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，還會讓客戶誤以為車燈進水。在現(xiàn)有的技術(shù)文獻中，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），很多主機廠將其視為一種正常現(xiàn)象，國內(nèi)無相關(guān)文獻報道。本文通過對某一款車燈在陽光下形成的水珠凝聚現(xiàn)象進行分析，提出一種用于驗證車燈水珠凝聚的驗證方法，對分析結(jié)果進行驗證，并對出現(xiàn)水珠后車燈的優(yōu)化方案進行探討。

2 車燈內(nèi)水珠凝結(jié)的形成機理

對于帶防霧漆的車燈，理論上是不會有水霧甚至水珠出現(xiàn)的。這是因為防霧漆是親水化合物，它與水之間通過一定的飽和度達到平衡，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。但當車燈透鏡的內(nèi)表面局部區(qū)域的水量過厚時，就會超過其飽和度，局部區(qū)域水膜過厚，水膜就會由于自身重力的原因沿著透鏡內(nèi)表面向下流動，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個方面。

2.1 大量水蒸氣的存在

在車燈設(shè)計過程中，燈殼上會設(shè)計透氣孔來達到車燈內(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)不可避免地會有一些水氣分子進入燈體內(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通過透氣膜進入到燈體內(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。基于大量的驗證數(shù)據(jù)表明，當車燈內(nèi)外溫差達到10.5℃時，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)嚴重，甚至形成水珠。

一般而言，車燈內(nèi)部區(qū)域有以下特點：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，由于車燈內(nèi)外有溫差，部分水蒸氣就會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，還存在著與外界大氣的換氣流動。燈具內(nèi)的換氣流動不僅影響著燈體內(nèi)溫度的分布，而且較強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。影響流動場的主要因素有以下幾點。

1）燈腔、反射鏡形狀、光源位置和功率等。

2）光源的工作方式（閃爍或長時間點亮）；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、個數(shù)和位置。車燈換氣口的個數(shù)、位置、大小對車燈換氣的影響很大。一般在設(shè)計階段，會預(yù)留幾個透氣孔位置，在工業(yè)化階段根據(jù)實際的驗證效果來保留或關(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)水珠凝聚的驗證模型

3.1 驗證模型

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

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

3.2 驗證流程

基于上述驗證模型分析的車燈內(nèi)水珠形成機理，車燈內(nèi)水珠凝結(jié)需要驗證3個方面。

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證，一般有防霧漆性能驗證、防霧涂層劃格試驗和流掛試驗等。其中，防霧漆的性能驗證分為整車的防霧性能驗證和單燈的性能驗證。兩者的差異在于：整車的防霧性能試驗條件是一種實際工況狀態(tài)。整車驗證環(huán)境包含車燈預(yù)處理、怠速運行和淋雨、觀察水霧消散狀態(tài)幾個部分。當整車的防霧性能試驗合格時，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證，由于試驗不是在整車上進行，因而不能完全模擬整車的實際工況。為了更接近整車的實際工況，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)動機長時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)動機處于熱狀態(tài)下的淋雨），這些實驗都是在整車工況下進行。對于單燈而言，一般需要進行氣密檢查和浸泡試驗，確保氣體泄漏量是符合要求的。

3）水汽蒸發(fā)的驗證。水蒸氣的蒸發(fā)試驗主要驗證車燈內(nèi)的水蒸氣是否會導(dǎo)致水霧或水珠的產(chǎn)生。一般有陽光暴曬試驗和耐熱性能驗證。陽光暴曬主要模擬在溫度低于10℃，相對濕度大于60%時，陽光長時間直射下，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，然后整車上進行水汽的驗證。這個試驗的目的是驗證透氣裝置的有效性。如圖3所示。

圖3 驗證流程

3.3 水珠凝聚的驗證方法

驗證裝置

本試驗方法的目的在于驗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)化階段且達到一定成熟狀態(tài)的整車、精密溫濕度計、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)完成防霧漆驗證和密封、耐熱性能驗證的試驗樣件安裝到車輛上，同時檢查所有點亮功能是否正常。卸下燈具試驗樣件的防護罩或燈座，將卸下的防護罩或燈座以及卸下防護罩或燈座后的燈具試驗樣件一起放在溫濕度箱里進行預(yù)處理。預(yù)處理條件為環(huán)境溫度20℃，濕度60%，時間12h。預(yù)處理的目的就是讓濕氣充分進入燈體內(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，無需開近遠光以模擬白天的行駛工況。路試完畢后，發(fā)動機熄火，同時關(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，2h路試過程中，車速60km/h，無需開近遠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 驗證實例

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個功能，車燈透鏡內(nèi)表面帶防霧漆，燈體上帶2個透氣帽，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。驗證燈體在不同環(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 不同方案的驗證效果

1）環(huán)境溫度對水珠凝聚影響較大。當環(huán)境溫度低于30℃時，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，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出，不允許液態(tài)水進出的結(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因為燈體內(nèi)外氣壓的差異而大量進入，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和熱交換方式可以很好地改善水珠凝聚現(xiàn)象。從本項目的驗證來看，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)域為氣體交換不暢的區(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

在車燈設(shè)計過程中，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。在實際設(shè)計過程中，由于配光法規(guī)及整車造型的要求，車燈上會出現(xiàn)大面積非功能區(qū)域，導(dǎo)致車燈即使點亮后，內(nèi)部熱量也無法正常傳達，這部分光線無法達到的區(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

透氣裝置主要有2個作用：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)計階段模擬霧氣的同時，還需要預(yù)留1～3個透氣孔位置，以便在工業(yè)化階段進行驗證，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 驗證工況的設(shè)計

在單燈上驗證時，由于車燈廠無整車驗證環(huán)境，因此一般采用高低溫箱來完成試驗，但由于高溫箱的溫度并沒有達到環(huán)境溫度35℃以上車輛路試1～2h后機艙的溫度，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，都需要對溫度進行調(diào)整。對整車驗證而言，需要考慮環(huán)境溫度35℃以上的整車水珠凝聚試驗，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個方面分析了帶防霧漆車燈內(nèi)的水珠凝聚的原因。基于新開發(fā)帶防霧漆車燈水珠凝結(jié)驗證方法，分別驗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證，也證明了所提出的驗證方法的有效性。后續(xù)研究，將在競品車型上進行橫向研究，以便獲得更加經(jīng)濟有效的水珠凝聚技術(shù)方案。