Gorące powietrze zasila silniki samolotów

Silniki tłokowe zasilane gorącym powietrzem wykorzystują rozszerzalność cieplną powietrza do poruszania tłokiem. W procesie przekształcania energii chemicznej paliwa w energię mechaniczną około 30% energii paliwa ulega utracie wraz z gazami wydechowymi. Ogólnie rzecz biorąc, wytwarzane ciepło nie jest optymalnie wykorzystywane, a tym samym jest marnotrawione.

Celem finansowanego przez UE projektu WHEXPERS (Study and manufacturing of a wasted heat exchanger and a hot air piston engine recuperation system) było wykorzystanie tego ciepła odpadowego. Opracowana technologia ma dodatkowe zalety w postaci transferu ciepła z gazów wydechowych do gorącego sprężonego powietrza przemieszczającego się z i do silnika tłokowego.

System odzyskiwania ciepła odpadowego pozwoli znacząco zwiększyć wydajność silnika, co obniży zużycie paliwa i związane z tym emisje dwutlenku węgla. Aby można było wykorzystać je w samolotach, należy zmodyfikować konstrukcję silnika poprzez użycie materiałów niskiej gęstości, obniżenie tarcia i zoptymalizowanie zespołu tłoka w celu zmaksymalizowania wydajności.

Silnik tłokowy zasilany gorącym powietrzem wymaga silnego uszczelnienia i obniżonego tarcia w układzie dopływu lub wlotu sprężonego powietrza. Przepływem powietrza sterują zawory obrotowe. Modyfikacje w konstrukcji zaworów obrotowych wprowadzone po kampanii testów wstępnych pozwoliły na uzyskanie minimalnych strat ciśnienia i docelowej przepuszczalności.

Udoskonalono też konstrukcję cylindra głównego w oparciu o testy tarcia i uszczelniania, podobnie też stało się w przypadku konstrukcji silnika bazowego. Następnie zmontowano wyprodukowane części mechaniczne makiety silnika tłokowego zasilanego gorącym powietrzem oraz przystąpiono do gromadzenia danych i prac nad systemami sterowania stanowiskiem testowym.

Symulacje połączono z badaniami mechanicznymi, aby udoskonalić płytki wymiennika ciepła i opór mechaniczny części. Na koniec zaprojektowano system zasilania wymiennika ciepła z myślą o jednostajnej dystrybucji przepływu, minimalizacji spadku ciśnienia i obniżeniu masy. Obecnie trwa prowadzenie analiz wydajności.

Owocem projektu WHEXPERS jest rozwój technologii rekuperacji ciepła odpadowego z gazu. Innowacje w zakresie materiałów i konstrukcji inżynieryjnych ułatwią produkcję wydajnych silników, obniżając zużycie paliwa i poziom emisji oraz przyczyniając się do poprawy ekologiczności transportu powietrznego.