继续发帖，活塞式发动机工作原理与仪表说明

bbweiweiw

往复活塞式发动机是通用航空飞行器最常用的动力装置。这些发动机结构与汽车用的发动机很相似，一般都是四冲程的，但有两点重要的不同：
    飞机发动机具有双套点火系统。发动机曲轴带动磁电机（Magneto），提供电能为火花塞点燃混合气。磁电机有两个，每个气缸头都有两个火花塞。当其中一组火花塞或磁电机
失效，另一组仍能单独工作。
    由于飞机发动机须在很宽的高度范围内工作，动力控制中包括有油/气混合比控制，让飞行员在不同飞行高度下调节合适的燃油、空气混合比。
   
    油门/节流阀杆（黑色） 进气道歧管总压表  
螺旋转螺矩调节杆（蓝色） 转速表  
油/气混合比调节杆（黄色） 废气温度表
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空速表（AirSpeed Indicator）
绿色弧线范围  
飞机正常使用空速  
上限:Vno，144节，在最大结构巡航速度，不要让巡航速度超过这个速度。  
下限：Vs1, 50节，最大总重、收起襟翼、起落架、发动机怠速状态下的失速速度。  
白色弧线范围  
襟翼全张开的安全使用速度范围  
上限：Vfe，90节，高于这个速度张开襟翼会导致结构损坏。  
下限：Vso, 40节，着陆构型下（襟翼全张开，放下起落架）的失速速度。  
黄色弧线范围  
在这个速度范围内，只允许在平稳气流中作短时间飞行，144节-179节  
红线刻度
Vne, 不要超过这个速度，即使在平稳气流条件下，达到这个速度都会导致结构损坏。
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真空泵压力表（P47右上角），在仪表板的左上角，当指针在绿色刻度以外时，陀螺就不能正常工作，ADI和DG指示就不准确。  

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节流阀调节杆 又称油门杆，直接控制发动机输出功率的大小，指示节流阀开度的仪表是进气道歧管总压表。  
混合比调节杆 控制混合气中燃油、空气的比例，使发动机工作平稳、提高燃烧使用效率。指示混合比的仪表是废气温度表（EGT）。  
螺旋桨螺矩调节杆 又称转速调节杆，可调整螺旋桨的桨叶角，以适应不同转速下螺旋桨的气动要求。指示桨叶角状态的仪表是转速表。  
往复活塞式发动机燃油与空气混合、送进机缸的方式有两种：化油器和燃油喷注
功率在200马力以下的发动机一般用化油器将燃油和空气混合形成“混合气”，价格相对较便宜。
功率在200马力以上的发动机一般用燃油喷注系统，用喷嘴直接将燃油喷出进入气缸，燃油和空气在吸气冲程混合.
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化油器工作原理
外界空气通过空气过滤器后进入化油器。气流流经一段狭窄喉管，据伯努利原理，气流在这里加速、减压，产生的局部真空吸力将燃油从油嘴雾化吸入并与空气混合，形成油/气
混合气，混合气经进气道歧管（manifold）分流进各个进缸。
驾驶舱内的“节流阀调节杆”（常称油门杆），通过调节进气道中阀门开度的大小，改变进入气缸混合气量的多少，从而直接影响发动机输出功率的大小。衡量混合气量的多少用
的仪表是压力表，即进气道歧管总压表，单位为英寸汞柱。压力越大，表明进入气缸中燃烧的混合气越多，发动机输出功率越大。
油/气混合比
活塞式发动机一般在油/气混合比为15比1时（重量比）能产生最大动力。
化油器是在海平面大气压力下校正合适的混合比的，随着飞机上升高度，空气密度降低，飞行员须通过驾驶舱内的“混合比控制杆”减少进入喉管的燃油量，使进入燃烧室的混合
气有合适的油/气混合比。混合比的改变由废气温度表（EGT）反映出来。混合比越大，即燃油的比例越多，废气温度越低；混合比越小，废气温度越高，混合比控制应参考发动机
使用手册，一个典型的例子是：在巡航高度上，拉回混合比控制杆，减小混合比，使EGT读数增大至最大值，然后推回混合比控制杆至EGT读数比最大值小125华氏度（五格刻度）。
总结：
在低空，因空气密度大，需燃油较多，用浓混合气，杆推前。
在高空，因空气密度小，需燃油较小，多稀混合气，杆拉后。
富油运转
当混合气过浓--在当前空气重量条件下燃油比例过多时，会引致燃油消耗过多，发动机工作不平稳，输出功率减小。但同时，富油运转可冷却发动机，使燃烧室温度低于正常情况
下的温度，长时间富油动转会使火花塞积油，甚至“淹死”火花塞，打不了火。
贫油运转
贫油运转会引致发动机工作不平稳、爆震、过热、输出功率减小。发生爆震而不及时纠正会损坏发动机，甚至令发动机突然失效。
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磁电机及点火系统
点火系统为活塞式发动机提供电火花，点燃混合气推动活塞工作。大多数现代飞机都用磁电机发电产生电火花，虽然不及现代汽车的电子点火系统那样先进，但磁电机点火系统更
适合飞机使用，因为：
在高发动机转速下，磁电机产生的电火花比电池供电产生的电火花温度更高。
磁电机动力来自发动机曲轴，不依赖于电池、发电机、变压器等外部能源，所以更可靠。
启动
开启电池驱动的起动电机，带动发动机曲轴转动，曲轴带动磁电机的永磁体旋转，在磁电机的线圈产生电流，供电给火花塞产生电火花点燃气缸内的油/气混合气。这时电池就对
发动机的动转没有作用了，关掉起动电机，发动机继续运转。
双套点火系统
大多飞机都装备有两套完全一样、互相独立的点火系统--两台磁电机，每个气缸安装两个火花塞。每台磁电机各自为一组火花塞供电。除更安全外（即使一台磁电机失效，发动机
仍能工作），双重火花塞点火还可改善混合气燃烧的质量。
所以磁电机开关有五个位置：OFF,L(left),R(right),BOTH,START。
开关在“左”或“右”位置，只有一组火花塞点火；开关在“双”位置，两组火花塞全部点火。
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增压器的使用在现代的汽车引擎上面不算少见，而这个装置在二战时期对于飞机的性能有非常大的影响力，只是一般资料当中比较少见到对于增压器的型态以及运用作出介绍，因
此这里算是简单的介绍二战时期航空发动机的增压器的型态和一些运用。
增压器的需求
活塞发动机需要依靠汽缸的压缩来提高气体的压力，但是在空气进入汽缸前并不像喷射发动机一般有压缩段来提高进气的压力，因此当飞机高度增加的时候，进入汽缸的气体的压
力会跟著下降，而汽缸的压缩比是一定的，结果就是提供燃烧的气体压力会随之下降，导致燃烧效率降低，马力输出也就跟著降下来。举个例子，两万五千英尺高度的大气压力大
约是海平面的三分之一，从这一点也可以看出来发动机的输出下降相当可观。
为了维持发动机的输出在一个范围以上，如果可以维持进入汽缸的空气压力一直在接近海平面或者是低空的范围，那么理论上发动机的马力输出就不会因为高度的变化而产生巨幅
的变化。当然，这是理论，不过这就是增压器的需求来源。
二战时期基本上所有的第一线战机都会安装增压器，只有一些例外的情况。
增压器的型态
二战当中使用最普遍的为机械增压器(Mechanical Supercharger)，其次是涡轮增压器(Tubro Supercharger)。
机械增压器藉由发动机的驱动轴带动减速机构和离合器来转动，因此机械增压器设置的位置必须非常接近发动机，安装的位置有很大的限制，但是在材料要求和其他管线所占据的
体积上面比较简单。
涡轮增压器是以发动机排出的废气来驱动压缩机，不需要其他外部的机构或者是动力来源，在整体的重量和压缩效率方面比机械增压器要好，但是对于材料的需求类似喷射发动机
的涡轮段，在开发上面的难度比较高，这也是为什么二战时期很少有国家成功的将涡轮增压器运用在飞机上面。
把机械与涡轮增压器作个简单的比较的话，机械增压的缺点有：
1. 需要发动机的输出来带动增压器，在高高度飞行时，增压器可以吃掉数百匹马力的输出。
2. 增压器的重量较大，安装位置又欠缺弹性，这会让发动机配合新的增压器有实质上的困难。
3. 整体上的效率来说，机械增压的效率低于涡轮增压。

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反过来说，涡轮增压器也是有一些缺点：

1. 涡轮增压器需要特殊的耐热合金，这种合金在二战时期还在开发的初期阶段，想要使用涡轮增压器时必须有能力掌握相关的原料和冶金技术。

2. 涡轮增压器本身的重量虽然比较低，但是涡轮增压器需要众多管线将发动机的排气导引到增压器，然后将加压过的气体传送到另外一个增压器或者是发动机，这些都会大幅增加

重量和需要的体积。

因为机械增压器对于冶金和耐热合金的需求门槛比较低，因此是二战时期运用最为广泛的增压器设计，涡轮增压器的效率高，对于要求高空性能的飞机来说远比机械增压器要好，

但是较高的门槛和设计上的难度，只有美国成功的运用在作战飞机上面，而美国也是唯一成功将涡轮增压器运用在单发动机战斗机上面的国家，这个设计就是P-47，不过看到P-47

的体积，也就不难体会涡轮增压器对于体积的需求压力。

譬如说德国在二战时期也积极的开发涡轮增压器，不过和喷射发动机发展的瓶颈类似，德国对于耐热合金的原料掌握和冶金的技术导致增压器的开发进度相当缓慢，当德国的涡轮

增压器算是开发成功之后，他们才发现相关管线也需要类似的耐热合金，结果就是德国一直无法成功的运用涡轮增压器在飞机上面。

除了增压器有两种不同的基本型态以外，在增压器运用的描述上也常常会见到：一级一速，一级两速以及两级两速等等的字眼。这些字眼所描述的是增压器的运作特徵。

一级或是两级增压器代表的是空气进入汽缸前会经过几个增压器。一级就是一个增压器，两级就是两个增压器。一级增压器都是机械增压器，安装的位置通常是在发动机的后方或

是侧面。两级增压器可以两级都是机械增压，像是P-51B换装的V1650，也可以是一级涡轮一级机械增压，譬如P-47或者是B-17。两级增压器当中没有都是涡轮增压器的设计，而在

这些增压器设计当中最复杂的当属B-29，每一颗发动机有两具涡轮增压器提供加压的空气给一级机械增压器，之后气体才进入汽缸，一具发动机有三具增压器的设计，也造成B-29

在服役初期发动机不太稳定，耗损也相对偏高。

一速或是两速的代表增压器可以在几种不同的转速下运作，这种表示法只针对大部分的机械增压器。涡轮增压器的转速是透过调节进入驱动涡轮的气体的量来控制，因此涡轮增压

器可说是无段变速。类似的无段变速也出现在少数的机械增压器上面，譬如Bf 109(只有一级)和P-63(两级中的第二级)的机械增压器都可以算是无段变速。他们的增压器的差异是

在于减速机构的设计。大部分的机械增压器采用齿轮来改变增压器的转速，有点类似汽车的变速箱。无段变速增压器则是采用液压离合器来连接增压器和发动机的区轴，利用液压

来吸收低空时过多的输出，在高度逐渐升高的过程当中离合器会逐渐提升增压器的转速以维持一定范围的进气压力。

无段变速增压器最明显的优势在于增压器不会有明显的高低转速的变化，而这个高低转速的变化往往很明显，有一位以色列的飞行员在回忆他刚开始接触P-51时就被非常明显的增

压器变速的声响吓到。在高低速的变化下，增压器提供的压缩能力也马上跟著变化，飞机的马力输出也就跟著变动，如果变速的时机不对，往往会有意想不到的状态出现，大部分

大战中后期的发动机的增压器是侦测外界大气压力的变化来决定变速的时机，飞行员无法完全控制，在空战的时候很可能就会对胜负有很大的影响。反过来说，无段变速增压器的

转速变化没有这么明显的阶段性区别，因此Bf 109的老手会故意挑在P-51增压器会在高低速跳动的高度范围引诱对方进行缠斗，没有经验的飞行员在这种时候往往会吃不少亏。

可是无段变速增压器也不是没有缺点。Bf 109的液压离合器在较低高度会吃掉比预期为多的输出，导致增压器的转速不是在最佳压缩范围以内，换句话说就是中低空性能较差。

这里要解释一下为什么需要一速或是两速的设计。

当高度增加的时候，增压器就得要提供更多的压缩能量以维持一定范围内的进气压力，更多的压缩能量表示需要更高的转速，可是当飞机高度降低的时候，同样的压缩能量又会导

致汽缸进气压力过高而有损坏发动机的危险。因此如果只有一种转速的时候，这个转速的设定就必须要配合高空与低空的需求，而当转速决定之后，也就代表这架飞机的最佳操作

高度也跟著决定下来(不是升限)，超过这个高度，发动机的性能就会快速下降。如果加入变速的设计，在低空和高空分别以不同的速度驱动压缩机，那么，在低空的时候以较低的

转速增加性能，高空时以较高的转速维持发动机的性能。

从这里我们也可以有更深入的推论：既然分成两种转速以提高增压器的弹性，那么分成两级也是同样的道理罗？这样的推论的确是两级两速增压器设计的目的，两具增压器以不同

的转速配合不同高度的输出需求，发动机也就可以在更多的高度范围下维持在最佳表现范围以内。

不过在这里也需要解释一些观点。首先，只有一级的增压器不一定表示这架飞机的高空性能一定不好。举个例子，MiG-3的AM-35A发动机配备一级两速的增压器，这个增压器是以高

空操作最佳化为对象，MiG-3得以在两万三千三百英尺飞出390英里/时的性能，但是这架飞机的中低空性能就得要随著高空性能的需求而遭到牺牲。因此一级增压器被牺牲的是操作

高度的弹性，而不一定是高空性能不佳。

另外一点很相近的是，同样的增压器的设计，甚至是极为类似的发动机与增压器的配合，高空性能会因为增压器的调节而有不同的表现。最有名的例子就是P-51和喷火，在同样使

用梅林61发动机下，喷火的最初需求是拦截在四万尺高空飞行的德军侦察机，可是P-51并没有这样的高度需求，因此他的设定是在三万英尺上下。另外一个例子是喷火5型的某种改

良，为了对付Fw 190在低空的优势，一部分的喷火5型将翼展缩小以增加滚转率，同时缩小增压器的转子，使得低空时的转速更高，在不会伤害发动机的情况下得到更高的马力输出

。

其次，并不只有高空性能才一定需要两级增压器。美国海军的战斗机，尤其是F4U，F4F与F6F等等都有两级两速的增压器，美国海军虽然不特别要求高空性能，但是F4F引入两级增

压器的时间比美国陆航还要早，在瓜达康纳尔战役阶段，装备两级两速增压器的野猫经常担任高空的掩护位置，在爬升过程当中也比只有一级增压器的P-40或是P-39要快多了。

这里也要提到一个例外的情况。前面解释两速的时候说这个速度表示增压器有高低两种不同的转速，但是，两级两速不一定表示两个增压器都有两种速度。像是F6F的第二级增压器

就只有一种转速。

最后一点是虽然在二战当中的发展趋势是由一级一速逐渐往两级两速或者是由机械往涡轮增压器发展，不过大战当中也是有不少的例子是反向而行，也就是说因为任务的需要而将

降低增压器的级数或是改变增压器的型态。

美国陆航的B-24是采用涡轮与机械增压的混合设计，而改良给美国海军使用的PB4Y-2换成一级两速的增压器。英国使用的FM-2，将原先F4F使用的R-1830与两级两速增压器换装为R

-1820与一级两速增压器。在FM-2的例子里面，换装后发动机的整体重量减轻超过200磅，低空时发动机提供更多的输出，爬升率也大幅增加，但是当高度超过两万英尺时发动机的

性能也就远不如同高度时的F4F。

增压器与冷却

增压器在提升进气压力的过程当中，免不了也同时增加气体的温度，高温下的气体密度降低，同时燃烧效率不佳，温度过高时还可能使混合的油气提早引爆而损伤发动机。为了去

除这些额外的热量，适当的冷却系统需要搭配一起使用。冷却系统设置的方式有两种，一种是在两级增压器的中间(譬如P-38或B-17)，这种冷却器称作中置冷却器。另外一种安装

在两级增压器之后，进入汽缸之前的管线上(P-51B)，这种冷却器称作后置冷却器。冷却器在两级增压器上比较普遍，因为经过增压的气体的温度比较高。

冷却器热交换方式有气冷或者是液冷两种。除了安装冷却器之外的另外一种选择是以液体喷射进入气体的方式达到冷却的效果，譬如P-63是将原先P-39的一级增压器改装为两级机

械增压，但是有限的机首空间无法容纳冷却器，因此P-63使用液体喷射进行冷却，同样的设计也可见于Bf 109G/F。

冷却器必须提供适当的冷却能量，以维持最佳的马力输出，但是，设计或是操作不如预期的冷却器，提供过多的冷却效果也是为伤害到发动机或者是增压器。过与不及的问题都曾

经发生在P-38的涡轮增压器上面。

换装增压器的限制

前面提到在二战当中的趋势是往两级两速和涡轮增压器的发展迈进，可是当我们回顾二战轴心国的战机时，往往可以发现即便是后期型，他们使用的增压器还是一级两速的机械增

压器，涡轮增压器只有试验型，完全没有成功运用在任何量产型飞机上面。

前面提到涡轮增压器本身和相关的管线需要掌握耐热合金的材料与冶金的技术。日本的冶金技术不如德国，而德国在材料的掌握上受到战争需求的优先度影响，开发的进度非常缓

慢。同时我们回顾美国运用的例子，成功的例子当中，P-38是双发动机的设计，在体积上的需求不如单发动机的P-47明显。以P-47的块头和德国的飞机比较起来，就不难体会到真

的要把涡轮增压器装到诸如Bf 109或者是Fw 190 的机身上也会是个高难度的工程。类似的问题也发生在P-39上面。P-39的原型机打算以涡轮增压器搭配一级机械增压器，可是涡轮

增压器的开发并不顺利，也无法安装到这么小的空间当中，这就是为什么后来P-39的高空性能被批评的非常糟糕，因为没有安装涡轮增压器之后的P-39变成只有一级机械增压器，

这样一来自然不会受到美国陆航的青睐。

好吧，涡轮增压器的门槛太高了，走机械增压的路子总可以吧？

二战时期能够自己设计发动机的国家大部分也具备设计机械增压器的能力。在一架飞机的寿命周期当中，重量增加是一个不可避免的宿命，为了要平衡重量的增加，发动机的马力

输出也必须跟随脚步上涨。无论是换装更大的发动机或是增加汽缸的压缩比，增压器也必须有相当的修改配合进气的需要，譬如说Bf 109后期型在机首部分的突起当中，一部分是

为了给体积较大的增压器足够的安装空间。然而，光是提高飞机的海平面马力输出还是无法解决高空输出的问题，因此还是得要回到改进增压器的方向上面。

前面提到要增加增压器的压缩能量，一个方法是让增压器转的更快，不过要转的更快同样也是面临材料的难题。譬如说R-2800的增压器的转子从怠车到低转速，瞬间从0跳升到

15000转/分，转子的材料必须能够长时间承受这种变化以及持续的高转速的需求，如果转速要更上一层楼，加诸在转子和轴承上面的应力相当的可怕。所以要转的更快得先要掌握

相关的材料与冶金技术，换个角度看，改成两级两速增压器的路子似乎比较行得通，即便这是二战时期的发展趋势，但是很多战斗机，尤其是日本与德国的设计，并没有跟上这个

脚步，原因何在？

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前面也提到机械增压器安装的位置必须靠近发动机，也就是说必须集中在机首的位置，这样才能够让增压器与发动机的驱轴连结。对于小一点的飞机来说，机首的空间本来就已经

很小，就算是发动机的体积不变，要塞进第二颗增压器，加上相关的离合器与控制装置，想要不改变机首或是整架飞机的设计是相当困难的。譬如说R-2800的两级增压器是并排在

发动机的后方，这两具增压器的体积就超过发动机一半的体积，如果是原先使用一级增压器的R-2800的战斗机，想要把这第二颗塞进去就得要大费周章，甚至得要重新设计机身。

最好的例子就是P-63，即使在加大机身之后，还是无法将散热器也放进机身当中，P-63的V1710-93/117系列的两级增压器也是放在发动机的后方，但是增压器是采取一前一后的方

式排列，P-63是采去中置发动机的设计，因此机身的长度改变还不至于影响太大，假如我们换一个机种来考虑：P-51，这一架一开始也是安装只有一级增压器的V1710发动机，如果

要P-63这一款两级增压器的设计，虽然重量的差距不大，但是P-51必须要在机首增加1.5英尺的长度，这对于整架飞机的机身设计来说变动相当的大。

这时候我们就不得不佩服英国的劳斯莱斯公司的技术，P-51B开始换装授权生产的梅林61发动机，在不需要大规模修改下，V-1650-3/7，也就是美国版的梅林-61具有两级两速的增

压器，大幅提高P-51在两万英尺以上的性能，而原厂的梅林61的增压器的调节甚至可以将最佳操作高度上限提高到四万英尺。然而有利就有弊，梅林61虽然体积接近，不过重量高

了将近400磅，这也使得P-51B以后的性能多少受到影响。

劳斯莱斯更精湛的技术演出不光是这里，喷火后期换装Griffon发动机，排气量提高1/3，可是整颗发动机比起先前的梅林系列，正面投影面积只增加6%，长度增加不到3英寸，重量

增加不到600磅，这让喷火14型的修改轻松了不少。

从这些例子上，我们不难看出在德国方面，Bf 109与Fw 190都是非常小的飞机，日本的零战虽然大一点，然而过于紧致的设计，增压器无法适当的缩小，这些飞机想要在不大规模

修改机身的情况下引入两级增压器可说是非常非常高的技术挑战。以美国的生产能量来说都会很忌讳因为修改对生产时成与产量的延误，更何况是在产能与产量上面都远远不如的

德国与日本，他们更欠缺时间去重新设计或是中断生产线以配合新的设计。

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记得在哪里看过技术资料，发动机不换，机械式增压的飞机，其ata增加版本，往往会导致高空性能恶化。比如P51D的高空没有P51b/c好，11磅暴风在5000米以上也不如9磅的，

25磅喷火9高空还不如普通18磅喷火9，21磅喷火14高空也不如18磅喷火14，15磅喷火9a高空则比18磅喷火9c好一些。因机械式增压总有一个最佳作战高度，高于这个高度，发动机

出力变差，低于这个高度你不敢把油门推到底，所以在海平面飞行员都是看着ata表推油门的，你硬要推到底，和你硬要超频cpu差不多。。。。。比如，喷火14就因为轴承问题导

致无法在二战期间升级到25磅（海平面622公里/小时），还有随之而来高标号燃料毒性/供应/航程缩短/维护工作增加/火花塞积碳/散热等等问题。


  比如喷火，两级增压，假设最佳高度分别是1000米和7500米，换了高标号汽油，可以保证有更高的ata，因为不怕燃料爆燃了，但是燃料需要的空气就更多，不改变压缩比的话，

本来最佳1000米的低空最佳高度就变成海平面以下了，也就是在海平面以下的浓稠空气下才能和高标号汽油配合，这显然不合适，于是调整增压设置-增加压缩比，保证在1000左右

还是最佳高度，但是另一个高空最佳高度就会变低了，比方说从7500米变成6500米，应该是因为压缩比增加，第二个ata峰值提前到来，所以高ata推进的版本，高空性能会恶化，

当然恶化到什么程度以及和对手性能差异有何变化，是另一个问题。提高压缩比并不能解决高空问题，没这么简单，否则德机在高空没那么窘，除非你牺牲中低空性能，专门为高

空优化，例如Mig3。

=|HERO|=Small_T

技术贴一定顶！