汽車發動機艙內可燃材料燃燒特性及電氣火災試驗的研究

胡冰川，呂陳，吳剛

（江淮汽車技術中心，安徽 合肥 230601）

汽車發動機艙內可燃材料燃燒特性及電氣火災試驗的研究

胡冰川，呂陳，吳剛

（江淮汽車技術中心，安徽 合肥 230601）

文章主要對汽車發動機艙內可燃材料的成分進行分類，研究了常見可燃材料的燃燒特性，評判了其發生火災時熱危險性等級。通過模擬實車電氣火災試驗，獲得試驗條件下電氣部件起火燃燒時火源周圍溫度以及熱輻射的變化規律，并驗證發動機艙內可燃零部件的燃燒特性。

發動機艙；材料燃燒特性；電氣火災；試驗研究

CLC NO.: U461.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-152-04

引言

隨著社會經濟的不斷發展，人民的生活水平不斷提高，汽車數量也在持續增加。然而，事情都存在著兩面性，汽車給人們的生活帶來較大方便的同時也帶來了較多的安全問題，汽車火災就是其中較為突出的一種。汽車火災事故涉及火災原因調查，事故賠償等關乎汽車企業發展、人民生命財產安全以及公共安全等重大問題。因此，研究汽車火災發生的原因就顯得尤為重要。

從上世紀90年代末，國內及國際科研院所已經開始開展汽車火災試驗的研究。近些年來，國內的一些高校也逐漸開始重視對汽車火災試驗的研究，并實車進行了多次汽車火災試驗。其中，中國礦業大學程遠平教授等人，以汽車發動機表面為起火點，對一輛兩廂式小汽車進行了系統的火災實驗。中國建筑科學研究院孫旋博士等人，以汽車后排座椅為起火點，模擬外部火源引燃車輛，獲得了試驗條件下汽車火災發生的可能性、駕駛艙火災蔓延順序及火災中溫度隨時間的變化規律等成果。

由于汽車結構較為復雜，汽車火災發生的原因也是多種多樣。通過研究發現，汽車發生火災主要分為以下幾種原因：

a）電氣故障；

b）油路故障；

c）機械故障；

d）其他原因。

其中，發動機艙內電氣火災較為常見。這是由于發動機艙內空間較為狹小，整體溫度較高，油路，電路布置縱橫交錯。多數零部件以及電氣線束的包裹物是可燃材料。一旦出現故障引發火災，由于各種油品的存在，使得起火后燃燒極易迅速發展，不易撲滅。因此，發動機艙內發生火災，將對車輛構成較大的威脅。

針對發動機艙內可燃零部件較多，材料成分各異，本文將對發動機艙內常見的零部件所用材料進行分類，研究各類材料的燃燒性能，并通過實車試驗，以汽車發動機艙內電氣故障引發的火災為研究對象，深入研究發動機艙內電氣火災的發展規律。實驗結果將為后期汽車火災仿真模擬提供真實的數據支撐，對研究汽車火災的發展特性，汽車防火設計以及汽車火災救援工作等具有一定指導意義。

1、發動機艙內常見可燃零部件燃燒性能的確認

在發動機艙內可燃材料種類較多，例如，蓄電池、室外電器盒、空氣濾清器、電氣線束、燃油管路等等。不同成分的材料在燃燒時表現出的燃燒特性差別也較為明顯。研究固體燃燒性能的最理想的試驗儀器為錐形量熱儀（Cone Calorimeter），該儀器可以使材料在模擬火災的條件下燃燒，并能測試材料的點燃時間（TTI），熱釋放速率（HRR），峰值熱釋放速率（PHRR），等燃燒性能參數。

圖1 錐形量熱儀結構示意圖

錐形量熱儀的核心儀器為氧氣分析儀，基于耗氧法原理，通過對燃燒過程中氧氣濃度的連續測量可以實時得到樣品燃燒的熱釋放速率。錐形量熱儀的結構如圖1所示。

對發動機艙常見可燃零部件進行分類測試，通過錐形量熱儀獲得一系列燃燒性能參數，實驗結果見表1。

雖然點燃時間，熱釋放速率，和總熱釋放量等是評價材料火災危險性的重要參數，但是各參數只反映材料火災危險性的某一個方面。因此，Petrella等人提出將燃燒參數X和熱釋放總量THE組合在一起進行評估，可以對材料熱危險性有一個相對較真實的評判。Petrella提出的評判可燃材料燃燒的危險等級，如表2所示。

表1 發動機艙內常見材料的燃燒特性

表2 熱危害性評估系統

Petrella分析提出，熱釋放總量THE可由熱釋放速率曲線積分直接得到。X參數反應了材料發生閃燃的危險性，它是材料熱釋放速率峰值同點燃時間的比值，即：

X參數反映了材料對熱反映的能力，數值越大，表明材料一旦處于可燃環境內能夠快速燃燒，火勢蔓延迅速，火災危險性較大。

而總熱釋放量THE反映了材料的內部固有能量，獨立于環境因素。通常，THE只值越大，材料的火災危險性越大。

表3 可燃材料的危險等級

不同的火災等級代表著不同的火災危險性。較低火災危險性和低火災危險性意味著材料本身能量少，火勢蔓延速率小，增長較慢，發生火災時對周圍物質影響較小，經過較長時間能量積聚才能將周圍其他材料點燃，在火災初期如果及時采取措施即可將火撲滅。

運用Petrella評價體系對材料進行判斷，可以初步得到各個材料的危險程度。總結如表3所示。

由上表可以看出，在發動機艙多數材料存在中等危險性，甚至出現中上等危險性。我們定義在出現較多中上等危險性材料的區域為發生火災后高危險區域。經分析可以看出空氣濾清器及蓄電池外殼為中上等危險材料，同時在發動機艙內兩者的距離較近，因此該區域被定義為高危區域。一旦發動機艙內發生火災，該區域極易被引燃。

2、試驗過程與分析

2.1 試驗過程

選用某款車輛為試驗車輛，在發動機艙內不同位置分別布置了七個熱電偶以及兩個輻射熱流計，其中熱流計T1位于室外電器盒附近，熱流計T2位于進氣管道側附近，熱流計T3位于蓄電池附近，熱流計T4位于ECU附近，熱流計T5位于發動機控制線束附近，熱流計T6位于空濾器管道附近，熱流計T7位于出水管附近，熱電偶R1位于前端支架左側，熱電偶R2位于前端支架右側，具體位置見圖2，連接各傳感器到數據采集系統，實驗過程中實時采集發動機艙內溫度變化的情況。并在距離車輛前臉1m處，設置一部錄像機，一部紅外熱像儀實時記錄試驗過程以及發動機艙內的溫度變化。試驗采用外部點火，在發動機艙內的不同位置放置大小合適的油盤，通過點燃盛放在油盤內的酒精模擬汽車電氣線路引發的火源。

圖2 傳感器位置示意圖

2.2 模擬發動機控制線束起火

發動機控制線束在發動機艙內連接發動機多種檢測傳感器。同時發動機控制線束線路較長，布線途經空氣濾清器以及進氣管道等易燃零部件。在設計以及安裝的過程稍有不慎，發動機控制線束便會與其他零部件產生干涉。發動機艙內惡劣的環境以及長時間的機械磨損，會使控制線束發生破損，引起短路形成大電流，瞬時釋放大量熱量形成火災。因此將10×10cm的油盤放置發動機控制線束的正下方，如圖3中A處，模擬該處發動機控制線束因機械磨損形成短路引發線束起火。在油盤中放入100ml的酒精。連接車輛電源，點火鑰匙打到ON檔，接通車輛各用電設備。使用明火點燃酒精，當燃燒500s后關閉發動機引擎蓋。環境數據如表4，試驗過程中，發動機艙內溫度以及熱輻射變化如圖3所示：

圖3 火源位置及燒蝕情況圖

表4 線束起火環境數據

圖4 發艙內溫度及熱輻射變化圖

由圖4（a）可以看出，在前400S內熱電偶T5的變化較為劇烈，這是因為T5剛好位于油盤的正上方，測得數據即為模擬火源的實時溫度，又由于在前500S內，引擎蓋留有一定空隙，模擬火源的溫度隨著風速有著一定程度的波動，期間溫度最高達到500℃。當時間接近400S時，模擬火源熄滅，發動機控制線束外包裹的護套具有阻燃特性，被引燃后燃燒持續時間較短，燃燒并不劇烈。因此，熱電偶T5較快恢復周圍溫度。而熱電偶T6周圍的空濾器管道被火源引燃。因此，空濾器附近的T6的探測的溫度有著明顯的升高，最高達到100℃。當關閉引擎蓋后，發動機艙內溫度呈現普遍升高趨勢，由圖4（b）可以看出，熱輻射明顯加劇，輻射熱流計R1可達1.3kw/m2，輻射熱流計R2也可達0.5 kw/m2。在試驗進行至800S時，發動機引擎蓋隔音墊與制動液壺劇烈燃燒。鑒于火勢較大，試驗進行了及時滅火。試驗后，可以看出空氣濾清器管道、進水管、發動機蓋總成以及引擎蓋隔音墊被一定程度的燒蝕，制動液壺被完成燒毀，發動機引擎蓋隔音墊被不同程度的引燃，而發動機控制線束存在明顯的燒蝕痕跡。如圖3（a）所示。

2.3 模擬室外電器盒起火

室外電器盒承載較多的負載，繼電器、保險絲時常有燒毀的情況出現。因此將5×5cm的油盤放置在圖3中的B處，室外電器盒附近，模擬室外電器盒起火。在油盤中放入50ml的酒精。連接車輛電源，點火鑰匙打到ON檔，接通車輛各用電設備。使用明火點燃火源，當燃燒320s后關閉發動機引擎蓋。環境數據如表5，實驗過程中，發動機艙內溫度以及熱輻射變化如圖5所示。

由圖5（a）可以看出，在試驗開始80s時點燃模擬火源，模擬火源周圍溫度明顯升高，熱電偶T3測得溫度最高可達192攝氏度。在試驗開始320s時關閉車蓋，可以看到溫度先下降后升高，這是由于關閉發動機引擎蓋后火焰受到一定限制，溫度積聚，模擬火源周圍的可燃物被不同程度的引燃，燃燒較為劇烈。因此，其他探測點溫度也有所增加，周圍的熱輻射也明顯加強，由圖5（b）可以看出輻射熱流計R2最高可達1.7 kw/m2，輻射熱流計R1數據變化不大。實驗過程中，室外電器盒燒蝕嚴重，同時蓄電池有明顯燒蝕痕跡，如圖3（b）所示。

表5 電器盒起火環境數據

圖5 發艙內溫度及熱輻射變化圖

3、結論

1）發動機艙內較多零部件表現出較強的可燃性，多數零部件的燃燒危險性較高；

2）在試驗條件下，起火部位周邊溫度在試驗開始后300S時溫度急劇上升，燃燒蔓延及熱輻射加??；

3）發動機引擎蓋關閉的條件下，空氣流通受到一定程度的阻礙，發動機艙內的溫度呈現一定程度的下降。由于發動機艙內形成封閉空間，燃燒熱輻射會逐漸加強，在2min的時間內即可引燃發動機艙內的可燃物；

4）該試驗空濾器，蓄電池，隔音棉等零部件危險等級較高，在發生火災時，極易被引燃。

[1] 觀云逸.汽車火災事故原因分析及處理[J]. 產業與科技論壇.2014.

[2] 陳貽來.單個小汽車火災熱釋放速率影響因素分析[J]. 消防理論研究.2010.

[3] 顏景林,劉躍東等.一個繼電器引發的汽車火災[J].科技創業.2013.

[4] 付麗華,張瑞芳,石龍. 基于錐形量熱儀實驗的卷煙及其包裝材料燃燒特性研究[J].火災科學.2009.

[5] Petrella R V. Assessment of full–scale fire hazards from cone calorimeter data [J]. Journal of Fire Science.1994.

[6] 耿惠民,毛鐵強.汽車火災的研究[J].消防科學與技術,2004.

[7] 程遠平,R John.小汽車火災試驗研究[J].中國礦業大學學報,2002.

[8] 孫旋,王婉娣.全尺寸汽車火災實驗[J].清華大學學報,2010.

A study on the properties of combustible materials and the electrical fire in the engine cabin

Hu Bingchuan, Lv Chen, Wu Gang
（JAC Technology Center, Anhui Hefei 230601）

In this paper, the common combustible materials in the engine cabin are classified to study the properties of combustion, and the danger grades are set up to assess the materials thermal hazard. Finally, an experiment was made to simulate the electrical fire using the whole vehicle. By the experiment, the temperature changes around the burning electrical parts and the rule of the heat release rate development were found, and the properties of combustible materials were tested in the engine cabin.

engine cabin; combustible material properties; electrical fire; experimental study

U461.9

A

1671-7988(2016)10-152-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.053

胡冰川，男，（1988-），碩士研究生，就職于安徽江淮汽車技術中心，主要負責車輛火災以及電氣架構方面的工作。