- 上海乾拓貿易有限公司 >>> 新聞動態
氣冷發動機的UNIVER氣缸發展和沿革
活UNIVER氣缸這個問題的正方和反方大概已經持續斗爭了近一個世紀，而且在可見的未來內還會繼續爭論下去，不過實際上發動機不應該被簡單劃分為液冷或者風冷，因為所有發動機散發出的熱量最終都會被輸送到空氣里去。在所謂的“液冷"發動機中，設計師會用水、乙二醇或者兩者的混合液作為冷卻介質將熱量從發動機部件中轉移到散熱器里，再將熱量輸送到空氣中，液冷發動機有很多優點，比如降溫效果更好、散熱器布置更加靈活、還能將冷卻液引導致一些風冷很難有效冷卻的犄角旮旯位置，不過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氣缸因為不用像液冷發動機一樣需要二次傳熱，所以一般都更加輕且設計簡單。最早一批風冷航空發動機當中最成功的是1908年格倫·寇蒂斯Glenn·Curtiss用于驅動著名的六月金龜號June Bug飛機的V-8引擎，編號寇蒂斯B-8，排量268in?可輸出40hp，設計還很原始：
UNIVER氣缸是由灰鐵一體鑄造的，氣缸的散熱片較寬，灰鐵鑄造技術在當時非常流行，加工簡單但導熱性能并不佳，寇蒂斯當時已經知道金屬鋁可以提供更好的導熱性能，但時下并不存在一種密度合適、堅固并可以經受熱處理工藝的鋁合金。1909年法國的雷諾公司Renault推出了一款新的航空發動機雷諾-8，但遇到了非常嚴重的散熱問題導致功率遲遲無法提升，在一戰中法國和英國都生產過雷諾-8的改型，只是不論怎么改進發動機的排氣閥壽命依舊非常低、油耗也壓不下去。
以我們現在的角度來看這樣的發動機與其說是風冷不如說是油冷發動機，因為它們需要大量的燃料來冷卻發動機部件而不是供給給氣缸燃燒，在滿功率輸出模式下這些發動機的單位油耗甚至會高達UNIVER氣缸這種油冷模式持續到二戰結束的時候才逐漸消失，因為發動機需求高馬力，無法用理想空燃比運行，為了保證汽缸蓋溫度不超標或者防止排氣閥升溫導致爆震，風冷發動機的油耗相比液冷發動機而言絕對會更高。
這一年被普遍認為是真正的實用化航空發動機誕生的一年，意大利人亞歷山德羅·安扎尼Alessandro Anzani生產出了一種風冷三缸發動機，幫助法國人路易·布萊里奧Louis Blériot駕駛它的單翼飛翼成功飛躍了英吉利海峽，飛行時間達到了創紀錄的37分鐘。安扎尼的3缸發動機依舊是鑄鐵制造的風冷氣缸，帶有凸輪軸操縱的排氣閥和大氣壓力控制的進氣閥，當活塞在進氣沖程向下支點移動時，氣缸內的負壓和空氣中的正壓會讓進氣閥強制打開，而自帶的輕質金屬氣門彈簧則保持其余三個沖程內進氣閥的關閉，這一設計幫助安扎尼的發動機省去了一個氣門推桿和搖臂，簡化了凸輪軸設計降低了重量，使其成為了第一種實用化的風冷航空發動機。
UNIVER氣缸之后我們要談的是一戰中曾短暫存在過后即被淘汰的風冷發動機構型即轉缸發動機，這種發動機的氣缸帶著曲軸箱圍繞著靜止的曲軸旋轉，而螺旋槳就簡單地用螺栓固定在曲軸箱的前部。轉缸發動機廣受歡迎的最大原因就是它的氣缸運動使得其比常規的風冷發動機冷卻效率更高，而且由于不需要曲軸配重所以重量更輕，在航空技術剛剛起步的年代這些確實都是很大的優勢。
轉缸發動機的氣缸生產和常規的風冷發動機一樣，不過一戰中氣缸已經逐漸從灰鐵鑄造變成了合金鋼鍛造件，使用的材料應該是當時非常流行的中低碳鋼和鎳的合金材料。一戰中戰斗機使用的轉缸發動機在滿功率輸出下能有約1200rpm的轉速，再加上一般都會有一個半封閉的整流罩，氣缸的散熱片不需要很密集就足以滿足散熱需求，轉缸發動機也沒有排氣管，當排氣閥打開時，發動機的廢氣會直接排放到整流罩內，最有趣的設計是轉缸發動機無法布置油底殼或者任何形式的滑油回收系統，所以它的滑油是直接排放出去的，跟燃料一樣是消耗品，所以在一戰結束后轉缸發動機很快就被常規的星型風冷發動機取代了，如今除了博物館應該也見不到這種構型的發動機了。
UNIVER氣缸我們熟知的星型風冷發動機在一戰后的一段時間內可以說是霸占了風冷發動機的市場，設計師普遍認為這種構型的發動機趨近于，抗損性佳、重量輕且構造簡單。它的設計前身來自于一戰時期英國的，即后來的航空研究院RAE的前身，由A·H·吉布森和山姆·赫侖教授A. H. Gibson and Sam Heron共同開發，二人知道鋁金屬能夠更好地導熱，于是決定將風冷發動機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，而氣缸筒本身內部和活塞直接接觸的磨損面則內嵌一個鑄鐵或者鋼制成的氣缸內套，這樣做是因為鋁合金的抗磨損性能不佳，常規的氣缸筒和汽缸蓋之間的螺栓連接設計也被取消了，因為這樣會需要額外的氣缸襯墊且會有密封和泄露的問題，吉布森和赫侖的風冷發動機氣缸設計非常先進，是現代化的設計。
UNIVER氣缸并沒有引起應有的注意力，很多風冷發動機生產商還在使用舊式的氣缸設計，氣缸筒和汽缸蓋依舊使用螺栓連接設計，氣缸筒由鋼胚鍛造而成，上端切面是平坦封閉的，但有二至四個圓形孔洞，這是氣門的位置。這種設計典型的是布里斯托公司的朱庇特發動機，它有兩個排氣閥兩個進氣閥總計四個氣門，這是個非常不尋常的設計，因為氣門需要的氣門挺桿會嚴重限制風冷發動機的空氣通路造成散熱問題，所以即使到了后來二戰時期大部分風冷發動機都只有兩個氣門，布里斯托選擇用四個氣門的原因可能是較小的氣門可以分攤氣缸內的溫度，使得其壽命更長，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，因此還需要經常額外加注滑油。
UNIVER氣缸不過事情的發展并不如布里斯托的打算，朱庇特發動機雖然廣銷整個歐洲，但其較低的壽命和的油耗卻一直是個大問題，山姆·赫侖曾經嘲諷布里斯托的發動機油耗數據應該用排氣閥的重量來表示而不是用常規的單位油耗率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計，并引入了全新的齒輪傳動式機械增壓器。
UNIVER氣缸在講了一些英國人的風冷發動機發展之后讓我們再把目光投向大洋彼岸的美國。美國人在第一次世界大戰期間幾乎沒有涉及風冷發動機的任何研究，不過它們生產的液冷發動機Liberty-12倒是廣受歡迎。一戰后一家邁入風冷發動機領域的公司是位于紐約的勞倫斯航空發動機公司，它規模很小，在一戰時期負責生產對置雙缸氣冷發動機供教練機使用。不久，在美國定決心建造自己的航空母艦之后他們迫使規模較大的萊特公司從仿制法國人西斯帕諾絮扎的液冷發動機轉變業務開發全新的星型風冷發動機，于是萊特順理成章地收購有開發經驗的勞倫斯公司，并以此為基礎開發了J系列發動機，依舊以勞倫斯公司的名字命名，其中J-1發動機在1922年通過了50小時運轉測試，而J-5發動機則因帶動查爾斯·林德伯格橫跨大西洋的壯舉而名聲大噪，它也是美國第一臺使用了充鹽排氣閥的發動機，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，熔點很低，一但受熱就變成液體，可以提供不錯的導熱性能。
