الديزل مقابل البنزين: كشف الاختلافات في وقود محركك

بالنسبة لأي شخص وقف عند مضخة الوقود، قد يبدو الاختيار بين الديزل والبنزين بسيطًا. ولكن تحت السطح، هذان الوقودان مختلفان تمامًا، كل منهما له كيمياء فريدة، وعملية تكرير خاصة، ومجموعة من الإضافات المصممة لتحسين أداء المحرك. سواء كنت من عشاق السيارات المخضرمين أو مجرد فضولي حول ما يشغل سيارتك، فإن فهم هذه الفروقات يمكن أن يوفر رؤى قيمة حول أداء السيارة وكفاءتها وحتى قرارات الشراء. تغوص هذه المقالة في عالم الديزل والبنزين، مستكشفة اختلافاتهما الأساسية وما تعنيه للسائق العصري.

التركيب الجزيئي: الفروق في الخصائص الكيميائية والفيزيائية

المفتاح لفهم السلوكيات المختلفة للديزل والبنزين يكمن في هيكلهما الجزيئي. كلاهما مشتق من النفط الخام، وهو مزيج معقد من الهيدروكربونات، لكن عملية التكرير تفصل بينهما إلى فئات متميزة بناءً على حجم ونوع هذه الجزيئات .

يتكون البنزين بشكل أساسي من الهيدروكربونات ذات سلاسل الكربون القصيرة، والتي تتراوح عادةً من 4 إلى 12 ذرة كربون لكل جزيء 3. تساهم هذه السلاسل القصيرة، بما في ذلك الألكانات (البارافينات)، والألكينات (الأوليفينات)، والعطريات، في طبيعة البنزين الخفيفة والمتقلبة نسبيًا . تمثيل شائع للتكوين الكيميائي للبنزين هو حوالي C9H20 7. تؤدي هذه الطول القصير للسلسلة إلى قوى بين جزيئية أضعف، مما يعني أن طاقة أقل (وبالتالي درجات حرارة أقل) مطلوبة لتحويل البنزين إلى حالة غازية، مما يجعله يتبخر بسهولة. هذه التقلب العالي هي خاصية حاسمة لمحركات الاشتعال الشراري، حيث يحتاج الوقود إلى التبخر بسهولة ليختلط مع الهواء ويشتعل بواسطة شمعة الإشعال . علاوة على ذلك، تساهم وجود العطريات في البنزين في ارتفاع رقم الأوكتان، وهو مقياس لمقاومة الوقود للاحتراق غير المنتظم .

من ناحية أخرى، يتكون وقود الديزل من سلاسل هيدروكربونية أطول، تحتوي عادةً على ما بين 12 و 20 ذرة كربون لكل جزيء . يتكون بشكل رئيسي من البارافينات، والعطرية، والنفتينات ، مع صيغة كيميائية نموذجية حوالي C12H23 7. هذه الجزيئات الأكبر لها قوى بين جزيئية أقوى، مما يتطلب طاقة أكبر لتغيير الحالة، وهو ما يفسر انخفاض تقلب الديزل ومعدل تبخره البطيء مقارنةً بالبنزين . يجعل هذا الانخفاض في التقلب الديزل مناسبًا لمحركات الاحتراق بالضغط، حيث يتم إشعال الوقود بواسطة الحرارة الناتجة عن الهواء المضغوط بشدة . بعض البارافينات في الديزل تحسن من جودة اشتعاله، على الرغم من أنها يمكن أن تؤدي أحيانًا إلى أداء ضعيف في درجات الحرارة المنخفضة .

تحدد اختلافات طول سلسلة الكربون أيضًا نقاط غليان هذه الوقود. البنزين له نطاق غليان أقل، يتراوح من حوالي 30 إلى 210 درجات مئوية، بينما يغلي الديزل في نطاق درجة حرارة أعلى من 170 إلى 360 درجة مئوية. يبرز هذا التفاوت في نقاط الغليان تقلب البنزين الأعلى أيضًا.

من حيث الخصائص الفيزيائية، البنزين أقل لزوجة (أرق) وأقل كثافة من الديزل. يتمتع الديزل بقوام أكثر سمكًا وزيتية وكثافة أعلى . تعتبر هذه الكثافة الأعلى للديزل عاملًا مهمًا في محتواه الأكبر من الطاقة بالحجم 10. بينما قد يكون للديزل محتوى طاقة أقل قليلاً لكل وحدة من الكتلة مقارنةً بالبنزين، فإن كثافته الأعلى تعني أن لترًا من الديزل يحتوي على مزيد من الجزيئات وبالتالي مزيد من الطاقة مقارنةً بلتر من البنزين . وهذا يترجم مباشرة إلى كفاءة الوقود الأفضل التي تُلاحظ غالبًا في محركات الديزل .

أخيرًا، خصائص الاشتعال للبنزين والديزل مختلفة جوهريًا. يتمتع البنزين بنقطة وميض أقل (حوالي -43 درجة مئوية) ودرجة حرارة اشتعال ذاتي أعلى (حوالي 280 درجة مئوية) . وهذا يعني أن البنزين سيتشكل بسهولة بخار قابل للاشتعال عند درجات حرارة محيطة ولكنه يتطلب شرارة لبدء الاحتراق . أما الديزل، الذي لديه نقطة وميض أعلى (حوالي 52 درجة مئوية) ودرجة حرارة اشتعال ذاتي أقل (حوالي 265 درجة مئوية)، فهو أكثر صعوبة في الاشتعال باستخدام شرارة في الظروف المحيطة . ومع ذلك، تحت الضغط العالي داخل محرك الديزل، ترتفع درجة حرارة الهواء بما يكفي لتسبب في اشتعال وقود الديزل بشكل تلقائي . هذه الاختلافات في سلوك الاشتعال هي السبب الرئيسي وراء تصميم محركات البنزين والديزل وتشغيلها بشكل مختلف تمامًا.

من النفط الخام إلى الاحتراق: نظرة على عمليات التكرير

تتضمن الرحلة من النفط الخام إلى الوقود في خزان سيارتك عملية تكرير معقدة. النفط الخام نفسه هو مزيج واسع من جزيئات الهيدروكربون المختلفة . تتضمن المرحلة الأولية من التكرير تسخين هذا النفط الخام وفصله إلى أجزاء مختلفة بناءً على نقاط غليانها باستخدام برج التقطير . تتكثف أجزاء الهيدروكربون الأثقل ذات نقاط الغليان الأعلى في الجزء السفلي من البرج، بينما ترتفع الأجزاء الأخف ذات نقاط الغليان الأدنى نحو الأعلى .

يتم اشتقاق البنزين من الفractions الأخف التي يتم جمعها بالقرب من قمة برج التقطير . ومع ذلك، غالبًا ما لا تلبي هذه الفractions الأولية المواصفات المطلوبة للبنزين، لذا فإن المعالجة الإضافية ضرورية. يشمل ذلك التكسير، وهي عملية تكسر جزيئات الهيدروكربون الأكبر إلى جزيئات أصغر وأكثر فائدة؛ وإعادة التشكيل، التي تعيد ترتيب الهيكل الجزيئي لمكونات البنزين ذات الجودة المنخفضة لتحسين تصنيف الأوكتان الخاص بها؛ والتحويل، الذي يحول الهيدروكربونات ذات السلسلة المستقيمة إلى هيدروكربونات متفرعة لتعزيز خصائص البنزين 2. أخيرًا، يتم خلط فئات البنزين المختلفة معًا، جنبًا إلى جنب مع إضافات متنوعة، لتحقيق مستويات الأوكتان المطلوبة، والتطايرية، وخصائص الأداء الأخرى .

يتم الحصول على وقود الديزل من الفئات المتوسطة التي تتكثف في القسم الأوسط من برج التقطير . بينما يُعتبر تكرير الديزل الأولي عمومًا أقل تعقيدًا من تكرير البنزين ، إلا أنه لا يزال يتطلب معالجة محددة. إحدى الخطوات الحاسمة هي المعالجة الهيدروجينية، التي تستخدم الهيدروجين لإزالة الكبريت والشوائب الأخرى من فئة الديزل . يمكن أيضًا استخدام التكسير لزيادة إنتاج الديزل من الفئات الأثقل من النفط الخام . مشابهًا للبنزين، يتم أيضًا خلط وقود الديزل مع إضافات متنوعة لتعزيز رقم السيتان الخاص به (وهو مقياس لجودة الاشتعال) وخصائص الأداء الأخرى .

بشكل عام، يُوصف تكرير الديزل بأنه أقل دقة من تكرير البنزين . تتطلب إنتاجية البنزين معالجة أكثر شمولاً لتلبية المتطلبات الصارمة للأوكتان والتطاير . ومع ذلك، غالبًا ما يتطلب وقود الديزل إزالة أكثر شمولاً للملوثات، وخاصة إزالة الكبريت، للامتثال لمعايير انبعاثات البيئة . لذلك، بينما قد تكون عملية الفصل الأولية لكسور الديزل أبسط، فإن الحاجة إلى إزالة ملوثات كبيرة تضيف طبقة أخرى من التعقيد إلى إنتاجه بشكل عام.

تعزيز الأداء: دور الإضافات في وقود الديزل

نادراً ما يكون وقود الديزل الحديث مجرد ناتج عن عملية التكرير. يتم إضافة مجموعة متنوعة من المواد المضافة لتعزيز أدائه، وحماية المحرك، والامتثال للوائح البيئية .

محسّنات السيتان هي نوع رئيسي من إضافات الديزل. إنها تزيد من رقم السيتان، الذي يعادل تصنيف الأوكتان في البنزين ويشير إلى جودة احتراق الوقود . من خلال تحسين خصائص الاحتراق، تؤدي محسّنات السيتان إلى بدء تشغيل المحرك بسهولة أكبر، وتقليل ضوضاء المحرك، وتشغيل أكثر سلاسة . تعمل هذه الإضافات، التي غالبًا ما تكون نترات عضوية، عن طريق تسريع عملية الاحتراق، مما يؤدي إلى استخدام أكثر كفاءة للوقود .

تلعب المنظفات دورًا حيويًا في الحفاظ على نظافة أنظمة وقود الديزل . فهي تمنع وتزيل الرواسب التي يمكن أن تتشكل في حقن الوقود، وصمامات السحب، وغرف الاحتراق . إن الحفاظ على حقن وقود نظيفة أمر بالغ الأهمية لضمان أنماط رش الوقود المثلى ومنع انسدادها، مما قد يؤدي إلى تقليل أداء المحرك وزيادة الانبعاثات . كما تساهم المنظفات في حماية نظام الوقود بشكل عام ويمكن أن تساعد حتى في تحسين تصنيف السيتان للوقود . نظرًا لأنظمة حقن الوقود عالية الضغط في محركات الديزل الحديثة، فإن هذه الإضافات لا غنى عنها للحفاظ على الأداء وإطالة عمر المحرك .

في المناخات الباردة، تعتبر مواد تحسين تدفق البرد، المعروفة أيضًا باسم إضافات مكافحة التجلط، ضرورية . يحتوي وقود الديزل على شمع البارافين، الذي يمكن أن يتبلور في درجات الحرارة المنخفضة، مما يؤدي إلى تجلط الوقود وانسداد فلاتر الوقود . تقوم مواد تحسين تدفق البرد بتعديل عملية التبلور، مما يمنع الشمع من التصلب ويضمن بقاء الوقود سائلًا حتى في الظروف المتجمدة .

بالإضافة إلى هذه الإضافات الأساسية، غالبًا ما يتضمن وقود الديزل إضافات أخرى لتلبية احتياجات محددة. تُضاف مُحسِّنات اللزوجة لتقليل الاحتكاك والتآكل في مضخات الوقود والبخاخات، وهو أمر مهم بشكل خاص في وقود الديزل الحديث منخفض الكبريت للغاية، حيث كان الكبريت يوفر بعض اللزوجة بشكل طبيعي . تساعد فواصل المياه أو مُفككات المستحلبات في إزالة المياه التي يمكن أن تتجمع في وقود الديزل، مما يمنع التآكل ونمو الميكروبات . تُستخدم المبيدات الحيوية لقتل ومنع نمو البكتيريا والفطريات والطحالب التي يمكن أن تزدهر في وقود الديزل، خاصة في خزانات التخزين . تحمي مثبطات التآكل المكونات المعدنية لنظام الوقود من الصدأ والتآكل ، بينما تمنع مثبتات الوقود أو مضادات الأكسدة الوقود من التدهور مع مرور الوقت بسبب الأكسدة وتكوين اللصاقات والرواسب .

تحسين الكفاءة: دور الإضافات في وقود البنزين

تمامًا مثل الديزل، تستفيد البنزين أيضًا من مزيج مصاغ بعناية من الإضافات المصممة لتعزيز أدائها وحماية المحرك .

تعزز مواد الأوكتان عنصرًا حيويًا في البنزين، حيث تزيد من تصنيف الأوكتان، وهو مقياس لقدرة الوقود على مقاومة الخبط أو الاشتعال المسبق . يسمح تصنيف الأوكتان الأعلى للمحركات بالعمل مع نسب ضغط أعلى، مما يؤدي إلى كفاءة أكبر وقوة . تشمل مواد الأوكتان الشائعة الإيثانول، والتولوين، والمنغنيز ثلاثي الكربونيل الميثيل سيكلوبنتاديينيل (MMT) .

تعتبر المنظفات أيضًا ضرورية في البنزين للحفاظ على نظافة حقن الوقود وصمامات السحب من الرواسب . يمكن أن تعيق هذه الرواسب أداء المحرك وتقلل من كفاءة الوقود 31. الأمين متعدد الإيثر (PEA) هو منظف فعال للغاية يُستخدم عادةً في العديد من تركيبات البنزين الممتاز .

تعتبر مثبطات التآكل مهمة بشكل خاص في البنزين الحديث بسبب الاستخدام المتزايد للإيثانول كعامل مؤكسد . يمكن أن يجذب الإيثانول الماء، مما قد يؤدي إلى الصدأ والتآكل داخل نظام الوقود. تشكل مثبطات التآكل طبقة واقية على الأسطح المعدنية، مما يمدد عمر مكونات نظام الوقود .

تشمل الإضافات الشائعة الأخرى في البنزين مضادات الأكسدة أو المثبتات، التي تمنع تدهور الوقود أثناء التخزين عن طريق تثبيط الأكسدة وتكوين اللصقات والورنيشات . تُستخدم معدلات التقلب للتحكم في معدل تبخر البنزين، مما يضمن بدء تشغيل المحرك بسهولة في درجات حرارة مختلفة ويمنع قفل البخار . تُضاف الأكسجينيات، مثل الإيثانول وإيثر الميثيل التيرتياري (MTBE)، لزيادة محتوى الأكسجين في البنزين، مما يعزز الاحتراق الأكثر كمالًا ويقلل الانبعاثات . تُضاف ألوان الوقود أحيانًا لأغراض التعريف ، وفي الماضي، كانت تُستخدم مواد إزالة الرصاص في البنزين المحتوي على الرصاص لمنع ترسبات الرصاص .

الديزل مقابل البنزين: ماذا يعني ذلك لقيادتك

تؤدي الاختلافات الأساسية في الخصائص الكيميائية والفيزيائية للديزل والبنزين، إلى جانب عمليات التكرير والإضافات الخاصة بهما، إلى تباينات كبيرة في كيفية أدائهما في المركبات.

تستخدم محركات الديزل الاشتعال بالضغط، حيث يتم ضغط الهواء إلى درجة حرارة عالية، مما يتسبب في احتراق وقود الديزل المضخّ. يتطلب ذلك نسبة ضغط أعلى بكثير مقارنة بمحركات البنزين، التي تستخدم شمعات الإشعال لإشعال خليط من الهواء والوقود. تعمل محركات البنزين مع خليط هواء-وقود ستويكيومتري (النسبة المثالية للاحتراق الكامل)، بينما تعمل محركات الديزل عادةً على خليط رقيق (هواء أكثر من الوقود). يؤدي هذا الاختلاف في منهجية الاحتراق وتصميم المحرك إلى خصائص أداء مميزة، حيث تُبنى محركات الديزل عمومًا بشكل أكثر متانة لتحمل الضغوط الأعلى للاشتعال بالضغط.

من حيث كفاءة الوقود، تتفوق محركات الديزل باستمرار على محركات البنزين، حيث تقدم عادةً مسافة أفضل بنسبة 20-30% 7. ويرجع ذلك إلى الكثافة الطاقية الأعلى لوقود الديزل، مما يعني أنه يحتوي على طاقة أكبر لكل لتر مقارنةً بالبنزين . ومع ذلك، قد تظهر محركات البنزين اقتصادًا أفضل قليلاً في ظروف القيادة في المدينة التي تتطلب التوقف والانطلاق .

عندما يتعلق الأمر بالقوة، تتفوق محركات الديزل في إنتاج العزم، خاصة عند سرعات دوران منخفضة. العزم هو القوة الدورانية التي تسمح للمركبة بتحريك الأحمال الثقيلة وسحبها بفعالية. من ناحية أخرى، تولد محركات البنزين عادةً مزيدًا من القدرة الحصانية عند سرعات دوران أعلى، مما يترجم إلى تسارع أسرع وسرعات قصوى أعلى.

لقد كانت التأثيرات البيئية لمحركات الديزل والبنزين موضوعًا للكثير من النقاش. كانت محركات الديزل القديمة معروفة بانبعاثات أعلى من الجسيمات والنيتروجين أكسيد (NOx)، لكن التكنولوجيا الحديثة لمحركات الديزل قد خفضت بشكل كبير من هذه الملوثات. بينما ينتج احتراق الديزل المزيد من ثاني أكسيد الكربون (CO2) لكل جالون مقارنةً بالبنزين، فإن الكفاءة العالية للوقود في محركات الديزل يمكن أن تؤدي إلى انبعاثات أقل من CO2 لكل ميل يتم قيادته. ومن الجدير بالذكر أن محركات البنزين تنتج أول أكسيد الكربون، وهو ملوث سام لا تنتجه عادةً محركات الديزل.

تختلف اعتبارات الصيانة أيضًا بين المركبات التي تعمل بالديزل وتلك التي تعمل بالبنزين. تُعتبر محركات الديزل عمومًا أكثر متانة وطول عمر بسبب بنائها القوي المصمم لتحمل ضغط أعلى 7. ومع ذلك، قد تكون محركات البنزين أسهل وأقل تكلفة في الإصلاح . غالبًا ما يكون سعر الشراء الأولي لمركبات الديزل أعلى من نماذج البنزين المماثلة ، ويمكن أن يتقلب سعر وقود الديزل وأحيانًا يكون أعلى من البنزين .

الخاتمة: اختيار الوقود المناسب لاحتياجاتك

الديزل والبنزين هما وقودان متميزان بخصائص فريدة تجعلهما مناسبين لتطبيقات مختلفة. البنزين، بفضل تقلبه العالي وأوكتانه، هو الخيار السائد للمركبات الخفيفة التي تعطي الأولوية للسرعة والاستجابة. بينما يتميز الديزل بكثافته الطاقية الأعلى وعزم الدوران، مما يجعله يتفوق في التطبيقات الثقيلة والمركبات التي تكون فيها كفاءة الوقود وطول العمر أمرين في غاية الأهمية.

غالبًا ما تأتي الاختيارات بين الديزل والبنزين بناءً على الاحتياجات والأولويات الفردية. إذا كنت تنقل أحمالًا ثقيلة بشكل متكرر، وتقود لمسافات طويلة، وتعطي الأولوية لكفاءة استهلاك الوقود، فقد تكون السيارة التي تعمل بالديزل هي الخيار الأفضل. من ناحية أخرى، إذا كنت تقود بشكل أساسي في البيئات الحضرية وتقدّر التكاليف الأولية المنخفضة والتسارع الأسرع، فقد تكون السيارة التي تعمل بالبنزين أكثر ملاءمة. إن فهم الفروق الأساسية بين هذين النوعين من الوقود يمكّنك من اتخاذ قرارات مستنيرة بشأن احتياجاتك في النقل. مع استمرار تطور التكنولوجيا، أصبحت محركات الديزل والبنزين أكثر نظافة وكفاءة، مما يضمن استمرار أهميتها في مشهد السيارات جنبًا إلى جنب مع تقنيات الوقود البديلة الناشئة.