1 前言
随着生活水平的提高，车辆排放污染日趋严重，除了道路用车辆的排放外，铁路牵引用的机车柴油机的排放也不容忽视，已经受到国内外的重视，在
铁道部引进大功率内燃机车技术中，已经将柴油机排放控制技术列为其内容之一。
柴油机的有害排放物包括氮氧化物(NOX)、碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)及颗粒物(PM)等。其中NOX使血液中血色素改变，危害人的中枢神经系统，是形成光化学烟雾的主要原因。HC是产生光化学烟雾的另一成分，可引起人们的呼吸道疾病和眼部发炎；其中的高分子碳氢化合物毒性很强，能导致癌变。CO与血红蛋白的结合力比氧强，因此存在CO时，它将与血红蛋白形成碳氧血红蛋白，致使全身组织因缺氧而中毒。在颗粒物中对人体有危害的主要是直径10μm以下的颗粒，而柴油机排出的颗粒物，90％以上是直径小于1μm的，它们停滞于人体肺部、支气管中，对身体造成直接威胁。尽管铁路牵引用机车柴油机从数量上看比道路车辆用柴油机少得多，但铁路作为柴油消耗大户，其对铁路沿线附近特别是对铁路枢纽所在城市的大气污染已成为不容忽视的问题。所以，有必要对机车柴油机的排放进行控制。
2 国内外机车柴油机的排放水平比较
从各国排放标准中的限值水平就可看出其机车柴油机排放水平。表1为美国、国际铁路联盟(UIC)和我国机车柴油机的排放限值比较。
美国环保署(EPA)在1998年公布了机车柴油机的排放标准，规定从1973年1月1日至2002年1月1日生产的内燃机车执行EPA Tier 0级标准，在2002年1月1日至2005年1月3年期间生产的内燃机车执行EPA Tier2级标准，从2005年1月1日起生产的内燃机车执行EPA Tier2级标准。
2002年GE公司对原有的7FDL型16缸柴油机进行排放测试，其NOX排放超过EPA0级标准
20％以上。为达到EPA 0级和1级标准要求，该公司做了大量的工作，如提高压缩比，改变喷油定时，提高喷油率，优化手把位和工作循环操作等等。
GE公司在2004年开发生产的EVOLUTION系列内燃机车和GM公司开发生产的SD90MAC型内燃机车都能满足美国环保署EPA Trer2的限值要求。国产机车柴油机要达到这一水平还需要经过长期不懈的努力。
表1 机车柴油机排放限值一览表 g/kWh
|
国家/年份 |
排放限值 |
试验规范 |
|
NOX |
HC |
CO |
PM |
|
UIC/1982前 |
24 |
4 |
12 |
— |
4 点工况循环 |
|
UIC/1982后 |
20 |
2.4 |
8 |
— |
4点工况循环 |
|
UIC/1993 |
16 |
1.6 |
4 |
— |
3点工况循环 |
|
UICⅠ/1997 |
12 |
0.8 |
3 |
— |
3点工况循环 |
|
UICⅡ/2003 |
9.9 |
0.8 |
3.0 |
0.25 |
3点工况循环 |
|
UICⅢ/2008 |
6.0 |
0.5 |
2.0 |
0.2 |
3点工况循环 |
|
美国EPA Tier /1998 |
12.6 |
1.34 |
6.7 |
0.8 |
线路牵引循环 |
|
美国EPA Tier /2002 |
9.9 |
0.74 |
3.0 |
0.6 |
线路牵引循环 |
|
美国EPA Tier /2006 |
7.4 |
0.4 |
2.0 |
0.27 |
线路牵引循环 |
|
中国/1997 |
16 |
1.6 |
4 |
— |
3点工况循环 |
|
中国/2006 |
9.9 |
0.8 |
3.0 |
0.25 |
3点工况循环 |
国际铁路联盟是最早提出机车柴油机排放标准的组织，1978年国际铁路联盟的试验研究所(ORE)根据各铁路成员国的柴油机技术水平及运用条件，在ORE B13／RP22《柴油机废气所含污染物的限值》中对1982年前和1982年后生产的柴油机分别给出排放限值；1988～1991年问ORE又通过对3个成员路(东德、西德和法国铁路)的各种柴油机进行试验、计算比较，在S1015/RP1中给出1993年后的排放限值。1997年国际铁路联盟又将限值降低了25％～50％，这一标准称为UICⅠ。在2002年的UIC CODE 624(O)中对NOX排放限值提出了更严格的要求，这一标准从2003年1月1日实施，这就是UICⅡ，它不仅降低了NOX排放限值，而且对颗粒排放限值也提出了要求，取消了以前的烟度要求。UIC将2008年的限值标准称为UICⅢ，由表1可知，限值越来越严。要达到这个标准要求，必须采用一些新的技术手段。
一些国家对UIC的标准积极作出响应，如MTU公司的4000系列柴油机采用了共轨式燃油喷射及电子控制，这两项技术对于其实现低燃油消耗和低排放均起到重要作用。虽然所有4000系列柴油机都满足了UICⅡ排放标准的要求，但据MTU公司报告，德国国家铁路订购的大量4000系列柴油机的排放设计值又在这些标准的基础上下降了20％。MTU公司认为，对柴油机目前工艺技术做相关的改进，进一步优化柴油机的性能是完全可能的。为了满足更严格的排放标准，MTU公司已经开发了新的更大排量的V20型柴油机。
我国已经在1997年等效采用国际铁路联盟1993年的限值标准，制定了TB／T2783—1997《铁路牵引用柴油机排放污染物限值及测试规则》，2005年等同采用UICⅡ的新排放标准的制定工作基本完成，预计新标准将在2006年实施，它将代替TB／T2783—1997。从机车柴油机排放标准限值来看，我们比欧美国家只落后了4～5年，这要比道路用车辆的排放标准差距小一些。由已经得到的试验结果可知，国产机车柴油机的排放水平基本上能够达到TB／T2783—1997的限值要求，表2列出在内燃机车检验站柴油机试验台测量的3种柴油机的排放结果，其中A柴油机的HC超出TB／T2783—1997的限值标准，其余两项不仅满足TB／T2783—1997标准的要求，而且满足UICⅠ的要求。
表2 国产机车柴油机的排放测量试验结果 g／kWh
|
柴油机代号及标准 |
CO |
NOX |
HC |
|
A |
1.2 |
11.2 |
2.2 |
|
B |
1.5 |
12.9 |
0.9 |
|
C |
0.6 |
10.6 |
0.7 |
|
TB/T2783—1997 |
4 |
16 |
1.6 |
|
UICⅡ |
3.0 |
9.9 |
0.8 |
虽然HC超过标准，但是降低HC相对于降低NOX还是容易得多。厂家只要对柴油机的供油系统进行改进，使燃油与空气能更好地混合，形成良好的混合气，改善燃烧，即可降低HC的排放。
C柴油机采用电子喷射及ABB的高效增压器，其排放性能优良，特别是在改善燃烧、降低HC和CO方面，表现突出。该柴油机只要将NOX的排放值降低7％，即可满足UICⅡ的限值要求。
因为TB／T2783—1997不是强制执行的标准，生产厂并未采取特别的降低排放的措施，所以表2的结果反映的是国产机车柴油机的基本的排放水平。但是，我们也应该看到，这3种机车柴油机之间的排放值差距很大，要想实施UICⅡ的限值要求，必须针对柴油机的具体状况，采取适当的措施降低排放。
国外出现了不少超低排放的道路车辆用柴油机，它们都采用了排气后处理方式，使得NOX排放值在1 g／kWh以下。但对于机车用柴油机，由于排量很大，后处理器的体积必须做得很大，采用排气后处理方式要比道路用柴油机困难得多。目前，机车柴油机的排放标准通过其结构改进、性能优化是可以达到的。随着排放法规的日益严格，排气后处理器也可能被采用。
