汽車除霜除霧機制及影響因素探究

摘 要：本文主要探究汽車除霜除霧機制及其影響因素。闡述了汽車車窗除霜除霧的工作原理，探討了汽車除霜除霧的影響因素。提出了對汽車除霜除霧性能研發的新方向。

關鍵詞：汽車 除霜 除霧 工作原理 影響因素

隨著汽車行業的快速發展，汽車在人們生活中的重要性日益凸顯。汽車的除霜除霧時間和區域既涉及了乘車安全也是乘坐舒適度的一個重要方面[1]。在日常駕駛中，汽車玻璃起霧和結霜問題常常困擾著駕駛者。尤其是在潮濕或寒冷的天氣條件下，車窗玻璃上的霧氣和霜層會嚴重影響駕駛者的視線，對行車安全構成極大威脅。因此，深入研究汽車除霜除霧的工作原理及影響因素具有重要的現實意義。

本研究旨在深入探究汽車除霜除霧的工作原理，分析其影響因素，為汽車制造商提供改進除霜除霧系統的依據，從而提升行車安全性。通過對汽車除霜除霧工作原理的研究，我們可以更好地理解這一過程中涉及的物理和化學變化，為優化除霜除霧系統設計提供理論支持。同時，分析影響除霜除霧效果的因素，有助于我們找到提高除霜除霧效率的方法，減少因車窗起霧或結霜而導致的交通事故發生概率。

1 汽車除霜除霧工作原理

汽車的除霜除霧功能主要由汽車空調實現，汽車空調系統把空氣加熱成高溫的干空氣，然后從空調風口送出，通過空調風道和出風口吹到擋風玻璃和側面玻璃區域，通過熱空氣將玻璃加熱融化掉霜層或利用干空氣將霧氣清除[2]。除霜是通過除霜或風窗玻璃刮水器系統的運行去除玻璃外表面上的霜或冰。除霧是通過除霧系統的運行除去玻璃內表面上所覆蓋的霧[3]。

隨著新能源汽車和大型MPV越來越多，這也對空調暖風提出了新的要求。新能源汽車沒有燃油發動機提供熱量，也就沒有高溫冷卻液作為熱源，而大型MPV座艙內空間大，對熱源的要求更高，因此傳統的暖風熱源已經難以滿足需求。在這種情況下，PTC加熱器開始越來越多地應用在乘用車上。內部搭載一個或多個熱敏陶瓷復合材料的發熱芯，并且在加熱芯的周圍會密布導熱效率高的金屬散熱鰭片。除霜系統的熱源由動力電池提供電力，通過加熱板PTC芯體發熱，由暖風電機經風道吹出，再經過散熱鰭片時，就會將所產生的熱能帶進車內，從而讓空調吹出暖風，達到除霜除霧的效果。目前有車型開始搭載熱泵空調系統，熱泵空調內部主要是有四大部件：壓縮機、熱交換器、膨脹閥、四通閥。在工作時，壓縮機通過壓縮作用，提高冷媒蒸氣的壓力和溫度，將低溫低壓的冷媒蒸氣壓縮至高溫高壓狀態，然后通過四通閥的控制，選擇性地將高溫高壓冷媒泵至車內或者車外的熱交換器上。泵向車內時，在車內的熱交換器中實現放熱，使高溫高壓蒸氣冷卻成高壓常溫的液體，鼓風機就可以通過氣流將其熱量帶至車內，實現空調制熱，達到除霜除霧的效果。

目前市面上也有車型采用PTC+熱泵空調模式。這種模式結合了PTC加熱和熱泵空調的優點，實現了高效能和節能的效果。? 相較于普通的PTC加熱模式，PTC+熱泵空調系統的制熱功耗下降了50%以上，大大降低了續航里程焦慮，同時營造了舒適的冬季駕乘空間?這種工作模式。

1.1 冷風物理原理

汽車吹冷風除霧的原理基于制冷循環系統的工作原理。液體制冷劑在蒸發器中吸收被冷卻物體的熱量，汽化成低溫低壓蒸汽，這個過程能夠降低周圍空氣的溫度。被壓縮機吸入后，制冷劑被壓縮成高壓高溫蒸汽，再排入冷凝器。在冷凝器中，高溫高壓的蒸汽將熱量釋放到冷卻介質（水或空氣）中，冷凝成高壓液體。高壓液體通過節流閥節流成低壓低溫制冷劑，再次進入蒸發器，完成一個制冷循環。在除霧過程中，這個循環不斷降低車內空氣的溫度，使車窗玻璃表面的溫度也降低。當車內空氣中的水汽接觸到較冷的玻璃表面時，水汽會凝結成小水珠，但由于空氣流動加快，小水珠難以聚集形成霧氣，從而達到除霧的效果。據資料顯示，通過這種方式除霧速度較快，但可能會讓車內人員在一段時間內感到寒冷，并且如果車內溫度上升，可能會再次出現霧氣。

1.2 熱風物理原理

當使用熱空調除霧時，熱空氣通過空調系統吹向車窗玻璃。熱空氣的溫度較高，能夠使玻璃表面的溫度升高，與車內空氣溫度接近。當含有霧沫的氣體以一定速度流經除霧器時，由于氣體的慣性作用，霧氣與波片碰撞而聚集的液滴會變大。液滴產生的重力超過了氣體升力和液體表層張力的合力，液滴與波片表層分離。同時，熱空氣能夠烘干車內的水分，隨著熱風將車內的水分逐漸烘干，霧氣也會消失。不過，這種方式除霧時間相對較長，剛開始打開熱空調時，車內的霧氣可能會變得更大，這是因為內外溫差加大。但一旦霧氣被暖風吹干，由于玻璃和車內空氣溫度接近，可以保持很長一段時間不會再起霧。

1.3 電場除霧原理

后風窗玻璃一般采用電場除霧原理。在電暈線（陰極）和酸霧捕集極板（陽極）之間形成強大的電場，使空氣分子被電離，瞬間產生大量的正、負離子。這些電子及離子在電場力的作用下作定向運動，構成了捕集霧氣的媒介。同時，使得霧氣的粒子帶上電荷，這些帶電的酸霧粒子在電場力的作用下，作定向運動，抵達捕集霧氣的兩極的極板上。之后，帶電荷的粒子在極板上釋放所帶電荷，于是酸霧被集聚到極板上，在重力作用下流到除酸霧器的儲酸槽中，從而達到凈化酸霧的目的。

2 汽車除霜除霧的影響因素

2.1 整車冷卻系統因素

2.1.1 發動機水溫的作用

發動機水溫對除霜除霧熱風熱量起著至關重要的作用。除霜除霧所需的熱風熱量來源于發動機熱水，當熱水的水溫、流量發生變化時，暖風水箱的換熱量也會隨之改變，進而影響除霜出風溫度。目前，隨著發動機技術的不斷提高，其效率持續提升，導致余熱下降，發動機水溫上升緩慢且水溫偏低，特別是柴油發動機，這個問題更加突出，使得除霜效果變差。據統計，現在低檔車通常通過調整發動機ECU的控制，增加低溫時的供油量來迅速升高水溫，但隨著排放指標和節能環保要求的提高，這種方法已不適用于未來的新車型。而比較高檔的汽車，一般會增加燃油輔助加熱、蓄熱裝置或電加熱方式，以此彌補發動機熱量不足和升溫過慢的問題。另外，還可以通過加熱玻璃洗滌液的方式，直接用熱的洗滌液來融化玻璃表面的霜層，實現迅速除霜。

2.1.2 暖風水箱水流量影響

冷卻系統中，暖風水箱的水流量問題是常見的影響除霜除霧的因素。根據經驗，正常的車在進行低溫除霜試驗時，其暖風水箱的進出水溫差在7℃～10℃之間。一旦水溫差異過大，則說明通過暖風水箱的熱水流量低。產生這個問題的原因主要有節溫器泄漏或失效、水泵有效揚程不足、發動機水套內部泄漏、小循環水路流阻過大或堵塞、發動機防凍液不足且水位過低、水路設計會導致分流不均等問題。此外，水路排氣不好，暖風水箱中存在空氣也會影響采暖效果。這些問題一般比較容易發現，處理方法也相對成熟。

2.2 整車空氣系統因素

除霜風道的設計對除霜除霧效果有著重要影響。由于車廂內空間有限，風道在儀表臺下方布置時，要考慮避讓其他零部件和滿足安裝需求，所以風道經常設計得外型彎曲，粗細不均。這樣就導致風道的風阻增大，氣流分配不均等問題，會使除霜出風量減少，出風不均勻，特別是側除霜風量小，后視鏡區域難以除掉霜層或霧氣。

在除霜除霧狀態時，空調需調整到全暖外循環模式，不同模式下風量的要求不一樣。在實際使用中，需要根據不同的除霜除霧需求，合理調整鼓風機的運行狀態，以確保達到良好的除霜除霧效果。

2.3 PTC空調系統因素

PTC是一種正溫度系數材料，通電后能快速產生熱量。在寒冷天氣下，PTC空調系統可以迅速提升車內溫度，快速有效地清除擋風玻璃上的霜或霧，保證駕駛員的視線清晰，極大地提高了行車安全性。相比傳統燃油車依靠發動機余熱來除霜除霧，PTC的加熱速度更快，不需要等待發動機預熱一段時間后才能提供熱量，能夠在車輛啟動后短時間內就發揮除霜除霧的作用。穩定可靠的除霜霧效果：PTC材料具有自動限溫和恒溫的特性，當溫度達到一定值時，電阻值增大，電流減小，可避免溫度過高或過低的情況發生，能夠持續穩定地為除霜除霧提供適宜的熱量，確保除霜除霧效果的穩定性和可靠性。不受環境影響：PTC空調系統的除霜除霧功能受外界環境溫度的影響較小。在極寒天氣或惡劣的環境條件下，即使發動機的熱量不足或熱泵系統的效率降低，PTC系統仍然能夠正常工作，為車輛提供除霜除霧的功能，保證駕駛員的視野不受影響。增加能耗：PTC空調系統是通過電阻加熱來產生熱量，這一過程會消耗大量的電能。在除霜除霧的過程中，如果長時間使用PTC功能，會導致車輛的能耗增加，進而影響電動汽車的續航里程。對于傳統燃油車來說，也會增加發動機的負擔，導致燃油消耗增加。

2.4 熱泵空調系統因素

熱泵空調系統利用制冷循環中的熱能交換原理，能高效地吸收和釋放熱量。在除霜除霧過程中，相比傳統的電阻加熱方式（如PTC）能耗更低，可以減少車輛的電能消耗，對電動汽車的續航里程影響較小。在長期使用過程中，這種節能優勢有助于降低車輛的使用成本，并且在一定程度上緩解了用戶的續航焦慮。

熱泵系統在正常工作時能夠提供較為穩定的熱量輸出，對擋風玻璃的除霜除霧具有較好的效果。尤其是在不極端的寒冷天氣條件下，能夠快速有效地清除玻璃上的霜或霧，為駕駛員提供清晰的視線，保障行車安全。境適應性相對較好：在溫度不是極低的寒冷環境中，熱泵空調系統的性能相對穩定，能夠持續為除霜除霧提供熱量。與一些在低溫下性能下降明顯的技術相比，熱泵空調系統在一定程度上具有更好的環境適應性，能夠在較廣泛的溫度范圍內正常工作。低溫制熱性能有限：在極寒天氣下，由于外界環境溫度過低，熱泵空調系統從空氣中獲取熱量的難度增加，導致制熱效率下降。此時，熱泵系統可能無法提供足夠的熱量來快速有效地除霜除霧，影響駕駛員的視線和行車安全。系統結構復雜可能引發故障：熱泵空調系統需要在結構上增加四通換向閥等較為復雜的裝置，技術復雜性較高。這些復雜的結構和部件在長期使用過程中可能會出現故障，一旦出現故障，就有可能影響到除霜除霧功能的正常運行。除霜過程中可能影響舒適性：當熱泵空調系統處于除霜模式時，風道內換熱器上的冷凝水可能會迅速蒸發，在車輛的前擋風玻璃上結霜，反而會影響駕駛安全性。并且在除霜過程中，可能會導致送風溫度和風量的波動，影響車內的舒適性。

3 結論與展望

探究了汽車除霜除霧的工作原理及影響因素。在工作原理方面，冷風物理原理通過制冷循環降低車內空氣溫度，使水汽在玻璃表面難以聚集形成霧氣；熱風物理原理利用熱空氣升高玻璃表面溫度，烘干車內水分以消除霧氣；電場除霧原理則是通過電場作用使霧氣粒子帶電并集聚到極板上。

在影響因素方面，整車冷卻系統中發動機水溫及暖風水箱水流量對除霜除霧效果有著重要影響。發動機水溫上升慢、水溫低會導致除霜效果差，可通過增加燃油輔助加熱等方式彌補；暖風水箱水流量低會影響采暖效果，其原因包括節溫器泄漏等多種情況。整車空氣系統中，除霜風道的設計會影響出風量和出風均勻度，不合理的設計可能導致側除霜風量小；風量要求在不同模式下有所不同，合理調整鼓風機運行狀態對除霜除霧效果至關重要。

未來可以從以下幾個方面進一步優化汽車除霜除霧系統。首先，在冷卻系統方面，可以繼續探索更加高效、環保的發動機余熱利用方式，提高水溫上升速度和穩定性，以改善除霜除霧效果。研發新型的熱交換技術，提高暖風水箱的換熱效率。其次，對于空氣系統，可利用先進的流體力學模擬技術，進一步優化除霜風道的設計，降低風阻，提高氣流分配的均勻性。同時，研究更加智能的風量控制系統，根據不同的天氣條件和駕駛需求，自動調整鼓風機的運行狀態，以實現最佳的除霜除霧效果。此外，還可以結合新材料的應用，開發具有更好除霜除霧性能的玻璃材料，如具有自加熱功能的玻璃或防霧涂層玻璃。最后，隨著智能汽車技術的發展，可以將除霜除霧系統與車輛的智能控制系統相結合，實現更加自動化、個性化的除霜除霧功能，提高行車安全性和駕駛舒適性。

參考文獻：

[1]盧紅杰，羅坤，司曉虎.乘用車除霜除霧效果分析[J].機電產品開發與創新，2011，24（4）：115-116.

[2]于亞杰，方舜民，胡建成，等.汽車除霜除霧性能提升[J].測試與試驗，2018，13：86-87.

[3]GB11555-2009，車風窗玻璃除霜和除霧系統的性能和試驗方法[S].