现代军车动力的经典_890系列柴油机

　　收稿日期 : 2006207226 ; 修回日期 : 2006208228 作者简介 : 任惠民 (1981 —) ,女 ,山西省大同市人 ,在读硕士 ,主要从事武器装备采办管理研究. ·综合评述 · 现代军车动力的经典 ———890 系列柴油机 任惠民1 , 任继文2 , 吴建全2 , 张然治2 , 倪 　磊2 (1.中国国防科技信息中心 , 北京 　100036 ; 2. 中国北方发动机研究所 , 山西 大同 　037036 ) 　　摘要 : 简要论述了现代作战部队的可部署性对陆军车辆乃至其动力装置提出的新的要求 ;介绍了 M TU 890 系列发动机的研发背景及其先进的性能指标 ;讨论了 890 系列柴油机采用的先进技术及其高度集成的设计思想 ; 简要介绍了 M TU 公司与 890 系列柴油机匹配的传动系统的设计思想 ;对发展我国的高功率密度柴油机提出了一 些想法和建议。 　　关键词 : 890 系列柴油机 ; 高功率密度 ; 先进性 ; 关键技术 ; 发展建议 中图分类号 : TJ810. 31 　　文献标志码 : A 　　文章编号 : 100122222 (2006) 0520001206 　　通常 ,动力舱容积要占到坦克内部总容积的 30 %～40 % ;在保证动力需求的前提下 ,尽量缩小动 力装置的体积 ,减轻其质量 ,对减轻坦克的整车质量 和缩小整车体积 (或在同样体积下为武器弹药和燃 油留出更多的携带空间) 至关重要。现代战争理念 要求陆军战斗车辆在加强火力、机动性和防护能力 的同时 ,特别强调提高其可快速部署性和车内车际 的信息传递功能 ;快速部署即战斗车辆可用 C —130 和 C17 运输机空运 ,要求整车质量在 20 t 左右 ,但 动力必须强劲 ,保证其地面冲锋和转移的需求。所 以 ,发展功率更大、体积更小、质量更轻的高功率密 度 ( HPD)军车发动机是现代战争的需要。 1995 年 ,根据美国蓝绶带委员会的邀请 ,德国 M TU 公司开始考虑一种新的 HPD 军用柴油机的 可能性 ;2 年后 ,M TU 公司开始进行这种发动机的 概念研究 ,接着进行了可行性研究 ; 2000 年 , M TU 公司决定自己投资研发 890 系列柴油机 ,即二战后 德国研发的第 4 代战车发动机。在 2004 年 3 月 3 日开幕的美国陆军协会 ( AU SA) 2004 年春季展览 会上 ,M TU 公司和底特律柴油机公司 (DDC ,M TU 的合作伙伴) 展出了用作美国陆军未来作战系统 ( FCS)动力的两个新机型 ,即 890 系列柴油机中的 V6 机型和 L4 机型。此前 , 于 2003 年 12 月 , M T890 柴油机完成了 550 kW 全负荷开发目标验 证试验和 50 h 连续试验。50 h 连续试验 (5 级技术 准备 , TRL ) 是根据与美国陆军坦克机动车辆局 ( TACOM) 的进行的 ,是为成为美国陆军 FCS 的动力做准备。 890 系列柴油机采用全新设计 ,没有商用发动 机的渊源 ;发动机零部件采用模块化设计 ,易于集 成。通过对系统质量和体积的优化 ,尽量减轻发动 机整机质量 ,缩小其体积。尽管 890 系列发动机的 设计是全新的 ,但其技术是成熟的 ,M TU 公司有研 发德国前 3 代战车动力的成功经验和足够的技术储 备 ,实现功率密度跨越发展的技术风险很小。 2002 年 , TACOM 与 M TU 公司签订了首批 2 台 M T890 的订货合同 ;2004 年 , TACOM 的合同扩 大到 M T898 样机的订货。此外 ,M TU 公司还接受 了为德国未来步兵战车“美洲狮”建造 M T892 (900 kW)发动机的供货合同 ,首批 5 台发动机已于 2005 年完成装配。 1 　890 系列发动机的先进性能 M TU 公司原发展 5 种不同缸数的系列柴 油机 ,即 6V ,8V ,10V ,12V 和 16V ,将其功率覆盖范 围定为 550 kW～1 470 kW ;后来调整为 7 个机型 , 其中包括 2 个直列机型。直列机型与 V 型机型的 行程相同 ,缸径稍有差别 ,功率覆盖范围为 370 kW～ 1 100 kW (见第 2 页 1) 。 M TU 公司 M T890 系列柴油机的单位排量功 率最高达到 92 kW/ L ,之所以能达到如此高的功率 密度得益于 M TU 公司先进的柴油机设计技术和电 子 —机械变速装置 ( EM T) 。890 柴油机在 4 250 r/ min的最大转速下活塞平均速度达到15. 4 m/ s ,采 第 5 期 (总第 165 期) 2006 年 10 月 车 　用 　发 　动 　机 V EHICL E EN GIN E No. 5 (Serial No. 165) Oct . 2006 表 1 　890 系列柴油机的主要数据 型号 M T898 M T5R890 M T897 M T890 M T891 M T892 M T893 缸径 / mm 115 115 109 109 109 109 109 行程 / mm 107 107 107 107 107 107 107 气缸数及排列 4L 5L 4V90° 6V90° 8V90° 10V90° 12V90° 排量 / L 4. 4 5. 5 4 6 8 10 12 功率 / kW 410 440 370 550 740 920 1 100 最大扭矩 / N ·m 922 - - 1 235 - 2 070 - 干质量 / kg 450 - - 520 - 860 1 030 体积 / m3 0. 31 - - 0. 31 - 0. 46 0. 88 用 EM T 消除了发动机与主动链轮之间的相互影 响 ,使发动机的转速与车辆的转速脱钩 ,设计发动机 工作特性时不必考虑车辆的扭矩 - 转速要求 ,发动 机可连续工作在高转速区 ,具有更高的制动平均有 效压力 ( pme ) ,加之功能齐全的发动机电子管理系 统 ,使其可获得最好的燃油经济性 ; M T890 系列柴 油机在最大转速时的 pme 达 2. 6 MPa , (最新型的 M T8 8 3发动机只有 1. 93 MPa ) ; 最高燃烧压力 21 MPa ;其扭矩特性可满足不同传动比的需求。图 1 示出 M T890 柴油机的特性曲线。M T893 柴油机 高功率密度的特征使其产生 1 100 kW 功率时总排 量仅有 12 L ,为 M T883 的一半 (功率相同) ,为豹 2 主战坦克动力 MB873 的 1/ 4。M TU M T890 系列 柴油机的高功率密度及其极为紧凑的机械设计源于 M TU 公司在开发各种用途高性能发动机时所积累 的经验 ,其特点包括夹角较大的 V 型布置 (90°) 、各 分系统 (如泵、滤清器和机油系统等)的综合设计、有 效的空间利用等等 ,使 890 系列发动机的体积远远 小于其他同档功率的发动机。图 2 示出 M TU M T893 柴油机与 M T883 柴油机的端面面积比较 , M T893 柴油机与其他同档功率发动机的比较见第 3 页表 2。 图 1 　M T890 柴油机的特性曲线 图 2 　M T893 柴油机与 M T883 柴油机端面外廓对比 2 　890 系列发动机的先进技术 2. 1 　基本结构形式 为了保证发动机及各辅助系统 (包括传动系统、 发电机、空气供给系统、冷却系统等) 能够安装在紧 凑的动力舱内 ,除要求发动机具有高的功率密度外 , 还必须考虑发动机的外形尺寸和外表面轮廓。 M T890系列柴油机的外形轮廓 (不带增压器) 设计 成立方体 (即六面体) 。图 3 和第 3 页图 4 分别示出 M T890 系列柴油机中的 6V 机型和 4L 机型。V 型 机型缸盖的排气口和排气管布置在发动机V型夹 图 3 　M T890 柴油机外形 ·2·　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　车 　用 　发 　动 　机 　　　　　　　　　　　　　　　　2006 年第 5 期 表 2 　MTU MT893 柴油机与其他同档功率柴油机的比较 国别 德国 美国 英国 法国 日 本 发动机型号 M T893 M T883 MB873 XAV - 28 CV12 TCA V8X1500 10ZG32V 缸径 / mm 109 144 170 150 135 142 135 行程 / mm 107 140 175 130 152 130 150 功 率 / kW 1 100 1 103 1 103 1 081 1 119 1 103 1 103 标定转速 / r ·min - 1 4 250 3 000 2 600 2 600 2 400 2 500 2 400 平均有效压力 / MPa 2. 6 1. 61 1. 28 1. 79 1. 72 3. 28 1. 18 活塞平均速度 / m ·s - 1 15. 40 14. 00 15. 2 11. 26 12. 16 10. 83 12. 00 燃油消耗率 / g ·(kW ·h) - 1 - 220 245 195 220 235. 3 - 总排量 / L 12 27. 36 47. 64 27. 56 26. 11 16. 46 21. 47 单位排量功率 / kW ·L - 1 92. 00 40. 30 23. 15 39. 22 42. 86 66. 97 51. 37 体 积 / m3 0. 88 1. 32 3. 69 1. 29 1. 24 1. 60 3. 71 总质量 / kg 1 030 1 650 2 590 1 895 1 180 1 700 2 600 单位体积功率 / kW ·m3 1 250 835. 61 298. 92 837. 98 902. 42 689. 38 297. 30 单位功率质量 / kg ·kW - 1 0. 94 1. 50 2. 35 1. 75 1. 05 1. 54 2. 36 角内 ,进气管集成在曲轴箱外侧 ,以使压气机进气口 可以布置在曲轴箱的两端 ,满足不同车辆动力舱安 装条件 (前置或后置)对增压器布置的要求。采用干 式油底壳 ,既可降低发动机的高度 ,又能保证车辆倾 斜行驶的要求。 图 4 　M T898 柴油机外形 　　890 系列发动机的活塞全部采用铝合金材料 , 内部铸有强制冷却油腔 ;为了增加活塞销孔的强度 , 采用了青铜衬套。连杆材料为调质钢 ,经整体机械 加工后进行表面处理 ;连杆小头为梯形 ,大头轴承盖 与连杆体采用经磨削加工的锯齿结构定位 ,用 4 个 螺栓紧固 ;上下轴瓦均为三元合金溅射沉积轴瓦。 曲轴也用调质钢制成 ,并经过整体机械加工 ;所有主 轴颈和连杆轴颈及曲柄臂过渡圆角都经过硬化处理 ; 重金属制成平衡块 ,缩小了平衡块的体积和回转半 径 ,缩短了连杆长度 ,每块用 2 个螺栓紧固在曲柄臂 上。对曲轴和连杆的整体机械加工不但可提高其强 度 ,还可减小单件的质量误差。对曲轴输出端的曲柄 臂和连接法兰进行了改进设计 ,机械 - 电子传动要求 的飞轮电机转子也用法兰连接 ,不用附加安装支座。 　　890 系列柴油机实现结构紧凑的之一是曲 轴箱内不但布置了运动机构 ,而且将一般发动机布 置在曲轴箱外侧的润滑系统部件 (机油箱、机油泵、 机油热交换器、机油滤清器、机油道等) 都集成到曲 轴箱内 ,充分利用空间 ,将曲轴箱制成一个厚壁箱形 结构 ,其底面与一个扁平的双层下曲轴箱连接。下 曲轴箱内既布置有机油路 ,又作为机油泵、机油热交 换器、机油滤清器和主轴瓦的支撑。为了减轻质量 , 上下曲轴箱均用铝合金材料铸造而成 ,并对其进行 了热等静压处理 ,以提高其强度。 890 系列柴油机采用一缸一盖和顶置凸轮轴结 构 ,每个气缸盖用 4 个螺栓固定在曲轴箱上 ;为保证 密封和控制气缸套与曲轴箱之间的表面应力 ,采用 奥氏体钢制成的密封垫 ;回水孔和回油孔都单独密 封。气缸盖底部钻有冷却水孔 ,冷却水道则借助了 气缸盖侧壁上的连接孔 ,即气缸盖同时起到了冷却 水总管的作用。在单体气缸盖上布置了一个整体式 凸轮轴轴承座 ,凸轮轴和进气摇臂安装其上 ,排气摇 臂则固定在气缸盖上 ;配气机构带有气门间隙液力 补偿装置 ,它与凸轮轴轴颈的润滑剂供给是通过在 凸轮轴箱上打孔来实现的。顶置凸轮轴通过布置在 发动机自由端的齿轮系传动 ,取消了中间惰轮 ,有效 地减轻了质量。M T890 和 M T898 的凸轮轴传动系 统见第 4 页图 5。 ·3·2006 年 10 月 　　　　　　　　　任惠民 , 等 : 现代军车动力的经典 ———890 系列柴油机 　　　　　　　　　　　　　　　 图 5 　凸轮轴传动系统对比 2. 2 　喷油系统和增压系统 890 系列柴油机采用了第 3 代高压共轨喷油系 统 ,在柱塞泵转速为 3 100r/ min 时喷油压力可达 180 MPa ;该系统的每个喷油器都有一个单独的储 能器 ,承担以前共轨系统中储能器的功能 ,纵向排 列 ,每个储能器的连接管就构成了实际的公共供油 管 ;这种结构使油管中的脉冲波动明显降低 ,解决了 喷油器瞬时供油过大的问题。直列发动机只有一个 单柱塞泵 ,其转速与发动机相同。 890 系列柴油机为单级增压 , 选用了 M TU ZR125 涡轮增压器 ,压气机压比达到 5。 2. 3 　冷却液和机油循环系统 作战车辆的使用极限温度为 - 50 ℃～52 ℃, 故对发动机也提出了特殊要求 ,要求其在严寒条件 下能顺利加温起动 ,在酷热条件下不能过热。 890 系列柴油机的起动和热机过程使用了火焰 加热装置。为保证在酷热环境下发动机功率的输出 和有效利用动力舱有限的空间 ,对所有的冷却装置 (包括发动机冷却器、压缩空气冷却器、发动机机油 冷却器和变速箱机油冷却器) 都进行了精心的设计 和紧凑的安装布置。890 系列发动机的冷却液和机 油采用分开式高低温双路循环 ,发动机冷却液通过 高温回路 (与散热器并联) 散热 ,发动机机油和变速 箱机油则通过低温回路散热 ;将发动机冷却液温度 提高到 130 ℃,减少散热量 ,提高了热效率 ,也实现 了散热器的紧凑设计。 由于增压压比达到 5 ,对压缩空气的冷却就显 得特别重要。为了减小安装空间 ,增压空气冷却器 既用高温冷却也用低温冷却 ,增压空气先经过高温 回路 ,再经过低温回路 ,排出的热量则通过高效散热 器散发到空气中。各散热器也是分开的 ,低温回路 在高温回路之前 (见第 5 页图 6) 。 2. 4 　发动机管理系统 890 系列柴油机采用了 M TU 公司自己研发的 CDS/ CR 05 发动机管理系统。控制器的设计是基 于最新的 SMD 技术 ,除对其结构的可靠性和空间 尺寸进行了优化设计外 ,还特别注重了其功能的实 现和完善。发动机管理系统的核心是一个多任务处 理装置 ,这个装置通过数字化信号处理装置 (DSP) 快 速检测、采集和计算如缸内压力等各种信号 ,实施对 单次/ 多次喷油、进气调节、通信和动力装置的管理。 为了保证对军车及其动力的战略要求 ,890 系 列柴油机的管理系统除满足振动、温度、冲击和电磁 兼容性等方面的较高要求外 ,还特别注重了对系统 的核辐射保护。CDS/ CR 05 使用了一种所谓的“旁 通”技术 ,在有核辐射的情况下 ,管理系统可瞬时转 到无电压状态 ,以使电子部分免遭损害。CDS/ CR 05 发动机管理系统可以直接安装在发动机上 ,满足 国内 国 际 用 户 的 所 有 军 用 标 准 , 如 EMV (V G95373/ 军用标准 461 E) ,舰船电网 ( V G96916/ 军用标准) ,N EMP 和 TREE(A EP4) 。 管理系统的重要组成部分 ———整车数据交互系 统是对整车电路、传动、起动电机、空气滤、动力 舱风扇等进行控制的局域网络 CAN —Bus SA E J 1939。该系统能够对可能出现的机械失效进行分 析 ,提高故障情况下系统的使用可靠性 ;对动力舱内 所有的电子部件进行网状连接 ,实现对动力系统的 一体化管理。管理系统还具备客户所需求的故障诊 断和预测能力 ;通过发动机 CAN 总线实现对发动 机上符合 CAN 开放标准的激励器和传感器的有效 控制。借助数据记忆功能 ,根据特殊的设定数据 (如 发动机标定数据和身份标识等) 可以进行车辆集群 间的数据互换 ,不会造成行驶和故障记录等数 据的丢失。 CDS/ CR 05 管理系统的自检能力使其在自身 出现故障时 ,维修人员可准确判断损坏的组件并使 系统尽快恢复工作 ,实现了系统的高可靠性。 3 　MTU公司的传动设计思想 M TU 公司不但研发了高功率密度的 890 系列 柴油机 ,还将动力系统和传动系统高度集成 ,将发动 机、变速箱、空气滤清器、离合器及其他一些部件集 成为一个整体 ,很多动力功能组件集成在一个动力 模块内 ,不但保证了动力系统有较小的单位功率质 量和单位功率体积 ,同时降低了维护费用 ,实现了动 力系统的快速更换。 ·4·　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　车 　用 　发 　动 　机 　　　　　　　　　　　　　　　　2006 年第 5 期 图 6 　M T892 发动机冷却系统 　　890 系列柴油机为动力系统的一个发动机平 台 ,选定合适的变速箱后 ,再根据使用条件研发冷却 和滤清系统 ,以保证发动机在极限条件下的使用性 能 ,这些条件包括环境温度 ( - 50 ℃～52 ℃) 、海拔 高度 (4 000 m) 、空气含尘量 (0 能见度) 、浮渡能力 和涉水深度等。由 890 系列发动机组成的动力装 置 ,既可是机械传动 ,也可为机械 —电子传动 ,还适 合混合动力传动。在机械传动的动力装置上 ,发动 机由配置的 V GT 增压器来满足所需的扭矩提升 , 机械 —电子传动的扭矩曲线为普通的螺旋桨特性曲 线。 M TU 公司还提供了一种适用于不同使用情况 的设计 ,即飞轮电机与曲轴的联结可通过离合器来 分离 ,持续工作的飞轮电机同样可以驱动发动机 ,电 动机 - 起动电机组合既可为柴油机补充动力以提高 加速性能 ,也可以独立驱动车辆慢速行驶。 4 　一些感想和看法 为陆军战斗车辆提供具有足够功率、体积小、质 量轻、结构紧凑的动力装置 ,以大幅度减轻整车质 量 ,缩小整车体积 ,提高其机动性、可部署性和战场 生存能力 ,满足车辆电能需求不断增加的要求 ,是现 代战争的需要 ,研制 H PD 发动机应该是势在必行 的。890 系列发动机为战斗车辆提供了一个无与伦 比的动力装置 ,而它的研制成功是源于 M TU 公司 现代化的设计理念和设计手段、精湛的工艺技术、性 能优良的材料和丰富的研制经验。 我国的军车动力研制经过几代人的努力 ,有了 长足的发展 ;特别是三代动力的自行研制成功 ,攻克 了许多技术难关 (包括设计的和工艺的) ,开发了新 型材料 ,使我们拥有了自成系列拥有自主知识产权 的军用发动机 ;锻炼了我们的技术队伍 ,一大批工程 技术人员积累了经验 ,增长了才干 ;现代设计、制造 和试验技术手段得以研究和应用 ;这些都是我们的 有利条件。但我们目前的技术水平与国外先进水平 相比尚有一定的差距 ,要研制高水平的 HPD 发动 机 ,我们认为应该 : 1) 拓宽思路 ,更新理念 ,大力开发和应用现代 设计手段 890 系列柴油机的许多结构设计是推陈出新 的 ,而正是这些精巧合理的设计才造就了它的高性 能、轻质量和小体积。现代设计技术 (特别是模拟和 仿真技术) 的应用可以降低研制成本 ,缩短研制周 期 ,减少技术风险 ; 2) 加强预先研究 ,增加技术储备 M TU 公司称 ,890 系列柴油机的设计是全新 ·5·2006 年 10 月 　　　　　　　　　任惠民 , 等 : 现代军车动力的经典 ———890 系列柴油机 　　　　　　　　　　　　　　　 的 ,但其技术是成熟的 ,技术风险很小 ;也就是说 ,他 们在 890 柴油机上采用的新技术和新结构都是经过 预研而取得成功的。一个高水平发动机的研制成功 应该是建立在大量的新技术、新工艺、新材料预先研 究和基础研究成果的基础上 ,发动机是这些研究成 果的集成 ;没有大量扎实深入的基础研究和预先研 究 ,就不可能有高水平新机型的问世 ; 3) 重视工艺材料研究 ,为 HPD 柴油机研制铺 平道路 随着发动机强化程度的不断提高和结构设计的 不断改进 ,对材料的要求越来越高 ,加工的难度越来 越大 ,没有先进的工艺技术和性能优越的材料作保 证 ,就很难体现设计者的设计思想和设计目标。 此外 ,在管理上应该重点突出 ,集中投资 ;既要 注重发挥高水平科技人才的个人才干 ,又要重视团 队的作用 ;充分挖掘社会主义市场经济的优越性。 根据我们的具体情况 ,研发适合我国国情的高水平 的 H PD 柴油机。 参考文献 : [1 ] 　Rudiger Demark ,Michael Groddeck , Georg Ruetz. 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China North Engine Research Institute , Datong 　037036 , China) Abstract : Briefly discussed new requirement s for army land vehicles and it s powert rain required by deployability of modern tactical unit , and int roduced development background of M TU 890 Series Engines and it s advanced performance index ; re2 viewed advanced technology and design philosophy of high2grade integration in 890 series engines ; briefly int roduced M TU Group’s design philosophy about t ransmission system matched with 890 series engines. Some opinions and suggestions were put forward for development of high power density diesel engine in China. Key words : 890 series diesel engine ; high power density ; sophistication ; critical technology ; development suggestion [编辑 : 段金栋 ] ·征订启事 · 欢迎订阅 2007 年度《小型内燃机与摩托车》杂志 《小型内燃机与摩托车》杂志创刊于 1971 年 (原刊名为《小型内燃机》) ,该杂志是教育部主管、天津大学主办、天津内燃机 研究所 (天津摩托车技术中心)承办的技术性国家中文核心期刊。 本刊重点报导小型内燃机、摩托车行业的产品开发、科学研究和生产实践中的新成果、新技术、新工艺、新材料以及内燃 机、摩托车的行业动态、国家相关政策和内燃机、摩托车的使用、维修等方面的信息。 本刊的读者对象为内燃机和摩托车生产企业的工程技术人员和管理人员、工科院校汽车、内燃机、摩托车及相关专业的 师生、科研单位的技术人员、内燃机和摩托车的使用、维修人员等。 本刊为双月刊 ,大 16 开本 ,96 页 ,国内统一刊号为 CN1221338/ T H ,国际标准刊号为 ISSN167120630 ,邮发代号 6 —56 ,每 期定价 10 元 ,全年共 6 期 ,定价 60 元。欢迎读者到各地邮局订阅或直接给本刊编辑部来函订阅。 地址 :天津大学内燃机研究所《小型内燃机与摩托车》编辑部 邮编 : 300072 　　联系人 : 宗雅亭 电话 : 022 - 27406607 王培玲 电话 (传真) : 022 —27406452 ·6·　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　车 　用 　发 　动 　机 　　　　　　　　　　　　　　　　2006 年第 5 期