增加預(yù)處理環(huán)節(jié)的車燈霧氣評(píng)價(jià)試驗(yàn)優(yōu)化

沙晟春

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 概述

汽車車燈冷凝起霧是一個(gè)極具有科學(xué)挑戰(zhàn)性的課題。近年來在中國市場(chǎng)上車燈冷凝起霧現(xiàn)象越來越被客戶重視。中國的季風(fēng)氣候加上廣袤的地域使得在寒冷和炎熱的條件下都能獲得含有很高濕度的空氣，這讓冷凝起霧非常容易發(fā)生。而車燈中起霧現(xiàn)象是中國客戶所不接受的。因此，汽車車燈的開發(fā)、模擬和測(cè)試必須以一種能夠反映真實(shí)世界情況的方式進(jìn)行，包括一些重要的影響因素和使用工況。

車燈應(yīng)盡可能優(yōu)化設(shè)計(jì)成不起霧的狀態(tài)，這是我們上汽大眾在IFAL2017會(huì)議上展示的口號(hào)［1］。但其實(shí)車燈起霧作為一個(gè)自然現(xiàn)象不可完全避免，如果周邊環(huán)境條件實(shí)在過于惡劣，那么設(shè)計(jì)得再好的車燈也有可能會(huì)起霧。因此為了客觀評(píng)價(jià)一個(gè)車燈設(shè)計(jì)的好壞，有一套經(jīng)反復(fù)推敲設(shè)計(jì)出的評(píng)價(jià)試驗(yàn)是十分必要的。這個(gè)試驗(yàn)必須足夠嚴(yán)苛以覆蓋一些極限工況下使用的客戶，但也不能過于苛刻以致建立出一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界不可能存在的模型，最終造成過設(shè)計(jì)和過高的產(chǎn)品成本。

在IFAL2017會(huì)議上，我們也提及了大眾集團(tuán)的車燈設(shè)計(jì)是以開放式通氣系統(tǒng)為第一優(yōu)先級(jí)的，因此大眾車燈的性能指標(biāo)是盡可能快速消除霧氣而不是防止起霧發(fā)生［1］。大眾內(nèi)部的認(rèn)可試驗(yàn)可以簡(jiǎn)單地描述為如下兩個(gè)步驟：①先讓車燈起霧；②測(cè)試并評(píng)價(jià)車燈的消霧能力。

但中國市場(chǎng)有其特殊要求，這是極具挑戰(zhàn)性的極端天氣和周邊條件的組合：高濕度，低溫和高溫，通風(fēng)系統(tǒng)比歐洲有更嚴(yán)格的防塵防灰要求，城市地區(qū)較為阻塞的通行條件，以及不接受車燈起霧是自然現(xiàn)象的客戶。原有測(cè)試評(píng)價(jià)條件無法適應(yīng)和滿足中國客戶的要求。因此，上汽大眾致力于改進(jìn)原有測(cè)試方法以適應(yīng)這樣的市場(chǎng)狀況。

2 背景

設(shè)計(jì)新的試驗(yàn)以改進(jìn)原有測(cè)試方法的想法來自一次實(shí)際的整車測(cè)試。大眾集團(tuán)原有一套關(guān)于車燈霧氣的完整測(cè)試方法，其中非常重要的一項(xiàng)名為“冬試”。冬試旨在驗(yàn)證車燈在寒冷條件下的起霧和除霧性能。在冬季試驗(yàn)中，環(huán)境具有低溫、低濕的特點(diǎn)。燈和車都放在溫暖的房間里，但室外環(huán)境很冷。在如此大的溫差下，汽車從室內(nèi)向室外移動(dòng)時(shí)，容易引起燈具內(nèi)的起霧現(xiàn)象，而室外的低濕度有助于通過燈具的通氣系統(tǒng)來測(cè)試除霧的效果。

在某年的冬試中，我們將溫度和濕度傳感器放置在燈具內(nèi)部，并將其存放在受控環(huán)境中。傳感器檢測(cè)到的燈內(nèi)溫度和濕度以及根據(jù)溫度和濕度計(jì)算出的露點(diǎn)如圖1所示。露點(diǎn)表示燈內(nèi)的絕對(duì)含水量。這樣做的目的是觀察燈內(nèi)的水分與一個(gè)典型的房間或儲(chǔ)存環(huán)境保持平衡的時(shí)間有多長(zhǎng)，以及房間環(huán)境有多潮濕或干燥。我們還想看看有多少水分進(jìn)入燈和水分如何在測(cè)試中消失。然而，記錄數(shù)據(jù)卻顯示出意想不到的結(jié)果。

圖1 冬季試車燈具內(nèi)溫濕度記錄

我們通過單獨(dú)布置在倉庫中的傳感器測(cè)量并計(jì)算得出倉庫中的溫度和露點(diǎn)分別為20℃和-8℃。然而，如圖1所示，在步驟①中，將燈放置在倉庫兩天后，露點(diǎn)T_dew沒有太大變化。本來預(yù)測(cè)由于平衡過程的原因，預(yù)計(jì)燈內(nèi)的露點(diǎn)應(yīng)該會(huì)接近倉庫的露點(diǎn)，但測(cè)量結(jié)果卻高出許多。在步驟①中，我們看到溫度在20℃左右，這意味著溫度已得到了平衡。但露點(diǎn)在0℃以上，而在房間里應(yīng)該在-8℃左右。這意味著燈內(nèi)濕度仍較大，水汽從燈內(nèi)散發(fā)得很慢，通過通風(fēng)口的燈內(nèi)外自然對(duì)流非常緩慢。到步驟②開始前為止，只有48h還不足以使燈內(nèi)外水汽達(dá)到平衡。而在步驟⑤中，一旦打開密封蓋，露點(diǎn)迅速下降到倉庫的水平，并在大約12h內(nèi)達(dá)到平衡。因此，燈內(nèi)的水汽需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能通過燈的通氣口自然對(duì)流獲得與外界平衡，打開密封蓋則對(duì)平衡的速率有很大幫助。

另一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)是，從步驟③到步驟④，當(dāng)燈放在室外時(shí)，露點(diǎn)Tdew隨室外溫度的變化而變化，并保持在很低的水平，而當(dāng)再次將燈放在辦公室時(shí)，燈內(nèi)露點(diǎn)迅速增加，甚至達(dá)到了比放在室外前更高的水平。在上一段落中，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過通風(fēng)口自然對(duì)流交換的水分非常緩慢，并且房間的露點(diǎn)始終在-8℃左右，這意味著僅僅靠通過從房間進(jìn)入到燈具的水分不可能使燈具獲得如此高的露點(diǎn)。那這些額外的水是從哪里來的？

這里我們作出兩個(gè)推測(cè)：第1個(gè)推測(cè)是在開始時(shí)燈內(nèi)的大部分水分在步驟③過程中仍然留在燈內(nèi)。當(dāng)溫度迅速下降時(shí)，燈內(nèi)的水分凝結(jié)成液態(tài)水甚至結(jié)冰并粘附在零件表面。當(dāng)燈一放回辦公室，露點(diǎn)就立刻升高，因?yàn)樗捅S著溫度的升高又變成水蒸汽。第2個(gè)推測(cè)是高于倉庫的露點(diǎn)水平意味著燈內(nèi)出現(xiàn)額外的濕度，最有可能的解釋是溫度升高時(shí)塑料中的水分被釋放了出來。

3 塑料中的水分

從上一章傳感器的數(shù)據(jù)可以推測(cè)塑料中含有水分，而從一些參考書 （如手冊(cè)）中我們知道塑料可以儲(chǔ)存和釋放水分［2］。根據(jù)分子熱理論，溫度越高，分子的動(dòng)能就越高［3］。所以當(dāng)溫度升高時(shí)，更多的水分從塑料中排出到空氣中，然后燈內(nèi)的濕度也會(huì)升高。它符合我們觀察到的現(xiàn)象，但仍有許多細(xì)節(jié)有待調(diào)查。我們?yōu)榇俗隽?個(gè)研究。

第1個(gè)重要的問題是：燈內(nèi)每種塑料類型對(duì)吸濕性的貢獻(xiàn)是什么？燈里有幾種不同的塑料。為了開始調(diào)查，我們選擇了兩種燈具最常用的塑料：PP和PC。樣品先烘干并稱重。然后將它們放入環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱，暴露在相同的潮濕條件下，并在加濕15h后再次稱重。根據(jù)質(zhì)量的不同，我們可以知道這段時(shí)間樣品吸收了多少水分。不同材料的吸水率結(jié)果如表1所示，在相同的條件下，在這段時(shí)間內(nèi)，PC比PP能吸收更多的水分。這基本和材料手冊(cè)上的數(shù)據(jù)基本吻合。

表1 不同材料的吸水率結(jié)果

第2個(gè)研究是表面處理是否影響塑料材料的吸濕能力。許多燈具塑料表面鍍有一層金屬層，用于裝飾或反光功能。因此，在上一段所示的試驗(yàn)中加入兩個(gè)樣品并重復(fù)試驗(yàn)。這兩個(gè)樣品是鍍鋁的PC飾板。結(jié)果表明，PC材料一經(jīng)鍍鋁，涂層就可以幾乎完全防止水分的侵入，同一材料不同表面處理下的吸水率結(jié)果如表2所示。

表2 同一材料不同表面處理下的吸水率結(jié)果

最后一項(xiàng)待解決的問題是：一個(gè)典型的燈從干態(tài)到飽和濕態(tài)需要多長(zhǎng)時(shí)間？我們使用了大眾途安車型的8個(gè)霧燈進(jìn)行稱重測(cè)試。與之前的研究一樣，首先將燈具干燥，然后將其放入溫度為20℃、相對(duì)濕度為98%的氣候室中。因?yàn)橐郧爸皇沁M(jìn)行零件單品試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品直接暴露在高濕度下，不需要對(duì)完全飽和的樣品進(jìn)行試驗(yàn)。但這里是一只整燈，密封和通風(fēng)部件組裝在一起，目標(biāo)是讓燈飽和。因此，僅僅15h是不夠的。我們?cè)囼?yàn)方法為每24h將這些燈稱重，直到質(zhì)量幾乎穩(wěn)定結(jié)束。燈內(nèi)含水量隨時(shí)間的變化結(jié)果如圖2所示。

圖2 燈內(nèi)含水量隨時(shí)間的變化

從數(shù)據(jù)上可以看出，這種霧燈最終可以吸收約3g的水分，讓燈完成約90%的吸收過程至少需要4天時(shí)間。這意味著，如果我們想用這燈來研究其中的水分或冷凝，假設(shè)認(rèn)為最后10%的水分差異影響很小，我們最好也要在開始測(cè)試前至少4天將所有樣品放在同一個(gè)地方。否則，結(jié)果可能會(huì)受到塑料內(nèi)部不同的初始濕度水平的影響。

4 預(yù)處理環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

經(jīng)過之前的討論分析我們得知塑料中含有水分。當(dāng)塑料的溫度升高時(shí)，水分會(huì)釋放出來。此外，當(dāng)燈是靜態(tài)時(shí)，沒有其他的強(qiáng)制對(duì)流而只靠通氣口排氣時(shí)，燈內(nèi)的水汽與外界平衡非常緩慢?？梢姛魞?nèi)塑料中的初始水分在車燈霧氣試驗(yàn)中起著重要作用。因此，有必要定義并增加一個(gè)預(yù)處理環(huán)節(jié)，明確定義并限制試驗(yàn)初始時(shí)燈內(nèi)水汽水平。否則，試驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)受到很大干擾而不可靠，不能重復(fù)，即使其他條件都一樣，也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。

預(yù)處理一般有兩個(gè)地方需要選擇。一是決定初始狀態(tài)是干燥還是加濕，以便在各被測(cè)燈具之間提供可比條件。另一個(gè)決定是燈的透氣和密封件，包括透氣膜、透氣栓、透氣帽、通氣彎管和其他密封蓋，是否應(yīng)該保持像車內(nèi)狀態(tài)一樣或額外被打開。這里考慮的關(guān)鍵點(diǎn)一是時(shí)間成本，二是狀態(tài)的正確性，換句話說，是正確狀態(tài)和測(cè)試時(shí)間成本之間的權(quán)衡。盡管使燈干燥或潮濕都能使燈內(nèi)部達(dá)到相同的初始濕度狀態(tài)以獲得可比的條件，但這里我們正在研究冷凝問題，因此之后我們會(huì)讓燈內(nèi)部有霧，讓干的燈有霧比濕的燈需要更多的時(shí)間。所以，如果想節(jié)省測(cè)試時(shí)間，就應(yīng)該選擇讓燈濕到同樣的程度。同樣地，有關(guān)是否要額外拆卸密封件，如第2章中冬試反映的結(jié)果，如果燈具保持不拆卸所有密封件，則需要更多的時(shí)間來獲得燈具內(nèi)外水汽的平衡。因此，如果為了節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間，應(yīng)選擇額外拆下密封件，并在預(yù)處理后進(jìn)行組裝。但這樣做的風(fēng)險(xiǎn)在于燈內(nèi)可能存在不現(xiàn)實(shí)的高濕度，尤其是對(duì)于本身較為密封的燈具是不公平的。舉例來講，在現(xiàn)實(shí)中，當(dāng)周邊環(huán)境變濕時(shí)，透氣口數(shù)量少的燈，其水汽侵入的速率較透氣口數(shù)量多的燈慢，因此這種情況下透氣口數(shù)量少的燈內(nèi)部相對(duì)干燥。但如果一味為了節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間而把額外的密封件拆卸，則這種阻擋水汽侵入保持相對(duì)干燥的優(yōu)勢(shì)就會(huì)被試驗(yàn)人員人為消除，即透氣口數(shù)量多少的區(qū)別被消除了，其后果可能導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果并不能客觀反映透氣口數(shù)量多少的孰優(yōu)孰劣。因此正確的選擇是正確狀態(tài)和測(cè)試時(shí)間成本之間的權(quán)衡。

當(dāng)上述兩個(gè)選擇確定后，車燈可在溫度和相對(duì)濕度可控的環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行預(yù)處理。假設(shè)我們剛才選擇的是加濕，則在預(yù)處理參數(shù)上依舊有各種不同的溫度和相對(duì)濕度的組合可供選擇。不同的溫度和相對(duì)濕度會(huì)導(dǎo)致燈的初始狀態(tài)不同，這一方面取決于測(cè)試人員如何設(shè)置評(píng)價(jià)結(jié)果的參考標(biāo)準(zhǔn)。另外也可能取決于預(yù)處理時(shí)間的定義。例如，如果需要燈具通過較短的預(yù)處理時(shí)間達(dá)到某一吸濕水平，則相比較長(zhǎng)預(yù)處理時(shí)間的方案，其濕度設(shè)置應(yīng)更高。

最后，設(shè)計(jì)這個(gè)預(yù)處理是用于什么樣的測(cè)試是另一個(gè)需要考慮的重要問題。預(yù)處理?xiàng)l件應(yīng)與后面試驗(yàn)起霧環(huán)節(jié)的周邊環(huán)境相適應(yīng)，否則可能會(huì)產(chǎn)生干擾效應(yīng)。具體來講，如果試驗(yàn)是環(huán)境穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，則應(yīng)采用固定參數(shù)的預(yù)處理。然而，如果試驗(yàn)是在室外進(jìn)行的實(shí)車試驗(yàn)，由于可能出現(xiàn)不同的天氣和條件，預(yù)處理不能使用固定的參數(shù)。例如，如果是始終在25℃室溫下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，則適合在25℃下進(jìn)行80%相對(duì)濕度的預(yù)處理。這種預(yù)處理也適用于平均環(huán)境溫度在25℃左右的季節(jié)進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，但這個(gè)預(yù)處理?xiàng)l件在中國南方一些地區(qū)雨季進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)時(shí)則顯得過于干燥。同樣，如果在冬季寒冷的地方進(jìn)行試驗(yàn)，那25℃80%相對(duì)濕度的條件則過于潮濕。這個(gè)條件用在冬季寒冷的地方做試驗(yàn)的話，猶如一團(tuán)濕熱氣體直接放入冰箱，因此往往燈具經(jīng)預(yù)處理后拿到室外就發(fā)生冷凝現(xiàn)象，且難以去除，這樣就難以對(duì)燈具性能做出正確的評(píng)價(jià)。因此，即使在同一個(gè)地方，當(dāng)一個(gè)人在不同季節(jié)進(jìn)行實(shí)車測(cè)試時(shí)，也應(yīng)該根據(jù)當(dāng)時(shí)的氣溫使用不同的預(yù)處理參數(shù)。

5 結(jié)論和展望

本文探討了正確的試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)公正客觀地評(píng)價(jià)車燈起霧和消霧的真實(shí)性能具有重要意義。為了設(shè)計(jì)一個(gè)合適的測(cè)試，必須考慮許多影響因素并對(duì)其加以約束。在過去的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)塑料可以儲(chǔ)存和釋放濕氣。這部分濕度可能在車燈的起霧問題中起重要作用。此外只經(jīng)過車燈通氣口自然對(duì)流形成的燈內(nèi)外水汽平衡過程十分緩慢。因此，在試驗(yàn)中進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理是必要的。一個(gè)好的預(yù)處理方法的選擇應(yīng)是正確狀態(tài)和測(cè)試時(shí)間成本之間的權(quán)衡，其參數(shù)應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行調(diào)整。