新型汽車燈具的防霧設(shè)計探討

（華晨寶馬汽車有限公司沈陽分公司 110044）

隨著我國汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，車燈不僅具有裝飾的作用，還能給夜間駕駛?cè)藛T提供良好的照明效果，確保其能夠安全行車。當前車燈在設(shè)計和選用的材料上都在不斷發(fā)生改變，其中防霧是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，也是設(shè)計工作的重點和核心部分。車燈在使用過程中燈泡周圍能夠達到很高的溫度，車燈內(nèi)的積水在高溫的作用下能夠很快全部蒸發(fā)，從而形成霧氣，影響正常照明效果，并且車燈內(nèi)溫度和濕度的提高會減少其使用年限，應(yīng)當進行更加深入的研究，從而做好預防工作。雖然我國在燈具設(shè)計上不斷取得進步，當時燈具防霧還是影響車燈質(zhì)量的主要因素。同時水蒸氣在燈具反射鏡或透鏡表面長期凝結(jié)會造成燈具材料的腐蝕，如果不能很好解決防霧問題，就會提高燈具報廢率和索賠。

0 概述

汽車燈具的霧珠主要是燈具中出現(xiàn)積水造成的，燈具出現(xiàn)起霧現(xiàn)象時，甚至還會有二次起霧現(xiàn)象發(fā)生，這種現(xiàn)象將在很大程度減少燈具的使用年限。其中在燈具起霧的原理中涉及到很多方面的知識，有熱流動、材料、結(jié)構(gòu)等，當前在技術(shù)和經(jīng)驗上仍然存在很大的不足之處，因此過去的燈具設(shè)計中一般都是利用光學設(shè)計的，充分利用燈具在使用過程中的對流場合溫度場完成分析和設(shè)計工作，在燈具的熱設(shè)計上存在很大的缺陷，今后有很大的發(fā)展空間，需要進一步的研究設(shè)計，從而很好的防止燈具起霧現(xiàn)象，保證能夠安全的行駛車輛[1]。

1 起霧原理

如果水蒸氣同低于其飽和溫度的物質(zhì)相接觸時，由于不同表面的性質(zhì)存在差異，將會出現(xiàn)兩種不同的凝結(jié)方式。若是凝結(jié)液體可以對壁面進行濕潤，那么壁面上就會形成水汽膜，將這種形式的凝結(jié)叫做膜狀凝結(jié)。如果凝結(jié)的液體不能對壁面發(fā)揮濕潤作用，這樣凝結(jié)的水汽就會在壁面上形成小液珠，將這種凝結(jié)方式叫做珠狀凝結(jié)。汽車燈具面罩使用的材料是合成樹脂，這種材料水是不能浸潤的，將在其表面形成珠狀凝結(jié)，對汽車車燈的照明和外觀產(chǎn)生不良影響作用。其中燈具內(nèi)起霧要具備3個基本條件。

1.1 燈具內(nèi)的空氣中有充足的水蒸氣

燈具中的水蒸氣通過兩種方式形成，一是燈具周圍空氣中的水蒸氣進入其中，二是由于燈具中留存的部分的積水受熱后蒸發(fā)形成水蒸氣。

若是在燈具中沒有積水出現(xiàn)，那些起霧的主要原因就是所處環(huán)境發(fā)生變化后，導致空氣中水蒸氣的凝結(jié)，從而引發(fā)起霧現(xiàn)象。一般會出現(xiàn)的情景是，燈具本身處于濕度較高的空間中，并且溫度也很高，使得燈具內(nèi)的空氣濕度很大；一旦空氣溫度有所下降，使得燈具中的水蒸氣不能很快的流動并擴散到環(huán)境中，保持很高的濃度存在，如果燈具中一些部分的溫度下降到低于該地區(qū)水蒸氣凝結(jié)臨界溫度，就會造成起霧現(xiàn)象。

通常是燈具內(nèi)積水蒸發(fā)導致很多燈具的起霧現(xiàn)象。將燈具點亮后，燈泡周圍空氣溫度會快速上升，利用輻射和自然對流進行換熱，從而使得燈具中的積水受熱開始蒸發(fā)作用，這樣溫度相對高的部分濕度也會很大，水蒸氣在對流和擴散過程中，進入到車燈中的各個部分。因為燈具內(nèi)部的溫度分布是非常不均勻的，這樣就會出現(xiàn)濕度高、溫度高的空氣向溫度低的區(qū)域內(nèi)流動，其中的部分水蒸氣會出現(xiàn)凝結(jié)成霧的現(xiàn)象。燈具中積水的來源一般包括環(huán)境中水蒸氣在換氣中帶入凝結(jié)形成積水，還有就是空氣中的水分通過換氣、滲入等進入形成積水。

1.2 燈具內(nèi)的溫度低于空氣中水蒸氣凝結(jié)臨界溫度的部分

因為燈內(nèi)會有低溫區(qū)域的存在，進行燈內(nèi)輻射換熱和自然對流能力交換過程中出現(xiàn)溫度不均勻的現(xiàn)象。使得燈內(nèi)部分區(qū)域的溫度低于了該地區(qū)水蒸氣凝結(jié)臨界溫度，造成了燈具內(nèi)起霧現(xiàn)象。

1.3 有霧氣凝結(jié)核心

凝結(jié)核心是出現(xiàn)大范圍凝結(jié)現(xiàn)象的主要原因。燈具內(nèi)部的空氣中，一般沒有很多凝結(jié)核心，水蒸氣不會出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象。但是由于燈具中的各種零部件表面都是不平整的，能夠吸附一些水蒸氣，同時也形成一些凝結(jié)核心，這樣液滴就會形成相對很大的初始半徑，這樣水蒸氣就可能會在這些不平整的表面凝結(jié)成液滴，從而不斷的擴大形成霧氣。

在以上3種因素的共同作用下，造成起霧現(xiàn)象發(fā)生。推出燈具出現(xiàn)起霧準則。

其中公式中的R是液滴半徑，是液滴表面張力，為水蒸氣飽和溫度，為汽化潛熱，是液滴密度，是液滴溫度，其同環(huán)境溫度相近似。

2 起霧因素分析

前面介紹了一些車燈內(nèi)霧氣凝結(jié)的原因，可以發(fā)現(xiàn)，溫度、空氣流動、車燈材質(zhì)等都會對車燈霧氣凝結(jié)現(xiàn)象造成一定影響，其中水蒸氣的濃度和溫度及空氣流動是直接影響因素，對于這些因素來說，燈內(nèi)溫度情況越均勻，溫度越高，對流越強烈，那么起霧的幾率越小。

2.1 溫度因素分析

溫度是使車燈內(nèi)霧氣凝結(jié)的重要因素之一。通過對當前市場上結(jié)霧嚴重的幾款汽車車燈表面溫度測量發(fā)現(xiàn)，結(jié)霧的部分都是相對低溫區(qū)域。對于大眾Passat的B6的前照燈而言，經(jīng)過測量得出，燈罩表面的溫度情況是非常不均勻的，在燈罩兩端部分的溫度相對偏低，中間部分燈泡的直接照射位置溫度很高。同時還發(fā)現(xiàn)燈罩兩段的低溫區(qū)域溫度是相差不多的，其中左端的溫度略高于右端。

因此可知在右端結(jié)霧的可能性要大于左端。然后經(jīng)過一次淋雨試驗同樣也證實了這樣的結(jié)論。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因同燈泡的安裝位置有很大關(guān)系，燈泡的結(jié)構(gòu)和形狀也對其產(chǎn)生一定影響。一般都會將車燈燈泡安裝在中間偏向左的位置，而且右側(cè)的配光鏡將會擋住車燈燈泡的輻射作用，所以就會在燈罩的右邊形成大范圍的低溫區(qū)域，給霧氣形成創(chuàng)造了良好的條件[2]。

通過對透鏡罩表面等溫線的繪制發(fā)現(xiàn)，當受到輻射條件的作用時其分部會發(fā)生變化，并且不同于自然對流的情況。因此可以發(fā)現(xiàn)，溫度分布變化是受到車燈內(nèi)部熱輻射和自然對流共同作用，通過對多種車燈的研究發(fā)現(xiàn)，都有相似情況存在。所以，在進行車燈設(shè)計時，如果有自然對流死區(qū)存在，或者有阻擋和減弱輻射的設(shè)計出現(xiàn)時，將會增加產(chǎn)生霧氣的可能性。

2.2 對流場

燈具內(nèi)發(fā)生流動主要是因為溫度分布的不均勻?qū)е碌淖匀粚α?。在一些有換氣設(shè)計的燈具中，能夠進行燈內(nèi)氣體和外界氣體的換氣活動。燈內(nèi)氣體的流動很大程度決定了燈內(nèi)的溫度，對流可以將熱量傳遞到燈腔的每個部位，提高了每個區(qū)域的溫度，同時若是很強的對流出現(xiàn)，水分會很快蒸發(fā)，車燈中如果有透氣設(shè)計，透氣氣流可以把燈內(nèi)形成的水汽散發(fā)到外界環(huán)境中，一定程度減少起霧的可能性。

影響對流場分布的因素包括3個，一是燈腔中空間范圍、形狀和燈具內(nèi)部零件的構(gòu)造、燈泡位置、功率等；二是透氣孔的位置和數(shù)量；三是燈具的工作方式。對于大多車燈而言，其能夠持續(xù)、穩(wěn)定的工作。燈具同外界大氣進行物質(zhì)交換是利用自然對流進行的，對于像轉(zhuǎn)向燈等那樣能夠閃爍工作的燈具，燈泡經(jīng)常需要點亮和熄滅，這就使得燈內(nèi)腔的氣體經(jīng)常會受熱膨脹遇冷收縮，如果使用透氣燈具，就會適當同外界環(huán)境進行物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換。

如果是一些體積很小，但是功率很大的燈具，燈具閃爍造成的對流作用是很強的，能夠很好的防止起霧現(xiàn)象。如果是只有一個透氣孔時，氣體只能進行單向的交換工作，并且是在車燈工作情況發(fā)生變化時進行。如果車燈能夠正常、穩(wěn)定的進行工作，這種單向交換就會慢慢減弱甚至消失。

當有不少于2個透氣孔的情況下，才能穩(wěn)定的進行換氣循環(huán)。換氣孔的位置也會對換氣效果產(chǎn)生很大影響，產(chǎn)生良好的除霧效果。透氣孔的空間位置會對燈腔內(nèi)的流動場產(chǎn)生影響，改變溫度場。因為燈內(nèi)流動是自然對流引起的，透氣孔的相對位置很關(guān)鍵。那些設(shè)有很多透氣孔的車燈，若透氣孔之間位置很近或豎向距離很小，換氣循環(huán)對燈腔中的溫度場和流動場產(chǎn)生很小的作用。

2.3 換氣口的大小、個數(shù)和位置因素分析

溫度場和流動場會使燈具起霧，同時車燈換氣口大小、個數(shù)和位置也是非常重要的。若是車燈只有一個換氣口，單向進行氣體交換，氣體交換只是在車燈工作情況發(fā)生變化時進行。在車燈穩(wěn)定工作時不會再發(fā)生換氣，車燈內(nèi)的空氣不再流動，形成封閉燈腔，使得車燈內(nèi)形成的水蒸氣不能通過換氣流出燈外。最少設(shè)立2個以上換氣口才能做好燈內(nèi)換氣循環(huán)。換氣口的相對位置對防止霧氣凝結(jié)非常重要[3]。

2.4 濃度因素分析

如果不考慮空氣物性的改變，設(shè)車燈內(nèi)空氣的初始絕對濕度為，車燈所處環(huán)境的空氣絕對濕度值是，是車燈內(nèi)初始絕對濕度下的初始平均溫度，是車燈所處環(huán)境空氣絕對濕度下的初始平均溫度，空氣的體積膨脹系數(shù)是，總的熱熔是，V代表車燈內(nèi)腔的體積， P代表車燈的平均功率，f代表閃爍工作頻率，車燈內(nèi)空氣對車燈能力的總吸收率是。就會有下面公式：

假如M是1時，因為K＜1，所以閃爍次數(shù)逐漸增加后，車燈內(nèi)空氣的絕對濕度會慢慢接近于空氣的絕對濕度，K越小，其接近的速度也會變快。這就說明車燈在濕度很高的情況下，濕度會出現(xiàn)明顯的累計現(xiàn)象。如果是閃爍車燈，其體積不應(yīng)當很大。

3 新型防霧車燈的設(shè)計和應(yīng)用

根據(jù)前面分析采取相關(guān)措施設(shè)計一種新型汽車燈，它也屬于汽車配件的一種。其中有反光罩、面罩、燈泡等多個零件，其中在反光罩的中心位置安裝燈泡，同時在燈泡的末尾安裝一定散熱設(shè)備，反光罩和面罩配合使用，在面罩上安裝散熱透氣孔，同時在另一邊安裝吹風裝置，在反光罩和面罩里面安裝濕度感應(yīng)器，并且將其同吹風設(shè)備、控制器相連接。這種車燈能夠很好的將車燈內(nèi)的熱能量消除，減少燈腔內(nèi)的熱量，同時避免燈腔內(nèi)的水汽在面罩上產(chǎn)生水霧，保證行車過程中的安全。

3.1 結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點

為了能夠很好的防霧，嘗試通過下面的技術(shù)方案消除弊端，這種新型的汽車燈應(yīng)當包含反光罩、面罩、吹風裝置等，其中反光罩的中心位置安裝燈泡，在燈泡尾部設(shè)置散熱器，反光罩和面罩相互配合共同使用，面罩的兩個角分別安裝散熱透氣孔和吹風設(shè)備，反光罩和面罩中安裝濕度感應(yīng)器，并且同吹風和控制設(shè)備向連接。最好選擇能夠自動轉(zhuǎn)動吹風的設(shè)備，可能大范圍對面罩進行除霧。優(yōu)先選擇使用強度高的燈泡，方便消除面罩底部的霧氣。這種新型設(shè)計能夠很好的將車燈內(nèi)的熱量散發(fā)，降低燈腔內(nèi)的溫度，最大程度防止燈腔內(nèi)有水霧產(chǎn)生，同時也提高了燈具的使用壽命。其主要的技術(shù)特征就是吹風裝置是能夠自動轉(zhuǎn)動吹風的，在很寬的角度進行除霧工作，燈泡是高強度的燈泡，很好的去除面罩底部的霧氣。

3.2 汽車燈具的防霧應(yīng)用

在汽車防霧燈具設(shè)計中藥遵守下面幾點內(nèi)容，一是良好的控制燈具內(nèi)的濕度，制作燈具所需的零部件和環(huán)境濕度都要滿足標準要求。二是在進行汽車燈具結(jié)構(gòu)的各種設(shè)計時，要盡量防止出現(xiàn)燈具的輻射現(xiàn)象和對流區(qū)域。三是對于燈具的內(nèi)部表面的處理上，要提高防霧涂層的噴涂技術(shù)，通過不斷改變燈具中水蒸氣凝結(jié)方式，最好使用膜狀凝結(jié)。四是要科學有效的研究和設(shè)計燈具中的透氣孔，確定透氣孔的數(shù)量、大小和位置，保證水汽能夠及時有效的形成對流。五是認真學習相關(guān)設(shè)計原理進行反射鏡設(shè)計，合理確定其形狀和燈泡的位置，形成合適的輻射場。六是提高汽車燈具的密封性，能夠最大程度防止有水分進入[4]。

4 結(jié)束語

總而言之，車燈內(nèi)部結(jié)霧現(xiàn)象是受到多種因素共同作用的結(jié)果，經(jīng)過研究分析可以發(fā)現(xiàn)，主要的影響因素是燈具內(nèi)部構(gòu)造的溫度場、濕度、空氣流動和濃度。通過對這幾點因素的有效分析和控制，能夠很好的減少汽車燈具的起霧現(xiàn)象。所以，今后一定要增加汽車燈具防霧設(shè)計的研究，深入進行熱分析研究，不斷提高燈具質(zhì)量和性能，徹底消除車燈內(nèi)起霧現(xiàn)象。從而保證安全的行駛車輛。

【參考文獻】

[1]王軍威.汽車燈具設(shè)計原理與方法——信號燈篇[J].科技致富向?qū)?2011(17)：219-219.

[2]袁文軍,李憲華.新型汽車燈具鍍膜機及變壓器的設(shè)計[J].機械研究與應(yīng)用,1999,12(3)：18-19.

[3]閆巍.新型汽車前照燈反射面的研究與設(shè)計[D].燕山大學,2014.

[4]玉進,鄧建國,郝革紅.一種新型防霧車燈設(shè)計分析[J].輕工科技,2013(7)：85-86.