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收稿日期:2020-11-04
作者简介：伍赛特(1990 )，男，硕士，工程师，研究方向为内燃机与动力装置㊂E-mail:wusaite@126㊂
DOI :10.19466/jki.1674-1986.2021.04.022
伍赛特
(上海汽车集团股份有限公司，上海200438)
摘要：介绍了军用车辆动力系统的组成及使用要求，同时对其所用发动机的技术特点进行了阐述，并对其选型过程进行了重点研究㊂与转子发动机及燃气轮机进行了对比，内燃机具有高效㊁高可靠性㊁高耐久性及成本低廉等优势㊂对内燃机经选型后的改装过程进行了研究，最后对其进行了展望㊂
关键词：军用车辆；动力系统；内燃机；发动机中图分类号:U469.79
Research on Technical Features of Military Vehicle Power System and Engine Selection
WU Saite
(SAIC Motor,Shanghai 200438,China)
Abstract :The composition and operating requirements of the military vehicle power system were introduced.At the same time,the
technical characteristics of the engine used were elaborated,and the selection process was focused on.Compared with rotor engine and gas
turbine,internal combustion engine has the advantages of high efficiency,high reliability,high durability and low cost.The refitting process
of internal combustion engine after type selection was studied.Finally,the prospect was given.
Keywords :Military vehicle;Dynamic system;Internal combustion engine;Engine
0㊀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]㊂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㊂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㊁传动装置中以及行动装置中的能量损失㊂
1㊀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㊁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㊁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㊁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㊂
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㊂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㊂
2㊀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㊂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㊁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㊁维护和修理，同时也应确保整车的战术技术要求㊂
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-50~50ħ;
(2)相对湿度(在25ħ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;
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(4)运行气候条件为全天候;
(5)低气压与海拔高度4000m 的气压相当㊂
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㊂
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㊂通过整体吊装方式以更换动力系统的时间不应超过2h ㊂同时，整体吊装的
动力系统应具有部件积木化的特点㊂换言之，更换各个组件和系统时不用分解整个动力系统㊂同时，通过整体吊装方式更换动力系统时应不漏洒冷却液㊁机油和燃料㊂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㊂
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㊂除此之外，动力系统应具备使用多种燃油的可能性㊂
动力系统的可靠性(修理的有效性包括在内)㊁技术保养的周期和时间应与军用车辆的总体要求相适应㊂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)㊂
目前，动力系统的保险期由发动机工作的保险期
(不低于500h )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1000h ㊂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㊂对于内燃机而言，当环境
空气温度降至-25ħ时，其起动时间不应超过3min ㊂当
环境空气温度降至-40ħ时，起动时间不应超过20min ,
对于燃气轮机而言，该数值不应超过3min ㊂
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㊂
为了确保动力系统的防火安全，应防止燃油㊁润滑油流入高温区，避免使其形成暴露的油气等㊂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㊂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㊂
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㊂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㊁转矩和转速要求[5]㊂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1100kW ㊂
(2)高单位体积功率㊂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㊂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㊂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㊂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㊂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㊂现代主战坦克的发动机单位体积功率高达
800~1400kW /m 3，单位功率质量为1.5~2.0kg /kW ㊂
(3)良好的燃油经济性㊂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㊂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㊂而当行驶里程一定时，油箱的体积就可缩小㊂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㊁质量和增加携带的弹药数量有重要影响㊂此外，减少油料消耗，可以减轻后勤供应负担㊂通常要求现代主战坦克发动机的比燃油消耗量小于240g /(kW
㊃h )㊂(4)良好的牵引特性㊂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㊂
(5)良好的适应性㊂军用车辆应能在高温㊁严寒㊁高原㊁山地㊁泥泞㊁潮湿㊁振动㊁冲击㊁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㊂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㊂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㊂
(6)高可靠性㊁维修性和耐久性㊂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㊂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㊂
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(7)良好的起动性能㊂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㊁可靠地起动㊂
(8)低噪声㊂降低噪声可改善乘员的工作环境，并提高隐身防护性能[8]㊂
(9)良好的经济性㊂应有着相对较低的采购㊁使用及维修保障费用㊂
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㊁总重㊁总布置型式(前置或是后置)㊁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㊁可靠性和可供给使用的程度等来选型㊂通常要经过多方案的比较，才能确定选型方案㊂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㊂
4.1㊀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㊁燃气轮机和内燃机3种㊂4.1.1㊀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㊁质量轻㊁体积小㊁单位质量的功率大㊁振动小㊁高速性能好㊂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㊂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㊂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㊂
4.1.2㊀燃气轮机
燃气轮机已在部分重型车辆㊁军用车辆和发电机组
上得以应用㊂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㊂(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㊂因此，其扭矩输出通常不会发生变化，且振动小㊂
(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㊂
(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㊂
(5)结构简单，零件少，维护保养简单方便㊂(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㊂
(7)排气清洁度较高㊂
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㊂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㊂
(2)负荷突然变化时的响应性较差㊂
(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㊂
(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㊂
(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㊂
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15~20N /kW ，低于此值的微型燃
气轮机通常并不比内燃机更轻小㊂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㊂
目前，虽然车用燃气轮机有分轴式燃气轮机㊁增压式燃气轮机和差动齿轮式燃气轮机等多种类型㊂但目前军用车辆领域动力装置依然还是以内燃机为主㊂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㊂
4.2㊀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㊂
对其基本型式的选择应从如下几个方面进行㊂4.2.1㊀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㊂
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㊂
但柴油机的工作比较粗暴，振动和噪声较大，尺寸
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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㊂
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㊂
4.2.2㊀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V6㊁V8㊁V10㊁V12(直列式缸数可到6缸，最大8缸)㊂
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㊂这对长度受到限制的重型车㊁越野车和鞍式牵引车而言[9],V 型内燃机的优点比较突出㊂V 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㊂
目前，汽油机排量在4L 以下的，一般都采用直列
式内燃机；而排量在6L 以上和缸径大于150mm 的机型
上，大多会采用V 型的结构形式㊂柴油机排量在12L 以
上时，多采用V 型的结构形式㊂4.2.3㊀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㊁可靠，散热好，因而缸盖㊁活塞等
主要零件的热负荷较低㊂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㊂因此，水冷式能很好地适应大功率机型及其应用㊂
(2)冷却系统的噪声较低㊂
(3)平均有效压力可以高出5%~10%，比油耗相对较低㊂
(4)在冬季，车内可以利用冷却系统的介质供暖㊂
(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㊂
(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㊂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㊂
由于上述优点，绝大多数汽车采用了水冷式机型㊂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㊂风冷式机型的技术特点正好与此相反㊂(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㊂在缸径不大时，风冷式机型的散热效能较好㊂因
此，风冷式机型在22kW 以下的小排量内燃机上得以广
泛应用㊂在重型越野车和军用越野车上也有一定的应用㊂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㊂
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㊂同时，其油耗较高㊁噪声较大，冷却片易被尘土堵塞而产生过热，造成缸体损坏㊂4.2.4㊀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㊂内燃机主要性能指标包括：内燃机最高功率P max
及其相应转速n P ；内燃机最大扭矩M max 及其相应转速n M 和内燃机的总适应系数ϕ㊂
(1)内燃机最高功率及相应转速
转子发动机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㊂但若功率过大，则内燃机功率利用率降低，燃料经济性下降㊂内燃机和传动系的质量也会相应增大㊂因此，要合理选择内燃机的功率[10]㊂
总体设计所求出的内燃机最高功率为净输出功率㊂它比一般内燃机外特性上的最高功率值通常低12%~
20%㊂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㊂
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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㊂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n P 提出一定要求(大致范围)㊂因为它不仅会影响到内燃机的排量㊁尺寸㊁性能和使用，而且也影响到车辆传动系的寿命㊁最大车速和主传动比i o 的选择㊂
总的来说，最高功率的相应转速n P 高一些比较有利㊂
(2)内燃机最大扭矩及其相应转速
年鉴最大扭矩M max 及其相应转速n M 对车辆的动力
性能(如动力因素㊁加速性能㊁爬坡性能等)影响较大㊂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㊂
内燃机最大扭矩M max 对最高功率时的扭矩M P 之比也是一项重要性能参数，即扭矩适应系数α=M max /M P ㊂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㊂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㊂因此，对这个系数α的数值应有一定的要求㊂从扭矩适应性系数来看，汽油机优于柴油机㊂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)㊂而对于经常行驶在山区的汽车则希望α系数大一些较好㊂
(3)内燃机总适应性系数ϕϕ=(M max /M P )㊃(n P /n M )
内燃机总适应性系数ϕ是上述两个比值的乘积㊂这两个比值越大，则内燃机的适应性越好㊂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㊂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]
㊂
4.2.5㊀柴油机的增压
目前，都在使用小型径流废气涡轮增压器㊂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㊂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㊁减少污染㊂
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㊂所以此类扭矩曲线用于驱动军用车辆并不理想㊂特别是为了改善排气效果，需要降低低速时的供油量㊂
(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㊂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㊂
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㊂目前，用得最多的是最高转速达60000~
100000r /min 的增压器㊂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㊂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㊂
为了增加柴油机低速扭矩，可利用排气压力控制装置㊁后冷器等方法㊂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㊂
4.2.6㊀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一㊂军用车辆的工作环境温度通常为-40~+50ħ㊂对常规内燃机而言，在-5ħ以上的温度均能容易地起动，而
-40~-5ħ的低温状态会明显影响到整机的正常起动㊂
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㊂
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㊂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㊂
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