Neutroner kigger ind i en kørende motor

I et første af sin slags eksperiment, forskere brugte neutroner til at undersøge ydeevnen af ​​en ny aluminiumslegering i en benzindrevet motor - mens motoren kørte.

Et hold fra Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory arbejdede sammen med industripartnere for at udføre testen, som så på, om en højtydende legering, der er lovende til bilapplikationer, holdt op under varmen og stresset fra en forbrændingsmotor.

Bedriften var den første for Spallation Neutron Source, sagde Ke An, ledende instrumentforsker for anlæggets VULCAN-instrument. "Dette var første gang en forbrændingsmotor er blevet kørt på vores diffraktometer, og, så vidt vi ved, på enhver anden, " sagde han.

Neutronernes unikke egenskaber gør det muligt for dem at trænge ind i materialer på en ikke-destruktiv måde, afsløre grundlæggende detaljer om et materiales atomare struktur. VULCAN bruger neutroner til at måle belastning og stress på store industrielle prøver, hvilket gjorde den ideel til vurdering af et cylinderhoved støbt af en aluminium-ceriumlegering ORNL udviklet i samarbejde med Eck Industries.

ORNL materialeforsker Orlando Rios, som har arbejdet gennem Critical Materials Institute for at udforske brugen af ​​cerium som et forstærkende middel til aluminiumslegeringer, ledet forsøget.

"Vores eksperiment bekræftede, at vores legering klarer sig bedre end andre aluminiumslegeringer ved forhøjede temperaturer, " sagde Rios.

"Bilindustrien er i øjeblikket interesseret i legeringer, der kan holde til høje varmekrav fra nye, energieffektive teknologier, " forklarede han. "Vores aluminium-cerium sammensætning viser enestående stabilitet ved temperaturer over 500 grader Celsius [932 grader Fahrenheit], hvilket er uhørt for aluminiumslegeringer."

Løjtnant Eric Stromme, en Navy Tours med Industry Fellow, der hjalp med projektet, tilføjet, "Med en aluminiumslegering, der er stabil ved høje temperaturer, motorer kunne køre varmere, og komponenter kunne gøres lettere, øge effektiviteten og brændstoføkonomien."

Hjulpet af kolleger ved ORNL's Manufacturing Demonstration Facility og National Transportation Research Center, Rios' team støbte Al-Ce cylinderhovedet ved hjælp af 3-D-printede sandforme og eftermonterede komponenten til en prototypemotor designet specielt til VULCAN.

I løbet af det tre-dages eksperiment - med motoren stoppet og genstartet via en fjerntænding fra VULCAN's kontrolrum - tillod neutrondiffraktion forskerne at "se" højtemperaturstabiliteten af ​​Al-Ce under motorens driftsregime.

Materialer oplever komplekse kræfter og ekstreme temperaturer under intern forbrænding, så forskerne ønskede at måle materialets ydeevne under faktiske driftsforhold.

"Vi tog virkelig motoren igennem dens hastigheder. Det var nok det mest højlydte eksperiment, der fandt sted på SNS, " bemærkede Rios, som arbejdede på projektet med ORNL postdoc Michael Kesler og University of Tennessee Bredesen Center Fellow Zachary Sims.

"Hele teamet var imponeret over kvaliteten af ​​dataene fra VULCAN, især i betragtning af, at neutronerne skulle rejse gennem en hel motorstruktur, før de blev observeret af vores detektorer for at levere information om cylinderhovedet på arbejde, " sagde Rios. "Det er virkelig bemærkelsesværdigt."

En tilføjet, "Det, vi har opnået, er et proof-of-concept for at bevise gennemførligheden og værdien af ​​denne form for eksperiment."

An bemærkede effektiviteten af ​​at samarbejde på tværs af discipliner mellem ORNL og industripartnere for at støtte indsatsen. Han arbejder i øjeblikket på at strømline processen for fremtidige VULCAN-brugere.

"Dette var et fundamentalt eksperiment, ikke kun for bedre at forstå denne legering, men også for at give nogle bredere analyser, der vil tillade nye legeringer, ikke kun aluminiumsforbindelser, skal behandles på denne måde, " sagde Rios. "Eksperimentet demonstrerer fordelene ved at koble fundamental videnskab med tidlige stadier af forskning og udvikling af nye materialer og teknologier. Vi håber, at det, vi lærer gennem dette eksperiment, kan anvendes på mange andre materialer i en bred vifte af applikationer."

Denne forskning blev sponsoreret af DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy gennem Critical Materials Institute, en DOE Energy Innovation Hub, med yderligere finansiering fra DOE Office of Science. Partnere omfatter Ames National Laboratory, ORNL, Lawrence Livermore National Laboratory, Idaho National Laboratory, og Eck Industries. Materials Science and Technology Division på ORNL ledede eksperimentet i samarbejde med Manufacturing Demonstration Facility, National Transportation Research Center, og VULCAN-instrumentholdet.