Двигатель, работающий внутри нейтронного луча — шаг к автомобилям со сверхнизким выбросом

В поисках совершенных автомобилей с более высокой энергоэффективностью и сверхнизким уровнем выбросов исследователи Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL) смогли создать уникальный механизм. Он позволяет ученым по-новому взглянуть на работу двигателей внутреннего сгорания на атомном уровне, причем наблюдения за их работой ведутся в режиме реального времени.

Новое изобретение — это двигатель, работающий внутри нейтронного луча. С его помощью можно изучать изменения в структуре новых сплавов, которые созданы для высокотемпературной среды усовершенствованного двигателя внутреннего сгорания.

Впервые ORNL создали прототип нового двигателя еще в 2017 году. Тогда небольшой двигатель с головкой блока цилиндров, отлитой из нового высокотемпературного алюминиево-цериевого сплава (собственной разработки лаборатории), успешно прошел испытания. Это был первый в мире эксперимент, в котором работающий двигатель проанализировали методом нейтронной дифракции с использованием нейтронного анализатора VULCAN.

Тогда ученые доказали не только стойкость уникального сплава — им удалось продемонстрировать важность анализа новых материалов неразрушающими методами, такими как нейтроны.

Дело в том, что нейтроны проникают даже сквозь плотные металлы. Когда нейтроны разлетаются от атомов в материале, они предоставляют исследователям огромное количество важной информации, причем даже в атомном масштабе. В конкретном случае ученые определили, как новые сплавы работают при высокой температуре и экстремальных напряжениях или растяжениях. А это позволяет выявить даже самые мелкие дефекты материала.

Успех этого эксперимента побудил специалистов ORNL разработать специальный исследовательский механизм в соответствующем для отрасли масштабе, чтобы использовать его с VULCAN. Он основан на 2-литровом четырехцилиндровом автомобильном двигателе, оптимизированном для работы с одним цилиндром. Платформа двигателя может вращаться вокруг оси цилиндра, поэтому ученые получают максимальную гибкость измерения. Также в разработке используются охлаждающая жидкость и масло на основе фторуглерода, а это улучшает обзор камеры сгорания.

Сейчас новый двигатель находится на доработке и будет введен в эксплуатацию к концу 2021 года.

Раньше было невозможно полное измерение деформаций и температур компонентов двигателя. Новый нейтронно-электронный двигатель позволяет в точности прогнозировать потери тепла, гашение пламени и испарение топлива, впрыскиваемого в цилиндр, особенно во время работы двигателя с холодным запуском, когда выбросы самые высокие. Также разработчики говорят, что смогут лучше понять механизм изменения температуры металлических компонентов двигателя на протяжении цикла его работы.

Полученные результаты можно будет быстро запустить на суперкомпьютерах, таких как Summit, расположенный в ORNL, для компьютерного моделирования. Этими данными уже можно будет делиться с исследователями в автомобильной промышленности, которые занимаются созданием более энергоэффективных и сверхчистых двигателей.