Požární zkouška osobního automobilu na otevřeném prostranství

Úvod

Požáry automobilů představují nebezpečí jak pro jejich osádky, tak i pro životní prostředí, což dokládá statistika počtu usmrcených (U) a zraněných osob (Z) a přímých škod od těchto požárů v ČR i ve světě [1], viz kap. 2. Přestože motorová vozidla prošla homologací (schválením technické způsobilosti pro provoz na silničních komunikacích) jako typ a následně v provozu kontrolami STK [2], v důsledku nárazu při havárii nebo technických závad či selhání lidského činitele mohou začít hořet s následným rozšířením požáru na celé vozidlo tj. i do interiéru. Nejvyšší požární zatížení ve vozidle již nepředstavuje palivo v palivové nádrži, ale i plasty, materiály čalounění a potahy v konstrukci včetně izolací elektrické kabeláže, které neprocházejí u osobních automobilů (typ M1) povinnými laboratorními zkušebními testy na hořlavost, zapalitelnost, rychlost povrchového šíření plamene. Na toxicitu zplodin hoření nejsou testovány ani hořlavé materiály do typu vozidel M3 (autobusů) [3]. Parkování osobních vozidel v intraviláně, blízkosti obytných budov, garážích a v kolonách představuje též určité nebezpečí.

Nejobjektivnější hodnocením požárního rizika daného typu motorového vozidla je zkouška simulující požár za definovaných podmínek, spojená s měřením rychlosti vývinu tepla, teplotního podle, hustoty toku tepla, množství uvolňovaného kouře a koncentrace v něm obsažených toxikantů vč. rychlosti šíření požáru až do vzniku flash-overu. Existuje řada publikovaných výsledků již realizovaných zkoušek, které jsou využívány při konstrukci motorových vozidle a při tvorbě/upřesnění norem a předpisů specifikujících techn. parametry vozidel a jejich zkoušení, viz [1]–[6].

Příspěvek stručně charakterizuje požáry a nehody motorových vozidel v ČR, účinky požárů vozidel na osádku a okolí, výsledky full – scale požární zkoušky osobního automobilu (dále jen zkušební požár – ZP) ze dne 8. 10. 2014 v UCEEB – ČVUT v Praze, buštěhradském areálu.

Na zkoušce se podíleli studenti Fakulty dopravní a Fakulty stavební ČVUT a dále pracovníci Technického ústavu PO Praha.

Cílem zkoušky bylo na osobním automobilu, který nebyl homologován, ale sloužil jako učební pomůcka:

1. měřit na otevřeném prostranství za definovaných podmínek tepelné projevy požáru (teplotní pole, hustotu toku tepla), emise ze vzorkovaného kouře požáru k chemické analýze na obsah vybraných toxikantů/polutantů (CO, CO₂, SO₂, NO_x, HCN, HX (halogenovodíky) a meteo-situaci (rychlost a směr proudění, teplotu ovzduší a barometrický tlak) v blízkosti vozidla před a po ZP, optickou hustotu kouře a rychlost vývinu tepla,
2. dokumentovat průběh ZP fotograficky, videem a termovizními kamerami,
3. počítačově simulovat ZP a porovnat data vypočtená s naměřenými.

1. Požáry osobních motorových vozidel v ČR

Nebezpečí všech požárů a nehod OA v ČR lze doložit údaji z obr. 1–5.

Obr. 1 Roční celkové četnosti požárů OA v ČR za období 2004–2013 [7]

Obr. 2 Roční celkové četnosti usmrcených (U) a zraněných osob (Z) od požárů OA v ČR za období 2004–2013 [7]

Obr. 3 Roční celkové četnosti nehod OA bez přívěsu a s přívěsem (celkem) v ČR za období 2009–2013 vyšetřovaných PČR [8]

Obr. 4 Přímé škody od požárů OA v ČR za období 2004–2013 [7]

V ČR vzrostl podle dat EU v jednotkách pkm podíl vnitrostátní přepravy osob ze 73,8 % v r. 2002 na 74,8 % v r. 2012 [8].

Obr. 5 Počet OA registrovaných v ČR od r. 1998 do 6/2014 [8]

2. Účinky požárů vozidel

Potenciální účinky požárů OA na jejich osádku a okolí lze členit na: intoxikaci zplodinami hoření, viz tab. 1, tepelné působení plamenů a horkého kouře, viz tab. 2, udušení pro nedostatek kyslíku v zasažené kabině, viz tab. 3, a ztrátu viditelnosti po zakouření vnitřních prostor kabiny vozidla, když „Viditelnost“ v kouři se vyjadřuje v metrech (m), součinitel útlumu v m⁻¹, opacitou kouře O se rozumí míra útlumu paprsku světla prošlého vrstvou kouře a optickou hustotou kouře D, která je dekadickým logaritmem opacity. V zakouřeném prostoru s D = 0,5 klesá rychlost úniku osob na cca 0,3 m/s.

3. Požární zkouška

Obr. 6 Vnější rozměry OA [1]

Zkouška byla realizována na vzorku nehomologovaného osobního automobilu zajištěného jako učební pomůcka s rozměry dle obr. 6 a následujících techn. specifikací:

• typ karosérie COMBI, pětidveřová,
• motor vpředu, vznětový se 3 válci, TDI (s přímým vstřikováním) se zdvihovým objemem 1199 cm³ a výkonem 55 kW, dvěma válci,
• přední hnací náprava,
• převodovka pětistupňová s manuálním řazením,
• pohotovostní hmotnost 1095 kg.

Obr. 7 Situační plánek s vyznačením pozic meteostanice (MS) a osobního automobilu (OA) při pož. zkoušce [1]

Požářiště bylo situováno v blízkosti areálu UCEEB se dvěma zástěnami ve tvaru L k ochraně před převládajícím JZ větrem a v dostatečné vzdálenosti od místní komunikace a nejbližších stavebních objektů. Automobil byl umístěn v záchytné jímce k zamezení průniku motorového paliva do zpevněného podloží pomocí autojeřábu na tři stojky (ocelové trubky) s oboustrannými čelními deskami; stojky byly vzájemně propojeny ocelovými úhelníky.

Požár automobilu byl simulován únikem paliva z palivové nádrže a vznícením par pod automobilem od výfuku. Celkem 15 l paliva (BA) bylo umístěno v železném tácu (90 × 90 × 15) cm pod automobilem před zadními koly a BA v tácu byl zapálen hořící pochodní příslušníkem jednotky PO.

Před a v průběhu zkoušky byly měřeny meteo-stanicí UCEEB:
teplota T ve výškách 5 cm (šedé trojúh. body) a 2 m (modré plus. body) nad úrovní terénu a vlhkost ovzduší (modrá spojnice) s pozicemi vzhledem k požářišti dle obr. 7 a s výsledky na obr. 8 a obr. 9.

Obr. 8 Graf průběhu teplot a vlhkosti ovzduší při pož. zkoušce [1]

Obr. 9 Graf průběhu směru a rychlosti větru při pož. zkoušce [1]

Výsledek měření rychlosti větru v v průběhu zkoušky anemometrem EVA 935 – TH5 v pozici cca 1 m od vnitřního rohu L – závětrné stěny směrem k automobilu a ve výšce cca 1,5 m nad terénem: v = ⟨0,01–1,00⟩ m/s.

3.1 Měření teplotního pole a hustoty toku tepla

Teplotní pole bylo při požární zkoušce měřeno vně i uvnitř interiéru automobilu, hustota toku tepla pouze vně automobilu, v obou případech v definovaných pozicích (x, y, z).

Vně automobilu teplota byla měřena ve 20 pozicích a hustota toku tepla ve 4 pozicích dle obr. 10. Teploty [°C] byly snímány pomocí termočlánků typu K (TČ) v pozicích vyznačených symboly T₁ až T₂₀, z nichž 8 ks TČ bylo ve výšce 2 m (pozice T₁ a T₈), 8 ks TČ bylo ve výšce 3 m (pozice T₁₁ až T₁₈) a 4 ks TČ byly umístěny přímo nad automobilem.

Obr. 10 Axonometrický pohled na pozice termočlánků (T1–T18) a radiometrů (R1–R4) a jejich souřadnice (x, y, z) vně zkušebního automobilu při pož. zkoušce [1]

Termočlánky byly fixovány horkými konci na lankách napnutých mezi věžemi v požadovaných pozicích. Kompenzačním vedením byly propojeny s měřící ústřednou a PC, které byly umístěny za zástěnou. Hustoty toku tepla v kW/m² byly snímány pomocí 4 ks radiometrů typu SBG 01-100 Heat Flux Senzor v pozicích R₁ až R₄ ve výšce 1,5 m, viz obr. 10 a 11. Tělesa radiometrů (přívody a odvody chladící vody, elektrické vodiče) byla umístěna na stojanech a směrována měřicím terčíkem na automobil. Datová vedení radiometrů byla natažena za zástěnu k měřící ústředně ALMEMO 5690-2 a PC.

Z výsledků měření teplot a hustot toku v čase zkoušky jsou vypracovány grafy [1]. Pro článek jsou vyhodnoceny nejvyšší naměřené hodnoty v tab. 4 a 5 s odhadem jejich rozšířené nejistoty U_T (k = 2) = ±1,8 °C.

Uvnitř interiéru vozidla [°C] bylo měřeno teplotní pole v 8 pozicích vyznačených symboly T1 až T8 pomocí termočlánků typu K (TČ) a s následující specifikací pozic (x, y, z): T1 – na vzduchovém filtru v motorovém prostoru, T2 – na vnější klice levých předních dveří, T3 – na vnitřní straně čelního skla, T4 – Na deklu rezervy v zavazadlovém prostoru, T5 – na nádrži z horní strany, T6 – na motorové přepážce v kabině, T7 – před zadní pravou opěrkou hlavy, T8 – před přední levou opěrkou hlavy, CO1 – na podlaze před levým předním sedadlem, CO2 – na podlaze za pravým předním sedadlem), viz obr. č. 10. Počátek souřadnic x = 0, y = 0, z = 0 je v průniku kolmice z geometr. středu auta se zemí.

Obr. č. 11 Axonometrický pohled na pozice termočlánků (T1–T8) a detektorů CO (CO1, CO2) a jejich souřadnice (x, y, z) uvnitř zkušebního vozidla při pož. zkoušce [1]
Legenda: Na pozici T7 byla umístěna též ústí 2 vzorkovacích trubic k analýze v analyzátoru Testo 350 L, viz kap. 3.2.

Z výsledků měření teplot v čase zkoušky jsou vypracovány grafy [1]. Pro článek jsou vyhodnoceny nejvyšší naměřené hodnoty, viz tab. 6 s odhadem jejich rozšířené nejistoty U_T (k = 2) = ±3,25 °C.

3.2 Polutanty uvnitř vozidla

Požární plyny v interiéru vozidla byly vzorkovány pomocí kovových sond č. 1 a č. 2 vložených malým okénkem pravých zadních dveří. Kompenzační vedení od detektorů CO bylo vedeno v ochranné trubici malým okénkem levých zadních dveří.

Obě trubice 1 a 2 ústily před opěrkou pravého zadního sedadla. Na jejich opačném konci, ve vzdálenosti 2 m od automobilu, byly připojeny silikonové hadičky, 10 m dlouhé, vedené za ochrannou stěnu a zde, na měřicím stanovišti byly napojeny: přes filtry a vymrazovací jednotku do analyzátoru Testo 350 L(1) s měřicími senzory CO, CO₂, O₂, NO, NO₂, SO₂ a přes hmotnostní průtokoměr GFM17/Air (Aalborg), jehlový ventil, plováčkový průtokoměr na vzorkovací Supelco – ORBO trubičky (2). Sběr dat: do notebooku se SW „Testo Easy Emission v. 2.0“. Z výsledků měření koncentrací CO, CO₂, O₂, NO, NO₂ a SO₂ v čase zkoušky jsou vypracovány grafy [1]. Pro článek jsou vyhodnoceny nejvyšší naměřené hodnoty, viz tab. 7 s odhadem jejich rozšířené nejistoty v tab. 7.

Nejvyšší koncentrace CO naměřené tepelně izolovaným elektrochemickým čidlem TGS 5042 (+ měřicí ústřednou Compact RIO M cRO-9025 s modulem typu NI9213 a kompenzačním vedením, GG-JK-24S) v pozici CO1 ve výši 5331,68 ppm ve 490 s a CO2 ve výši 2742,6 ppm též ve 490 s mají orientační hodnotu (s ohledem na specifikaci použití).

Z chemické analýzy požárních plynů uvnitř interiéru vozidla na obsah VOC a PAH z trubiček ORBO 1, 2 a 3 byly vypracovány Chromatogramy [1].

Pro článek jsou uvedeny nalezené VOC a PAH, viz tab. 9 s uvedením hodnot specifikujících jednotlivé látky. Porovnáním hodnot plochy píků jednotlivých analytů lze usuzovat o jejich poměrném zastoupení v kouři.

3.3 Měření úbytku hmotnosti hořícího automobilu k výpočetnímu odhadu rychlosti vývinu tepla

Pro potřebu vážení úbytku hmotnosti automobilu při požární zkoušce v důsledku odhořívání hořlavých materiálů v konstrukci vozidla FSv vyvinula a instalovala ohnivzdorné váhy s touto techn. specifikací:

• vážení ve 3 bodech – stojnách spočívajících na 3 tenzometrických snímačích (dále jen TS) o Ø = 150 mm a v = 35 mm s max. váživostí = 20 kN (2 000 kg) a rozlišovací schopností: 100 g,
• TS byly propojeny datovými kabely s měřicí ústřednou situovanou za pravým rohem ochranné zástěny,
• ochrana TS a datových kabelů proti vysokým teplotám: obkladem z minerální izolace.

Vážení bylo započato ve 14:14:53 h a ukončeno ještě funkčními vahami za 702,7 vteřin s výsledným úbytkem hmotnosti 1,79 kN, tj. 179,67 kg. Zrychlení v úbytku hmotnosti bylo pozorováno cca po uplynutí 400 s. Po odečtení známého množství nafty motorové (NM) v nádrži (cca 32,8 kg) a 5 ks pneumatik (cca 35 kg) vyhořelo cca 111,87 kg dalších hořlavých hmot v konstrukci a vnitřním vybavení vozidla. Rozšířená nejistota U (k = 2) naměřených dat vážením je odhadnuta v tab. 10.

Celkové množství uvolněného tepla odhadla ve své diplomové práci S. Komárníková [10] na základě odhadu druhů hořlavých hmot a jejich množství v testovaném automobilu.

4. Fotografické záznamy průběhu požáru

Průběh požáru vozidla byl snímán dvěma videokamerami a termokamerami umístěnými proti čelu a pravému boku vozidla. Záznamy byly vyhodnoceny do tabulky s těmito údaji: reálný čas, čas od zapálení, popis události, a příslušné video a termo záznam, viz tab. 11.

Pro názornost je uveden videosnímek hořícího automobilu v čase od zapálení 12:59 (min:s), viz obr. 12.

Obr. 12 Pohled na hořící automobil za 12 min a 59 s od zapálení

5. Simulace požáru pomocí SW FDS

Požár byl numericky počítačově simulován [1] pomocí programu FDS 6.1.1/Pyrosim 2014.2.0807 s grafickým výstupem pomocí SW Smokeview 6.1.11 vygenerováním geometrie automobilu a základní výpočetní sítě, viz tab. 12. Celková doba modelování byla 2100 vteřin, stejná jako trvala reálná požární zkouška.

Pro výpočet hoření byl jako zdroj hoření aplikována chemická reakcí hoření s využitím dat z tab. 13. Model umožnil výpočetně odhadovat koncentrační pole CO, O₂ a CO₂ v čase a prostoru. Koncentrace toxikantů byla odhadována podle chemické reakce hoření PUR pěny v čalounění sedadel. Počáteční a okrajové podmínky, model proudění, model radiace a délka simulace byly nastaveny, aby co nejvěrněji odpovídaly podmínkám při zkušebním požáru. V měřících bodech dle obr. 9 a 10 byly vypočteny teploty, hustoty toku tepla a koncentrace vybraných toxikantů uvnitř automobilu.

Výsledek modelování [1] je zpracován do grafů časových průběhů počítaných veličin teplot T [°C], hustot toku tepla q (kW/m²) a koncentrací CO, O₂, NO, NO₂ a SO₂, v článku do tab. 14–16, a do záznamů termovizní kamery v porovnání s modelovými vizuálními řezy teplotních polí v průběhu požáru ve 30., 60., 120., 240. a 360. s, viz obr. 13.

Obr. 13 Porovnání záznamu termovizní kamerou a modelové počítačové vizualizace teplotního pole hořícího automobilu ve 2. min od zapálení

Rozdíly lze vysvětlit takto:

• „Výpočetní model se rozhořívá rychleji, a tím i dříve dohoří. Vypočtené hodnoty měřených veličin jsou nižší než v reálu“
• zjednodušením geometrie vozidla oproti reálu
• neznalostí přesných vstupních parametrů hořlavých materiálů v OA
• nepřesností pozic měřidel
• měřené veličiny navíc silně ovlivňoval vítr, který v průběhu zkoušky měnil směr a rychlost.

Závěr

Riziko požáru vozidla pro jeho posádku a nejbližší okolí je zřejmé porovnáním naměřených hodnot teplot, hustot toků tepla a koncentrací toxikantů. Celkový toxický potenciál lze odhadnout z naměřených koncentrací toxikantů pomocí matematického modelu N – plynů.

Je zřejmé, že velkorozměrné požární zkoušky nově vyvíjených automobilů a jejich počítačové modely mají stále nezastupitelné místo pro posuzování jejich požárního rizika a přijímání potřebných opatření požární bezpečnosti.

Poděkování

Poděkování patří podpoře díky projektu Evropské unie, OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – „Univerzitního centra energeticky efektivních budov“, pracovníkům Oddělení výzkumu a vývoje TÚPO Praha (Bursíková P., Karl J., Růžička M., Suchý O., Ševčík L.) za spolupráci při měření a vyhodnocování naměřených a počítačově modelovaných výsledků [1] a studentům ČVUT – FD a FSv za pomoc při přípravě a realizaci zkušebního požáru.

Použitá literatura

• [1] DVOŘÁK, O. a kol. Zpráva o výsledcích velkorozměrové požární zkoušky s osobním automobilem, vzorkem nehomologovaného vozidla zajištěného Fakultou dopravní ČVUT jako učební pomůcka. Praha: ČVUT – FD a FSv, leden 2015, 72 s.
• [2] vyhl. MDaS č. 341/2002 Sb., o schvalování technické způsobilosti a technických podmínkách provozu vozidel na pozemních komunikacích.
• [3] Směrnice Evropského parlamentu a rady č. 95/28/ES z 24. října 1995 o hořlavosti materiálů používaných v konstrukci interiéru určitých kategorií motorových vozidel.
• [4] www.mvfri.org/index.html
• [5] POLEDŇÁK, P.: Experimentálne overenie požiarov osobných motorových vozidiel. In: Zborník zo 4. medzinárodnej konferencie Ochrana pred požiarmi a záchranné služby. FŠI ŽU v Žiline. 2.–3. 6. 2010. ISBN 978-80-554-0208-6.
• [6] I. SOJKOVÁ: Výzkumné zprávy č. Z-6/86, č. Z-64/86, č. Z-64/88. Praha: Ústav pro výzkum motorových vozidel.
• [7] Podklad z DB MV – GŘ HZS ČR, pplk. Ing. V. Vonásek, 2014.
• [8] Podklad z DB MV – Policejního prezídia PČR, pplk. Ing. P. Sobotka, 2014.
• [9] O. Dvořák: Působení požáru na lidský organismus. Odborný časopis požární ochrany 112, ročník XVII, č. 12/2013, s. 8–11.
• [10] Nařízení vlády č. 361/2007 Sb.
• [11] C. CRAME: Human Tolerance Limit to Elevated Temperatures. Report No.ACC- 114-78-2,1978.
• [12] S. Komárníková Diplomová práca „Rýchlosť uvolňovania tepla při požiaroch osobních automobilov. Praha: ČVUT-FSt, 2014, 77 s.