汽车火灾预警及自劝灭火系统设计

摘要

　　近年来,由于人民生活水平的提高,民众的购车需求旺盛,我国汽车保有量不断増加。然而人们享受汽车带来的交通便利的同时,随之而来的汽车火灾事故也频繁发生,汽车火灾的发生会造成大量经济损失及人员伤亡。因此提出一种节能,安全,可靠的汽车防灭火方案,对降低汽车火灾发生频率,减少汽车火灾造成的经济损失W及人员伤亡具有十分重要的意义。

　　本论文通过对汽车火灾特性分析,提出了一种能够实现多级预警和自动灭火的汽车防灭火方案,并通过汽车发动机舱模拟火灾试验,在证明了其工作可靠性的同时优化了系统的报警功能和灭火功能。

　　主要研究结果如下:

　　(1)结合火灾H要素和汽车组成特点发现,汽车火灾的发生是由电气系统的故障、排气系统及机械摩擦引发的过热、高温或者外来火源,引燃了因故障泄漏的燃油或汽车油脂、汽车内部其他的可燃材料等导致的。

　　(2)根据引发汽车火灾的可燃物种类不同将汽车火灾分为A类(可燃固体物质),B类(可燃液体物质),C类(可燃气体物质),E类(电气)四类火灾。

　　(3)汽车火灾具有W下五个特点:a.突发性;b.起火快、燃烧猛、蔓延迅速;C.

　　发动机部位易着火;d.易产生有毒烟气造成人员中毒;e.易造成较大损失。

　　(4)汽车火灾的处置难点主要为初起火灾探测困难,扑救难度大,缺乏有效灭火设备。

　　(5)根据之前的理论分析结合实际需求确定了汽车火灾预警及自动灭火系统的功能要求W及总体方案设计,然后对该系统进行了原型设计。该系统由汽车火灾预警系统和汽车火灾自动灭火装置组成,其中汽车火灾预警系统是由汽车火灾探测模块和汽车火灾预警控制器组成。其中汽车火灾探测模块由I38’C的不可恢复式感温电缆和DS18B20温度传感器构成,具备多级预警功能。汽车火灾预警控制器的核也为STC15W4IC60S4的单片札预警显示模块采用的是3.2寸USARTHMI触摸屏,主备电源分别使用车辆蓄电池提供+12V电源经过转换电压变成系统正常工作的+5V电压和使用可太阳能充电的充电宝提供稳定的+5V电压。汽车火灾自动灭火装置根据汽车发动机舱特点选择的是S型热气溶胶自动灭火装置。

　　(6)对设计出的汽车火灾预警及自动灭火系统进斤了汽车发动机舱模拟火灾试验,通过不同工况下的火灾试验,分析了灭火剂用量、喷放方式、火源位置及数量对系统灭火效果的影响W及分析了布置方式、火源位置及数量对报警时间的影响。通过试验结果,验证了其工作可靠性的同时化化了系统的报警功能和灭火功能,为汽车的防灭火自动化提出了一种节能,安全,可靠的方法。

　　关键词:汽车火灾;汽车发动机舱;多级预警;自动灭火

Abstract

　　In recent years,due to the improvement of people's living standards,their demands for cars are so strong that make Chinese car possession increase continuously. However, when people enjoy tee convenience of tee cars,teete are frequent fire accidents fbllowed at tee same time, which can cause a lot of economic losses and casualties. Therefore, it is significant to find an energy-saving, safe and reliable fire prevention and extinguishing solution to lower tee frequency of automobile fires and reduce the economic losses and casualties caused by automobile fires.

　　Based on the analysis of automobile nre characterifiics, an automobile fire prevention and extinguishing proposal which can realize multi-level early warnings is put forwarcUn this paper. Through the fire 1:est simulations of airtomobile engine compartment,the work reliability of this proposal is proved and the alarm function and exting山shing ftmction are optimized at the same time.

　　The main findings are as follows:

　　(1) Combining with three fire elements and car composition characteristics,it is found that the occurrence of car fires are caused by electrical system failures,overheating due to exhaust system and mechanical friction,high temperature and external fire sources igniting leakage fuel, car grease, other internal combustible materials or something like te ese.

　　(2)�堿ccording te the different types of combustible materials that cause automobile fires,car fires are classified into Class A (combustible solid materials) fire. Class B (combustible liquid materials) fire. Class C (combustible gas materials) fire. Class E (electrical appliances) fire.

　　(3)�塁ar fires have the following five characteriistics: a- sudden; be catch fire fast^ bum fiercely, and spread rapidly; c. engine parts are easy to catch fire; d. the toxic smoke produced can poison people; e. lead to great losses.

　　(4)�塗he diffic山ties of dealing with car fires are detection difficulties at the start of fires, extinguishing difficulties, and lacked effective equipments.

　　(5)�堿ccording te the previous theoretical analysis and combined wite actual needs,the functional requirements and tee general program design of automoWle fire alarm and automatic nre extinguishing system are determined, and then prototype design of this system is COnducted. The system consists of automobile fire alarm system and automatic fire extinguishing device. the automobile fire alarm system is composed of fire detection module and fire alarm COntroUer. The fire detection module COnsis1:s of 138℃non-renewable temperature cable and DS18B20 temperature sensor and has multi-level alarm function. The core of fire alarm controller is STC15W4K60S4 single-chip, 3.2-inch USARTHMI touch screen is used in alarm display module,the battery which provides +12V power supply that converts into +5V to fit the system is used as the main power supply,and the power bank which is solar energy rechargable is used as spare power supply to provide stable +5 V voltage. According to characteristics of the automobile engine compartment, S-type hot aerosol automatic exting山shing device is selected.

　　(6) A fire 1;est was conduced to check the design of automobile fire alarm and automatic fire extinguishing system. By 1;esting under diffetent working conditions,the influence of extinguishing agent amounway of spraying, position and quantity of sources on system,s extinguishing effect were analyzed,as well as tee influence of tee way of layout, position and quantity of fire sources on length of alarm time. The test results verified the KliabiUty of the system,s performance, and the alarm to nction and extinguishing function were optimized after the tefi? An energy-saving, safe and reliable automobile fire prevention and extinguishingsolutionisproposed.

　　Key words: automobile fire; automobile engine compartment; multi-stage warning;automatic fire fighting

　　火灾是人类社会最常见的灾害么一,根据世界火灾统计资料显示,在全球火灾发生总数量中,交通工具火灾发生数量占21%左右,其中汽车火灾占18%左右,其它的交通工具占3%左右以。在中国,得益于经济的高速发展,人民群众生活水平日益提高,民众购车刚性需求旺盛,汽车保有量每年都在不断地増长,且年平均増长量超过了　1000万量口]。根据中国公安部交通管理部口统计,中国汽车保有量截至2016年底己达到1.94亿,仅次于美国,位居世界第二,全国有49个城市的汽车保有量超百万辆,其中北京、成都、重庆、上海、深圳、苏州、天津、郑州、西安、杭州、武汉、广州、石家庄、东尧、南京、青岛、宁波、佛山18个城市汽车保有量超过200万辆。�崳娫诠�外,很早就对汽车火灾进行了大量研究。例如:尤里卡项目(EUREKAEU499)通过火灾实验发现了大中型客车的热释放速率随时间变化的规律[^1]。1985年德国卡尔斯鲁厄大学火灾防护研巧所通过对轿车进行火灾实验,发现了轿车发生火灾后的热释放速率,以及烟气温度和烟气蔓延随时间变化的规律。1994年,Mangs等人通过对小型客车进行了3次全面的火灾实验,发现了小型客车发生火灾后的热释放速率,及温度与气体浓度随时间变化的规律ful。2000年Steinert　C通过对轿车进行火灾实验,得到了轿车火灾发生后的热释放速率,以及气体浓度、温度等随时间的变化规律。

　　2004年Peacock等人通过小型客车进斤火灾试验得到了小型客车发生火灾后温度和气体浓度随时间变化的规律。2006年T　Ono和HI　shii通过对高速公路上行驶的一辆汽车进行火灾实验,并使用摄像机记录,发现使用图像处理技术和神经网络技术构建的算法对判别汽车火灾的发展情况具有一定的效果。

　　在中国,随着汽车火灾事故数量的不断增加,我国学者对汽车火灾的发生过程和作用机理也进行了大量的研究工作。2002年,程远平等人通过对轿车进行模拟火灾实验,得到了轿车发生火灾后温度、火灾烟气和热释放速率随时间的变化规律2006年到2008年间,刘振刚等人为了研究汽车火灾发生的原因,首先通过模拟汽车上可能出现的高温热源,对汽车上可燃的液体(如燃料、各种车用油脂)等进行火灾实验和热谱分析,并进行了系统的分析和研究,得出了它们与热表面接触的着火机理和规律,然后通过对汽车进行模拟电气线路火灾实验,通过实验结果分析了汽车上电气系统的火灾危险性f以-以。2006年,清华大学公共安全研究中屯、等进行了全尺寸汽车火灾实验研究,得到了汽车火灾蔓延规律及湿度随时间的变化规律等。2008年,雷兵、王清远等为了研究客运车辆火灾的系统控制变量和工况条件的关系,基于能量平衡方程,�嵔�立热烟气层轰燃模型。2010年,毕昆、邱格等通过使用FDS对公交车火灾进行了数值模拟研究,得到了汽车火灾的发展规律、烟气的运动过程。2013年,陈杰等人根据国内外乘用车的火灾事故统计数据,研究了火源位置和汽车起火原因,其中电气故障和机械故障是导致汽车火灾的最常见原因。

　　本论文将采用理论分析与试验研究相结合的研究方案。具体实施方案为:

　　(1)汽车火灾特性分析:通过查阅相关文献与资料,了解汽车的组成与构造,结合火灾H要素,理论分析汽车火灾发生的原因,总结汽车火灾的类型及特点并分析汽车火灾处置的难点。

　　(2)汽车火灾预警系统研究:根据理论分析所得,选择合适的探测参量及其相关参数,确定汽车火灾预警系统方案,设计汽车火灾预警系统。

　　(3)汽车火灾自动灭火装置研究:根据理论分析,结合汽车发动机舱特点,采用灭火性能较好,适应性强的灭火剂,考虑将其固定于发动机给内,设计汽车火灾自动灭火装置。

　　(4)通过进行汽车发动机舱模拟火灾试验研究,一方面检验系统的可靠性,另一方面优化系统的部分参数提高其探测的准确性,降低误报概率并实现有效快速朴灭火灾的目标。

　　汽车火灾预警及自劝灭火系统实验：

丰田凯美瑞发动机舱

实验平台

实验平台内部设计

火源设置

直接式喷放热气溶胶灭火装置在发动机雜内的布置

热气溶胶直接式喷放时的泄漏情况

感温电维在电维桥架的布置方式

感温电錐的布置方式

目录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 研究背景
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　　　1.2.1 汽车火灾的国内外研究现状
　　　　　　1.2.2 汽车火灾预警与灭火的国内外研究现状
　　　　1.3 本论文的研巧思路
　　　　　　1.3.1 本论文的提出及研巧意义
　　　　　　1.3.2 本论文的研究内容
　　　　　　1.3.3 本论文的研究方法
　　　　　　1.3.4 本论文的技术路线
　　第2章 汽车火巧特性分析
　　　　2.1 汽车火灾发生的原因
　　　　2.2 汽车火灾的分类
　　　　2.3 汽车火灾的特点
　　　　2.4 汽车火灾处置难点
　　　　2.5 小结
　　第3章 汽车火巧预警及自动灭火系统方案研究
　　　　3.1 系统的功能设计要求
　　　　3.2 系统的总体方案设计
　　　　3.3 自动灭火装置研究
　　　　　　3.3.1 汽车发动机舱自动灭火装置的性能要求
　　　　　　3.3.2 常用的自动灭火装置
　　　　　　3.3.3 对比分析
　　　　3.4 汽车火灾探测模块研巧
　　　　3.5 汽车火灾预警控制器研究
　　　　3.6 小结��
　　第4章 系统原型设计
　　　　4.1 汽车火灾预警控制器的原型设计
　　　　　　4.1.1 汽车火灾预警控制器的总体设计
　　　　　　4.1.2 单片机的选择
　　　　　　4.1.3 主要功能设计
　　　　　　4.1.4 汽车火灾预警控制器的整体设计
　　　　　　4.1.5 汽车火灾预警控制器的备用电源选择
　　　　4.2 热气溶胶自动灭火装置的原型设计
　　　　　　4.2.1 热气溶胶自动灭火装置的基本组成
　　　　　　4.2.2 热气溶胶发生剂用量设计
　　　　　　4.2.3 热气溶胶发生剂药柱的设计
　　　　　　4.2.4 热气溶胶自动灭火装置的内筒设计
　　　　　　4.2.5 热气溶胶自动灭火装置的电引发器设计
　　　　　　4.2.6 热气溶胶自动灭火装置的外壳设计
　　　　　　4.2.7 热气溶胶自动灭火装置的冷却处理
　　　　　　4.2.8 热气溶胶自动灭火装置喷放方式设计
　　　　4.3　小结
　　第5章 系统实体试验研究
　　　　5.1 试验模型的搭建
　　　　5.2 火灾场景的设置
　　　　5.3 系统灭火试验研究
　　　　　　5.3.1 试验目的
　　　　　　5.3.2 试验方案
　　　　　　5.3.3 试验结果与分析
　　　　5.4 系统报警试验研究
　　　　　　5.4.1 试验目的
　　　　　　5.4.2 试验方案
　　　　　　5.4.3 试验结果与分析
　　　　5.4 小结
　　结论与展望
　　结论
　　展望
　　致　谢
　　参考文献

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