引发了关于柴油发动机排放的争论

国际铁路联盟(UIC)成立于1922年，旨在为国际铁路运输的运营制定标准。这些标准包含在UIC-Leaflets中，该传单定义了铁路车辆、基础设施、信号系统和悬链线互操作性的技术规范。其他单张包括有关业务和商业规则的协议。有些小册子是强制性的(例如刹车系统、轮对、牵引钩和缓冲器)，而其他小册子则只是推荐的。

在20世纪50年代初，UIC成员铁路公司表示对柴油牵引进行国际研究有共同的兴趣，主要是解决维护和牵引问题。因此，UIC负责研究的子组织ORE（后来成为ERRI）成立了一个永久性专家委员会，负责柴油牵引相关方面的工作。

在接下来的50年中，大多数欧洲国家选择了大规模的电气化项目来取代蒸汽，而很少使用柴油牵引。因此，欧洲大约80%的铁路运输通过电气化线路。

柴油废气排放标准

从20世纪90年代初开始，由于公众对内燃机车排放问题的看法，欧洲铁路面临着越来越大的压力。直到2004年，铁路柴油车辆的废气排放限值仅由UIC手册623和624的适用法规控制。1982年推出的第623号传单描述了用作铁路动力装置的柴油发动机的整个审批流程。从第一版开始，涵盖了一氧化碳（CO）、不饱和烃（HC）、氮氧化物（NOx）和排气黑度（博世数）排放限值等关键方面。然而，第623号传单只是建议性的，并非所有UIC铁路公司都采用。鉴于对柴油车辆排放的废气越来越敏感，2001年推出了624号传单，该传单对所有成员铁路都是强制性的。这将废气排放控制与纯发动机特定认证程序分离。引入了颗粒排放限值，取代了排气黑化（Bosch值），规定了限值的增量减少（UIC I、UIC II），以及560 kW以下发动机限值与功率较高发动机限值之间的差异。

在这些发展的同时，欧洲委员会开始立法限制所有非道路移动机械(NRMM)的污染物排放。欧盟1998年生效的第97/68号指令不包括轨道车辆。从上世纪90年代末开始，由于越来越多的人投诉人口密集的城市地区的轨道车辆排放柴油，一些铁路受到了环保人士的监督。

因此，欧盟指令97/68的修订(26/2004)包括了有关铁路车辆的规定，从那时起，铁路车辆的废气排放受法律规定的约束。2006年至2009年期间，对机车发动机和有轨电车发动机(IIIA)引入了不同值的排放限值，预计2012年1月1日将引入更严格的限值(IIIB)。同时,决定执行库存排放量铁路车辆(铁路柴油研究),调查的有效性铁路特定测试周期(周期F在ISO 8178 - 4)以及评论的新版本的指令和他们未来的限制在2007年底完工。

AEAT在UIC、机车车辆制造商(UNIFE)和发动机制造商(EUROMOT)的支持下执行库存。由此产生的《铁路柴油研究》于2006年初发表。据估计，欧洲柴油车队的机车平均使用年限为27年，机动车辆为16年。据评估，铁路部门污染物排放总量不到排放总量的1%。随着越来越多的车辆以新车辆取代现有的车辆，预计车队的排放行为将在中期逐步改善。在某些情况下，对现有船队进行改造在技术上是不可行的，因此被认为不会带来净收益。

欧洲委员会联合研究中心(JRC)于2006年开始负责覆核该指示。

为了代表运营商和制造商的意见和需求，UIC B 208专家委员会与铁路车辆制造商(UNIFE)和发动机制造商(EUROMOT)一起被要求确定用户的立场。确定了以下工作阶段:

• 对发动机内部可能导致污染物排放改善的改进进行评估
• 评估铁路运营的尾气后处理系统和过滤器及其对车辆安装空间、质量和长度的影响
• 重新设计的后果
• 采购、操作和维护成本的后果
• 测试周期评估
• 与北美立法的比较和可能的一致性

减少氮氧化物

通过实施所谓的“米勒循环”，氮氧化物的显著降低是可以实现的，该循环最初设计用于提高柴油发动机si发动机(火花点火发动机)的效率。在活塞的进气冲程通过下止点(下止点)后，阀门不会关闭，而是在下止点之前关闭。这允许增压空气的膨胀导致较低的燃烧温度。NOx的生成随燃烧温度的升高而增加。

应用米勒过程基本上有两种方法。所谓的“早期”版本，进气阀在BDC（500–540°）之前关闭；或“晚期”版本，进气阀在BDC之后关闭。这两种方法都会降低有效压缩。在“早期”配置中，这是由于充油膨胀至BDC，然后从较低的压力和温度水平开始压缩，而在“晚期”配置中，这是由于活塞已再次向上移动时进气阀关闭较晚所致。

这两种程序都适用于柴油发动机，它们降低了最终压缩温度，并在燃烧过程中产生较低的峰值温度。

通过发动机内部设计减少氮氧化物的第二种方法是EGR。EGR的工作原理是将发动机废气的一部分再循环回发动机气缸。将进入的空气与再循环的废气混合，用惰性气体稀释混合物，降低绝热火焰温度，(在柴油发动机中)减少多余的氧气量。废气还增加了混合物的比热容，降低了燃烧峰值温度。由于在高温下，NOx的生成速度要快得多，EGR限制了NOx的生成。

虽然米勒循环将允许遵守IIIA限制而不需要任何额外后处理，但如果为了确保遵守IIIB而在燃料消耗方面进行权衡，则是相当令人望而却步的。EGR可以达到IIIB的极限，但它需要更复杂的气缸盖设计，在维护成本方面存在潜在的缺点。还有其他的权衡。在柴油中添加EGR降低了动力冲程中燃烧气体的比热比。这就减少了活塞可以提取的功率。EGR也倾向于减少在动力冲程中燃烧的燃料量。这一点从与EGR相应的颗粒物排放的增加就可以明显看出。在现代柴油发动机中，EGR气体通过热交换器冷却，以允许引入更大质量的再循环气体。EGR系统的原理图如图2所示。

由于这两种方法都会显著降低燃烧温度，因此它们无法降低微粒排放，因为微粒会在较高温度下燃烧。为了符合IIIB PM（颗粒物）限值，需要使用颗粒过滤器（DPF）。

SCR系统

由于铁路市场相对较小，目前的尾气后处理系统并不是专门针对铁路应用的。因此，必须考虑其他现有的后处理系统，并评估其是否适合在铁路上使用。由于完全缺乏操作经验，再加上维护成本增加的潜在风险，运营商对引入这些系统犹豫不决。SCR(选择性催化还原)转化器的nox还原需要尿素作为额外的操作流体。在这种应用中，尿素消耗约为燃料消耗的5%。车辆必须配备第二个尿素罐，必须防止冻结(尿素在-11°C冻结，但在+5°C左右开始结晶);尿素的腐蚀性非常强，所以储罐和燃料管必须由不锈钢制成。此外，尿素在化学上不稳定，这就需要额外的物流，以避免过度的储存期。

可控硅器件的另一个潜在缺点是在铁路应用中使用效率较低。相对于工作周期，空转时间较长。由此产生的废气温度较低，意味着可控硅设备只能在发动机总使用寿命的15%内正常工作。副作用，如氨滑，将导致更多的问题。

使用尿素选择性催化还原来控制柴油机NOx排放的一个很少被注意到的方面是它对CO2排放的影响。最佳的选择性催化还原操作需要大约1mol氨对应1mol氮氧化物。在质量方面，减少1000公斤氮氧化物，释放479公斤二氧化碳。

最后，但并非最不重要的是，SCR装置的应用将显著增加铁路成本。ATOC（列车运营公司协会）的一项研究表明，在英国，大约需要100个尿素加油站。这将导致运营商账单上的年资本成本在1500万至1800万欧元之间。预计其他铁路的成本也将类似。

微粒

在DPF装置中捕获微粒会导致过滤器逐渐堵塞，从而增加施加在发动机上的背压。为了降低反压，过滤器必须通过燃烧烟尘和截留微粒的可溶有机部分来再生。颗粒过滤器是用催化涂层或不使用催化剂制造的。催化剂的作用是降低捕获的碳颗粒燃烧的温度。在没有催化涂层的情况下，必须将过滤器的温度提高到600℃才能燃烧掉碳。由于铁路运行中发动机排气温度相对较低，似乎肯定需要某种形式的主动再生，要么通过电加热过滤器，要么通过在排气中燃烧额外的燃料来进行再生。在这两种选择中，就能源消耗而言，效率更高的是在尾气中燃烧燃料，但一般来说，再生意味着额外的能源消耗。

铁路应用

由于铁路车辆有严格的质量限制(二级线路的轴载为18t)和安装空间，引入外部后处理设备，如可控硅和/或DPF是制造商和运营商的主要关注。现实的假设表明，当增加SCR+DPF时，重量增加3到4吨，需要额外的空间，对于带有2000千瓦发动机的4轴干线机车，需要额外的空间约2m3，对于轨道车辆，需要额外的空间约0,5-1吨。

最新的欧洲铁路车辆制造商的调查表明，为了满足新的2004/26/EC阶段IIIB排放限制，必须在轨道车辆上安装大量的额外设备。不仅需要考虑后处理设备的空间要求，还需要考虑增加的辅助设备，如热交换器、冷却风扇和额外的管道。

对于dmu来说，乘客容量的潜在损失是可以预见的，同时还会出现功能问题。如果后处理装置的位置(如车顶)离发动机很远(通常在地板下)，就会导致废气在到达反应堆之前就被不希望的冷却，导致效率非常低。

立法困境

铁路车辆的使用寿命，无论是机车还是动车组，都比公路部门长得多。因此，铁路运营商倾向于在车辆使用寿命中途更换柴油发动机。

第26/2004号指令造成的另一个问题是，此类更换发动机必须符合当前的排放限制。目前，用新一代发动机取代旧的发动机仍然是相当简单的。

随着IIIB限额的引入，这种情况可能会发生变化。这些限制要求为后处理系统和不适合车辆的更大冷却设备留出更多空间。燃料成本占发动机寿命周期成本的近90%；剩下的7%是维护费用。很明显，完全通过节省燃料，新旧发动机的更换将很快得到回报。

未来符合IIIB标准的发动机不太可能比符合UIC II或IIIA标准的发动机更省油。在车辆寿命的某个阶段，维护要求将要求用新型发动机更换已安装的发动机。如果必须安装DPF和SCR等附加装置，则预计服务成本会增加，而不会带来潜在的节油收益。在这种情况下，即使在技术上可行，也不会进行更换。如果新发动机具有排放效益，但同时只会导致运行缺陷，则车主更有可能延长现有发动机的使用寿命，直到机车的使用寿命结束。

从长远来看，该指令的硬性要求可能会适得其反，因为它会让老旧的发动机继续使用，而不是鼓励用更高效的发动机来替换它们。根据美国现有立法，对该指令进行一些相当简单的调整，将提供更大的灵活性，并鼓励铁路运营商更频繁地更新动力车队。

测试周期的适用性

目前，为了确定铁路车辆发动机的污染物排放，将采用两个不同的试验周期。对于机车发动机，使用ISO 8178-4的铁路专用F循环，而C1循环是由欧盟26/2004指令规定的DMU发动机。在该指示实施后，欧洲委员会要求核实后一个测试周期的有效性。

UIC报告B 208/RP 6（于2006年11月发布）考虑了八条欧洲铁路的荷载谱，并再现了约100万运行小时的荷载谱。

所有类型的轨道车辆都有代表，从dmu到客运服务的干线机车和分流机车到重型货运机车。

ISO 8178-4目前的F循环是一个稳定的三模式循环，额定转速25%，中间负载15%，空转60%。很明显，平均而言，这个周期是最适合各种铁路应用情况的;但需对全负荷和部分负荷的加权系数进行调整。

空转部分平均几乎与当前ISO 8178-4 F循环相同。

铁路车辆的高怠速部分是由于其运行阻力低（约为道路车辆运行阻力的10%）。在初始加速阶段后，在列车启动后立即施加高负荷，小负荷足以使列车在水平轨道上以给定速度滑行，并为辅助驱动产生足够的能量。因此，有时从未用于调车目的的主线机车的空转率并不明显低于其他车辆的空转率。

将结果与DMU发动机的C1循环进行比较清楚地表明，这个测试循环完全不适用于铁路发动机，并且DMU发动机和机车发动机之间的区别是不合理的。

调查证明，首先，ISO 8178-4的周期F代表了作为铁路车辆的测试周期的最佳妥协，其次，区分机车和机动列车是不合理的测试周期的应用。

尽管目前在铁路车辆领域使用的发动机不是专门为铁路应用开发的（大型美国机车发动机除外，其在欧洲大陆的市场份额非常小），但制造商对其进行了优化，以用于铁路领域。这包括对当前有效试验循环的调整。当针对完全不符合实际操作条件的试验循环对发动机进行优化时，存在这样一种潜在风险，即此类发动机在实际操作使用中会表现出明显较差的排气性能。

监管框架需要考虑NRMM发动机的利基市场(< 1%)的特点，随着铁路应用发动机供应商数量的减少，使轨道车辆制造商能够开发环境友好和成本效益高的铁路解决方案。

修订法例的建议

考虑到所有这些方面，汽车制造商以及发动机制造商和操作人员一致提出了指令26/2004的修正案。

清单清楚地显示，铁路部门的排放占总排放量的比例不到1%。即使铁路网完全电气化，也不会导致显著的减排。然而，如果IIIB的限制在2012年之前没有改变，那么随着次要线路关闭的威胁成为现实，将存在进一步从铁路模式转向公路模式的潜在风险。

为了证明铁路公司致力于保持其环保声誉，机车车辆制造商、运营商和发动机制造商正在向欧盟委员会第七框架计划（FP7）提交一份共同提案。

多达五辆原型车(dmu、分流器和主线机车)将配备符合IIIB标准的发动机，并在商业服务中运行。与大学和研究机构合作，对结果进行评估，将有助于确定将所有因素考虑在内的最适当的减少铁路排放的方法。

然而，JRC的研究结果和拟议中的FP7项目提供了对2004/26/EC阶段IIIB排放限制作出适当的铁路具体修订的机会。铁路运营商、铁路车辆制造商、发动机制造商和欧盟委员会采用的共同方法有潜力为未来提供更少的污染和更高效的铁路柴油牵引。

图1 Miller循环功能示意图

图2:EGR的功能示意图