中性发动机：新的发动机能力加速了先进的车辆研究

橡木岭国家实验室正在设计中子研究发动机，以评估使用OrnL的介质中子源的设施的先进车辆的新材料和设计。

在寻求高能源效率和超低排放的先进车辆中，橡树岭国家实验室研究人员正在加速一项研究引擎，使科学家和工程师在实时燃烧发动机的原子级运作内部前所未有的观点。

新功能是一款专为在中子梁线内部运行而构建的发动机。该中型发动机提供独特的样品环境，允许调查在高温环境中设计的新合金中的结构变化，在现实条件下运行的高温燃烧发动机。

ORNL首先揭开了2017年的能力，当研究人员成功评估了一个小型原型发动机，采用汽缸盖，从实验室创造的新型高温铝 - 铈合金铸造。实验是世界上第一个通过中子衍射分析运行发动机，在能量介绍中子源或SNS，在ORN1处使用vulcan中子衍射仪。

研究结果，发表了国家科学院的诉讼程序，不仅证明了独特合金的耐用性，而且还证明了使用非破坏性方法等中子来分析新材料的价值。

ORNL研究人员Martin Wissink（L）和Ke An An（R）与同事合作，在ORNL的介绍中子源在散尔科梁线上设计和测试运行的燃烧引擎原型，证明了一种新的，无损性能力分析先进的材料在现实环境中原子水平的车辆。

即使通过致密的金属，中子也深入渗透。当中子在材料中散射出原子时，他们为研究人员提供了大量的结构信息，向原子量表。在这种情况下，科学家确定了合金如何在高热和极度应力或张力等操作条件下进行，以确定即使是最小的缺陷。

实验的成功促使Ornl在适用于瓦尔卡的行业相关规模设计一个专门建造的研究发动机。该能力基于两升四缸汽车发动机，修改为在一个气缸上操作以节省梁线上的样本空间。发动机平台可以围绕气缸轴旋转，以提供最大的测量柔性。该发动机是针对中子研究设计的定制，包括使用氟碳基冷却剂和油，从而改善了燃烧室的可见性。

该能力将为研究人员提供实验结果，他们需要快速准确地锻造新材料，并改善发动机设计的高保真计算模型。

“在世界各地，行业，国家实验室和学术界正在从发动机发生的湍流燃烧之间看界面，以及通过固体部件发生的传热过程，”奥诺尔队的项目领先地区，“马丁Wissink说”。“了解和优化该过程是提高发动机热效率的关键。”

“但目前，大多数这些模型几乎没有原位验证数据，”他补充道。“目的是在燃烧室中所有金属部件上完全解决整个域中的应力，应变和温度。”

该发动机已经设计为ORNL规范，目前正在与西南研究所接受最终发展，并将在DOE的国家运输研究中心或NTRC委托，然后在SNS的首次使用之前，预计将于2021年底预计。NTRC和SNS都是DOE科学用户的设施，提供对世界各地研究人员的最先进的现代科学工具。

仪器领导科学家称，SNS的Vulcan仪器是研究的理想选择，因为它适用于较大的结构。Vulcan专为变形，相变，残余应力，质地和微观结构研究而设计。根据AN，它们正在为中子发动机提供新的排气系统和其他改造，包括用于发动机的新控制界面。

“这是让人们兴奋，在较大的最先进的发动机上产生结果的原因是什么”。中子发动机“将为寻求验证其模型来解决压力，应变和温度等问题的用户提供更多选项。它显示了中子对重要制造业的直接价值。“

中子发动机的测量将被送入高性能计算或HPC，由科学家开发的模型，以便为先进的燃烧发动机进行突破。

研究人员有兴趣创建对诸如热损失的现象，火焰淬火和喷射到气缸中的燃料的蒸发的准确预测，特别是在排放通常最高的冷启动发动机操作期间。期望来自中气发动机的数据，为在发动机循环过程中，对金属发动机部件的温度变化的温度如何变化的新了解。

由此产生的高保真型号可以在超级计算机上迅速运行，例如峰会，全国最快，最可爱的计算机。Summit在Ornl的奥克尔作为橡木岭领导计算设施的一部分，也是一款DOE科学用户设施。

“我们正在将这些基本科学能力拓展到应用程序和在实际工程设备和系统中进行测量，”Wissink表示。“发动机部件中的菌株和温度的完全测量是之前不可能的。使这些数据具有重要的是验证或作为可以与汽车行业中的研究人员共享的HPC模型的边界条件。“

Robert Wagner表示，中微调发动机在ORNL和其他国家实验室的工作中的现有能力在ORNL和其他国家实验室中创造了更多节能和超清洁的发动机。

“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前所未有的测量，”Wagner表示。这种能力增加了国家实验室提出了燃烧发动机的效率和排放的一类资源，例如桑迪亚国家实验室的光学发动机研究以及阿尔冈国家实验室的先进光子来源。

这些独特资源的力量目前正在对齐，以解决最具挑战性问题，通过六个实验室联盟，称为合作伙伴关系，以推出燃烧发动机，从DOE车辆技术办公室出发。

“在Ornl的情况下，我们分开的是什么是科学组合，”Wagner说。“我们正在利用世界上最强大的中子来源，全国最快的超级计算机，以及世界级材料科学，与我们在交通的专业知识中，以迎接更可持续的能源未来的大挑战。”

参考：Nutron L. Wissink，严辰，Matthew J. Frost，Scott J. Curran，奥兰多里奥斯，Zachary C. Sims，David Weiss，Eric T. Strime和Eric T. Stromme和Ke Ans ，12月21日2020年12月，国家科学院的诉讼程序.doi：
10.1073 / pnas.2012960117

中性发动机研究主要由DOE的能效和可再生能源（EERE）车辆技术办公室支持。Doe的科学办公室支持对SNS的访问权限。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的先进制造办公室提供支持，以及ECK Industries，帮助开发和测试合金并获得了材料。