汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)可燃材料燃燒特性及電氣火災(zāi)試驗(yàn)的研究

胡冰川，呂陳，吳剛

（江淮汽車技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)可燃材料燃燒特性及電氣火災(zāi)試驗(yàn)的研究

胡冰川，呂陳，吳剛

（江淮汽車技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

文章主要對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)可燃材料的成分進(jìn)行分類，研究了常見可燃材料的燃燒特性，評(píng)判了其發(fā)生火災(zāi)時(shí)熱危險(xiǎn)性等級(jí)。通過模擬實(shí)車電氣火災(zāi)試驗(yàn)，獲得試驗(yàn)條件下電氣部件起火燃燒時(shí)火源周圍溫度以及熱輻射的變化規(guī)律，并驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)可燃零部件的燃燒特性。

發(fā)動(dòng)機(jī)艙；材料燃燒特性；電氣火災(zāi)；試驗(yàn)研究

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

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民的生活水平不斷提高，汽車數(shù)量也在持續(xù)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(shí)也帶來了較多的安全問題，汽車火災(zāi)就是其中較為突出的一種。汽車火災(zāi)事故涉及火災(zāi)原因調(diào)查，事故賠償?shù)汝P(guān)乎汽車企業(yè)發(fā)展、人民生命財(cái)產(chǎn)安全以及公共安全等重大問題。因此，研究汽車火災(zāi)發(fā)生的原因就顯得尤為重要。

從上世紀(jì)90年代末，國內(nèi)及國際科研院所已經(jīng)開始開展汽車火災(zāi)試驗(yàn)的研究。近些年來，國內(nèi)的一些高校也逐漸開始重視對(duì)汽車火災(zāi)試驗(yàn)的研究，并實(shí)車進(jìn)行了多次汽車火災(zāi)試驗(yàn)。其中，中國礦業(yè)大學(xué)程遠(yuǎn)平教授等人，以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)表面為起火點(diǎn)，對(duì)一輛兩廂式小汽車進(jìn)行了系統(tǒng)的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)。中國建筑科學(xué)研究院孫旋博士等人，以汽車后排座椅為起火點(diǎn)，模擬外部火源引燃車輛，獲得了試驗(yàn)條件下汽車火災(zāi)發(fā)生的可能性、駕駛艙火災(zāi)蔓延順序及火災(zāi)中溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律等成果。

由于汽車結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，汽車火災(zāi)發(fā)生的原因也是多種多樣。通過研究發(fā)現(xiàn)，汽車發(fā)生火災(zāi)主要分為以下幾種原因：

a）電氣故障；

b）油路故障；

c）機(jī)械故障；

d）其他原因。

其中，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)電氣火災(zāi)較為常見。這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空間較為狹小，整體溫度較高，油路，電路布置縱橫交錯(cuò)。多數(shù)零部件以及電氣線束的包裹物是可燃材料。一旦出現(xiàn)故障引發(fā)火災(zāi)，由于各種油品的存在，使得起火后燃燒極易迅速發(fā)展，不易撲滅。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，將對(duì)車輛構(gòu)成較大的威脅。

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)可燃零部件較多，材料成分各異，本文將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)常見的零部件所用材料進(jìn)行分類，研究各類材料的燃燒性能，并通過實(shí)車試驗(yàn)，以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)電氣故障引發(fā)的火災(zāi)為研究對(duì)象，深入研究發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)電氣火災(zāi)的發(fā)展規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果將為后期汽車火災(zāi)仿真模擬提供真實(shí)的數(shù)據(jù)支撐，對(duì)研究汽車火災(zāi)的發(fā)展特性，汽車防火設(shè)計(jì)以及汽車火災(zāi)救援工作等具有一定指導(dǎo)意義。

1、發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)常見可燃零部件燃燒性能的確認(rèn)

在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)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(shí)表現(xiàn)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(yàn)儀器為錐形量熱儀（Cone Calorimeter），該儀器可以使材料在模擬火災(zāi)的條件下燃燒，并能測(cè)試材料的點(diǎn)燃時(shí)間（TTI），熱釋放速率（HRR），峰值熱釋放速率（PHRR），等燃燒性能參數(shù)。

圖1 錐形量熱儀結(jié)構(gòu)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(duì)燃燒過程中氧氣濃度的連續(xù)測(cè)量可以實(shí)時(shí)得到樣品燃燒的熱釋放速率。錐形量熱儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙常見可燃零部件進(jìn)行分類測(cè)試，通過錐形量熱儀獲得一系列燃燒性能參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

雖然點(diǎn)燃時(shí)間，熱釋放速率，和總熱釋放量等是評(píng)價(jià)材料火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要參數(shù)，但是各參數(shù)只反映材料火災(zāi)危險(xiǎn)性的某一個(gè)方面。因此，Petrella等人提出將燃燒參數(shù)X和熱釋放總量THE組合在一起進(jìn)行評(píng)估，可以對(duì)材料熱危險(xiǎn)性有一個(gè)相對(duì)較真實(shí)的評(píng)判。Petrella提出的評(píng)判可燃材料燃燒的危險(xiǎn)等級(jí)，如表2所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)常見材料的燃燒特性

表2 熱危害性評(píng)估系統(tǒng)

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(shù)反應(yīng)了材料發(fā)生閃燃的危險(xiǎn)性，它是材料熱釋放速率峰值同點(diǎn)燃時(shí)間的比值，即：

X參數(shù)反映了材料對(duì)熱反映的能力，數(shù)值越大，表明材料一旦處于可燃環(huán)境內(nèi)能夠快速燃燒，火勢(shì)蔓延迅速，火災(zāi)危險(xiǎn)性較大。

而總熱釋放量THE反映了材料的內(nèi)部固有能量，獨(dú)立于環(huán)境因素。通常，THE只值越大，材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性越大。

表3 可燃材料的危險(xiǎn)等級(jí)

不同的火災(zāi)等級(jí)代表著不同的火災(zāi)危險(xiǎn)性。較低火災(zāi)危險(xiǎn)性和低火災(zāi)危險(xiǎn)性意味著材料本身能量少，火勢(shì)蔓延速率小，增長(zhǎng)較慢，發(fā)生火災(zāi)時(shí)對(duì)周圍物質(zhì)影響較小，經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間能量積聚才能將周圍其他材料點(diǎn)燃，在火災(zāi)初期如果及時(shí)采取措施即可將火撲滅。

運(yùn)用Petrella評(píng)價(jià)體系對(duì)材料進(jìn)行判斷，可以初步得到各個(gè)材料的危險(xiǎn)程度。總結(jié)如表3所示。

由上表可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙多數(shù)材料存在中等危險(xiǎn)性，甚至出現(xiàn)中上等危險(xiǎn)性。我們定義在出現(xiàn)較多中上等危險(xiǎn)性材料的區(qū)域?yàn)榘l(fā)生火災(zāi)后高危險(xiǎn)區(qū)域。經(jīng)分析可以看出空氣濾清器及蓄電池外殼為中上等危險(xiǎn)材料，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)兩者的距離較近，因此該區(qū)域被定義為高危區(qū)域。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，該區(qū)域極易被引燃。

2、試驗(yàn)過程與分析

2.1 試驗(yàn)過程

選用某款車輛為試驗(yàn)車輛，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)不同位置分別布置了七個(gè)熱電偶以及兩個(gè)輻射熱流計(jì)，其中熱流計(jì)T1位于室外電器盒附近，熱流計(jì)T2位于進(jìn)氣管道側(cè)附近，熱流計(jì)T3位于蓄電池附近，熱流計(jì)T4位于ECU附近，熱流計(jì)T5位于發(fā)動(dòng)機(jī)控制線束附近，熱流計(jì)T6位于空濾器管道附近，熱流計(jì)T7位于出水管附近，熱電偶R1位于前端支架左側(cè)，熱電偶R2位于前端支架右側(cè)，具體位置見圖2，連接各傳感器到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度變化的情況。并在距離車輛前臉1m處，設(shè)置一部錄像機(jī)，一部紅外熱像儀實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)過程以及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的溫度變化。試驗(yàn)采用外部點(diǎn)火，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的不同位置放置大小合適的油盤，通過點(diǎn)燃盛放在油盤內(nèi)的酒精模擬汽車電氣線路引發(fā)的火源。

圖2 傳感器位置示意圖

2.2 模擬發(fā)動(dòng)機(jī)控制線束起火

發(fā)動(dòng)機(jī)控制線束在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)連接發(fā)動(dòng)機(jī)多種檢測(cè)傳感器。同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)控制線束線路較長(zhǎng)，布線途經(jīng)空氣濾清器以及進(jìn)氣管道等易燃零部件。在設(shè)計(jì)以及安裝的過程稍有不慎，發(fā)動(dòng)機(jī)控制線束便會(huì)與其他零部件產(chǎn)生干涉。發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)惡劣的環(huán)境以及長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械磨損，會(huì)使控制線束發(fā)生破損，引起短路形成大電流，瞬時(shí)釋放大量熱量形成火災(zāi)。因此將10×10cm的油盤放置發(fā)動(dòng)機(jī)控制線束的正下方，如圖3中A處，模擬該處發(fā)動(dòng)機(jī)控制線束因機(jī)械磨損形成短路引發(fā)線束起火。在油盤中放入100ml的酒精。連接車輛電源，點(diǎn)火鑰匙打到ON檔，接通車輛各用電設(shè)備。使用明火點(diǎn)燃酒精，當(dāng)燃燒500s后關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)引擎蓋。環(huán)境數(shù)據(jù)如表4，試驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)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(huán)境數(shù)據(jù)

圖4 發(fā)艙內(nèi)溫度及熱輻射變化圖

由圖4（a）可以看出，在前400S內(nèi)熱電偶T5的變化較為劇烈，這是因?yàn)門5剛好位于油盤的正上方，測(cè)得數(shù)據(jù)即為模擬火源的實(shí)時(shí)溫度，又由于在前500S內(nèi)，引擎蓋留有一定空隙，模擬火源的溫度隨著風(fēng)速有著一定程度的波動(dòng)，期間溫度最高達(dá)到500℃。當(dāng)時(shí)間接近400S時(shí)，模擬火源熄滅，發(fā)動(dòng)機(jī)控制線束外包裹的護(hù)套具有阻燃特性，被引燃后燃燒持續(xù)時(shí)間較短，燃燒并不劇烈。因此，熱電偶T5較快恢復(fù)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(cè)的溫度有著明顯的升高，最高達(dá)到100℃。當(dāng)關(guān)閉引擎蓋后，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度呈現(xiàn)普遍升高趨勢(shì)，由圖4（b）可以看出，熱輻射明顯加劇，輻射熱流計(jì)R1可達(dá)1.3kw/m2，輻射熱流計(jì)R2也可達(dá)0.5 kw/m2。在試驗(yàn)進(jìn)行至800S時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)引擎蓋隔音墊與制動(dòng)液壺劇烈燃燒。鑒于火勢(shì)較大，試驗(yàn)進(jìn)行了及時(shí)滅火。試驗(yàn)后，可以看出空氣濾清器管道、進(jìn)水管、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋總成以及引擎蓋隔音墊被一定程度的燒蝕，制動(dòng)液壺被完成燒毀，發(fā)動(dòng)機(jī)引擎蓋隔音墊被不同程度的引燃，而發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)載，繼電器、保險(xiǎn)絲時(shí)常有燒毀的情況出現(xiàn)。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(diǎn)火鑰匙打到ON檔，接通車輛各用電設(shè)備。使用明火點(diǎn)燃火源，當(dāng)燃燒320s后關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)引擎蓋。環(huán)境數(shù)據(jù)如表5，實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)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(yàn)開始80s時(shí)點(diǎn)燃模擬火源，模擬火源周圍溫度明顯升高，熱電偶T3測(cè)得溫度最高可達(dá)192攝氏度。在試驗(yàn)開始320s時(shí)關(guān)閉車蓋，可以看到溫度先下降后升高，這是由于關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)點(diǎn)溫度也有所增加，周圍的熱輻射也明顯加強(qiáng)，由圖5（b）可以看出輻射熱流計(jì)R2最高可達(dá)1.7 kw/m2，輻射熱流計(jì)R1數(shù)據(jù)變化不大。實(shí)驗(yàn)過程中，室外電器盒燒蝕嚴(yán)重，同時(shí)蓄電池有明顯燒蝕痕跡，如圖3（b）所示。

表5 電器盒起火環(huán)境數(shù)據(jù)

圖5 發(fā)艙內(nèi)溫度及熱輻射變化圖

3、結(jié)論

1）發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)較多零部件表現(xiàn)出較強(qiáng)的可燃性，多數(shù)零部件的燃燒危險(xiǎn)性較高；

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

3）發(fā)動(dòng)機(jī)引擎蓋關(guān)閉的條件下，空氣流通受到一定程度的阻礙，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的溫度呈現(xiàn)一定程度的下降。由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)形成封閉空間，燃燒熱輻射會(huì)逐漸加強(qiáng)，在2min的時(shí)間內(nèi)即可引燃發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的可燃物；

4）該試驗(yàn)空濾器，蓄電池，隔音棉等零部件危險(xiǎn)等級(jí)較高，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，極易被引燃。

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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-），碩士研究生，就職于安徽江淮汽車技術(shù)中心，主要負(fù)責(zé)車輛火災(zāi)以及電氣架構(gòu)方面的工作。