ORNL团队在运行中的发动机上进行了首次中子衍射实验

橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员已使用中子衍射技术对射击发动机部件内部的晶格应变进行了非侵入式测量,从而可以对整个固体材料的复杂载荷状态和热梯度进行操作研究。他们的研究结果发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的开放获取论文中。

ORNL团队在运行中的发动机上进行了首次中子衍射实验

实验细节。(A)风冷式单缸发动机的剖视图,在缸盖和缸体中突出显示了标称体积的代表性位置。(B)安装在VULCAN光束线上的带有仪表的改装发动机的图片。(C)实验配置图(俯视图),显示了沿着45°平面平分入射光束并安装的检测器(B1和B2),其标称体积位于气缸盖中。相机沿正交45°平面放置。

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。

发电机组发动机是196cc本田GX200,其净功率和扭矩分别为4.1 kW和12.4 N·m。团队基于以下几点选择了该平台:

  1. 实验装置允许运行中的发动机独立运行;
  2. 紧凑的整体尺寸适合VULCAN的空间限制;
  3. 集成的发电机消除了使用独立的测力计来承受来自发动机的负载的需要。
  4. 发动机是空气冷却的,因此不会因氢冷却剂而受到强烈的中子衰减的困扰。
  5. 推杆双气门布局使汽缸盖中的钢制部件数量降到最低,因为这些部件可以减弱来自测量体积的散射中子。
  6. 润滑系统的设计相对简单,没有沿发动机顶部或前部的任何机油通道,可以减弱入射或散射中子
  7. 电启动器允许发动机远程启动。

此外,散热片的几何复杂性和零件的内部几何形状使其成为ORNL和Eck Industries共同开发的铝铈(AlCe)合金可铸性的良好测试平台。

ORNL团队在运行中的发动机上进行了首次中子衍射实验

OEM生产的铸造气缸盖(左)与3D打印模具生产的AlCe气缸盖(右)相邻。气缸盖硬件(包括安装螺柱,阀门和火花塞)已从OEM气缸盖转移到AlCe气缸盖。

用来生产头部的AlCe合金是通过关键材料研究所的一个项目开发出来的,并被定位为高温应用,而铝合金长期以来一直难以找到应用的地方。

研究结果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。

“中子发动机。” 实验的成功促使ORNL设计了一款工业相关规模的专用研究发动机,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。

发动机平台可以围绕气缸轴线旋转,以提供最大的测量灵活性。该发动机是为中子研究定制设计的,包括使用氟碳基冷却剂和机油,从而提高了燃烧室的可见度。

ORNL团队在运行中的发动机上进行了首次中子衍射实验

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。

发动机的测量值将被输入到科学家正在开发的高性能计算模型中,以加速先进内燃机的突破。

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的工具。

研究人员对创建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,因为这时的排放往往是最高的。发动机的数据有望提供新的了解,在整个发动机循环过程中,金属发动机部件的温度在整个发动机中如何变化。获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

由此产生的高保真模型可以在Summit等超级计算机上快速运行,Summit是全美速度最快、AI能力最强的计算机。Summit位于ORNL,是橡树岭领导计算设施的一部分,也是能源部的科学用户设施。

这种能力增加了国家实验室为提高内燃机的效率和排放所带来的独一无二的资源,例如桑迪亚国家实验室的光学引擎研究和阿贡国家实验室的先进光子源。

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)解决最棘手的问题。

中子发动机研究主要由DOE的能源效率和可再生能源办公室(EERE)车辆技术办公室支持。SNS的访问得到了DOE科学办公室的支持。对铝铈合金的研究由DOE的关键材料研究所赞助,该研究所由DOE EERE的先进制造办公室支持,同时还有Eck工业公司,该公司帮助开发和测试该合金,并已授权使用该材料。

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