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技术文章 | 车灯雾气问题研究及对策

作者:LI Xiangbing1, WANG Chuncai1, MEI wen1,WANG Tan1,XIAO Helin2  
单位:1Technicalcenter, Dongfeng Peugeot et Citeron Automomobile Co,Ltd, Wuhan, P.R.China

2 Wuhanuniversity of Technology, Wuhan, P.R China

编译:井硕 李奕帆
指导老师:林燕丹



一、简介


由于阳光照射和车灯辐射,车灯内温度分布不均,自然对流和和镜面辐射的过程非常复杂。而雾气问题影响了车灯玻璃和反射镜的光学性能,也就影响了前照灯的寿命和行车安全。由于雾气问题涉及了热、材料和物理等多方面的知识,若要较好地解决,使得雾气实验后,当所有灯打开时,仅当雾气完全消散或雾气区域小于5%,需要综合考虑很多因素。而当前的设计如何均衡各种因素和要求仍是一个很大的难题。本文基于一些国外文献和PSA的调研,从内部空气流通、温度方面入手分析车灯雾气的根源。



二、车灯雾气的产生机理


雾气的形成需要以下三个基本条件:

①充足的水汽

通常灯内的水汽来源有二:外部环境的水汽和内部蒸发形成的水汽。水汽主要来自于内部。当远近光灯同时打开时,灯内温度将会迅速升高。在空气对流作用下,原有的水将会蒸发,造成灯内大范围的潮湿。当水汽到达角落,或遇上外部进入的空气,由于灯内温度不均,外界空气温度较低,水汽很容易冷凝。

灯内的水珠通常由以下四种方式形成:灯内空间较大,外界环境中的水进入;车灯状态的改变(频繁的灯光切换)使得内外的气压不同,外界水汽通过灯罩缝隙进入;通风口处内外空气流通;原有水珠累积。

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图1: 车灯与外部环境的水分交换

②低于临界温度的区域

考虑到车型设计和感知质量,车灯内总有部分边角区域,而这些都是空气流通很差的“死区”,导致辐射不均,温度也就呈差异分布。复杂的热传递过程见下图(图 2)。

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图2. 前照灯内部能量交换

图2表明,在车灯工作时,灯内的热辐射等热运动非常活跃。而部分不活跃区域就容易出现雾气问题。


③凝结核

车灯玻璃的材料一般是合成树脂,这是一种被广泛应用于塑料制品的渗透物。凝结核是灯内大范围雾气生成的先决条件。对于内部的空气来说,并没有很多凝结核,而外部的空气则可以以车灯玻璃的粗糙表面为凝结核,形成大片水珠。通常,雾气范围的半径与影响因素的关系如下:

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式中参数: R为水滴半径,Ts为饱和温度,TL为水滴温度(与周围温度相等),hLG为汽化热,ρL为水滴强度,δ为表面应力。

该式表明,如果环境温度与饱和温度相近,水滴的半径将增大。



三、影响雾气问题的因素


上式反映了温度,水汽强度和车灯玻璃材料表面结构对雾气的影响。而水汽强度总是取决于温度和空气流通程度。这意味着,如果车灯内温度更高更均衡,空气流通加快,雾气也越不容易生成。为证明这一结论,我们将利用东风标致汽车进行实验。


温度


温度是影响雾气生成的重要因素,测试结果表明雾气总是在温度较低的地方生成(图3)。TX3的前照灯长度大,角度尖锐,灯内边角区域空气流通不够活跃,易生成雾气。根据法国汽车制造商的标准:在远/近光灯工作一小时之后,进行8轮喷雾(在一分钟内对前照灯/雾灯进行一次全方位喷雾称为一轮)。车灯和喷嘴的距离为5-10厘米。观察十分钟后,得到以下结论:车灯内上部的温度通常高于下部;远近光灯可以照射到的区域温度较高;车灯玻璃的光学中心温度更高,不易结雾。

图3显示在车灯玻璃的特定高度上,沿X方向上温度的分布情况。根据热仿真报告,我们可以看到温度的分布不均匀:外部区域温度不高,而车灯玻璃中间部分温度极高。相比起右边,左边区域温度相对较低,更容易出现雾气,这与实际情况相符。在Y方向上,上部温度高于下部,即下部更容易结雾。通常情况下,温度较低的区域都是灯具长边和角落处,这些区域为雾气的出现提供了条件。

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图3. TX3 前照灯的冷凝现象

在车型设计中,为减少雾气的生成,应尽量避免车灯出现边角区域。如果因为车型设计需求而无法避免,可以通过优化灯内通风设备,改善空气流通情况来保证灯内温度的均匀分布。


对流


灯内的空气流通主要有自然对流和温度不均引起的热传递。如果车灯装配有通风装置,将会出现内外空气的交换。气体交换不仅影响温度分布,如果对流足够强,也会加速蒸发,对减少雾气生成有益。

我们以TX3前照灯为例来说明(图4)。分析可得,热分布情况主要取决于自然对流,故基于静态对流建模。影响空气流通的因素有:车灯外壳、反射镜的形状,灯泡的位置和功率;车灯的工作状态(闪光或持续工作)。

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图4. TX3前照灯的简易模型

一般前照灯工作状态稳定,内外空气交换主要依靠自然对流(图5)。事实上,通风装置的尺寸、数量和位置会影响灯内的空气交换。TX3前照灯使用6个通风口,使空气交换全过程变得稳定。

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图5. 持续的自然对流

对转向灯等处于闪烁状态的灯,灯内空气会发生膨胀和收缩,对热交换有利,不易结雾。

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图6. 开关灯时的流场

强度


通常,强度、温度和空气流通共同作用,且同受外部环境影响。此外,闪烁状态的灯会直接影响灯内的空气强度。

根据文献,在闪烁N次后,灯内平均绝对湿度为:

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参量定义:V – 外壳内体积, β- 外壳扩展系数, ε- 总能量吸收率,f - 灯闪烁频率, Cp- 热容量, P- 前照灯的平均功率。

式中,α1(n)代表闪烁N次后灯内的平均绝对湿度。这个式子可以变形为:


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如果M=1,由于K<1,灯内的绝对湿度近似于随闪烁次数增加而增加。如果K较小,逼近速度加快。这意味着,车灯工作在高湿度时,将有积累湿气的趋势。



四、减少雾气的措施


对上式进行深入研究,可以得出以下措施:

1.优化车灯样式,减少灯内死区。

2.加强车灯的密封性能,避免水渗入,或应用烘干装置干燥灯内空气。

3.改善车灯玻璃内表面材料的性能,以形成水膜而非水滴(应用防雾涂层)。

4.优化通风装置的位置、数量、尺寸的配置,减少灯内死区(在雾气出现后确定通风装置的位置)。

5.优化灯和反射镜的位置和尺寸。

6.加强灯内空气流通(使用风扇)或内外流通(使用外部通风管)



五、总结


考虑到灯内复杂的热分布,车灯雾气问题一向被认为是一个难题。本文从温度、空气流通、强度等方面深入分析了雾气的成因。从测试中我们可以得到一些平衡灯内温度分布的措施,以减少雾气生成。




文章来自中国国际汽车照明论坛论文集



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