汽车发动机舱自燃自动灭火控制系统的研究

夏 明，廖俊生，朱洪印，李华棋，许 松

（广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023）

0 引言

随着人们生活水平的提高，汽车已普遍走进了大众家庭，并成为人们出行的重要交通工具。然而汽车给出行带来了便捷的同时也产生了一些弊端，如汽车发生自燃现象，一旦发生自燃，火势会迅速席卷整辆，从而给乘车人员生命安全造成极大的威胁。目前，车辆自燃现象因发动机舱引起已普遍存在，同时这是汽车运用行业的痛点。汽车发动机自燃主要由火源、可燃物和助燃物引起[1]。其中，火源是关键因素，其可以以多种形式存在，如电火花、火星、明火以及高温热源等形式存在。当发动机启动时，点火电路可能会因漏电发生跳火，或发动机内部的电器线路接触不良等引起电火花的产生；当发动机机体表面温度急剧升高，在可燃物靠近情况下出现明火，以上均为火源产生的途径。汽车发动机舱内一旦自燃起火，最佳扑救灭火时间很短，采用传统的人工灭火方式无法监测到发动机舱内的着火情况，不能在着火初期实施灭火。因此，研究出一款能监测到汽车发动机舱内着火情况和能在着火初期进行精确灭火的装置已成为当务之急。

自动灭火系统具有实时监测火情，精准灭火的能力，广泛应用于汽车自动灭火中。大量研究表明，采用自动灭火系统可以对汽车的自燃及时扑灭。季晓龙等[2]开发了一款汽车发动机舱自动灭火装置，当发生火灾的时，火焰传感器和烟雾传感器能实现自动监测功能，将监测到的信号传输给微控制器；微控制器根据探测火灾信号，对其进行判断处理，启动驾驶室蜂鸣器和报警灯，通过控制电磁继电器驱动灭火器，使得灭火剂对发动机舱进行灭火。熊昆等[3]研发了一种发动机舱自动灭火装置，该系统中自动灭火装置采用多个火焰传感器对发动机舱内火情进行监测，并利用arduino 单片机进行数据分析处理。当发现火情时，可驱动舵机转动，使灭火器释放灭火材料，从而进行灭火的作用。鲍晓东等[4]研发了一款对新能源汽车自动灭火的装置。当电池箱内出现过载或短路等原因引起电池环境快速升温或起火时，通过气体探测器和感温电缆给司机提醒检查，在司机确认火情后，按下火灾报警装置并启动气溶胶灭火器，对电池箱灭火。冯加轩等[5]开发了一款车用自动灭火装置，通过在发动机附近加装感烟探测器、火焰探测器和灭火气体，当探测器检测到发动机发生自燃时，将信号传送给灭火控制器，此后控制器发出警报信号，并开启灭火器上的电磁阀，灭火剂迅速喷出，从而实现灭火的目的。可见，目前关于燃油汽车的自动灭装置的设计仍停留在针对发动机舱发生火情时的预判和灭火；关于新能源汽车上的自动灭火装置的开发是利用气体传感器和温度传感器检测到的信号，传送到控制器，再由控制发出警示提醒司机按下自动灭火器按钮的过程。尚未做到通过烟雾或温度的变化对灭火起到提前预判和完全自动灭火的过程。为此，设计一款因温度、烟雾变化及产生火焰时的自动灭火装置，以解决目前汽车因发动机舱引起火灾。

1 汽车发动机舱自燃原因

根据查阅相关资料和调查数据显示，汽车发动机舱内发生自燃的原因主要有汽车电器设备起火和汽车燃油系统起火两种。

1.1 汽车电器设备起火原因分析

因汽车发动机舱内安装有不同类型的电器设备和线路，易出现油电混存[7]，从而引起汽车起火，常见的原因有3 种：（1）驾驶员在长期使用过程，导致汽车发动机舱内温度较高，易加快舱内的线路老化；（2）其他原因导致发动机舱内线路的绝缘层受损；（3）车主加装电器元件或更改线路，导致舱内线路出现短路，从而引起明火。

1.2 汽车燃油系统起火原因分析

常年使用的汽车易出现油路接头松动，导致油液泄露，在汽车长时间的行使过程和高温暴晒过程发动机舱内易产生大量热量的情况下，汽车发动机舱很容易引起自燃[8]。

2 自动灭火系统设计

目前，市面上的汽车大部分没有装配车载自动灭火装置，在汽车出现火灾时驾驶员不能及时发现火灾。当要灭火时，需要打开发动机舱盖，使得相对密闭的发动机舱进入大量的空气，增加了舱内的火情，导致驾驶员手持灭火器的难度增加。针对这一问题，本研究研发了一款发动机舱自燃自动灭火系统，弥补了手动灭火器的不足。这种新型汽车自动灭火器采用三种类型的监测探头安装在新能源汽车电池模组内部，利用传感器监测电池模组内部情况，能及时有效的发现电池模组内部火情，并启动报警和自动灭火系统将火扑灭。

2.1 自动灭火系统设计思路

自动灭火系统是在汽车发动机舱内安装温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器三种监控探头，利用温度传感器、烟雾传感器和火焰传感器探头分别对汽车发动机舱内的温度、烟雾和火焰进行监测，如图1 所示。当监测到温度达到发动机舱可燃点和烟雾出现时，温度传感器和烟雾传感器分别给控制模块发送信号，控制模块收到信号进行处理分析，并通过两位三通阀给报警器发送指令，把传送报警信号给驾驶员，提醒驾驶员停车检查。当火焰传感器探头检测到发动机舱内有火焰燃烧时，火焰传感器给控制模块发送火焰报警信号，控制模块分析火焰传感器发送信号的探头位置，控制模块再发送工作指令给两位三通阀，进而两位三通阀通电打开水基型灭火器开关，由灭火器喷出的灭火水，通过高压管路输送到汽车发动机舱内对着火点进行精确灭火。此外，为了避免自动灭火系统失效，需在驾驶室设置机械启动装置。

图1 汽车发动机舱自燃自动灭火控制系统结构图

2.2 自动灭火系统硬件设计

2.2.1 SCT89C51 微处理器控制模块

该系统选用SCT89C51 单片机作为自动灭火系统的控制模块，如图2 所示。STC89C51 是一种低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，在单芯片上，具有8位CPU 和在系统可编程Flash 存储器，最高运作频率35 Mh，集成512 字节RAM，32 位I/O 口线，3 个16位定时器/计数器，自带电可擦可编程只读存储器（EEPROM）功能。这种高效控制器为汽车发动机舱自燃自动灭火控制系统提供嵌入式控制方案。

2.2.2 汽车发动机舱监测传输模块

由于汽车在行驶过程中驾驶员不能随时了解汽车发动机舱内部的情况。因此，该系统设计采用温度、烟雾、火焰三种类型的传感器作为汽车发动机舱监测传输模块（图3），对发动机舱内进行实时监测及传输信号，确保驾驶员能及时了解发动机舱内部的情况。该模块温度传感器选用PT100 热敏电阻温度传感器，监测范围为-200～850 ℃，可通过电位器调节温度阈值，调节发动机舱内的燃烧值，可有效地监测发动机舱内温度是否达到发动机舱内的燃烧值。若达到发动机舱内的燃烧值，则传输信号给驾驶室内的报警器报警，提醒驾驶人员停车检查，排除发动机舱内自燃的情况。烟雾传感器选用MQ-2 气体传感器，监测可燃气体与烟雾范围为100～10000 ppm，MQ-2 烟雾传感器由一个外部电路和敏感元件组成。敏感元件由金属氧化物组成，表面涂有金属电极。当汽车发动机舱内烟雾浓度增加时，敏感元件的导电率会随着烟雾浓度增加而增加，此时输出的电阻减小，输出的模拟信号越大。当超过规定值时，通过控制模块将报警信息传递到驾驶室内的报警装置，提醒车内驾驶员停车检查。火焰传感器选用HY-A1 火焰传感器，其对应火焰温度的红外波长范围为690～1100 nm，当红外波长为870 nm 时火焰传感器灵敏度最好，完全满足对发动机舱内的监控。

图3 汽车发动机舱监测传输模块电路

2.2.3 报警、手动控制装置

基于自动灭火系统能够实现自动监测、报警提示、自动灭火和紧急控制的功能，在该系统中设置报警装置如图4 所示。当发动机舱监测模块中的温度和烟雾传感器监测到发动机舱内温度达到可燃点或出现烟雾异常情况时，温度和烟雾传感器发送信号给微处理器控制模块分析，并报警提示驾驶员下车检车发动机舱内的异常。当火焰传感器监测到发动机舱内产生火焰时，传感器发送信号给微处理器控制模块分析，并启动自动灭火系统对发动机舱内产生火焰的位置进行精确的灭火。为了防止发动机舱在燃烧过后温度过高会出现二次燃烧的风险，特设计了纯机械式端口与发动机舱高压输送管路相连接，在自动灭火装置使用过后出现二次复燃，采用机械式端口与备用灭火器连接和人工操作进行二次灭火。

图4 汽车发动机舱报警模块电路

2.2.4 灭火器选择

对汽车发动机舱常见的失火原因分析结果表明，汽车发动机舱内自燃原因主要有汽车电器设备起火和汽车燃油系统起火两种，主要涉及A、B、E 类火灾。根据灭火剂使用扑救原则，目前国内符合A、B、E 类火灾扑救原则的主要有干粉灭火剂、卤代烷灭火剂、二氧化碳灭火剂。由实验得出超细干粉灭火剂灭火速率分别是卤代烷灭火剂的2.5 倍和二氧化碳灭火剂的4 倍。因此，该系统选用2 个2 kg 超细干粉灭火剂作为灭火材料，超细干粉灭火剂喷射距离约为5 m，质保5 年，能有效地通过高压管路喷入发动机舱内，进行有效的灭火。

2.3 自动灭火程序操作系统

采用Keil uVision 软件进行程序设计，通过焊接自动灭火系统SCT89C51 单片机与温度、烟雾、火焰三种传感器硬件电路，并将在Keil uVision 软件编写好的程序写入到硬件单片机电路中，通过主程序操作系统按照总体程序流程设计进行命令操作，自动灭火系统的流程如图5 所示。在报警值初始化开始时，系统的传感器工作，当烟雾传感器和温度传感器检测数据大于规定的烟雾浓度和温度时，声光报警装置报警，当火焰传感器检测到发动机舱内有火焰产生时，启动自动灭火控制装置实行灭火。

图5 总体程序设计流程图

3 自动灭火系统调试验证

基于以上设计建立自动灭火系统。现将自动灭火系统分别安装在大众途观、别克英朗和丰田卡罗拉轿车三款不同车型上，并对其发动机舱自燃自动灭火控制调试验证。其中，当自动灭火系统的火焰传感器检测到发动机舱内产生火焰时，能启动自动灭火装置进行灭火过程；在发动机舱内温度和烟雾异常时，会出现报警环节；自动灭火系统温度和烟雾传感器检测到发动机舱内的温度和烟雾超过规定值会报警驾驶员。

根据多次验证分析可知，本研究关于汽车发动机舱自动灭火控制系统不论在温度、烟雾或是在火焰的工作条件下，其控制效果超过75.0%，其验证效果见表1。因此，发动机舱自动灭火控制系统可满足现代汽车在自燃起火情况下，能够有效进行报警或精准灭火。表明该系统设计满足技术要求。

表1 实车调试验证结果

4 结语

采用STC89C5l 单片机配合开发多种类型传感器研制出一款汽车发动机舱自燃自动灭火控制系统。该系统主要由SCT89C51 微处理器控制模块、发动机舱检测传输模块、报警、手动控制装置等构成。其可在汽车驾驶过程中对发动机舱内进行实时监测，且及时发现汽车发动机舱内的温度、烟雾的变化。通过微处理器分析并精确判断发动机舱火焰燃烧位置，以实现精确灭火，从而保证驾驶员及乘客的人身安全，降低车主的财产损失。汽车发动机自动灭火系统的研究与使用，可进一步提升汽车使用的安全性。