军用车辆动力系统技术特点及发动机选型研究

伍赛特

(上海汽车集团股份有限公司，上海 200438)

0 引言

动力系统是发动机和保证其正常工作的相关辅助系统的总和[1-3]。燃料的化学能在发动机中转变成机械能，经传动装置[4]，传给车辆行驶系统，使车辆发生位移。机械能的主要部分消耗于克服车辆运动时的外界阻力，而其余部分消耗于补偿在动力系统各系统中、传动装置中以及行动装置中的能量损失。

1 车辆动力系统的组成

车辆动力系统的组成中，除发动机之外，还包括以下各系统：

(1)燃料系统：存放、滤清燃油，并将其送到发动机；

(2)空气供给系统：从外界中吸取、滤清空气，并将其送到发动机；

(3)排气系统：使废气从发动机排出；

(4)起动系统：使发动机起动；

(5)冷却系统：将动力系统中被冷却的热量传导出来，并将其发散到周围环境中去；

(6)润滑系统：存放、滤清润滑油，并将其送到发动机的摩擦零件；

(7)预热系统：在周围空气温度较低的情况下，使发动机的冷却液和机油在起动之前先逐渐预热起来。

随着具体车辆的用途和要求不同，组成动力系统各个系统的明细也可以变化。例如，在用燃气轮机的车辆动力系统的组成中，或在炎热气候条件下使用的车辆中可以不配备加温系统和优化发动机起动的工具。

2 军用车辆动力系统的使用要求

对军用车辆动力系统的要求是必须要考虑到动力传动舱总布置的特点和对车辆整体性能的总体要求。当设计新型的军用车辆时，必须确保其具有较高的作战能力、较短的行驶准备时间，并且在环境空气温度较低的情况下，依然便于使用、维护和修理，同时也应确保整车的战术技术要求。

由于军用车辆通常会在各式各样的气候条件和道路条件下进行使用，因此动力系统在下列条件下使用时，应确保其基本运行性能不会出现显著降低的情况：

(1)运行环境温度为-50～50 ℃；

(2)相对湿度(在25 ℃的条件下)不大于98%；

(3)环境空气含尘量与实际使用条件相符合；

(4)运行气候条件为全天候；

(5)低气压与海拔高度4 000 m的气压相当。

对动力系统组成部分的基本要求：

(1)体积和质量小；

(2)对维护保养的部件有良好的接近性；

(3)维护和更换部件简便；

(4)动力系统在车内的拆装以及在使用最少量工具的条件下，应花费最少的劳动力和时间。

在结构上应确保经整体吊装的动力系统安装到车体中时无须附加的调整和修磨工作。通过整体吊装方式以更换动力系统的时间不应超过2 h。同时，整体吊装的动力系统应具有部件积木化的特点。换言之，更换各个组件和系统时不用分解整个动力系统。同时，通过整体吊装方式更换动力系统时应不漏洒冷却液、机油和燃料。为此，在动力系统的各系统中必须采用带止回阀的快速接头。

为了确保动力系统满足所需的行程要求，应使其具备最高的燃油经济性和机油经济性。除此之外，动力系统应具备使用多种燃油的可能性。

动力系统的可靠性(修理的有效性包括在内)、技术保养的周期和时间应与军用车辆的总体要求相适应。动力系统的组成部分，在保险期内应有较强的工作能力(无大的磨损和损坏)。

目前，动力系统的保险期由发动机工作的保险期(不低于500 h)来确定，而在车上运作的寿命(到大修前，无须中间拆装)应不低于1 000 h。为了检查动力系统的状态和确定故障，各个主要系统和装配的大部件应装有用于诊断过程的传感器。对于内燃机而言，当环境空气温度降至-25 ℃时，其起动时间不应超过3 min。当环境空气温度降至-40 ℃时，起动时间不应超过20 min，对于燃气轮机而言，该数值不应超过3 min。

当设计动力系统和动力传动舱时，必须考虑一系列有关提高军用车辆生存能力的要求，主要如下：

(1)降低热辐射；

(2)燃油隔舱化；

(3)部件的布置要考虑加强薄弱区并实现相互屏蔽；

(4)部分重要机构和系统至少有两套；

(5)提高部件的抗冲击性。

为了确保动力系统的防火安全，应防止燃油、润滑油流入高温区，避免使其形成暴露的油气等。对于动力系统所在区域，应接入抑爆灭火装置的温度传感器。以上针对动力系统的要求可根据具体的军用车辆而进行调整。

3 军用车辆发动机的技术特点

发动机历来有军用车辆的心脏之称，对军用车辆的机动性能有着重要影响。在军用车辆的动力系统中，主要与发动机工作特征有关的要求如下：

(1)满足车辆行驶需要的功率、转矩和转速要求[5]。发动机功率是决定车辆机动性的主要因素，现代主战坦克的发动机功率可高达1 100 kW。

(2)高单位体积功率。发动机不仅要求具有较高的功率，还要求有较小的尺寸和质量。军用车辆的单位体积功率(比功率)是车辆机动性的主要标志。在坦克内部空间和整车质量一定时，提高发动机的单位体积功率，可提高机动性能，扩大战斗部分空间，提高火力性能。降低发动机的高度，能降低坦克的高度，从而减小被对方炮火命中的概率，提高防护性能。由此可见，军用车辆发动机的单位体积功率直接影响到军用车辆的作战性能。现代主战坦克的发动机单位体积功率高达800～1 400 kW/m3，单位功率质量为1.5～2.0 kg/kW。

(3)良好的燃油经济性。降低燃油及机油的消耗，不仅具有经济意义，而且具有重要的战略意义。在军用车辆携带同样数量的燃油和机油的前提下，通过降低油耗，其行驶里程就可相应增大。而当行驶里程一定时，油箱的体积就可缩小。就柴油机而言，油箱体积约占动力系统体积的1.5%，占车辆内部空间的7%，因此油箱体积对减小车体外廓尺寸、质量和增加携带的弹药数量有重要影响。此外，减少油料消耗，可以减轻后勤供应负担。通常要求现代主战坦克发动机的比燃油消耗量小于240 g/(kW·h)。

(4)良好的牵引特性。良好的牵引特性由发动机的扭矩变化特性和转速工作范围来保证[6-7]，应确保车辆具有良好的牵引特性。

(5)良好的适应性。军用车辆应能在高温、严寒、高原、山地、泥泞、潮湿、振动、冲击、潜渡等各种气候和环境条件下长期可靠工作，因此需要能使用多种燃料。当根据需要，应更换为另一种燃料时，发动机无需重新进行机械调整，并且性能和寿命不会因此而降低。同时，应有为其他军用工程车辆输出所需要的附加的动力提供输出轴的可能性，应有为各种类型改型车底盘建立发动机系列化的可能性，也应有作为民用和其他用途的可能性。

(6)高可靠性、维修性和耐久性。要求具有较高的平均无故障间隔时间，较少的平均维修时间，以及较长时间的持续工作能力。为保证规定的保险期和寿命，应使需保养的装置具有较好的可接近性。

(7)良好的起动性能。发动机起动性能的好坏直接影响到军用车辆投入战斗的准备时间，在任何环境条件下，特别是在低温条件下，发动机都必须能迅速、可靠地起动。

(8)低噪声。降低噪声可改善乘员的工作环境，并提高隐身防护性能[8]。

(9)良好的经济性。应有着相对较低的采购、使用及维修保障费用。

4 军用车辆发动机选型研究

针对发动机的选型应根据军用车辆总体所需的功率、总重、总布置型式(前置或是后置)、动力特性和使用条件，从现有的发动机的系列中，考虑其生产成本、可靠性和可供给使用的程度等来选型。通常要经过多方案的比较，才能确定选型方案。选型后，有时向生产厂家提出对其选定产品进行结构或使用性能方面的改装(或称改型)，以满足此类车辆的要求。

4.1 车用发动机的主要类型

目前，已具备一定应用市场的车用发动机主要有转子发动机、燃气轮机和内燃机3种。

4.1.1 转子发动机

转子发动机仅在少数轿车上采用，其优点是结构简单、质量轻、体积小、单位质量的功率大、振动小、高速性能好。但转子发动机的燃料消耗量较高，一般比汽油机高出10%左右(低转速下更高)，机油消耗率也相应更高。其低速性能差，同时还存在气体密封等问题，仍需进一步优化。目前，转子发动机的可靠性和寿命，尚不如传统内燃机，由此限制了其在军用车辆领域的应用。

4.1.2 燃气轮机

燃气轮机已在部分重型车辆、军用车辆和发电机组上得以应用。当其用作车辆的动力装置时，与传统内燃机相比，具有以下优势：

(1)燃气轮机一般比内燃机质量更轻，体积更小。

(2)燃气轮机内部只有回转运动，无往复运动，并且其机构运动并非间歇式的，而是连续稳定的。因此，其扭矩输出通常不会发生变化，且振动小。

(3)如果是采用分轴式燃气轮机，则其低速时的扭矩变大，其扭矩特性宛如内燃机装上了液力变扭器。

(4)对燃料品种的限制比较小，可以使用多种液体燃料和气体燃料，同时其润滑油消耗较少。

(5)结构简单，零件少，维护保养简单方便。

(6)寒冷时起动容易，起动后即刻可达到全部功率，且不需要水冷却系统。

(7)排气清洁度较高。

与传统内燃机相比，车用燃气轮机的弊端主要如下：

(1)通常而言，燃气轮机燃油消耗率较高。特别是在简单的燃气轮机热循环中，部分负荷时的燃油消耗率较高。

(2)负荷突然变化时的响应性较差。

(3)燃气轮喷嘴和转动叶片需采用优质耐热合金，多数使用镍钴等耐热合金，价格和加工费均较高。

(4)所用空气量为内燃机的5～10倍，因此，对其进排气的处理较为困难。

(5)由于燃气轮机是高速回转机械，所以要求高精度的转承和减速装置。

不仅如此，目前正在试制的车用燃气轮机的比重量(包括减速装置等)为15～20 N/kW，低于此值的微型燃气轮机通常并不比内燃机更轻小。同时，由于为提升燃气轮机工作效率，会采用质量尺寸较大的热交换器，以此削弱了其在紧凑性方面的优势。

目前，虽然车用燃气轮机有分轴式燃气轮机、增压式燃气轮机和差动齿轮式燃气轮机等多种类型。但目前军用车辆领域动力装置依然还是以内燃机为主。其技术成熟，可靠性和寿命高，成本低廉，是其被广泛采用的主要原因。

4.2 军用车辆内燃机基本型式的选择

目前，军用车辆最常用的动力装置依然是内燃机。对其基本型式的选择应从如下几个方面进行。

4.2.1 柴油机和汽油机的选择

目前，中型和重型军用车辆几乎全部采用柴油机。柴油机与汽油机比较，具有以下优势：

(1)燃料经济性好；

(2)工作可靠， 耐久性好；

(3)易于设计成大功率机型；

(4)排气污染和排气温度较低；

(5)同样的续驶里程下油箱容积小；

(6)不易发生火灾。

但柴油机的工作比较粗暴，振动和噪声较大，尺寸和质量较大，成本较高，起动比较困难，易产生黑烟，是其主要弊端。

轻型军用车辆目前主要采用汽油机，其具有较高的转速及升功率，同时扭矩适应性也相对较好，质量较轻，尺寸较小，振动和噪声低，故比较适合高速轻型军用车辆。

4.2.2 直列式和V 型的选择

V 型内燃机与直列式内燃机相比，主要具有如下优点：

(1)长度显著缩短(25%～30%)，高度较低，质量可减轻20%～30%；

(2)曲轴箱和曲轴的刚度增加，对扭振特性可有所改善；

(3)容易设计出尺寸紧凑的高转速和大功率的内燃机；

(4)通过缸数变化容易形成功率范围宽广的机型系列，如V6、V8、V10、V12(直列式缸数可到6缸，最大8缸)。

对采用V型内燃机的车辆而言，可有效减少整车轴距和自重。这对长度受到限制的重型车、越野车和鞍式牵引车而言[9]，V型内燃机的优点比较突出。V型内燃机的缺点是：

(1)宽度大，在平头车辆上布置起来比较困难；

(2)在与直列式机型的缸心距相同时，主轴承宽度(支承面积)受到一定的限制；

(3)对缸体的铸造技术要求较高，加工设备较贵，造价较高。

目前，汽油机排量在4 L以下的，一般都采用直列式内燃机；而排量在6 L以上和缸径大于150 mm的机型上，大多会采用V型的结构形式。柴油机排量在12 L以上时，多采用V型的结构形式。

4.2.3 水冷式和风冷式的选择

通常而言，水冷式机型的优点是：

(1)冷却均匀、可靠，散热好，因而缸盖、活塞等主要零件的热负荷较低。同时，气缸变形小，活塞与气缸的间隙可以减小，机油耗量也少。因此，水冷式能很好地适应大功率机型及其应用。

(2)冷却系统的噪声较低。

(3)平均有效压力可以高出5%～10%，比油耗相对较低。

(4)在冬季，车内可以利用冷却系统的介质供暖。

(5)冷却系统制造成本较低，这是由于风冷式机型的缸盖一般采用铝合金，价格贵，且铸造费工时。

(6)能较好地适应增压后散热的需要，如加大水箱散热面积，增加泵流量。但是风冷机型在加大扇风量和加大散热面积时会受到风扇安装空间和缸心距的限制。

由于上述优点，绝大多数汽车采用了水冷式机型。水冷式机型的缺点是：

(1)冷却系统的使用和维护不够便捷；

(2)冷却性能受环境温度影响较大，夏天易出现过热现象，冬天气缸温度容易过低；

(3)产生的腐蚀及磨损量较大。

风冷式机型的技术特点正好与此相反。

(1)其冷却系统简单，维护简便；

(2)在沙漠和缺水地区以及异常的气候(酷暑和严寒)下使用适应性好，不会产生“开锅”和冻结等故障；

(3)腐蚀性磨损小；

(4)可充分节省制造水箱用的铜材或铝材。

在缸径不大时，风冷式机型的散热效能较好。因此，风冷式机型在22 kW以下的小排量内燃机上得以广泛应用。在重型越野车和军用越野车上也有一定的应用。风冷式机型对军用车辆而言，由于没有水冷却系统，可靠性更好，不会由于冷却系统被子弹打穿而被迫停止运行。

当风冷式机型缸径较大时，散热效率降低，冷却也不均匀，故缸盖等有关零件热负荷会相对较高，可靠性较差。同时，其油耗较高、噪声较大，冷却片易被尘土堵塞而产生过热，造成缸体损坏。

4.2.4 内燃机主要性能指标的选定

内燃机主要性能直接关系到车辆的技术性能和使用性能。内燃机主要性能指标包括：内燃机最高功率Pmax及其相应转速nP；内燃机最大扭矩Mmax及其相应转速nM和内燃机的总适应系数φ。

(1)内燃机最高功率及相应转速

从一般的汽车理论可知，内燃机功率越大，则汽车动力性能越好。但若功率过大，则内燃机功率利用率降低，燃料经济性下降。内燃机和传动系的质量也会相应增大。因此，要合理选择内燃机的功率[10]。

总体设计所求出的内燃机最高功率为净输出功率。它比一般内燃机外特性上的最高功率值通常低12%～20%。外特性上的最高功率值应为计算值再加上内燃机工作时所需要附件消耗的功率之和。

近年来，由于军用车辆的运行速度得以有效提升，整车的最高功率也在逐步攀升。在对内燃机进行选型时，除了对其最高功率提出要求外，还要对最高功率的相应转速nP提出一定要求(大致范围)。因为它不仅会影响到内燃机的排量、尺寸、性能和使用，而且也影响到车辆传动系的寿命、最大车速和主传动比io的选择。总的来说，最高功率的相应转速nP高一些比较有利。

(2)内燃机最大扭矩及其相应转速

年鉴最大扭矩Mmax及其相应转速nM对车辆的动力性能(如动力因素、加速性能、爬坡性能等)影响较大。因此在对内燃机进行选型时，对这两个参数应根据车辆的动力因素的要求恰当地选取。

内燃机最大扭矩Mmax对最高功率时的扭矩MP之比也是一项重要性能参数，即扭矩适应系数α=Mmax/MP。其标志着当汽车行驶阻力增加时，内燃机沿着外特性曲线自动增加扭矩的能力，因而也反映了在不换挡的情况下，车辆驱动力能增加多少倍。显然，这个系数大一些，换挡次数即可减少，车辆耗油量也能相应减少。因此，对这个系数α的数值应有一定的要求。从扭矩适应性系数来看，汽油机优于柴油机。对于高速运行的车辆而言，在内燃机最大扭矩相同的情况下，扭矩曲线平一些(即α系数小些)。而对于经常行驶在山区的汽车则希望α系数大一些较好。

(3)内燃机总适应性系数φ

φ=(Mmax/MP)·(nP/nM)

内燃机总适应性系数φ是上述两个比值的乘积。这两个比值越大，则内燃机的适应性越好。从为军用车辆选择内燃机，或从评价某类车辆的动力性能的角度来看，采用总适应性系数较大的机型比较有利。因为以此可减少换挡次数，减轻驾驶员的疲劳，减少传动系磨损并降低油耗[11]。

4.2.5 柴油机的增压

目前，都在使用小型径流废气涡轮增压器。通过该类方式增压可使内燃机的最高功率增加40%～50%，因此可以大幅提高柴油机的最高功率。此外，其还具有如下优点：

(1)废气增压不消耗额外功率，比油耗低；

(2)在高原地区上使用增压的柴油机时，其最高功率下降比一般非增压式柴油机低，约为非增压式的柴油机的30%；

(3)在最高功率相同的情况下，带有废气增压器的柴油机比一般非增压式柴油机尺寸小，且质量更轻，这对于有限空间的军用车辆动力舱而言是非常重要的；

(4)可以改善柴油机的排放、减少污染。

废气增压固然可以增加高转速时的最高功率，但它也有如下弊端：

(1)虽然在高速时增压效果较好，但其在低速时增压效果较差，因而扭矩增加比率相应降低。所以此类扭矩曲线用于驱动军用车辆并不理想。特别是为了改善排气效果，需要降低低速时的供油量。

(2)与柴油机转速的急剧变化相对应，增压器的动态响应性较差，通常具有长达数秒的滞后现象。在此期间会引起增压效果的不足，造成供油量过剩，不仅会冒黑烟，而且由于功率下降，车辆的加速性能也会相应变差。

为了改善上述缺点，从而为军用车辆配备了小型高速增压器。目前，用得最多的是最高转速达60 000～100 000 r/min的增压器。由于小型化，降低了增压器回转部分的惯性，所以其响应性较好。这样可以在某种程度上缓解低速扭矩的不足，有利于性能曲线的改善。

为了增加柴油机低速扭矩，可利用排气压力控制装置、后冷器等方法。而为了在进气管内压力没有达到规定值时，与压力成正比例地自动地节制供油量，并防止冒烟，采用了一种增压控制装置。

4.2.6 内燃机的起动性能

内燃机的起动性能是军用车辆使用的重要性能之一。军用车辆的工作环境温度通常为-40～+50 ℃。对常规内燃机而言，在-5 ℃以上的温度均能容易地起动，而-40～-5 ℃的低温状态会明显影响到整机的正常起动。造成低温起动困难的原因主要有如下几个方面：

(1)低温状态润滑油黏度较大，因而其运动件在起动时阻力显著增大；

(2)冷却液的冻结；

(3)蓄电池容量下降；

(4)低温状态下燃料不易挥发。

现代军用车辆已在车辆使用和结构优化方面采取了一系列措施，以改善整机的低温起动问题。在该方面的措施主要有：

(1)采用低温电瓶，解决低温状态下蓄电瓶容量下降问题；

(2)采用“乙醇+水”的防冻液，解决冷却液冻结问题；

(3)采用低温状态使用的润滑油，在一定程度上解决了内燃机运动件起动阻力增大的问题。

在整机结构方面，需要解决燃油在低温状态下不易挥发的问题。最初的办法是在汽油机的进气歧管上加预热水套，通过流经预热水套的水温以提高进气管的温度，从而提升燃料的挥发效果。低温状态下利用添加热水的方法，提高起动前的机内温度，使燃料得以更好地挥发，以利于整机起动过程。对于柴油机而言，则在进气管内安装了进气电热塞，提高进气温度，使喷入燃烧室内的燃油易于燃烧，便于低温状态下的起动。近年来，在进气管(汽油机)和缸头上安装有起动液(一种极易挥发的起动燃料)的喷射装置有效地提高了整机在低温状态下的起动能力。

在对机型进行选择时，应从军用车辆的使用温度环境出发，考虑到内燃机低温状态的起动能力，选择那些已配备有改善低温状态起动的机型，以提高整车冬季使用性能。

选型时除了考虑上述主要性能外，还要求所选机型的可靠性、可维修性和使用方便性相对较好的，同时具有结构紧凑、尺寸小和质量轻等优势。

4.2.7 部分内燃机经选型后的改装过程

部分军用车辆的内燃机经完成选型后，为了适应电传动或作为移动电站的需要，通常要进行适度改装，其主要要求通常如下：

(1)作为电传动军用车辆的内燃机，除了前端带动普通机械式传动车辆用的附属设备(如空压机、发电机)之外，还要带动励磁机、空调制冷压缩机、主液压泵、涡轮风机等。这些附件的传动都是通过曲轴前端或水泵轴前端带动，因此对水泵轴和曲轴前端的传动结构提出要求。而内燃机的后端并非传动离合器、变速箱等机械式传动装置，而是发电机组。

(2)内燃机应能配装调速器的执行器，以保证在作战时发出稳定的中频(一般400 Hz)电流，为军用车辆上的电子设备提供所需的电能。调速器有全电式、电-液式和全液式3种。对后两种执行器，机组应能提供一定流量的液体压力(也可用机油压力)作为驱动执行器的动力。

(3)作战时，作战设备要求汽油机的电气系统工作时应无电磁干扰，应按作战设备的干扰频率，对汽油机点火系统(分电器、高压线和火花塞)提出屏蔽要求。由于柴油机为压燃式点火，所以无屏蔽要求。

除上述外，当总体设计出所需的最高功率及安装位置和空间后，针对动力系统选型应紧密结合军用车辆的特点和作战要求进行，主要有：

(1)充分调研国内外现有机型和正研制的机型并做出技术比较；

(2)根据军用车辆的特点和作战要求确定相应的机型；

(3)根据整个车辆系统研制周期和经费确定最佳优化内燃机的途径。

5 结论及展望

考虑到当前复杂严峻的国际形势，不断提升国内的地面武备力量依然有着较高的重要性和必要性。由于动力系统对于军用车辆的作战性能有着重要影响，围绕其而展开的技术研究及探讨依然不可或缺。内燃机相对转子发动机及燃气轮机而言，其技术成熟度较高，有着较好的可靠性及耐久性，且制造成本与使用成本更低廉，因此其在未来的军用车辆动力装置领域依然将占据重要地位。