Московский Государственный Открытый Университет
Доклад на тему:
Путь эволюции автомобильных систем освещения
Докладчик:
Студент I курса АМФ
Иванов С.В.
г. Чебоксары 2006 год.
До лампочки…
До лампочки были свечи. Или масляные горелки. Но светили они настолько слабо, что ночью автомобиль было проще оставить дома, чем путешествовать "на ощупь".
Первым источником автомобильного света стал газ ацетилен - использовать его для освещения дороги в 1896 году предложил летчик и авиаконструктор Луи Блерио. Запуск ацетиленовых фар - целый ритуал. Сначала требуется открыть краник ацетиленового генератора, чтобы вода закапала на карбид кальция, который находится на дне "бочонка". При взаимодействии карбида с водой образуется ацетилен, который по резиновым трубкам поступает к керамической горелке, что находится в фокусе отражателя. Теперь шофер должен открыть стекло фары, чиркнуть спичкой - и пожалуйста, в светлый путь. Но максимум через четыре часа придется остановиться - для того, чтобы вновь открыть фару, вычистить ее от копоти и заправить генератор новой порцией карбида и воды-
Однако светили карбидные фары на славу. Например, созданные в 1908 году Вестфальской металлопромышленной компанией (так в то время называлась Не11а) ацетиленовые фары освещали до 300 м пути. Столь высокого результата удалось достичь благодаря использованию линз и параболических рефлекторов. Кстати, сам параболический отражатель еще в 1779 году изобрел Иван Петрович Кулибин - тот самый Кулибин, который создал трехколесную "самокату" с маховиком и с прообразом коробки передач.
Первая автомобильная лампа накаливания была запатентована еще в 1899 году французской фирмой Bassee & Michel. Но вплоть до 1910 года лампы с угольной нитью накаливания были ненадежными, очень неэкономичными и требовали тяжелых батарей увеличенного размера, которые к тому же зависели от станций подзарядки: автомобильных генераторов подходящей мощности еще не существовало. И тут произошел переворот в "осветительных” технологиях - нити накаливания стали делать из тугоплавкого вольфрама (температура плавления 3410 С), который не выгорал". Первым серийным автомобилем с электрическим светом (а еще - с электрическим стартером и зажиганием) стал CadillacModel 30 SelfStarter (“самозапуска - ющийся”) 1912 года. Уже через год 37% американских автомобилей имели электроосвещение, а еще через четыре - 99%! С разработкой подходящей динамомашины исчезла и зависимость от зарядных станций.
Кстати, если вы думаете, что лампу накаливания изобрел Томас Альва Эдисон, то это не совсем так. Да, именно Эдисон всерьез занялся лампочками, когда газ в его мастерской отключили за неуплату. И именно Эдисон в 1880 году представил исчерпывающее обоснование того, что следует использовать лампы с угольной нитью накаливания, помещенной в безвоздушное пространство стеклянного шара. Эдисон придумал и цоколь. Но базовая конструкция лампы накаливания принадлежит русскому электротехнику Александру Николаевичу Лодыгину, уроженцу Тамбовской губернии. Свою разработку он представил на шесть лет раньше. Более того, исторические документы упоминают некоего немецкого часовщика Генриха Гебеля, который сумел с помощью электричества раскалить до свечения обугленное бамбуковое волокно, вставленное в стеклянную колбу, аж 150 лет назад, в 1854 году. Вот только на патент у Гебеля банально не хватало денег...
Ослепительные идеи
Впервые проблема ослепления встречных водителей возникла с появлением карбидных фар. Боролись с ней по-разному: перемещали рефлектор, выводя из его фокуса источник света, с той же целью двигали саму горелку, а также ставили на пути света различные шторки, заслонки и жалюзи. А когда в фарах засветилась лампа накаливания, в электрическую цепь при встречных разъездах даже включали добавочные сопротивления, снижавшие накал нити. Но лучшее решение предложила фирма Bosch, в 1919 году создавшая лампу с двумя нитями накаливания - для дальнего и ближнего света. К тому времени уже был придуман рассеиватель - покрытое призматическими линзами стекло фары, отклоняющее свет лампы вниз и по сторонам. С тех пор перед конструкторами стоят две противоположные задачи: максимально осветить дорогу и не допустить ослепления встречных водителей.
Увеличить яркость ламп накаливания можно, подняв температуру нити. Но при этом вольфрам начинает интенсивно испаряться. Если внутри лампы вакуум, тo атомы вольфрама постепенно оседают на колбе, покрывая ее изнутри темным налетом. Решение проблемы нашли во время Первой мировой войны: с 1915 года лампы стали заполнять смесью аргона и азота. Молекулы газов образуют своеобразный “барьер”, препятствующий испарению вольфрама. А следующий шаг был сделан уже в конце 50-х годов: колбу стали наполнять галогенидами, газообразными соединениями йода или брома. Они “связывают” испаряющийся вольфрам и возвращают его на спираль. Первую галогенную лампу для автомобиля представила в 1962 году Не11а - "регенерация" нити позволила поднять рабочую температуру с 2500 К до 3200 К, что увеличило светоотдачу в полтора раза, с 15 лм/Вт до 25 лм/Вт. При этом ресурс ламп вырос вдвое, теплоотдача снизилась с 90% до 40%, а размеры стали меньше (галогенный цикл требует близости нити и стеклянной “оболочки”).
А главный шаг в решении проблемы ослепления был сделан в середине 50х - французская фирма Cible в 1955 году предложила идею асимметричного распределения ближнего света для того, чтобы “пассажирская” обочина освещалась дальше "водительской". И через два года "асимметричный" свет в Европе был узаконен.
"Деформация"
На протяжении многих лет фары оставались круглыми - это наиболее простая и дешевая в изготовлении форма параболического отражателя. Но порыв "аэродинамического" ветра сначала “задул” фары в крылья автомобиля (впервые интегрированные фары появились у Рiегсе-Arrow в 1913 году), а затем превратил круг в прямоугольник (прямоугольными фарами оснащался уже СitroenAMI 6 1961 года). Такие фары были сложнее в производстве, требовали больше подкапотного пространства. но вместе с меньшими вертикальными габаритами имели большую площадь отражателя и увеличенный светопоток.
Чтобы заставить такую фару ярко светить при меньших габаритах, следовало придать параболическому отражателю (в прямоугольных фарах - усеченный параболоид) еще большую глубину. А это было чересчур трудоемко. В общем, привычные оптические схемы для дальнейшего развития не годились. Тогда английская фирма Lucas предложила использовать "гомофокальный" отражатель - комбинацию двух усеченных параболоидов с разными фокусными расстояниями, но с общим фокусом. Одним из первых новинку примерил Austin-RoverMaestro в 1983 году. В том же году фирма Не11а представила концептуальную разработку - трехосные" фары с отражателем эллипсоидной формы (DЕ, DreiachsEllipsoid). Дело в том, что у эллипсоидного отражателя сразу два фокуса. Лучи, выпущенные галогенной лампой из первого фокуса, собираются во втором, откуда направляются в собирающую линзу. Такой тип фар называют прожекторным. Эффективность "эллипсоидной* фары в режиме ближнего света превосходила “параболическую” на 9% (обычные фары отправляли по назначению лишь 27% света) при диаметре всего в 60 миллиметров. Эти фары предназначались для противотуманного и ближнего света (во втором фокусе размещался экран, создающий асимметричную светотеневую границу). А первым серийным автомобилем с "трехосными" фарами стала "семерка" ВМW в конце 1986 года. Еще через два года эллипсоидные фары стали просто супер! Точнее - SuperDЕ, как называла их Нella. На этот раз профиль отражателя отличался от чисто эллипсоидной формы - он был "свободным" (Fгее Fоrm), рассчитанным таким образом, чтобы основная часть света проходила над экраном, отвечающим за ближний свет. Эффективность фар возросла до 52%.
Дальнейшее развитие отражателей было бы невозможно без математического моделирования - компьютеры позволяют создавать самые сложные комбинированные рефлекторы. Взгляните, к примеру, в "глаза" таких машин, как DaewooMatiz, HyundaiGetz или "молодая" Газель. Их отражатели поделены на сегменты, каждый из которых имеет свой фокус и фокусное расстояние. Каждая “долька” многофокусного отражателя отвечает за освещение "своего" участка дороги. Свет лампы используется почти полностью - за исключением разве что торца лампы, прикрытого колпачком. А рассеиватель, то есть стекло с множеством “встроенных” линз, теперь не нужен - отражатель сам отлично справляется с распределением света и созданием светотеневой границы. Эффективность таких фар, называемых отражающими, близка к прожекторным.
Современные отражатели "формируют" из термопластика, алюминия, магния и термосета (металлизированного пластика), а накрывают фары не стеклами, а поликарбонатом. Впервые пластиковый рассеиватель появился в 1993 году на седане Ореl Оmega - это позволило снизить массу фары почти на килограмм! Но зато поликарбонатные "стекла" гораздо хуже сопротивляются истиранию, нежели стекла настоящие. Поэтому щеточных очистителей фар, которые еще в 1971 году предложил Saab, больше не делают...
В новом свете
Вековое господство лампы накаливания близится к концу. Достойно “завершить карьеру” ей помогают благородные газы криптон и ксенон. Последний считается одним из лучших наполнителей для ламп накаливания - с ксеноном можно поднять температуру нити вплотную к точке плавлению вольфрама и приблизить свет по спектру свечения к солнечному.
Но наполненные ксеноном обычные лампы накаливания - это одно. А “ксенон” с ярким голубым свечением, который применяют на дорогих ав
Но устроены газоразрядные лампы сложнее. Главная задача - зажечь газовый разряд. Для этого из 12 "постоянных" вольт бортовой сети нужно получить короткий импульс из 25 киловольт - причем переменного тока, с частотой до 400 Гц! Для этого служит специальный модуль зажигания. Когда лампа зажглась (для разогрева требуется некоторое время), электроника снижает напряжение до 85 вольт, достаточных для поддержания разряда.
Сложность конструкции и инерция при зажигании ограничили первоначальное применение газоразрядных ламп режимом ближнего света. Дальний светил по старинке - "галогенкой". Объединить ближний и дальний свет в одной фаре конструкторы смогли через шесть лет, причем существует два способа получить “биксенон”. Если используется прожекторная фара (как та, что придумала Не11а), то переключение режимов света осуществляется экраном, находящимся во втором фокусе эллипсоидного отражателя; в режиме ближнего света он отсекает часть лучей. При дальнем экран прячется и не препятствует световому потоку. А в отражающем типе фар “двойное действие” газоразрядной лампы обеспечивается взаимным перемещением рефлектора и источника света. В итоге вслед за фокусным расстоянием изменяется и светораспределение.
Но по данным французской фирмы Vа1ео, применив отдельные газоразрядные лампы для ближнего и дальнего света, можно достичь на 40% лучшей освещенности, чем у "биксенона". Правда, модулей зажигания требуется уже не два, а четыре - такие фары имеет дорогой VolkswagenPhaetonW12.
Однако будущее газоразрядных ламп вовсе не такое яркое, как излучаемый ими свет. Наибольший успех специалисты прочат светодиодам.
Светодиод - это полупроводниковый прибор, излучающий свет при прохождении тока. До начала 90-х их автомобильное применение ограничивалось индикацией - уж слишком низкой была светоотдача. Однако уже в 1992 году Не11а оснастила "трешку" ВМW Сabrio центральным стоп-сигналом на основе светодиодов, и сегодня они все шире используются в задних фонарях в качестве “габаритов” и стоп-сигналов. Светодиоды срабатывают на 0,2 секунды быстрее традиционных лампочек, тратят меньше энергии (для стоп-сигналов - 10 Вт против 21 Вт) и отличаются почти неограниченным сроком службы.
Но для того, чтобы заменить лампы светодиодами в фарах головного света, нужно преодолеть ряд препятствий. Во-первых, даже самые лучшие светодиоды по эффективности пока сопоставимы только с галогенными лампами (светоотдача - около 25 люменов на ватт). При этом они дороже и требуют специальной системы охлаждения - ведь это такие же полупроводниковые приборы, как и процессоры компьютеров. Но разработчики уверяют, что к 2008 году светоотдача диодов достигнет уже 70 лм/Вт (у нынешнего "ксенона" - 90 лм/Вт). Так что первые серийные светодиодные фары могут появиться в 2010 году. А пока полупроводникам поручают второстепенные функции - например, постоянный "дневной свет", как это сделала Не11а, расположив в каждой фаре AudiA8 W12 по пять светодиодов.
Период адаптации
Попытки повернуть фары автомобиля вслед за рулем люди начали предпринимать сразу после появления самих фар. Ведь это удобно - освещать ту часть дороги, куда ты едешь. Однако механическая связь фар и руля не позволяла соотносить угол поворота лучей со скоростью движения, и правила начала века "адаптивный" свет просто запрещали. Попытку возродить оригинальную идею осуществила фирма Cible. В 1967 французы представили первый механизм динамической регулировки угла наклона фар, а через год на CitroenDS начали ставить поворотные фары дальнего света.
Теперь идея поворотного освещения возрождается - на новом, “электронном”, уровне. Самое простое решение - дополнительная "боковая" лампочка, которая загорается при повороте руля или включенном “поворотнике” на скорости до 70 км/ч - Подобные фары имеют, к примеру, Аudi А8 (первое применение) и Porsche Сауеnnе. Следующая ступень - действительно поворотные фары. В них биксеноновый прожектор с учетом скорости движения, угла поворота руля и угловой скорости автомобиля вокруг вертикальной оси (“датчик поворота”) поворачивается вслед за рулем в пределах 22° - на 15° наружу и на 7° внутрь. Такими фарами оснащаются и ВМW, и Мегсedes, и Lexus, и даже Оре1 Аstra. Третий вариант "адаптивного" света - комбинированный. На высоких скоростях активен только поворотный прожектор, а в медленных поворотах или при маневрировании “подключается” статическое освещение (оно имеет больший угол охвата - до 90"), Такими фарами оснащен Оре1 Signum.
Но, пожалуй, самая интересная из разработок - это VARILIS: система, которую Нella разрабатывает вместе с несколькими автопроизводителями. Сокращение расшифровывается как VariableIntelligentIigntingsystem. Одна из вариаций - система VarioX, которая позволяет фаре работать в пяти режимах света. Для этого в "ксеноновом" прожекторе вместо экрана, включающего ближний свет, находится цилиндр сложной формы. Смена режимов света происходит при вращении цилиндра. Так, например, в городе фары светят близко, но широко, а на трассе ближний свет немного изменяет форму пучка - для большей дальнобойности. Ожидается, что к серийному производству VarioX будет готов в 2006 году. А чуть позже европейские правила позволят связать фары с системой GPS. Одной из первых такую разработку представила ВМW в 2001 году. Вспомните концепт-кар Х-Соuре с асимметричным дизайном. Фары у него поворачивались по команде GPS-навигатора с учетом скорости движения, угла поворота руля и бокового ускорения. А еще навигационная система позволит "предугадывать" повороты и давать команду на автоматическое изменение светораспределения, скажем, при пересечении английской границы - ведь система VarioX позволяет и это!
А следующий шаг - объединение головного света и систем ночного видения. Но это - тема отдельного разговора…
Америка-Европа
Подход к системам освещения в Старом свете и за океаном различается кардинально. Начнем с того, что американские законы вплоть до 1975 года запрещали использование фар не круглой формы и галогенных ламп! Причем в Штатах лампа и фара были объединены в одно целое - лампы-фары за океаном использовали с 1939 года. Преимущество у таких приборов было одно - герметичность лампы-фары позволяла покрывать поверхность рефлектора серебром, отражающая способность которого достигает 90% (против 60% у распространенных в те времена хромированных рефлекторов). Но менять лампу-фару, естественно, приходилось целиком.
А главное отличие - в Европе с 1957 года принято асимметричное светораспределение с лучшим освещением "пассажирской" обочины и с четкой светотеневой границей. Но е Америке использование фар с границей света и теми разрешили только с 1997 года. Разрешили, но не потребовали! Свет "американских" фар распределяется почти симметрично, вовсю ослепляя встречных водителей. К тому же американцы регулируют фары только по вертикали. А еще в США и Канаде отсутствует единый порядок сертификации приборов освещения. Каждый производитель лишь гарантирует соответствие своих фар федеральному стандарту по безопасности движения транспортных средств (FMVSS), а подтверждать это приходится, например, в случае аварии по вине световых приборов.
Предполагается, что официально импортируемые из США автомобили проходят проверку на соответствие европейским нормам. “Американские” фары маркируются аббревиатурой DОТ (DepartmentOfTransport, Министерство транспорта), а “европейские” - буквой "Е" в кружочке с цифрой-кодом страны, где фара одобрена для использования (Е1 - Германия, Е2 - Франция, и т.д.).
Следует учесть, что при прохождении техосмотра в России “американские” фары и головная оптика "праворульных" машин могут создать проблемы, так как нормативный документ, ГОСТ Р 51709-2001, регламентирует “левоасимметричное” распределение света и четкую светотеневую границу.
H1 – D2: ход конем.
Автомобильные лампы отличаются, как правило, конструкцией цоколя и светоотдачей. Например, в двухфарных системах чаще всего используются лампы H2 – с двумя нитями накаливания, для дальнего и для ближнего света. Их световой поток - 1650/1000 лм. В “противотуманках” светят лампы Н8 - однонитевые, со светопотоком в 800 лм. Другие однонитевые лампы Н9 и НВЗ могут обеспечивать только дальний свет (светопоток 2100 и 1860 лм соответственно). А “универсальные” однонитевые лампы Н7 и Н11 могут использоваться и для ближнего, и для дальнего света - в зависимости от того, в каком отражателе они установлены. И как всегда, качество лампы зависит от конкретного производителя, оборудования, концентрации и типов газов (например, лампы Н7 и Н9 иногда заполняют не галогенами, а ксеноном).
У газоразрядного "ксенона" другие обозначения. Первыми ксеноновыми лампами были приборы с индексами D1R и D1S - они были объединены с модулем зажигания. А за индексами D2R и D2S скрываются газоразрядные лампы второго поколения (R - для “отражающей” оптической схемы, S - для прожекторной).