增加預處理環節的車燈霧氣評價試驗優化

沙晟春

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 概述

汽車車燈冷凝起霧是一個極具有科學挑戰性的課題。近年來在中國市場上車燈冷凝起霧現象越來越被客戶重視。中國的季風氣候加上廣袤的地域使得在寒冷和炎熱的條件下都能獲得含有很高濕度的空氣，這讓冷凝起霧非常容易發生。而車燈中起霧現象是中國客戶所不接受的。因此，汽車車燈的開發、模擬和測試必須以一種能夠反映真實世界情況的方式進行，包括一些重要的影響因素和使用工況。

車燈應盡可能優化設計成不起霧的狀態，這是我們上汽大眾在IFAL2017會議上展示的口號［1］。但其實車燈起霧作為一個自然現象不可完全避免，如果周邊環境條件實在過于惡劣，那么設計得再好的車燈也有可能會起霧。因此為了客觀評價一個車燈設計的好壞，有一套經反復推敲設計出的評價試驗是十分必要的。這個試驗必須足夠嚴苛以覆蓋一些極限工況下使用的客戶，但也不能過于苛刻以致建立出一個現實世界不可能存在的模型，最終造成過設計和過高的產品成本。

在IFAL2017會議上，我們也提及了大眾集團的車燈設計是以開放式通氣系統為第一優先級的，因此大眾車燈的性能指標是盡可能快速消除霧氣而不是防止起霧發生［1］。大眾內部的認可試驗可以簡單地描述為如下兩個步驟：①先讓車燈起霧；②測試并評價車燈的消霧能力。

但中國市場有其特殊要求，這是極具挑戰性的極端天氣和周邊條件的組合：高濕度，低溫和高溫，通風系統比歐洲有更嚴格的防塵防灰要求，城市地區較為阻塞的通行條件，以及不接受車燈起霧是自然現象的客戶。原有測試評價條件無法適應和滿足中國客戶的要求。因此，上汽大眾致力于改進原有測試方法以適應這樣的市場狀況。

2 背景

設計新的試驗以改進原有測試方法的想法來自一次實際的整車測試。大眾集團原有一套關于車燈霧氣的完整測試方法，其中非常重要的一項名為“冬試”。冬試旨在驗證車燈在寒冷條件下的起霧和除霧性能。在冬季試驗中，環境具有低溫、低濕的特點。燈和車都放在溫暖的房間里，但室外環境很冷。在如此大的溫差下，汽車從室內向室外移動時，容易引起燈具內的起霧現象，而室外的低濕度有助于通過燈具的通氣系統來測試除霧的效果。

在某年的冬試中，我們將溫度和濕度傳感器放置在燈具內部，并將其存放在受控環境中。傳感器檢測到的燈內溫度和濕度以及根據溫度和濕度計算出的露點如圖1所示。露點表示燈內的絕對含水量。這樣做的目的是觀察燈內的水分與一個典型的房間或儲存環境保持平衡的時間有多長，以及房間環境有多潮濕或干燥。我們還想看看有多少水分進入燈和水分如何在測試中消失。然而，記錄數據卻顯示出意想不到的結果。

圖1 冬季試車燈具內溫濕度記錄

我們通過單獨布置在倉庫中的傳感器測量并計算得出倉庫中的溫度和露點分別為20℃和-8℃。然而，如圖1所示，在步驟①中，將燈放置在倉庫兩天后，露點T_dew沒有太大變化。本來預測由于平衡過程的原因，預計燈內的露點應該會接近倉庫的露點，但測量結果卻高出許多。在步驟①中，我們看到溫度在20℃左右，這意味著溫度已得到了平衡。但露點在0℃以上，而在房間里應該在-8℃左右。這意味著燈內濕度仍較大，水汽從燈內散發得很慢，通過通風口的燈內外自然對流非常緩慢。到步驟②開始前為止，只有48h還不足以使燈內外水汽達到平衡。而在步驟⑤中，一旦打開密封蓋，露點迅速下降到倉庫的水平，并在大約12h內達到平衡。因此，燈內的水汽需要相當長的時間才能通過燈的通氣口自然對流獲得與外界平衡，打開密封蓋則對平衡的速率有很大幫助。

另一個有趣的發現是，從步驟③到步驟④，當燈放在室外時，露點Tdew隨室外溫度的變化而變化，并保持在很低的水平，而當再次將燈放在辦公室時，燈內露點迅速增加，甚至達到了比放在室外前更高的水平。在上一段落中，我們已經發現通過通風口自然對流交換的水分非常緩慢，并且房間的露點始終在-8℃左右，這意味著僅僅靠通過從房間進入到燈具的水分不可能使燈具獲得如此高的露點。那這些額外的水是從哪里來的？

這里我們作出兩個推測：第1個推測是在開始時燈內的大部分水分在步驟③過程中仍然留在燈內。當溫度迅速下降時，燈內的水分凝結成液態水甚至結冰并粘附在零件表面。當燈一放回辦公室，露點就立刻升高，因為水和冰隨著溫度的升高又變成水蒸汽。第2個推測是高于倉庫的露點水平意味著燈內出現額外的濕度，最有可能的解釋是溫度升高時塑料中的水分被釋放了出來。

3 塑料中的水分

從上一章傳感器的數據可以推測塑料中含有水分，而從一些參考書 （如手冊）中我們知道塑料可以儲存和釋放水分［2］。根據分子熱理論，溫度越高，分子的動能就越高［3］。所以當溫度升高時，更多的水分從塑料中排出到空氣中，然后燈內的濕度也會升高。它符合我們觀察到的現象，但仍有許多細節有待調查。我們為此做了3個研究。

第1個重要的問題是：燈內每種塑料類型對吸濕性的貢獻是什么？燈里有幾種不同的塑料。為了開始調查，我們選擇了兩種燈具最常用的塑料：PP和PC。樣品先烘干并稱重。然后將它們放入環境實驗箱，暴露在相同的潮濕條件下，并在加濕15h后再次稱重。根據質量的不同，我們可以知道這段時間樣品吸收了多少水分。不同材料的吸水率結果如表1所示，在相同的條件下，在這段時間內，PC比PP能吸收更多的水分。這基本和材料手冊上的數據基本吻合。

表1 不同材料的吸水率結果

第2個研究是表面處理是否影響塑料材料的吸濕能力。許多燈具塑料表面鍍有一層金屬層，用于裝飾或反光功能。因此，在上一段所示的試驗中加入兩個樣品并重復試驗。這兩個樣品是鍍鋁的PC飾板。結果表明，PC材料一經鍍鋁，涂層就可以幾乎完全防止水分的侵入，同一材料不同表面處理下的吸水率結果如表2所示。

表2 同一材料不同表面處理下的吸水率結果

最后一項待解決的問題是：一個典型的燈從干態到飽和濕態需要多長時間？我們使用了大眾途安車型的8個霧燈進行稱重測試。與之前的研究一樣，首先將燈具干燥，然后將其放入溫度為20℃、相對濕度為98%的氣候室中。因為以前只是進行零件單品試驗，試驗樣品直接暴露在高濕度下，不需要對完全飽和的樣品進行試驗。但這里是一只整燈，密封和通風部件組裝在一起，目標是讓燈飽和。因此，僅僅15h是不夠的。我們試驗方法為每24h將這些燈稱重，直到質量幾乎穩定結束。燈內含水量隨時間的變化結果如圖2所示。

圖2 燈內含水量隨時間的變化

從數據上可以看出，這種霧燈最終可以吸收約3g的水分，讓燈完成約90%的吸收過程至少需要4天時間。這意味著，如果我們想用這燈來研究其中的水分或冷凝，假設認為最后10%的水分差異影響很小，我們最好也要在開始測試前至少4天將所有樣品放在同一個地方。否則，結果可能會受到塑料內部不同的初始濕度水平的影響。

4 預處理環節的設計

經過之前的討論分析我們得知塑料中含有水分。當塑料的溫度升高時，水分會釋放出來。此外，當燈是靜態時，沒有其他的強制對流而只靠通氣口排氣時，燈內的水汽與外界平衡非常緩慢。可見燈內塑料中的初始水分在車燈霧氣試驗中起著重要作用。因此，有必要定義并增加一個預處理環節，明確定義并限制試驗初始時燈內水汽水平。否則，試驗結果可能會受到很大干擾而不可靠，不能重復，即使其他條件都一樣，也會導致錯誤的結論。

預處理一般有兩個地方需要選擇。一是決定初始狀態是干燥還是加濕，以便在各被測燈具之間提供可比條件。另一個決定是燈的透氣和密封件，包括透氣膜、透氣栓、透氣帽、通氣彎管和其他密封蓋，是否應該保持像車內狀態一樣或額外被打開。這里考慮的關鍵點一是時間成本，二是狀態的正確性，換句話說，是正確狀態和測試時間成本之間的權衡。盡管使燈干燥或潮濕都能使燈內部達到相同的初始濕度狀態以獲得可比的條件，但這里我們正在研究冷凝問題，因此之后我們會讓燈內部有霧，讓干的燈有霧比濕的燈需要更多的時間。所以，如果想節省測試時間，就應該選擇讓燈濕到同樣的程度。同樣地，有關是否要額外拆卸密封件，如第2章中冬試反映的結果，如果燈具保持不拆卸所有密封件，則需要更多的時間來獲得燈具內外水汽的平衡。因此，如果為了節省試驗時間，應選擇額外拆下密封件，并在預處理后進行組裝。但這樣做的風險在于燈內可能存在不現實的高濕度，尤其是對于本身較為密封的燈具是不公平的。舉例來講，在現實中，當周邊環境變濕時，透氣口數量少的燈，其水汽侵入的速率較透氣口數量多的燈慢，因此這種情況下透氣口數量少的燈內部相對干燥。但如果一味為了節約試驗時間而把額外的密封件拆卸，則這種阻擋水汽侵入保持相對干燥的優勢就會被試驗人員人為消除，即透氣口數量多少的區別被消除了，其后果可能導致試驗結果并不能客觀反映透氣口數量多少的孰優孰劣。因此正確的選擇是正確狀態和測試時間成本之間的權衡。

當上述兩個選擇確定后，車燈可在溫度和相對濕度可控的環境試驗箱內進行預處理。假設我們剛才選擇的是加濕，則在預處理參數上依舊有各種不同的溫度和相對濕度的組合可供選擇。不同的溫度和相對濕度會導致燈的初始狀態不同，這一方面取決于測試人員如何設置評價結果的參考標準。另外也可能取決于預處理時間的定義。例如，如果需要燈具通過較短的預處理時間達到某一吸濕水平，則相比較長預處理時間的方案，其濕度設置應更高。

最后，設計這個預處理是用于什么樣的測試是另一個需要考慮的重要問題。預處理條件應與后面試驗起霧環節的周邊環境相適應，否則可能會產生干擾效應。具體來講，如果試驗是環境穩定的實驗室試驗，則應采用固定參數的預處理。然而，如果試驗是在室外進行的實車試驗，由于可能出現不同的天氣和條件，預處理不能使用固定的參數。例如，如果是始終在25℃室溫下進行的實驗室試驗，則適合在25℃下進行80%相對濕度的預處理。這種預處理也適用于平均環境溫度在25℃左右的季節進行實車試驗，但這個預處理條件在中國南方一些地區雨季進行實車試驗時則顯得過于干燥。同樣，如果在冬季寒冷的地方進行試驗，那25℃80%相對濕度的條件則過于潮濕。這個條件用在冬季寒冷的地方做試驗的話，猶如一團濕熱氣體直接放入冰箱，因此往往燈具經預處理后拿到室外就發生冷凝現象，且難以去除，這樣就難以對燈具性能做出正確的評價。因此，即使在同一個地方，當一個人在不同季節進行實車測試時，也應該根據當時的氣溫使用不同的預處理參數。

5 結論和展望

本文探討了正確的試驗設計對公正客觀地評價車燈起霧和消霧的真實性能具有重要意義。為了設計一個合適的測試，必須考慮許多影響因素并對其加以約束。在過去的測試中發現塑料可以儲存和釋放濕氣。這部分濕度可能在車燈的起霧問題中起重要作用。此外只經過車燈通氣口自然對流形成的燈內外水汽平衡過程十分緩慢。因此，在試驗中進行適當的預處理是必要的。一個好的預處理方法的選擇應是正確狀態和測試時間成本之間的權衡，其參數應根據不同的應用場合進行調整。