基于傳感器技術(shù)的汽車擋風玻璃防霧系統(tǒng)研究

　　擋風玻璃防霧的重要性

　　隨著我國經(jīng)濟這幾年來的迅速發(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，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，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，直接財產(chǎn)損失12億元，這樣的道路事故發(fā)生率是遠遠超過了西方發(fā)達國家的平均水平，而在上面的道路事故發(fā)生的起因中，有相當一部分事故的發(fā)生是因為在冬天，或者下雨天的時候，由于擋風玻璃出現(xiàn)霧氣造成司機視線模糊不清，從而引發(fā)了道路事故的發(fā)生。

　　當今，有很多型號的車都具備了“除霧檔”按鈕，對于客戶來說，直接使用這個除霧檔來除霧看起來似乎是一件很簡單的事情，但是事實上很多駕駛者們根本不清楚汽車什么時候起霧，需要去除霧，而什么時候又不需要去除霧而可以關(guān)閉除霧擋的按鈕，往往客戶們會在不適當?shù)臅r候，來不急去啟動除霧的功能，又或者當汽車不需要除霧的時候，駕駛者們還繼續(xù)啟動著除霧的這個功能，運行著汽車的HVAC系統(tǒng)進行除霧，大大浪費了能源的消耗，這時候正需要一個智能自動除霧的系統(tǒng)來幫助大家確定除霧的必要性和時間，自動除霧系統(tǒng)不單單是對車廂里面人的生命有了一個保障，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。

　　過去的一段時間里面，各國的學(xué)者和組織都有對擋風玻璃防霧做了一定的研究，擋風玻璃起霧是一個經(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)的第二大判斷標準。[1]

　　2003年，學(xué)者Allison 研究，消費者對“智能自動防霧系統(tǒng)”相當?shù)母信d趣，并且調(diào)查顯示，大部分的消費者在防霧系統(tǒng)所需要增加$75的相應(yīng)成本都表示可以接受，智能自動防霧系統(tǒng)和發(fā)動機控制以及汽車車輪的無線監(jiān)控成為了當今消費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)的汽車擋風玻璃防霧系統(tǒng)。[3]

　　擋風玻璃形成霧的原因分析

　　在解釋擋風玻璃起霧的成因之前，我們先從空氣中的水蒸汽，相對濕度和露點的概念說起，畢竟，這是檔風玻璃起霧形成的最基本的原因。

　　在一個給定的溫度環(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，水汽就越不容易達到飽和氣壓，相反，越低的溫度，水汽就越容易達到飽和，越容易形成露水。

　　相對濕度是指空氣中實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，當達到了100% 相對濕度的時候，我們稱之為達到了飽和，如果再增加水份進去，空氣就會超飽和，從而形成水滴。

　　露點溫度是指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時的溫度。形象地說，就是空氣中的水蒸氣變?yōu)槁吨闀r候的溫度叫露點溫度。

　　因此，大氣中的水份當達到了飽和狀態(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，這都是因為空氣中的露點溫度很高，空氣中的濕度遇到了冰冷的固體后形成了飽和狀態(tài)。

　　擋風玻璃上面形成霧的最主要原因是擋風玻璃的溫度下降并低于了車廂里面空氣中露點的溫度。此現(xiàn)象的產(chǎn)生一方面可以是因為車廂里面空氣中濕度的增加，從而增加了露點的溫度，也可以是因為擋風玻璃溫度的持續(xù)下降而使擋風玻璃起霧的。下面舉例分析一下?lián)躏L玻璃起霧的成因:

　　1、在清晨的時候，車廂內(nèi)有部分的濕氣，并且在外部溫度相當?shù)偷那闆r下， 擋風玻璃的溫度低于了車廂內(nèi)的露點溫度，使擋風玻璃起霧。

　　2、在車子發(fā)動后，因為車廂內(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)的露點溫度增加，高于了擋風玻璃的溫度，使擋風玻璃起霧。

　　3、在周圍氣溫比較高的環(huán)境下，突然天空下起了大雨，從而降低了擋風玻璃的溫度，從而擋風玻璃的溫度低于了車廂內(nèi)的露點溫度，使擋風玻璃起霧。

　　4、在車廂里面乘客因為呼吸等原因產(chǎn)生穩(wěn)定水蒸氣的過程中，汽車駛進了一個寒冷的山洞環(huán)境下，擋風玻璃的溫度降低，低于了車廂內(nèi)的露點溫度，使擋風玻璃起霧。

　　5、在亞熱帶或者高濕的環(huán)境下，空氣中的相對濕度相當?shù)母?，使車廂里面的露點溫度很高，高于了擋風玻璃的溫度，使擋風玻璃起霧。

　　在過去，有很多關(guān)于擋風玻璃防霧的研究，包括自動監(jiān)測擋風玻璃的霧氣[4]; 智能自動防霧系統(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的溫度來計算出起霧系數(shù)的方法[6]，以上的研究都說明了在自動防霧方面大家所做出的努力以及防霧的重要性和實用性。

　　自動防霧系統(tǒng)

　　前面提到了擋風玻璃上面形成霧的最主要原因是擋風玻璃的溫度下降并低于了車廂里面空氣中露點的溫度，所以我們測量和計算的兩大參數(shù)量就是擋風玻璃的溫度和車廂里露點的溫度。

　　總體說來， 自動防霧系統(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，有三個參數(shù)量是需要測量的，一個是檔風玻璃的溫度，還有車廂里面同一點的相對濕度和溫度用于計算車廂里面露點的溫度，現(xiàn)已有些成熟的傳感器模塊，緊貼在檔風玻璃上面(圖1)，[7]模塊里面就包含了可以測量檔風玻璃的溫度傳感器以及可以測量車廂內(nèi)同一點的溫度和濕度傳感器，通過這些傳感器，實時監(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)進行分析和計算。

圖1：傳感器模塊測量示意圖

　　參數(shù)計算分析

　　收集到測量回來的擋風玻璃的溫度，車廂里同一點相對濕度和溫度的數(shù)據(jù)后，空調(diào)中央控制器會對數(shù)據(jù)進行分析和比較，首先是把車廂里同一點相對濕度和溫度的數(shù)據(jù)通過一系列公式計算出車廂內(nèi)露點的溫度。然后通過比較露點的溫度和擋風玻璃的溫度來判定擋風玻璃是否起霧。我們用Td來表示露點的溫度，Tws來表示擋風玻璃的溫度。Δ 來表示安全系數(shù)。

　　判斷：

　　Td+ΔTd+Δ=>Tws 擋風玻璃有可能起霧(處于高危起霧區(qū)，除霧控制開始除霧)

圖2：露點溫度與擋風玻璃溫度關(guān)系分析

　　從圖2實驗中可以看出，我們在使用智能自動除霧系統(tǒng)的時候， 因為剛開始的時候(時間1~2分鐘的時候)，車廂的擋風玻璃溫度偏低，而且車廂里面由于幾個人的呼吸，使車廂里面的相對濕度不斷的升高，從而車廂里面的露點溫度也相對升高，當露點溫度慢慢接近擋風玻璃的溫度的時候。我們可以看見，擋風玻璃上面逐漸開始有霧的出現(xiàn)，這時候，如果我們不采取任何措施，擋風玻璃上面的霧會越來越多，完全擋住了開車人士的視野，在道路運行中是相當?shù)奈ｋU的。這時候我們就要自動打開我們的除霧系統(tǒng)，當自動打開除霧系統(tǒng)后，從圖2中時間3~5分鐘的時間段里面我們可以看見，檔風玻璃的溫度開始升高，而且車廂里面的露點溫度逐漸從上升轉(zhuǎn)向了下降，并且越來越遠離擋風玻璃的溫度，這時候車廂擋風玻璃上面的霧也就會迅速的消失。

　　由于我們要在擋風玻璃起霧之前提前運作我們的除霧系統(tǒng)，所以我們會設(shè)定一個安全系數(shù)Δ，當露點溫度接近擋風玻璃的溫度的時候，也就是當Td+Δ=>Tws擋風玻璃處于高危起霧區(qū)，所以這時候就要把除霧控制系統(tǒng)打開，開始除霧，當露點溫度與擋風玻璃的溫度差距到一定的數(shù)值時候，也就是當Td+Δ

　　除霧系統(tǒng)

　　在空調(diào)MCU系統(tǒng)判測到需要進行除霧了后，通常有下面幾大方法除去擋風玻璃上面出現(xiàn)的霧氣。

　　1、當車廂內(nèi)的相對濕度很高的時候，保持良好的通風，使車外干燥的空氣和車廂內(nèi)潮濕的空氣進行交換，降低車廂內(nèi)的相對濕度從而降低的車廂內(nèi)的露點的溫度。

　　2、直接對車廂擋風玻璃開始加熱，如圖3所示，使車廂擋風玻璃的溫度升高，并高過車廂內(nèi)露點的溫度，或者加速擋風玻璃前面空氣的流動，[7]可以適當?shù)脑黾訐躏L玻璃的溫度和擋風玻璃面前空氣的交換。從而降低檔風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)，壓縮機會打開，使車廂的相對濕度迅速降低，此時車廂內(nèi)的露點溫度就會降低，低過車廂擋風玻璃的溫度。

　　自動防霧系統(tǒng)和探測霧系統(tǒng)的比較

　　自動防霧系統(tǒng)需要的是一個集合濕度和溫度傳感器的?？欤綔y霧系統(tǒng)主要是由一個紅外線傳感器組成。

　　表1：自動防霧系統(tǒng)與探霧系統(tǒng)比較

　　自動防霧系統(tǒng)對油耗所起的貢獻

　　自去年以來，油價不斷飆升，隨著全球經(jīng)濟的高速發(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)達國家高50%?，F(xiàn)在我國的平均油耗是10至15升，而發(fā)達國家是5至10升。所以怎樣盡一切的方法來提高效率，是當今現(xiàn)代汽車迫不及待的問題。

　　在歐洲，當溫度小于12度，車廂內(nèi)相對濕度大于80%的時候，汽車的空調(diào)系統(tǒng)就應(yīng)該開始除霧，通過統(tǒng)計，每年有上億噸的燃油使用在了空調(diào)除霧上面。舉個例子，列如一般汽車空調(diào)的發(fā)動機功率8-10千瓦，汽車的發(fā)動機100千瓦，時速百公里消耗了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)，每有效利用一個小時，我們就可以節(jié)省1升的油。

　　所以，一個自動防霧系統(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行智能除霧，大大提高了汽車的功能，節(jié)約了能源的浪費和消耗。

　　結(jié)論

　　通過測量車廂擋風玻璃溫度和車廂內(nèi)濕度的自動防霧系統(tǒng)，在擋風玻璃起霧前，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)開始自動除霧，使車廂里的乘客避免了處于危險的環(huán)境中，并當車廂里面在一個不會起霧的環(huán)境下自動關(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

　　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, 濕氣傳感器和擋風玻璃霧水的測量， 2004
　　5、Wang, Thomas, Karma， 自動擋風玻璃防霧系統(tǒng)， 2004
　　6、Kelly, SangWan， 空調(diào)系統(tǒng)自動防霧方法， 一月， 2003。
　　7、Eismann, Cedric， 防霧系統(tǒng)研究， 2007