基于锥形量热仪试验汽车油品燃烧特性的研究

郭路燕，吴刚，胡冰川

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于锥形量热仪试验汽车油品燃烧特性的研究

郭路燕，吴刚，胡冰川

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽车油品是一类热值高，危险性强的材料，是车辆火灾主要危险源之一。汽车在运行过程中发动机舱积聚着大量热量，各类油品暴露于热辐射下，且行车过程中由于颠簸、碰撞导致的燃油泄漏、滴落而引发的火灾举不胜数。因此，研究汽车油品在外部辐射条件下的燃烧特性和火灾危险性对汽车油池火蔓延的预防和控制，降低火灾危害程度具有重要意义。

锥形量热仪；汽车油品；燃烧特性

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

引言

汽车作为代步工具慢慢进入我们的平日出行，提供便捷的同时也带来一系列安全问题。根据消防部门公布的数据，每年全国发生的各类火灾中，汽车火灾的发生数量、造成的财产损失和人员伤亡均呈现逐年递增的趋势。汽车油品是一类热值高，危险性强的材料，是车辆火灾主要危险源之一。汽车在运行过程中发动机舱内气温可达到300～500℃，而当燃油进到气缸的那一刹那，环境气温可以达到1500～1800℃，产生的热量一部分从排气管排出去，此时排气管温度约为800℃，如果油品滴落在这些高温物体表面，也可以被引燃。常见的汽车火灾油品故障有排气管高温对燃油的热辐射以及在车辆运行过程中的泄露等等。目前国内外关于汽车油品在外部辐射条件下的研究较少。

本文在锥形量热仪上对防冻液（JHOA）和润滑油（PAG）、变速器油（CVTF和ATF）、在不同辐射条件下的燃烧危险性进行研究，测得热释放速率、放热总量等一系列参数来表征其着火危险性。

1 试验过程

本文中选用试验油品均为汽车上常见的油品，分别为手动变速箱油（ATF）、自动变速箱油（CVTF）、汽车防冻液（JHOA）以及汽车润滑油（PAG）。这些油品在常温下的物理参数见表1。

表1 汽车油品热物参数 （温度：15℃）

研究在锥形量热仪上开展，该研究设备能够重现真实着火情形，并具有可重复性。锥形量热仪主要用于评估可燃固体材料，但一些材料例如聚烯烃在测试过程中会发生熔化成为液体进行燃烧，因此该实验设备也能够用来评判可燃液体物质燃烧。研究表明油盘形状对点燃时间没有影响，在实验前按照标准用锡箔纸对油盘内层进行包裹，为了便于操作，选取方形油盘（10cm×10cm）进行燃烧测试。

图1 四种试验样本

为了得到汽车上典型油品在这些高温辐射环境下的着火危险等级，我们利用锥形量热仪开展外部辐射下测试试验，选取的辐射强度为20kW/m2、30kW/ m2、40kW/ m2三种工况进行试验研究。实验所使用油品的体积为约30ml。锥形量热仪的辐射强度通过辐射流量仪器校准以给出设定得入射强度。在测试过程中我们主要搜集的参数有：点燃时间（TTI）、热释放速率（HRR）、放热总量（THR）等。

锥形量热仪的热通量通过热流计校准以给出设定的入射通量，辐射强度稳定后，将乘放油品的油盘放置于称重传感器上，撤离挡板打开电火花同时启动程序开始实验。点燃时间为实验样品从放置于外部热通量下至材料有明显发光火焰中间的时间。

当样品暴露于辐射源下一段时间后，液体温度增加，可以看到液体表面有气体蒸发出来，样品发生汽化，当可燃气体浓度增加到一定程度后，在电火花的作用下，样品首先发生闪燃，随后熄灭，随着热量不断积聚，汽化加剧，可燃气体浓度加大，有明火出现，样品被引燃。在燃烧初期火焰较小，有多个火苗，随着时间的增长，火焰持续蔓延燃烧加剧，火苗逐渐凝聚成一股，液体温度不断增加达到油品的沸点，样品发生沸腾，伴随着嘶嘶的声音，可以观测到有油品随火焰从盘中沸腾溢出。

2 试验结果与分析

2.1 热释放速率

热释放速率（heat release rate，HRR）为样品着火标准时刻中产生的热量，作为判断样品着火特征与着火危害的基本指标[3,9]，同时也控制和影响其他燃烧性能参数。通常情况下，小尺寸着火研究时热释放率如果呈现较高水平而点燃时间却短，那么其着火危害等级也较高。

图2显示出了在给定外部强度时JHOA（a），CVTF-EXI （b），5AT-ATF（c）和PAG（d）的HRR在不同时刻的变化规律。当辐射强度变大时油品的HRR同样会变高，着火过程变短。这是因为辐射强度变高加剧燃油单位时间内的消耗量，使油品HRR变高。从图3a可以看出，油品燃烧热释放速率曲线具有对称趋势，即热释放速率上升所需要时间等于它下降需要的时间。相反，3（b）、（c）和（d）则需要更多的时间来达到热释放速率峰值，这是由于油自身的内在属性决定的，JHOA沸点较低，升温较快很容易达到沸腾阶段。

图2 不同辐射强度下JHOA(a),CVTF-EXI(b), 5AT-ATF(c),PAG(d) 热释放速率

从图2可以得到，CVTF的HRR最高，可达到1800kW/ m2，而JHOA的HRR则相对来说最低，仅有380kW/m2。同样从图3（b），（c）和（d）可以看出，在点燃之后，热释放速率随着时间的推移而增加，但是当辐射通量达到一定值后，热释放速率明显下降。以CVTF-EXI来进行说明，当外部热通量为20kW/m2时，HRR在油品点燃之后立即增长，然后保持相对稳定的情况。此期间，HRR未发现明显变大，是因为燃烧所释放的热量在积攒。而在外部热通量增加为30kW· m2或更多时，HRR则呈现下降趋势，在142s时HRR降至接近为0。这是因为此时油品温度达到油的沸点，可观测到有油品随火焰从盘中沸腾溢出。

2.2 热释放总量

热释放总量（Total Heat Release，THR）是热释放速率对时间的积分而来，在本文中选取20kW/m2来比较四种油品的耐火性能。图4、5分别显示了四种汽车油品的热释放速率和放热总量随时间的变化关系，可以看到ATF具有最高的放热总量，而JHOA最低。热释放总量表征的为样品自身储能，同外部环境（包括辐射热通量的大小、风量大小等）无关，热释放总量曲线的梯度可呈现着火蔓延速率。从下面的图我们能够得到JHOA传播速率最低，其他三种油品传播速率接近。

图4 油品在20 kW/m2条件下热释放速率

图5 油品在20 kW/m2条件 下总放热量

2.3 评价标准

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：

其中TTI为试验材料点燃时间，四种油品的点火时间可由每个工况重复三次，取平均值作为点燃时间；PHRR为热释放速率峰值（Peak Heat Release Rate，PHRR）。

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。

我们对四种不同的汽车液体燃料在辐射强度为20kW/ m2、30kW/m2、40kW/m2的外部热辐射分别在实验仪器上开展了引燃测试，测得这几种油品的热释放速率，放热总量，点燃时间等一系列参数，实验结果如表3所示：

实验所测油品的火灾危险等级如表3可以看到。辐射热通量由20kW/m2至40kW/m2不等。如表得到，油品闪燃危险同外部热通量的加剧而升高。当外部热通量为20kW/m-2时JHOA具有低闪燃危险，外部热通量为20kW/m2至40kW/m2时具有中等闪燃危险。对于CVTF-EXI与ATF在外部热通量为20kW/m2至40kW/m2时具有高闪燃危险。而PAG在20kW/m2具有中等闪燃危险，30kW/m2至40kW/m2具有高闪燃危险。同时，JHOA和PAG在总放热量上呈现中等危险性而CVTF和ATF呈现高危险性。将两种因素综合考虑，ATF相对其他油品来说危险性更高，而JHOA则较为安全。

表3 实验结果及危险等级

3 结论

实际中汽车在使用中所储存的油量为测试所用油量的3-8倍，而实际着火时火焰温度在400-700 ℃，在火势扩散到发动机舱后，火焰温度可达600-1000 ℃，且发动机舱在运行过程内处于高温环境，即实际情况中火焰热通量已超过测试时所加热辐射。所以，在真实火灾中油品的放热总量也超过了实验测量值，极可能出现更高的危害程度。

[1] 观云逸.汽车火灾事故原因分析及处理[J].产业与科技论坛,2014.

[2] 公安部消防局. 中国消防年鉴[J]. 2015.

[3] 崔杰,毛亚岐,吴刚等. 基于锥形量热仪试验的典型线束包覆物燃烧特性研究[J]. 汽车技术, 2016 (6): 32-36.

[4] 付丽华,张瑞芳,石龙. 基于锥形量热仪实验的卷烟及其包装材料燃烧特性研究[J].火灾科学,2009.

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

[6] Suzuki K, Sugawa O, Yamagishi A, et al. Experimental study on ignition and combustion behaviors of insulation fluids for transformer using cone calorimeter[J]. IEEJ Transactions on Power and Energy, 2007, 127(7): 797-802.

[7] 耿惠民,毛铁强.汽车火灾的研究[J].消防科学与技术,2004.

[8] 程远平,R John.小汽车火灾试验研究[J].中国矿业大学学报,2002.

[9] 孙旋,王婉娣.全尺寸汽车火灾实验[J].清华大学学报,2010.

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-），就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司，主要负责汽车线束以及车辆火灾方面的工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.046