中性发动机:新型发动机能力加速先进的车辆研究

中性研究发动机

橡木岭国家实验室正在设计中子研究发动机,以评估使用OrnL的介质中子源的设施的先进车辆的新材料和设计。信用:吉尔亨曼/奥尔姆,美国能源部和西南研究所

为了追求更高能效和超低排放的先进汽车,橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的研究人员正在加速一种研究引擎,这种引擎可以让科学家和工程师们实时地了解内燃机在原子水平上的工作情况,这是前所未有的。

新功能是一款专为在中子梁线内部运行而构建的发动机。该中型发动机提供独特的样品环境,允许调查在高温环境中设计的新合金中的结构变化,在现实条件下运行的高温燃烧发动机。

ORNL在2017年首次展示了这种能力,当时研究人员成功评估了一款小型原型发动机,该发动机的缸盖由一种新型高温铝铈合金铸造而成合金这是世界上第一个通过中子衍射分析运行中的发动机的实验,使用的是奥诺尔实验室能源部散裂中子源(SNS)的VULCAN中子衍射仪。

研究结果,发表在国家科学院的诉讼程序不仅证明了独特合金的耐用性,而且还证明了使用非破坏性方法的价值,例如中子来分析新材料。

研究人员与原型发动机

ORNL研究人员Martin Wissink(L)和Ke An An(R)与同事合作,在ORNL的介绍中子源在散尔科梁线上设计和测试运行的燃烧引擎原型,证明了一种新的,无损性能力分析先进的材料在现实环境中原子水平的车辆。信用:Genevieve Martin / Ornl U.s. Energy

中子甚至能穿透密度很高的金属。当中子将材料中的原子散射出去时,它们为研究人员提供了丰富的结构信息,其范围可低至原子级别。在这种情况下,科学家们确定合金在高温、极端应力或张力等操作条件下的性能,从而识别出即使是最小的缺陷。

实验的成功促使ORNL设计了一个专门制造的研究引擎,达到与工业相关的规模,用于火神星。这款发动机基于一台2升四缸汽车发动机,经过改进后可以在一个气缸上运行,以节省光束线上的样本空间。发动机平台可以围绕气缸轴旋转,以提供最大的测量灵活性。这款发动机是为中子研究定制的,包括使用氟碳冷却剂和油,提高了燃烧室的能见度。

该能力将为研究人员提供实验结果,他们需要快速准确地锻造新材料,并改善发动机设计的高保真计算模型。

“在世界各地,行业,国家实验室和学术界正在从发动机发生的湍流燃烧之间看界面,以及通过固体部件发生的传热过程,”奥诺尔队的项目领先地区,“马丁Wissink说”。“了解和优化该过程是提高发动机热效率的关键。”

“但目前,大多数这些模型几乎没有原位验证数据,”他补充道。“目的是在燃烧室中所有金属部件上完全解决整个域中的应力,应变和温度。”

The engine has been designed to ORNL specs and is currently undergoing final development with the Southwest Research Institute, and will be commissioned at DOE’s National Transportation Research Center, or NTRC, at ORNL before its first use at SNS, which is expected by late 2021. Both the NTRC and SNS are DOE scientific user facilities, providing access to the most advanced tools of modern science to researchers around the world.

仪器领导科学家称,SNS的Vulcan仪器是研究的理想选择,因为它适用于较大的结构。Vulcan专为变形,相变,残余应力,质地和微观结构研究而设计。根据AN,它们正在为中子发动机提供新的排气系统和其他改造,包括用于发动机的新控制界面。

安表示:“这将让人们感到兴奋,在更大、最先进的引擎上产生结果。”中子发动机“将为用户提供更多的选择,以验证他们的模型,以解决诸如压力、应变和温度等问题。它显示了中子对一个重要的制造业的直接价值。”

来自中子发动机的测量数据将被输入到高性能计算(HPC)模型中,该模型由科学家开发,旨在加速先进内燃机的突破。

研究人员感兴趣的是准确预测诸如热损失、火焰熄灭和喷入汽缸的燃料蒸发等现象,特别是在发动机冷启动时,此时的排放往往是最高的。来自中子发动机的数据有望让人们对金属发动机部件在整个发动机循环过程中的温度变化有新的认识。

由此产生的高保真模型可以在超级计算机上快速运行,比如美国最快、最具人工智能能力的计算机Summit。Summit位于橡树岭国家实验室,是橡树岭领导计算设施的一部分,也是能源部的科学用户设施。

“我们正在将这些基本科学能力拓展到应用程序和在实际工程设备和系统中进行测量,”Wissink表示。“发动机部件中的菌株和温度的完全测量是之前不可能的。使这些数据具有重要的是验证或作为可以与汽车行业中的研究人员共享的HPC模型的边界条件。“

现有的工作在橡树岭国家实验室的能力和其他国家实验室的中子引擎增强对创造更加节能和超洁净发动机,罗伯特·瓦格纳,橡树岭国家实验室的建筑和交通科学部主任说。

“在中子束线中操作发动机的能力使我们能够在现实的发动机条件下进行前所未有的测量,”Wagner表示。这种能力增加了国家实验室提出了燃烧发动机的效率和排放的一类资源,例如桑迪亚国家实验室的光学发动机研究以及阿尔冈国家实验室的先进光子来源。

这些独特资源的力量目前正在对齐,以解决最具挑战性问题,通过六个实验室联盟,称为合作伙伴关系,以推出燃烧发动机,从DOE车辆技术办公室出发。

“在ORNL,让我们与众不同的是现有的科学组合,”Wagner说。“我们正在利用世界上最强大的中子源,国家最快的超级计算机,世界级的材料科学,与我们在运输方面的专业知识协调,来应对更可持续能源未来的重大挑战。”

参考:Martin L. Wissink, Yan Chen, Matthew J. Frost, Scott J. Curran, Orlando Rios, Zachary C. Sims, David Weiss, Eric T. Stromme and Ke An, 2020年12月21日,《用中子衍射法测量内燃机部件中的晶格应变》国家科学院的诉讼程序
DOI: 10.1073 / pnas.2012960117

中性发动机研究主要由DOE的能效和可再生能源(EERE)车辆技术办公室支持。Doe的科学办公室支持对SNS的访问权限。铝 - 铈合金的研究由DOE的关键材料研究所赞助,该研究所由Doe Eere的先进制造办公室提供支持,以及ECK Industries,帮助开发和测试合金并获得了材料。

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