A gépjárművilágítás fejlődésének története II. - Az utóbbi 30 év fejlesztései
2013/11. lapszám | Laász János | 11 098 |
Figylem! Ez a cikk 11 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A gépjárművilágítás történetét bemutató sorozatunk második részében az utóbbi 30 év fejlesztéseinek mérföldköveit tekintjük át, bemutatva a fényforrások és felhasználási területük fejlődését. Ma a fényforrások minden fajtája - a hagyományos izzótól a LED-ig - megtalálható a gépjárművilágításban. Fék-, irányjelző-, ködzárófény-, tolatólámpaként, szélességjelzőként, rendszámtáblavilágításként izzót (vákuum) használnak, mely úgy bocsát ki fényt, hogy a volfrám anyagú izzószál elektromos áram hatására izzani kezd. Az izzás során párolog is a volfrám, ami a lámpaburán feketedést okoz, csökkentve az összes fénytechnikai paramétert és az élettartamot. Tompított világításra, illetve távfényszóróban, valamint ködlámpában egy vagy két izzószálas halogén izzót használnak. Itt a volfrámpárolgás miatti burafeketedés halogén elem (például jód) hozzáadásával csökkenthető. Nagyobb hatásfok érhető el a halogén izzókkal, mert a halogén körfolyamat miatt magasabb hőmérsékleten üzemeltethetők. Azonban a halogén izzó élettartama is erősen korlátozott a burán belül végbemenő volfrám regeneráció ellenére is, így természetes igényként jelentkezett a hosszabb élettartam, a nagyobb fényáram és fénysűrűség, a jobb fényhasznosítás.
Fényforrások
A gépjárművilágítás követelményeinek a nagynyomású kisülőlámpák, azon belül is - a fénytechnikai és az optikai paramétereket figyelembe véve -, a fémhalogén lámpák felelnek meg legjobban. Ezért a fejlesztők a hagyományos izzószálas fényforrások helyett igyekeztek villamos ívet alkalmazni, így született egy nagy intenzitású, de méreteit tekintve minimális nagyságú fényforrás. Az új fényforrás a GDL nevet (Gas-Discharge-Lamp - gázkisüléses lámpa) kapta, azonban szokták HID (High Intensity Discharge) lámpának is hívni. A kereskedelemben a D (Discharge - kisülés) jelzőt, a köznyelvben a xenon nevet használják, ami nem helyes, hiszen a xenon csak töltőgáz, a fénykibocsátásért a fémhalogenidek a felelősek. Érdekes, hogy általános, leginkább kültéri világítási célokra már az 1950-es évektől használtak nagynyomású kisülőlámpákat (higany-, nagynyomású nátrium-, fémhalogén lámpákat), az 1970-es évektől pedig már beltéri világításra is alkalmaztak kisebb teljesítményű fémhalogén lámpákat.
A gépjárművilágítás terén történő megjelenésére azonban az 1990-as évekig kellett várni. Ennek elsősorban a gyártástechnológia, illetve a fényforrással szemben támasztott speciális követelmények teljesítése volt az oka. A gépjárművilágítási célokra alkalmazott kisülőlámpáknak a beépítés (fényszórók optikai vetítő- és tükörrendszereibe), az üzemelés során fellépő szélsőséges külső körülmények és közlekedésbiztonsági szempontból kiemelten fontos gyújtási, bemelegedési- és üzemmeleg állapotban, az újragyújtási idő miatt, sokkal több és speciálisabb paraméternek kell megfelelnie, mint a hagyományos célra alkalmazott, hasonló típusú lámpáknak.
Az elektródák egy gáztérbe nyúlnak be, ami xenont és fémhalogenideket tartalmaz. Az ív létrehozásához 10-20 kV, a fenntartásához 85 V váltakozó feszültség szükséges. Ezekkel a szükségletekkel közvetlenül csak egy speciális stabilizáló vezérlőegység közbeiktatásával lehet ezt a fényforrást bekötni a gépjármű 12 V-os hálózatába. A lámpa hőmérsékletétől függően a vezérlőegység kiszámítja és létrehozza azt a gyújtófeszültséget, amely létrehozza az ívet. A magas hőmérsékletű ív felmelegíti a xenon gázt, a halogenid sókat pedig elgőzölögteti. Ez után a vezérlőegység 85 V-on tarja stabilan az ívfeszültséget. Az ívfény színhőmérséklete 4200 K, amely elég jól megközelíti a természetes fény tulajdonságait.
Az emberi szem érzékelési tartományában spektruma folytonos. 85–90 lm/W a lámpa fényhasznosítása, ami egészen jó – körülbelül háromszorosa egy jobb halogénizzónak. Az előírások alapján csak akkor lehet beszerelni ilyen rendszerű fényforrásokat, ha biztosítjuk, hogy az azt magában foglaló reflektornak a dőlésszöge, függetlenül a jármű terhelésétől, a vízszintessel állandó szöget zár be. Ezt egy úgynevezett fényszórószintező rendszerrel oldották meg. A fényszóró elszennyeződő homloküvegén fellépő fényszórás megelőzésére pedig fényszórómosó berendezést alkalmaznak. A fényforrás meghibásodása esetén a színük általában a kékebb tartomány felé tolódik el, nem alszik ki hirtelen, így azt a fokozatos elhalványulása alapján lehet észlelni. Alkalmazásukkal, a kisebb teljesítményfelvétel miatt, csökken a gépjárművek világításra fordított üzemanyag fogyasztása, a nagyobb útmegvilágítási-szint és fénynyaláb-nyílásszög miatt biztonságosabbá teszi a közlekedést.
A gépjármű kisülőlámpák első típusa nem tartalmazta a gyújtó egységet. Az elektromágneses kompatibilitás, zavarérzékenység és a gyártók közötti csereszabatosság érdekében a fejlesztések ebbe az irányba haladtak tovább és megjelentek az integrált gyújtós, majd a modernebb beépített impulzusgyújtós gépjármű kisülőlámpák.
Ezzel párhuzamosan a környezetkímélés érdekében, az Európai Unió környezetvédelmi bizottságának kezdeményezésére ezek higanymentes változata is megszületett, azonban nem csak ebben különböznek elődeiktől, hanem a villamos paraméterekben is. Az új változatok üzemi feszültsége 42 V, szemben az eddigi 85 V-al, így ezek a rendszerek egymással nem keverhetőek.
Az első gázkisülésű lámpa 1991-ben mutatkozott be a BMW 850C-n kiegészítő fényforrásként. Évekig csak különálló tompított és távolsági fényszóróként, halogén lámpával használták késedelmes újragyújtásuk miatt. Bi-Xenon és Litronic néven 1999-ben kerültek forgalomba egylámpás, tompított és országúti fényszórókban. Volt néhány próbálkozás arra is, hogy száloptikán vezessék a felhasználási helyre egyetlen gázkisülő lámpa fényét, azonban ezek nem vezettek eredményre.
A fényszórók, fényszórórendszerek fejlődése
A fényszórók felszerelése hatósági engedélyhez kötött, mivel biztonsági berendezésnek számítanak. A fényszóró háza általában hőre lágyuló műanyagból készül, ezzel rögzül a rendszer a gépjárműhöz, és ez védi a berendezést a külső hatásokkal szemben. A reflektor, azaz a fényvisszaverő felület régebben lemezacélból készült, ma már ez is hőre lágyuló műanyagból. A visszavert fény mennyisége, minősége, iránya miatt nagyon fontos az alakja és a tükröző felület minősége, hőállósága. Ezért a pontosan legyártott reflektorok fényvisszaverő felületét speciális lakkréteggel vonják be a kívánt felületminőség érdekében, de használnak magnézium és alumínium anyagú fényvisszaverő felületeket is.
Végül tükröződő rétegként alumíniumot, védőrétegként szilíciumot gőzölnek rá. Régen a fényszórburák kialakításukkal, optikai elemként aktívan részt vettek a fényvisszaverő felületről rájuk eső fény irányításában, ezek voltak a prizmatikus záróüvegek. Ma már a bordázatmentes fényszóróburáknak csak a fényforrás, a fényvisszaverő felület külső behatásokkal, szembeni védelme a fő feladatuk. Szerkezeti anyaguk tekintetében egyre inkább felváltja az üveget a könnyebb, ütésállóbb, karcolásálló, tervezési és kivitelezési szempontból nagyobb szabadságot adó műanyag – polikarbonát. (1993. Az első műanyagburás lámpa megjelenése – Ford Mondeo.)
Az útra jutó fény eloszlását a gépjárművilágításban ma használatos fényszórók a fényvisszaverődéses, vagy a projektoros technológia alapján valósítják meg. Az első módszer esetében egy nagy felületű fényvisszaverő felület helyezkedik el a bordázott, vagy a bordázatmentes bura mögött. A projektoros technológia esetében egy precíziós optikai rendszeren keresztül történik a fény kiléptetése. A fényszórórendszerek felépítése a fényszóró házból, a reflektorból, fényszóróburából, vetítő rendszerű esetén projektoros modulból áll.
A hagyományos parabolatükrös fényszórók az 1980-as évek elejére már minden téren problémát jelentettek a gépjárműgyártásban a kötött, nehezen kezelhető méretek, formák és meglepő módon a gazdaságosság, valamint a fényhasznosítás és általa a közlekedés biztonsága miatt. Mivel a fényforrás által kibocsátott fényt a szóróüveg bordázása, vastagsága által okozott fénytörés irányította, ezért nagy része elnyelődött a lámpán belüli vagy kívüli árnyékolás miatt, illetve szórt fény formájában kárba veszett, emellett a hatásfokuk igen szerény (26-27%) volt.
A továbblépés lehetőségét elsősorban a számítástechnika és a műanyaggyártás rohamos fejlődése teremtette meg. A gépjárművek sebességének növekedése miatt is szükségessé vált a nagyobb megvilágított távolság is, ehhez azonban új, tükröző rendszert kellett tervezni. Ennek hatására 1983-ban elsőként megjelent a gépjárműveken a DE-fényszóró (Dreiachs-Ellipsoid-Reflektor - háromtengelyű ellipszoid fényszóró), más néven poli-ellipszoid fényvető (PES - Poly-Ellipsoid System), ami a tükröző felület formájára utal. A diavetítőhöz hasonló működési elvük miatt vetítő rendszerű fényszórónak is nevezik (1. ábra).
 |
 |
A DE-fényszóróknál az ellipszoid tükör egyik fókuszpontjában helyezték el a fényforrást. Ennek fénye a tükröző felület - ami egy ellipszis hossztengelye körüli elfogatásával létrehozott forgásellipszoid - hatására széttartó fénysugarakból álló fénynyalábként jelenik meg a másik gyújtópont mögé elhelyezett optikai lencsén, mely úgy töri meg, hogy onnan már párhuzamos fénynyalábot alkotva lépnek ki. A szórólencse objektívként működve a fényt az útra vetíti. A két gyújtópont közé, a lencséhez közel elhelyezett, a diához hasonló feladatú takaró lemez létrehozza a tükröző felület alsó feléről a lencsére jutó fény vakító részét levágva az európai szabványnak megfelelő tompított világításra vonatkozó világos-sötét határvonalat (2. ábra). Ezzel megakadályozza, hogy a kilépő fény a szembejövő gépjármű vezetőjének szemébe juthasson.
A kitakarás okozta éles sötét-világos határ miatt kevés a szórt fény, pontosan beállítható, így rossz időjárási körülmények között, esőben, ködben jól alkalmazható. Ezért leginkább tompított fényszóróként, ebben az esetben függőleges bordázatú szóróüveggel látják el a közlekedési táblák jobb láthatósága érdekében, illetve ködlámpaként használják. Előnye még a kisebb beépítési mérete, hatásfoka körülbelül 36%.
Az 1980-as végére sikerült számítógépes modellezés segítségével egy olyan technológiát kifejleszteni mely szükségtelenné teszi a bordák és prizmák használatát. Ez az FF - Free Form, vagy Frei Flächen Scheinwerfer (szabad formájú, szabad térformájú, szabad térgeometriájú, szabad felületű), és egy olyan tükröző felület takar, amely a fényt nagy kilépési szögben szórja (3–4. ábra).
Semmilyen szabályos formát nem mutat a tükör alakja, a tükröző bevonat, mely különböző kis felületekből áll, valósítja meg a fény terelését, szórását. Ezt úgy tudják elérni, hogy a tükör minden önálló pontjára kiszámolt fényvisszaverődést figyelembe véve tervezik meg a reflektort. Ebből adódóan nincs szükség az üveg bordázására, így bordázatmentes, átlátszó fényszóróburák tervezhetők, használhatók. Az üveg (műanyag) szerepe a fizikai védelem. A világos-sötét határ, a jelzőtáblák és az út jobb szélének megvilágítása a tükröző felület vízszintesen elrendezett alkotórészei által valósul meg. Fényeloszlása egyenletes és jól illeszthető az igényekhez. Ez a típus adott megfelelő megoldást a HÍD-fényforrással felszerelt lámpatestekre. Hatásfoka körülbelül 45%-os, amely azonban együtt alkalmazva a vetítő módszerrel tovább növelhető.
Ez a kombinált technológiával készült fényszóró a Super-DE nevet kapta. Működési elvük és vetítőrendszerük a DE-fényszóróéval azonos, de tükröző felületük méretezése az FF-technológiával készül. A reflektor olyan kialakítású, hogy a fényforrás által kibocsátott fény lehető legnagyobb részét reflektálja, majd úgy irányítsa, hogy abból minél több jusson a szórólencsére az árnyékoló lemez fölött, amit aztán a lencse az útra vetít (5-6. ábra). A Super DE-fényszórórendszer halogén és xenon rendszer esetén is használható. A fényszóró nagyobb lehet külön tompított és távfényszóró modul használatával.
Az FF-technológiának köszönhetően az út szélén jobb megvilágítást, a világos-sötét határvonal környékén koncentrálódó fénykibocsátásnak köszönhetően hosszabb látótávolságot és nagyobb szórásszélességet biztosít, hatásfoka 52% körüli. Hátránya viszont, hogy ennél a rendszernél nagyobb átmérőjű (40-80 mm) lencséket alkalmaznak, ami a nagyobb világítási teljesítmény mellett növeli a fényszóró saját tömegét is.
Nem régen még távfényként hagyományos FF-, tompított fényszóróként Super DE-lámpatesteket alkalmaztak, azonban az utóbbi időben megjelent és egyre jobban elterjed a Bi-Xenon rendszer. Bár a neve arra utalhat, hogy kettős xenon lámpáról beszélünk, de ez nem így van. A „bi” azt jelenti, hogy takarólemez segítségével egyetlen xenon fényforrás kettős feladatot lát el a lámpatestben, egy projektoros modullal tompított és távfényt lehet létrehozni. Egy takarólemez segítségével hozzák létre a tompított fényt, majd távfényre kapcsoláskor egy elektromágnes a 7. ábrán látható fehér nyíl irányába elmozdítja azt, így módosítva a fénysugár irányát. A megfelelő irányítottsággal jelentősen növelhető a hatásfoka (~90 %). Kis mérete mellett további előnye, hogy ugyanaz a tompított és a távfény színhőmérséklete, valamint a távfény felkapcsolásakor a gépjármű előtti útrész is megvilágítva marad.
Intelligens világítórendszerek
Adaptív, azaz a külső körülményekhez alkalmazkodó rendszerekről beszélünk, amely lehet többek között az időjárási-, útviszonyokhoz alkalmazkodó - inkább a kisugárzott fényintenzitásával -, de lehet az útirányhoz, a gépjármű sebességéhez, vezetési helyzethez igazodó - például kanyarokat bevilágító rendszer -, ami a fény irányítottságával összefüggő feladat. A Cïtroen 1968-as próbálkozása után ezzel a témával - olyan formában, hogy annak fizikai megjelenése lett volna - 2002-ig nem foglakozott senki. Ekkor az Audi A8-asban megjelent a Hella által kifejlesztett adaptív gépjárművilágítási megoldás a statikus kanyar- és lehajtó világítás (8. ábra).
Tulajdonképpen egy kifelé néző kisebb fényszórót építettek be a tompított fényszóró mellé. A sebességtől függően akkor kapcsolódott be a tompított világítás mellett segítségként, ha a gépjármű kis ívben kanyarodott, vagy a vezetője bekapcsolta az irányjelzőt. A ki- bekapcsolás nem hirtelen, hanem dimmelve történt. Ezt követően 2003-tól sorra jelent meg a gépjárművekben a dinamikus kanyarfény. Itt már a kanyarfényt adó lámpatest elfordítását szenzorokkal vezérelt villanymotor végezte, a gépjármű sebességének és kormányának elfordulási szöge függvényében. Egy olyan vázra szerelték fel a projektoros fényszórókat, mely a tengelye körül +/- 15 fokkal elfordulhat, ezáltal elfordítva a világító modult. Ezzel körülbelül 200 m-es kanyarsugárig ad megfelelő megvilágítást. A dinamikus kanyarfény tompított és távolsági világításnál is működik.
Még hatékonyabb, ha a két rendszert kombinálják, a dinamikus kanyarfényre rásegít egy statikus forduló- vagy kanyarfény. A sebességtől függően, a tompított világítás mellett akkor kapcsolódik be, ha a gépjármű vezetője bekapcsolja az irányjelzőt, vagy a gépjármű éles kanyarodást hajt végre. A vezérlőegységbe érkeznek az adatok a gépjármű sebességéről, a kormányszögről, illetve az irányjelző helyzetéről. Ezeket az adatokat kiértékelve, ha szükséges dimmelve, ki- bekapcsolja a statikus kanyarfényt.
Ezek a megoldások nevezhetők az intelligens fényszórórendszerek előfutárainak. A 2000-es évek elejétől a technika fejlettsége és a jogi szabályozások (ENSZ EGB) lehetővé tették az intelligens, fejlett első világítási rendszerek megjelenését. Gyártótól, funkciótól függően AFS (Adaptive Frontlighting System - inteligens fényszórórendszer/adaptív első világítás), AFL (Adaptive Forward Lighting - adaptív első világítás/intelligens kanyarfényszóró), ILS (Intelligent Lighting System - intelligens kanyarfényszóró) néven kerültek piacra.
Az AFS elődjével, a dinamikus kanyarvilágítással szemben nem csak a gépjármű kormányának elfordulási szögét, hanem sebességét és az időjárási viszonyokat is figyelembe veszi az út megvilágításánál és hoz létre különböző fényeloszlásokat. Továbbfejlesztett, kameraalapú változata a gépjármű külső környezetének adatai alapján hozza létre az adott helyzetre vonatkozó fényeloszlást, alakítja ki a világos-sötét határt. Az ellentétes, illetve azonos irányba haladó gépjárművek fényeit a kamera észleli, a rendszer ez alapján a világító modult a megfelelő irányba és szögbe állítja és kitakarást alkalmaz, így a kibocsájtott fény közvetlenül az észlelt jármű előtt/mögött végződik, így a gépjármű vezetőjének nem kell ki-, bekapcsolgatnia a távfényszórót. Az adaptív rendszer a fejlett fényszórótechnika, kamerák, szenzorok és képalkotó eszközök összehangolásával képes az útviszonyoknak és a forgalmi helyzetnek megfelelően, akár az út jobb és bal oldalán eltérő megvilágítást létrehozni.
Jelzőlámpák
A gépjárművilágítás többi eleme nem ment át akkora fejlődésen, mint az eddig tárgyaltak, ez vonatkozik a jelzőlámpákra is, melyeknek, ennek ellenére jelentős szerepük van a biztonságos közlekedésben. Jelzéseikkel tájékoztatást adnak a gépjármű helyzetéről, haladási irányáról, szándékáról a közlekedésben résztvevők számára.
Fejlődése során a különböző funkciójú jelzések részére külön - külön lámpatestektől, a színezett fényforrásokon keresztül eljutottak addig, hogy egy fényforrást több célra is fel lehet használni. A lámpa impulzusszélesség modulációval történő vezérlésével érik el, hogy egyazon fényforrás működjön helyzetjelzőként és féklámpaként egyaránt. Annak érdekében, hogy a többi közlekedő jól és időben észlelhesse a fényforrás által kisugárzott fényt optikai eszközökkel összegyűjtve, irányítva kell megjeleníteni. Természetesen a jelzőlámpák tekintetében is egyre jobban elterjednek a LED-es megoldások. Néhány példa a ma használatos izzós jelzőlámpák optikai rendszereire: szóró -, prizmás -, fényvisszaverős optika.
Belső világítás – műszerfal-, kilométeróra világítás
Ahogy az autók külső megjelenése változik, úgy változnak az elvárások műszerfalvilágítás esetében is, így különböző anyagok, formák, még különbözőbb fényforrások jelennek meg. A műszerfalvilágítás követelményei: gyors és pontos olvashatóság, mindenféle fényviszony mellett legyen jól látható, ne terelje el a vezető figyelmét. Ezek az elemek nem csak a használhatóságot szolgálják, hanem a biztonságot is. A gépjárművet és annak világítását tervező mérnököknek ismerniük kell, hogy melyek a legjobban látható színek, milyen típusú kijelzők a legolvashatóbbak, legkényelmesebbek a vezetők számára. Meg kell oldani a kijelzők egységesítését, megfelelő fényerejét és fényességét. Fontos szempont a kontraszt, minden olvasási körülmény között, és végül, meg kell határozni, hogy milyen méretűnek kell a karaktereknek lenniük. Ezek a faktorok mind a használhatóságot és biztonságot szolgálják, ugyanakkor az autógyáraknak olyan panelekre van igénye, melyek könnyűek, és a termékek összköltségét tekintve olcsók.
A műszerfalvilágítás azonban nem létezik önmagában, szoros kapcsolatban áll a belső világítással és kölcsönhatásban a külső és belső világítással egyaránt. A belső világításhoz tartozik például a plafonvilágítás, a küszöbvilágítás, az eszközpanel és a gombok világítása, független elemek, mint az indexlámpa visszajelzőfények, kiegészítő munkaterek megvilágítása.
Nehéz a különböző, változatos világítási elvárásoknak megfelelni, elsődleges fontosságú az autóvezetők azon szükséglete, hogy az utat zavartalanul figyelhessék. Ezt megnehezíti, hogy erre vonatkozóan nincsen az iparágban egy standardszabályozás. A General Motors fejlesztői által készített ajánlás szerint:
- a szórt fény a legmegfelelőbb, amikor az autó áll,
- minden fényforrást védeni kell, ami az autó mozgása közben működik,
- minimalizálni kell a fogyasztást és figyelmet fordítani az optikai elvárásokra.
A legrégebbi típusoknál a műszerfalat csak elölről világították meg. Az 1990-es évek elején megjelentek a hátulról megvilágított számlapok. Ez a világítás hagyományos, többnyire 2-4 darab T10-es (2-5 W) helyzetjelző-, vagy 4-8 darab T5-ös (rizsszem) izzóval működik. Napjainkban általánossá vált ezen a területen is a LED-ek használata.
Folytatjuk!
