小汽車火災燃燒特性及影響因素研究

●陳貽來

(長沙市消防支隊,湖南長沙 410001)

0 引言

自 1968年 Butcher等人[1]開展最早的全尺寸汽車火災試驗以來,國內外相關機構學者進行了大量小汽車火災試驗,獲得了很多寶貴的試驗數據。Burgi[2]、Gewain[3]、BHP墨爾本研究實驗室的Bennetts等人[4-5]相繼開展了小汽車火災試驗研究,這些試驗重點研究了小汽車火災的燃燒現象,沒有給出工程計算最關心的小汽車火災熱釋放速率這一數據。1991年,芬蘭國立技術研究中心(VTT)的 Mangs和 Keski-Rahkonen進行了3個全尺寸小汽車火災試驗[6],利用耗氧式量熱計獲得了小汽車火災熱釋放速率曲線(HRR曲線),這是最早通過試驗給出的可供工程計算用的小汽車火災 HRR曲線。在這之后,德國的 Steinert分別在不倫瑞克工業大學(TU Braunschweig)[6]和萊比錫大學 MPA實驗室[7]、英國建筑研究所防火研究部(BRE/FRS)的 Shipp and Spearpoint[8]、法國工業建材技術協會(CTICM)的 Joyeux等人[9-10]、Anonymous[11]、荷蘭環境和地球科學研究院(TNO)的 Van Oerle[12]、美國國家標準和技術研究院(NIST)建筑與火災研究室(BFRL)的 Stroup等人[13]、日本的 Kitano等人[14]、程遠平與R John在德國卡爾斯魯厄大學火災防護研究所[15]、日本建筑研究所(BRI)的 Shintani等人[16]、瑞典國家試驗研究所 SP的Lonnermark與 Blomqvist[17]、日本的 K.Okamoto等人[18]均開展了全尺寸小汽車火災試驗研究工作,獲得了大量珍貴的基礎數據。據筆者統計,上述文獻共發表了完整的單臺小汽車火災 HRR曲線 28次(見表1)。本文通過分析這些試驗獲得的數據,對小汽車火災燃燒特性及其影響因素進行了分析。為避免混淆,本文研究的對象特指單臺燃油小汽車,不包括電動汽車和 CNG汽車等。

1 小汽車火災燃燒特性研究

小汽車火災是個相當復雜的燃燒過程,反映其燃燒特性的參數也很多,筆者對國內外小汽車火災試驗進行了認真總結,歸納了以下 6個主要特性：

1.1 小汽車火災點火時間

小汽車火災試驗點火一般都采用了一定數量的可燃物作為點火源,而不同試驗所采用的點火物及其數量都不一樣,試驗最初一段時間測得的 HRR曲線實際上主要是這些點火物燃燒的HRR值,這段 HRR曲線數值都較小,對于研究小汽車本身的燃燒特性意義不大。當點火一段時間后,小汽車本身的可燃物被引燃并逐步蔓延,所測得的HRR值以小汽車本身的可燃物燃燒為主,這時的HRR曲線才真正體現小汽車燃燒的特性。因此,我們定義小汽車火災試驗點火后 HRR值發展到其峰值的 10%所用時間為點火時間,也就是小汽車自身開始燃燒的時間。小汽車火災試驗HRR值達到峰值后隨著可燃物的逐漸減少,HRR值逐漸衰減,直至完全熄滅。由于本文統計的試驗是由多個不同實驗室進行的,為避免不同實驗室判定燃燒結束的標準不一造成的差異,定義HRR值達到峰值后衰減到峰值的 10%的時間為燃燒結束時間。例如,圖 1是 4-7試驗(即表 1中第 4系列第 7個試驗)獲得的 HRR曲線,根據前面的定義,其點火時間和燃燒結束時間分別為 3.5min、54.6min。

注：表中試驗編號系原文中的試驗編號

圖1 4-7試驗獲得的 HRR曲線

點火時間是體現小汽車點火難易程度的一個指標,點火時間越短,說明越易點燃。圖 2(注：圖中試驗編號系按表 1中出現的順序表示相應的試驗,比如 8號試驗對應表 1中的4-7試驗,下同)統計了這 28次試驗的點火時間,可見大多數試驗的點火時間是在 3～9min之間,均值為 8.2min。

圖2 點火時間

1.2 小汽車火災燃燒持續時間

燃燒結束時間減去點火時間,即為燃燒持續時間。圖 3為這 28次試驗的燃燒持續時間統計,大部分試驗燃燒持續時間在 60m in以內,均值為 50m in,這意味著大部分單臺小汽車火災持續時間在 1h以內。

圖3 燃燒持續時間

1.3 小汽車火災發展到HRR峰值所用時間

小汽車火災試驗中出現 HRR峰值的時間減去點火時間即為小汽車火災發展到 HRR峰值所用時間。這是一個可以反映小汽車火災燃燒速率的指標。圖 4為小汽車火災發展到峰值所用時間統計,大約80%的試驗發展到HRR峰值所用時間在 30min以內,50%的試驗發展到 HRR峰值所用時間在15min以內,只有 3次試驗在 5m in以內,均值為 18.9m in。

圖4 小汽車火災發展到峰值所用時間

1.4 小汽車火災 HRR峰值

HRR峰值是反映火災規模的一個重要參數。圖 5是本文統計的HRR峰值,可見大部分小汽車火災試驗的HRR峰值在 5 000kW以內。

圖5 HRR峰值

1.5 小汽車火災熱釋放總量

熱釋放總量是反映火災能量釋放水平的重要參數(如圖6),可見,單臺小汽車火災釋放的能量水平大約在 2 000～9 000MJ這個范圍內,本文統計的均值為 5 097.18MJ。

圖6 熱釋放總量

1.6 小汽車單位可燃物熱釋放值

試驗測得的熱釋放總量除以質量損失即為單位質量可燃物熱釋放值。同時記載了熱釋放總量以及質量損失的試驗共有 23次(如圖 7),可見該值介于 15～30MJ· kg-1之間,均值為 25.46MJ· kg-1。

2 小汽車火災燃燒特性的影響因素

圖7 單位可燃物熱釋放值

分析燃燒特性的影響因素不外乎可燃物本身的因素以及環境的因素。小汽車是由很多可燃或不可燃的部件組合而成的,不同車型的同一部件以及同一輛車的不同部件的燃燒性能均可能不相同,這就形成了小汽車燃燒性能的多樣性。再加上試驗外部環境條件變化的影響,本文統計的這 28次試驗獲得的 HRR曲線均各不相同。下面對影響小汽車火災燃燒特性的主要因素進行簡要分析。

2.1 小汽車本身整體燃燒性能的影響

不同時期、不同品牌型號的汽車所采用的可燃物種類和數量都各不相同。Joyeux進行的 4-3試驗采用的是 20世紀80年代的汽車,而 4-7試驗采用 20世紀 90年代的新款汽車,試驗結果顯示,后者燃燒的熱釋放總量和 HRR峰值均為前者的兩倍還要多。這主要是因為隨著汽車工業的發展,制造汽車的材料發生了變化,汽車的可燃部件和單位重量可燃物放熱量都大幅增加了。

表 2根據火災時釋放的總能量把 20世紀 90年代的小汽車分成 5類[11]?？梢娺@28次試驗所采用的小汽車大部分屬于類別 1和類別 2。事實上,日常生活中這兩類汽車也是最普遍的。

表2 20世紀 90年代小汽車分類

2.2 點火部位和點火方式的影響

小汽車的主要可燃物在空間分布上具有一定的特點,可分為：乘客艙內、發動機艙內、車外部(包括油箱、輪胎、油漆)這三部分,各個部分通過車身等不燃燒體連接。顯然,這三部分的燃燒性能是各不相同的,在不同部位點火將導致各部分加入燃燒的時間各不相同,從而影響整體的燃燒性能。

不同的點火部位和點火方式點火的難易程度不一樣?？蓪Ⅻc火部位歸納為乘客艙內點火、發動機艙內點火、車底點火以及后輪點火四種。分析前面提到的28次試驗數據,大致可以得出以下結論：(1)點火物數量越多點火時間越短。如 12-D、9-4兩個試驗同為座位上點火,但前者的點火物是 2L汽油而后者的點火物是浸有甲醇的布料,顯然前者的點火物數量更多,前者的點火時間遠小于后者。又如 1-3試驗,雖然是發動機下點火,但是點火物數量較多,是 3L庚烷,故其點火時間也較短,只有 3min。(2)乘客艙內點火較其他部位點火的時間短,其中座位下點火比座位上點火時間更短。這主要是因為乘客艙內的可燃物容易點燃且分布相對連續有利于火蔓延。(3)其他各點火部位的點火時間由短到長排序為發動機艙內點火、車底點火、后輪點火。

不同點火部位和點火方式點火后火災的發展差異也較大。一般來說,油箱中的油料加入燃燒后將很快達到HRR峰值。但是不同點火部位和點火方式的試驗中油料加入燃燒的時機和方式各不相同,造成獲得的HRR曲線相互之間存在較大差異。

2.3 試驗空間圍合狀況的影響

這些試驗所使用的量熱計裝置可分成三種：四周有圍合結構的房間式量熱計、四周沒有圍合結構的敞開式量熱計、有兩邊圍合的角落式量熱計。由于房間式量熱計和角落式量熱計的圍合結構會對熱輻射有一個反射作用,反射的熱輻射會有一部分依然作用在燃燒的小汽車上,從而會加速其燃燒,因而點火后其火災發展速率將比其他條件相同的敞開式量熱計中進行的試驗更快。

本文統計的 28次小汽車火災試驗中采用房間式量熱計的有 11次,采用角落式量熱計的有 3次,采用敞開式量熱計的有 14次。筆者將采用前兩種量熱計與采用敞開式量熱計的點火時間以及點火后發展到峰值所用的時間均按升序排序進行對比(如圖 8),均值分別為 6.68min、9.49m in以及13.93 min、23.95min。顯然,采用有圍合結構的房間式及角落式量熱計進行的試驗的點火時間以及點火后發展到峰值所用的時間均明顯比敞開式量熱計進行的試驗要短,也就是火災發展速率快。

圖8 采用不同類型量熱計的試驗火災發展速率比較

2.4 油箱材質及油料的影響

鋼制油箱受火時油箱本身是不燃的,但在受熱條件下,由于受熱膨脹油箱內壓力增大,油箱蓋一般都有泄壓設計,泄壓時油料大量噴出并迅速燃燒,導致HRR值迅速增加,而油料燃燒速率極快,很快燃燒完后 HRR值就迅速下降;而塑料油箱受高溫即融化,油料從破損處流出并加入燃燒,由于不是突然大量加入燃燒,也就不會形成熱釋放速率突然快速增大并減小的現象,而是維持一個較長時間的燃燒過程。

部分文獻對油箱材質和油量均有記載,并對油料參與燃燒的現象進行了描述[19]。油料的燃燒對于火災發展速率影響是較大的,一般油料加入燃燒后都會很快達到HRR峰值。但油料加入燃燒的時機除了與油箱材質有關外,與點火部位和方式等也有關系,因為點火部位和方式直接關系油箱受火的時間。

3 結束語

小汽車火災的燃燒過程是相當復雜的,其燃燒特性遠不止點火時間、燃燒持續時間、發展到 HRR峰值所用時間、HRR峰值、熱釋放總量、單位可燃物熱釋放值等,影響燃燒特性的影響因素也遠不止小汽車本身的燃燒性能、點火部位和點火方式、試驗空間的圍合狀態以及油箱的材質和油料數量等 4個,通風條件、溫度、車窗開啟情況等等,都可以對小汽車燃燒產生影響,只是由于條件及水平所限,筆者對汽車火災只是進行了上述膚淺的分析歸納工作,意在拋磚引玉,請各位同仁批評指正。

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