تأثير إضافة جزيئات نانوية من CeO₂ على أداء المحرك والاحتراق والانبعاثات لوقود الديزل الحيوي من Podocarpus falcatus الإثيوبي

تحويل الأشجار المحلية إلى وقود أنظف

تشغّل محركات الديزل الجزء الأكبر من الزراعة والنقل والطاقة الاحتياطية في العالم، لكنها أيضاً تطلق غازات ضارة وقطراناً مرئياً. تستكشف هذه الدراسة طريقة لجعل محركات الديزل أنظف وأقل اعتماداً على الوقود المستورد باستخدام زيت من شجرة إثيوبية غير صالحة للأكل، Podocarpus falcatus، وتعزيز أدائها بجزيئات نانوية صغيرة من أكسيد السيريوم. الهدف هو معرفة ما إذا كان هذا الديزل الحيوي المحلي المصدر، المحسّن قليلاً بتقنية النانو، قادرًا على تشغيل محرك بكفاءة مع تقليل الدخان المرئي والوقود غير المحترق في العادم.

شجرة لا تنافس الغذاء

تنتشر شجرة Podocarpus falcatus في مرتفعات إثيوبيا وهي غنية بالزيت، وغالباً ما تنمو على أراضٍ غير مناسبة للمحاصيل. يمكن لبذورها أن تعطي 40–50% زيت، خاصة عند إزالة القشرة، مما يجعلها مرشحًا قويًا للديزل الحيوي دون التنافس مع إنتاج الغذاء. في هذا العمل، ضغط الباحثون الزيت من البذور ثم حولوه إلى ديزل حيوي باستخدام محفز صلب مصنوع من أكسيد الكالسيوم وأكسيد السيريوم. أظهرت الاختبارات أن خلطات الوقود الناتجة، التي تحتوي على 10–30% من هذا الديزل الحيوي مخلوطًا بالديزل العادي، كانت ذات خصائص — مثل محتوى الطاقة واللزوجة وجودة الاشتعال — قريبة بما يكفي من الديزل لتشغيل محرك احتراق بالانضغاط عادي دون تغييرات في المعدات.

إضافة جزيئات نانوية لتحسين الاحتراق

إلى جانب دورها في صناعة الديزل الحيوي، يلعب أكسيد السيريوم دورًا ثانياً داخل المحرك نفسه. أضاف الفريق كمية صغيرة جدًا — 80 جزءًا في المليون — من هذه الجزيئات النانوية إلى كل خليط ديزل–ديزل حيوي. يمكن لأكسيد السيريوم تخزين الأكسجين وإطلاقه ويعمل كمساعد صغير قابل لإعادة الاستخدام أثناء الاحتراق. في محرك اختبار أحادي الأسطوانة، قارن الباحثون بين الديزل العادي وخلائط الديزل الحيوي ونفس الوقود المحتوي على الجزيئات النانوية. قاسوا القدرة الناتجة، واستهلاك الوقود، وضغط الأسطوانة، وسرعة الاشتعال والاحتراق، ومستويات الملوثات الرئيسية في العادم مثل أول أكسيد الكربون، والهيدروكربونات غير المحترقة، وأكسيدات النيتروجين، والدخان.

كيف استجاب المحرك

بدون الجزيئات النانوية، أدى زيادة نسبة الديزل الحيوي إلى خفض طفيف في القدرة والكفاءة واحتاج المحرك إلى قليل من الوقود الإضافي لأداء نفس الشغل، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن الديزل الحيوي يحمل طاقة أقل لكل كيلوغرام وله لزوجة أعلى من الديزل. أصبح الاحتراق داخل الأسطوانة ألين وأتأخر توقيته قليلاً. عند إدخال المضاف النانوي، تراجعت هذه الخسائر إلى حد كبير. ارتفعت الكفاءة الحرارية عند المكابح بما يصل إلى نحو 12%، واستعاد عزم المكابح نسبة 3–10% مقارنة بنفس الخلطات دون جزيئات نانوية، في حين انخفض استهلاك الوقود بشكل ملحوظ. داخل الأسطوانة، زاد الضغط الأقصى وازداد الذروة المبكرة لإطلاق الحرارة وتحركتا أقرب إلى النقطة المثالية في دورة المحرك. تقلص تأخير الاشتعال وإجمالي مدة الاحتراق، مما يدل على أن خليط الوقود والهواء كان يحترق أسرع وأنظف.

عادم أنظف مع مقايضة

أظهر التحسن في الاحتراق أثره بوضوح عند أنبوب العادم. انخفضت مستويات أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات غير المحترقة — علامات على الوقود المهدور — بشكل كبير مع الديزل الحيوي، وقلت أكثر عند إضافة الجزيئات النانوية، حيث انخفضت الهيدروكربونات غير المحترقة بما يصل إلى نحو 70%. كما تراجعت تعتيم الدخان، المرتبط بالسخام المرئي، للديزل الحيوي وشهد خفضًا إضافيًا بنحو 9–10% مع الوقود النانوي. العيب الوحيد كان زيادة متوسطة في أكاسيد النيتروجين، بارتفاع نحو 7% عند الحمل الكامل مع الجزيئات النانوية. يتوافق ذلك مع صورة احتراق أكثر حرارة وكمالاً، إذ تتكوّن هذه الغازات بسهولة أكبر عند درجات حرارة أعلى. يقترح المؤلفون أن استراتيجيات محرك معروفة مثل تدوير غازات العادم أو أنظمة المعالجة اللاحقة يمكن أن تُستخدم للحد من أكاسيد النيتروجين مع المحافظة على فوائد الكفاءة وتقليل السخام.

ماذا يعني هذا لمحركات المستقبل

بعبارات يومية، تُظهر الدراسة أن وقودًا مصنّعًا من شجرة إثيوبية محلية وغير صالحة للأكل يمكنه تشغيل محرك ديزل تقريبًا بنفس كفاءة الديزل العادي، وأن جرعة صغيرة من جزيئات أكسيد السيريوم النانوية يمكنها تعويض الخسارة الطفيفة في الأداء مع تقليل حاد للدخان والوقود غير المحترق في العادم. وعلى الرغم من الارتفاع الطفيف في بعض الملوثات المرتبطة بارتفاع درجات حرارة اللهب، فإن هذه الزيادات ضمن نطاقات يمكن لأنظمة التحكم في الانبعاثات الحالية التعامل معها. تشير نتائج الدراسة مجتمعة إلى مسار عملي نحو وقود ديزل أنظف وأكثر محلية المصدر، دون الحاجة لإعادة تصميم المحركات الحالية.

الاستشهاد: Birhanu, B., Deshmukh, D., Yemane, T.H. et al. Influence of CeO₂ nanoparticle addition on engine performance, combustion, and emissions of ethiopian podocarpus falcatus biodiesel. Sci Rep 16, 12289 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42636-3

الكلمات المفتاحية: الديزل الحيوي, جزيئات نانوية, محركات الديزل, الانبعاثات, الوقود المتجدد