تحليل سطح الاستجابة وTQM-ML لمحرك PCCI يعمل بزيت الصنوبر وبيوديزل من الطحالب الدقيقة

طاقة أنظف من محركات مألوفة

لا تزال معظم السيارات والشاحنات والمولدات تعتمد على محركات الديزل، التي تتميز بكفاءة جيدة لكنها معروفة بعوادمها المملوءة بالدخان وبانبعاثاتها المسببة للاحتباس الحراري. تستقصي هذه الدراسة ما إذا كان من الممكن الاحتفاظ بالهيكل الأساسي لمحرك الديزل، مع تشغيله بمزيج أذكى من الوقود المتجدد وضبط قائم على البيانات بحيث يحترق بنقاء أكبر دون الحاجة إلى تغييرات مادية كبيرة. من خلال مزج زيت مستخرج من الصنوبر مع بيوديزل مستخرج من الطحالب الدقيقة، ثم استخدام الإحصاء المتقدم والتعلم الآلي وأساليب مراقبة الجودة، يرسم الباحثون خارطة لطريقة الحصول على مزيد من القدرة المفيدة مع تقليل السخام وأول أكسيد الكربون—مع تحفّظ صريح بشأن تحدٍ يبقى قائماً: تلوث أكاسيد النيتروجين.

طريقة جديدة لتغذية محرك ديزل

عمل الباحثون مع محرك ديزل ذو أسطوانة واحدة يمكن تغيير نسبة الضغط (نسبة الانضغاط)—مقياس مقدار ضغط خليط الهواء والوقود. بدلاً من الاعتماد فقط على الديزل الأحفوري، استخدموا نظام وقود مزدوج. تم حقن رشّة صغيرة "بادئة" من الوقود (إما ديزل نقي أو ديزل مخلوط مع 10 أو 20 بالمئة بيوديزل من الطحالب الدقيقة) داخل الأسطوانة لإطلاق الاشتعال. في الوقت نفسه، تم ضخ زيت الصنوبر في ممر السحب ليختلط تماماً مع الهواء الداخل قبل الانضغاط. زيت الصنوبر غني بالأكسجين، رقيق ومتطاير جداً، مما يساعده على التبخر والاختلاط؛ أما البيوديزل من الطحالب الدقيقة فله نشاط تفاعلي أعلى ويساعد على الاشتعال الموثوق. من خلال تعديل نسبة الانضغاط، وحمل المحرك، ونسبة استبدال زيت الصنوبر للوقود التقليدي (10، 20، أو 30 بالمئة)، استكشف الفريق بشكل منهجي سلوك هذا المزيج.

قياس الأداء والعادم

على امتداد عشرات الاختبارات المتكررة بعناية، قاس الفريق كفاءة تحويل الوقود إلى قدرة وكمية التلوث الناتجة. ركزوا على الكفاءة الحرارية على المحك (مدى وصول طاقة الوقود إلى عمود المرفق)، والاستهلاك الوقودي لكل وحدة قدرة، ومكونات العادم الأساسية: أول أكسيد الكربون، الهيدروكربونات غير المحترقة، أكاسيد النيتروجين، والدخان المرئي. وجدوا أن الكفاءة ترتفع عموماً مع زيادة حمل المحرك ونسبة الانضغاط، وتبلغ ذروة حول 60–80 بالمئة من الحمولة الكاملة. إضافة زيت الصنوبر حتى نحو 30 بالمئة، خاصة مع استخدام خليط بادئ مكون من 10 بالمئة بيوديزل من الطحالب الدقيقة، خفّضت قليلاً استهلاك الوقود عند الأحمال العملية وقلّلت الدخان والهيدروكربونات غير المحترقة بدرجة كبيرة. ثمن هذه المكاسب كان ارتفاعاً في أكاسيد النيتروجين، التي تميل للتكون عند درجات حرارة أعلى وحين توفّر الأكسجين بكثرة.

السماح للبيانات بتحديد النقطة المثلى

بما أن نسبة الانضغاط والحمل ونسبة الوقود تتفاعل بطرق معقدة، لجأ المؤلفون إلى أدوات إحصائية وتعلم آلي لإيجاد "النقطة المثلى" بدلاً من تغيير إعداد واحد في كل مرة. باستخدام منهجية سطح الاستجابة—طريقة منظمة لتركيب أسطح منحنية عبر بيانات تجريبية—بنوا معادلات تربط إعدادات المحرك بالأداء والانبعاثات ثم طلبوا من البرنامج تعظيم الكفاءة مع تقليل الملوثات. بالتوازي، درّبوا تسعة نماذج تعلم آلي مختلفة على نفس البيانات. ثبت أن تقنية التعزيز التدرجي، وهي أسلوب تجميعي حديث، كانت الأكثر دقة، حيث توقعت معظم النتائج ضمن نسبة قليلة بالمئة من القيم المقاسة. لتجنّب قرارات "الصندوق الأسود"، استخدموا طريقة تسمى SHAP لبيان أي العوامل كانت الأهم: حمل المحرك ونسبة الانضغاط سيطرا على الكفاءة وأكاسيد النيتروجين، بينما أثرت نسبة زيت الصنوبر بشدة على الدخان وأول أكسيد الكربون والوقود غير المحترق.

التحقق من الموثوقية والأثر طويل الأمد

بعيداً عن الأرقام الخام، طبقت الدراسة أفكار إدارة الجودة الصناعية—المستخدمة عادة في المصانع—على مختبر المحرك. أكدت الاختبارات المتكررة، وتقديرات عدم اليقين الرسمية، وفحوصات "قابلية العملية" أن القياسات كانت مستقرة وأن المنطقة المحسّنة للتشغيل لم تكُن صدفة. أخيراً، قارن المؤلفون استراتيجيات وقود مختلفة بمصفوفة قرار وزنّت الكفاءة والانبعاثات وقابلية التجدد والبصمة الكربونية والعملية والسلامة. سجل المزيج المكوّن من وقود بادئ بنسبة 10 بالمئة بيوديزل من الطحالب الدقيقة، وزيت صنوبر بنسبة 30 بالمئة، ونسبة انضغاط عالية أعلى الدرجات باستمرار، بفضل كفاءة محسّنة، ودخان وأول أكسيد كربون أقل بكثير، وحصة متجددة أكبر، حتى بعد الأخذ في الاعتبار انبعاثه الأعلى من أكاسيد النيتروجين ومتطلبات التعامل الأكثر إحكاماً قليلاً.

ما الذي تعنيه هذه النتائج للمحركات المستقبلية

بعبارة بسيطة، تُظهر الدراسة أن محرك ديزل عادي، مُغذّى بمزيج مُختار بعناية من زيت الصنوبر وبيوديزل الطحالب الدقيقة ومُضبَّط بمساعدة أدوات بيانات حديثة، يمكن أن يولد عملاً مفيداً أكثر مع انبعاثات مرئية أقل من السخام وبعض الغازات الضارة الأخرى. المنهج لا يحل بعد مشكلة أكاسيد النيتروجين، لكنه يحوّل المقايضة في اتجاه أنظف ويقدّم مساراً عملياً لاستخدام مزيد من الوقود المتجدد في المحركات الحالية. مع تعديلات إضافية—مثل إعادة تدوير غازات العادم أو تحكم أدق في توقيت الحقن—يمكن لمثل هذا النظام ثنائي الوقود والمحسّن بالبيانات أن يساعد في سد الفجوة بين محركات اليوم المعتمدة على الأحفوري ومستقبل أقل كربوناً.

الاستشهاد: Al Awadh, M., Michael, G.K.O. Response surface and TQM-ML analysis of a PCCI engine fueled with PO and microalgae biodiesel. Sci Rep 16, 10256 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40929-1

الكلمات المفتاحية: محركات ديزل, الوقود الحيوي, زيت الصنوبر, بيوديزل من الطحالب الدقيقة, التعلم الآلي في الاحتراق