汽車發(fā)動機艙自燃自動滅火控制系統(tǒng)的研究

夏 明，廖俊生，朱洪印，李華棋，許 松

（廣西交通職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

隨著人們生活水平的提高，汽車已普遍走進了大眾家庭，并成為人們出行的重要交通工具。然而汽車給出行帶來了便捷的同時也產生了一些弊端，如汽車發(fā)生自燃現象，一旦發(fā)生自燃，火勢會迅速席卷整輛，從而給乘車人員生命安全造成極大的威脅。目前，車輛自燃現象因發(fā)動機艙引起已普遍存在，同時這是汽車運用行業(yè)的痛點。汽車發(fā)動機自燃主要由火源、可燃物和助燃物引起[1]。其中，火源是關鍵因素，其可以以多種形式存在，如電火花、火星、明火以及高溫熱源等形式存在。當發(fā)動機啟動時，點火電路可能會因漏電發(fā)生跳火，或發(fā)動機內部的電器線路接觸不良等引起電火花的產生；當發(fā)動機機體表面溫度急劇升高，在可燃物靠近情況下出現明火，以上均為火源產生的途徑。汽車發(fā)動機艙內一旦自燃起火，最佳撲救滅火時間很短，采用傳統(tǒng)的人工滅火方式無法監(jiān)測到發(fā)動機艙內的著火情況，不能在著火初期實施滅火。因此，研究出一款能監(jiān)測到汽車發(fā)動機艙內著火情況和能在著火初期進行精確滅火的裝置已成為當務之急。

自動滅火系統(tǒng)具有實時監(jiān)測火情，精準滅火的能力，廣泛應用于汽車自動滅火中。大量研究表明，采用自動滅火系統(tǒng)可以對汽車的自燃及時撲滅。季曉龍等[2]開發(fā)了一款汽車發(fā)動機艙自動滅火裝置，當發(fā)生火災的時，火焰?zhèn)鞲衅骱蜔熿F傳感器能實現自動監(jiān)測功能，將監(jiān)測到的信號傳輸給微控制器；微控制器根據探測火災信號，對其進行判斷處理，啟動駕駛室蜂鳴器和報警燈，通過控制電磁繼電器驅動滅火器，使得滅火劑對發(fā)動機艙進行滅火。熊昆等[3]研發(fā)了一種發(fā)動機艙自動滅火裝置，該系統(tǒng)中自動滅火裝置采用多個火焰?zhèn)鞲衅鲗Πl(fā)動機艙內火情進行監(jiān)測，并利用arduino 單片機進行數據分析處理。當發(fā)現火情時，可驅動舵機轉動，使滅火器釋放滅火材料，從而進行滅火的作用。鮑曉東等[4]研發(fā)了一款對新能源汽車自動滅火的裝置。當電池箱內出現過載或短路等原因引起電池環(huán)境快速升溫或起火時，通過氣體探測器和感溫電纜給司機提醒檢查，在司機確認火情后，按下火災報警裝置并啟動氣溶膠滅火器，對電池箱滅火。馮加軒等[5]開發(fā)了一款車用自動滅火裝置，通過在發(fā)動機附近加裝感煙探測器、火焰探測器和滅火氣體，當探測器檢測到發(fā)動機發(fā)生自燃時，將信號傳送給滅火控制器，此后控制器發(fā)出警報信號，并開啟滅火器上的電磁閥，滅火劑迅速噴出，從而實現滅火的目的?？梢?，目前關于燃油汽車的自動滅裝置的設計仍停留在針對發(fā)動機艙發(fā)生火情時的預判和滅火；關于新能源汽車上的自動滅火裝置的開發(fā)是利用氣體傳感器和溫度傳感器檢測到的信號，傳送到控制器，再由控制發(fā)出警示提醒司機按下自動滅火器按鈕的過程。尚未做到通過煙霧或溫度的變化對滅火起到提前預判和完全自動滅火的過程。為此，設計一款因溫度、煙霧變化及產生火焰時的自動滅火裝置，以解決目前汽車因發(fā)動機艙引起火災。

1 汽車發(fā)動機艙自燃原因

根據查閱相關資料和調查數據顯示，汽車發(fā)動機艙內發(fā)生自燃的原因主要有汽車電器設備起火和汽車燃油系統(tǒng)起火兩種。

1.1 汽車電器設備起火原因分析

因汽車發(fā)動機艙內安裝有不同類型的電器設備和線路，易出現油電混存[7]，從而引起汽車起火，常見的原因有3 種：（1）駕駛員在長期使用過程，導致汽車發(fā)動機艙內溫度較高，易加快艙內的線路老化；（2）其他原因導致發(fā)動機艙內線路的絕緣層受損；（3）車主加裝電器元件或更改線路，導致艙內線路出現短路，從而引起明火。

1.2 汽車燃油系統(tǒng)起火原因分析

常年使用的汽車易出現油路接頭松動，導致油液泄露，在汽車長時間的行使過程和高溫暴曬過程發(fā)動機艙內易產生大量熱量的情況下，汽車發(fā)動機艙很容易引起自燃[8]。

2 自動滅火系統(tǒng)設計

目前，市面上的汽車大部分沒有裝配車載自動滅火裝置，在汽車出現火災時駕駛員不能及時發(fā)現火災。當要滅火時，需要打開發(fā)動機艙蓋，使得相對密閉的發(fā)動機艙進入大量的空氣，增加了艙內的火情，導致駕駛員手持滅火器的難度增加。針對這一問題，本研究研發(fā)了一款發(fā)動機艙自燃自動滅火系統(tǒng)，彌補了手動滅火器的不足。這種新型汽車自動滅火器采用三種類型的監(jiān)測探頭安裝在新能源汽車電池模組內部，利用傳感器監(jiān)測電池模組內部情況，能及時有效的發(fā)現電池模組內部火情，并啟動報警和自動滅火系統(tǒng)將火撲滅。

2.1 自動滅火系統(tǒng)設計思路

自動滅火系統(tǒng)是在汽車發(fā)動機艙內安裝溫度傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅魅N監(jiān)控探頭，利用溫度傳感器、煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅魈筋^分別對汽車發(fā)動機艙內的溫度、煙霧和火焰進行監(jiān)測，如圖1 所示。當監(jiān)測到溫度達到發(fā)動機艙可燃點和煙霧出現時，溫度傳感器和煙霧傳感器分別給控制模塊發(fā)送信號，控制模塊收到信號進行處理分析，并通過兩位三通閥給報警器發(fā)送指令，把傳送報警信號給駕駛員，提醒駕駛員停車檢查。當火焰?zhèn)鞲衅魈筋^檢測到發(fā)動機艙內有火焰燃燒時，火焰?zhèn)鞲衅鹘o控制模塊發(fā)送火焰報警信號，控制模塊分析火焰?zhèn)鞲衅靼l(fā)送信號的探頭位置，控制模塊再發(fā)送工作指令給兩位三通閥，進而兩位三通閥通電打開水基型滅火器開關，由滅火器噴出的滅火水，通過高壓管路輸送到汽車發(fā)動機艙內對著火點進行精確滅火。此外，為了避免自動滅火系統(tǒng)失效，需在駕駛室設置機械啟動裝置。

圖1 汽車發(fā)動機艙自燃自動滅火控制系統(tǒng)結構圖

2.2 自動滅火系統(tǒng)硬件設計

2.2.1 SCT89C51 微處理器控制模塊

該系統(tǒng)選用SCT89C51 單片機作為自動滅火系統(tǒng)的控制模塊，如圖2 所示。STC89C51 是一種低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，在單芯片上，具有8位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器，最高運作頻率35 Mh，集成512 字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，3 個16位定時器/計數器，自帶電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）功能。這種高效控制器為汽車發(fā)動機艙自燃自動滅火控制系統(tǒng)提供嵌入式控制方案。

2.2.2 汽車發(fā)動機艙監(jiān)測傳輸模塊

由于汽車在行駛過程中駕駛員不能隨時了解汽車發(fā)動機艙內部的情況。因此，該系統(tǒng)設計采用溫度、煙霧、火焰三種類型的傳感器作為汽車發(fā)動機艙監(jiān)測傳輸模塊（圖3），對發(fā)動機艙內進行實時監(jiān)測及傳輸信號，確保駕駛員能及時了解發(fā)動機艙內部的情況。該模塊溫度傳感器選用PT100 熱敏電阻溫度傳感器，監(jiān)測范圍為-200～850 ℃，可通過電位器調節(jié)溫度閾值，調節(jié)發(fā)動機艙內的燃燒值，可有效地監(jiān)測發(fā)動機艙內溫度是否達到發(fā)動機艙內的燃燒值。若達到發(fā)動機艙內的燃燒值，則傳輸信號給駕駛室內的報警器報警，提醒駕駛人員停車檢查，排除發(fā)動機艙內自燃的情況。煙霧傳感器選用MQ-2 氣體傳感器，監(jiān)測可燃氣體與煙霧范圍為100～10000 ppm，MQ-2 煙霧傳感器由一個外部電路和敏感元件組成。敏感元件由金屬氧化物組成，表面涂有金屬電極。當汽車發(fā)動機艙內煙霧濃度增加時，敏感元件的導電率會隨著煙霧濃度增加而增加，此時輸出的電阻減小，輸出的模擬信號越大。當超過規(guī)定值時，通過控制模塊將報警信息傳遞到駕駛室內的報警裝置，提醒車內駕駛員停車檢查。火焰?zhèn)鞲衅鬟x用HY-A1 火焰?zhèn)鞲衅?，其對應火焰溫度的紅外波長范圍為690～1100 nm，當紅外波長為870 nm 時火焰?zhèn)鞲衅黛`敏度最好，完全滿足對發(fā)動機艙內的監(jiān)控。

圖3 汽車發(fā)動機艙監(jiān)測傳輸模塊電路

2.2.3 報警、手動控制裝置

基于自動滅火系統(tǒng)能夠實現自動監(jiān)測、報警提示、自動滅火和緊急控制的功能，在該系統(tǒng)中設置報警裝置如圖4 所示。當發(fā)動機艙監(jiān)測模塊中的溫度和煙霧傳感器監(jiān)測到發(fā)動機艙內溫度達到可燃點或出現煙霧異常情況時，溫度和煙霧傳感器發(fā)送信號給微處理器控制模塊分析，并報警提示駕駛員下車檢車發(fā)動機艙內的異常。當火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測到發(fā)動機艙內產生火焰時，傳感器發(fā)送信號給微處理器控制模塊分析，并啟動自動滅火系統(tǒng)對發(fā)動機艙內產生火焰的位置進行精確的滅火。為了防止發(fā)動機艙在燃燒過后溫度過高會出現二次燃燒的風險，特設計了純機械式端口與發(fā)動機艙高壓輸送管路相連接，在自動滅火裝置使用過后出現二次復燃，采用機械式端口與備用滅火器連接和人工操作進行二次滅火。

圖4 汽車發(fā)動機艙報警模塊電路

2.2.4 滅火器選擇

對汽車發(fā)動機艙常見的失火原因分析結果表明，汽車發(fā)動機艙內自燃原因主要有汽車電器設備起火和汽車燃油系統(tǒng)起火兩種，主要涉及A、B、E 類火災。根據滅火劑使用撲救原則，目前國內符合A、B、E 類火災撲救原則的主要有干粉滅火劑、鹵代烷滅火劑、二氧化碳滅火劑。由實驗得出超細干粉滅火劑滅火速率分別是鹵代烷滅火劑的2.5 倍和二氧化碳滅火劑的4 倍。因此，該系統(tǒng)選用2 個2 kg 超細干粉滅火劑作為滅火材料，超細干粉滅火劑噴射距離約為5 m，質保5 年，能有效地通過高壓管路噴入發(fā)動機艙內，進行有效的滅火。

2.3 自動滅火程序操作系統(tǒng)

采用Keil uVision 軟件進行程序設計，通過焊接自動滅火系統(tǒng)SCT89C51 單片機與溫度、煙霧、火焰三種傳感器硬件電路，并將在Keil uVision 軟件編寫好的程序寫入到硬件單片機電路中，通過主程序操作系統(tǒng)按照總體程序流程設計進行命令操作，自動滅火系統(tǒng)的流程如圖5 所示。在報警值初始化開始時，系統(tǒng)的傳感器工作，當煙霧傳感器和溫度傳感器檢測數據大于規(guī)定的煙霧濃度和溫度時，聲光報警裝置報警，當火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到發(fā)動機艙內有火焰產生時，啟動自動滅火控制裝置實行滅火。

圖5 總體程序設計流程圖

3 自動滅火系統(tǒng)調試驗證

基于以上設計建立自動滅火系統(tǒng)?，F將自動滅火系統(tǒng)分別安裝在大眾途觀、別克英朗和豐田卡羅拉轎車三款不同車型上，并對其發(fā)動機艙自燃自動滅火控制調試驗證。其中，當自動滅火系統(tǒng)的火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到發(fā)動機艙內產生火焰時，能啟動自動滅火裝置進行滅火過程；在發(fā)動機艙內溫度和煙霧異常時，會出現報警環(huán)節(jié)；自動滅火系統(tǒng)溫度和煙霧傳感器檢測到發(fā)動機艙內的溫度和煙霧超過規(guī)定值會報警駕駛員。

根據多次驗證分析可知，本研究關于汽車發(fā)動機艙自動滅火控制系統(tǒng)不論在溫度、煙霧或是在火焰的工作條件下，其控制效果超過75.0%，其驗證效果見表1。因此，發(fā)動機艙自動滅火控制系統(tǒng)可滿足現代汽車在自燃起火情況下，能夠有效進行報警或精準滅火。表明該系統(tǒng)設計滿足技術要求。

表1 實車調試驗證結果

4 結語

采用STC89C5l 單片機配合開發(fā)多種類型傳感器研制出一款汽車發(fā)動機艙自燃自動滅火控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由SCT89C51 微處理器控制模塊、發(fā)動機艙檢測傳輸模塊、報警、手動控制裝置等構成。其可在汽車駕駛過程中對發(fā)動機艙內進行實時監(jiān)測，且及時發(fā)現汽車發(fā)動機艙內的溫度、煙霧的變化。通過微處理器分析并精確判斷發(fā)動機艙火焰燃燒位置，以實現精確滅火，從而保證駕駛員及乘客的人身安全，降低車主的財產損失。汽車發(fā)動機自動滅火系統(tǒng)的研究與使用，可進一步提升汽車使用的安全性。