汽车发动机舱内可燃材料燃烧特性及电气火灾试验的研究

胡冰川，吕陈，吴刚

（江淮汽车技术中心，安徽 合肥 230601）

汽车发动机舱内可燃材料燃烧特性及电气火灾试验的研究

胡冰川，吕陈，吴刚

（江淮汽车技术中心，安徽 合肥 230601）

文章主要对汽车发动机舱内可燃材料的成分进行分类，研究了常见可燃材料的燃烧特性，评判了其发生火灾时热危险性等级。通过模拟实车电气火灾试验，获得试验条件下电气部件起火燃烧时火源周围温度以及热辐射的变化规律，并验证发动机舱内可燃零部件的燃烧特性。

发动机舱；材料燃烧特性；电气火灾；试验研究

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

引言

随着社会经济的不断发展，人民的生活水平不断提高，汽车数量也在持续增加。然而，事情都存在着两面性，汽车给人们的生活带来较大方便的同时也带来了较多的安全问题，汽车火灾就是其中较为突出的一种。汽车火灾事故涉及火灾原因调查，事故赔偿等关乎汽车企业发展、人民生命财产安全以及公共安全等重大问题。因此，研究汽车火灾发生的原因就显得尤为重要。

从上世纪90年代末，国内及国际科研院所已经开始开展汽车火灾试验的研究。近些年来，国内的一些高校也逐渐开始重视对汽车火灾试验的研究，并实车进行了多次汽车火灾试验。其中，中国矿业大学程远平教授等人，以汽车发动机表面为起火点，对一辆两厢式小汽车进行了系统的火灾实验。中国建筑科学研究院孙旋博士等人，以汽车后排座椅为起火点，模拟外部火源引燃车辆，获得了试验条件下汽车火灾发生的可能性、驾驶舱火灾蔓延顺序及火灾中温度随时间的变化规律等成果。

由于汽车结构较为复杂，汽车火灾发生的原因也是多种多样。通过研究发现，汽车发生火灾主要分为以下几种原因：

a）电气故障；

b）油路故障；

c）机械故障；

d）其他原因。

其中，发动机舱内电气火灾较为常见。这是由于发动机舱内空间较为狭小，整体温度较高，油路，电路布置纵横交错。多数零部件以及电气线束的包裹物是可燃材料。一旦出现故障引发火灾，由于各种油品的存在，使得起火后燃烧极易迅速发展，不易扑灭。因此，发动机舱内发生火灾，将对车辆构成较大的威胁。

针对发动机舱内可燃零部件较多，材料成分各异，本文将对发动机舱内常见的零部件所用材料进行分类，研究各类材料的燃烧性能，并通过实车试验，以汽车发动机舱内电气故障引发的火灾为研究对象，深入研究发动机舱内电气火灾的发展规律。实验结果将为后期汽车火灾仿真模拟提供真实的数据支撑，对研究汽车火灾的发展特性，汽车防火设计以及汽车火灾救援工作等具有一定指导意义。

1、发动机舱内常见可燃零部件燃烧性能的确认

在发动机舱内可燃材料种类较多，例如，蓄电池、室外电器盒、空气滤清器、电气线束、燃油管路等等。不同成分的材料在燃烧时表现出的燃烧特性差别也较为明显。研究固体燃烧性能的最理想的试验仪器为锥形量热仪（Cone Calorimeter），该仪器可以使材料在模拟火灾的条件下燃烧，并能测试材料的点燃时间（TTI），热释放速率（HRR），峰值热释放速率（PHRR），等燃烧性能参数。

图1 锥形量热仪结构示意图

锥形量热仪的核心仪器为氧气分析仪，基于耗氧法原理，通过对燃烧过程中氧气浓度的连续测量可以实时得到样品燃烧的热释放速率。锥形量热仪的结构如图1所示。

对发动机舱常见可燃零部件进行分类测试，通过锥形量热仪获得一系列燃烧性能参数，实验结果见表1。

虽然点燃时间，热释放速率，和总热释放量等是评价材料火灾危险性的重要参数，但是各参数只反映材料火灾危险性的某一个方面。因此，Petrella等人提出将燃烧参数X和热释放总量THE组合在一起进行评估，可以对材料热危险性有一个相对较真实的评判。Petrella提出的评判可燃材料燃烧的危险等级，如表2所示。

表1 发动机舱内常见材料的燃烧特性

表2 热危害性评估系统

Petrella分析提出，热释放总量THE可由热释放速率曲线积分直接得到。X参数反应了材料发生闪燃的危险性，它是材料热释放速率峰值同点燃时间的比值，即：

X参数反映了材料对热反映的能力，数值越大，表明材料一旦处于可燃环境内能够快速燃烧，火势蔓延迅速，火灾危险性较大。

而总热释放量THE反映了材料的内部固有能量，独立于环境因素。通常，THE只值越大，材料的火灾危险性越大。

表3 可燃材料的危险等级

不同的火灾等级代表着不同的火灾危险性。较低火灾危险性和低火灾危险性意味着材料本身能量少，火势蔓延速率小，增长较慢，发生火灾时对周围物质影响较小，经过较长时间能量积聚才能将周围其他材料点燃，在火灾初期如果及时采取措施即可将火扑灭。

运用Petrella评价体系对材料进行判断，可以初步得到各个材料的危险程度。总结如表3所示。

由上表可以看出，在发动机舱多数材料存在中等危险性，甚至出现中上等危险性。我们定义在出现较多中上等危险性材料的区域为发生火灾后高危险区域。经分析可以看出空气滤清器及蓄电池外壳为中上等危险材料，同时在发动机舱内两者的距离较近，因此该区域被定义为高危区域。一旦发动机舱内发生火灾，该区域极易被引燃。

2、试验过程与分析

2.1 试验过程

选用某款车辆为试验车辆，在发动机舱内不同位置分别布置了七个热电偶以及两个辐射热流计，其中热流计T1位于室外电器盒附近，热流计T2位于进气管道侧附近，热流计T3位于蓄电池附近，热流计T4位于ECU附近，热流计T5位于发动机控制线束附近，热流计T6位于空滤器管道附近，热流计T7位于出水管附近，热电偶R1位于前端支架左侧，热电偶R2位于前端支架右侧，具体位置见图2，连接各传感器到数据采集系统，实验过程中实时采集发动机舱内温度变化的情况。并在距离车辆前脸1m处，设置一部录像机，一部红外热像仪实时记录试验过程以及发动机舱内的温度变化。试验采用外部点火，在发动机舱内的不同位置放置大小合适的油盘，通过点燃盛放在油盘内的酒精模拟汽车电气线路引发的火源。

图2 传感器位置示意图

2.2 模拟发动机控制线束起火

发动机控制线束在发动机舱内连接发动机多种检测传感器。同时发动机控制线束线路较长，布线途经空气滤清器以及进气管道等易燃零部件。在设计以及安装的过程稍有不慎，发动机控制线束便会与其他零部件产生干涉。发动机舱内恶劣的环境以及长时间的机械磨损，会使控制线束发生破损，引起短路形成大电流，瞬时释放大量热量形成火灾。因此将10×10cm的油盘放置发动机控制线束的正下方，如图3中A处，模拟该处发动机控制线束因机械磨损形成短路引发线束起火。在油盘中放入100ml的酒精。连接车辆电源，点火钥匙打到ON档，接通车辆各用电设备。使用明火点燃酒精，当燃烧500s后关闭发动机引擎盖。环境数据如表4，试验过程中，发动机舱内温度以及热辐射变化如图3所示：

图3 火源位置及烧蚀情况图

表4 线束起火环境数据

图4 发舱内温度及热辐射变化图

由图4（a）可以看出，在前400S内热电偶T5的变化较为剧烈，这是因为T5刚好位于油盘的正上方，测得数据即为模拟火源的实时温度，又由于在前500S内，引擎盖留有一定空隙，模拟火源的温度随着风速有着一定程度的波动，期间温度最高达到500℃。当时间接近400S时，模拟火源熄灭，发动机控制线束外包裹的护套具有阻燃特性，被引燃后燃烧持续时间较短，燃烧并不剧烈。因此，热电偶T5较快恢复周围温度。而热电偶T6周围的空滤器管道被火源引燃。因此，空滤器附近的T6的探测的温度有着明显的升高，最高达到100℃。当关闭引擎盖后，发动机舱内温度呈现普遍升高趋势，由图4（b）可以看出，热辐射明显加剧，辐射热流计R1可达1.3kw/m2，辐射热流计R2也可达0.5 kw/m2。在试验进行至800S时，发动机引擎盖隔音垫与制动液壶剧烈燃烧。鉴于火势较大，试验进行了及时灭火。试验后，可以看出空气滤清器管道、进水管、发动机盖总成以及引擎盖隔音垫被一定程度的烧蚀，制动液壶被完成烧毁，发动机引擎盖隔音垫被不同程度的引燃，而发动机控制线束存在明显的烧蚀痕迹。如图3（a）所示。

2.3 模拟室外电器盒起火

室外电器盒承载较多的负载，继电器、保险丝时常有烧毁的情况出现。因此将5×5cm的油盘放置在图3中的B处，室外电器盒附近，模拟室外电器盒起火。在油盘中放入50ml的酒精。连接车辆电源，点火钥匙打到ON档，接通车辆各用电设备。使用明火点燃火源，当燃烧320s后关闭发动机引擎盖。环境数据如表5，实验过程中，发动机舱内温度以及热辐射变化如图5所示。

由图5（a）可以看出，在试验开始80s时点燃模拟火源，模拟火源周围温度明显升高，热电偶T3测得温度最高可达192摄氏度。在试验开始320s时关闭车盖，可以看到温度先下降后升高，这是由于关闭发动机引擎盖后火焰受到一定限制，温度积聚，模拟火源周围的可燃物被不同程度的引燃，燃烧较为剧烈。因此，其他探测点温度也有所增加，周围的热辐射也明显加强，由图5（b）可以看出辐射热流计R2最高可达1.7 kw/m2，辐射热流计R1数据变化不大。实验过程中，室外电器盒烧蚀严重，同时蓄电池有明显烧蚀痕迹，如图3（b）所示。

表5 电器盒起火环境数据

图5 发舱内温度及热辐射变化图

3、结论

1）发动机舱内较多零部件表现出较强的可燃性，多数零部件的燃烧危险性较高；

2）在试验条件下，起火部位周边温度在试验开始后300S时温度急剧上升，燃烧蔓延及热辐射加剧；

3）发动机引擎盖关闭的条件下，空气流通受到一定程度的阻碍，发动机舱内的温度呈现一定程度的下降。由于发动机舱内形成封闭空间，燃烧热辐射会逐渐加强，在2min的时间内即可引燃发动机舱内的可燃物；

4）该试验空滤器，蓄电池，隔音棉等零部件危险等级较高，在发生火灾时，极易被引燃。

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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-），硕士研究生，就职于安徽江淮汽车技术中心，主要负责车辆火灾以及电气架构方面的工作。