【技術前沿】汽車前照燈內部環境變化研究及防霧霾設計指南
發布時間：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：林燕丹
汽車前照燈內部環境對前照燈外透鏡上的霧化現象起決定性作用。它受到多種因素的復雜影響，如燈具本身的吸水性、內外環境交換、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境影響下全年的車內溫濕度變化規律。根據數據分析，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敏感話題，如何以可接受的成本設計燈具，使霧化不容易發生、不被發現或霧化后能迅速消散，是燈具制造商的主要目標。
目前針對前照燈霧化的解決方案主要有：1.合理的燈具內外環境交互系統，如不同的通風管或膜布置；2.防霧涂層；3.干燥劑。三者都有各自的優缺點，正確地結合使用是一個復雜而系統的課題。前照燈的內部環境變化（如溫度和濕度變化）是霧霾發生的根本原因，外部環境刺激是霧霾發生的原因。對燈具內部環境變化的研究和分析將指導開發過程中的實驗設計和概念設計的優化，對基礎研究具有重要意義。
02
前照燈測試方案與分析方法
利用通風管增加氣體流量是大眾集團在世界范圍內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所示的四根通風管。溫度和濕度傳感器以不影響前照燈內環境的特定方式放置在前照燈內。從燈具供應商處將零件組裝出生產線后立即進行收集，在上海地區經歷了春、夏、秋、冬四個季節。其中涵蓋了前照燈霧化投訴最為明顯的兩個季節，即夏季雨季和冬季。
圖1 前照燈上的通風管示意圖
直接從數據采集傳感器獲取燈內的環境溫度（t）和環境濕度（RH）。露點溫度（ts），是指空氣中的氣態水達到飽和并在固定氣壓下凝結成液態水的溫度。根據環境空氣溫度和空氣相對濕度，可根據圖2中方程式1至3計算此時空氣的露點溫度。對于前照燈，當外部透鏡上的溫度低于內部環境露點時會產生霧。
水蒸氣壓力（p）是空氣中的水蒸氣產生的分壓，間接表示空氣中的水蒸氣含量。當大氣中的水蒸氣含量較高時，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（%）的計算關系，如圖2所示。
圖2 濕空氣的露點溫度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（%）計算關系式
其中，a0、a1、a2、a3、a4的定義如表1。
03
測試結果與分析
01
春季數據分析
上海地區的數據收集于3月開始，前照燈狀態為直接從前照燈供應商的生產線產出。圖3顯示了燈內空氣的水蒸氣壓（p）如何隨燈內空氣的溫度（t）而變化，表中還列出了環境的水蒸氣壓（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現：
1）p和t之間存在典型的正相關關系，當t升高時，p相應升高，這意味著當前照燈溫度升高時，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p低于p0的某些時段。
根據數據，提取并分析了兩個參數。第一個參數p1關注空氣中的水分含量。將夜間20℃以下的數據作為比較同一水平空氣中水分的典型對象，可以排除太陽負荷和發動機的影響。第二個參數pΔ1關注塑料釋放的水。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，我們可以發現，從第5天到第11天，車燈內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，當車輛不使用時，含水量狀態通常保持在同一水平。因為當只有環境引起的溫度變化時，由于溫度變化緩慢，前照燈內外的壓差不足以使濕氣空氣排出。因此，燈內空氣的含水量基本保持不變。然而，當車輛在使用時，發動機和車燈自身光源產生的熱量會使前照燈內部的溫度發生急劇變化。這將導致內部和外部之間的內部空氣壓力差更大，再加上汽車行駛時的壓力，車燈內較高的水分會逐漸移動到車燈外。同時也可以看出，汽車前照燈離開前照燈生產線時，車燈內部的空氣濕度最高。這與前照燈裝配線環境狀態和密封膠的固化環境狀態有關，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。通?？梢酝ㄟ^干燥燈具等方法來降低車燈內部的空氣濕度，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的水蒸氣壓
圖5顯示了燈內每日溫度變化極限ΔT與燈內水蒸氣壓變化極限pΔ1之間的關系圖，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，可以發現一個規律：從第5天開始，當車輛開始每天駕駛使用時，ΔT增加，但pΔ1沒有增加。這意味著使用汽車后，塑料內部的水分會越來越少。在第14天到第16天的周末停車兩天后，塑料內部的濕度再次升高，這主要是由于外部水分通過大氣流管進入燈具內部造成的。
02
夏季數據分析
圖6顯示了選擇在夏季進行分析的兩個時期：5月初夏和7月雨季。
圖6 夏季水蒸氣壓和溫度變化
我們可以發現：
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）無論是靜止狀態還是運行狀態，夏季燈具內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，雨季燈具內部空氣的含水量已經比5月份增加了一倍。燈內水壓從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，當外部空氣中的水含量變得更高時，將有一定量的水從外部環境注入燈具。
圖8 夏季溫度變化極限對應的水蒸氣壓
從圖8結果來看，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的水分。但夏季雨季pΔ3的水蒸氣壓變化極限這一現象將減弱，主要是因為同時有太多的水進入燈具。
03
秋冬季數據分析
選擇10月和1月對秋季和冬季數據進行對比分析。圖9顯示了秋冬季節的水蒸氣壓和溫度變化，圖10顯示了25℃下秋季和5℃下冬季前照燈內部空氣的水蒸氣壓。圖11顯示了秋冬季溫度變化極限對應的水蒸氣壓。
圖9 秋冬季節水蒸氣壓和溫度變化
圖10 秋冬季節前照燈內部空氣的水蒸氣壓
圖11 秋冬氣溫變化極限對應的水蒸氣壓
我們從圖中可以看出一些規律：
1.秋季外部環境空氣的水蒸氣壓p0約為1000Pa～2000Pa，冬季達到100Pa～500Pa，說明冬季環境空氣中的水量最低。燈p內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t升高時，水蒸氣壓有更明顯的增加。
2.對于前照燈內部空氣中的水分含量，25℃下夜間的壓力p4在秋季穩定在1400Pa，5℃下的壓力p5在冬季穩定在250Pa左右。因此，燈內空氣中的水量隨外部環境而變化。
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，當溫差約為35℃時，燈具內部的水蒸氣壓增加，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。
04
防霧建議
基于霧是一種基本的物理現象這一事實，本文根據上述規律提出了幾點建議：
1.使用單向閥防止外部水分進入是防止車輛靜止時內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，都是降低霧燈風險的有效解決方案。
3.前照燈霧度驗證不僅需要考慮寒冷的冬季環境，而且需要考慮夏季和雨季在空氣和塑料內部水分含量高的情況。
4.前照燈霧化測試需要合理的預處理，以具有再現性和可比性。過嚴格的調節會使透鏡上的霧太重，甚至變成水滴，不會出現除霧現象。建議的預處理環境為水壓2500Pa（溫度約30℃，相對濕度50%）。
05
結論
本文以某型汽車為研究對象，研究了汽車在各種外部環境影響下全年的車內溫濕度變化規律。根據數據分析，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概念的優缺點，沒有具體的直接數據信息。未來需要分析不同通風概念的性能。
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