基于錐形量熱儀試驗汽車油品燃燒特性的研究

郭路燕，吳剛，胡冰川

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于錐形量熱儀試驗汽車油品燃燒特性的研究

郭路燕，吳剛，胡冰川

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車油品是一類熱值高，危險性強的材料，是車輛火災主要危險源之一。汽車在運行過程中發動機艙積聚著大量熱量，各類油品暴露于熱輻射下，且行車過程中由于顛簸、碰撞導致的燃油泄漏、滴落而引發的火災舉不勝數。因此，研究汽車油品在外部輻射條件下的燃燒特性和火災危險性對汽車油池火蔓延的預防和控制，降低火災危害程度具有重要意義。

錐形量熱儀；汽車油品；燃燒特性

CLC NO.:U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-125-03

引言

汽車作為代步工具慢慢進入我們的平日出行，提供便捷的同時也帶來一系列安全問題。根據消防部門公布的數據，每年全國發生的各類火災中，汽車火災的發生數量、造成的財產損失和人員傷亡均呈現逐年遞增的趨勢。汽車油品是一類熱值高，危險性強的材料，是車輛火災主要危險源之一。汽車在運行過程中發動機艙內氣溫可達到300～500℃，而當燃油進到氣缸的那一剎那，環境氣溫可以達到1500～1800℃，產生的熱量一部分從排氣管排出去，此時排氣管溫度約為800℃，如果油品滴落在這些高溫物體表面，也可以被引燃。常見的汽車火災油品故障有排氣管高溫對燃油的熱輻射以及在車輛運行過程中的泄露等等。目前國內外關于汽車油品在外部輻射條件下的研究較少。

本文在錐形量熱儀上對防凍液（JHOA）和潤滑油（PAG）、變速器油（CVTF和ATF）、在不同輻射條件下的燃燒危險性進行研究，測得熱釋放速率、放熱總量等一系列參數來表征其著火危險性。

1 試驗過程

本文中選用試驗油品均為汽車上常見的油品，分別為手動變速箱油（ATF）、自動變速箱油（CVTF）、汽車防凍液（JHOA）以及汽車潤滑油（PAG）。這些油品在常溫下的物理參數見表1。

表1 汽車油品熱物參數 （溫度：15℃）

研究在錐形量熱儀上開展，該研究設備能夠重現真實著火情形，并具有可重復性。錐形量熱儀主要用于評估可燃固體材料，但一些材料例如聚烯烴在測試過程中會發生熔化成為液體進行燃燒，因此該實驗設備也能夠用來評判可燃液體物質燃燒。研究表明油盤形狀對點燃時間沒有影響，在實驗前按照標準用錫箔紙對油盤內層進行包裹，為了便于操作，選取方形油盤（10cm×10cm）進行燃燒測試。

圖1 四種試驗樣本

為了得到汽車上典型油品在這些高溫輻射環境下的著火危險等級，我們利用錐形量熱儀開展外部輻射下測試試驗，選取的輻射強度為20kW/m2、30kW/ m2、40kW/ m2三種工況進行試驗研究。實驗所使用油品的體積為約30ml。錐形量熱儀的輻射強度通過輻射流量儀器校準以給出設定得入射強度。在測試過程中我們主要搜集的參數有：點燃時間（TTI）、熱釋放速率（HRR）、放熱總量（THR）等。

錐形量熱儀的熱通量通過熱流計校準以給出設定的入射通量，輻射強度穩定后，將乘放油品的油盤放置于稱重傳感器上，撤離擋板打開電火花同時啟動程序開始實驗。點燃時間為實驗樣品從放置于外部熱通量下至材料有明顯發光火焰中間的時間。

當樣品暴露于輻射源下一段時間后，液體溫度增加，可以看到液體表面有氣體蒸發出來，樣品發生汽化，當可燃氣體濃度增加到一定程度后，在電火花的作用下，樣品首先發生閃燃，隨后熄滅，隨著熱量不斷積聚，汽化加劇，可燃氣體濃度加大，有明火出現，樣品被引燃。在燃燒初期火焰較小，有多個火苗，隨著時間的增長，火焰持續蔓延燃燒加劇，火苗逐漸凝聚成一股，液體溫度不斷增加達到油品的沸點，樣品發生沸騰，伴隨著嘶嘶的聲音，可以觀測到有油品隨火焰從盤中沸騰溢出。

2 試驗結果與分析

2.1 熱釋放速率

熱釋放速率（heat release rate，HRR）為樣品著火標準時刻中產生的熱量，作為判斷樣品著火特征與著火危害的基本指標[3,9]，同時也控制和影響其他燃燒性能參數。通常情況下，小尺寸著火研究時熱釋放率如果呈現較高水平而點燃時間卻短，那么其著火危害等級也較高。

圖2顯示出了在給定外部強度時JHOA（a），CVTF-EXI （b），5AT-ATF（c）和PAG（d）的HRR在不同時刻的變化規律。當輻射強度變大時油品的HRR同樣會變高，著火過程變短。這是因為輻射強度變高加劇燃油單位時間內的消耗量，使油品HRR變高。從圖3a可以看出，油品燃燒熱釋放速率曲線具有對稱趨勢，即熱釋放速率上升所需要時間等于它下降需要的時間。相反，3（b）、（c）和（d）則需要更多的時間來達到熱釋放速率峰值，這是由于油自身的內在屬性決定的，JHOA沸點較低，升溫較快很容易達到沸騰階段。

圖2 不同輻射強度下JHOA(a),CVTF-EXI(b), 5AT-ATF(c),PAG(d) 熱釋放速率

從圖2可以得到，CVTF的HRR最高，可達到1800kW/ m2，而JHOA的HRR則相對來說最低，僅有380kW/m2。同樣從圖3（b），（c）和（d）可以看出，在點燃之后，熱釋放速率隨著時間的推移而增加，但是當輻射通量達到一定值后，熱釋放速率明顯下降。以CVTF-EXI來進行說明，當外部熱通量為20kW/m2時，HRR在油品點燃之后立即增長，然后保持相對穩定的情況。此期間，HRR未發現明顯變大，是因為燃燒所釋放的熱量在積攢。而在外部熱通量增加為30kW· m2或更多時，HRR則呈現下降趨勢，在142s時HRR降至接近為0。這是因為此時油品溫度達到油的沸點，可觀測到有油品隨火焰從盤中沸騰溢出。

2.2 熱釋放總量

熱釋放總量（Total Heat Release，THR）是熱釋放速率對時間的積分而來，在本文中選取20kW/m2來比較四種油品的耐火性能。圖4、5分別顯示了四種汽車油品的熱釋放速率和放熱總量隨時間的變化關系，可以看到ATF具有最高的放熱總量，而JHOA最低。熱釋放總量表征的為樣品自身儲能，同外部環境（包括輻射熱通量的大小、風量大小等）無關，熱釋放總量曲線的梯度可呈現著火蔓延速率。從下面的圖我們能夠得到JHOA傳播速率最低，其他三種油品傳播速率接近。

圖4 油品在20 kW/m2條件下熱釋放速率

圖5 油品在20 kW/m2條件 下總放熱量

2.3 評價標準

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：

其中TTI為試驗材料點燃時間，四種油品的點火時間可由每個工況重復三次，取平均值作為點燃時間；PHRR為熱釋放速率峰值（Peak Heat Release Rate，PHRR）。

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。

我們對四種不同的汽車液體燃料在輻射強度為20kW/ m2、30kW/m2、40kW/m2的外部熱輻射分別在實驗儀器上開展了引燃測試，測得這幾種油品的熱釋放速率，放熱總量，點燃時間等一系列參數，實驗結果如表3所示：

實驗所測油品的火災危險等級如表3可以看到。輻射熱通量由20kW/m2至40kW/m2不等。如表得到，油品閃燃危險同外部熱通量的加劇而升高。當外部熱通量為20kW/m-2時JHOA具有低閃燃危險，外部熱通量為20kW/m2至40kW/m2時具有中等閃燃危險。對于CVTF-EXI與ATF在外部熱通量為20kW/m2至40kW/m2時具有高閃燃危險。而PAG在20kW/m2具有中等閃燃危險，30kW/m2至40kW/m2具有高閃燃危險。同時，JHOA和PAG在總放熱量上呈現中等危險性而CVTF和ATF呈現高危險性。將兩種因素綜合考慮，ATF相對其他油品來說危險性更高，而JHOA則較為安全。

表3 實驗結果及危險等級

3 結論

實際中汽車在使用中所儲存的油量為測試所用油量的3-8倍，而實際著火時火焰溫度在400-700 ℃，在火勢擴散到發動機艙后，火焰溫度可達600-1000 ℃，且發動機艙在運行過程內處于高溫環境，即實際情況中火焰熱通量已超過測試時所加熱輻射。所以，在真實火災中油品的放熱總量也超過了實驗測量值，極可能出現更高的危害程度。

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The study on combustion characteristic of automobile oil based on cone calorimeter

Guo Luyan, Wu Gang, Hu Bingchuan
（Anhui Jianghuai Automobile Group Co. Ltd, Anhui Hefei 2306601）

Automobile oil is a kind of fuel with high calorific value and high risks thus it is a major hazard to automobile fire. During the running process there are a lot heat accumulated which can be the radiation to the oils. Fires caused by bumps or oil spill are numerous. Therefore, it is of great significance to study the combustion characteristics and fire risk of automobile oil under the external radiation condition in order to prevent and control the spread of oil pool fire and to reduce the degree of fire hazard.

Cone calorimeter; Automobile oil; combustion characteristic

U467

A

1671-7988 (2017)15-125-03

郭路燕，女，（1987-），就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司，主要負責汽車線束以及車輛火災方面的工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.046