التحقيق في تأثير الهيدروجين على محرك الاشتعال بالضغط يعمل بمخلوطات الانحلال الحراري باستخدام طرق تجريبية وRSM

تحويل النفايات وغاز بسيط إلى طاقة أنظف

تُعد محركات الديزل الحديثة دعائم النقل والصناعة، لكن عوادمها مصدر عنيد لتلوث الهواء والغازات المغذية للاحتباس الحراري. تستكشف هذه الدراسة فكرة مبتكرة: تشغيل محرك ديزل قياسي بخليط من الديزل العادي وزيت مستخرج من نفايات البلاستيك وغاز الهيدروجين. من خلال اختبار هذه التركيبات بعناية، يوضح الباحثون كيف يمكننا استخلاص طاقة مفيدة أكثر من كل قطرة وقود مع تقليل الانبعاثات الضارة في الوقت نفسه.

لماذا خلط الهيدروجين مع الديزل وزيت البلاستيك؟

يحترق الهيدروجين بسرعة ونظافة: فهو لا يحتوي على الكربون، لذا لا ينتج مباشرة ثاني أكسيد الكربون أو السخام. أما زيت الانحلال الحراري فهو وقود سائل يُحصل عليه بتسخين نفايات البلاستيك حتى تتحلل إلى جزيئات أصغر. تحويل النفايات إلى وقود يمكن أن يقلل من مكبات النفايات والطلب على النفط الخام، لكن هذا الزيت بمفرده قد يكون كثيفاً، ذو رائحة، ومجهداً للمحركات. يجمع المؤلفون كميات صغيرة من زيت البلاستيك مع الديزل القياسي ثم يضيفون تياراً ثابتاً من غاز الهيدروجين. هدفهم هو استخدام موثوقية الديزل كوقود «اشتعال أولي» لإشعال الخليط، وسرعة اللهب لدى الهيدروجين لتنقية الاحتراق، وزيت البلاستيك كبديل جزئي منخفض التكلفة للديزل الأحفوري.

كيف أُجريت اختبارات المحرك

استخدم الفريق محرك ديزل ذو أسطوانة واحدة مماثل لتلك الموجودة في المولدات والآلات الصغيرة. شغّلوا المحرك بسرعات ثابتة مع تغيير الحمل من عدم تحميل وحتى القدرة الكاملة. قورنت أربع حالات وقود: ديزل نقي؛ حصة طاقة متساوية 50–50 من الديزل والهيدروجين؛ ديزل مع 10% زيت انحلال بلاستيك؛ ونفس خليط 10% زيت مع تدفق ثابت من الهيدروجين. سجلت حساسات ضغط حساسة وأنظمة بيانات كيف ارتفع الضغط داخل الأسطوانة وكيف أطلق الحرارية أثناء الاحتراق. في الوقت نفسه، قاس محللو العادم الملوثات الرئيسية مثل أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات غير المحترقة وثاني أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين.

طاقة أكبر من وقود أقل

برزت حالتا وقود رئيسيتان. عند استبدال 10% من الديزل بزيت الانحلال الحراري، وصل المحرك إلى كفاءة حرارية فرملية تقارب 34%، أي أفضل بنحو خمس مقارنة مع الديزل العادي. ببساطة، تم تحويل جزء أكبر من الطاقة الكيميائية للوقود إلى قدرة عمودية مفيدة بدلاً من أن تُهدر كحرارة. انخفض استهلاك الوقود عند الحمل الكامل من نحو 0.35 إلى 0.22 كيلوجرام لكل كيلوواط‑ساعة. إضافة الهيدروجين إلى هذا الخليط من زيت البلاستيك قللت الكفاءة قليلاً لكنها زادت الضغط الأقصى داخل الأسطوانة وحافظت على إطلاق حرارة حاد ومتحكم فيه. هذا يشير إلى احتراق أسرع وأكثر اكتمالاً، مدفوعاً بالاشتعال السريع للهيدروجين وسهولة امتزاجه مع الهواء.

تنقية العادم

أظهرت قراءات التلوث مزايا واضحة للوقود المختلط. أنتج خليط الديزل و10% زيت بلاستيك والهيدروجين أدنى مستويات أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات غير المحترقة وثاني أكسيد الكربون من بين جميع الحالات المختبرة. مقارنة بالديزل النقي، انخفض أول أكسيد الكربون بحوالي ثلث، وانخفضت انبعاثات الهيدروكربونات بأكثر من عشرة بالمئة، وهو مؤشر على أن كمية أقل من الوقود عبرت دون أن تُحترق. كما كان ثاني أكسيد الكربون أقل، جزئياً لأن كمية الكربون الأحفوري المحترقة لكل وحدة قدرة كانت أقل. أما أكاسيد النيتروجين، الملوث الرئيسي المكوّن للضباب الدخاني، فتصرفت بشكل مختلف: جاءت أقل القيم من حالة 50–50 ديزل–هيدروجين، التي خفضت هذه الانبعاثات بنحو 14% مقارنةً بالديزل النقي. أكدت النمذجة الإحصائية أن الاتجاهات المقاسة كانت متسقة وأن التوافقات الرياضية تتبع البيانات التجريبية عن كثب.

ماذا يعني هذا للمحركات اليومية

بالنسبة للقارئ غير المتخصص، الخلاصة واضحة: إن إضافة الهيدروجين وكمية معتدلة من زيت مشتق من البلاستيك إلى الديزل بعناية يمكن أن تجعل المحرك التقليدي أكثر اقتصاداً وأنظف. يسرّع الهيدروجين الاحتراق وينظفه، بحيث يستخلص المحرك عملاً أكبر من كل وحدة وقود، بينما يحل زيت البلاستيك جزئياً محل الديزل الأحفوري بمادة معاد تدويرها. في الوقت نفسه، تنخفض عدة ملوثات عادم رئيسية، ويمكن التحكم في أكاسيد النيتروجين بنسبة الهيدروجين المناسبة. على الرغم من أن الاستخدام الواقعي سيحتاج حلولاً لتخزين الهيدروجين والسلامة وتحمل المحرك على المدى الطويل، تُظهر هذه الدراسة أن خلط غاز بسيط وسائل مشتق من النفايات في محركات اليوم قد يكون خطوة عملية نحو طاقة أكثر خضرة ودائرية.

الاستشهاد: Kumar, K.S., Surakasi, R., Kareemullah, M. et al. Investigation of hydrogen influence on compression ignition engine fuelled with pyrolysis blends using experimental and RSM methods. Sci Rep 16, 10304 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39172-5

الكلمات المفتاحية: محركات الوقود المزدوج الهيدروجينية, زيت انحلال البلاستيك النفايات, انبعاثات محركات الديزل, الوقود البديل, النقل الأخضر