小汽車火災(zāi)燃燒特性及影響因素研究

●陳貽來

(長(zhǎng)沙市消防支隊(duì),湖南長(zhǎng)沙 410001)

0 引言

自 1968年 Butcher等人[1]開展最早的全尺寸汽車火災(zāi)試驗(yàn)以來,國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)學(xué)者進(jìn)行了大量小汽車火災(zāi)試驗(yàn),獲得了很多寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。Burgi[2]、Gewain[3]、BHP墨爾本研究實(shí)驗(yàn)室的Bennetts等人[4-5]相繼開展了小汽車火災(zāi)試驗(yàn)研究,這些試驗(yàn)重點(diǎn)研究了小汽車火災(zāi)的燃燒現(xiàn)象,沒有給出工程計(jì)算最關(guān)心的小汽車火災(zāi)熱釋放速率這一數(shù)據(jù)。1991年,芬蘭國立技術(shù)研究中心(VTT)的 Mangs和 Keski-Rahkonen進(jìn)行了3個(gè)全尺寸小汽車火災(zāi)試驗(yàn)[6],利用耗氧式量熱計(jì)獲得了小汽車火災(zāi)熱釋放速率曲線(HRR曲線),這是最早通過試驗(yàn)給出的可供工程計(jì)算用的小汽車火災(zāi) HRR曲線。在這之后,德國的 Steinert分別在不倫瑞克工業(yè)大學(xué)(TU Braunschweig)[6]和萊比錫大學(xué) MPA實(shí)驗(yàn)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(yè)建材技術(shù)協(xié)會(huì)(CTICM)的 Joyeux等人[9-10]、Anonymous[11]、荷蘭環(huán)境和地球科學(xué)研究院(TNO)的 Van Oerle[12]、美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院(NIST)建筑與火災(zāi)研究室(BFRL)的 Stroup等人[13]、日本的 Kitano等人[14]、程遠(yuǎn)平與R John在德國卡爾斯魯厄大學(xué)火災(zāi)防護(hù)研究所[15]、日本建筑研究所(BRI)的 Shintani等人[16]、瑞典國家試驗(yàn)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(zāi)試驗(yàn)研究工作,獲得了大量珍貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。據(jù)筆者統(tǒng)計(jì),上述文獻(xiàn)共發(fā)表了完整的單臺(tái)小汽車火災(zāi) HRR曲線 28次(見表1)。本文通過分析這些試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù),對(duì)小汽車火災(zāi)燃燒特性及其影響因素進(jìn)行了分析。為避免混淆,本文研究的對(duì)象特指單臺(tái)燃油小汽車,不包括電動(dòng)汽車和 CNG汽車等。

1 小汽車火災(zāi)燃燒特性研究

小汽車火災(zāi)是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的燃燒過程,反映其燃燒特性的參數(shù)也很多,筆者對(duì)國內(nèi)外小汽車火災(zāi)試驗(yàn)進(jìn)行了認(rèn)真總結(jié),歸納了以下 6個(gè)主要特性：

1.1 小汽車火災(zāi)點(diǎn)火時(shí)間

小汽車火災(zāi)試驗(yàn)點(diǎn)火一般都采用了一定數(shù)量的可燃物作為點(diǎn)火源,而不同試驗(yàn)所采用的點(diǎn)火物及其數(shù)量都不一樣,試驗(yàn)最初一段時(shí)間測(cè)得的 HRR曲線實(shí)際上主要是這些點(diǎn)火物燃燒的HRR值,這段 HRR曲線數(shù)值都較小,對(duì)于研究小汽車本身的燃燒特性意義不大。當(dāng)點(diǎn)火一段時(shí)間后,小汽車本身的可燃物被引燃并逐步蔓延,所測(cè)得的HRR值以小汽車本身的可燃物燃燒為主,這時(shí)的HRR曲線才真正體現(xiàn)小汽車燃燒的特性。因此,我們定義小汽車火災(zāi)試驗(yàn)點(diǎn)火后 HRR值發(fā)展到其峰值的 10%所用時(shí)間為點(diǎn)火時(shí)間,也就是小汽車自身開始燃燒的時(shí)間。小汽車火災(zāi)試驗(yàn)HRR值達(dá)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(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)是由多個(gè)不同實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的,為避免不同實(shí)驗(yàn)室判定燃燒結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)不一造成的差異,定義HRR值達(dá)到峰值后衰減到峰值的 10%的時(shí)間為燃燒結(jié)束時(shí)間。例如,圖 1是 4-7試驗(yàn)(即表 1中第 4系列第 7個(gè)試驗(yàn))獲得的 HRR曲線,根據(jù)前面的定義,其點(diǎn)火時(shí)間和燃燒結(jié)束時(shí)間分別為 3.5min、54.6min。

注：表中試驗(yàn)編號(hào)系原文中的試驗(yàn)編號(hào)

圖1 4-7試驗(yàn)獲得的 HRR曲線

點(diǎn)火時(shí)間是體現(xiàn)小汽車點(diǎn)火難易程度的一個(gè)指標(biāo),點(diǎn)火時(shí)間越短,說明越易點(diǎn)燃。圖 2(注：圖中試驗(yàn)編號(hào)系按表 1中出現(xiàn)的順序表示相應(yīng)的試驗(yàn),比如 8號(hào)試驗(yàn)對(duì)應(yīng)表 1中的4-7試驗(yàn),下同)統(tǒng)計(jì)了這 28次試驗(yàn)的點(diǎn)火時(shí)間,可見大多數(shù)試驗(yàn)的點(diǎn)火時(shí)間是在 3～9min之間,均值為 8.2min。

圖2 點(diǎn)火時(shí)間

1.2 小汽車火災(zāi)燃燒持續(xù)時(shí)間

燃燒結(jié)束時(shí)間減去點(diǎn)火時(shí)間,即為燃燒持續(xù)時(shí)間。圖 3為這 28次試驗(yàn)的燃燒持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì),大部分試驗(yàn)燃燒持續(xù)時(shí)間在 60m in以內(nèi),均值為 50m in,這意味著大部分單臺(tái)小汽車火災(zāi)持續(xù)時(shí)間在 1h以內(nèi)。

圖3 燃燒持續(xù)時(shí)間

1.3 小汽車火災(zāi)發(fā)展到HRR峰值所用時(shí)間

小汽車火災(zāi)試驗(yàn)中出現(xiàn) HRR峰值的時(shí)間減去點(diǎn)火時(shí)間即為小汽車火災(zāi)發(fā)展到 HRR峰值所用時(shí)間。這是一個(gè)可以反映小汽車火災(zāi)燃燒速率的指標(biāo)。圖 4為小汽車火災(zāi)發(fā)展到峰值所用時(shí)間統(tǒng)計(jì),大約80%的試驗(yàn)發(fā)展到HRR峰值所用時(shí)間在 30min以內(nèi),50%的試驗(yàn)發(fā)展到 HRR峰值所用時(shí)間在15min以內(nèi),只有 3次試驗(yàn)在 5m in以內(nèi),均值為 18.9m in。

圖4 小汽車火災(zāi)發(fā)展到峰值所用時(shí)間

1.4 小汽車火災(zāi) HRR峰值

HRR峰值是反映火災(zāi)規(guī)模的一個(gè)重要參數(shù)。圖 5是本文統(tǒng)計(jì)的HRR峰值,可見大部分小汽車火災(zāi)試驗(yàn)的HRR峰值在 5 000kW以內(nèi)。

圖5 HRR峰值

1.5 小汽車火災(zāi)熱釋放總量

熱釋放總量是反映火災(zāi)能量釋放水平的重要參數(shù)(如圖6),可見,單臺(tái)小汽車火災(zāi)釋放的能量水平大約在 2 000～9 000MJ這個(gè)范圍內(nèi),本文統(tǒng)計(jì)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(yàn)測(cè)得的熱釋放總量除以質(zhì)量損失即為單位質(zhì)量可燃物熱釋放值。同時(shí)記載了熱釋放總量以及質(zhì)量損失的試驗(yàn)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(zāi)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(huán)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(yàn)外部環(huán)境條件變化的影響,本文統(tǒng)計(jì)的這 28次試驗(yàn)獲得的 HRR曲線均各不相同。下面對(duì)影響小汽車火災(zāi)燃燒特性的主要因素進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

2.1 小汽車本身整體燃燒性能的影響

不同時(shí)期、不同品牌型號(hào)的汽車所采用的可燃物種類和數(shù)量都各不相同。Joyeux進(jìn)行的 4-3試驗(yàn)采用的是 20世紀(jì)80年代的汽車,而 4-7試驗(yàn)采用 20世紀(jì) 90年代的新款汽車,試驗(yàn)結(jié)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?yàn)殡S著汽車工業(yè)的發(fā)展,制造汽車的材料發(fā)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(jù)火災(zāi)時(shí)釋放的總能量把 20世紀(jì) 90年代的小汽車分成 5類[11]。可見這28次試驗(yàn)所采用的小汽車大部分屬于類別 1和類別 2。事實(shí)上,日常生活中這兩類汽車也是最普遍的。

表2 20世紀(jì) 90年代小汽車分類

2.2 點(diǎn)火部位和點(diǎn)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(diǎn),可分為：乘客艙內(nèi)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)、車外部(包括油箱、輪胎、油漆)這三部分,各個(gè)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(diǎn)火將導(dǎo)致各部分加入燃燒的時(shí)間各不相同,從而影響整體的燃燒性能。

不同的點(diǎn)火部位和點(diǎn)火方式點(diǎn)火的難易程度不一樣?？蓪Ⅻc(diǎn)火部位歸納為乘客艙內(nèi)點(diǎn)火、發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)點(diǎn)火、車底點(diǎn)火以及后輪點(diǎn)火四種。分析前面提到的28次試驗(yàn)數(shù)據(jù),大致可以得出以下結(jié)論：(1)點(diǎn)火物數(shù)量越多點(diǎn)火時(shí)間越短。如 12-D、9-4兩個(gè)試驗(yàn)同為座位上點(diǎn)火,但前者的點(diǎn)火物是 2L汽油而后者的點(diǎn)火物是浸有甲醇的布料,顯然前者的點(diǎn)火物數(shù)量更多,前者的點(diǎn)火時(shí)間遠(yuǎn)小于后者。又如 1-3試驗(yàn),雖然是發(fā)動(dòng)機(jī)下點(diǎn)火,但是點(diǎn)火物數(shù)量較多,是 3L庚烷,故其點(diǎn)火時(shí)間也較短,只有 3min。(2)乘客艙內(nèi)點(diǎn)火較其他部位點(diǎn)火的時(shí)間短,其中座位下點(diǎn)火比座位上點(diǎn)火時(shí)間更短。這主要是因?yàn)槌丝团搩?nèi)的可燃物容易點(diǎn)燃且分布相對(duì)連續(xù)有利于火蔓延。(3)其他各點(diǎn)火部位的點(diǎn)火時(shí)間由短到長(zhǎng)排序?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)點(diǎn)火、車底點(diǎn)火、后輪點(diǎn)火。

不同點(diǎn)火部位和點(diǎn)火方式點(diǎn)火后火災(zāi)的發(fā)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(dá)到HRR峰值。但是不同點(diǎn)火部位和點(diǎn)火方式的試驗(yàn)中油料加入燃燒的時(shí)機(jī)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(yàn)空間圍合狀況的影響

這些試驗(yàn)所使用的量熱計(jì)裝置可分成三種：四周有圍合結(jié)構(gòu)的房間式量熱計(jì)、四周沒有圍合結(jié)構(gòu)的敞開式量熱計(jì)、有兩邊圍合的角落式量熱計(jì)。由于房間式量熱計(jì)和角落式量熱計(jì)的圍合結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)熱輻射有一個(gè)反射作用,反射的熱輻射會(huì)有一部分依然作用在燃燒的小汽車上,從而會(huì)加速其燃燒,因而點(diǎn)火后其火災(zāi)發(fā)展速率將比其他條件相同的敞開式量熱計(jì)中進(jìn)行的試驗(yàn)更快。

本文統(tǒng)計(jì)的 28次小汽車火災(zāi)試驗(yàn)中采用房間式量熱計(jì)的有 11次,采用角落式量熱計(jì)的有 3次,采用敞開式量熱計(jì)的有 14次。筆者將采用前兩種量熱計(jì)與采用敞開式量熱計(jì)的點(diǎn)火時(shí)間以及點(diǎn)火后發(fā)展到峰值所用的時(shí)間均按升序排序進(jìn)行對(duì)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(jié)構(gòu)的房間式及角落式量熱計(jì)進(jìn)行的試驗(yàn)的點(diǎn)火時(shí)間以及點(diǎn)火后發(fā)展到峰值所用的時(shí)間均明顯比敞開式量熱計(jì)進(jìn)行的試驗(yàn)要短,也就是火災(zāi)發(fā)展速率快。

圖8 采用不同類型量熱計(jì)的試驗(yàn)火災(zāi)發(fā)展速率比較

2.4 油箱材質(zhì)及油料的影響

鋼制油箱受火時(shí)油箱本身是不燃的,但在受熱條件下,由于受熱膨脹油箱內(nèi)壓力增大,油箱蓋一般都有泄壓設(shè)計(jì),泄壓時(shí)油料大量噴出并迅速燃燒,導(dǎo)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(huì)形成熱釋放速率突然快速增大并減小的現(xiàn)象,而是維持一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的燃燒過程。

部分文獻(xiàn)對(duì)油箱材質(zhì)和油量均有記載,并對(duì)油料參與燃燒的現(xiàn)象進(jìn)行了描述[19]。油料的燃燒對(duì)于火災(zāi)發(fā)展速率影響是較大的,一般油料加入燃燒后都會(huì)很快達(dá)到HRR峰值。但油料加入燃燒的時(shí)機(jī)除了與油箱材質(zhì)有關(guān)外,與點(diǎn)火部位和方式等也有關(guān)系,因?yàn)辄c(diǎn)火部位和方式直接關(guān)系油箱受火的時(shí)間。

3 結(jié)束語

小汽車火災(zāi)的燃燒過程是相當(dāng)復(fù)雜的,其燃燒特性遠(yuǎn)不止點(diǎn)火時(shí)間、燃燒持續(xù)時(shí)間、發(fā)展到 HRR峰值所用時(shí)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(yuǎn)不止小汽車本身的燃燒性能、點(diǎn)火部位和點(diǎn)火方式、試驗(yàn)空間的圍合狀態(tài)以及油箱的材質(zhì)和油料數(shù)量等 4個(gè),通風(fēng)條件、溫度、車窗開啟情況等等,都可以對(duì)小汽車燃燒產(chǎn)生影響,只是由于條件及水平所限,筆者對(duì)汽車火災(zāi)只是進(jìn)行了上述膚淺的分析歸納工作,意在拋磚引玉,請(qǐng)各位同仁批評(píng)指正。

[1]BUTCHER EG,LANGDON-THOMASG J,BEDFORD G K.Fire and Carpark Buildings-Fire Note 10[R].Fire Research Station,London,1968.

[2]BURGIH.Swiss Tests on Fire Behaviour in Enclosed and Underground Car Parks[J].Fire International,1971,33：64-77.

[3]GEWAIN RG.FireExperience and Fire Tests in Automobile Parking Structures[J].Fire Journal,1973,67(4)：50-54.

[4]BENNETTS ID,PROE D,LEWINS R,et al.Open-Deck Car Park Fire Tests[R].BHP Steel International Group,Long Products Division,Whyalla,S.Aust.,1985.

[5]BHP.Fire and Unprotected Steel in Closed Carparks[R].BHPMelbourne Research Laboratories,Melbourne,1987.

[6]MANGSJ,KESKI-RAHKONENO.Characterisation of the Fire Behaviour of a Burning Passenger Car.Part I：Car fire experiments[J].Fire Safety Journal,1994,23.

[7]STEINERT C.Smoke and Heat Production in Tunnel Fires[R].Swedish National Testing and Research Institute,Boras,Sweden,1994：123-137.

[8]STEINERT C.Experimental Investigation of Burning and Fire Jumping Behavior of Automobiles[J].VFDB Journal,2000,4：163-172.

[9]SHIPP M P,SPEARPOINTM J.Measurements of the Severity of Fires Involving PrivateMotor Vehicles[J].Fire and Materials,1995,19：143-151.

[10]JOYEUX D.Natural Fires in Closed Car Parks：Car Fire Tests[R].CTICM Report No.INC 96/294d DJ/NB,CTICM,Metz,France,1997.

[11]JOYEUX D,KRUPPA J,CAJOT L,et al.Demonstration of Real Fire Tests in Car Parks and High Buildings[R].Final Report,Contract No.7215 PP/025,CTICM,Metz,France,2002.

[12]Anonymous.CTICM Fire Tests on Cars[R].CITCM,Metz,France,2004.

[13]Van Oerle N,LEMAIRE A,Van de Leur P.Effectiveness of Forced Ventilation in Closed Car Parks(in Dutch)[R].TNO Report No.1999-CVB-RR 1442,TNO,Delft,the Neterlands,1999.

[14]STROUPDW,DeLauter L,LEE J,et al.Passenger Minivan Fire Tests[S].National Institute of Standards and Technology,Gaithersburg,M.D.USA,2001.

[15]KITANO T,SUGAWA O,MASUDA H,et al.Large Scale Fire Tests of 4-Story Type Car Park Part 1：The Behavior of Structural Frame Exposed to the Fire at the Deepest Part of the First Floor[C]//4th Asia-Oceania20 Symposium on Fire Science and Technology(Tokyo,Japan),May,2000：527-538.

[16]程遠(yuǎn)平,R John.小汽車火災(zāi)試驗(yàn)研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,31(6).

[17]SHINTANIY,KAKAEN,HARADA K,et al.Experimental Investigation of Burning Behavior of Automobiles[C]//6th Asia-Oceania Symposium on Fire Science and Technology,2004：618-629.

[18]LONNERMARK A,BLOMQVISTP.Emissions from an Automobile Fire[J].Chemosphere,2006,62：1043-1056.

[19]Okamoto K,et al.Burning behavior of sedan passenger cars[J].Fire Safety,2008,10：1016.