陸地軍用車輛動力的研究現(xiàn)狀及展望*

明鎮(zhèn)洋 劉海峰

（天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室 天津 300072）

引言

陸地軍用車輛在現(xiàn)代化軍事戰(zhàn)爭中格外重要，先進的軍用車輛是國家軍事實力的象征，也是保護國家安全的重要力量。動力裝置是軍用車輛的核心，各國對其研究從未間斷。陸地軍用車輛主要分為坦克、裝甲車、戰(zhàn)術(shù)車輛3 類。本文對3 類軍用車輛動力裝置的研究現(xiàn)狀進行簡述、提出一些改善軍用車輛內(nèi)燃機性能的技術(shù)方法、比較了各類動力裝置之間的優(yōu)劣，最后對未來陸地軍用車輛動力裝置的發(fā)展提出了展望。

1 陸地軍用車輛動力裝置的研究現(xiàn)狀

1.1 坦克動力裝置

坦克是陸?？找惑w化作戰(zhàn)體系的重要組成部分，是陸軍制勝的關(guān)鍵。各國為了提高自身軍事實力，保護本國領(lǐng)土安全，一直對坦克進行改進與創(chuàng)新，加快推出新型的坦克裝備。坦克機動性備受國際關(guān)注，世界各國從未放松對坦克動力裝置的研究[1]。

1.1.1 國內(nèi)坦克動力發(fā)展

我國坦克發(fā)動機發(fā)展歷經(jīng)了3 代，從表1 可知在發(fā)動機排量不變的基礎(chǔ)上，坦克發(fā)動機功率從第一代的382 kW 增加到第二代的537 kW 和第三代的883 kW。第二代發(fā)動機是在第一代的基礎(chǔ)上采用渦輪增壓技術(shù)，性能得到提高；目前第三代坦克使用的最新發(fā)動機為WR703/150HB 系列柴油機，功率可達1 103 kW。我國目前坦克的動力裝置仍以高性能柴油機為主，在很多指標上已接近國際先進性水平。

表1 國內(nèi)坦克發(fā)動機動力發(fā)展[2-3]

1.1.2 國外坦克動力發(fā)展

在第一次世界大戰(zhàn)時，主戰(zhàn)坦克使用功率為77 kW 的活塞汽化式汽車發(fā)動機作為動力裝置。自1928 年英國開始研制專門的坦克軍用發(fā)動機起，坦克動力裝置的發(fā)展已經(jīng)走過92 個年頭。表2 列出了國際上部分坦克發(fā)動機的相關(guān)數(shù)據(jù)。目前較先進的國外坦克如美國M1 的功率可達1 119 kW；俄羅斯T95 的功率可達1 300 kW；日本10 式主戰(zhàn)坦克的柴油機采用陶瓷實現(xiàn)隔熱，進而確保良好的熱效率，功率也可達到882 kW。通過關(guān)鍵技術(shù)提升，柴油機的功率、油耗等性能指標得到了明顯改善；發(fā)動機的質(zhì)量更小，結(jié)構(gòu)更緊湊。目前，國外坦克動力主要以柴油機為主，部分采用燃氣輪機作為動力。

表2 國外主戰(zhàn)坦克發(fā)動機相關(guān)數(shù)據(jù)[4-8]

1.2 裝甲車輛

裝甲車輛在一個國家的國防中占有不可撼動的地位，地面戰(zhàn)爭中裝甲車輛仍是機械化部隊的主要裝備。裝甲車輛動力性能直接關(guān)系到車輛的作戰(zhàn)能力和生存能力，是其最基本、最重要的性能要求，因此各國對裝甲車輛動力裝置的研究從未間斷。

初期的裝甲車輛以履帶式車輛為主，但隨著各軍事強國對陸軍開展改革，以及大量非對稱作戰(zhàn)代替了大規(guī)模武裝沖突，輪式裝甲車輛的地位越來越高，對其研究也越來越受到各國重視。

1.2.1 國內(nèi)裝甲車動力發(fā)展

為了滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭需要，我國從1958 年開始對裝甲車進行研制，表3 列舉了部分我國裝甲車動力裝置的參數(shù)。目前，我國較先進的09 式輪式裝甲車功率可達340 kW。

表3 我國裝甲車動力裝置[9-10]

1.2.2 國外裝甲車動力發(fā)展

上世紀80 年代起，裝甲車輛已成為發(fā)達國家輕型裝甲機械部隊的主要作戰(zhàn)裝備[9]，各國相繼研發(fā)各種陸用、兩棲裝甲車輛。俄羅斯相繼將6TД-2、B-92C2、B-84MC 等發(fā)動機匹配在各種型號的裝甲車輛上，這些發(fā)動機的性能同樣是朝著高功率、低油耗、輕量化的方向發(fā)展。德國MTU 公司也一直參與裝甲車用柴油機的研制工作，一直將高功率密度作為其主要研制目標。國外部分裝甲車動力裝置如表4所示。縱觀國外裝甲車動力裝置的發(fā)展，仍以柴油機為主，部分裝置采用燃氣輪機。

表4 國外裝甲車動力裝置參數(shù)[11]

1.3 戰(zhàn)術(shù)車輛

戰(zhàn)術(shù)車輛是地面軍隊的后勤保障中樞，承擔著戰(zhàn)術(shù)后方至前沿及戰(zhàn)術(shù)地域彈藥、油料和日用物品的定點保障和伴隨保障任務(wù)，在軍用車輛體系中具有重要作用。

我國的戰(zhàn)術(shù)車輛發(fā)展較晚，至今仍沿用上世紀80～90 年代的車型，無法滿足未來戰(zhàn)爭要求。反觀國外，上世紀70 年代，德國MAN 公司開發(fā)了第一代重型高機動性的戰(zhàn)術(shù)車輛，而后相繼開發(fā)了SX、HX 系列車輛，其中MAN HX77 戰(zhàn)術(shù)車輛的功率可達321 kW。美國也相繼推出HEMTT、MTVR、LVSR 系列戰(zhàn)術(shù)車輛，最高功率可達450 kW 左右。表5 列舉了國外戰(zhàn)術(shù)車輛的動力裝置參數(shù)。目前的戰(zhàn)術(shù)車輛動力裝置仍以柴油機為主，有些國家也對混合動力戰(zhàn)術(shù)車輛進行了研究[12-13]。

表5 國外部分戰(zhàn)術(shù)車輛動力裝置[12-13]

2 提高陸地軍用車輛柴油機性能

目前，柴油機仍為軍用車輛的主要動力裝置，隨著軍事要求的不斷提高，柴油機也會朝著更高功率、更高性能方向發(fā)展。為了進一步提高柴油機的性能，相關(guān)技術(shù)方法如下所述。

2.1 提高柴油機的壓縮比

提高柴油機壓縮比是常用的提高缸內(nèi)壓力的方法，提高柴油機的缸內(nèi)壓力有助于提高平均有效壓力、升功率和熱效率，改善燃油經(jīng)濟性[14]。

為了克服過高的熱負荷和機械負荷，美國大陸公司很早開始對坦克動力裝置展開研究。如AVCRl360-2 可變壓縮比柴油機，為了追求更高的功率、克服過高的熱負荷和機械負荷、達到盡可能高的強化程度以及改善啟動性能和低速工作性能采用了可變壓縮比活塞，其壓縮比可變范圍為9∶1～16∶1[15]。

Funayama 等人[16]利用一臺單缸軍用柴油機，將壓縮比從17 提高到26，理論熱效率提高5%，指示熱效率和有效熱效率分別提高3.0%和1.5%。

然而，筆者發(fā)現(xiàn)法國的勒可萊爾坦克采用的UDV8X-1500 發(fā)動機采用較低的壓縮比6～10，但是采用很高的增壓壓比可以達到較高功率。由此可見，提高進氣壓力也可以提高柴油機功率。

2.2 提高進氣壓力

提高進氣壓力也是一種提高柴油機動力性的有效手段，可以使發(fā)動機在相同的進氣時間獲得更多的新鮮空氣，進而提高噴油量，每個循環(huán)可獲得更多的有用功。

如上節(jié)所述的法國UDV8X-1500 超高增壓柴油機別具特色，其壓比高達4～9，其基本特征是渦輪增壓器與柴油機并聯(lián)連接，旁通補燃系統(tǒng)亦并聯(lián)其中?？諝鈴膲簹鈾C出來后非全部進入柴油機，其中一部分通過旁通和補燃燃氣進入渦輪，使渦輪增壓器始終保持在高效率區(qū)工作，增壓壓力會遠高于常規(guī)渦輪增壓器。同時，渦輪增壓器可獨立于柴油機工作，所以不僅能解決常規(guī)渦輪增壓柴油機增壓壓力超過0.35 MPa 時低壓縮比起動問題，而且也能改善其轉(zhuǎn)矩性能和加速性能。作為柴油機和燃氣輪機特殊組合的超高增壓發(fā)動機的優(yōu)點是：大幅度提高功率，在不增加常規(guī)渦輪增壓柴油機熱負荷和機械負荷條件下，功率可提高2～5 倍，因而具有較高的平均有效壓力、良好的轉(zhuǎn)矩特性和加速性[17]。

黃開勝等人[18]在一臺3.8 L 渦輪增壓中冷4 缸柴油機上通過試驗和仿真研究了進氣壓力對柴油機燃燒和性能的影響。試驗及仿真結(jié)果表明：在排氣壓力保持不變的條件下，最高燃燒壓力與進氣壓力具有明顯的線性關(guān)系，進氣壓力每增加100 kPa，最高燃燒壓力增加約4.8～7.0 MPa，從而提高柴油機功率。隨著進氣壓力增加，柴油機缸內(nèi)燃燒滯燃期縮短，燃燒開始點提前。

由此可見，采用較高的進氣壓力可以使柴油機達到更高的功率，可以更好地滿足高負荷下軍用車輛的工作要求。

為了實現(xiàn)較高的進氣壓力，需要高性能、可調(diào)節(jié)增壓系統(tǒng)如：壓氣機和渦輪均可調(diào)的增壓器、順序增壓、單級壓力4～5 的高壓比渦輪增壓器、單渦輪雙壓氣機等。

2.3 軍用發(fā)動機噴油系統(tǒng)

軍用柴油機朝著更高的功率發(fā)展，電控噴油系統(tǒng)的需求也隨之增加，影響噴油系統(tǒng)的關(guān)鍵因素是：大流量、高響應。噴油目標要求是：精確計算噴油量、較高且適宜的噴油壓力，以改善燃燒，降低油耗。目前，較先進的噴油系統(tǒng)如MAN Diesel＆Turbo 新一代CR2.2 高壓共軌系統(tǒng)[19]、MTU 公司2000 CR 型柴油機新一代高壓共軌系統(tǒng)[20]，噴油壓力最高可達220 MPa。

張紅光等人[21]采用Servo jet 型噴油系統(tǒng)中的SSI-1系統(tǒng)作為軍用大功率柴油機電控高壓噴油系統(tǒng)的開發(fā)方案，電控高壓噴油系統(tǒng)的噴油量和噴油壓力，通過控制共軌燃油壓力和電磁閥通電時間來實現(xiàn)柔性控制。該設(shè)計方案的優(yōu)點是：當共軌燃油壓力達到8 MPa 時，最大噴油壓力可達到113.5 MPa，單缸每循環(huán)噴油量可達350 mL；當共軌燃油壓力達到10 MPa以后，根據(jù)仿真計算結(jié)果可知，最大噴油壓力將會達到146 MPa，單缸每循環(huán)噴油量將超過450 mL。在進氣增壓中冷狀態(tài)下，使用該設(shè)計方案，大幅度提高了1150 G 單缸柴油機的功率至92 kW 以上。

王軍等人[22]通過仿真研究了某臺軍用柴油機的高壓共軌系統(tǒng)共軌管的不同長度和不同內(nèi)徑對噴油壓力的影響。柴油機的技術(shù)參數(shù)如下：四沖程、水冷、6 缸渦輪增壓，最大轉(zhuǎn)矩1.773 kN·m，額定轉(zhuǎn)速2 100 r/min，額定功率300 kW，額定燃油消耗率216 g/（kW·h）。結(jié)果顯示：長度對噴油壓力建立時間和壓力波動存在折衷關(guān)系；共軌管中的壓力波動幅值，隨著共軌管內(nèi)徑增加而減小，壓力建立時間隨內(nèi)徑增加而增加。

王軍等人[23]結(jié)合一臺軍用柴油機的噴油要求，進行了大流量壓電式噴油器的設(shè)計，研究者計算了2種壓電堆及液力放大機構(gòu)的輸出參數(shù)。確定了噴油器最小噴射時間為0.6 ms。對噴油器噴油效果的驗證表明：圧電堆、液力放大機構(gòu)和雙排噴孔的設(shè)計方案可以很好地滿足軍用柴油機大流量噴油的要求。

2.4 燃料的優(yōu)化與代用燃料

燃料的性質(zhì)直接影響著缸內(nèi)的燃燒，不同的燃料具有不同的燃燒速度，會直接影響缸內(nèi)爆發(fā)壓力，進而影響發(fā)動機性能。

自上世紀50 年代開始，美國開始研制可以同時在飛機發(fā)動機、地面軍用車輛使用的燃料。目前美國軍用車輛使用的燃料類型是：JP-8、JP-8+100[24]。JP-8是一種由脂肪族和芳香烴組成的煤油基燃料，最早用于航空發(fā)動機，JP-8+100 是在JP-8 的基礎(chǔ)上補充添加劑以增強其熱穩(wěn)定性[25]。

Schihl 等人[26]在一臺軍用的單缸柴油機上，探究JP-8、煤制油、石蠟煤油及其摻混油對柴油機性能的影響。實驗結(jié)果表明：單一的煤制油和石蠟煤油無法穩(wěn)定燃燒，JP-8 的摻混有效地改善了這一狀況，JP-8燃油有效地改善了燃燒質(zhì)量，促使了柴油機達到更高的功率。

Labeckas 等人[27]探究JP-8 燃料、柴油及其混合燃料對發(fā)動機性能的影響，分別在發(fā)動機輕載（15%）、中載（50%）、滿載（100%）3 種條件下進行實驗。結(jié)果表明：隨著JP-8 含量的增多，缸內(nèi)壓力增加、有效熱效率提高了1.0%～3.6%。

Fernandes 等人[28]研究了JP-8 和DF-2 號柴油對重型柴油發(fā)動機性能和排放的影響，如圖1 所示。由圖可知，在1 200 r/min 和20%的負載情況下，由于JP-8 燃油的加入缸內(nèi)壓力由450 kPa 升至480 kPa。如圖2 所示，在1 200 r/min 和50%的負載情況下，JP-8 的使用使柴油機發(fā)熱率由175 J/°CA 升至200 J/°CA。

圖1 JP-8 對發(fā)動機缸內(nèi)壓力的影響

圖2 JP-8 對發(fā)動機放熱率的影響

通過上述研究可以看出，JP-8 燃料相比柴油可以提高柴油機的性能，開發(fā)新型的燃料對于進一步提高軍用車輛發(fā)動機的性能有著積極的意義。

綜上所述，隨著各類新型技術(shù)的不斷進步，軍用車輛柴油機將會朝著更高的功率、更高的效率、更低的燃油消耗率方向發(fā)展。

3 軍用車輛其他動力裝置技術(shù)特點

3.1 燃氣輪機的技術(shù)特點

燃氣輪機是一種可以連續(xù)燃燒的高速旋轉(zhuǎn)式渦輪機械，20 世紀40 年代被廣泛應用在航空領(lǐng)域，研究人員逐漸開始進行將燃氣輪機作為陸地軍用車輛動力裝置的研究工作：如美國的M1 系列和俄羅斯T95 型坦克。燃氣輪機與柴油機相比各有優(yōu)劣。

3.1.1 燃氣輪機的優(yōu)勢

1）燃氣輪機具有高功率密度

在保持功率不變的條件下，降低發(fā)動機的質(zhì)量，縮小其體積，唯一的途徑是提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，降低發(fā)動機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，燃氣輪機的轉(zhuǎn)速更快，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩更低；就質(zhì)量而言，一臺柴油機約占坦克總質(zhì)量的4%，燃氣輪機約占2%。由于這些特點，為實現(xiàn)軍用車輛發(fā)動機的高功率密度，燃氣輪機技術(shù)可作為較佳的技術(shù)途徑。

2）燃氣輪機具有更好的轉(zhuǎn)矩特性

燃氣輪機的功率輸出由動力渦輪提供，當發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速或部分負荷工況下，可從燃氣發(fā)生器獲取充分能量來提高其轉(zhuǎn)矩[29]。比較了GT601 燃氣輪機和柴油機的轉(zhuǎn)矩特性[29]，可見燃氣輪機的轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)于一般柴油機，部分轉(zhuǎn)速條件下優(yōu)于高轉(zhuǎn)矩柴油機，如圖3 所示。

圖3 燃氣輪機與柴油機的轉(zhuǎn)矩特性比較[29]

3）燃氣輪機具有更好的牽引特性

畢小平等人[30]以俄羅斯GTD1250 式燃汽輪機（共4 個擋位）和一臺軍用柴油機（共7 個擋位）作為研究對象，對兩者的牽引特性進行計算分析，結(jié)果如圖4所示，柴油機的7 擋曲線有失速現(xiàn)象，丟失功率較為嚴重，而燃氣輪機的4 擋曲線是較為理想的牽引特性曲線。

圖4 燃氣輪機與柴油機牽引力特性對比[30]

4）燃氣輪機具有更好的啟動特性

燃氣輪機的啟動特性優(yōu)于柴油機，特別是在低溫環(huán)境下，燃氣輪機可在-35 ℃條件下啟動無需任何輔助加溫系統(tǒng)，而柴油機在-16 ℃下冷啟動需要進行預熱且啟動時間更長[31]。如表6 所示，某臺燃氣輪機的啟動性能優(yōu)于柴油機[30]。特別是在高原環(huán)境下會導致柴油機熱效率降低[32]、動力性能減弱[33]、排放劣化[34-35]，冷啟動困難[36]等問題。燃氣輪機則可以克服以上的問題。

表6 坦克燃氣輪機與柴油機怠速時間的對比[30]s

3.1.2 燃氣輪機的劣勢

1）燃油經(jīng)濟性問題

畢小平等人[30]將AGT-1500 燃氣輪機與一臺功率相當?shù)能娪貌裼蜋C的燃油消耗量進行了對比，中級公路、越野、怠速3 種工況下發(fā)動機燃油消耗量如表7 所示。由表7 可知燃汽輪機在怠速工況的燃油消耗量比柴油機要高l 倍；在中級公路工況，燃汽輪機與柴油機的燃油消耗量相差不大；在越野工況，燃汽輪機的燃油消耗量低于柴油機，燃汽輪機與柴油機作戰(zhàn)使用總?cè)蝿?wù)的燃油消耗量相近，總體計算燃氣輪機的燃油消耗量要高于柴油機。

表7 燃氣輪機與柴油機燃油消耗量對比[37-39]

2）燃氣輪機空氣濾清難度大

燃氣輪機的空氣消耗量大，比柴油機的耗氣量多2 倍以上，大大加重了空氣濾清的難度，容易產(chǎn)生葉片結(jié)垢[40]、腐蝕[41]、磨損[42]等問題，這是對燃氣輪機災難性的損傷。即使已經(jīng)有研究者提出了具有高效自清潔能力的燃氣輪機，但其濾清器和回熱器龐大的體積，使燃氣輪機基本失去了原本應有的體積小、單位體積功率大的優(yōu)勢。

3）燃氣輪機制造成本高

燃氣輪機的制造需要昂貴的耐高溫合金，且需要先進的柔性加工設(shè)備，高檔的數(shù)控機床，用以滿足復雜的工藝要求，這些都大大增加了制造成本。

3.2 混合動力裝置技術(shù)特點

目前，混合動力主要包含2 種動力系統(tǒng)：油、電混合動力系統(tǒng)和液壓混合動力系統(tǒng)[43]。目前，混合動力技術(shù)相對成熟，以美國為代表的各國軍方也在著力探究混合技術(shù)在軍用車輛上的應用。

3.2.1 混合動力優(yōu)勢

1）增強軍用車輛的動力性能

混合動力系統(tǒng)采用2 套動力系統(tǒng)，當內(nèi)燃機提供的功率不足時電池或液壓儲能裝置可以進行功率的補給，這就使得軍用車輛獲得更高的動力性。由于該技術(shù)方案采用了2 套動力裝置，當其中一套動力裝置損壞，另一套仍然可保證軍用車輛具有正常作戰(zhàn)能力，提高了作戰(zhàn)能力和戰(zhàn)士的存活率[44]。

2）提升燃油經(jīng)濟性

混合動力系統(tǒng)與內(nèi)燃機相比具有更好的燃油經(jīng)濟性[45]。在頻繁起停的工況下，液壓混合動力車輛的燃油經(jīng)濟性更好[46-48]，因此，混合動力技術(shù)是改善車輛燃油經(jīng)濟性的較佳選擇。

3.2.2 混合動力劣勢

1）電池組系統(tǒng)性能欠佳

油電混合動力系統(tǒng)需要很完善的電池系統(tǒng)，但目前的車用電池，存在成本高、壽命短等問題，為解決這些技術(shù)難題仍需投入大量的科研力量。

2）車輛成本高，質(zhì)量大

混合動力車輛在原有基礎(chǔ)上增加了大量裝置，大大增加了生產(chǎn)、維護成本。同時，混合動力裝置質(zhì)量大，導致整機質(zhì)量增大，這在一定程度上會影響軍用車輛的動力性能。

4 結(jié)論與展望

本文簡述了目前軍用車輛的動力情況，提出幾種增強軍用柴油機性能的技術(shù)手段，并對比柴油機、燃氣輪機、混合動力3 種裝置的優(yōu)劣性，對提高軍用車輛性能，提高國家國防實力有著積極的意義。同時筆者根據(jù)目前的研究狀況對未來軍用車輛動力裝置的發(fā)展提出展望。

1）目前軍用車輛的主要動力裝置仍以柴油發(fā)動機為主。隨著進氣增壓技術(shù)、噴油技術(shù)的發(fā)展，先進燃料的開發(fā)，軍用車輛柴油機將朝著更高功率、更高動力性能的方向發(fā)展。

2）燃氣輪機相比于柴油機具有更高的功率密度，更好的轉(zhuǎn)矩特性、牽引特性、啟動特性等優(yōu)勢，但其耗油量大、空氣濾清難度大、成本高仍是亟需解決的問題。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展以及后勤保障措施的不斷完善，其在軍用車輛動力裝置領(lǐng)域的應用前景有望進一步提升。

3）混合動力相比于柴油機具有更好的動力性能和燃油經(jīng)濟性，有效提高車輛作戰(zhàn)能力等優(yōu)勢；但是其電池成本高、壽命短，復雜的裝置會增加軍用車輛質(zhì)量也是不可忽略的劣勢。此外值得一提的是，采用液壓儲能與電池儲能相結(jié)合的復合式混合動力系統(tǒng)，是未來混合動力應用在軍用車輛上新的發(fā)展方向[45]。復合式動力裝置結(jié)合了2 種系統(tǒng)的優(yōu)點，更具發(fā)展前景。

4）未來軍用車輛的動力裝置不會只以單一的動力裝置形式存在，結(jié)合不同裝置的特點，優(yōu)劣互補的組合動力形式會是重要的發(fā)展方向，而且未來的動力也將更加智能，以滿足整個系統(tǒng)信息化的需求。