基于实车试验的汽车灯具起雾机理研究

2019-05-20朱学良黄宏成

传动技术 2019年2期

朱学良黄宏成程雷张凯

(1. 上海交通大学，上海 200240；2. 上汽大众汽车有限公司，上海 201805)

0 引言

随着汽车工业的进步，汽车灯具在整车中扮演的角色也越来越丰富。除了基础性的保障行车安全以外，汽车灯具也逐渐成为彰显厂商设计风格和承担车与环境交互的关键装置[1-3]，而干净的配光镜表面是基本要求。与此同时，为了达到上述目标，先进的光源、复杂的结构和造型设计以及更多的控制模块都会引入到车灯的设计中去[4, 5]，这些给车灯起雾带来了很多不确定因素。主机厂的数据显示，某一些车型，消费者对车灯雾气问题的抱怨量在整车抱怨量中的占比超过50%。上述几点表明，车灯起雾已成为现代车灯设计中亟需解决的问题。

车灯起雾的本质是空气中的水蒸气在配光镜内表面凝结成小水珠，从外部来看，好像配光镜内侧有一层“白雾”。由于影响车灯起雾的因素众多，包括环境、灯内状态和车辆状态等，而现有的数值模拟手段不能很好地将这些因素考虑在内，所以试验研究仍是分析车灯雾气问题的主要手段。

目前，国内外许多学者对车灯雾气问题进行了试验研究。通过静态扩散、内部气体膨胀收缩和外部气流流入的方式，环境和通气孔的配置会对灯内湿度和车灯雾气问题产生影响[6-8]。车灯结构和造型引起的灯内流动死区和配光镜低温区、灯内存在足够的水蒸气以及配光镜表面的凝结核心构成了车灯起雾的基本条件[9-11]。环境细微变化和不同的通气装置(透气膜、透气帽和弯管)对车灯起雾后的消雾时间存在影响[12-14]。车灯内的塑料会释放水蒸气以及灯内存在水蒸气梯度[15-17]。

以往车灯起雾的试验研究大都停留在单个灯具层面，但是行驶中的气流、发动机舱的阻隔和发动机的热量在实验室环境中都无法准确模拟，所以实车试验是车灯起雾机理研究和车灯雾气性能评价的重要方式[18]。为研究实际工况下车灯的起雾机理，在一台轿车上实现了前照灯内部温湿度和配光镜温度的采集，并结合凝结理论提出和验证了起雾区域绘制方法，由此分析了不同工况下配光镜表面起雾和消雾状态。

2 试验装置及步骤

2.1 试验装置

实车试验平台是某型号A级轿车，试验对象是其右侧前照灯，车辆和前照灯的主要参数如表1所列。

表1 发动机和前照灯主要参数

由于保险杠的凸出部分将配光镜表面分隔，前照灯正面造型近似为两个四边形，配光镜后部为一整个腔体。前照灯的四个光学功能区如图1所示。

现代的灯具大都采用半密封结构，灯内外通过通气装置连接。此前照灯共计有四个通气弯管，分布在灯的四角，具体位置如图2所示。

图1 前照灯的四个光学功能区

图2 前照灯的通气弯管和记录器布置

前照灯内部和环境温湿度的测量，采用iButton DS1923型温度/湿度记录器，具备分钟级别的长周期离线采集能力。在灯内布置两颗记录器，分别位于转向灯下部和近光灯上部，具体位置如图2所示。在右后车身的下底板处放置一颗记录器，记录环境的温湿度。

配光镜材质为聚碳酸酯(PC)，在内表面没有进行防雾涂层工艺处理。

配光镜内表面温度的测量，采用OMEGA TT-K-30-SLE型热电偶和imc SPARTAN-8型数据采集装置完成，具备实验过程的实车采集能力。

除了得到热电偶布置点的精确温度，布置点周围的温度的估计也非常重要。将配光镜表面看作成二维平面，并将形状简化成两个四边形，热电偶布点在面积较大的规则形状区域呈现四边形节点，在不规则区域呈现三角形节点。对左右两个区域的易起雾尖角部分，增加中间点为布点位置，保证这两个区域的测量精确性。热电偶的数量为44，左右分别为28和16。热电偶布置如图3所示。

2.2 试验步骤

实车雨淋试验是探究车灯起雾的的常用方法，其中一个典型的过程主要包括开灯怠速、雨淋、行驶和静置。在这个过程中，前两个步骤主要模拟用户在实际用车过程中较易出现车灯起雾的工况；后两个步骤主要模拟消除雾气常用的工况，其中行驶过程在专用性能试验道路上以中高速行驶。具体的试验步骤如表2所列。

图3 配光镜表面热电偶布置

表2 实车雨淋试验步骤

配光镜温度测量的周期是从怠速阶段之前到静置一段时间之后，保证能完整覆盖这4个阶段，在后面的分析中称它为短周期。灯内温湿度测量周期较长，在后面的分析中称它为长周期。

3 配光镜表面起雾区域的绘制方法

传统车灯雾气问题实车试验主要采取人工观察法，存在下面两个问题，雨淋和行驶过程中观察不便；观察得到的是时间累积的结果，不利于对各个过程进行单独分析。在上述试验装置的基础上，结合水蒸气凝结理论，提出了基于试验数据和凝结理论的各个时刻配光镜表面起雾区域的绘制方法，具体流程如图4所示。

配光镜测点温度和灯内温湿度的来源是试验数据，凝结判定的依据是湿空气凝结原理。其中，对试验数据的处理，包括温度插值和露点计算过程是近似估计和近似计算，存在误差。将预测的配光镜表面起雾区域和实际的起雾区域对比，验证此方法的正确性。

3.1 湿空气及其凝结原理

从热力学角度来看，车灯内部的工质是湿空气(含有水蒸气的空气)，由于组分的压力很低，湿空气处在理想气体状态。湿空气来自环境大气，其压力为大气压力pb，根据理想气体的分压力定律，它和干空气分压力pa、水蒸气分压力pv的关系如下式[19]。

pb=pa+pv

(1)

图4 配光镜表面起雾区域绘制流程

根据湿空气中水蒸气的状态(过热或饱和)，湿空气有未饱和与饱和两种状态。假设湿空气的温度为t，其中水蒸气分压力pv低于温度为t的水蒸气的饱和压力ps时，湿空气处于未饱和状态。若湿空气的温度恒定为t，增加水蒸气的含量使水蒸气分压力增加至相应温度的饱和压力ps，湿空气达到饱和，再注入水蒸气，则凝结为液态水从中析出。若湿空气中水蒸气分压力恒定为pv，降低温度到对应于压力pv的饱和温度——露点td，湿空气达到饱和，再降低温度，水蒸气凝结析出液态水。

湿空气凝结的热力学原理并不复杂，但是凝结过程是一种复杂的热质传递过程。如果液体能很好地湿润壁面则为膜状凝结，否则为珠状凝结[20]。凝结现象可以分为成核过程和液滴增长过程。珠状凝结中的液滴尺度跨越了多个数量级范围，包括了纳米、微米、毫米量级。在雨淋阶段结束时，可以在配光镜内表面观察到毫米级别的凝结液滴，如图5所示。

对湿空气在配光镜表面凝结作出如下假设：配光镜表面存在凝结核，在其低于灯内湿空气露点的区域发生凝结。

3.2 湿空气露点的计算

根据露点的定义，计算露点实质上是求解水蒸气压力为pv下的饱和温度。水蒸气分压力pv可以通过相对湿度(Relative Humidity, RH)的定义式和饱和湿空气中水蒸气分压力ps求解，具体关系如下式。

图5 配光镜内表面的凝结液滴

RH=pv/ps

(2)

由此可知，水蒸气饱和压力ps和饱和温度ts相互转化的精度决定了湿空气露点计算的准确性。选取Gerry方程作为ps-ts的计算式，并选取平均相对误差小于10-6的拟合公式作为ts-ps的计算式[21]。

3.3 配光镜表面温度场的估计

通过温度采集装置，每个时刻都能得到配光镜表面44个热电偶布点处的温度，但是只考虑离散点温度绘制的起雾区域是极不平滑的，采用插值方法得到配光镜表面温度场的估计可以得到与实际更接近的结果。

构建包含整个配光镜区域的网格，横向长度为60 cm，纵向长度为16 cm，网格的横向间隔和纵向间隔都为0.005 cm。考虑到待插值点区域是配光镜框线内部以及待插值温度物理量的连续性，采用基于Delaunay三角剖分的三次插值。寻找最佳的Delaunay三角形后，由三角形平面来决定三角形内的网格节点的值。

考虑到该灯具的配光镜在关心的计算区域是分离结构，所以将左右两边的区域视为单独的计算区域。对于每个区域来说，使用热电偶布点处的数据估计出热电偶布点构成的凸包(Convex Hull)内的网格节点的值。再将两个区域的值叠加在一个网格上，构成了完整的配光镜区域的网格。

将网格中每一个小方格称为元胞，使用元胞四个顶点的值插值计算作为元胞的值，并将元胞的值线性映射到颜色图中，得出配光镜表面温度场。对网格进行等高线计算，并绘制配光镜表面温度等高线。

3.4 实际和预测起雾区域的对比

实际问题中，车灯起雾可以看做水蒸气在温度不均匀表面上的瞬态凝结问题。由于配光镜表面低于露点区域的不断变化引起的凝结和蒸发过程的不断交替和水蒸气相变过程需要时间，所以瞬态过程中某时刻配光镜表面低于露点区域和当时观察到的起雾情况一般不一致。而且，外界环境的不可控性导致实车情况下水蒸气在配光镜表面的凝结很难达到稳态，这对验证提出的方法的正确性带来了困难。

选取在气温较低的环境下怠速过程中配光镜起雾现象作为验证方法正确性的过程。因为这个过程的初始状态是没有凝结液滴的，所以蒸发在该过程中的影响非常小，可以认为低于露点的区域就是之后首先能观察到的起雾区域。而且，相比雨淋阶段灯内状态的迅速变化，该过程变化缓慢，温湿度记录器1次/分钟的采样频率可以将怠速阶段的灯内状态的变化记录下来。

怠速15分钟后，可以在配光镜内表面观察到明显的起雾现象。在近光区域出现雾气，在远光区域并没有明显的起雾现象。雾气主要出现在近光区域下部的左右角落，呈现微透明的白色，在布置热电偶的位置呈现透明的小水珠，如图6(a)所示。用上述提出的方法的绘制出此时刻前5分钟的配光镜低于露点区域，如图6(b～f)所示。低于露点的区域也是近光区域下部的左右角落，而且随着时间低于露点区域从外向内、从下向上扩展，这说明在这个过程中绝大部分时间都是处于凝结状态。

怠速15分钟后的实际起雾区域和综合此时刻前5分钟来看的的配光镜低于露点区域有较好的吻合度，说明提出的该方法的正确性。具体来看，实际起雾区域与前3～4分钟的低于露点区域的结果更为接近，比前1～2分钟的低于露点区域稍小，这是由于凝结过程需要时间，或者说液滴的尺寸太小不能被观察到。

验证了该方法的正确性后，就可以基于该方法绘制各时刻配光镜表面起雾区域，从而为研究车灯起雾机理打下基础。

4 车灯起雾机理研究

采用实车淋雨试验和配光镜表面起雾区域的绘制方法对车灯起雾机理进行分析。

4.1 长周期灯内温湿度变化

长周期内，没有阳光直射时，雨淋试验之前灯内温度和环境温度一致；在雨淋试验过程中，由于发动机和灯内热源的作用，灯内温度比环境温度有

(a) 怠速15分钟后的实际起雾区域

(b) 怠速15分钟的配光镜低于露点区域大幅度上升；静置较长时间后，灯内温度和环境温度趋同，如图7(a)所示。

(d) 怠速13分钟的配光镜低于露点区域

(e) 怠速12分钟的配光镜低于露点区域

(f) 怠速11分钟的配光镜低于露点区域

长周期内，没有阳光直射时，雨淋试验之前灯内绝对湿度明显低于环境如图7(b～c)所示。雨淋试验前6小时左右的时间段内，灯内和环境的平均水蒸气压分别为0.78 kPa和0.94 kPa。灯内水蒸气压比环境低17.02%，同时灯内露点比环境低2.66℃。灯内塑料吸附水蒸气使得在只有配光镜温度改变的情况下，反而配光镜内表面比外表面更难产生雾气。在经历一轮雨淋试验后，灯内露点又逐渐回归到环境露点以下。这说明，在自然静置条件下，车灯起雾现象是很难发生的。

4.2 短周期车灯起雾机理研究

雨淋试验是常用的车灯雾气实车评价方案，在这过程中，灯内温湿度出现剧烈变化，如图8(a～c)所示。

4.2.1 怠速阶段分析

车灯内的温度和绝对湿度在怠速后迅速上升。在怠速过程中出现了配光镜表面起雾的情况。怠速开始9分钟后，配光镜表面第一次出现低于露点区域，如图9(a)所示。此时，灯内露点为11.87℃，比怠速前的4.40℃上升了7.47℃，超过环境露点6.21℃；灯内水蒸气压为1.39 kPa，比怠速前的0.81 kPa上升了0.58 kPa，是当前环境水蒸气压的152.33%。在怠速前到怠速9分钟的这个过程中，灯内绝对湿度已经从小幅小于环境变为大幅超过环境。与此同时，配光镜表面的温度开始上升并产生温度不均匀，在缺少了光源辐射传热的情况下，配光镜冷区的温度上升主要来自热传导和灯内介质的对流换热。当环境温度较低时，冷区的初始温度较低，加上缺乏热量输入，使得该区域温升较小，最终温度较低。灯内露点的上升速度超过了冷区温度上升速度后，雾气开始在这个区域产生。车灯在怠速过程中的起雾现象易在环境温度较低的情况下出现。

在怠速过程中，灯内绝对湿度随时间处于上升阶段。怠速28分钟后，灯内露点为22.39℃，比怠速前上升了17.99℃，超过环境露点16.66℃；灯内水蒸气压为2.71 kPa，比怠速前上升了1.90 kPa，是当前环境水蒸气压的295.37%，由于还有一部分水蒸气在配光镜表面凝结，所以车灯在怠速过程中绝对湿度的实际增加量超过这个数值。结合怠速过程中，灯内湿空气受热膨胀和环境湿度基本保持不变，灯内材料释放水蒸气是导致灯内绝对湿度增加的重要因素。

(a) 长周期灯内温度变化

(b) 长周期灯内水蒸气压变化

4.2.2 雨淋阶段分析

雨淋过程中，灯内温度仍然在不断上升，上升速度相比怠速有所降低。和怠速过程相比，雨淋阶段的主要变化是配光镜外表面的介质由大气换成了水流，这意味着有更多的热量被带走。雨淋阶段几个时刻的配光镜低于露点区域如图10所示。

(a) 短周期灯内温度变化

(b) 短周期灯内水蒸气压变化

雨淋刚开始，配光镜表面温度迅速下降，在配光镜表面还没有起雾时，此时露点仍然延续怠速时的上升状态。相比怠速最后时刻，配光镜低于露点区域向上、向内大面积扩展，如图10(a～c)所示。由于雨淋阶段水流带走的热量远超怠速阶段大气带走的热量，所以产生了较大的过冷度，雨淋阶段的起雾比怠速阶段明显迅速和剧烈。

(a) 怠速9分钟的配光镜低于露点区域

(b) 怠速10分钟的配光镜低于露点区域

雨淋开始一段时间后，灯内绝对湿度出现明显下降。雨淋15分钟后，灯内露点为15.77℃，比雨淋刚开始下降了7.41℃；灯内水蒸气压为1.79 kPa，比雨淋刚开始下降了1.05 kPa。这主要是水蒸气在配光镜表面出现大面积凝结，灯内湿空气中的水蒸气含量减少，产生了“冷凝除湿”现象。此时，灯内水蒸气的减少量已经超过怠速过程中灯内水蒸气增加量的50%。灯内露点的大幅降低使配光镜低于露点区域大幅减少，如图10(d)所示，一部分区域的凝结液开始蒸发，另一部分低于露点区域则继续凝结。总的来说，此时的起雾区域比雨淋刚开始几分钟的起雾区域要小。

雨淋阶段，灯内绝对湿度的变化是众多物理过程共同影响的结果。灯内温度继续升高下的灯内材料解吸放湿过程；配光镜表面温度的降低下的水蒸气凝结过程；灯内水蒸气的减少下的配光镜表面的液态水蒸发过程。这导致灯内绝对湿度和配光镜表面起雾区域处于动态变化的状态；在外界环境不变的情况下，二者也存在相互制衡关系。

(a) 雨淋前1分钟的配光镜低于露点区域

(b) 雨淋1分钟的配光镜低于露点区域

(d) 雨淋15分钟的配光镜低于露点区域

4.2.3 行驶阶段分析

行驶过程中，因为关灯和低温气流的作用，灯内温度大幅度降低。配光镜表面温度也出现下降，配光镜外表面的介质是有速度的气流。由于灯内温度的下降，灯内材料开始吸附水蒸气，灯内露点逐渐下降。行驶过程中，配光镜表面只有极小面积的角落低于露点，处于起雾情况，其他绝大部分区域都处于消雾状态。行驶阶段几个时刻的配光镜低于露点区域如图11所示。

行驶过程中，虽然灯内温湿度和配光镜表面温度处于变化之中，但是配光镜低于露点区域的变化不明显，只有细小的区域改变。

4.2.4 静置阶段分析

行驶后车辆静置，灯内温度和露点逐步回升，随着时间的增加，灯内温度和露点开始下降，与环境的差距越来越小。灯内温度回升的原因主要是缺少温度较低气流的对流换以及热发动机舱内较高的温度。静置阶段几个时刻的配光镜低于露点区域如图12所示。