هل يمكن أن تقلل المضافات الوقودية من الانبعاثات الضارة لأنظمة الوقود؟

كيف تعمل المضافات الوقودية على تقليل الانبعاثات

المسارات الكيميائية: المضافات المؤكسدة، ومحسّنات السيتان، والإضافات الحفازة التي تغيّر كيمياء الاحتراق

تعمل مضافات الوقود سحرها من خلال تغيير طريقة احتراق الوقود على المستوى الجزيئي. فعلى سبيل المثال، تُدخل المنتجات المستندة إلى الإيثانول أكسجينًا إضافيًا إلى خليط الوقود، مما يساعد على التخلص من جزيئات أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات المتبقية المزعجة، وتحويلها بدلًا من ذلك إلى ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء. وفي محركات الديزل، توجد مواد تُعرف بمعززات السيتان مثل EHN التي تحسّن اشتعال الوقود. فهي تقصر فترة الانتظار قبل بدء الاحتراق، ما يجعل المحرك يعمل بسلاسة أكبر بشكل عام. ثم توجد المضافات الحفازة التي تحتوي على معادن، ومن الأمثلة الشائعة عليها أكسيد السيريوم. هذه المواد تُسهّل بشكل أساسي بدء احتراق الوقود لأنها تقلل ما يُسميه الكيميائيون بـ'طاقة التنشيط'. والنتيجة؟ احتراق أنظف حتى في درجات الحرارة غير العالية جدًا داخل المحرك. وتتم كل هذه الحيل الكيميائية المختلفة داخل غرفة الاحتراق نفسها، مما يقلل من الرواسب شبه المحترقة التي تسبب مشكلات التلوث. وتشير معظم الشركات المصنعة إلى انخفاض كبير في الانبعاثات الضارة عند استخدام عبوات المضافات المصممة بشكل مناسب.

التأثيرات الديناميكية الحرارية: انتشار أسرع لللهب، وتأخير أقل في الإشعال، واشتعال أكثر انتظامًا

يمكن أن تُحسّن بعض المضافات الكيميائية كفاءة احتراق الوقود في المحركات من خلال ضبط العمليات الحرارية المهمة داخل المحرك بدقة. وعند إضافة محسّنات السيتان إلى وقود الديزل، فإنها تقلل من الوقت اللازم لاشتعال الوقود بعد رشه في غرفة المحرك، أحيانًا بنسبة تصل إلى حوالي 30٪. وهذا يعني أن الوقود يشتعل بسرعة أكبر بمجرد حقنه، مما يساعد على توزيع أكثر انتظامًا للهب في كامل غرفة الاحتراق. وفي حالة عدم استخدام هذه المضافات، تميل بعض المناطق في الأسطوانة إلى تراكم كميات كبيرة من الوقود غير المحترق، ما يؤدي إلى تكوّن الجسيمات التي نسميها تلوث المواد الجسيمية (PM). كما أن التحكم الأفضل في عملية الاحتراق يمنع ارتفاع درجات الحرارة بشكل مفرط، وهو أمر إيجابي لأن درجات الحرارة العالية هي السبب الرئيسي في تكوّن الغازات الضارة مثل أكاسيد النيتروجين (NOx) في المقام الأول. وباختصار، يؤدي ذلك إلى تحسين الأداء العام للمحرك، وتوفير تكاليف الوقود، والحد من الملوثات التقليدية في الهواء وكذلك انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2) في آنٍ واحد.

استهداف الملوثات: كيف تقلل المضافات من أول أكسيد الكربون، وأكاسيد النيتروجين، والهيدروكربونات غير المحترقة، والجسيمات الدقيقة عند المصدر

تعمل مضافات الوقود الحديثة عن طريق تقليل بعض الانبعاثات الضارة من خلال تركيبها الكيميائي. وعندما تُخلط المركبات المؤكسجة، فإنها تساعد في خفض أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات الكلية لأنها تضمن احتراق الوقود بشكل أكثر اكتمالاً، خاصة عندما يكون الأكسجين غير متوفر بكميات كافية. تحتوي بعض المضافات على معادن مثل السيريوم أو الحديد التي تعمل فعلياً على تسريع احتراق جسيمات السخام داخل المحرك. وقد وجدت الأبحاث أن ذلك يمكن أن يقلل انبعاثات المواد الجسيمية من المحركات بنسبة تتراوح بين 18 إلى 31 بالمئة. كما تقوم بعض الخلطات الخاصة أيضاً بضبط درجات حرارة الاحتراق، مما يساعد في الحد من مستويات أكاسيد النيتروجين دون التأثير على كفاءة تشغيل المحرك. ما يجعل هذه المضافات ذات قيمة كبيرة هو قدرتها على معالجة عدة مصادر للتلوث في آنٍ واحد. فهي تعمل كطبقة حماية إضافية قبل أن تخرج غازات العادم من المحرك، وفي الوقت نفسه تجعل عملية الاحتراق أكثر كفاءة وتساعد المركبات على قطع مسافات أطول بكل خزان وقود.

الإضافات المؤكسدة واحتراق أنظف في محركات البنزين والديزل

تحسّن الإضافات المؤكسدة كفاءة الاحتراق من خلال زيادة توافر الأكسجين في خليط الوقود، مما يدعم أكسدة أكثر اكتمالاً ويقلل من انبعاثات أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات غير المحترقة.

خليط الإيثانول و1-بيوتانول: تقليل انبعاثات أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات بنسبة تصل إلى 22%

يُعد الإيثانول و1-بيوتانول من المؤكسدات المعروفة جيداً، وعند خلطهما بالبنزين أو الديزل، يمكن أن يقللا من انبعاثات أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات بنسبة تصل إلى 22٪ (SAE 2020). ويدعم ارتفاع محتواهما من الأكسجين احتراقاً أكثر شمولاً، خاصة في ظروف الاحتراق الفقير حيث يكون الأكسجين محدوداً في العادة، مما يؤدي إلى تقليل المنتجات الثانوية الناتجة عن الاحتراق الجزئي.

محدوديات تتعلق بتقليل أكاسيد النيتروجين والجسيمات في ظروف تشغيل الديزل ذات الحمولة العالية

تؤدي المواد المؤكسجة وظيفة جيدة في تقليل انبعاثات أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات، ولكن عندما يتعلق الأمر بأكاسيد النيتروجين والجسيمات أثناء الأحمال العالية على الديزل، فإن النتائج ليست واضحة إلى هذا الحد. فالمزيد من الأكسجين يعني اشتعالاً أكثر حرارة داخل المحرك، مما يزيد في الواقع من إنتاج أكاسيد النيتروجين (NOx). كما لاحظ الباحثون أمرًا مثيرًا للاهتمام، وهو وجود زيادة طفيفة في تلك الجسيمات النانوية الدقيقة وفقًا لدراسة نُشرت في مجلة Combustion and Flame عام 2017. ومع ذلك، فإن الكمية الإجمالية للسوت عادةً ما تنخفض. ما يشير إليه هذا كله هو أن الملوثات المختلفة تتصرف بشكل مختلف حسب شدة عمل المحرك في أي لحظة معينة.

مضافات محفِّزات نانوية وقائمة على المعادن للتحكم المتقدم في الانبعاثات

الجسيمات النانوية Al2O3 وCeO2: خفض بنسبة 18–31% في الجسيمات الأولية الخارجة من المحرك وتحسين أكسدة السوت

تعمل بعض الجسيمات النانوية مثل أكسيد الألومنيوم (Al2O3) وأكسيد السيريوم (CeO2) كعوامل حفازة داخل أسطوانات المحرك، مما يعزز انتقال الحرارة ويساعد الوقود على الاحتراق بشكل أكثر اكتمالاً. وتشير الدراسات إلى أنه عند خلط ما بين 50 إلى 100 جزء في المليون من CeO2 مع وقود الديزل، فإن انبعاثات المواد الجسيمية من المحركات تنخفض بنسبة تتراوح بين 18٪ و31٪. كما تنخفض مستويات أول أكسيد الكربون، إضافة إلى الهيدروكربونات المتبقية المزعجة تلك. والحقيقة أن ما يحدث هنا أمر مثير للاهتمام حقاً. فالسيريوم يعمل من خلال تفاعلات سطحية ويطلق الأكسجين أثناء الاحتراق، مشكلاً جزيئات أكسجين نشطة تهاجم جسيمات السخام. وهذا الأسلوب ذو الشقين يقلل من تكوّن السخام منذ البداية، كما يتعامل أيضاً مع رواسب الكربون المتراكمة الموجودة مسبقاً في غرف الاحتراق. وقد لاحظ الميكانيكيون العاملون على المحركات الحديثة تحسنًا في نظافة الغرف بمرور الوقت عندما تُستخدم هذه المضافات بانتظام.

مركبات الحديد والسيريوم كعوامل حفازة تُضاف للوقود: تعزيز الكفاءة وتقليل المفاضلة بين NOx-PM

يُحدث إضافة مركبات الحديد والسيريوم تقدماً في مواجهة المشكلة القديمة المتمثلة في التوازن بين انبعاثات أكاسيد النيتروجين والجسيمات في محركات الديزل. تعمل هذه المضافات عن طريق تقليل أوقات تأخير الاشتعال وخلق أنماط احتراق أكثر انتظاماً داخل الأسطوانة. ونتيجة لذلك، تنخفض مستويات الدخان بشكل كبير — وتُظهر بعض الاختبارات انخفاضاً بنسبة 40-45% تقريباً — دون حدوث زيادات كبيرة في إنتاج أكاسيد النيتروجين. ما يجعل هذه العوامل المساعدة مفيدة بشكل خاص هو قدرتها على العمل بكفاءة على مدى واسع من درجات حرارة التشغيل، وبالتالي تستمر في العمل سواء كان المحرك يعمل تحت حمل خفيف أو بقدرة كاملة. ويُعد هذا تبايناً مع طرق المعالجة التقليدية للعادم التي تعالج الملوثات فقط بعد تكوّنها أثناء عملية الاحتراق. بدلاً من ذلك، تعالج العوامل المساعدة المضافة للوقود المشكلة منذ بداية العملية، مما يوفر نتائج أنظف مع الحاجة إلى مكونات أقل بشكل عام للتحكم في الانبعاثات.

مُحسِّنات السيتان وتأثيرها على انبعاثات الديزل

نترات 2-إيثيلهيكسيل (EHN): التأثيرات الواقعية على أول أكسيد الكربون، والهيدروكربونات، وأكاسيد النيتروجين، وعتامة الدخان من اختبارات NEDC

يعمل مادة EHN، أو نترات 2-إيثيلهكسيل، كمادة مُضافة شائعة لتحسين رقم السيتان في وقود الديزل، ما يعني ببساطة أنها تساعد محركات الديزل على الاشتعال بشكل أسرع. وعند اختبارها وفقًا لمعايير NEDC القديمة، وُجد أن إضافة EHN إلى الوقود تقلل انبعاثات أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات بنسبة تصل إلى 15 بالمئة تقريبًا، وذلك لأن الوقود يحترق احتراقًا أكثر اكتمالاً. أما بالنسبة لأكاسيد النيتروجين، فإن التأثير يعتمد على مدى شدة عمل المحرك. عند الأحمال المنخفضة، نلاحظ انخفاضًا في انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOx) يصل إلى 8 بالمئة، ولكن عندما يعمل المحرك بطاقة كاملة، ترتفع درجات الحرارة بشكل كبير لدرجة تؤدي إلى زيادة انبعاثات NOx بنسبة 1.8 بالمئة تقريبًا. والجدير بالذكر أن مستويات الدخان والجسيمات تقل عادةً بين 10 و20 بالمئة، إذ يؤدي الاشتعال الأفضل إلى احتراق أنظف. بالنسبة لمحركات الديزل القديمة، يُعد EHN خيارًا اقتصاديًا للحد من الانبعاثات دون الحاجة إلى تغييرات مكلفة في المعدات. بطبيعة الحال، تعتمد النتائج الفعلية بشكل كبير على تصميم المحركات المحددة، وطريقة تشغيلها اليومية، ونوع الوقود الأساسي الذي يُخلط مع المادة المضافة.

المضافات الوقودية مقابل أنظمة ما بعد المعالجة: الكفاءة، التكلفة، والقيود العملية

مقارنة المضافات الوقودية بالمحولات الحفازة: خفض الانبعاثات لكل دولار، المتانة، وتحديات الدمج

عندما يتعلق الأمر بالتحكم في الانبعاثات، فإن المضافات الوقودية وأنظمة ما بعد المعالجة مثل المحولات الحفازة تتبع مسارات مختلفة تمامًا. تعمل المضافات الوقودية عن طريق تغيير طريقة احتراق الوقود داخل المحرك نفسه. ولا تتطلب أي تعديلات ميكانيكية على المركبة، وتتميز بتكاليف أولية منخفضة نسبيًا، ويمكن إضافتها بسهولة إلى إمدادات الوقود العادية دون عناء كبير. ولكن ما عيوبها؟ يجب استخدام هذه المضافات باستمرار للحفاظ على تأثيرها، وبالتالي قد تؤدي في الواقع إلى ارتفاع تكاليف التشغيل مع مرور الوقت. أما المحولات الحفازة فتوفر حلاً مختلفًا تمامًا. فهي تدوم لفترة أطول وتقلل بشكل فعال من الغازات الضارة مثل أول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين والهيدروكربونات. ولكن هناك شرطًا أيضًا: تأتي هذه الأنظمة بأسعار تركيب مرتفعة، وتحتاج إلى مساحة مناسبة داخل المركبة، وتتطلب فحوصات صيانة دورية. وعند النظر إلى التكلفة لكل جالون، فإن ذلك يوضح عادة أن المضافات تكون أكثر منطقية بالنسبة للأسطول الصغير أو عند التعامل مع أنواع مختلفة من المحركات. وعلى العكس، تميل أنظمة ما بعد المعالجة إلى الأداء الأفضل في الحالات التي تعمل فيها المركبات باستمرار لفترات طويلة. وتجد معظم الشركات نفسها في مكان ما بين هذين الخيارين، وغالبًا ما تجمع بين الطريقتين للحصول على أفضل النتائج الممكنة وفقًا لظروفها الخاصة.

قسم الأسئلة الشائعة

ما هي المضافات الوقودية، وكيف تقلل من الانبعاثات؟

المضافات الوقودية هي مواد تُضاف إلى البنزين أو وقود الديزل لتغيير عملية الاحتراق وتحسين أداء المحرك. وتقلل هذه المضافات من الانبعاثات من خلال تعزيز كفاءة احتراق الوقود، ومساعدة الأكسدة على التكامل، وتقليل الملوثات الضارة عند المصدر مثل أول أكسيد الكربون (CO) وأكاسيد النيتروجين (NOx) والهيدروكربونات الكلية (THC) والجسيمات العالقة.

هل يمكن للمضافات الوقودية أن تحل محل المحولات الحفازة؟

على الرغم من أن المضافات الوقودية توفر وسيلة مريحة للحد من الانبعاثات مباشرة داخل المحرك، إلا أنها قد لا تحل محل المحولات الحفازة بالكامل، والتي تم تصميمها لتنظيف غازات العادم بشكل إضافي قبل خروجها من المركبة.

كيف تعمل محسنات السيتان في محركات الديزل؟

تعمل محسنات السيتان مثل نترات 2-إيثيلهيكسيل (EHN) على تحسين جودة الاشتعال لوقود الديزل، مما يساعد على اشتعاله بسرعة أكبر بمجرد حقنه في غرفة الاحتراق، وبالتالي تقليل أوقات التأخير وتحسين انتظام عملية الاحتراق.

هل توجد أي مقايضات عند استخدام المضافات المؤكسجة؟

تقلل المضافات المؤكسجة بشكل كبير من انبعاثات أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات، ولكن يمكن أن تؤدي إلى زيادة إنتاج أكاسيد النيتروجين أثناء تشغيل الديزل عالي الحمل بسبب ارتفاع درجات حرارة الاحتراق.