美軍戰術車輛動力系統選型與匹配

劉健鋒，劉伍權，朱 巖，張光超，劉瑞林

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161)

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● 車輛工程 Vehicle Engineering

美軍戰術車輛動力系統選型與匹配

劉健鋒1，劉伍權2，朱 巖2，張光超1，劉瑞林2

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161)

為了解美軍戰術車輛發展狀況，提高我軍車輛裝備的建設水平，分析美軍主要戰術車輛發動機的性能與技術參數，研究美軍主要戰術車輛發動機選型與匹配情況。分析表明：美軍不同車族的戰術車輛，在動力總成的動力性、燃料適應性、維修性等方面存在明顯的差異，即不同車族的戰術車輛對動力系統選型與匹配的要求不同。建議根據我國國情軍情，盡快建立關于軍用車輛動力系統選型與匹配的強制性標準規范。

戰術車輛；發動機；動力系統；美軍

現代軍用戰術車輛不僅是一種運輸工具，而且是一種多用途的戰術裝備：既可執行運輸、戰場救護等戰斗勤務保障任務；又可搭載通信或偵察設備，執行戰斗支援任務；還可作為各種武器的運輸和發射平臺，執行戰斗任務。而戰術車輛的戰場機動性、可靠性等性能指標的好壞，很大程度上取決于發動機的性能，以及戰術車輛動力系統的合理匹配水平。因此，為戰術車輛匹配合適的發動機，有助于提高戰術車輛的各項性能指標，促進戰術車輛的系列化、通用化、模塊化發展，拓寬戰術車輛的使用用途，最終達到提高裝備作戰能力的目的。

1 美軍戰術車輛車族

進入20世紀80年代以后，美軍更加重視戰術輪式車輛的車族化，不僅新一代輕型車、中型車、重型車均實現了車族化，每個車族的變型車達10～20種，而且M998“悍馬”系列高機動性多用途輪式車輛、FMTV中型戰術車族和HEMTT重型戰術車族還分別成了美軍新一代輕型車、中型車和重型車的主干車族，戰術車型還包括Bradley戰車、斯特瑞克裝甲車、MRAP反地雷伏擊車等車型。

1.1 美軍HMMWV車族

高機動性多用途輪式車輛(high mobility multi-purpose wheeled vehicle，HMMWV)共經歷了A0、A1、A2和ECV等4個系列車型的改進發展，其生產型號多達60多種。雖然HMMWV車族型號眾多，但按其任務分類，大致分為運輸車、救護車、方艙車、軍械載車、陶氏導彈發射車以及特殊類車型6類，其具體車型見表1[1]。

表1 HMMWV車族車型

(1)A0系列。是HMMWV最早的系列車型，裝配6.2 L柴油發動機、3速變速箱，其有效載荷為1 134～1 996 kg，車輛最大總質量為4 536 kg，共有車型17種，其中基型平臺為M998和M1097[2]。

(2)A1系列。在A0系列車型的基礎上改善了動力傳動系統和懸架的性能，其有效載荷和車輛總質量不變，共有車型16種，其中基型平臺為M998A1和M1097A1。

(3)A2系列。裝配6.5 L柴油發動機、4速自動變速箱，提高了車輛的有效載荷，為1 150～2 023 kg。相對于之前的系列，該系列只保留M1097A2作為基型平臺，然后根據不同任務需求，發展了8種變型車。

(4)ECV系列。是HMMWV的擴容性系列車型，裝配6.5 L渦輪柴油發動機，并且對懸架進行了升級，主要是加強了車輛的裝甲，提高了防護性。ECV系列車型根據任務的不同，有效載荷為1 043～2 313 kg，最大總質量為5 489 kg，其中基型平臺為M1113，變型車共有12種。通過分析可知，HMMWV車族主要依靠變化上裝形成車族。依托基型車，變化上裝發展各種用途的變型車輛，是戰術車輛車族化的主要途徑。

1.2 美軍FMTV車族

美軍現役的中型戰術車輛在發展上呈現兩條發展路線：一條為采用平頭駕駛室布置方案的中型戰術車輛(family of medium tactical vehicle，FMTV)路線，另一條為采用短頭駕駛室布置方案的替代型中型戰術車輛(medium tactical vehicle replacement, MTVR)路線，其具體車型見表2[3]。

表2 FMTV、MTVR系列車型

(1)FMTV系列車型。美軍于1991年10月開始研制FMTV系列。該系列整車分為2.5噸級4×4型輕中型戰術車輛LMTV和5噸級6×6型中型戰術車輛(medium tactical vehicle, MTV)，這兩種基本底盤的85%的零部件可以通用[4]。

(2)MTVR系列車型。MTVR為美國海軍陸戰隊利用現有的越野車輛技術，開發利用替換M939的中型戰術車輛，主要包括運輸車、牽引車、運水車、搶救車、補給車、自卸車等車型，主要編配海軍陸戰隊用于遂行各類后勤保障任務。

1.3 美軍重型戰術車輛車族

重型戰術車輛作為美軍地面部隊的后勤保障中樞，承擔著戰術后方至前沿及戰術地域彈藥、油料和日用品等物資的定點保障和伴隨保障任務，并用作主戰及保障裝備的改裝平臺，在美軍戰術車輛裝備體系中發揮著重要作用。

美軍重型戰術車輛由10噸級的重型擴展機動性戰術卡車(HEMTT，8×8)、15噸級的貨盤裝載系統(PLS，10×10，由M1075牽引車、M1076掛車和M1077托盤組成)、15噸級的后勤車輛系統替代車輛(LVSR，10×10)和重型裝備運輸車(HET，8×8)4種車型組成，其具體車型見表3[5-6]。

表3 重型戰術車輛車族車型

1.4 戰術車輛噸功率

噸功率PM是指發動機標定功率與汽車整備質量之比，可以作為衡量車輛最高車速的參數，其表達式為PM=P/M，式中：M為整備質量；P為發動機標定功率。

對于軍車而言，同類型的車輛噸功率越大，該車的機動性就越好。表4為美軍戰術車輛發動機噸功率統計表，輕型戰術車輛HMMWV的噸功率為54.6 kW/t，中型戰術貨車MK23的噸功率為33.9 kW/t，而同為中型戰術貨車的M1083的噸功率為28.8 kW/t，重型戰術車輛的噸功率為24.3 kW/t，要保證美軍不同車族戰術車輛的機動性要求，這對動力系統選型與匹配提出了很高的要求。

表4 美軍戰術車輛發動機噸功率

2 美軍戰術車輛動力系統選型與匹配

2.1 發動機基本形式

車輛發動機基本形式的選擇分為基本類型、結構形式、燃油系統、進氣系統、冷卻方式等，美軍戰術車輛發動機基本形式見表5。軍用戰術車輛為滿足其使用性能，需要發動機具有高轉矩和高可靠性，所以裝配的都為柴油機；其布置形式采用V型結構或直列式的結構；燃油系統現在多采用高壓共軌式的燃油系統；采用渦輪增壓的方式提高進氣壓力；冷卻方式又以液冷為主。

表5 美軍戰術車輛發動機基本形式

2.2 性能指標

當發動機的基本形式選定后，還需選定各種性能指標。對于軍車而言，選定性能指標最重要的是動力性、可靠性、維修性、燃料適應性，保證作戰使用需要，其次才是經濟性、排放和噪聲等性能。表6為美軍戰術車輛發動機的參數[7-8]。

表6 美軍戰術車輛發動機參數

2.2.1 動力性

(1)功率。一般而言，功率越大，汽車可以達到的最高車速就越快(見表6)，美軍步戰車M2A2、中型戰術貨車MK23和重型戰術貨車M977A4的發動機功率均達到了400 kW以上，其他車型也根據其載重和作戰需要選擇了大功率的發動機。

(2)轉矩。轉矩值在很大程度上決定著車輛的驅動力、動力因素、加速性能和爬坡能力等動力性參數。表6中，美軍中型戰術貨車MK23和裝有防護裝甲的步戰車M2A2的轉矩值都達到了2 000 N·m以上。

(3)活塞平均速度。具體是指最大功率轉速點活塞的平均運動速度，是衡量發動機強化程度的一個重要指標。其表達式為

Cm=S·n/30

式中：S為發動機的活塞行程；n為發動機的轉速。

活塞平均速度的增大，能使發動機的升功率增大，體積減少，重量減輕，有利于動力性的改善與提高，結構更加緊湊。表6中所列舉車型的發動機的活塞平均速度都達到了10 m/s。

(4)平均有效壓力。指單位汽缸工作容積發出的有效功。是衡量發動機強化程度和工作循環各階段完善程度的一個重要指標。其表達式為

Pme= πTtq·τ/iVs

式中：Ttq為轉矩；τ為行程數；i為汽缸數；Vs為工作容積。

表6中所列舉戰術車輛發動機均為增壓式柴油機，平均有效壓力都達到了1.0 MPa以上。

(5)比質量。具體是指發動機的干質量與其額定功率的比值，是衡量發動機總體結構緊湊程度的重要指標。其表達式為

me=m/Pe

式中m為發動機干質量，指未加注燃油、機油和冷卻液的發動機質量。

比質量越小，發動機結構越緊湊。表6中所列舉中、重型戰術車輛發動機比質量都在3.2 kg/kW以下，美軍HMMWV和Bradley步戰車發動機的比質量在2.4 kg/kW以下。美軍這兩款發動機都采用的V形布置，V形發動機相對于直列式的優點就是長度短、高度低、質量小，更易于設計出尺寸緊湊的高速大功率發動機，但也存在寬度大、橫向布置困難、造價高等缺點，所以V形發動機適用于要求大功率或者超重型的戰術車輛[9]。

(6)升功率。具體是指發動機每升氣缸工作容積所發出的有效功率。其表達式為

PL=Pe/iVs

發動機升功率的值越大，發出一定有效功率的發動機尺寸越小，汽缸工作容積的利用效率越好，發動機的強化程度就越高[10]。表6中，美軍的HMMWV發動機的升功率為21.8 kW/L，中型和重型戰術車輛發動機都達到了30 kW/L左右。

(7)體積功率。其表達式為

PV=Pe/V

式中V表示發動機的體積。

單位體積的發動機功率，與發動機輸出功率、維修性等密切相關，是反映發動機設計水平的重要參數之一。表6中所列舉的發動機都達到了200 kW/m3以上。在輕型戰術車輛方面，美軍的HMMWV發動機的體積功率為350 kW/m3，目前，我軍輕型戰術車輛僅為172 kW/m3，仍有很大的提升空間。

2.2.2 可靠性

在計劃內或計劃外的過量維修都會影響在一個時間內可以用來進行工作的車輛數，而執行戰斗任務車輛數的減少必然導致戰斗力的下降，因此發動機的可靠性也成了軍車發動機選型考慮的重要方面。考核發動機可靠性指標的重要數據是平均無故障時間，對于戰斗車輛發動機，美軍陸軍的要求是：兩次嚴重故障之間的平均時間為1 000 h，壽命為2 000 h[11]。同時，美軍在部分車型發動機上安裝相應故障檢測系統。現役FMTV、MTVR系列車型均采用J1939數據總線，裝備有嵌入式自動檢測、診斷及維護預測系統以及交互式電子技術手冊等設備，能夠實時監測發動機的工作狀況，極大地提高了戰時軍車發動機的工作可靠性[12]。

2.2.3 維修性

柴油機系列化是指保持柴油機某些結構參數不變的情況下，通過調整一些參數使得柴油機變型品種滿足多種功能需求而形成的一個產品系列。分析柴油機系列化程度，可引入功率跨度評價參數αx，它反映了系列發動機應用領域的寬窄。

式中，Pmax和Pmin分別為系列中柴油機功率的最大值和最小值。

康明斯、卡特彼勒、底特律作為美軍柴油機的3家主要供貨公司，他們的柴油機系列化程度都很高，其中Cummins ISM系列發動機功率跨度為0.30，Caterpillar公司C7系列發動機功率跨度高達0.42，Detroit Diesel公司DD16系列也達到了0.33。而我軍某型車輛所采用的錫柴電控L系列，其功率跨度僅為0.115，依然有很大的上升空間。同時，美軍在車輛上實施戰術車輛車族化發展戰略，使得車輛總成部件通用化程度很高。同一車族的車輛系列化、通用化、模塊化水平越高，車輛的維修保障性就越好[13]。

2.2.4 燃料適應性

軍車發動機具有良好的燃料適應能力，可以有效減少軍用動力裝備燃料保障的種類，有助于提高戰時后勤保障能力。美軍自20世紀80年代開始提出并逐步實施“戰場單一燃料政策”，成功地在陸軍地面裝備使用了JP-8(見表7)，大大提高了燃料的通用性[14-15]。戰術車輛HMMWV、FMTV、HEMTT的發動機都可以使用JP-8，大大減輕了作戰時部隊的保障壓力，提高了后勤保障效率[16-17]。而我軍在提高軍車發動機的燃料適應能力方面，仍處于實驗研究初級階段。

表7 美軍戰術車輛發動機燃料適應性

3 結 語

通過研究美軍主要戰術車輛發動機選型與匹配特性，結合我軍戰術車輛動力系統選型與匹配的情況，提出幾點建議。

(1)在提高發動機功率的基礎上，可通過采用V型結構等技術來減小發動機的質量和體積，從而減小發動機的比質量，增大發動機的體積功率，提高發動機的動力性；

(2)為發動機裝備具有自動檢測、診斷及維護預測等功能的故障自診斷系統、交互式電子技術手冊，以提高發動機的工作可靠性；

(3)提高發動機的功率跨度，以提高系列化水平，增強發動機的維修保障性；

(4)研制對于軍用動力設備具有高通用性的燃料，提高發動機燃料適應性；

(5)為提高動力系統選型合理程度，應根據我國的國情軍情，盡快建立關于軍用車輛動力系統選型與匹配的強制性標準規范。

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(編輯：張峰)

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．

劉健鋒(1993—)，男，碩士研究生； 劉伍權(1973—)，男，副教授，碩士研究生導師.

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

TK421

A

1674-2192(2017)06- 0036- 06