汽車車燈霧氣影響因素及應對措施

高心健 陸龍海 余維 劉靜

（上汽通用汽車有限公司武漢分公司）

汽車車燈是整車外觀造型的重要部分，隨著車燈開發流程、試驗方法及制造工藝的日趨完善，車燈質量也有了巨大提升，但是車燈霧氣問題仍困擾著眾多主機廠和車燈供應商。有數據表明，有的車燈由于霧氣問題造成的報廢率高達30%[1]。文獻[2]和文獻[3]都系統地論述了車燈內部熱場和流動場對霧氣產生的影響，文章在此及物理分析的基礎上，闡述了車燈產生霧氣的主要因素，并通過試驗驗證了預防措施的效果，為車燈的前期開發和試驗提供了參考。

1 車燈霧氣形成機理

1）車燈點亮時，光源周圍的環境溫度會急劇上升，水蒸氣會通過對流和擴散的方式運動到車燈的各個角落。一方面由于車燈造型的需求，整個車燈的高寬比和縱深比都越來越大，形狀越來越長而窄，直接導致車燈內部存在較大的溫差。當溫度和濕度較高的水蒸氣運動到低于飽和溫度的區域時，就會凝結成霧氣。2）車燈點亮穩定后，當淋雨等其他因素導致環境溫度降低時，車燈配光鏡內表面溫度也會隨之降低，車燈內部水蒸氣濃度達到一定水平，且沒有及時擴散到外環境中，也會出現霧氣。3）車燈熄滅后，當配光鏡溫降遠遠快于車燈內部溫降時，也會結霧。

因此總結霧氣的形成需要具備3個條件[2]：1）車燈內部存在凝結核心（凝結核心是指凝結過程中起凝結核心作用的固態、液態及氣態的氣溶膠質粒，車燈內部零件表面的凹凸不平為起霧提供了凝結核，以目前行業的制造水平要實現車燈內部零凝結核難度是非常大的）；2）車燈內部存在低于當地水蒸氣凝結臨界溫度的區域；3）車燈內部存在足夠濃度的水蒸氣。

2 車燈起霧影響因素

根據以上分析可知，水蒸氣濃度、溫度場與流動場及車燈材料的選用是導致車燈起霧的重要影響因素。同時，水蒸氣濃度的分布也取決于溫度場和流動場，車燈內溫度越高，溫度分布越均勻，流動越通暢，起霧的可能性也越小。

2.1 溫度場

溫度場是引起起霧的最重要影響因素。車燈內溫度的來源主要有光源的熱輻射和發動機艙的溫度。通過對車燈的熱場CAE模擬可以知道，車燈內存在高溫區和低溫區，而起霧區域均位于低溫區。

以某燈具廠生產的前照燈為例，其熱場CAE模擬結果，如圖1所示。從圖1可以看出，低溫區位于車燈下部的左右側尖角處，屬于光輻射較弱的區域；車燈中部區域，即遠近光燈和轉向燈處溫度較高。這說明車燈下部左右側尖角處的低溫區域是起霧可能性較大的地方，圖2示出整車雨淋試驗車燈起霧區域。從圖2可以看出，霧氣出現區域也在車燈下部左右側的尖角位置，和熱場CAE模擬結果高度吻合。

圖1 某車燈熱場CAE模擬圖

圖2 整車雨淋試驗車燈起霧區域

對上例進行理論分析，是由于車燈溫度分布是輻射換熱和自然對流換熱綜合作用的結果，阻擋或削弱輻射及存在自然對流死區的結構都會導致局部溫度偏低，容易引起起霧現象。轉向燈內配光鏡削弱了光源的輻射，直接導致右側尖角處出現范圍較大的低溫區，左側尖角處是配光鏡和車燈焊接的夾縫區域，狹窄的空間結構形成了自然對流死區，為起霧創造了有利環境。

2.2 流動場

車燈的流動場可分為內部流動和外部交換。內部流動是由于車燈內溫度分布不均而引起的自然對流，帶動著熱量傳遞，圖3示出某車燈內部流動場CAE模擬結果。從圖3可以看出，靠近光源位置由于溫度較高，流動場的擴散性能較強，到達外配光鏡位置逐漸減弱，自然對流可直接影響車燈內的溫度場，縮小溫度梯度。

圖3 某車燈內部流動場CAE模擬圖

自然對流主要受到車燈內部結構和組件布置的影響，如果燈內存在一個獨立的區域使里面的氣流和熱量不能流通，這個區域將很有可能形成水汽，燈內的空氣流通需要5 mm或更大的間隙作為通道。燈內過小的間隙也會阻礙空氣的流動和溫度的平衡從而促使水汽的形成。

外部交換的換氣結構的好壞則取決于通氣孔的數量、尺寸與布置及通氣組件的選取。但通氣孔都有一個缺點就是給水和污染物侵入燈內留下了路徑，在整車開發時要求并確保對這些通氣孔的設計和安裝不允許在洗車，被水淹沒的路面、滿是灰塵的道路及出廠淋雨試驗等情況下讓水和灰塵進入燈內。優秀的通氣組件可顯著地促使車燈內部氣體和外部氣體的交換，目前各車燈制造廠家采用的有通氣防護栓、通氣彎管及通氣膜等[4]。

2.3 車燈材料

車燈內部水氣的來源，一部分是空氣中的水蒸氣，另外一部分是來自車燈內部的塑料材料。塑料材料會從空氣中吸收和傳遞水分。經過幾天的時間，水分會通過塑料配光鏡和車燈進行滲透，使得車燈內外的空氣含水量得到平衡。當車燈受到來自于燈泡、太陽照射及發動機等產生的熱量時，燈殼所吸收的水分就會從塑料材質中釋放到燈內的空氣中，這些水分會凝聚在車燈內相對冷的區域。圖4示出各種塑料材料的吸水率，通過圖4可以看出，尼龍材料的吸水率較高，設計時應避免使用高含水率的材料，減小熱循環期間水汽形成的可能性[5]。

圖4 塑料材料的吸水率（24 h ASTM D570）

3 車燈霧氣預防措施

3.1 防霧涂層

防霧涂層是噴涂在車燈配光鏡內表面的一種透明的納米涂料，該種材料具有超強的親水性，水在其表面受到張力作用被擴展，接觸角減小約5°，無法凝結成水珠，而是形成一層薄膜（1～5 μm），不僅保證了視覺上看不到霧氣，也避免了水滴對光線的散射。

圖5示出有無防霧涂層的車燈雨淋試驗對比圖，無防霧涂層的車燈在邊角區域有明顯霧氣產生，有防霧涂層的車燈無霧氣，說明防霧效果非常明顯。

圖5 濕度70%點燈30 min后有無防霧涂層的車燈雨淋試驗對比圖

使用防霧涂層，除了要買進原料外，還要增加工裝設備和布置產線，并且由于噴涂在整車外觀可見面，當基材上有雜質時，無法通過打磨或拋光進行返修，因此對噴涂環境要求很高，這些因素限制了防霧涂層的大面積推廣和應用。

3.2 干燥劑

相對于防霧涂層，干燥劑是一種低成本且原始簡單的方法。一般通過雙面膠粘接到車燈內部，如圖6所示，振動試驗必須保證無脫落。

圖6 車燈內部粘貼干燥劑

傳統的物理性吸濕干燥劑是將水分儲存在微孔中，環境濕度降低時，水分又會被釋放。車燈用干燥劑是掠奪式化學吸濕，所吸收的水分一部分以結晶水的形式存在，另一部分參與固化反應，水分不再釋放到環境中，可保持穩定干燥的環境。吸濕量可達到自重的150%以上，有效期可達1年之久。圖7示出有無干燥劑的車燈雨淋試驗點燈20 min霧氣消散對比結果。

圖7 有無干燥劑的車燈雨淋試驗點燈20 min霧氣消散對比

從圖7可以看出，有干燥劑的車燈在邊角位置雖然還殘存霧氣，但相比無干燥劑的車燈，有明顯的改善。

3.3 透氣薄膜

透氣結構有助于促進車燈內外部氣體交換，同時能滿足不允許灰塵和水等侵入車燈的要求。透氣薄膜包含一種Gortex（聚四氟乙烯）的材料，其有很細小的孔可以允許空氣分子通過，但不會讓水或者其他液體、灰塵及雜物通過，這種薄膜還需要做Oliophobic工藝涂層處理，可以降低薄膜的表面張力以防止汽車洗滌蠟等液體打濕薄膜而阻塞通氣孔。

4 結論

首先介紹車燈霧氣的形成機理，并借助熱場分析的方法，闡述了車燈起霧的主要影響因素，最后通過雨淋試驗，驗證了霧氣解決方案的實燈效果。無論從有效期還是最終效果來看，防霧涂層是最優的，但對應成本較高，干燥劑成本較低但有效期短。因此前期車燈開發設計過程中，就要根據造型和內部布置等因素模擬車燈內部熱場和流動場，選擇合適的防霧氣策略，結合CAE模擬和車燈試驗進行充分驗證，以減少后期的質量缺陷，進一步提高客戶滿意度。