LED汽車燈具防霧裝置設計及應用

梁海志，劉東靜，陸 翰，覃有硬

（桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林 541004）

LED汽車燈具防霧裝置設計及應用

梁海志，劉東靜，陸 翰，覃有硬

（桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林 541004）

LED作為第4代照明產品憑借節能環保的優勢逐漸應用于汽車照明領域，然而，隨之而來發現LED汽車燈具起霧現象普遍存在，既影響了車燈的照明效果又影響車燈的使用壽命，嚴重威脅了人們的出行安全。因此，本文提出一種基于濕度傳感器、加熱片和納米涂層的雙重防霧設計裝置，盡可能地減少燈內的水分，保證車燈使用壽命。該裝置結構明顯提高LED汽車燈具的防霧能力，促進中國汽車工業的迅猛發展。

LED 汽車燈具；傳感器；加熱片；納米涂層；雙重防霧設計

隨著經濟的全球化和智能制造的快速發展，不管是城市還是農村，交通設施得到了前所未有的飛躍，也進一步帶動了汽車制造業的發展［1］，尤其是在汽車燈具照明技術方面。LED作為第4代照明產品憑借節能環保的優勢逐漸應用于汽車照明領域，如奧迪R8和雷克薩斯LS600h車型前照燈。然而在使用過程中發現燈具起霧嚴重影響著LED汽車燈具的安全，由于水汽的存在，一方面導致燈具環境潮濕從而影響燈具內元器件的使用壽命；另一方面，當燈具環境溫度降低，燈具內的水汽會形成一層霧氣，嚴重影響車燈的照明。因此，如何開展LED燈具的防霧裝置設計研究，成為學者關注的重點和難點。

1 燈具起霧研究現狀

燈具的起霧涉及到熱流動、傳導、材料及結構設計等多方面的知識，是一個多學科的交叉問題［2］。國內外的學者主要從試驗測試和數值仿真的角度開展相關的研究工作。在試驗方面，采用高低溫長時間的淋雨試驗或存儲試驗來驗證前照燈的各項性能，觀察是否存在結露現象，提出改進措施［3-4］。在數值模擬方面，主要是分析燈具產品的內部溫度場、流動場、水汽濃度場等，通過車燈結構死角區域進行優化和改進［5-10］。研究分析認為燈具內出現霧氣的原因是燈具內的水汽含量低于樣品工作過程中飽和溫度面罩表面形成的膜狀和水珠狀凝結，也就是說這是一定條件下水蒸氣在燈罩表面氣液轉換的結果。其中，燈具內的水蒸氣主要是燈具內存在的積水和與環境換氣過程帶來水分蒸發的結果。

2 LED汽車燈具起霧分析

1）燈具環境溫度的變化 當車燈點亮、熄滅或者轉向燈閃爍時，燈具經歷著溫度不斷上升和下降的狀態，而汽車燈具內的溫度分布遵循著輻射換熱和自然對流換熱相結合的方式，但由于燈具內部結構的局限性，一定程度對這2種方式的熱傳遞產生了阻擋作用，不能實現溫度的均勻分布，燈具內部溫度的不均勻是導致燈具起霧的主要因素。圖1為奇瑞A5前照車燈結構的實物圖，圖2為燈具沿X方向溫度模擬仿真的分布結果。從圖2可以看出其溫度分布特點：兩端溫度較低，中間部位溫度較高，而且整體分布不均勻。

圖1 奇瑞A5前照車燈結構

圖2 車燈沿X方向模擬溫度分布

2）水蒸氣對流場的形成 在一定條件下，水蒸氣在燈罩表面氣液轉換形成起霧現象，其中，燈具內的水蒸氣主要是燈具內存在的積水與環境換氣過程中水分蒸發的結果，燈具內的水蒸氣是不可避免的。而當燈具內的水蒸氣處在溫度不斷變化并且分布不均勻的燈具環境時，這就使得水蒸氣在燈具內部出現流動現象。水蒸氣的流動一方面加劇了與外部環境的換氣速率，另一方面也將熱量傳遞到燈具內的各個腔體處。雖然燈具內部與外部環境的換氣過程可以將燈內的一部分水蒸氣排出，但效果并不明顯，燈具內部各個部位仍然存在著大量水蒸氣，特別是在溫度較低的區域，水汽現象更為嚴重。從圖1也可以看出，霧氣的產生主要在車燈溫度較低、角度相對復雜的結構角落。圖3為車燈點亮時燈內水蒸氣的流動示意圖，當車燈點亮時，車燈部位溫度最高并向周圍傳熱，同時加熱水汽并使其向左下角和右上角方向流動。

圖3 車燈點亮時燈內水蒸氣流動示意圖

3）存在霧氣凝結核 凝結核是導致霧氣凝結必不可少的因素，在燈具內部零件的表面，特別是面積較大的面罩內表面，存在著微細凹凸不平的凝結核。

3 LED汽車燈具防霧結構設計

1）整體結構優化 本裝置首先對燈具整體結構進行設計，對內部修飾框結構進行優化以減少死區角度和遮擋效應。整體結構設計如圖4所示。

圖4 車燈整體設計示意圖

2）設計加熱片加熱水汽并及時排出水蒸氣 為防止燈內積水過多，在燈內安裝加熱片，將水汽加熱使其氣化并將其排出。首先，根據圖1的霧氣分布情況，在車燈內左側霧氣分布較多的位置安裝濕度傳感器以實時監測燈內水汽含量，并設置一閾值（具體閾值根據不同燈具結構經過試驗設定）。當濕度傳感器檢測到的濕度數據大于閾值時，便啟動加熱片加熱。同時在燈內安裝加熱片，位置對應車燈點亮時溫度較高的部位（具體準確位置根據不同燈具結構經過試驗決定），使車燈在熄火狀態下，啟動加熱片加熱也能使水蒸氣產生像圖3所示的流動情況。然后根據圖3車燈點亮時燈內水蒸氣的流動情況，在燈內設置2個通氣孔，位置對應加熱器啟動加熱時水蒸氣流向的部位（具體準確位置根據不同燈具結構經過試驗決定），讓流動的水蒸氣從2個通氣孔中流出燈外。

3）涂覆納米涂層使霧氣液化并排出液態水 由于燈具結構的局限性，使得受熱流動的水蒸氣并不能全部從通氣孔流出，停止加熱時雖然水汽含量大大減少，但仍有一部分水汽滯留在燈內。為了防止隨著車燈溫度的降低引起水蒸氣遇冷在車內結構體表面形成水珠的隱患，在車燈內的結構表面涂覆一層納米疏水層，使水蒸氣遇到疏水層時能夠均勻地鋪展開，當水汽含量過高時，在疏水層上鋪展均勻的水分會越來越多慢慢液化，而液化形成的水滴由于重力因素會緩慢下流、聚集并最終從所設的左下角的通氣孔流出燈外。從而，很大程度減少了燈內滯留的水分。

4）防霧的動態平衡設計 通過加熱片對水汽加熱使水汽從通氣孔流出，停止加熱后，設計的疏水層讓遺留在燈內的水汽液化成液滴然后從底下通氣孔排出，雙重排霧，動態過程流程圖如圖5所示，最大可能地減少車燈內的水汽。

圖5 動態過程

4 結論

不同汽車的車燈結構大同小異，但在結構設計過程中防霧原理大致相同，其中涉及到的因素有很多，包括車燈結構、溫度場、濕度場、流動場、所處環境等。通過剖析起霧原因，本文提出基于濕度傳感器、加熱片和納米涂層的雙重防霧設計裝置，盡可能地減少燈內的水分，保證車燈使用壽命。

［1］ 楊寶珠.新型汽車燈具防霧設計探討［J］.工業技術，2013：54.

［2］ 邵林.影響汽車燈具防霧效果的因素分析［J］.科技創新與應用，2015：14.

［3］ 付華芳，余兵，丁聰，等.汽車燈具起霧問題的研究［J］.汽車電器，2015（4）：46-48.

［4］ 牛永強，何浩，何志軍，等.汽車車燈起霧-進水驗證方法綜述［J］.研究與開發，2013（9）：72-75.

［5］ 梁峰.LED前霧燈設計研究［D］.南京：南京理工大學，2013：3-10.

［6］ 江健.一款汽車用組合前霧燈的開發［J］.中國高新技術企業，2016（4）：1-2.

［7］ 劉振興，季旭.路虎發現神行運動版L550后刮水系統解析及故障排除［J］.汽車電器，2017（2）：27-28.

［8］ 李均，孫林.新型汽車燈具防霧設計及應用［J］.江西科學，2011，29（2）：1-3.

［9］ 范重言，孫華，馬雨廷，等.基于RBF神經網絡的汽車玻璃防霧系統的研究［J］.機械管理開發，2012（4）：36-38.

［10］ 施大威.倒車影像顯示系統可靠性分析［J］.汽車電器，2017（2）：44-45.

Design and Application of Vehicle LED Lamp Anti-fog Device

LIANG Hai-zhi， LIU Dong-jing， LU Han， QIN You-ying
（Electric Mechanical Engineering School， Guilin University of Electric Technology， Guilin 541004， China）

With advantages of energy conservation and environmental protection， LED is considered as the fourth generation of lighting products and gradually applied in the field of automotive lighting. However， the fog on LED lamps becomes a common issue， which affects the light and the service life of lamps. This is a serious threat to travel security.Therefore， the apparatus is put forward in this paper， which includes the humidity sensor， heating plate and nano coating device. This design can reduce moisture inside the lamp as much as possible to ensure lamps service life. The apparatus can prevent mist going into LED lamps and lanterns， which contributes to the development of automobile industry in our country.

LED car lights； sensor； heater； nano-coating； double anti-fog design

U463.65

A

1003-8639（2017）12-0048-02

2017-05-23；

2017-06-19

2016年廣西高校大學生創新創業項目（201610595093）

劉東靜（1986-），女，河南周口人，講師，博士，從事汽車電子可靠性研究工作。

（編輯 楊 景）