为了开发具有更高能效和超低排放的先进车辆，美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的研究人员正在加速研制一种研究用发动机，以前所未有的视角实时了解内燃机的原子层面工作原理。

这种发动机专为在中子束线内运行而构建，可以提供独特的样品环境，以研究新合金的结构变化。这些合金针对先进高温内燃机的真实运行环境而设计。

2017年，ORNL于首推此类设施。当时研究人员成功评测一款小型原型发动机，其气缸盖由该实验室开发的一种新高温铝铈合金铸造而成。这是全球首次使用美国能源部散裂中子源(SNS，位于ORNL)的VULCAN 中子衍射仪，对运行中的发动机进行中子衍射分析。此项研究不仅证明此类独特合金的硬度，而且表明使用中子等非破坏性方法分析新材料具有价值。

当中子散布在原子中时，研究人员可以获得丰富的原子层面结构信息，因为中子甚至能够穿透致密的金属。在这种情况下，科学家们确定了合金在诸如高温和极端应力或张力等运行条件下的表现，以识别甚至最细微的缺陷。

在此基础上，ORNL专门设计了一种研究发动机，用于VULCAN。该设施基于一台两升四缸的汽车发动机，经过改进后可以单缸运行，以节省光束线样本空间。该发动机平台可以围绕汽缸轴旋转，以提供最大的测量灵活性。该发动机针对中子研究而设计，包括使用基于氟碳化合物的冷却剂和机油，以提高燃烧室的能见度。

该设施可以为研究人员提供所需要的实验结果，以快速准确地检测新材料，并改进发动机设计的高保真计算模型。该项目负责人Martin Wissink表示：“研究人员关注发动机中发生的湍流燃烧和通过固体成分进行的传热过程之间的相互作用。了解和优化这一过程，是提高发动机热效率的关键。目前这些模型大多没有现场验证数据。我们的目标是完全解决燃烧室中所有金属部件在整个区域内的应力、应变和温度问题。”

该发动机已经按照ORNL规格进行设计，目前正由西南研究院进行最终研发，并将在能源部的国家交通研究中心(NTRC，位于ORNL)进行调试，然后在SNS首次使用，预计将于2021下半年投入使用。主要研究人员Ke An表示，SNS的VULCAN仪器可以容纳更大的结构，因此是理想的研究设备。VULCAN设计针对变形、相变、残余应力、结构和微观结构研究。研究人员正在为中子发动机平台准备新的排气系统和其他改装设施，包括发动机新控制界面。

科学家将把来自中子发动机的测量结果，输入正在开发的高性能计算模型中，以加快高级内燃机突破。研究人员希望，准确预测热损失、火焰淬熄和喷射到气缸中的燃料蒸发等现象，尤其是在通常排放量最高的冷启动发动机运行期间。预计通过中子发动机提供的数据，可以进一步了解在发动机循环过程中，金属发动机部件的温度在整个发动机中是如何变化的。所产生的高保真模型可以在超级计算机上快速运行，比如美国速度最快、人工智能能力最强的Summit计算机。

Wissink表示：“我们将把这些基础科学设施与应用结合起来，并在实际工程设备和系统中进行测量。全面测量发动机部件中的应变和温度，这在以前是不可能实现的。将这些数据作为HPC模型的验证或边界条件，与汽车行业的研究人员共享，这一点具有重要意义。”

ORNL建筑和运输科学部负责人Robert Wagner表示，这种中子发动机有助于制造更节能、超清洁的发动机。