邢俊文，張更云，姚新民，李軍，喬新勇

(陸軍裝甲兵學院 車輛工程系，北京 100072)

0 引言

在低于-10 ℃的寒冷高原環(huán)境下，裝甲車輛的柴油機動力都需要進行加溫才能起動，少則10 min，多則近1 h，這樣，必然增加了車輛的戰(zhàn)斗準備時間，而在瞬息萬變的戰(zhàn)場環(huán)境，無疑對于裝甲車輛的戰(zhàn)場生存形成了致命的打擊。而以美國M1A1 坦克和俄羅斯T-80Y 坦克為代表的燃氣輪機動力，可以在小于-40 ℃的極寒環(huán)境下，直接起動，起動時間小于1 min，而后可以低速行駛投入戰(zhàn)斗或原地進行火力反擊，這對于現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下裝甲車輛的戰(zhàn)場生存力而言是一個巨大的進步，這一事實已得到試驗驗證［1］，但為什么燃氣輪機比柴油機在低溫環(huán)境下起動有如此大的優(yōu)勢呢? 這就要從兩種動力的工作機理和對比中找到答案。

1 發(fā)動機起動的影響因素

不管是柴油機，還是燃氣輪機，都是利用燃料燃燒產(chǎn)生的化學能轉化為機械能的，而發(fā)動機起動成功的標志是能夠自行連續(xù)工作，不間斷輸出動能對外做功;起動過程通常分為3 個階段，即暖機運轉、燃料燃燒加速、自行穩(wěn)定運轉，其中，燃料燃燒是核心條件，前期準備和后期延續(xù)均為了燃料起燃及持續(xù)燃燒，燃料不能燃燒也就談不上起動成功，因此，發(fā)動機起動的影響因素均與燃燒狀態(tài)、環(huán)境條件、起動力矩、起動阻力等相關。此外，因燃氣輪機與柴油機的輸出扭矩與轉速的工作特性不同，起動后，在最低穩(wěn)定轉速的起動工況點，帶自由渦輪燃氣輪機可輸出軸零轉速工作，且隨轉速降低而扭矩增大，穩(wěn)定性要優(yōu)于柴油機。

1.1 燃燒機理

柴油機靠壓縮燃料混合氣自燃來工作，根據(jù)柴油自燃溫度220～330 ℃的要求，壓縮終了溫度、混合氣霧化程度及比例必須滿足自燃條件，才能使發(fā)動機燃料起燃，這是必備和基礎條件。

燃氣輪機靠點燃燃料混合氣來工作，根據(jù)柴油閃點溫度50～65 ℃的要求，壓氣機終了溫度、混合氣霧化程度及比例必須滿足點燃條件，才能使發(fā)動機燃料起燃，這也是燃氣輪機起動基礎條件。

二者相比，點燃顯然比壓燃更容易滿足。

1.2 起動阻力

起動阻力矩通常由摩擦、氣動和慣性阻力矩組成，摩擦與慣性阻力矩受發(fā)動機起動運轉件的轉動慣量、摩擦力和潤滑油黏度影響，轉動慣量越大、摩擦力越大，黏度越大，起動阻力就越大，起動就越困難。氣動阻力矩與氣體壓縮程度及轉子轉速相關，壓力越大，曲軸或轉子轉速越高，氣動阻力矩也就越大。

柴油機起動運轉件包括曲柄連桿機構、聯(lián)動機構、配氣機構、輔助系統(tǒng)驅動裝置、主離合器主動部分等，傳動鏈上部件多，曲軸轉速2 000～4 000 r/min，因低速重載的強度要求高，軸系旋轉質量增大，等效轉動慣量就變得很大。同時，各機構機件材質不同，膨脹系數(shù)也不同，曲軸和軸瓦間等配合部位的間隙容易受溫度變化的影響。而且，潤滑油黏度隨溫度變化比較大，低溫會導致其流動性變差，摩擦表面供油不足，增加曲軸旋轉阻力矩，影響到發(fā)動機的起動性能［2］。

燃氣輪機起動運轉件包括壓氣機轉子、高低壓渦輪、聯(lián)動機構、輔助系統(tǒng)驅動裝置等，不與輸出動力渦輪及減速箱等機構相連，傳動鏈上部件少，核心轉子速度達幾萬轉，同功率下與柴油機起動運轉件相比，載荷大幅降低，軸系旋轉件質量變輕，等效轉動慣量就會變得很小，但轉速高，起動運轉時間需長一些。同時，航空機件材質好，高速轉子軸承受溫度影響小，潤滑油也為航空專用油，低溫黏度變化比較小，旋轉阻力矩增加不大。

以382 kW 的12150L 高速柴油機為例，其曲軸摩擦阻轉矩在5 ℃氣溫環(huán)境下為1 196 N·m，-15 ℃環(huán)境下增大到2 305 N·m;而920 kW 的GTD1250 燃氣輪機，其高壓渦輪轉子最大摩擦阻轉矩為12 N·m，可用一根手指撥動轉子運轉。二者相比，柴油機起動摩擦阻力矩遠遠大于燃氣輪機，特別在低溫環(huán)境下，柴油機成倍增大，而燃氣輪機稍有增加，變化很小。

1.3 起動力矩

發(fā)動機起動離不開外部動力去推動發(fā)動機暖機運轉、持續(xù)加速，直至其能夠自行穩(wěn)定運轉為止。電起動方式通常是主要起動方式，它由電瓶供電，經(jīng)起動電機拖動發(fā)動機，克服起動阻力，按起動程序和要求運轉，該起動力矩取決于電瓶和起動電機的性能;空氣起動方式是由高壓氣源或氣瓶提供壓縮空氣，推動活塞或轉子運轉直至發(fā)動機起動;該起動力矩取決于壓縮空氣氣壓和流量。

1.3.1 電瓶性能

電瓶作為起動電源使用，必須具有足夠大的起動容量和盡可能小的內(nèi)阻，才能供給起動電機足夠大的起動力矩，克服起動阻力矩，使發(fā)動機起動。由于溫度對電瓶容量和內(nèi)阻影響比較大，特別是低溫環(huán)境下，鉛酸蓄電池容量下降近40%以上，嚴重影響發(fā)動機的正常起動。為改善電瓶性能，可采用輔助動力發(fā)電單元或電瓶保溫加溫等技術，彌補電瓶性能的不足。

1.3.2 起動電機

為了保證發(fā)動機迅速可靠地起動，要求起動轉速足夠高，一般要求汽油機最低曲軸轉速50～75 r/min，柴油機為200～300 r/min，燃氣輪機高壓渦輪轉速26 000 r/min 以上。這就要求起動電機產(chǎn)生足夠的起動力矩，達到足夠的起動轉速，穩(wěn)定足夠的運轉時間。對于三軸燃氣輪機起動，還采用了兩級電機拖動加速，拖動時間近半分鐘左右。溫度變化會影響到電機自身的運轉阻力矩，低溫環(huán)境下還要考慮到起動電機阻力矩增加的影響。

1.3.3 空氣起動

柴油機空氣起動力矩取決于氣壓和起動次數(shù)，在安全氣壓內(nèi)，氣壓越大起動力矩越大。

燃氣輪機空氣起動需要專門的空氣起動機和儲氣裝置，由于起動拖動時間長，其起動力矩不僅于氣壓相關，與儲氣量也有關系。

1.4 霧化要求

柴油機燃料霧化質量會影響到混合氣形成、自燃和完全穩(wěn)定燃燒，是促進燃燒的先決條件。霧化程度與噴嘴方式、噴油壓力、環(huán)境溫度、缸內(nèi)壓力和溫度相關［3-8］。

燃氣輪機燃料霧化質量會影響到混合氣的余氣系數(shù)、火焰?zhèn)鞑ニ俣群头€(wěn)定燃燒，是燃燒室穩(wěn)定燃燒的重要基礎。根據(jù)燃油霧化原理分為壓力霧化(機械霧化) 和空氣霧化兩大類。在燃燒室進口壓力和溫度較低時，可采用外部壓縮空氣進行霧化，以獲得穩(wěn)定燃燒的燃燒室混合氣條件［9］。

二者相比，柴油機噴油壓力高、霧化好，但燃燒時間極短，壓燃起動對霧化要求極高;燃氣輪機噴油壓力低，霧化差，但燃料經(jīng)點燃后始終處于連續(xù)燃燒狀態(tài)，采用環(huán)形燃燒室結構加上壓縮空氣霧化方式，容易實現(xiàn)點燃及燃燒持續(xù)穩(wěn)定，對霧化質量要求相對較低。

1.5 燃燒狀態(tài)

對于柴油機，燃料噴入氣缸燃燒室后，分散成許多細小油滴，這些油滴經(jīng)過加熱、蒸發(fā)、擴散、與空氣混合、分解、氧化后，會自行著火燃燒。著火需要兩個條件:一是可燃混合氣比例要在著火界限內(nèi)，即余氣系數(shù)在1 附近，富油和貧油都不能著火;二是可燃混合氣必須加熱到自燃溫度，低于該溫度就無法燃燒，該溫度與介質壓力、加熱條件、燃料性質有關，其中，燃油自燃溫度范圍見圖1，與壓力相關。首次著火后，通常很粗暴，氣缸內(nèi)壓力和溫度很不穩(wěn)定，很容易發(fā)生失火和熄火現(xiàn)象，必須繼續(xù)保持穩(wěn)定的暖機轉速和合適噴油量，才能實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒和持續(xù)自行運轉。

圖1 燃油自燃溫度范圍Fig.1 Autoignition temperature range of fuel

對于燃氣輪機，燃油噴射進燃燒室，霧化的油珠吸收熱量蒸發(fā)，并且通過擴散的方式與空氣進行摻混形成混合氣，比例適當?shù)幕旌蠚?，在達到閃點溫度時，經(jīng)點火裝置點燃，只有點燃后的燃油火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c進氣氣流速度達到平衡時，燃燒室內(nèi)才能保持穩(wěn)定燃燒?；旌蠚獾娜紵龡l件有兩個: 一是比例適當，從理論上講，余氣系數(shù)為1，混合氣的比例是最恰當?shù)模炔回氂鸵膊桓挥?，當余氣系?shù)小于1 時，混合氣富油，當余氣系數(shù)大于1 時，混合氣貧油;二是達到著火溫度，混合氣的著火溫度隨組成混合氣的燃料與氧化劑種類的不同而不同，并且與混合氣的壓力大小有關。點火包括能量釋放、火焰點燃和傳播三個過程，通過使用點火裝置觸發(fā)一團熱的氣體核心，釋放能量;蒸發(fā)點火器附近的液體燃油、加熱混合氣，并觸發(fā)包圍點火器的火焰筒內(nèi)的第一把火。

火焰從點著的一個頭部向相鄰頭部傳播，直到點燃整個燃燒窒。如圖2 所示，燃氣輪機有可能因混合氣比例和氣流速度不合適，超出邊界而發(fā)生熄火。圖2 中:AB 線段表示氣流速度過小，低于A 點，貧油極限隨氣流速度減小而減小，沿AB 線變化;AC 線段表示氣流速度過小，低于A 點，燃燒室如果采用蒸發(fā)管后，霧化質量不會因氣流速度減小而變差，貧油極限隨氣流速度減小而繼續(xù)增大，沿AC 線變化;C2max表示燃燒室穩(wěn)定燃燒所允許的最大進口氣流速度。

圖2 燃機熄火特性關系圖Fig.2 Boundary conditions of gas turbine flameout

2 低溫環(huán)境對起動過程的影響

在低溫環(huán)境下，燃油的流動性、霧化都會變差，潤滑油黏度增加，電瓶性能下降，導致起動阻力增加，起動力矩下降，燃油著火難，起動難，嚴重影響到坦克裝甲車輛的寒區(qū)快速機動。

2.1 柴油機

在低于-10 ℃的環(huán)境下，柴油機必須進行加溫保溫，才能正常起動工作，特別是在-30 ℃以下，加溫長達50 min 以上，柴油機才能起動。低溫對柴油機起動的影響體現(xiàn)在以下4 個方面:

1) 氣缸內(nèi)活塞壓縮終點溫度低，缸體散熱快，難以達到柴油自燃溫度。低溫環(huán)境使進氣溫度降低，也增大了起動前氣缸內(nèi)外溫度差，使得壓縮終了空氣溫度偏低，且散熱快而不易保持，難以達到柴油的自燃溫度而正常起動［10］，經(jīng)某柴油機試驗表明，缸內(nèi)壓縮終了溫度達到427 ℃以上，才能實現(xiàn)可靠穩(wěn)定燃燒，對應的環(huán)境進氣溫度為10 ℃［2］。也就是說，低于10 ℃，原則上柴油機都需要加溫保溫，才能可靠起動。

2) 機油黏度增大，起動阻力矩增大。對于結構一定的發(fā)動機來說，發(fā)動機曲軸旋轉阻力矩和啟動轉速，在低溫條件下主要受潤滑油黏度的影響。在摩擦阻力中，活塞與氣缸、曲軸各軸承的摩擦力是主要的，約占啟動摩擦力60%以上。隨著溫度降低，發(fā)動機潤滑油黏度增大，曲軸旋轉阻力矩增大，發(fā)動機轉速下降，影響起動性能。

3) 柴油黏度增大。在低溫條件下，柴油黏度增加，表面張力加大，導致燃油輸送不通暢和噴油的霧化質量變差，易造成斷油熄火或延長著火滯后期。

4) 蓄電池工作能力變?nèi)?。蓄電池的最佳工作溫度?0～40 ℃范圍，隨著環(huán)境溫度的降低，蓄電池的輸出能力也相應的下降，在-30 ℃時，20 h 放電率只有額定輸出的34%左右;蓄電池容量也在降低，如65 式蓄電池在30 ℃時的啟動容量為35 A·h，但在-18 ℃的啟動容量只有21 A·h 容量，降低40%;同時，蓄電池端電壓下降也比較快，電解液電阻隨溫度降低而增大，使蓄電池內(nèi)部電壓降增加，端電壓明顯下降，限制了起動電流。

低溫啟動需要的啟動功率大，而蓄電池工作能力反而下降，啟動機無力拖動發(fā)動機旋轉或不能達到最低啟動轉速，致使發(fā)動機啟動困難。

在低溫環(huán)境下，確保蓄電池選型符合要求并充滿電，低溫啟動困難時，應對蓄電池電壓進行測量，保證蓄電池電壓符合低溫環(huán)境條件下的下降曲線特性要求，必要時可采用蓄電池加熱裝置［11］。

2.2 燃氣輪機

在-43 ℃的環(huán)境下，燃氣輪機相對于常溫下起動困難一些，但借助高壓空氣霧化，可以實現(xiàn)直接起動;起動后，燃氣輪機經(jīng)短時間自加溫，便可驅動車輛低速行駛。低溫環(huán)境對燃氣輪機起動的影響體現(xiàn)在以下3 個方面:

1) 滑油黏度增大，起動阻力矩增大［12］。在低溫條件下受潤滑油黏度的影響，各轉子及附件驅動的阻力矩增大，影響起動性能［13］。

2) 柴油黏度增大，霧化質量變差。在低溫條件下，柴油黏度增加，表面張力加大，導致噴油霧化質量變差，需要借助高壓空氣霧化，才能確保點燃成功。

3) 蓄電池工作能力變?nèi)?。與柴油機相同，利用蓄電池的電起動系統(tǒng)受低溫影響，起動力矩下降，影響起動。為此，應選擇低溫性能好的蓄電池或輔助燃機動力發(fā)電單元來解決該問題。

2.3 對比分析

在低溫環(huán)境下，燃氣輪機與柴油機相比，更易于起動，對比分析原因如下:

1) 燃油點火溫度遠低于自燃溫度，極寒條件下，燃氣輪機燃燒室內(nèi)利用高壓空氣霧化很容易達到點燃燃燒條件，而柴油機不經(jīng)過加溫保溫過程，氣缸內(nèi)很難達到壓縮自燃的穩(wěn)定燃燒溫度條件，即使利用進氣加溫或起動液等措施實現(xiàn)即時燃燒起動，其過程也非常粗暴，必然因潤滑油低溫黏度過大導致的潤滑不周，而發(fā)生拉缸和燒曲軸軸瓦的故障，嚴重影響柴油機正常工作及壽命。

2) 航空潤滑油黏度低于機油黏度，燃氣輪機起動旋轉件轉動慣量也遠遠小于柴油機的，燃氣輪機起動阻力矩也遠遠小于柴油機。比如，燃機使用的4109 號航空潤滑油凝點為不低于-60 ℃，-40 ℃條件下運動黏度不大于3 000 mm2/s;柴油機使用的5W-40 潤滑油傾點不高于-55 ℃，-40 ℃條件下低溫泵送動力黏度不大于60 000 mPa·s，該溫度下密度設為0.84 g/cm3，則換算運動黏度為71 429 mm2/s，遠大于航空潤滑油。

3) 蓄電池低溫下工作能力下降對兩種發(fā)動機影響是一樣的，均會導致起動力矩下降。

綜上所述，柴油機在低溫下正常起動幾乎是不可能的，必須經(jīng)過長時間加溫和保溫才能實現(xiàn);而燃氣輪機可實現(xiàn)極寒條件下正常起動，具有天然的起動性優(yōu)勢。

3 高原環(huán)境對起動及工作過程的影響

在高原環(huán)境下，隨著海拔升高，氣壓降低，空氣密度下降，空氣含氧量下降，如表1 所示，直接影響到氣缸或燃燒室內(nèi)燃燒的進氣量和進氣壓力，導致發(fā)動機功率下降;同時，海拔高、空氣稀薄也影響到冷卻系的散熱能力，水沸點降低，如表2 所示，柴油機容易產(chǎn)生過熱;高原地區(qū)日照時間長、無霜期短、空氣干燥，處處伴隨著低溫和沙塵環(huán)境，這對發(fā)動機的起動和損傷也是致命的。

表1 大氣壓、空氣密度和海拔高度的關系［14］Table 1 Relationship between atmospheric pressure/density and altitude［14］

表2 大氣溫度、水沸點和海拔高度的關系［14］Table 2 Relationship between atmospheric temperature/boiling point of water and altitude［14］

3.1 柴油機

高原環(huán)境因空氣稀薄、氣溫低影響著柴油機的燃燒和熱交換過程，導致發(fā)動機功率下降、燃燒惡化、易過熱和難啟動，不能持續(xù)正常工作。

1) 空氣稀薄使燃燒過程惡化，功率下降，不能持續(xù)正常工作。由于高原地區(qū)空氣密度低、氣壓下降快，含氧量低，使發(fā)動機壓縮終了的壓力下降，充氣系數(shù)減小，在供油量不改變的情況下，過量空氣系數(shù)降低，混合氣變濃，導致發(fā)動機燃燒過程惡化，后燃嚴重、燃燒不完全，冒黑煙［15］，排氣溫度升高，功率降低，燃料消耗率增加，且易使活塞頂部、燃燒室、排氣門處產(chǎn)生積炭，排氣歧管燒紅、燒裂，廢氣抽塵器的銅石棉墊燒壞，水散熱器的出水膠管烤壞［14］。因此，裝甲車輛在高原地區(qū)使用，不僅降低發(fā)動機性能，而且嚴重地影響發(fā)動機持久正常地工作。

按照大氣環(huán)境功率修正公式計算可得某型自然進氣柴油機功率修正系數(shù)隨海拔高度變化關系如圖3 所示，發(fā)動機上升到海拔5 000 m，標準環(huán)境狀況溫度25 ℃有效功率應下降39.3%［16］;環(huán)境溫度5 ℃發(fā)動機有效功率應下降45.1%［16］，可以發(fā)現(xiàn)大氣壓和環(huán)境溫度對發(fā)動機的功率影響很大。因此，軍用發(fā)動機采用增壓等技術措施，在努力減小其高原上的有效功率下降幅度。

圖3 某柴油機計算高度特性［16］Fig.3 Relationship between calculated power and altitude for a diesel engine［16］

要避免燃燒惡化，使柴油機能夠持續(xù)工作，必須合理減油或限制供油量，工作在與稀薄進氣量匹配的燃燒狀態(tài)下，表現(xiàn)為發(fā)動機無力、功率嚴重不足，坦克設計的機動性不能實現(xiàn)，這種狀態(tài)也是不正常且無法接受的。

2) 空氣稀薄影響熱轉換，柴油機易過熱。散熱條件變差。發(fā)動機散熱是依靠空氣這一媒介傳播出去的，在高原地區(qū)由于空氣密度低，在日照氣溫高的條件下不利于散熱，使發(fā)動機的散熱性能下降;另外氣缸體、散熱片、散熱器等部件接觸空氣機會減少，機體表面的熱量難以帶走，熱交換效果差［14］。增加散熱空氣的流量可以改善散熱條件，但因大氣環(huán)境條件所限，該措施難以實現(xiàn)，且代價大、效果差。

冷卻液沸點降低。冷卻液的溫度直接影響燃燒過程和傳熱損失，同時與機油溫度、機油黏度和摩擦損失密切相關。在裝甲車輛的使用過程中，保持一定冷卻水溫是非常必要的。一般裝甲車輛的發(fā)動機冷卻水溫度在90 ℃左右，由表2 知，在平均海拔4 000 m 以上的西藏地區(qū)，當冷卻水溫度還沒有達到正常工作溫度(90 ℃) 時冷卻水已經(jīng)沸騰，導致發(fā)動機受熱零件冷卻不足，機體過熱，充氣系數(shù)下降，燃燒異常，機油變質和零件磨損加劇，進而導致整機性能惡化，可靠性和壽命降低［14］。水冷閉式循環(huán)系統(tǒng)可通過加壓來改善或提高冷卻液的沸點，但壓力不能太大、效果也不明顯。

工作負荷大。在高原山地，由于坡上行駛較多，裝甲車常以較大負荷工作，加以空氣稀薄，燃燒惡化，因此，冷卻液吸收的熱量增多。同時，西藏地區(qū)空氣密度小，因而單位時間內(nèi)流經(jīng)散熱器的空氣質量流量大大降低。這些不利因素超過了因海拔上升而氣溫下降給發(fā)動機帶來的好處，因此，裝甲車輛在使用中易使發(fā)動機過熱。

發(fā)動機熱轉換性能差，還會導致發(fā)動機運動部件因散熱不良造成局部潤滑不利，使機構、部件產(chǎn)生半干摩擦，進而增加運動阻力，增加耗油量，損壞部件，造成故障，影響正常使用。

3) 較低的大氣溫度導致發(fā)動機啟動困難。高原地區(qū)無霜期短，隨著海拔增高，大氣溫度也在降低，同樣因低溫環(huán)境影響著發(fā)動機的起動性能。

4) 沙塵的影響。西藏高原是典型的荒漠地帶，干燥多風，空氣含塵率高，為1 000～3 000 mg/m3，柴油機工作時，沙塵顆粒淤積在空氣濾清器的濾蕊外表面，增加了進氣系統(tǒng)的阻力。進氣阻力的增大將使柴油機吸入空氣量不足，造成燃燒不完全，冒黑煙，功率下降，油耗增加同時，部分沙塵顆粒透過濾清器在柴油機運動機件的摩擦表面之間形成磨料，加劇零件磨損，降低柴油機使用壽命。

3.2 燃氣輪機

高原環(huán)境因空氣稀薄、氣溫低也會影響到燃氣輪機的燃燒和熱交換過程［9，17-19］，導致發(fā)動機功率下降、易過熱和難啟動，但通過加強散熱和壓縮空氣霧化，可確保燃氣輪機在高原上持續(xù)正常工作。

1) 空氣稀薄使進氣量減少，壓力降低，燃燒所需空氣含氧量降低，造成發(fā)動機功率下降。

如圖4 所示，渦軸燃氣輪機的功率隨海拔高度升高而降低，在4 000 m 處，功率約為平原地區(qū)的70%左右，這個無法避免。為此，要同時滿足高原和平原兩種工況，就需要按照高原工況設計燃氣輪機的最佳工況點，而在下降到低于某一高度時，進行功率限制，具體措施是通過控制供油量和限制渦輪前溫度和發(fā)動機轉速來實現(xiàn)，避免平原狀態(tài)發(fā)動機功率過高而損壞機件。

圖4 某渦軸燃氣輪機高度特性Fig.4 Relationship between power and altitude for a turboshaft engine

高原環(huán)境還需要調(diào)節(jié)燃燒室噴油量［20］和渦輪前溫度來控制燃燒狀態(tài)，并配合壓縮空氣霧化起動，可確保高原上燃氣輪機正常起動與工作。

2) 空氣稀薄也會影響燃機熱轉換。燃氣輪機內(nèi)部散熱主要靠氣膜冷卻，絕大部分熱量隨排氣帶走，沒有冷卻液，不會因空氣稀薄而受到影響。少部分熱量經(jīng)潤滑油循環(huán)，經(jīng)散熱器帶走，這部分散熱會因空氣密度低而受到影響，如果考慮到這一因素，設計上加強動力艙散熱循環(huán)，增加廢氣引射等裝置，可以有效解決這一問題，實現(xiàn)動力艙熱平衡。

3) 較低的大氣溫度影響發(fā)動機啟動。高原地區(qū)伴隨著高寒，同樣因低溫環(huán)境影響著發(fā)動機的起動性能。

4) 沙塵的影響。高原地區(qū)空氣含塵率高，要求發(fā)動機抗沙塵性能好。燃氣輪機工作時，沙塵顆粒大部分由粒子分離器帶走排出車外，少部分會進入燃氣發(fā)生器和回熱器，容易沖擊損壞葉片，淤積在葉片和回熱器表面，對發(fā)動機工作產(chǎn)生致命影響［21］。

為此，車用燃氣輪機要求空氣濾清器的除塵能力強，除塵效率在99%以上，同時，壓氣機和渦輪要具備抗沙塵沖擊的強度，燃機內(nèi)部要設置自動除塵裝置，避免沙塵淤積帶來的危害。

3.3 對比分析

在高原環(huán)境下，燃氣輪機與柴油機相比，更易于工作，對比分析原因如下:

1) 空氣稀薄導致柴油機燃燒惡化、功率下降，不能持久正常工作，而燃氣輪機也會功率下降，下降幅度相當，但可以正常工作。

2) 空氣稀薄導致柴油機易過熱，造成故障，影響正常使用;而燃氣輪機沒有冷卻液，絕大部分散熱經(jīng)排氣帶走，少部分散熱經(jīng)優(yōu)化設計可避免過熱現(xiàn)象，不影響正常使用。

3) 較低的大氣溫度影響發(fā)動機的啟動，但燃氣輪機低溫起動性能要好于柴油機。

4) 沙塵對兩種發(fā)動機都會有影響，對于柴油機，這種影響是不可避免的，只能通過勤保養(yǎng)清洗空濾來解決，導致保養(yǎng)間隔不超過4 h;對于燃氣輪機，設計不當，影響也是致命的，比如，M1 坦克在伊拉克戰(zhàn)爭中造成的發(fā)動機AGT-1500 故障中80%源于沙塵損壞葉片，其原因在于濾清裝置效率低，采用了單級離心和多級軸流的組合壓氣機、普通葉輪，對沙塵的防護不好。但設計好，就能避免類似問題，比如GTD-1250 燃氣輪機，采用了高效的旋風筒濾清裝置，以及雙級離心壓氣機和閉式葉輪，增加葉片強度，有效過濾和阻止了沙塵的破壞，同時，內(nèi)置自動除塵裝置，不設回熱器，保證了進入沙塵不會滯留，較好解決了這一難題，能夠在沙塵中持續(xù)長時間工作，不需要天天清洗保養(yǎng)。

4 結論

燃氣輪機實車應用在國外已歷經(jīng)幾十年，而國內(nèi)才剛剛起步，相關規(guī)律的探索研究還需要多方面深入挖掘，本文通過車用燃氣輪機和柴油機在低溫和高原環(huán)境下起動和工作的機理對比分析，并結合文獻［1］對燃氣輪機坦克的相關驗證試驗，得到車用燃氣輪機在特殊環(huán)境下應用優(yōu)勢結論如下:

1) 在低于-30 ℃的極寒環(huán)境下，由于燃氣輪機動力點燃容易，壓力霧化效果好，無冷卻液，可直接發(fā)動后車輛低速平穩(wěn)行駛，戰(zhàn)斗準備時間短，可隨時應對各種突發(fā)情況;而柴油機動力無法實現(xiàn)。

2) 在高原環(huán)境下，燃氣輪機功率雖然下降，但經(jīng)過燃油調(diào)節(jié)器控制，燃燒狀態(tài)穩(wěn)定，無過熱，無黑煙，起動和工作正常，可持久工作;且因功率密度高，可按高原狀態(tài)設計并進行平原功率限制，確保高原機動性能不降低，明顯優(yōu)于柴油機。

3) 所得結果對于改善裝甲車輛極寒高原環(huán)境下作戰(zhàn)性能有著重要的應用價值。