Bauhaus Luftfahrt Jahrbuch 2017

BauhausLuftfahrt

48 energy technologies &

power systems

„Composite Cycle

Engine“-Konzeptualisierung

und -Potenzial

Composite Cycle Engine

conceptualisation and

performance potential

Das „Composite Cycle Engine“-Konzept (CCE)

führt Kolbenmaschinen in das Kerntriebwerk von

Flugantrieben ein. Die Kolbenmaschinen ermöglichen

durch ihr instationäres Betriebsverhalten

höhere Spitzendrücke und -temperaturen mittels

isochor/isobarer Verbrennung bei gleichzeitig

reduzierten Verdichtungsverlusten infolge der

hocheffizienten Verdichtung in geschlossenen

Volumina. Im Vergleich verschiedener Kolbenmaschinentypen

(Hub- und Rotationskolbenmaschine)

sowie Betriebsmodi (4-Takt- und 2-Takt-Motor)

zeichnet sich das 4-Takt-Hubkolbenkonzept aufgrund

sehr guten Ladungswechselverhaltens und

niedrigeren Prozesstemperaturen als bevorzugtes

Kolbenkonzept aus.

Für Kombinationen der CCE mit Wärmetauschern

kann – bezogen auf die Gesamteffizienz – kein

positives Potenzial identifiziert werden. Durch die

Verwendung eines Zwischenkühlers können jedoch

der Volumenstrom und somit die Größe und das

Gewicht des Kolbensystems reduziert werden.

Insgesamt ergibt sich ein leichter Vorteil im Verbrauch.

Für die Wärmerückgewinnung kann kein

ausreichendes Potenzial entdeckt werden, das die

zusätzliche Komplexität eines Rekuperators rechtfertigen

würde.

Die Anwendung auf der Langstrecke verspricht

größere Verbesserungen im Kraftstoffverbrauch

als auf der Kurzstrecke. Einerseits führen lange

Missionen zu stärkeren Kaskadeneffekten auf

Verbesserungen der Triebwerkseffizienz. Andererseits

fällt die höhere Triebwerksmasse bei den

aerodynamisch effizienteren Langstreckenfliegern

weniger ins Gewicht. Die Leistung der Kolbeneinheit

kann durch die Anzahl an Kolben skaliert

werden. Diese Herangehensweise erlaubt Kommunalität

über Triebwerksfamilien hinweg.

25

IC

26

Schematische

Darstellung des

Aufbaus einer

„Composite Cycle

Engine“ mit

Zwischenkühler

Basic schematic

of the general

arrangement of an

intercooled

Composite Cycle

Engine

This project has received

funding from the European

Union’s Horizon 2020

research and innovation

programme under grant

agreement No. 604999.

The Composite Cycle Engine (CCE) concept incorporates

piston engines to the core of an aircraft turbo

engine. The piston engines enable higher peak pressures

and temperatures within the core engine by

using isochoric-isobaric combustion. Additionally,

compression losses reduce due to highly efficient

closed volume compression. Based on a comparison

of different types of piston engines (reciprocating

and rotary piston engines) as well as operating

modes (four-stroke and two-stroke engines), the

four-stroke reciprocation piston engine concept is

identified to be the most promising candidate.

Lower working frequency compared to two-stroke

engines is compensated by more efficient scavenging

behaviour. Efficiency of reciprocating piston

engines beats rotary engines’ efficiency due to

higher feasible peak pressures and less heat losses.

Combining CCEs with heat exchanges does not

lead to improvements in engine efficiency. Nevertheless,

volume flow and therefore piston engine

size and weight can be reduced by the use of intercoolers.

No significant potential can be found to

recover heat from the exhaust by using recuperators

in various system configurations.

The application to the long range rather than the

short range promises higher improvements in fuel

consumption. On the one hand, long missions lead

to larger cascading effects due to efficiency improvement.

On the other hand, the incremental weight

has a lower detrimental impact on the aerodynamically

more efficient long-range aircraft. The power

of the piston unit can be scaled with the number of

pistons, thus enhancing communality across engine

families.

Das zugrunde liegende

Vorhaben wurde mit Mitteln

des Bundesministeriums für

Wirtschaft und Energie unter

dem Förderkennzeichen

20E1505G gefördert.

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