卷煙燃燒動態(tài)吸阻研究

劉 歡

王 樂2

胡少東1

楊金初1

李 斌2

(1. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河南 鄭州 450000；2. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001)

卷煙燃燒動態(tài)吸阻研究

劉 歡1

王 樂2

胡少東1

楊金初1

李 斌2

(1. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河南 鄭州 450000；2. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001)

為了研究卷煙燃燒過程中動態(tài)吸阻的變化特性及其影響因素，選取3R4F標準卷煙作為試驗樣品，運用建立的動態(tài)吸阻計算方法考察了煙支燃燒過程中動態(tài)吸阻隨燃燒線位置的變化規(guī)律，并分別分析了煙支中煙絲密度、不同抽吸狀態(tài)(有濾嘴通風(fēng)、無濾嘴通風(fēng)和煙絲部分)以及不同抽吸模式對煙支動態(tài)吸阻的影響規(guī)律。結(jié)果表明：煙支動態(tài)吸阻隨燃燒線長度呈現(xiàn)先增大、后降低并趨于平穩(wěn)、最后再增大的趨勢；煙支兩端煙絲密度大的部分具有較大的動態(tài)吸阻值，煙支中間密度穩(wěn)定部分具有較均勻的動態(tài)吸阻值；對于3種不同抽吸狀態(tài)，靜態(tài)吸阻與動態(tài)吸阻的差異性顯著，按照偏差分析由小到大的排序為：有濾嘴通風(fēng)<無濾嘴通風(fēng)<煙絲部分；不同抽吸模式下測試所得的靜態(tài)吸阻值相近，煙支前半部分的動態(tài)吸阻相差不大，后半部分的動態(tài)吸阻相差較大，有利于根據(jù)不同抽吸模式的人群進行卷煙設(shè)計，從而達到提高卷煙感官質(zhì)量的目的。

動態(tài)吸阻；燃燒線；煙絲密度；抽吸模式

卷煙感官質(zhì)量不僅受到靜態(tài)條件下煙支重量、吸阻、通風(fēng)率、硬度、壓降等重要指標的影響，而且受到卷煙在燃吸過程中吸阻、通風(fēng)率、壓降等指標的影響。其中卷煙燃吸過程中，動態(tài)吸阻的大小直接影響著消費者對卷煙感官質(zhì)量的評價，同時也是影響煙氣中化學(xué)成分組成的重要因素之一，因此研究卷煙燃燒過程中動態(tài)吸阻的變化對提高卷煙感官質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。目前國內(nèi)外對卷煙在未燃燒情況下的吸阻研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，主要集中在吸阻與單支支重相關(guān)性分析[1-2]、吸阻與卷煙其他物理指標相關(guān)性分析[3-5]、吸阻穩(wěn)定性影響因素分析[6-8]以及卷煙吸阻模型[9-10]方面。

國外對卷煙燃燒過程中抽吸壓力以及通風(fēng)狀況有了初步的研究，為了更加精確地評估吸煙者在抽煙過程中的感覺，文獻[11]建立了相關(guān)模型對卷煙抽吸過程中抽吸阻力的變化進行了理論研究并開發(fā)了卷煙抽吸阻力測試裝置。為了研究原材料和燃燒過程對產(chǎn)品特性的貢獻度，文獻[12]建立了卷煙燃燒過程中壓力和通風(fēng)的數(shù)學(xué)模型，該模型可以用來評價各種影響因素對卷煙燃燒過程中壓力和通風(fēng)的貢獻度。

盡管卷煙燃燒過程中的抽吸阻力變化規(guī)律可以反映動態(tài)吸阻的變化規(guī)律，但是仍然缺乏直觀性。運用數(shù)學(xué)模型來刻畫卷煙燃燒過程中抽吸壓力的變化規(guī)律盡管具有先進的理論指導(dǎo)意義，但是模擬精度以及模型參數(shù)的精確獲取存在一定的局限性。本研究擬運用建立的動態(tài)吸阻計算方法考察煙支密度分布、抽吸狀態(tài)及抽吸模式對卷煙動態(tài)吸阻的影響規(guī)律，并系統(tǒng)研究3R4F卷煙在3種不同抽吸狀態(tài)下動態(tài)吸阻隨燃燒線位置的變化規(guī)律，給出卷煙動態(tài)吸阻分布情況。卷煙設(shè)計工作者可通過設(shè)計卷煙通風(fēng)以及調(diào)整煙支密度分布，從而達到提高卷煙感官質(zhì)量的目的，進一步滿足消費者對卷煙舒適度的需求。

1 材料與方法

1.1 材料、設(shè)備與儀器

3R4F標準卷煙：由University of Kentucky制作的標準參比卷煙，其卷煙長度×煙支長度×煙支圓周為84 mm×57 mm×24.8 mm；

微孔道壓力檢測實驗平臺：量程為-2 048～2 048 Pa，測量誤差±5 Pa，采樣頻率10～50 Hz，鄭州煙草研究院研制；

單孔道吸煙機：SM-100型，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所；

煙支綜合分析儀：STA449型，德國Netzsch公司；

煙支密度分析儀：MWW3220型，德國TEWS公司；

電子天平：AB104-N型，奧豪斯儀器有限公司。

1.2 方法

將3R4F標準卷煙在恒溫恒濕實驗室中，于環(huán)境溫度(22±2) ℃、濕度(60±5)%條件下平衡48 h。

1.2.1 動態(tài)吸阻計算方法 圖 1 表示卷煙在 ISO 標準鐘形抽吸模式下，卷煙出口氣流壓降隨抽吸時間的變化規(guī)律，由于抽吸流速與壓差成正比[9]，故圖1也可以表示抽吸流量隨抽吸時間的變化規(guī)律。

圖1 鐘形抽吸模式下的壓力曲線Figure 1 Pressure curve in bell-shaped suction mode

標準抽吸符合正弦曲線，故抽吸流量V服從正弦曲線變化規(guī)律：

V=Asin(Bt)。

(1)

(2)

由于抽吸流速與壓差成正比[9]，則有以下關(guān)系成立：

(3)

(4)

式中：

Pmax——抽吸流量為Vmax時的壓力差，Pa；

P17.5——所求的吸阻數(shù)值，Pa。

1.2.2 動態(tài)吸阻測試方案 本試驗測試了標準抽吸模式下3種不同抽吸狀態(tài)的動態(tài)吸阻數(shù)據(jù)和有濾嘴通風(fēng)情況下4種不同抽吸模式的動態(tài)吸阻數(shù)據(jù)。表1給出了4種不同抽吸模式的抽吸參數(shù)。

表1 4種不同抽吸模式的抽吸參數(shù)Table 1 Suction parameters in four different suction modes

抽吸狀態(tài)設(shè)計：無濾嘴通風(fēng)情況下煙支動態(tài)吸阻測試時需要采用膠帶將嘴棒處的排氣孔(圖2)密封住，煙絲部分動態(tài)吸阻測試時需要用刀片將接裝與卷煙紙連接處劃開，僅對卷煙紙包裹的煙絲部分進行測試。

1. 卷煙紙 2. 排氣孔 3. 接裝紙圖2 卷煙外觀示意圖Figure 2 The appearance of cigarettes

燃燒線位置測試：用點煙器將煙支點燃(接觸時間為15 s)，記錄吸煙機第一次抽吸時刻的燃燒線長度作為第一次抽吸時燃燒線位置；以后吸煙機第n次抽吸時刻的燃燒線長度作為第n次抽吸時燃燒線的位置。卷煙燃燒線的獲取是采用刻度尺對卷煙燃燒線位置進行測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸阻測試儀器方差分析

對標準卷煙3R4F分別采用綜合測試臺和微孔道壓力檢測實驗平臺進行測試，測試結(jié)果見表2。其中測試1數(shù)據(jù)是由微孔道壓力檢測實驗平臺測得的壓差數(shù)據(jù)，并按照1.2中所述方法換算而來，測試2數(shù)據(jù)是采用綜合測試臺測試。

對表2中數(shù)據(jù)進行方差分析，其分析結(jié)果見表3，P=0.496 5>0.05，因此認為測試1和測試2沒有顯著性差異。

2.2 煙支密度對動態(tài)吸阻的影響

圖3給出了動態(tài)吸阻和煙支密度隨煙支軸向長度的變化情況，其中動態(tài)吸阻的第一個數(shù)據(jù)點是煙支在未點燃情況下的靜態(tài)吸阻。由圖3可知，煙支的兩端具有較大的密度數(shù)值，同時此處的動態(tài)吸阻數(shù)值也較大；煙支中間區(qū)域密度分布穩(wěn)定，此處的動態(tài)吸阻數(shù)值也趨于均勻。

表2 吸阻測試數(shù)據(jù)Table 2 Suction resistance test data

表3 吸阻數(shù)據(jù)方差分析表Table 3 Analysis of variance data of suction resistance data

圖3 動態(tài)吸阻和煙支密度隨煙支軸向長度的變化情況

Figure 3 The variation with the axial length of cigarette of dynamic suction resistance and cigarette density

由煙支密度隨著煙支軸向長度的變化可知：在0～5 mm時，煙支密度由零逐漸增大；在5～15 mm時，煙支密度又逐漸下降；在15～40 mm時，煙支密度趨于平穩(wěn)；在40～50 mm時，煙支密度又逐漸增大。由動態(tài)吸阻隨煙支軸向長度的變化可知：煙支前端，動態(tài)吸阻沿軸向長度先增大后減??；在煙支中間部分，動態(tài)吸阻隨軸向長度變化不大，并趨于平穩(wěn)；在煙支后端，動態(tài)吸阻又有增大趨勢?？梢愿鶕?jù)該研究結(jié)果合理設(shè)計煙絲在卷煙中的填充性能，從而達到提高卷煙抽吸過程中動態(tài)吸阻穩(wěn)定性的目的。

2.3 抽吸狀態(tài)對動態(tài)吸阻的影響

圖4給出了標準卷煙3R4F在3種不同抽吸狀態(tài)下(有濾嘴通風(fēng)、無濾嘴通風(fēng)和煙絲部分)動態(tài)吸阻隨軸向長度(燃燒線位置)的變化情況，其中第一個數(shù)據(jù)為煙支未點燃情況下的靜態(tài)吸阻，第二個數(shù)據(jù)為煙支點燃后第一次抽吸時的動態(tài)吸阻。有濾嘴通風(fēng)和無濾嘴通風(fēng)情況下，卷煙動態(tài)吸阻均呈現(xiàn)出兩端吸阻大中間吸阻小的趨勢；在僅有煙絲部分抽吸狀態(tài)時，卷煙動態(tài)吸阻前段吸阻大、中間吸阻與尾端吸阻值相近的趨勢，該現(xiàn)象是由抽吸過程中沒有卷煙濾嘴造成的。

由表4可知，在有濾嘴通風(fēng)情況下，靜態(tài)吸阻到第一口抽吸時動態(tài)吸阻的增加值最小，增加的百分比也最??；在僅有煙絲部分抽吸的情況下，靜態(tài)吸阻到第一口抽吸時動態(tài)吸阻的增加值最大，增加的百分比也最大。說明嘴棒的存在可以減小靜態(tài)吸阻和動態(tài)吸阻的差異性，而且通過設(shè)計嘴棒的通風(fēng)率可以使兩者間差異性最小。根據(jù)該研究結(jié)果合理優(yōu)化濾嘴的通風(fēng)率，可以改善卷煙抽吸過程中的舒適度，從而達到提高消費者對卷煙的認可度。

圖4 動態(tài)吸阻隨煙支軸向長度的變化情況

Figure 4 The variation with the axial length of the cigarette of dynamic suction resistance varies

表4 卷煙靜態(tài)吸阻與動態(tài)吸阻對比表?

Table 4 Comparison of static suction and dynamic suction resistance of cigarettes

測試狀態(tài)Pstat/PaPdyn/PaΔP/PaM/%有濾嘴通風(fēng)12441343998無濾嘴通風(fēng)1613183822514煙絲部分 35263228080

?Pstat為靜態(tài)吸阻，Pdyn為第一口抽吸時的動態(tài)吸阻，ΔP表示Pdyn與Pstat的差值，M表示靜態(tài)吸阻到第一口抽吸時增加的百分比。

2.4 抽吸模式對動態(tài)吸阻的影響

圖5給出了不同抽吸模式下標準卷煙3R4F動態(tài)吸阻隨煙支軸向長度(燃燒線位置)的變化情況，其中第一個數(shù)據(jù)點是煙支在未點燃時的靜態(tài)吸阻。由圖5可知：不同抽吸模式下煙支的靜態(tài)吸阻相差不大；4種抽吸模式下動態(tài)吸阻隨燃燒線位置的變化規(guī)律均呈現(xiàn)出兩端吸阻大中間吸阻小的規(guī)律；不同抽吸模式下測試所得的靜態(tài)吸阻值相近，煙支前半部分的動態(tài)吸阻相差不大，后半部分的動態(tài)吸阻相差較大。3種抽吸模式(馬薩諸塞、加拿大和深度抽吸)下,后半部分的動態(tài)吸阻中深度抽吸的吸阻最大，其次為加拿大抽吸模式，這主要是由于不同抽吸容量對煙支內(nèi)煙絲的組成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響不同引起的。該結(jié)果表明，針對不同抽吸習(xí)慣的人群,可以根據(jù)其抽吸模式特征進行設(shè)計卷煙，以保證卷煙抽吸過程中動態(tài)吸阻的穩(wěn)定性，從而達到提高卷煙感官質(zhì)量的目的。

圖5 不同抽吸模式下動態(tài)吸阻隨煙支軸向長度的變化規(guī)律Figure 5 Variation of dynamic suction with axial length of tobacco in different suction mode

2.5 卷煙軸向動態(tài)吸阻分布圖

通過測量得到不同燃燒線位置處卷煙抽吸過程中的動態(tài)吸阻，經(jīng)過線性插值后，可以獲得卷煙軸向動態(tài)吸阻分布圖，見圖6。由圖6可知，動態(tài)吸阻在卷煙前端由小變大的主要原因是：在0～5 mm處由于卷煙端部落絲的存在以及燃燒錐未能完全形成的緣故造成，在10～15 mm時由于較大的煙支密度以及燃燒錐已完全形成，故在此區(qū)間內(nèi)會有較大的動態(tài)吸阻值。在15～40 mm時，該區(qū)間內(nèi)卷煙動態(tài)吸阻的穩(wěn)定性較好，與該區(qū)間內(nèi)煙支密度具有較好的平穩(wěn)性有關(guān)。在40～50 mm時卷煙動態(tài)吸阻逐漸增大，與煙支密度的變化情況有一定關(guān)系。

圖6 卷煙軸向動態(tài)吸阻分布圖Figure 6 Dynamic suction resistance distribution

3 結(jié)論

卷煙動態(tài)吸阻沿軸向長度呈現(xiàn)兩端大中間小且穩(wěn)定的變化趨勢，這與卷煙煙支密度分布趨勢相同。本試驗可以得出以下結(jié)論：

(1) 標準抽吸下，3R4F煙支第一次抽吸時的動態(tài)吸阻相比于靜態(tài)吸阻增加為8%，無濾嘴通風(fēng)時增加約14%，煙絲部分抽吸時增加約80%。因此，合理設(shè)計卷煙濾嘴通風(fēng)率可以進一步降低卷煙動態(tài)吸阻與靜態(tài)吸阻的差異性。

(2) 煙支前半部分抽吸時，4種抽吸模式對煙支動態(tài)吸阻影響較小，而在后半部分抽吸時，則出現(xiàn)深度抽吸模式下動態(tài)吸阻最大，其次為加拿大抽吸模式。這主要是由于不同抽吸容量對煙支內(nèi)煙絲的組成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響不同引起的。

(3) 卷煙動態(tài)吸阻分布圖能夠很直觀地反應(yīng)動態(tài)吸阻在煙支內(nèi)的分布情況，卷煙設(shè)計工作者可根據(jù)卷煙質(zhì)量及舒適度要求對煙支動態(tài)吸阻較大部分進行適度調(diào)整，這對卷煙設(shè)計及煙草工程應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

本試驗通過對煙支中煙絲密度、不同抽吸狀態(tài)(有濾嘴通風(fēng)、無濾嘴通風(fēng)和煙絲部分)以及不同抽吸模式對煙支動態(tài)吸阻的影響規(guī)律，初步建立了動態(tài)吸阻的計算方法以及研究方法，下一步將從煙絲密度均勻性以及卷煙工藝參數(shù)對煙支動態(tài)吸阻的影響等方面開展相關(guān)研究。

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Study on dynamic suction resistance of cigarette during combustion

LIUHuan1

WANGLe2

HUShao-dong1

YANGJin-chu1

LIBin2

(1.TechnologyCeter,ChinaTobaccoHenanIndustrialCo.,Ltd,Zhengzhou,Henan450000,China;2.ZhengzhouTobaccoResearchInstituteofCNTC,Zhengzhou,Henan450001,China)

In order to study the changes and the influencing factors of dynamic suction resistance during cigarette combustion, selecting 3R4F as the experimental samples and building the calculation methods for dynamic suction resistance investigated the change of dynamic suction resistance with the position of the combustion line during the combustion. Analyzed the effects of tobacco density, different suction conditions and different suction modes on the dynamic suction resistance of cigarette. Conclusions can be drawn as the following: the dynamic suction resistance of cigarette was increasing first, then decreasing and stabilizing with the position of combustion line, and then increasing; the parts with larger density of the cigarettes had larger dynamic suction value and the intermediate parts with stable density of the cigarette have relatively uniform dynamic resistance; the static suction value obtained in the different suction mode was similar; the dynamic suction resistance of the first half of the cigarette was not much different and the dynamic resistance of the latter part was different, which was conducive to the cigarette design of different groups according to the different suction modes, so as to achieve the purpose of improving the sensory quality of cigarettes.

Dynamic suction resistance; Burning line; Tobacco density; Suction mode

劉歡，男，河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心初級工程師，碩士。

李斌(1976—)，男，中國煙草總公司鄭州煙草研究院研究員，博士。E-mail：ztrilibin@163.com

2017—03—02

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.05.016