Nieuwe motorcapaciteiten versnellen geavanceerd voertuigonderzoek

In de zoektocht naar geavanceerde voertuigen met een hogere energie-efficiëntie en ultralage emissies, versnellen onderzoekers van Oak Ridge National Laboratory een onderzoeksmotor die wetenschappers en ingenieurs een ongekend inzicht geeft in de werking van verbrandingsmotoren op atomair niveau in realtime.

De nieuwe mogelijkheid is een motor die speciaal is gebouwd om binnen een neutronenbundellijn te werken. Deze neutronische motor biedt een unieke monsteromgeving die onderzoek mogelijk maakt naar structurele veranderingen in nieuwe legeringen die zijn ontworpen voor de omgeving van een geavanceerde verbrandingsmotor op hoge temperatuur die in realistische omstandigheden werkt.

ORNL onthulde de mogelijkheid voor het eerst in 2017, toen onderzoekers met succes een kleine prototypemotor evalueerden met een cilinderkop die was gegoten uit een nieuwe aluminium-ceriumlegering op hoge temperatuur die in het laboratorium was gemaakt. Het experiment was ’s werelds eerste waarin een draaiende motor werd geanalyseerd door neutronendiffractie, met behulp van de VULCAN-neutronendiffractometer van de Spallation Neutron Source van het Department of Energy, of SNS, bij ORNL.

De resultaten van het onderzoek, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences, bewezen niet alleen de hardheid van de unieke legering, maar toonde ook de waarde aan van het gebruik van niet-destructieve methoden zoals neutronen om nieuwe materialen te analyseren.

Neutronen dringen diep door, zelfs door dichte metalen. Wanneer neutronen atomen in een materiaal verstrooien, bieden ze onderzoekers een schat aan structurele informatie tot op atomaire schaal. In dit geval hebben wetenschappers bepaald hoe de legeringen presteren in bedrijfsomstandigheden zoals hoge hitte en extreme spanning of spanning om zelfs de kleinste defecten te identificeren.

Het succes van het experiment heeft ORNL ertoe aangezet om een ​​speciaal gebouwde onderzoeksmotor op voor de industrie relevante schaal te ontwerpen voor gebruik in VULCAN. De capaciteit is gebaseerd op een twee liter viercilinder automotor, aangepast om op één cilinder te werken om monsterruimte op de bundellijn te besparen. Het motorplatform kan rond de cilinderas worden gedraaid voor maximale flexibiliteit bij het meten. De motor is speciaal ontworpen voor neutronenonderzoek, inclusief het gebruik van koelvloeistof en olie op basis van fluorkoolstof, waardoor het zicht in de verbrandingskamer wordt verbeterd.

De mogelijkheid zal onderzoekers voorzien van de experimentele resultaten die ze nodig hebben om snel en nauwkeurig nieuwe materialen te onderzoeken en high-fidelity computationele modellen van motorontwerpen te verbeteren.

“Over de hele wereld kijken de industrie, nationale laboratoria en de academische wereld naar het raakvlak tussen turbulente verbranding in de motor en het warmteoverdrachtsproces dat plaatsvindt via de vaste componenten”, zegt Martin Wissink, projectleider bij ORNL. “Het begrijpen en optimaliseren van dat proces is echt de sleutel tot het verbeteren van de thermische efficiëntie van motoren.”

“Maar momenteel hebben de meeste van deze modellen bijna geen in situ validatiegegevens”, voegde hij eraan toe. “Het doel is om stress, rek en temperatuur in het hele domein over alle metalen onderdelen in de verbrandingskamer volledig op te lossen.”

De motor is ontworpen volgens de specificaties van ORNL en ondergaat momenteel de laatste ontwikkeling met het Southwest Research Institute, en zal in gebruik worden genomen bij DOE’s National Transportation Research Center of NTRC bij ORNL voordat hij voor het eerst wordt gebruikt bij SNS, wat naar verwachting eind 2021 wordt verwacht. Zowel de NTRC als de SNS zijn DOE-wetenschappelijke gebruikersfaciliteiten, die onderzoekers over de hele wereld toegang bieden tot de meest geavanceerde tools van de moderne wetenschap.

Het VULCAN-instrument bij de SNS is ideaal voor het onderzoek, omdat het grotere structuren herbergt, zei Ke An, hoofdwetenschapper van het instrument. VULCAN is ontworpen voor deformatie, fasetransformatie, restspanning, textuur en microstructuurstudies. Volgens An bereiden ze het platform voor op de neutronische motor met een nieuw uitlaatsysteem en andere retrofits, waaronder een nieuwe besturingsinterface voor de motor.

“Dit is wat mensen enthousiast zal maken en resultaten zal opleveren op een grotere, ultramoderne motor”, zei An. De neutronische motor “zal nog meer opties bieden aan gebruikers die hun modellen willen valideren om problemen als spanning, spanning en temperatuur op te lossen. Het toont de directe waarde van neutronen voor een belangrijke productiesector.”

Metingen van de neutronische motor zullen worden ingevoerd in high-performance computing- of HPC-modellen die door wetenschappers worden ontwikkeld om doorbraken voor geavanceerde verbrandingsmotoren te versnellen.

Onderzoekers zijn geïnteresseerd in het maken van nauwkeurige voorspellingen van verschijnselen zoals warmteverliezen, vlamdoving en verdamping van brandstof die in de cilinder wordt geïnjecteerd, vooral tijdens koudstartmotoren, wanneer de emissies vaak het hoogst zijn. De gegevens van de neutronische motor zullen naar verwachting een nieuw begrip opleveren van hoe de temperatuur van metalen motoronderdelen verandert door de motor in de loop van de motorcyclus.

De resulterende high-fidelity-modellen kunnen snel worden uitgevoerd op supercomputers zoals Summit, de snelste en meest AI-compatibele computer van het land. Summit is gehuisvest bij ORNL als onderdeel van de Oak Ridge Leadership Computing Facility, ook een DOE wetenschappelijke gebruikersfaciliteit.

“We verbinden deze fundamentele wetenschappelijke capaciteiten met toepassingen en doen metingen in echte technische apparaten en systemen”, zei Wissink. “Het volledig meten van spanningen en temperaturen in motorcomponenten was iets dat eerder niet mogelijk was. Het is cruciaal om deze gegevens te hebben als validatie of als randvoorwaarde voor de HPC-modellen die kunnen worden gedeeld met onderzoekers in de auto-industrie. “

De neutronische motor vergroot de bestaande mogelijkheden bij ORNL en andere nationale laboratoria om meer energie-efficiënte en ultraschone motoren te maken, aldus Robert Wagner, directeur van ORNL’s Building and Transportation Science Division.

“De mogelijkheid om een ​​motor in de neutronenbundellijnen te laten werken, stelt ons in staat om ongekende metingen te doen onder realistische motoromstandigheden”, zei Wagner. Deze mogelijkheid draagt ​​bij aan de unieke middelen die de nationale laboratoria inbrengen om de efficiëntie en emissies van verbrandingsmotoren te bevorderen, zoals het optische motoronderzoek bij Sandia National Laboratories en met de Advanced Photon Source bij Argonne National Laboratory.

De kracht van deze unieke middelen wordt momenteel afgestemd om de meest uitdagende problemen op te lossen via een consortium van zes laboratoria genaamd Partnership to Advance Combustion Engines, geleid vanuit het DOE Vehicle Technologies Office.

“Wat ons hier bij ORNL onderscheidt, is de beschikbare wetenschappelijke portefeuille”, zei Wagner. “We maken gebruik van ’s werelds krachtigste neutronenbron, de snelste supercomputer van het land en materiaalwetenschap van wereldklasse in coördinatie met onze expertise in transport om de grote uitdagingen van een duurzamere energietoekomst aan te gaan.”