發(fā)電機(jī)用小型汽油機(jī)技術(shù)路線現(xiàn)狀及展望

李德勝 杜建秋 孫 非 王昊鵬

（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所 天津 300072）

引言

在我國，小型通用汽油機(jī)定義為30 kW以下的汽油機(jī)；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(jī)[1]。小型通用汽油機(jī)因結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、技術(shù)含量低、價(jià)格便宜等優(yōu)勢，有著廣泛的應(yīng)用，配套機(jī)械產(chǎn)品豐富多樣。

小型通用汽油機(jī)在發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用占有較大比重，我國生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)主要是銷往北美、歐洲等海外市場，由于這些國家對環(huán)保、安全等相關(guān)性能要求十分嚴(yán)格，應(yīng)用在發(fā)電機(jī)上的小型通用汽油機(jī)技術(shù)升級迫在眉睫。

1 小型通用汽油機(jī)配套終端產(chǎn)品類型

小型通用汽油機(jī)用途廣泛，可用于發(fā)電機(jī)，園林機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工業(yè)機(jī)械、休閑娛樂機(jī)械等產(chǎn)品中，其配套終端產(chǎn)品類型如表1所示。

2 發(fā)電機(jī)進(jìn)出口市場概況

據(jù)中國機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)出口商會（CCCMB）統(tǒng)計(jì)，2011年～2017年，非道路點(diǎn)燃式發(fā)電機(jī)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(diǎn)燃式發(fā)電機(jī)進(jìn)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(jìn)口額最大的國家，其他國家的進(jìn)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(jī)配套終端產(chǎn)品類型

表2 2011～2017年非道路點(diǎn)燃式發(fā)電機(jī)出口額前10名國家數(shù)據(jù) 億美元

表3 2011～2017年非道路點(diǎn)燃式發(fā)電機(jī)進(jìn)口額前10名國家數(shù)據(jù) 億美元

3 發(fā)電機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

2017年，美國消費(fèi)品安全委員會（CPSC）發(fā)布了關(guān)于因便攜式發(fā)電機(jī)而死亡的人數(shù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)顯示，從2005年～2016年，共有965人因便攜式發(fā)電機(jī)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(fā)生，便攜式發(fā)電機(jī)需貼警示標(biāo)識，如圖1所示。并提出了降低CO排放量、發(fā)電機(jī)具有CO排放濃度超標(biāo)后可自動(dòng)關(guān)閉的標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 防止CO中毒的發(fā)電機(jī)需貼警示標(biāo)識

3.1 ANSI/UL2201便攜式發(fā)電機(jī)CO排放標(biāo)準(zhǔn)

2018年3月9日，美國通過了ANSI/UL2201便攜式發(fā)電機(jī)CO排放標(biāo)準(zhǔn)，要求發(fā)電機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)不僅要滿足EPA排放標(biāo)準(zhǔn)，還要求CO排放量不得超過150 g/h，且CO排放濃度超標(biāo)時(shí)，發(fā)電機(jī)要具有額外的關(guān)閉保護(hù)技術(shù)[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(biāo)準(zhǔn)[3]和CFR 40 part 1065標(biāo)準(zhǔn)[4]直接測試發(fā)電機(jī)總成，加權(quán)得出。

2）直接使用計(jì)算公式：

式中：CO排放量的單位為g/h；ECL為EPA認(rèn)證CO排放值，g/（kW·h）；MP為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率，kW；LF為非手持式Ⅰ﹠Ⅱ類發(fā)動(dòng)機(jī)加權(quán)系數(shù)，為0.47[3-4]。

CO排放濃度超標(biāo)關(guān)閉保護(hù)功能的要求為：在規(guī)定的測試環(huán)境與測試工況下，當(dāng)達(dá)到以下2種CO排放濃度限值時(shí)，發(fā)電機(jī)都必須能夠停機(jī)。

1）CO 瞬時(shí)排放濃度達(dá)到 400×10-6。

2）10 min 內(nèi)，CO 平均濃度達(dá)到 150×10-6。

3.2 PGMA G300便攜式發(fā)電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)增加了CO檢測要求：CO瞬時(shí)排放濃度達(dá)到800×10-6或者10 min內(nèi)平均排放濃度達(dá)到400×10-6時(shí)，發(fā)電機(jī)應(yīng)能自動(dòng)關(guān)閉[5]。該標(biāo)準(zhǔn)將于2020年3月21日執(zhí)行。

4 發(fā)電機(jī)用小型汽油機(jī)技術(shù)路線分析

應(yīng)用于發(fā)電機(jī)的通用汽油機(jī)在美國歸納為非手持式Ⅰ、Ⅱ類發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)路線豐富多樣，其中，供油系統(tǒng)技術(shù)路線包括機(jī)械式化油器、電控式化油器、單點(diǎn)電噴、多點(diǎn)電噴、開環(huán)電噴、閉環(huán)電噴、直噴等，后處理技術(shù)路線包括二次補(bǔ)氣、催化器等。

從EPA官方認(rèn)證數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，非手持式Ⅰ、Ⅱ類汽油機(jī)目前流行的技術(shù)路線仍為機(jī)械式化油器且不匹配后處理。主要原因有以下3點(diǎn)：

1）成本低；

2）機(jī)械式化油器技術(shù)十分成熟；

3）現(xiàn)行強(qiáng)制性排放法規(guī)較為寬松，EPA第Ⅲ階段非手持式Ⅰ、Ⅱ類發(fā)動(dòng)機(jī)CO排放限值為610 g/（kW·h），匹配理想的機(jī)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施，對發(fā)電機(jī)用汽油機(jī)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(shù)路線是發(fā)展趨勢[7]。由于電噴及催化器的廣泛應(yīng)用，使得成本不斷下降，加速了技術(shù)更新?lián)Q代的進(jìn)程，小型電噴汽油機(jī)的數(shù)量日益增多。

表4為2011年～2018年非手持式Ⅰ、Ⅱ類汽油機(jī)的EPA認(rèn)證統(tǒng)計(jì)。

表4 2011年～2018年非手持式Ⅰ、Ⅱ類汽油機(jī)EPA認(rèn)證統(tǒng)計(jì)

由表4可見，非手持式Ⅰ、Ⅱ類發(fā)動(dòng)機(jī)電噴機(jī)型的數(shù)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(jìn)通用發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)基本實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品系列電噴化，國內(nèi)具有代表性的通用發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)如隆鑫、宗申等也將電噴作為技術(shù)儲備，很快會有相應(yīng)的產(chǎn)品面向市場。

2018年3月12日，全球首款符合ANSI/UL2201標(biāo)準(zhǔn)的低CO便攜式發(fā)電機(jī)完成了認(rèn)證，為創(chuàng)科實(shí)業(yè)（techtronic industries）Ryobi品牌 Y907022FI便攜式發(fā)電機(jī)。如圖2所示。

該Y907022FI便攜式發(fā)電機(jī)用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)路線為單點(diǎn)噴射閉環(huán)控制＋催化器。發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)如表5所示[8]。

圖2 Ryobi品牌Y907022FI便攜式發(fā)電機(jī)

表5 Y907022FI發(fā)電機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

5 結(jié)束語

1）一直以來，中國都是點(diǎn)燃式發(fā)電機(jī)的制造國及出口大國，美國則是點(diǎn)燃式發(fā)電機(jī)的進(jìn)口大國。

2）隨著用戶需求的提高及發(fā)電機(jī)低CO排放標(biāo)準(zhǔn)的制定與實(shí)施，發(fā)電機(jī)用小型汽油機(jī)電噴技術(shù)應(yīng)用逐漸增多，電噴與催化器匹配，可使CO進(jìn)一步降低。由于電噴及催化器的廣泛應(yīng)用，使得成本不斷下降，加速了技術(shù)更新?lián)Q代的進(jìn)程，小型電噴汽油機(jī)的數(shù)量日益增多。