據(jù)外媒報道，為了開發(fā)具有更高能效和超低排放的先進(jìn)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(nèi)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(nèi)運行而構(gòu)建，可以提供獨特的樣品環(huán)境，以研究新合金的結(jié)構(gòu)變化。這些合金針對先進(jìn)高溫內(nèi)燃機的真實運行環(huán)境而設(shè)計。
2017年，ORNL于首推此類設(shè)施。當(dāng)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(jìn)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(dāng)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(jié)構(gòu)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(xué)家們確定了合金在諸如高溫和極端應(yīng)力或張力等運行條件下的表現(xiàn)，以識別甚至最細(xì)微的缺陷。
在此基礎(chǔ)上，ORNL專門設(shè)計了一種研究發(fā)動機，用于VULCAN。該設(shè)施基于一臺兩升四缸的汽車發(fā)動機，經(jīng)過改進(jìn)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(zhuǎn)，以提供最大的測量靈活性。該發(fā)動機針對中子研究而設(shè)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(shè)施可以為研究人員提供所需要的實驗結(jié)果，以快速準(zhǔn)確地檢測新材料，并改進(jìn)發(fā)動機設(shè)計的高保真計算模型。該項目負(fù)責(zé)人Martin Wissink表示：“研究人員關(guān)注發(fā)動機中發(fā)生的湍流燃燒和通過固體成分進(jìn)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(guān)鍵。目前這些模型大多沒有現(xiàn)場驗證數(shù)據(jù)。我們的目標(biāo)是完全解決燃燒室中所有金屬部件在整個區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度問題?！?/p>
該發(fā)動機已經(jīng)按照ORNL規(guī)格進(jìn)行設(shè)計，目前正由西南研究院進(jìn)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(jìn)行調(diào)試，然后在SNS首次使用，預(yù)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(jié)構(gòu)，因此是理想的研究設(shè)備。VULCAN設(shè)計針對變形、相變、殘余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)研究。研究人員正在為中子發(fā)動機平臺準(zhǔn)備新的排氣系統(tǒng)和其他改裝設(shè)施，包括發(fā)動機新控制界面。
科學(xué)家將把來自中子發(fā)動機的測量結(jié)果，輸入正在開發(fā)的高性能計算模型中，以加快高級內(nèi)燃機突破。研究人員希望，準(zhǔn)確預(yù)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(yù)計通過中子發(fā)動機提供的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)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(chǎn)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(chǔ)科學(xué)設(shè)施與應(yīng)用結(jié)合起來，并在實際工程設(shè)備和系統(tǒng)中進(jìn)行測量。全面測量發(fā)動機部件中的應(yīng)變和溫度，這在以前是不可能實現(xiàn)的。將這些數(shù)據(jù)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?！?/p>
ORNL建筑和運輸科學(xué)部負(fù)責(zé)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。
