汽车轮胎防火等级测试中的高温燃烧性能要求

汽车轮胎作为车辆与地面接触的核心部件，其防火性能直接关联车辆行驶安全与乘员生命保障。在车辆使用场景中，发动机舱高温、排气管热辐射、碰撞摩擦等因素均可能引发轮胎热暴露，若轮胎燃烧性能不达标，不仅会导致轮胎自身损坏，更可能引燃车辆内饰、燃油系统等关键部件，扩大事故危害。高温燃烧性能测试作为汽车轮胎防火等级评估的核心环节，通过标准化的热暴露模拟、燃烧行为监测与量化指标判定，系统评估轮胎在高温环境下的燃烧特性，为轮胎设计、生产及车辆安全认证提供关键技术依据。

高温燃烧性能测试的基础逻辑

汽车轮胎的燃烧行为由其材料组成与结构特性共同决定。轮胎主要由天然橡胶、合成橡胶（如丁苯橡胶、顺丁橡胶）作为基料，辅以帘线（尼龙、聚酯或钢丝）增强结构，添加炭黑、硫化剂等填充剂提升性能。这些材料在高温下会发生热分解：橡胶分子链断裂释放可燃气体（如甲烷、乙烯），帘线（尤其是有机纤维帘线）遇热易熔化或燃烧，炭黑等填充剂则会影响热传导速率与燃烧残渣形成。高温燃烧性能测试的核心逻辑，正是通过模拟车辆实际使用中的热暴露场景（如持续高温、瞬间热辐射、局部火源接触），观察轮胎从热分解到引燃、火焰蔓延再到熄灭的全过程，评估其对火势的控制能力与风险传播潜力。

从安全需求看，测试需聚焦“防止引燃”“延缓蔓延”“减少危害”三个核心目标。“防止引燃”要求轮胎在常规热暴露（如发动机舱80-120℃持续作用）下不发生自燃；“延缓蔓延”要求轮胎被引燃后，火焰不能快速扩散至整个轮胎或车辆其他部件；“减少危害”则要求燃烧过程中不释放过量有毒气体（如一氧化碳、硫化氢）或产生高温滴落物，避免对乘员造成二次伤害。这些目标共同构成了高温燃烧性能测试的设计框架。

需注意的是，测试并非单纯评估“是否燃烧”，而是关注“如何燃烧”。例如，同样发生燃烧的两款轮胎，若一款火焰蔓延速率为30mm/min、另一款为80mm/min，前者对车辆安全的威胁显然更小——这也是高温燃烧性能测试强调量化指标的原因。

测试环境的温度参数设定

测试环境的温度参数直接决定了热暴露的严重程度，需根据不同使用场景进行差异化设计。目前国际与国内标准（如ISO 11925-2《建筑材料燃烧性能试验 热释放速率试验方法》、GB 8410《汽车内饰材料的燃烧特性》延伸至轮胎测试、SAE J369《汽车轮胎热稳定性试验方法》）中，温度参数主要通过“恒定温度”“热辐射强度”两种方式定义。

恒定温度场景主要模拟持续热暴露，如发动机舱内的长期高温。标准中常见的恒定温度范围为80℃-150℃，测试时间为1-4小时——例如，某企业标准要求轮胎在120℃环境中放置2小时，表面温度不超过环境温度+10℃，且无热分解或引燃现象。若轮胎在该环境下出现橡胶软化、冒烟或帘线松弛，则说明其热稳定性不足，易引发后续燃烧风险。

热辐射强度场景则模拟瞬间高温或强热暴露，如排气管附近的热辐射（300-600℃）、碰撞后的摩擦热（可达1000℃以上）。热辐射强度以“kW/m²”为单位，代表单位面积接收的热功率，常见值为10kW/m²（轻度热暴露）、30kW/m²（中度）、50kW/m²（重度）。例如，ISO 11925-2标准中，30kW/m²的热辐射对应“建筑物火灾中的中等热暴露”，用于评估轮胎在火灾初期的燃烧行为；50kW/m²则对应“车辆碰撞后的严重热暴露”，测试轮胎在极端场景下的抵抗能力。

温度参数设定的关键是“场景匹配”——乘用车轮胎需重点模拟发动机舱与排气管的热暴露，商用车轮胎因负载大、行驶时间长，需增加“持续行驶后的轮胎自身高温”场景（如轮胎行驶2小时后的胎温可达100-150℃），越野轮胎则需考虑砂石摩擦产生的局部高温（如胎侧与尖锐石块摩擦产生的200-300℃瞬间热）。

燃烧介质与引燃方式的规范

引燃源的选择与引燃方式的标准化是确保测试结果可比性的核心。目前轮胎高温燃烧测试中，常用的引燃源为“丙烷预混火焰”——丙烷燃烧时火焰稳定、热值可控（约46MJ/kg），且燃烧产物（二氧化碳、水）不会对测试结果产生额外干扰，符合标准对“清洁引燃源”的要求。部分场景下也会使用“酒精喷灯”或“电热丝”，但需提前校准其热输出，确保与丙烷火焰等效。

引燃位置的选择需基于轮胎结构的薄弱环节。胎侧是轮胎最薄的部位（通常2-3mm），且直接暴露于发动机舱与排气管的热辐射中，因此多数测试会将引燃点选在胎侧中部；胎面因有花纹设计（厚度可达8-10mm），且日常与地面摩擦形成耐磨层，引燃难度更高，仅在模拟“轮胎与高温地面接触”场景时作为引燃点；胎圈（轮胎与轮辋接触部位）因存在金属轮辋的热传导，通常作为“间接热暴露”场景的测试点。

引燃持续时间的设定需模拟真实场景中的“短暂接触”——例如，车辆碰撞时轮胎与排气管的接触时间通常在10-30秒，因此标准中引燃持续时间多为10秒（轻度接触）或30秒（重度接触）。若引燃时间过长（如超过60秒），会过度放大火源影响，导致测试结果偏离实际；若时间过短（如少于5秒），则无法有效模拟真实引燃条件。

需强调的是，引燃方式的规范需覆盖“点引燃”与“热引燃”两种类型：“点引燃”模拟外部火源（如明火）直接接触，“热引燃”模拟高温环境下的自发引燃（如轮胎在150℃环境中放置4小时后自燃）。两种方式需分别测试，以全面评估轮胎的燃烧风险。

火焰蔓延速率的判定标准

火焰蔓延速率是评估轮胎燃烧危险性的核心指标之一，直接反映火势扩散的快慢。其测量逻辑为：在轮胎表面标记起始线（引燃点）与终止线（如距引燃点100mm的位置），记录火焰从起始线蔓延至终止线的时间，计算单位时间内火焰蔓延的距离（单位：mm/min）。

不同标准对火焰蔓延速率的限值差异较大，需结合轮胎类型与使用场景确定。例如，乘用车轮胎的火焰蔓延速率限值通常为≤50mm/min——若速率超过该值，火焰会在2分钟内蔓延至轮胎整个胎侧，进而引燃轮辋或车辆内饰；商用车轮胎因胎体更厚（胎侧厚度可达4-5mm），限值可放宽至≤80mm/min，但需附加“火焰不能蔓延至胎顶”的要求；防爆轮胎（缺气保用轮胎）因胎侧有加强结构（如刚性支撑层），限值更严格（≤30mm/min），以确保其在爆胎后仍能延缓火势。

火焰蔓延的方向也需纳入判定：“径向蔓延”（从胎圈向胎顶方向）的危险性高于“周向蔓延”（沿轮胎圆周方向），因为径向蔓延会直接破坏轮胎的结构完整性，导致轮胎爆裂，而周向蔓延仅影响局部区域。因此，标准中通常要求“径向火焰蔓延速率需低于周向速率的50%”，或“径向蔓延距离不得超过轮胎半径的1/3”。

测量火焰蔓延速率时，需避免环境因素的干扰：测试环境的风速需控制在≤0.2m/s（相当于室内无风状态），否则风速会加速火焰蔓延；温度需保持稳定（如23±5℃），避免温度波动影响橡胶的热分解速率。同时，需使用高速摄像机（帧率≥25帧/秒）记录火焰蔓延过程，确保时间测量的准确性。

热释放速率的量化要求

热释放速率（Heat Release Rate，HRR）是衡量燃烧强度的关键指标，反映单位时间内轮胎燃烧释放的热量（单位：kW）。其测量原理基于“氧消耗法”：燃烧过程中消耗的氧气量与释放的热量呈固定比例（约13.1MJ/kg O₂），通过收集燃烧产生的烟气，测量氧气浓度变化，即可计算热释放速率。

热释放速率的两个核心指标为“最大热释放速率（pkHRR）”与“总热释放量（THR）”。pkHRR反映燃烧的最剧烈程度，若pkHRR过高（如超过100kW），会快速升高周围环境温度（如1分钟内将周围1m³空气温度升高至300℃），引发车辆内饰、燃油管等部件燃烧；THR反映轮胎的总燃烧潜能，若10分钟内的THR超过500MJ，相当于燃烧5kg汽油的热量，会导致车辆舱内温度急剧升高，威胁乘员逃生时间。

不同测试设备对热释放速率的测量精度不同，目前主流设备为“锥形量热仪”（Cone Calorimeter）与“大型热释放速率测试仪”（Large-Scale HRR Tester）：锥形量热仪适用于轮胎试样（如100mm×100mm×轮胎厚度）的测试，精度较高（误差≤5%）；大型热释放速率测试仪适用于完整轮胎的测试，更接近真实场景，但误差较大（≤10%）。两种设备需配合使用，以确保结果的准确性与代表性。

需注意的是，热释放速率的量化要求需结合“时间维度”——例如，标准中通常要求“pkHRR不得出现在引燃后1分钟内”，因为若最大燃烧强度出现在引燃初期，会快速扩大火势，减少乘员反应时间；同时，“热释放速率需在引燃后5分钟内降至峰值的50%以下”，以确保火势能快速衰减，降低危害。

炭化面积与滴落物的评估

炭化是橡胶燃烧后的主要残留，指橡胶分子链在高温下分解、脱氢后形成的黑色碳质结构。炭化面积的大小直接反映轮胎燃烧的严重程度——炭化面积越大，说明橡胶分解越彻底，轮胎结构损坏越严重。其测量方法为：燃烧结束后，用钢尺测量轮胎表面炭化区域的长度与宽度，计算炭化面积占轮胎总表面积的比例（单位：%）。

炭化面积的限值需结合轮胎结构：乘用车轮胎的炭化面积限值通常为≤30%——若超过该值，轮胎胎侧的橡胶层会完全炭化，失去弹性，无法承受车辆负载；商用车轮胎因胎体更厚，限值可放宽至≤40%，但需附加“炭化区域不得出现开裂”的要求；越野轮胎因胎面花纹深，炭化面积限值为≤25%，以确保花纹的抓地性能不受影响。

滴落物是轮胎燃烧过程中产生的熔融或半熔融物质（如橡胶熔体、帘线纤维），其危险性在于可能引燃车辆内饰、地毯等易燃部件。滴落物的评估需涵盖“滴落频率”与“引燃能力”两个维度：“滴落频率”要求每分钟滴落次数≤5次；“引燃能力”要求滴落物不能引燃下方100mm处的滤纸（滤纸需符合GB/T 450标准的定量滤纸）。若滴落物引燃滤纸，说明其温度超过滤纸的引燃点（约230℃），会对车辆内饰造成直接威胁。

需补充的是，炭化与滴落物的评估需在燃烧结束后30分钟内完成，避免炭化区域因冷却收缩或滴落物凝固而影响测量结果。同时，需记录炭化区域的位置（如胎侧、胎面）与滴落物的成分（如是否含钢丝帘线），为轮胎材料改进提供方向——例如，若胎侧炭化面积过大，可通过增加炭黑含量（炭黑能提高橡胶的热稳定性）或使用耐高温帘线（如芳纶帘线）来改进。

不同轮胎类型的差异化要求

汽车轮胎按用途可分为乘用车轮胎、商用车轮胎、越野轮胎、防爆轮胎等，不同类型的轮胎因使用场景与结构差异，其高温燃烧性能要求需差异化设计。

乘用车轮胎（如轿车、SUV轮胎）的核心使用场景是城市道路与高速公路，热暴露主要来自发动机舱（80-120℃）与排气管（300-500℃），因此测试需重点模拟“持续中温”与“瞬间高温”场景：持续中温场景要求轮胎在120℃环境中放置2小时无自燃；瞬间高温场景要求用500℃的热辐射源照射胎侧10秒，无火焰蔓延。

商用车轮胎（如卡车、客车轮胎）的负载大（单胎负载可达3吨以上）、行驶时间长（日均行驶8-12小时），轮胎自身温度更高（行驶中胎温可达100-150℃），因此测试需增加“疲劳热暴露”场景：将轮胎安装在测试轮辋上，以80km/h的速度滚动2小时（负载为额定负载的80%），然后测量胎温（需≤120℃），再进行燃烧性能测试——若胎温超过120℃，说明轮胎的散热性能不足，易引发热分解。

越野轮胎（如越野车、工程车轮胎）的使用场景多为非铺装路面（如砂石、泥泞路），需承受尖锐石块的摩擦（摩擦温度可达200-300℃）与树枝等杂物的刮擦，因此测试需增加“局部热损伤”场景：用尖锐刀具在胎侧划开5mm深的切口，然后用300℃的热辐射源照射切口处10秒，要求切口处无火焰蔓延——若火焰从切口处蔓延，说明轮胎的抗损伤燃烧性能不足。

防爆轮胎（缺气保用轮胎）的核心功能是在爆胎后仍能以80km/h的速度行驶80km，因此其胎侧有刚性支撑层（如聚酰胺塑料），测试需重点评估支撑层的燃烧性能：用100kW/m²的热辐射源照射胎侧支撑层1分钟，要求支撑层无熔化或燃烧——若支撑层熔化，会导致轮胎失去缺气保用功能，同时引发燃烧风险。

测试中的样品预处理规范

样品预处理是确保测试结果准确性的关键环节，需消除环境因素与样品状态对燃烧性能的影响。其核心要求包括“状态调节”“尺寸规范”与“缺陷排查”三个方面。

状态调节要求样品在测试前需在标准环境（23±2℃、50±5%相对湿度）中放置24小时，以平衡样品的温度与湿度——橡胶是亲水性材料，若样品含水量过高（如超过1%），燃烧时会产生大量水蒸气，影响热释放速率的测量；若温度过低（如低于18℃），橡胶的硬度会增加，热分解速率会减慢，导致测试结果偏乐观。

尺寸规范需根据测试设备与标准要求确定：若使用锥形量热仪测试，样品需切割为100mm×100mm×轮胎厚度的试样（厚度需保留轮胎的原始结构，如胎侧试样需包含橡胶层与帘线层）；若使用完整轮胎测试，需选择未使用过的新轮胎（生产日期不超过6个月），且轮胎气压需调整至额定气压（如2.5bar）——气压过高会导致轮胎胎体紧绷，易引发爆裂；气压过低会导致胎侧下垂，影响火焰蔓延路径。

缺陷排查要求样品不得有磨损、划伤、鼓包等缺陷：磨损的胎面会减少橡胶层厚度，降低热稳定性；划伤的胎侧会成为引燃的薄弱点；鼓包的轮胎内部存在脱层，燃烧时易发生爆裂。若样品存在缺陷，需更换新样品重新测试，确保结果的代表性。

需注意的是，样品预处理的规范需与轮胎的实际使用状态一致——例如，测试冬季轮胎时，需在-10℃环境中放置2小时（模拟冬季使用场景），再进行燃烧性能测试，以评估低温下的燃烧特性；测试夏季轮胎时，需在30℃环境中放置2小时，模拟夏季高温场景。

测试设备的校准与验证

测试设备的准确性直接决定测试结果的可靠性，因此需建立严格的校准与验证体系。

温度测量设备（如热电偶、红外测温仪）的校准：热电偶需每年送计量机构校准一次，确保温度测量误差≤±1℃；红外测温仪需每半年校准一次，校准用黑体炉的温度需覆盖测试中常用的温度范围（如0-1000℃）。校准后需记录校准日期与误差值，确保设备