汽车车灯的结雾准则研究

刘 红，曹 翔，蒋兰芳

(1.浙江工业大学 机械工程学院，浙江杭州 310014)(2.浙江工业大学之江学院，浙江杭州 310024)

随着汽车车灯行业的不断发展，车灯的热设计越来越受工程人员的关注。但是到目前为止，车灯内部结雾仍然是影响车灯质量的一个主要问题，同时也是一个世界性难题，各国车灯具制造厂家都在研究探讨这一难题［1］。以前的车灯主要是用玻璃和金属制作，现在主要采用工程塑料。塑料的熔点比较低，车灯温度过高，会引起塑料的软化造成车灯不能正常工作。另一方面，温度过低，很容易引起车灯起雾的问题，严重影响驾驶员的视线，威胁人的生命安全。因此有必要对车灯热问题进行研究。

有不少学者针对不同型号的车灯做了很多有关车灯结雾的机理分析及消除措施方面的研究。黄宝陵等［2］指出了车灯结雾的3个基本条件:(1)车灯内的空气中必须含有足够的水蒸气;(2)车灯内必须存在温度低于当地水蒸气凝结临界温度的区域;(3)车灯内部存在凝结核心。徐小平等［3］人从热分析角度指出有些车灯由于装饰作用，造成狭窄区域构成明显的车灯内部空气流动的死区，并且无灯光对该区域的灯罩内表面有明显的加热作用，导致了该区域灯罩内表面温度较低。林娇弟［4］确定了实践上可行的凝结判断准则。

W.I.Moore等［5］人使用 ADINA － F 软件对车灯内部的温度场和流场进行仿真，建立的辐射模型不仅可以处理红外辐射，还可以处理可见光部分的辐射，此外这个辐射模型还可以和流场模型相结合，从而提高计算准确程度。Liu Hong等［6］讨论了基于水蒸气冷凝原理的车辆用灯具内部结雾原理，并根据该原理提出车灯的临界雾化湿度的概念。Jiang Lan Fang等对集成大功率LED灯的散热方法进行了研究，以解决散热器在工程中应用的散热问题，对不同造型的前大灯的温度场进行了研究，并以某前大灯的造型设计为例，提出了考虑车灯外部空气流动影响的车灯设计方法［7－8］。

随着计算机技术以及计算传热学、计算流体力学的迅速发展，计算流体力学数值计算技术的应用越来越普遍，在许多领域取得了成功［5］。本文尝试利用数值分析的方法，预测可能出现的温度过低的部分，并减少开发新产品过程中的成本。

1 车灯模型简化

1.1 车灯基本结构

图1所示是某车灯厂生产的一款前大灯。车灯的主要部件包括:远光灯、近光灯、转向灯以及3个光源的反射体、装饰框、灯罩、灯体等。

1.2 车灯传热的基本过程

图1 车灯基本结构

车灯传热过程比较复杂，它包含了热量传递的3种基本方式:热传导、热辐射及热对流。车灯被点亮后，灯丝对灯泡进行辐射加热，灯泡对反射体、灯罩及遮光罩进行热辐射。灯泡对空气加热的效果是，空气在重力的作用下自然对流，将热量带到车灯内部的各个角落。车灯点亮后，整个过程的前半段都是一个非稳态的过程，直到灯丝的加热和灯罩灯体与空气的自然对流降温达到动平衡时，车灯的温度达到稳态。

1.3 模型简化

本文研究的车灯属于组合结构，由于车灯外型的曲面造型而使得车灯内部结构的零件形状比较复杂，需要做必要的结构简化。主要简化如下:(1)消除灯体、反射体等零件上的安装支架结构;(2)光源结构简化，以线光源描述金属卤素灯的复杂结构。

1.4 模型材料特性

车灯的模型材料特性见表1。

表1 车灯零件材料特性

1.5 模型边界条件

根据车灯的工作环境状态将仿真的边界条件设置为:初始环境温度为20℃，1个标准大气压;空气的辐射率和反射率均设置为0，即把空气看成辐射的透明体，只参与对流换热;将物体的辐射特性简化为灰体，并且将红外反射率简化为与温度无关的常数。

1.6 车灯的有限元模型

根据几何简化结果、材料特性及边界条件，得到的车灯有限元模型如图2所示。

2 数值计算结果分析

2.1 温度分布

图2 分析模型

由于车灯结雾发生在灯罩上，所以灯罩的温度分布是本文的重点分析对象。灯泡点亮后，光线从灯泡出发，大部分光线由反射体反射照到灯罩上，对灯罩起到了辐射加热效果。此外，被灯泡加热后的空气通过热对流交换也对灯罩起到加热作用。温度分布如图3所示。

图3 车灯温度分布

2.2 空气速度分布

空气被灯泡加热后，由于受热不均衡，产生自然对流。空气的流动情况会影响到车灯内部的温度分布情况。图4所示为车灯稳态时的空气流动情况。

图4 车灯流场情况

2.3 车灯分区露点温度

露点温度指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度，即空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。露点温度与压力、湿度有关，露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。由于目前没有合适的方法判断车灯结构是否会影响结雾，因此本研究引进分区露点温度的概念，通过CAE仿真计算得到车灯某一区域的露点温度，即分区露点温度，由此可以判断该区域是否容易结雾:该区域的壁面温度有较多的低于分区露点温度的点，则容易结雾。

车灯点亮工作时，灯泡的辐射加热及对流加热改变了车灯内部的空气与固体的温度分布。由于装饰框与反射镜的分割效果，车灯内部由若干相对独立的空间组成(称为分区域)。由于各个分区域的空气温度变化是不同的，从而使各分区的结雾可能性不同，造成了有的分区域不易结雾，有的区域很容易结雾。根据热力学关于结雾原理的解释，可以理解为车灯的露点温度与车灯内部的温度太接近是车灯结雾的原因，即车灯某一区域的固体壁面温度低于该区域的露点温度，则该固体壁面将结雾。

在车灯点亮工作后车灯型腔内各分区域的温度发生变化，相应的露点温度也发生了不同的变化。分区空气温度的上升提高了该分区的露点温度，但若固体温度变化不大，则该分区固体壁面附近的空气因温度低于露点温度而很容易起雾。为此论文提出了车灯分区露点温度的概念，并给出判定车灯起雾的方法，即结雾的条件为内壁面温度小于等于该分区的露点温度。

对车灯而言，有些结构导致了车灯容易起雾，其原因是结构设计不合理。提高车灯温度场、尤其是提高固体壁面的温度是避免结雾的简单方法。而提高车灯温度场的途径是:依靠灯泡的热辐射和气体的对流换热。由于热辐射的直线传播性，辐射加热的部位有限，车灯的更多部位需要靠对流换热的方式加热，因而对流换热气流的流速显得很重要。

分区露点温度的计算流程是:根据仿真得到的车灯温度场分布确定分区;查表得分区露点温度;在所关心的分区获得固体表面的温度;与该区域的分区露点温度相比较，如果低于分区露点温度，则结雾。

3 实验验证及设计建议

3.1 实验验证

仿真分析的结果要通过实验进行验证。具体方法是在灯罩上打上小孔，在实验室里面利用热电偶来测出灯罩不同位置的温度，如图5所示。

图5 车灯实验

实验中事先选取灯罩上的一些关键点，将热电偶测量值和仿真值的对比列入表2，误差分析可见仿真值和实验值相对误差较小。计算得出平均误差小于13.4%，具有较高的可信度。

表2 实验结果对比

3.2 结雾原因解释

从灯罩的温度分布图(图3)来看，将灯罩左下方的局部区域分为所考虑的一个分区，其温度很低，最低只有27.25℃。由软件可得灯罩左下角内壁面的空气温度为40℃，考虑到60%的相对湿度，查表3得到该区域的分区露点温度为30.7℃，最低温度低于露点温度。空气被灯泡加热后进入这个低温区后，由于气温迅速降低，水汽会从空气中析出。这意味着这个低温区范围内结雾的可能性比较大，而工厂的淋雨试验也证明了这一点。车灯内部的气体的流动直接影响到灯内温度的分布，流动不仅能够将热量从灯泡传递到灯腔内各处，提升该处温度，而且较强的流动能够促使水分的蒸发，从而降低结雾的可能。而从图4的车灯内部空气流速图来看，灯罩左下方的空气流速也是比较低的，这非常不利于车灯内部热量的扩散。

表3 相对湿度60%时的露点温度表

3.3 设计建议

a.改善前大灯各个功能区的设计，消除辐射死区。如图3所示，灯罩的左下角灯光完全照不到，造成左下角的低温区很容易引起结雾。进行车灯设计时可以考虑将远光灯反射体往左下这个方向移动，这样就可以减少甚至消除灯罩的低温区。

b.消除流动死区。由图2可以看出，由于转向灯区域设计不合理，这里形成了空气的流动死区。从远光灯处的热空气进入这个区域后，流速骤降，这样对灯罩的加热效果就非常有限了。考虑到这个因素，一般车灯设计应注重车灯前部要留有大空间，就是让空气能够顺畅地流动。

c.提高车灯密封质量，相对湿度越低，结雾的可能性越低。

4 结束语

本文提出了分区露点温度的概念，并给出了车灯点亮后是否结雾的判定准则。这样可以在产品还没有规模生产前就有预测产品是否有结雾等问题的可能，不仅降低了研发成本，还提高了生产效率。但是，本文探讨的是车灯结雾的准则，更加接近实用的是工程人员在设计时发现问题后，如何尽量在满足车灯的使用要求和造型美观的基础上修改设计，完整地解决车灯结雾问题，这些还需要继续研究。

［1］ 姜永清.汽车前灯结雾分析及解决措施［J］.汽车实用技术，2013(10):86－90.

［2］ 黄宝陵，徐小平，顾毓沁.车灯内部结雾的热分析及应对措施［J］.中国照明电器，2001(4):4 －7.

［3］ 徐小平，黄宝陵，顾毓沁，等.车灯雾气形成机理分析［J］.中国照明电器，2000(10):9－11.

［4］ 林娇弟.汽车车灯结雾及其控制的分析研究［D］.杭州:浙江工业大学，2009.

［5］ Moore W I，Donovan Erie S，Powers ChristoPher R.Thermal analysis of automotive lamps using the ADINA－F coupled specular radiation and natural convectionmodel［J］.Computers and Struetures，1999，72(V3):17 －30.

［6］ Liu Hong，Jiang Lanfang，Hu Changguo，et al.Method of lamp fogging Discrimination［J］.Applied Mechanics and Materials，2013，248:179 －184.

［7］ Jiang Lanfang，Liu Hong，Hu Lida，The effect of modeling on temperature field of automotive headlamp Aerodynamic Drag［C］//2008 IEEE 9th International Conference on Computer－Aided Industrial Design＆ Conceptual Design.Kunming:Proceedings of ICCASM，2010:602－606.

［8］ Jiang Lanfang，Liu Hong，Liang Hua.Analysis of heat dissipation for integrated high power LED lamp［C］//Proceedings of Conference 7849 Optical Design and Testing.Beijing:SPIE，2011:1－6.