活塞發(fā)動機到底是液冷更好還是風冷更好？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，而且在可見的未來內還會繼續(xù)爭論下去，不過實際上發(fā)動機不應該被簡單劃分為液冷或者風冷，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(fā)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(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。

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從理論上來說，風冷發(fā)動機因為不用像液冷發(fā)動機一樣需要二次傳熱，所以一般都更加輕且設計簡單。最早一批風冷航空發(fā)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268in3可輸出40hp，設計還很原始：

B-8的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(jīng)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(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，但遇到了非常嚴重的散熱問題導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會高達1lb/hp/hr，這種油冷模式持續(xù)到二戰(zhàn)結束的時候才逐漸消失，因為軍用發(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或者防止排氣閥升溫導致爆震，風冷發(fā)動機的油耗相比液冷發(fā)動機而言絕對會更高。

1909年，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)紀錄的37分鐘。安扎尼的3缸發(fā)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(fā)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(fā)動機。

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冷發(fā)動機構型即轉缸發(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，而螺旋槳就簡單地用螺栓固定在曲軸箱的前部。轉缸發(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，在航空技術剛剛起步的年代這些確實都是很大的優(yōu)勢。

轉缸發(fā)動機的氣缸生產(chǎn)和常規(guī)的風冷發(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，使用的材料應該是當時非常流行的中低碳鋼和鎳的合金材料。一戰(zhàn)中戰(zhàn)斗機使用的轉缸發(fā)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(fā)動機也沒有排氣管，當排氣閥打開時，發(fā)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(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)結束后轉缸發(fā)動機很快就被常規(guī)的星型風冷發(fā)動機徹底取代了，如今除了博物館應該也見不到這種構型的發(fā)動機了。

我們熟知的星型風冷發(fā)動機在一戰(zhàn)后的一段時間內可以說是徹底霸占了風冷發(fā)動機的市場，設計師普遍認為這種構型的發(fā)動機趨近于完美，抗損性佳、重量輕且構造簡單。它的設計前身來自于一戰(zhàn)時期英國的皇家飛機工廠，即后來的皇家航空研究院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熱，于是決定將風冷發(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(guī)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(fā)動機氣缸設計非常先進，是完全現(xiàn)代化的設計。

但吉布森和赫侖的設計在英國并沒有引起應有的注意力，很多風冷發(fā)動機生產(chǎn)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(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計，因為氣門需要的氣門挺桿會嚴重限制風冷發(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。

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，但其較低的壽命和極高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計，并引入了全新的齒輪傳動式機械增壓器。

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在講了一些英國人的風冷發(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)后唯一一家邁入風冷發(fā)動機領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)時期負責生產(chǎn)對置雙缸氣冷發(fā)動機供教練機使用。不久，在美國海軍下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)動機轉變業(yè)務開發(fā)全新的星型風冷發(fā)動機，于是萊特順理成章地收購了唯一有開發(fā)經(jīng)驗的勞倫斯公司，并以此為基礎開發(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，可以提供不錯的導熱性能。

萊特-勞倫斯公司的氣冷發(fā)動機能有這么大進步依舊要歸功于我們上文提到過的山姆·赫侖，他在1921年因和原雇主西德利公司的理念不合而辭職移民到了美國，立刻就被美國陸軍航空局邀請到了麥庫克機場工作，擔任發(fā)動機開發(fā)部門的工程師，1926年赫侖加入了萊特公司并高升成了副總裁，而J-5發(fā)動機就是赫侖的努力結晶。

萊特公司的成功自然吸引了更多人加入到這場發(fā)動機競賽中，接下來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倫特施勒、George Mead喬治·米德、Andrew Willgoos安德魯·維爾古斯三位本在萊特公司任職的工程師出來單干組建的，1926年他們推出了自己的第一臺發(fā)動機R-1340黃蜂，黃蜂的氣缸設計可以說是完全拷貝了山姆·赫侖的最新式設計，比如氣門挺桿系外殼和細密的發(fā)動機散熱片結構，一經(jīng)出世就獲得了美國海軍的200臺大訂單，海軍接下來還表示他們需要更大的發(fā)動機，于是PW后來開始制造R-1690大黃蜂式發(fā)動機，并于1927年通過了海軍的型號測試。

萊特很快就拿出了更大的發(fā)動機應對PW的挑戰(zhàn)，即R-1790單排9缸旋風發(fā)動機，后來又通過放大了一些排量成為了我們熟知的R-1820發(fā)動機，它被廣泛用于20-50年代的各種軍用民用發(fā)動機上，以它為發(fā)動機的飛機有部分甚至服役至80-90年代，壽命極長，1927年R-1820服役時馬力只有500hp，而到了二戰(zhàn)后期其馬力已經(jīng)達到了1500hp+，翻了超過3倍，堪稱奇跡。

同一時期美國人的冶金鑄造工藝也得到了空前發(fā)展，并在這一領域超越了英國人的技術水平，他們風冷發(fā)動機散熱片的密集程度堪稱藝術。20世紀30年代，美國人在大型星型風冷發(fā)動機的設計上已經(jīng)形成了一定程度的標準，氣缸缸徑都在6in左右，每個氣缸有兩個大型氣門，通過凸輪軸系控制，氣門挺桿和搖臂機構都被包裹起來不再外置，這也要歸功于1932年PW在黃蜂式發(fā)動機上首次引入了發(fā)動機壓力式滑油回路才得以實現(xiàn)。在這之后氣冷發(fā)動機的改進一般都是材料和細節(jié)上的修正了。

接下來我們再稍微談一談材料和工藝，風冷發(fā)動機最頭疼的問題就是排氣閥易過熱導致爆震，早在一戰(zhàn)之前就有人嘗試將排氣閥掏空加入水進行冷卻，但很明顯效果不佳，后續(xù)的鹽、汞等冷卻介質的效果也不是很好，我們直到今天還在使用的充鈉排氣閥依舊是山姆·赫侖的杰作，在他于美國陸航麥庫克基地工作的那幾年內所發(fā)明的。

氣缸內筒從灰鐵進化到合金鋼之后基本上都已知采用不同配比的合金鋼制作，PW公司后來在1920s開始用一種鉻鉬合金SAE4140（現(xiàn)在叫UNS G4140）制造氣缸筒，這種合金直到今天也在使用。

除此之外氣門和氣門座的材料也經(jīng)過了大量進化，例如1920s就用過高速鋼·、含有20%的鎢和鉬的合金鋼以及各種奧氏體不銹鋼合金，但表現(xiàn)都不佳，后來這一材料問題又被山姆·赫侖等人解決了，他們使用的是司太立合金，一種有65%的鈷、30%的鉻和5%的鎢構成的合金，值得一提的是司太立合金的前身其實是造假牙的。