24.12.2020
Василий Парфенов
1
2 689

Нейтронный ускоритель «заглянул» в работающий двигатель внутреннего сгорания

6.0

Американские ученые придумали и реализовали на практике метод исследования работающего двигателя внутреннего сгорания (ДВС) буквально на уровне отдельных атомов. Для этого использовали мощнейший в мире источник нейтронов и специально подготовленный мотор от бензинового генератора.

Нейтронный ускоритель «заглянул» внутрь работающего двигателя внутреннего сгорания
Ученые Ок-Риджской национальной лаборатории Мартин Виссинк (Martin Wissink) и Ке Ан (Ke An) рядом с созданным ими прототипом двигателя. На заднем плане видна ловушка нейтронов установки VULCAN / ©Genevieve Martin, ORNL U.S. Dept. of Energy

Поршневые двигатели внутреннего сгорания могут похвастаться богатой историей: за сто с лишним лет развития они существенно преобразились. Но, несмотря на весь колоссальный опыт, с точки зрения разработки в XXI веке ДВС по-прежнему остаются настоящим кошмаром для инженера. Детали этих агрегатов работают в условиях постоянных перепадов температур и давления, а также подвергаются всем мыслимым видам нагрузок: на сжатие, растяжение и вибрационным. Вдобавок современные требования к моторам заставляют производителей постоянно искать новые материалы и технические решения. Без этого уже невозможно ни повысить топливную эффективность работы двигателей, ни улучшить их экологические показатели.

Трудно найти более доступный пример для экспериментов в материаловедении — и этим воспользовались ученые из Ок-Риджской национальной лаборатории США (ORNL). Мартин Виссинк с коллегами разработали методику изучения внутренних напряжений металлических деталей прямо во время работы агрегата. Ее описание вместе с результатами демонстрационного эксперимента исследователи опубликовали в рецензируемом журнале Национальной академии наук США (PNAS).

Нейтронный ускоритель «заглянул» внутрь работающего двигателя внутреннего сгорания
Схема эксперимента / ©Martin L. Wissink et al. Operando measurement of lattice strain in internal combustion engine components by neutron diffraction, PNAS, https://doi.org/10.1073/pnas.2012960117

В самом деле: пиковые температуры в камере сгорания могут достигать 2200 градусов Цельсия, а давление — до 25 атмосфер со скоростью до 500 атмосфер в секунду. Поистине адские условия, в которых любые материалы претерпевают колоссальные нагрузки. Но до недавнего времени у инженеров не было инструментов анализировать их в реальном времени. Чаще всего использовали методику снятия комплекса показателей, изучения состояния деталей и последующего моделирование. Проще говоря, высокоскоростными термометрами измеряли температуру в нескольких точках, а затем с помощью томографа оценивали внутреннюю структуру узла или детали. На основании полученных данных создавали модель физических и химических процессов, протекавших во время работы в детали.

В распоряжении американских ученых есть самый мощный в мире источник нейтронов — Spallation Neutron Source (SNS). Он позволяет буквально просветить практически любые материалы, не повреждая их. А фиксируя затем отклонение пучка нейтронов внутри изучаемого объекта, можно изучить структуру материала на атомном уровне.

Нейтронный ускоритель «заглянул» внутрь работающего двигателя внутреннего сгорания
Штатная литая головка блока цилиндров (слева) и модифицированная головка блока цилиндров из алюминиево-цериевого сплава (справа) / ©Martin L. Wissink et al. Operando measurement of lattice strain in internal combustion engine components by neutron diffraction, PNAS, https://doi.org/10.1073/pnas.2012960117

Мартин Виссиник и его команда придумали способ поместить работающий ДВС в камеру для образцов SNS. Для этого выбрали одноцилиндровый мотор от бензинового генератора Honda EU3000 — не самый мощный в мире агрегат, но для демонстрационного эксперимента он подошел. Кроме того, чтобы не тратить время зря, во время опыта сразу проверили новый для двигателей сплав. Головку цилиндра отлили из алюминия с добавлением церия и магния.

Двигатель избавили от всех деталей, которые не необходимы для работы: это обшивка, декоративные элементы, глушитель (его заменили вытяжкой), топливный насос (бак подвесили повыше, и топливо поступало в карбюратор самотеком) и даже рама. Вместо этого одноцилиндровый мотор воздушного охлаждения разместили на специально изготовленной станине. Ее задача — как можно лучше гасить вибрацию во время работы. Благодаря наличию электрогенератора можно было динамически менять нагрузку на двигатель в ходе эксперимента. Также плюсом оказалось воздушное охлаждение двигателя: вода замедляет нейтроны и вносила бы мощные помехи.

Нейтронный ускоритель «заглянул» внутрь работающего двигателя внутреннего сгорания
Исследуемый двигатель в объективе инфракрасной (слева) и обычной камер (в центре), а также карта точек измерений, куда направляли нейтронный поток (справа) / ©Martin L. Wissink et al. Operando measurement of lattice strain in internal combustion engine components by neutron diffraction, PNAS, https://doi.org/10.1073/pnas.2012960117

Поскольку окончательно от вибраций в работающем ДВС избавиться невозможно, специалисты создали систему их считывания. На самом моторе расположили высокоточный акселерометр, а в место фокусировки нейтронного пучка «смотрел» прецизионный лазерный датчик смещения. Средние значения их показаний затем использовали для корректировки результатов сканирования.

В итоге команда Виссинка успешно создала карту внутренних напряжений для нескольких областей в штатном блоке цилиндра и его головке, сделанной из экспериментального сплава. Измерения проводили на холостом ходу, под нагрузкой, равной половине от номинальной для генератора, и на 80% мощности.

В дальнейших планах ученых — разработка стенда для изучения автомобильных двигателей большего объема. Чтобы поместить в дифрактометр VULCAN хотя бы четырехцилиндровый мотор, предстоит изрядно поработать. И не только со станиной для проведения эксперимента. Например, чтобы не снижать разрешение сканирования, придется заменить охлаждающую жидкость специальным составом на основе фторуглерода.

Понятное дело, все создаваемые сегодня моторы под нейтронный ускоритель не засунешь — установок подобной мощности в мире всего три штуки. Однако с точки зрения материаловедения достижение специалистов Ок-Риджской лаборатории неоценимо. Они не только смогли решить сугубо инженерные и логистические задачи, требуемые для проведения подобных экспериментов. Им еще удалось создать программные инструменты необходимой точности, устраняющие помехи и дающие картину высокого разрешения.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Позавчера, 12:19
Илья Ведмеденко

В конце 2021 года российским ВКС передали два новых Су-57. О поставке первого серийного истребителя пятого поколения сообщили в 2020-м.

Позавчера, 18:24
Илья Ведмеденко

Российские специалисты приступили к сборке первого спутника, оснащенного плазменным двигателем VERA. Такие аппараты можно будет применять для дистанционного зондирования Земли, выявления стихийных бедствий и других задач.

20 января
ТГУ

Ученые факультета физической культуры Томского государственного университета в рамках гранта, поддержанного РНФ, исследуют особенности механизма усвоения глюкозы при сахарном диабете второго типа. Для этого был организован масштабный четырехмесячный эксперимент на 240 мышах, подобного которому в мире еще никто не проводил. Животные с искусственно сформированным диабетом подвергались физической нагрузке. Установлено, что вечерние тренировки лучше снижали вес мышей мышей, а утренние – приводили к уменьшению уровня глюкозы. Предположительно, фактором, стимулирующим утилизацию глюкозы, выступил стресс. Ученые намерены проверить эту гипотезу.

Позавчера, 12:19
Илья Ведмеденко

В конце 2021 года российским ВКС передали два новых Су-57. О поставке первого серийного истребителя пятого поколения сообщили в 2020-м.

Позавчера, 18:24
Илья Ведмеденко

Российские специалисты приступили к сборке первого спутника, оснащенного плазменным двигателем VERA. Такие аппараты можно будет применять для дистанционного зондирования Земли, выявления стихийных бедствий и других задач.

20 января
ТГУ

Ученые факультета физической культуры Томского государственного университета в рамках гранта, поддержанного РНФ, исследуют особенности механизма усвоения глюкозы при сахарном диабете второго типа. Для этого был организован масштабный четырехмесячный эксперимент на 240 мышах, подобного которому в мире еще никто не проводил. Животные с искусственно сформированным диабетом подвергались физической нагрузке. Установлено, что вечерние тренировки лучше снижали вес мышей мышей, а утренние – приводили к уменьшению уровня глюкозы. Предположительно, фактором, стимулирующим утилизацию глюкозы, выступил стресс. Ученые намерены проверить эту гипотезу.

26.12.2021
Александр Березин

Российская тяжелая ракета имеет все шансы взлететь после Starship, хотя ее начали создавать на 20 лет раньше, да и по параметрам она радикально уступает детищу Илона Маска. Попробуем разобраться, почему любая попытка создать классическую ракету в наши дни — пустая трата времени и средств. А заодно дать ответ на вопрос, какую космическую ракету на самом деле стоит создавать России.

12 января
Алиса Гаджиева

Дополнительное исследование вулканических пород формации Кибиш в Эфиопии изменило датировку найденных там костей Homo sapiens.

20 января
ТГУ

Ученые факультета физической культуры Томского государственного университета в рамках гранта, поддержанного РНФ, исследуют особенности механизма усвоения глюкозы при сахарном диабете второго типа. Для этого был организован масштабный четырехмесячный эксперимент на 240 мышах, подобного которому в мире еще никто не проводил. Животные с искусственно сформированным диабетом подвергались физической нагрузке. Установлено, что вечерние тренировки лучше снижали вес мышей мышей, а утренние – приводили к уменьшению уровня глюкозы. Предположительно, фактором, стимулирующим утилизацию глюкозы, выступил стресс. Ученые намерены проверить эту гипотезу.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

27.12.2020
-
0
+
Сайт голой науки умер от слова совсем а тут как раз навальнята набежали аж в попе свербит им ответить а нельзя
Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: