وقود الديزل والطائرات والصواريخ

آلية عمل وقود الديزل

– أن مسحوق الكربون العالق في الهواء والذي استخدم كوقود في ألـة الديزل في بداية الأمر يكون خليطاً قابلاً للاشتعال بمجرد زيادة الضغط أو تعريض الخليط إلى لهب أو شرارة كهربائية.

– ولم يكتب النجاح لهذه الآلة إذ قد تعرضت إلى انفجار وقد اضطر مخترعها إلى استبدال مسحوق الكربـون بوقود الديزل.

– وفي هذا النوع من الآلات الديزل يسحب الهواء إلـى داخـل الأسطوانة ويضغط إلى ما يقارب 3445 × 10³ نيوتن / م².

– ويكون هـذا الانضغاط مصحوباً بارتفاع عال في درجات الحرارة إلى ما يقارب 540 م°

– وعند اكتمال مرحلة الانضغاط يضخ وقود الديزل على شكل قطرات صغيرة حيث تلامس الهواء الحار وتبدأ في الاحتراق.

– وهذا بدوره يرفع كل من درجة الحرارة والضغط ويعجل في حركة ضربة المكبس السفلي.

مراحل احتراق الديزل

تنقسم عملية احتراق الوقود في آلات الديزل إلى أربعة مراحل:

(1) تضخ قطرات الوقود في الهواء الساخن جداً حيـث تمـتص هـذه القطرات الحرارة. وتتحول من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية.

(2) تحترق هذه الأبخرة المتطايرة وتزيد من درجة الحرارة والضـغط داخل الأسطوانة.

(3) تحترق قطرات الوقود التي لا تزال تتدفق داخل الأسطوانة وتكـون لهيباً يزيد من ضغط الغازات التي تدفع المكبس إلى نهاية الضـربة السفلى.

(4) ينقطع ضخ الوقود إلى داخل الأسطوانة وتستمر القطـرات غيـر المتبخرة أو الدهن الملامس إلى سطح الأسطوانة الـداخلي علـي الاحتراق. وتزداد شدة هذا الاحتراق عادة بوجود الترسبات الكربونية. ويستغرق اكمال هذه الخطوات وقتاً صغيراً إذ لا يتعـدى الجـزء الصغير من الثانية

– كما يجب أن تكون فترة تسخين قطرات الوقود لحين حـدوث الاحتـراق قصيرة في الديزل السريعة إذ أن فترة ضخ الوقود يجب أن تسـتغرق فتـرة قصيرة جداً لأن القرقعة غالباً ما تحدث في آلات الـديزل بسـبب الاشتعال المؤخر (Retarded Ignition) أي عندما تكون فترة تسخين قطرات الوقود طويلة تؤدي إلى تجمع رذاذ من الوقود الأسطوانة وتكون نسبة المواد النفطية في المزيج عالية مكونة خليطاً قابلاً للانفجار.

– تكون عملية الاحتراق الجيدة بعد انتهاء فترة ضخ الوقود مصحوبة عـادة بارتفاع منتظم في الضغط إلى درجة قصوى. وهذا يتطلـب فتـرة تـأخر (Delay period) قصيرة واحتراق منتظم وتعتمد فتـرة التـأخر Delay period على عدة عوامل كما يلي:

•  تصميم الماكنة
• نوعية المحقنة
• حجم قطرات الوقود
• طريقة مزج قطرات الوقود مع الهواء

– وهذه العوامل تؤثر على فترة التأخر ولكن العامل الرئيسي والمهم هو المواصفات الكيميائية لوقود الديزل.

عدد السيتان Cetane Number

– يتم تحديد جودة وقود الديزل بطريقة مماثلة لتلـك التـي اسـتعملت لتصنيف جازولين السيارات ، حيث تتألف الوقود القياسية المستعملة لتحديـد العدد السيتاني من السيتان القياسي ( (C₁₆H₁₄ normal Cetane) وألفا ميثيـل نفثالين (α-methyl naphthalene) .

 

– تشير الكلمة (ألفا) إلى إن مجموعة المثيل تكون مرتبطة إلى قمة احدى الحلقات المندمجة.

– والسيتان هو عبارة عن سلسلة ألكان مستقيمة. ويعتبر هذا النوع من الهيدروكربونات من أحسن أنواع وقود الديزل المنتجة تجارياً ولذلك أعطى عدداً سيتانياً مساوياً إلى 100.

– تكون المركبات الحلقية بصورة عامة، والمركبات العطرية بصورة خاصة، وقود ديزل ردئ النوعية، فألفا ميثيل نفثالين مثال على ذلك أعطى عدداً سيتانياً مساوياً إلى صفر .

– وتمثل السيتان في خليط من السيتان وألفا ميثيل نفثالين ذات طبيعة احتراق مشـابهة للوقـود المجرى عليه الفحص بالعدد السيتاني لذلك الوقود.

– وتتطلب الآلات العالية السرعة وقود ذو عدد سيتاني 50 أو أكثر بينما تشتغل الآلات المعتدلة السرعة على وقود ذي عدد سيتاني 45 .

– وتسـتعمل الآلات البطيئة وقوداً ذا عدد سيتاني بحدود 25

– ويلاحظ أن الخاصية المفضلة في وقود الديزل هي قابليته السريعة على الاشتعال عند ارتفاع الضغط . فمثلاً العدد السيتاني لمادة ايزواوكتان (iso octane) الذي يعتبر من أحسن أنـواع الجازولين هو 22. بينما الهيبتان القياسي (n-heptane) ذو العدد الأوكتاني صفر يكون ذا عدد سيتاني 64 .

دليل الديزل Diesel Index

– يرمز دليل الديزل إلى القيمة العددية التي توضح جودة وقود الـديزل.

– ويحسب عادة من معرفة أحد خواص الوقود الفيزيائية وهي الكثافة وخاصـة كيميائية أخري تسمى العدد الانيليني  (API gravity and Aniline number)

– يشير العدد الانيليني إلى درجة الحرارة التي عندها تصبح حجوم متساوية من الانيلين والمشتق البترولي غير ذائبة في بعضها البعض. لذلك فإن نقطة الانيلين تتناسب مع الكميات العطرية في المشتق البترولي.

– ويعـرف دليـل الديزل بما يلي:

 

محسنات وقود الديزل

– يمكن تحسين خواص وقود الديزل بإضافة بعض المركبات الكيميائية الخاصة. مثل نترات الإيثيل (Ethyl Nitrate) ونتريـت الإيثيل (Ethyl Nitrite) ونترات الامونيوم .

– تستعمل أنواع عديدة أخري من المواد المضافة ولأغراض مختلفـة. فمثلاً تستخدم:

•  مركبات مانعة التفاعل الكيميائي (Inhibitor) لتأخير أو منـع تكوين الصمغ الراتنجي.
• جزيئات البولي هيـدروكربونات الكبيرة لمنـع حدوث تغييرات كبيرة في خوص الوقود الفيزيائيـة مـع ارتفـاع درجـات الحرارة.

– كذلك تستخدم بعض المواد المحسنة الأخرى التي تقلل من حدة الشد السطحي والتي بدورها تسهل من عملية انشطار القطرات الكبيرة وتسفر عن تكون رذاذ صغير متجانس.

– النفط الأبيض أو زيت الفحم هو ناتج من التقطير للبترول الخام بـين 175 إلى 200 °م . وكثافته بين 43 إلى 45 .

– يعامل النفط الأبيض مع ثاني أكسيد الكبريت السائل عند درجة حرارة بين –12 م ، -10 م وتحت درجـة عالية من الضغط لمنع تبخير ثاني أكسيد الكبريت.

– وأثناء عملية المزج تذوب المركبات العطرية والمركبات المحتوية على الكبريت في سائل ثاني أكسيد الكبريت ثم تفصل عن المذيب بعملية التقطير.

– وفي نهاية العملية يعامل النفط الأبيض المنقي بمحلول هيدروكسيد الصوديوم.

– ومن الطرق الحديثة المتبعة لتحلية النفط الأبيض هي طريقة الهدرجة وهي معاملة النفط الأبيض بغاز الهيدروجين في وجود عوامل مساعدة مـن الكوبالت – موليبدينوم وظروف معينة من الضغط والحـرارة.

– وفـى هـذه الظروف تتفاعل المركبات المحتوية على عناصر الكبريت أو النيتروجين مع غاز الهيدروجين مكونة غاز كبريتيد الهيدروجين والأمونيا.

– كما أن معظـم السلاسل غير المشبعة تتفاعل مع الهيدروجين مكونة سلاسل الألكان يصبح الكيروسين ذو نقاوة وجودة عالية.

– ولقـد اسـتخدم الـنفط الأبيض وبـذلك لأغراض التسخين فقط أولاً إلا أنه بعد اكتشاف الطائرات النفاثـة فقـد ازداد استهلاكه كوقود لمثل هذه الآلات.

وقود الصواريخ Rocket Fuels

– يشمل وقود الصواريخ مواد عادية مثـل الجـازولين والكيروسين.

– ويكون معدل احتراق الوقود في الصواريخ عـال جـداً مقارنـة باستهلاك الطائرات النفاثة والتوربينات الغازية

– ويكون مصحوباً بارتفـاع عـال فـي درجات الحرارة فدرجة الحرارة في موتور الصاروخ (Rocket Motor) تتراوح بين 2760 إلى 3310 °م. بينما تتراوح درجـة حـرارة موتـور الطائرات النفاثة بـ 975م

– يتم الحصول على هـذا المعـدل السـريـع مـن الاحتراق بواسطة استعمال الأكسجين السائل أو بعض المواد المؤكسدة القوية مثل 95 إلى 100 % بيروكسيد الهيدروجين وحمض النيتريك المـدخن Fuming Nitric Acid

وقود الصواريخ الصلب

– إن مصدر قوة الدفع في الصواريخ المستعملة في الألعاب النارية هـو الغازات الساخنة والناجمة عن احتراق مسحوق البارود الصلب.

– وإن معظـم الصواريخ القاذفة الصغيرة مثل صواريخ الطائرات بحجم 7 سم تحرق خليطاً من نيتروجلسيرين والنيتروسليلوز Nitroglycerine-nitrocellulose

– كما قد أثبتت التجـارب إمكانيـة اسـتعمال ثـايكول Thiokel، هیدرازین hydrazine بورايد معينـة Certain Borides، ومختلـف البـوليمرات Polymers كوقود صلب بعد اختيار العامل المؤكسد المناسـب.

– ورغـم إمكانية تنظيم احتراق الوقود الصلب بتحديد مكونات وشكل وحجم حبيباته، لا تزال عملية السيطرة على احتراقه معقدة مقارنة بتنظيم احتراق الوقود السائل.

المراجع: كتاب أسس الكيمياء الصناعية – الطبعة الأولى 2005 – أ.د. محمد مجدي واصل أستاذ الكيمياء الفيزيائية – كلية العلوم – جامعة الأزهر – مصر