Trong nhiệm vụ tìm kiếm các phương tiện tiên tiến với hiệu suất năng lượng cao hơn và lượng khí thải cực thấp, các nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (Oak Ridge National Laboratory) đang tăng tốc một động cơ nghiên cứu để cung cấp cho các nhà khoa học và kỹ sư một cái nhìn chưa từng có về hoạt động cấp nguyên tử của động cơ đốt trong thời gian thực.
Khả năng mới là một động cơ được chế tạo đặc biệt để chạy bên trong một đường tia neutron. Động cơ neutronic này cung cấp một môi trường mẫu độc đáo cho phép điều tra những thay đổi cấu trúc trong hợp kim mới được thiết kế cho môi trường của động cơ đốt tiên tiến, nhiệt độ cao hoạt động trong điều kiện thực tế.
ORNL lần đầu tiên công bố khả năng này vào năm 2017, khi các nhà nghiên cứu đánh giá thành công một động cơ nguyên mẫu nhỏ có đầu xi lanh được đúc từ hợp kim aluminum-cerium nhiệt độ cao mới được tạo ra tại phòng thí nghiệm. Thí nghiệm này là thí nghiệm đầu tiên trên thế giới trong đó một động cơ đang chạy được phân tích bằng nhiễu xạ nơtron, sử dụng máy đo nhiễu xạ nơtron VULCAN tại Spallation Neutron Source của Bộ Năng lượng, hay SNS, tại ORNL.
Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences không chỉ chứng minh độ cứng của hợp kim độc nhất vô nhị mà còn chứng minh giá trị của việc sử dụng các phương pháp không phá hủy như neutron để phân tích vật liệu mới.
Nơtron xuyên sâu thậm chí xuyên qua các kim loại dày đặc. Khi neutron tán xạ các nguyên tử trong vật liệu, chúng cung cấp cho các nhà nghiên cứu vô số thông tin về cấu trúc ở quy mô nguyên tử. Trong trường hợp này, các nhà khoa học đã xác định cách các hợp kim hoạt động trong các điều kiện hoạt động như nhiệt độ cao và ứng suất cực lớn hoặc căng thẳng để xác định ngay cả những khuyết tật nhỏ nhất.
Thành công của thử nghiệm đã thúc đẩy ORNL thiết kế một công cụ nghiên cứu được xây dựng có mục đích ở quy mô phù hợp với ngành để sử dụng trong VULCAN. Khả năng này dựa trên động cơ ô tô 2.0 lít, bốn xi-lanh, được sửa đổi để hoạt động trên một xi-lanh nhằm bảo tồn không gian mẫu trên đường tia. Nền tảng động cơ có thể xoay quanh trục xi lanh để mang lại sự linh hoạt cho phép đo tối đa. Động cơ được thiết kế tùy chỉnh để nghiên cứu neutron, bao gồm việc sử dụng dầu và chất làm mát gốc fluorocarbon, giúp cải thiện tầm nhìn vào buồng đốt.
Khả năng này sẽ cung cấp cho các nhà nghiên cứu các kết quả thí nghiệm mà họ cần để kiểm tra nhanh chóng và chính xác các vật liệu mới và cải thiện các mô hình tính toán có độ trung thực cao của các thiết kế động cơ.
Martin Wissink, người đứng đầu dự án tại ORNL cho biết: “Trên khắp thế giới, các ngành công nghiệp, phòng thí nghiệm quốc gia và học viện đang xem xét mối quan hệ giữa quá trình đốt cháy hỗn loạn xảy ra trong động cơ và quá trình truyền nhiệt xảy ra qua các thành phần rắn. “Hiểu và tối ưu hóa quá trình đó thực sự là chìa khóa để cải thiện hiệu suất nhiệt của động cơ.”
“Nhưng hiện tại, hầu hết các mô hình này hầu như không có dữ liệu xác thực tại chỗ”, ông nói thêm. “Mục tiêu là giải quyết triệt để ứng suất, biến dạng và nhiệt độ trong toàn bộ miền trên tất cả các bộ phận kim loại trong buồng đốt.”
Động cơ đã được thiết kế theo thông số kỹ thuật ORNL và hiện đang được phát triển lần cuối cùng với Southwest Research Institute và sẽ được đưa vào vận hành tại Trung tâm Nghiên cứu Giao thông Quốc gia của DOE, hoặc NTRC, tại ORNL trước khi sử dụng lần đầu tại SNS, dự kiến vào cuối năm 2021. Cả NTRC và SNS đều là cơ sở sử dụng khoa học của DOE, cung cấp quyền truy cập vào các công cụ tiên tiến nhất của khoa học hiện đại cho các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới.
Ke An, nhà khoa học chính về thiết bị này, cho biết thiết bị VULCAN tại SNS là lý tưởng cho nghiên cứu, vì nó chứa được các cấu trúc lớn hơn. VULCAN được thiết kế để nghiên cứu biến dạng, chuyển pha, ứng suất dư, kết cấu và cấu trúc vi mô. Theo ông Ke An, họ đang chuẩn bị nền tảng cho động cơ neutronic với hệ thống xả mới và các trang bị thêm khác, bao gồm cả giao diện điều khiển mới cho động cơ.
“Đây là điều sẽ khiến mọi người hào hứng, tạo ra kết quả trên một động cơ hiện đại, lớn hơn,” An cho biết. Động cơ neutronic “sẽ cung cấp nhiều tùy chọn hơn cho những người dùng đang tìm cách xác nhận mô hình của họ để giải quyết các vấn đề như ứng suất, biến dạng và nhiệt độ. Nó cho thấy giá trị trực tiếp của neutron đối với một lĩnh vực sản xuất quan trọng.”
Các phép đo từ động cơ neutronic sẽ được đưa vào máy tính hiệu suất cao, hay HPC, các mô hình đang được các nhà khoa học phát triển để tăng tốc độ đột phá cho động cơ đốt tiên tiến.
Các nhà nghiên cứu quan tâm đến việc tạo ra các dự đoán chính xác về các hiện tượng như tổn thất nhiệt, dập tắt ngọn lửa và bay hơi của nhiên liệu phun vào xi-lanh, đặc biệt là trong quá trình vận hành động cơ khởi động lạnh khi lượng khí thải thường cao nhất. Dữ liệu từ động cơ neutronic được kỳ vọng sẽ cung cấp hiểu biết mới về nhiệt độ của các bộ phận động cơ bằng kim loại thay đổi như thế nào trong toàn bộ động cơ trong suốt chu trình động cơ.
Các mô hình có độ trung thực cao thu được có thể nhanh chóng chạy trên các siêu máy tính như Summit, máy tính nhanh nhất và có khả năng AI nhất của quốc gia. Summit được đặt tại ORNL như một phần của Oak Ridge Leadership Computing Facility, cũng là một cơ sở sử dụng khoa học DOE.
Wissink cho biết: “Chúng tôi đang kết nối các khả năng khoa học cơ bản này với các ứng dụng và thực hiện các phép đo trong các thiết bị và hệ thống kỹ thuật thực tế. “Việc đo lường đầy đủ các biến dạng và nhiệt độ trong các bộ phận của động cơ là điều mà trước đây chưa thể thực hiện được. Điều quan trọng là phải có những dữ liệu này để xác nhận hoặc là điều kiện biên cho các mẫu HPC có thể được chia sẻ với các nhà nghiên cứu trong ngành ô tô.”
Robert Wagner, Giám đốc Bộ phận Khoa học Vận tải và Tòa nhà của ORNL cho biết động cơ neutronic tăng cường khả năng hiện có tại ORNL và các phòng thí nghiệm quốc gia khác nhằm tạo ra động cơ siêu sạch và tiết kiệm năng lượng hơn.
Wagner cho biết: “Khả năng vận hành động cơ trong các đường tia neutron cho phép chúng tôi thực hiện các phép đo chưa từng có trong điều kiện động cơ thực tế. Khả năng này bổ sung vào các nguồn lực độc nhất vô nhị mà các phòng thí nghiệm quốc gia mang lại để nâng cao hiệu suất và lượng khí thải của động cơ đốt, chẳng hạn như nghiên cứu động cơ quang học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia và với Nguồn Photon nâng cao (Advanced Photon Source) tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne.
Sức mạnh của những nguồn lực độc đáo này hiện đang được liên kết để giải quyết những vấn đề khó khăn nhất thông qua một liên minh sáu phòng thí nghiệm được gọi là Partnership to Advance Combustion Engines, dẫn đầu từ DOE Vehicle Technologies Office.
Wagner cho biết: “Điều khiến chúng tôi trở nên khác biệt ở ORNL là danh mục khoa học có sẵn. “Chúng tôi đang tận dụng nguồn neutron mạnh nhất thế giới, siêu máy tính nhanh nhất của quốc gia và khoa học vật liệu đẳng cấp thế giới cùng với chuyên môn của chúng tôi trong lĩnh vực giao thông vận tải để đối mặt với những thách thức lớn của một tương lai năng lượng bền vững hơn.”
Techxplore
