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基于传感器技术的汽车挡风玻璃防雾系统研究 |
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摘要：通过描述汽车挡风玻璃起雾的危害引出国际上最先进的基于传感器技术的汽车智能防雾系统概念，介绍外国领先的”露点和湿度测量”的全自动智能防雾理论， 从挡风玻璃起雾原因的探索到具体智能防雾系统理论的分析， 并对智能防雾系统对汽车省油所起到贡献的研究。
挡风玻璃防雾的重要性
随着我国经济这几年来的迅速发展，一架汽车，对于我们老百姓来说， 再也不是一件可望而不可求的事情了，根据统计，2008年我国汽车的销售量已经突破870万辆，但是在我国汽车工业高速发展，给人们带来方便和欢乐的同时，隐患也随之而来。2007年我国共发生道路交通事故327209起，造成81649人死亡，380442人受伤，直接财产损失12亿元，这样的道路事故发生率是远远超过了西方发达国家的平均水平，而在上面的道路事故发生的起因中，有相当一部分事故的发生是因为在冬天，或者下雨天的时候，由于挡风玻璃出现雾气造成司机视线模糊不清，从而引发了道路事故的发生。
当今，有很多型号的车都具备了“除雾档”按钮，对于客户来说，直接使用这个除雾档来除雾看起来似乎是一件很简单的事情，但是事实上很多驾驶者们根本不清楚汽车什么时候起雾，需要去除雾，而什么时候又不需要去除雾而可以关闭除雾挡的按钮，往往客户们会在不适当的时候，来不急去启动除雾的功能，又或者当汽车不需要除雾的时候，驾驶者们还继续启动着除雾的这个功能，运行着汽车的HVAC系统进行除雾，大大浪费了能源的消耗，这时候正需要一个智能自动除雾的系统来帮助大家确定除雾的必要性和时间，自动除雾系统不单单是对车厢里面人的生命有了一个保障，而且节省了汽车能源的消耗，在节省油耗方面起到了不可磨灭的作用。
过去的一段时间里面，各国的学者和组织都有对挡风玻璃防雾做了一定的研究， 挡风玻璃起雾是一个经常容易出现的现象。美国的教授J.D提出解决“挡风玻璃起雾”问题是判定现代汽车HVAC 系统品质的第二大判断标准。[1]
2003年，学者Allison 研究，消费者对“智能自动防雾系统”相当的感兴趣，并且调查显示，大部分的消费者在防雾系统所需要增加$75的相应成本都表示可以接受，智能自动防雾系统和发动机控制以及汽车车轮的无线监控成为了当今消费者最感兴趣的三大课题。[2]
现今，很多新型的汽车已经开始完成了研发和应用了这种新的HVAC 防雾的控制技术，比如2007 Acura MDX；VolvoS80；Audi A8, S8, BMW3, 5, 6等车型，都已经开始使用这种成熟的基于传感器技术的汽车挡风玻璃防雾系统。[3]
挡风玻璃形成雾的原因分析
在解释挡风玻璃起雾的成因之前，我们先从空气中的水蒸汽，相对湿度和露点的概念说起，毕竟，这是档风玻璃起雾形成的最基本的原因。
在一个给定的温度环境下，空气所能承受的水蒸汽的压力是一定的，越高的温度， 大气能承受水蒸汽的压力就越大，水汽就越不容易达到饱和气压，相反，越低的温度，水汽就越容易达到饱和，越容易形成露水。
相对湿度是指空气中实际所含水蒸汽密度和同温度下饱和水蒸汽密度的百分比值，空气的相对湿度程度和空气中所含有的水汽量接近饱和的程度有关，而和空气中含有水汽的绝对量却无直接关系，当达到了100% 相对湿度的时候，我们称之为达到了饱和，如果再增加水份进去，空气就会超饱和，从而形成水滴。
露点温度是指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。形象地说，就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。
因此，大气中的水份当达到了饱和状态后，在空气中附在尘土上面就形成水滴或者雾气，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谓的雾，这都是因为空气中的露点温度很高，空气中的湿度遇到了冰冷的固体后形成了饱和状态。
挡风玻璃上面形成雾的最主要原因是挡风玻璃的温度下降并低于了车厢里面空气中露点的温度。此现象的产生一方面可以是因为车厢里面空气中湿度的增加，从而增加了露点的温度，也可以是因为挡风玻璃温度的持续下降而使挡风玻璃起雾的。下面举例分析一下挡风玻璃起雾的成因:
1、在清晨的时候，车厢内有部分的湿气，并且在外部温度相当低的情况下， 挡风玻璃的温度低于了车厢内的露点温度，使挡风玻璃起雾。
2、在车子发动后，因为车厢内的乘客的呼吸，流汗，又或者乘客刚洗浴完，从雨里或者雪里面进入车厢等等原因增加了车厢里面的相对湿度，从而使车厢内的露点温度增加，高于了挡风玻璃的温度，使挡风玻璃起雾。
3、在周围气温比较高的环境下，突然天空下起了大雨，从而降低了挡风玻璃的温度，从而挡风玻璃的温度低于了车厢内的露点温度，使挡风玻璃起雾。
4、在车厢里面乘客因为呼吸等原因产生稳定水蒸气的过程中，汽车驶进了一个寒冷的山洞环境下，挡风玻璃的温度降低，低于了车厢内的露点温度，使挡风玻璃起雾。
5、在亚热带或者高湿的环境下，空气中的相对湿度相当的高，使车厢里面的露点温度很高，高于了挡风玻璃的温度，使挡风玻璃起雾。
在过去，有很多关于挡风玻璃防雾的研究，包括自动监测挡风玻璃的雾气[4]; 智能自动防雾系统和红外线监测雾气系统的比较[5] 以及Kelly 和 Sangwan 描述的关于通过比较玻璃的温度和露点的温度来计算出起雾系数的方法[6]，以上的研究都说明了在自动防雾方面大家所做出的努力以及防雾的重要性和实用性。
自动防雾系统
前面提到了挡风玻璃上面形成雾的最主要原因是挡风玻璃的温度下降并低于了车厢里面空气中露点的温度，所以我们测量和计算的两大参数量就是挡风玻璃的温度和车厢里露点的温度。
总体说来， 自动防雾系统包括了三大部分，包括参数测量输入，参数计算分析和除雾控制。
参数测量输入
为了分析起雾的条件，有三个参数量是需要测量的，一个是档风玻璃的温度，还有车厢里面同一点的相对湿度和温度用于计算车厢里面露点的温度，现已有些成熟的传感器模块，紧贴在档风玻璃上面(图1)，[7]模块里面就包含了可以测量档风玻璃的温度传感器以及可以测量车厢内同一点的温度和湿度传感器，通过这些传感器，实时监控了引起起雾发生的这三大物理量，从而传送给空调MCU系统进行分析和计算。
图1：传感器模块测量示意图
参数计算分析
收集到测量回来的挡风玻璃的温度，车厢里同一点相对湿度和温度的数据后，空调中央控制器会对数据进行分析和比较，首先是把车厢里同一点相对湿度和温度的数据通过一系列公式计算出车厢内露点的温度。然后通过比较露点的温度和挡风玻璃的温度来判定挡风玻璃是否起雾。我们用Td来表示露点的温度，Tws来表示挡风玻璃的温度。Δ 来表示安全系数
判断：
Td+ΔTd+Δ=>Tws 挡风玻璃有可能起雾(处于高危起雾区，除雾控制开始除雾) 
图2：露点温度与挡风玻璃温度关系分析
从图2实验中可以看出，我们在使用智能自动除雾系统的时候， 因为刚开始的时候(时间1~2分钟的时候)，车厢的挡风玻璃温度偏低， 而且车厢里面由于几个人的呼吸，使车厢里面的相对湿度不断的升高，从而车厢里面的露点温度也相对升高，当露点温度慢慢接近挡风玻璃的温度的时候。我们可以看见，挡风玻璃上面逐渐开始有雾的出现，这时候，如果我们不采取任何措施，挡风玻璃上面的雾会越来越多，完全挡住了开车人士的视野，在道路运行中是相当的危险的。这时候我们就要自动打开我们的除雾系统，当自动打开除雾系统后，从图2中时间3~5分钟的时间段里面我们可以看见，档风玻璃的温度开始升高，而且车厢里面的露点温度逐渐从上升转向了下降，并且越来越远离挡风玻璃的温度，这时候车厢挡风玻璃上面的雾也就会迅速的消失。
由于我们要在挡风玻璃起雾之前提前运作我们的除雾系统，所以我们会设定一个安全系数Δ，当露点温度接近挡风玻璃的温度的时候，也就是当Td+Δ=>Tws挡风玻璃处于高危起雾区，所以这时候就要把除雾控制系统打开，开始除雾，当露点温度与挡风玻璃的温度差距到一定的数值时候，也就是当Td+Δ< Tws，图2中时间6~8分钟的时间段里面的时候，系统就可以判断车厢处于一个低危起雾区，除雾系统可以关闭，这样就可以通过测量来实时控制除雾系统起到智能除雾的效用，而且挡风玻璃不会出现任何雾气，自动除雾系统可以更有效率的除雾，从而节省的能源的消耗。
除雾系统
在空调MCU系统判测到需要进行除雾了后，通常有下面几大方法除去挡风玻璃上面出现的雾气。
1、当车厢内的相对湿度很高的时候，保持良好的通风，使车外干燥的空气和车厢内潮湿的空气进行交换，降低车厢内的相对湿度从而降低的车厢内的露点的温度。
2、直接对车厢挡风玻璃开始加热，如图3所示，使车厢挡风玻璃的温度升高，并高过车厢内露点的温度，或者加速挡风玻璃前面空气的流动，[7]可以适当的增加挡风玻璃的温度和挡风玻璃面前空气的交换。从而降低档风玻璃面前的相对湿度。
图3：除雾控制示意图
3、打开车内的HVAC空调系统，空调系统设置成为外循环，压缩机会打开，使车厢的相对湿度迅速降低，此时车厢内的露点温度就会降低，低过车厢挡风玻璃的温度。
自动防雾系统和探测雾系统的比较
自动防雾系统需要的是一个集合湿度和温度传感器的模快，探测雾系统主要是由一个红外线传感器组成。
表1：自动防雾系统与探雾系统比较
自动防雾系统对油耗所起的贡献
自去年以来，油价不断飙升，随着全球经济的高速发展，能源和环境问题日益突出，节约能源、保护环境已成为世界各国共同面临的重大挑战，目前我国平均油耗比发达国家高50%。现在我国的平均油耗是10至15升，而发达国家是5至10升。所以怎样尽一切的方法来提高效率，是当今现代汽车迫不及待的问题。
在欧洲，当温度小于12度，车厢内相对湿度大于80%的时候，汽车的空调系统就应该开始除雾，通过统计，每年有上亿吨的燃油使用在了空调除雾上面。举个例子，列如一般汽车空调的发动机功率8-10千瓦，汽车的发动机100千瓦，时速百公里消耗了10升油，那么空调就耗油了差不多1升，如果我们可以有效的利用空调的除雾系统，每有效利用一个小时，我们就可以节省1升的油。
所以，一个自动防雾系统能够更有效率的，更充分的发挥汽车的HVAC的除雾功能，在真正有必要除雾的条件下进行智能除雾，大大提高了汽车的功能，节约了能源的浪费和消耗。
结论
通过测量车厢挡风玻璃温度和车厢内湿度的自动防雾系统，在挡风玻璃起雾前，提前智能的通知汽车空调系统和驾驶者，并控制除雾系统开始自动除雾，使车厢里的乘客避免了处于危险的环境中，并当车厢里面在一个不会起雾的环境下自动关闭除雾系统，大大提高了汽车空调系统的使用效率，节约了能源的消耗。
参考文献:
1、JD. Power 初步汽车品质研究，2002
2、 Allison 高级汽车特征研究， 2002
3、New Climate Control Systems，October，2006
4、CHUEY, Mark, D, 湿气传感器和挡风玻璃雾水的测量， 2004
5、Wang, Thomas, Karma， 自动挡风玻璃防雾系统， 2004
6、Kelly, SangWan， 空调系统自动防雾方法， 一月， 2003。
7、Eismann, Cedric， 防雾系统研究， 2007 (end)
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(9/22/2008) |
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