摘要：通過(guò)描述汽車(chē)擋風(fēng)玻璃起霧的危害引出國(guó)際上最先進(jìn)的基于傳感器技術(shù)的汽車(chē)智能防霧系統(tǒng)概念，介紹外國(guó)領(lǐng)先的”露點(diǎn)和濕度測(cè)量”的全自動(dòng)智能防霧理論， 從擋風(fēng)玻璃起霧原因的探索到具體智能防霧系統(tǒng)理論的分析， 并對(duì)智能防霧系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)省油所起到貢獻(xiàn)的研究。
擋風(fēng)玻璃防霧的重要性
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)這幾年來(lái)的迅速發(fā)展，一架汽車(chē)，對(duì)于我們老百姓來(lái)說(shuō)， 再也不是一件可望而不可求的事情了，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年我國(guó)汽車(chē)的銷(xiāo)售量已經(jīng)突破870萬(wàn)輛，但是在我國(guó)汽車(chē)工業(yè)高速發(fā)展，給人們帶來(lái)方便和歡樂(lè)的同時(shí)，隱患也隨之而來(lái)。2007年我國(guó)共發(fā)生道路交通事故327209起，造成81649人死亡，380442人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失12億元，這樣的道路事故發(fā)生率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了西方發(fā)達(dá)國(guó)家的平均水平，而在上面的道路事故發(fā)生的起因中，有相當(dāng)一部分事故的發(fā)生是因?yàn)樵诙欤蛘呦掠晏斓臅r(shí)候，由于擋風(fēng)玻璃出現(xiàn)霧氣造成司機(jī)視線模糊不清，從而引發(fā)了道路事故的發(fā)生。
當(dāng)今，有很多型號(hào)的車(chē)都具備了“除霧檔”按鈕，對(duì)于客戶來(lái)說(shuō)，直接使用這個(gè)除霧檔來(lái)除霧看起來(lái)似乎是一件很簡(jiǎn)單的事情，但是事實(shí)上很多駕駛者們根本不清楚汽車(chē)什么時(shí)候起霧，需要去除霧，而什么時(shí)候又不需要去除霧而可以關(guān)閉除霧擋的按鈕，往往客戶們會(huì)在不適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，來(lái)不急去啟動(dòng)除霧的功能，又或者當(dāng)汽車(chē)不需要除霧的時(shí)候，駕駛者們還繼續(xù)啟動(dòng)著除霧的這個(gè)功能，運(yùn)行著汽車(chē)的HVAC系統(tǒng)進(jìn)行除霧，大大浪費(fèi)了能源的消耗，這時(shí)候正需要一個(gè)智能自動(dòng)除霧的系統(tǒng)來(lái)幫助大家確定除霧的必要性和時(shí)間，自動(dòng)除霧系統(tǒng)不單單是對(duì)車(chē)廂里面人的生命有了一個(gè)保障，而且節(jié)省了汽車(chē)能源的消耗，在節(jié)省油耗方面起到了不可磨滅的作用。
過(guò)去的一段時(shí)間里面，各國(guó)的學(xué)者和組織都有對(duì)擋風(fēng)玻璃防霧做了一定的研究， 擋風(fēng)玻璃起霧是一個(gè)經(jīng)常容易出現(xiàn)的現(xiàn)象。美國(guó)的教授J.D提出解決“擋風(fēng)玻璃起霧”問(wèn)題是判定現(xiàn)代汽車(chē)HVAC 系統(tǒng)品質(zhì)的第二大判斷標(biāo)準(zhǔn)。[1]
2003年，學(xué)者Allison 研究，消費(fèi)者對(duì)“智能自動(dòng)防霧系統(tǒng)”相當(dāng)?shù)母信d趣，并且調(diào)查顯示，大部分的消費(fèi)者在防霧系統(tǒng)所需要增加$75的相應(yīng)成本都表示可以接受，智能自動(dòng)防霧系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制以及汽車(chē)車(chē)輪的無(wú)線監(jiān)控成為了當(dāng)今消費(fèi)者最感興趣的三大課題。[2]
現(xiàn)今，很多新型的汽車(chē)已經(jīng)開(kāi)始完成了研發(fā)和應(yīng)用了這種新的HVAC 防霧的控制技術(shù)，比如2007 Acura MDX；VolvoS80；Audi A8, S8, BMW3, 5, 6等車(chē)型，都已經(jīng)開(kāi)始使用這種成熟的基于傳感器技術(shù)的汽車(chē)擋風(fēng)玻璃防霧系統(tǒng)。[3]
擋風(fēng)玻璃形成霧的原因分析
在解釋擋風(fēng)玻璃起霧的成因之前，我們先從空氣中的水蒸汽，相對(duì)濕度和露點(diǎn)的概念說(shuō)起，畢竟，這是檔風(fēng)玻璃起霧形成的最基本的原因。
在一個(gè)給定的溫度環(huán)境下，空氣所能承受的水蒸汽的壓力是一定的，越高的溫度， 大氣能承受水蒸汽的壓力就越大，水汽就越不容易達(dá)到飽和氣壓，相反，越低的溫度，水汽就越容易達(dá)到飽和，越容易形成露水。
相對(duì)濕度是指空氣中實(shí)際所含水蒸汽密度和同溫度下飽和水蒸汽密度的百分比值，空氣的相對(duì)濕度程度和空氣中所含有的水汽量接近飽和的程度有關(guān)，而和空氣中含有水汽的絕對(duì)量卻無(wú)直接關(guān)系，當(dāng)達(dá)到了100% 相對(duì)濕度的時(shí)候，我們稱之為達(dá)到了飽和，如果再增加水份進(jìn)去，空氣就會(huì)超飽和，從而形成水滴。
露點(diǎn)溫度是指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時(shí)的溫度。形象地說(shuō)，就是空氣中的水蒸氣變?yōu)槁吨闀r(shí)候的溫度叫露點(diǎn)溫度。
因此，大氣中的水份當(dāng)達(dá)到了飽和狀態(tài)后，在空氣中附在塵土上面就形成水滴或者霧氣，附在清晨的草和植物上面就形成了露水，附在玻璃上面就形成了所謂的霧，這都是因?yàn)榭諝庵械穆饵c(diǎn)溫度很高，空氣中的濕度遇到了冰冷的固體后形成了飽和狀態(tài)。
擋風(fēng)玻璃上面形成霧的最主要原因是擋風(fēng)玻璃的溫度下降并低于了車(chē)廂里面空氣中露點(diǎn)的溫度。此現(xiàn)象的產(chǎn)生一方面可以是因?yàn)檐?chē)廂里面空氣中濕度的增加，從而增加了露點(diǎn)的溫度，也可以是因?yàn)閾躏L(fēng)玻璃溫度的持續(xù)下降而使擋風(fēng)玻璃起霧的。下面舉例分析一下?lián)躏L(fēng)玻璃起霧的成因:
1、在清晨的時(shí)候，車(chē)廂內(nèi)有部分的濕氣，并且在外部溫度相當(dāng)?shù)偷那闆r下， 擋風(fēng)玻璃的溫度低于了車(chē)廂內(nèi)的露點(diǎn)溫度，使擋風(fēng)玻璃起霧。
2、在車(chē)子發(fā)動(dòng)后，因?yàn)檐?chē)廂內(nèi)的乘客的呼吸，流汗，又或者乘客剛洗浴完，從雨里或者雪里面進(jìn)入車(chē)廂等等原因增加了車(chē)廂里面的相對(duì)濕度，從而使車(chē)廂內(nèi)的露點(diǎn)溫度增加，高于了擋風(fēng)玻璃的溫度，使擋風(fēng)玻璃起霧。
3、在周?chē)鷼鉁乇容^高的環(huán)境下，突然天空下起了大雨，從而降低了擋風(fēng)玻璃的溫度，從而擋風(fēng)玻璃的溫度低于了車(chē)廂內(nèi)的露點(diǎn)溫度，使擋風(fēng)玻璃起霧。
4、在車(chē)廂里面乘客因?yàn)楹粑仍虍a(chǎn)生穩(wěn)定水蒸氣的過(guò)程中，汽車(chē)駛進(jìn)了一個(gè)寒冷的山洞環(huán)境下，擋風(fēng)玻璃的溫度降低，低于了車(chē)廂內(nèi)的露點(diǎn)溫度，使擋風(fēng)玻璃起霧。
5、在亞熱帶或者高濕的環(huán)境下，空氣中的相對(duì)濕度相當(dāng)?shù)母撸管?chē)廂里面的露點(diǎn)溫度很高，高于了擋風(fēng)玻璃的溫度，使擋風(fēng)玻璃起霧。
在過(guò)去，有很多關(guān)于擋風(fēng)玻璃防霧的研究，包括自動(dòng)監(jiān)測(cè)擋風(fēng)玻璃的霧氣[4]; 智能自動(dòng)防霧系統(tǒng)和紅外線監(jiān)測(cè)霧氣系統(tǒng)的比較[5] 以及Kelly 和 Sangwan 描述的關(guān)于通過(guò)比較玻璃的溫度和露點(diǎn)的溫度來(lái)計(jì)算出起霧系數(shù)的方法[6]，以上的研究都說(shuō)明了在自動(dòng)防霧方面大家所做出的努力以及防霧的重要性和實(shí)用性。
自動(dòng)防霧系統(tǒng)
前面提到了擋風(fēng)玻璃上面形成霧的最主要原因是擋風(fēng)玻璃的溫度下降并低于了車(chē)廂里面空氣中露點(diǎn)的溫度，所以我們測(cè)量和計(jì)算的兩大參數(shù)量就是擋風(fēng)玻璃的溫度和車(chē)廂里露點(diǎn)的溫度。
總體說(shuō)來(lái)， 自動(dòng)防霧系統(tǒng)包括了三大部分，包括參數(shù)測(cè)量輸入，參數(shù)計(jì)算分析和除霧控制。
參數(shù)測(cè)量輸入
為了分析起霧的條件，有三個(gè)參數(shù)量是需要測(cè)量的，一個(gè)是檔風(fēng)玻璃的溫度，還有車(chē)廂里面同一點(diǎn)的相對(duì)濕度和溫度用于計(jì)算車(chē)廂里面露點(diǎn)的溫度，現(xiàn)已有些成熟的傳感器模塊，緊貼在檔風(fēng)玻璃上面(圖1)，[7]模塊里面就包含了可以測(cè)量檔風(fēng)玻璃的溫度傳感器以及可以測(cè)量車(chē)廂內(nèi)同一點(diǎn)的溫度和濕度傳感器，通過(guò)這些傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控了引起起霧發(fā)生的這三大物理量，從而傳送給空調(diào)MCU系統(tǒng)進(jìn)行分析和計(jì)算。
圖1：傳感器模塊測(cè)量示意圖
參數(shù)計(jì)算分析
收集到測(cè)量回來(lái)的擋風(fēng)玻璃的溫度，車(chē)廂里同一點(diǎn)相對(duì)濕度和溫度的數(shù)據(jù)后，空調(diào)中央控制器會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和比較，首先是把車(chē)廂里同一點(diǎn)相對(duì)濕度和溫度的數(shù)據(jù)通過(guò)一系列公式計(jì)算出車(chē)廂內(nèi)露點(diǎn)的溫度。然后通過(guò)比較露點(diǎn)的溫度和擋風(fēng)玻璃的溫度來(lái)判定擋風(fēng)玻璃是否起霧。我們用Td來(lái)表示露點(diǎn)的溫度，Tws來(lái)表示擋風(fēng)玻璃的溫度。Δ 來(lái)表示安全系數(shù)
判斷：
Td+ΔTd+Δ=>Tws 擋風(fēng)玻璃有可能起霧(處于高危起霧區(qū)，除霧控制開(kāi)始除霧)
圖2：露點(diǎn)溫度與擋風(fēng)玻璃溫度關(guān)系分析
從圖2實(shí)驗(yàn)中可以看出，我們?cè)谑褂弥悄茏詣?dòng)除霧系統(tǒng)的時(shí)候， 因?yàn)閯傞_(kāi)始的時(shí)候(時(shí)間1~2分鐘的時(shí)候)，車(chē)廂的擋風(fēng)玻璃溫度偏低， 而且車(chē)廂里面由于幾個(gè)人的呼吸，使車(chē)廂里面的相對(duì)濕度不斷的升高，從而車(chē)廂里面的露點(diǎn)溫度也相對(duì)升高，當(dāng)露點(diǎn)溫度慢慢接近擋風(fēng)玻璃的溫度的時(shí)候。我們可以看見(jiàn)，擋風(fēng)玻璃上面逐漸開(kāi)始有霧的出現(xiàn)，這時(shí)候，如果我們不采取任何措施，擋風(fēng)玻璃上面的霧會(huì)越來(lái)越多，完全擋住了開(kāi)車(chē)人士的視野，在道路運(yùn)行中是相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)的。這時(shí)候我們就要自動(dòng)打開(kāi)我們的除霧系統(tǒng)，當(dāng)自動(dòng)打開(kāi)除霧系統(tǒng)后，從圖2中時(shí)間3~5分鐘的時(shí)間段里面我們可以看見(jiàn)，檔風(fēng)玻璃的溫度開(kāi)始升高，而且車(chē)廂里面的露點(diǎn)溫度逐漸從上升轉(zhuǎn)向了下降，并且越來(lái)越遠(yuǎn)離擋風(fēng)玻璃的溫度，這時(shí)候車(chē)廂擋風(fēng)玻璃上面的霧也就會(huì)迅速的消失。
由于我們要在擋風(fēng)玻璃起霧之前提前運(yùn)作我們的除霧系統(tǒng)，所以我們會(huì)設(shè)定一個(gè)安全系數(shù)Δ，當(dāng)露點(diǎn)溫度接近擋風(fēng)玻璃的溫度的時(shí)候，也就是當(dāng)Td+Δ=>Tws擋風(fēng)玻璃處于高危起霧區(qū)，所以這時(shí)候就要把除霧控制系統(tǒng)打開(kāi)，開(kāi)始除霧，當(dāng)露點(diǎn)溫度與擋風(fēng)玻璃的溫度差距到一定的數(shù)值時(shí)候，也就是當(dāng)Td+Δ< Tws，圖2中時(shí)間6~8分鐘的時(shí)間段里面的時(shí)候，系統(tǒng)就可以判斷車(chē)廂處于一個(gè)低危起霧區(qū)，除霧系統(tǒng)可以關(guān)閉，這樣就可以通過(guò)測(cè)量來(lái)實(shí)時(shí)控制除霧系統(tǒng)起到智能除霧的效用，而且擋風(fēng)玻璃不會(huì)出現(xiàn)任何霧氣，自動(dòng)除霧系統(tǒng)可以更有效率的除霧，從而節(jié)省的能源的消耗。
除霧系統(tǒng)
在空調(diào)MCU系統(tǒng)判測(cè)到需要進(jìn)行除霧了后，通常有下面幾大方法除去擋風(fēng)玻璃上面出現(xiàn)的霧氣。
1、當(dāng)車(chē)廂內(nèi)的相對(duì)濕度很高的時(shí)候，保持良好的通風(fēng)，使車(chē)外干燥的空氣和車(chē)廂內(nèi)潮濕的空氣進(jìn)行交換，降低車(chē)廂內(nèi)的相對(duì)濕度從而降低的車(chē)廂內(nèi)的露點(diǎn)的溫度。
2、直接對(duì)車(chē)廂擋風(fēng)玻璃開(kāi)始加熱，如圖3所示，使車(chē)廂擋風(fēng)玻璃的溫度升高，并高過(guò)車(chē)廂內(nèi)露點(diǎn)的溫度，或者加速擋風(fēng)玻璃前面空氣的流動(dòng)，[7]可以適當(dāng)?shù)脑黾訐躏L(fēng)玻璃的溫度和擋風(fēng)玻璃面前空氣的交換。從而降低檔風(fēng)玻璃面前的相對(duì)濕度。
圖3：除霧控制示意圖
3、打開(kāi)車(chē)內(nèi)的HVAC空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置成為外循環(huán)，壓縮機(jī)會(huì)打開(kāi)，使車(chē)廂的相對(duì)濕度迅速降低，此時(shí)車(chē)廂內(nèi)的露點(diǎn)溫度就會(huì)降低，低過(guò)車(chē)廂擋風(fēng)玻璃的溫度。
自動(dòng)防霧系統(tǒng)和探測(cè)霧系統(tǒng)的比較
自動(dòng)防霧系統(tǒng)需要的是一個(gè)集合濕度和溫度傳感器的模快，探測(cè)霧系統(tǒng)主要是由一個(gè)紅外線傳感器組成。
表1：自動(dòng)防霧系統(tǒng)與探霧系統(tǒng)比較
自動(dòng)防霧系統(tǒng)對(duì)油耗所起的貢獻(xiàn)
自去年以來(lái)，油價(jià)不斷飆升，隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源和環(huán)境問(wèn)題日益突出，節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境已成為世界各國(guó)共同面臨的重大挑戰(zhàn)，目前我國(guó)平均油耗比發(fā)達(dá)國(guó)家高50%。現(xiàn)在我國(guó)的平均油耗是10至15升，而發(fā)達(dá)國(guó)家是5至10升。所以怎樣盡一切的方法來(lái)提高效率，是當(dāng)今現(xiàn)代汽車(chē)迫不及待的問(wèn)題。
在歐洲，當(dāng)溫度小于12度，車(chē)廂內(nèi)相對(duì)濕度大于80%的時(shí)候，汽車(chē)的空調(diào)系統(tǒng)就應(yīng)該開(kāi)始除霧，通過(guò)統(tǒng)計(jì)，每年有上億噸的燃油使用在了空調(diào)除霧上面。舉個(gè)例子，列如一般汽車(chē)空調(diào)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率8-10千瓦，汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)100千瓦，時(shí)速百公里消耗了10升油，那么空調(diào)就耗油了差不多1升，如果我們可以有效的利用空調(diào)的除霧系統(tǒng)，每有效利用一個(gè)小時(shí)，我們就可以節(jié)省1升的油。
所以，一個(gè)自動(dòng)防霧系統(tǒng)能夠更有效率的，更充分的發(fā)揮汽車(chē)的HVAC的除霧功能，在真正有必要除霧的條件下進(jìn)行智能除霧，大大提高了汽車(chē)的功能，節(jié)約了能源的浪費(fèi)和消耗。
結(jié)論
通過(guò)測(cè)量車(chē)廂擋風(fēng)玻璃溫度和車(chē)廂內(nèi)濕度的自動(dòng)防霧系統(tǒng)，在擋風(fēng)玻璃起霧前，提前智能的通知汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)和駕駛者，并控制除霧系統(tǒng)開(kāi)始自動(dòng)除霧，使車(chē)廂里的乘客避免了處于危險(xiǎn)的環(huán)境中，并當(dāng)車(chē)廂里面在一個(gè)不會(huì)起霧的環(huán)境下自動(dòng)關(guān)閉除霧系統(tǒng)，大大提高了汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的使用效率，節(jié)約了能源的消耗。
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