Wpływ zabrudzenia na parametry…

Wpływ zabrudzenia na parametry fotometryczne świateł mijania pojazdów

Wprowadzenie

W poszczególnych dziedzinach techniki świetlnej, w których oświetlenie ma wpływ na bezpieczeństwo i zdrowie użytkowników, podczas eksploatacji urządzeń oświetleniowych przyjęto stosowanie tzw. systemów konserwacji. Na podstawie przyjętych algorytmów wyznacza się między innymi okresy wymiany źródeł światła oraz okresy czyszczenia opraw. Tymczasem w samochodowej technice świetlnej temat wpływu zabrudzenia lampy na jej parametry świetlne jest bardzo rzadko poruszany. Powodem takiego stanu rzeczy jest założenie, że kierowca będzie systematycznie kontrolował stan oświetlenia swego pojazdu. Niestety w praktyce założenie to zwykle nie jest spełnione. Niewielu kierowców zwraca należytą uwagę na stan oświetlenia, za wyjątkiem sytuacji ewidentnej awarii.

Światła mijania w reflektorze samochodowym charakteryzują się tym, że realizują dwa przeciwstawne zadania: pierwszym jest jak najlepsze oświetlenie jezdni i pobocza przed pojazdem, a drugim jest ograniczenie zjawiska oślepiania kierowców nadjeżdżających z przeciwka. Warunkiem uzyskania odpowiedniego rozsyłu strumienia świetlnego jest wytworzenie wyraźnej granicy światła i cienia oraz odpowiednie ustawienie lampy na pojeździe.

Zabrudzenie odbłyśnika oraz klosza lampy powoduje zmniejszenie ilości strumienia świetlnego emitowanego na drogę, co w połączeniu ze zjawiskiem rozpraszania światła (“rozmycie" granicy światła i cienia) znacznie pogarsza jakość oświetlenia drogi oraz może powodować oślepianie innych uczestników ruchu drogowego. Ma to szczególnie duże znaczenie w przypadku reflektorów wyposażonych w źródła wyładowcze (tzw. reflektory ksenonowe), które charakteryzują się dwukrotnie wyższym strumieniem świetlnym (3000lm) w porównaniu do tradycyjnej żarówki halogenowej (1100lm - 1450lm). Dlatego też reflektory ksenonowe są obowiązkowo wyposażane w urządzenia umożliwiające wyczyszczenie klosza, włączane manualnie przez kierowcę np. równocześnie ze spryskiwaczami przedniej szyby.

Badania fotometryczne świateł mijania

W celu przeanalizowania wpływu zabrudzenia klosza reflektora na zmianę jego parametrów fotometrycznych wykonano serię pomiarów rozkładu natężenia oświetlenia na ekranie pomiarowym, umieszczonym w odległości 25m, zgodnie z dokumentami normatywnymi [4, 5]. Do badań wykorzystano, opracowany w ITS, system matrycowego miernika luminancji Iluminator 2.0[3], umożliwiający wykonanie quasi-ciągłych pomiarów rozkładu luminancji na badanej powierzchni. Ponieważ powierzchnia ekranu pomiarowego odbijała światło w sposób równomiernie rozproszony i nieselektywny, możliwe było przeskalowanie zmierzonych wartości luminancji na wartości natężenia oświetlenia.

Badania wykonano dla homologowanego reflektora ze źródłem wyładowczym kategorii D2S 13,5V oraz dla homologowanego reflektora z żarówką halogenową kategorii H4 13,5V, dla kilku wybranych stopni zabrudzenia klosza (10%, 25%, 50%, 75%, 90%), przy suchej oraz mokrej warstwie brudu. Stopnie zabrudzenia klosza wyznaczono na podstawie pomiaru współczynnika przepuszczania t (np. stopień zabrudzenia klosza 10% odpowiada współczynnikowi przepuszczania 90%). Jako czynnik brudzący zastosowano znormalizowany brud europejski, przygotowany wg receptury stosowanej podczas badań homologacyjnych reflektorów samochodowych [4, 5]. Zmierzono wartości natężenia oświetlenia w punktach i obszarach pomiarowych analizowanych podczas badań homologacyjnych, z uwzględnieniem dopuszczalnych odchyłek produkcyjnych (wartości podane w nawiasach). Wyniki pomiarów przedstawiono w tablicach 1÷4 (wartości nie spełniające wymagań wyróżniono przez pogrubienie).

Na podstawie analizy zmierzonych wartości stwierdzono, że zabrudzenie klosza reflektora zmniejsza jego współczynnik przepuszczania i powoduje rozpraszanie światła, co wpływa na zmianę kształtu bryły fotometrycznej reflektora. Zjawiska te powodują zmniejszenie wartości natężenia oświetlenia w obszarze poniżej granicy światła i cienia oraz zwiększenie wartości natężenia oświetlenia w obszarze powyżej tej granicy. Ponadto przy danym stopniu zabrudzenia, zawilgocenie warstwy brudu powoduje zwiększenie współczynnika przepuszczania przy zachowaniu właściwości rozpraszających, co skutkuje zwiększeniem wartości natężenia oświetlenia.

W przypadku reflektora ze źródłem wyładowczym D2S stwierdzono, że przy stopniu zabrudzenia 50% nastąpiło przekroczenie minimalnych wartości natężenia oświetlenia, wymaganych w punktach 50V, 50R i 75R (punkty odpowiadające oświetleniu jezdni w odległości 50m przed pojazdem oraz prawej krawędzi jezdni w odległości 50m i 75m przed pojazdem). Natężenie oświetlenia w tych punktach zmniejszyło się o około 70% w porównaniu z wartościami dla klosza czystego, zarówno dla brudu suchego jak i mokrego. Natomiast powyżej granicy światła i cienia w punkcie B50L (punkt odpowiadający statystycznemu położeniu oczu kierowcy jadącego z przeciwka) oraz w obszarze powyżej linii H/H3/H4 przekroczenie dopuszczalnych wartości zaobserwowano już dla stopnia zabrudzenia wynoszącego 10%, a maksymalne wartości uzyskano przy stopniu zabrudzenia 25% i 50%. W punkcie B50L przekroczenie wynosiło około 140% dla brudu suchego oraz około 200% dla brudu mokrego, a w obszarze powyżej linii H/H3/H4 odpowiednio 170% oraz 390%.

Dla reflektora z żarówką halogenową H4 zaobserwowano podobne zależności. Przy stopniu zabrudzenia około 70% nastąpiło przekroczenie minimalnych wartości natężenia oświetlenia wymaganych w punktach 50R i 75R Wartości natężenia oświetlenia zmniejszyły się o około 70% zarówno dla brudu suchego jak i mokrego. Powyżej granicy światła i cienia w punkcie B50L i Obszarze III przekroczenie dopuszczalnych wartości zaobserwowano dla stopnia zabrudzenia 10%, a maksymalne wartości uzyskano przy stopniu zabrudzenia około 50%. W punkcie B50L przekroczenie wynosiło 100% dla brudu suchego oraz około 150% dla brudu mokrego, a w Obszarze III odpowiednio 80% oraz 200%.

Podsumowując powyższą analizę można stwierdzić, że w obydwu typach reflektora zabrudzenie klosza już na poziomie około 50%, w wyniku rozpraszania światła, powoduje znaczne ograniczenie natężenia oświetlenia na drodze oraz przekroczenie dopuszczalnych wartości w obszarze powyżej granicy światła i cienia. Przeprowadzone przez autora obserwacje wykazały, że stopnie zabrudzenia kloszy eksploatowanych pojazdów bardzo często osiągają tą wartość, co w praktyce skutkuje niedostatecznym oświetleniem drogi oraz oślepianiem kierowców nadjeżdżających z przeciwka.

Wyniki pomiarów natężenia oświetlenia w funkcji suchego zabrudzenia klosza

dla reflektora ze źródłem wyładowczym kategorii D2S.

Tablica 2

Wyniki pomiarów natężenia oświetlenia w funkcji mokrego zabrudzenia klosza

dla reflektora ze źródłem wyładowczym kategorii D2S.

Tablica 3

Wyniki pomiarów natężenia oświetlenia w funkcji suchego zabrudzenia klosza

dla reflektora ze źródłem halogenowym kategorii H4.

Tablica 4

Wyniki pomiarów natężenia oświetlenia w funkcji mokrego zabrudzenia klosza
dla reflektora ze źródłem halogenowym kategorii H4.

Układ detekcji i sygnalizacji zabrudzenia klosza

Próbą przeciwdziałania zabrudzeniu kloszy jest wyposażanie reflektorów w urządzenia czyszczące tj. wycieraczki oraz spryskiwacze. Obecne przepisy wymagają stosowanie tego typu urządzeń tylko w przypadku reflektorów ze źródłem wyładowczym. Tymczasem, jak wykazały przeprowadzone badania, wpływ zabrudzenia jest równie silny w reflektorach halogenowych, które z reguły w takie urządzenia nie są wyposażane. Ponadto dokumenty normatywne [6] nie precyzują, kiedy ma następować uruchomienie takiego urządzenia.

Wymagane jest jedynie, aby włączenie było realizowane z miejsca kierowcy oraz dopuszcza się możliwość uruchamiania razem z innymi urządzeniami czyszczącymi. W praktyce włączenie urządzenia następuje z reguły równocześnie z załączeniem spryskiwaczy przedniej szyby, przy czym ze względów ekonomicznych liczbę włączeń uzależnia się także od innych czynników.

Zdaniem autora najbardziej racjonalnym rozwiązaniem problemu zabrudzenia kloszy reflektorów jest zastosowanie układu detekcji i sygnalizacji nadmiernego zabrudzenia klosza lampy [1, 2]. Układ składa się z diody elektroluminescencyjnej emitującej skupioną wiązkę promieniowania podczerwonego, skierowanej pod odpowiednim kątem w kierunku zewnętrznej powierzchni klosza, działającej w tym samym zakresie widmowym fotodiody oraz układu sterującego.

Zasada działania detektora polega na zjawisku zmiany kierunku i współczynnika odbicia światła na zewnętrznej powierzchni klosza. Przy czystej powierzchni światło jest prawie całkowicie przepuszczane na zewnątrz klosza. Stopniowe brudzenie powierzchni powoduje odbijanie w kierunku fotodiody coraz większej ilości strumienia świetlnego. W przypadku brudu suchego powoduje to wzrost wartości sygnału mierzonego przez fotodiodę. Zawilgocenie warstwy brudu powoduje poprawę jego współczynnika przepuszczania i spadek wartości mierzonego sygnału (im grubsza warstwa brudu tym bardziej zawilgocenie poprawia współczynnik przepuszczania światła przez klosz, w stosunku do wartości tego współczynnika dla tej samej warstwy brudu suchego).

Do wdrożenia przedstawionego układu niezbędne jest wykonanie kolejnych serii badań fotometrycznych reflektorów pojazdów w różnych etapach ich eksploatacji (dla różnych stopni zabrudzenia klosza), co umożliwi, na podstawie analizy zmian wartości natężenia oświetlenia, wyznaczenie wartości granicznej dopuszczalnego stopnia zabrudzenia klosza, powyżej którego występuje przekroczenie wymaganych wartości minimalnych natężenia oświetlenia. Zainstalowanie takiego detektora w kloszu reflektora umożliwi wykrycie jego nadmiernego zabrudzenia oraz w przypadku reflektorów halogenowych uruchomienie sygnalizacji potrzeby wyczyszczenia klosza, a w przypadku reflektorów ksenonowych automatyczne uruchomienie spryskiwaczy. Przyczyni się do efektywnego wykorzystania świateł mijania reflektorów podczas eksploatacji pojazdów, zapewniającego uzyskanie wymaganych poziomów natężenia oświetlenia na drodze oraz ograniczenie zjawiska oślepiania kierowców jadących z przeciwka, co z kolei przełoży się na poprawę bezpieczeństwa ruchu drogowego.

Podsumowanie

Przeprowadzone badania wykazały, że zarówno w przypadku reflektorów ksenonowych jak i halogenowych, zabrudzenie już na poziomie 10% powoduje przekroczenie dopuszczalnych wartości natężenia oświetlenia (z uwzględnieniem dopuszczalnych odchyłek produkcyjnych) w obszarze powyżej granicy światła i cienia, co może skutkować oślepianiem innych uczestników ruchu drogowego. Z kolei zabrudzenie na poziomie 50% skutkuje niedostatecznym oświetleniem obszaru drogi. Z przeprowadzonych przez autora obserwacji wynika, że bardzo często w pojazdach poruszających się po drogach publicznych, zabrudzenie kloszy reflektorów osiąga, a nawet przekracza tą wartość. Skutecznym rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie w reflektorach samochodowych, opracowanego w ITS, układu detekcji i sygnalizacji nadmiernego zabrudzenia klosza.

Literatura:

[1] Łukasik M., Kaźmierczak P., Moćko W. "Praktyczna weryfikacja koncepcji działania adaptacyjnych świateł sygnalizacyjnych hamowania", Sprawozdanie z pracy statutowej ITS

nr 6617/ZOE/06, 2006

[2] Łukasik M., Kaźmierczak P., Moćko W. "Sposób i układ do pomiaru stopnia zanieczyszczenia powierzchni przepuszczającej promieniowanie", Zgłoszenie patentowe ITS, nr P 383522, 2007

[3] Raport z projektu badawczego własnego MNiSW nr 3 T10A 014 29, "Koncepcja konstrukcji oraz realizacja matrycowego miernika luminancji", 2007

[4] UN ECE Regulation No. 112 "Uniform provisions concerning the approval of motor vehicle headlamps emitting an asymmetrical passing beam or a driving beam or both and equipped with filament lamps", Revision 2, 2004

[5] UN ECE Regulation No. 98 "Uniform provisions concerning the approval of motor vehicle headlamps equipped with gas-discharge light sources", Revision 1, 2005

[6] UN ECE Regulation No. 45 "Uniform provisions concerning the approval of headlamp cleaners and of power-driven vehicles with regard to headlamp cleaners", Revision 1, 2007