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

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 neutrones penetran profundamente incluso a través de metales densos. Cuando los neutrones dispersan átomos en un material, brindan 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 de funcionamiento 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 con 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.

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 fundamental 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 desde la Oficina de Tecnologías de Vehículos del DOE.

“Lo que nos distingue aquí en ORNL es la cartera de ciencia disponible”, dijo Wagner. “Estamos haciendo uso de la fuente de neutrones más poderosa del mundo, la supercomputadora más rápida del país y la ciencia de materiales de clase mundial en coordinación con nuestra experiencia en transporte para enfrentar los grandes desafíos de un futuro energético más sostenible”.

Referencia: “Operando medición de deformación reticular en componentes de motores de combustión interna por difracción de neutrones” por Martin L. Wissink, Yan Chen, Matthew J. Frost, Scott J. Curran, Orlando Rios, Zachary C. Sims, David Weiss, Eric T. Stromme y Ke An, 21 de diciembre de 2020, Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
DOI: 10.1073 / pnas.2012960117

La investigación del motor neutrónico es apoyada principalmente por la Oficina de Tecnologías de Vehículos de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable (EERE) del DOE. El acceso al SNS cuenta con el respaldo de la Oficina de Ciencias del DOE. La investigación sobre la aleación de aluminio-cerio fue patrocinada por el Instituto de Materiales Críticos del DOE, que cuenta con el apoyo de la Oficina de Fabricación Avanzada de DOE EERE, junto con Eck Industries, que ayudó a desarrollar y probar la aleación y obtuvo la licencia del material.