Путь света: развитие автомобильных фар, Авто без политики

Почему первые фары были газовыми, как русский инженер помог General Electric внедрить электрический свет и чем линзованная оптика лучше рассеивателей. Изучаем столетнюю эволюцию фар от карет с керосинками до конца ХХ века.

Фары для автомобиля — это все. Они освещают дорогу, они делают его заметным для остальных участников движения, недаром как в России, так и во многих других странах ближний свет должен быть включен в любое время суток. Ну а кроме того, фары являются важным имиджевым элементом или даже визитной карточкой некоторых моделей.

Первый опыт

Первые световые приборы пришли на машины из мира карет. Вопреки распространенному заблуждению, кареты были не такими уж примитивными транспортными средствами, у них имелись и подвески, и системы обогрева, и даже тормоза. И, разумеется, освещение. Первоначально освещение дороги не входило в число приоритетных задач — главным было обозначить положение экипажа на дороге и осветить ближайшие окрестности.

Скорости были невелики, лошади сами искали дорогу, да и ночные поездки были не слишком частыми. Обычно в полной темноте ехать не было нужды, либо это была хорошая лунная ночь, либо карета ожидала рассвета на постоялом дворе от греха подальше. Боялись тогда вовсе не ночных ДТП, а дорожного разбоя.

Масляные и керосиновые лампады

С появлением первых самодвижущихся повозок и постепенным ростом скоростей старые способы с использованием керосиновых, масляных ламп или даже свечей себя исчерпали. На момент появления автомобиля уже были известны и параболические отражатели и даже линзы, они использовались в фонарях на судах и на железной дороге, но все упиралось в источник света.

Мощные газовые фонари требовали запаса газа, а его надолго не хватало, даже довольно большой и тяжелый баллон работал от силы час. Электрические лампы требовали мощного источника тока, а с ним были проблемы. Даже системы зажигания на первых машинах были основаны на магнето, свободной электроэнергии не было на борту, а аккумуляторов не хватало даже на электромобилях. Последние тоже довольствовались керосиновым или газовым освещением.

Первые газовые лампы

Решение предложил Луи Блерио в 1896 году, запатентовав ацетиленовую лампу и генератор. Прелесть этого решения была в том, что горючий газ ацетилен вырабатывался прямо на машине при соединении карбида кальция и воды. Без воды карбид был почти безопасен, а объем производимого газа легко регулировался поступлением воды в генератор.

Пламя ацетиленовой горелки оказалось очень мощным, ярким и довольно "чистым" — копоти почти не было, что позволяло использовать различные оптические элементы в компактной фаре. А объем готового ацетилена, весьма опасного газа, склонного к детонации и самовозгоранию, оказывался невелик. К тому же ацетиленовый генератор можно было расположить подальше от фар, которые часто повреждались.

Запаса карбида в генераторе хватало на несколько часов, а зеркало фары надо было чистить не чаще, чем раз в десять-двадцать часов. По тем временам это был вполне разумный интервал технического обслуживания. Часто примерно через такое же время нужно было уже проводить серьезные работы по двигателю и подвеске.

Наиболее "чистые" и технически совершенные карбидные лампы могли вообще не требовать технического обслуживания годами, а свет, производимый ими, попадал в самый "удачный" для человеческого глаза диапазон. Но конкуренции с электрическим освещением газовые лампы не выдержали. Как только электрические лампы стали долговечнее и появились достаточно мощные генераторы, яркая эра карбидного освещения закончилась.

Переход к электричеству

Электрическое освещение пытались приспособить для машин и паровозов еще с момента изобретения первых вакуумных электрических лапм, например, конструкции Александра Лодыгина в 1874-м или Томаса Эдисона в 1879-м. Основным достоинством электричества являлись полная безопасность и отсутствие необходимости очищать оптическую систему фонаря.

До изобретения вольфрамовой нити лампы изготавливали с угольной нитью или с платиновой, но первые были не очень долговечны, а вторые очень уж дороги. Первые патенты на использование вольфрамовой нити получил, опять же, Лодыгин. Уже в 1906 году он продал разработку корпорации General Electric, которая смогла значительно удешевить производство вольфрамовой нити и в 1910-м запустить лампы в серийное производство.

Несмотря на КПД около 2-3%, это было серьезным прорывом, ведь электричество в машине можно было применить не только для работы головного освещения. Освещение панели приборов и салона, электрический прикуриватель сигар, батарейное контактное зажигание и самое главное — электрический стартер для двигателя! И об этом в нашем рассказе стоит упомянуть чуть подробнее.

В 1911 году сотрудник компании Delco Чарльз Кеттеринг опубликовал в журнале Popular Mechanics статью о проектируемом им устройстве электрического старта. Причем стартер являлся еще и генератором, ведь электричество для зарядки аккумуляторной батареи тоже нужно было где-то брать.

Идея настолько понравилась основателю компании Cadillac (и Lincoln, кстати) Генри Леланду, что в 1912 году в серийное производство запустили первый автомобиль с "полным электропакетом" — Cadillac Model Thirty SelfStarter, на котором был и электростартер, и генератор, и, разумеется, полное электрическое освещение, включая задние фонари и освещение салона.

Можно сказать, что прорыв в электрификации серьезно повысил шансы на победу ДВС в затянувшейся борьбе с паровыми автомобилями и электромобилями, удобство использования и надежность запуска намного улучшились, а по мощности и автономности ДВС и так опережал конкурентов.

Всеобщая электрификация машин свершилась: уже к 1915 году аккумулятор и генератор стали непременным атрибутом автомашины, как и электрическое освещение, а вот стартеры еще некоторое время оставались люксовой опцией — заводили машину по-прежнему "кривым стартером", маховиком, пневмосистемой или холостым патроном.

В дальнейшем освещение на машинах было только электрическим. Поначалу мощность ламп накаливания была значительно меньше, чем ацетиленовых, но со временем этот вопрос решили, поэкспериментировав с наполнителем для колбы. Изначально внутри лампы был вакуум, а потом туда догадались закачивать газ. Сначала аргон, а затем пары галогенов (брома или иода). Это позволило продлить лампам жизнь, существенно увеличить температуру накаливания нити, а следовательно, и силу света.

И основной задачей конструкторов на долгие годы стало уже не увеличение мощности излучения, а удобство использования света. Первыми задачами стали стандартизация цоколей ламп, формирование ограниченного луча для скрытого освещения и предотвращения ослепления встречных машин. Все задачи были связаны между собой и ставились перед конструкторами военными — как раз шла первая мировая война.

Ближний и дальний

Уже к двадцатым годам сформировалось разделение на "ближний" и "дальний" свет. Дальний работал по-паровозному, освещая дорогу на пределе яркости светового пучка, а ближний свет освещал только ограниченный участок дороги, не ослепляя водителей встречных машин. Соответственно, больше света попадает на обочину и меньше — на встречную полосу.

Правила использования ближнего и дальнего света были прописаны в правилах дорожного движения, а вскоре и в законах. В европейских странах еще в 1957-м были приняты директивы ЕЭК(Economic Commission of Europe) по формированию асимметричного светового пучка, и с тех пор свет европейских машин значительно отличается от американских и японских.

В Японии фары тоже светят асимметрично, но движение в стране левостороннее, а значит, и световой поток распределяется иначе, чем у европейцев. На американском же континенте автомобильная промышленность на долгие годы оказалась в плену странных законов, которые в разные годы предписывали использовать только круглые фары, запрещали блок-фары (вы, наверное, еще помните "Вольво" и "Мерседесы" с характерной странной оптикой и большими бамперами, которые приезжали к нам из США) и обязывали использовать только симметричное распределение света.

Эксперименты с рассеиванием

Первой технологией, получившей массовое распространение для получения пучка света заданной формы стали параболический рефлектор и рассеиватель с призматическими линзами. Эта технология знакома многим, ее использовали на машинах вплоть до конца 90-х годов, например, на знакомым всем "Жигулях" и "Волгах".

Световой поток в этом случае отражается от рефлектора, задачей которого является как можно более полное отражение светового потока, и попадает на стекло фары, которое состоит из множества вертикальных собирающих линз и призматических элементов, отвечающих за распределение света по дальности и направляющих свет на дорожное полотно. Конструкция позволяет использовать стекла сложной формы и с большим наклоном, но КПД такой конструкции оказался невысоким. Не более 40% светового потока используется по назначению, а по методике компании Hella — и вовсе 27%.

Следующим шагом на пути к улучшению освещения стало использование фар головного света с рефлектором свободной формы. Технологию часто называют FF — от английского Free Form. В этом случае отражатель имеет намного более сложную форму, а стекло можно использовать плоское, без оптических элементов. В настоящее время эта технология — одна из наиболее часто используемых в фарах для обычных ламп накаливания. Фары такого типа имеют КПД намного выше — около 67% (45% по методике Hella). Но и это не предел.

Линзованная оптика

Наиболее эффективной оптической схемой для фары является так называемая прожекторная. Ее техническое обозначение — трехосный эллипсоид, или просто DE (сокращение от немецкого Dreiachs Ellipsoid), а в просторечии такую схему чаще всего именуют "линзой". Такой блок имеет эффективность свыше 70% (52% — по методике Хелла). Но не это является его основным достоинством.

В отличие от других технологий, он может работать с объемными источниками света и формировать очень точный световой пучок, который можно направить буквально параллельно дороге, а значит, и снизить степень ослепления водителей даже лучом дальнего света. Интереснее всего то, что такая схема является одной из старейших, ее использовали еще на маяках и кораблях в конце ХIХ века.

Также любопытно, что в России линзованная оптика прочно ассоциируется именно с газоразрядными лампами (о них речь ниже), хотя были автомобили и с галогенными фарами, свет которых рассеивался линзами. Но к середине 90-х стало понятно, что лампы накаливания уже не отвечают современным требованиям по яркости света и экономичности.

Что появилось в ответ на эту проблему, вы уже знаете. Сначала ксенон, потом светодиоды, а теперь и лазерные фары...

© Борис Игнашин

Спасибо за тему.
было любопытно прочитать , особенно про стародавние технологии с ацетиленом.

Но где рассказ про поворачивающийся рефлектор в направлении движения от БМВ ?
да и вообще про лазерный свет не рассказали:

Это сообщение отредактировал vistador - 9.12.2014 - 22:22

"Фара от Jeep Liberty c линзованной оптикой"

А где тут линза?

уже и такие есть?

Статья не полная!Где про колхозный ксенон?

Наверно имелась в виду методика определения КПД от компании Хелла.

полупроводниковый лазер

БМВ и8 тому замечательный пример

у меня примерно такая фара стояла, быстрее скорость - больше света)

del

Это сообщение отредактировал Артемий13 - 9.12.2014 - 22:04

О AndySP Спасибо за интересный пост. А то ты в последнее время ну совсем в политоту ударился...
Получается, что в прародителях электрического освещения стоял русский инженер. Надо же, не знал.
Спасибо еще раз.

прицелился и выстрелил...