汽车自燃频发的原因与新型车用自燃抑制系统的开发

傅春耘

（重庆大学机械工程学院车辆工程系，重庆400044）

1 背景

随着中国经济的高速发展，越来越多的私家车走进寻常百姓家。私家车在给车主带来极大方便的同时，也产生了各种安全隐患。其中，汽车自燃便是近年来出现频率很高的一种现象。汽车由于油路破损，电路故障，润滑条件差，冷却系统故障，高温条件下长时间高速运行等原因，极易发生自燃事故，给乘车人的生命及车辆本身带来毁灭性的损害。

让我们来看一组鲜活的案例：

2009年3月28日下午，鄂尔多斯市伊金霍洛旗西街，一辆崭新的君威轿车在行驶途中发生自燃，消防车赶到后将火扑灭，但车身前部发动机舱已全部烧毁。网友评论：“看到这款所谓高科技的新君威车开了没多长时间就自燃，我们还敢买吗？”

即使是价值超百万的新悍马车也难逃自燃的厄运。2009年2月15日上午11时50分，一辆价值140多万的悍马H2豪车，

行至渝武高速合川凤凰湾大桥路段时引擎盖突然起火，最终烧成光架子。车主称该车是2007年7月才购买的，裸车116万，加上各种费用，总计花了140多万元。“才跑两万多公里的新车，怎么无缘无故起火！”他说，“当时车刚起步不久，时速100公里上下，发生自燃不合常理。”

炎热的夏季是汽车自燃事故的高发季节，特别在重庆这种以夏季高温闻名的火炉城市更是如此。2009年9月3日下午3时10分左右，渝A28976的120路公交车行至重庆菜园坝南区路140号时发生自燃，车辆全部烧毁，7名乘客轻伤。

同日，中午1时许，渝A25000的奔驰S600轿车在重庆南岸区海峡路中石油加油站自燃，所幸工作人员及时正确处置，才避免酿成大祸。当天，在重庆工商大学后门的南岸区广黔路上，一辆载重货车行驶中自燃，车身损毁严重。也是当天，重庆渝北区两路也发生一起轿车自燃事故。同一天在同一个城市发生如此多起汽车自燃事故，令人触目惊心，感触颇深。

从以上活生生的例子，我们看到发生自燃的汽车是不分新旧不论档次的，而且汽车自燃会给人们的生命财产带来巨大的损失。统计显示汽车自燃事故的损害后果比大多数的交通事故的后果要严重得多，许多汽车自燃事故的后果都是整车全毁。

但迄今为止，人们对汽车自燃的产生机理及汽车自燃严重后果的认识还比较肤浅，相关的理论研究也比较缺乏。许多车主都把汽车自燃看成是运气不好，当汽车发生自燃时，车上小小的灭火器也只是杯水车薪，无济于事，人们只能仓皇地逃离事故车。

2 汽车自燃原因分析

在探讨防止汽车自燃的可行性方案之前，本文先分析引起汽车自燃的主要原因。汽车自燃主要分为五方面的原因：电路故障、油路破损，高温条件、润滑条件差，冷却系统故障。

2.1 电路故障

电路故障是引起汽车自燃的主要原因之一。首先，许多新车主热衷对新车电路进行更改，如换装高档音箱、配备防盗器、安装倒车雷达、改装氙灯等。如果改装者技术水平有限，就不会去分析车辆线路的布置结构，更不会考虑对不同线路的功率进行计算，从而决定由哪里获取电源更为安全。于是随意乱引电线，负荷大的地方不加保险，易摩擦处也未有效固定等，从而埋下汽车自燃的祸根［1］；其次，汽车使用年限较长时（通常汽车使用6年以上就进入老年期），管线老化，易出现破损松动，引发电路短路，引起自燃，一些使用年限长且线路残旧和线路排列混乱的单线制车辆尤其危险；再次，车上电器、开关等的插接头（或连接头）松动或脱落时，特别是点火开关、蓄电池、起动继电器、起动机等大电流电器件的接线柱、导线的连接、绝缘等不可靠时，极易引发自燃事故；此外，运动零件，车架、油箱、坐垫等油漆件，以及易漏油件和易燃物周围的导线、插接头、开关件、线夹等处有破皮等情况出现时，也容易引发火灾；最后一点，汽车上的保险丝对电路起保护作用，即在电路短路瞬间产生大电流时保险丝会迅速熔断，从而使电流断路。但如果保险丝太大，例如有人用铜线代替标准保险丝，导致保护功能丧失，极有可能在电路发生短路时酿成火灾。

2.2 油路破损

从油路方面来看，汽车燃油在进入喷油器前都要经过油泵进行加压，因此燃油管道长时间工作在高压条件下，如果油路发生堵塞（如加了劣质燃油），就会引起燃油管道压力过大，极易造成管道破损，此外，在油管老化或者被刮伤的情况下，也易破损漏油。如果汽油蒸发控制系统（EVAP）中炭罐的活性炭粒孔被进入炭罐的空气中的杂质堵塞，则容易导致油箱内气压过大，造成油箱内铆接口出现裂痕，引起漏油，若温度过高或碰到火花就会引起自燃。在部分老式的化油器式汽车上，汽油滤清器多安装在发动机舱内，距离发动机缸体以及分电器很近，如加上夏季高温，汽油滤清器的连接油管因为受热而变形，使得原来温度低时连接很紧的软管受热变形、变松，导致汽油泄漏，引发自燃。

2.3 高温条件

引起自燃的外界因素是高温天气。盛夏季节，在阳光的照射下，车厢内温度可达50℃以上，尤其是黑色内饰的车。车内的香水、打火机等在阳光的直射下很容易达到燃点而被引爆，引起自燃［2］。夏季高温还会加速管线老化破损，油料渗漏挥发，电路短路，引起自燃。

2.4 润滑条件差

汽车零部件润滑条件变坏，将导致零部件工作状况恶化，温度升高［3］。例如，载重车辆长时间行驶，半轴轴承温度过高可能引燃润滑油，并进一步引发轮胎燃烧。2009年12月5日零时20分赣G17951大货车满载5吨黑火药在京朱高速湖北段1125公里处时就因此原因自燃并发生爆炸，致使4人死亡，6人受伤。车辆完全损毁，旁边2辆卡车被掀翻，受损严重。

2.5 冷却系统故障

实践中还发现，若汽车发动机冷却系统出现故障，导致发动机冷却条件迅速恶化，工作温度急剧升高，使缸壁润滑条件变坏（磨损加剧），活塞和活塞环热膨胀增大（磨损阻力增大甚至咬死），出现爆震和早燃，严重时，发动机过高的温度还会使电路和燃油系统迅速老化，引发自燃。

总之，引起汽车自燃的因素看似平常，但往往被车主忽略，从而埋下自燃隐患，特别是对那些不懂汽车原理的新车主更是如此。

3 新型车用自燃抑制系统的开发

从上述事实看出，研制一种针对汽车的自燃抑制装置是十分必要的。在技术层面上，我们要求这种装置能够在汽车有自燃趋势时，或者在汽车发生自燃的初期，能够将自燃抑制住，不让其发展为大火，以杜绝车毁人亡。

3.1 研究现状分析

事实上，2009年成都“6.5”公交特大燃烧惨案之后，人们已经开始了这方面的探索。2009年7月，重庆市首批公交客车灭火弹在冠忠（新城）公司的24台后置引擎公交车中投入使用。公司人员介绍：“引擎是车辆最易发生火险的部位，而后置引擎由于安装在车辆尾部，火险发生初期很不容易被发现，待火险被发现时，已酿成火灾。这次上岗的灭火弹由温度传感器、壳体、铝膜、超细干粉灭火剂构成。一旦引擎发生火焰，灭火弹将产生大量惰性气体，同时喷射出大量超细灭火干粉，很快将火扑灭，保证乘客和车辆的安全”。

上述的灭火装置在客车起火时能起到较好的灭火作用，但它存在如下问题：首先，这种装置体积大，只适用于大型汽车的发动机舱。其次，该装置只起灭火作用，而未能及时将火情通知驾驶员，这可能使驾驶员在灭火弹引爆后仍对火势一无所知。最重要的是，灭火弹引爆后，发动机的温度迅速降低，极有可能熄火。若车辆在行驶中发动机熄火，汽车将突然失去转向和制动助力，此时汽车变得难以操纵，驾驶员极易产生慌乱，对情况做出错误判断，给行车安全带来极大威胁。

由此看来，如今存在的简单的灭火装置还存在诸多问题，达不到广泛应用于各类车辆（特别是小轿车）的现实要求。鉴于此，在已有各种防自燃系统的基础上，本文设计了一种更加有效的新型车用自燃抑制系统。

3.2 系统组成

车载防自燃系统不应是一组简单孤立的灭火弹，而应该是集灭火、驾驶员警报以及车辆应急控制于一体的综合性电子控制系统，只有这样一种综合性控制系统才能起到有效抑制汽车自燃的效果。该系统主要由灭火弹及其引信、温度传感器、烟雾传感器、车速传感器、连接线路、指示灯和电子控制单元（ECU）组成（如图1所示）。

图1 车用自燃抑制系统组成示意图

灭火弹的引信与ECU相连，当各个传感器将各自的信号传入ECU后，ECU进行相应的运算并做出判断，决定哪一个（或几个）灭火弹应该被引爆。然后ECU向相应的灭火弹的引信发出引爆指令，使灭火弹爆炸，释放出大量超细干粉灭火剂，在短时间内将初起的火苗扑灭。灭火弹、引信和温度传感器安装在一起组成灭火装置总成。当发动机舱内着火时，舱内的温度分布可能极不均匀，为了准确而及时的探测出火情，需在发动机舱内布置多个总成。总成数量因车型而异，对小型车的机舱而言，一般布置7～8个灭火装置总成。具体来说，对一般的小轿车，在左右翼子板内侧各布置一个灭火装置总成，在龙门架、驾驶室前壁上布置一个灭火装置总成，在发动机舱盖上布置三个总成，这种布置可以保证整个发动机舱处于灭火弹干粉的有效范围之内（见图2）。

图2 灭火装置总成布置图

3.2.1 灭火弹

本文所采用的灭火弹为新型灭火弹，与应用在重庆公交车上的灭火弹原理基本相同。该灭火弹采用超细干粉灭火剂，经查证，超细干粉灭火剂是目前国内外已查明的灭火剂中，灭火浓度最低，灭火效果最好，灭火速度最快的一种。单位容积灭火效率是哈龙灭火剂的2～3倍，是普通干粉灭火剂的6～10倍，是七氟丙烷灭火剂的10倍以上，是二氧化碳灭火剂的15倍。对大气臭氧层耗减潜能值（ODP）为零，温室效应潜能值（GUP）为零，对人体皮肤无刺激，对保护物无腐蚀，无毒无害，灭火后残留物易清理。同时，储存期限可达10年之久，不需频繁更换及维护。可见，超细干粉灭火剂是一种高效、环保、安全的灭火剂，完全可满足车用自燃抑制系统对灭火剂优良使用性能的要求。

为了适应小轿车的发动机舱，灭火弹采用小型、轻量化设计。一般的车用灭火弹足有碗口大小，呈锥形，不宜在轿车发动机舱内使用。本文所采用的灭火弹通常只有手机大小，甚至更小，容积一般在50～70cm3，并能根据不同的舱内安装部位而制成不同的形状。由于本文所使用的HLK超细干粉灭火剂松密度约为0.40g/ml，灭火效能≤60g/m3，因此每个灭火弹可有效扑灭大约0.4m3范围内的火焰。可见，整个灭火装置总成不仅灭火效能高，体积也十分小巧，可方便安装于发动机舱盖、翼子板内侧、龙门架、或者驾驶室前壁上。

3.2.2 传感器

下面再来探讨该系统使用的传感器。目前用于汽车温度测量的传感器种类很多，温度测量范围也各有不同，常用的有热电偶式、热敏式、双金属片式及热敏铁氧体等。它们的主要作用是：对被测部位进行温度检测，并将温度信号转化为电信号后，作为控制信号输入电控单元（ECU）。本文所采用的温度传感器为使用很普遍且结构简单的热敏电阻式温度传感器，具体地说，即为负电阻温度系数热敏电阻（NTC）式传感器。汽车上所使用的车内、外空气温度传感器也属于同种类型。NTC热敏电阻适合于在较大温度范围内测量，在一定温度范围内，NTC热敏电阻的温度特性线性较好。一般来说，其工作温度范围为－40℃～130℃，精度1.5%，响应时间10ms。NTC型温度传感器阻值随温度的变化而变化：温度升高，电阻值下降；温度下降，电阻值升高（见图3）。通过测量它的电阻值变化就可反映出被测量的变化。此种传感器一般为两线，其中一根为搭铁线，一根为信号线，也有少数传感器利用外壳搭铁，只用一根信号线引出。控制电脑给其提供5V的参考电源，传感器将阻值与温度的相应变化转换为电压变化输入控制电脑，控制电脑就利用该信号进行相关的控制。温度传感器与ECU的连接电路如图4所示。

图3 NTC温度传感器特性

图4 温度传感器工作电路

发动机机舱内各处的温度是不同的（即使发动机自身各处的温度也是不同的），这与环境温度、车型、机舱大小、通风性及汽车驱动形式等有关，具体车型应实际测量。具体测量方法就是采用热电偶（最好是针式），利用耐热胶带将其粘在被测件表面。要测各零部件的正常最高温度，一般需在环模试验室或环境温度40度左右进行测量。测量工况有七个工况，一般在车型匹配夏季试验中一起测量为好。测量出发动机舱各传感器处的正常最高温度后，将其数值分别输入ECU中，作为ECU与各传感器传来的数据进行比对的基准。

除了数量众多的温度传感器外，在发动机舱内还需布置两个烟雾传感器。在汽车行驶过程中，因空气向后流动，故在驾驶室前壁上左右各安装一个烟雾传感器，与温度传感器配合使用，来判断发动机舱内是否已燃起明火。本文选择采用离子式烟雾传感器，这是一种技术先进、工作稳定可靠的传感器，性能远优于气敏电阻类的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，其结构如图5所示［7］。

图5 离子式烟雾传感器结构示意图

它的内外电离室里均有微量放射源镅－241，工作时，放射源放射出的α射线在电离室电离了空气中的氧原子和氮原子，电离形成的离子和电子在直流电压作用下形成稳定的电离电流，内、外部电离室处于相对平衡状态。当早期火灾产生的烟尘颗粒随自然风流沿传感器采样罩的螺线型百叶窗扩散入传感器后，在过滤网的阻隔下，烟雾中粒径较大的粉尘颗粒和杂质沿采样罩的光滑内表面滑落至采样罩底部，细微的烟尘颗粒则随螺旋上升的气流进入检测电离室，与室内的正负离子中和，在中间电极产生一个与被测烟雾浓度呈正比的电压变化增量“△V”（如图6所示）［7］。于是烟雾传感器就以这变化的电量作为输入ECU的信号，告知ECU发动机舱内有烟雾产生。该传感器用12V直流电源供电，正常工作静电电流小于30mA［8］，烟雾灵敏度符合UL的217号标准。

图6 两电离室的伏安特性曲线

3.2.3 电子控制单元

电子控制单元（Electric Control Unit，简称ECU）一般包括三部分：输入接口电路、微处理器和输出接口电路，其组成原理如图7所示［10］。

输入接口电路主要用来完成外部传感器与微处理器之间的信息传递。由于输入信号有两类：模拟信

图7 ECU组成原理图

号和数字信号，所以ECU分别需要相应的输入电路进行处理。因此输入接口电路的任务就是对传感器输入信号进行预处理，使输入信号变成微处理器可以接受的信号。

目前汽车上用的微处理器主要是8位单片机或16位单片机，现在一些轿车上开始使用32位单片机。单片机是指将CPU、RAM/ROM、I/O接口、定时/计数器等元件集成在一块芯片上所形成的芯片级计算机。单片机具有小型化、功能强、可靠性高、价格低、性价比高和功耗低等一系列优点，因而在汽车的实时控制中得到了广泛的应用。

输出接口电路将ECU与执行元件联系起来。它将ECU做出的决策指令转变为控制信号来驱动执行元件进行工作，它起着控制信号的生成与放大等功能。常见的输出执行元件通常是一些继电器、电磁线圈或显示器等。

3.3 工作原理

现将整个系统的工作流程阐明如下。如图8所示，在汽车行驶过程中，若ECU检测到某一个或几个传感器传来的温度数据超过预先设定的阈值，则ECU读取发动机舱内的烟雾传感器信号，若该信号指示机舱内无烟雾，则将高温指示灯点亮，提醒驾驶员注意车辆状况，必要时停车检查。若检测到的信号指示机舱内有烟雾的话，则ECU便可通过“高温”、“烟雾”两个条件判断出发动机舱内起火，这时ECU控制高温指示灯与火警指示灯同时点亮（火警指示灯呈闪烁状态），提示驾驶员必须紧急停车。为保证发动机不熄火，从而保证不失去转向和制动助力，灭火弹暂不引爆。当驾驶员紧急停车后（ECU检测到车速传感器指示的时速≤5km/h），发出控制信号给传来高温信号的灭火装置总成的灭火弹引信，引爆该枚（或几枚）灭火弹，释放出大量超细干粉，将机舱内的明火扑灭。

4 总结

图8 系统工作流程图

从本文设计的车用自燃抑制系统的结构和作用原理来看，它克服了传统灭火装置的一系列弱点。首先，该系统体形小巧、布置灵活，可以说是专为轿车所设计，能非常方便地安装在各种车型的发动机舱内。其次，该系统不只是简单地起灭火作用，而是预先将汽车异常状况通知驾驶员，提醒驾驶员注意并检查车况。当自燃发生时，及时警告驾驶员紧急停车。第三，该系统没有在发现火情时立刻就引爆灭火弹，而是待时速低于5km/h时才引爆。这样就避免了由于发动机突然熄火而使汽车失去转向、制动助力，进而导致的额外的、不必要的交通事故。这也是该系统与传统灭火装置相比最大的优势。

由于汽车自燃危害大、防范难，随着私家车在我国的普及，自燃这一安全隐患已成为各厂家不得不解决的棘手问题。本文所提出的新型车用自燃抑制系统，在普通车用灭火弹的基础上加以创新，克服了普通灭火弹的一系列缺点，使该系统在普通轿车上的大规模应用成为可能。随着技术手段的不断发展和车用自燃抑制系统的不断完善，终有一天我们能够彻底解决汽车自燃这一现实而棘手的问题。

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