便攜式發電機低CO排放標準解析

李騰 李輝 張蒙 朱康

（天津內燃機研究所 天津 300072）

引言

眾所周知，含碳物質燃燒不完全時會生成CO，CO為無色、無味的氣體，可經過呼吸道進入血液，其與血紅蛋白的親合力比氧與血紅蛋白的親合力高200～300倍，導致血紅蛋白喪失攜氧的能力和作用。CO中毒輕者頭痛、眩暈、心悸、惡心、嘔吐等，重者肢體癱瘓、深度昏迷甚至死亡。

便攜式發電機因其使用的便捷性越來越多地應用在人們的日常生活中，由于現行法規對發動機CO排放限值要求較為寬松，例如現階段EPA（美國環保署）要求非手持式Ⅰ、Ⅱ類點燃式發動機的CO排放量不得超過610 g/（kW·h）[1]，再加上用戶缺乏一定的安全意識，導致因使用便攜式發電機而CO中毒死亡的事件不斷發生。CPSC（美國消費品安全委員會）于2017年公開了因使用便攜式發電機致死的相關數據，數據顯示在2005到2016年一共有965件因使用便攜式發電機而死亡的案例，其中CO中毒死亡的事件超過了80%。故以CPSC為代表的安全機構力求相關部門制定降低便攜式發電機CO中毒風險的標準，避免此類事件重復上演。

1 相關標準制定過程

為防止CO中毒事件，2007年CPSC規定2007年5月14日及以后生產的便攜式發電機必須張貼圖1所示警示標識，用以警告用戶不可在密閉房間里使用發電機。

圖1 便攜式發電機警示標識

2016年CPSC在廣泛征求相關部門及公眾意見后，制定如表1所示的提案，其中匹配手持式及非手持式Ⅰ類發動機的發電機，CO排放限值不得超過75g/h，匹配非手持式Ⅱ類單缸發動機的發電機，CO排放限值不得超過150 g/h，匹配非手持式Ⅱ類雙缸發動機的發電機，CO排放限值不得超過300 g/h[2]。此外，該提案同時對適用性給予了詳細的說明。

表1 便攜式發電機低CO提案

此后，CPSC要求UL（美國保險商試驗所）成立一個工作組，負責制定便攜式發電機低CO排放標準即ANSI/UL 2201，其目的是制定降低CO中毒造成死亡及傷害風險的相關性能要求。此工作組有包括發動機及發電機制造商、貿易協會、學術界、州政府及聯邦政府、勞工部門、消防部門等在內的37個成員。經過深入的討論與辯證，第二版ANSI/UL 2201于2018年1月3日達成共識并于3月9日發布，成為美國第一個降低便攜式發電機CO排放的標準，如圖2所示。該標準對便攜式發電機CO的排放量及排放濃度超標時需有關閉保護技術均提出了具體的要求。

圖2 ANSI/UL 2201標準標識

同年3月26日，PGMA（便攜式發電機制造商協會）更新了PGMA G300的標準，其中增加了發電機CO排放濃度超標時需有關閉保護技術的相關要求，標準封面如圖3所示。

圖3 PGMA G300更新后標準封面

2 便攜式發電機低CO排放標準解析

2.1 ANSI/UL 2201[3]

1）標準適用性：火花點燃式發動機配置的發電機。

2）發電機CO排放量限值為150 g/h。具體的測試方法可采用下述a、b任一項。

a）在 15～35℃條件下，按 40 CFR Part 1065相關要求測試發電機，并按表2計算CO排放量。

b）使用公式：

式中：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（規定此類發動機系數為0.47）。

表2 直接測得的發電機加權CO排放量

3）CO排放濃度超過規定限值時必須自動停機。發電機在下述3種測試條件下，當CO瞬時濃度為400×10-6或者測試10 min的CO平均濃度為150×10-6時，發電機必須自停，否則將不能通過認證。

發電機關閉保護功能測試環境如圖4所示。標準對測試封閉空間的大小、通風入口的位置及大小、通風出口的位置及大小、發電機的擺放位置等均給出了詳細的規定。

為了更加貼近用戶的使用情況，測試工況共有以下3種，同時滿足才能通過認證：

圖4 便攜式發電機關閉保護功能測試環境

a）初始設定為低溫-10±5℃，通風入口、通風出口均關閉，發電機為100%負荷工作狀態。

b）初始設定為高溫30±5℃，通風入口、通風出口均打開并在入口施加一定速度的氣流噴射，發電機為50%負荷工作狀態。

c）初始設定為高溫30±5℃，通風入口、通風出口均打開并在入口施加一定速度的氣流噴射，發電機為10%負荷工作狀態。

綜上所述，ANSI/UL 2201對發電機CO排放量限值要求是十分嚴苛的，以最大功率為10kW的發動機為例，滿足EPA當前的法規要求僅需要CO排放量不超過610 g/（kW·h）即可，而要滿足ANSI/UL 2201卻需要不超過31.9g/（kW·h）（由上述公式換算），比原來降低了近95%。而且該標準對CO排放的嚴苛程度隨發動機最大功率的增大而提高，這對傳統化油器供油系統而言是巨大的挑戰，故供油技術路線升級為EFI（電子燃油噴射）是未來便攜式發電機用發動機發展的趨勢，此外，能夠完全控制過量空氣系數的EFI可與催化器結合，大幅度提高轉化效率，從而進一步降低CO排放量。

2.2 PGMA G300[4]

1）標準適用性：功率不大于15 kW，電壓不超過300 V，單相電流，頻率 60 Hz，燃料為汽油、LPG（液化石油氣）及柴油發動機驅動的便攜式發電機。

2）CO排放濃度超過規定限值時必須自動停機。發電機在規定的測試條件下，當CO瞬時濃度為800×10-6或測試10 min的CO平均濃度為400×10-6時，發電機必須自停，否則將不能通過認證。

測試環境：體積為36.25～54.37 m3的密閉空間，該密閉空間可以控制空氣以0～1/h的速率改變。密閉空間的高度為2.44～3.66 m，寬度與長度相差控制在20%以內，被測試的發電機放置在測試空間的中心位置，所有的CO測試儀位于發電機上方25.4～50.8 mm。

PGMA G300對便攜式發電機CO排放量并沒有提出相應的限值要求，且發電機自動停機CO瞬時濃度為ANSI/UL 2201要求的2倍，平均濃度為ANSI/UL 2201要求的2.7倍，限值較為寬松，PGMA旨在不過分打擊便攜式發電機市場，保證技術升級換代有條不紊地進行。

3 便攜式發電機低CO排放認證現狀

世界第一臺成功通過ANSI/UL 2201認證的發電機為Ryobi Y907022FI便攜式發電機，其動力總成即采用“EFI＋催化器”的技術路線，如圖5所示。

雖然當前ANSI/UL 2201與PGMA G300均為非強制性標準，但考慮到用戶日益提高的安全性需求及EFI、催化器普及帶來的成本大幅度降低，未來勢必有更多的發電機制造商產品申請并通過相關低CO排放認證。

圖5 Ryobi Y907022FI便攜式發電機

4 結束語

1）2018年UL（美國保險商試驗所）及PGMA（便攜式發電機制造商協會）分別發布了ANSI/UL 2201標準與PGMA G300標準，致力于降低因使用便攜式發電機而導致CO中毒死亡的風險。

2）與PGMA G300相比，ANSI/UL 2201不僅提出了更加嚴苛的發電機自動停機CO濃度限值，并且要求CO排放量不超過150 g/h。

3）當前ANSI/UL 2201與PGMA G300雖然均為非強制性標準，但考慮到未來安全性需求的提高及EFI、催化器成本的降低，勢必引導便攜式發電機用發動機技術路線由傳統的化油器向EFI、EFI＋催化器的方向發展。