吳剛，胡悅，杜家勝，胡冰川

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某乘用車火災(zāi)全尺寸實驗研究

吳剛1，胡悅2，杜家勝1，胡冰川1

（1.安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.中國科學技術(shù)大學，安徽 合肥 230026）

對乘用車火災(zāi)開展研究對于乘用車防火設(shè)計、減少財產(chǎn)損失和人員傷亡、明確事故責任都具有重要的意義。文章通過全尺寸燃燒實驗，得到熱釋放速率、溫度、熱流等參數(shù)，定性獲取了燃燒過程并定量了產(chǎn)生的熱危害。

乘用車火災(zāi)全尺寸實驗；燃燒過程；熱釋放速率

前言

乘用車作為代步工具給人民生活提供了便捷，但其火災(zāi)頻發(fā)也帶來了一系列的安全問題。由于乘用車整車實驗的復(fù)雜度及高成本，定量的全尺寸燃燒實驗研究較少。因此，十分有必要開展乘用車整車的燃燒實驗，為乘用車火災(zāi)事故鑒定及火災(zāi)防控提供數(shù)據(jù)和理論支撐。

本研究通過開展實車全尺寸實驗，采集不同區(qū)域的溫度、熱流、熱釋放速率等參數(shù)，定性獲取其燃燒過程并定量其產(chǎn)生的熱危害，同時結(jié)合火蔓延過程，對實驗數(shù)據(jù)進行討論分析，闡述燃燒過程并分析過程現(xiàn)象。

1 實驗環(huán)境及實驗裝置

本實驗是在大空間內(nèi)進行的，實驗時環(huán)境溫度為26.5℃，相對濕度為60%。實驗所用大型量熱儀的最大量程為10MW。溫度測量主要采用直徑為1.5mm的K型鎧裝鎳鉻-鎳硅熱電偶，其測溫范圍為0-1300℃。熱流計的量程采用50kW/m2和100kW/m2兩種規(guī)格。

2 實驗設(shè)置

根據(jù)電氣系統(tǒng)火災(zāi)所占比例較高的特點[1]，本實驗?zāi)M發(fā)動機艙內(nèi)電氣系統(tǒng)短路起火，起火位置設(shè)置在左側(cè)散熱風扇線束處。實驗中用火棍點燃油抹布，隨后關(guān)閉發(fā)動機艙蓋。實驗時油箱內(nèi)留有10L汽油。實驗車輛的尺寸為：5200mm×1860mm×1970mm。本實驗是依據(jù)耗氧原理[2]得出的熱釋放速率。圖1顯示的是實驗中熱電偶、攝像機及熱流計的布置示意圖。溫度布點方面，主要對發(fā)動機艙、乘客艙前排駕駛室以及車體外側(cè)溫度變化進行詳細的測量。1號、2號和3號熱流計的量程分別為100kW/m2、50kW/m2和50kW/m2，分別布置在車輛左側(cè)距地面1.2m、1.85m和前側(cè)1.2m處，熱流計距車體的水平距離為5.5m。

圖1 實驗布置示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 燃燒過程

通過對拍攝視頻進行分析，發(fā)動機艙點燃后，火蔓延路徑為發(fā)動機艙——乘客艙——車輛尾部，車窗的破裂對火蔓延過程有著重要的作用。

3.1.1發(fā)動機艙區(qū)域燃燒過程

火災(zāi)初始階段，僅在發(fā)動機艙內(nèi)進行燃燒并伴隨少量的白色煙氣從發(fā)動機艙蓋及進氣格柵中溢出，同時，熔融物不斷滴落到發(fā)動機艙下方形成池火燃燒，致使發(fā)動機艙內(nèi)部火勢進一步擴大。9分56秒，前保險杠自右側(cè)大燈處整塊掉落，可燃物大面積暴露在空氣中，發(fā)動機艙進入劇烈燃燒階段。接著，火焰沿著發(fā)動機艙上方、左右兩側(cè)艙蓋向前擋風玻璃、左右輪胎處蔓延，前擋風玻璃開始出現(xiàn)受熱熔化現(xiàn)象。13分09秒，右前輪胎爆裂，14分33秒，左前輪胎爆裂。

3.1.2乘客艙區(qū)域燃燒過程

14分47秒，前擋風玻璃下部被烤化，火焰從發(fā)動機艙蔓延到乘客艙，儀表臺的材料首先開始熱解燃燒。19分58秒，前擋風玻璃完全破碎，乘客艙火焰燃燒程度更加劇烈。21分05秒，火焰沿車輛頂部涂層向后蔓延，同時，在乘客艙內(nèi)部，火焰沿頂棚及座椅向后部蔓延。25分54秒，乘客艙開始進入劇烈燃燒狀態(tài)。另外，火焰沿左側(cè)車門的涂層開始向下蔓延，為油箱處油品的燃燒提供條件。28分17秒，右前和右中玻璃相繼破裂失效，車體左右兩側(cè)涂層被逐漸炭化。

3.1.3車輛尾部區(qū)域燃燒過程

29分16秒，車輛后窗縫隙處有可見火焰溢出，車輛尾部涂層及塑料件被燒化。31分51秒，后車窗整塊破碎掉落。35分41秒，左后輪胎及油箱處劇烈燃燒。隨后，燃油箱破裂，形成了劇烈的油池火燃燒。38分29秒，右后輪胎爆裂，1分鐘后，左后輪胎爆裂。42分鐘，進行滅火，實驗結(jié)束。

3.2 溫度

3.2.1發(fā)動機艙內(nèi)部溫度

如圖2所示，發(fā)動機艙內(nèi)風扇處被點燃后，不同布點位置處的溫度呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢。隨著火焰從前進氣格柵中溢出，使得燃燒更加劇烈，溫度呈現(xiàn)驟升的現(xiàn)象。前保險杠脫落后，可燃物與空氣充分接觸，燃燒強度大幅度增強，溫度持續(xù)升高。在經(jīng)歷了一個溫度快速增長過程后，溫度在燃燒充分發(fā)展階段變化幅度減小。圖3顯示的分別為發(fā)動機艙和乘客艙內(nèi)前圍板處的溫度變化曲線。646s，發(fā)動機艙前圍板處溫度開始迅速升高，808s，此處溫度響應(yīng)速度加快，溫度逐漸升高。此時，乘客艙前圍板處溫度變化很小，這說明火焰不是通過前圍板蔓延到乘客艙的。

圖2 發(fā)動機艙內(nèi)部溫度變化曲線

圖3 前圍板位置溫度變化曲線

3.2.2乘客艙內(nèi)部溫度

如圖4所示，887s，火焰通過破損的前擋風玻璃下側(cè)進入乘客艙，儀表臺開始燃燒，溫度快速升高。1198s時，前擋風玻璃完全破碎，火焰向乘客艙后方蔓延的速度加快。1265s時，火焰開始沿車頂內(nèi)外頂板向后方同步蔓延。隨著乘客艙內(nèi)座椅、頂板材料等參與燃燒，火焰通過熱傳導(dǎo)對外頂板涂層材料產(chǎn)生熱量反饋，使得外頂板涂層材料的預(yù)熱區(qū)溫度升高，熱解前沿移動的速度加快，火蔓延速度加快。2141s后，乘客艙內(nèi)溫度變得相對穩(wěn)定。

圖4 乘客艙內(nèi)部溫度變化曲線

圖5 車體外側(cè)溫度變化曲線

3.2.3車體外側(cè)溫度

如圖5所示，大約629s時，火焰從發(fā)動機艙溢出，直接作用于發(fā)動機艙蓋，并沿著表面涂層進行蔓延。在火焰到達發(fā)蓋正中間時，此處的溫度為116℃，小于文獻中測量的涂層初始炭化溫度300℃[3]。當火焰蔓延至前擋風玻璃下側(cè)時，火焰和煙氣通過輻射、對流、傳導(dǎo)形式對前擋風玻璃進行了傳熱，并使整塊玻璃溫度分布不均勻，產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致其破裂和脫落[4]。破裂前擋風玻璃左側(cè)下方的溫度為62℃，1550s左右，左中玻璃破碎，玻璃破碎溫度約為66℃。

3.3 火焰輻射

如圖6所示，發(fā)動機艙劇烈燃燒時，前側(cè)熱流值達到1.14kW/m2。隨著燃燒的持續(xù)進行，熱流值持續(xù)變大，峰值熱流達到2.98kW/m2。789s和873s時，熱流測量值出現(xiàn)兩個陡升值，這分別是由于右前和左前輪胎爆裂引起的瞬時高熱流。當火焰蔓延到乘客艙后，左側(cè)熱流測量值隨著乘客艙的充分燃燒逐漸變大，1813s時，由于駕駛員側(cè)氣囊爆炸，熱流值出現(xiàn)了陡升。乘客艙劇烈燃燒階段峰值熱流為2.90kW/ m2。當油箱中汽油大量泄漏后，左側(cè)火焰輻射熱流值升高，并隨著左右后輪胎的爆裂，輻射熱流同樣出現(xiàn)陡升。

圖6 火焰輻射變化曲線

圖7 熱釋放速率變化曲線

3.4 熱釋放速率

熱釋放速率是物體著火標準時刻中產(chǎn)生的熱量，作為判斷物體著火特征與著火危害的基本指標[5]。圖7為燃燒過程中熱釋放速率和熱釋放總量的曲線變化圖。熱釋放速率變化過程與熱流變化相似，發(fā)動機艙劇烈燃燒、乘客艙劇烈燃燒及汽油泄漏階段的變化曲線較為明顯。發(fā)動機艙劇烈燃燒階段熱釋放速率峰值達3.06MW。乘客艙劇烈燃燒階段熱釋放速率峰值達到3.05MW。當汽油泄漏后，熱釋放速率峰值達到整個燃燒過程中的最大值3.38MW。

4 結(jié)論

通過觀察燃燒現(xiàn)象，分析燃燒過程，分析測量點位置溫度及火焰輻射、熱釋放速率的變化情況，可得到以下結(jié)論：

（1）發(fā)動機艙起火，火焰首先會從發(fā)動機艙區(qū)域蔓延至進氣格柵、保險杠處，可根據(jù)前保險杠掉落的時間來預(yù)估發(fā)動機艙發(fā)生劇烈燃燒的時間。為防止火勢的進一步擴大，在發(fā)動機艙起火后，滅火應(yīng)控制在10min之內(nèi)。

（2）發(fā)動機艙起火后，火焰會首先通過破碎的前擋風玻璃進入乘客艙，前擋風玻璃的破碎會導(dǎo)致火焰沿車頂內(nèi)外頂板同步蔓延，內(nèi)外頂板相互的熱反饋可進一步加快乘客艙內(nèi)火焰的蔓延。

（3）燃油泄漏后，峰值熱釋放速率出現(xiàn)較大增長。因此，車庫通風排煙設(shè)計應(yīng)重點考慮燃油泄漏燃燒的情況。

（4）火焰在發(fā)動機艙內(nèi)的傳播速度快于乘客艙。

[1] 劉振剛.汽車火災(zāi)原因調(diào)查[M].天津:天津科學技術(shù)出版社,2008: 10-23.

[2] International Organization for Standardization. ISO 5660‐1, 2015, Reaction‐to‐fire tests–heat release, smoke production and mass loss rate–Part 1: heat release rate (cone calorimeter method) and smoke production rate (dynamic measurement)[J]. 2015.

[3] 張磊,李耕勤,朱國慶,等.汽車火災(zāi)燃燒試驗現(xiàn)象分析[J].消防科學與技術(shù), 2018(1):136-139.

[4] 王禹.火災(zāi)下玻璃幕墻破裂行為的實驗和數(shù)值模擬研究[D].中國科學技術(shù)大學, 2016.

[5] Babrauskas V, Peacock R D. Heat release rate: the single most important variable in fire hazard [J]. Fire Safety Journal, 1992, 18 (3): 255-272.

A Study of Full-scale Experimental of Passenger Car Fire

Wu Gang1, Hu Yue2, Du Jiasheng1, Hu Bingchuan1

( 1.Anhui Jianghuai Automobile Group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601; 2.University of Science and Technology of China, Anhui Hefei 230026 )

Research on the passenger car fires is of great significance for protection design, reduction of property losses and casualties, and responsibility identification for car fire accidents. The parameters such as heat release rate, temperature and heat flow were obtained through passenger car full-scale fire experiments. The burning process was qualitatively obtained and the thermal hazard generated by the fire was quantitatively determined.

full-scale of passenger car fire experiment;combustion process; heat release rate

U467

B

1671-7988(2019)07-112-03

吳剛，電器設(shè)計主任工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。研究方向：汽車電氣設(shè)計及汽車防火設(shè)計。

U467

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1671-7988(2019)07-112-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.037