Нейтронный ускоритель «заглянул» в работающий двигатель внутреннего сгорания — Naked Science
24.12.2020
Василий Парфенов
1

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.
10 часов назад
Илья Ведмеденко

Модернизированный стратегический бомбардировщик Ту-160 снова поднялся в небо. Самолет среди прочего получил обновленную силовую установку.

Сегодня, 06:05
Василий Парфенов

Статистика израильского Минздрава показывает неприятные новости для родителей, беспокоящихся о здоровье ребенка во время пандемии. По данным национального исследования, свыше 11% детей, которым поставили диагноз Covid-19, сохраняют симптомы заболевания более чем через 12 недель после заражения. Это состояние получило название «продолжительный» Covid-19, или «постковидный синдром», а его причины пока не до конца ясны медикам и ученым.

Позавчера, 13:58
Алиса Гаджиева

На месте будущей дороги в Калининградской области археологи обнаружили некрополь III-VI веков нашей эры.

16 сентября
Мария Азарова

Ученые проверили содержание побочных продуктов дезинфекции в чае, который заваривали водопроводной или наночистой водой с хлором. Уровни этих соединений в напитке были ниже, чем в самой воде, однако большинство из них оказались неизвестны исследователям — как и их воздействие на здоровье человека.

15 сентября
ПНИПУ

Ученые Пермского Политеха и Хуачжунского университета науки и технологии (КНР) создали уникальную технологию, которая позволит предприятиям производить промышленные изделия без дефектов. Лазерная сварка в вакууме позволит повысить качество ответственных конструкций в аэрокосмической и машиностроительной отраслях. Российские и зарубежные ученые реализовали разработку благодаря уникальному проекту международных исследовательских групп (МИГов), который действует в Пермском крае с 2011 года и не имеет аналогов в России.

15 сентября
Ольга Иванова

Американские исследователи выяснили, что в женских тампонах содержатся летучие органические соединения, которые влияют на присутствие этих веществ в моче. Интересно, что в прокладках их содержание значительно ниже.

3 сентября
Алиса Гаджиева

Два бронзовых тарана и свинцовые пули обнаружили на месте битвы при Эгатских островах, состоявшейся почти 23 века назад.

11 сентября
Алиса Гаджиева

Необычное погребение обнаружили во время работ по устройству пруда в гольф-клубе.

9 сентября
Алиса Гаджиева

Необычный артефакт обнаружили в одном из пунктов сбора вторсырья в Красноярском крае.

[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
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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: