二战德军航空油料

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导读:从1912年开始,火花塞点火的内燃机压缩比被一种突然出现的“爆燃”现象所束缚,爆燃也叫爆震很快就毁坏发动机,在使用低辛烷值燃料的时候,发动机会发出很大的响声像被敲打一样,工程师们一开始把原因归咎于带电子自动打火的电池点火装置,他们也知道克服了爆燃现象之后发动机功率和效率都会有很大提高。Kettering安排Thomas Midgley, Jr.去研究造成爆燃的根本原因。他们使用了一台Dobbie-McInnes压力记录仪发现爆燃并不是先前所设想的提前点火造成的,而是由于点火后压力的猛烈提升。压力记录仪不能胜

从1912年开始,火花塞点火的内燃机压缩比被一种突然出现的“爆燃”现象所束缚,爆燃也叫爆震很快就毁坏发动机,在使用低辛烷值燃料的时候,发动机会发出很大的响声像被敲打一样,工程师们一开始把原因归咎于带电子自动打火的电池点火装置,他们也知道克服了爆燃现象之后发动机功率和效率都会有很大提高。Kettering安排Thomas Midgley, Jr.去研究造成爆燃的根本原因。他们使用了一台Dobbie-McInnes压力记录仪发现爆燃并不是先前所设想的提前点火造成的,而是由于点火后压力的猛烈提升。压力记录仪不能胜任进一步的研究,Midgley和Boyd发展了一种高速摄像机来拍摄到底发生了什么,还发展了“撞击指示器”来测量爆燃的程度。Ricardo通过一种可变压缩比的发动机发展了一种新概念"HUCF",即“最高使用压缩比”。但是他的指标不是绝对的,还有很多其他因素,例如 点火时间,清洁度,火花塞位置,发动机温度等等。1926年1926 Graham Edgar提议使用两种碳氢混合物来衡量燃油的抗爆燃能力,也就是“正庚烷”和他首先合成的“2,4,4-三甲基色氨酸 戊烷”,今天也称作“异辛烷”。 选择这两种烃的原因是2者的挥发性类似,比例从0:100到100:0之间都不会出现明显的挥发性差别。

爆燃到底是怎么一回事? 简单来说就是火花塞点火后,燃烧室的燃油/空气混和物从火花塞那里开始燃烧,直到远离火花塞的油气混和物也随着火焰的到来而燃烧,但是如果那些油气混和物在火焰到来之前就开始燃烧,即自发点火,火花塞点燃的火焰和自发点火形成的火焰同时扩散,缸内压力迅速猛增,提前到达压力峰值,降低了发动机出力,引起了过热问题,爆燃现象就出现了,造成发动机在几分钟内就废掉。这种现象的原因是低辛烷值的燃油在被压缩后的高温高压情况下更容易自发点火,也就是比高标号燃油更容易燃烧,通俗一点就是说我们要使用那些能在高温高压下挺住不自动燃烧而等火花塞点燃的火焰到来之后才燃烧的燃油,也就是自动点火温度值高的燃油。

历史上曾有过纷繁复杂的燃油标号标准,今天的共识是没有一种标准能涵盖所有情况。

区分各种燃油的最重要指标是“研究法辛烷值”(Research Octane Number,即RON),也叫辛烷等级(octane rating),用来衡量燃油的抗爆燃能力,87号燃油的含义就是其抗爆燃能力与含有87% 异辛烷和13%正庚烷的混合物相同,毫无疑问,异辛烷的抗爆燃能力很强;100号燃油的抗爆燃能力和纯异辛烷无异;而130号汽油的抗爆燃能力是纯异辛烷的1.3倍,超过100号其实就是性能指数,不能理解为异辛烷含量了,因为那比纯异辛烷的抗爆能力还要强,但这是如何做到的? 答案是燃料添加剂,异辛烷当然不是最能抗爆的成分,竞速用的AVgas以及LPG(液化气)通常有110甚至高得多的抗爆指数。

还有一种指标叫做“发动机辛烷值”(Motor Octane Number,即MON),这个指标的衡量汽油负载下的性能表现时效果更好,也是建立在正庚烷和异辛烷混合物基础上。现代燃油的MON比RON低10个点左右,事实上,燃油分级同时需要这两个指标。在欧洲和澳洲,使用RON,在美国和其他一些国家,使用RON和MON的平均值,称之为DON,也就是说美国87号汽油,在欧洲被标注为92号。

1930年代,RON很流行,当时几乎不考虑MON,而1990年代,MON更被看重,1947年RON才被正式核准,虽然从1942年开始就被非官方地使用了。MON的标准更严格一些,测试了持续高速运转高负载推进下的燃油抗爆燃能力;RON测试的是典型的温和推进条件下的燃油抗爆燃力,自然,MON数值上要比RON低,因为MON和RON的油气混和物温度和引擎转速等测试条件是不同的,所以出现了差异,RON - MON = 敏感度。1960年代,德国发动机厂商发现本国发动机在高速公路上长途高速运转时(类似MON测试条件)自动损坏了,原因就是当时只使用RON标准,而燃油MON指标偏低。

上面提到燃油添加剂,铅就是一种,最初是A.H. Gibson and Harry Ricardo(英国)and Thomas Midgley and Thomas Boyd (美国)研究出来的,到了1920年代,含铅汽油得到广泛应用,也产生了更强大的发动机,最流行的添加剂是四乙铅(tetra-ethyl lead)。但是含铅汽油污染环境,所以1980年底含铅汽油逐步淘汰,现在流行的是芳烃,醚醇(通常是乙醇和甲醇)。

其实高辛烷值的燃油更不容易燃烧,采用高辛烷值以后,发动机可以使用更高的压缩比而不会发生爆燃,高压缩比往往意味着更高的功率,这也是高性能发动机需要高辛烷值的原因。需要注意的是,发动机功率也和燃料的热值有关,而热值与辛烷值并不是简单的正比关系。有些人认为使用更高辛烷值燃料会让发动机功率提高或者省油,这是错误的想法,发动机还是使用符合设计指标的燃油最好。高辛烷值的液化气的热值比低辛烷值的燃油低,所以发动机烧液化气会降低功率,但是我们调整发动机的压缩比的话,因为使用液化气造成的功率降低可以被克服。

下面我们回到二战时期的辛烷值问题上。德国几乎所有的原油都是来自罗马尼亚,罗马尼亚是“低芬芳”原油的供应者,蒸馏之后,得到DON值为87号,即RON值92号,MON值为82号。这里需要注明的是,产自罗马尼亚优质原油的成品油标号仍然偏低,即使二战德国有充足的优质罗马尼亚原油供应,也并不意味着德国有高标号航空燃油。N粹德国同时也建立了巨大的蒸馏工厂来生产煤制燃油。在美国,原油品质不那么好,石油公司于是投入巨资来研发各种各样的添加剂,因祸得福,二战中美国通过更多的添加剂来获得不断提升辛烷值的燃油。这里需要说明的是,石油资源再丰富,高标号汽油也不会从地上冒出来或者通过一般的蒸馏酒就能得到,没有发达的化学工业,高标号燃油根本就是水中月,根据日本科技史名宿汤浅光朝的研究,美国从1920年起就取代德国成为世界科技中心,对化学来说也是如此。而德国依赖于罗马尼亚优质原油,没有这种添加剂工业,他们不得不通过不断放大发动机排气量来获取更大的功率。

根据Antony C. Sutton所写的《WALL STREET AND THE RISE OF HITLER 》一书中的资料,在1938年,德国空军急需500吨四亿铅添加剂,美国杜邦公司经过认真考虑,认为这样的需求肯定是用于战争目的,最终这批四乙铅通过纽约Ethyl出口公司借给了德国的Ethyl G.m.b.H.,这比交易N粹德国航空部以及法本公司董事Mueller-Cunradi安排的。根据战后缴获的法本公司的文件,德国国防军直接得到了美国四乙铅添加剂技术,德国人省略了大量研发经费和时间:Since the beginning of the war we have been in a position. to produce lead tetraethyl solely because, a short time before the outbreak of the war, the Americans had established plants for us ready for production and supplied us with all available experience. In this manner we did not need to perform the difficult work of development because we could start production right away on the basis of all the experience that the Americans had had for years.

再谈合成燃料,其实德国的合成燃料也有美国的份。标准石油公司,洛克菲勒持有1/4的(控制)股份,也协助了N粹德国的备战,因为德国的原油供应不足,难以支撑现代机械化战争,例如1934年多达85%的德国成品油需要进口。N粹德国的对策就是从本国丰富的煤炭资源中制取合成汽油,正是合成汽油生产过程中的加氢化工艺和异辛烷化流程让德国在1940年走向了战争,而这种加氢化工艺是美国标准石油公司的实验室和德国法本化工合伙研发和负担经费的。1929年11月,标准石油和法本公司合作研发合成汽油的公司在美国新泽西标准石油公司的管理下成立,标准石油公司持有大部分股份,也控制了技术部门,总之,煤制合成汽油的研发工作在美国境内,在标准石油的厂房内,在标准石油的资助下。合成汽油的研发成果给了德国法本公司,并使德国的闪电战成为可能。法本公司的备忘录中写道:与美国标准石油公司达成协议是必须的,无论从技术上,经济上,还是财政上。从技术上讲,用于未来研发的专门技术经验只有在大型石油公司才有,德国没有这样的公司;从经济上讲当时德国没有经济控制,那些石油巨头在市场上打价格战,法本必须避免与之竞争;从财政上讲,法本已经花费了巨额研制费用,为了减轻财政压力,腾出资金来研制最新技术,例如丁纳橡胶。

关于异辛烷,法本公司的备忘录写道:由于美国花费了几十年的时间研究发动机燃油,他们已在质量控制的知识上领先了我们。特别是他们花费了巨额资金研制出了很多测试燃油的方法,远在他们得知我们的加氢化知识以前,他们已经认识到异辛烷的抗爆燃优点。 一个很简单的事实证明:在美国燃油按照辛烷值来分等级,异辛烷作为最好的燃油标号为100,与他们达成协议后,这些知识就都是我们的了,可以省去我们很多精力,而且能防止我们犯很多错误。特别在异辛烷问题上,我们欠美国人很多,我们根据美国人信息可以在自己的研发中收获颇多,而且我们现在还在不断获得美国人在生产过程和进一步研发的情况。

就在战争爆发前期,一种生产异辛烷的新式方法在美国被发现;在初步阶段的烃化同时异构化。这个处理过程,事实上完全是美国人搞出来的,通过与他们的合作协议,我知晓了每一个独立步骤的细节,并且(在战争中)得到了非常广泛的应用。

总而言之,德国无论在燃油添加剂和合成汽油方面都得到了美国的大量帮助,可以说没有这些美国技术,德国发动的闪电战将不可想象。那么得到了英美燃油技术的德国,其航空燃油品质到底如何?有人认为德国主要的合成燃油B4才87号,c3也不过97号,与英美动辄130甚至150的相比,差距极大,所以德国战斗机喝的是“劣质油”,情况真是这样吗?看看战后美国海军和英国对德国航空燃油的研究报告,就知道答案了。

美国海军调查报告《MANUFACTURE OF AVIATION GASOLINE IN GERMANY》链接如下:

http://www.fischer-tropsch.org/primary_documents/gvt_reports/USNAVY/tech_rpt_145_45/rpt_145_45_toc.htm

英国调查报告,《A SURVEY OF SAMPLES EXAMINED OVER THE PERIOD SUMMER 1940 TO AUTUMN 1943》里面详细分析了22份德国航空燃油样本,时间涵盖了BOB时期的1940年夏到1943年秋。(英国佬真细心,连缴获的德国航空油料都仔细留着)。

2份报告指出,德国二战航空燃油和英美基本上是一样的性能! 怎么会出现这个结论?还要从燃油的测定标准入手,前面提到辛烷值是燃油的分级标准,而人工合成燃油和原油提炼的燃油成分比正庚烷和异辛烷的简单混合物要复杂得多,那么我们知道燃油在内燃机内燃烧有两种,一是贫油混合燃烧,即lean burn,对应于贫油混合,即lean mixtrue,空气和汽油的比例在14.7:1以上,最高可达65:1,,另一种是富油混合燃烧,空气和汽油的比例大概为14.7:1以下,对应于富油混合,即rich mixtrue,中间的临界混合叫stoichiometric mixture。同一种燃油,在富油燃烧条件下的抗爆燃能力(辛烷值)和贫油燃烧条件下的抗爆燃能力是不同的,所以最完整的燃油标号应该写作a/b,例如英国的100/125,美国的80/87,100/130,115/145。其中需要注意的是,100/125的100,是MON,还是RON?抑或是DON?测试燃油标号有专门的单缸变压缩比发动机,叫做“合作燃油研究引擎”,即CFR引擎。

贫油指标的测试方法:先用汽车发动机标号测试(CFR引擎),再根据一个表格转化成航空标号,航空标号在100以下时,和MON只相差1-2个点,在100以上时,航空燃油标号有可能明显大于MON,例如110MON=128性能指数。

富油指标的测试方法:使用带增压器得CFR引擎,固定压缩比。富油指标就是看看燃油能获得多少最大的发动机功率而不发生爆燃,再和纯异辛烷比较。150的富油指标就是指燃油能比纯异辛烷提供更多的50%的功率。

那么德国主要航空燃油为合成燃油B4和C3的标号是多少?英国的那份调查报告里写的很明白:

B4 为90-91

C3 1940-1942.6 为94/110、

1942.6-1942.12 为96/118

1943-1945 为97/125-130

由此可见,在1942末34年初的时候,德国c3燃料已经等同于英美的100/125或100/130,也就是通常说的100号油。英国的报告还指出,至少按照英国人的标准,德国人当时并没有充分利用C3燃料的富油性能,在1942年末德国人决定提高C3燃油的品质,但是他们继续提高显然是过剩富油指标,而贫油指标却没有得到改进。英国人分析的可能性如下:

1)德国使用芬芳烃的政策注定富油指数过高。

2) 德国人和英国人的测试方法不一样,英国人按照德国人的方法做了一个试验,发现C3和英美的100号油的贫油指标一样好! 也就是说C3是不折不扣的100号燃油,所以不存在贫油指标偏低的事情。

3)1943年初一款计划中安装在服役战斗机的发动机跳票了,本来这款发动机能够充分利用新型C3的富油性能的,所以C3的富油指标浪费了。

现在出现一个悬而未决的问题,1943年,真的有一款德国拟议中的发动机跳票了吗?一番查找之后,戴姆勒奔驰公司浮出水面,这个由汽车发明家们创立的著名公司在二战期间为BF109生产DB系列发动机,在经历了初期的成功之后,在1943年左右遇到了诸如火花塞之类的技术问题,还诞生了2款著名的跳票王发动机,一是DB650D,一是DB603G,这两款发动机分别是1700马力和1900马力级别,DB603G是大排量大尺寸发动机,基本不适合战斗机使用更别说德国尺寸偏小的BF109和Fw190,计划为Do217M&N,Me410,He219等多发战机使用,它的跳票害惨了这些飞机,但它不是答案,因为那些德国发动机没必要使用C3,在战争中早期C3算是比较稀缺的燃油,就连那些能够挖掘C3潜力的BMW发动机(轰炸机上)也往往配发B4而已,只有BMW发动机的战斗机才会配发C3。DB605D,就是它了。

熟悉Bf109历史的人都知道,1943年初Bf109G6开始生产以后,本来计划生产Bf109G10,但DB605D研发遇到问题,所以紧接着生产的是Bf109G14,而安装DB605D的Bf109G10直到1944年下半年才服役。正是DB605D计划使用足以和英美媲美的新式C3燃料,1.65-1.7ata的进气压,1700马力级别,与当时的喷火9发动机功率相当。可惜戴姆勒奔驰在这时候跟不上劳斯莱斯的脚步了,它落后了,原因可能是火花塞。在1942年初夏,Bf109G2的DB605A发动机就是因为火花塞的问题,进气压无法提高到1.42ata,直到1943年春,新的火花塞才让DB650A工作在1.42ata的进气压上,改造那些服役1年的BF109G2的工作于是展开,在1944年整个改造完毕,很遗憾,火花塞还是无法让DB605D达到计划中的进气压,直到1944年,戴姆勒还在搞DB605D-2,使用B4或C3燃料,仅仅1.42ata,1500马力级别 ,使用C3和B4居然一样的功率,这不是浪费C3吗?又过了一段时间,才终于搞出了新型火花塞的DB605DB,使用C3或者B4+MW50,1800马力,前面提到MW50的使用就相当于把低标号燃油变成高标号,如果不考虑发动机寿命以及持续时间的话。也就是说DB605D跳票了1-2年之久,而在整个1943至1944年上半年正是德国空军最危难的时候,戴姆勒难辞其咎。在1944年下半年戴姆勒终于搞定了火花塞,于是乎一大堆带M的子型号涌现出来,进气压普遍提高,短时间内的性能也提高。

如果说1943年德国空军供应不起C3,那么1944年以后日薄西山的德国空军为什么接连推出C3燃料的发动机?所以资源不足一说站不住脚,何况英国的报告已经指出当时的C3已经准备就绪,但新发动机爽约了。即便说RLM坚持让德国空军使用B4的话,那么1943年德国空军为什么不使用B4+MW50组合? 也就是1800马力的DB650DB为什么不拿出来? 难道1943-1944年初的形势还不严峻?非让别人打断脊梁后才肯用MW50这种战前就有的“古董”?当BF109在1942-43年时期进气压徘徊在1.3-1.42ata的时候,把当时能应付1.65-1.8ata的C3燃油拿来当替罪羊,这样未免太“海森堡”了;而且DB605在43年春夏才把B4潜力挖出来(1.42ata),就这样也敢声称被B4拖累了?

依我看,1943年的时候,给BF109们MW50它也不敢提高进气压,给C3也是浪费,所以干脆继续烧B4用1500马力的货色和盟军较量。总的来说德国戴姆勒奔驰发动机并没有被燃料拖累,倒是燃料有点奢侈了,而德国化学工业还是不错的,哪怕它在一战后已经从塔尖跌落下来,哪怕战前从英美那里引进了很多技术。

再谈Fw190以及宝马发动机

宝马公司在1930年代初得到了普惠公司的大黄蜂引擎的生产许可,30年代中期发展出了自己的改进版本BMW132,被广泛使用在Ju52等飞机上。在1935年RLM资助了2种更大的星形风冷发动机,一是宝马自己的BMW139,一个是Bramo公司的Bramo329,宝马于是很快并购了Bramo公司,两个设计合二为一,最终成为BMW139,这发动机本来是要安装在轰炸机或运输机上的,因为风冷发动机前面积较大,阻力较大,但TANK博士目睹了美国海军风冷发动机的成功之后(美国佬喜爱风冷,特别是海军飞机要求抗打击能力强,海洋上不能随便迫降),认为这个缺点可以克服,于是使用在FW190的设计上。(有意思的是后来FW190D采用液冷Jumo213时德国飞行员起初还怀疑过“本该”使用在轰炸机上的Jumo液冷,看来习惯真是了不得)但BMW139在早期fw190原型机上产生了严重的冷却散热问题,(最终德国人在克服这个困难的努力终于得到回报,后来风冷发动机的冷却技术也让英国人受益。)宝马也改进了发动机设计,产生了著名的BMW801系列。最初的BMW801A/B/L都遇到严重的散热问题,直到BWM801C才解决,安装在Fw190A-1/A-2上,产量都很小。另外,由于BWM139和BMW801从最初轰炸机和运输机发动机发展而来,所以不注重高空性能,这也为fw190高空性能不好埋下伏笔,但美国佬蓄谋已久的涡轮增压的B17是另一回事。

BMW801D安装在Fw190A3上,能够使用C2/C3燃料,而不像BMW801A/B/C那样使用B4,所以功率能够从1500马力提高到1700马力,可见宝马公司的BMW801D在1941年的时候就可以利用C2/C3的高性能燃油,而且实际上也可以使用B4+MW50的燃油组合,但是直到战争末期MW50的部件才得以推广。其中的原因是什么? 个人认为是对早期的BMW801D来说C3足够满足,所以技术上没必要使用B4+MW50,而且MW50有损于发动机寿命,在最末期当100号C3也没法满足不断提高的进气压时,德国人才选择了C3+MW50,因为他们没有足够发达的添加剂技术来制.造100/150号燃油。

宝马公司还研制了新型的BMW801E/F/R,其中2400马力的F型被作为后期Fw190使用,但直到战争结束也没投产,所以Fw190D和Ta152采用了Jumo213,而Jumo213得益于BMW 801J/Q的技术,J/Q系列都是计划使用涡轮增压的,无奈涡轮增压技术并非可以突击搞定,最终未能成功,别忘了美国从1920年开始就搞航空涡轮了。

值德注意的是BMW801E,有2000马力,据说在1942年就研制成功,推算一下也应使用C3燃料,但由于生产线紧张一直没有排上号,如果能安装在Fw190a系列上,将是盟军的强劲对手,但这种现象不仅在德国,在英国也同样存在过,2500马力的风冷Centaurus发动机早在二战之处就准备就绪,暴风II计划安装这款发动机,早在1942年9月,鉴于Centaurus和暴风外形是绝妙的配合,500架暴风II的订单就已经发出,43年试飞成功后按理说可以生产,但Gloster为生产台风和发展流星喷气机已经无暇顾及,暴风II安排给Bristol生产,但耽误了更长的时间,直到1944年10月4日暴风II才下生产线,由于二战接近尾声,暴风II的意义不大,所以只生产50架后转而生产暴风V,其实暴风II的性能要好于暴风V,特别是发动机可靠性上,但生产线的拖延导致等它出来后暴风V已经解决了可靠性问题,连性能差距也不那么大了。德国也类似,后期Fw190A9也使用了2000马力BMW801S,所以BMW801E的意义也错过了。

回到燃油问题,C3燃料到底在Fw190刚出现的1941-1942年时是否有足够产量?看看Fw190A3的介绍

Fw 190 A-3: Production began in the spring of 1942. The A-3 model was equipped with the BMW 801 D-2 engine, which increased power to up to 1,754 PS (1,730 hp, 1,290 kW) at take-off by improving the supercharger and raising the compression ratio. Because of these changes the A-3 model required a higher-octane fuel—96 (C3) versus 87 (B4).

也就是说Fw190A3之所以能比A2提高130马力,是因为提高了压缩比,必须使用96号C3燃料,战后英国人测试为96/110号燃油,也就是说宝马公司能利用当时的C3燃料,而BOB时期也有少量Bf109使用了C3。

再看Fw190A5的介绍:There were 1,752 A-5s built from November 1942 to June 1943,the aircraft was equipped with the BMW 801 D-2 engine, rated at 1,700 PS (1,677 hp, 1,250 kW). Some A-5s incorporated the MW 50 installation: this was a mix of 50% methyl alcohol and 50% water which could be injected into the engine to produce a short-term power boost to 2,129 PS (2,100 hp, 1,565 kW).

有资料称1943年夏天,一种加力大幅度提升了Fw190a5的性能,应该就指得是MW50,短暂出力达到2100马力, 持久出力1677马力,燃料估计是C3+MW50。

44年初的Fw190A8使用了一氧化二氮作为加力,此种加力装置也轰炸型的Fw190A5 1.65ata上使用,短时间出力达到1953马力,持久出力估计还是1677马力。这种加力就是在空气和燃油混合物里面再喷额外的燃油和一氧化二氮,额外燃油有冷却作用,所以允许达到更高压缩比,但是油耗大幅增加,摆明了这是富油燃烧。

现在问题出来了,为什么1.65ata的fw190a5和a8不采用MW50而采用一氧化二氮的erhöhte notleistung加力系统?为什么只有部分Fw190a5采用了MW50系统?宝马公司反复搞这些加力系统是为什么? 是C3燃料的性能不足还是产量不够?如果能长时间大功率出力,谁还会搞这些短暂出力的或者是伤害寿命的或者是油耗高的加力系统?

从BMW801D开始所有宝马发动机都是采用C3作为标准燃油,至于现实中配发情况是另一个问题,但是Fw190的测试性能是在C3基础上的。在1942年6月之前,C3的富油指标也不够,存在爆燃现象,但在1942年6月之后,C3调整了烷烃比例,爆燃现象消失,而且从1943年开始,C3的性能和英美的100/130一样好,如果C3不够满足宝马,那么盟军的100/130号也不能满足。有人说C3的产量不足,但这似乎又与后期C3版本发动机层出不穷相矛盾,美海军报告估计战争后几年德国C3燃料占了2/3左右,毕竟当时德国轰炸机部队已经解散,几乎用来生产高推进的战斗机发动机,可见德国在那个时候依然能把C3的比例调整到很大分额,哪怕燃油绝对数量的生产被盟军严重削弱。所以C3产量不足影响Fw190研发的说法本人表示严重怀疑,至少那些测试机没问题。

戴姆勒奔驰和宝马到底问题出在哪里?

燃油和空气比例是很重要的概念,决定了富油混燃烧合还是贫油混和燃烧,Stoichiometric combustion,即临界点燃烧,是14.7:1的空气燃油混和比,低于这个数值就是富油燃烧,大概在12-13:1的时候,产生功率最大,高于这个就是贫油燃烧,大概在16-18:1的时候,热效率最高。 另外,提高了发动机温度,特别是油气混和物温度,会增加爆燃机率,提高发动机负载会同时提高发动机温度以及尾气压力,因而更容易引发爆燃。在没有发动机管理系统的情况下,发动机转速越高,留给自动点燃的时间就越少,爆燃的可能性就越低,如果有发动机管理系统,那么可以控制点火时间,转速对爆燃的影响可能就没有了。飞机飞行高度也会对燃油标号的需求产生影响,二战时期的发动机,海拔每提高300m,据说对标号的需求也就降低1-2个点,因为高空空气密度和温度都低,所以油气混和物被压缩后在燃烧室内点火前的温度压力也相应低,还由于前面说的混合比是按照体积衡量的,由于高空空气密度低,混合物临界点向富油方向移动,也就不需要那么高的标号了。这可以解释,为什么盟军的高标号燃油和德军的MW50载高空的作用很小,高空拼得是增压器,中低空才拼燃油,无奈德国人两方面都拼不过英美。

带有增压器的航空发动机,点火前的油气混和物温度压力都较高,而如果采用富油燃烧,额外的燃油冷却了气缸壁,减少了爆燃的可能,这就是富油指数为什么更高的原因。加力喷注系统的总体效果是在保证不爆燃的情况下,提高最大功率,如果燃油流量和加力流量是4:1的话,燃油的实际标号会提升25%,不管燃油的最初标号是多少,这就是为什么MW50会将B4提升到C3的水准,但MW50加力系统对引擎寿命有影响。

这里有一个很重要的问题,德国发动机和增压器之间没有中冷器,这就意味着在同样的压缩比等条件下,德国发动机燃烧室内的油气混和物温度压力在点燃以前比英美要高,也就是更容易发生爆燃,对燃油标号的要求比英美还高!但是德国Bf109和Fw190都是燃油直喷发动机,据说对化油器发动机的一个优势就是对燃油标号的要求低10个点,原因如下:燃油喷入缸内先冷却了气缸壁,接着高温高压空气让燃油气化,总之直喷系统提供了更好的内部冷却。

那么在低进气压的BOB时代,燃油直喷的BF109E比喷火I需要更低的燃油标号,但是DB601发动机的转速低,这方面又比喷火I的merlin更需要高标号,两者是互相抵消的。而随着战争进行,如果德国发动机想提高功率,必然要提高压缩比/进气压,但又没有中冷器,如果C3的贫油指标不够,那么必然倾向于更抗爆燃的富油燃烧模式,由此带来油耗高和火花塞集碳问题,可能导致DB605的高推进版本迟迟无法服役,在抗爆燃方面,德国人的燃油直喷优点被其低转速和中冷器缺失完全抵消,导致对燃油标号的要求比英美还高,虽然德国的化工提供了近似于英美的燃油,但还是无法满足,不要忘了在盟军的115/150号燃油出现以前,德国的C3燃料和英美的100/130号几乎一样好,如果C3无法承受那么高的温度,盟军的100号也不行,总之燃爆问题在德国发动机上更加突出,对燃油的利用程度比不上英美。德国C3燃油也不是定死的,在1942年6月之前,C3的富油指数偏低,Fw190A时常发生爆燃,德国化工行业于是改进了C3,Fw190爆燃问题解决,在1943年初德国又一次提高富油指数,但当时德国发动机并没有充分利用,直到1944年夏MW50投入使用,德国人才算勉强弥补了没有中冷器和100/150号油的缺点。如果发动机进气压进一步攀升到竞速机那种夸张的程度,盟军的100/150号汽油也不够用,只有上MW50之类的醚醇,正如当今的情况,但对军用发动机来说副作用较多。

之所以战争中期宝马可以利用C3燃料而戴姆勒不能,原因是BMW801是风冷的,可以通过改变散热零件设计以增大面积和通气量甚至干脆加大迎风面积之类小动作或者在油气混和物基础上再喷注燃油冷却的方式来降低发动机气缸温度,而DB605是液冷的,散热方面灵活性不如风冷,在气缸温度较高的情况下,已经使用了更明显的富油混合(这大概也是BF109比Fw190油耗高而航程短的原因之一),如果再搞喷注燃油冷却的方式只会加重火花塞集碳。据说BF109的设计师不相信战机的高性能和航程可以兼得,在他们看来,要发动机的高功率必然导致富油燃烧,必然是高油耗的,所以航程不会大,何况德国油没有低阻力的层流翼技术,所以当他们遇到油箱更大,飞行阻力更小,发动机更省油(贫油燃烧)的野马时,确实感到受冲击。

战后美国海军调查报告指出,虽然德国航空燃油与英美基本一样,但其贫油指数还是偏低,造成这种现象原因是德国发动机的富油燃烧工作模式,是发动机决定了燃油。美军海军报告也指出C3燃油里面增加异链烷烃减少芬芳烃就会增加C3的贫油指数,当然C3的贫油指标低还可能是测试标准不同造成的,英国的报告指出,如果采用德国人的测试方法,C3和盟军100号的贫油指标是一样的。而富油燃烧和贫油燃烧的差别是很重要的,前面提到贫油燃烧的热效率更高,所以气缸温度更高,如果又是在高压缩比/高进气压下,那么燃油的爆燃可能性会更大,所以贫油燃烧的抗爆燃指数低于富油燃烧,但贫油燃烧大大有利于提高航程。而我认为即使增强一些C3的贫油指数水平也没有用,后期德国发动机的工作模式:没有中冷器,,所以气缸温度居高不下,特别是液冷机尤其如此,发动机转速慢,爆燃可能性增加,所以德国人必然搞富油燃烧,火花塞积碳和烧坏等问题必然困扰德国人,另外,英国的火花塞质量是最好的,比美国的还好,B17到达英国后就换成英国火花塞了。

对于德国燃油性能是否拖累德机性能的问题,我的最终结论:没有拖累德机性能,相反德国发动机由于自身原因,不能很好得利用燃油性能。


本文内容于 2011/2/24 23:06:03 被bskhalen编辑

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