Para peneliti di Laboratorium Nasional Oak Ridge (ORNL) telah menggunakan difraksi neutron untuk memberikan pengukuran non-invasif dari regangan kisi di dalam komponen mesin pembakaran, sehingga memungkinkan studi operando keadaan beban kompleks dan gradien termal di seluruh bahan padat. Hasil mereka diterbitkan dalam makalah akses terbuka di Prosiding National Academy of Sciences (PNAS).
Difraksi neutron rekayasa dapat secara nondestruktif dan noninvasif menyelidiki tegangan, regangan, suhu, dan evolusi fase jauh di dalam material curah. Dalam karya ini, kami mendemonstrasikan pengukuran regangan kisi operando komponen mesin pembakaran internal dengan difraksi neutron.
Sebuah mesin generator komersial yang dimodifikasi dipasang di difraktometer VULCAN di Spallation Neutron Source, dan regangan kisi di blok silinder dan kepala diukur di bawah kondisi non-pembakaran statis serta kondisi tunak dan operasi transien siklik. Respon temporal dinamis dari perubahan regangan kisi selama operasi transien diselesaikan di dua lokasi dengan difraksi neutron stroboskopik asinkron.
Kami menunjukkan bahwa pengukuran operando neutron dapat memungkinkan pemahaman tentang bagaimana bahan berperilaku di seluruh perangkat teknik operasional. Studi ini membuka jalan bagi komunitas industri dan akademis untuk lebih memahami kompleksitas perilaku material selama pengoperasian mesin pembakaran internal dan perangkat dan sistem skala nyata lainnya dan untuk memanfaatkan teknik yang dikembangkan di sini untuk penyelidikan di masa depan dari berbagai platform dan paduan baru.
—Wissink dkk.
Detail eksperimental. (A) Diagram penampang dari mesin satu silinder berpendingin udara dengan lokasi representatif dari volume pengukur yang disorot di kepala dan blok silinder. (B) Gambar mesin yang dimodifikasi dipasang pada beamline VULCAN dengan instrumentasi. (C) Diagram konfigurasi eksperimental (tampak dari atas), menunjukkan mesin yang dipasang di sepanjang bidang 45° yang membagi dua balok insiden dan detektor (B1 dan B2) dengan volume pengukur yang terletak di kepala silinder. Kamera terletak di sepanjang bidang 45° ortogonal. Wissink dkk.
Eksperimen tersebut adalah yang pertama di dunia di mana mesin yang sedang berjalan dianalisis dengan difraksi neutron, menggunakan difraktometer neutron VULCAN di Department of Energy’s Spallation Neutron Source, atau SNS, di ORNL.
Mesin gensetnya adalah Honda GX200 196cc, dengan tenaga dan torsi bersih masing-masing 4,1 kW dan 12,4 N·m. Tim memilih platform ini berdasarkan sejumlah pertimbangan koin:
- Pengaturan eksperimental memungkinkan operasi praktis mandiri dari mesin yang sedang berjalan;
- Ukuran keseluruhan yang ringkas sesuai dengan batasan ruang di VULCAN;
- Generator terintegrasi menghilangkan kebutuhan akan dinamometer mandiri untuk menerima beban dari mesin;
- Mesinnya berpendingin udara dan dengan demikian tidak menghadapi masalah dengan redaman neutron yang kuat atau latar belakang hamburan oleh pendingin hidrogen;
- Tata letak dua katup pushrod meminimalkan jumlah komponen baja di kepala silinder yang dapat melemahkan neutron yang tersebar dari volume pengukur;
- Desain sistem pelumasan yang relatif sederhana tidak memiliki saluran oli di sepanjang bagian atas atau depan mesin yang dapat melemahkan insiden atau hamburan neutron; dan
- Starter listrik memungkinkan mesin dihidupkan dari jarak jauh.
Lebih lanjut, kompleksitas geometrik yang ditunjukkan oleh sirip pendingin dan geometri internal bagian membuatnya menjadi tempat uji yang baik untuk kemampuan castabilitas paduan aluminium serium (AlCe) yang dikembangkan bersama oleh ORNL dan Eck Industries.
Paduan AlCe dari mana kepala diproduksi dikembangkan melalui proyek Institut Bahan Kritis dan diposisikan untuk aplikasi suhu tinggi di mana paduan aluminium telah lama berjuang untuk menemukan aplikasi.
Hasil penelitian tidak hanya membuktikan ketahanan paduan unik, tetapi juga menunjukkan nilai penggunaan metode non-destruktif seperti neutron untuk menganalisis bahan baru.
“Mesin Neutronik.” Keberhasilan eksperimen telah mendorong ORNL untuk merancang mesin penelitian yang dibuat khusus pada skala industri yang relevan untuk digunakan di VULCAN. Kemampuan ini didasarkan pada mesin otomotif empat silinder dua liter, dimodifikasi untuk beroperasi pada satu silinder untuk menghemat ruang sampel pada beamline.
Platform engine dapat diputar di sekitar sumbu silinder untuk memberikan fleksibilitas pengukuran maksimum. Mesin ini dirancang khusus untuk penelitian neutron, termasuk penggunaan pendingin dan oli berbasis fluorokarbon, yang meningkatkan visibilitas ke ruang bakar.
Kemampuan tersebut akan memberi para peneliti hasil eksperimen yang mereka butuhkan untuk secara cepat dan akurat memeriksa material baru dan meningkatkan model komputasi desain mesin dengan ketelitian tinggi.
Di seluruh dunia, industri, laboratorium nasional, dan akademisi melihat antarmuka antara pembakaran turbulen yang terjadi di mesin, dan proses perpindahan panas yang terjadi melalui komponen padat. Memahami dan mengoptimalkan proses itu sangat penting untuk meningkatkan efisiensi termal mesin.
Namun saat ini, sebagian besar model ini hampir tidak memiliki data validasi in situ. Tujuannya adalah untuk sepenuhnya mengatasi stres, regangan, dan suhu di seluruh domain atas semua bagian logam di ruang bakar.
—Martin Wissink, penulis utama
Mesin telah dirancang untuk spesifikasi ORNL dan saat ini sedang menjalani pengembangan akhir dengan Southwest Research Institute, dan akan ditugaskan di Pusat Penelitian Transportasi Nasional DOE, atau NTRC, di ORNL sebelum digunakan pertama kali di SNS, yang diharapkan pada akhir 2021.
Baik NTRC dan SNS adalah fasilitas pengguna ilmiah DOE, yang menyediakan akses ke alat sains modern paling canggih bagi para peneliti di seluruh dunia.
Instrumen VULCAN di SNS sangat ideal untuk penelitian, karena mengakomodasi struktur yang lebih besar, kata Ke An, ilmuwan utama untuk instrumen tersebut. VULCAN dirancang untuk studi deformasi, transformasi fase, tegangan sisa, tekstur dan struktur mikro. Menurut An, mereka sedang mempersiapkan platform untuk mesin dengan sistem pembuangan baru dan retrofit lainnya, termasuk antarmuka kontrol baru untuk mesin.
Pengukuran dari mesin akan dimasukkan ke dalam model komputasi kinerja tinggi yang dikembangkan oleh para ilmuwan untuk mempercepat terobosan untuk mesin pembakaran canggih.
Para peneliti tertarik untuk membuat prediksi yang akurat dari fenomena seperti kehilangan panas, pemadaman api dan penguapan bahan bakar yang disuntikkan ke dalam silinder, terutama selama operasi mesin mulai dingin ketika emisi sering kali tertinggi. Data dari mesin diharapkan dapat memberikan pemahaman baru tentang bagaimana suhu komponen mesin logam berubah di seluruh mesin selama siklus mesin.
Model fidelitas tinggi yang dihasilkan dapat dijalankan dengan cepat di superkomputer seperti Summit, komputer tercepat dan berkemampuan AI di negara ini. Summit bertempat di ORNL sebagai bagian dari Fasilitas Komputasi Kepemimpinan Oak Ridge, juga fasilitas pengguna ilmiah DOE.
Kami menjembatani kemampuan sains dasar ini ke aplikasi dan membuat pengukuran dalam perangkat dan sistem rekayasa nyata. Pengukuran penuh dari regangan dan temperatur pada komponen mesin adalah sesuatu yang tidak mungkin dilakukan sebelumnya. Sangat penting untuk memiliki data ini sebagai validasi atau sebagai syarat batas untuk model HPC yang dapat dibagikan dengan peneliti di industri otomotif.
—Martin Wissink
Mesin neutronik menambah kemampuan yang ada di ORNL dan laboratorium nasional lainnya dalam pekerjaan untuk menciptakan mesin yang lebih hemat energi dan ultra-bersih, kata Robert Wagner, direktur Divisi Ilmu Bangunan dan Transportasi ORNL.
Kemampuan untuk mengoperasikan mesin di garis berkas neutron memungkinkan kami melakukan pengukuran yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam kondisi mesin yang realistis.
—Robert Wagner
Kemampuan ini menambah sumber daya unik yang dibawa oleh laboratorium nasional untuk memajukan efisiensi dan emisi mesin pembakaran, seperti penelitian mesin optik di Sandia National Laboratories dan dengan Advanced Photon Source di Argonne National Laboratory.
Kekuatan sumber daya unik ini saat ini sedang diselaraskan untuk memecahkan masalah yang paling menantang melalui konsorsium enam laboratorium yang disebut Kemitraan untuk Memajukan Mesin Pembakaran, yang dipimpin dari Kantor Teknologi Kendaraan DOE.
Penelitian mesin neutronik terutama didukung oleh Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) Vehicle Technologies Office. Akses ke SNS didukung oleh DOE’s Office of Science. Penelitian tentang paduan aluminium-cerium disponsori oleh DOE’s Critical Materials Institute, yang didukung oleh Advanced Manufacturing Office DOE EERE, bersama dengan Eck Industries, yang membantu mengembangkan dan menguji paduan dan telah melisensikan material tersebut.
Sumber daya
- Pengukuran operan regangan kisi pada komponen mesin pembakaran dalam dengan difraksi neutron Martin L. Wissink, Yan Chen, Matthew J. Frost, Scott J. Curran, Orlando Rios, Zachary C. Sims, David Weiss, Eric T. Stromme, Ke An ( 2020) “Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional” doi: 10.1073/pnas.2012960117
