Способы борьбы с запотеванием ветрового стекла автомобиля перед началом движения

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы электромобили (далее EVs – Electric Vehicles) привлекают все большее внимание как способ борьбы с ростом экологических проблем больших городов. Так, в Европе в 2019 г. на личные автомобили приходилось более 44% от всех выбросов выхлопных газов, произведенных автомобильным транспортом [1]. Политика сокращения выбросов CO₂ подразумевает, что EVs будут играть важную роль в уменьшении воздействия транспорта на климат, а также местного загрязнения воздуха [2]. В мегаполисах Китая проблема загазованности стоит особенно остро, и уже в 2015 году там наблюдался более чем трехкратный рост парка EVs, что позволило ему стать лидером мировых продаж, обогнав США [3].

Однако широкому внедрению EVs препятствует масса проблем. Одной из них является ощутимое снижение запаса хода при использовании системы автоматического климат-контроля, поскольку при плохих погодных условиях она отбирает значительную долю энергии, запасенной в аккумуляторной батарее автомобиля. По данным Объединенного исследовательского центра Европейской Комиссии, проводившего испытания BMWi3 при температурах от +50 до –30ºC, потребление энергии вспомогательным оборудованием для подогрева и кондиционирования воздуха (далее HVAC – Heating, Ventilation, and Air-Conditioning) может привести к снижению запаса хода EVs от 40 до 70%, с учетом падения емкости батареи при низких температурах, по сравнению с испытаниями при нормальных условиях [4]. Что касается автомобилей с ДВС, то даже в летний период работа HVAC может увеличить расход топлива до 20% в стандартном городском цикле вождения [5].

В автомобиле любого типа система HVAC должна с высокой скоростью, но с минимальными затратами энергии обеспечивать безопасность путем защиты остекления от запотевания, т. к. в условиях недостаточной видимости реакция водителей замедляется, а риск возникновения аварийных ситуаций растет [6]. Поскольку безопасность пассажиров является важнейшим приоритетом, далее будут рассмотрены способы ускорения очистки и предотвращения образования конденсата на внутренней поверхности ветрового стекла и их влияние на энергопотребление.

ТРЕБОВАНИЯ К ОЧИСТКЕ ВЕТРОВОГО СТЕКЛА ОТ КОНДЕНСАТА

Для обеспечения безопасности в большинстве стран мира утверждены требования к системам очистки остекления от обледенения и запотевания. Они устанавливают расположение, размеры и необходимую степень очистки критически важных зон ветрового стекла и нормативного поля обзора (рис. 1), а также регламентируют время, за которое стекло должно быть приведено в рабочее состояние, и порядок проверки на соответствие указанным требованиям.

 

Рис. 1. Расположение нормативных зон А и Б ветрового стекла и поля П полного обзора: 1 – граница прозрачной части левого окна; 2 – левая боковая стойка ветрового стекла; 3 – контур очистки ветрового стекла; 4 – граница нормативной зоны А; 5 – граница нормативной зоны Б; 6 – граница прозрачной части ветрового стекла; 7 – правая боковая стойка ветрового стекла; 8 – граница прозрачной части правого окна; 9 – следы плоскостей, являющихся границами нормативного поля П полного обзора. / Fig. 1. Position of regulated A and B windscreen areas and P field of full view: 1 – the boundary line of the left window transparent part; 2 – a left windscreen pillar; 3 – windscreen cleaning area outline; 4 – the regulated A area boundaries; 5 – the regulated B area boundaries; 6 – the boundary line of the windscreen transparent part; 7 – a right windscreed pillar; the boundary line of the right window transparent part; 9 – traces of planes, which are boundaries of the regulated P field of full view.

 

В России и странах ближнего зарубежья таким нормативным документом является ГОСТ 33992-2016 «Системы очистки ветрового стекла от обледенения и запотевания» [7], согласно которому перед началом движения должны быть очищены от запотевания критически важные зоны ветрового стекла: зона А (перед водителем) должна быть очищена на 90%, а зона В (общего обзора) – на 80% в течение 10 минут после начала работы системы.

Нормативные документы, содержащие аналогичные требования к очистке от запотевания и удалению обледенения с поверхностей остекления, имеются и в других странах. В Европе это Директива 78/317/EEC, касающаяся систем размораживания и удаления влаги с остекленных поверхностей автомобилей [8], в США – Методика лабораторных испытаний системы оттаивания и отпотевания ветрового стекла [9], в Австралии – Автомобильный стандарт [10], в Японии – Международный стандарт «Приспособления, предохраняющие ветровое стекло легковых автомобилей от запотевания» [11].

ОБРАЗОВАНИЕ КОНДЕНСАТА И СПОСОБЫ БОРЬБЫ С НИМ

Поверхностная конденсация представляет собой явление фазового перехода, при котором водяные пары, содержащиеся в воздухе, превращаются в капли воды при соприкосновении с твердой поверхностью [12]. Она идет с выделением тепла и имеет место, когда температура поверхности падает ниже точки росы, т. е. температуры воздуха, при которой содержащийся в нем пар достигает состояния насыщения и начинает конденсироваться в росу. Явление конденсации может возникнуть и при понижении давления. Этот же результат можно получить и из-за повышения влажности в результате поступления дополнительной влаги от посторонних источников. При охлаждении воздуха его влажность также увеличивается.

Поверхностная конденсация бывает пленочной, когда конденсат принимает форму сплошного слоя на поверхности твердого тела, или капельной, когда конденсат принимает вид рассеянных капель. Конденсация зависит: от чистоты места конденсации [13], от силы адгезии и угла контакта [14], от смачиваемости поверхности [15] и др. Водяной пар конденсируется на поверхности стекла в виде тонкой пленки или капель (рис. 2) в зависимости от того, является ли поверхность смачиваемой (гидрофильной) или не смачиваемой (гидрофобной) [16].

 

Рис. 2. Конденсация водяного пара на гидрофильной (слева) и гидрофобной (справа) поверхности [16]. / Fig. 2. Vapour condensation on hydrophilic (on left) and hydrophobic (on right) surfaces [16].

 

При очистке поверхности от капельного конденсата потоком воздуха коэффициент теплопередачи между поверхностью и воздухом почти на порядок выше, чем в случае пленочной конденсации [12], т. к. на части поверхности, не покрытой конденсатом, происходит свободный теплообмен. Кроме того, суммарная площадь поверхности капель значительно больше, чем площадь поверхности сплошной пленки влаги того же объема. Поэтому испарение влаги в этом случае идет гораздо интенсивнее.

Гидрофобные стекла применялись еще в середине прошлого века: «При гидрофобизации остекления самолетов, автомобилей и судов удается в значительной степени понизить обледенение. При дожде вода на ветровом стекле автомобиля не растекается, а образует отдельные капли, которые легче сдуваются» [17, с. 300] (1960). Логично и для ускорения очистки внутренней поверхности стекол автомобиля от запотевания создать условия, способствующие капельной конденсации и самостоятельному удалению влаги. Для этого на внутреннюю поверхность стекла можно нанести прозрачную гидрофобную смазку [18], либо на этапе изготовления придать им гидрофобные свойства. В результате конденсат будет собираться в капли, стекать и удаляться из салона через дренажные отверстия.

Наличие водяного пара в воздухе салона и низкая температура стекла – две главные причины образования конденсата. Поэтому борьба с запотеванием заключается в осушении воздуха в салоне и обогреве остекления автомобиля. Осушение воздуха и его последующий подогрев снижают относительную влажность, но до тех пор, пока стекло остается холодным, на нем все равно будет образовываться конденсат. Чтобы исключить запотевание, необходимо поддерживать температуру внутренней поверхности ветрового стекла выше температуры точки росы воздуха салона.

Осушение воздуха в салоне автомобиля с ДВС происходит во время работы системы HVAC в режиме рециркуляции, когда воздух прокачивается через испаритель с температурой 0…+5°С, где часть влаги конденсируется и удаляется наружу. Затем осушенный воздух подогревается в теплообменнике отопителя перед подачей в салон. Этот процесс достаточно хорошо проработан, однако эффективен только при положительных температурах наружного воздуха.

Осушение воздуха в салоне электромобиля. У серийных EVs с запасом хода 200–300 км, имеющих электрические нагреватель и компрессор, потери энергии на работу HVAC сокращают дальность пробега на 30–40% в зависимости от цикла вождения и температуры наружного воздуха [19]. Поэтому разработка более эффективных систем кондиционирования воздуха для EVs остро необходима.

Перспективным подходом считаются системы HVAC с тепловым насосом. При условии максимальной утилизации отработанного тепла энергопотребление теплового насоса не превышает трети энергопотребления электроотопителя при той же мощности нагрева [20]. Однако системы с тепловыми насосами могут только нагреть воздух, но не понизить влажность в салоне. Поэтому EVs используют обычный кондиционер с испарителем, где воздух из салона охлаждают и осушают, а затем повторно нагревают перед подачей его в салон, используя электронагреватели с ПТК (положительным температурным коэффициентом) [21].

Принципиальное решение проблемы предложили Чанг и др. (2021), описав новую систему HVAC с тепловым насосом, которая имеет дополнительный режим осушения воздуха за счет совместного использования нагревателя и двух теплообменников (испарителя и конденсора) и обеспечивает производительность осушения 1,47 Л/кВт [22]. Однако система пока находится в стадии лабораторных исследований, дорожные испытания еще не проводились.

Обогрев ветрового стекла теплым воздухом – типовое решение для подавляющего большинства серийных автомобилей. Обдув обычно производится потоком теплого воздуха от отопителя, который нагнетается вентилятором, проходит по каналам дефростера и направляется на стекло с помощью дефлекторов приборной панели. Но, как показали эксперименты, очистка от конденсата происходит при этом не всегда равномерно. Так, Канг и др. (2011) выявили неоднородность температуры обдуваемого ветрового стекла, установив инфракрасную камеру перед ветровым стеклом автомобиля [23].

Результаты показали более высокую температуру для нижней части стекла и значительное понижение температуры в его верхней части (рис. 3). Аросси и др. (2001), измерив скорости воздуха у поверхности ветрового стекла, показали (рис. 4), что контуры скоростей также выше для нижней части ветрового стекла (≈1 м/с), а в верхней части они снижаются примерно до 0,2 м/с [24]. Таким образом, скорость распотевания можно повысить путем улучшения конструкции дефростера.

 

Рис. 3. Температурный портрет обдуваемого ветрового стекла [23]. / Fig. 3. Temperature distribution along the blowed windscreen [23].

 

Рис. 4. Контуры скорости воздуха у поверхности ветрового стекла [24]. / Fig. 4. Outlines of air speed at the windscreen surface [24].

 

Джахани и Бейгморади (2014) показали, что с помощью тщательного CFD-моделирования можно не только оптимизировать конструкцию дефростеров, но и значительно ускорить разработку проекта [25]. Их улучшенная модель дефростера способна направлять на ветровое стекло поток воздуха с минимальной потерей давления, максимальной выходной массой и скоростью не менее 2,5 м/с. Распределение струй в потоке обеспечивает равномерный нагрев ветрового стекла, что приводит к ускоренному освобождению его не только от запотевания, но и от внешнего обледенения. Это было подтверждено экспериментом на соответствие требованиям Директивы 78/317/EEC [8]. После 12 часов выдержки машины при температуре -18±2 °С, по всей внешней стороне ветрового стекла был нанесен ровный слой льда 0,044 г/см² (рис. 5). Через 40 минут после отвердевания льда испытатели запустили двигатель и включили обдув. Уже через 10 мин лед практически растаял (рис. 6).

 

Рис. 5. Обледеневшее ветровое стекло перед началом обдува теплым воздухом [25]. / Fig. 5. The iced windscreen before warm air blowing [25].

 

Рис. 6. Состояние ветрового стекла через 10 минут после начала обдува [25]. / Fig. 6. The iced windscreen after 10 minutes of warm air blowing [25].

 

Однако мощные струи теплого воздуха, отражаясь от стекла, нарушают микроклимат в салоне. И если перед началом движения это не критично и даже ускоряет прогрев салона в осенне-зимний период, то во время движения излишняя мощность обдува при работе системы автоматического контроля запотевания создает дискомфорт водителю и пассажирам [26].

Электрообогрев ветрового стекла производится теплом, выделяющимся при прохождении электрического тока по электропроводящему слою внутри стекла. Такое стекло отличается от задних стекол некоторых легковых автомобилей с нагревателем в виде сетки из полосок проводящих электродов, которые наносятся на поверхность стекла методом шелкографии с применением серебряной пасты. Оно представляет собой стеклопакет из двух и более закаленных стеклянных пластин, на внутреннюю поверхность которых в процессе изготовления наносится прозрачное токопроводящее покрытие, которое практически не снижает коэффициента светопропускания. Пластины герметично соединены по периметру и не соприкасаются между собой. На противоположных сторонах стеклопакета расположены контактные площадки для подключения электропитания. При прохождении электрического тока через электропроводящий слой c активным сопротивлением около 0,5 Ом/см, выделяется тепловая энергия в инфракрасном диапазоне. Стеклопакет имеет удельную мощность от 500 до 2000 Вт/м² и допускает разогрев до температуры 150 °С. При этом возникает термонапряженное состояние, однако оно не достигает значений, сравнимых с прочностью закаленного стекла [27].

Использование закаленных ветровых стекол с прозрачным проводящим слоем позволяет во время движения автомобиля обеспечить заданную температуру на внутренней поверхности стеклопакета и, соответственно, комфортные условия для наблюдения за дорогой. Однако стоимость ветрового стекла с электрообогревом в разы больше обычного. А отбираемый для прогрева стекла ток заметно нагружает аккумулятор автомобиля, особенно в условиях холодного пуска. Тем не менее, Унверди и др. (2010) смогли значительно повысить скорость очистки от запотевания ветрового и боковых стекол автобусов (!), установив стекла с электропроводящим слоем и применив электрообогрев одновременно с обдувом стекла теплым воздухом [28].

Необходимо отметить, что в снегопад электрообогрев даже вреден, так как падающий на теплое ветровое стекло снег сразу тает, размазывается по стеклу дворниками и мгновенно застывает ледяной коркой. В этом случае для очистки от конденсата следует применять обдув ветрового стекла теплым (но не горячим) воздухом [29].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ публикаций, описывающих методы предотвращения запотевания и удаления конденсата с внутренней поверхности ветрового стекла автомобиля показал, что для повышения эффективности борьбы с запотеванием перспективным является комплексное применение следующих основных способов.

1. Придание гидрофобных свойств внутренней поверхности ветрового стекла (способствует созданию условий для капельной конденсации влаги, что почти на порядок повышает теплообмен и существенно увеличивает интенсивность испарения).
2. Оптимизация конструкции дефростера (повышает скорость очистки ветрового стекла от конденсата за счет сокращения потерь давления, выходной массы, скорости и температуры воздуха).
3. Сочетание электрообогрева и обдува ветрового стекла (значительно сокращает время удаления конденсата перед началом движения).
4. Осушение воздуха в салоне (снижает температуру точки росы и предупреждает появление запотевания).

В настоящее время продолжается поиск экономичных методов обдува и обогрева ветрового стекла, а также осушения воздуха салона в режиме рециркуляции. Это актуально не только для электромобилей, но и для автомобилей с ДВС, особенно при отрицательных температурах наружного воздуха. Решение этих проблем позволило бы не только значительно сократить энергозатраты, но и снизить риск возникновения аварийных ситуаций.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. В.В. Игнатьев ― поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи, проведение исследовании, создание изображений; В.Н. Антошина ― редактирование текста рукописи, создание изображений. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors contribution. V.V. Ignatiev ― search for publications on the topic of the article, writing the text of the manuscript, conducting research, creating images; V.N. Antoshina ― editing the text of the manuscript, creating images. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work.

Competing interests. The authors declare no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Об авторах

Василий Васильевич Игнатьев

Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт «НАМИ»

Автор, ответственный за переписку.
Email: vasiliy.ignatev@nami.ru
ORCID iD: 0000-0002-9037-4422
SPIN-код: 1302-7068

инженер-исследователь ОВиК Управления испытаний транспортных средств

Россия, 125438, Москва, ул. Автомоторная, д. 2

Валентина Николаевна Антошина

Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт «НАМИ»

Email: valentina.antoshina@nami.ru
ORCID iD: 0000-0001-9112-8090

ведущий инженер-конструктор Управления «Системы, узлы и агрегаты»

Россия, 125438, Москва, ул. Автомоторная, д. 2

Список литературы

Дополнительные файлы