Subscribe Us

TECNOLOGÍA. Motor neutrónico: la nueva capacidad del motor acelera la investigación avanzada de vehículos

 

El Laboratorio Nacional de Oak Ridge está diseñando un motor de investigación neutrónica para evaluar nuevos materiales y diseños para vehículos avanzados que utilizan las instalaciones de la fuente de neutrones de espalación en ORNL. Fuente: Jill Hemman / ORNL, Departamento de Energía de EE.UU. y Southwest Research Institute

En la búsqueda de vehículos avanzados con mayor eficiencia energética y emisiones ultrabajas, los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge están acelerando un motor de investigación que brinda a los científicos e ingenieros una vista sin precedentes del funcionamiento a nivel atómico de los motores de combustión en tiempo real.

La nueva capacidad es un motor construido específicamente para funcionar dentro de una línea de haz de neutrones. Este motor neutrónico proporciona un entorno de muestra único que permite la investigación de cambios estructurales en nuevas aleaciones diseñadas para el entorno de un motor de combustión avanzado de alta temperatura que funciona en condiciones realistas.

ORNL dio a conocer la capacidad por primera vez en 2017, cuando los investigadores evaluaron con éxito un pequeño motor prototipo con una culata fundida a partir de una nueva aleación de aluminio y cerio de alta temperatura creada en el laboratorio. El experimento fue el primero del mundo en el que se analizó un motor en funcionamiento mediante difracción de neutrones, utilizando el difractómetro de neutrones VULCAN en la Fuente de Neutrones de Espalación del Departamento de Energía, o SNS, en ORNL.

Los resultados de la investigación, publicados en  Proceedings of the National Academy of Sciences , no solo demostraron la resistencia de la aleación única, sino que también demostraron el valor de utilizar métodos no destructivos como los neutrones para analizar nuevos materiales.

Los investigadores de ORNL, Martin Wissink (L) y Ke An (R), trabajaron con colegas para diseñar y probar un prototipo de motor de combustión en funcionamiento en la línea de luz VULCAN en la fuente de neutrones de espalación en ORNL, demostrando una nueva capacidad no destructiva para analizar materiales para vehículos a nivel atómico en un entorno realista. Fuente: Genevieve Martin / ORNL Departamento de Energía de EE. UU.

Los neutrones penetran profundamente incluso a través de metales densos. Cuando los neutrones se dispersan en los átomos de un material, proporcionan a los investigadores una gran cantidad de información estructural hasta la escala atómica. En este caso, los científicos determinaron cómo se comportan las aleaciones en condiciones operativas como altas temperaturas y estrés o tensión extremos para identificar incluso los defectos más pequeños.

El éxito del experimento ha llevado a ORNL a diseñar un motor de investigación especialmente diseñado a una escala relevante para la industria para su uso en VULCAN. La capacidad se basa en un motor automotriz de dos litros y cuatro cilindros, modificado para operar en un cilindro para conservar el espacio de muestra en la línea de luz. La plataforma del motor se puede girar alrededor del eje del cilindro para brindar la máxima flexibilidad de medición. El motor está diseñado a medida para la investigación de neutrones, incluido el uso de refrigerante y aceite a base de fluorocarbono, que mejora la visibilidad de la cámara de combustión.

Detalles experimentales. A ) Diagrama de sección transversal del motor monocilíndrico refrigerado por aire con ubicaciones representativas de los volúmenes del indicador resaltados tanto en la culata como en el bloque de cilindros. B ) Imagen del motor modificado instalado en la línea de luz de VULCAN con instrumentación. C ) Diagrama de configuración experimental (vista desde arriba), que muestra el motor instalado a lo largo del plano de 45 ° que bisecciona el haz incidente y los detectores (B1 y B2) con el volumen manométrico ubicado en la culata de cilindros.


La capacidad proporcionará a los investigadores los resultados experimentales que necesitan para examinar de forma rápida y precisa nuevos materiales y mejorar los modelos computacionales de alta fidelidad de los diseños de motores.

“En todo el mundo, la industria, los laboratorios nacionales y el mundo académico están analizando la interfaz entre la combustión turbulenta que ocurre en el motor y el proceso de transferencia de calor que ocurre a través de los componentes sólidos”, dijo Martin Wissink, líder del proyecto en ORNL. "Comprender y optimizar ese proceso es realmente clave para mejorar la eficiencia térmica de los motores".

“Pero actualmente, la mayoría de estos modelos casi no tienen datos de validación in situ”, agregó. "El objetivo es resolver completamente el estrés, la deformación y la temperatura en todo el dominio sobre todas las partes metálicas de la cámara de combustión".

El motor ha sido diseñado según las especificaciones ORNL y actualmente se encuentra en desarrollo final con el Southwest Research Institute, y se encargará en el Centro Nacional de Investigación en Transporte del DOE, o NTRC, en ORNL antes de su primer uso en SNS, que se espera para fines de 2021. Tanto el NTRC como el SNS son instalaciones para usuarios científicos del DOE, que brindan acceso a las herramientas más avanzadas de la ciencia moderna a investigadores de todo el mundo.

El instrumento VULCAN en el SNS es ideal para la investigación, ya que se adapta a estructuras más grandes, dijo Ke An, científico principal del instrumento. VULCAN está diseñado para estudios de deformación, transformación de fase, tensión residual, textura y microestructura. Según An, están preparando la plataforma para el motor neutrónico con un nuevo sistema de escape y otras modificaciones, incluida una nueva interfaz de control para el motor.

"Esto es lo que entusiasmará a la gente, produciendo resultados en un motor más grande y de última generación", dijo An. El motor neutrónico “brindará aún más opciones a los usuarios que buscan validar sus modelos para resolver problemas como el estrés, la tensión y la temperatura. Muestra el valor directo de los neutrones para un importante sector manufacturero ”.

Las mediciones del motor neutrónico se incorporarán a modelos informáticos de alto rendimiento, o HPC, que están desarrollando los científicos para acelerar los avances de los motores de combustión avanzados.

Los investigadores están interesados ​​en crear predicciones precisas de fenómenos como pérdidas de calor, extinción de llamas y evaporación del combustible inyectado en el cilindro, especialmente durante las operaciones del motor de arranque en frío, cuando las emisiones suelen ser más altas. Se espera que los datos del motor neutrónico proporcionen una nueva comprensión de cómo cambia la temperatura de los componentes metálicos del motor en todo el motor a lo largo del ciclo del motor.

Los modelos de alta fidelidad resultantes se pueden ejecutar rápidamente en supercomputadoras como Summit, la computadora más rápida y con mayor capacidad de inteligencia artificial del país. Summit se encuentra en ORNL como parte de Oak Ridge Leadership Computing Facility, también una instalación para usuarios científicos del DOE.

“Estamos uniendo estas capacidades científicas fundamentales con aplicaciones y realizando mediciones en dispositivos y sistemas de ingeniería reales”, dijo Wissink. “La medición completa de deformaciones y temperaturas en los componentes del motor es algo que no había sido posible antes. Es crucial tener estos datos como validación o como condición límite para los modelos HPC que se pueden compartir con investigadores de la industria automotriz ”.

El motor neutrónico aumenta las capacidades existentes en ORNL y otros laboratorios nacionales en el trabajo para crear motores más eficientes energéticamente y ultra limpios, dijo Robert Wagner, director de la División de Ciencia de Edificios y Transporte de ORNL.

"La capacidad de operar un motor en las líneas de luz de neutrones nos permite realizar mediciones sin precedentes en condiciones de motor realistas", dijo Wagner. Esta capacidad se suma a los recursos únicos que aportan los laboratorios nacionales para avanzar en la eficiencia y las emisiones de los motores de combustión, como la investigación de motores ópticos en Sandia National Laboratories y con Advanced Photon Source en Argonne National Laboratory.

El poder de estos recursos únicos se está alineando actualmente para resolver los problemas más desafiantes a través de un consorcio de seis laboratorios llamado Partnership to Advance Combustion Engines, dirigido por la Oficina de Tecnologías de Vehículos del DOE.

Fuente: 21 December 2020, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2012960117

PUBLICIDAD

Publicar un comentario

0 Comentarios