先进构型活塞发动机的设计和构思（德国）

2022-08-27 17:44 作者:徐祺七 0人读过 | 我要投稿

人们很早就认识到常规的螺旋桨发动机在高速下效率会严重下降，但鉴于活塞发动机拥有无可比拟的油耗优势和低空油门响应速度，德国人仍然考虑在对地攻击机、运输机、观测机上大规模使用活塞引擎，FKFS即斯图加特汽车工程与发动机研究所的董事Wunibald Kamm、DVL德国航空研究中心的Helmut Schelp博士、赫尔曼戈林航空研究所的所长Theodor Zobel博士、容克斯发动机公司的MAMuller、BMW的hermann oestrich等人在二战期间对先进型活塞发动机构型进行过深入研究，以下是他们的研究成果摘录：

1. Max Adolf Muller于1941年的论文：

在高速飞机的开发方面，容克斯发动机公司遵循前任领导人Wagner在1935年秋季提出的方针，在1936年将PTL即涡桨发动机的开发工作交给了我，我很快就收集了TL喷气发动机、ZTL涡扇发动机和ML发动机的数据进行研究。

ML发动机：仔细研究活塞式发动机的话就会发现，燃烧混合气的能量是从静态分布到动态分布的一个过程，换一种说法就是大部分能力都被当做废气排出了，这部分废气蕴含有极高的喷气推力，以ML发动机的构型比较传统的TL喷气发动机，前者的功重比是后者的两倍，而燃料消耗量又是后者的一半，与传统的活塞发动机相比，ML发动机又更加适合在200mps即720kph的速度下飞行长达10-11个小时，当然这种比较只能在理论上进行，目前我们还造不出来足以飞行这么长距离的飞机。

出于战术上的考虑，如果需要一种兼具超大功率和低巡航油耗的发动机，我认为需要将ML和TL发动机结合，如下：

这种MTL发动机在巡航状态下油耗和活塞发动机接近，而需要极限功率的话能够输出3倍的动力（相对于普通活塞发动机），MTL发动机需要的核心驱动引擎最好是具有超高工作速度和功重比的二冲程活塞发动机，。

2. Hermann Oestrich于1941年的论文：

当1938年BMW拿到开发新一代发动机的项目时，我们曾以ML发动机为开发核心进行过讨论，即使用多叶片叶轮取代传统活塞发动机的螺旋桨使得其能够在800kph+的空速范围内依旧拥有较高的效率。

我们当时考虑的发动机是14缸双排星型发动机（明显就是Fw-190的BMW-801，很有可能这个构型最初被考虑用于Fw-190A上），发动机不再驱动螺旋桨而是一个叶轮，叶轮被包裹在NACA整流罩内，为适应不同速度段和高度，排气出口截面是可调的。（这个设计和Fw-190A的早期设计几乎一模一样，连叶轮和BMW-801的强冷风扇都几乎一致，这是个非常有趣的地方，值得深挖。）

通过外形我们就知道，这种发动机的推力和效率取决于它吸入的空气流量，为了高速度我们需要将它的直径尽可能放大，假设叶轮的直径是1470mm，这种构型的发动机能提供高达1.3吨的静态推力，约0.93kg/ps（从马力上也看得出来，这种发动机就是BMW-801），后来我们还决定在实际飞机上实验这种设计，如图2的使用Bramo325发动机（约160ps）的福克沃尔夫飞机，尽管由于这种飞机空速过低以及修型过差效果并不理想，但ML发动机依旧能提供超过传统螺旋桨的推力：

后续我们研究了更为先进的一些构型：

在这种构型中被吸入发动机的空气被分为三股，第一股通过增压器进入发动机，第二股冷却气缸被吸收气缸辐射出的热量，第三股则直接流向发动机后部的喷嘴，再融入废气涡轮排出的发动机废气，这股气流再被喷管排出，能够提供极其可观的推力效果。我们建议使用二冲程发动机作为ML构型的核心机。

上图是我们进行的最先进的ML发动机构型设计，截面只有850mm，尺寸非常小，但由于我们没有精力去开发新的12缸2冲程发动机而被取消了，我们还计划安装后燃器进一步提升推力。

奔驰再这之前也做过类似的设计，以DB-604为核心机的ML发动机，在6km高度250mps的空速下获得了600kg的推力，但很明显奔驰的这个设计过于粗大没有实用价值，液冷发动机的散热器位于发动机前部做环绕设计。

3. Helmut Schelp、Theodor Zobel于1943年的论文：

活塞发动机的发展已经达到了极限，在可见的未来或是当下都不会再有突破性地改进，所以我们有必要将研究和发展的重点转移到喷气发动机上。

目前的活塞发动机为追求高性能，所能继续研究的也只有改进燃料或发动机燃烧特性，其中为改进燃烧特性还需要设计建造一种气缸非常多的发动机才能实现。

液冷发动机无疑是更好的，但风冷也不能落下，我们德国在风冷发动机上已经落后了15年。

现在燃气轮机的研究已经诞生了很多成果，我认为是时候重新审视活塞发动机的构型并将二者结合了。

我们将下一阶段的飞机性能标定如下：

速度：超音速

高度：约20km

航程：超过15000km

使用目前手头的几款不同类比高性能发动机进行比较，分别是带TK9涡轮的Jumo-

222C/D、涡桨发动机BMW-028、喷气发动机BMW-018和最新式的Jumo-004C。

下图列出了这些动力装置的推力效率，对于特定的空速和高度，C值表示的是动力装置的阻力和推力变化的基准，如果C值的曲线是水平的，则代表发动机的推力和阻力将在空速增加的情况下以相同的比例增加。

在这些动力装置中，活塞发动机和涡桨的C值下降率极高，原因明显是高空高速时螺旋桨的效率会严重降低，在空速大于235mps约846kph时，这两种发动机的Ce值即有效推力系数会极速趋近于0，代表它们产生的动力已经被固有的阻力抵消了，这已经说明活塞式发动机或涡桨在高空高速领域是行不通的，以BMW-018为代表的喷气发动机在220mps空速即792kph时Ce已经高达活塞式发动机的3.5倍，如果空速更高，这一优势会继续放大。

简单来说活塞发动机只适合执行远距离/中低速任务。在此条件的基础上，我提出一种全新的活塞发动机设计构型，称之为Propeller-Motor-Luftstrahl-Triebwerk，PML发动机，直译为螺旋桨活塞喷气发动机。

PML发动机的构型如下图，设计的首要目标就是要求发动机驱动的空气/废气要以尽可能低的阻力被排出，降低一切能降低的动力舱阻力水平，并减少正面迎风面积。在PML构型中活塞发动机的目的是驱动前端的大型螺旋桨和数个轴流风扇，实际上类似涡扇发动机的构型，区别在于使用活塞发动机作为动力源而不是常规的燃气轮机。

PML构型中的活塞发动机成为驱动引擎，它是最影响发动机舱外形的，所以使用直列发动机是最佳的选择，而其中又以高转速且能承受高热应力的短行程二冲程发动机最佳，我们无需担心发动机的气缸冷却问题，由于进气量非常庞大，即使是风冷直列也不会显著影响后排气缸的温度，因此使用X型四排风冷发动机即可，每排4-6个气缸，输出约1500-3000hp，而水冷构型的发动机主要是会带来散热器安装位置的问题，所以暂不考虑。

这种设计最早是由容克斯公司的M.A. Müller提出的，FKFS后续进行了大量研究，目前来看PML发动机很适合中高空的远距离飞行任务。

4. FKFS的设计

FKFS在1939年和Muller接触并开始联手研发全新的ML构型发动机，FKFS的设计基于的是48缸发动机C构型，将4台V12发动机并联成为一台大型发动机，在巡航时通过切断其中1-3个发动机的动力输出可以将飞机的巡航范围提升约56%（原文如此），每个气缸只有1.1L，总排量很低，但起飞功率高达3550ps。