技术文章 | 车灯雾气问题研究及对策

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。

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。

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）。

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：

式中参数： R为水滴半径，Ts为饱和温度，T_L为水滴温度（与周围温度相等），h_LG为汽化热，ρ_L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。

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。

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。

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）。

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。

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。

图6. 开关灯时的流场

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：

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：

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。

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）

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