气冷发动机的气缸发展和沿革

活塞发动机到底是液冷更好还是风冷更好？这个问题的正方和反方大概已经持续斗争了近一个世纪，而且在可见的未来内还会继续争论下去，不过实际上发动机不应该被简单划分为液冷或者风冷，因为所有发动机散发出的热量最终都会被输送到空气里去。在所谓的“液冷”发动机中，设计师会用水、乙二醇或者两者的混合液作为冷却介质将热量从发动机部件中转移到散热器里，再将热量输送到空气中，液冷发动机有很多优点，比如降温效果更好、散热器布置更加灵活、还能将冷却液引导致一些风冷很难有效冷却的犄角旮旯位置，不过缺陷自然也是很明显的，比如重量更重、更不利于抗损等等。

 

从理论上来说，风冷发动机因为不用像液冷发动机一样需要二次传热，所以一般都更加轻且设计简单。最早一批风冷航空发动机当中最成功的是1908年格伦·寇蒂斯Glenn·Curtiss用于驱动著名的六月金龟号June Bug飞机的V-8引擎，编号寇蒂斯B-8，排量268in³可输出40hp，设计还很原始：

B-8的气缸是由灰铁一体铸造的，气缸的散热片较宽，灰铁铸造技术在当时非常流行，加工简单但导热性能并不佳，寇蒂斯当时已经知道金属铝可以提供更好的导热性能，但时下并不存在一种密度合适、坚固并可以经受热处理工艺的铝合金。1909年法国的雷诺公司Renault推出了一款新的航空发动机雷诺-8，但遇到了非常严重的散热问题导致功率迟迟无法提升，在一战中法国和英国都生产过雷诺-8的改型，只是不论怎么改进发动机的排气阀寿命依旧非常低、油耗也压不下去。

以我们现在的角度来看这样的发动机与其说是风冷不如说是油冷发动机，因为它们需要大量的燃料来冷却发动机部件而不是供给给气缸燃烧，在满功率输出模式下这些发动机的单位油耗甚至会高达1lb/hp/hr，这种油冷模式持续到二战结束的时候才逐渐消失，因为军用发动机需求高马力，无法用理想空燃比运行，为了保证汽缸盖温度不超标或者防止排气阀升温导致爆震，风冷发动机的油耗相比液冷发动机而言绝对会更高。

1909年，这一年被普遍认为是真正的实用化航空发动机诞生的一年，意大利人亚历山德罗·安扎尼Alessandro Anzani生产出了一种风冷三缸发动机，帮助法国人路易·布莱里奥Louis Blériot驾驶它的单翼飞翼成功飞跃了英吉利海峡，飞行时间达到了创纪录的37分钟。安扎尼的3缸发动机依旧是铸铁制造的风冷气缸，带有凸轮轴操纵的排气阀和大气压力控制的进气阀，当活塞在进气冲程向下支点移动时，气缸内的负压和空气中的正压会让进气阀强制打开，而自带的轻质金属气门弹簧则保持其余三个冲程内进气阀的关闭，这一设计帮助安扎尼的发动机省去了一个气门推杆和摇臂，简化了凸轮轴设计降低了重量，使其成为了第一种实用化的风冷航空发动机。

之后我们要谈的是一战中曾短暂存在过后即被淘汰的风冷发动机构型即转缸发动机，这种发动机的气缸带着曲轴箱围绕着静止的曲轴旋转，而螺旋桨就简单地用螺栓固定在曲轴箱的前部。转缸发动机广受欢迎的最大原因就是它的气缸运动使得其比常规的风冷发动机冷却效率更高，而且由于不需要曲轴配重所以重量更轻，在航空技术刚刚起步的年代这些确实都是很大的优势。

转缸发动机的气缸生产和常规的风冷发动机一样，不过一战中气缸已经逐渐从灰铁铸造变成了合金钢锻造件，使用的材料应该是当时非常流行的中低碳钢和镍的合金材料。一战中战斗机使用的转缸发动机在满功率输出下能有约1200rpm的转速，再加上一般都会有一个半封闭的整流罩，气缸的散热片不需要很密集就足以满足散热需求，转缸发动机也没有排气管，当排气阀打开时，发动机的废气会直接排放到整流罩内，最有趣的设计是转缸发动机无法布置油底壳或者任何形式的滑油回收系统，所以它的滑油是直接排放出去的，跟燃料一样是消耗品，所以在一战结束后转缸发动机很快就被常规的星型风冷发动机彻底取代了，如今除了博物馆应该也见不到这种构型的发动机了。

我们熟知的星型风冷发动机在一战后的一段时间内可以说是彻底霸占了风冷发动机的市场，设计师普遍认为这种构型的发动机趋近于完美，抗损性佳、重量轻且构造简单。它的设计前身来自于一战时期英国的皇家飞机工厂，即后来的皇家航空研究院RAE的前身，由A·H·吉布森和山姆·赫仑教授A. H. Gibson and Sam Heron共同开发，二人知道铝金属能够更好地导热，于是决定将风冷发动机气缸的汽缸盖和气缸筒的散热片用铝合金铸件取代灰铁铸件，而气缸筒本身内部和活塞直接接触的磨损面则内嵌一个铸铁或者钢制成的气缸内套，这样做是因为铝合金的抗磨损性能不佳，常规的气缸筒和汽缸盖之间的螺栓连接设计也被取消了，因为这样会需要额外的气缸衬垫且会有密封和泄露的问题，吉布森和赫仑的风冷发动机气缸设计非常先进，是完全现代化的设计。

但吉布森和赫仑的设计在英国并没有引起应有的注意力，很多风冷发动机生产商还在使用旧式的气缸设计，气缸筒和汽缸盖依旧使用螺栓连接设计，气缸筒由钢胚锻造而成，上端切面是平坦封闭的，但有二至四个圆形孔洞，这是气门的位置。这种设计典型的是布里斯托公司的朱庇特发动机，它有两个排气阀两个进气阀总计四个气门，这是个非常不寻常的设计，因为气门需要的气门挺杆会严重限制风冷发动机的空气通路造成散热问题，所以即使到了后来二战时期大部分风冷发动机都只有两个气门，布里斯托选择用四个气门的原因可能是较小的气门可以分摊气缸内的温度，使得其寿命更长，除此之外朱庇特的气门挺杆、摇臂和固定螺栓等部件都暴露在外，因此还需要经常额外加注滑油。

不过事情的发展并不如布里斯托的打算，朱庇特发动机虽然广销整个欧洲，但其较低的寿命和极高的油耗却一直是个大问题，山姆·赫仑曾经嘲讽布里斯托的发动机油耗数据应该用排气阀的重量来表示而不是用常规的单位油耗率lb/hp/hr。于是到了1920年中晚期，布里斯托终于接受了吉布森和赫仑的新型气缸设计，并引入了全新的齿轮传动式机械增压器。

 

在讲了一些英国人的风冷发动机发展之后让我们再把目光投向大洋彼岸的美国。美国人在第一次世界大战期间几乎没有涉及风冷发动机的任何研究，不过它们生产的液冷发动机Liberty-12倒是广受欢迎。一战后唯一一家迈入风冷发动机领域的公司是位于纽约的劳伦斯航空发动机公司，它规模很小，在一战时期负责生产对置双缸气冷发动机供教练机使用。不久，在美国海军下定决心建造自己的航空母舰之后他们迫使规模较大的莱特公司从仿制法国人西斯帕诺絮扎的液冷发动机转变业务开发全新的星型风冷发动机，于是莱特顺理成章地收购了唯一有开发经验的劳伦斯公司，并以此为基础开发了J系列发动机，依旧以劳伦斯公司的名字命名，其中J-1发动机在1922年通过了50小时运转测试，而J-5发动机则因带动查尔斯·林德伯格横跨大西洋的壮举而名声大噪，它也是美国第一台使用了充盐排气阀的发动机，所谓盐即45.5%重量占比的硝酸钠+54.5%的硝酸钾的低共熔混合物，熔点很低，一但受热就变成液体，可以提供不错的导热性能。

莱特-劳伦斯公司的气冷发动机能有这么大进步依旧要归功于我们上文提到过的山姆·赫仑，他在1921年因和原雇主西德利公司的理念不合而辞职移民到了美国，立刻就被美国陆军航空局邀请到了麦库克机场工作，担任发动机开发部门的工程师，1926年赫仑加入了莱特公司并高升成了副总裁，而J-5发动机就是赫仑的努力结晶。

莱特公司的成功自然吸引了更多人加入到这场发动机竞赛中，接下来就是著名的普拉特惠特尼PW公司的故事了。PW公司是由F.B.Rentschler伦特施勒、George Mead乔治·米德、Andrew Willgoos安德鲁·维尔古斯三位本在莱特公司任职的工程师出来单干组建的，1926年他们推出了自己的第一台发动机R-1340黄蜂，黄蜂的气缸设计可以说是完全拷贝了山姆·赫仑的最新式设计，比如气门挺杆系外壳和细密的发动机散热片结构，一经出世就获得了美国海军的200台大订单，海军接下来还表示他们需要更大的发动机，于是PW后来开始制造R-1690大黄蜂式发动机，并于1927年通过了海军的型号测试。

莱特很快就拿出了更大的发动机应对PW的挑战，即R-1790单排9缸旋风发动机，后来又通过放大了一些排量成为了我们熟知的R-1820发动机，它被广泛用于20-50年代的各种军用民用发动机上，以它为发动机的飞机有部分甚至服役至80-90年代，寿命极长，1927年R-1820服役时马力只有500hp，而到了二战后期其马力已经达到了1500hp+，翻了超过3倍，堪称奇迹。

同一时期美国人的冶金铸造工艺也得到了空前发展，并在这一领域超越了英国人的技术水平，他们风冷发动机散热片的密集程度堪称艺术。20世纪30年代，美国人在大型星型风冷发动机的设计上已经形成了一定程度的标准，气缸缸径都在6in左右，每个气缸有两个大型气门，通过凸轮轴系控制，气门挺杆和摇臂机构都被包裹起来不再外置，这也要归功于1932年PW在黄蜂式发动机上首次引入了发动机压力式滑油回路才得以实现。在这之后气冷发动机的改进一般都是材料和细节上的修正了。

接下来我们再稍微谈一谈材料和工艺，风冷发动机最头疼的问题就是排气阀易过热导致爆震，早在一战之前就有人尝试将排气阀掏空加入水进行冷却，但很明显效果不佳，后续的盐、汞等冷却介质的效果也不是很好，我们直到今天还在使用的充钠排气阀依旧是山姆·赫仑的杰作，在他于美国陆航麦库克基地工作的那几年内所发明的。

气缸内筒从灰铁进化到合金钢之后基本上都已知采用不同配比的合金钢制作，PW公司后来在1920s开始用一种铬钼合金SAE4140（现在叫UNS G4140）制造气缸筒，这种合金直到今天也在使用。

除此之外气门和气门座的材料也经过了大量进化，例如1920s就用过高速钢·、含有20%的钨和钼的合金钢以及各种奥氏体不锈钢合金，但表现都不佳，后来这一材料问题又被山姆·赫仑等人解决了，他们使用的是司太立合金，一种有65%的钴、30%的铬和5%的钨构成的合金，值得一提的是司太立合金的前身其实是造假牙的。