新的发动机能力加速了先进的车辆研究

为了寻求具有更高能源效率和超低排放的先进车辆，橡树岭国家实验室的研究人员正在加速研究引擎的运行，该引擎为科学家和工程师提供了内燃机原子级实时内部运行的前所未有的视野。

新功能是专门为在中子束线内部运行而制造的发动机。这款中子发动机提供了独特的样品环境，可以研究为在现实条件下运行的高温，先进内燃机的环境而设计的新合金的结构变化。

ORNL于2017年首次公布了该功能，当时研究人员成功地评估了一种小型的原型发动机，该发动机的原型是由实验室制造的新型高温铝铈合金铸造而成的。该实验是全球首例，其中使用ORNL能源部散裂中子源(SNS)的VULCAN中子衍射仪通过中子衍射对运行中的发动机进行了分析。

该研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上，不仅证明了这种独特合金的坚韧性，而且还证明了使用中子等非破坏性方法分析新材料的价值。

中子甚至可以穿透致密金属而深入渗透。当中子从物质中散射出原子时，它们为研究人员提供了直至原子尺度的大量结构信息。在这种情况下，科学家确定了合金在高温，极端应力或张力等工作条件下的性能，甚至可以识别出最小的缺陷。

实验的成功促使ORNL设计了行业相关规模的专用研究引擎，供VULCAN使用。该功能基于两升四缸汽车发动机，经过修改可在一个气缸上运行，以节省光束线上的样本空间。发动机平台可以绕汽缸轴线旋转，以提供最大的测量灵活性。该发动机是为中子研究量身定制的，包括使用碳氟化合物基冷却剂和机油，从而提高了进入燃烧室的视野。

该功能将为研究人员提供他们需要的实验结果，以快速，准确地审查新材料并改善发动机设计的高保真计算模型。

ORNL项目负责人Martin Wissink说：“全世界，工业界，国家实验室和学术界都在研究发动机中发生的湍流燃烧与固体成分之间的传热过程之间的联系。” “了解和优化该过程对于提高发动机的热效率确实至关重要。”

他补充说：“但是目前，这些模型大多数都没有现场验证数据。” “目标是完全解决燃烧室中所有金属零件在整个区域内的应力，应变和温度。”

ORNL的研究人员Martin Wissink(L)和Ke An(R)与同事合作，在ORNL的Spallation中子源的VULCAN束线中设计并测试了正在运行的内燃机原型，证明了其无损分析新材料的先进能力在现实环境中处于原子级别的车辆。图片提供：Genevieve Martin / ORNL美国能源部。

该发动机已按照ORNL规格进行设计，目前正在与西南研究院进行最终开发，并将在DOE的ORNL国家运输研究中心或NTRC进行调试，然后在SNS首次使用，预计2021年下半年使用。 NTRC和SNS都是DOE科学用户设施，为世界各地的研究人员提供了现代科学最先进工具的访问。

SNS的首席科学家Ke An说，SNS上的VULCAN仪器适合进行研究，因为它可以容纳更大的结构。VULCAN设计用于变形，相变，残余应力，织构和微观结构研究。据安称，他们正在为中子发动机的平台准备新的排气系统和其他改造，包括新的发动机控制界面。

安说：“这将使人们兴奋，并在更大的，最先进的发动机上产生结果。” 中子引擎“将为寻求验证其模型以解决应力，应变和温度等问题的用户提供更多选择。它显示了中子对重要制造业的直接价值。”

中子发动机的测量结果将被输入到科学家正在开发的高性能计算或HPC模型中，以加速先进内燃机的突破。

研究人员对准确预测诸如热损失，火焰熄灭和喷射到汽缸内的燃料的蒸发等现象感兴趣，特别是在冷启动发动机运行期间排放通常最高的情况下。中子发动机的数据有望提供新的理解，以了解金属发动机部件的温度在整个发动机循环过程中整个发动机如何变化。

由此产生的高保真模型可以在超级计算机上快速运行，例如美国最快，最支持AI的计算机Summit。Summit是橡树岭领导力计算设施(也属于DOE科学用户设施)的一部分，位于ORNL。

Wissink说：“我们正在将这些基础科学功能与应用结合起来，并在真实的工程设备和系统中进行测量。” “以前无法对发动机部件中的应变和温度进行全面测量。将这些数据用作HPC模型的验证或边界条件至关重要，可以与汽车行业的研究人员共享这些数据。 ”

ORNL建筑物与运输科学部主任Robert Wagner说，中子引擎在工作中增强了ORNL和其他国家实验室的现有能力，以创建更节能和超净的引擎。

瓦格纳说：“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空前的测量。” 这种功能增加了国家实验室为提高内燃机效率和排放而提供的一种资源，例如Sandia国家实验室的光学引擎研究以及Argonne国家实验室的Advanced Photon Source。

目前，这些独特资源的力量正通过一个由美国能源部车辆技术办公室领导的，由六个实验室组成的联盟(称为先进燃烧发动机合作组织)来解决最棘手的问题。

瓦格纳说：“使我们在ORNL脱颖而出的是现有的科学技术。” “我们将利用世界上最强大的中子源，美国最快的超级计算机和世界一流的材料科学，结合我们在运输领域的专业知识，来应对更可持续的能源未来的巨大挑战。”

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