基于錐形量熱儀試驗(yàn)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(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于錐形量熱儀試驗(yàn)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(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車油品是一類熱值高，危險(xiǎn)性強(qiáng)的材料，是車輛火災(zāi)主要危險(xiǎn)源之一。汽車在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)艙積聚著大量熱量，各類油品暴露于熱輻射下，且行車過(guò)程中由于顛簸、碰撞導(dǎo)致的燃油泄漏、滴落而引發(fā)的火災(zāi)舉不勝數(shù)。因此，研究汽車油品在外部輻射條件下的燃燒特性和火災(zāi)危險(xiǎn)性對(duì)汽車油池火蔓延的預(yù)防和控制，降低火災(zāi)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(jìn)入我們的平日出行，提供便捷的同時(shí)也帶來(lái)一系列安全問(wèn)題。根據(jù)消防部門公布的數(shù)據(jù)，每年全國(guó)發(fā)生的各類火災(zāi)中，汽車火災(zāi)的發(fā)生數(shù)量、造成的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡均呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)。汽車油品是一類熱值高，危險(xiǎn)性強(qiáng)的材料，是車輛火災(zāi)主要危險(xiǎn)源之一。汽車在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)氣溫可達(dá)到300～500℃，而當(dāng)燃油進(jìn)到氣缸的那一剎那，環(huán)境氣溫可以達(dá)到1500～1800℃，產(chǎn)生的熱量一部分從排氣管排出去，此時(shí)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(jiàn)的汽車火災(zāi)油品故障有排氣管高溫對(duì)燃油的熱輻射以及在車輛運(yùn)行過(guò)程中的泄露等等。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)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(duì)防凍液（JHOA）和潤(rùn)滑油（PAG）、變速器油（CVTF和ATF）、在不同輻射條件下的燃燒危險(xiǎn)性進(jìn)行研究，測(cè)得熱釋放速率、放熱總量等一系列參數(shù)來(lái)表征其著火危險(xiǎn)性。

1 試驗(yàn)過(guò)程

本文中選用試驗(yàn)油品均為汽車上常見(jiàn)的油品，分別為手動(dòng)變速箱油（ATF）、自動(dòng)變速箱油（CVTF）、汽車防凍液（JHOA）以及汽車潤(rùn)滑油（PAG）。這些油品在常溫下的物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 汽車油品熱物參數(shù) （溫度：15℃）

研究在錐形量熱儀上開(kāi)展，該研究設(shè)備能夠重現(xiàn)真實(shí)著火情形，并具有可重復(fù)性。錐形量熱儀主要用于評(píng)估可燃固體材料，但一些材料例如聚烯烴在測(cè)試過(guò)程中會(huì)發(fā)生熔化成為液體進(jìn)行燃燒，因此該實(shí)驗(yàn)設(shè)備也能夠用來(lái)評(píng)判可燃液體物質(zhì)燃燒。研究表明油盤形狀對(duì)點(diǎn)燃時(shí)間沒(méi)有影響，在實(shí)驗(yàn)前按照標(biāo)準(zhǔn)用錫箔紙對(duì)油盤內(nèi)層進(jìn)行包裹，為了便于操作，選取方形油盤（10cm×10cm）進(jìn)行燃燒測(cè)試。

圖1 四種試驗(yàn)樣本

為了得到汽車上典型油品在這些高溫輻射環(huán)境下的著火危險(xiǎn)等級(jí)，我們利用錐形量熱儀開(kāi)展外部輻射下測(cè)試試驗(yàn)，選取的輻射強(qiáng)度為20kW/m2、30kW/ m2、40kW/ m2三種工況進(jìn)行試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)所使用油品的體積為約30ml。錐形量熱儀的輻射強(qiáng)度通過(guò)輻射流量?jī)x器校準(zhǔn)以給出設(shè)定得入射強(qiáng)度。在測(cè)試過(guò)程中我們主要搜集的參數(shù)有：點(diǎn)燃時(shí)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(guò)熱流計(jì)校準(zhǔn)以給出設(shè)定的入射通量，輻射強(qiáng)度穩(wěn)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(kāi)電火花同時(shí)啟動(dòng)程序開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。點(diǎn)燃時(shí)間為實(shí)驗(yàn)樣品從放置于外部熱通量下至材料有明顯發(fā)光火焰中間的時(shí)間。

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

2 試驗(yàn)結(jié)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(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻中產(chǎn)生的熱量，作為判斷樣品著火特征與著火危害的基本指標(biāo)[3,9]，同時(shí)也控制和影響其他燃燒性能參數(shù)。通常情況下，小尺寸著火研究時(shí)熱釋放率如果呈現(xiàn)較高水平而點(diǎn)燃時(shí)間卻短，那么其著火危害等級(jí)也較高。

圖2顯示出了在給定外部強(qiáng)度時(shí)JHOA（a），CVTF-EXI （b），5AT-ATF（c）和PAG（d）的HRR在不同時(shí)刻的變化規(guī)律。當(dāng)輻射強(qiáng)度變大時(shí)油品的HRR同樣會(huì)變高，著火過(guò)程變短。這是因?yàn)檩椛鋸?qiáng)度變高加劇燃油單位時(shí)間內(nèi)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(duì)稱趨勢(shì)，即熱釋放速率上升所需要時(shí)間等于它下降需要的時(shí)間。相反，3（b）、（c）和（d）則需要更多的時(shí)間來(lái)達(dá)到熱釋放速率峰值，這是由于油自身的內(nèi)在屬性決定的，JHOA沸點(diǎn)較低，升溫較快很容易達(dá)到沸騰階段。

圖2 不同輻射強(qiáng)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(dá)到1800kW/ m2，而JHOA的HRR則相對(duì)來(lái)說(shuō)最低，僅有380kW/m2。同樣從圖3（b），（c）和（d）可以看出，在點(diǎn)燃之后，熱釋放速率隨著時(shí)間的推移而增加，但是當(dāng)輻射通量達(dá)到一定值后，熱釋放速率明顯下降。以CVTF-EXI來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，當(dāng)外部熱通量為20kW/m2時(shí)，HRR在油品點(diǎn)燃之后立即增長(zhǎng)，然后保持相對(duì)穩(wěn)定的情況。此期間，HRR未發(fā)現(xiàn)明顯變大，是因?yàn)槿紵尫诺臒崃吭诜e攢。而在外部熱通量增加為30kW· m2或更多時(shí)，HRR則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在142s時(shí)HRR降至接近為0。這是因?yàn)榇藭r(shí)油品溫度達(dá)到油的沸點(diǎn)，可觀測(cè)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(duì)時(shí)間的積分而來(lái)，在本文中選取20kW/m2來(lái)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(shí)間的變化關(guān)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(chǔ)能，同外部環(huán)境（包括輻射熱通量的大小、風(fēng)量大小等）無(wú)關(guān)，熱釋放總量曲線的梯度可呈現(xiàn)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

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：

其中TTI為試驗(yàn)材料點(diǎn)燃時(shí)間，四種油品的點(diǎn)火時(shí)間可由每個(gè)工況重復(fù)三次，取平均值作為點(diǎn)燃時(shí)間；PHRR為熱釋放速率峰值（Peak Heat Release Rate，PHRR）。

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。

我們對(duì)四種不同的汽車液體燃料在輻射強(qiáng)度為20kW/ m2、30kW/m2、40kW/m2的外部熱輻射分別在實(shí)驗(yàn)儀器上開(kāi)展了引燃測(cè)試，測(cè)得這幾種油品的熱釋放速率，放熱總量，點(diǎn)燃時(shí)間等一系列參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示：

實(shí)驗(yàn)所測(cè)油品的火災(zāi)危險(xiǎn)等級(jí)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(xiǎn)同外部熱通量的加劇而升高。當(dāng)外部熱通量為20kW/m-2時(shí)JHOA具有低閃燃危險(xiǎn)，外部熱通量為20kW/m2至40kW/m2時(shí)具有中等閃燃危險(xiǎn)。對(duì)于CVTF-EXI與ATF在外部熱通量為20kW/m2至40kW/m2時(shí)具有高閃燃危險(xiǎn)。而PAG在20kW/m2具有中等閃燃危險(xiǎn)，30kW/m2至40kW/m2具有高閃燃危險(xiǎn)。同時(shí)，JHOA和PAG在總放熱量上呈現(xiàn)中等危險(xiǎn)性而CVTF和ATF呈現(xiàn)高危險(xiǎn)性。將兩種因素綜合考慮，ATF相對(duì)其他油品來(lái)說(shuō)危險(xiǎn)性更高，而JHOA則較為安全。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及危險(xiǎn)等級(jí)

3 結(jié)論

實(shí)際中汽車在使用中所儲(chǔ)存的油量為測(cè)試所用油量的3-8倍，而實(shí)際著火時(shí)火焰溫度在400-700 ℃，在火勢(shì)擴(kuò)散到發(fā)動(dòng)機(jī)艙后，火焰溫度可達(dá)600-1000 ℃，且發(fā)動(dòng)機(jī)艙在運(yùn)行過(guò)程內(nèi)處于高溫環(huán)境，即實(shí)際情況中火焰熱通量已超過(guò)測(cè)試時(shí)所加熱輻射。所以，在真實(shí)火災(zāi)中油品的放熱總量也超過(guò)了實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，極可能出現(xiàn)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(tuán)股份有限公司，主要負(fù)責(zé)汽車線束以及車輛火災(zāi)方面的工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.046