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【技術(shù)前沿】汽車前照燈內(nèi)部環(huán)境變化研究及防霧霾設(shè)計(jì)指南
發(fā)布時(shí)間：2023-09-11
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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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)基礎(chǔ)研究具有重要意義。
02
前照燈測(cè)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)廣泛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最為明顯的兩個(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）。露點(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(duì)濕度，可根據(jù)圖2中方程式1至3計(jì)算此時(shí)空氣的露點(diǎn)溫度。對(duì)于前照燈，當(dāng)外部透鏡上的溫度低于內(nèi)部環(huán)境露點(diǎn)時(shí)會(huì)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）。濕空氣的露點(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(duì)濕度RH（%）的計(jì)算關(guān)系，如圖2所示。
圖2 濕空氣的露點(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(duì)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(cè)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(huì)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(huì)釋放出來。
2）通常在白天p高于p0，只有在夜間才會(huì)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)。第一個(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(duì)象，可以排除太陽負(fù)荷和發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。第二個(gè)參數(shù)pΔ1關(guān)注塑料釋放的水。在最高溫度和最低溫度下，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(shì)。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(dòng)機(jī)和車燈自身光源產(chǎn)生的熱量會(huì)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(huì)逐漸移動(dòng)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)部的空氣濕度最高。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(cè)量方法來降低空氣中的粉塵含量和靜電效應(yīng)。通?？梢酝ㄟ^干燥燈具等方法來降低車燈內(nèi)部的空氣濕度，但這會(huì)增加整體燈具組裝速度和成本。
圖5 春季溫度變化極限對(duì)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(huì)越來越少。在第14天到第16天的周末停車兩天后，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著增加。
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(duì)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(huì)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(duì)秋季和冬季數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(duì)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(duì)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)境空氣中的水量最低。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(duì)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(cè)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(huì)使透鏡上的霧太重，甚至變成水滴，不會(huì)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(duì)濕度50%）。
05
結(jié)論
本文以某型汽車為研究對(duì)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(duì)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。
關(guān)于我們 上海復(fù)瞻智能科技有限公司是專精特新企業(yè)，高新技術(shù)企業(yè)。依托復(fù)旦大學(xué)電光源研究所專家團(tuán)隊(duì)在視覺光健康方面的多年研究成果。在光環(huán)境工程、光學(xué)檢測(cè)校準(zhǔn)、光學(xué)設(shè)計(jì)與仿真，人因工程研究、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)研制及認(rèn)證、圖像算法開發(fā)等方面提供專業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)。 公司與中國國際汽車照明論壇（IFAL），上海市智能視覺人因工程專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，復(fù)旦大學(xué)人因照明與顏色科學(xué)實(shí)驗(yàn)基地，復(fù)旦臨港產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新平臺(tái)車輛人因光環(huán)境實(shí)驗(yàn)基地長(zhǎng)期深度戰(zhàn)略合作。 AR-HUD檢測(cè)系統(tǒng) 上海復(fù)瞻智能開發(fā)的HUD檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)HUD測(cè)試系統(tǒng)光學(xué)性能，成像質(zhì)量，電氣性能等多方面的自動(dòng)化測(cè)試。滿足HUD器件廠、HUD玻璃廠、 OEM廠商、 在實(shí)驗(yàn)室對(duì)于HUD產(chǎn)品性能的評(píng)價(jià)，以及生產(chǎn)線對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的管控。 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 TracePro? 是一款享譽(yù)世界的用于光學(xué)設(shè)計(jì)，分析及優(yōu)化光學(xué)和照明系統(tǒng)的幾何光學(xué)軟件。憑借其直觀的CAD界面和諸如交互式優(yōu)化器之類的強(qiáng)大功能，TracePro為用戶提供了強(qiáng)大的光學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)境，而且學(xué)習(xí)周期較短，從而加快了產(chǎn)品上市時(shí)間。
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