據外媒報道，為了開發(fā)具有更高能效和超低排放的先進車輛，美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）的研究人員正在加速研制一種研究用發(fā)動機，以前所未有的視角實時了解內燃機的原子層面工作原理。

（圖片來源：techxplore）

這種發(fā)動機專為在中子束線內運行而構建，可以提供獨特的樣品環(huán)境，以研究新合金的結構變化。這些合金針對先進高溫內燃機的真實運行環(huán)境而設計。

2017年，ORNL于首推此類設施。當時研究人員成功評測一款小型原型發(fā)動機，其氣缸蓋由該實驗室開發(fā)的一種新高溫鋁鈰合金鑄造而成。這是全球首次使用美國能源部散裂中子源(SNS，位于ORNL)的VULCAN 中子衍射儀，對運行中的發(fā)動機進行中子衍射分析。此項研究不僅證明此類獨特合金的硬度，而且表明使用中子等非破壞性方法分析新材料具有價值。

當中子散布在原子中時，研究人員可以獲得豐富的原子層面結構信息，因為中子甚至能夠穿透致密的金屬。在這種情況下，科學家們確定了合金在諸如高溫和極端應力或張力等運行條件下的表現(xiàn)，以識別甚至最細微的缺陷。

在此基礎上，ORNL專門設計了一種研究發(fā)動機，用于VULCAN。該設施基于一臺兩升四缸的汽車發(fā)動機，經過改進后可以單缸運行，以節(jié)省光束線樣本空間。該發(fā)動機平臺可以圍繞汽缸軸旋轉，以提供最大的測量靈活性。該發(fā)動機針對中子研究而設計，包括使用基于氟碳化合物的冷卻劑和機油，以提高燃燒室的能見度。

該設施可以為研究人員提供所需要的實驗結果，以快速準確地檢測新材料，并改進發(fā)動機設計的高保真計算模型。該項目負責人Martin Wissink表示：“研究人員關注發(fā)動機中發(fā)生的湍流燃燒和通過固體成分進行的傳熱過程之間的相互作用。了解和優(yōu)化這一過程，是提高發(fā)動機熱效率的關鍵。目前這些模型大多沒有現(xiàn)場驗證數(shù)據。我們的目標是完全解決燃燒室中所有金屬部件在整個區(qū)域內的應力、應變和溫度問題?！?/p>

該發(fā)動機已經按照ORNL規(guī)格進行設計，目前正由西南研究院進行最終研發(fā)，并將在能源部的國家交通研究中心(NTRC，位于ORNL)進行調試，然后在SNS首次使用，預計將于2021下半年投入使用。主要研究人員Ke An表示，SNS的VULCAN儀器可以容納更大的結構，因此是理想的研究設備。VULCAN設計針對變形、相變、殘余應力、結構和微觀結構研究。研究人員正在為中子發(fā)動機平臺準備新的排氣系統(tǒng)和其他改裝設施，包括發(fā)動機新控制界面。

科學家將把來自中子發(fā)動機的測量結果，輸入正在開發(fā)的高性能計算模型中，以加快高級內燃機突破。研究人員希望，準確預測熱損失、火焰淬熄和噴射到氣缸中的燃料蒸發(fā)等現(xiàn)象，尤其是在通常排放量最高的冷啟動發(fā)動機運行期間。預計通過中子發(fā)動機提供的數(shù)據，可以進一步了解在發(fā)動機循環(huán)過程中，金屬發(fā)動機部件的溫度在整個發(fā)動機中是如何變化的。所產生的高保真模型可以在超級計算機上快速運行，比如美國速度最快、人工智能能力最強的Summit計算機。

Wissink表示：“我們將把這些基礎科學設施與應用結合起來，并在實際工程設備和系統(tǒng)中進行測量。全面測量發(fā)動機部件中的應變和溫度，這在以前是不可能實現(xiàn)的。將這些數(shù)據作為HPC模型的驗證或邊界條件，與汽車行業(yè)的研究人員共享，這一點具有重要意義。”

ORNL建筑和運輸科學部負責人Robert Wagner表示，這種中子發(fā)動機有助于制造更節(jié)能、超清潔的發(fā)動機。