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氣冷發(fā)動機的UNIVER氣缸發(fā)展和沿革
活UNIVER氣缸這個問題的正方和反方大概已經(jīng)持續(xù)斗爭了近一個世紀(jì)，而且在可見的未來內(nèi)還會繼續(xù)爭論下去，不過實際上發(fā)動機不應(yīng)該被簡單劃分為液冷或者風(fēng)冷，因為所有發(fā)動機散發(fā)出的熱量最終都會被輸送到空氣里去。在所謂的“液冷"發(fā)動機中，設(shè)計師會用水、乙二醇或者兩者的混合液作為冷卻介質(zhì)將熱量從發(fā)動機部件中轉(zhuǎn)移到散熱器里，再將熱量輸送到空氣中，液冷發(fā)動機有很多優(yōu)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(dǎo)致一些風(fēng)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(fā)動機一樣需要二次傳熱，所以一般都更加輕且設(shè)計簡單。最早一批風(fēng)冷航空發(fā)動機當(dāng)中最成功的是1908年格倫·寇蒂斯Glenn·Curtiss用于驅(qū)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(shè)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(shù)在當(dāng)時非常流行，加工簡單但導(dǎo)熱性能并不佳，寇蒂斯當(dāng)時已經(jīng)知道金屬鋁可以提供更好的導(dǎo)熱性能，但時下并不存在一種密度合適、堅固并可以經(jīng)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(fā)動機雷諾-8，但遇到了非常嚴(yán)重的散熱問題導(dǎo)致功率遲遲無法提升，在一戰(zhàn)中法國和英國都生產(chǎn)過雷諾-8的改型，只是不論怎么改進發(fā)動機的排氣閥壽命依舊非常低、油耗也壓不下去。
以我們現(xiàn)在的角度來看這樣的發(fā)動機與其說是風(fēng)冷不如說是油冷發(fā)動機，因為它們需要大量的燃料來冷卻發(fā)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(fā)動機的單位油耗甚至?xí)哌_UNIVER氣缸這種油冷模式持續(xù)到二戰(zhàn)結(jié)束的時候才逐漸消失，因為發(fā)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(biāo)或者防止排氣閥升溫導(dǎo)致爆震，風(fēng)冷發(fā)動機的油耗相比液冷發(fā)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(fā)動機誕生的一年，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(chuàng)紀(jì)錄的37分鐘。安扎尼的3缸發(fā)動機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氣閥，當(dāng)活塞在進氣沖程向下支點移動時，氣缸內(nèi)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(zhì)金屬氣門彈簧則保持其余三個沖程內(nèi)進氣閥的關(guān)閉，這一設(shè)計幫助安扎尼的發(fā)動機省去了一個氣門推桿和搖臂，簡化了凸輪軸設(shè)計降低了重量，使其成為了第一種實用化的風(fēng)冷航空發(fā)動機。
UNIVER氣缸之后我們要談的是一戰(zhàn)中曾短暫存在過后即被淘汰的風(fēng)冷發(fā)動機構(gòu)型即轉(zhuǎn)缸發(fā)動機，這種發(fā)動機的氣缸帶著曲軸箱圍繞著靜止的曲軸旋轉(zhuǎn)，而螺旋槳就簡單地用螺栓固定在曲軸箱的前部。轉(zhuǎn)缸發(fā)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(guī)的風(fēng)冷發(fā)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(shù)剛剛起步的年代這些確實都是很大的優(yōu)勢。
轉(zhuǎn)缸發(fā)動機的氣缸生產(chǎn)和常規(guī)的風(fēng)冷發(fā)動機一樣，不過一戰(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)時非常流行的中低碳鋼和鎳的合金材料。一戰(zhàn)中戰(zhàn)斗機使用的轉(zhuǎn)缸發(fā)動機在滿功率輸出下能有約1200rpm的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)缸發(fā)動機也沒有排氣管，當(dāng)排氣閥打開時，發(fā)動機的廢氣會直接排放到整流罩內(nèi)，最有趣的設(shè)計是轉(zhuǎn)缸發(fā)動機無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)動機很快就被常規(guī)的星型風(fēng)冷發(fā)動機取代了，如今除了博物館應(yīng)該也見不到這種構(gòu)型的發(fā)動機了。
UNIVER氣缸我們熟知的星型風(fēng)冷發(fā)動機在一戰(zhàn)后的一段時間內(nèi)可以說是霸占了風(fēng)冷發(fā)動機的市場，設(shè)計師普遍認為這種構(gòu)型的發(fā)動機趨近于，抗損性佳、重量輕且構(gòu)造簡單。它的設(shè)計前身來自于一戰(zhàn)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(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(nèi)部和活塞直接接觸的磨損面則內(nèi)嵌一個鑄鐵或者鋼制成的氣缸內(nèi)套，這樣做是因為鋁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(fēng)冷發(fā)動機氣缸設(shè)計非常先進，是現(xiàn)代化的設(shè)計。
UNIVER氣缸并沒有引起應(yīng)有的注意力，很多風(fēng)冷發(fā)動機生產(chǎn)商還在使用舊式的氣缸設(shè)計，氣缸筒和汽缸蓋依舊使用螺栓連接設(shè)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(shè)計典型的是布里斯托公司的朱庇特發(fā)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(shè)計，因為氣門需要的氣門挺桿會嚴(yán)重限制風(fēng)冷發(fā)動機的空氣通路造成散熱問題，所以即使到了后來二戰(zhàn)時期大部分風(fēng)冷發(fā)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(nèi)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(jīng)常額外加注滑油。
UNIVER氣缸不過事情的發(fā)展并不如布里斯托的打算，朱庇特發(fā)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(jīng)嘲諷布里斯托的發(fā)動機油耗數(shù)據(jù)應(yīng)該用排氣閥的重量來表示而不是用常規(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，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(fēng)冷發(fā)動機發(fā)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(zhàn)期間幾乎沒有涉及風(fēng)冷發(fā)動機的任何研究，不過它們生產(chǎn)的液冷發(fā)動機Liberty-12倒是廣受歡迎。一戰(zhàn)后一家邁入風(fēng)冷發(fā)動機領(lǐng)域的公司是位于紐約的勞倫斯航空發(fā)動機公司，它規(guī)模很小，在一戰(zhàn)時期負責(zé)生產(chǎn)對置雙缸氣冷發(fā)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(guī)模較大的萊特公司從仿制法國人西斯帕諾絮扎的液冷發(fā)動機轉(zhuǎn)變業(yè)務(wù)開發(fā)全新的星型風(fēng)冷發(fā)動機，于是萊特順理成章地收購有開發(fā)經(jīng)驗的勞倫斯公司，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了J系列發(fā)動機，依舊以勞倫斯公司的名字命名，其中J-1發(fā)動機在1922年通過了50小時運轉(zhuǎn)測試，而J-5發(fā)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(fā)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(dǎo)熱性能。
