為了尋求具有更高能源效率和超低排放的先進(jìn)車輛，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員正在加速研究引擎的運(yùn)行，該引擎為科學(xué)家和工程師提供了內(nèi)燃機(jī)原子級實(shí)時(shí)內(nèi)部運(yùn)行的前所未有的視野。

新功能是專門為在中子束線內(nèi)部運(yùn)行而制造的發(fā)動(dòng)機(jī)。這款中子發(fā)動(dòng)機(jī)提供了獨(dú)特的樣品環(huán)境，可以研究為在現(xiàn)實(shí)條件下運(yùn)行的高溫，先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)的環(huán)境而設(shè)計(jì)的新合金的結(jié)構(gòu)變化。

ORNL于2017年首次公布了該功能，當(dāng)時(shí)研究人員成功地評估了一種小型的原型發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)的原型是由實(shí)驗(yàn)室制造的新型高溫鋁鈰合金鑄造而成的。該實(shí)驗(yàn)是全球首例，其中使用ORNL能源部散裂中子源(SNS)的VULCAN中子衍射儀通過中子衍射對運(yùn)行中的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了分析。

該研究結(jié)果發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上，不僅證明了這種獨(dú)特合金的堅(jiān)韌性，而且還證明了使用中子等非破壞性方法分析新材料的價(jià)值。

中子甚至可以穿透致密金屬而深入滲透。當(dāng)中子從物質(zhì)中散射出原子時(shí)，它們?yōu)檠芯咳藛T提供了直至原子尺度的大量結(jié)構(gòu)信息。在這種情況下，科學(xué)家確定了合金在高溫，極端應(yīng)力或張力等工作條件下的性能，甚至可以識別出最小的缺陷。

實(shí)驗(yàn)的成功促使ORNL設(shè)計(jì)了行業(yè)相關(guān)規(guī)模的專用研究引擎，供VULCAN使用。該功能基于兩升四缸汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過修改可在一個(gè)氣缸上運(yùn)行，以節(jié)省光束線上的樣本空間。發(fā)動(dòng)機(jī)平臺可以繞汽缸軸線旋轉(zhuǎn)，以提供最大的測量靈活性。該發(fā)動(dòng)機(jī)是為中子研究量身定制的，包括使用碳氟化合物基冷卻劑和機(jī)油，從而提高了進(jìn)入燃燒室的視野。

該功能將為研究人員提供他們需要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以快速，準(zhǔn)確地審查新材料并改善發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的高保真計(jì)算模型。

ORNL項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Martin Wissink說：“全世界，工業(yè)界，國家實(shí)驗(yàn)室和學(xué)術(shù)界都在研究發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)生的湍流燃燒與固體成分之間的傳熱過程之間的聯(lián)系。” “了解和優(yōu)化該過程對于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率確實(shí)至關(guān)重要。”

他補(bǔ)充說：“但是目前，這些模型大多數(shù)都沒有現(xiàn)場驗(yàn)證數(shù)據(jù)。” “目標(biāo)是完全解決燃燒室中所有金屬零件在整個(gè)區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力，應(yīng)變和溫度。”

ORNL的研究人員Martin Wissink(L)和Ke An(R)與同事合作，在ORNL的Spallation中子源的VULCAN束線中設(shè)計(jì)并測試了正在運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)原型，證明了其無損分析新材料的先進(jìn)能力在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中處于原子級別的車輛。圖片提供：Genevieve Martin / ORNL美國能源部。

該發(fā)動(dòng)機(jī)已按照ORNL規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前正在與西南研究院進(jìn)行最終開發(fā)，并將在DOE的ORNL國家運(yùn)輸研究中心或NTRC進(jìn)行調(diào)試，然后在SNS首次使用，預(yù)計(jì)2021年下半年使用。 NTRC和SNS都是DOE科學(xué)用戶設(shè)施，為世界各地的研究人員提供了現(xiàn)代科學(xué)最先進(jìn)工具的訪問。

SNS的首席科學(xué)家Ke An說，SNS上的VULCAN儀器適合進(jìn)行研究，因?yàn)樗梢匀菁{更大的結(jié)構(gòu)。VULCAN設(shè)計(jì)用于變形，相變，殘余應(yīng)力，織構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)研究。據(jù)安稱，他們正在為中子發(fā)動(dòng)機(jī)的平臺準(zhǔn)備新的排氣系統(tǒng)和其他改造，包括新的發(fā)動(dòng)機(jī)控制界面。

安說：“這將使人們興奮，并在更大的，最先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)上產(chǎn)生結(jié)果。” 中子引擎“將為尋求驗(yàn)證其模型以解決應(yīng)力，應(yīng)變和溫度等問題的用戶提供更多選擇。它顯示了中子對重要制造業(yè)的直接價(jià)值。”

中子發(fā)動(dòng)機(jī)的測量結(jié)果將被輸入到科學(xué)家正在開發(fā)的高性能計(jì)算或HPC模型中，以加速先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)的突破。

研究人員對準(zhǔn)確預(yù)測諸如熱損失，火焰熄滅和噴射到汽缸內(nèi)的燃料的蒸發(fā)等現(xiàn)象感興趣，特別是在冷啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間排放通常最高的情況下。中子發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)有望提供新的理解，以了解金屬發(fā)動(dòng)機(jī)部件的溫度在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)過程中整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)如何變化。

由此產(chǎn)生的高保真模型可以在超級計(jì)算機(jī)上快速運(yùn)行，例如美國最快，最支持AI的計(jì)算機(jī)Summit。Summit是橡樹嶺領(lǐng)導(dǎo)力計(jì)算設(shè)施(也屬于DOE科學(xué)用戶設(shè)施)的一部分，位于ORNL。

Wissink說：“我們正在將這些基礎(chǔ)科學(xué)功能與應(yīng)用結(jié)合起來，并在真實(shí)的工程設(shè)備和系統(tǒng)中進(jìn)行測量。” “以前無法對發(fā)動(dòng)機(jī)部件中的應(yīng)變和溫度進(jìn)行全面測量。將這些數(shù)據(jù)用作HPC模型的驗(yàn)證或邊界條件至關(guān)重要，可以與汽車行業(yè)的研究人員共享這些數(shù)據(jù)。 ”

ORNL建筑物與運(yùn)輸科學(xué)部主任Robert Wagner說，中子引擎在工作中增強(qiáng)了ORNL和其他國家實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有能力，以創(chuàng)建更節(jié)能和超凈的引擎。

瓦格納說：“在中子束線中操作發(fā)動(dòng)機(jī)的能力使我們能夠在現(xiàn)實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)條件下進(jìn)行空前的測量。” 這種功能增加了國家實(shí)驗(yàn)室為提高內(nèi)燃機(jī)效率和排放而提供的一種資源，例如Sandia國家實(shí)驗(yàn)室的光學(xué)引擎研究以及Argonne國家實(shí)驗(yàn)室的Advanced Photon Source。

目前，這些獨(dú)特資源的力量正通過一個(gè)由美國能源部車輛技術(shù)辦公室領(lǐng)導(dǎo)的，由六個(gè)實(shí)驗(yàn)室組成的聯(lián)盟(稱為先進(jìn)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)合作組織)來解決最棘手的問題。

瓦格納說：“使我們在ORNL脫穎而出的是現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)。” “我們將利用世界上最強(qiáng)大的中子源，美國最快的超級計(jì)算機(jī)和世界一流的材料科學(xué)，結(jié)合我們在運(yùn)輸領(lǐng)域的專業(yè)知識，來應(yīng)對更可持續(xù)的能源未來的巨大挑戰(zhàn)。”

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