美军战术车辆动力系统选型与匹配

刘健锋，刘伍权，朱 岩，张光超，刘瑞林

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161)



● 车辆工程 Vehicle Engineering

美军战术车辆动力系统选型与匹配

刘健锋1，刘伍权2，朱 岩2，张光超1，刘瑞林2

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161)

为了解美军战术车辆发展状况，提高我军车辆装备的建设水平，分析美军主要战术车辆发动机的性能与技术参数，研究美军主要战术车辆发动机选型与匹配情况。分析表明：美军不同车族的战术车辆，在动力总成的动力性、燃料适应性、维修性等方面存在明显的差异，即不同车族的战术车辆对动力系统选型与匹配的要求不同。建议根据我国国情军情，尽快建立关于军用车辆动力系统选型与匹配的强制性标准规范。

战术车辆；发动机；动力系统；美军

现代军用战术车辆不仅是一种运输工具，而且是一种多用途的战术装备：既可执行运输、战场救护等战斗勤务保障任务；又可搭载通信或侦察设备，执行战斗支援任务；还可作为各种武器的运输和发射平台，执行战斗任务。而战术车辆的战场机动性、可靠性等性能指标的好坏，很大程度上取决于发动机的性能，以及战术车辆动力系统的合理匹配水平。因此，为战术车辆匹配合适的发动机，有助于提高战术车辆的各项性能指标，促进战术车辆的系列化、通用化、模块化发展，拓宽战术车辆的使用用途，最终达到提高装备作战能力的目的。

1 美军战术车辆车族

进入20世纪80年代以后，美军更加重视战术轮式车辆的车族化，不仅新一代轻型车、中型车、重型车均实现了车族化，每个车族的变型车达10～20种，而且M998“悍马”系列高机动性多用途轮式车辆、FMTV中型战术车族和HEMTT重型战术车族还分别成了美军新一代轻型车、中型车和重型车的主干车族，战术车型还包括Bradley战车、斯特瑞克装甲车、MRAP反地雷伏击车等车型。

1.1 美军HMMWV车族

高机动性多用途轮式车辆(high mobility multi-purpose wheeled vehicle，HMMWV)共经历了A0、A1、A2和ECV等4个系列车型的改进发展，其生产型号多达60多种。虽然HMMWV车族型号众多，但按其任务分类，大致分为运输车、救护车、方舱车、军械载车、陶氏导弹发射车以及特殊类车型6类，其具体车型见表1[1]。

表1 HMMWV车族车型

(1)A0系列。是HMMWV最早的系列车型，装配6.2 L柴油发动机、3速变速箱，其有效载荷为1 134～1 996 kg，车辆最大总质量为4 536 kg，共有车型17种，其中基型平台为M998和M1097[2]。

(2)A1系列。在A0系列车型的基础上改善了动力传动系统和悬架的性能，其有效载荷和车辆总质量不变，共有车型16种，其中基型平台为M998A1和M1097A1。

(3)A2系列。装配6.5 L柴油发动机、4速自动变速箱，提高了车辆的有效载荷，为1 150～2 023 kg。相对于之前的系列，该系列只保留M1097A2作为基型平台，然后根据不同任务需求，发展了8种变型车。

(4)ECV系列。是HMMWV的扩容性系列车型，装配6.5 L涡轮柴油发动机，并且对悬架进行了升级，主要是加强了车辆的装甲，提高了防护性。ECV系列车型根据任务的不同，有效载荷为1 043～2 313 kg，最大总质量为5 489 kg，其中基型平台为M1113，变型车共有12种。通过分析可知，HMMWV车族主要依靠变化上装形成车族。依托基型车，变化上装发展各种用途的变型车辆，是战术车辆车族化的主要途径。

1.2 美军FMTV车族

美军现役的中型战术车辆在发展上呈现两条发展路线：一条为采用平头驾驶室布置方案的中型战术车辆(family of medium tactical vehicle，FMTV)路线，另一条为采用短头驾驶室布置方案的替代型中型战术车辆(medium tactical vehicle replacement, MTVR)路线，其具体车型见表2[3]。

表2 FMTV、MTVR系列车型

(1)FMTV系列车型。美军于1991年10月开始研制FMTV系列。该系列整车分为2.5吨级4×4型轻中型战术车辆LMTV和5吨级6×6型中型战术车辆(medium tactical vehicle, MTV)，这两种基本底盘的85%的零部件可以通用[4]。

(2)MTVR系列车型。MTVR为美国海军陆战队利用现有的越野车辆技术，开发利用替换M939的中型战术车辆，主要包括运输车、牵引车、运水车、抢救车、补给车、自卸车等车型，主要编配海军陆战队用于遂行各类后勤保障任务。

1.3 美军重型战术车辆车族

重型战术车辆作为美军地面部队的后勤保障中枢，承担着战术后方至前沿及战术地域弹药、油料和日用品等物资的定点保障和伴随保障任务，并用作主战及保障装备的改装平台，在美军战术车辆装备体系中发挥着重要作用。

美军重型战术车辆由10吨级的重型扩展机动性战术卡车(HEMTT，8×8)、15吨级的货盘装载系统(PLS，10×10，由M1075牵引车、M1076挂车和M1077托盘组成)、15吨级的后勤车辆系统替代车辆(LVSR，10×10)和重型装备运输车(HET，8×8)4种车型组成，其具体车型见表3[5-6]。

表3 重型战术车辆车族车型

1.4 战术车辆吨功率

吨功率PM是指发动机标定功率与汽车整备质量之比，可以作为衡量车辆最高车速的参数，其表达式为PM=P/M，式中：M为整备质量；P为发动机标定功率。

对于军车而言，同类型的车辆吨功率越大，该车的机动性就越好。表4为美军战术车辆发动机吨功率统计表，轻型战术车辆HMMWV的吨功率为54.6 kW/t，中型战术货车MK23的吨功率为33.9 kW/t，而同为中型战术货车的M1083的吨功率为28.8 kW/t，重型战术车辆的吨功率为24.3 kW/t，要保证美军不同车族战术车辆的机动性要求，这对动力系统选型与匹配提出了很高的要求。

表4 美军战术车辆发动机吨功率

2 美军战术车辆动力系统选型与匹配

2.1 发动机基本形式

车辆发动机基本形式的选择分为基本类型、结构形式、燃油系统、进气系统、冷却方式等，美军战术车辆发动机基本形式见表5。军用战术车辆为满足其使用性能，需要发动机具有高转矩和高可靠性，所以装配的都为柴油机；其布置形式采用V型结构或直列式的结构；燃油系统现在多采用高压共轨式的燃油系统；采用涡轮增压的方式提高进气压力；冷却方式又以液冷为主。

表5 美军战术车辆发动机基本形式

2.2 性能指标

当发动机的基本形式选定后，还需选定各种性能指标。对于军车而言，选定性能指标最重要的是动力性、可靠性、维修性、燃料适应性，保证作战使用需要，其次才是经济性、排放和噪声等性能。表6为美军战术车辆发动机的参数[7-8]。

表6 美军战术车辆发动机参数

2.2.1 动力性

(1)功率。一般而言，功率越大，汽车可以达到的最高车速就越快(见表6)，美军步战车M2A2、中型战术货车MK23和重型战术货车M977A4的发动机功率均达到了400 kW以上，其他车型也根据其载重和作战需要选择了大功率的发动机。

(2)转矩。转矩值在很大程度上决定着车辆的驱动力、动力因素、加速性能和爬坡能力等动力性参数。表6中，美军中型战术货车MK23和装有防护装甲的步战车M2A2的转矩值都达到了2 000 N·m以上。

(3)活塞平均速度。具体是指最大功率转速点活塞的平均运动速度，是衡量发动机强化程度的一个重要指标。其表达式为

Cm=S·n/30

式中：S为发动机的活塞行程；n为发动机的转速。

活塞平均速度的增大，能使发动机的升功率增大，体积减少，重量减轻，有利于动力性的改善与提高，结构更加紧凑。表6中所列举车型的发动机的活塞平均速度都达到了10 m/s。

(4)平均有效压力。指单位汽缸工作容积发出的有效功。是衡量发动机强化程度和工作循环各阶段完善程度的一个重要指标。其表达式为

Pme= πTtq·τ/iVs

式中：Ttq为转矩；τ为行程数；i为汽缸数；Vs为工作容积。

表6中所列举战术车辆发动机均为增压式柴油机，平均有效压力都达到了1.0 MPa以上。

(5)比质量。具体是指发动机的干质量与其额定功率的比值，是衡量发动机总体结构紧凑程度的重要指标。其表达式为

me=m/Pe

式中m为发动机干质量，指未加注燃油、机油和冷却液的发动机质量。

比质量越小，发动机结构越紧凑。表6中所列举中、重型战术车辆发动机比质量都在3.2 kg/kW以下，美军HMMWV和Bradley步战车发动机的比质量在2.4 kg/kW以下。美军这两款发动机都采用的V形布置，V形发动机相对于直列式的优点就是长度短、高度低、质量小，更易于设计出尺寸紧凑的高速大功率发动机，但也存在宽度大、横向布置困难、造价高等缺点，所以V形发动机适用于要求大功率或者超重型的战术车辆[9]。

(6)升功率。具体是指发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。其表达式为

PL=Pe/iVs

发动机升功率的值越大，发出一定有效功率的发动机尺寸越小，汽缸工作容积的利用效率越好，发动机的强化程度就越高[10]。表6中，美军的HMMWV发动机的升功率为21.8 kW/L，中型和重型战术车辆发动机都达到了30 kW/L左右。

(7)体积功率。其表达式为

PV=Pe/V

式中V表示发动机的体积。

单位体积的发动机功率，与发动机输出功率、维修性等密切相关，是反映发动机设计水平的重要参数之一。表6中所列举的发动机都达到了200 kW/m3以上。在轻型战术车辆方面，美军的HMMWV发动机的体积功率为350 kW/m3，目前，我军轻型战术车辆仅为172 kW/m3，仍有很大的提升空间。

2.2.2 可靠性

在计划内或计划外的过量维修都会影响在一个时间内可以用来进行工作的车辆数，而执行战斗任务车辆数的减少必然导致战斗力的下降，因此发动机的可靠性也成了军车发动机选型考虑的重要方面。考核发动机可靠性指标的重要数据是平均无故障时间，对于战斗车辆发动机，美军陆军的要求是：两次严重故障之间的平均时间为1 000 h，寿命为2 000 h[11]。同时，美军在部分车型发动机上安装相应故障检测系统。现役FMTV、MTVR系列车型均采用J1939数据总线，装备有嵌入式自动检测、诊断及维护预测系统以及交互式电子技术手册等设备，能够实时监测发动机的工作状况，极大地提高了战时军车发动机的工作可靠性[12]。

2.2.3 维修性

柴油机系列化是指保持柴油机某些结构参数不变的情况下，通过调整一些参数使得柴油机变型品种满足多种功能需求而形成的一个产品系列。分析柴油机系列化程度，可引入功率跨度评价参数αx，它反映了系列发动机应用领域的宽窄。

式中，Pmax和Pmin分别为系列中柴油机功率的最大值和最小值。

康明斯、卡特彼勒、底特律作为美军柴油机的3家主要供货公司，他们的柴油机系列化程度都很高，其中Cummins ISM系列发动机功率跨度为0.30，Caterpillar公司C7系列发动机功率跨度高达0.42，Detroit Diesel公司DD16系列也达到了0.33。而我军某型车辆所采用的锡柴电控L系列，其功率跨度仅为0.115，依然有很大的上升空间。同时，美军在车辆上实施战术车辆车族化发展战略，使得车辆总成部件通用化程度很高。同一车族的车辆系列化、通用化、模块化水平越高，车辆的维修保障性就越好[13]。

2.2.4 燃料适应性

军车发动机具有良好的燃料适应能力，可以有效减少军用动力装备燃料保障的种类，有助于提高战时后勤保障能力。美军自20世纪80年代开始提出并逐步实施“战场单一燃料政策”，成功地在陆军地面装备使用了JP-8(见表7)，大大提高了燃料的通用性[14-15]。战术车辆HMMWV、FMTV、HEMTT的发动机都可以使用JP-8，大大减轻了作战时部队的保障压力，提高了后勤保障效率[16-17]。而我军在提高军车发动机的燃料适应能力方面，仍处于实验研究初级阶段。

表7 美军战术车辆发动机燃料适应性

3 结 语

通过研究美军主要战术车辆发动机选型与匹配特性，结合我军战术车辆动力系统选型与匹配的情况，提出几点建议。

(1)在提高发动机功率的基础上，可通过采用V型结构等技术来减小发动机的质量和体积，从而减小发动机的比质量，增大发动机的体积功率，提高发动机的动力性；

(2)为发动机装备具有自动检测、诊断及维护预测等功能的故障自诊断系统、交互式电子技术手册，以提高发动机的工作可靠性；

(3)提高发动机的功率跨度，以提高系列化水平，增强发动机的维修保障性；

(4)研制对于军用动力设备具有高通用性的燃料，提高发动机燃料适应性；

(5)为提高动力系统选型合理程度，应根据我国的国情军情，尽快建立关于军用车辆动力系统选型与匹配的强制性标准规范。

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(编辑：张峰)

Selection and Matching of Power System for Tactical Vehicle in US Army

LIU Jianfeng1, LIU Wuquan2, ZHU Yan2, ZHANG Guangchao1, LIU Ruilin2

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To understand development status of tactical vehicle in US army and improve the level of constructing vehicle and equipment in our army, the paper analyzes the performance and technical parameters, and studies the selection and matching state of engine for main tactical vehicles in US army. The analysis shows that tactical vehicles from different vehicle family are different in dynamic performance, fuel adaptability, and maintainability, that is, they have different requirements in selecting and matching power system. It suggests that we should establish mandatory standards for the selection and matching of military vehicle power system as soon as possible according to our national and military conditions.

tactical vehicle; engine; power system; US army

2016-10-27；

2016-12-12．

刘健锋(1993—)，男，硕士研究生； 刘伍权(1973—)，男，副教授，硕士研究生导师.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.06.009

TK421

A

1674-2192(2017)06- 0036- 06