增加预处理环节的车灯雾气评价试验优化

沙晟春

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

1 概述

汽车车灯冷凝起雾是一个极具有科学挑战性的课题。近年来在中国市场上车灯冷凝起雾现象越来越被客户重视。中国的季风气候加上广袤的地域使得在寒冷和炎热的条件下都能获得含有很高湿度的空气，这让冷凝起雾非常容易发生。而车灯中起雾现象是中国客户所不接受的。因此，汽车车灯的开发、模拟和测试必须以一种能够反映真实世界情况的方式进行，包括一些重要的影响因素和使用工况。

车灯应尽可能优化设计成不起雾的状态，这是我们上汽大众在IFAL2017会议上展示的口号［1］。但其实车灯起雾作为一个自然现象不可完全避免，如果周边环境条件实在过于恶劣，那么设计得再好的车灯也有可能会起雾。因此为了客观评价一个车灯设计的好坏，有一套经反复推敲设计出的评价试验是十分必要的。这个试验必须足够严苛以覆盖一些极限工况下使用的客户，但也不能过于苛刻以致建立出一个现实世界不可能存在的模型，最终造成过设计和过高的产品成本。

在IFAL2017会议上，我们也提及了大众集团的车灯设计是以开放式通气系统为第一优先级的，因此大众车灯的性能指标是尽可能快速消除雾气而不是防止起雾发生［1］。大众内部的认可试验可以简单地描述为如下两个步骤：①先让车灯起雾；②测试并评价车灯的消雾能力。

但中国市场有其特殊要求，这是极具挑战性的极端天气和周边条件的组合：高湿度，低温和高温，通风系统比欧洲有更严格的防尘防灰要求，城市地区较为阻塞的通行条件，以及不接受车灯起雾是自然现象的客户。原有测试评价条件无法适应和满足中国客户的要求。因此，上汽大众致力于改进原有测试方法以适应这样的市场状况。

2 背景

设计新的试验以改进原有测试方法的想法来自一次实际的整车测试。大众集团原有一套关于车灯雾气的完整测试方法，其中非常重要的一项名为“冬试”。冬试旨在验证车灯在寒冷条件下的起雾和除雾性能。在冬季试验中，环境具有低温、低湿的特点。灯和车都放在温暖的房间里，但室外环境很冷。在如此大的温差下，汽车从室内向室外移动时，容易引起灯具内的起雾现象，而室外的低湿度有助于通过灯具的通气系统来测试除雾的效果。

在某年的冬试中，我们将温度和湿度传感器放置在灯具内部，并将其存放在受控环境中。传感器检测到的灯内温度和湿度以及根据温度和湿度计算出的露点如图1所示。露点表示灯内的绝对含水量。这样做的目的是观察灯内的水分与一个典型的房间或储存环境保持平衡的时间有多长，以及房间环境有多潮湿或干燥。我们还想看看有多少水分进入灯和水分如何在测试中消失。然而，记录数据却显示出意想不到的结果。

图1 冬季试车灯具内温湿度记录

我们通过单独布置在仓库中的传感器测量并计算得出仓库中的温度和露点分别为20℃和-8℃。然而，如图1所示，在步骤①中，将灯放置在仓库两天后，露点T_dew没有太大变化。本来预测由于平衡过程的原因，预计灯内的露点应该会接近仓库的露点，但测量结果却高出许多。在步骤①中，我们看到温度在20℃左右，这意味着温度已得到了平衡。但露点在0℃以上，而在房间里应该在-8℃左右。这意味着灯内湿度仍较大，水汽从灯内散发得很慢，通过通风口的灯内外自然对流非常缓慢。到步骤②开始前为止，只有48h还不足以使灯内外水汽达到平衡。而在步骤⑤中，一旦打开密封盖，露点迅速下降到仓库的水平，并在大约12h内达到平衡。因此，灯内的水汽需要相当长的时间才能通过灯的通气口自然对流获得与外界平衡，打开密封盖则对平衡的速率有很大帮助。

另一个有趣的发现是，从步骤③到步骤④，当灯放在室外时，露点Tdew随室外温度的变化而变化，并保持在很低的水平，而当再次将灯放在办公室时，灯内露点迅速增加，甚至达到了比放在室外前更高的水平。在上一段落中，我们已经发现通过通风口自然对流交换的水分非常缓慢，并且房间的露点始终在-8℃左右，这意味着仅仅靠通过从房间进入到灯具的水分不可能使灯具获得如此高的露点。那这些额外的水是从哪里来的？

这里我们作出两个推测：第1个推测是在开始时灯内的大部分水分在步骤③过程中仍然留在灯内。当温度迅速下降时，灯内的水分凝结成液态水甚至结冰并粘附在零件表面。当灯一放回办公室，露点就立刻升高，因为水和冰随着温度的升高又变成水蒸汽。第2个推测是高于仓库的露点水平意味着灯内出现额外的湿度，最有可能的解释是温度升高时塑料中的水分被释放了出来。

3 塑料中的水分

从上一章传感器的数据可以推测塑料中含有水分，而从一些参考书 （如手册）中我们知道塑料可以储存和释放水分［2］。根据分子热理论，温度越高，分子的动能就越高［3］。所以当温度升高时，更多的水分从塑料中排出到空气中，然后灯内的湿度也会升高。它符合我们观察到的现象，但仍有许多细节有待调查。我们为此做了3个研究。

第1个重要的问题是：灯内每种塑料类型对吸湿性的贡献是什么？灯里有几种不同的塑料。为了开始调查，我们选择了两种灯具最常用的塑料：PP和PC。样品先烘干并称重。然后将它们放入环境实验箱，暴露在相同的潮湿条件下，并在加湿15h后再次称重。根据质量的不同，我们可以知道这段时间样品吸收了多少水分。不同材料的吸水率结果如表1所示，在相同的条件下，在这段时间内，PC比PP能吸收更多的水分。这基本和材料手册上的数据基本吻合。

表1 不同材料的吸水率结果

第2个研究是表面处理是否影响塑料材料的吸湿能力。许多灯具塑料表面镀有一层金属层，用于装饰或反光功能。因此，在上一段所示的试验中加入两个样品并重复试验。这两个样品是镀铝的PC饰板。结果表明，PC材料一经镀铝，涂层就可以几乎完全防止水分的侵入，同一材料不同表面处理下的吸水率结果如表2所示。

表2 同一材料不同表面处理下的吸水率结果

最后一项待解决的问题是：一个典型的灯从干态到饱和湿态需要多长时间？我们使用了大众途安车型的8个雾灯进行称重测试。与之前的研究一样，首先将灯具干燥，然后将其放入温度为20℃、相对湿度为98%的气候室中。因为以前只是进行零件单品试验，试验样品直接暴露在高湿度下，不需要对完全饱和的样品进行试验。但这里是一只整灯，密封和通风部件组装在一起，目标是让灯饱和。因此，仅仅15h是不够的。我们试验方法为每24h将这些灯称重，直到质量几乎稳定结束。灯内含水量随时间的变化结果如图2所示。

图2 灯内含水量随时间的变化

从数据上可以看出，这种雾灯最终可以吸收约3g的水分，让灯完成约90%的吸收过程至少需要4天时间。这意味着，如果我们想用这灯来研究其中的水分或冷凝，假设认为最后10%的水分差异影响很小，我们最好也要在开始测试前至少4天将所有样品放在同一个地方。否则，结果可能会受到塑料内部不同的初始湿度水平的影响。

4 预处理环节的设计

经过之前的讨论分析我们得知塑料中含有水分。当塑料的温度升高时，水分会释放出来。此外，当灯是静态时，没有其他的强制对流而只靠通气口排气时，灯内的水汽与外界平衡非常缓慢。可见灯内塑料中的初始水分在车灯雾气试验中起着重要作用。因此，有必要定义并增加一个预处理环节，明确定义并限制试验初始时灯内水汽水平。否则，试验结果可能会受到很大干扰而不可靠，不能重复，即使其他条件都一样，也会导致错误的结论。

预处理一般有两个地方需要选择。一是决定初始状态是干燥还是加湿，以便在各被测灯具之间提供可比条件。另一个决定是灯的透气和密封件，包括透气膜、透气栓、透气帽、通气弯管和其他密封盖，是否应该保持像车内状态一样或额外被打开。这里考虑的关键点一是时间成本，二是状态的正确性，换句话说，是正确状态和测试时间成本之间的权衡。尽管使灯干燥或潮湿都能使灯内部达到相同的初始湿度状态以获得可比的条件，但这里我们正在研究冷凝问题，因此之后我们会让灯内部有雾，让干的灯有雾比湿的灯需要更多的时间。所以，如果想节省测试时间，就应该选择让灯湿到同样的程度。同样地，有关是否要额外拆卸密封件，如第2章中冬试反映的结果，如果灯具保持不拆卸所有密封件，则需要更多的时间来获得灯具内外水汽的平衡。因此，如果为了节省试验时间，应选择额外拆下密封件，并在预处理后进行组装。但这样做的风险在于灯内可能存在不现实的高湿度，尤其是对于本身较为密封的灯具是不公平的。举例来讲，在现实中，当周边环境变湿时，透气口数量少的灯，其水汽侵入的速率较透气口数量多的灯慢，因此这种情况下透气口数量少的灯内部相对干燥。但如果一味为了节约试验时间而把额外的密封件拆卸，则这种阻挡水汽侵入保持相对干燥的优势就会被试验人员人为消除，即透气口数量多少的区别被消除了，其后果可能导致试验结果并不能客观反映透气口数量多少的孰优孰劣。因此正确的选择是正确状态和测试时间成本之间的权衡。

当上述两个选择确定后，车灯可在温度和相对湿度可控的环境试验箱内进行预处理。假设我们刚才选择的是加湿，则在预处理参数上依旧有各种不同的温度和相对湿度的组合可供选择。不同的温度和相对湿度会导致灯的初始状态不同，这一方面取决于测试人员如何设置评价结果的参考标准。另外也可能取决于预处理时间的定义。例如，如果需要灯具通过较短的预处理时间达到某一吸湿水平，则相比较长预处理时间的方案，其湿度设置应更高。

最后，设计这个预处理是用于什么样的测试是另一个需要考虑的重要问题。预处理条件应与后面试验起雾环节的周边环境相适应，否则可能会产生干扰效应。具体来讲，如果试验是环境稳定的实验室试验，则应采用固定参数的预处理。然而，如果试验是在室外进行的实车试验，由于可能出现不同的天气和条件，预处理不能使用固定的参数。例如，如果是始终在25℃室温下进行的实验室试验，则适合在25℃下进行80%相对湿度的预处理。这种预处理也适用于平均环境温度在25℃左右的季节进行实车试验，但这个预处理条件在中国南方一些地区雨季进行实车试验时则显得过于干燥。同样，如果在冬季寒冷的地方进行试验，那25℃80%相对湿度的条件则过于潮湿。这个条件用在冬季寒冷的地方做试验的话，犹如一团湿热气体直接放入冰箱，因此往往灯具经预处理后拿到室外就发生冷凝现象，且难以去除，这样就难以对灯具性能做出正确的评价。因此，即使在同一个地方，当一个人在不同季节进行实车测试时，也应该根据当时的气温使用不同的预处理参数。

5 结论和展望

本文探讨了正确的试验设计对公正客观地评价车灯起雾和消雾的真实性能具有重要意义。为了设计一个合适的测试，必须考虑许多影响因素并对其加以约束。在过去的测试中发现塑料可以储存和释放湿气。这部分湿度可能在车灯的起雾问题中起重要作用。此外只经过车灯通气口自然对流形成的灯内外水汽平衡过程十分缓慢。因此，在试验中进行适当的预处理是必要的。一个好的预处理方法的选择应是正确状态和测试时间成本之间的权衡，其参数应根据不同的应用场合进行调整。