發電機用小型汽油機技術路線現狀及展望

李德勝 杜建秋 孫 非 王昊鵬

（天津大學內燃機研究所 天津 300072）

引言

在我國，小型通用汽油機定義為30 kW以下的汽油機；在歐美，定義為19 kW以下或最大功率≤30 kW且滿足豁免條件的汽油機[1]。小型通用汽油機因結構簡單、體積小、重量輕、技術含量低、價格便宜等優勢，有著廣泛的應用，配套機械產品豐富多樣。

小型通用汽油機在發電機上的應用占有較大比重，我國生產的發電機主要是銷往北美、歐洲等海外市場，由于這些國家對環保、安全等相關性能要求十分嚴格，應用在發電機上的小型通用汽油機技術升級迫在眉睫。

1 小型通用汽油機配套終端產品類型

小型通用汽油機用途廣泛，可用于發電機，園林機械、農業機械、工業機械、休閑娛樂機械等產品中，其配套終端產品類型如表1所示。

2 發電機進出口市場概況

據中國機電產品進出口商會（CCCMB）統計，2011年～2017年，非道路點燃式發電機出口額前10名的國家分別是中國、德國、奧地利、美國、芬蘭、日本、泰國、新加坡、英國、意大利等。其中，中國始終是出口額最大的國家，其他國家的出口額排名隨年份的不同稍有變化，如表2所示。

2011年～2017年，非道路點燃式發電機進口額前10名的國家分別是美國、俄羅斯、中國、德國、加拿大、土耳其、印度尼西亞、意大利、法國、奧地利等。其中，美國始終是進口額最大的國家，其他國家的進口額排名隨年份的不同稍有變化，如表3所示。

表1 小型通用汽油機配套終端產品類型

表2 2011～2017年非道路點燃式發電機出口額前10名國家數據 億美元

表3 2011～2017年非道路點燃式發電機進口額前10名國家數據 億美元

3 發電機相關標準

2017年，美國消費品安全委員會（CPSC）發布了關于因便攜式發電機而死亡的人數統計，數據顯示，從2005年～2016年，共有965人因便攜式發電機而死亡，其中780人（超過80%）的死亡是因CO中毒引起。為避免CO中毒事件發生，便攜式發電機需貼警示標識，如圖1所示。并提出了降低CO排放量、發電機具有CO排放濃度超標后可自動關閉的標準。

圖1 防止CO中毒的發電機需貼警示標識

3.1 ANSI/UL2201便攜式發電機CO排放標準

2018年3月9日，美國通過了ANSI/UL2201便攜式發電機CO排放標準，要求發電機用發動機不僅要滿足EPA排放標準，還要求CO排放量不得超過150 g/h，且CO排放濃度超標時，發電機要具有額外的關閉保護技術[2]。

CO排放量的測定方法有以下2種：

1）使用EPA中CFR 40 part 1054標準[3]和CFR 40 part 1065標準[4]直接測試發電機總成，加權得出。

2）直接使用計算公式：

式中：CO排放量的單位為g/h；ECL為EPA認證CO排放值，g/（kW·h）；MP為發動機最大功率，kW；LF為非手持式Ⅰ﹠Ⅱ類發動機加權系數，為0.47[3-4]。

CO排放濃度超標關閉保護功能的要求為：在規定的測試環境與測試工況下，當達到以下2種CO排放濃度限值時，發電機都必須能夠停機。

1）CO 瞬時排放濃度達到 400×10-6。

2）10 min 內，CO 平均濃度達到 150×10-6。

3.2 PGMA G300便攜式發電機的安全性和性能

2018年3月26日，美國PGMA（PortableGenerator Manufacturers'Association）通過了PGMA G300標準。該標準增加了CO檢測要求：CO瞬時排放濃度達到800×10-6或者10 min內平均排放濃度達到400×10-6時，發電機應能自動關閉[5]。該標準將于2020年3月21日執行。

4 發電機用小型汽油機技術路線分析

應用于發電機的通用汽油機在美國歸納為非手持式Ⅰ、Ⅱ類發動機，該發動機技術路線豐富多樣，其中，供油系統技術路線包括機械式化油器、電控式化油器、單點電噴、多點電噴、開環電噴、閉環電噴、直噴等，后處理技術路線包括二次補氣、催化器等。

從EPA官方認證數據統計可知，非手持式Ⅰ、Ⅱ類汽油機目前流行的技術路線仍為機械式化油器且不匹配后處理。主要原因有以下3點：

1）成本低；

2）機械式化油器技術十分成熟；

3）現行強制性排放法規較為寬松，EPA第Ⅲ階段非手持式Ⅰ、Ⅱ類發動機CO排放限值為610 g/（kW·h），匹配理想的機械式化油器就可滿足CO排放要求[6]。

隨著用戶安全意識的提高以及ANSI/UL2201、PGMA G300等相關標準的制定和實施，對發電機用汽油機低CO排放的要求有了明顯提高，電噴或電噴＋催化器作為低CO排放的技術路線是發展趨勢[7]。由于電噴及催化器的廣泛應用，使得成本不斷下降，加速了技術更新換代的進程，小型電噴汽油機的數量日益增多。

表4為2011年～2018年非手持式Ⅰ、Ⅱ類汽油機的EPA認證統計。

表4 2011年～2018年非手持式Ⅰ、Ⅱ類汽油機EPA認證統計

由表4可見，非手持式Ⅰ、Ⅱ類發動機電噴機型的數量及占比每年均有不同程度的提高[8]。其中，科勒、百力通、川崎、雅馬哈等具有代表性的國外先進通用發動機企業基本實現了產品系列電噴化，國內具有代表性的通用發動機企業如隆鑫、宗申等也將電噴作為技術儲備，很快會有相應的產品面向市場。

2018年3月12日，全球首款符合ANSI/UL2201標準的低CO便攜式發電機完成了認證，為創科實業（techtronic industries）Ryobi品牌 Y907022FI便攜式發電機。如圖2所示。

該Y907022FI便攜式發電機用汽油發動機的技術路線為單點噴射閉環控制＋催化器。發動機技術參數如表5所示[8]。

圖2 Ryobi品牌Y907022FI便攜式發電機

表5 Y907022FI發電機用發動機技術參數

5 結束語

1）一直以來，中國都是點燃式發電機的制造國及出口大國，美國則是點燃式發電機的進口大國。

2）隨著用戶需求的提高及發電機低CO排放標準的制定與實施，發電機用小型汽油機電噴技術應用逐漸增多，電噴與催化器匹配，可使CO進一步降低。由于電噴及催化器的廣泛應用，使得成本不斷下降，加速了技術更新換代的進程，小型電噴汽油機的數量日益增多。