據(jù)外媒報(bào)道，為了開發(fā)具有更高能效和超低排放的先進(jìn)車輛，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory)的研究人員正在加速研制一種研究用發(fā)動(dòng)機(jī)，以前所未有的視角實(shí)時(shí)了解內(nèi)燃機(jī)的原子層面工作原理。

這種發(fā)動(dòng)機(jī)專為在中子束線內(nèi)運(yùn)行而構(gòu)建，可以提供獨(dú)特的樣品環(huán)境，以研究新合金的結(jié)構(gòu)變化。這些合金針對(duì)先進(jìn)高溫內(nèi)燃機(jī)的真實(shí)運(yùn)行環(huán)境而設(shè)計(jì)。

2017年，ORNL于首推此類設(shè)施。當(dāng)時(shí)研究人員成功評(píng)測(cè)一款小型原型發(fā)動(dòng)機(jī)，其氣缸蓋由該實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種新高溫鋁鈰合金鑄造而成。這是全球首次使用美國(guó)能源部散裂中子源(SNS，位于ORNL)的VULCAN 中子衍射儀，對(duì)運(yùn)行中的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行中子衍射分析。此項(xiàng)研究不僅證明此類獨(dú)特合金的硬度，而且表明使用中子等非破壞性方法分析新材料具有價(jià)值。

當(dāng)中子散布在原子中時(shí)，研究人員可以獲得豐富的原子層面結(jié)構(gòu)信息，因?yàn)橹凶由踔聊軌虼┩钢旅艿慕饘?。在這種情況下，科學(xué)家們確定了合金在諸如高溫和極端應(yīng)力或張力等運(yùn)行條件下的表現(xiàn)，以識(shí)別甚至最細(xì)微的缺陷。

在此基礎(chǔ)上，ORNL專門設(shè)計(jì)了一種研究發(fā)動(dòng)機(jī)，用于VULCAN。該設(shè)施基于一臺(tái)兩升四缸的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過改進(jìn)后可以單缸運(yùn)行，以節(jié)省光束線樣本空間。該發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)可以圍繞汽缸軸旋轉(zhuǎn)，以提供最大的測(cè)量靈活性。該發(fā)動(dòng)機(jī)針對(duì)中子研究而設(shè)計(jì)，包括使用基于氟碳化合物的冷卻劑和機(jī)油，以提高燃燒室的能見度。

該設(shè)施可以為研究人員提供所需要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以快速準(zhǔn)確地檢測(cè)新材料，并改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的高保真計(jì)算模型。該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Martin Wissink表示：“研究人員關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)生的湍流燃燒和通過固體成分進(jìn)行的傳熱過程之間的相互作用。了解和優(yōu)化這一過程，是提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的關(guān)鍵。目前這些模型大多沒有現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證數(shù)據(jù)。我們的目標(biāo)是完全解決燃燒室中所有金屬部件在整個(gè)區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度問題。”

該發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)按照ORNL規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前正由西南研究院進(jìn)行最終研發(fā)，并將在能源部的國(guó)家交通研究中心(NTRC，位于ORNL)進(jìn)行調(diào)試，然后在SNS首次使用，預(yù)計(jì)將于2021下半年投入使用。主要研究人員Ke An表示，SNS的VULCAN儀器可以容納更大的結(jié)構(gòu)，因此是理想的研究設(shè)備。VULCAN設(shè)計(jì)針對(duì)變形、相變、殘余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)研究。研究人員正在為中子發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)準(zhǔn)備新的排氣系統(tǒng)和其他改裝設(shè)施，包括發(fā)動(dòng)機(jī)新控制界面。

科學(xué)家將把來自中子發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)量結(jié)果，輸入正在開發(fā)的高性能計(jì)算模型中，以加快高級(jí)內(nèi)燃機(jī)突破。研究人員希望，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熱損失、火焰淬熄和噴射到氣缸中的燃料蒸發(fā)等現(xiàn)象，尤其是在通常排放量最高的冷啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間。預(yù)計(jì)通過中子發(fā)動(dòng)機(jī)提供的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步了解在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)過程中，金屬發(fā)動(dòng)機(jī)部件的溫度在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)中是如何變化的。所產(chǎn)生的高保真模型可以在超級(jí)計(jì)算機(jī)上快速運(yùn)行，比如美國(guó)速度最快、人工智能能力最強(qiáng)的Summit計(jì)算機(jī)。

Wissink表示：“我們將把這些基礎(chǔ)科學(xué)設(shè)施與應(yīng)用結(jié)合起來，并在實(shí)際工程設(shè)備和系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)量。全面測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)部件中的應(yīng)變和溫度，這在以前是不可能實(shí)現(xiàn)的。將這些數(shù)據(jù)作為HPC模型的驗(yàn)證或邊界條件，與汽車行業(yè)的研究人員共享，這一點(diǎn)具有重要意義。”

ORNL建筑和運(yùn)輸科學(xué)部負(fù)責(zé)人Robert Wagner表示，這種中子發(fā)動(dòng)機(jī)有助于制造更節(jié)能、超清潔的發(fā)動(dòng)機(jī)。