• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
24.12.2020
Василий Парфенов
1
3 069

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 / Автор: Дмитрий Жуков

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.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
5 часов назад
Александр Березин

Falcon 9 Block 5 впервые за три сотни запусков дал частично неудачный полет. Ракета выводила 20 спутников компании SpaceX, с 15 связь уже пропала, еще пять могут быть потеряны в ближайшее время.

Позавчера, 12:09
Татьяна

Ученые из Китая проанализировали состав древнейших цирконов с помощью машинного обучения. В этих минералах хранится информация о процессах в недрах планеты. По мнению авторов нового исследования, все указывает на то, что перемещения плит в литосфере происходили уже в катархее, 4,2 миллиарда лет назад, то есть гораздо раньше предыдущих оценок.

Вчера, 12:45
Татьяна

Открытая недавно планета LHS 1140 b заинтересовала ученых как потенциально обитаемая. В новой работе канадские исследователи подтвердили, что это, скорее всего, мир с теплым океаном, окутанным насыщенной азотом атмосферой.

Позавчера, 12:09
Татьяна

Ученые из Китая проанализировали состав древнейших цирконов с помощью машинного обучения. В этих минералах хранится информация о процессах в недрах планеты. По мнению авторов нового исследования, все указывает на то, что перемещения плит в литосфере происходили уже в катархее, 4,2 миллиарда лет назад, то есть гораздо раньше предыдущих оценок.

8 июля
Полина Меньшова

Ученые из Великобритании предложили психофизиологическую модель, объясняющую, как именно физические упражнения облегчают симптомы депрессии. Особенно она применима к аэробной нагрузке, например ходьбе, подъему по лестнице, бегу.

9 июля
Татьяна

Если человек не может однозначно интерпретировать какое-то визуальное явление, у него возникает желание рассмотреть его получше. Американские ученые впервые продемонстрировали, что происходит в этот момент в мозге.

25 июня
Игорь Байдов

Ученые из Китая и Бельгии воссоздали в лаборатории условия, существовавшие на Меркурии четыре миллиарда лет назад, и выяснили, что они были идеальными для образования слоя алмазов, который с течением времени становился лишь толще.

21 июня
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

1 июля
Александр Березин

Необычный биологический вид, по оценке авторов новой научной работы, пригоден для заселения четвертой планеты без каких-либо предварительных условий — уже в том виде, в котором он существует сейчас. Поскольку речь идет о фотосинтетическом организме, он способен нарабатывать существенное количество кислорода. Интересно, что кандидат на терраформирование Марса сохранил жизнеспособность после месяца в жидком азоте.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий
-
0
+
Сайт голой науки умер от слова совсем а тут как раз навальнята набежали аж в попе свербит им ответить а нельзя
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
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
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

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
Ваше сообщение получено

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

Понятно