التحسين المعتمد على الذكاء الاصطناعي لضغط الحقن لمحرك ثنائي الوقود بالهيدروجين والوقود الحيوي من سبيروجيرا لتحسين أداء الاحتراق وخصائص الانبعاثات

محركات أنظف لعالم متغير

لا تزال السيارات والشاحنات والآلات الزراعية تعتمد بشكل كبير على محركات الديزل، التي تتميز بالقوة لكنها ملوِّثة. تستكشف هذه الدراسة طريقة لجعل تلك المحركات المألوفة أنظف وأكثر كفاءة بكثير عن طريق مزج وقود حيوي خاص مشتق من الطحالب مع غاز الهيدروجين، ثم استخدام الذكاء الاصطناعي لضبط طريقة حقن الوقود بدقة. النتيجة طريق عملي نحو انبعاثات أقل واقتصاد أفضل في استهلاك الوقود يمكن تطبيقه على العديد من المحركات القائمة بدلاً من استبدالها تمامًا.

لمسة جديدة على وقود الديزل

بدأ الباحثون بمحرك ديزل تقليدي ذو أسطوانة واحدة واستبدلوا جزءًا كبيرًا من الوقود العادي بخليط مشتق من طحلب سبيروجيرا. تم تعزيز هذا الوقود الحيوي بجسيمات كربونية نانوية صغيرة وكمية قليلة من مادة مساعدة للاشتعال، ثم جُهِّز مع الهيدروجين الذي يُغذى عبر مدخل الهواء. معًا تشكل هذه المكونات نظام «ثنائي الوقود»: يُحقن الخليط السائل كشحنة إرشادية تشتعل أولاً، بينما يحترق الهيدروجين بسرعة ونظافة بعد الاشتعال. قاس الفريق بعناية كيف أثّر هذا الترتيب على قدرة المحرك واستهلاك الوقود والملوثات عبر ضغوط حقن مختلفة.

إيجاد النقطة المثلى في حقن الوقود

في محرك الديزل، يحدد الضغط الذي يدفع الوقود عبر الحقن مدى نعومة الرش ومدى اختلاطه بالهواء. اختبرت الدراسة أربعة ضغوط حقن بين 180 و240 بار بينما كان المحرك يعمل بمزيج الهيدروجين والوقود الحيوي. عمومًا قلصت الضغوط الأعلى الفترة بين الحقن والاشتعال، وزادت أقصى ضغوط الأسطوانة، ورفعت معدل إطلاق الحرارة. أعطى أعلى ضغط، 240 بار، أدنى استهلاك للوقود وأعلى كفاءة، لكنه أيضًا أدى إلى احتراق أكثر حدة ومزيد من غازات أكاسيد النيتروجين التي تسهم في الضباب الدخاني.

عند 220 بار، ومع ذلك، حقق المحرك توازنًا واعدًا. بدأ الاحتراق متأخرًا قليلًا وبلغ ذروته عند ضغط أقل إلى حد ما من 240 بار، مما خفف الضغط الميكانيكي على المحرك. كان استهلاك الوقود أعلى بقليل من 240 بار، لكنه ظل أفضل بكثير من الديزل العادي. والأهم أن إعداد 220 بار خفض الدخان وأول أكسيد الكربون والهيدروكربونات غير المحترقة مقارنةً بالديزل القياسي وبحالات الوقود الثنائي الأقل تحسينًا. ارتفعت أكاسيد النيتروجين مقارنة بالديزل النقي لكنها كانت أقل مما كانت عليه عند أعلى ضغط، مما يشير إلى أن ضغط الحقن المعتدل يمكن أن يهدئ مقايضات التلوث المعتادة.

ترك الخوارزميات توجه الضبط

نظرًا لتعقيد سلوك المحركات، لجأ الفريق إلى خوارزميات التعلم الآلي للمساعدة في رسم خريطة كيف يؤثر ضغط الحقن وشروط التشغيل الأخرى على الأداء والانبعاثات. درّبوا ثلاثة أنواع من النماذج — ملاءمات خطية بسيطة، أشجار قرار، وغابات عشوائية — باستخدام بيانات تجريبية عن استهلاك الوقود والكفاءة والضغط داخل الأسطوانة وعدة ملوثات. قدّمت أشجار القرار، التي تقسم البيانات إلى فروع «إن-إذا-فإن» متعددة، أدق التنبؤات عمومًا، مطابقةً عن كثب الضغوط القصوى المقاسة ومستويات الهيدروكربونات مع هامش خطأ منخفض جدًا. هذا يعني أن نموذجًا معتمدًا على الذكاء الاصطناعي يمكن، من حيث المبدأ، أن يقترح أفضل الإعدادات لمحرك ومزيج وقود معينين دون اختبار مكثف.

من محرك المختبر إلى أثر في العالم الحقيقي

بعيدًا عن الأرقام، يجلب مزيج الهيدروجين والوقود الحيوي من الطحالب فوائد ملحوظة عبر دورة الحياة. يمكن زراعة الطحالب على أراضٍ غير صالحة للزراعة باستخدام تيارات نفايات، حيث تمتص ثاني أكسيد الكربون أثناء النمو وتطلقه عند الاحتراق، في حين يضيف الهيدروجين — إذا أُنتج من كهرباء متجددة — طاقة دون زيادة الكربون. تشغيل هذا الزوج في محرك ثنائي الوقود عند ضغط حقن يقارب 220 بار حسّن الكفاءة الحرارية، وقلل السخام وأول أكسيد الكربون، وحافظ على مستويات أكاسيد النيتروجين عند حدود قابلة للإدارة. يرى المؤلفون أنه، إذا تم توسيعه وتوجيهه بواسطة تحكم معتمد على الذكاء الاصطناعي، يمكن لمثل هذه الأنظمة أن تساعد في تخفيض انبعاثات المركبات الثقيلة والمولدات والآلات غير الكهربائية التي يصعب تحويلها بسرعة إلى الكهرباء.

ما يعنيه هذا للمحركات المستقبلية

بشكل مبسّط، تُظهر الدراسة أن مزيجًا مختارًا بعناية من وقود حيوي من الطحالب والهيدروجين، يُقدَّم عند ضغط حقن معتدل ويُضاف إليه ضبط بواسطة التعلم الآلي، يمكن أن يجعل محرك الديزل أنظف وأكثر كفاءة دون إعادة تصميم جذرية. وبينما هناك حاجة لمزيد من العمل على محركات متعددة الأسطوانات، وتدفق هيدروجين متغير والمتانة على المدى الطويل، تشير النتائج إلى مسار واقعي حيث تعمل المحركات الحالية على وقود أنظف، موجهة ببرمجيات ذكية، لخفض الانبعاثات واستهلاك الوقود في الاستخدامات اليومية.

الاستشهاد: Aravind, S., Barik, D., Paramasivam, P. et al. AI based optimization of injection pressure for hydrogen and spirogyra biodiesel dual fuel engine to enhance combustion performance and emission characteristics. Sci Rep 16, 8017 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-34179-w

الكلمات المفتاحية: محركات ثنائية الوقود بالهيدروجين, وقود حيوي من الطحالب, تحسين ضغط الحقن, تقليل انبعاثات المحرك, التعلم الآلي في الاحتراق