汽车车灯雾气影响因素及应对措施

高心健 陆龙海 余维 刘静

（上汽通用汽车有限公司武汉分公司）

汽车车灯是整车外观造型的重要部分，随着车灯开发流程、试验方法及制造工艺的日趋完善，车灯质量也有了巨大提升，但是车灯雾气问题仍困扰着众多主机厂和车灯供应商。有数据表明，有的车灯由于雾气问题造成的报废率高达30%[1]。文献[2]和文献[3]都系统地论述了车灯内部热场和流动场对雾气产生的影响，文章在此及物理分析的基础上，阐述了车灯产生雾气的主要因素，并通过试验验证了预防措施的效果，为车灯的前期开发和试验提供了参考。

1 车灯雾气形成机理

1）车灯点亮时，光源周围的环境温度会急剧上升，水蒸气会通过对流和扩散的方式运动到车灯的各个角落。一方面由于车灯造型的需求，整个车灯的高宽比和纵深比都越来越大，形状越来越长而窄，直接导致车灯内部存在较大的温差。当温度和湿度较高的水蒸气运动到低于饱和温度的区域时，就会凝结成雾气。2）车灯点亮稳定后，当淋雨等其他因素导致环境温度降低时，车灯配光镜内表面温度也会随之降低，车灯内部水蒸气浓度达到一定水平，且没有及时扩散到外环境中，也会出现雾气。3）车灯熄灭后，当配光镜温降远远快于车灯内部温降时，也会结雾。

因此总结雾气的形成需要具备3个条件[2]：1）车灯内部存在凝结核心（凝结核心是指凝结过程中起凝结核心作用的固态、液态及气态的气溶胶质粒，车灯内部零件表面的凹凸不平为起雾提供了凝结核，以目前行业的制造水平要实现车灯内部零凝结核难度是非常大的）；2）车灯内部存在低于当地水蒸气凝结临界温度的区域；3）车灯内部存在足够浓度的水蒸气。

2 车灯起雾影响因素

根据以上分析可知，水蒸气浓度、温度场与流动场及车灯材料的选用是导致车灯起雾的重要影响因素。同时，水蒸气浓度的分布也取决于温度场和流动场，车灯内温度越高，温度分布越均匀，流动越通畅，起雾的可能性也越小。

2.1 温度场

温度场是引起起雾的最重要影响因素。车灯内温度的来源主要有光源的热辐射和发动机舱的温度。通过对车灯的热场CAE模拟可以知道，车灯内存在高温区和低温区，而起雾区域均位于低温区。

以某灯具厂生产的前照灯为例，其热场CAE模拟结果，如图1所示。从图1可以看出，低温区位于车灯下部的左右侧尖角处，属于光辐射较弱的区域；车灯中部区域，即远近光灯和转向灯处温度较高。这说明车灯下部左右侧尖角处的低温区域是起雾可能性较大的地方，图2示出整车雨淋试验车灯起雾区域。从图2可以看出，雾气出现区域也在车灯下部左右侧的尖角位置，和热场CAE模拟结果高度吻合。

图1 某车灯热场CAE模拟图

图2 整车雨淋试验车灯起雾区域

对上例进行理论分析，是由于车灯温度分布是辐射换热和自然对流换热综合作用的结果，阻挡或削弱辐射及存在自然对流死区的结构都会导致局部温度偏低，容易引起起雾现象。转向灯内配光镜削弱了光源的辐射，直接导致右侧尖角处出现范围较大的低温区，左侧尖角处是配光镜和车灯焊接的夹缝区域，狭窄的空间结构形成了自然对流死区，为起雾创造了有利环境。

2.2 流动场

车灯的流动场可分为内部流动和外部交换。内部流动是由于车灯内温度分布不均而引起的自然对流，带动着热量传递，图3示出某车灯内部流动场CAE模拟结果。从图3可以看出，靠近光源位置由于温度较高，流动场的扩散性能较强，到达外配光镜位置逐渐减弱，自然对流可直接影响车灯内的温度场，缩小温度梯度。

图3 某车灯内部流动场CAE模拟图

自然对流主要受到车灯内部结构和组件布置的影响，如果灯内存在一个独立的区域使里面的气流和热量不能流通，这个区域将很有可能形成水汽，灯内的空气流通需要5 mm或更大的间隙作为通道。灯内过小的间隙也会阻碍空气的流动和温度的平衡从而促使水汽的形成。

外部交换的换气结构的好坏则取决于通气孔的数量、尺寸与布置及通气组件的选取。但通气孔都有一个缺点就是给水和污染物侵入灯内留下了路径，在整车开发时要求并确保对这些通气孔的设计和安装不允许在洗车，被水淹没的路面、满是灰尘的道路及出厂淋雨试验等情况下让水和灰尘进入灯内。优秀的通气组件可显著地促使车灯内部气体和外部气体的交换，目前各车灯制造厂家采用的有通气防护栓、通气弯管及通气膜等[4]。

2.3 车灯材料

车灯内部水气的来源，一部分是空气中的水蒸气，另外一部分是来自车灯内部的塑料材料。塑料材料会从空气中吸收和传递水分。经过几天的时间，水分会通过塑料配光镜和车灯进行渗透，使得车灯内外的空气含水量得到平衡。当车灯受到来自于灯泡、太阳照射及发动机等产生的热量时，灯壳所吸收的水分就会从塑料材质中释放到灯内的空气中，这些水分会凝聚在车灯内相对冷的区域。图4示出各种塑料材料的吸水率，通过图4可以看出，尼龙材料的吸水率较高，设计时应避免使用高含水率的材料，减小热循环期间水汽形成的可能性[5]。

图4 塑料材料的吸水率（24 h ASTM D570）

3 车灯雾气预防措施

3.1 防雾涂层

防雾涂层是喷涂在车灯配光镜内表面的一种透明的纳米涂料，该种材料具有超强的亲水性，水在其表面受到张力作用被扩展，接触角减小约5°，无法凝结成水珠，而是形成一层薄膜（1～5 μm），不仅保证了视觉上看不到雾气，也避免了水滴对光线的散射。

图5示出有无防雾涂层的车灯雨淋试验对比图，无防雾涂层的车灯在边角区域有明显雾气产生，有防雾涂层的车灯无雾气，说明防雾效果非常明显。

图5 湿度70%点灯30 min后有无防雾涂层的车灯雨淋试验对比图

使用防雾涂层，除了要买进原料外，还要增加工装设备和布置产线，并且由于喷涂在整车外观可见面，当基材上有杂质时，无法通过打磨或抛光进行返修，因此对喷涂环境要求很高，这些因素限制了防雾涂层的大面积推广和应用。

3.2 干燥剂

相对于防雾涂层，干燥剂是一种低成本且原始简单的方法。一般通过双面胶粘接到车灯内部，如图6所示，振动试验必须保证无脱落。

图6 车灯内部粘贴干燥剂

传统的物理性吸湿干燥剂是将水分储存在微孔中，环境湿度降低时，水分又会被释放。车灯用干燥剂是掠夺式化学吸湿，所吸收的水分一部分以结晶水的形式存在，另一部分参与固化反应，水分不再释放到环境中，可保持稳定干燥的环境。吸湿量可达到自重的150%以上，有效期可达1年之久。图7示出有无干燥剂的车灯雨淋试验点灯20 min雾气消散对比结果。

图7 有无干燥剂的车灯雨淋试验点灯20 min雾气消散对比

从图7可以看出，有干燥剂的车灯在边角位置虽然还残存雾气，但相比无干燥剂的车灯，有明显的改善。

3.3 透气薄膜

透气结构有助于促进车灯内外部气体交换，同时能满足不允许灰尘和水等侵入车灯的要求。透气薄膜包含一种Gortex（聚四氟乙烯）的材料，其有很细小的孔可以允许空气分子通过，但不会让水或者其他液体、灰尘及杂物通过，这种薄膜还需要做Oliophobic工艺涂层处理，可以降低薄膜的表面张力以防止汽车洗涤蜡等液体打湿薄膜而阻塞通气孔。

4 结论

首先介绍车灯雾气的形成机理，并借助热场分析的方法，阐述了车灯起雾的主要影响因素，最后通过雨淋试验，验证了雾气解决方案的实灯效果。无论从有效期还是最终效果来看，防雾涂层是最优的，但对应成本较高，干燥剂成本较低但有效期短。因此前期车灯开发设计过程中，就要根据造型和内部布置等因素模拟车灯内部热场和流动场，选择合适的防雾气策略，结合CAE模拟和车灯试验进行充分验证，以减少后期的质量缺陷，进一步提高客户满意度。