Argonne si Caterpillar simuleaza modalitati pentru imbunatatirea eficientei si reducerea emisiilor motoarelor diesel dedicate conditiilor grele de lucru.
Motoarele diesel heavy-duty sunt inca folosite pe majoritatea vehiculelor de mare tonaj din industria constructiilor, mineritului si transporturilor. Ingineri din intreaga lume lucreaza la imbunatatirea eficientei consumului de combustibil și la reducerea poluarii acestor motoare, in scopul diminuarii consumului de energie si a asigurarii durabilitatii acestor industrii in viitor.
Pentru a rezolva aceasta problema, cercetatorii din cadrul Laboratorului National Argonne al Departamentului pentru Energie (DOE) al SUA si-au unit fortele cu Caterpillar Inc., unul dintre cei mai mari producatori de echipamente de constructii si minerit din lume. Profitand de resursele informatice de inalta performanta ale Argonne, cercetatorii au dezvoltat un model de piston pentru motoarele Caterpillar, care ar putea imbunatati eficienta consumului de combustibil, reducand in acelasi timp emisiile nocive.
Mai intai, echipa a creat cadrul potrivit pentru a optimiza structura sistemului de ardere, utilizand un instrument 3D de calcul al dinamicii fluidelor numit CONVERGE, dezvoltat de Convergent Science, Inc. Dupa combinarea datelor privind transferul de caldura si combustie derivate din modelele CONVERGE cu date de mediu privind producerea de funingine și oxid de azot (NOx), au fost apoi facute sute de simulari de inalta fidelitate pentru a dezvolta modele viabile pentru cavitatile pistoanelor – camerele de ardere din motoarele diesel.
Prin aceasta metoda, s-au identificat mai multe modele cu potential de a imbunatati eficienta consumului de combustibil si de a reduce emisiile. Caterpillar a creat prototipuri ale celor mai performante modele utilizand tehnici de fabricatie aditiva pentru a putea valida rezultatele.
„Prin valorificarea resurselor informatice disponibile la Argonne, am derulat simulari foarte detaliate si am obtinut rezultatele mult mai rapid, reducand timpul de simulare de la cateva luni, la cateva saptamani,” a precizat Chao Xu, cercetator post-doctorand din cadrul Argonne, resposabil cu derularea simularilor.
S-a obtinut un model foarte promitator pentru cavitatea pistonului, care a imbunatatit procesul de amestec intre combustibil si aer. Cercetatorii au constatat ca se poate reduce consumul de combustibil cu aproape 1%, o imbunatatire semnificativa, reducand in acelasi timp cantitatea de funingine cu pana la 20%.
„Toata lumea va profita de procesul de lucru pe care l-am dezvoltat,” a declarat Sibendu Som, manager al Sectiei de Cercetare Informatica in Multi-fizica din cadrul diviziei pentru Sisteme Energetice a Argonne, care supravegheaza echipa care lucreaza la proiectul cu Caterpillar. „Vom publica metodologia noastra, astfel incat companiile sa o poata folosi pentru a-si proiecta singuri cavitatile pistoanelor.”
Pe langa inovatiile in simulare aduse de proiect, una dintre dezvoltarile cheie ale echipei va permite companiilor sa-si optimizeze modelele de motoare folosind propriile sisteme informatice interne. Acest model simplificat, bazat pe rezultatele a sute de simulari complexe, ofera un nivel omogen de precizie si reduce cerintele de calcul cu pana la 40%.
„De fapt, putem reduce costurile de testare daca avem un model predictiv si optimizam proiectele pe un supercomputer. De asemenea, reducem si timpul de care industria are nevoie pentru a dezvolta un produs – un beneficiu major,” a precizat Prithwish Kundu, cercetator stiintific care coordoneaza proiectul la Argonne.
„Colaborarea noastra cu Argonne in acest proiect a permis explorarea unui spatiu masiv de proiectare”, a explicat Jon Anders, cercetator principal si specialist senior in inginerie din cadrul Diviziei pentru Solutii si Componente Integrate a Caterpillar. „Lucrand impreuna si mobilizand expertiza in simulari si resursele de calcul de la Argonne, cu expertiza in productie si testare de la Caterpillar, am reusit sa optimizam si sa testam un piston intr-un interval de timp mult mai scurt decat ar fi fost posibil altfel.”
Explicatie poza:
Cercetatorii de la Argonne au folosit supercomputere pentru a optimiza cavitatile pistoanelor motoarelor produse de Caterpillar Inc. Cele mai performante modele au redus consumul de combustibil si formarea de funingine, iar altele au redus emisiile de NOx. (Imagine: Chao Xu/Laboratorul National Argonne.)
Organizatii implicate:
Office of Energy Efficiency and Renewable Energy sprijina cercetarea in faza primara si dezvoltarea de tehnologii dedicate eficientei energetice si energiei din surse regenerabile pentru a consolida cresterea economica a SUA, securitatea energetica si calitatea mediului.
Argonne Leadership Computing Facility ofera comunitatii stiintifice si de inginerie capacitati de calcul intensiv (supercomputere) pentru descoperiri si intelegeri fundamentale intr-o gama larga de discipline. Cu sprijinul programului oferit de Oficiul pentru Stiinta si Cercetare Informatica Stiintifica Avansata (ASCR) din cadrul DOE (Departamentul pentru Energie al SUA), ALCF este una din cele doua facilitati DOE pentru sisteme informatice de varf din tara dedicate stiintei deschise.
Laboratorul National Argonne cauta solutii pentru problemele nationale presante din stiinta si tehnologie. Argonne, primul laborator national, desfasoara cercetari stiintifice fundamentale aplicate si de avangarda in aproape toate disciplinele stiintifice. Cercetatorii Argonne colaboreaza cu cercetatori de la sute de companii, universitati si agentii federale, de stat si municipale pentru a le ajuta sa-si rezolve problemele specifice, sa sustina progresul stiintific al Americii si sa asigure un viitor mai bun pentru intreaga natiune. Cu angajati din peste 60 de tari, Argonne este administrat de UChicago Argonne, LLC pentru Biroul pentru Stiinta (Office of Science) al Departamentului pentru Energie al SUA.
Biroul de Stiinta (Office of Science) al Departamentului pentru Energie al SUA este cel mai mare sustinator al cercetarii fundamentale in stiintele fizice din Statele Unite si se concentreaza pe gasirea de solutii la unele dintre cele mai presante provocari ale timpului nostru. Pentru mai multe informatii, vizitati: https://energy.gov/science.
