便携式发电机低CO排放标准解析

李腾 李辉 张蒙 朱康

（天津内燃机研究所 天津 300072）

引言

众所周知，含碳物质燃烧不完全时会生成CO，CO为无色、无味的气体，可经过呼吸道进入血液，其与血红蛋白的亲合力比氧与血红蛋白的亲合力高200～300倍，导致血红蛋白丧失携氧的能力和作用。CO中毒轻者头痛、眩晕、心悸、恶心、呕吐等，重者肢体瘫痪、深度昏迷甚至死亡。

便携式发电机因其使用的便捷性越来越多地应用在人们的日常生活中，由于现行法规对发动机CO排放限值要求较为宽松，例如现阶段EPA（美国环保署）要求非手持式Ⅰ、Ⅱ类点燃式发动机的CO排放量不得超过610 g/（kW·h）[1]，再加上用户缺乏一定的安全意识，导致因使用便携式发电机而CO中毒死亡的事件不断发生。CPSC（美国消费品安全委员会）于2017年公开了因使用便携式发电机致死的相关数据，数据显示在2005到2016年一共有965件因使用便携式发电机而死亡的案例，其中CO中毒死亡的事件超过了80%。故以CPSC为代表的安全机构力求相关部门制定降低便携式发电机CO中毒风险的标准，避免此类事件重复上演。

1 相关标准制定过程

为防止CO中毒事件，2007年CPSC规定2007年5月14日及以后生产的便携式发电机必须张贴图1所示警示标识，用以警告用户不可在密闭房间里使用发电机。

图1 便携式发电机警示标识

2016年CPSC在广泛征求相关部门及公众意见后，制定如表1所示的提案，其中匹配手持式及非手持式Ⅰ类发动机的发电机，CO排放限值不得超过75g/h，匹配非手持式Ⅱ类单缸发动机的发电机，CO排放限值不得超过150 g/h，匹配非手持式Ⅱ类双缸发动机的发电机，CO排放限值不得超过300 g/h[2]。此外，该提案同时对适用性给予了详细的说明。

表1 便携式发电机低CO提案

此后，CPSC要求UL（美国保险商试验所）成立一个工作组，负责制定便携式发电机低CO排放标准即ANSI/UL 2201，其目的是制定降低CO中毒造成死亡及伤害风险的相关性能要求。此工作组有包括发动机及发电机制造商、贸易协会、学术界、州政府及联邦政府、劳工部门、消防部门等在内的37个成员。经过深入的讨论与辩证，第二版ANSI/UL 2201于2018年1月3日达成共识并于3月9日发布，成为美国第一个降低便携式发电机CO排放的标准，如图2所示。该标准对便携式发电机CO的排放量及排放浓度超标时需有关闭保护技术均提出了具体的要求。

图2 ANSI/UL 2201标准标识

同年3月26日，PGMA（便携式发电机制造商协会）更新了PGMA G300的标准，其中增加了发电机CO排放浓度超标时需有关闭保护技术的相关要求，标准封面如图3所示。

图3 PGMA G300更新后标准封面

2 便携式发电机低CO排放标准解析

2.1 ANSI/UL 2201[3]

1）标准适用性：火花点燃式发动机配置的发电机。

2）发电机CO排放量限值为150 g/h。具体的测试方法可采用下述a、b任一项。

a）在 15～35℃条件下，按 40 CFR Part 1065相关要求测试发电机，并按表2计算CO排放量。

b）使用公式：

式中：ECL为EPA认证CO排放值，g/（kW·h）；MP为发动机最大功率kW；LF为非手持式Ⅰ、Ⅱ类发动机加权系数（规定此类发动机系数为0.47）。

表2 直接测得的发电机加权CO排放量

3）CO排放浓度超过规定限值时必须自动停机。发电机在下述3种测试条件下，当CO瞬时浓度为400×10-6或者测试10 min的CO平均浓度为150×10-6时，发电机必须自停，否则将不能通过认证。

发电机关闭保护功能测试环境如图4所示。标准对测试封闭空间的大小、通风入口的位置及大小、通风出口的位置及大小、发电机的摆放位置等均给出了详细的规定。

为了更加贴近用户的使用情况，测试工况共有以下3种，同时满足才能通过认证：

图4 便携式发电机关闭保护功能测试环境

a）初始设定为低温-10±5℃，通风入口、通风出口均关闭，发电机为100%负荷工作状态。

b）初始设定为高温30±5℃，通风入口、通风出口均打开并在入口施加一定速度的气流喷射，发电机为50%负荷工作状态。

c）初始设定为高温30±5℃，通风入口、通风出口均打开并在入口施加一定速度的气流喷射，发电机为10%负荷工作状态。

综上所述，ANSI/UL 2201对发电机CO排放量限值要求是十分严苛的，以最大功率为10kW的发动机为例，满足EPA当前的法规要求仅需要CO排放量不超过610 g/（kW·h）即可，而要满足ANSI/UL 2201却需要不超过31.9g/（kW·h）（由上述公式换算），比原来降低了近95%。而且该标准对CO排放的严苛程度随发动机最大功率的增大而提高，这对传统化油器供油系统而言是巨大的挑战，故供油技术路线升级为EFI（电子燃油喷射）是未来便携式发电机用发动机发展的趋势，此外，能够完全控制过量空气系数的EFI可与催化器结合，大幅度提高转化效率，从而进一步降低CO排放量。

2.2 PGMA G300[4]

1）标准适用性：功率不大于15 kW，电压不超过300 V，单相电流，频率 60 Hz，燃料为汽油、LPG（液化石油气）及柴油发动机驱动的便携式发电机。

2）CO排放浓度超过规定限值时必须自动停机。发电机在规定的测试条件下，当CO瞬时浓度为800×10-6或测试10 min的CO平均浓度为400×10-6时，发电机必须自停，否则将不能通过认证。

测试环境：体积为36.25～54.37 m3的密闭空间，该密闭空间可以控制空气以0～1/h的速率改变。密闭空间的高度为2.44～3.66 m，宽度与长度相差控制在20%以内，被测试的发电机放置在测试空间的中心位置，所有的CO测试仪位于发电机上方25.4～50.8 mm。

PGMA G300对便携式发电机CO排放量并没有提出相应的限值要求，且发电机自动停机CO瞬时浓度为ANSI/UL 2201要求的2倍，平均浓度为ANSI/UL 2201要求的2.7倍，限值较为宽松，PGMA旨在不过分打击便携式发电机市场，保证技术升级换代有条不紊地进行。

3 便携式发电机低CO排放认证现状

世界第一台成功通过ANSI/UL 2201认证的发电机为Ryobi Y907022FI便携式发电机，其动力总成即采用“EFI＋催化器”的技术路线，如图5所示。

虽然当前ANSI/UL 2201与PGMA G300均为非强制性标准，但考虑到用户日益提高的安全性需求及EFI、催化器普及带来的成本大幅度降低，未来势必有更多的发电机制造商产品申请并通过相关低CO排放认证。

图5 Ryobi Y907022FI便携式发电机

4 结束语

1）2018年UL（美国保险商试验所）及PGMA（便携式发电机制造商协会）分别发布了ANSI/UL 2201标准与PGMA G300标准，致力于降低因使用便携式发电机而导致CO中毒死亡的风险。

2）与PGMA G300相比，ANSI/UL 2201不仅提出了更加严苛的发电机自动停机CO浓度限值，并且要求CO排放量不超过150 g/h。

3）当前ANSI/UL 2201与PGMA G300虽然均为非强制性标准，但考虑到未来安全性需求的提高及EFI、催化器成本的降低，势必引导便携式发电机用发动机技术路线由传统的化油器向EFI、EFI＋催化器的方向发展。