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氣冷發(fā)動(dòng)機(jī)的UNIVER氣缸發(fā)展和沿革
活UNIVER氣缸這個(gè)問(wèn)題的正方和反方大概已經(jīng)持續(xù)斗爭(zhēng)了近一個(gè)世紀(jì)，而且在可見(jiàn)的未來(lái)內(nèi)還會(huì)繼續(xù)爭(zhēng)論下去，不過(guò)實(shí)際上發(fā)動(dòng)機(jī)不應(yīng)該被簡(jiǎn)單劃分為液冷或者風(fēng)冷，因?yàn)樗邪l(fā)動(dòng)機(jī)散發(fā)出的熱量最終都會(huì)被輸送到空氣里去。在所謂的“液冷"發(fā)動(dòng)機(jī)中，設(shè)計(jì)師會(huì)用水、乙二醇或者兩者的混合液作為冷卻介質(zhì)將熱量從發(fā)動(dòng)機(jī)部件中轉(zhuǎn)移到散熱器里，再將熱量輸送到空氣中，液冷發(fā)動(dòng)機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，比如降溫效果更好、散熱器布置更加靈活、還能將冷卻液引導(dǎo)致一些風(fēng)冷很難有效冷卻的犄角旮旯位置，不過(guò)缺陷自然也是很明顯的，比如重量更重、更不利于抗損等等。
UNIVER氣缸因?yàn)椴挥孟褚豪浒l(fā)動(dòng)機(jī)一樣需要二次傳熱，所以一般都更加輕且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。最早一批風(fēng)冷航空發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)中最成功的是1908年格倫·寇蒂斯Glenn·Curtiss用于驅(qū)動(dòng)著名的六月金龜號(hào)June Bug飛機(jī)的V-8引擎，編號(hào)寇蒂斯B-8，排量268in?可輸出40hp，設(shè)計(jì)還很原始：
UNIVER氣缸是由灰鐵一體鑄造的，氣缸的散熱片較寬，灰鐵鑄造技術(shù)在當(dāng)時(shí)非常流行，加工簡(jiǎn)單但導(dǎo)熱性能并不佳，寇蒂斯當(dāng)時(shí)已經(jīng)知道金屬鋁可以提供更好的導(dǎo)熱性能，但時(shí)下并不存在一種密度合適、堅(jiān)固并可以經(jīng)受熱處理工藝的鋁合金。1909年法國(guó)的雷諾公司Renault推出了一款新的航空發(fā)動(dòng)機(jī)雷諾-8，但遇到了非常嚴(yán)重的散熱問(wèn)題導(dǎo)致功率遲遲無(wú)法提升，在一戰(zhàn)中法國(guó)和英國(guó)都生產(chǎn)過(guò)雷諾-8的改型，只是不論怎么改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣閥壽命依舊非常低、油耗也壓不下去。
以我們現(xiàn)在的角度來(lái)看這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)與其說(shuō)是風(fēng)冷不如說(shuō)是油冷發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)樗鼈冃枰罅康娜剂蟻?lái)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)部件而不是供給給氣缸燃燒，在滿功率輸出模式下這些發(fā)動(dòng)機(jī)的單位油耗甚至?xí)哌_(dá)UNIVER氣缸這種油冷模式持續(xù)到二戰(zhàn)結(jié)束的時(shí)候才逐漸消失，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)需求高馬力，無(wú)法用理想空燃比運(yùn)行，為了保證汽缸蓋溫度不超標(biāo)或者防止排氣閥升溫導(dǎo)致爆震，風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗相比液冷發(fā)動(dòng)機(jī)而言絕對(duì)會(huì)更高。
這一年被普遍認(rèn)為是真正的實(shí)用化航空發(fā)動(dòng)機(jī)誕生的一年，意大利人亞歷山德羅·安扎尼Alessandro Anzani生產(chǎn)出了一種風(fēng)冷三缸發(fā)動(dòng)機(jī)，幫助法國(guó)人路易·布萊里奧Louis Blériot駕駛它的單翼飛翼成功飛躍了英吉利海峽，飛行時(shí)間達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的37分鐘。安扎尼的3缸發(fā)動(dòng)機(jī)依舊是鑄鐵制造的風(fēng)冷氣缸，帶有凸輪軸操縱的排氣閥和大氣壓力控制的進(jìn)氣閥，當(dāng)活塞在進(jìn)氣沖程向下支點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，氣缸內(nèi)的負(fù)壓和空氣中的正壓會(huì)讓進(jìn)氣閥強(qiáng)制打開(kāi)，而自帶的輕質(zhì)金屬氣門彈簧則保持其余三個(gè)沖程內(nèi)進(jìn)氣閥的關(guān)閉，這一設(shè)計(jì)幫助安扎尼的發(fā)動(dòng)機(jī)省去了一個(gè)氣門推桿和搖臂，簡(jiǎn)化了凸輪軸設(shè)計(jì)降低了重量，使其成為了第一種實(shí)用化的風(fēng)冷航空發(fā)動(dòng)機(jī)。
UNIVER氣缸之后我們要談的是一戰(zhàn)中曾短暫存在過(guò)后即被淘汰的風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型即轉(zhuǎn)缸發(fā)動(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸帶著曲軸箱圍繞著靜止的曲軸旋轉(zhuǎn)，而螺旋槳就簡(jiǎn)單地用螺栓固定在曲軸箱的前部。轉(zhuǎn)缸發(fā)動(dòng)機(jī)廣受歡迎的最大原因就是它的氣缸運(yùn)動(dòng)使得其比常規(guī)的風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻效率更高，而且由于不需要曲軸配重所以重量更輕，在航空技術(shù)剛剛起步的年代這些確實(shí)都是很大的優(yōu)勢(shì)。
轉(zhuǎn)缸發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸生產(chǎn)和常規(guī)的風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，不過(guò)一戰(zhàn)中氣缸已經(jīng)逐漸從灰鐵鑄造變成了合金鋼鍛造件，使用的材料應(yīng)該是當(dāng)時(shí)非常流行的中低碳鋼和鎳的合金材料。一戰(zhàn)中戰(zhàn)斗機(jī)使用的轉(zhuǎn)缸發(fā)動(dòng)機(jī)在滿功率輸出下能有約1200rpm的轉(zhuǎn)速，再加上一般都會(huì)有一個(gè)半封閉的整流罩，氣缸的散熱片不需要很密集就足以滿足散熱需求，轉(zhuǎn)缸發(fā)動(dòng)機(jī)也沒(méi)有排氣管，當(dāng)排氣閥打開(kāi)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣會(huì)直接排放到整流罩內(nèi)，最有趣的設(shè)計(jì)是轉(zhuǎn)缸發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法布置油底殼或者任何形式的滑油回收系統(tǒng)，所以它的滑油是直接排放出去的，跟燃料一樣是消耗品，所以在一戰(zhàn)結(jié)束后轉(zhuǎn)缸發(fā)動(dòng)機(jī)很快就被常規(guī)的星型風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)取代了，如今除了博物館應(yīng)該也見(jiàn)不到這種構(gòu)型的發(fā)動(dòng)機(jī)了。
UNIVER氣缸我們熟知的星型風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)在一戰(zhàn)后的一段時(shí)間內(nèi)可以說(shuō)是霸占了風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)，設(shè)計(jì)師普遍認(rèn)為這種構(gòu)型的發(fā)動(dòng)機(jī)趨近于，抗損性佳、重量輕且構(gòu)造簡(jiǎn)單。它的設(shè)計(jì)前身來(lái)自于一戰(zhàn)時(shí)期英國(guó)的，即后來(lái)的航空研究院RAE的前身，由A·H·吉布森和山姆·赫侖教授A. H. Gibson and Sam Heron共同開(kāi)發(fā)，二人知道鋁金屬能夠更好地導(dǎo)熱，于是決定將風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的汽缸蓋和氣缸筒的散熱片用鋁合金鑄件取代灰鐵鑄件，而氣缸筒本身內(nèi)部和活塞直接接觸的磨損面則內(nèi)嵌一個(gè)鑄鐵或者鋼制成的氣缸內(nèi)套，這樣做是因?yàn)殇X合金的抗磨損性能不佳，常規(guī)的氣缸筒和汽缸蓋之間的螺栓連接設(shè)計(jì)也被取消了，因?yàn)檫@樣會(huì)需要額外的氣缸襯墊且會(huì)有密封和泄露的問(wèn)題，吉布森和赫侖的風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸設(shè)計(jì)非常先進(jìn)，是現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)。
UNIVER氣缸并沒(méi)有引起應(yīng)有的注意力，很多風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商還在使用舊式的氣缸設(shè)計(jì)，氣缸筒和汽缸蓋依舊使用螺栓連接設(shè)計(jì)，氣缸筒由鋼胚鍛造而成，上端切面是平坦封閉的，但有二至四個(gè)圓形孔洞，這是氣門的位置。這種設(shè)計(jì)典型的是布里斯托公司的朱庇特發(fā)動(dòng)機(jī)，它有兩個(gè)排氣閥兩個(gè)進(jìn)氣閥總計(jì)四個(gè)氣門，這是個(gè)非常不尋常的設(shè)計(jì)，因?yàn)闅忾T需要的氣門挺桿會(huì)嚴(yán)重限制風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣通路造成散熱問(wèn)題，所以即使到了后來(lái)二戰(zhàn)時(shí)期大部分風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)都只有兩個(gè)氣門，布里斯托選擇用四個(gè)氣門的原因可能是較小的氣門可以分?jǐn)倸飧變?nèi)的溫度，使得其壽命更長(zhǎng)，除此之外朱庇特的氣門挺桿、搖臂和固定螺栓等部件都暴露在外，因此還需要經(jīng)常額外加注滑油。
UNIVER氣缸不過(guò)事情的發(fā)展并不如布里斯托的打算，朱庇特發(fā)動(dòng)機(jī)雖然廣銷整個(gè)歐洲，但其較低的壽命和的油耗卻一直是個(gè)大問(wèn)題，山姆·赫侖曾經(jīng)嘲諷布里斯托的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗數(shù)據(jù)應(yīng)該用排氣閥的重量來(lái)表示而不是用常規(guī)的單位油耗率lb/hp/hr。于是到了1920年中晚期，布里斯托終于接受了吉布森和赫侖的新型氣缸設(shè)計(jì)，并引入了全新的齒輪傳動(dòng)式機(jī)械增壓器。
UNIVER氣缸在講了一些英國(guó)人的風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展之后讓我們?cè)侔涯抗馔断虼笱蟊税兜拿绹?guó)。美國(guó)人在第一次世界大戰(zhàn)期間幾乎沒(méi)有涉及風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)的任何研究，不過(guò)它們生產(chǎn)的液冷發(fā)動(dòng)機(jī)Liberty-12倒是廣受歡迎。一戰(zhàn)后一家邁入風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的公司是位于紐約的勞倫斯航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司，它規(guī)模很小，在一戰(zhàn)時(shí)期負(fù)責(zé)生產(chǎn)對(duì)置雙缸氣冷發(fā)動(dòng)機(jī)供教練機(jī)使用。不久，在美國(guó)定決心建造自己的航空母艦之后他們迫使規(guī)模較大的萊特公司從仿制法國(guó)人西斯帕諾絮扎的液冷發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)全新的星型風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)，于是萊特順理成章地收購(gòu)有開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的勞倫斯公司，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了J系列發(fā)動(dòng)機(jī)，依舊以勞倫斯公司的名字命名，其中J-1發(fā)動(dòng)機(jī)在1922年通過(guò)了50小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試，而J-5發(fā)動(dòng)機(jī)則因帶動(dòng)查爾斯·林德伯格橫跨大西洋的壯舉而名聲大噪，它也是美國(guó)第一臺(tái)使用了充鹽排氣閥的發(fā)動(dòng)機(jī)，所謂鹽即45.5%重量占比的硝酸鈉+54.5%的硝酸鉀的低共熔混合物，熔點(diǎn)很低，一但受熱就變成液體，可以提供不錯(cuò)的導(dǎo)熱性能。
