科學研究：引擎新技術加速了尖端車輛研究

橡樹嶺國家實驗室（ORNL）正利用ORNL（橡樹嶺國家實驗室）中的散裂中子源設備研究設計一種中子研究引擎，
以評估用於先進車輛的新材料和設計。來源：Jill Hemman/ORNL，美國能源部和西南研究所
麵對更高能效和超低排放的尖端車輛的需求，橡樹嶺國家實驗室的研究人員正加速一種引擎的研發，這種引擎能給予科學家和工程師一種前所未有的視角，使他們能夠實時了解內燃機內部原子級別的運轉。
新技術是一個為能在中子束內部運行而特別製造的引擎。這種中子引擎能提供一種獨特的樣本環境，能研究為高溫環境，以及尖端內燃機實際運轉的情況而設計的新合金的結構變化。
ORNL於2107年首次公布了該技術，當時研究人員成功評估了一台小引擎樣機，該發動機氣缸蓋由實驗室製造的新型高溫鋁鈰合金鑄造而成。該實驗是全球首例用VULCAN中子衍射儀對運轉引擎進行中子衍射分析的實驗，該實驗在ORNL使用了能源部的散裂中子源（SNS）的。
發表於《美國國家科學院匯刊》的研究結果不僅僅證明了這種獨特的合金的堅韌程度，還說明了使用比如中子等非破壞性方法分析新材料的價值。
中子穿透性強，甚至能穿透致密的金屬。當中子將材料中的原子散射出去時，它們能為研究人員提供直至原子尺度的許多結構信息。這樣，科學家就能確定這種合金在如高溫、極端應力或張力的工作條件下的性能，甚至識別出最小的瑕疵。
該實驗的成功促使ORNL設計了一個工業相關規模的專用研究引擎，在VULCAN中使用。該技術基於一個兩升四缸的汽車發動機，經過修改由一個氣缸運行，以便在射線下節省空間。引擎平台能圍繞氣缸中軸轉動，以達到最大測試靈活性。這個引擎是為中子研究量身定製的，包括為優化燃燒室中的可視性而使用的基於碳氟化合物的冷卻劑和機油。
這種技術將為研究人員帶來他們所需的實驗結果，以快速準確地審查新材料，並優化發動機設計的高保真計算模型。
“在世界各地，工業界，國家實驗室和學術界都在尋找在引擎內部發生的湍流燃燒和在固體部件中發生的熱交換之間的聯係，”ORNL中該項目的負責人Martin Wissink說，“理解和優化這個過程是提高引擎熱效率的關鍵。”
“但是目前，大多數的模型幾乎沒有現場的驗證數據”，他補充道，“目標就在於完全解出在整個區域內的應力、應變和溫度，包括燃燒室內所有金屬部件。”
“但目前，大多數模型幾乎沒有現場驗證數據，”他補充道其目的是完全解決燃燒室中所有金屬部件整個區域的應力、應變和溫度。”

ORNL的研究人員Martin Wissink（左）和KeAn（右）與同事們合作，在ORNL的散裂中子源（SNS）的VULCAN中子衍射儀中設計並測試
一台運轉的引擎，這為在現實環境中，原子水平上分析先進車輛材料提供了新的、不具破壞性的技術。來源：:Genevieve Martin/ORNL美國能源部
該引擎按照ORNL的規格設計，現在正與西南研究院進行最終開發，預計在2021年底SNS首次使用前，將在ORNL的能源部的國家運輸研究中心（NTRC）投入使用。NTRS和SNS都是美國國家能源部的科學設施，為來自世界各地的研究人員提供最先進的現代科學工具。
該設備的首席科學家Ke An說，在SNS的VULCAN設備對實驗來說非常理想，因為它能容納更大的結構。VULCAN為分析研究形變，物態轉化，殘餘應力，織構和微觀研究設計。據An所說，他們正在為中子引擎準備平台準備一個新的排氣係統和其他改裝，包括一個新的引擎控製交互界麵。
“這就是讓人們興奮的地方，在更大、更先進的引擎上產生結果，”An說，這個中子引擎“將為想解決應力、應變及溫度問題以驗證模型的使用者提供更多選項。它顯示了中子對一個重要製造業領域的直接價值。”
中子引擎進行的測試結果將反饋給高性能計算（HPC），這是科學家為加速尖端內燃機技術突破而設計的模型。
研究人員還對精準預測一些現象感興趣，比如說熱量散失，熄火還有汽缸內燃料蒸發的現象，特別是在發動機冷啟動時，此時排放通常是最高的。我們期待來自中子引擎的數據能為整個引擎中金屬部件的溫度在引擎循環過程中如何變化帶來新的理解。
得到的高保真模型能在超級計算機比如Summit上快速運行。Summit是美國最快、最支持AI的計算機，位於ORNL，是橡樹嶺領導計算設施的一部分，也屬於能源部科學研究設施。
“我們正把基礎科學技術和應用聯係起來，並對實際工程部件和係統進行測量，”Wissink說，“對引擎部件的應變和溫度全麵的測量在過去是不可能實現的。將這些數據作為HPC模型的驗證或邊界條件，以便與汽車行業的研究人員共享，這一點至關重要。”

圖片來源：pixabay
ORNL建築與運輸科學部主任Robert Wagner說，中子引擎為ORNL和其他國家實驗室開發製造能效更高且超淨的引擎的工作提高了現有的技術能力。
“能在中子射線下操作引擎讓我們能在其實際工作環境下進行前所未有的測量，”Wagner說。該項技術能力為國家實驗室為提高內燃機效率和排放量帶來了獨一無二的資源，比如說在桑迪亞國家實驗室的光學引擎研究，還有位於阿貢國家實驗室先進光子源。
這些獨特資源力量現正被聯合起來，通過由能源部車輛技術辦公室領導的一個名為“推進內燃機合作”的六個實驗室聯盟，解決最具挑戰性的問題。
“在ORNL，我們與眾不同的地方在於配有的科學資源集合，”Wagner說，“我們能使用世界上最強大的中子源，美國最快的超級計算機，我們還有世界級的材料科學，加上交通領域的專業星空体育官网入口网站，以接受挑戰，創造能源更加可持續的未來。”
翻譯：王嘉鈺
審校：汪茹
引進來源：橡樹嶺國家實驗室
引進鏈接：https://techxplore.com/news/2020-12-capability-advanced-vehicle.html
本文來自：環球科學


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