基于傳感器技術的汽車擋風玻璃防霧系統研究

　　擋風玻璃防霧的重要性

　　隨著我國經濟這幾年來的迅速發展，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，根據統計，2008年我國汽車的銷售量已經突破870萬輛，但是在我國汽車工業高速發展，給人們帶來方便和歡樂的同時，隱患也隨之而來。2007年我國共發生道路交通事故327209起，造成81649人死亡，380442人受傷，直接財產損失12億元，這樣的道路事故發生率是遠遠超過了西方發達國家的平均水平，而在上面的道路事故發生的起因中，有相當一部分事故的發生是因為在冬天，或者下雨天的時候，由于擋風玻璃出現霧氣造成司機視線模糊不清，從而引發了道路事故的發生。

　　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閉除霧擋的按鈕，往往客戶們會在不適當的時候，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，駕駛者們還繼續啟動著除霧的這個功能，運行著汽車的HVAC系統進行除霧，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來幫助大家確定除霧的必要性和時間，自動除霧系統不單單是對車廂里面人的生命有了一個保障，而且節省了汽車能源的消耗，在節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常容易出現的現象。美國的教授J.D提出解決“擋風玻璃起霧”問題是判定現代汽車HVAC 系統品質的第二大判斷標準。[1]

　　2003年，學者Allison 研究，消費者對“智能自動防霧系統”相當的感興趣，并且調查顯示，大部分的消費者在防霧系統所需要增加$75的相應成本都表示可以接受，智能自動防霧系統和發動機控制以及汽車車輪的無線監控成為了當今消費者最感興趣的三大課題。[2]

　　現今，很多新型的汽車已經開始完成了研發和應用了這種新的HVAC 防霧的控制技術，比如2007 Acura MDX；VolvoS80；Audi A8, S8, BMW3, 5, 6等車型，都已經開始使用這種成熟的基于傳感器技術的汽車擋風玻璃防霧系統。[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，而和空氣中含有水汽的絕對量卻無直接關系，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為露珠時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。

　　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。此現象的產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下降而使擋風玻璃起霧的。下面舉例分析一下擋風玻璃起霧的成因:

　　1、在清晨的時候，車廂內有部分的濕氣，并且在外部溫度相當低的情況下， 擋風玻璃的溫度低于了車廂內的露點溫度，使擋風玻璃起霧。

　　2、在車子發動后，因為車廂內的乘客的呼吸，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生穩定水蒸氣的過程中，汽車駛進了一個寒冷的山洞環境下，擋風玻璃的溫度降低，低于了車廂內的露點溫度，使擋風玻璃起霧。

　　5、在亞熱帶或者高濕的環境下，空氣中的相對濕度相當的高，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，有很多關于擋風玻璃防霧的研究，包括自動監測擋風玻璃的霧氣[4]; 智能自動防霧系統和紅外線監測霧氣系統的比較[5] 以及Kelly 和 Sangwan 描述的關于通過比較玻璃的溫度和露點的溫度來計算出起霧系數的方法[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

　　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， 自動防霧系統包括了三大部分，包括參數測量輸入，參數計算分析和除霧控制。

　　參數測量輸入

　　為了分析起霧的條件，有三個參數量是需要測量的，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同一點的溫度和濕度傳感器，通過這些傳感器，實時監控了引起起霧發生的這三大物理量，從而傳送給空調MCU系統進行分析和計算。

圖1：傳感器模塊測量示意圖

　　參數計算分析

　　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據后，空調中央控制器會對數據進行分析和比較，首先是把車廂里同一點相對濕度和溫度的數據通過一系列公式計算出車廂內露點的溫度。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。

　　判斷：

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

圖2：露點溫度與擋風玻璃溫度關系分析

　　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，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的危險的。這時候我們就要自動打開我們的除霧系統，當自動打開除霧系統后，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，所以我們會設定一個安全系數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，所以這時候就要把除霧控制系統打開，開始除霧，當露點溫度與擋風玻璃的溫度差距到一定的數值時候，也就是當Td+Δ

　　除霧系統

　　在空調MCU系統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的霧氣。

　　1、當車廂內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潮濕的空氣進行交換，降低車廂內的相對濕度從而降低的車廂內的露點的溫度。

　　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]可以適當的增加擋風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、打開車內的HVAC空調系統，空調系統設置成為外循環，壓縮機會打開，使車廂的相對濕度迅速降低，此時車廂內的露點溫度就會降低，低過車廂擋風玻璃的溫度。

　　自動防霧系統和探測霧系統的比較

　　自動防霧系統需要的是一個集合濕度和溫度傳感器的模快，探測霧系統主要是由一個紅外線傳感器組成。

　　表1：自動防霧系統與探霧系統比較

　　自動防霧系統對油耗所起的貢獻

　　自去年以來，油價不斷飆升，隨著全球經濟的高速發展，能源和環境問題日益突出，節約能源、保護環境已成為世界各國共同面臨的重大挑戰，目前我國平均油耗比發達國家高50%。現在我國的平均油耗是10至15升，而發達國家是5至10升。所以怎樣盡一切的方法來提高效率，是當今現代汽車迫不及待的問題。

　　在歐洲，當溫度小于12度，車廂內相對濕度大于80%的時候，汽車的空調系統就應該開始除霧，通過統計，每年有上億噸的燃油使用在了空調除霧上面。舉個例子，列如一般汽車空調的發動機功率8-10千瓦，汽車的發動機100千瓦，時速百公里消耗了10升油，那么空調就耗油了差不多1升，如果我們可以有效的利用空調的除霧系統，每有效利用一個小時，我們就可以節省1升的油。

　　所以，一個自動防霧系統能夠更有效率的，更充分的發揮汽車的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，節約了能源的浪費和消耗。

　　結論

　　通過測量車廂擋風玻璃溫度和車廂內濕度的自動防霧系統，在擋風玻璃起霧前，提前智能的通知汽車空調系統和駕駛者，并控制除霧系統開始自動除霧，使車廂里的乘客避免了處于危險的環境中，并當車廂里面在一個不會起霧的環境下自動關閉除霧系統，大大提高了汽車空調系統的使用效率，節約了能源的消耗。

　　參考文獻

　　1、JD. Power 初步汽車品質研究，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， 2004
　　6、Kelly, SangWan， 空調系統自動防霧方法， 一月， 2003。
　　7、Eismann, Cedric， 防霧系統研究， 2007