基于實車試驗的汽車燈具起霧機理研究

2019-05-20 09:55:48朱學良黃宏成

傳動技術 2019年2期

關鍵詞：區域

朱學良黃宏成程雷張凱

(1. 上海交通大學，上海 200240；2. 上汽大眾汽車有限公司，上海 201805)

0 引言

隨著汽車工業的進步，汽車燈具在整車中扮演的角色也越來越豐富。除了基礎性的保障行車安全以外，汽車燈具也逐漸成為彰顯廠商設計風格和承擔車與環境交互的關鍵裝置[1-3]，而干凈的配光鏡表面是基本要求。與此同時，為了達到上述目標，先進的光源、復雜的結構和造型設計以及更多的控制模塊都會引入到車燈的設計中去[4, 5]，這些給車燈起霧帶來了很多不確定因素。主機廠的數據顯示，某一些車型，消費者對車燈霧氣問題的抱怨量在整車抱怨量中的占比超過50%。上述幾點表明，車燈起霧已成為現代車燈設計中亟需解決的問題。

車燈起霧的本質是空氣中的水蒸氣在配光鏡內表面凝結成小水珠，從外部來看，好像配光鏡內側有一層“白霧”。由于影響車燈起霧的因素眾多，包括環境、燈內狀態和車輛狀態等，而現有的數值模擬手段不能很好地將這些因素考慮在內，所以試驗研究仍是分析車燈霧氣問題的主要手段。

目前，國內外許多學者對車燈霧氣問題進行了試驗研究。通過靜態擴散、內部氣體膨脹收縮和外部氣流流入的方式，環境和通氣孔的配置會對燈內濕度和車燈霧氣問題產生影響[6-8]。車燈結構和造型引起的燈內流動死區和配光鏡低溫區、燈內存在足夠的水蒸氣以及配光鏡表面的凝結核心構成了車燈起霧的基本條件[9-11]。環境細微變化和不同的通氣裝置(透氣膜、透氣帽和彎管)對車燈起霧后的消霧時間存在影響[12-14]。車燈內的塑料會釋放水蒸氣以及燈內存在水蒸氣梯度[15-17]。

以往車燈起霧的試驗研究大都停留在單個燈具層面，但是行駛中的氣流、發動機艙的阻隔和發動機的熱量在實驗室環境中都無法準確模擬，所以實車試驗是車燈起霧機理研究和車燈霧氣性能評價的重要方式[18]。為研究實際工況下車燈的起霧機理，在一臺轎車上實現了前照燈內部溫濕度和配光鏡溫度的采集，并結合凝結理論提出和驗證了起霧區域繪制方法，由此分析了不同工況下配光鏡表面起霧和消霧狀態。

2 試驗裝置及步驟

2.1 試驗裝置

實車試驗平臺是某型號A級轎車，試驗對象是其右側前照燈，車輛和前照燈的主要參數如表1所列。

表1 發動機和前照燈主要參數

由于保險杠的凸出部分將配光鏡表面分隔，前照燈正面造型近似為兩個四邊形，配光鏡后部為一整個腔體。前照燈的四個光學功能區如圖1所示。

現代的燈具大都采用半密封結構，燈內外通過通氣裝置連接。此前照燈共計有四個通氣彎管，分布在燈的四角，具體位置如圖2所示。

圖1 前照燈的四個光學功能區

圖2 前照燈的通氣彎管和記錄器布置

前照燈內部和環境溫濕度的測量，采用iButton DS1923型溫度/濕度記錄器，具備分鐘級別的長周期離線采集能力。在燈內布置兩顆記錄器，分別位于轉向燈下部和近光燈上部，具體位置如圖2所示。在右后車身的下底板處放置一顆記錄器，記錄環境的溫濕度。

配光鏡材質為聚碳酸酯(PC)，在內表面沒有進行防霧涂層工藝處理。

配光鏡內表面溫度的測量，采用OMEGA TT-K-30-SLE型熱電偶和imc SPARTAN-8型數據采集裝置完成，具備實驗過程的實車采集能力。

除了得到熱電偶布置點的精確溫度，布置點周圍的溫度的估計也非常重要。將配光鏡表面看作成二維平面，并將形狀簡化成兩個四邊形，熱電偶布點在面積較大的規則形狀區域呈現四邊形節點，在不規則區域呈現三角形節點。對左右兩個區域的易起霧尖角部分，增加中間點為布點位置，保證這兩個區域的測量精確性。熱電偶的數量為44，左右分別為28和16。熱電偶布置如圖3所示。

2.2 試驗步驟

實車雨淋試驗是探究車燈起霧的的常用方法，其中一個典型的過程主要包括開燈怠速、雨淋、行駛和靜置。在這個過程中，前兩個步驟主要模擬用戶在實際用車過程中較易出現車燈起霧的工況；后兩個步驟主要模擬消除霧氣常用的工況，其中行駛過程在專用性能試驗道路上以中高速行駛。具體的試驗步驟如表2所列。

圖3 配光鏡表面熱電偶布置

表2 實車雨淋試驗步驟

配光鏡溫度測量的周期是從怠速階段之前到靜置一段時間之后，保證能完整覆蓋這4個階段，在后面的分析中稱它為短周期。燈內溫濕度測量周期較長，在后面的分析中稱它為長周期。

3 配光鏡表面起霧區域的繪制方法

傳統車燈霧氣問題實車試驗主要采取人工觀察法，存在下面兩個問題，雨淋和行駛過程中觀察不便；觀察得到的是時間累積的結果，不利于對各個過程進行單獨分析。在上述試驗裝置的基礎上，結合水蒸氣凝結理論，提出了基于試驗數據和凝結理論的各個時刻配光鏡表面起霧區域的繪制方法，具體流程如圖4所示。

配光鏡測點溫度和燈內溫濕度的來源是試驗數據，凝結判定的依據是濕空氣凝結原理。其中，對試驗數據的處理，包括溫度插值和露點計算過程是近似估計和近似計算，存在誤差。將預測的配光鏡表面起霧區域和實際的起霧區域對比，驗證此方法的正確性。

3.1 濕空氣及其凝結原理

從熱力學角度來看，車燈內部的工質是濕空氣(含有水蒸氣的空氣)，由于組分的壓力很低，濕空氣處在理想氣體狀態。濕空氣來自環境大氣，其壓力為大氣壓力pb，根據理想氣體的分壓力定律，它和干空氣分壓力pa、水蒸氣分壓力pv的關系如下式[19]。

pb=pa+pv

(1)

圖4 配光鏡表面起霧區域繪制流程

根據濕空氣中水蒸氣的狀態(過熱或飽和)，濕空氣有未飽和與飽和兩種狀態。假設濕空氣的溫度為t，其中水蒸氣分壓力pv低于溫度為t的水蒸氣的飽和壓力ps時，濕空氣處于未飽和狀態。若濕空氣的溫度恒定為t，增加水蒸氣的含量使水蒸氣分壓力增加至相應溫度的飽和壓力ps，濕空氣達到飽和，再注入水蒸氣，則凝結為液態水從中析出。若濕空氣中水蒸氣分壓力恒定為pv，降低溫度到對應于壓力pv的飽和溫度——露點td，濕空氣達到飽和，再降低溫度，水蒸氣凝結析出液態水。

濕空氣凝結的熱力學原理并不復雜，但是凝結過程是一種復雜的熱質傳遞過程。如果液體能很好地濕潤壁面則為膜狀凝結，否則為珠狀凝結[20]。凝結現象可以分為成核過程和液滴增長過程。珠狀凝結中的液滴尺度跨越了多個數量級范圍，包括了納米、微米、毫米量級。在雨淋階段結束時，可以在配光鏡內表面觀察到毫米級別的凝結液滴，如圖5所示。

對濕空氣在配光鏡表面凝結作出如下假設：配光鏡表面存在凝結核，在其低于燈內濕空氣露點的區域發生凝結。

3.2 濕空氣露點的計算

根據露點的定義，計算露點實質上是求解水蒸氣壓力為pv下的飽和溫度。水蒸氣分壓力pv可以通過相對濕度(Relative Humidity, RH)的定義式和飽和濕空氣中水蒸氣分壓力ps求解，具體關系如下式。

圖5 配光鏡內表面的凝結液滴

RH=pv/ps

(2)

由此可知，水蒸氣飽和壓力ps和飽和溫度ts相互轉化的精度決定了濕空氣露點計算的準確性。選取Gerry方程作為ps-ts的計算式，并選取平均相對誤差小于10-6的擬合公式作為ts-ps的計算式[21]。

3.3 配光鏡表面溫度場的估計

通過溫度采集裝置，每個時刻都能得到配光鏡表面44個熱電偶布點處的溫度，但是只考慮離散點溫度繪制的起霧區域是極不平滑的，采用插值方法得到配光鏡表面溫度場的估計可以得到與實際更接近的結果。

構建包含整個配光鏡區域的網格，橫向長度為60 cm，縱向長度為16 cm，網格的橫向間隔和縱向間隔都為0.005 cm。考慮到待插值點區域是配光鏡框線內部以及待插值溫度物理量的連續性，采用基于Delaunay三角剖分的三次插值。尋找最佳的Delaunay三角形后，由三角形平面來決定三角形內的網格節點的值。

考慮到該燈具的配光鏡在關心的計算區域是分離結構，所以將左右兩邊的區域視為單獨的計算區域。對于每個區域來說，使用熱電偶布點處的數據估計出熱電偶布點構成的凸包(Convex Hull)內的網格節點的值。再將兩個區域的值疊加在一個網格上，構成了完整的配光鏡區域的網格。

將網格中每一個小方格稱為元胞，使用元胞四個頂點的值插值計算作為元胞的值，并將元胞的值線性映射到顏色圖中，得出配光鏡表面溫度場。對網格進行等高線計算，并繪制配光鏡表面溫度等高線。

3.4 實際和預測起霧區域的對比

實際問題中，車燈起霧可以看做水蒸氣在溫度不均勻表面上的瞬態凝結問題。由于配光鏡表面低于露點區域的不斷變化引起的凝結和蒸發過程的不斷交替和水蒸氣相變過程需要時間，所以瞬態過程中某時刻配光鏡表面低于露點區域和當時觀察到的起霧情況一般不一致。而且，外界環境的不可控性導致實車情況下水蒸氣在配光鏡表面的凝結很難達到穩態，這對驗證提出的方法的正確性帶來了困難。

選取在氣溫較低的環境下怠速過程中配光鏡起霧現象作為驗證方法正確性的過程。因為這個過程的初始狀態是沒有凝結液滴的，所以蒸發在該過程中的影響非常小，可以認為低于露點的區域就是之后首先能觀察到的起霧區域。而且，相比雨淋階段燈內狀態的迅速變化，該過程變化緩慢，溫濕度記錄器1次/分鐘的采樣頻率可以將怠速階段的燈內狀態的變化記錄下來。

怠速15分鐘后，可以在配光鏡內表面觀察到明顯的起霧現象。在近光區域出現霧氣，在遠光區域并沒有明顯的起霧現象。霧氣主要出現在近光區域下部的左右角落，呈現微透明的白色，在布置熱電偶的位置呈現透明的小水珠，如圖6(a)所示。用上述提出的方法的繪制出此時刻前5分鐘的配光鏡低于露點區域，如圖6(b～f)所示。低于露點的區域也是近光區域下部的左右角落，而且隨著時間低于露點區域從外向內、從下向上擴展，這說明在這個過程中絕大部分時間都是處于凝結狀態。

怠速15分鐘后的實際起霧區域和綜合此時刻前5分鐘來看的的配光鏡低于露點區域有較好的吻合度，說明提出的該方法的正確性。具體來看，實際起霧區域與前3～4分鐘的低于露點區域的結果更為接近，比前1～2分鐘的低于露點區域稍小，這是由于凝結過程需要時間，或者說液滴的尺寸太小不能被觀察到。

驗證了該方法的正確性后，就可以基于該方法繪制各時刻配光鏡表面起霧區域，從而為研究車燈起霧機理打下基礎。

4 車燈起霧機理研究

采用實車淋雨試驗和配光鏡表面起霧區域的繪制方法對車燈起霧機理進行分析。

4.1 長周期燈內溫濕度變化

長周期內，沒有陽光直射時，雨淋試驗之前燈內溫度和環境溫度一致；在雨淋試驗過程中，由于發動機和燈內熱源的作用，燈內溫度比環境溫度有

(a) 怠速15分鐘后的實際起霧區域

(b) 怠速15分鐘的配光鏡低于露點區域大幅度上升；靜置較長時間后，燈內溫度和環境溫度趨同，如圖7(a)所示。

(d) 怠速13分鐘的配光鏡低于露點區域

(e) 怠速12分鐘的配光鏡低于露點區域

(f) 怠速11分鐘的配光鏡低于露點區域

長周期內，沒有陽光直射時，雨淋試驗之前燈內絕對濕度明顯低于環境如圖7(b～c)所示。雨淋試驗前6小時左右的時間段內，燈內和環境的平均水蒸氣壓分別為0.78 kPa和0.94 kPa。燈內水蒸氣壓比環境低17.02%，同時燈內露點比環境低2.66℃。燈內塑料吸附水蒸氣使得在只有配光鏡溫度改變的情況下，反而配光鏡內表面比外表面更難產生霧氣。在經歷一輪雨淋試驗后，燈內露點又逐漸回歸到環境露點以下。這說明，在自然靜置條件下，車燈起霧現象是很難發生的。

4.2 短周期車燈起霧機理研究

雨淋試驗是常用的車燈霧氣實車評價方案，在這過程中，燈內溫濕度出現劇烈變化，如圖8(a～c)所示。

4.2.1 怠速階段分析

車燈內的溫度和絕對濕度在怠速后迅速上升。在怠速過程中出現了配光鏡表面起霧的情況。怠速開始9分鐘后，配光鏡表面第一次出現低于露點區域，如圖9(a)所示。此時，燈內露點為11.87℃，比怠速前的4.40℃上升了7.47℃，超過環境露點6.21℃；燈內水蒸氣壓為1.39 kPa，比怠速前的0.81 kPa上升了0.58 kPa，是當前環境水蒸氣壓的152.33%。在怠速前到怠速9分鐘的這個過程中，燈內絕對濕度已經從小幅小于環境變為大幅超過環境。與此同時，配光鏡表面的溫度開始上升并產生溫度不均勻，在缺少了光源輻射傳熱的情況下，配光鏡冷區的溫度上升主要來自熱傳導和燈內介質的對流換熱。當環境溫度較低時，冷區的初始溫度較低，加上缺乏熱量輸入，使得該區域溫升較小，最終溫度較低。燈內露點的上升速度超過了冷區溫度上升速度后，霧氣開始在這個區域產生。車燈在怠速過程中的起霧現象易在環境溫度較低的情況下出現。

在怠速過程中，燈內絕對濕度隨時間處于上升階段。怠速28分鐘后，燈內露點為22.39℃，比怠速前上升了17.99℃，超過環境露點16.66℃；燈內水蒸氣壓為2.71 kPa，比怠速前上升了1.90 kPa，是當前環境水蒸氣壓的295.37%，由于還有一部分水蒸氣在配光鏡表面凝結，所以車燈在怠速過程中絕對濕度的實際增加量超過這個數值。結合怠速過程中，燈內濕空氣受熱膨脹和環境濕度基本保持不變，燈內材料釋放水蒸氣是導致燈內絕對濕度增加的重要因素。

(a) 長周期燈內溫度變化

(b) 長周期燈內水蒸氣壓變化

4.2.2 雨淋階段分析

雨淋過程中，燈內溫度仍然在不斷上升，上升速度相比怠速有所降低。和怠速過程相比，雨淋階段的主要變化是配光鏡外表面的介質由大氣換成了水流，這意味著有更多的熱量被帶走。雨淋階段幾個時刻的配光鏡低于露點區域如圖10所示。

(a) 短周期燈內溫度變化

(b) 短周期燈內水蒸氣壓變化

雨淋剛開始，配光鏡表面溫度迅速下降，在配光鏡表面還沒有起霧時，此時露點仍然延續怠速時的上升狀態。相比怠速最后時刻，配光鏡低于露點區域向上、向內大面積擴展，如圖10(a～c)所示。由于雨淋階段水流帶走的熱量遠超怠速階段大氣帶走的熱量，所以產生了較大的過冷度，雨淋階段的起霧比怠速階段明顯迅速和劇烈。

(a) 怠速9分鐘的配光鏡低于露點區域

(b) 怠速10分鐘的配光鏡低于露點區域

雨淋開始一段時間后，燈內絕對濕度出現明顯下降。雨淋15分鐘后，燈內露點為15.77℃，比雨淋剛開始下降了7.41℃；燈內水蒸氣壓為1.79 kPa，比雨淋剛開始下降了1.05 kPa。這主要是水蒸氣在配光鏡表面出現大面積凝結，燈內濕空氣中的水蒸氣含量減少，產生了“冷凝除濕”現象。此時，燈內水蒸氣的減少量已經超過怠速過程中燈內水蒸氣增加量的50%。燈內露點的大幅降低使配光鏡低于露點區域大幅減少，如圖10(d)所示，一部分區域的凝結液開始蒸發，另一部分低于露點區域則繼續凝結。總的來說，此時的起霧區域比雨淋剛開始幾分鐘的起霧區域要小。

雨淋階段，燈內絕對濕度的變化是眾多物理過程共同影響的結果。燈內溫度繼續升高下的燈內材料解吸放濕過程；配光鏡表面溫度的降低下的水蒸氣凝結過程；燈內水蒸氣的減少下的配光鏡表面的液態水蒸發過程。這導致燈內絕對濕度和配光鏡表面起霧區域處于動態變化的狀態；在外界環境不變的情況下，二者也存在相互制衡關系。

(a) 雨淋前1分鐘的配光鏡低于露點區域

(b) 雨淋1分鐘的配光鏡低于露點區域

(d) 雨淋15分鐘的配光鏡低于露點區域

4.2.3 行駛階段分析

行駛過程中，因為關燈和低溫氣流的作用，燈內溫度大幅度降低。配光鏡表面溫度也出現下降，配光鏡外表面的介質是有速度的氣流。由于燈內溫度的下降，燈內材料開始吸附水蒸氣，燈內露點逐漸下降。行駛過程中，配光鏡表面只有極小面積的角落低于露點，處于起霧情況，其他絕大部分區域都處于消霧狀態。行駛階段幾個時刻的配光鏡低于露點區域如圖11所示。

行駛過程中，雖然燈內溫濕度和配光鏡表面溫度處于變化之中，但是配光鏡低于露點區域的變化不明顯，只有細小的區域改變。

4.2.4 靜置階段分析

行駛后車輛靜置，燈內溫度和露點逐步回升，隨著時間的增加，燈內溫度和露點開始下降，與環境的差距越來越小。燈內溫度回升的原因主要是缺少溫度較低氣流的對流換以及熱發動機艙內較高的溫度。靜置階段幾個時刻的配光鏡低于露點區域如圖12所示。