小汽车火灾燃烧特性及影响因素研究

●陈贻来

(长沙市消防支队,湖南长沙 410001)

0 引言

自 1968年 Butcher等人[1]开展最早的全尺寸汽车火灾试验以来,国内外相关机构学者进行了大量小汽车火灾试验,获得了很多宝贵的试验数据。Burgi[2]、Gewain[3]、BHP墨尔本研究实验室的Bennetts等人[4-5]相继开展了小汽车火灾试验研究,这些试验重点研究了小汽车火灾的燃烧现象,没有给出工程计算最关心的小汽车火灾热释放速率这一数据。1991年,芬兰国立技术研究中心(VTT)的 Mangs和 Keski-Rahkonen进行了3个全尺寸小汽车火灾试验[6],利用耗氧式量热计获得了小汽车火灾热释放速率曲线(HRR曲线),这是最早通过试验给出的可供工程计算用的小汽车火灾 HRR曲线。在这之后,德国的 Steinert分别在不伦瑞克工业大学(TU Braunschweig)[6]和莱比锡大学 MPA实验室[7]、英国建筑研究所防火研究部(BRE/FRS)的 Shipp and Spearpoint[8]、法国工业建材技术协会(CTICM)的 Joyeux等人[9-10]、Anonymous[11]、荷兰环境和地球科学研究院(TNO)的 Van Oerle[12]、美国国家标准和技术研究院(NIST)建筑与火灾研究室(BFRL)的 Stroup等人[13]、日本的 Kitano等人[14]、程远平与R John在德国卡尔斯鲁厄大学火灾防护研究所[15]、日本建筑研究所(BRI)的 Shintani等人[16]、瑞典国家试验研究所 SP的Lonnermark与 Blomqvist[17]、日本的 K.Okamoto等人[18]均开展了全尺寸小汽车火灾试验研究工作,获得了大量珍贵的基础数据。据笔者统计,上述文献共发表了完整的单台小汽车火灾 HRR曲线 28次(见表1)。本文通过分析这些试验获得的数据,对小汽车火灾燃烧特性及其影响因素进行了分析。为避免混淆,本文研究的对象特指单台燃油小汽车,不包括电动汽车和 CNG汽车等。

1 小汽车火灾燃烧特性研究

小汽车火灾是个相当复杂的燃烧过程,反映其燃烧特性的参数也很多,笔者对国内外小汽车火灾试验进行了认真总结,归纳了以下 6个主要特性：

1.1 小汽车火灾点火时间

小汽车火灾试验点火一般都采用了一定数量的可燃物作为点火源,而不同试验所采用的点火物及其数量都不一样,试验最初一段时间测得的 HRR曲线实际上主要是这些点火物燃烧的HRR值,这段 HRR曲线数值都较小,对于研究小汽车本身的燃烧特性意义不大。当点火一段时间后,小汽车本身的可燃物被引燃并逐步蔓延,所测得的HRR值以小汽车本身的可燃物燃烧为主,这时的HRR曲线才真正体现小汽车燃烧的特性。因此,我们定义小汽车火灾试验点火后 HRR值发展到其峰值的 10%所用时间为点火时间,也就是小汽车自身开始燃烧的时间。小汽车火灾试验HRR值达到峰值后随着可燃物的逐渐减少,HRR值逐渐衰减,直至完全熄灭。由于本文统计的试验是由多个不同实验室进行的,为避免不同实验室判定燃烧结束的标准不一造成的差异,定义HRR值达到峰值后衰减到峰值的 10%的时间为燃烧结束时间。例如,图 1是 4-7试验(即表 1中第 4系列第 7个试验)获得的 HRR曲线,根据前面的定义,其点火时间和燃烧结束时间分别为 3.5min、54.6min。

注：表中试验编号系原文中的试验编号

图1 4-7试验获得的 HRR曲线

点火时间是体现小汽车点火难易程度的一个指标,点火时间越短,说明越易点燃。图 2(注：图中试验编号系按表 1中出现的顺序表示相应的试验,比如 8号试验对应表 1中的4-7试验,下同)统计了这 28次试验的点火时间,可见大多数试验的点火时间是在 3～9min之间,均值为 8.2min。

图2 点火时间

1.2 小汽车火灾燃烧持续时间

燃烧结束时间减去点火时间,即为燃烧持续时间。图 3为这 28次试验的燃烧持续时间统计,大部分试验燃烧持续时间在 60m in以内,均值为 50m in,这意味着大部分单台小汽车火灾持续时间在 1h以内。

图3 燃烧持续时间

1.3 小汽车火灾发展到HRR峰值所用时间

小汽车火灾试验中出现 HRR峰值的时间减去点火时间即为小汽车火灾发展到 HRR峰值所用时间。这是一个可以反映小汽车火灾燃烧速率的指标。图 4为小汽车火灾发展到峰值所用时间统计,大约80%的试验发展到HRR峰值所用时间在 30min以内,50%的试验发展到 HRR峰值所用时间在15min以内,只有 3次试验在 5m in以内,均值为 18.9m in。

图4 小汽车火灾发展到峰值所用时间

1.4 小汽车火灾 HRR峰值

HRR峰值是反映火灾规模的一个重要参数。图 5是本文统计的HRR峰值,可见大部分小汽车火灾试验的HRR峰值在 5 000kW以内。

图5 HRR峰值

1.5 小汽车火灾热释放总量

热释放总量是反映火灾能量释放水平的重要参数(如图6),可见,单台小汽车火灾释放的能量水平大约在 2 000～9 000MJ这个范围内,本文统计的均值为 5 097.18MJ。

图6 热释放总量

1.6 小汽车单位可燃物热释放值

试验测得的热释放总量除以质量损失即为单位质量可燃物热释放值。同时记载了热释放总量以及质量损失的试验共有 23次(如图 7),可见该值介于 15～30MJ· kg-1之间,均值为 25.46MJ· kg-1。

2 小汽车火灾燃烧特性的影响因素

图7 单位可燃物热释放值

分析燃烧特性的影响因素不外乎可燃物本身的因素以及环境的因素。小汽车是由很多可燃或不可燃的部件组合而成的,不同车型的同一部件以及同一辆车的不同部件的燃烧性能均可能不相同,这就形成了小汽车燃烧性能的多样性。再加上试验外部环境条件变化的影响,本文统计的这 28次试验获得的 HRR曲线均各不相同。下面对影响小汽车火灾燃烧特性的主要因素进行简要分析。

2.1 小汽车本身整体燃烧性能的影响

不同时期、不同品牌型号的汽车所采用的可燃物种类和数量都各不相同。Joyeux进行的 4-3试验采用的是 20世纪80年代的汽车,而 4-7试验采用 20世纪 90年代的新款汽车,试验结果显示,后者燃烧的热释放总量和 HRR峰值均为前者的两倍还要多。这主要是因为随着汽车工业的发展,制造汽车的材料发生了变化,汽车的可燃部件和单位重量可燃物放热量都大幅增加了。

表 2根据火灾时释放的总能量把 20世纪 90年代的小汽车分成 5类[11]。可见这28次试验所采用的小汽车大部分属于类别 1和类别 2。事实上,日常生活中这两类汽车也是最普遍的。

表2 20世纪 90年代小汽车分类

2.2 点火部位和点火方式的影响

小汽车的主要可燃物在空间分布上具有一定的特点,可分为：乘客舱内、发动机舱内、车外部(包括油箱、轮胎、油漆)这三部分,各个部分通过车身等不燃烧体连接。显然,这三部分的燃烧性能是各不相同的,在不同部位点火将导致各部分加入燃烧的时间各不相同,从而影响整体的燃烧性能。

不同的点火部位和点火方式点火的难易程度不一样。可将点火部位归纳为乘客舱内点火、发动机舱内点火、车底点火以及后轮点火四种。分析前面提到的28次试验数据,大致可以得出以下结论：(1)点火物数量越多点火时间越短。如 12-D、9-4两个试验同为座位上点火,但前者的点火物是 2L汽油而后者的点火物是浸有甲醇的布料,显然前者的点火物数量更多,前者的点火时间远小于后者。又如 1-3试验,虽然是发动机下点火,但是点火物数量较多,是 3L庚烷,故其点火时间也较短,只有 3min。(2)乘客舱内点火较其他部位点火的时间短,其中座位下点火比座位上点火时间更短。这主要是因为乘客舱内的可燃物容易点燃且分布相对连续有利于火蔓延。(3)其他各点火部位的点火时间由短到长排序为发动机舱内点火、车底点火、后轮点火。

不同点火部位和点火方式点火后火灾的发展差异也较大。一般来说,油箱中的油料加入燃烧后将很快达到HRR峰值。但是不同点火部位和点火方式的试验中油料加入燃烧的时机和方式各不相同,造成获得的HRR曲线相互之间存在较大差异。

2.3 试验空间围合状况的影响

这些试验所使用的量热计装置可分成三种：四周有围合结构的房间式量热计、四周没有围合结构的敞开式量热计、有两边围合的角落式量热计。由于房间式量热计和角落式量热计的围合结构会对热辐射有一个反射作用,反射的热辐射会有一部分依然作用在燃烧的小汽车上,从而会加速其燃烧,因而点火后其火灾发展速率将比其他条件相同的敞开式量热计中进行的试验更快。

本文统计的 28次小汽车火灾试验中采用房间式量热计的有 11次,采用角落式量热计的有 3次,采用敞开式量热计的有 14次。笔者将采用前两种量热计与采用敞开式量热计的点火时间以及点火后发展到峰值所用的时间均按升序排序进行对比(如图 8),均值分别为 6.68min、9.49m in以及13.93 min、23.95min。显然,采用有围合结构的房间式及角落式量热计进行的试验的点火时间以及点火后发展到峰值所用的时间均明显比敞开式量热计进行的试验要短,也就是火灾发展速率快。

图8 采用不同类型量热计的试验火灾发展速率比较

2.4 油箱材质及油料的影响

钢制油箱受火时油箱本身是不燃的,但在受热条件下,由于受热膨胀油箱内压力增大,油箱盖一般都有泄压设计,泄压时油料大量喷出并迅速燃烧,导致HRR值迅速增加,而油料燃烧速率极快,很快燃烧完后 HRR值就迅速下降;而塑料油箱受高温即融化,油料从破损处流出并加入燃烧,由于不是突然大量加入燃烧,也就不会形成热释放速率突然快速增大并减小的现象,而是维持一个较长时间的燃烧过程。

部分文献对油箱材质和油量均有记载,并对油料参与燃烧的现象进行了描述[19]。油料的燃烧对于火灾发展速率影响是较大的,一般油料加入燃烧后都会很快达到HRR峰值。但油料加入燃烧的时机除了与油箱材质有关外,与点火部位和方式等也有关系,因为点火部位和方式直接关系油箱受火的时间。

3 结束语

小汽车火灾的燃烧过程是相当复杂的,其燃烧特性远不止点火时间、燃烧持续时间、发展到 HRR峰值所用时间、HRR峰值、热释放总量、单位可燃物热释放值等,影响燃烧特性的影响因素也远不止小汽车本身的燃烧性能、点火部位和点火方式、试验空间的围合状态以及油箱的材质和油料数量等 4个,通风条件、温度、车窗开启情况等等,都可以对小汽车燃烧产生影响,只是由于条件及水平所限,笔者对汽车火灾只是进行了上述肤浅的分析归纳工作,意在抛砖引玉,请各位同仁批评指正。

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