何莉萍，辛宇航，楊金，夏凡，李琦，江楠，肖詠坤，劉丹鳳

（1.湖南大學機械與運載工程學院，湖南長沙 410082；2.車輛排放與節(jié)能重慶市重點實驗室，重慶 401122；3.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

汽車制造業(yè)是我國經濟增長的重要產業(yè)之一.汽車已成為人們出行的重要交通工具.相關資料顯示，人們平均每天在車內待115 min［1］，在交通擁堵的地區(qū)用車時間可能更長［2］.車內空間較小且構成復雜，是一種特殊的室內微環(huán)境.現代汽車廠商和用戶對車內空氣質量尤為關注，車內揮發(fā)性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）影響車內空氣質量，危害乘員健康和行車安全.車內VOCs 是指熔點低于室溫而沸點為50～260 ℃的揮發(fā)性有機化合物，主要包括甲醛、甲苯、二甲苯、苯及苯乙烯等有害物質.這些有害物質主要來自車內內飾零部件，如儀表板、座椅、門板、地毯和頂棚等.車內VOCs 超標會嚴重影響車內空氣質量，從而危害駕駛員和乘員的呼吸、循環(huán)和神經系統(tǒng)，引發(fā)“駕駛綜合征”并影響行車的安全性［3-4］.目前，世界衛(wèi)生組織已明確將車內VOCs 等有害氣體污染與高血壓、艾滋病等共同列入人類健康的十大危害之一［5］.因此，國內外均制定和頒發(fā)了車內VOCs 測試及評價標準的相關法規(guī)［6-9］，如德國PV3938 標準、日本《車內VOC 試驗方法》、俄羅斯《GOST R51206—2004 標準》以及我國《車內揮發(fā)性有機物和醛酮類物質采樣測定方法》（HJ/T 400—2007），并開展基于VOCs 的車內空氣質量評價研究［10-11］.

汽車VOCs溯源分析是降低整車VOCs和提高整車空氣質量的重要途徑，與汽車主機廠及其零部件供應商的綠色正向設計以及VOCs 的逆向管控密切相關.為此，國內外學者從試驗和理論方面開展了VOCs溯源研究.Yang 等［12］、胡懿等［13］和梁波等［14］通過實驗檢測不同材料散發(fā)的某種單一VOCs 組分質量濃度，比較各材料散發(fā)的該VOCs組分質量濃度大小，確定對該VOCs 組分貢獻最大的車內材料；LU¨等［15］以及徐永新等［16］通過實驗檢測了不同零部件散發(fā)的某種VOCs組分質量濃度，通過比較不同零部件散發(fā)的該VOCs 組分的質量濃度大小，確定對該VOCs 組分貢獻度最大的零部件.從零部件角度來開展整車VOCs 溯源的理論方法主要有2 種：李人哲等［17］、婁金分等［18］采用匹配分析方法，通過將第i種VOCs組分質量濃度除以各VOCs質量濃度總和計算出VOCs組分i對整車VOCs貢獻權重Ki，再將n種VOCs 組分的權重Ki（i=1，2，…，n）與第j種零部件散發(fā)的n種VOCs 組分質量濃度對應相乘并求和，從而獲得該零部件對整車VOCs的貢獻度，再依據貢獻度值的大小來溯源分析并尋求對整車VOCs 貢獻度大的零部件；Liang 等［19］、朱振宇等［20］采用化學質量平衡模型分析法，基于各零部件散發(fā)的VOCs組分質量濃度有明顯的差別和零部件散發(fā)VOCs 之間沒有相互作用等假設，建立了計算各零部件對整車VOCs貢獻度的方程組，并通過最小二乘法求解車內零部件對整車VOCs的貢獻度.

分析上述車內VOCs溯源研究不難發(fā)現，前期的實驗檢測研究主要從單一VOCs組分方面進行溯源，并不是以綜合考慮零部件各種VOCs 組分的方式進行溯源.現有的VOCs 溯源理論方法中，往往以某VOCs組分質量濃度占各VOCs質量濃度總和的比重作為對整車VOCs 貢獻權重，僅僅從某種VOCs 組分的質量濃度角度考慮其對整車VOCs的貢獻度.事實上，不同VOCs 組分具有不同的國標限值，國標限值反映了某種VOCs組分的危害程度以及對整車VOCs的重要性.綜合考慮某種VOCs組分濃度大小和危害性兩方面的整車VOCs 權重研究值得開展.另外，在整車微空間環(huán)境中，各個零部件中所含VOCs的組分種類和大小不同，這些VOCs組分在擴散過程中對整車VOCs的貢獻存在交互作用和協(xié)同影響效應［21］，考慮零部件散發(fā)的VOCs 之間協(xié)同效應的溯源理論方法尚未見報道.

鑒于此，本文首次嘗試建立一種能夠反映零部件散發(fā)VOCs 的交互協(xié)同效應的零部件-整車VOCs溯源分析數學模型；基于國標限值從質量濃度和危害度兩方面探討某種VOCs組分對整車VOCs貢獻權重；采用多目標決策法和三角模糊數語義學定義理論，尋求一種可以定量求解多級VOCs溯源分析數學模型中各級影響權重和多級組合權重的理論方法.旨在完善和豐富車內VOCs溯源的理論與方法，為整車低VOCs 正向綠色設計和逆向管控提供技術支撐.此外，本研究以某款車型及其內飾零部件VOCs質量濃度實測值為依據開展了案例驗證研究.

1 VOCs多級溯源分析理論方法

1.1 建立車內VOCs多級溯源分析數學模型

本文通過分析討論車內VOCs 的主要來源與危害性相對較大的VOCs 組分［22-23］，確定整車VOCs 中危害大的主要成分分別為甲醛、乙醛、乙苯、甲苯及二甲苯，這些VOCs組分的主要來源是座椅、地毯、儀表板等內飾零部件.綜合考慮各種零部件（座椅、地毯、儀表板等）散發(fā)的VOCs 主要組分（二醛三苯）之間的交互作用和協(xié)同影響效應，首次建立了綜合考慮零部件-整車的VOCs 多級溯源分析數學模型，如圖1 所示.VOCs 多級溯源分析數學模型中Cj代表散發(fā)污染物VOCs 的零部件（j代表整車中某一種零部件，j=1，2，…，m），這些零部件對整車中某一種VOCs組分（Bi，i代表某一種VOCs組分，i=1，2，…，n）都有大小不一的貢獻，零部件（Cj）對整車VOCs 組分（Bi）的貢獻是多個零部件散發(fā)VOCs交互作用的體現.在分析模型中，假設某一種零部件（Cj）對某一種VOCs組分（Bi）的貢獻權重為Pij，第i種VOCs組分（Bi）對整車VOCs 的貢獻權重為fi，本研究中fi將不再是將第i種VOCs組分質量濃度除以各VOCs質量濃度總和的比值，而是從質量濃度和危害度兩方面綜合考慮某種VOCs組分對整車VOCs貢獻權重.

圖1 綜合考慮零部件-整車的VOCs多級溯源分析數學模型Fig.1 Mathematical analysis model for multi-level VOCs traceability considering parts and a whole vehicle

1.2 VOCs溯源定量分析理論方法

為了定量分析確定VOCs 溯源分析數學模型的Pij和fi，提出了一種綜合應用多目標決策法和三角模糊數語義學定義的多級VOCs 溯源數學模型定量分析方法.

基于M（l，m，u）三角模糊數原理，確定反映不同零部件對某一種VOCs 組分貢獻相對大小以及各VOCs 組分對整車VOCs 貢獻相對大小的VOCs 溯源分析的三角模糊數語義學定義（表1）.三角模糊數M中的l、u分別是模糊數的下界和上界，當m＞1 時，從B～C層面來看，視為某零部件對某種VOCs組分的貢獻大于另一零部件，從A～B層面來看，視為某VOCs組分對整車VOCs 的貢獻大于另一VOCs 組分；當m＜1時則相反［24-25］.

表1 VOCs溯源分析的三角模糊數語義學定義Tab.1 Semantic definition of triangular fuzzy number for VOCs traceability analysis

依據表1，應用多目標決策方法［26］構建車內VOCs 多級分析模型中求解各級權重因子的成對比較矩陣.通過比較各VOCs組分質量濃度值與國標限值之間的比值，可以構造第i種VOCs對整車VOCs貢獻權重fi的成對比較矩陣A～B，從而求解fi；通過比較各零部件散發(fā)各VOCs組分質量濃度大小，可以求解第j種零部件對第i種VOCs 組分貢獻權重Pij的成對比較矩陣B～C，從而分析判斷各種VOCs 組分對整車VOCs 貢獻度大小序次，確定哪一種VOCs 組分的危害性最大.

三角模糊數M1、M2的計算遵守下列理論法則：

在上述理論基礎上，求解多級VOCs溯源數學模型中權組合權向量，從而判斷哪種零部件對整車VOCs 貢獻最大，為整車VOCs 的溯源以及企業(yè)降低汽車零部件VOCs 提供決策依據.表2 為整車VOCs溯源分析中各級權重.

表2 整車VOCs溯源分析中各級權重Tab.2 Weight factors at all levels for VOCs traceability in a whole vehicle

表2 中的初始權重值應用模糊數學理論中的權重計算公式（6）計算［27］：

初始權重值是由li、mi、ui構成的三角模糊數，依據模糊數學理論中的去模糊化公式（7）［28］和常用的歸一化公式（8）進行去模糊化和歸一化處理.

基于零部件-整車的車內VOCs多級定量溯源分析數學模型權重向量依據公式（9）計算：

式中：Pji×fi為第j種零部件中VOCs 組分i下對整車VOCs的貢獻；ωj為零部件j對整車VOCs貢獻的權重.

各零部件對整車VOCs貢獻組合權重向量為：

2 案例研究

依據本文提出的綜合零部件-整車的VOCs多級溯源分析數學模型，建立從零部件到整車的案例車型VOCs多級溯源分析模型，如圖2所示.

圖2 案例車型VOCs多級溯源分析模型Fig.2 Multi-level traceability analysis model of VOCs in the case model

案例車型中零部件散發(fā)的主要VOCs 組分及其質量濃度采用采樣袋法檢測.測試條件和步驟如下（ISO 12219-2—2012）：1）預處理.將零部件放入2 000 L 采樣袋，充入50%氮氣.然后將密封的采樣袋放入恒溫箱中，在65 ℃下加熱2 h.2）氣體采集.利用TENEX 管與DNPH 管吸附采樣袋中的苯烴類物質和醛酮類物質.3）儀器分析.采用氣質聯用（ATDGC/MS）儀器以及高效液相色譜（HPLC）儀分別檢測苯烴類物質質量濃度和醛酮類物質質量濃度［29］.采樣袋法示意圖如圖3 所示，各VOCs 質量濃度檢測結果如表3所示.

表3 案例車型中零部件散發(fā)的主要VOCs組分及其質量濃度值Tab.3 The main emitted VOCs components and concentrations of the parts in the case model

2.1 計算各零部件對VOCs組分的貢獻權重

以二甲苯計算為例，對比各零部件散發(fā)二甲苯的質量濃度值，并基于三角模糊數語義學定義（如表1 所示），建立了5 種零部件對二甲苯貢獻的成對比較矩陣，即B1～C.

同理，對不同VOCs 組分下的各零部件進行對比，構建各零部件對每種VOCs組分貢獻的成對比較矩陣.

根據式（6）求解儀表板對二甲苯貢獻的初始權重：

通過式（7）和式（8）進行去模糊化和歸一化處理，最終獲得儀表板對二甲苯的貢獻權重為0.122.

同理可以獲得前排座椅、后排座椅、地毯和頂棚對二甲苯的貢獻權重分別為0.139、0.139、0.171 和0.429.

在此基礎上，可以得到反映5 種零部件對二甲苯貢獻的權重向量：

以此類推，可以求解獲得5 種零部件對甲苯、乙苯、甲醛和乙醛組分貢獻的權重向量分別為：

2.2 計算各種VOCs組分對整車VOCs的貢獻權重

依據整車測定的各VOCs質量濃度值，求其與對應的國標限值的比值，可以得到整車中各VOCs組分的超標倍數，如表4所示.

表4 車內各項VOCs組分的超標倍數表Tab.4 Exceedance multiples of each VOCs component in the vehicle

依據車內各項VOCs 指標的超標倍數和表1 中三角模糊數語義學定義，計算各種VOCs組分對整車VOCs貢獻大小的成對比較矩陣A～B.

根據公式（6）求出各種VOCs 組分對整車VOCs的貢獻初始權重.以二甲苯計算為例：

通過式（7）和式（8）去模糊化以及歸一化，求得二甲苯對整車VOCs貢獻權重為0.125.

同理可求得甲苯、乙苯、甲醛和乙醛對整車VOCs貢獻權重分別為0.178、0.099、0.344和0.254.

由此可得，各VOCs 組分對整車VOCs 貢獻的權重向量為：

2.3 計算各零部件對整車VOCs貢獻的組合權重

根據上述分析計算，得到案例車型車內VOCs溯源各級權重數據如表5所示.

表5 案例車型車內VOCs溯源各級權重數據表Tab.5 In-vehicle VOCs traceability weight at all levels in the case model

根據式（9）計算獲得儀表板對整車VOCs貢獻的組合權重為：

同理可得前排座椅、后排座椅、地毯和頂棚對整車VOCs 貢獻的組合權重分別為0.294、0.225、0.166和0.158.組合權向量為：

由此可見，前排座椅對整車VOCs 貢獻度最大，其次是后排座椅，然后是地毯，儀表板和頂棚影響最小.結合表3，不難發(fā)現，從零部件到整車的多級VOCs 分析溯源體系中，整車VOCs 不是某一零部件所含各種VOCs 組分質量濃度的簡單疊加.表3 中VOCs 組分質量濃度簡單疊加最大值對應的是儀表板和頂棚，但是，當考慮各個零部件中污染物（VOCs）在擴散過程中相互作用后，依據本文提出的零部件-整車車內VOCs多級溯源分析數學方法求解得出的結果是前排座椅對整車VOCs貢獻最大.

鑒于溯源分析表明，該款車型的VOCs主要來源是汽車座椅，因此可以考慮針對座椅零部件從材料和工藝上加以改進.在材料選擇方面，禁用或少用聚甲醛樹脂材料，并開發(fā)和使用新型環(huán)保型黏合劑/密封膠；座椅發(fā)泡工藝中選擇環(huán)保型發(fā)泡劑和反應型胺類催化劑，提高反應率是降低VOCs 的主要改善方向.座椅零部件成型之前對原材料進行適當烘烤加熱，可以有效釋放材料中的VOCs，降低座椅零部件后期使用中的VOCs釋放［30］.

3 結論

本文提出了一種從零部件到整車的VOCs 多級溯源分析新方法，綜合考慮零部件散發(fā)VOCs的交互協(xié)同效應以及各VOCs組分的危害程度，是一種更為完善精確的車內VOCs溯源分析方法.該方法可以定量計算從零部件到整車的各級組合影響權重，并確定各零部件對整車VOCs 的貢獻度大小及影響等級次序.

采用所提出的綜合零部件-整車VOCs多級溯源分析數學模型與方法開展案例分析得出：案例車型的主要零部件儀表板、前排座椅、后排座椅、地毯及頂棚對整車VOCs 的貢獻權重分別為0.157、0.294、0.225、0.166、0.158.前排座椅是對整車VOCs 貢獻度最大的零部件，需要從制造材料和工藝方面進行改進.另外，案例車型中二甲苯、甲苯、乙苯、甲醛及乙醛對整車VOCs 的影響權重向量F=［0.125，0.178，0.099，0.344，0.254］，表明該案例車型中VOCs 組分危害程度大小的排序為甲醛＞乙醛＞甲苯＞二甲苯＞乙苯.

本文提出的綜合零部件-整車的VOCs多級溯源分析數學模型與方法可望為主機廠和零部件供應商從零部件開展VOCs溯源管控提供理論指導.