間控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)，定期將車內(nèi)氣體通過(guò)尾部排風(fēng)口排出。通過(guò)以上控制策略可以大大減少塑料橡膠味的抱怨。

3.3 空調(diào)系統(tǒng)功能升級(jí)

汽車空調(diào)的使用性能關(guān)聯(lián)著駕駛舒適性，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)汽車空調(diào)功能提出越來(lái)越多的要求，除了單純的制冷制熱外，還涉及到節(jié)能環(huán)保、車內(nèi)空氣質(zhì)量和滿足用戶個(gè)性化的需要，汽車空調(diào)技術(shù)向著更智能，多電子控制與顯示更精密的方向發(fā)展[6]。

a.AQS 空氣質(zhì)量管理系統(tǒng)。汽車在公路上行駛時(shí)，車外空氣中污染物主要包括各種懸浮粉塵，汽車尾氣（CO、CO2、SO2等有害氣體），各種煙霧、花粉、細(xì)菌等。車內(nèi)空氣的污染則主要由人體活動(dòng)產(chǎn)生，如人體呼出的CO2，身體散發(fā)出的汗味，吸煙產(chǎn)生的煙霧等等。隨著智能化空調(diào)的普及，越來(lái)越多的車型開(kāi)始配置AQS 空氣質(zhì)量管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過(guò)電子傳感器對(duì)車內(nèi)外的空氣質(zhì)量，例如 PM2.5、PM10、SO2、NO2和 CO 等有害物質(zhì)濃度進(jìn)行分析，并通過(guò)中控大屏實(shí)時(shí)顯示相關(guān)信息。當(dāng)檢測(cè)到外界空氣污染嚴(yán)重時(shí)，車輛自動(dòng)將通風(fēng)系統(tǒng)切換到內(nèi)循環(huán)模式，有效阻止污染物進(jìn)入車內(nèi)，同時(shí)通過(guò)多重過(guò)濾器（包括顆粒物花粉過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器）對(duì)車內(nèi)空氣進(jìn)行凈化，更好的控制車內(nèi)空氣質(zhì)量。

b.空調(diào)濾芯技術(shù)。空調(diào)濾芯能過(guò)濾空氣中灰塵、花粉等固體雜質(zhì)，吸附空氣中有害物質(zhì)和水分，保證車內(nèi)空氣的清潔，其重要性不言而喻。隨著技術(shù)的發(fā)展，空調(diào)濾芯功能不斷升級(jí)，從傳統(tǒng)的單效濾芯到多效濾芯，甚至向電子濾芯發(fā)展。單效濾芯多為普通濾紙或無(wú)紡布制成，可以阻擋花粉等顆粒，但不具備吸附病菌、灰塵、PM2.5等有害物質(zhì)的能力，雙效濾芯在單效濾芯的基礎(chǔ)上增加活性炭物質(zhì)，有一定吸收異味和甲醛的功能。多效濾芯在雙效濾芯的基礎(chǔ)上增加了靜電吸附材質(zhì)，有了對(duì)超微粒物質(zhì)的吸附能力，可有效過(guò)濾PM2.5。電子濾芯在傳統(tǒng)濾芯基礎(chǔ)上增加了電子元器件，能產(chǎn)生等離子場(chǎng)或者靜電場(chǎng)，清除車內(nèi)甲醛、異味，滅殺車內(nèi)細(xì)菌和病毒、進(jìn)一步提高空氣凈化效果。

c.負(fù)離子凈化器。通常由負(fù)離子發(fā)生器、微風(fēng)扇、空氣過(guò)濾器等系統(tǒng)組成。如圖3所示，污染的空氣通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)的各種裝置進(jìn)行過(guò)濾殺菌除臭等凈化處理后，再經(jīng)過(guò)裝在出風(fēng)口的負(fù)離子發(fā)生器（工作時(shí)負(fù)離子發(fā)生器中的高壓產(chǎn)生直流負(fù)高壓），將空氣不斷電離，產(chǎn)生大量負(fù)離子，被微風(fēng)扇送出，形成負(fù)離子氣流，達(dá)到清潔、凈化空氣的目的。

圖3 空氣凈化系統(tǒng)工作流程

d.車內(nèi)主動(dòng)香氛。汽車空調(diào)可以把車內(nèi)溫濕度保持在人體體感舒適的區(qū)間，嗅覺(jué)的調(diào)節(jié)也屬于空調(diào)的范疇。車載香氛系統(tǒng)一般放置于手套箱內(nèi)，與空調(diào)系統(tǒng)連接，香水通過(guò)空調(diào)管路均勻的釋放到車內(nèi)，同時(shí)還可以根據(jù)擋位調(diào)節(jié)香味的濃烈。香氛系統(tǒng)中香型的選擇非常重要，通常原車會(huì)推出一些適合本車的香型，車主也可以根據(jù)自己的喜好自行替換或添加香水，滿足用戶個(gè)性化的需要。香氛系統(tǒng)氣味調(diào)節(jié)功能可以令人神清氣爽，營(yíng)造更為舒適的車內(nèi)氛圍，提升整車質(zhì)感及豪華感。

4 結(jié)論

a.選用綠色環(huán)保材料，降低空調(diào)系統(tǒng)中非金屬材料的氣味等級(jí)和VOC 含量，才能從源頭管理好空氣質(zhì)量；

b.通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制策略優(yōu)化，可以解決空調(diào)使用過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣味、霉味、酸臭味、化學(xué)溶劑味、塑料橡膠味等異常氣味；

c.隨著人們對(duì)車內(nèi)空氣質(zhì)量關(guān)注度的提高和空調(diào)技術(shù)的發(fā)展，空氣質(zhì)量管理系統(tǒng)、負(fù)離子凈化器、車內(nèi)主動(dòng)香氛等越來(lái)越多的新技術(shù)將在車輛上實(shí)施，不斷提升車內(nèi)舒適度和清潔度，才能更好地保護(hù)駕乘人員的健康與安全。