軍用車輛戰(zhàn)時燃用航空煤油研究現(xiàn)狀與分析

姚廣濤，劉伍權(quán)，劉宏威

(軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津300161)

高技術(shù)條件下作戰(zhàn)，物資保障的種類多、消耗量巨大，保障難度大。燃料是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中消耗量最大的戰(zhàn)略物資，戰(zhàn)時如何減少軍用動力裝備燃料保障種類，對于有效提高戰(zhàn)時后勤保障能力，打贏現(xiàn)代戰(zhàn)爭至關(guān)重要。這就要求軍車動力裝置具有良好的燃料適應(yīng)能力。

軍用車輛實現(xiàn)戰(zhàn)時燃用航空煤油，可以大大簡化我軍軍用車輛戰(zhàn)時后勤保障系統(tǒng)，實現(xiàn)在大聯(lián)勤體制下三軍油料統(tǒng)一保障，提高后勤保障效率［1］。

1 外軍研究現(xiàn)狀

為了提高軍用車輛戰(zhàn)時燃料適應(yīng)能力，外軍軍用車輛動力裝置不僅可以燃用傳統(tǒng)燃料柴油，還可以燃用航空煤油、生物柴油等燃料，為實現(xiàn)戰(zhàn)時油料統(tǒng)一保障奠定了基礎(chǔ)，提高了作戰(zhàn)后勤保障與應(yīng)急能力［2］。

從20 世紀五六十年代開始，為了提高軍用車輛多種燃料的適應(yīng)能力，美軍、前西德開發(fā)了多燃料發(fā)動機，可以實現(xiàn)軍用車輛發(fā)動機燃用汽油、柴油、煤油、重油等多種燃料。其中，美軍在2.5 噸級6 ×6型M35 系列、5 噸級8 ×8 型M656 系列、5噸級6 ×6 型M54 系列分別采用了104 kW 的6 缸直列多燃料發(fā)動機和149 kW 的6 缸水冷多燃料發(fā)動機。德軍在多款軍用汽車上也采用了多燃料發(fā)動機，如5 噸級4 ×4 型MAN630 系列采用97 kW 的6 缸水冷多燃料發(fā)動機，5 噸級4 ×4 型Mercedes Benz LG315/46 采用108 kW 的6 缸水冷多燃料發(fā)動機［3］。

1999 年1 月，俄羅斯卡馬汽車制造廠的“穆斯塔克”多用途軍用汽車問世，該系列軍車包括“KamAZ-4350”型、“KamAZ-5350”型和“KamAZ-6350”型。該系列汽車的越野性能尤為出色，載質(zhì)量為4 ～10 t，發(fā)動機功率為179 ～268 kW，可以使用多種燃料［4-5］。

進入20 世紀90 年代后，美軍繼續(xù)實施“軍用汽車現(xiàn)代化計劃”，HMMWV(高機動多用途輪式汽車)、FMTV(中型戰(zhàn)術(shù)汽車)、HEMTT(重型高機動戰(zhàn)術(shù)汽車)發(fā)動機均適應(yīng)多種燃料(見表1)［6］。

表1 美軍戰(zhàn)術(shù)輪式車輛發(fā)動機參數(shù)

1998 年，美軍展出了第1 輛混合燃料發(fā)動機的HMMWV 樣車，該車由AMG 公司與PEI 電子技術(shù)有限公司聯(lián)合研制。此外，1998 年，多家公司聯(lián)合研制出混合燃料發(fā)動機的FMTV 中型戰(zhàn)術(shù)試驗車［7］。

二戰(zhàn)中，美軍裝備使用汽油、煤油、柴油等多種不同的燃料。因不同品種的燃料不能相混，因此，不得不采用各種不同的專用設(shè)施儲存、不同的方式運輸、不同的裝備加注，從而給油料補給工作帶來很大困難。特別是在越南戰(zhàn)場上，由于美軍裝備使用多種燃料，油料補給跟不上而導(dǎo)致作戰(zhàn)失利的戰(zhàn)例很多。戰(zhàn)后，美軍深刻吸取戰(zhàn)爭中血的教訓(xùn)，于20 世紀60 年代開始實行由裝備使用多種燃料向“單一化”方向發(fā)展的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變［8］。所謂戰(zhàn)場單一燃料是指在戰(zhàn)場環(huán)境下，所有的地面車輛裝備和航空裝備均使用同一種燃料［9］。

美陸軍為尋求代用燃料，從20 世紀60 年代起就開始了用噴氣燃料JP-5 作為柴油機燃料的可行性研究，通過征求柴油機和噴油泵制造廠、油料廠和政府職能部門等意見，開始在各種柴油發(fā)動機上進行各種性能考察試驗［1］。

1975 年，美國陸軍建議把JP-8 作為陸軍柴油發(fā)動機和地面燃氣輪機燃料，取代了柴油、JP-4 燃料及其他燃料。

1981 年，針對使用F-54(北約標準柴油燃料)的M1 和其他燃氣輪機動力裝置遇到嚴寒氣候燃料結(jié)蠟問題進行了研究，發(fā)現(xiàn)將JP-8 或JP-5混合在柴油中可降低凝點。北約后來采取此防凍措施，取得了很大成功，并將其列入北約標準NQF-65［10］。

1987 年1 月5 日公布的美軍標AR-703-l，將JP-8 從應(yīng)急燃料升級為柴油車輛和裝備的代用燃料。美國防部于1988 年3 月l 日公布的4140.43 號命令，指定海外陸基飛機和地面裝備的基本燃料支持供應(yīng)JP-8 和JP-5。幾乎就在同時，美軍裝備部開始實施計劃，要求正式確定認可在所有使用柴油的地面裝備中使用JP-8［11］。

1989 年2 月，經(jīng)陸軍Belvoir 研究、開發(fā)，其工程中心開始在德克薩斯州發(fā)起了大規(guī)模應(yīng)用試驗，使用2 875 臺柴油車輛裝備，燃用1.779 ×107L JP-8，行駛里程4.22 ×106km，至1991 年9 月試驗結(jié)束。使用得到如下結(jié)論［11］:未出現(xiàn)JP-8不可克服的問題，也就是說沒有出現(xiàn)安全方面的問題;使用者都非常稱道JP-8，因而JP-8 在布利斯堡地區(qū)被廣泛使用;車輛和裝備的燃油消耗率沒有明顯的變化;在幾個重要的演習(xí)中，沒有發(fā)生與JP-8 有關(guān)的問題;陸軍對使用過的潤滑油進行分析后認為，潤滑油的推薦更換期可以延長一定時間。

海灣戰(zhàn)爭中，美軍就已經(jīng)對參戰(zhàn)的坦克、地面車輛、飛機和部分艦船使用了單一品種航空燃料。使用航空煤油的車輛和裝備出現(xiàn)了一些問題，如過濾器堵塞和油泵失靈等。美國的一個專家組專門調(diào)查此事，發(fā)現(xiàn)大部分問題都發(fā)生在有3 個特殊燃油泵的輪式車輛和發(fā)電機系統(tǒng)中。后來的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沒有足夠證據(jù)證明以上問題是由于使用航空燃料造成的。最后證實許多問題都是由“非燃料性因素”造成的，如高溫、污物的積聚和過渡使用。后來在阿富汗戰(zhàn)爭以及海地維和任務(wù)中，美軍和北約均以航空煤油作為單一燃料［12-13］。

Alvarez［14］使用柴油和JP-8 在M998 高機動多用途輪式車(HMMWV)和M 977 重型高機動戰(zhàn)術(shù)卡車(HEMTT)上開展對比試驗表明，縮短了加速時間，但燃油消耗率上升。

美軍于1992 年制定“先進燃料”研究計劃，于2 年后成功研制JP-8 + l00。在原JP-8 基礎(chǔ)上研制的新配方添加劑包JP-8 +100，將JP-8 的熱安定性提高了38 ℃，吸熱能力提高了50%。美空軍在所有的戰(zhàn)斗機和訓(xùn)練機上換用JP-8 +100燃料。美陸軍進行了JP-8 +100 燃料對裝備中橡膠密封件的影響、對裝備其他性能的短期影響的評定，及經(jīng)濟效益分析等問題的研究、試驗，結(jié)果認為，JP-8 +100 燃料在陸軍車輛和裝備上可以使用［15-17］。

2 我軍研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)對活塞式發(fā)動機燃燒煤油研究文獻較少。1988 年，工程院院士、天津大學(xué)史紹熙先生，在采用復(fù)合式燃燒系統(tǒng)的X2105 柴油機上進行了燃用汽油及汽油、柴油混合油的試驗研究。試驗表明:在原機結(jié)構(gòu)基本不變(只改動燃油系統(tǒng))的情況下，燃用汽油時發(fā)動機工作柔和，經(jīng)濟指標和動力指標都接近燃用柴油時的水平;燃油消耗率比普通汽油機低25%左右，排放氣體中的有害成分HC、CO 比汽油機低得多［18］。

2000 年，后勤指揮學(xué)院和吉珍等撰文，介紹了美軍自20 世紀80 年代開始推廣應(yīng)用JP-8 戰(zhàn)場單一燃料。研究表明，經(jīng)過十幾年的實踐和改進，美軍的JP-8技術(shù)性能日趨完善，不僅在空軍，而且在陸軍的大量軍事裝備中都得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好的軍事、經(jīng)濟效益［19］。

2008 年，總后油料研究所任連嶺，綜述了美軍戰(zhàn)場燃料單一化的實施過程和最新研究進展。從裝備類型、噴油泵類型、燃料類型等各方面對單一燃料的可行性進行了論證［20］。

2009 年至今，南京航空航天大學(xué)以某國防預(yù)研項目為背景，對汽油機燃燒煤油作了比較深入的研究。以小型二沖程發(fā)動機為研究對象，通過對汽油和煤油燃料的缸壓示功圖、轉(zhuǎn)矩輸出和缸蓋溫度進行對比表明，2 種燃料相應(yīng)的性能差別不大［21］。

2013 年，中國一汽無錫油泵油嘴研究所鞠衛(wèi)華等為了研究燃油潤滑性對自主共軌系統(tǒng)工作可靠性的影響，分析混合燃料(柴油摻混煤油)和純煤油2 種燃油的潤滑性，采用相同型號的共軌系統(tǒng)和試驗工況，用純煤油對系統(tǒng)進行可靠性試驗，當(dāng)試驗進行到110 h，系統(tǒng)出現(xiàn)故障停止運行，故障現(xiàn)象為共軌管限流器關(guān)閉。通過對系統(tǒng)進行性能檢測及部件拆檢工作發(fā)現(xiàn)，高壓供油泵和輸油泵性能良好、工作正常，不是導(dǎo)致故障停機的原因。噴油器檢測結(jié)果顯示，噴油器球閥在試驗中出現(xiàn)磨損、密封性下降，導(dǎo)致回油量增加，引起限流器關(guān)閉，系統(tǒng)保護而停止工作［22］。

綜上所述，我國對于軍用柴油車燃用航空煤油技術(shù)研究還處于起步階段，極大地制約了我軍動力裝置戰(zhàn)時的燃料適應(yīng)能力和戰(zhàn)時保障能力。因此，開展軍用車輛燃用航空煤油技術(shù)研究，對提高軍用車輛戰(zhàn)時燃油適應(yīng)能力、簡化后勤保障、提高保障效率至關(guān)重要。

3 燃油特性分析

我軍航空煤油和車用輕柴油理化特性見表2［21］。

表2 我軍航空煤油和車用輕柴油理化特性

從表2 可知，航空煤油與車用輕質(zhì)柴油差別主要表現(xiàn)在H/C 比、體積質(zhì)量、沸點、自燃溫度、十六烷值、凝點、熱值和黏度等方面。

(1)燃料中的H/C 比能夠表明燃料的特性。H/C 比高則具有較高的比能，而H/C 比低則容易形成積碳和冒煙。航空煤油中含碳量少于輕質(zhì)柴油，因此，在相同情況下，其碳煙排放低于柴油機。

(2)燃油體積質(zhì)量與燃油的比能量直接相關(guān)，但還與燃料的低熱值有關(guān)。航空煤油的體積質(zhì)量比輕質(zhì)柴油的略小，而其混合氣熱值略高于輕質(zhì)柴油，因此，在相同噴油量情況下，其混合氣燃燒產(chǎn)生的熱量接近。

(3)燃油蒸發(fā)能力與燃油的黏度、沸點、表面張力有關(guān)。航空煤油的黏度、沸點與表面張力明顯低于輕質(zhì)柴油，表明其蒸發(fā)性優(yōu)于輕質(zhì)柴油，因此，在相同噴油壓力與溫度下，其混合氣形成質(zhì)量優(yōu)于柴油機。

(4)十六烷值是表示燃油著火性能的重要參數(shù)。十六烷值過低會產(chǎn)生啟動困難、滯燃期長、工作粗暴等問題。航空煤油十六烷值低，自燃點高于輕質(zhì)柴油，表明其著火性能比柴油機差、滯燃期長，加之其蒸發(fā)能力優(yōu)于柴油，如果不改變噴油控制策略，則會造成燃燒滯后、熱效率下降、排溫升高、工作粗暴等問題。

(5)軍用柴油車低溫環(huán)境適應(yīng)能力是制約其保障能力的因素之一，其中燃料的抗凝能力至關(guān)重要。航空煤油凝點低于輕質(zhì)柴油，因此，有利于在嚴寒低溫環(huán)境下使用，具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力。

(6)燃油的潤滑能力直接影響了系統(tǒng)部件的可靠性。航空煤油的黏度比輕質(zhì)柴油低，而柴油機噴油系統(tǒng)中部分關(guān)鍵部件是依賴柴油自身的潤滑能力進行潤滑的，因此，柴油機直接燃用航空煤油長時間使用可能會造成部件的磨損。

4 結(jié) 論

(1)軍用車輛實現(xiàn)戰(zhàn)時燃用航空煤油，可以大大簡化后勤油料的供應(yīng)保障，提高快速反應(yīng)能力。

(2)航空煤油凝點低、環(huán)境適應(yīng)能力強，軍用車輛實現(xiàn)燃用航空煤油，可以提高復(fù)雜環(huán)境下后勤保障能力。

(3)航空煤油與輕質(zhì)柴油在理化特性上有明顯差別，其在壓燃式內(nèi)燃機中燃燒過程不同。有必要從燃燒機理上開展研究工作，為柴油機燃用航空煤油的匹配與優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

(4)軍用車輛燃用航空煤油，不僅與發(fā)動機的優(yōu)化匹配有關(guān)，還與燃料改進密切相關(guān)。為此，軍用油料研究部門與軍用車輛研究部門有必要聯(lián)合開展研究工作。

(5)在充分論證的基礎(chǔ)上，應(yīng)開展大規(guī)模軍用車輛燃用航空煤油實際使用試驗研究工作，以便為最后的實戰(zhàn)使用提供可靠依據(jù)。

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