Evaluation of ZnO-Enriched Prosopis Juliflora Biodiesel in Sustainable CI Engine

لطالما اعتمدت محركات العالم، من الشاحنات التي تنقل بضائعنا إلى المولدات التي تمد مدننا بالطاقة، على وقود الديزل. هذا المصدر الطاقي السائل قوي وموثوق، لكنه يأتي من رواسب أحفورية قديمة ومحدودة من الكائنات المتحجرة، ويؤدي احتراقه إلى إطلاق مزيج من الملوثات التي تضر بالهواء الذي نتنفسه وتزيد من حرارة الكوكب. وفي البحث عن مستقبل أنظف، توجه العلماء إلى الديزل الحيوي، وهو وقود مصنوع من زيوت النباتات ودهون الحيوانات. وبخلاف ديزل الوقود الأحفوري، فإن الديزل الحيوي متجدد؛ حيث تمتص النباتات المستخدمة لصنعه ثاني أكسيد الكربون أثناء نموها، مما يخلق دورة أكثر توازناً. ومع ذلك، غالباً ما يكون زيت النباتات النقي كثيفاً وبطيئاً جداً بحيث لا يعمل بشكل جيد في المحركات القياسية، مما يؤدي إلى احتراق غير كامل ومجموعة من مشكلات الأداء الخاصة به. ولحل هذه المشكلة، بدأ الباحثون في تجربة جزيئات معدنية دقيقة، تُعرف باسم "الجسيمات النانوية"، وهي صغيرة جداً لدرجة أن خصلة واحدة من شعر الإنسان يمكن أن تحمل الآلاف منها جنباً إلى جنب. وعند إضافتها إلى الوقود، تعمل هذه الجزيئات كحوافز مجهرية، مما يساعد الوقود على الاحتراق بشكل أكثر اكتمالاً وكفاءة، مما يوفر إمكانية الحصول على أفضل ما في العالمين: تجدد الوقود المستخلص من النباتات وقوة المحرك المضبوط بدقة.

في دراسة حديثة، وضع فريق من الباحثين هدفاً لاختبار مزيج محدد من هذه الأفكار باستخدام وقود مستخلص من بذور شجرة "بروسوبيس جولي فلورا" (Prosopis Juliflora)، وهي نبتة صلبة تنمو في الأراضي الجافة وغير المستخدمة ولا تتنافس مع المحاصيل الغذائية. أرادوا معرفة ما إذا كان خلط هذا الوقود النباتي مع الديزل وإضافة نوع معين من الجسيمات النانوية، وهي أكسيد الزنك، سيحسن كيفية عمل المحرك ونظافة عوادمه. قام الفريق أولاً بإنشاء مزيج يحتوي على عشرين بالمائة من الوقود النباتي وثمانين بالمائة من الديزل العادي، وهو المزيج الذي وجدوه كنقطة انطلاق أكثر توازناً. وأضافوا إلى هذا المزيج كمية ضئيلة من جسيمات أكسيد الزنك النانوية، تبلغ خمسين جزءاً في المليون فقط، واستخدموا موجات صوتية عالية التردد لضمان توزيع الجسيمات بالتساوي في السائل. ثم سكبوا هذا الوقود المعزز الجديد في محرك ديزل قياسي أحادي الأسطوانة وشغلوه تحت أحمال مختلفة، مع قياس مقدار الطاقة التي أنتجها، وكمية الوقود التي استهلكها، وما خرج من أنبوب العادم بعناية.

أظهرت النتائج أن إضافة هذه الجسيمات المجهرية أحدثت فرقاً ملحوظاً في أداء المحرك. فعندما يعمل المحرك على المزيج المعزز، أصبح أكثر كفاءة في تحويل الوقود إلى عمل مفيد. وقد قاس الباحثون كفاءة المحرك، المعروفة بكفاءة المكابح الحرارية، ووجدوا أنها ارتففت من حوالي 24.12 بالمائة مع مزيج الوقود النباتي القياسي إلى 25.41 بالمائة مع النسخة المعززة بالجسيمات النانوية. وفي الوقت نفسه، احتاج المحرك إلى كمية أقل من الوقود لإنتاج نفس القدر من الطاقة، مع انخفاض في استهلاك الوقود بنسبة تقارب 1.56 بالمائة. حدث هذا التحسن لأن الجسيمات النانوية ساعدت الوقود على التفكك إلى قطرات أدق والاحتراق بشكل أكثر اكتمالاً، مما أطلق طاقة أكبر من كل قطرة. كما عمل المحرك بفارق زمني أقصر قليلاً بين وقت حقن الوقود ووقت اشتعاله الفعلي، مما سمح لعملية الاحتراق بأن تحدث بسلاسة أكبر وفي اللحظة المثالية في دورة المحرك.

ولعل التغييرات في ما يطلقه المحرك في الغلاف الجوي كانت أكثر أهمية. فقد حلل الباحثون غاز العادم عند القوة الكاملة ووجدوا أن الوقود المعزز بالجسيمات النانوية قلل بشكل كبير من مستويات الملوثات الضارة مقارنة بكل من الديزل القياسي ومزيج الوقود النباتي بدون الجسيمات. فقد انخفضت كمية أول أكسيد الكربون، وهو غاز سام ينتج عن الاحتراق غير الكامل، بنسبة 31.7 بالمائة تقرياً. وانخفضت الهيدروكربونات غير المحترقة، التي تساهم في تكوين الضباب الدخاني، بنسبة 25.8 بالمائة تقريباً. كما انخفض الدخان الأسود الكثيف الذي يشير غالباً إلى الاحتراق غير النظيف بنسبة تقارب 27.4 بالمائة. وحتى انبعاثات أكاسيد النيتروجين، المرتبطة بالأمطار الحمضية والمشاكل التنفسية، انخفضت بنسبة 15.4 بالمائة تقريباً. وكان هذا الانخفاض في أكاسيد النيتروجين لافتاً للنظر بشكل خاص لأن إضافة الأكسجين إلى الوقود غالباً ما يزيد من هذه الانبعاثات المحددة، لكن الجسيمات النانوية بدت وكأنها تساعد في توزيع حرارة الاحتراق بشكل أكثر توازناً، مما يمنع تكون البقع الساخنة الشديدة التي تخلق أكاسيد النيتروجين.

وبعيداً عن الأداء والانبعاثات المباشرة، بحثت الدراسة أيضاً في الصورة الديناميكية الحرارية الأوسع لفهم مدى جودة استخدام النظام للطاقة. وقد حسب الباحثون مؤشر الاستدامة، وهو مقياس لمدى العمل المفيد المكتسب مقارنة بالطاقة المفقودة بسبب عدم الكفاءة والهدر. حقق مزيج الوقود المعزز مؤشراً أعلى من مزيج الوقود النباتي القياسي، مما يشير إلى أن المحرك كان يهدر طاقة أقل ويعمل بطريقة أكثر استدامة. وخلصت الدراسة إلى أن استخدام زيت "بروسوبيس جولي فلورا"، الذي ينمو في الأراضي الهامشية ولا يتطلب تربة زراعية ممتاة، جنباً إلى جنب مع جرعة صغيرة من أكسيد الزنك النانوي، يوفر مساراً واعداً للمضي قدماً. فهو يوفر طريقة لتحسين كفاءة المحرك وخفض التلوث بشكل جذري دون الاعتماد على المحاصيل الغذائية أو تعديلات معقدة في المحرك. وبينما أشار الباحثون إلى أن الاختبارات طويلة المدى لا تزال مطلوبة للتأكد من أن هذه الوقود لا تسبب تآكلاً في أجزاء المحرك على مدار سنوات عديدة، فإن النتائج تشير إلى أن هذا المزيج من الزيت النباتي الصلب غير الصالح للأكل والجسيمات المعدنية المجهرية يمكن أن يكون بديلاً عملياً وصديقاً للبيئة للديزل التقليدي.