汽車前照燈霧氣原理研究與應對措施

李 俊，鄧德志，杜旭耀

（廣汽乘用車有限公司，廣東 廣州 511434）

1 概述

汽車前照燈的功能主要用于道路照明，同時也向其他道路使用者發出光信號裝置的零件。從整車造型層面，汽車前照燈作為汽車的眼睛，造型的美觀性同樣是客戶關注的重點。

近年來，隨著汽車需求的日益普及，車輛面臨的使用工況也日趨復雜；前照燈配光鏡內表面經常會出現霧氣或結露，如圖1所示，影響到整車外觀商品性，容易引起客戶的抱怨與品質索賠。

圖1 前照燈起霧示例圖

2 前照燈起霧的形成機理分析

2.1 水霧與水汽

2.1.1 前照燈的水汽

自然界中的空氣實際上由氮氣、氧氣、稀有氣體、水蒸氣、其他氣體和雜質組成。在一定溫度、濕度的環境情況，固定體積的空氣飽和含水汽量是一定的。假設衡量空氣中所含水的質量用Mw表示，那么可以得出如下計算方式：

式中：Mw——空氣中所含水的質量，kg；Rw——水蒸氣的空氣常數，426.05J／kg×K；Pws——當前氣溫時水蒸氣的飽和蒸汽壓，Pa；Pw——當前氣溫時水蒸氣的絕對蒸汽壓，Pa；Ф——當前氣溫時空氣的相對濕度，%；T——當前氣溫的絕對溫度，K；V——被測空氣的體積，m3。

依據計算公式可知，飽和蒸汽壓與溫度是成正相關的關系，一定體積的空氣在不同溫度下有不同的飽和蒸汽壓，并隨著溫度的升高而增大，反之飽和蒸汽壓隨著溫度的降低而減小。水的飽和蒸汽壓與溫度線性擬合曲線如圖2所示。

圖2 水的飽和蒸汽壓與溫度線性擬合曲線

前照燈是發光且自密封一體式零件，燈內部是空腔狀態，為光的傳導照明需要，其在燈體內部是有一定的空間體積容納空氣。

2.1.2 前照燈的水霧

前照燈配光鏡內表面出現的霧氣是空氣中水蒸氣遇冷凝結后附著在配光鏡內表面上的離散散落的小水點。該小水點附著在配光鏡內表面上，接觸角大于20°。前照燈配光鏡內表面水霧示意如圖3所示。

圖3 前照燈配光鏡內表面水霧示意圖

2.2 前照燈溫度場與流場分析

2.2.1 前照燈的溫度場

汽車前照燈通常包含近光燈、遠光燈、前位置燈、前轉向燈以及日間行車燈，如圖4所示。前照燈零件裝配在汽車的前機艙最前方。在車輛啟動、遠／近光燈開啟的情況下，前照燈將處于一個復雜的溫度場環境中。

圖4 前照燈光源信息示意圖

當前照燈的造型設計需要越來越多地滿足整車的整體造型風格，前照燈結構受限于造型需求，大多數燈體結構采用異形設計。燈體外觀面上可分為冷區和熱區，如圖5所示。所謂熱區即為燈光可以直接照射到的部位，溫度較高，最高可達80℃。所謂冷區即燈光無法照射到的部位，溫度較低，最低可與環境溫度保持一致。下雨天或者環境溫度下降時，前照燈內部冷區環境溫度會隨著環境溫度的下降而降低，當冷區處空氣溫度降低至飽和水蒸氣溫度時，則在配光鏡內表面形成霧氣。

圖5 前照燈外觀面溫度場分布云圖

2.2.2 前照燈的流動場

前照燈因平衡燈體內部與外部環境氣壓的需要，在燈殼背面設計有透氣結構。常用的透氣結構有透氣膜、Nitto透氣帽、透氣蓋、透氣彎管。當汽車行駛時或者燈體內外存在溫差時，燈體內部空氣與外界空氣是在不斷進行氣流交換的，這就形成了復雜的流場。燈體內部與外界環境氣流流動分析如圖6所示。

圖6 燈體內部與外界環境氣流流動分析圖

2.3 材料特性

前照燈零件中各部件均為塑料部件，塑料件本身吸水率存在差異。表1為常用塑料材料的吸水率。

當環境溫度下降時，車燈塑料件將從環境中吸濕一定的水分，與此同時吸濕完水分的車燈，受到高溫環境 （暴曬、機艙升溫、燈光照射）的烘烤下，材料中吸濕的水分會以水蒸氣的形式蒸發出來，該部分水汽在燈體內部隨氣流流動。當流經冷區位置時，會在配光鏡內表面結露成霧氣。

表1 塑料材料吸水率特性表

3 應對措施

結合汽車前照燈起霧的原理，主要從以下幾個方面解決霧氣問題。

3.1 配光鏡內表面增加防霧涂層

防霧涂層是涂布在汽車前照燈配光鏡內表面一層透明的涂料，通常防霧涂料涂布的厚度在1~6μm。在配光鏡內表面涂布一層防霧涂層，配光鏡內表面將成親水性，如圖7所示。

此時當空氣中的水汽在配光鏡內表面結露時，防霧涂料親水基通過連接各水分子，將使得配光鏡內表面水汽水膜化，不在是密集的點狀分布。水膜化后的水汽表面張力接觸角只有5°左右 （低于20°），從而起到防霧的作用。水膜化后的配光鏡內表面示意如圖8所示。

圖7 涂布防霧涂料后的配光鏡內表面示意圖

圖8 水膜化后的配光鏡內表面示意圖

3.2 增加干燥劑

干燥劑可吸濕潮濕物質中的部分水分，通過降低前照燈內部空氣中水分和材料中水分的方式實現防霧作用。根據吸附水分原理的不同，可將干燥劑分為物理吸附型干燥劑和化學吸附型干燥劑。物理性干燥劑通常吸濕水分的過程是可逆的，但是吸水能力較差。化學吸附型干燥劑是通過化學反應方式吸收水分子，改變其化學結構實現。化學吸附型干燥劑吸水不可逆，但是吸水效果較好。汽車前照燈上常用的干燥劑為化學性干燥劑。化學吸附型干燥劑主要有：生石灰干燥劑、氯化鎂、氯化鈣、堿石灰或五氧化二磷等。通常情況干燥劑吸水率達到120%。

3.3 改善透氣結構

氣流作為霧氣形成的一個重要因素，前照燈透氣結構的改善是關鍵的環節。當前前照燈透氣結構上設計主要有透氣膜、Nitto透氣帽、透氣蓋、透氣彎管。相關參數對比如表2所示。

汽車前照燈在設計透氣結構時，在考慮燈體內外部壓力平衡的前提下，盡量選用防水、防塵性能較高的Nitto透氣帽和透氣膜。這將大大減小外部水汽進入前照燈燈體內部，降低霧氣形成的機率。

表2 透氣結構性能對比

3.4 降低材料中的水分

汽車前照燈在出廠裝配前，可通過高位烘烤設備內存放30min，除去前照燈材料中的水分。烘烤過后的前照燈應通過密封包裝存放在恒溫恒濕的倉庫內。

4 總結

綜上所示，汽車前照燈起霧是受到多因素影響的綜合性課題。在應對前照燈霧氣問題上，建議通過多種措施配合開展應對。