如無特別說明，以下的Nomad都指經(jīng)過簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的Noamd II型

Nomad，音譯稱諾瑪?shù)禄蛞庾g稱游牧民，是一款12缸壓燃式二沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其最大的特點(diǎn)就是油耗低，在劃定的巡航高度和速度區(qū)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的單位油耗可以一直保持在0.35lb/hp/hr以下，最低至0.326lb/hp/hr，這意味著發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)熱效率可達(dá)42%，這對(duì)一款能輸出3000-4000hp的航空發(fā)動(dòng)機(jī)來說是很優(yōu)秀的指標(biāo)了。

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雖然Nomad是一款柴油機(jī)，但使用汽油或者航空煤油時(shí)油耗表現(xiàn)依舊很好，而且其單位功率也很高，不像傳統(tǒng)的柴油機(jī)，在起飛動(dòng)力檔下每立方英寸排量的功率輸出可達(dá)1.25hp，如果開啟ADI還能上升到1.64hp。

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納皮爾很早就開始研究渦輪增壓器和配套技術(shù)，早在1924年就有一臺(tái)Lion V系列發(fā)動(dòng)機(jī)裝備了帶有中冷器的渦輪增壓，如Fig1所示。在后來的1939-1945年的戰(zhàn)爭(zhēng)期間，有很多飛機(jī)都裝備了如Fig2所示的通用電氣制渦輪增壓器，氣缸中的廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器的渦輪機(jī)葉輪，通過一根軸帶動(dòng)另一端的壓氣機(jī)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)以此提高發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器的進(jìn)氣量，與常規(guī)的雙速機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)相比，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)?dòng)力保持到很高的海拔高度（Fig3）。

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最近興起的所謂復(fù)合渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)就是渦輪增壓器的一種發(fā)展型號(hào)，寇蒂斯-懷特的復(fù)合渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)就是通過將渦輪機(jī)端產(chǎn)生的動(dòng)力直接傳輸回曲軸上，被廣泛用于商業(yè)飛機(jī)上。

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以R-3350-TC發(fā)動(dòng)機(jī)為例，18個(gè)氣缸被劃分為三組，每組6個(gè)，這6個(gè)氣缸的廢氣被連接到一個(gè)動(dòng)力恢復(fù)渦輪上，在不干擾既定的發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件下從廢氣中回收了盡可能多的能量。懷特的動(dòng)力回收渦輪是Blowdown型的，也就是說它能量的來源是發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣在高速排放中所產(chǎn)生的動(dòng)能，而非像常規(guī)渦輪一樣依靠廢氣產(chǎn)生的壓力來驅(qū)動(dòng)，這就使得發(fā)動(dòng)機(jī)盡量排除了背壓帶來的不利影響。

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隨后我們將在下面提出一種新的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型，將活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)合在一起，稱為復(fù)合循環(huán)構(gòu)型，與復(fù)合渦輪不同，當(dāng)時(shí)唯一一款實(shí)際制造出的復(fù)合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)就是納皮爾的Nomad。

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接下來我們要羅列各種不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的固有特性，隨后才能指出復(fù)合循環(huán)在這些發(fā)動(dòng)機(jī)中能起到什么樣的作用，從廣義上來說，火花塞點(diǎn)火類型的發(fā)動(dòng)機(jī)（SI）主要特性如下：

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燃燒汽油的SI發(fā)動(dòng)機(jī)，在運(yùn)行過程中基本上會(huì)消耗掉所有供給的空氣，所以在氣缸容積固定的情況下其所產(chǎn)生的功率就取決于它吸入和排出空氣的速度和體積，進(jìn)氣量可以靠增壓器來提升，但這可能會(huì)讓發(fā)動(dòng)機(jī)面臨爆震和預(yù)燃的危險(xiǎn)，這種類型發(fā)動(dòng)機(jī)的指示圖如圖4A所示。燃燒中混合氣的峰值溫度約為4500℉，所以基本上來說，SI發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率受限于V/v膨脹比的制約，而其又受到了爆震的制約，因此如果提升增壓壓力以獲取更高的動(dòng)力，一般來說我們需要將壓縮比降低，這就會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在巡航工況下熱效率也變低。

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總之，爆震這一破壞性現(xiàn)象是限制SI發(fā)動(dòng)機(jī)提升功率和熱效率的重要因素，在1939-1945年的戰(zhàn)爭(zhēng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率提升一般都要仰仗于抗爆震更強(qiáng)的燃料、噴水或者中冷器，讓其增壓密度增加、溫度降低，使發(fā)動(dòng)機(jī)不易于爆震，表1就是SI發(fā)動(dòng)機(jī)的典型數(shù)據(jù)。

SI發(fā)動(dòng)機(jī)從理論上來說并不適合復(fù)合循環(huán)，因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)在排氣系統(tǒng)中會(huì)施加更強(qiáng)的背壓，導(dǎo)致排氣閥溫度急劇上升或者氣缸中的殘余氣體質(zhì)量和溫度更高，加劇爆震問題，所以最好采用的是懷特已經(jīng)實(shí)施過的復(fù)合渦輪構(gòu)型。

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以上盡管討論的是四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，但對(duì)于二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)來說也是一樣的。

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接下來是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)：

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一般都是二沖程壓燃式，雖然在理論上這種發(fā)動(dòng)機(jī)也試圖燃燒掉所有供給入氣缸內(nèi)的空氣，但由于燃料和空氣只能在曲軸旋轉(zhuǎn)35-40°內(nèi)這一點(diǎn)點(diǎn)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行混合，所以實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)最多只能消耗氣缸里的80%空氣，因此如果對(duì)于給定的最大功率輸出，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸尺寸是要比SI發(fā)動(dòng)機(jī)更大的。

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同時(shí)由于二沖程構(gòu)型的天生特點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)為了盡量將廢氣從氣缸里排出會(huì)導(dǎo)致更進(jìn)一步的空氣損失，也就是在掃氣過程中就有約40%的空氣會(huì)從排氣閥或別的地方溢出，這部分空氣也有一定價(jià)值，它們被排出的過程中會(huì)帶走一部分發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱，減少活塞的熱負(fù)荷，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一般混合氣火焰溫度也在4500℉左右，但由于空氣排出，燃燒室內(nèi)的最高溫度可以降低到3300℉。

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和汽油機(jī)一樣，柴油機(jī)的進(jìn)氣也是靠增壓器提供加壓的，而且由于不存在爆震問題，所以這方面的設(shè)計(jì)會(huì)簡(jiǎn)單許多，只是必須在排氣閥處提供相應(yīng)的排氣阻力或背壓才能實(shí)現(xiàn)有效增壓。它的指示圖如4B所示。

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很明顯，二沖程壓燃式柴油機(jī)更加適合使用復(fù)合循環(huán)構(gòu)型，其主要優(yōu)勢(shì)如下：

1.????? 在沒有爆震和預(yù)燃的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比和增壓程度可以隨意修正以符合設(shè)計(jì)需求

2.????? 最大缸壓可以通過噴入氣缸內(nèi)的燃料數(shù)量來控制

3.????? 排氣系統(tǒng)的背壓?jiǎn)栴}不再是問題，反而是必不可少的

4.????? 過量空氣可以更加有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行溫度

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接下來我們?cè)賮砜匆幌氯細(xì)廨啓C(jī)——這里討論的是渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)——的指示圖，如圖4C所示。和前面一樣燃燒是在恒定的壓力下進(jìn)行的，所以和SI、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率也受到體積膨脹率的制約，而且會(huì)被限制在一個(gè)比前兩者更低的數(shù)值區(qū)間內(nèi)。

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如果燃?xì)廨啓C(jī)燃燒掉了所有通入的空氣，那么它的燃燒溫度也將達(dá)到4500℉，這也將是氣體進(jìn)入渦輪機(jī)前的溫度，但這實(shí)在是太高了，目前的技術(shù)只能讓渦輪機(jī)的耐受溫度達(dá)到1500℉左右，所以我們必須提供3.5倍于實(shí)際需要的空氣量來稀釋燃燒產(chǎn)生的溫度。

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因此，如果我們將活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)合起來后，如此高的過量空氣就不需要了，因?yàn)閺U氣產(chǎn)生的溫度在活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸內(nèi)就變低了，所以復(fù)合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的體積就可以大大縮小。

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所以目前我們所確立的復(fù)合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型是以一臺(tái)二沖程柴油機(jī)和一臺(tái)渦輪機(jī)復(fù)合構(gòu)建的，發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣會(huì)被用于推動(dòng)渦輪機(jī)，而燃?xì)廨啓C(jī)的背壓也可以有效保證發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓水平，在此先羅列出三種復(fù)合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)型和它們的優(yōu)劣。

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1.????? Fig6A，壓氣機(jī)由渦輪機(jī)帶動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，整臺(tái)復(fù)合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出全都由活塞引擎提供

這種構(gòu)型實(shí)際上就是一臺(tái)帶軸流式渦輪增壓的二沖程柴油機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)工況范圍內(nèi)渦輪機(jī)和壓氣機(jī)的工作強(qiáng)度會(huì)完全一致，但實(shí)際情況中這是不可能發(fā)生的，在發(fā)動(dòng)機(jī)高功率輸出時(shí)，渦輪機(jī)從廢氣中獲得的功率會(huì)遠(yuǎn)超壓氣機(jī)的需求，但如果發(fā)動(dòng)機(jī)的功率降低，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣變少了，渦輪機(jī)輸出給壓氣機(jī)的功率就無法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣需求了。

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2.????? Fig6B，壓氣機(jī)由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)輸出，整臺(tái)復(fù)合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出全部由渦輪機(jī)提供

在這種構(gòu)型中，活塞引擎——壓氣機(jī)純粹成為了渦輪機(jī)的氣體發(fā)生器，在低功率時(shí)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)無法驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)達(dá)到有效的輸出，這就導(dǎo)致熱效率非常低。

同時(shí)由于這套系統(tǒng)還需要兩套高傳動(dòng)比的減速裝置，所以重量也是個(gè)大問題。

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3.????? Fig6C，所有部件耦合在一起

這個(gè)就是Nomad發(fā)動(dòng)機(jī)采用的復(fù)合循環(huán)構(gòu)型，由于壓氣機(jī)和渦輪機(jī)的速度區(qū)間性能接近，所以保留了直連在一起的設(shè)計(jì)，最主要的區(qū)別是在壓氣機(jī)和渦輪機(jī)之間安裝了直連曲軸的減速齒輪系，有效平衡了高功率和低功率狀態(tài)下的動(dòng)力缺失和溢出，從而大大壓縮了發(fā)動(dòng)機(jī)的體積和重量。

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如果Fig6C還是傳統(tǒng)的雙速固定傳動(dòng)比齒輪驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)構(gòu)型，那它就會(huì)存在常見的問題，即隨著高度上升功率急劇下降，其燃料消耗曲線和功率如Fig.7所示，通過添加一個(gè)無級(jí)變速機(jī)構(gòu)，功率和燃料曲線都能在臨界高度以下保持一個(gè)合理的恒定值，如圖中ABC和abc所示，無級(jí)變速能夠隨意切換增壓器的傳動(dòng)比，以此充分利用沖壓效應(yīng)帶來的的正面效果，使壓氣機(jī)從發(fā)動(dòng)機(jī)里抽取的功率永遠(yuǎn)保持在最低的水平，利用沖壓之后的動(dòng)力和油耗曲線如DEF和def所示。

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無級(jí)變速還有一個(gè)好處，那就是壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速不受到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，所以允許發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速下達(dá)到更高的臨界高度，Nomad發(fā)動(dòng)機(jī)就有一個(gè)無級(jí)變速的結(jié)構(gòu)。

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Nomad本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)如Fig8所示，它遵循了Fig6C所示的基礎(chǔ)布局，只不過在渦輪機(jī)組合發(fā)動(dòng)機(jī)之間的耦合齒輪系統(tǒng)中插入了一個(gè)無級(jí)變速的機(jī)構(gòu)。柴油機(jī)本身有12個(gè)氣缸，水平對(duì)置在一根有六道曲拐的曲軸上，汽缸的設(shè)計(jì)是最常規(guī)的二沖程類型，通過氣缸壁上的孔洞進(jìn)氣排氣，沒有任何氣門和凸輪軸系。

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如Fig9所示，Nomad的氣缸進(jìn)氣孔是傾斜的，進(jìn)氣會(huì)沿著氣缸壁進(jìn)入燃燒室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)表明這種構(gòu)型更加有助于氣缸掃氣，能以最小的空氣動(dòng)力損失實(shí)現(xiàn)最高的空氣流量。燃燒室是常規(guī)的半球形，噴油器豎插在汽缸蓋正中間，有一個(gè)中心噴油孔，周圍等距排列了5個(gè)噴油孔，后者是專門設(shè)計(jì)將燃料噴射到氣缸壁上的。

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Fig10所示即為Nomad的活塞，其主體是由Y型鎳鋁合金制造的，但活塞冠是奧氏體不銹鋼的，能夠耐受發(fā)動(dòng)機(jī)在全功率運(yùn)行時(shí)活塞冠中心約1100-1300℉的高溫。滑油流經(jīng)活塞環(huán)，并為其提供一部分油冷效果。

Nomad的壓氣機(jī)有12級(jí)，最大壓比8.25/1，最高空氣流量為13磅/秒，為滿足低速時(shí)的進(jìn)氣效率壓氣機(jī)前端還有可調(diào)倒流葉片，在海平面靜態(tài)空氣—起飛檔功率的條件下壓氣機(jī)的絕熱效率達(dá)到了85%，峰值效率最高為87.5%。與壓氣機(jī)同軸相連的就是后端的3級(jí)渦輪機(jī)，其設(shè)計(jì)目的是盡可能榨取廢氣中的剩余能量，所以能夠提供的排氣推力很小，在海平面靜態(tài)空氣—起飛檔功率的條件下渦輪機(jī)的絕熱效率是84%，在臨界高度巡航檔時(shí)的效率最高為86%。

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Nomad的無級(jí)變速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)也很有趣，它的變速是通過兩個(gè)嵌套的齒輪椎體互相滑動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的，圖片繪制得非常明白，這套系統(tǒng)由Joseph Beier博士于1939年之前在德國(guó)完成了基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，后來交給了Napier公司完成了詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)任務(wù)。Beier博士此人生平不詳。

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Fig16顯示Nomad曲軸后端還有一個(gè)扭鎮(zhèn)阻尼器，它本身其實(shí)沒什么用，是防止一個(gè)或多個(gè)氣缸因?yàn)楣收蠠o法正常工作時(shí)對(duì)曲軸造成不可逆的損傷而設(shè)置的。

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Fig17是Nomad的橫截面，曲軸箱是傳統(tǒng)的鎂合金制造，氣缸體也是傳統(tǒng)的鋁合金，二者通過鋼制螺栓連接在一起，氣缸內(nèi)襯是銅合金并鍍了一層鉻。

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發(fā)動(dòng)機(jī)本身由電機(jī)氣動(dòng)，由于氣缸壓縮比在啟動(dòng)階段不足以壓燃柴油，所以氣缸蓋中其實(shí)還插了火花塞，不過它們只在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)工作一小段時(shí)間。

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Nomad有單桿控制系統(tǒng)，比較有趣的是它的發(fā)動(dòng)機(jī)自控系統(tǒng)依賴于軸流壓氣機(jī)前的進(jìn)氣導(dǎo)流葉片來實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)的增壓壓力變化，以此適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)不同功率輸出和海拔高度的變化，這點(diǎn)和戰(zhàn)時(shí)的容克斯、米庫林發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)高度相似。

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接下來我們就來談?wù)凬omad發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，首先是柴油機(jī)本體的起飛檔動(dòng)力性能，增壓壓力為89psia，體積壓縮比約為3.36/1，這個(gè)數(shù)值乘以氣缸內(nèi)的實(shí)際壓縮比后我們可以算出發(fā)動(dòng)機(jī)的總壓縮比為27/1，考慮到進(jìn)氣過程和進(jìn)氣道的能量損失，在海平面高度提供89psia的進(jìn)氣壓需要壓氣機(jī)的壓比為6.28/1，而壓氣機(jī)最高壓比有8.25/1，代表起飛檔動(dòng)力的進(jìn)氣壓可以維持到7750ft的海拔高度。

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起飛檔時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比為40/1，對(duì)應(yīng)空氣流量13lb/s，bmep=205lb/in2，曲軸轉(zhuǎn)速2050rpm，活塞速度為2520fpm，缸徑6in，行程7.375in，排量2502in3，如果單純忽視掉渦輪機(jī)組提供的馬力，則柴油機(jī)的輸出在起飛檔動(dòng)力下為2660hp。

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Nomad的柴油機(jī)組動(dòng)力輸出非常高，這說明過量空氣確實(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻和提升功率有好處，Nomad的運(yùn)行溫度并不比常規(guī)柴油機(jī)的高。

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渦輪機(jī)的進(jìn)口壓力為76psia，廢氣進(jìn)口溫度為1222℉。在海平面上發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)壓比為4.6/1，能夠輸出2250hp，其中1840hp被用于驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，而多余的410hp除去無級(jí)變速機(jī)構(gòu)的20hp機(jī)械損耗外就可以補(bǔ)充給發(fā)動(dòng)機(jī)輸出，再考慮到渦輪機(jī)排出的廢氣依舊保留有一定的排氣推力，則在海平面起飛條件靜態(tài)空氣下，Nomad發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的輸出功率是3135hp，每in3的排量可以輸出1.25hp，單位油耗為0.345lb/hp/hr。

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接下來我們將說明發(fā)動(dòng)機(jī)在使用ADI系統(tǒng)后起飛檔的性能表現(xiàn)，由于軸流級(jí)壓氣機(jī)的壓比很高，所以增壓空氣的溫度也很高，在海平面上約為477℉，本身Napier考慮使用后冷來進(jìn)行冷卻，不過由于重量和體積會(huì)更大所以決定有ADI系統(tǒng)取代后冷器。在使用ADI時(shí)Nomad的起飛檔動(dòng)力可以達(dá)到3580hp，單位油耗低至0.336lb/hp/hr。

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Nomad的另一個(gè)特點(diǎn)就是輔助燃燒系統(tǒng)，即廢氣后燃，通過在發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪機(jī)之間的排氣管之間安插一個(gè)燃燒室，可以往內(nèi)部噴射燃料使得過量空氣和廢氣被混合點(diǎn)燃。在使用后燃的起飛檔噴水動(dòng)力檔位下，渦輪機(jī)廢氣的進(jìn)口溫度為1377℉，但整機(jī)動(dòng)力可以達(dá)到4100hp，單位油耗也只不過提升到了0.374lb/hp/hr。Fig21顯示的即是發(fā)動(dòng)機(jī)在以上三種情況下的動(dòng)力輸出和油耗曲線。

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接下來就是Nomad的賣點(diǎn)即巡航性能的數(shù)據(jù)，F(xiàn)ig22顯示的是在海平面高度靜態(tài)空氣下發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間對(duì)應(yīng)的功率輸出，在同一張圖上已經(jīng)劃分了柴油機(jī)-渦輪機(jī)-壓氣機(jī)的功率需求和輸出，我們能發(fā)現(xiàn)在1500rpm時(shí)渦輪機(jī)輸出的功率和壓氣機(jī)吸收的功率達(dá)成了平衡，代表在1500rpm下壓氣機(jī)不足的功率需要從柴油機(jī)曲軸中抽取來不足。

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Fig23顯示的是在300kts速度下對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的功率算達(dá)到的臨界高度和單位油耗曲線，可見巡航檔Nomad的單位油耗在0.34-0.36lb/hp/hr之間。Fig24則表示的是發(fā)動(dòng)機(jī)最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性，在22250ft的高度輸出2027hp整機(jī)功率，單位油耗僅0.326lb/hp/hr。Fig25則是Nomad發(fā)動(dòng)機(jī)的工作熱平衡圖，可見其最高制動(dòng)熱效率達(dá)到了42%，遠(yuǎn)超所有航空發(fā)動(dòng)機(jī)。