Na busca por veículos avançados com maior eficiência energética e emissões ultrabaixas, os pesquisadores do Oak Ridge National Laboratory estão acelerando um motor de pesquisa que dá aos cientistas e engenheiros uma visão sem precedentes dentro do funcionamento em nível atômico dos motores de combustão em tempo real.
A nova capacidade é um motor construído especificamente para funcionar dentro de uma linha de feixe de nêutrons. Este motor neutrônico fornece um ambiente de amostra exclusivo que permite a investigação de mudanças estruturais em novas ligas projetadas para o ambiente de um motor de combustão avançado de alta temperatura operando em condições realistas.
ORNL revelou a capacidade pela primeira vez em 2017, quando os pesquisadores avaliaram com sucesso um pequeno protótipo de motor com uma cabeça de cilindro fundida a partir de uma nova liga de alumínio-cério de alta temperatura criada no laboratório. O experimento foi o primeiro no mundo em que um motor em funcionamento foi analisado por difração de nêutrons, usando o difratômetro de nêutrons VULCAN no Departamento de Energia da Fonte de Nêutrons de Espalação, ou SNS, no ORNL.
Os resultados da pesquisa, publicados nos Proceedings of the National Academy of Sciences, não só provaram a robustez da liga única, mas também demonstraram o valor do uso de métodos não destrutivos, como nêutrons, para analisar novos materiais.
Os nêutrons penetram profundamente, mesmo através de metais densos. Quando os nêutrons espalham átomos em um material, eles fornecem aos pesquisadores uma riqueza de informações estruturais até a escala atômica. Nesse caso, os cientistas determinaram o desempenho das ligas em condições operacionais como alto calor e estresse ou tensão extrema para identificar até mesmo os menores defeitos.
O sucesso do experimento levou o ORNL a projetar um mecanismo de pesquisa desenvolvido especificamente em escala relevante para a indústria para uso no VULCAN. A capacidade é baseada em um motor automotivo de dois litros e quatro cilindros, modificado para operar em um cilindro para conservar o espaço da amostra na linha de luz. A plataforma do motor pode ser girada em torno do eixo do cilindro para fornecer máxima flexibilidade de medição. O motor é projetado especialmente para pesquisa de nêutrons, incluindo o uso de líquido refrigerante e óleo à base de fluorocarbono, o que melhora a visibilidade na câmara de combustão.
A capacidade fornecerá aos pesquisadores os resultados experimentais de que precisam para examinar novos materiais com rapidez e precisão e melhorar os modelos computacionais de alta fidelidade de projetos de motores.
“Em todo o mundo, a indústria, os laboratórios nacionais e a academia estão olhando para a interface entre a combustão turbulenta que acontece no motor e o processo de transferência de calor que ocorre por meio dos componentes sólidos”, disse Martin Wissink, líder do projeto no ORNL. “Compreender e otimizar esse processo é realmente fundamental para melhorar a eficiência térmica dos motores.”
“Mas atualmente, a maioria desses modelos quase não tem dados de validação in situ”, acrescentou. “O objetivo é resolver totalmente o estresse, a deformação e a temperatura em todo o domínio sobre todas as peças de metal na câmara de combustão.”
O motor foi projetado para especificações ORNL e está atualmente em desenvolvimento final com o Southwest Research Institute, e será comissionado no Centro de Pesquisa de Transporte Nacional do DOE, ou NTRC, no ORNL antes de seu primeiro uso no SNS, que é esperado no final de 2021. Tanto o NTRC quanto o SNS são instalações do usuário científico do DOE, fornecendo acesso às ferramentas mais avançadas da ciência moderna para pesquisadores de todo o mundo.
O instrumento VULCAN no SNS é ideal para a pesquisa, pois acomoda estruturas maiores, disse Ke An, cientista-chefe do instrumento. VULCAN é projetado para estudos de deformação, transformação de fase, tensão residual, textura e microestrutura. Segundo An, eles estão preparando a plataforma do motor neutrônico com um novo sistema de escapamento e outras retrofits, incluindo uma nova interface de controle do motor.
“Isso é o que deixará as pessoas animadas, produzindo resultados em um motor maior e de última geração”, disse An. O motor neutrônico “fornecerá ainda mais opções aos usuários que buscam validar seus modelos para resolver problemas como estresse, deformação e temperatura. Ele mostra o valor direto dos nêutrons para um importante setor de manufatura”.
As medições do motor neutrônico serão alimentadas em modelos de computação de alto desempenho, ou HPC, que estão sendo desenvolvidos por cientistas para acelerar as descobertas de motores de combustão avançados.
Os pesquisadores estão interessados em criar previsões precisas de fenômenos como perdas de calor, extinção de chamas e evaporação do combustível injetado no cilindro, especialmente durante as operações do motor a frio, quando as emissões costumam ser mais altas. Espera-se que os dados do motor neutrônico forneçam uma nova compreensão de como a temperatura dos componentes metálicos do motor muda ao longo do motor ao longo do ciclo do motor.
Os modelos de alta fidelidade resultantes podem ser executados rapidamente em supercomputadores como o Summit, o computador mais rápido e com maior capacidade de IA do país. A Summit está localizada no ORNL como parte do Oak Ridge Leadership Computing Facility, também um centro de usuário científico do DOE.
“Estamos ligando esses recursos científicos fundamentais a aplicativos e fazendo medições em dispositivos e sistemas de engenharia reais”, disse Wissink. “A medição completa de deformações e temperaturas em componentes de motor é algo que não foi possível antes. É crucial ter esses dados como uma validação ou como uma condição de limite para os modelos de HPC que podem ser compartilhados com pesquisadores da indústria automotiva.”
O motor neutrônico aumenta as capacidades existentes no ORNL e em outros laboratórios nacionais no trabalho de criar motores mais eficientes em termos de energia e ultra-limpos, disse Robert Wagner, diretor da Divisão de Ciência de Edifícios e Transporte do ORNL.
“A capacidade de operar um motor nas linhas de luz de nêutrons nos permite fazer medições sem precedentes em condições realistas do motor”, disse Wagner. Essa capacidade se soma aos recursos únicos que os laboratórios nacionais trazem para aumentar a eficiência e as emissões dos motores de combustão, como a pesquisa de motores ópticos no Sandia National Laboratories e com a Advanced Photon Source no Argonne National Laboratory.
O poder desses recursos exclusivos está sendo alinhado para resolver os problemas mais desafiadores por meio de um consórcio de seis laboratórios chamado Partnership to Advance Combustion Engines, liderado pelo DOE Vehicle Technologies Office.
“O que nos diferencia aqui no ORNL é o portfólio de ciência disponível”, disse Wagner. “Estamos utilizando a fonte de nêutrons mais poderosa do mundo, o supercomputador mais rápido do país e ciência de materiais de classe mundial em coordenação com nossa experiência em transporte para enfrentar os grandes desafios de um futuro de energia mais sustentável.”
Publicado em 22/12/2020 08h41
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