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装甲车辆动力研究现状与展望

发表时间:2024-04-02 14:49:27 来源:电喷共轨系列

  陆地军用车辆在现代化军事战争中格外重要,先进的军用车辆是国家军事实力的象征,也是保护国家安全的重要力量。动力装置是军用车辆的核心,各国对其研究从未间断。陆地军用车辆大致上可以分为坦克、装甲车、战术车辆3类。本文对3类军用车辆动力装置的研究现在的状况进行简述、提出一些改善军用车辆内燃机性能的技术方法、比较了各类动力装置之间的优劣,最后对未来陆地军用车辆动力装置的进展提出了展望。

  坦克是陆海空一体化作战体系的重要组成部分,是陆军制胜的关键。各国为了更好的提高自身军事实力,保护本国领土安全,一直对坦克进行改进与创新,加快推出新型的坦克装备。坦克机动性备受国际关注,世界各国从未放松对坦克动力装置的研究。

  我国坦克发动机进展历经了3代,从表1可知在发动机排量不变的基础上,坦克发动机功率从第一代的382kW增加到第二代的537kW和第三代的883kW。第二代发动机是在第一代的基础上采纳涡轮增压技术,性能得到提高;目前第三代坦克使用的最新发动机为WR703/150HB系列柴油机,功率可达1103kW。我国目前坦克的动力装置仍以高性能柴油机为主,在很多指标上已接近国际先进性水平。

  在第一次世界大战时,主战坦克使用功率为77kW的活塞汽化式汽车发动机作为动力装置。自1928年英国开始研制专门的坦克军用发动机起,坦克动力装置的进展已经走过92个年头。表2列出了国际上部分坦克发动机的有关数据。目前较先进的国外坦克如美国M1的功率可达1119kW;俄罗斯T95的功率可达1300kW;日本10式主战坦克的柴油机采纳陶瓷实现隔热,进而确保优良的热效率,功率也可达到882kW。通过关键技术提升,柴油机的功率、油耗等性能指标得到了明显改善;发动机的质量更小,结构更紧凑。目前,国外坦克动力主要以柴油机为主,部分采纳燃气轮机作为动力。

  装甲车辆在一个国家的国防中占有不可撼动的地位,地面战争中装甲车辆仍是机械化部队的主要装备。装甲车辆动力性能必然的联系到车辆的作战能力和生存能力,是其最基本、最重要的性能要求,因此各国对装甲车辆动力装置的研究从未间断。

  初期的装甲车辆以履带式车辆为主,但随着各军事强国对陆军开展改革,以及大量非对称作战代替了大规模武装冲突,轮式装甲车辆的地位慢慢的升高,对其研究也慢慢变得受到各国重视。

  为了满足现代战争需要,我国从1958年开始对装甲车进行研制,表3列举了部分我国装甲车动力装置的参数。目前,我国较先进的09式轮式装甲车功率可达340kW。

  上世纪80年代起,装甲车辆已成为发达国家轻型装甲机械部队的主要作战装备,各国相继研发各种陆用、两栖装甲车辆。俄罗斯相继将6TД-2、B92C2、B-84MC等发动机匹配在各种各样不同型号的装甲车辆上,这些发动机的性能同样是朝着高功率、低油耗、轻量化的方向进展。德国MTU公司也一直参与装甲车用柴油机的研制工作,一直将高功率密度作为其主要研制目标。国外部分装甲车动力装置如表4所示。纵观国外装甲车动力装置的进展,仍以柴油机为主,部分装置采纳燃气轮机。

  战术车辆是地面军队的后勤保证中枢,承担着战术后方至前沿及战术地域弹药、油料和日用物品的定点保证和相伴保证任务,在军用车辆体系中具备极其重大作用。

  我国的战术车辆进展较晚,至今仍沿用上世纪80~90年代的车型,不足以满足未来战争要求。反观国外,上世纪70年代,德国MAN公司开发了第一代重型高机动性的战术车辆,而后相继开发了SX、HX系列车辆,其中MANHX77战术车辆的功率可达321kW。美国也相继推出HEMTT、MTVR、LVSR系列战术车辆,最高功率可达450kW左右。表5列举了国外战术车辆的动力装置参数。目前的战术车辆动力装置仍以柴油机为主,有些国家也对混合动力战术车辆进行了研究。

  目前,柴油机仍为军用车辆的主要动力装置,随着军事要求的逐步的提升,柴油机也会朝着更高功率、更高性能方向进展。为了进一步提升柴油机的性能,有关技术方法如下所述。

  提高柴油机压缩比是常用的提高缸内压力的方法,提高柴油机的缸内压力有助于提高平均有效压力、升功率和热效率,改善燃油经济性。为客服过高的热负荷和机械负荷,美国大陆公司很早开始对坦克动力装置展开研究。如AVCRl360-2可变压缩比柴油机,为了追求更高的功率、克服过高的热负荷和机械负荷、达到尽可能高的强化程度以及改善启动性能和低速工作性能采纳了可变压缩比活塞,其压缩比可变范畴为9∶1~16∶1。

  Funayama等人利用一台单缸军用柴油机,将压缩比从17提高到26,理论热效率提高5%,指示热效率和有效热效率分别提高3.0%和1.5%。然而,笔者发觉法国的勒可莱尔坦克采纳的UDV8X-1500发动机采纳较低的压缩比6~10,但是采纳很高的增压压比能够达到较高功率。由此可见,提高进气压力也能大大的提升柴油机功率。

  提高进气压力也是一种提高柴油机动力性的有效手段,可以使发动机在相同的进气时间获得更多的新奇空气,进而提高喷油量,每个循环可获得更多的有用功。

  如上节所述的法国UDV8X-1500超高增压柴油机别具特色,其压比高达4~9,其基本特点是涡轮增压器与柴油机并联连接,旁通补燃系统亦并联其中。空气从压气机出来后非全部进入柴油机,其中一部分通过旁通和补燃燃气进入涡轮,使涡轮增压器从始至终保持在高效率区工作,增压压力会远高于常规涡轮增压器。同时,涡轮增压器可独立于柴油机工作,所以不仅能解决常规涡轮增压柴油机增压压力超过0.35MPa时低压缩比起动问题,而且也能改善其转矩性能和加速性能。作为柴油机和燃气轮机特别组合的超高增压发动机的优点是:大幅度提升功率,在不增加常规涡轮增压柴油机热负荷和机械负荷条件下,功率可提高2~5倍,因而具有较高的平均有效压力、优良的转矩特性和加速性。

  黄开胜等人在一台3.8L涡轮增压中冷4缸柴油机上通过试验和仿真研究了进气压力对柴油机燃烧和性能的影响。试验及仿真根据结果得出:在排气压力保持不变的条件下,最高燃烧压力与进气压力有着非常明显的线性关系,进气压力每增加100kPa,最高燃烧压力增加约4.8~7.0MPa,来提升柴油机功率。随着进气压力增加,柴油机缸内燃烧滞燃期缩短,燃烧开始点提前。

  由此可见,采纳较高的进气压力可以使柴油机达到更高的功率,能更好地满足高负荷下军用车辆的工作要求。为实现较高的进气压力,需要高性能、可调节增压系统如:压气机和涡轮均可调的增压器、顺序增压、单级压力4~5的高压比涡轮增压器、单涡轮双压气机等。

  军用柴油机朝着更高的功率进展,电控喷油系统的需求也随之增加,影响喷油系统的重要的条件是:大流量、高响应。喷油目标要求是:精确计算喷油量、较高且适宜的喷油压力,以改善燃烧,降低油耗。目前,较先进的喷油系统如MANDiesel&Turbo新一代CR2.2高压共轨系统、MTU公司2000CR型柴油机新一代高压共轨系统,喷油压力最高可达220MPa。

  张红光等人采纳Servojet型喷油系统中的SSI-1系统作为军用大功率柴油机电控高压喷油系统的开发方案,电控高压喷油系统的喷油量和喷油压力,通过操纵共轨燃油压力和电磁阀通电时间来实现柔性操纵。该设计的具体方案的优点是:当共轨燃油压力达到8MPa时,最大喷油压力可达到113.5MPa,单缸每循环喷油量可达350mL;当共轨燃油压力达到10MPa以后,根据仿真计算结果可知,最大喷油压力将会达到146MPa,单缸每循环喷油量将超过450mL。在进气增压中冷状态下,使用该设计的具体方案,大幅度提升了1150G单缸柴油机的功率至92kW以上。

  王军等人通过仿真研究了某用柴油机的高压共轨系统共轨管的不同长度和不同内径对喷油压力的影响。柴油机的技术参数如下:四冲程、水冷、6缸涡轮增压,最大转矩1.773kN·m,额定转速2100r/min,额定功率300kW,额定燃油消耗率216g/(kW·h)。结果显示:长度对喷油压力建立时间和压力波动存在折衷关系;共轨管中的压力波动幅值,随着共轨管内径增加而减小,压力建立时间随内径增加而增加。

  王军等人结合一用柴油机的喷油要求,进行了大流量压电式喷油器的设计,研究者计算了2种压电堆及液力放大机构的输出参数。确定了喷油器最小喷射时间为0.6ms。对喷油器喷油效果的验证表明:圧电堆、液力放大机构和双排喷孔的设计的具体方案可以很好地满足军用柴油机大流量喷油的要求。

  燃料的性质直接影响着缸内的燃烧,不同的燃料具有不一样的燃烧速度,会直接影响缸内爆发压力,进而影响发动机性能。

  自上世纪50年代开始,美国开始研制可以同时在飞机发动机、地面军用车辆使用的燃料。目前美国军用车辆使用的燃料类型是:JP-8、JP-8+100。JP-8是一种由脂肪族和芳香烃组成的煤油基燃料,最早用于航空发动机,JP-8+100是在JP-8的基础上补充添加剂以增强其热稳定性。

  Schihl等人在一用的单缸柴油机上,探究JP-8、煤制油、石蜡煤油及其掺混油对柴油机性能的影响。实验根据结果得出:单一的煤制油和石蜡煤油无法稳定燃烧,JP-8的掺混有效地改善了这一状况,JP-8燃油有效地改善了燃烧质量,促使了柴油机达到更高的功率。

  Labeckas等人探究JP-8燃料、柴油及其混合燃料对发动机性能的影响,分别在发动机轻载(15%)、中载(50%)、满载(100%)3种条件下进行实验。根据结果得出:随着JP-8含量的增多,缸内压力增加、有效热效率提高了1.0%~3.6%。

  Fernandes等人研究了JP-8和DF-2号柴油对重型柴油发动机性能和排放的影响,在1200r/min和20%的负载情况下,由于JP-8燃油的加入缸内压力由450kPa升至480kPa。如图2所示,在1200r/min和50%的负载情况下,JP-8的使用使柴油机发热率由175J/°CA升至200J/°CA。

  通过上述研究能够准确的看出,JP-8燃料相比柴油能大大的提升柴油机的性能,开发新型的燃料对于进一步提升军用车辆发动机的性能有着积极的意义。

  综上所述,随着各类新型技术的慢慢的提升,军用车辆柴油机将会朝着更高的功率、更高的效率、更低的燃油消耗率方向进展。

  燃气轮机是一种可以连续燃烧的非常快速地旋转式涡轮机械,20世纪40年代被大范围的应用在航空领域,研究人员逐步开始做将燃气轮机作为陆地军用车辆动力装置的研究工作:如美国的M1系列和俄罗斯T95型坦克。燃气轮机与柴油机相比各有优劣。

  1)燃气轮机具有高功率密度在保持功率不变的条件下,降低发动机的质量,缩小其体积,唯一的途径是提高发动机转速,降低发动机驱动转矩,燃气轮机的转速更快,驱动转矩更低;就质量而言,一台柴油机约占坦克总质量的4%,燃气轮机约占2%。由于这些特点,为实现军用车辆发动机的高功率密度,燃气轮机技术可作为较佳的技术途径。

  2)燃气轮机具有更加好的转矩特性燃气轮机的功率输出由动力涡轮提供,当发动机在低转速或部分负荷工况下,可从燃气发生器猎取充分能量来提高其转矩。比较了GT601燃气轮机和柴油机的转矩特性,可见燃气轮机的转矩特性优于一般柴油机,部分转速条件下优于高转矩柴油机,如图3所示。

  3)燃气轮机具有更加好的牵引特性毕小平等人以俄罗斯GTD1250式燃汽轮机(共4个挡位)和一用柴油机(共7个挡位)作为研究对象,对两者的牵引特性进行计算分析,结果如图4所示,柴油机的7挡曲线有失速现象,丢失功率较为严峻,而燃气轮机的4挡曲线是较为理想的牵引特性曲线)燃气轮机具有更加好的启动特性燃气轮机的启动特性优于柴油机,特别是在低温度的环境下,燃气轮机可在-35℃条件下启动无需任何辅助加温系统,而柴油机在-16℃下冷启动需要进行预热且启动时间更长。如表6所示,某台燃气轮机的启动性能优于柴油机。尤其是在高原环境下会导致柴油机热效率降低、动力性能减弱、排放劣化,冷启动困难等问题。燃气轮机则可以克服以上的问题。

  1)燃油经济性问题毕小平等人将AGT-1500燃气轮机与一台功率相当的军用柴油机的燃油消耗量进行了对比,中级公路、越野、怠速3种工况下发动机燃油消耗量如表7所示。由表7可知燃汽轮机在怠速工况的燃油消耗量比柴油机要高l倍;在中级公路工况,燃汽轮机与柴油机的燃油消耗量相差不大;在越野工况,燃汽轮机的燃油消耗量低于柴油机,燃汽轮机与柴油机作战使用总任务的燃油消耗量相近,总体计算燃气轮机的燃油消耗量要高于柴油机。

  2)燃气轮机空气滤清难度大燃气轮机的空气消耗量大,比柴油机的耗气量多2倍以上,大大加重了空气滤清的难度,易产生叶片结垢、腐蚀、磨损等问题,这是对燃气轮机灾难性的损伤。即使已经有研究者提出了具有高效自清洁能力的燃气轮机,但其滤清器和回热器庞大的体积,使燃气轮机基本失去了原本应有的体积小、单位体积功率大的优势。

  3)燃气轮机制造成本高燃气轮机的制造需要昂贵的耐高温合金,且需要先进的柔性加工设施,高档的数控机床,用以满足复杂的工艺技术要求,这些都大幅度提升了制造成本。

  3.2混合动力装置技术特点目前,混合动力主要包含2种动力系统:油、电混合动力系统和液压混合动力系统。目前,混合动力技术相对成熟,以美国为代表的各国军方也在着力探究混合技术在军用车辆上的应用。

  1)增强军用车辆的动力性能混合动力系统采纳2套动力系统,当内燃机提供的功率不足时电池或液压储能装置能进行功率的补给,这就使得军用车辆获得更高的动力性。由于该技术方案采纳了2套动力装置,当其中一套动力装置损坏,另一套仍旧可保证军用车辆具有正常作战能力,提高了作战能力和战士的存活率。

  2)提升燃油经济性混合动力系统与内燃机相比具有更加好的燃油经济性。在频繁起停的工况下,液压混合动力车辆的燃油经济性更好,因此,混合动力技术是改善车辆燃油经济性的较佳挑选。

  1)电池组系统性能欠佳油电混合动力系统要很完善的电池系统,但目前的车用电池,存在成本高、寿命短等问题,为解决这些技术难题仍需投入大量的科研力量。

  2)车辆成本高,质量大混合动力车辆在原有基础上增加了大量装置,大幅度提升了生产、维护成本。同时,混合动力装置质量大,导致整机质量增大,这在某些特定的程度上会影响军用车辆的动力性能。

  本文简述了目前军用车辆的动力情况,提出几种增强军用柴油机性能的技术方法,并对比柴油机、燃气轮机、混合动力3种装置的优劣性,对提高军用车辆性能,提高国家国防实力有着积极的意义。同时笔者根据目前的研究状况对未来军用车辆动力装置的进展提出展望。

  1)目前军用车辆的主要动力装置仍以柴油发动机为主。随着进气增压技术、喷油技术的进展,先进燃料的开发,军用车辆柴油机将朝着更高功率、更高动力性能的方向进展。

  2)燃气轮机相比于柴油机具有更高的功率密度,更好的转矩特性、牵引特性、启动特性等优势,但其耗油量大、空气滤清难度大、成本高仍是亟需解决的问题。随着有关技术的不断进展以及后勤保证措施的逐渐完备,其在军用车辆动力装置领域的应用前景有望进一步提升。

  3)混合动力相比于柴油机具有更加好的动力性能和燃油经济性,有效提升车辆作战能力等优势;但是其电池成本高、寿命短,复杂的装置会增加军用车辆质量也是不可忽略的劣势。此外值得一提的是,采纳液压储能与电池储能相结合的复合式混合动力系统,是未来混合动力应用在军用车辆上新的进展方向。复合式动力装置结合了2种系统的优点,更具进展前景。

  4)未来军用车辆的动力装置不会只以单一的动力装置形式存在,结合不同装置的特点,优劣互补的组合动力形式会是重要的进展方向,而且未来的动力也将更加智能,以满足总系统信息化的需求。


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