基于傳感器技術(shù)的汽車擋風(fēng)玻璃防霧系統(tǒng)研究

　　擋風(fēng)玻璃防霧的重要性

　　隨著我國經(jīng)濟(jì)這幾年來的迅速發(fā)展，一架汽車，對于我們老百姓來說，再也不是一件可望而不可求的事情了，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年我國汽車的銷售量已經(jīng)突破870萬輛，但是在我國汽車工業(yè)高速發(fā)展，給人們帶來方便和歡樂的同時(shí)，隱患也隨之而來。2007年我國共發(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)超過了西方發(fā)達(dá)國家的平均水平，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)的車都具備了“除霧檔”按鈕，對于客戶來說，直接使用這個(gè)除霧檔來除霧看起來似乎是一件很簡單的事情，但是事實(shí)上很多駕駛者們根本不清楚汽車什么時(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，來不急去啟動(dòng)除霧的功能，又或者當(dāng)汽車不需要除霧的時(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)不單單是對車廂里面人的生命有了一個(gè)保障，而且節(jié)省了汽車能源的消耗，在節(jié)省油耗方面起到了不可磨滅的作用。

　　過去的一段時(shí)間里面，各國的學(xué)者和組織都有對擋風(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。美國的教授J.D提出解決“擋風(fēng)玻璃起霧”問題是判定現(xiàn)代汽車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“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)控制以及汽車車輪的無線監(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，很多新型的汽車已經(jīng)開始完成了研發(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等車型，都已經(jīng)開始使用這種成熟的基于傳感器技術(shù)的汽車擋風(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，相對濕度和露點(diǎn)的概念說起，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量卻無直接關(guān)系，當(dāng)達(dá)到了100% 相對濕度的時(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，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)檐噹锩婵諝庵袧穸鹊脑黾?，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廂內(nèi)的露點(diǎn)溫度，使擋風(fēng)玻璃起霧。

　　2、在車子發(fā)動(dòng)后，因?yàn)檐噹麅?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)入車廂等等原因增加了車廂里面的相對濕度，從而使車廂內(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、在周圍氣溫比較高的環(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廂內(nèi)的露點(diǎn)溫度，使擋風(fēng)玻璃起霧。

　　4、在車廂里面乘客因?yàn)楹粑仍虍a(chǎn)生穩(wěn)定水蒸氣的過程中，汽車駛進(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，空氣中的相對濕度相當(dāng)?shù)母撸管噹锩娴穆饵c(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)測霧氣系統(tǒng)的比較[5] 以及Kelly 和 Sangwan 描述的關(guān)于通過比較玻璃的溫度和露點(diǎn)的溫度來計(jì)算出起霧系數(shù)的方法[6]，以上的研究都說明了在自動(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廂里面空氣中露點(diǎn)的溫度，所以我們測量和計(jì)算的兩大參數(shù)量就是擋風(fēng)玻璃的溫度和車廂里露點(diǎn)的溫度。

　　總體說來， 自動(dòng)防霧系統(tǒng)包括了三大部分，包括參數(shù)測量輸入，參數(shù)計(jì)算分析和除霧控制。

　　參數(shù)測量輸入

　　為了分析起霧的條件，有三個(gè)參數(shù)量是需要測量的，一個(gè)是檔風(fēng)玻璃的溫度，還有車廂里面同一點(diǎn)的相對濕度和溫度用于計(jì)算車廂里面露點(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量檔風(fēng)玻璃的溫度傳感器以及可以測量車廂內(nèi)同一點(diǎn)的溫度和濕度傳感器，通過這些傳感器，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：傳感器模塊測量示意圖

　　參數(shù)計(jì)算分析

　　收集到測量回來的擋風(fēng)玻璃的溫度，車廂里同一點(diǎn)相對濕度和溫度的數(shù)據(jù)后，空調(diào)中央控制器會(huì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和比較，首先是把車廂里同一點(diǎn)相對濕度和溫度的數(shù)據(jù)通過一系列公式計(jì)算出車廂內(nèi)露點(diǎn)的溫度。然后通過比較露點(diǎn)的溫度和擋風(fēng)玻璃的溫度來判定擋風(fēng)玻璃是否起霧。我們用Td來表示露點(diǎn)的溫度，Tws來表示擋風(fēng)玻璃的溫度。Δ 來表示安全系數(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，我們在使用智能自動(dòng)除霧系統(tǒng)的時(shí)候， 因?yàn)閯傞_始的時(shí)候(時(shí)間1~2分鐘的時(shí)候)，車廂的擋風(fēng)玻璃溫度偏低，而且車廂里面由于幾個(gè)人的呼吸，使車廂里面的相對濕度不斷的升高，從而車廂里面的露點(diǎn)溫度也相對升高，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，擋風(fēng)玻璃上面逐漸開始有霧的出現(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)越來越多，完全擋住了開車人士的視野，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)打開我們的除霧系統(tǒng)，當(dāng)自動(dòng)打開除霧系統(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，檔風(fēng)玻璃的溫度開始升高，而且車廂里面的露點(diǎn)溫度逐漸從上升轉(zhuǎn)向了下降，并且越來越遠(yuǎn)離擋風(fēng)玻璃的溫度，這時(shí)候車廂擋風(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，開始除霧，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

　　除霧系統(tǒng)

　　在空調(diào)MCU系統(tǒng)判測到需要進(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)車廂內(nèi)的相對濕度很高的時(shí)候，保持良好的通風(fēng)，使車外干燥的空氣和車廂內(nèi)潮濕的空氣進(jìn)行交換，降低車廂內(nèi)的相對濕度從而降低的車廂內(nèi)的露點(diǎn)的溫度。

　　2、直接對車廂擋風(fēng)玻璃開始加熱，如圖3所示，使車廂擋風(fēng)玻璃的溫度升高，并高過車廂內(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)玻璃面前的相對濕度。

圖3：除霧控制示意圖

　　3、打開車內(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，使車廂的相對濕度迅速降低，此時(shí)車廂內(nèi)的露點(diǎn)溫度就會(huì)降低，低過車廂擋風(fēng)玻璃的溫度。

　　自動(dòng)防霧系統(tǒng)和探測霧系統(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?？?，探測霧系統(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)對油耗所起的貢獻(xiàn)

　　自去年以來，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)境問題日益突出，節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境已成為世界各國共同面臨的重大挑戰(zhàn)，目前我國平均油耗比發(fā)達(dá)國家高50%?，F(xiàn)在我國的平均油耗是10至15升，而發(fā)達(dá)國家是5至10升。所以怎樣盡一切的方法來提高效率，是當(dāng)今現(xiàn)代汽車迫不及待的問題。

　　在歐洲，當(dāng)溫度小于12度，車廂內(nèi)相對濕度大于80%的時(shí)候，汽車的空調(diào)系統(tǒng)就應(yīng)該開始除霧，通過統(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，列如一般汽車空調(diào)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率8-10千瓦，汽車的發(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，大大提高了汽車的功能，節(jié)約了能源的浪費(fèi)和消耗。

　　結(jié)論

　　通過測量車廂擋風(fēng)玻璃溫度和車廂內(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空調(diào)系統(tǒng)和駕駛者，并控制除霧系統(tǒng)開始自動(dòng)除霧，使車廂里的乘客避免了處于危險(xiǎn)的環(huán)境中，并當(dāng)車廂里面在一個(gè)不會(huì)起霧的環(huán)境下自動(dòng)關(guān)閉除霧系統(tǒng)，大大提高了汽車空調(diào)系統(tǒng)的使用效率，節(jié)約了能源的消耗。

　　參考文獻(xiàn)

　　1、JD. Power 初步汽車品質(zhì)研究，2002
　　2、 Allison 高級汽車特征研究， 2002
　　3、New Climate Control Systems，October，2006
　　4、CHUEY, Mark, D, 濕氣傳感器和擋風(fēng)玻璃霧水的測量， 2004
　　5、Wang, Thomas, Karma， 自動(dòng)擋風(fēng)玻璃防霧系統(tǒng)， 2004
　　6、Kelly, SangWan， 空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)防霧方法， 一月， 2003。
　　7、Eismann, Cedric， 防霧系統(tǒng)研究， 2007