— saVRee

Введение

Четырехтактные двигатели внутреннего сгорания (IC) используются более 100 лет, и их конструкция с тех пор существенно не изменилась.Каждый из четырехтактных двигателей тактов используется для одной стадии цикла сгорания , то есть есть один ход для каждой из стадий всасывания, сжатия, мощности и выпуска.

Анимация четырехтактного двигателя

По сравнению с двухтактными двигателями четырехтактные двигатели имеют больше компонентов и больше весят, но более эффективны. Четырехтактные двигатели могут работать на различных видах топлива, включая бензин / бензин , дизельное топливо , газ ( метан ) и биомасло (чтобы назвать несколько типов топлива).

Конструкции четырехтактных двигателей различаются, поэтому количество и типы компонентов, используемых в каждой конструкции, также различаются. Например, в двигателях с общей топливной магистралью используются другие детали двигателя по сравнению с двигателями без системы Common Rail.

Компоненты четырехтактного двигателя

Общие четыре -тактных компонента двигателя включают:

1. Поршень
2. Шатун (Шатун)
3. Подшипники скольжения
4. Коленчатый вал
5. Распредвал
6. Камера сгорания (гильза цилиндра)
7. Впускные клапаны и Выпускные клапаны
8. Толкатели
9. Коромысла
10. Топливные форсунки

Получите доступ к приведенной ниже 3D-модели, если вы хотите изучить все основные компоненты двигателя и некоторую терминологию двигателя.

Компоненты двигателя и терминология

Примечание: Тип двигателя, показанный на этой 3D-модели, использует непосредственный впрыск топлива с топливными форсунками common rail .

Видео ниже представляет собой отрывок из нашего онлайн-видеокурса «Основы двигателя внутреннего сгорания» .

Четырехтактному двигателю требуется четырехтактных двигателей для завершения одного цикла сгорания .Штрихи:

1. Всасывание (Впуск)
2. Компрессия
3. Мощность (зажигание)
4. Выхлоп

Другой способ запомнить штрихи и их порядок — изменить формулировку на:

Ход 1 = Всасывание (всасывание) Ход 2 = Сжатие (сжатие) Ход 3 = Мощность (удар!) Ход 4 = Выпуск (удар)

Ход всасывания

Ход всасывания втягивает воздух в гильзу цилиндра (пространство сгорания), когда поршень движется вниз к нижней мертвой точке (НМТ) .Когда поршень достигает НМТ , впускные клапаны закрываются, и поршень перемещается обратно вверх к верхней мертвой точке (ВМТ) ; это ход сжатия .

Четырехтактный двигатель с указанием ВМТ и НМТ

Ход сжатия

По мере того, как поршень движется к ВМТ , воздух в цилиндре сжимается ( объем уменьшается), и его температура и давление повышаются.Незадолго до ВМТ в камеру сгорания впрыскивается топливо. Топливо воспламеняется, и происходит управляемый взрыв .

График давления и объема

Рабочий ход

После зажигания начинается рабочий ход . Повышение давления и температуры, создаваемое сгоранием, толкает поршень в направлении НМТ. После достижения НМТ все топливо в камере сгорания сгорело, и последний такт двигателя готов к началу.

Ход выхлопа

Такт выпуска — четвертый и последний ход. Поршень перемещается из НМТ в ВМТ и вытесняет выхлопные газы из камеры сгорания через клапаны выхлопных газов. Как только поршень достигает ВМТ, впускные воздушные клапаны открываются, а выпускные клапаны закрываются через короткое время (примерно клапанов перекрывают , чтобы гарантировать удаление всего выхлопного газа из пространства сгорания). Цикл сгорания теперь завершен, так как все четыре такта выполнены.

Бензиновые / бензиновые двигатели используют свечи зажигания для зажигания, в то время как дизельные двигатели используют только тепло, выделяемое за счет сжатия. По этой причине бензиновые двигатели известны как двигатели с искровым зажиганием , а дизельные двигатели — как двигатели с воспламенением от сжатия .

Эта 3D-модель показывает каждую стадию цикла четырехтактного двигателя . Синий указывает на всасывание и сжатие, а красный указывает на расширение (мощность) и выпуск. Все клапаны и другие компоненты правильно рассчитаны, чтобы показать весь четырехтактный процесс.

http://www.animatedengines.com/otto.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Four-stroke_engine

Operando Измерение деформации решетки в компонентах двигателя внутреннего сгорания с помощью дифракции нейтронов

Значение

Компоненты двигателя внутреннего сгорания испытывают экстремальные термомеханические циклы во время работы, и постоянная потребность в повышении эффективности двигателя при сохранении или повышении надежности стимулирует разработку легких материалов с улучшенная термическая и механическая целостность.Понимание поведения новых материалов в динамической работе требует инструментов для определения характеристик, но обычные измерения поведения материалов на месте во время реальной работы двигателя очень ограничены, и не существует никаких практических средств для воспроизведения такой экстремальной динамики для исследования ex situ. В этой работе мы демонстрируем, что проникающая способность нейтронов может обеспечить неинвазивное измерение деформаций решетки внутри компонентов горящего двигателя, что позволяет оперативно изучать сложные состояния нагрузки и температурные градиенты в твердых материалах.

Abstract

Инженерная нейтронная дифракция может неразрушающим и неинвазивным образом исследовать эволюцию напряжений, деформаций, температуры и фаз глубоко внутри объемных материалов. В этой работе мы демонстрируем операндное измерение деформации решетки компонентов двигателя внутреннего сгорания с помощью дифракции нейтронов. Модифицированный промышленный генераторный двигатель был установлен в дифрактометре VULCAN в источнике нейтронов расщепления, и деформации решетки как в блоке цилиндров, так и в головке были измерены в статических условиях без воспламенения, а также в установившемся режиме и в циклических переходных режимах.Динамический временной отклик изменения деформации решетки во время переходного режима был определен в двух местах с помощью асинхронной стробоскопической дифракции нейтронов. Мы продемонстрировали, что операндно-нейтронные измерения могут позволить понять, как материалы ведут себя во всех эксплуатационных инженерных устройствах. Это исследование открывает путь для промышленных и академических сообществ, чтобы лучше понять сложность поведения материалов во время работы двигателей внутреннего сгорания и других реальных устройств и систем, а также использовать разработанные здесь методы для будущих исследований многочисленных новых платформ и сплавов.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) преобразует химическую энергию, хранящуюся в топливе, в механическую энергию за счет прямой силы, действующей на компоненты двигателя в результате расширения газов с высокой температурой и высоким давлением, образующихся при сгорании (1). Этот процесс представляет собой множество проблем с материалами, поскольку извлечение материала выполняется в высокодинамичной, реактивной и агрессивной среде, создавая экстремальные абсолютные значения и временн-пространственные градиенты температуры и давления. В поршневом двигателе оба неподвижных компонента (например,g., головка цилиндра, гильза и коллекторы) и движущиеся компоненты (например, поршни и клапаны) подвергаются сложным термомеханическим циклам с частотами от менее 1000 об / мин на холостом ходу до почти 20000 об / мин в гоночных приложениях. И двигатели с искровым зажиганием (бензин), и двигатели с воспламенением от сжатия (дизельные) подвергаются быстрому высвобождению химической энергии, вызывая чрезвычайно переходные состояния нагрузки и температурные градиенты внутри камеры сгорания. Обычно двигатели работают при пиковой температуре газа, превышающей 2200 ° C, и пиковом давлении в диапазоне от 0.От 5 до 2,5 МПа при скорости повышения давления от 10 до 50 МПа / мс (2), а во время аномальных событий горения, таких как преждевременное зажигание и детонация, скорость повышения давления может превышать 100 МПа / мс (3). Тепловые потоки через различные поверхности в камере сгорания могут сильно различаться в разных местах из-за неоднородности дымовых газов (4) и могут локально превышать 10 МВт / м ² в течение нескольких мсек, когда горящие топливные струи сталкиваются с поверхностями ( 5). Разработка и внедрение новых материалов с улучшенной механической и термической целостностью может повысить надежность и повысить эффективность, а также освободить место для повышенных рабочих температур и использования технологий принудительной подачи воздуха, что еще больше повысит эффективность.Кроме того, если будут приняты новые материалы, которые обладают более высокой удельной прочностью, есть потенциал для улучшения времени реакции на переходную нагрузку и для повышения экономии топлива транспортного средства за счет облегчения. Лабораторные исследования технических материалов с помощью физического моделирования часто проводятся в попытке удовлетворить требования строгой эксплуатации. Понимание динамического поведения, такого как температура, напряжение и деформация во время работы, ценно для разработки новых материалов и для инженеров, стремящихся улучшить эффективность, долговечность и безопасность.Однако из-за отсутствия инструмента неразрушающей оценки, который может имитировать реальные рабочие условия внутри ДВС, истинное понимание динамического термомеханического поведения и реакции компонентов двигателя ограничено.

Последние достижения в области источников нейтронов и нейтронной аппаратуры позволяют исследовать поведение материалов в сложных средах проб на месте как в сокращенных масштабах длины, так и времени (6 (– 8). Источник нейтронов расщепления (SNS) в Окриджской национальной лаборатории (ORNL) — это самая интенсивная в мире установка для времяпролетных нейтронов (TOF), а высокий поток нейтронов дает возможность выполнять измерения дифракции нейтронов с высоким разрешением в диапазоне временные и пространственные масштабы в инженерных приложениях (6, 7, 9).Нейтронная дифракция часто используется для измерения деформации решетки (10, 11) из-за температуры или напряжения, текстуры микроструктуры и ее эволюции, а также фазовых фракций глубоко внутри инженерных компонентов, которые не могут проникнуть даже высокоэнергетические рентгеновские лучи, что делает нейтроны уникальными для изучения поведение материалов в крупных конструкциях (12). Дифрактометр для инженерных материалов VULCAN (13, 14) в SNS предназначен для исследования деформации, фазового превращения, остаточных напряжений и текстуры в технических материалах, которые обычно проходят физическое моделирование в лабораторном масштабе с приложенной нагрузкой и температурами.Падающие щели и коллимация перед блоками дифракционных детекторов ± 90 ° (14) позволяют зондировать небольшой воксельный или измерительный объем внутри конструкции или устройства даже в рабочих условиях. Система сбора нейтронных данных по времени и событию регистрирует полную картину дифрагированных нейтронов с отметками времени и обеспечивает прямые измерения с временным разрешением (7, 15). Эти преимущества инженерной дифракции нейтронов в режиме TOF открывают прекрасную возможность исследовать динамический отклик материала в реальном времени в реальных условиях эксплуатации.Воспользовавшись этими уникальными возможностями в VULCAN, мы демонстрируем измерение изменений шага решетки из-за температуры и напряжения в головке цилиндров ДВС во время переходных режимов. Асинхронная накачка-зонд или стробоскопическое измерение нейтронов (7, 16⇓ – 18) использовалось для определения быстрых зависимостей от времени. Эта работа показывает будущий потенциал измерения быстрой динамики работы конкретных компонентов двигателя с использованием мощной проникающей способности нейтронов с большим потоком в SNS.

Экспериментальная установка

Экспериментальная платформа Operando Engine.

Чтобы продемонстрировать возможность безопасной эксплуатации работающего двигателя в качестве экспериментальной платформы для работы на VULCAN, коммерчески доступный электрический генератор, работающий от карбюраторного одноцилиндрового малокалиберного ДВС, был модифицирован и введен в эксплуатацию в испытательной камере двигателя в Национальных транспортных исследованиях. Центр (НТРК). NTRC — это пользовательский объект DOE, расположенный в ORNL и оборудованный для исследований инновационных технологий ICE и систем управления.Технические характеристики модифицированного ДВС приведены в таблице 1. Схема, иллюстрирующая конфигурацию двигателя и относительное расположение измерительных объемов, представлена ​​на рис. 1 A .

Характеристики генератора и двигателя

Детали эксперимента. ( A ) Схема в разрезе одноцилиндрового двигателя с воздушным охлаждением с репрезентативными положениями измерительных объемов, выделенными как в головке, так и в блоке цилиндров. ( B ) Фотография модифицированного двигателя, установленного на канале связи VULCAN с приборами.( C ) Схема экспериментальной конфигурации (вид сверху), показывающая двигатель, установленный вдоль плоскости 45 °, разделяющей пополам падающий луч, и детекторы (B1 и B2) с измерительным объемом, расположенным в головке блока цилиндров. Камера расположена вдоль ортогональной плоскости под углом 45 ° с видом, показанным на рис. 4.

Для этого эксперимента было несколько уникальных ограничений, связанных с ограниченным физическим пространством образца в дифрактометре, отсутствием специализированных средств тестирования двигателя, таких как динамометр внутри дифрактометра, и тот факт, что нейтроны сильно ослабляются ¹ H из-за его большого сечения некогерентного рассеяния.Эта экспериментальная платформа была выбрана и разработана с учетом следующих соображений безопасности и сбора данных: 1) экспериментальная установка обеспечивала автономную практическую работу работающего двигателя, 2) компактные габаритные размеры, не превышающие ограничений по площади на VULCAN, 3) интегрированный генератор устранил необходимость в автономном динамометре для приема нагрузки от двигателя, 4) двигатель имел воздушное охлаждение и, таким образом, не сталкивался с проблемами сильного ослабления нейтронов или рассеяния водородосодержащим хладагентом, 5) двухклапанная конструкция толкателя сводила к минимуму количество стальных компонентов в головке блока цилиндров, которые могли бы ослабить рассеянные нейтроны из измерительного объема (ов); 6) относительно простая конструкция системы смазки не имела масляных каналов вдоль верхней или передней части двигателя, которые могли бы ослабить падающие или рассеянные нейтроны, и 7) электростартер позволял запускать двигатель дистанционно.

Помимо соответствующих экспериментальных соображений, связанных с VULCAN, которые были решены при использовании двигателя с воздушным охлаждением, геометрическая сложность, представленная охлаждающими ребрами и внутренней геометрией детали, сделала его хорошим испытательным стендом для проверки литейных свойств алюминиево-цериевого (AlCe) сплава. совместная разработка ORNL и Eck Industries. Геометрия головки блока цилиндров Honda GX200 была измерена с помощью рентгеновской компьютерной томографии и импортирована в модель CAD с помощью программного обеспечения для сканирования. После импорта формы для литья в песчаные формы были напечатаны с использованием системы аддитивного производства связующего (19).Этот метод устранил длительное время изготовления традиционной оснастки и снизил стоимость запуска опытного образца небольшой партии, и получившаяся головка блока цилиндров из AlCe показана рядом с исходной головкой блока цилиндров на рис. 2. Преимущества этой технологии могут быть использованы в будущем. экспериментаторам, чтобы быстро проверить новые материалы или влияние геометрии системы на охлаждение и внутреннюю деформацию во время работы. Сплав AlCe, из которого изготовлена ​​головка, был разработан в рамках проекта Института критических материалов и предназначен для высокотемпературных применений, в которых алюминиевые сплавы долгое время изо всех сил пытались найти применение.Сплав использует в качестве первичной добавки элемент церий и имеет состав Al-12 мас.% Ce-0,4 мас.% Mg. Этот состав был выбран, поскольку он находится рядом с эвтектикой Al-Ce, создающей литейный материал, и предыдущие нейтронные исследования, проведенные с этим сплавом, показали, что незначительные добавки Mg оказывают большое положительное влияние на способность распределения нагрузки большей части Al ₁₁ Ce ₃ интерметаллид (20). Высокая термическая стабильность упрочняющих интерметаллидов алюминия-церия, которые образуются во время затвердевания при традиционных скоростях литья, в отличие от осаждения во время дорогостоящих длительных термообработок, делает этот материал хорошим кандидатом для ДВС следующего поколения.Термическая стабильность сплавов является следствием почти нулевой растворимости и сопутствующего низкого коэффициента диффузии Ce в алюминиевой матрице, что означает, что упрочняющие богатые церием интерметаллические фазы блокируются при затвердевании и видят лишь незначительные недетериальные морфологические изменения во время длительного воздействия повышенных температур ( 20).

Литая головка блока цилиндров OEM-производства ( Левая ), изображенная рядом с головкой блока цилиндров из AlCe ( Правая ), изготовленная из форм, напечатанных на 3D-принтере. Оборудование головки цилиндров, включая монтажные шпильки, клапаны и свечу зажигания, было перенесено с головки OEM на головку AlCe.

Платформа двигателя / генератора была подготовлена ​​для использования в нейтронном дифрактометре путем снятия сначала монтажной рамы, внешнего кожуха и всех посторонних крышек и пластиковых компонентов, чтобы минимизировать ослабление нейтронов. Стальной топливный бак был удален и заменен удаленным топливным баком, соединенным гибким шлангом. Стальной глушитель был удален и заменен секцией выхлопной трубы, которая была оснащена термопарой типа K для измерения температуры выхлопных газов.Чтобы получить значимые результаты нейтронной дифракции во время работы двигателя, важно, чтобы целевой измерительный объем оставался постоянным во время каждого измерения. С этой целью разобранный узел был жестко закреплен на алюминиевой макетной плате, чтобы свести к минимуму колебательное смещение двигателя во время работы, и окончательный инструментальный узел показан установленным на VULCAN на рис. 1 B . Обратите внимание, что термин «смещение» используется здесь для обозначения амплитуды колебательного движения внутри конструкции двигателя, а не рабочего объема двигателя.

Автономные испытания были проведены в NTRC для обеспечения безопасной и надежной работы модифицированного двигателя до проведения нейтронографических экспериментов на VULCAN. Вибрационное смещение измерялось трехосевым акселерометром (PCB Piezotronics Model 356B21), установленным на картере двигателя, а также лазерным триангуляционным датчиком (Microtrak 3), направленным на интересующее место на головке блока цилиндров. Двигатель работал при трех режимах нагрузки, подавая электрическую нагрузку на генератор с программируемым набором нагрузок.Эти условия составляли 0 (двигатель на холостом ходу), 1530 и 2586 Вт, что соответствует 0, 55 и 92% номинальной нагрузки генератора соответственно. Генератор также имеет настройку Eco-Throttle, которая снижает частоту вращения двигателя на холостом ходу для снижения расхода топлива и шума, и этот режим также был протестирован. Среднеквадратичные значения вибрационного смещения (среднеквадратичное смещение), измеренные акселерометром и лазером, показаны на рис. 3. Самые низкие уровни среднеквадратичного смещения наблюдались на холостом ходу с включенным Eco-Throttle, тогда как среднеквадратичное смещение было относительно нечувствительным к нагрузке с настройка отключена.Согласие между всеми измерениями было хорошим, и общая величина лазерного луча и оси акселерометра z находилась в хорошем соответствии. Все измеренные значения среднеквадратичного смещения были ниже 0,5 мм, что представляет собой 10% -ный порог для измерительной длины 5 мм, используемой в этом исследовании.

Вибрационное смещение внешней конструкции двигателя в четырех рабочих условиях, измеренное трехосевым акселерометром и лазерным датчиком смещения. Все измерения показывают среднеквадратичное значение <0.5 мм или менее 10% от размера измерительного объема.

После успешного ввода в эксплуатацию на НТРК, обеспечивающего безопасную работу и приемлемые колебательные смещения при работе в модифицированной конфигурации, двигатель и вспомогательные системы были установлены на VULCAN. Схема на рис. 1 C показывает схему операндо эксперимента. Узел двигателя и генератора был установлен наверху ступени поступательного / вращательного движения на пересечении падающего луча и коллиматоров (14).Дистанционная подача топлива была расположена рядом с двигателем, но вне прямого пути луча и на большей высоте, так что топливо могло подавать самотеком в карбюратор без необходимости в топливном насосе. Сигналы от акселерометра и термопары температуры выхлопных газов направлялись в систему сбора данных для мониторинга состояния двигателя в реальном времени. Управление двигателем осуществлялось дистанционным стартером и выключателем, расположенным в диспетчерской VULCAN. Выходная мощность генератора измерялась программируемым блоком нагрузки, расположенным за пределами экспериментального корпуса VULCAN и рядом с диспетчерской.Вся проводка и шланги, подключенные к двигателю и генератору, были расположены вне путей пучка и закреплены с помощью устройства снятия натяжения, чтобы обеспечить перемещение и вращение узла двигателя во время работы. Выхлопные газы из двигателя по гибкому воздуховоду направлялись в вытяжную систему установки.

Внешнее инфракрасное измерение температуры.

В дополнение к измерению выхлопных газов термопарой, для контроля температуры внешних поверхностей использовалась инфракрасная (ИК) камера (FLIR T450sc), записывающая со скоростью 30 кадров в секунду.Точка обзора ИК-камеры была аналогична точке обзора камеры позиционирования образца, показанной на рис. 1 C . Излучательная способность была откалибрована с помощью термопары для поверхностного монтажа, размещенной на головке блока цилиндров; поэтому значения ИК-температуры и изображения, такие как рис. 4, являются количественными только для головки блока цилиндров из AlCe и являются качественными в других местах.

( Слева ) Инфракрасное изображение температуры двигателя через 1 мин после запуска. ( Средний ) Фотография двигателя с камеры центрирования образца.( Правый ) Расположение пространственного картирования 11 × 15 (белые кружки) и выбранные точки в блоке цилиндров (залитый желтым ромб) и головке цилиндра (залитый желтым кругом) для измерений деформации с временным разрешением. Места с красными кружками имели плохую статистику соответствия в одном или нескольких пространственных сопоставлениях, в первую очередь из-за открытой внутренней области в выпускном отверстии (верхний кластер) и утопленных областей отливки, которые могли частично похоронить измерительный объем (средний кластер).

Нейтронографическое измерение статических и динамических деформаций решетки.

Схема операндного измерения дифракции нейтронов проиллюстрирована на рис. 1 C . Падающий луч в SNS является импульсным и работает на частоте 60 Гц. Энергия и длина волны нейтронов разрешаются и количественно оцениваются с помощью записанного времени пролета нейтронов с каждым временем излучения импульса и временем прохождения по фиксированной траектории полета прибора. Настройка прерывателя 30 Гц использовалась для обеспечения широкого диапазона измерения межплоскостного расстояния решетки (d-шаг) от 0.От 5 до 2,5 Å. Падающий луч коллимировался до размера 5 × 5 мм ² с помощью моторизованных падающих щелей перед образцом. Хотя падающий луч рассеивается по всей длине своего пути через образец, радиальные приемные коллиматоры, прикрепленные к двум противоположным блокам детекторов B1 и B2, расположенным перпендикулярно падающему лучу (± 90 °), ограничивают угловой диапазон, в котором рассеянные нейтроны могут достигают детекторов, в результате чего получается измерительный объем 5 × 5 × 5 мм ³ , как показано на рис.1 С . Каждый блок детекторов измеряет изменения шага решетки вдоль биссектрис углов между падающим лучом и дифрагированным лучом (± 45 °). Благодаря импульсной конфигурации пучка TOF, индивидуальные зависящие от местоположения d-интервалы решетки в измерительном объеме могут быть измерены сразу без необходимости вращения образца или детекторов. Подробнее об инженерной дифракционной установке можно прочитать в предыдущей работе (14). Поскольку положения пучков падающих лучей и детекторов фиксированы, расположение измерительного объема в двигателе было изменено путем изменения положения всей установки двигателя с помощью предметного столика прибора.

Результаты и обсуждение

Пространственное отображение распределения деформации решетки.

Чтобы продемонстрировать возможность пространственно разрешенной операндной дифракции нейтронов в ICE, дифракционные картины были собраны на двумерной (2D) сетке размером 55 мм × 75 мм с интервалами 5 мм (11 × 15 точек измерения), как показано на рис. 4. Эта сетка была расположена ниже внешней поверхности двигателя в области, охватывающей границу раздела между блоком цилиндров, который состоит из литого сплава алюминия, поставляемого производителем оригинального оборудования (OEM), и цилиндром. головка, которая состоит из литого сплава AlCe.Поскольку оба сплава основаны на Al, они оба содержат матричную фазу с гранецентрированной кубической (ГЦК) фазой с пиками Брэгга от плоскостей (222) и (311). В общем, расстояние d данного набора плоскостей решетки (hkl) может быть связано с параметром решетки a , который определяет размер элементарной ячейки FCC, bydhkl = ah3 + k2 + l2. [1] Затем можно определить деформацию решетки в заданном месте (x, y, z) путем сравнения измеренного значения dhkl (x, y, z) с эталонным значением dhkl0 (x, y, z): ϵhklx, y, z = dhklx, y, z − dhkl0x, y, zdhkl0x, y, z.[2] При отображении остаточной деформации в образце часто используется одно значение dhkl0, полученное из хорошо охарактеризованного эталона без напряжений. Однако для измерения динамической деформации в крупных инженерных компонентах нецелесообразно использовать одно значение dhkl0 из-за пространственных изменений в составе. Остаточные напряжения от литья, изготовления, сборки и предыдущей операции затрудняют неразрушающее измерение истинных без напряжений d-зазоров во всей системе.Во многих случаях знание того, какое значение использовать для dhkl0, также может быть недоступно из-за неизвестного происхождения, состава и истории рассматриваемого образца. Кроме того, сложность геометрии образца может неизбежно привести к появлению артефактов из-за того, что объем нейтронного датчика только частично заполнен материалом в некоторых местах измерения (частичное захоронение) (10), например, вблизи поверхности.

Здесь мы выбрали опорные значения решетки d3110 (y, z) на основе сопоставления с пространственным разрешением в начальном состоянии двигателя, что позволяет рассчитать эволюцию относительной деформации во время работы двигателя.Это эталонное картирование было проведено при выключенном двигателе и в условиях комнатной температуры (~ 25 ° C) по ранее описанной 2D-сетке, и каждое местоположение измерялось в течение примерно 1 мин. Пик Брэгга FCC (311) был выбран в качестве репрезентативного для расчета деформаций решетки, поскольку на него меньше всего влияют межзеренные деформации, возникающие из-за анизотропии материала (10) и другой локальной информации, такой как текстура отливки. Расстояние между пиками (311) d определяли с помощью аппроксимации одного пика с использованием программного обеспечения Data Reduction и Interactive Visualization для режима нейтронной дифракции в режиме событий (VDRIVE) (21).Результирующее эталонное сопоставление визуализировано на рис. 5 A в виде графика псевдоцвета. Граница раздела между головкой блока цилиндров и блоком хорошо видна, причем головка имеет тенденцию иметь более высокие измеренные значения d311 из-за другого состава сплава. Также существует изменение d311 внутри каждого компонента, что может быть результатом сборочных напряжений и пространственного изменения скорости охлаждения отливки и твердых растворов сплава. Рис. 5 A показывает, что зависящий от местоположения d3110 (y, z) важен для точного расчета отклика на деформацию при работе двигателя.

( A ) Пространственное отображение (311) местоположения пика Брэгга ( d ₃₁₁ ) в двигателе при комнатной температуре в статических эталонных условиях, как показано на псевдоцветной карте. Места, отмеченные красным крестиком, были исключены из визуализации из-за плохой статистики подгонки пиков, а примеры спектров хорошего и плохого качества выделены белыми заполненными кружками и показаны в B . Граница между головкой блока цилиндров и блоком хорошо видна на карте d ₃₁₁ и соответствует областям, выделенным на рис.4. ( B ) Местоположение с хорошей статистикой соответствия пика имеет четко видимые (222) и (311) пики, в то время как местоположение с плохой статистикой не имеет заметных пиков относительно фона. ( C ) Пространственное сопоставление d ₃₁₁ при горячей стационарной работе двигателя — выполнено только частично из-за ограничений по времени. Обратите внимание, что масштабирование отличается от масштабирования в A . ( D ) Карта деформации решетки ( ϵ ₃₁₁ ), рассчитанная путем сравнения d ₃₁₁ во время стационарной работы двигателя ( C ) и статического эталонного состояния ( A ).Исключенные точки в D представляют собой объединение исключений из A и C . Напряжение монотонно увеличивается к правому верхнему углу рисунка, который находится рядом с отверстием для горячего выхлопа (рис. 4). ( E ) Примерные спектры из одного места, используемые для расчета деформации, имеют четко видимые сдвиги в положениях пиков (222) и (311) из-за термически индуцированной деформации.

Обратите внимание, что не все точки измерения использовались при создании визуализации эталонного картирования — некоторые были исключены из-за плохой статистики подгонки пиков.Эти местоположения также отмечены на рис. 4 и делятся на два основных кластера. Группа в верхней части карты совпадает с выпускным отверстием, которое представляет собой открытую область (как показано на рис. 2), где мало или совсем не материал занимает измерительный объем. Группа около середины карты совпадает с углублениями отливки, которые также могли иметь частичное захоронение измерительного объема. Два примера дифракционных картин от эталонного отображения показаны на рис. 5 B . Один взят из места с хорошей статистикой подгонки пиков, в котором есть четко различимые пики (222) и (311).Другой узор взят из места в выпускном отверстии, не имеет заметных пиков относительно фона и был исключен из визуализации карты.

В соответствии с эталонным картированием, расширение решетки из-за повышения температуры при работе двигателя в установившемся режиме при нагрузке генератора 2 кВт было нанесено на карту путем измерения в течение примерно 2 минут для каждого местоположения. В то время как некоторые компоненты двигателей, в частности выпускные клапаны (22), любые области, на которые попадают брызги топлива (5, 23, 24) и другие внутренние поверхности камеры сгорания, такие как гильза и поршневые кольца (25), являются подверженные быстрым колебаниям температуры во время цикла сгорания, они обычно происходят в течение времени порядка миллисекунд, а проникновение тепловой волны в конструкцию двигателя составляет порядка сотен мкм из-за высокой теплоемкости металлов. .Для наших измерений, проведенных вблизи внешней поверхности конструкции двигателя, температура внутри измерительного объема будет фактически постоянной при условии, что двигатель работает с постоянной выходной мощностью и достиг установившегося теплового режима.

Карта операнда d311 (y, z) показана на рис. 5 C и была подготовлена ​​аналогично справочной карте на рис. 5 A . Карта действия была измерена ближе к концу выделенного времени луча, и утечка выхлопных газов привела к преждевременному завершению эксперимента и неполной карте из-за ограниченного оставшегося времени луча, доступного для поиска неисправностей и ремонта.Тем не менее, этот набор измеренных данных демонстрирует доказательство принципа. Две карты имеют в целом похожий вид, но обратите внимание, что цветовая шкала для карты операндов на рис. 5 C была сдвинута в сторону больших значений d-интервала из-за теплового расширения материалов. Используя эти две карты, пространственно разрешенная деформация операндной решетки ϵ311y, z была рассчитана по формуле. 2 и показан на рис. 5 D . Поскольку для расчета деформации требуются значения из обеих входных карт, исключенные точки на карте ϵ311y, z представляют собой объединение исключений во входных картах.Измеренная деформация решетки варьировалась от низкого (2365 ± 112) микродеформаций (µϵ) в блоке цилиндров до высокого (4096 ± 86 µϵ) в головке цилиндров и монотонно увеличивалась к правому верхнему углу карты, ближайшему к горячему. выхлопное отверстие, как показано на рис. 4. Используя измеренный коэффициент теплового расширения (CTE) 23,5 × 10 ⁻⁶ ° C ⁻¹ для сплава головки блока цилиндров AlCe и предполагая, что деформация полностью вызвана тепловым расширением приводит к предполагаемому повышению температуры на 174 градуса.3 ± 5,2 ° C, или абсолютная температура ∼200 ° C в месте наивысшей деформации на карте. Типичные сплавы, используемые для литых алюминиевых блоков цилиндров, имеют КТР в диапазоне от 21 до 24 × 10 ⁻⁶ ° C ⁻¹ (26). Использование КТР 21,8 × 10 ⁻⁶ ° C ⁻¹ для A380, который является наиболее распространенным алюминиевым сплавом для литья под давлением, приводит к предполагаемому увеличению температуры на 108,5 ± 5,7 ° C или к абсолютной температуре ∼133. ° C в месте с наименьшей деформацией на карте. Видно хорошее качественное согласие между подповерхностной деформацией решетки (и предполагаемой температурой) на рис.5 D и ИК-измерения температуры поверхности, показанные на рис. 4.

После того, как двигатель был остановлен и полностью остыл, та же область была перенесена на ту же сетку измерений, и полученная карта d311 (y, z) Показано на рис.6 A . Используя справочную карту на рис. 5 A как d3110 (y, z), деформация решетки ϵ311y, z была рассчитана для каждого местоположения с использованием уравнения. 2 . Результирующая карта микродеформации на рис. 6 B довольно плоская, с большинством местоположений в пределах ± 100 με, что приближается к пределу разрешения дифракционной техники.Примеры дифракционных картин до и после от места в головке блока цилиндров показаны на рис. 6 C и демонстрируют, что пики вернулись в почти идентичные положения. Это отображение до и после показывает, что головка двигателя из литого сплава AlCe вряд ли претерпит морфологические или фазовые изменения во время работы двигателя (20). Это также подтверждает, что наш подход к измерению отдельных эталонов, зависящих от местоположения, эффективен для устранения вклада вариаций d-шага эталонной решетки и позволяет количественно оценить деформации, которые сопоставимы во всей измеряемой области двигателя.

( A ) Пространственное отображение d ₃₁₁ после того, как двигатель был выключен и ему дали остыть до комнатной температуры, с тем же масштабированием, что и на рис. 5 A и в целом похожим внешним видом. ( B ) Карта деформации решетки после охлаждения показывает, что большинство областей имеют остаточную деформацию <100 мкМ. Исключенные точки представляют собой совокупность исключений из рис. 5 A и 6 A . ( C ) Примеры дифракционных картин в одном месте до и после работы двигателя показывают, что пики вернулись в почти идентичные положения.

Отклик на деформацию решетки с временным разрешением во время работы двигателя.

Для изучения реакции динамической деформации решетки во время работы двигателя было выбрано одно место в блоке цилиндров и одно место в головке блока цилиндров из AlCe, как показано на рис. 4, справа. Двигатель работал вручную в трех переходных циклах нагрузки, состоящих из запуска двигателя и холостого хода (нагрузка генератора 0 кВт) в течение 2 минут, ступенчатого переключения на нагрузку генератора 2 кВт (~ 50% номинальной мощности), удерживаемого в течение 5 минут, и остановка двигателя с периодом охлаждения 6 мин.Поскольку нейтронный поток недостаточен для захвата дифракционных картин в реальном времени в этих временных масштабах, для определения изменяющейся во времени реакции системы использовалось непрерывное асинхронное стробоскопическое измерение нескольких переходных циклов нагрузки. Цикл переходной нагрузки повторялся 21 раз, в то время как данные нейтронной дифракции во времени и данные термопары выхлопных газов непрерывно собирались с высоким временным разрешением. Срез стробоскопических данных и синхронизация нейтронных данных и журналов выборки выполнялись с помощью программы VDRIVE (21), которая позволяла создавать ансамблевые дифракционные картины в 20-секундных временных интервалах.Эта комбинация циклических повторений (21 цикл) и размера временного интервала (20 с) была основана на оценках из предыдущих статических измерений накопленного времени луча, необходимого для получения пригодного для использования статистического ансамбля в пределах данного временного интервала. Как правило, для достижения меньшего размера временного интервала потребуется пропорционально большее количество повторений. Дифракционные данные объединенного ансамбля показаны на фиг. 7 A ; Сдвиги пиков FCC (311) и FCC (222) в первую очередь являются результатом теплового расширения сплава, вызванного термоциклированием двигателя, и этот рисунок демонстрирует осуществимость стробоскопического подхода.

( A ) Решетки Al (222) и Al (311) головки блока цилиндров эволюционируют в течение цикла нагрузки двигателя. Данные показаны в виде 20-секундных интервалов времени, суммированных по ансамблю из 21 цикла нагрузки, со сдвигами решетки относительно значений температуры в помещении, соответствующих изменению температуры внутри двигателя во время цикла нагрузки. Контрольные значения d2220 и d3110 были рассчитаны из измеренного a0 = 4,0485 (3) Å с использованием уравнения. 1 . ( B ) Типичная картина TOF-дифракции от блока цилиндров с уточнением Ритвельда.Наблюдаются и подходят как фаза Al, так и интерметаллическая фаза, содержащая Si.

Принимая во внимание, что при пространственном картировании в статических или установившихся условиях, показанных на рис. 5 и 6, размер статистического ансамбля значительно меньше для каждой дифракционной картины в измерениях с временным разрешением, что делает этот подход менее практичным. Чтобы получить изменение параметра решетки с временным разрешением с наименьшей статистической ошибкой аппроксимации, было использовано уточнение Ритвельда полной картины, которое использует метод регрессии наименьших квадратов для подгонки многопараметрического профиля линии ко всем измеренным дифракционным спектрам, а не к отдельным пикам (27 ), как показано на рис.7 В . Это было реализовано на каждой из дифрактограмм срезов с использованием General Structure Analysis System (28) и программного обеспечения EXPGUI (29), и параметры решетки сплавов Al были извлечены как (t, y, z) для каждого местоположения. Затем была рассчитана деформация решетки с временным разрешением аналогично уравнению. 2 , где параметр решетки a использовался вместо d311: ϵt, y, z = at, y, z − a0y, za0y, z. [3] Деформация решетки ансамбля с временным разрешением в двух местах изображены на рис.8 вместе с репрезентативными одноцикловыми измерениями температуры выхлопных газов и инфракрасной температуры поверхности, измеренной на головке цилиндров. Когда двигатель запускался на холостом ходу, температура сначала быстро повышалась и асимптотически приближалась к установившемуся состоянию. Аналогичная картина роста температуры и асимптотического подхода наблюдалась при увеличении нагрузки генератора до 2 кВт. Когда двигатель был выключен на 7 мин, температура выхлопных газов быстро падала, поскольку термопара находилась в центре, или в самой горячей части газового потока, который прекращался сразу после выключения.Напротив, температура инфракрасной поверхности показала кратковременное, но немедленное повышение, поскольку при выключении двигателя также отключался охлаждающий вентилятор, установленный на генераторе. Это привело к уменьшению поверхностной конвективной теплопередачи, а продолжающаяся теплопроводная теплопередача из более горячей внутренней части головки цилиндров вызвала временное повышение температуры поверхности перед изменением тенденции и уменьшением со значительно более медленной скоростью, чем температура выхлопных газов. Данные о совокупной деформации наносятся на график с временными интервалами по 20 с, как описано выше, и кривые деформации решетки в обоих местах очень похожи на температурные кривые с тремя отдельными фазами, соответствующими изменениям нагрузки двигателя.Место измерения в блоке цилиндров имело более низкую деформацию, что указывает на более низкую температуру, чем точка в головке цилиндров, и согласуется с ИК-изображениями на рис. 8 и картированием деформации в установившемся режиме, показанным на рис. 5 D .

( Вверху ) Последовательность ИК-изображений, показывающих изменение температуры поверхности во время переходного цикла нагрузки. ( Bottom ) Реакция ансамбля на деформацию решетки из выбранных мест, измеренная в блоке цилиндров и головке цилиндров путем дифракции нейтронов во время переходных циклов нагрузки, по сравнению с одноцикловыми измерениями температуры выхлопных газов и температуры ИК-поверхности головки цилиндров.

Деформация решетки, измеренная внутри головки цилиндров, нанесена на график зависимости от ИК-температуры, измеренной на поверхности головки цилиндров на рис. 9. Следует отметить несколько предостережений относительно этого сравнения: деформация решетки может быть вызвана механической нагрузкой в ​​дополнение к тепловое расширение; измерительный объем, измеренный методом дифракции нейтронов, находится ниже поверхности на неизвестное расстояние порядка измерительной длины (5 мм), тогда как ИК-камера измеряет излучение с поверхности; излучательная способность для ИК-измерения была откалибрована поверхностной термопарой в одной точке на головке цилиндров и предполагается, что она одинакова для всей головки цилиндров; ИК-измерение берется из одного переходного цикла нагрузки из серии циклов, которые были выполнены в автономном режиме (не одновременно с измерением дифракции нейтронов) и извлечены из ИК-фильма путем усреднения по области 3 × 3 пикселей, которая была выбрана вручную как место на поверхности, наиболее близкое к объему нейтронного датчика, как это видно камерой позиционирования образца; а головка блока цилиндров имеет сложную геометрию охлаждающих ребер, что приводит к значительным локальным колебаниям температуры поверхности.После того, как эти квалификации установлены, рис. 9 действительно показывает сильную корреляцию между температурой поверхности и подповерхностной деформацией решетки ( R ² = 0,95). Данные были подогнаны с использованием линейной регрессии наименьших квадратов с масштабированной ошибкой, связанной с каждой точкой, использованной для взвешивания данных, как ωi = (max (σx) / σx, i) 2+ (max (σy) / σy, i) 2 в дополнение к использованию двухквадратных весов при минимизации остатков, чтобы уменьшить влияние выбросов. Результирующий наклон (25,78 ± 2,01) × 10 ^-6 ° C ^-1 примерно на 10% больше, чем заявленный КТР материала, но находится в очень разумном согласии с учетом оговорок, упомянутых выше, и указывает на то, что деформация решетки вызвано преимущественно тепловым расширением.Сильная корреляция между нейтронографическими данными и другими показателями динамического поведения системы, показанными на рис. 8 и 9 демонстрирует, что стробоскопическая дифракция нейтронов способна неразрушающим образом исследовать динамическую эволюцию деформации решетки во время переходной работы в работающем двигателе.

Деформация решетки, измеренная под поверхностью головки цилиндров с помощью нейтронографии, показывает сильную корреляцию с температурой, измеренной на поверхности головки с помощью инфракрасной камеры.

Проблемы и ограничения.

В отличие от хорошо охарактеризованных и специально разработанных образцов, которые обычно используются для нейтронных исследований, исследования реальных инженерных устройств и систем на месте сопряжены с рядом проблем.

Геометрическая сложность.

Реальные устройства часто имеют сложные геометрические элементы, такие как ребра охлаждения на рассматриваемом здесь двигателе. Даже если номинальная геометрия известна априори, что не всегда так, вариации, возникающие в результате литья или других процессов изготовления, могут вносить неопределенность в отношении фактических размеров образца.Это может создать трудности при выравнивании образца и размещении измерительного объема. Использование реперных маркеров с системой лазерного сканирования и юстировки важно для многократного определения местоположения образца в пространстве, но, как правило, не дает информации о внутренних характеристиках образца.

Вибрация и движение.

Для извлечения значимых результатов из данных дифракции требуется некоторая информация о том, какая часть материала генерирует измеряемый сигнал рассеяния.В случае статического образца это просто, поскольку в измерительном объеме всегда присутствует один и тот же материал. В случае вибрирующего образца со случайными или асинхронными колебаниями относительно нейтронного импульса размер измерительного объема эффективно увеличивается, но с неравномерным отбором образца из объема. Поэтому обычно рекомендуется поддерживать смещение измерительного объема ниже 10% расчетной длины. Аналогичная проблема возникает при перемещении или вращении компонентов, хотя это можно преодолеть, если движение может быть синхронизировано с нейтронным импульсом или если положение может быть измерено в реальном времени, чтобы обеспечить сокращение данных при постобработке.

Размер зерна.

Размер и ориентация зерен могут быть важными факторами в практике использования дифракции для измерения деформации решетки в объемных материалах. Если отдельное зерно занимает значительную часть измерительного объема, реакция рассеяния становится анизотропной, что приводит к неравномерным дифракционным картинам и ошибочным результатам. Это не было проблемой в настоящей работе, так как размер зерна сплава AlCe (от 10 до 100 мкм) (20) был мал по сравнению с измерительным объемом (5 × 5 × 5 мм ³ ).Это подчеркивает силу нейтронов по сравнению с другими методами, такими как синхротронное рентгеновское излучение, которые обычно используют гораздо меньшие калибровочные объемы.

Затухание и рассеяние.

Большие образцы могут представлять проблемы из-за ослабления как падающих, так и дифрагированных нейтронов, причем каждый материал имеет макроскопические коэффициенты ослабления из-за поглощения, когерентного рассеяния и некогерентного рассеяния. В то время как Al является очень прозрачным с комбинированной глубиной проникновения 1 / e 102 мм (нейтроны 1 Å), Fe вызывает значительно большее затухание с глубиной проникновения 1 / e 9 мм.Большое сечение некогерентного рассеяния ¹ H означает, что водородосодержащие материалы, такие как пластмасса, охлаждающая жидкость, смазка и топливо, могут представлять более серьезные проблемы с глубиной проникновения 1 / e для воды всего 1,8 мм (30). Ослабление падающего луча снижает скорость, с которой нейтроны достигают измерительного объема, увеличивая время, необходимое для проведения статистически значимых измерений. То же самое верно и для нейтронов, рассеянных от измерительного объема к детектору, с дополнительным усложнением, заключающимся в том, что неоднородный состав или геометрия материала между измерительным объемом и детектором может вызвать затенение на детекторе.Сильно рассеивающие материалы могут также увеличить скорость счета фона, дополнительно увеличивая необходимое время счета. Обычно рекомендуемые подходы состоят в том, чтобы удалить или заменить твердые компоненты, такие как сталь, пластик или другие ослабляющие материалы, алюминием, где это возможно. В высокотемпературных системах, где прочность Al является ограничением, также можно использовать Ti. Точно так же водородсодержащие жидкости могут быть заменены фторированными эквивалентами, где это возможно. В случаях, когда замена ослабляющих компонентов нежелательна или нецелесообразна, можно также использовать особую ориентацию образца, чтобы избежать помех.

Активация.

Хотя нейтронная диагностика, как правило, неразрушающая с точки зрения механического или химического изменения образцов, нейтронно-индуцированная радиоактивность (активация) действительно вызывает беспокойство для определенных материалов. Активация зависит от изотопного состава и количества материала, а также от нейтронного потока и совокупного времени воздействия. Например, природный Al полностью состоит из стабильного изотопа ²⁷ Al, который имеет малое сечение поглощения нейтронов, равное 1.495 сарай. Его продукт активации ²⁸ Al имеет относительно короткий период полураспада 2,245 мкм, что означает, что даже высокоактивированные образцы могут распадаться ниже высвобождаемых пределов радиоактивности в течение нескольких часов или дней. Напротив, многие стальные сплавы содержат Co в концентрациях от следовых количеств до 8% в быстрорежущей инструментальной стали M42. Единственный стабильный изотоп, ⁵⁹ Co, имеет относительно большое сечение поглощения нейтронов 37,18 барн, а его продукт активации, ⁶⁰ Co, имеет период полураспада 5.275 л (30). В зависимости от концентрации Co и общего нейтронного облучения стальным образцам могут потребоваться дни или десятилетия для разложения ниже допустимых пределов радиоактивности. Поэтому важно, чтобы у пользователей было как можно больше информации о составе их образцов заранее, и пользователи всегда должны быть готовы к тому, что образцы не могут быть выпущены немедленно.

Резюме и перспективы

Мы продемонстрировали операндное измерение деформации решетки компонентов ДВС с помощью дифракции нейтронов.Пространственное изменение деформаций решетки, вызванное тепловыми градиентами в блоке цилиндров и головке цилиндров, было нанесено на карту в установившемся состоянии нагрузки, и тенденции согласовывались с внешними инфракрасными измерениями температуры поверхности. Разрешенный во времени динамический отклик деформации решетки во время циклической нагрузки двигателя был определен в двух местах в 20-секундных временных интервалах с помощью асинхронной стробоскопической нейтронной дифракции, демонстрируя, что измерение операндных нейтронов может позволить понять поведение материалов в эксплуатации в сложные инженерные устройства.Динамический отклик деформации решетки отражал измерения температуры, а деформация решетки, измеренная в головке блока цилиндров, сильно коррелировала с измерением температуры в инфракрасном диапазоне на поверхности головки цилиндров.

Развитие этого метода измерения рабочих деформаций, испытываемых ДВС, позволит изучать сложные состояния нагрузки и температурные градиенты по всему объему твердых компонентов. Понимание этих систем с пространственным и временным разрешением ранее было доступно только с помощью моделей, поддерживаемых точечными измерениями, такими как термопары с быстрым откликом.Возможность предоставления экспериментальных данных о проверке и граничных условиях в аналогичных масштабах и пространственной протяженности для областей, исследуемых в экзадачных моделях следующего поколения, расширит влияние инженерной нейтронной дифракции за счет увеличения пользовательской базы, а также расширения наших знаний о поведении материалов в сложных и сложных условиях. экстремальные условия эксплуатации.

Это исследование также служит отправной точкой для разработки специализированной нейтронографической исследовательской машины, которая ведется в ORNL.В то время как небольшой двигатель с воздушным охлаждением, использованный в этом исследовании, был выбран в основном из-за простоты реализации и управлялся вручную для достижения временного разрешения 20 с, разрабатываемая платформа будет представлять современные автомобильные двигатели и будет иметь тесную интеграцию между двигателями. контроллер и система сбора данных нейтронного дифрактометра для достижения временного разрешения субмсек в стробоскопическом режиме. Этот двигатель также будет служить модульной исследовательской платформой, чтобы предоставить доступ другим пользователям, которые могут пожелать изучить характеристики новых материалов в реальных условиях работы двигателя.Подход, принятый в этом исследовании для быстрого прототипирования пресс-форм для изготовления головки блока цилиндров из сплава AlCe и выполнения измерений деформации решетки в этом компоненте при использовании в реальном двигателе, служит примером того, как пользователи могут использовать производство и транспортировку. , а также установки пользователей нейтронов в ORNL для исследования поведения материалов в процессе эксплуатации без необходимости проектирования всей экспериментальной установки с нуля.

Выражение признательности

Эта работа была поддержана Министерством энергетики США (DOE), Управлением энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, Управлением автомобильных технологий через программу Advanced Combustion Engine Systems.В этом исследовании использовались ресурсы SNS, Управления науки Министерства энергетики США, и NTRC, Управления по энергоэффективности и возобновляемой энергии Министерства энергетики США, которые находятся в ведении ORNL. Исследование сплавов AlCe спонсировалось Институтом критических материалов, центром энергетических инноваций, финансируемым Министерством энергетики, Управлением энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, Управлением перспективного производства и Eck Industries. Эти работы выполнялись под эгидой Министерства энергетики и ORNL по контракту DE-AC05-00OR22725.Мы благодарим Стивена Уиттеда из ORNL за его вклад, который выполнил модификацию и упаковку двигателя для работы в дифрактометре. Автором этой рукописи является UT-Battelle, LLC по контракту DE-AC05-00OR22725 с Министерством энергетики США. Правительство США сохраняет за собой, а издатель, принимая статью к публикации, подтверждает, что правительство США сохраняет за собой неисключительную, оплаченную, безотзывную, всемирную лицензию на публикацию или воспроизведение опубликованной формы этой рукописи или на разрешение другим делать это. для целей правительства США.DOE предоставит публичный доступ к этим результатам исследований, спонсируемых на федеральном уровне, в соответствии с Планом публичного доступа DOE (energy.gov/downloads/doe-public-access-plan). Поддержка набора данных DOI 10.13139 / ORNLNCCS / 1728670 обеспечивается Министерством энергетики США, проект IPTS-18431 по контракту DE-AC05-00OR22725. В рамках проекта IPTS-18431 использовались ресурсы вычислительного центра Oak Ridge Leadership Computing Facility в Oak Ridge National Laboratory, который поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США в соответствии с Контрактом No.DE-AC05-00OR22725.

Сноски

• Авторы: Y.C., M.J.F., O.R., Z.C.S., D.W., E.T.S. и K.A. спланированное исследование; M.L.W., Y.C., M.J.F., S.J.C., O.R., Z.C.S., E.T.S. и K.A. проведенное исследование; M.L.W., Y.C. и К.А. проанализированные данные; и M.L.W., Y.C., S.J.C., O.R., Z.C.S. и K.A. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

• Copyright © 2020 Автор (ы).Опубликовано PNAS.

Контроль загрязнения воздуха от автотранспортных средств

Легковые и грузовые автомобили, автобусы, внедорожники и самолеты считаются мобильными источниками загрязнения воздуха. Чтобы уменьшить загрязнение воздуха из этих значительных источников, как того требует федеральный закон о чистом воздухе 1990 г., DEC:

Как загрязнение двигателя вредит окружающей среде и здоровью

Окись углерода, оксиды азота и углеводороды выделяются при сгорании топлива в двигателе внутреннего сгорания.Они также могут выделяться, когда выхлопные трубы автомобиля выбрасывают воздух и остатки топлива. Пары бензина также выходят в атмосферу при заправке и при испарении топлива из двигателей и топливных систем в результате эксплуатации автомобиля или жаркой погоды.

Загрязняющие вещества в выбросах двигателей транспортных средств или газонного оборудования вызывают повреждение ткани легких и могут вызывать и усугублять респираторные заболевания, такие как астма. Загрязнение от автотранспорта также способствует образованию кислотных дождей. Загрязнение также выделяет парниковые газы, вызывающие изменение климата.

Дизельные двигатели долговечны и эффективны. Однако, поскольку они потребляют дизельное топливо, сложную смесь компонентов нефти, они производят некоторые загрязнители. Небольшое количество топлива выходит из двигателя несгоревшим. Эти находящиеся в воздухе углеводороды могут образовывать более крупные частицы в атмосфере при контакте с переносимой по воздуху пылью и другими частицами.

В отличие от бензиновых двигателей, которые могут не получать достаточно воздуха в цилиндр для сгорания, дизельные двигатели работают с избытком воздуха, поэтому выбросы окиси углерода очень низкие, хотя их можно измерить.Окись углерода — это бесцветный газ без запаха, который соединяется с кровью и ограничивает ее способность переносить кислород. Поскольку двигатели потребляют топливо и воздух и выделяют тепло в процессе сгорания, азот из воздуха может превращаться в оксиды азота, которые представляют собой красновато-коричневые газы, раздражающие легкие и глаза.

Выбросы загрязняющих веществ непосредственно от транспортных средств — не единственная причина для беспокойства. В теплые солнечные дни углеводороды реагируют с оксидами азота с образованием вторичного загрязнителя — озона.Во многих городских районах автомобили вносят наибольший вклад в приземный озон, который является обычным компонентом смога. Озон вызывает кашель, хрипы и одышку. Он также может вызвать необратимое повреждение легких, что делает его причиной серьезных проблем со здоровьем.

Автомобили с нулевым уровнем выбросов (ZEV)

ZEV включают электромобили на батареях, гибридные электромобили с подзарядкой от электросети и электромобили на водородных топливных элементах. Эти технологии могут использоваться в легковых, грузовых и транзитных автобусах.Федеральный закон о чистом воздухе позволяет Нью-Йорку принять стандарты Калифорнии для транспортных средств с нулевым уровнем выбросов (ZEV).

Нью-Йорк и семь других штатов объединились в инициативе по вводу в эксплуатацию 3,3 миллиона ZEV к 2025 году. Меморандум о взаимопонимании описывает шаги, которые эти штаты предпримут для повышения осведомленности потребителей и спроса на ZEV. Многогосударственный план действий по автомобилям с нулевым уровнем выбросов на 2018-2021 годы (покидает веб-сайт DEC) описывает следующие шаги, которые эти государства предпримут для повышения осведомленности потребителей и спроса на ZEV.

Снижение загрязнения окружающей среды от транспортных средств

Надлежащее обслуживание систем контроля выбросов легковых и грузовых автомобилей не только ограничивает вредные выбросы. Это также может улучшить топливную экономичность и производительность автомобиля. Это может даже продлить срок службы автомобиля. Забота о хранении и обращении с бензином и другими растворителями также снижает потери от испарения в атмосферу.

Программы технического осмотра и обслуживания автотранспортных средств (I / M) находятся в ведении DEC и Департамента автотранспортных средств штата Нью-Йорк.Программы I / M требуют ежегодных проверок выбросов и, при необходимости, требуют ремонта неисправных систем выбросов. Программа технического осмотра транспортных средств штата Нью-Йорк (NYVIP) является важным компонентом плана реализации штата Нью-Йорк по обеспечению соответствия национальным стандартам качества окружающего воздуха по озону.

Подробнее о контроле за загрязнением воздуха от автомобилей:

• VW Settlement Information — Нью-Йорк рассчитывает получить финансирование от VW Settlement для поддержки сокращения выбросов NOx, основной причины смога и загрязнения воздуха.
• Средне- и сверхмощные автомобили с нулевым уровнем выбросов — 14 июля 2020 года губернатор Куомо вместе с губернаторами 14 штатов и мэром Вашингтона подписали совместный меморандум о взаимопонимании, обязуясь совместно работать над продвижением и ускорением рынка электроэнергии автомобили средней и большой грузоподъемности.
• Легкие автомобили с низким уровнем выбросов и нулевым уровнем выбросов — программа LEV штата Нью-Йорк смоделирована по образцу программы California CAL-LEV
• Программа грантов штата Нью-Йорк на чистое дизельное топливо — доступно финансирование для приемлемых решений по сокращению выбросов дизельного топлива, начиная от проверенных технологий контроля выбросов и снижения холостого хода до сертифицированных замен двигателей и транспортных средств.
Каталитические преобразователи
• — Департамент принял требования Калифорнии к каталитическим нейтрализаторам: a) запрет на установку использованных каталитических нейтрализаторов; и б) стандарты для новых преобразователей вторичного рынка.
Преобразование альтернативной топливной системы
• — Новые дорожные автомобили, подпадающие под действие Части 218, должны быть сертифицированы либо по стандартам выбросов Калифорнии, либо по стандартам выбросов для транспортных средств штата 50, когда они предлагаются для продажи в Нью-Йорке.
• Продажа новых автомобилей — Департамент внедрил Часть 218, которая применяется к новым дорожным транспортным средствам, поставляемым для продажи в штате Нью-Йорк.