原文：《Experimental research on internal environment changes of headlamp under actual vehicle usage and design guidance for preventing headlamp fogging》

作者：Cheng Lei, Zhang Kai

編譯：繆雯卿 郭雨欣

指導(dǎo)：林燕丹

汽車前照燈內(nèi)部環(huán)境對前照燈外透鏡上的霧化現(xiàn)象起決定性作用。它受到多種因素的復(fù)雜影響，如燈具本身的吸水性、內(nèi)外環(huán)境交換、車輛使用頻率等。本文以某型汽車為研究對象，研究了汽車在各種外部環(huán)境影響下全年的車內(nèi)溫濕度變化規(guī)律。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，提出了一些防霧建議。

01前照燈燈具霧化

針對前照燈的燈具霧化一直是一個(gè)敏感話題，如何以可接受的成本設(shè)計(jì)燈具，使霧化不容易發(fā)生、不被發(fā)現(xiàn)或霧化后能迅速消散，是燈具制造商的主要目標(biāo)。

目前針對前照燈霧化的解決方案主要有：1.合理的燈具內(nèi)外環(huán)境交互系統(tǒng)，如不同的通風(fēng)管或膜布置；2.防霧涂層；3.干燥劑。三者都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，正確地結(jié)合使用是一個(gè)復(fù)雜而系統(tǒng)的課題。前照燈的內(nèi)部環(huán)境變化（如溫度和濕度變化）是霧霾發(fā)生的根本原因，外部環(huán)境刺激是霧霾發(fā)生的原因。對燈具內(nèi)部環(huán)境變化的研究和分析將指導(dǎo)開發(fā)過程中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)的優(yōu)化，對基礎(chǔ)研究具有重要意義。

02照燈測試方案與分析方法

利用通風(fēng)管增加氣體流量是大眾集團(tuán)在世界范圍內(nèi)廣范使用的解決霧化問題的方法。本文使用的前照燈有圖1所示的四根通風(fēng)管。溫度和濕度傳感器以不影響前照燈內(nèi)環(huán)境的特定方式放置在前照燈內(nèi)。從燈具供應(yīng)商處將零件組裝出生產(chǎn)線后立即進(jìn)行收集，在上海地區(qū)經(jīng)歷了春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)。其中涵蓋了前照燈霧化投訴蕞為明顯的兩個(gè)季節(jié)，即夏季雨季和冬季。

圖1 前照燈上的通風(fēng)管示意圖

直接從數(shù)據(jù)采集傳感器獲取燈內(nèi)的環(huán)境溫度（t）和環(huán)境濕度（RH）。路點(diǎn)溫度（ts），是指空氣中的氣態(tài)水達(dá)到飽和并在固定氣壓下凝結(jié)成液態(tài)水的溫度。根據(jù)環(huán)境空氣溫度和空氣相對濕度，可根據(jù)圖2中方程式1至3計(jì)算此時(shí)空氣的路點(diǎn)溫度。對于前照燈，當(dāng)外部透鏡上的溫度低于內(nèi)部環(huán)境路點(diǎn)時(shí)會產(chǎn)生霧。

水蒸氣壓力（p）是空氣中的水蒸氣產(chǎn)生的分壓，間接表示空氣中的水蒸氣含量。當(dāng)大氣中的水蒸氣含量較高時(shí)，水蒸氣壓力較高。相反，水蒸氣壓很低。因此，水蒸氣壓也有其飽和值，即飽和水蒸氣壓（ps）。濕空氣的路點(diǎn)溫度ts（℃）、水蒸氣壓p（Pa）和飽和水蒸氣壓ps（Pa）與濕空氣溫度t（℃）和相對濕度RH（%）的計(jì)算關(guān)系，如圖2所示。

圖2 濕空氣的路點(diǎn)溫度ts（℃）、水蒸氣壓p（Pa）

和飽和水蒸氣壓ps（Pa）與

濕空氣溫度t（℃）和相對濕度RH（%）計(jì)算關(guān)系式

其中，a0、a1、a2、a3、a4的定義如表1。

03測試結(jié)果與分析

01春季數(shù)據(jù)分析

上海地區(qū)的數(shù)據(jù)收集于3月開始，前照燈狀態(tài)為直接從前照燈供應(yīng)商的生產(chǎn)線產(chǎn)出。圖3顯示了燈內(nèi)空氣的水蒸氣壓（p）如何隨燈內(nèi)空氣的溫度（t）而變化，表中還列出了環(huán)境的水蒸氣壓（p0）。

圖3 春季水蒸氣壓和溫度變化

從圖中我們可以清楚地發(fā)現(xiàn)：

1）p和t之間存在典型的正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)t升高時(shí)，p相應(yīng)升高，這意味著當(dāng)前照燈溫度升高時(shí)，燈中會添加一定量的水蒸氣。根本原因是在溫度升高的情況下，吸收到塑料中的水會釋放出來。

2）通常在白天p高于p0，只有在夜間才會出現(xiàn)p低于p0的某些時(shí)段。

根據(jù)數(shù)據(jù)，提取并分析了兩個(gè)參數(shù)。睇一個(gè)參數(shù)p1關(guān)注空氣中的水分含量。將夜間20℃以下的數(shù)據(jù)作為比較同一水平空氣中水分的典型對象，可以排除太陽負(fù)荷和發(fā)動機(jī)的影響。第二個(gè)參數(shù)pΔ1關(guān)注塑料釋放的水。在蕞高溫度和蕞底溫度下，p的偏差值等于pΔ1，可以表示塑料中的水分釋放。

圖4 20℃以下空氣中的含水量

從圖4中，我們可以發(fā)現(xiàn)，從第5天到第11天，車燈內(nèi)空氣的水蒸氣壓隨著車輛的使用有明顯的下降趨勢。然而，從第1天開始到第4天，當(dāng)車輛不使用時(shí)，含水量狀態(tài)通常保持在同一水平。因?yàn)楫?dāng)只有環(huán)境引起的溫度變化時(shí)，由于溫度變化緩慢，前照燈內(nèi)外的壓差不足以使?jié)駳饪諝馀懦?。因此，燈?nèi)空氣的含水量基本保持不變。然而，當(dāng)車輛在使用時(shí)，發(fā)動機(jī)和車燈自身光源產(chǎn)生的熱量會使前照燈內(nèi)部的溫度發(fā)生急劇變化。這將導(dǎo)致內(nèi)部和外部之間的內(nèi)部空氣壓力差更大，再加上汽車行駛時(shí)的壓力，車燈內(nèi)較高的水分會逐漸移動到車燈外。同時(shí)也可以看出，汽車前照燈離開前照燈生產(chǎn)線時(shí)，車燈內(nèi)部的空氣濕度蕞高。這與前照燈裝配線環(huán)境狀態(tài)和密封膠的固化環(huán)境狀態(tài)有關(guān)，燈具廠普遍采用增加空氣濕度的測量方法來降低空氣中的粉塵含量和靜電效應(yīng)。通常可以通過干燥燈具等方法來降低車燈內(nèi)部的空氣濕度，但這會增加整體燈具組裝速度和成本。

圖5 春季溫度變化極限對應(yīng)的水蒸氣壓

圖5顯示了燈內(nèi)每日溫度變化極限ΔT與燈內(nèi)水蒸氣壓變化極限pΔ1之間的關(guān)系圖，從圖中可以看出，一般情況下ΔT越高，pΔ1越高。比較第1天和第10天的pΔ1變化模式，可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)規(guī)律：從第5天開始，當(dāng)車輛開始每天駕駛使用時(shí)，ΔT增加，但pΔ1沒有增加。這意味著使用汽車后，塑料內(nèi)部的水分會越來越少。在第14天到第16天的周日停車兩天后，塑料內(nèi)部的濕度再次升高，這主要是由于外部水分通過大氣流管進(jìn)入燈具內(nèi)部造成的。

02

夏季數(shù)據(jù)分析

圖6顯示了選擇在夏季進(jìn)行分析的兩個(gè)時(shí)期：5月初夏和7月雨季。

圖6 夏季水蒸氣壓和溫度變化

我們可以發(fā)現(xiàn)：

1）夏季室外空氣含水量較春季變化較大，由3月份的1000Pa增加到5月份的近2000Pa和7月份的3000Pa。

2）無論是靜止?fàn)顟B(tài)還是運(yùn)行狀態(tài)，夏季燈具內(nèi)空氣的含水量都比春季顯紸增加。

圖7 白天空氣中的水分含量

從空氣中水分的圖7可以看出，雨季燈具內(nèi)部空氣的含水量已經(jīng)比5月份增加了一倍。燈內(nèi)水壓從1000Pa上升到2000Pa，如上所述，燈外水壓從約2000Pa上升到約3000Pa。這意味著，如果我們使用管的概念，當(dāng)外部空氣中的水含量變得更高時(shí)，將有一定量的水從外部環(huán)境注入燈具。

圖8 夏季溫度變化極限對應(yīng)的水蒸氣壓

從圖8結(jié)果來看，夏季pΔ2的水蒸氣壓變化極限在5月第9天到第10天和第14天到第16天的變化行為中，而使用汽車會減少燈內(nèi)的水分。但夏季雨季pΔ3的水蒸氣壓變化極限這一現(xiàn)象將減弱，主要是因?yàn)橥瑫r(shí)有太多的水進(jìn)入燈具。

03秋冬季數(shù)據(jù)分析

選擇10月和1月對秋季和冬季數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。圖9顯示了秋冬季節(jié)的水蒸氣壓和溫度變化，圖10顯示了25℃下秋季和5℃下冬季前照燈內(nèi)部空氣的水蒸氣壓。圖11顯示了秋冬季溫度變化極限對應(yīng)的水蒸氣壓。

圖9 秋冬季節(jié)水蒸氣壓和溫度變化

圖10 秋冬季節(jié)前照燈內(nèi)部空氣的水蒸氣壓

圖11 秋冬氣溫變化極限對應(yīng)的水蒸氣壓

我們從圖中可以看出一些規(guī)律：

1.秋季外部環(huán)境空氣的水蒸氣壓p0約為1000Pa～2000Pa，冬季達(dá)到100Pa～500Pa，說明冬季環(huán)境空氣中的水量蕞底。燈p內(nèi)部的水蒸氣壓完全超過1000Pa，隨著秋季溫度的變化，水蒸氣壓甚至更高，冬季超過200Pa，當(dāng)t升高時(shí)，水蒸氣壓有更明顯的增加。

2.對于前照燈內(nèi)部空氣中的水分含量，25℃下夜間的壓力p4在秋季穩(wěn)定在1400Pa，5℃下的壓力p5在冬季穩(wěn)定在250Pa左右。因此，燈內(nèi)空氣中的水量隨外部環(huán)境而變化。

3.隨著燈具溫度的升高，秋季的塑料降水量明顯高于冬季，例如，當(dāng)溫差約為35℃時(shí)，燈具內(nèi)部的水蒸氣壓增加，秋季pΔ4約為2500 Pa，冬季pΔ5約為800 Pa，說明冬季塑料的吸水率明顯低于其他季節(jié)。

04防霧建議

基于霧是一種基本的物理現(xiàn)象這一事實(shí)，本文根據(jù)上述規(guī)律提出了幾點(diǎn)建議：

1.使用單向閥防止外部水分進(jìn)入是防止車輛靜止時(shí)內(nèi)部水分增加的有效解決方案。

2.塑料吸濕性是霧氣水分的主要來源。塑料重量減輕，使用低吸濕塑料或塑料表面處理工藝，防止水分吸收和釋放，都是降低霧燈風(fēng)險(xiǎn)的有效解決方案。

3.前照燈霧度驗(yàn)證不僅需要考慮寒冷的冬季環(huán)境，而且需要考慮夏季和雨季在空氣和塑料內(nèi)部水分含量高的情況。

4.前照燈霧化測試需要合理的預(yù)處理，以具有再現(xiàn)性和可比性。過嚴(yán)格的調(diào)節(jié)會使透鏡上的霧太重，甚至變成水滴，不會出現(xiàn)除霧現(xiàn)象。建議的預(yù)處理環(huán)境為水壓2500Pa（溫度約30℃，相對濕度50%）。

05結(jié)論

本文以某型汽車為研究對象，研究了汽車在各種外部環(huán)境影響下全年的車內(nèi)溫濕度變化規(guī)律。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，提出了一些防霧建議。然而，對于單向閥或膜方案等其他通風(fēng)概念的優(yōu)缺點(diǎn)，沒有具體的直接數(shù)據(jù)信息。未來需要分析不同通風(fēng)概念的性能。