汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙自燃自動(dòng)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(shù)學(xué)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(jìn)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(lái)了便捷的同時(shí)也產(chǎn)生了一些弊端，如汽車發(fā)生自燃現(xiàn)象，一旦發(fā)生自燃，火勢(shì)會(huì)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(xiàn)象因發(fā)動(dòng)機(jī)艙引起已普遍存在，同時(shí)這是汽車運(yùn)用行業(yè)的痛點(diǎn)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)自燃主要由火源、可燃物和助燃物引起[1]。其中，火源是關(guān)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?zé)嵩吹刃问酱嬖凇．?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，點(diǎn)火電路可能會(huì)因漏電發(fā)生跳火，或發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的電器線路接觸不良等引起電火花的產(chǎn)生；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體表面溫度急劇升高，在可燃物靠近情況下出現(xiàn)明火，以上均為火源產(chǎn)生的途徑。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)一旦自燃起火，最佳撲救滅火時(shí)間很短，采用傳統(tǒng)的人工滅火方式無(wú)法監(jiān)測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的著火情況，不能在著火初期實(shí)施滅火。因此，研究出一款能監(jiān)測(cè)到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)著火情況和能在著火初期進(jìn)行精確滅火的裝置已成為當(dāng)務(wù)之急。

自動(dòng)滅火系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火情，精準(zhǔn)滅火的能力，廣泛應(yīng)用于汽車自動(dòng)滅火中。大量研究表明，采用自動(dòng)滅火系統(tǒng)可以對(duì)汽車的自燃及時(shí)撲滅。季曉龍等[2]開(kāi)發(fā)了一款汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙自動(dòng)滅火裝置，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)的時(shí)，火焰?zhèn)鞲衅骱蜔熿F傳感器能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能，將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳輸給微控制器；微控制器根據(jù)探測(cè)火災(zāi)信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行判斷處理，啟動(dòng)駕駛室蜂鳴器和報(bào)警燈，通過(guò)控制電磁繼電器驅(qū)動(dòng)滅火器，使得滅火劑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行滅火。熊昆等[3]研發(fā)了一種發(fā)動(dòng)機(jī)艙自動(dòng)滅火裝置，該系統(tǒng)中自動(dòng)滅火裝置采用多個(gè)火焰?zhèn)鞲衅鲗?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)火情進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并利用arduino 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。當(dāng)發(fā)現(xiàn)火情時(shí)，可驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使滅火器釋放滅火材料，從而進(jìn)行滅火的作用。鮑曉東等[4]研發(fā)了一款對(duì)新能源汽車自動(dòng)滅火的裝置。當(dāng)電池箱內(nèi)出現(xiàn)過(guò)載或短路等原因引起電池環(huán)境快速升溫或起火時(shí)，通過(guò)氣體探測(cè)器和感溫電纜給司機(jī)提醒檢查，在司機(jī)確認(rèn)火情后，按下火災(zāi)報(bào)警裝置并啟動(dòng)氣溶膠滅火器，對(duì)電池箱滅火。馮加軒等[5]開(kāi)發(fā)了一款車用自動(dòng)滅火裝置，通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)附近加裝感煙探測(cè)器、火焰探測(cè)器和滅火氣體，當(dāng)探測(cè)器檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生自燃時(shí)，將信號(hào)傳送給滅火控制器，此后控制器發(fā)出警報(bào)信號(hào)，并開(kāi)啟滅火器上的電磁閥，滅火劑迅速噴出，從而實(shí)現(xiàn)滅火的目的?？梢?jiàn)，目前關(guān)于燃油汽車的自動(dòng)滅裝置的設(shè)計(jì)仍停留在針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙發(fā)生火情時(shí)的預(yù)判和滅火；關(guān)于新能源汽車上的自動(dòng)滅火裝置的開(kāi)發(fā)是利用氣體傳感器和溫度傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，傳送到控制器，再由控制發(fā)出警示提醒司機(jī)按下自動(dòng)滅火器按鈕的過(guò)程。尚未做到通過(guò)煙霧或溫度的變化對(duì)滅火起到提前預(yù)判和完全自動(dòng)滅火的過(guò)程。為此，設(shè)計(jì)一款因溫度、煙霧變化及產(chǎn)生火焰時(shí)的自動(dòng)滅火裝置，以解決目前汽車因發(fā)動(dòng)機(jī)艙引起火災(zāi)。

1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙自燃原因

根據(jù)查閱相關(guān)資料和調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)發(fā)生自燃的原因主要有汽車電器設(shè)備起火和汽車燃油系統(tǒng)起火兩種。

1.1 汽車電器設(shè)備起火原因分析

因汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)安裝有不同類型的電器設(shè)備和線路，易出現(xiàn)油電混存[7]，從而引起汽車起火，常見(jiàn)的原因有3 種：（1）駕駛員在長(zhǎng)期使用過(guò)程，導(dǎo)致汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度較高，易加快艙內(nèi)的線路老化；（2）其他原因?qū)е掳l(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)線路的絕緣層受損；（3）車主加裝電器元件或更改線路，導(dǎo)致艙內(nèi)線路出現(xiàn)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(xiàn)油路接頭松動(dòng)，導(dǎo)致油液泄露，在汽車長(zhǎng)時(shí)間的行使過(guò)程和高溫暴曬過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)易產(chǎn)生大量熱量的情況下，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙很容易引起自燃[8]。

2 自動(dòng)滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，市面上的汽車大部分沒(méi)有裝配車載自動(dòng)滅火裝置，在汽車出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)駕駛員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)。當(dāng)要滅火時(shí)，需要打開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋，使得相對(duì)密閉的發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)入大量的空氣，增加了艙內(nèi)的火情，導(dǎo)致駕駛員手持滅火器的難度增加。針對(duì)這一問(wèn)題，本研究研發(fā)了一款發(fā)動(dòng)機(jī)艙自燃自動(dòng)滅火系統(tǒng)，彌補(bǔ)了手動(dòng)滅火器的不足。這種新型汽車自動(dòng)滅火器采用三種類型的監(jiān)測(cè)探頭安裝在新能源汽車電池模組內(nèi)部，利用傳感器監(jiān)測(cè)電池模組內(nèi)部情況，能及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)電池模組內(nèi)部火情，并啟動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)滅火系統(tǒng)將火撲滅。

2.1 自動(dòng)滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

自動(dòng)滅火系統(tǒng)是在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)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(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的溫度、煙霧和火焰進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖1 所示。當(dāng)監(jiān)測(cè)到溫度達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)艙可燃點(diǎn)和煙霧出現(xiàn)時(shí)，溫度傳感器和煙霧傳感器分別給控制模塊發(fā)送信號(hào)，控制模塊收到信號(hào)進(jìn)行處理分析，并通過(guò)兩位三通閥給報(bào)警器發(fā)送指令，把傳送報(bào)警信號(hào)給駕駛員，提醒駕駛員停車檢查。當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅魈筋^檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)有火焰燃燒時(shí)，火焰?zhèn)鞲衅鹘o控制模塊發(fā)送火焰報(bào)警信號(hào)，控制模塊分析火焰?zhèn)鞲衅靼l(fā)送信號(hào)的探頭位置，控制模塊再發(fā)送工作指令給兩位三通閥，進(jìn)而兩位三通閥通電打開(kāi)水基型滅火器開(kāi)關(guān)，由滅火器噴出的滅火水，通過(guò)高壓管路輸送到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)對(duì)著火點(diǎn)進(jìn)行精確滅火。此外，為了避免自動(dòng)滅火系統(tǒng)失效，需在駕駛室設(shè)置機(jī)械啟動(dòng)裝置。

圖1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙自燃自動(dòng)滅火控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 自動(dòng)滅火系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 SCT89C51 微處理器控制模塊

該系統(tǒng)選用SCT89C51 單片機(jī)作為自動(dòng)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(chǔ)器，最高運(yùn)作頻率35 Mh，集成512 字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，3 個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，自帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）功能。這種高效控制器為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙自燃自動(dòng)滅火控制系統(tǒng)提供嵌入式控制方案。

2.2.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙監(jiān)測(cè)傳輸模塊

由于汽車在行駛過(guò)程中駕駛員不能隨時(shí)了解汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部的情況。因此，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用溫度、煙霧、火焰三種類型的傳感器作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙監(jiān)測(cè)傳輸模塊（圖3），對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及傳輸信號(hào)，確保駕駛員能及時(shí)了解發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)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(cè)范圍為-200～850 ℃，可通過(guò)電位器調(diào)節(jié)溫度閾值，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的燃燒值，可有效地監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度是否達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的燃燒值。若達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的燃燒值，則傳輸信號(hào)給駕駛室內(nèi)的報(bào)警器報(bào)警，提醒駕駛?cè)藛T停車檢查，排除發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)自燃的情況。煙霧傳感器選用MQ-2 氣體傳感器，監(jiān)測(cè)可燃?xì)怏w與煙霧范圍為100～10000 ppm，MQ-2 煙霧傳感器由一個(gè)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(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)煙霧濃度增加時(shí)，敏感元件的導(dǎo)電率會(huì)隨著煙霧濃度增加而增加，此時(shí)輸出的電阻減小，輸出的模擬信號(hào)越大。當(dāng)超過(guò)規(guī)定值時(shí)，通過(guò)控制模塊將報(bào)警信息傳遞到駕駛室內(nèi)的報(bào)警裝置，提醒車內(nèi)駕駛員停車檢查?；鹧?zhèn)鞲衅鬟x用HY-A1 火焰?zhèn)鞲衅?，其?duì)應(yīng)火焰溫度的紅外波長(zhǎng)范圍為690～1100 nm，當(dāng)紅外波長(zhǎng)為870 nm 時(shí)火焰?zhèn)鞲衅黛`敏度最好，完全滿足對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的監(jiān)控。

圖3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙監(jiān)測(cè)傳輸模塊電路

2.2.3 報(bào)警、手動(dòng)控制裝置

基于自動(dòng)滅火系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、報(bào)警提示、自動(dòng)滅火和緊急控制的功能，在該系統(tǒng)中設(shè)置報(bào)警裝置如圖4 所示。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)艙監(jiān)測(cè)模塊中的溫度和煙霧傳感器監(jiān)測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度達(dá)到可燃點(diǎn)或出現(xiàn)煙霧異常情況時(shí)，溫度和煙霧傳感器發(fā)送信號(hào)給微處理器控制模塊分析，并報(bào)警提示駕駛員下車檢車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的異常。當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)產(chǎn)生火焰時(shí)，傳感器發(fā)送信號(hào)給微處理器控制模塊分析，并啟動(dòng)自動(dòng)滅火系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)產(chǎn)生火焰的位置進(jìn)行精確的滅火。為了防止發(fā)動(dòng)機(jī)艙在燃燒過(guò)后溫度過(guò)高會(huì)出現(xiàn)二次燃燒的風(fēng)險(xiǎn)，特設(shè)計(jì)了純機(jī)械式端口與發(fā)動(dòng)機(jī)艙高壓輸送管路相連接，在自動(dòng)滅火裝置使用過(guò)后出現(xiàn)二次復(fù)燃，采用機(jī)械式端口與備用滅火器連接和人工操作進(jìn)行二次滅火。

圖4 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙報(bào)警模塊電路

2.2.4 滅火器選擇

對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙常見(jiàn)的失火原因分析結(jié)果表明，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)自燃原因主要有汽車電器設(shè)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(zāi)。根據(jù)滅火劑使用撲救原則，目前國(guó)內(nèi)符合A、B、E 類火災(zāi)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(shí)驗(yàn)得出超細(xì)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(gè)2 kg 超細(xì)干粉滅火劑作為滅火材料，超細(xì)干粉滅火劑噴射距離約為5 m，質(zhì)保5 年，能有效地通過(guò)高壓管路噴入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，進(jìn)行有效的滅火。

2.3 自動(dòng)滅火程序操作系統(tǒng)

采用Keil uVision 軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，通過(guò)焊接自動(dòng)滅火系統(tǒng)SCT89C51 單片機(jī)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?qū)懭氲接布纹瑱C(jī)電路中，通過(guò)主程序操作系統(tǒng)按照總體程序流程設(shè)計(jì)進(jìn)行命令操作，自動(dòng)滅火系統(tǒng)的流程如圖5 所示。在報(bào)警值初始化開(kāi)始時(shí)，系統(tǒng)的傳感器工作，當(dāng)煙霧傳感器和溫度傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)大于規(guī)定的煙霧濃度和溫度時(shí)，聲光報(bào)警裝置報(bào)警，當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)有火焰產(chǎn)生時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)滅火控制裝置實(shí)行滅火。

圖5 總體程序設(shè)計(jì)流程圖

3 自動(dòng)滅火系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)證

基于以上設(shè)計(jì)建立自動(dòng)滅火系統(tǒng)。現(xiàn)將自動(dòng)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(duì)其發(fā)動(dòng)機(jī)艙自燃自動(dòng)滅火控制調(diào)試驗(yàn)證。其中，當(dāng)自動(dòng)滅火系統(tǒng)的火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)產(chǎn)生火焰時(shí)，能啟動(dòng)自動(dòng)滅火裝置進(jìn)行滅火過(guò)程；在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度和煙霧異常時(shí)，會(huì)出現(xiàn)報(bào)警環(huán)節(jié)；自動(dòng)滅火系統(tǒng)溫度和煙霧傳感器檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的溫度和煙霧超過(guò)規(guī)定值會(huì)報(bào)警駕駛員。

根據(jù)多次驗(yàn)證分析可知，本研究關(guān)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙自動(dòng)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(guò)75.0%，其驗(yàn)證效果見(jiàn)表1。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)艙自動(dòng)滅火控制系統(tǒng)可滿足現(xiàn)代汽車在自燃起火情況下，能夠有效進(jìn)行報(bào)警或精準(zhǔn)滅火。表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足技術(shù)要求。

表1 實(shí)車調(diào)試驗(yàn)證結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

采用STC89C5l 單片機(jī)配合開(kāi)發(fā)多種類型傳感器研制出一款汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙自燃自動(dòng)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(dòng)機(jī)艙檢測(cè)傳輸模塊、報(bào)警、手動(dòng)控制裝置等構(gòu)成。其可在汽車駕駛過(guò)程中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且及時(shí)發(fā)現(xiàn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的溫度、煙霧的變化。通過(guò)微處理器分析并精確判斷發(fā)動(dòng)機(jī)艙火焰燃燒位置，以實(shí)現(xiàn)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(cái)產(chǎn)損失。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)滅火系統(tǒng)的研究與使用，可進(jìn)一步提升汽車使用的安全性。