探讨汽车前大灯的性能要求 展望其未来的发展

　　车用氙气金卤灯

　　车用氙气金卤灯是一种超小型金卤灯，点亮时利用其短隙、超亮的电弧作为发光体，光效可高达90lm/W以上，寿命长达3000hr。此种光源中充有6大气压的高压氙气，点灯时氙气除作启动气体外还保证灯中立即形成高气压弧光放电，并以更快的速度加热灯泡，在秒的量级使灯亮到足够照明的程度。高压氙气的充入使灯的着火电压大幅提高，必需有23KV的高触发脉冲才能使灯点燃。Fig.1所示D1S型35W车用氙气金卤灯的灯头中就装置了这样的高压触发器，当然还需要一个高性能镇流器配合，才能保证这种灯的长寿命稳定工作。一只典型的35W车用氙气金卤灯可以发射3200lm的光通量，为传统55W卤素车灯的3倍，后者光通量为1100lm。

　　卤素灯灯丝螺旋的长度为5.5mm，而车用氙气金卤灯的极间距离为4.2mm，其发光体比卤素灯短，更接近点状光源。采用此种光源将简化灯具设计，光利用率更高。

　　车用氙气金卤灯的工作原理和特性与传统的车用白炽灯或卤素灯完全不同，后者的发光体是钨丝绕制的螺旋，在电流通过时被加热到3000K左右、产生炽热发光，它的大部分能量转化为红外辐射，所以光效不高。

　　为保证灯的发光中心处在灯具中的设定位置，除严格的灯头结构和尺寸外，灯中电极和电弧也必须处在严格设定的位置，ECE R 99对此有严格规定(Fig.4、Fig.5)、灯轴偏斜度必须小于1°，对于需要先将石英熔融再夹封的灯电极位置，这样高的精度要求是很难但又必须保证的。

　　法规还规定电弧宽度S不得超过1.1±0.4mm(实际上合格的S灯通常<1.0mm)，电弧弯曲度r不得超过0.5±0.4mm范围(实际约为0.5mm)(图6)。由此可见，车用氙气金卤灯电弧所构成的发光体比卤素灯灯丝更接近点光源。通过校正将光源位置下移0.4~0.5mm，则可校正电弧上拱造成的发光体上移，使其中心与灯具光轴重合，成为比卤素灯更紧凑、更贴近灯具光心位置的高亮度光源。

　　3、快速点亮

　　传统的白炽灯和卤素灯通电使钨丝加热发光，钨丝的热惰性很小，在点灯0.5秒后发光基本稳定。普通照明金卤灯点燃后需经5~10分钟输出光通量才能稳定。汽车是一种高速运动的物体，响应时间极为重要，点亮缓慢的光源不可能用于汽车照明。照明科技工作者凭借自己的智慧非常好地解决了这一问题——充入高压氙气。

　　标准规定启点1s后车用氙气金卤灯的辐射光通量应达到标准值的25%，而在4s时需达标准值的80%以上，以后并很快稳定(Fig.7a、b)。

　　普通照明金卤灯中充入的是低气压氩气，灯点亮初期运转在低气压氩气弧光放电状态，须待灯充分加热、汞和金属卤化物全部蒸发、放电在约20大气压的汞和金属卤化物蒸汽中进行时才能形成稳定的HID放电，发射光通量达到稳定，这一加热过程需数分钟才能完成。

　　车用氙气金卤灯冷态时灯中已充入约6个大气压氙气，点亮后立即进入高气压弧光放电状态，输出较大的初始光通量。很小的电弧管体积和镇流器提供的大的初始放电电流使灯迅速加热，汞和金属卤化物在数秒钟内蒸发，从而满足了灯快速点亮的要求。

　　测试表明在合格镇流器的配合下，飞利浦、欧斯朗和雪莱特的车用氙气金卤灯满足了上述快速点亮要求，收集的所有欧洲、日本、韩国、我国台湾和大陆其他的生产产约20种样品均未能满足这一要求。泡壳形状、内腔结构、尺寸和所充气压以及填充物的成分和量均需经过严格的设计和试验，再配以符合标准要求的镇流器方能达到标准要求的快速启动。

　　4、长寿命：车用氙气金卤灯是在非常严酷的条件下工作的，其壁负荷接近80W/cm2为普通照明金卤灯的2.5倍以上，运转时灯内达80大气压，为普通照明金卤灯的2.5倍。在如此严酷的条件下灯寿命受到很大影响，时常会产生泡壳失透和爆炸现象，对快速行驶中的汽车绝不能允许此类现象的发生。所以制灯的条件、环境、所采用的工艺装备和材料必须严格控制。目前市场上的大多数产品的质量和性能参数均离标准要求甚远，其使用寿命远不到3000小时的特征寿命，这是必须引起注意的。

　　5、对车用氙气金卤灯的其他要求：为适应实际应用情况，对这种车灯有一系列其他严格要求，对此种光源及配套电子镇流器参数必须进行严格控制，必须通过严格的试验和测试才允许使用，如振动试验、105℃高温试验、-40℃低温试验、高低温快速交替变换试验、防水和防盐雾试验、震动试验、EMI、EMC测试等，本文不作详述。

　　Ⅵ、高眩光并非车用氙气金卤灯与生俱来的弱点

　　氙气金卤灯有诸多优点已如前述，安装这种灯后夜晚行车的安全性得到很大提高，亦为事实证实。但是由于人们对这种灯性能掌握还不充分，灯和灯具的设计尚不完善加之使用不当，特别是改装市场对光形不够重视，将车用氙气金卤灯插入卤素灯灯具后对二者匹配不加考虑，致使出射光束中产生了较多眩光，Fig.3所示光分布要求不能满足。这些原因使得人们认为眩光是这种灯与生俱来的弱点、对之发生怀虑、对其推广产生异议。但这并非事实，只需了解眩光产生的原因，对灯和灯具的结构设计作合理调整就可以明显降低以至消除眩光。

　　首先，从事车灯改装的同行们在换装车用氙气金卤灯后必须注意校正光形，尽量使之符合标准要求。更为可靠的方法是设计专用改装用灯具，这种灯具需与原装灯具可以互换，但光学系统则按车用氙气金卤灯的特征设计，改装车灯时连同灯具同时更换，则可以保证光形符合要求。

　　当前使用最多的直管形外壳车用氙气金卤灯(Fig.4)在设计上存在一定缺陷这是产生眩光的一个重要原因，如对此种设计加以改进则能取得很好的效果。

　　如所周知当光束从空气中非垂直投射到玻璃表面时将产生一定的反射(Fig.8)，投射角i愈大反射分额也愈大。投射光进入玻璃介质后将被折射，当折射=光传播到另一侧的玻璃——空气界面

　　时又将部分透射、部分反射。该界面处的反射光在回到原侧界面时还将产生反射和透射，如此往返不已而使原斜入射光束变为Fig.8中沿箭头A方向漫延的衰减光带，投射角越大则该光带越强。

　　Fig9示出了目前通用的直管形外罩壳的车用氙气灯的光辐射情况，其直管形外罩壳对球形电弧管所辐射的光的影响与Fig8所示情况一致，从电弧管发射的光除辐射方向与电弧管中心横断面S一致的部分外，向其余方向辐射的光到达外罩壳内表面时、均将按入射角的大小而部分反射，反射部分到达电弧管轴附近的支撑电极的颈体时，除一部分进入颈体外，另一部分又将反射。

　　可见此种直管形外罩壳结构的车用氙气金卤灯电弧管发射的光除很少部分能直接通过外罩壳辐射外，大部分光均将在外罩壳内壁部分反射，反射光则在外壳的石英壁内部，外壳内壁与电弧管外壁之间以及在石英颈体内部反复反射、折射、透射而形成沿灯轴向二端漫延并向四周空间辐射的杂散光。这部分光均偏离了灯具反光器焦点，不可能为灯具收聚到前照光束中，而是构成了直接向前方或向后方传播并再经灯具反射后再向前方散射的杂散光，这就是眩光的重要来源。也是人们认为氙气金卤灯必然产生较多眩光的原因。

　　在了解产生眩光的主要原因后，对此种结构的缺陷略加改进就可以大幅度减少眩光。广东雪莱特光电科技股份有限公司在分析了氙气金卤灯眩光过强的原因后，设计了一种球泡型的外壳结构(Fig.1)。这种灯泡与Fig.9所示灯泡的差异在于其外罩壳与电弧管球泡的对应部位不是直管而是一与电弧管球泡形状相似的球形泡壳。由于电弧管与外壳壁面为大致平行的球面曲面，在Fig.4所示2α角内电弧向任何方向辐射的光均以大致垂直的方位射向外罩壳的内壁面，因此反射率很低，大部分光将直接辐射出去，并经灯具聚集后进入前照光束。所以此种结构的灯的外罩壳与电弧管之间产生的沿轴向二端衰减漫延的杂散光比直管型外罩壳灯减少很多，眩光大幅下降。球形外罩壳的另一优点是电弧管的温度分布比较均匀、热稳定性高、参数稳定、光维持率提高、寿命也得以延长。

　　雪莱特专利灯与直管结构灯的另一不同在于灯顶端的封接方法(Fig.1、 Fig.4)。直管结构的灯是将外罩收缩与电弧管颈体熔封，该端头构成了灯内部向顶端漫延的杂散光的输出窗口。Fig1表明雪莱特专利灯泡，则是将电弧管颈体顶端向外翻边形成喇叭状、与外罩壳接触并融封。这既减少了灯内部的杂散光向前端的辐射、又缩短了灯泡高度，提高了抗震能力。此外这种球形外壳二端直管部分较细、用料较少、重量减轻，抗震能力相应提高。

　　为进行对比、挑选了参数相近的直管形外壳和球形外壳的车用氙气金卤灯各一只进行实测比较，直管形外罩壳灯为某著名公司产品，球泡形外壳灯为雪莱特生产。在距电弧管中心4m处测试了灯的光强和照度分布。实际测试结果如下：考虑到2α角(α=55°)以外的光不可能为灯具收集，而这部分光大部分由前述杂散光构成。另外考虑到以灯轴为轴的0°~10°及170°~180°立体角范围的光直接射向前(后)方与投射光束方向一致可以不计入眩光。测得的以灯轴为轴的10°~35°及145°~170°立体角以内直管形外罩壳灯的光辐射比球泡形外罩壳灯高118lm，这表明在10°~35°及145°~170°立体角以内直管外壳灯产生的眩光比球形外壳灯多118lm(增加13.8%)。而灯管二壁辐射的杂散光中还相当一部分离轴角度在35°~145°之间，这部分光也不可能为灯具收集到投射光束中，因此可见直管形外罩壳灯比球泡形外壳灯产生远超118lm的眩光。

　　对几种不同厂家的D1S型头灯灯具(其中包括某些名牌灯具)分别安装了两种不同外罩壳的灯进行了Fig.3所示的光形测试，所有结果都证明球形外壳灯比直管形外壳灯更符合标准要求。

　　Ⅶ 灯具和灯型的选择对降低眩光具有重要意义

　　前照灯具设计千姿百态，但其类型不出反射式和投射式二类：

　　1、反射式前灯灯具

　　为获得合适的光型，反射式灯具采用特殊设计的自由曲面(多曲面)光反射器，反射器不同部位的光按设计要求向指定方向反射，从而保证前照光束的照度分布符合法规要求。采用此类灯具时还必须在光源本身的特定部位涂敷特定形状的遮光涂层(Fig.11)，将该部位的光辐射完全遮断，才能使光形满足要求，这一特定涂层是保证光形符合要求的必要条件。

　　反射式灯具的自由曲面光反射器设计极为复杂，而其精确加工更为困难而昂贵，加以反射式灯具所采用光源(D1R、D2R、D3R、D4R)上的涂层形状尺寸要求极为严格且为飞利浦专利并非随意可用，涂层形状稍有偏离或灯安装位置略有偏差则光形将不符标准。因此反射式前照灯照明系统的采用正在逐渐减少。

　　2、投射式前灯灯具

　　投射式前照灯是在椭球形反射器灯具内侧的焦点上安置光源，在外焦点的外侧设置专门设计的凸透镜，凸透镜内侧焦点与椭球形反射器外焦点基本重叠，这样处于反射器内焦点的光源辐射的光经反射器和透镜聚焦后形成前向投射光束，在外焦点与透镜之间放置一按光形要求制成的遮光板遮去投向Fig.3 Ⅲ区的光。这种灯具较易提供符合要求的前照光束，也不需要在光源本身涂敷任何复杂的遮光涂层，不触接飞利浦专利，其应用已渐普及。欧洲、日本和我国较多采用投射式灯具。这种类型灯具的缺点是遮光较多，光效略低，但对于车用氙气金卤灯这种高效、高光通量光源这一缺点是可以承受的。此类前照灯具需采用投射即S型光源如D1S、D2S、D3S和D4S型灯。

　　D1S、D1R、D3S、D3R与D2S、D2R、D4S、D4R的不同在于前者是将高压触发装置设置在灯头内部，而后者的触发器则是设置在镇流器内。后种设计中高压触发脉冲经常干扰镇流器其他部分的正常运转，使镇流器的可靠性降低。当高压触发脉冲通过镇流器与灯头之间的连接线时，不仅会对外界产生干扰，连接线的分布电容和电感也将影响触发脉冲峰的幅值和脉宽,从而影响灯的触发。

　　ECE R 99的98年修订本中增添了D3S、D4S、D3R、D4R型灯，这些灯与D1S、D1R、D2S、D2R的差别在于前者为无汞灯，其灯压降从原来的85V±17伏降到42V±9V。这是为适用飞利浦公司发明的无汞灯的参数而修改的法规条款。一般说来42V的灯压降太低了，为保证35W的灯功率和3200lm的光通量，灯的工作电流必须成倍增加，使镇流器功耗也将成倍增加、运转时温度大幅升高、镇流器的可靠性降低。同时镇流器的体积和重量也大幅上升，给使用带来不便。

　　广东雪莱特公司发明了以硒代汞的车用无汞氙气金卤灯，其灯压降为60V±10V，此种无汞灯开发后将比上述无汞灯性能优越，必能得到更好的推广。

　　Ⅷ 镇流器

　　车用氙气金卤灯与电子镇流器是不可分割的配套装置，光源的性能必须有高质量电子镇流器的配合才能发挥，对镇流器的基本要求是：

　　1、 镇流器必须产生峰值达23KV，脉宽约数微秒的高压触发脉冲以保证灯的着火。

　　2、 镇流器的初始输出电流必须大于正常工作电流，其变化规律应在严格的程序控制之下，以满足1秒时输出额定光通亮的25%、4秒时达到80%额定光通亮的要求。

　　3、 为保证灯长寿命运转，镇流器必须恒功率输出，目前雪莱特镇流器的实际水平是35W±0.3W(标准要求为35W±3W)，这意味着镇流器必须自动补偿各种内外因素，当灯压降在(68V~102V)，范围变化、电源电压在(9~16V)范围变化、环境温度在(-40℃~105℃)变化时始终保持35W恒功率输出、漂移在0.3W以内，这对保证灯参数稳定和长寿命运转是必要条件。

　　4、 在9V~16V的电源电压范围内灯能正常启动，启动后因电池或电路原因使镇流器输入电压降低到6V时灯和镇流器仍能降低功率正常运转。

　　5、 镇流器需能长期承受115℃的高温烘烤。

　　6、 在各种最恶劣条件下镇流器必须稳定可靠运转3000小时以上。

　　镇流器任何指标的降低均将影响灯的正常运转，影响行车安全，因此其参数指标的保证是至关重要的，但目前市售镇流器的实际性能与此相距太远，必须慎重选择。

　　Ⅸ 结论

　　车用氙气金卤灯以其优异性能成为车辆前照光源的换代产品并在迅速发展，此种光源的内在质量是其优异性能的保证。生产、销售和使用这种灯的单位和个人必须把灯的质量放在最为重要的位置予以关注。

　　车用氙气金卤灯性能的发挥和保证与镇流器的性能质量密切相关，镇流器的质量与可靠性甚至比灯更为重要，否则再好的灯也无法正常发挥效用。

　　推广性能符合要求的车用氙气金卤灯与配套电子镇流器是解决当前极其繁忙的交通运输和环保、节能的重要环节之一，应成为汽车业界和照明业界共同的孜孜以求的目标。

　　车用氙气金卤灯及配套电子镇流器的应用和推广已超过10年历史，10年中其自身已得到极大发展和改进，这样的发展和改进仍在快速进行中，这是同行们应于密切关注的。

　　吁请政府有关职能部门大力促进车用氙气金卤灯的推广、普及，同时制止廉价劣质灯泡和镇流器的泛滥，这种泛滥祸害用户、扰乱市场又浪费了大量资源。

　　高强度放电灯是按所使用的放电类型——高气压弧光放电而命名的一类灯，车用氙气金卤灯只是其中一种，其他如氩气金卤灯、陶瓷金卤灯、高压钠灯、高压汞灯、高压氙灯、高压氪灯等均属高强度放电灯。高强度放电灯的英文名称为High Intensity Discharge Lamp，集其字首则成HID Lamp。HID灯是所有这些灯的统称。不少人把车用氙气金卤灯直接称为HID灯太含混了，一些人还将之称为氙大灯或更简单地称为氙灯也是不恰当的。HID灯中还有一种高压氙气放电灯，这种灯很久以前就已被命名为氙灯、但其中并未充入Hg和金属卤化物，结构和用途均不相同，可见氙灯的名称并不属于车用氙气金卤灯。

　　车用氙气金卤灯的发展途程并不平坦，早在上个世纪80年代初期就已有人提出设想。80年代中期开始认真研发，90年代初期始见端睨，90年代中期产品问世。当时这种灯尽管有着诸多优点，但初期产品的缺陷在所难免，因此在汽车行业很难为人接受。又经数年设计和工艺的改进，性能有了很大提高，汽车业界部分人士开始认识到这种灯的优越性，90年代中后期首先在日本及欧洲推开，然后拓展到台湾、韩国、东南亚等地，继而在我国东南沿海也出现了以氙气金卤灯代替卤素灯作前照灯的汽车，但因售价昂贵而难以推广。近数年来车用氙气金卤灯及电子镇流器性能更致完备，价格大幅降低，已经开始在全球加速推广。目前日、欧的新款车型已全部采用此种新灯，而旧车车灯的改装则以更大规模但无声地进行。自从2004年4月广东雪莱特的车用氙气金卤灯投产并迅速扩产以后这种灯的价格逐渐降低，加速了在我国以及全球的普及推广。可以预计在未来2~3年内国产车辆大部分将配套此种车灯，车用氙气金卤灯的春天已经到来。

　　Ⅲ 对汽车前照灯的基本要求

　　随着汽车工业的发展，车速加快、车流量不断增大，形成了日亦严重的交通问题。多年来交通事故一直是人类的头号杀手并且日趋严重。夜晚郊野由于视野不清，睹物不明，更成为车祸频发时区。据统计车辆夜晚行车时间平均不足总行车时间的20%，但发生的车祸则占40%以上。由此可见道路视见情况与行车安全密切关联，改进照明条件是减少车祸的有效措施。

　　现代城市中有完善的路灯系统，加以商铺鳞比栉次、夜晚总是灯火通明无处不亮，即使蔽巷漏街，道路照明亦无问题。但郊野通常并无路灯，完全依靠汽车自身光源照亮道路，因此车辆的自备照明系统对安全行车至为重要。车辆自备前照系统是指近光照明、远光照明和前雾灯照明，这是车辆郊外行驶时的主要也可能是仅有照明光源。此外刹车、转向等各种信号指示灯也是车辆必配的重要光源，但本文将不涉及。

　　对车辆前照灯光源的基本要求：

　　1、安全、高效、节能

　　车载能源特别是车载发电机容量的限制使车辆前照灯的功耗和电耗受到了制约，所以必须采用高效光源、在尽量低的能耗下取得尽可能好的照明效果。曾经或正在使用的几种车用前照灯光源的主要参数如下：

　　一只标准的35W车用氙气金卤灯的功耗仅为标准卤素灯的64%，而辐射光通量则为卤素灯的三倍，光效比卤素灯高4.5倍，寿命超过10倍，由此可见车辆前照灯的最佳选型必是氙气金卤灯。

　　车用氙气金卤灯的功耗小、体积小、光点也小，这使光利用率更高、灯具设计更为简单、体积更小，从而使汽车头部设计的自由度更大，更少需要考虑头灯的形状和体积。小的头灯可使车身更为流线型、车灯安置位置降低、灯俯角减小从而使光束的射程更远。在设计优良的灯具配合下标准车用氙气金卤灯的有效照射距离约200米，远远超过55W卤素灯，而右侧(右行车)照宽范围也超过卤素灯的一倍以上，其照亮情况示如Fig.2。

　　试验及计算结果表明，35W车用氙气金卤灯的照亮距离及宽度对时速120~150km/hr的车辆已经够了，能使驾车者有充分时间应对200m处的突发事件，保证行车安全。

　　2、严格的光型要求

　　当驾车者在风驰电掣驾车夜驶、前照光束划破夜空、远探200m内的路况时，其光束不应刺入对侧驶近的驾车者的眼帘构成眩光，否则可能酿成惨祸。因此对汽车前照灯的光形、照度分布和照亮范围有严格的规定。ECE R 98(对以气体放电灯为光源的汽车前照灯总成光束参数法规)有严格规定，严格执行这一法规是保证驾车安全的前提。

　　该法规规定在车辆前方25m处的竖直平面上的照度分布数据，右行车辆的照度要求示如Fig.3，图中标定的每一点都规定了照度范围，尤其是区域Ⅲ中(即图中H—HV—H2线以上区域)照度不能超过1lx，这是保证出射光束不至影响由对方驶近的驾车者视线的必要条件，同时驾车者有足够的视野，能看清前方200m及右侧足够宽的范围内各种事物和地面情况，避免事故的发生。这一要求除由精确设计并精密加工的前照灯灯具保证外，对光源也有非常苛刻的要求，这在欧共体法规ECE R 99中有严格规定。