汽车灯具起雾原因及解决方案研究
在汽车工业快速发展的今天，汽车灯具的设计能力和制造品质都有着巨大的提升，然而汽车外饰灯具的起雾现象的解决依然是困扰各大整车厂和汽车灯具供应商的一个难题。雾气是由于灯具中的水蒸气遇冷凝结在面罩内表面而形成的，不仅影响车灯外观，而且雾气严重的情况下会使车灯的照明及信号功能大打折扣，影响汽车的行车安全。车灯起雾问题涉及光学、材料和热学等多方面的知识［1］，这也为解决车灯起雾问题带来了诸多困难。本文对汽车灯具起雾的原因进行分析并提出解决方案。
1.1 雾气产生原理
雾气的产生是大自然中一种普遍存在的现象。温度越高，空气中所能容的水蒸气就越多；温度越低，空气中所能容的水蒸气就越少。当高温高湿空气接触到低温界面（如玻璃、塑胶），而低温界面又存在小的突起或是灰尘等可以作为凝结核心时，水蒸气就会凝结成水滴。因此可以得出湿度、温度场分布及凝结核是产生雾气的3个因素。
例如常温空气中，冰水杯外侧（高温侧） 凝结成水滴，如图1所示。
图1 冰水杯外壁雾气
车辆在雨天行驶时，车窗玻璃受雨的急剧冷却，车内玻璃附近的温度急剧下降。空气中包含的水蒸气就会凝结，附着在窗玻璃的车内一侧，形成所谓的结雾，也是同样道理。汽车玻璃雾气产生示意图如图2所示。
图2 汽车玻璃雾气产生示意图
1.2 汽车灯具起雾说明
汽车灯具发生的起雾原理与自然界雾气原理完全相同。在湿冷的环境中，灯腔里的水蒸气随温度下降，冷凝为液体，在面罩壁处发生结雾。汽车灯具起雾如图3所示。
图3 汽车灯具起雾
下面从灯具结构方面具体分析一下雾气产生的原因。
灯具的结构主要由面罩、壳体、衬框、反射镜、光源、后盖、透气孔及其他安装调整零件组成。汽车前照灯结构简图如图4所示，汽车前照灯透气孔布置如图5所示。
图4 汽车前照灯结构简图
图5 汽车前照灯透气孔布置图
面罩和壳体形成了一个空腔结构，为保证灯具压力平衡，面罩和壳体的空腔不能密封，必须增加透气结构，形成了半密封的结构。半封闭的汽车灯具会存在和外界进行空气对流的过程。当灯具点亮一段时间后的熄灭会造成汽车灯具内部温度急剧下降，产生的负压会使灯具强行吸气，如果此时外界空气湿度较大，就会使水蒸气进入灯体内，造成灯内比较潮湿的环境。
灯具内部的零件表面会吸附一些水份，暴晒和灯具点亮后的高温也会促使灯具内部材料水份的释放，也是车灯内部水蒸气的一个来源。
由于外界因素（下雨天、洗车） 引发的灯具内部和外部的温差变化，以及灯具光源点亮引起的内部不同区域的温度分布不均匀，使得灯具温度低的区域容易引发水蒸气凝结。汽车灯具外部温度变化如图6所示。
图6 汽车灯具外部温度变化图
车灯灯具内部无法做到绝对的光滑，也并非百分之百的洁净，也提供了凝结核的存在区域。
因此在特定的情况下汽车灯具内部是可以同时具备产生雾气的3个条件，也就会存在雾气现象，如图7所示。
图7 灯具雾气产生示意图
汽车灯具起雾是一种自然现象，无法完全避免，但是也可以从设计上考虑减小其发生的概率。由于车灯雾气的形成与灯内的湿度、温度场分布及凝结核有直接关系［2］，所以要解决车灯的雾气问题需要从以下3方面考虑。
2.1 湿度降低
降低灯内湿度可以从车灯零件材料选用、透气组件选择及灯内安装干燥剂几个方面考虑。
1） 车灯零件材料尽量使用吸水率低的材料，这一点尤其适用于气候较潮湿地区的车灯供应商，可以有效减轻车灯储存和运输过程中水蒸气的吸收。
2） 合理地选择透气组件可以促使车灯与外界进行充分的气体交换，加速灯内气体流动，能有效降低灯内的湿度，从而降低起雾风险。设计时根据灯具的不同结构及成本要求来选用通气结构，实现“通气不通水”的目的，以防止外界潮湿空气通过组件进入灯内。
3） 灯内放置干燥剂能有效降低灯内的湿度，从而降低雾气产生的风险。但缺点是随着吸湿量的增加，干燥剂会吸收水蒸气的能力趋于饱和，需要定期更换，以保持其高效的除湿作用。
2.2 温度分布平衡
汽车灯具内不同区域的温差过大是形成车灯结雾的一个重要原因，需要保证灯具内部气流良好流通，热量及时交换，以降低不同区域的温差。在设计时应尽量避免该狭窄区域的出现，因此各个子零件的间隙尽可能大，建议在3mm以上。灯具内部腔体形状尽量规则，避免出现过小的尖角，如图8所示，目的是保证空气能良好流通。如因造型或其他原因必须存在尖角区域或是超过20mm非发光面直射区域，其零件间隙控制在2mm以下，阻止潮湿空气的流入，如图9所示。
图8 尖角区域示意图
图9 尖角区域间隙要求
在雾气易发生区域设计透气孔结构，促进灯具内部热气流的流通以及不同区域的热量平衡。同时也可以增强与外部空气的对流，使水蒸气能够及时被对流带走，抑制灯具内湿度的上升，如图10所示。
图10 空气对流示意
透气孔设计原则如下：①气孔在灯泡两侧的对角位置设置2个以上，如图11所示。②排气孔和吸气孔的高度落差尽可能大。③排气孔和吸气孔尽可能设置在灯具内温差大的位置。④预留一到两个透气孔，待台架试验和整车试验后再确定是否使用（例如在前期开发时设计多个透气孔，制作软模件进行雾气试验后确定最终方案），如图12所示。
图11 透气孔位置示意
图12 预留透气孔示意
在设计车灯时，采用上述结构设计经验时同时借助CAE热学仿真软件对灯具进行热场分析，平衡内部温度场，尽量避免灯罩内表面温度梯度过大，促进车灯和外部空气的对流，做结构优化，从而降低车灯出现雾气的可能性。如图13、图14的CAE分析结果，可以初步判断出图中所示的灯具3个区域为低温区（1、2和3）。结合雾气产生的原理，此3个区域温度较低，且水蒸气流速较差则易产生雾气，所以在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处加开透气孔是有必要的，如图15所示。
图13 灯具内的温度分布
图14 灯具内的气流走向
图15 确定的通气孔位置
2.3 凝结核减少
车灯内部零件表面的凹凸不平为起雾提供了凝结核，通常采用在灯罩内表面喷涂防雾涂层的方法来消除凝结核的影响。防雾涂料由于其表面具备超亲水特性，增大了水的表面张力，接触角变小（约5°左右），使水滴变成人眼无法观察到的水膜（1~5μm）［3］。但防雾涂层的喷涂环境要求严格，产品废品率较高，相对于其他解决方案车灯成本增加较多。使用防雾涂层前后对比如图16所示。
图16 使用防雾涂层前后对比
汽车灯具的起雾现象的解决是困扰各大整车厂和汽车灯具供应商的一个难题，每个新车灯的开发都需要结合实际情况进行不断的软件模拟分析→整改样件制作→台架试验验证→整车试验验证，才能使车灯雾气达到一个最佳状态。车灯起雾主要与灯内湿度、温度场分布以及凝结核有关，因此要解决车灯起雾问题也需要从这3方面入手，限制其中一个方面或多个方面条件的出现，从而有效避免车灯雾气的形成。
参考文献：
[1]徐小平，黄宝陵，顾毓沁，等．汽车车灯雾气形成的分析研究［J］.工程热物理学报，2001 （22（S1））：62-64．
[2]徐鑫鹏，昌进，郝珊珊. 车灯起雾原因及解决方案探讨［J］. 汽车零部件，2014 （9）：46-49.
[2]张世中,兰天亮,路向前. 关于汽车车灯起雾的改善设计［J］. 河南科技，2015 （4）：52-54.
（来源：《汽车电器》2020年第3期）