Neutronischer Motor: Neue Motorfähigkeit beschleunigt die Forschung an modernen Fahrzeugen

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Auf der Suche nach fortschrittlichen Fahrzeugen mit höherer Energieeffizienz und ultraniedrigen Emissionen beschleunigen Forscher des Oak Ridge National Laboratory einen Forschungsmotor, der Wissenschaftlern und Ingenieuren einen noch nie dagewesenen Einblick in die Funktionsweise von Verbrennungsmotoren auf atomarer Ebene in Echtzeit ermöglicht.
Die neue Fähigkeit ist ein Motor, der speziell für den Betrieb in einer Neutronenstrahlanlage gebaut wurde.

Dieser neutronische Motor bietet eine einzigartige Probenumgebung, die es ermöglicht, strukturelle Veränderungen in neuen Legierungen zu untersuchen, die für die Umgebung eines modernen Hochtemperatur-Verbrennungsmotors unter realistischen Bedingungen entwickelt wurden.
Das ORNL hat diese Möglichkeit erstmals im Jahr 2017 vorgestellt, als Forscher erfolgreich einen kleinen Prototyp-Motor mit einem Zylinderkopf aus einer neuen Hochtemperatur-Aluminium-Cerium-Legierung, die im Labor entwickelt wurde, evaluierten.

Das Experiment war das weltweit erste, bei dem ein laufender Motor mit dem Neutronendiffraktometer VULCAN an der Spallationsneutronenquelle (SNS) des Energieministeriums am ORNL mittels Neutronenbeugung analysiert wurde.

Die Forschungsergebnisse, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurden, bewiesen nicht nur die Widerstandsfähigkeit der einzigartigen Legierung, sondern demonstrierten auch den Wert der Verwendung von zerstörungsfreien Methoden wie Neutronen zur Analyse neuer Materialien.

Neutronen sind selbst durch dichte Metalle hindurch tief eindringend.

Wenn Neutronen an den Atomen eines Materials streuen, liefern sie den Forschern eine Fülle von Strukturinformationen bis hinunter auf die atomare Ebene.

In diesem Fall ermittelten die Wissenschaftler, wie sich die Legierungen unter Betriebsbedingungen wie hoher Hitze und extremer Belastung oder Spannung verhalten, um selbst kleinste Defekte zu identifizieren.
Der Erfolg des Experiments hat das ORNL dazu veranlasst, für den Einsatz in VULCAN einen speziellen Forschungsmotor im industrierelevanten Maßstab zu entwickeln.

Die Fähigkeit basiert auf einem Zwei-Liter-Vier-Zylinder-Automotor, der so modifiziert wurde, dass er mit nur einem Zylinder arbeitet, um den Probenraum auf der Beamline zu schonen.

Die Motorplattform kann um die Zylinderachse gedreht werden, um maximale Messflexibilität zu gewährleisten.

Der Motor ist speziell für die Neutronenforschung ausgelegt, einschließlich der Verwendung von Kühlmittel und Öl auf Fluorkohlenstoffbasis, was die Sicht in die Brennkammer verbessert.
Die Anlage wird den Forschern die experimentellen Ergebnisse liefern, die sie benötigen, um schnell und genau neue Materialien zu testen und die High-Fidelity-Rechenmodelle von Motorenkonstruktionen zu verbessern.
“Auf der ganzen Welt beschäftigen sich Industrie, nationale Labore und Hochschulen mit der Schnittstelle zwischen der turbulenten Verbrennung im Motor und dem Wärmeübertragungsprozess durch die festen Komponenten”, sagte Martin Wissink, Leiter des Projekts am ORNL. “Diesen Prozess zu verstehen und zu optimieren ist der Schlüssel zur Verbesserung der thermischen Effizienz von Motoren.”
“Aber derzeit haben die meisten dieser Modelle fast keine in-situ-Validierungsdaten”, fügte er hinzu. “Das Ziel ist es, Spannung, Dehnung und Temperatur im gesamten Bereich über alle Metallteile im Brennraum vollständig aufzulösen.”
Der Motor wurde nach den Vorgaben des ORNL entworfen und wird derzeit gemeinsam mit dem Southwest Research Institute weiterentwickelt. Er wird im National Transportation Research Center (NTRC) des DOE am ORNL in Betrieb genommen, bevor er bei der SNS zum ersten Mal zum Einsatz kommt, was für Ende 2021 erwartet wird.

Sowohl das NTRC als auch die SNS sind wissenschaftliche Nutzereinrichtungen des DOE, die Forschern auf der ganzen Welt Zugang zu den modernsten Werkzeugen der modernen Wissenschaft bieten.
Das VULCAN-Instrument an der SNS ist ideal für die Forschung, da es größere Strukturen aufnehmen kann, sagte Ke An, leitender Wissenschaftler für das Instrument. VULCAN ist für die Untersuchung von Verformung, Phasenumwandlung, Eigenspannung, Textur und Mikrostruktur ausgelegt.

Laut An bereiten sie die Plattform mit einem neuen Abgassystem und anderen Nachrüstungen, einschließlich einer neuen Steuerungsschnittstelle für das Triebwerk, auf die Neutronik vor.
“Das ist es, was die Leute begeistern wird, Ergebnisse an einem größeren, hochmodernen Motor zu produzieren”, sagte An.

Der neutronische Motor “wird den Anwendern, die ihre Modelle validieren wollen, noch mehr Möglichkeiten bieten, um Fragen wie Spannung, Dehnung und Temperatur zu klären.

Es zeigt den direkten Wert von Neutronen für einen wichtigen Fertigungssektor.”
Die Messungen aus dem neutronischen Motor werden in High-Performance-Computing- oder HPC-Modelle eingespeist, die von Wissenschaftlern entwickelt werden, um Durchbrüche für fortschrittliche Verbrennungsmotoren zu beschleunigen.
Die Forscher sind daran interessiert, genaue Vorhersagen über Phänomene wie Wärmeverluste, Flammenlöschung und Verdampfung des in den Zylinder eingespritzten Kraftstoffs zu erstellen, insbesondere beim Kaltstart des Motors, wenn die Emissionen oft am höchsten sind.

Es wird erwartet, dass die Daten des neutronischen Motors neue Erkenntnisse darüber liefern, wie sich die Temperatur der metallischen Motorkomponenten im Laufe des Motorzyklus im gesamten Motor verändert.
Die daraus resultierenden High-Fidelity-Modelle können schnell auf Supercomputern wie dem Summit, dem schnellsten und KI-fähigsten Computer der Nation, ausgeführt werden. Summit befindet sich im ORNL als Teil des

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