李騰 李輝 張蒙 朱康

（天津內(nèi)燃機(jī)研究所 天津 300072）

引言

眾所周知，含碳物質(zhì)燃燒不完全時會生成CO，CO為無色、無味的氣體，可經(jīng)過呼吸道進(jìn)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(dǎo)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(fā)電機(jī)因其使用的便捷性越來越多地應(yīng)用在人們的日常生活中，由于現(xiàn)行法規(guī)對發(fā)動機(jī)CO排放限值要求較為寬松，例如現(xiàn)階段EPA（美國環(huán)保署）要求非手持式Ⅰ、Ⅱ類點燃式發(fā)動機(jī)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(dǎo)致因使用便攜式發(fā)電機(jī)而CO中毒死亡的事件不斷發(fā)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(fā)電機(jī)致死的相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示在2005到2016年一共有965件因使用便攜式發(fā)電機(jī)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(jī)構(gòu)力求相關(guān)部門制定降低便攜式發(fā)電機(jī)CO中毒風(fēng)險的標(biāo)準(zhǔn)，避免此類事件重復(fù)上演。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定過程

為防止CO中毒事件，2007年CPSC規(guī)定2007年5月14日及以后生產(chǎn)的便攜式發(fā)電機(jī)必須張貼圖1所示警示標(biāo)識，用以警告用戶不可在密閉房間里使用發(fā)電機(jī)。

圖1 便攜式發(fā)電機(jī)警示標(biāo)識

2016年CPSC在廣泛征求相關(guān)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(fā)動機(jī)的發(fā)電機(jī)，CO排放限值不得超過75g/h，匹配非手持式Ⅱ類單缸發(fā)動機(jī)的發(fā)電機(jī)，CO排放限值不得超過150 g/h，匹配非手持式Ⅱ類雙缸發(fā)動機(jī)的發(fā)電機(jī)，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(xì)的說明。

表1 便攜式發(fā)電機(jī)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(fù)責(zé)制定便攜式發(fā)電機(jī)低CO排放標(biāo)準(zhǔn)即ANSI/UL 2201，其目的是制定降低CO中毒造成死亡及傷害風(fēng)險的相關(guān)性能要求。此工作組有包括發(fā)動機(jī)及發(fā)電機(jī)制造商、貿(mào)易協(xié)會、學(xué)術(shù)界、州政府及聯(lián)邦政府、勞工部門、消防部門等在內(nèi)的37個成員。經(jīng)過深入的討論與辯證，第二版ANSI/UL 2201于2018年1月3日達(dá)成共識并于3月9日發(fā)布，成為美國第一個降低便攜式發(fā)電機(jī)CO排放的標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示。該標(biāo)準(zhǔn)對便攜式發(fā)電機(jī)CO的排放量及排放濃度超標(biāo)時需有關(guān)閉保護(hù)技術(shù)均提出了具體的要求。

圖2 ANSI/UL 2201標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識

同年3月26日，PGMA（便攜式發(fā)電機(jī)制造商協(xié)會）更新了PGMA G300的標(biāo)準(zhǔn)，其中增加了發(fā)電機(jī)CO排放濃度超標(biāo)時需有關(guān)閉保護(hù)技術(shù)的相關(guān)要求，標(biāo)準(zhǔn)封面如圖3所示。

圖3 PGMA G300更新后標(biāo)準(zhǔn)封面

2 便攜式發(fā)電機(jī)低CO排放標(biāo)準(zhǔn)解析

2.1 ANSI/UL 2201[3]

1）標(biāo)準(zhǔn)適用性：火花點燃式發(fā)動機(jī)配置的發(fā)電機(jī)。

2）發(fā)電機(jī)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(guān)要求測試發(fā)電機(jī)，并按表2計算CO排放量。

b）使用公式：

式中：ECL為EPA認(rèn)證CO排放值，g/（kW·h）；MP為發(fā)動機(jī)最大功率kW；LF為非手持式Ⅰ、Ⅱ類發(fā)動機(jī)加權(quán)系數(shù)（規(guī)定此類發(fā)動機(jī)系數(shù)為0.47）。

表2 直接測得的發(fā)電機(jī)加權(quán)CO排放量

3）CO排放濃度超過規(guī)定限值時必須自動停機(jī)。發(fā)電機(jī)在下述3種測試條件下，當(dāng)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(fā)電機(jī)必須自停，否則將不能通過認(rèn)證。

發(fā)電機(jī)關(guān)閉保護(hù)功能測試環(huán)境如圖4所示。標(biāo)準(zhǔn)對測試封閉空間的大小、通風(fēng)入口的位置及大小、通風(fēng)出口的位置及大小、發(fā)電機(jī)的擺放位置等均給出了詳細(xì)的規(guī)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(rèn)證：

圖4 便攜式發(fā)電機(jī)關(guān)閉保護(hù)功能測試環(huán)境

a）初始設(shè)定為低溫-10±5℃，通風(fēng)入口、通風(fēng)出口均關(guān)閉，發(fā)電機(jī)為100%負(fù)荷工作狀態(tài)。

b）初始設(shè)定為高溫30±5℃，通風(fēng)入口、通風(fēng)出口均打開并在入口施加一定速度的氣流噴射，發(fā)電機(jī)為50%負(fù)荷工作狀態(tài)。

c）初始設(shè)定為高溫30±5℃，通風(fēng)入口、通風(fēng)出口均打開并在入口施加一定速度的氣流噴射，發(fā)電機(jī)為10%負(fù)荷工作狀態(tài)。

綜上所述，ANSI/UL 2201對發(fā)電機(jī)CO排放量限值要求是十分嚴(yán)苛的，以最大功率為10kW的發(fā)動機(jī)為例，滿足EPA當(dāng)前的法規(guī)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(biāo)準(zhǔn)對CO排放的嚴(yán)苛程度隨發(fā)動機(jī)最大功率的增大而提高，這對傳統(tǒng)化油器供油系統(tǒng)而言是巨大的挑戰(zhàn)，故供油技術(shù)路線升級為EFI（電子燃油噴射）是未來便攜式發(fā)電機(jī)用發(fā)動機(jī)發(fā)展的趨勢，此外，能夠完全控制過量空氣系數(shù)的EFI可與催化器結(jié)合，大幅度提高轉(zhuǎn)化效率，從而進(jìn)一步降低CO排放量。

2.2 PGMA G300[4]

1）標(biāo)準(zhǔn)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(fā)動機(jī)驅(qū)動的便攜式發(fā)電機(jī)。

2）CO排放濃度超過規(guī)定限值時必須自動停機(jī)。發(fā)電機(jī)在規(guī)定的測試條件下，當(dāng)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(fā)電機(jī)必須自停，否則將不能通過認(rèn)證。

測試環(huán)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(nèi)，被測試的發(fā)電機(jī)放置在測試空間的中心位置，所有的CO測試儀位于發(fā)電機(jī)上方25.4～50.8 mm。

PGMA G300對便攜式發(fā)電機(jī)CO排放量并沒有提出相應(yīng)的限值要求，且發(fā)電機(jī)自動停機(jī)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(fā)電機(jī)市場，保證技術(shù)升級換代有條不紊地進(jìn)行。

3 便攜式發(fā)電機(jī)低CO排放認(rèn)證現(xiàn)狀

世界第一臺成功通過ANSI/UL 2201認(rèn)證的發(fā)電機(jī)為Ryobi Y907022FI便攜式發(fā)電機(jī)，其動力總成即采用“EFI＋催化器”的技術(shù)路線，如圖5所示。

雖然當(dāng)前ANSI/UL 2201與PGMA G300均為非強制性標(biāo)準(zhǔn)，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(fā)電機(jī)制造商產(chǎn)品申請并通過相關(guān)低CO排放認(rèn)證。

圖5 Ryobi Y907022FI便攜式發(fā)電機(jī)

4 結(jié)束語

1）2018年UL（美國保險商試驗所）及PGMA（便攜式發(fā)電機(jī)制造商協(xié)會）分別發(fā)布了ANSI/UL 2201標(biāo)準(zhǔn)與PGMA G300標(biāo)準(zhǔn)，致力于降低因使用便攜式發(fā)電機(jī)而導(dǎo)致CO中毒死亡的風(fēng)險。

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

3）當(dāng)前ANSI/UL 2201與PGMA G300雖然均為非強制性標(biāo)準(zhǔn)，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(dǎo)便攜式發(fā)電機(jī)用發(fā)動機(jī)技術(shù)路線由傳統(tǒng)的化油器向EFI、EFI＋催化器的方向發(fā)展。