技术文章 | 前照灯冷凝问题：灯壳潮湿及中国市场案例分析

IFAL · 2018-12-06

原文标题：Headlamp Condensation: Moisture in Plastic and Usecase in China

原文作者：Dr. Shengchun Sha*, Dr. Henning Kiel, Nan Wang, Bin Yuan, Wei Jiang, Lijun Jin

SAIC Volkswagen Automotive Co., Ltd.; Shanghai, P.R.China

编译：李奕帆井硕

指导老师：林燕丹

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介绍

冷凝问题是一种不可能完全避免的现象。如果条件太极端，即使是设计得很好的灯具内部也会有水雾。因此，在测试过程中需要设置极端条件，提高灯具的除水雾能力，但灯具设计也不能过于繁琐与昂贵。

研究发现，对于冷凝问题中国市场有其特殊要求，这是对极端天气条件组合的挑战：我国亚热带和温带季风气候显著，温差较大，降水集中，南方夏天还有雨季，温差变化及潮湿的气候环境很容易造成车灯产生雾气。同时还需要考虑通风系统对灰尘的阻挡以及客户的要求。因此，我们采用以下实验方案，以满足市场需求。

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测试方案

测试说明：该方案在冬季进行，冬季测试的环境特点是低温和低湿度。在室内外环境温差较大的条件下，汽车灯具内部容易形成冷凝，而冬季低湿度的室外环境有助于灯具通过通风系统达到除雾效果。

图1冬季测试使用的汽车

测试目的：旨在验证灯具在寒冷条件下的冷凝除雾性能。在一个典型的房间或密闭环境中，观察灯具内部的水汽达到平衡所需要的时间，并测试环境的湿度。同时统计在测试过程中水汽进入量与流出量。

测试步骤：①将测试车辆置于密闭环境中进行预处理，密闭环境的温度和露点温度分别大约是20℃和-8℃；②测试车辆在室外进行驾驶测试；③将测试车辆停置在室外环境中；④将测试车辆再次驶入密闭环境；⑤在密闭环境中打开灯具密封盖。测试结果如下图2所示：

图2冬季测试中灯具内部温度和相对湿度

结果分析：步骤①灯具内部温度恒定，大约为20℃。将灯具放置在密闭环境中，两天后灯具内部露点温度T_dew没有改变，大约为0℃，该温度明显高于密闭环境的露点温度。因此得出结论：灯具内部湿度较大且雾气消除较慢。这意味着灯具内外通过通风口的自然对流非常缓慢。

步骤⑤一旦打开灯具密封盖，灯具内部露点温度迅速下降到环境水平，大约12个小时内达到平衡。因此，对于预处理来说，通过灯具通风口的自然对流来达到平衡需要相当长的时间，将密封的灯头打开对这一过程有很大帮助。

步骤③④当灯具被放置在室外环境，露点温度T_dew随室外温度改变并保持在一个非常低的水平，而一旦再次把灯具放置在室内，灯具的露点温度迅速增加。且相比于步骤①，露点温度会达到一个更高的水平，甚至高于0℃。步骤①中我们已经发现了通过通风口自然对流达到平衡需要相当长的时间，且室内的露点温度一直保持在-8℃，这意味着不能通过从室内环境与灯具内部交换水汽而得到一个更高的露点温度。那么水汽是从哪里来的呢？

我们假设了两个影响因素：第一个因素是最初灯内大部分的水分在测试过程中仍然停留在灯内。当温度下降时，灯具中的水分极有可能结冰并附着在零件表面。灯具一旦放回室内，露点温度就立刻上升，因为液体或冰冻的水随着温度的升高又变成蒸汽。第二个因素是露点温度增大，说明水分从外界环境进入了灯具内部，最可能的原因是温度上升时，塑料中的水分散发出来。

通过测试，我们得到了两个结论：一是通过灯的通风口进行自然对流是非常缓慢的，打开密封盖有助于让灯内外的水分得到平衡。二是塑料中的水分对灯具内部的湿度有明显的影响。

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塑料中的水汽

根据上述测试的数据表明，塑料中含有水分。所以当温度升高时，更多的水汽从塑料中散发到空气中，然后灯内的湿度也会升高。它与我们观察到的现象相吻合。那么一盏灯中每种塑料对水汽的吸收能力是多少？

第一项研究是不同种类的塑料材料对水分的吸水能力。我们选择了两种灯具中主要应用的塑料：PP和PC。首先样品干燥后称重。然后将样品放入气候室，暴露在相同的潮湿条件下，加湿15小时后再称重。从重量差可以知道样品在这段时间内吸收了多少水分。结果如表1所示。我们可以看到，在外界条件相同的情况下，PC比PP吸水能力更强。

表1：不同塑料材料吸水重量

第二项研究是表面处理是否会影响塑料材料的吸水能力。由于装饰或功能的需要，许多塑料表面都涂有一层金属层。我们选择了两个镀铝的PC样品。结果显示，PC材料一旦镀铝，涂层可以完全防止水分的吸收，如表2所示。

表2：同一材料经不同表面处理吸收的水分能力

最后一项研究是一个普通的灯具从干燥状态到饱和状态需要多少时间？我们使用了大众途安车型的8个雾灯(如图3所示)进行了称重测试。与之前的测试一样，灯具经过干燥后放入20℃和98% rh的人工气候室。每24小时对灯具进行被称重，直到重量几乎稳定。结果如图4所示。

图3测试用灯具

图4灯具吸水量随时间的变化情况

根据结果显示，这款灯具最终可以吸收约3g的水分，需要至少4天的时间才能完成约90%的吸水过程。

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本地案例和实验设计

从上述内容中可以了解到，设计一个实验来评估前照灯的冷凝是很复杂的。实验必须考虑许多影响因素，以建立足够精确的模型。接下来，我们将设计一个实验，并将其分为几个部分，逐一进行讨论。

预处理

如上所述，塑料中可能含有水分。当塑料的温度升高时，它就会被释放出来。而且，当灯具处于静止状态时，灯具内部的水分释放非常缓慢，除了通风口灯具没有其他主动加压装置。塑料中的水分对大灯的冷凝有重要影响。因此，有必要对灯具进行预处理，以获得塑料材料的初始性能。

有两种预处理方案：一是初始状态是完全干燥还是湿度完全饱和。另一个是灯具的灯头、通风口或泡沫垫等开口应该开启还是保持关闭。不同方案选择的关键点是时间成本，或者换句话说，是在所需的状态和测试时间之间的权衡。

预处理可在温度可控、相对湿度可控的气候室中进行。不同的温度和不同的相对湿度会导致灯有不同的初始状态，如表3所示。条件的选择取决于测试人员如何设置评价结果的参考标准。

表3:不同的灯具预处理策略

预处理用于什么样的实验是另一个需要考虑的重要问题。预处理条件应与后期冷凝阶段相适应，否则会产生干扰作用。如果实验在实验室中进行，环境稳定，应采用参数固定的预处理。但是，如果实验是在室外进行的真实汽车实验，由于可能会出现不同的天气和条件，预处理不能使用固定的参数。

冷凝阶段

经预处理后，测试样品的塑料内部保持相同的水分。下一步是在真实的汽车或实验室设备中组装这些测试样本进行测试。接下来要解决的问题是如何进行冷凝。

实验中的冷凝模拟了人们在一定条件下使用灯具时，发生的起雾问题。因此，通常需要考虑实际应用当中可能会出现水雾问题的情况，来确定冷凝条件，主要的可选择的参数如表4所示。实验条件选择应该避免的是，不要定义一个永远不会发生或不会显著发生的情况。

表4：冷凝实验的主要可选参数

除雾阶段

除雾阶段的参数选择必须通过充分的市场调查，选择大多数客户可以接受的条件。该阶段可以选择的参数如下表5所示。

表5：除雾实验的主要可选参数

以客户为中心的评价方法

不同的评价方法可能导致不同的结果。一种荒谬的评价方法甚至会使整个测试失去意义。正确的方法是采用以客户为中心的评价方法，根据客户对汽车灯具的不同标准要求进行评价。因此，一个好的评价方法，应该是实验设计者站在客户的角度进行分析的结果。评价的标准过严或过松都是不合适的。若在设计一个新方案或修改一个方案时，如果没有确定的参数，可以将市场上具有已知实际性能的汽车作为参考，以此作为基准汽车进行实验设计。

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结论与展望

本文研究了合理的实验设计对于前照灯冷凝性能进行客观的评价是非常重要的。为了设计一个合适的实验，必须考虑许多影响因素。在过去的实验中发现，塑料可以储存和散发水汽。这部分水汽对前照灯的冷凝问题有重要影响。因此，在实验中进行适当的预处理是必不可少的。在进一步的调查中，案例中的许多细节因素应该在实验中进行考虑。要很好地定义这些因素，以客户为中心是一个比较的方法，并且充分的市场调查是基础。