تحسين تكوين فوهة الحقن لكفاءة عالية وانبعاثات منخفضة في محركات الديزل التي تعمل بخليط من الديزل الحيوي والـ n-بيوتانول

طاقة أنظف من نفايات يومية

احتراق وقود الديزل يُبقي الجرارات والمضخات والمولدات تعمل، لكنه أيضاً يساهم في احتباس الحرارة ويلوث الهواء. تستكشف هذه الدراسة كيفية تحويل منتجين نادراً ما يُنظر إليهما كسوائل مفيدة — زيت الطهي المستعمل والطحالب سريعة النمو — إلى وقود أنظف لمحركات الديزل، وكيف يمكن لتغيير بسيط في طرف الفوهة المعدنية التي ترش الوقود أن يعزز الكفاءة مع تقليل الغازات الضارة. يشير العمل إلى طرق عملية للحفاظ على تشغيل المحركات الحالية، لكن باستخدام خلطات وقود أكثر خضرة تلائم الاحتياجات الريفية والصغيرة النطاق.

تحويل الطحالب وزيت القلي إلى وقود قابل للاستخدام

ابتدأ الباحثون بعمل خليط ديزل حيوي باستخدام زيت من الطحالب المجهرية Chlorella vulgaris وزيت الطهي المستعمل بنسب متساوية. لوحدها، تكون هذه الزيوت سميكة جداً بحيث لا تحترق جيداً في محرك حديث، لذلك استخدم الفريق عملية كيميائية تميِّهها إلى ديزل حيوي مع إزالة المنتجات الثانوية غير المرغوبة. ساعد محفز صلب قائم على الغرافين في تسريع التفاعل وكان قابلاً لإعادة الاستخدام عدة مرات، مما يقلل النفايات. ثم خُلط الديزل الحيوي الناتج مع وقود الديزل العادي ليشكل خليطاً به 20% ديزل حيوي، وتحسّن أكثر بإضافة 30% من n-البيوتانول، وهو كحول يجعل الوقود أكثر سيلاً ويُحسن الاحتراق.

منصة اختبار لمحركات العالم الحقيقي

لمعرفة كيفية تصرف هذه الوقود عملياً، شغّل الفريق محرك ديزل أحادي الأسطوانة صغير لكنه شائع تجارياً ومتصلاً بجهاز قياس الديناميكا الذي يتيح لهم التحكم الدقيق وقياس ناتج الطاقة. استبدلوا الحاقن القياسي بحاقنات يتم التحكم فيها إلكترونياً كانت متطابقة كلها عدا تفصيل أساسي واحد: عدد الثقوب الصغيرة في طرف الفوهة. بمقارنة فوهات بثلاث، وأربع، وخمس فتحات، جميعها بنفس الحجم والضغط، تمكنوا من عزل كيفية تأثير هذه الهندسة على تفتيت الوقود، وامتزاجه مع الهواء، وأداء المحرك وانبعاثاته. راقب حسّاسون بعناية استهلاك الوقود، وضغط الأسطوانة، وغازات العادم مثل أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات غير المحترقة وأكسيدات النيتروجين.

فوهات أكثر وأدق تعني اقتصاداً أفضل

عبر جميع أنواع الوقود، أدى زيادة عدد فتحات الفوهة إلى تحسين تفتيت رذاذ الوقود وامتزاجه مع الهواء بشكل أدق. تجلّى ذلك في كفاءة حرارية فرملية أعلى — مقياس لمدى تحول طاقة الوقود إلى شغل مفيد — واستهلاك وقود نوعي أقل، وهو ما يعكس كمية الوقود المطلوبة لكل وحدة طاقة. بينما أعطى الديزل النقي أعلى ضغوط ذروة وكفاءة قوية، فقدّم خليط يحتوي على 20% ديزل حيوي من الطحالب وزيت النفايات مع 30% n-بيوتانول و50% ديزل، مقترناً بفوهة من خمس فتحات، أفضل توازن: وصل إلى نحو 33% كفاءة وأدنى استهلاك وقود عند أعلى حمل تم اختباره. ببساطة، أنجز المحرك عملاً أكثر لكل لتر من هذا الوقود المخلوط عند الرش من خلال الفوهة الأكثر تفتيتاً.

عادم أنظف، مع مقايضة مهمة واحدة

أظهرت قياسات العادم أن خلطات الديزل الحيوي والبيوتانول، لا سيما مع فوهات بعدد فتحات أكبر، خفضت بوضوح انبعاثات أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات غير المحترقة مقارنة بالديزل العادي. تنبع هذه المكاسب من الأكسجين الإضافي في الوقود والرذاذ الأدق، مما يساعد على احتراق الوقود بشكل أكثر كمالاً حتى مع زيادة قدرة المحرك. ومع ذلك، فإن الاحتراق الأكثر شمولاً ودرجات الحرارة الأعلى أدّت أيضاً إلى ارتفاع مستويات أكاسيد النيتروجين، وهي مجموعة غازات مرتبطة بالضبخ والمشاكل التنفسية. أنتجت الفوهة ذات الخمس فتحات والخليط الغني بالأكسجين أعلى مستويات أكاسيد النيتروجين من بين كل الحالات المختبرة، على الرغم من أن الباحثين يشيرون إلى أن أنظمة المعالجة لاحقاً الشائعة، مثل إعادة تدوير غاز العادم وتقليل الانتقائي الحفزي، يمكنها خفض هذه الانبعاثات.

تعديلات أجهزة صغيرة لديزل أكثر خضرة

ببساطة، تبيّن هذه الدراسة أن إعادة تصميم متواضعة لمجرى الحاقن، مقترنة بمزيج مضبوط بعناية من ديزل حيوي مستخرج من النفايات وكحول والديزل العادي، يمكن أن تجعل محركات الديزل الحالية أنظف وأكثر اقتصادية دون تعديلات ميكانيكية كبيرة. أعطت مزيجة فوهة ذات خمس فتحات مع خليط من الديزل الحيوي من الطحالب وزيت الطهي المستخدم بالإضافة إلى n-البيوتانول أفضل نتيجة شاملة: كفاءة قوية، واستهلاك وقود أقل، وتقليل الغازات المسببة لتكوّن السخام، مع تكلفة زيادة أكاسيد النيتروجين التي يمكن معالجتها بتقنيات تنظيف العادم المعروفة. بالنسبة للمجتمعات والصناعات التي تعتمد على محركات ديزل صغيرة، يقدم هذا النهج مساراً عملياً لخفض البصمة الكربونية وتلوث الهواء المحلي مع استغلال أفضل لتدفقات النفايات اليومية.

الاستشهاد: Kumar, N.S., Barik, D., Velmurugan, S. et al. Optimizing injector nozzle configuration for high efficiency and low emissions in diesel engines fueled with biodiesel and n-butanol blends. Sci Rep 16, 12556 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43079-6

الكلمات المفتاحية: الديزل الحيوي, محرك ديزل, حقن الوقود, زيت الطهي المستعمل, n-بيوتانول