ORNL开发中子研究发动机 推进先进汽车设计

据外媒报道，为了开发具有更高能效和超低排放的先进汽车，橡树岭国家实验室的研究人员正在加速开发一种研究发动机，以前所未有的视角实时了解内燃机的原子级工作原理。

该发动机设计用于在中子束内运行，可以为研究新合金的结构变化提供独特的样品环境。这些合金是为先进高温内燃机的实际运行环境而设计的。2017年，ORNL首次推出了此类设施。当时，研究人员成功评估了一台小型原型发动机，其气缸盖由实验室开发的新型高温铝铈合金铸造而成。这是世界上第一次使用美国能源部散裂中子源（SNS，位于ORNL）的VULCAN中子衍射对运行中的发动机进行中子衍射分析。这项研究不仅证明了这种独特合金的硬度，还证明了使用中子等无损方法分析新材料的价值。当中子分散在原子中时，研究人员可以获得丰富的原子级结构信息，因为中子甚至可以穿透致密的金属。在这种情况下，科学家们确定了合金在高温和极端应力或张力等操作条件下的行为，以识别哪怕是最小的缺陷。在此基础上，ORNL专门为VULCAN设计了一个研究引擎。该设施基于一台两升四缸汽车发动机，该发动机经过改进，可作为单缸运行，以节省光束线样本的空间。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。这台发动机是为中子研究而设计的，包括使用氟碳化合物冷却剂和油来提高燃烧室的能见度。该设施可以为研究人员提供必要的实验结果，以快速准确地检测新材料，并改进发动机设计的高保真度计算模型。项目负责人Martin Wissink说， “研究人员关注湍流燃烧和发动机固体部件传热之间的相互作用。了解和优化这一过程是提高发动机热效率的关键。目前，这些模型大多没有现场验证数据。我们的目标是全面解决燃烧室中所有金属部件的应力、应变和温度问题整个地区的燃烧室发动机是根据ORNL规范设计的，目前西南研究所正在进行最终开发。它将在位于ORNL的能源部国家运输研究中心（NTRC）进行调试，并将首次在SNS中使用。预计将于2021下半年投入使用。关键研究员Ke An表示，SNS的VULCAN仪器可以容纳更大的结构，使其成为理想的研究设备。VULCAN设计侧重于变形、相变、残余应力、结构和微观结构的研究。研究人员正在为中子发动机平台准备新的排气系统和其他改装设施，包括新的发动机控制接口。科学家们将把中子发动机的测量结果输入正在开发的高性能计算模型，以加速先进内燃机的突破。研究人员希望准确预测热量损失、火焰熄灭和注入气缸的燃料蒸发等现象，尤其是在通常排放量最高的冷启动发动机运行期间。预计通过中子发动机提供的数据，我们可以进一步了解金属发动机部件的温度在整个发动机循环中是如何变化的。由此产生的高保真度模型可以在超级计算机上快速运行，例如美国人工智能领域速度最快、能力最强的Summit计算机。Wissink说， “我们将把这些基本的科学设施与应用相结合，并在实际的工程设备和系统中进行测量。以前不可能全面测量发动机部件中的应变和温度。与汽车行业的研究人员共享这些数据作为HPC模型的验证或边界条件，这具有重要意义美国建筑与运输科学部表示，这种中子发动机有助于制造更节能、更清洁的发动机。

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