汽車車燈結霧機理分析與防霧設計方法研究

劉廣博， 黃連生

（1.南寧產業投資集團有限責任公司，南寧530022；2.南寧燎旺車燈股份有限公司，南寧530007）

0 引 言

隨著汽車工業的迅猛發展，人們在一貫追求汽車的實用性、便利性的同時，對汽車行駛安全性、可靠性的關注也越來越高。汽車車燈對行駛安全與駕駛信號交流有著至關重要的影響，而車燈結霧問題已成為影響車燈照明質量的重要因素，是汽車安全行駛的一個隱患。因結霧問題引起的車燈維修與報廢率居高不下，是車燈設計者一直研究并著力解決的重點問題。

汽車車燈不僅是個功能件，而且是個外觀件，車燈與車身外形曲面的造型銜接使得車燈承擔了更多的汽車“美觀功能”。延伸到車身側面的車燈裝飾面使整車的美觀性更高，而這部分裝飾面卻成為了主要的車燈結霧區域。車燈結霧問題反過來成為影響車燈質量和外觀的因素之一，車燈裝飾面的美觀設計與車燈防霧設計構成了一對矛盾體。水蒸氣冷凝于車燈內表面，不僅影響車燈外觀，而且阻擋照明光線，影響行車安全。更嚴重時，霧珠凝聚造成燈內積水，威脅到車燈燈泡的使用壽命和車燈內電路的安全。另外霧珠的存在會使材料加速老化，由于霧氣問題而造成的車燈產品報廢率一直較高，某些燈型甚至達到了30%[1]。

車燈結霧是影響車燈質量的一個主要問題，各汽車燈具制造廠家都在研究探討這一難題的解決措施[2]。J.M.M.Sousa等[3]對汽車前照燈內流體流動場和壁溫分布進行了實驗研究；趙亮等[4]采用計算機流體動力學數值模擬的方法, 對車燈內部的氣流和溫度分布進行了計算和分析,著力解決車燈因材料熱失效、熱變形及內部結霧等熱現象造成的質量問題；陳明敏[5]采用逆向工程技術和熱分析相結合的方法對汽車車燈進行了熱分析研究，采用逆向工程技術和熱分析相結合的方法對汽車車燈進行了熱分析研究；高心健等[6]通過試驗對比了噴涂防霧涂層、車燈內加干燥劑及使用透氣薄膜3種措施的防霧效果；李祥兵[7]通過分析防霧漆的防霧機理和防霧漆流掛問題的產生機理,剖析防霧漆流掛產生的原因,提出優化前照燈內部空氣濕度、空氣流通速率和防霧漆特性的解決方案,并通過項目驗證證明方案的可行性和有效性；易偉等[8]研究了一種通過溫濕度傳感器測量燈內溫度和濕度，由PLC控制風扇的防霧裝置。車燈的防霧設計直接影響著車燈霧氣情況，因此在前期設計階段有必要結合車燈內部的熱分析，對關鍵零部件做優化設計，改善車燈內部流場和溫度場分布，以解決車燈結霧問題。

1 結霧機理分析

車燈結霧實際上是車燈內部的水蒸氣凝結，是水蒸氣在一定條件下液化的物理現象。實現液化的方式有兩種：一是降低溫度；二是壓縮體積。汽車前組合燈為半封閉狀態，燈殼上有若干個通氣孔，用于車燈內外部氣流交換，保證內外氣壓一致，故前組合燈內的液化現象主要是在定壓狀況下由于溫度的變化而發生的。車燈內的流動介質為含有水蒸氣和塵埃的空氣，其流動形態為自然對流。車燈點亮時，燈內氣體和各部件之間發生熱傳導、熱對流、熱輻射等復雜的熱交換現象，當溫度較高的潮濕空氣與燈玻冷區接觸時，就會形成結霧附在燈玻內表面；車燈熄滅時，燈玻的溫度下降速度比燈內氣體快，當燈玻溫度低于燈內空氣的飽和溫度時，也會形成結霧。

根據熱力學，液滴的氣-液兩相平衡時，滿足開爾文（Kelvin）公式

式中：P0為T溫度下平液面的蒸氣壓；P為T溫度下彎曲液面的蒸氣壓；ρ為凝結液體密度；M為液體摩爾質量。

當飽和度P/P0達到某一數值時，蒸汽分子就凝結成具有一定半徑r的液滴，其半徑r為臨界半徑rc。水蒸氣的凝結過程分為液滴形成階段和逐漸變大階段。凝結液首先形成于凝結核心處，典型的凝結核心一般為材料表面的微小凹凸處和塵埃顆粒等，水蒸氣在凝結核心處形成小水珠，這個過程稱為成核過程。當凝結不斷進行時，液滴半徑r不斷增大，由開爾文公式可得，液滴存在和發展的條件為

當液滴半徑r小于臨界半徑rc時，液滴將不斷蒸發、縮小，以致消失。在純凈的蒸汽中，液滴最初成核的半徑很小，除非蒸汽的過冷程度很大，使rc具有足夠小的值，否則液滴是難以形成和長大的。當存在塵埃顆粒或材料表面有微小凹凸面時，水蒸氣便吸附在其表面形成液滴，使液滴凝結核心一開始就具有較大的半徑，因此液滴的形成和長大機會就大為增加[9]。

根據以上結霧機理分析，車燈結霧必須滿足3個條件[10]：1）燈內空氣濕度足夠大。在車燈點亮或關閉時，車燈內、外發生氣流交換，尤其在雨天，外界環境中的水分通過燈殼上的通氣孔進入到車燈內部，加大燈內空氣濕度。2）存在凝結核心。空氣中的塵埃，以及燈玻內表面的微觀凹凸面為水蒸氣提供了凝結核心。3）燈內某區域溫度低于水蒸氣液化的臨界溫度。

2 防霧措施分析

根據結霧條件分析可知，車燈制造環境的潔凈度、車燈材料表面性質、燈內的濕度、溫度場和流場等是影響結霧的主要因素。從總體上說，車燈制造環境潔凈度越高，材料表面越光潔，燈內濕度越小，溫度場分布越均勻，流動性越好，則越能避免結霧的形成。

2.1 提高環境潔凈度

汽車前組合燈是半封閉狀態，車燈內部與外界的氣流交換是經過通氣孔來實現的，而通氣孔上裝有“通氣蓋”，其中的透氣膜允許氣體分子自由通過，而塵埃等固體顆粒無法進入，達到“通氣防塵”的效果，如圖1所示。因此，燈內的空氣潔凈度主要取決于車燈制造過程的環境潔凈度。現在許多車燈廠家都已使用高等級的潔凈室來制造、裝配車燈，燈內空氣的潔凈度已有很大的提高。

圖1 通氣蓋氣流交換

2.2 改善材料表面性質

車燈結霧從視覺上主要體現在燈玻內表面，燈玻內表面的微小凹凸面為結霧提供了凝結核心。要提高燈玻內表面的光潔性，一是提高燈玻模具相應成型面的光潔度，這對模具的加工提出了極大的挑戰，現有的制造工藝水平很難再有突破性的提高；二是采用在燈玻內表面噴涂防霧涂層的方法來減少凝結核心數量及改善材料表面對水的親和作用[11]。其作用原理是利用防霧涂料中的親水基團對水進行親和吸附，降低水的表面張力，減小水分子與物體表面的接觸角，使水汽潤濕、擴散或者吸附于物體表面，形成一層均勻的厚度為1～5 μm的透明水膜[12]，極大減小對入射光線產生的散射作用，從而達到視覺上消霧的目的，如圖2所示。

由于防霧涂層是在透明材質上噴涂后進行UV光固化，其噴涂環境要求較高，噴涂工藝復雜，如有質量缺陷將無法修復，因此成本較高。另外，防霧涂層的防霧功能只是一種視覺上的效果，結霧是實際存在的，只是讓人“看不見”這種透明水膜而已，結霧對車燈電路的使用安全及材料的加速老化等影響依然不能消除。且相對于車燈的使用壽命來說，防霧涂層的有效期較短，不是一種理想的防霧措施。

2.3 降低濕度

車燈在其它部位密封狀態良好的情況下，其與外部環境的氣流交換是經過通氣孔來實現的。在車燈內、外部氣流交換的過程中，混雜在空氣中的水蒸氣由通氣孔進入到燈體內。在干燥的季節車燈內濕度較低，在潮濕的季節或者雨雪天氣中，車燈內的濕度較高。可見，車燈內的空氣濕度主要由環境濕度決定。在燈內加干燥劑可降低車燈內部的濕度，但干燥劑是有時限的，有效期過后必須更換，增加了使用成本。

2.4 提高燈內溫度場均勻性

2.4.1 改善光源熱輻射

在汽車前組合燈設計過程中，合理布置光源、反射鏡和燈玻的相應位置與結構，使光線經直射、反射后盡量照射到燈玻的每一處，減小燈玻溫度梯度的變化，提高車燈內部溫度均勻性。但實際中由于配光要求及整車造型的需要，車燈上有部分延伸到車身側面的裝飾面，這部分裝飾面的區域是光線無法照射到的“冷區”。

2.4.2 加強氣流交換

由于熱輻射的直線傳播特點，輻射加熱的部位有限[13]，車燈的更多區域需要靠對流熱換的方式加熱，因而設計合理的氣流通道，加強對流熱換顯得更加重要。燈內氣體流動會與車燈零部件表面發生對流傳熱的熱量交換，根據牛頓冷卻定律，對流熱量為

式中：q為熱流密度；A為傳熱面積；Δt為流體與固體表面的溫差。

光源附近的氣體被加熱后溫度上升，在對流的作用下流動到溫度低的區域，高溫氣體與車燈內冷區的部件進行熱量交換，實現對冷區的加熱，且氣流還可帶動燈內各部位的水汽流動，甚至通過換氣孔散發到外界環境中去。燈內各部分氣體循環流動，互相摻和、滲透，使溫度趨于均勻。氣流交換越通暢的地方，形成結霧的概率就越小。

綜上所述，對各項防霧措施進行分析對比可知，在現階段的技術水平和制造工藝條件下，通過合理的結構設計來加強車燈內氣流交換，是最經濟、有效、可靠的，并從根源上解決霧氣問題的方法。

3 車燈結構優化設計

圖3 前組合燈結構示意圖

圖3 是上汽通用五菱某型車的前組合燈，是一款集遠光燈、近光燈、轉向燈、位置燈于一體的車燈，使用傳統的鹵素燈泡做為光源。車燈主要零部件有燈玻、燈殼、裝飾件、反射鏡及其他配件。

3.1 通氣孔分布設計

為加強燈內外氣流交換，首先要在燈殼上設置若干通氣孔，通氣孔的位置分布和通氣質量對換氣過程的順利進行和霧氣消散有很大的影響[14]。由于燈內氣體流動是自然對流驅動，通氣孔相互之間的位置關系顯得十分重要，已有不少人對通氣孔的結構、尺寸、數量、位置分布等做了深入研究[15]。圖4為前組合燈的通氣孔分布情況。

圖4 通氣孔分布情況示意圖

3.2 熱分析

用FloEFD對前組合燈進行熱分析，設置條件如表1所示，圖5為燈內流場與溫度場分布情況。

從圖5熱分析結果可以看出，前組合燈可視面上的下邊緣和靠近轉向燈一側的部分區域流動場分布緩慢、氣體溫度較低。由于裝飾板和燈玻相互配合間隙的影響，含有水蒸氣的氣體進入這部分區域后，很難再有流動，形成滯留。這部分區域不能被對流熱換的氣體加熱，因而成為了冷區，是容易結霧的區域。圖6是前組合燈在淋雨和霧氣試驗后的實際情況，前組合燈的下邊緣和靠近轉向燈一側的部分區域已出現了結霧，在測試標準規定的時間內不能完全消散，與上述熱分析的結果相吻合。

表1 分析設置條件

圖5 燈內流場與溫度場示意圖

圖6 實驗后燈內起霧情況

3.3 結構優化創新設計

對前組合燈進行熱分析可知，由于燈內存在光源輻射和氣體對流的“死區”，對流熱換的氣體不能對這部分區域進行加熱，因而成為了溫度較低的冷區，水蒸氣進入冷區后便形成結霧。為加強車燈內外氣體的氣流交換，更多的車燈設計與研究者把重點放在了通氣孔的設計和布置上。通氣孔能加強車燈內外的整體氣流交換效果，但對于某些氣流交換的死區，必須“打通氣流通道”，使車燈內部的氣流熱換與車燈內外的氣流交換能夠順利進行。因此，受此思路的啟發，對裝飾板做結構優化設計，在不影響可視面外觀和結構強度、剛度的情況下，下測邊緣開出兩個槽孔，側面開通3條小槽孔，使進入此區域的氣體能夠順利通過槽孔流通到裝飾板背面，從而參與到整個車燈內、外部的氣流交換中。裝飾板結構設計如圖7所示。

對優化設計后的車燈再次進行熱分析，車燈溫度場和流場分布分析結果如圖8所示。

圖7 裝飾板優化設計前后結構示意圖

圖8 車燈優化設計后的溫度場與流場

根據兩次熱分析的結果（圖5與圖8），對比優化設計前后燈內流場與溫度場的變化，可見：1）優化前氣體進入流動弱區后，流動緩慢，溫度較低（65～80 ℃）；優化后流動弱區的氣體從槽孔處流通到裝飾板背面，流動較快，溫度提升較明顯（87～103 ℃）。2）優化后可見區域流線濃密度比優化前小，說明裝飾板前后兩面的氣體流動更加暢通，車燈內外氣流交換效果更好。3）優化后燈內各區域溫度分布比優化前更均勻。

圖9是優化設計后前組合燈的淋雨和霧氣實驗圖，其結霧現象已完全消除。這是在車燈完全沒有防霧涂層、無干燥劑等其他輔助措施的情況下，通過在裝飾板上開小槽孔，從而打通氣流通道的一種開創性的防霧新設計，取得了經濟、有效、可靠的防霧效果。

4 結 論

車燈結霧主要與燈內濕度、溫度場分布及凝結核心有關，因此可以從提高環境潔凈度、改善材料表面性質、降低濕度、加強氣流交換、提高燈內溫度場均勻性等方面著手進行防霧設計。

本文采用理論分析與模擬仿真相結合，通過優化設計與試驗驗證的方法，對車燈的結霧機理進行分析，結合車燈結霧的3個條件，討論影響車燈結霧的主要因素；通過分析對比各種防霧措施的優劣性和可行性，得出通過優化設計車燈內關鍵零部件的結構，打通處于對流“死區”的氣流通道，從而加強氣流交換，是最經濟可行且從根源上解決霧氣問題的方法；通過對某型前組合車燈實際存在的霧氣問題進行熱分析，對裝飾板的結構進行“開槽孔”的優化設計，并進行實驗測試驗證，取得了理想的防霧效果。滿足了車燈既要設計美觀，又達到防霧效果的要求，從而解決車燈的整體美觀設計與防霧要求之間的矛盾。這種在關鍵零部件上“開槽孔”來打通氣流通道的創新設計，對車燈的防霧設計具有十分重要的指導意義。

圖9 車燈優化設計后霧氣實驗圖

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