Elektrik

Moderne Lichttechnik - Kurvenlicht, AFS...

Die Beleuchtung moderner Fahrzeuge hat sich in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich verbessert. Aktueller Maßstab: Xenon- und Bi-Xenon-Scheinwerfer von Hella, deren Verbreitung in allen Fahrzeugklassen immer weiter steigt. Ab 2002 fanden das Statische Kurvenlicht (Abbiegelicht) und danach das Dynamische Kurvenlicht den Weg ins Automobil.  Der nächste Schritt war die variable Lichtverteilung; auch bekannt als Advanced Frontlightning System (AFS).

Nächster Schritt der Entwicklung: das variable intelligente Lichtsystem der Zukunft (VARILIS) mit situationsabhängiger und vollautomatischer Lichtsteuerung.

Hella hatte den ersten Serienscheinwerfer mit statischem Kurvenlicht für den Audi A8 entwickelt.

Im nächsten Schritt folgten dynamische Kurvenscheinwerfer-Systeme auf Basis von schwenkbaren Projektionsmodulen unter anderem für Mercedes-Benz und Opel. Damit lässt sich die Reichweite des Abblendlichts in Kurven um fast 50 Prozent steigern. Die Hella-Expertengehen davon aus, dass sich das Kurvenlicht als Maßnahme zur Verbesserung der Verkehrssicherheit ähnlich wie das vor zehn Jahren erstmalig in Deutschland eingeführte Xenonlicht in allen Fahrzeugkategorien weltweit schnell durchsetzen wird.

Speziell in sehr engen Kurven, Serpentinen, Kreuzungen und bei Rangiervorgängen fehlen dem Autofahrer Informationen aus dem direkten Seitenbereich vor seinem Fahrzeug. In diesen Situationen wird dem Abblendlicht ein statisches Kurvenlicht zugeschaltet. Der neue Audi A8 ist das weltweit erste Fahrzeug mit solch einem statischen Kurven- oder Abbiegelicht. Die weltweit erste Typprüfung dieses Systems wurde möglich durch die Anordnung des Abbiegelicht-Reflektors direkt am Abblendlicht. Das statische Kurvenlicht wird dem Abblendlichtautomatisch und abhängig von der Geschwindigkeit hinzugeschaltet, wenn der Fahrer den Blinker zwecks Abbiegen betätigt (nicht beim Spurwechsel) oder durch enge Kurven fährt. Dazu wertet ein Steuergerät die Parameter Geschwindigkeit, Lenkwinkel und Blinksignal aus. Um den Komfort dieser Lichtfunktion zu erhöhen, geschieht das Ein- und Ausschalten nicht schlagartig, sondern durch Auf- und Abdimmen der Systeme nach speziellen zeitlichen Parametern. Hierbei fließt die Fahrzeuggeschwindigkeit mit ein und verhindert das unbeabsichtigte Zuschalten bei höheren Geschwindigkeiten.

Nähert sich das Fahrzeug einer Kreuzung, so ist eine breite Ausleuchtung sinnvoll, um das Wahrnehmen von Radfahrern oder Fußgängern zu unterstützen. Beim Durchfahren von Kurven leuchten herkömmliche Scheinwerfersysteme primär den Fahrbahnrand aus. Die für das Führen des Fahrzeugs relevanten Sichtbereiche werden nicht ausreichend ausgeleuchtet. 

Das dynamische Kurvenlicht, wie es ab Frühjahr 2003 bei Mercedes auf die Straße kam, wird realisiert durch Schwenken des Abblendlichts in Abhängigkeit zu dem gerade durchfahrenen Kurvenradius. Hierzu wird der Projektionsscheinwerfer in einen Rahmen eingebaut, der um die vertikale Achse drehbar ist. Der Schwenkwinkel im Bereich von +/- 15 Grad ist für Kurvenradien bis etwa 200 Meter ausgelegt. Für größere (etwa auf Autobahnen) oder kleinere Kurvenradien (etwa auf Landstraßen) bietet es sich an, das dynamische Kurvenlicht durch ein zusätzliches statisches Kurvenlicht zu unterstützen.

Beim dynamischen (aktiven) Kurvenlicht folgen die Scheinwerfer den Lenkbewegungen des Autofahrers und schwenken sekundenschnell zur Seite, wenn er eine Kurve ansteuert. Dadurch verbessert sich die Fahrbahnausleuchtung um bis zu 90 Prozent: Beträgt der vom Abblendlicht ausgeleuchtete Bereich bei Einfahrt in eine Kurve mit 190 Metern Radius normalerweise rund 30 Meter, so verlängert er sich dank der neuen Scheinwerfertechnik um weitere 25 Meter. Weil die Lichtverteilung dem jeweiligen Lenkwinkel entspricht, erkennt der Autofahrer den Kurvenverlauf frühzeitig und kann seine Fahrweise dementsprechend anpassen.

Das aktive Kurvenlicht passt sich kontinuierlich dem jeweiligen Tempo des Wagens an: Während die Scheinwerfer bei hoher Geschwindigkeit sekundenschnell dem Lenkradeinschlag folgen, arbeitet die Schwenkmechanik der Scheinwerfer bei niedrigerem Tempo entsprechend langsamer, um das Licht so zu verteilen, wie es der Autofahrer erwartet.

Das Kurvenlicht basiert auf dem Bi-Xenon-Scheinwerfer der E-Klasse und funktioniert sowohl als Abblendlicht als auch in der Fernlichtfunktion. Ein Mikrocomputer, der in das elektronische Datennetzwerk der Limousine integriert ist und auf diese Weise stets die aktuellen Informationen des Lenkwinkel- und des Geschwindigkeitssensors erhält, steuert das System. Die beiden Bi-Xenon-Module sind nochmals mit je einer separaten Elektronik und einem Elektromotor ausgerüstet, der für die horizontalen Schwenkbewegungen zuständig ist.

Die dynamische Leuchtweitenregulierung verhindert auch bei dem neuen Kurvenlicht, dass der Gegenverkehr geblendet wird. Das sensorgesteuerte System erkennt alle Karosseriebewegungen und korrigiert die Einstellung der Scheinwerfer dementsprechend.

Das Hella-Konzept für dynamische Kurvenscheinwerfer basiert auf einem modularen Baukastensystem, das eine sehr große Produktvielfalt ermöglicht. Die Variationsbreite reicht von einem schwenkenden Halogen-Modul über ein schwenkendes Xenon- oder Bi-Xenon-Modul bis hinzu einem schwenkenden Vario-Xenon-Modul. Das Vario-Xenon-Modul ist in der Lage, mehrere Lichtverteilungen aus dem gleichen Modul zu erzeugen.

Damit ist eine Technik verfügbar, die bereits jetzt die Anforderungen der Gesetzgebung für das intelligente Scheinwerfersystem (AFS =Adaptive Frontlighting System) der Zukunft erfüllt und mit dessen Einführung ab dem Jahr 2005 zu rechnen ist. Im weiteren Verlauf des Textes wird noch der Begriff Varilis verwendet. Dieser Begriff wird voraussichtlich nicht verwendet werden.

Um mit dem heute vorgeschriebenen asymmetrischen Abblendlicht die Kurven durch das Schwenken der Scheinwerfer ausleuchten zu dürfen, war eine Änderung der ECE-Regelungen 48 und 98 notwendig. Denn das bisher vom legendären Citroen DS aus den 60er Jahren bekannte Kurvenlicht basierte auf (heute noch zulässigen) mechanisch bewegten Zusatzfernscheinwerfern, die an den Lenkeinschlag gekoppelt waren. Da man heute auf nächtlichen europäischen Straßen das Fernlicht nur zu etwa 5 Prozent nutzen kann, bringt bewegliches Fernlicht kaum Sicherheitsgewinn. 

Eingangsgrößen für die Steuerung des Kurvenlichts

• Die seitliche Ausleuchtung in Kurven oder an Kreuzungen erfolgt in Übereinstimmung mit der Kurvenkrümmung, die u. a. anhand des Lenkwinkels ermittelt wird.  

• Ebenso ist die Aktivierung des Kurvenlichts vom Geschwindigkeitsbereich abhängig – auf der Autobahn ist die Ausleuchtung der ohnehin nur schwach gekrümmten Kurven schließlich nicht erwünscht.

• Zusätzlich kann das Blinkersignal einen frühzeitigen Aufschluss darüber geben, in welche Richtung der Fahrer abzubiegen gedenkt, so dass eine Ausleuchtung des entsprechenden Bereichs schon vor Durchfahren der Kurve bzw. vor dem Abbiegevorgang realisiert werden kann.

• Unterstützt wird diese “vorausschauende” Kurvenlichtsteuerung vom Navigationssystem. Mit dessen Daten können vorab Kurvenkrümmungen oder anhand der Straßenklassifizierung Stadt / Landstraße / Autobahn bestimmte Geschwindigkeitsbereiche ermittelt werden. Auch können z. B. Kreuzungen detektiert und eine entsprechende Ausleuchtung aktiviert werden.  

Verschiedene Lichtverteilungen aus einem Scheinwerfer

Ein Weg zur Realisierung von VARILIS ist VarioX, ein innovatives Hella-Scheinwerfersystem, mit dem sich bis zu fünf verschiedene Lichtverteilungen (zum Beispiel verschiedene Arten des zukünftig möglichen Abblendlichtes, dazu etwa ein spezielles Autobahnlicht und das Fernlicht sowie die Umschaltung von Rechts- auf Linksverkehr) aus nur einem Xenonscheinwerfer erzeugen lassen.  

Grundlage von VarioX ist das Projektionsscheinwerfersystem.   

Das Funktionsprinzip: Eine Blende wird zwischen Lichtquelle und Glaslinse geschoben, etwa vergleichbar mit einem Diaprojektor. Die Form dieser Blende sorgt für die gewünschte Hell-Dunkel-Grenze.

Ein erster Schritt, um außer dem Abblendlicht eine weitere Lichtverteilung aus einem Scheinwerfer zu erzeugen, war der Bi-Xenon-Scheinwerfer. Hier wird die Blende für das Abblendlicht binnen Sekundenbruchteilen mechanisch abgesenkt und gibt das Fernlicht frei (z.B. Porsche 911).  

Für VarioX haben Hella-Ingenieure eine Frei-Form-Walze entwickelt, die sich anstelle der Blende zwischen Xenonlampe und Glaslinse befindet. Die um die Längsachse drehbare Walze besitzt auf ihrer Mantelfläche unterschiedliche Konturen, mit denen sich verschiedene Lichtverteilungen auf der Straße abbilden lassen.

Gesteigerte Anforderungen an die Verkehrssicherheit bei Nacht

Mit VARILIS verfolgen die Lichtspezialisten das Ziel, den Fahrkomfort und vor allem die Sicherheit auf nächtlichen Straßen zu erhöhen. Denn die Zahlen des Statistischen Bundesamtes belegen, dass 40 Prozent aller Unfälle mit tödlichem Ausgang bei Nacht geschehen, obwohl das Verkehrsaufkommen um 80 Prozent geringer ist als am Tag. VARILIS basiert auf intensiven Studien von Straßengeometrien und nächtlichen Fahrsituationen, die ergaben, dass das Fahrlicht der Zukunft sich automatisch an die unterschiedlichen Fahrsituationen und Lichtverhältnisse anpassen sollte:

Besonders wichtig ist die Verbesserung von Sicht und Sichtbarkeit bei Schlechtwettersituationen wie Regen, Nebel oder Schneefall, für die das intelligente Beleuchtungssystem eine optimierte Lichtverteilung bereitstellt.  

 

Für VARILIS wurden völlig neue Beleuchtungstechniken entwickelt, die variabel auf die unterschiedlichen Situationen reagieren können und die zum Teil konträre Lichtverteilungen erfordern. Bei all diesen unterschiedlichen Lichtverteilungen darf es zudem keinesfalls zu einer Blendung des Gegenverkehrs kommen.

Die Nutzung von Videosystemen zur Erfassung des Straßenverlaufs und der -breite oder von Navigationssystemen stellen weiteres Verbesserungspotential für AFS dar. Ist der Verlauf einer Strecke im voraus bekannt, so kann die Lichtverteilung vorausschauend angepasst werden. Der Blick des Fahrers soll durch das Licht geführt in die Kurve geleitet werden.

Die Auswertung der Videobilder ermöglicht eine Vorausschau auf den weiteren Straßenverlauf. Zusätzlich können weitere Verkehrsteilnehmer in ihrer Position erkannt werden. Eine Anpassung der Lichtverteilung minimiert die Blendung. Die Fahrbahnbreite stellt eine weitere Größe dar, die sich als Information für das AFS eignet. 

Adaptive Hell-Dunkel-Grenze

Ein Sicherheitsplus: Das automatische Einschalten der Beleuchtung  

Ein weiteres Sicherheitsplus ist das automatische Einschalten des Lichts (z.B. Citroen C5). Denn bei Dämmerung und Dunkelheit tauchen immer wieder unbeleuchtete Fahrzeuge im Straßenverkehr auf. Die Gründe: Wegen der vorhandenen Straßenbeleuchtung merkt der Fahrer nicht, dass er ohne Licht fährt. Oder er sagt sich bei Dämmerung: "Ich sehe noch genug, ich brauch noch kein Licht." In beiden Fällen bilden die Fahrzeuge ein erhebliches Sicherheitsrisiko, weil sie von anderen Verkehrsteilnehmern kaum wahrgenommen werden. Ein von Hella-Spezialisten entwickelter Licht-Sensor verfügt über zwei voneinander unabhängige Sensoren zur Erfassung des Umgebungslichtes und der Vorfeldbeleuchtung. Der Umgebungslichtsensor misst die allgemeine Lichtintensität. Dazu erfasst er das Licht in einem möglichst großen Winkel, ohne die Einfallrichtung zu berücksichtigen. Der Sensor für die Vorfeldbeleuchtung misst dagegen die Lichtintensität in einem kleinen Winkel ausschließlich direkt vor dem Fahrzeug.

Ein spezieller Algorithmus erkennt anhand der Daten dieser beiden Sensoren sowie unter Einbeziehung weiterer Daten aus der Fahrzeugelektronik die unterschiedlichen Lichtverhältnisse (Tag, Nacht, Dämmerung, Tunnel- oder Brückendurchfahrten) und schaltet entsprechend das Fahrlicht ein oder aus.

Datenaustausch durch digitale Fahrzeugelektronik

Darüber hinaus kann das intelligente Beleuchtungssystem mit Hilfe digitaler Elektronik die Daten weiterer Sensoren nutzen, etwa die Sonnensensoren der Klimasteuerung, Geschwindigkeitssensoren, Sensoren für Straßenzustand (trocken/nass), Regen, Nebel und Straßenverlauf (gerade/kurvenreich). Die Koppelung intelligenter Scheinwerfer mit einem Navigationssystem macht darüber hinaus eine vorausschauende Ausleuchtung verschiedener Fahrsituationen (etwa bei Kurven) möglich.  

Lichtleitertechnik

Einen neuen Weg geht Hella nun auch mit der Lichtleitertechnik. Im Volvo SCC (Safety Concept Car) sind Lichtquelle und Lichtaustritt getrennt. Das gibt den Designern völlig neue Möglichkeiten. Eine Xenonlampe dient beispielsweise als Lichtquelle. Das Licht wird über eine Lichteinkopplungseinheit durch einen elliptischen Reflektor in einem Brennpunkt gesammelt und in das Lichtführungselement, bestehend aus Glasfasern, eingespeist. 

Video zum Kurvenlicht