橡树岭国家实验室（ORNL）正利用ORNL（橡树岭国家实验室）中的散裂中子源设备研究设计一种中子研究引擎，以评估用于先进车辆的新材料和设计。来源：Jill Hemman/ORNL，美国能源部和西南研究所
面对更高能效和超低排放的尖端车辆的需求，橡树岭国家实验室的研究人员正加速一种引擎的研发，这种引擎能给予科学家和工程师一种前所未有的视角，使他们能够实时了解内燃机内部原子级别的运转。
新技术是一个为能在中子束内部运行而特别制造的引擎。这种中子引擎能提供一种独特的样本环境，能研究为高温环境，以及尖端内燃机实际运转的情况而设计的新合金的结构变化。
ORNL于2017年首次公布了该技术，当时研究人员成功评估了一台小引擎样机，该发动机气缸盖由实验室制造的新型高温铝铈合金铸造而成。该实验是全球首例用VULCAN中子衍射仪对运转引擎进行中子衍射分析的实验，该实验在ORNL使用了能源部的散裂中子源（SNS）。
发表于《美国科学院院刊》的研究结果不仅证明了这种独特合金的坚韧程度，还说明了使用比如中子等非破坏性方法分析新材料的价值。
中子穿透性强，甚至能穿透致密的金属。当中子将材料中的原子散射出去时，它们能为研究人员提供直至原子尺度的许多结构信息。这样，科学家就能确定这种合金在如高温、极端应力或张力的工作条件下的性能，甚至识别出最小的瑕疵。
该实验的成功促使ORNL设计了一个工业相关规模的专用研究引擎，在VULCAN中使用。该技术基于一个两升四缸的汽车发动机，经过修改由一个气缸运行，以便在射线下节省空间。引擎平台能围绕气缸的中轴转动，以达到最大测试灵活性。这个引擎是为中子研究量身定制的，包括为优化燃烧室中的可视性而使用的基于碳氟化合物的冷却剂和机油。
这种技术将为研究人员带来他们所需的实验结果，以快速准确地审查新材料，并优化发动机设计的高保真计算模型。
“在世界各地，工业界、国家实验室和学术界都在寻找在引擎内部发生的湍流燃烧和在固体部件中发生的热交换之间的联系，”ORNL中该项目的负责人Martin Wissink说，“理解和优化这个过程是提高引擎热效率的关键。”
“但是目前，大多数的模型几乎没有现场的验证数据。”他补充道，“目标就在于完全解出在整个区域内的应力、应变和温度，包括燃烧室内所有的金属部件。”
“但目前，大多数模型都几乎没有现场验证数据。”他补充道，其目的是完全解决燃烧室中所有金属部件整个区域的应力、应变和温度。”
ORNL的研究人员Martin Wissink（左）和KeAn（右）与同事们合作，在ORNL的散裂中子源（SNS）的VULCAN中子衍射仪中设计并测试一台运转的引擎，他们提供了一种在现实环境中，从原子水平上分析车辆材料的非破坏性技术。图片来源：Genevieve Martin/ORNL美国能源部
该引擎按照ORNL的规格设计，现在正与西南研究院进行最终开发，预计在2021年底SNS首次使用前，将在ORNL的能源部的国家运输研究中心（NTRC）投入使用。NTRS和SNS都是美国国家能源部的科学设施，为来自世界各地的研究人员提供最先进的现代科学工具。
该设备的首席科学家Ke An说，在SNS的VULCAN设备对实验来说非常理想，因为它能容纳更大的结构。VULCAN为分析研究形变、物态转化、残余应力、织构和微观研究设计。据An所说，他们正在为中子引擎平台准备一个新的排气系统和其他改装，包括一个新的引擎控制交互界面。
“这就是让人们兴奋的地方，在更大、更先进的引擎上产生结果。”An说，这个中子引擎“将为想解决应力、应变及温度问题以验证模型的使用者提供更多选项。它显示了中子对一个重要制造业领域的直接价值”。
中子引擎进行的测试结果将反馈给高性能计算（HPC），这是科学家为加速尖端内燃机技术突破而设计的模型。
研究人员还对精准预测一些现象感兴趣，比如说热量散失、熄火还有汽缸内燃料蒸发的现象，特别是在发动机冷启动时，此时排放通常是最高的。我们期待来自中子引擎的数据能为整个引擎中金属部件的温度在引擎循环过程中如何变化带来新的理解。
得到的高保真模型能在超级计算机比如Summit上快速运行。Summit是美国最快、最支持AI的计算机，位于ORNL，是橡树岭领导计算设施的一部分，也属于能源部科学研究设施。
“我们正把基础科学技术和应用联系起来，并对实际工程部件和系统进行测量，”Wissink说，“对引擎部件的应变和温度全面的测量在过去是不可能实现的。将这些数据作为HPC模型的验证或边界条件，以便与汽车行业的研究人员共享，这一点至关重要。”
图片来源：pixabay
ORNL建筑与运输科学部主任Robert Wagner说，中子引擎为ORNL和其他国家实验室开发制造能效更高且超净的引擎工作提高了现有的技术能力。
“能在中子射线下操作引擎让我们能在其实际工作环境下进行前所未有的测量。”Wagner说。该项技术能力为国家实验室为提高内燃机效率和排放量带来了独一无二的资源，比如说在桑迪亚国家实验室的光学引擎研究，还有位于阿贡国家实验室的先进光子源。
这些独特资源力量现正被联合起来，通过由能源部车辆技术办公室领导的一个名为“推进内燃机合作”的六个实验室联盟，解决最具挑战性的问题。
“在ORNL，我们与众不同的地方在于配有的科学资源集合，”Wagner说，“我们能使用世界上最强大的中子源、美国最快的超级计算机，我们还有世界级的材料科学，加上交通领域的专业知识，以接受挑战，创造能源更加可持续的未来。”
翻译：王嘉钰
审校：汪茹
引进来源：橡树岭国家实验室
本文来自：中国数字科技馆
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