卷烟燃烧过程中各项动态指标的检测分析现状与展望

摘 要：卷烟的感官质量随着卷烟的燃烧过程多方位实时地传递给消费者，其效果除受到成品卷烟常规静态物理指标的限制，卷烟的动态吸阻、烟气温度、燃烧锥温度场和包灰性能等动态指标更是即时影响着消费者的抽吸体验。该文整理总结以上4个动态指标国内外的检测分析研究现状，初步探索其对卷烟燃烧性能的影响，并对其研究价值和意义以及下一步研究方向进行说明。

关键词：动态吸阻；烟气温度；燃烧锥温度场；包灰性能；抽吸体验

中图分类号：TS41 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）27-0154-04

Abstract： The sensory quality of cigarettes is transmitted to consumers in many directions and in real time with the combustion process of cigarettes， and its effect is limited by the conventional static physical indexes of finished cigarettes. Dynamic indicators such as cigarette dynamic suction resistance， smoke temperature， combustion cone temperature field， ash coating performance and other dynamic indexes immediately affect consumers' smoking experience. This review summarizes the current situation of detection and analysis of the above four dynamic indicators at home and abroad， preliminarily explores their effects on cigarette combustion performance， and explains their research value and significance as well as the next research direction.

Keywords： dynamic suction resistance; flue gas temperature; temperature field of combustion cone; ash coating performance; suction experience

在卷烟研发生产中，卷烟的感官质量不仅会受到烟支重量、静态吸阻、通风率等静态指标的影响，更会受到卷烟在燃吸过程中动态吸阻、烟气温度等动态指标的影响[1-2]。由于卷烟在实际燃烧过程中，其温度一直在发生变化，造成烟气温度的改变，并引起空气流动过程中的黏度变化，最终会影响动态吸阻的变化，从而影响抽吸过程中的舒适感[3]。卷烟动态吸阻和燃烧锥温度场的变化均会受卷烟燃烧的影响，在指导卷烟设计和生产的过程中，卷烟动态吸阻和燃烧锥温度的研究需要同步进行。除此之外，卷烟的包灰性能也与卷烟的燃烧性能有着密切的内在联系，提高包灰性能也会在一定程度上提高吸烟者的抽吸感受[4]。卷烟燃烧是烟丝与卷烟纸配合完成并产生烟气的过程，卷烟燃烧性能由卷烟材料、叶组配方、添加剂等因素决定，燃烧性能直接影响卷烟消费过程中的体验效果[5-6]，因此对卷烟燃吸过程进行充分探究，对增加卷烟燃吸过程的认知具有重要意义，可利用对卷烟燃烧过程中感官质量影响因素作用规律的掌握，设计更加合理的卷烟各项指标参数，从而科学有效地提高卷烟感官质量。

1 卷烟动态吸阻研究

目前，国内外主要通过卷烟燃吸过程中的抽吸阻力变化规律、建立数学模型等方式来反映动态吸阻的变化。Baker[7]研究发现，在卷烟燃烧时其吸阻会发生明显变化，相比静态吸阻会增加50%～60%，在整个恒速抽吸过程中，卷烟的吸阻会呈现动态变化，总体趋势是先升高，后略微降低，最后再升高。开始时卷烟燃烧引起空气黏度的增加，并且没有形成稳定的燃烧锥，造成了吸阻增大。后续由于形成了稳定的燃烧锥，燃烧状态比较稳定，使吸阻略微降低。最后因为烟气冷凝物在滤棒上的不断堆积，导致了吸阻再次升高。通过Baker的试验，可以让研究者在定量的条件下预测卷烟在燃烧时的动态吸阻变化规律。Colard等[8]为了更进一步地研究卷烟动态吸阻的变化，研发了一套全新的抽吸试验装置，并利用该装置在ISO抽吸条件下测试了卷烟在抽吸过程中的动态吸阻变化，结果同样表明动态吸阻呈现先增大后减小最后再增大的规律。刘欢等[9]选用3R4F标准卷烟作为试验样品，研究了烟支中烟丝密度、不同抽吸状态、不同抽吸模式对卷烟抽吸过程中动态吸阻的影响规律，并建立了动态吸阻的数学计算方法，再次验证了动态吸阻的变化规律。赵文康[10]建立了卷烟燃吸过程中动态通风特征的逐口检测与表征方法，其检测结果与综合测试台相比平均相对误差为4.2%，再以不同卷烟样品的逐口动态吸阻、通风率、燃烧锥特征为参数，建立了卷烟在燃吸状态下的动态吸阻与通风模型，该模型的吸阻计算值与试验值的平均相对误差为7.4%，并发现卷烟的动态滤嘴通风率与动态吸阻值之间呈现线性关系。

2 卷烟烟气温度研究

卷烟的烟气温度对消费者的抽吸体验有着重要的影响，通过对卷烟燃烧时烟气温度的测定，整理并分析相应数据，从而选择适配的卷烟辅料，可以有效提高烟气的舒适度。Purkis等[11]研究发现，在接近抽吸结束前的2至3口时，滤嘴端的烟气温度最高可达到70～80 ℃；在深度抽吸模式下，滤嘴端的烟气温度甚至可达到100 ℃以上。陈秋平等[12]将复合相变材料添加到滤嘴中，利用卷烟燃吸温度检测装置及单孔道吸烟机对滤嘴端的烟气温度进行检测，探究得到复合相变材料可把滤嘴温度降至30 ℃以下，并获得均匀的温度分布，以有效调控滤嘴端的烟气温度。樊娜[13]在ISO模式下采用卷烟燃吸温度检测系统检测了滤嘴端的烟气温度，随着抽吸过程的进行，滤嘴端的烟气温度会逐渐升高，在第六口与第七口抽吸时烟气温度会达到60 ℃以上，后将相变胶囊添加到卷烟滤棒中，可成功将烟气温度降至35 ℃以下。孔浩辉等[14]对比了不同设计类型的滤嘴对烟气的降温效果，探究得到卷烟滤嘴具有降低主流烟气温度、减少人体口腔温度刺激感的效果，而其中提高滤嘴通风率、使用活性炭组合滤嘴和沟槽滤嘴的降温效果最为显著。

3 卷烟燃烧锥温度场研究

对于检测与表征卷烟的燃烧锥温度场，当前主要有2种方法：一种是采用热电偶，一种是采用红外热成像技术。Touey等[15]在标准抽吸条件下采用热电偶检测了卷烟的燃烧温度，并探索了不同规格的热电偶丝与检测温度之间的关系。崔晓梦等[16]基于热电偶技术测试得到卷烟燃烧锥气相温度分布特征、传热特点，将燃烧锥温度场划分为烟灰区、烟灰与燃烧过渡区、燃烧区和热解区，并将燃烧温度和燃烧速率关联起来，相对准确地获得了卷烟在燃吸过程中烟丝实时参与燃烧反应的量，并通过分析卷烟燃烧锥各区域在燃吸过程中体积的变化情况，探究得到随着抽吸的进行，燃烧锥燃烧区体积会逐渐增大，而热解区体积会逐渐减小的规律。虽然使用热电偶的方式可以有效测试燃烧锥内部温度的变化[17]，但是利用该方式需要将热电偶插入到卷烟的内部进行测量，容易对卷烟的结构造成破坏，影响测温的准确性，且也会存在热电偶定位不准确、热电偶易折损等问题[18]，而红外热成像技术主要是通过红外探测器的瞬时响应与相关记录系统的快速匹配，将光电技术检测物体热辐射的红外线特定波段信号转换成数字信号，以计算出相应的温度值[19]。因此有研究者选择采用红外热成像技术对卷烟燃烧锥的温度场进行检测。郑赛晶等[20]采用具有高分辨率和高速记录功能的红外热成像仪实时准确地测量了卷烟燃烧锥外围固相温度的变化，发现不同类型烟叶的最高抽吸温度并不相同，并得出了卷烟燃烧的瞬时高温与平均温度之间有较好的相关性的结论。庞永强等[21]利用红外热成像技术探究了卷烟材料对卷烟燃烧锥温度场及烟气中有害成分释放量的影响，表明随着卷烟纸、接装纸透气度的增大，卷烟燃烧温度会随之升高，而烟气中除亚硝胺外，其他6种有害成分的释放量、焦油量及危害性指数均出现降低。谢定海等[22]通过红外热成像仪和电动位移平台的配合使用，实现了对卷烟燃烧锥温度场的实时动态监测，并对抽吸时的燃烧温度和阴燃温度进行分析，探索得到卷烟燃烧锥固相温度的变化与卷烟纸透气度之间的相互规律。

4 卷烟燃烧与包灰性能研究

不同的烟叶类型、叶组配方、卷烟纸材料等因素对卷烟燃烧后的包灰效果都会产生不同的影响，而包灰性能好的卷烟形成的烟灰柱美观，表面裂纹较少，灰柱紧实且烟灰较白；包灰性能差的卷烟抽吸时烟灰掉落严重，灰柱松散且烟灰发黑[23]。许艳冉等[24]用48种卷烟作为样品研究了卷烟燃烧与包灰性能之间的关系，经分析表明包灰性能会受到烟支燃烧状态如燃烧速度等因素的影响，综合燃烧性能适中的卷烟综合包灰性能最好，自由燃烧速度过快时对包灰性能有不利影响。王孝峰等[25]采用配备了高分辨率相机的卷烟包灰检测仪检测了燃烧过程中卷烟的灰色值、裂口率、缩灰率、碳线宽度、碳线整齐度和燃烧速率，并分析了卷烟燃烧包灰指标与燃烧速率之间的相互关系，为通过调控燃烧过程以提高卷烟的包灰性能提供了理论支撑。冯亚婕等[26]采用灰柱拍照和ImageJ图片分析技术定量测量卷烟包灰值，提出了3支卷烟、3个燃烧面为一组的改进方案，该方案改进效果明显，更全面地反映了卷烟的整体包灰性能。郑丰等[23]采用了层次分析法确定卷烟包灰持灰力、白度、裂口率、缩灰率和碳线整齐度5个指标的权重，建立了定量评价卷烟包灰综合性能的方法，并研究得到卷烟纸中较低的钾钠比、较高的氧化钙灰分含量、较高的透气度，可以有效提高包灰综合性能。于龙国[27]使用数码相机和图像分析软件检测并分析了选定区域内的包灰值，经探究可知，改良卷烟纸的原材料、改变罗纹、在卷烟纸添加适量助燃剂和包灰剂，能够在一定程度上提高卷烟的包灰性能。

5 结束语

综上所述，卷烟燃烧时动态吸阻、烟气温度、燃烧锥温度场及包灰性能与卷烟抽吸时的舒适感有着密切的内在联系，并且这些指标也由卷烟不同的烟叶类型、叶组配方、卷烟材料和工艺参数等因素决定。然而当前尚未有研究对这些指标进行同时检测分析，根据现有的研究基础，可对这几项指标进行同步实时监测，深入综合分析所得数据，编写系统的逻辑算法程序等，以实现对卷烟质量的智能评价，充分掌握各变量之间的相互影响关系，从而可进一步研究得到适配的烟叶类型、叶组配方、卷烟材料，改进加工工艺，在填补行业技术空白的同时，也能够更好地在实践中指导卷烟的设计和生产。

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