帶防霧漆車燈水珠凝結(jié)驗(yàn)證模型研究及對策

李祥兵，鄧 培，王春才，彭 麗，趙曉茹，王 韜

（1.神龍汽車有限公司，湖北 武漢 430056；2.東風(fēng)汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430058）

1 引言

車燈水霧問題一直是廣大客戶高度關(guān)注的問題，采用防霧漆等方案后，可以很好地改善霧氣效果。但對于已經(jīng)使用了防霧漆的車燈，在密封性能合格的前提下，車燈內(nèi)出現(xiàn)可視的水珠凝聚，不僅影響外觀，還會(huì)讓客戶誤以為車燈進(jìn)水。在現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)中，對車燈水汽凝聚有廣泛的記載和研究，而且已經(jīng)有非常成熟的方案和對策，但對于帶防霧漆的車燈所形成的水珠凝聚（排除密封問題），很多主機(jī)廠將其視為一種正?，F(xiàn)象，國內(nèi)無相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。本文通過對某一款車燈在陽光下形成的水珠凝聚現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出一種用于驗(yàn)證車燈水珠凝聚的驗(yàn)證方法，對分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并對出現(xiàn)水珠后車燈的優(yōu)化方案進(jìn)行探討。

2 車燈內(nèi)水珠凝結(jié)的形成機(jī)理

對于帶防霧漆的車燈，理論上是不會(huì)有水霧甚至水珠出現(xiàn)的。這是因?yàn)榉漓F漆是親水化合物，它與水之間通過一定的飽和度達(dá)到平衡，并將車燈內(nèi)的水蒸氣轉(zhuǎn)化為一層均勻厚度的水膜附著在車燈透鏡內(nèi)表面，從車輛的正常視覺方向無法看到明顯的水珠或水汽。但當(dāng)車燈透鏡的內(nèi)表面局部區(qū)域的水量過厚時(shí)，就會(huì)超過其飽和度，局部區(qū)域水膜過厚，水膜就會(huì)由于自身重力的原因沿著透鏡內(nèi)表面向下流動(dòng)，從而在車燈透鏡內(nèi)表面最低處形成水珠。形成水珠的原因主要有以下3個(gè)方面。

2.1 大量水蒸氣的存在

在車燈設(shè)計(jì)過程中，燈殼上會(huì)設(shè)計(jì)透氣孔來達(dá)到車燈內(nèi)外熱交換的目的，而透氣孔一般貼有透氣膜，它是車燈的透氣窗戶。透氣膜表面上的孔徑一般為0.1～1μm，是水珠直徑的1/10000，是水汽分子的700倍，因此，透氣膜除了允許氣體流通外，也允許氣體分子進(jìn)出，但對于液態(tài)水，由于直徑大且富有黏性而無法通過。由此看出，燈具內(nèi)水蒸氣的來源主要有兩種途徑：來自于周圍環(huán)境空氣中所含的水蒸氣和燈具內(nèi)積水受熱蒸發(fā)所形成的水蒸氣。而車燈內(nèi)積水是由于在裝配過程中，由于環(huán)境的濕度導(dǎo)致車燈內(nèi)不可避免地會(huì)有一些水氣分子進(jìn)入燈體內(nèi)或者車燈內(nèi)部分零件材料本身吸收水分后在高溫下被蒸發(fā)出來。外界空氣的流入則是由于內(nèi)外的壓差導(dǎo)致車燈燈體外的部分水分子會(huì)通過透氣膜進(jìn)入到燈體內(nèi)。圖1為車燈內(nèi)外水分子交換原理圖。在車燈設(shè)計(jì)上，透氣裝置有多種，如透氣帽、透氣膜、透氣彎管等。

圖1 車燈內(nèi)外水分子交換原理圖

2.2 車燈內(nèi)外溫差

溫度場是影響水汽凝結(jié)的重要因素，大量研究成果表明，水珠凝聚部位一般位于低溫、氣體交換不暢的區(qū)域?；诖罅康尿?yàn)證數(shù)據(jù)表明，當(dāng)車燈內(nèi)外溫差達(dá)到10.5℃時(shí)，車燈外透鏡的內(nèi)表面開始形成輕微水霧，隨著溫差的加大，水霧就愈發(fā)嚴(yán)重，甚至形成水珠。

一般而言，車燈內(nèi)部區(qū)域有以下特點(diǎn)：①配光鏡下表面的溫度普遍比上面低；②被車燈反射鏡直接照射的區(qū)域溫度明顯高于其他地區(qū)；③車燈配光鏡中心受反光鏡的照射強(qiáng)度最大，溫度最高，因而最不容易形成水汽凝結(jié)。

由于車燈內(nèi)存在這種溫度不均衡區(qū)域，導(dǎo)致車輛在行駛后立即淋雨時(shí)，由于車燈內(nèi)外有溫差，部分水蒸氣就會(huì)通過透氣裝置大量涌入。圖2為車燈內(nèi)外能量交換圖。

圖2 車燈內(nèi)外能量交換圖

2.3 內(nèi)外氣體交換不暢

燈具本身有換氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還存在著與外界大氣的換氣流動(dòng)。燈具內(nèi)的換氣流動(dòng)不僅影響著燈體內(nèi)溫度的分布，而且較強(qiáng)的氣流可以促使水分的蒸發(fā)，對快速消除水汽凝結(jié)很有益處。對燈體內(nèi)的流場進(jìn)行分析，其中透鏡的表面為自然對流換熱，其他表面絕熱，采用層流自然對流模型。影響流動(dòng)場的主要因素有以下幾點(diǎn)。

1）燈腔、反射鏡形狀、光源位置和功率等。

2）光源的工作方式（閃爍或長時(shí)間點(diǎn)亮）；對于前照燈而言，其工作方式均可以為持久的穩(wěn)態(tài)工作方式。此時(shí)車燈與外界大氣的物質(zhì)交換通過自然對流。

3）換氣口的大小、個(gè)數(shù)和位置。車燈換氣口的個(gè)數(shù)、位置、大小對車燈換氣的影響很大。一般在設(shè)計(jì)階段，會(huì)預(yù)留幾個(gè)透氣孔位置，在工業(yè)化階段根據(jù)實(shí)際的驗(yàn)證效果來保留或關(guān)閉某些透氣孔，從而保證車燈內(nèi)外透氣效果最佳。

3 車燈內(nèi)水珠凝聚的驗(yàn)證模型

3.1 驗(yàn)證模型

式中：R——液滴半徑；T——水蒸氣飽和溫度；T——液滴溫度（近似于當(dāng)?shù)乜諝鉁囟龋?；h——?dú)饣瘽摕?；ρ——液滴密度?——液滴的表面張力。

從式（1）可以看出，當(dāng)某一區(qū)域的溫度越接近于水蒸氣飽和溫度時(shí)，那么該區(qū)域所形成的液滴半徑也就越大。

3.2 驗(yàn)證流程

基于上述驗(yàn)證模型分析的車燈內(nèi)水珠形成機(jī)理，車燈內(nèi)水珠凝結(jié)需要驗(yàn)證3個(gè)方面。

1）防霧漆的有效性。防霧漆并不能阻礙水珠的產(chǎn)生，如果防霧漆遭到破壞，比如局部區(qū)域水層過厚，會(huì)導(dǎo)致防霧漆內(nèi)部物質(zhì)被析出，從而形成流掛。形成流掛的區(qū)域，實(shí)際上是防霧漆被破壞的區(qū)域。防霧漆被破壞后，局部區(qū)域水膜無法形成，水蒸氣將以水珠的形式附著在透鏡的內(nèi)表面。

對于防霧漆有效性的驗(yàn)證，一般有防霧漆性能驗(yàn)證、防霧涂層劃格試驗(yàn)和流掛試驗(yàn)等。其中，防霧漆的性能驗(yàn)證分為整車的防霧性能驗(yàn)證和單燈的性能驗(yàn)證。兩者的差異在于：整車的防霧性能試驗(yàn)條件是一種實(shí)際工況狀態(tài)。整車驗(yàn)證環(huán)境包含車燈預(yù)處理、怠速運(yùn)行和淋雨、觀察水霧消散狀態(tài)幾個(gè)部分。當(dāng)整車的防霧性能試驗(yàn)合格時(shí)，一般在后續(xù)的路試中也應(yīng)該是合格的。對于單燈的防霧性能驗(yàn)證，由于試驗(yàn)不是在整車上進(jìn)行，因而不能完全模擬整車的實(shí)際工況。為了更接近整車的實(shí)際工況，通常需要將車燈零部件放到高低溫箱中模擬（高溫箱模擬發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間怠速后車燈背后的溫度環(huán)境，低溫箱模擬車燈前方的溫度環(huán)境）。

2）車燈的密封性能驗(yàn)證。無論是車燈水汽凝結(jié)還是水珠凝聚，首先需要用密封試驗(yàn)來判斷車燈的密封是否可靠。在密封性能合格的前提下，來研究車燈內(nèi)水珠凝聚的相關(guān)對策。車燈密封驗(yàn)證包含高壓淋雨（模擬雨水沖刷下的密封性能），低壓淋雨（模擬雨水滲透作用的密封性能），熱帶淋雨（模擬在發(fā)動(dòng)機(jī)處于熱狀態(tài)下的淋雨），這些實(shí)驗(yàn)都是在整車工況下進(jìn)行。對于單燈而言，一般需要進(jìn)行氣密檢查和浸泡試驗(yàn)，確保氣體泄漏量是符合要求的。

3）水汽蒸發(fā)的驗(yàn)證。水蒸氣的蒸發(fā)試驗(yàn)主要驗(yàn)證車燈內(nèi)的水蒸氣是否會(huì)導(dǎo)致水霧或水珠的產(chǎn)生。一般有陽光暴曬試驗(yàn)和耐熱性能驗(yàn)證。陽光暴曬主要模擬在溫度低于10℃，相對濕度大于60%時(shí)，陽光長時(shí)間直射下，車燈內(nèi)部是否由于局部冷區(qū)而形成水霧。耐熱性能主要驗(yàn)證將車燈（取下透氣裝置）放置在50℃的環(huán)境中，讓車燈內(nèi)的水汽分子盡可能蒸發(fā)出來，然后整車上進(jìn)行水汽的驗(yàn)證。這個(gè)試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證透氣裝置的有效性。如圖3所示。

圖3 驗(yàn)證流程

3.3 水珠凝聚的驗(yàn)證方法

驗(yàn)證裝置

本試驗(yàn)方法的目的在于驗(yàn)證車燈在整車上的防水珠凝聚性能，所需要的設(shè)備為工業(yè)化階段且達(dá)到一定成熟狀態(tài)的整車、精密溫濕度計(jì)、高壓沖洗槍、純棉抹布等。環(huán)境要求為35℃以上高溫，50±20%濕度。

預(yù)處理

將帶防霧漆且已經(jīng)完成防霧漆驗(yàn)證和密封、耐熱性能驗(yàn)證的試驗(yàn)樣件安裝到車輛上，同時(shí)檢查所有點(diǎn)亮功能是否正常。卸下燈具試驗(yàn)樣件的防護(hù)罩或燈座，將卸下的防護(hù)罩或燈座以及卸下防護(hù)罩或燈座后的燈具試驗(yàn)樣件一起放在溫濕度箱里進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理?xiàng)l件為環(huán)境溫度20℃，濕度60%，時(shí)間12h。預(yù)處理的目的就是讓濕氣充分進(jìn)入燈體內(nèi)。預(yù)處理完畢后，迅速蓋上透氣蓋或透氣帽，然后將燈從溫度箱中取出，裝配到車輛上。

試驗(yàn)方法

在陽光下路試

在環(huán)境溫度為35℃以上的晴好天氣，路試2h，路試過程中，車速60km/h，無需開近遠(yuǎn)光以模擬白天的行駛工況。路試完畢后，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，同時(shí)關(guān)閉所有車燈。迅速用高壓水槍沖洗。在沖洗過程中，如果是考察單獨(dú)日行燈，可以通過沖洗前照燈表面，使水珠飛濺到日行燈透鏡外表面，模擬下雨的工況。由于透鏡外表面光滑，只有模擬下小雨才能讓水珠懸掛并附著在透鏡的外表面，這樣透鏡外表面就能更快冷卻，并在透鏡內(nèi)外形成巨大的溫差而形成水珠。高壓沖洗3min后，靜止觀察，看車燈內(nèi)表面是否形成水珠。

在下雨天路試

在下雨天且氣溫高于30℃以上時(shí)，2h路試過程中，車速60km/h，無需開近遠(yuǎn)光以模擬白天的行駛工況。路試完成后，觀察車燈透鏡內(nèi)表面是否有水珠。

3.4 驗(yàn)證實(shí)例

以某公司生產(chǎn)的某款日行燈為例，該日行燈包含位置燈、日行燈和轉(zhuǎn)向燈3個(gè)功能，車燈透鏡內(nèi)表面帶防霧漆，燈體上帶2個(gè)透氣帽，分別布置在車燈的兩端。然后按照晴天行駛和雨天行駛分別完成試驗(yàn)。驗(yàn)證燈體在不同環(huán)境溫度下，水蒸氣是否烘干，有無干燥劑，是否新增透氣孔情況下的水珠凝聚情況，所得的結(jié)果如表1所示。

表1 不同方案的驗(yàn)證效果

1）環(huán)境溫度對水珠凝聚影響較大。當(dāng)環(huán)境溫度低于30℃時(shí)，按照同樣的工況，無法形成水珠凝聚，主要原因是環(huán)境溫度不太高時(shí)，車燈內(nèi)外無法形成足以水珠凝聚的較大溫度差。

2）車燈內(nèi)的水汽存量對水珠凝聚影響不大。由于透氣膜是一種允許水蒸氣進(jìn)出，不允許液態(tài)水進(jìn)出的結(jié)構(gòu)，因此，即使將車燈內(nèi)的水蒸氣烘干，燈體外的水蒸氣還是會(huì)因?yàn)闊趔w內(nèi)外氣壓的差異而大量進(jìn)入，從而為水珠凝聚創(chuàng)造條件。

3）在車燈內(nèi)降低水蒸氣的存量，比如采用干燥包的方式，則可以很明顯改善水珠凝聚的情況，這說明燈體內(nèi)已有的水蒸氣是水珠凝聚的必要條件。

4）改善車燈的氣體流動(dòng)和熱交換方式可以很好地改善水珠凝聚現(xiàn)象。從本項(xiàng)目的驗(yàn)證來看，在原始方案中，水珠一般在車燈的中間區(qū)域形成，這說明中間區(qū)域?yàn)闅怏w交換不暢的區(qū)域，如果在該區(qū)域的燈殼上增加透氣孔，則可以很好地改善水珠凝聚狀況。

4 水珠凝聚的應(yīng)對策略

4.1 光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在車燈設(shè)計(jì)過程中，合理布置光源、反射鏡、光導(dǎo)的位置與結(jié)構(gòu)，使光線經(jīng)過直射、反射后盡量均勻照射到透鏡上。對于帶厚壁注塑件光導(dǎo)的車燈，減少光線在厚壁的傳播距離，使車燈內(nèi)部的熱量盡量分布均勻。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，由于配光法規(guī)及整車造型的要求，車燈上會(huì)出現(xiàn)大面積非功能區(qū)域，導(dǎo)致車燈即使點(diǎn)亮后，內(nèi)部熱量也無法正常傳達(dá)，這部分光線無法達(dá)到的區(qū)域通常稱之為冷區(qū)。

對于車燈內(nèi)存在厚壁光導(dǎo)的車燈，還存在直接發(fā)光和側(cè)發(fā)光兩種不同方式（圖4、圖5），兩者的不同點(diǎn)在于：直接發(fā)光方式由于光線在光導(dǎo)中能直線傳播，能量效率高，更多的熱量會(huì)直接打到外透鏡的內(nèi)表面，而側(cè)發(fā)光式的外透鏡所聚集的熱量相對少一些，所以形成水珠/水霧的風(fēng)險(xiǎn)更大。

圖4 直接發(fā)光式

圖5 側(cè)發(fā)光式

4.2 透氣裝置的選擇及設(shè)計(jì)

透氣裝置主要有2個(gè)作用：散熱和維持車燈內(nèi)外氣壓平衡。對于體積較大的車燈，比如前照燈，在設(shè)計(jì)階段模擬霧氣的同時(shí)，還需要預(yù)留1～3個(gè)透氣孔位置，以便在工業(yè)化階段進(jìn)行驗(yàn)證，通過打開或關(guān)閉某些透氣裝置形成最佳的透氣組合，從而使得防霧效果最好。在透氣裝置的選擇方面，要綜合考慮透氣裝置的防水、防塵和耐溫等特性，詳見表2。

表2 車燈常用透氣裝置對比

4.3 驗(yàn)證工況的設(shè)計(jì)

在單燈上驗(yàn)證時(shí)，由于車燈廠無整車驗(yàn)證環(huán)境，因此一般采用高低溫箱來完成試驗(yàn)，但由于高溫箱的溫度并沒有達(dá)到環(huán)境溫度35℃以上車輛路試1～2h后機(jī)艙的溫度，因此也不能模擬出水珠的狀況。因而無論是整車還是單燈試驗(yàn)，都需要對溫度進(jìn)行調(diào)整。對整車驗(yàn)證而言，需要考慮環(huán)境溫度35℃以上的整車水珠凝聚試驗(yàn)，對單燈而言，需要將高溫箱溫度提高到95℃，才能模擬出水珠凝聚現(xiàn)象。

5 結(jié)論及展望

從車燈內(nèi)水汽的來源、溫度場、氣體交換3個(gè)方面分析了帶防霧漆車燈內(nèi)的水珠凝聚的原因?；谛麻_發(fā)帶防霧漆車燈水珠凝結(jié)驗(yàn)證方法，分別驗(yàn)證了車燈在不同溫度，帶干燥包、燈體內(nèi)水蒸氣烘干、新增透氣孔等方式下的水珠凝聚效果。從驗(yàn)證結(jié)果來看，盡管水珠凝聚是一種自然現(xiàn)象，但通過降低車燈內(nèi)的水汽含量，改善車燈內(nèi)的氣體交換等方式，可以很好地改善車燈內(nèi)的水珠凝聚現(xiàn)象。通過對上述方案的多輪驗(yàn)證，也證明了所提出的驗(yàn)證方法的有效性。后續(xù)研究，將在競品車型上進(jìn)行橫向研究，以便獲得更加經(jīng)濟(jì)有效的水珠凝聚技術(shù)方案。