أي مضافات الوقود تحسّن كفاءة احتراق الوقود في المحركات؟

المضافات المؤكسجة للوقود: تعزيز الاحتراق الكامل

الآلية: كيف يزيد الإيثانول و1-بيوتانول من توافر الأكسجين ويقلّلان انبعاثات أول أكسيد الكربون/الهيدروكربونات

كلٌّ من الإيثانول (C2H5OH) والبيوتانول-١ (C4H9OH) يحتويان على الأكسجين في جزيئاتهما، ما يعني أنهما يُدخلان أكسجينًا إضافيًّا مباشرةً إلى المحرك عند خلطهما بالوقود العادي. ويُسهم هذا الأكسجين الإضافي في احتراق الوقود بشكل أكثر اكتمالًا، مما يقلل من تلك المنتجات الضارة الناتجة عن الاحتراق والتي نكرهها جميعًا. وعند المقارنة المباشرة مع البنزين العادي، تؤدي الخلطات التي تحتوي على هذه الكحولات إلى خفض انبعاثات أول أكسيد الكربون بنسبة تتراوح بين ٢٠٪ و٣٠٪، وتقليل الهيدروكربونات غير المحترقة بنسبة تبلغ نحو ١٥٪ إلى ٢٥٪. وتحدث هذه التحسينات لأن الوقود يحترق بشكل أنظف وأكثر اكتمالًا في معظم المحركات خلال ظروف التشغيل العادية. ومما يثير الإعجاب حقًّا أن نتائج كهذه تُحقَّق بواسطة مادة تبدو تقنيةً إلى هذه الدرجة!

المفاضلات المتعلقة بالكفاءة: الموازنة بين مكاسب كفاءة الحرارة الفرملية وتكوين أكاسيد النيتروجين

إن إضافة المركبات المؤكسجة إلى الوقود يرفع عادةً الكفاءة الحرارية عند الفرملة بنسبة تتراوح بين ٣ و٨ في المئة، لأنها تساعد على احتراق الوقود بشكل أكثر اكتمالاً. لكن لهذه العملية وجه آخر يجب أن ينتبه إليه المهندسون. فعندما تزداد درجات حرارة الاحتراق بشكل مفاجئ، فإن ذلك يؤدي فعلاً إلى تسريع إنتاج أكاسيد النيتروجين الحرارية (Thermal NOx) عبر ما يُعرف بآلية زيلدوفيتش (Zeldovich mechanism). ويُظهر البحث ظاهرةً مثيرةً للاهتمام هنا أيضاً: ففي كل مرة ترتفع فيها الكفاءة الحرارية بنسبة تقارب ١٠ في المئة بفضل المركبات المؤكسجة المستندة إلى الإيثانول، تزداد انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOx) عادةً بنسبة تتراوح بين ١٢ و١٨ في المئة. وبالتالي، فإن الامتثال لمعايير الانبعاثات ليس أمراً يُحقَّق ببساطة عبر إضافة بعض المضافات. بل يتطلّب الأمر من الميكانيكيين ضبط النظام بدقة شديدة، مع مراعاة كمية المضاف المستخدمة، والتوقيت الدقيق لإدخاله إلى النظام، وضمان معايرة المحركات بشكل سليم بشكل عام. فالإضافة العشوائية للمكونات لم تعد كافية في يومنا هذا.

المحفِّزات النانوية الجسيمية: تعزيز حركية التفاعلات داخل الأسطوانة

تمثل محفزات الجسيمات النانوية حدًّا جديدًا في تحسين عملية الاحتراق، حيث تعمل مواد مثل أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) وأكسيد السيريوم (CeO₂) كمحفِّزات للاحتراق على المستوى الجزيئي. فنسبة المساحة السطحية إلى الحجم الفائقة العالية لهذه الجسيمات تُنشئ عددًا وافرًا من المواقع الفعَّالة التي تُسرِّع التفاعلات الأساسية للأكسدة وإزالة السناج عبر مسارات التحفيز السطحي.

جسيمات أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) وأكسيد السيريوم (CeO₂) النانوية بوصفها محفِّزات للاحتراق: التحفيز السطحي ومسارات أكسدة السناج

تُحسّن جسيمات أكسيد الألومنيوم النانوية من سرعة انتشار اللهب لأنها تلتصق بالجذور الحرة الهيدروكربونية المزعجة، مما يقلل بشكل أساسي من الطاقة اللازمة لبدء عملية الأكسدة. ومن ناحية أخرى، فإن لأكسيد السيريوم خاصية رائعة تتمثل في قدرته على تخزين الأكسجين ثم إطلاقه عند توفر كميات وافرة من الوقود، ليقوم بعد ذلك باستيعابه مجددًا عندما تكون الظروف فقيرة بالأكسجين. وعندما تعمل هاتان الآليتان معًا، فإنها تخفض انبعاثات الجسيمات العالقة بنسبة تتراوح بين ١٥ و٣٠٪ في محركات الديزل. علاوةً على ذلك، تصبح عملية الاحتراق أكثر كفاءةً قليلًا نظرًا لاشتعال الوقود بشكل أكثر اكتمالًا. أما بالنسبة للمصنّعين الذين يتعاملون مع لوائح الانبعاثات، فإن هذه التحسينات تمثّل قيمة حقيقية، حتى وإن كانت زيادة الكفاءة المحققة محدودة نسبيًّا.

التحديات العملية: استقرار التشتت، والتكتل، والتحقق من تأثيرها على اقتصاد الوقود في ظروف التشغيل الواقعية

إن تحويل تلك النتائج المُبهرة التي تحقَّق في المختبر باستخدام الجسيمات النانوية إلى مُضافات واقعية للوقود تُستخدم يوميًّا لا يزال أمرًا صعبًا جدًّا. فعندما تتكتل هذه الجسيمات معًا أثناء التخزين أو عند ارتفاع درجات الحرارة، تفقد فعاليتها لأن المساحة السطحية المتاحة للتفاعلات تصبح أصغر بكثير. وإذا لم تنتشر الجسيمات بشكلٍ كافٍ داخل نظام الوقود، فقد يؤدي ذلك إلى مشكلاتٍ مثل انسداد رشاشات الحقن على المدى الطويل. ويحاول معظم المهندسين العاملين في هذا المجال حاليًّا اتباع مناهج مختلفة، وبشكلٍ رئيسيٍّ البحث عن طرقٍ تحافظ على استقرار الجسيمات باستخدام مواد كيميائية خاصة وتقنياتٍ مثل الموجات الصوتية لتحسين خلطها. ومع ذلك، فإن ما أظهرته الاختبارات التي أُجريت على أساطيل مركبات فعلية يروي قصةً مختلفة. فعلى الرغم من أن الجسيمات النانوية تعمل بكفاءة عالية في البيئات الخاضعة للرقابة، فإن أداؤها ينخفض بنسبة تتراوح بين ٨٪ و١٢٪ عند اختبارها تحت ظروف قاسية في المحركات القديمة التي تتعامل مع أنواعٍ متنوعة جدًّا من جودة الوقود وظروف القيادة. ويبرز هذا الفارق سبب ضرورة إجراء الاختبارات الميدانية المناسبة قبل وقتٍ طويل من بدء بيع هذه المنتجات تجاريًّا.

Modifiers الإشعال: تحسين توقيت الاحتراق لتحقيق أقصى كفاءة

المضافات الوقودية التي تُعدِّل توقيت الإشعال مصممة لتعزيز كفاءة الاحتراق من خلال التحكم الدقيق في عندما وقت اشتعال الوقود بالنسبة لموقع المكبس. وبتقديم أو تأخير بداية الإشعال، تساعد هذه المركبات المحركات على التشغيل بالقرب من الحدود الحرمية — مما يُعظم استخلاص الطاقة ويقلل إلى أدنى حد من حرارة الفاقد والانبعاثات.

محسِّنات السيتان (مثل نترات الإثيلهيكسيل-٢) ومواد خفض زمن تأخُّر إشعال الديزل

تعمل مُحسِّنات عدد السيتان مثل نترات إيثيلهيكسيل-2 (2 EHN) عن طريق التحلل إلى جذور حرة عند التعرُّض لدرجات حرارة وضغط عالٍ داخل محركات الديزل. وما يحدث بعد ذلك مثيرٌ للاهتمام فعلاً. فعملية التحلل هذه تُسرِّع الاشتعال الذاتي، ما يجعل تشغيل هذه المحركات أسهل بكثير في الأجواء الباردة. وتُظهر الاختبارات أن هذا يمكن أن يقلل انبعاثات أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات بنسبة تصل إلى نحو 15% أثناء التشغيل في درجات الحرارة المنخفضة. لكن هناك عيباً في هذا الأمر: فعندما يقل زمن التأخير في الاشتعال بشكل كبير جداً، يرتفع الضغط داخل الأسطوانات ارتفاعاً حاداً. وإذا لم تُضبط منظومة الحقن بدقة لتتوافق مع هذا التغيُّر، فإن انبعاثات أكاسيد النيتروجين تزداد عادةً بنسبة تتراوح بين 8% و12%. ولذلك تبقى عملية ضبط المحرك بدقة أمراً بالغ الأهمية للحفاظ على فوائد التحكم في الانبعاثات عند استخدام هذه المضافات.

مُحسِّنات عدد الأوكتان (مثل MMT) التي تتيح زيادة نسب الضغط في محركات الاحتراق الداخلي ذو الشرارة

تستفيد محركات الاشتعال بالشرارة من مادة تُعرف باسم ثلاثي كربونيل الميثيل سيكلوبينتادينيل المنغنيزيوم، والمعروفة شائعًا باسم MMT. وتؤدي هذه المادة وظيفة منع اهتزاز المحرك (القرقعة) من خلال الحفاظ على استقرار أكسدة الوقود أثناء المراحل الأولية للاحتراق. ونتيجةً لذلك، يمكن للمصنّعين رفع نسب الضغط بشكل آمن بمقدار ١٫٥ إلى نقطتين، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة الحرارة الفرملية بنسبة تتراوح بين ٤٪ و٧٪. وتُظهر الاختبارات الواقعية أن السيارات التي تستخدم هذه الوقود عالي الأوكتان تُنتج فعليًّا انبعاثات ثاني أكسيد الكربون أقل بنسبة نحو ٥٪ لكل كيلومتر تقطعه. ومع ذلك، توجد حدودٌ لكمية المنغنيز المسموح باستخدامها، لأن الكميات الزائدة تتراكم بمرور الوقت على مكونات المحرك الحيوية مثل حساسات الأكسجين والمحولات الحفازة، ولذلك تحدد معظم اللوائح الحد الأقصى المسموح به من الجرعة.

قسم الأسئلة الشائعة

ما هي الإضافات المؤكسجة للوقود؟

تُعتبر مضافات الوقود المؤكسجة مركبات مثل الإيثانول و1-بيوتانول التي تحتوي على الأكسجين ضمن تركيبها الجزيئي. وتُخلط هذه المضافات بالوقود العادي لتحسين كفاءة الاحتراق والحد من الانبعاثات.

كيف تعمل المحفزات النانوية في محركات الاحتراق؟

تحسّن المحفزات النانوية، مثل أكسيد الألومنيوم وأكسيد السيريوم، عملية الاحتراق من خلال توفير عدد كبير من المواقع الفعّالة التي تُسرّع تفاعلات الأكسدة وإزالة السناج، مما يؤدي إلى انبعاثات أنظف.

ما التحديات المرتبطة باستخدام المحفزات النانوية؟

وتشمل أبرز التحديات ضرورة ضمان توزيع ثابت للجسيمات النانوية لمنع تكتلها، وكذلك التحقق من فعاليتها في أنظمة الوقود الواقعية للحفاظ على أدائها.

كيف تحسّن مواد تعديل الاشتعال كفاءة الاحتراق؟

تتحكم مواد تعديل الاشتعال في توقيت اشتعال الوقود بالنسبة لموقع المكبس، ما يسمح باحتراقٍ أكثر كفاءة ويقلل من الهدر والانبعاثات.