带防雾漆车灯水珠凝结验证模型研究及对策
时间：2023-02-11 20:35:05 来源：千叶帆 本文已影响人
李祥兵，邓 培，王春才，彭 丽，赵晓茹，王 韬
（1.神龙汽车有限公司，湖北 武汉 430056；
2.东风汽车集团股份有限公司技术中心，湖北 武汉 430058）
车灯水雾问题一直是广大客户高度关注的问题，采用防雾漆等方案后，可以很好地改善雾气效果。但对于已经使用了防雾漆的车灯，在密封性能合格的前提下，车灯内出现可视的水珠凝聚，不仅影响外观，还会让客户误以为车灯进水。在现有的技术文献中，对车灯水汽凝聚有广泛的记载和研究，而且已经有非常成熟的方案和对策，但对于带防雾漆的车灯所形成的水珠凝聚（排除密封问题），很多主机厂将其视为一种正常现象，国内无相关文献报道。本文通过对某一款车灯在阳光下形成的水珠凝聚现象进行分析，提出一种用于验证车灯水珠凝聚的验证方法，对分析结果进行验证，并对出现水珠后车灯的优化方案进行探讨。
对于带防雾漆的车灯，理论上是不会有水雾甚至水珠出现的。这是因为防雾漆是亲水化合物，它与水之间通过一定的饱和度达到平衡，并将车灯内的水蒸气转化为一层均匀厚度的水膜附着在车灯透镜内表面，从车辆的正常视觉方向无法看到明显的水珠或水汽。但当车灯透镜的内表面局部区域的水量过厚时，就会超过其饱和度，局部区域水膜过厚，水膜就会由于自身重力的原因沿着透镜内表面向下流动，从而在车灯透镜内表面最低处形成水珠。形成水珠的原因主要有以下3个方面。
2.1 大量水蒸气的存在
在车灯设计过程中，灯壳上会设计透气孔来达到车灯内外热交换的目的，而透气孔一般贴有透气膜，它是车灯的透气窗户。透气膜表面上的孔径一般为0.1～1μm，是水珠直径的1/10000，是水汽分子的700倍，因此，透气膜除了允许气体流通外，也允许气体分子进出，但对于液态水，由于直径大且富有黏性而无法通过。由此看出，灯具内水蒸气的来源主要有两种途径：来自于周围环境空气中所含的水蒸气和灯具内积水受热蒸发所形成的水蒸气。而车灯内积水是由于在装配过程中，由于环境的湿度导致车灯内不可避免地会有一些水气分子进入灯体内或者车灯内部分零件材料本身吸收水分后在高温下被蒸发出来。外界空气的流入则是由于内外的压差导致车灯灯体外的部分水分子会通过透气膜进入到灯体内。图1为车灯内外水分子交换原理图。在车灯设计上，透气装置有多种，如透气帽、透气膜、透气弯管等。
图1 车灯内外水分子交换原理图
2.2 车灯内外温差
温度场是影响水汽凝结的重要因素，大量研究成果表明，水珠凝聚部位一般位于低温、气体交换不畅的区域。基于大量的验证数据表明，当车灯内外温差达到10.5℃时，车灯外透镜的内表面开始形成轻微水雾，随着温差的加大，水雾就愈发严重，甚至形成水珠。
一般而言，车灯内部区域有以下特点：①配光镜下表面的温度普遍比上面低；
②被车灯反射镜直接照射的区域温度明显高于其他地区；
③车灯配光镜中心受反光镜的照射强度最大，温度最高，因而最不容易形成水汽凝结。
由于车灯内存在这种温度不均衡区域，导致车辆在行驶后立即淋雨时，由于车灯内外有温差，部分水蒸气就会通过透气装置大量涌入。图2为车灯内外能量交换图。
图2 车灯内外能量交换图
2.3 内外气体交换不畅
灯具本身有换气结构设计，还存在着与外界大气的换气流动。灯具内的换气流动不仅影响着灯体内温度的分布，而且较强的气流可以促使水分的蒸发，对快速消除水汽凝结很有益处。对灯体内的流场进行分析，其中透镜的表面为自然对流换热，其他表面绝热，采用层流自然对流模型。影响流动场的主要因素有以下几点。
1）灯腔、反射镜形状、光源位置和功率等。
2）光源的工作方式（闪烁或长时间点亮）；
对于前照灯而言，其工作方式均可以为持久的稳态工作方式。此时车灯与外界大气的物质交换通过自然对流。
3）换气口的大小、个数和位置。车灯换气口的个数、位置、大小对车灯换气的影响很大。一般在设计阶段，会预留几个透气孔位置，在工业化阶段根据实际的验证效果来保留或关闭某些透气孔，从而保证车灯内外透气效果最佳。
3.1 验证模型
式中：R——液滴半径；
T——水蒸气饱和温度；
T——液滴温度（近似于当地空气温度）；
h——气化潜热；
ρ——液滴密度；
——液滴的表面张力。
从式（1）可以看出，当某一区域的温度越接近于水蒸气饱和温度时，那么该区域所形成的液滴半径也就越大。
3.2 验证流程
基于上述验证模型分析的车灯内水珠形成机理，车灯内水珠凝结需要验证3个方面。
1）防雾漆的有效性。防雾漆并不能阻碍水珠的产生，如果防雾漆遭到破坏，比如局部区域水层过厚，会导致防雾漆内部物质被析出，从而形成流挂。形成流挂的区域，实际上是防雾漆被破坏的区域。防雾漆被破坏后，局部区域水膜无法形成，水蒸气将以水珠的形式附着在透镜的内表面。
对于防雾漆有效性的验证，一般有防雾漆性能验证、防雾涂层划格试验和流挂试验等。其中，防雾漆的性能验证分为整车的防雾性能验证和单灯的性能验证。两者的差异在于：整车的防雾性能试验条件是一种实际工况状态。整车验证环境包含车灯预处理、怠速运行和淋雨、观察水雾消散状态几个部分。当整车的防雾性能试验合格时，一般在后续的路试中也应该是合格的。对于单灯的防雾性能验证，由于试验不是在整车上进行，因而不能完全模拟整车的实际工况。为了更接近整车的实际工况，通常需要将车灯零部件放到高低温箱中模拟（高温箱模拟发动机长时间怠速后车灯背后的温度环境，低温箱模拟车灯前方的温度环境）。
2）车灯的密封性能验证。无论是车灯水汽凝结还是水珠凝聚，首先需要用密封试验来判断车灯的密封是否可靠。在密封性能合格的前提下，来研究车灯内水珠凝聚的相关对策。车灯密封验证包含高压淋雨（模拟雨水冲刷下的密封性能），低压淋雨（模拟雨水渗透作用的密封性能），热带淋雨（模拟在发动机处于热状态下的淋雨），这些实验都是在整车工况下进行。对于单灯而言，一般需要进行气密检查和浸泡试验，确保气体泄漏量是符合要求的。
3）水汽蒸发的验证。水蒸气的蒸发试验主要验证车灯内的水蒸气是否会导致水雾或水珠的产生。一般有阳光暴晒试验和耐热性能验证。阳光暴晒主要模拟在温度低于10℃，相对湿度大于60%时，阳光长时间直射下，车灯内部是否由于局部冷区而形成水雾。耐热性能主要验证将车灯（取下透气装置）放置在50℃的环境中，让车灯内的水汽分子尽可能蒸发出来，然后整车上进行水汽的验证。这个试验的目的是验证透气装置的有效性。如图3所示。
图3 验证流程
3.3 水珠凝聚的验证方法
验证装置
本试验方法的目的在于验证车灯在整车上的防水珠凝聚性能，所需要的设备为工业化阶段且达到一定成熟状态的整车、精密温湿度计、高压冲洗枪、纯棉抹布等。环境要求为35℃以上高温，50±20%湿度。
预处理
将带防雾漆且已经完成防雾漆验证和密封、耐热性能验证的试验样件安装到车辆上，同时检查所有点亮功能是否正常。卸下灯具试验样件的防护罩或灯座，将卸下的防护罩或灯座以及卸下防护罩或灯座后的灯具试验样件一起放在温湿度箱里进行预处理。预处理条件为环境温度20℃，湿度60%，时间12h。预处理的目的就是让湿气充分进入灯体内。预处理完毕后，迅速盖上透气盖或透气帽，然后将灯从温度箱中取出，装配到车辆上。
试验方法
在阳光下路试
在环境温度为35℃以上的晴好天气，路试2h，路试过程中，车速60km/h，无需开近远光以模拟白天的行驶工况。路试完毕后，发动机熄火，同时关闭所有车灯。迅速用高压水枪冲洗。在冲洗过程中，如果是考察单独日行灯，可以通过冲洗前照灯表面，使水珠飞溅到日行灯透镜外表面，模拟下雨的工况。由于透镜外表面光滑，只有模拟下小雨才能让水珠悬挂并附着在透镜的外表面，这样透镜外表面就能更快冷却，并在透镜内外形成巨大的温差而形成水珠。高压冲洗3min后，静止观察，看车灯内表面是否形成水珠。
在下雨天路试
在下雨天且气温高于30℃以上时，2h路试过程中，车速60km/h，无需开近远光以模拟白天的行驶工况。路试完成后，观察车灯透镜内表面是否有水珠。
3.4 验证实例
以某公司生产的某款日行灯为例，该日行灯包含位置灯、日行灯和转向灯3个功能，车灯透镜内表面带防雾漆，灯体上带2个透气帽，分别布置在车灯的两端。然后按照晴天行驶和雨天行驶分别完成试验。验证灯体在不同环境温度下，水蒸气是否烘干，有无干燥剂，是否新增透气孔情况下的水珠凝聚情况，所得的结果如表1所示。
表1 不同方案的验证效果
1）环境温度对水珠凝聚影响较大。当环境温度低于30℃时，按照同样的工况，无法形成水珠凝聚，主要原因是环境温度不太高时，车灯内外无法形成足以水珠凝聚的较大温度差。
2）车灯内的水汽存量对水珠凝聚影响不大。由于透气膜是一种允许水蒸气进出，不允许液态水进出的结构，因此，即使将车灯内的水蒸气烘干，灯体外的水蒸气还是会因为灯体内外气压的差异而大量进入，从而为水珠凝聚创造条件。
3）在车灯内降低水蒸气的存量，比如采用干燥包的方式，则可以很明显改善水珠凝聚的情况，这说明灯体内已有的水蒸气是水珠凝聚的必要条件。
4）改善车灯的气体流动和热交换方式可以很好地改善水珠凝聚现象。从本项目的验证来看，在原始方案中，水珠一般在车灯的中间区域形成，这说明中间区域为气体交换不畅的区域，如果在该区域的灯壳上增加透气孔，则可以很好地改善水珠凝聚状况。
4.1 光学结构设计
在车灯设计过程中，合理布置光源、反射镜、光导的位置与结构，使光线经过直射、反射后尽量均匀照射到透镜上。对于带厚壁注塑件光导的车灯，减少光线在厚壁的传播距离，使车灯内部的热量尽量分布均匀。在实际设计过程中，由于配光法规及整车造型的要求，车灯上会出现大面积非功能区域，导致车灯即使点亮后，内部热量也无法正常传达，这部分光线无法达到的区域通常称之为冷区。
对于车灯内存在厚壁光导的车灯，还存在直接发光和侧发光两种不同方式（图4、图5），两者的不同点在于：直接发光方式由于光线在光导中能直线传播，能量效率高，更多的热量会直接打到外透镜的内表面，而侧发光式的外透镜所聚集的热量相对少一些，所以形成水珠/水雾的风险更大。
图4 直接发光式
图5 侧发光式
4.2 透气装置的选择及设计
透气装置主要有2个作用：散热和维持车灯内外气压平衡。对于体积较大的车灯，比如前照灯，在设计阶段模拟雾气的同时，还需要预留1～3个透气孔位置，以便在工业化阶段进行验证，通过打开或关闭某些透气装置形成最佳的透气组合，从而使得防雾效果最好。在透气装置的选择方面，要综合考虑透气装置的防水、防尘和耐温等特性，详见表2。
表2 车灯常用透气装置对比
4.3 验证工况的设计
在单灯上验证时，由于车灯厂无整车验证环境，因此一般采用高低温箱来完成试验，但由于高温箱的温度并没有达到环境温度35℃以上车辆路试1～2h后机舱的温度，因此也不能模拟出水珠的状况。因而无论是整车还是单灯试验，都需要对温度进行调整。对整车验证而言，需要考虑环境温度35℃以上的整车水珠凝聚试验，对单灯而言，需要将高温箱温度提高到95℃，才能模拟出水珠凝聚现象。
从车灯内水汽的来源、温度场、气体交换3个方面分析了带防雾漆车灯内的水珠凝聚的原因。基于新开发带防雾漆车灯水珠凝结验证方法，分别验证了车灯在不同温度，带干燥包、灯体内水蒸气烘干、新增透气孔等方式下的水珠凝聚效果。从验证结果来看，尽管水珠凝聚是一种自然现象，但通过降低车灯内的水汽含量，改善车灯内的气体交换等方式，可以很好地改善车灯内的水珠凝聚现象。通过对上述方案的多轮验证，也证明了所提出的验证方法的有效性。后续研究，将在竞品车型上进行横向研究，以便获得更加经济有效的水珠凝聚技术方案。
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