Optimización de la configuración de la boquilla del inyector para alta eficiencia y bajas emisiones en motores diésel alimentados con mezclas de biodiésel y n-butanol

Energía más limpia a partir de desechos cotidianos

Quemar diésel mantiene en marcha tractores, bombas y generadores, pero también calienta el planeta y contamina el aire. Este estudio explora cómo convertir dos residuos poco probables —aceite de cocina usado y algas de rápido crecimiento— en un combustible más limpio para motores diésel, y cómo un pequeño cambio en la punta metálica que pulveriza el combustible puede aumentar la eficiencia a la vez que reduce los gases nocivos. El trabajo apunta a vías prácticas para mantener en funcionamiento los motores existentes, pero con mezclas de combustible más verdes que se adapten a las necesidades rurales y de pequeña escala.

Convertir algas y aceite de freír en combustible utilizable

Los investigadores primero crearon una mezcla de biodiésel usando aceite de la microalga Chlorella vulgaris y aceite de cocina usado a partes iguales. Por sí solos, estos aceites son demasiado viscosos para quemarse bien en un motor moderno, por lo que el equipo utilizó un proceso químico que los transforma en biodiésel mientras elimina subproductos no deseados. Un catalizador sólido a base de grafeno ayudó a acelerar la reacción y pudo reutilizarse varias veces, reduciendo residuos. El biodiésel resultante se mezcló luego con diésel convencional para formar una mezcla con 20 % de biodiésel, y se mejoró aún más añadiendo 30 % de n-butanol, un alcohol que facilita el flujo del combustible y favorece una combustión más completa.

Un banco de pruebas para motores del mundo real

Para ver cómo se comportan estos combustibles en la práctica, el equipo probó un motor diésel monocilíndrico pequeño pero comercialmente común conectado a un dinamómetro, que les permite controlar y medir con precisión la potencia. Sustituyeron el inyector estándar por inyectores controlados electrónicamente que eran idénticos salvo por un detalle clave: el número de pequeños orificios en la punta de la boquilla. Al comparar boquillas con tres, cuatro y cinco orificios, todos del mismo tamaño y a la misma presión, pudieron aislar cómo esta geometría afecta la fragmentación del combustible, la mezcla con el aire y, en última instancia, el rendimiento y las emisiones del motor. Sensores precisos monitorizaron el consumo de combustible, la presión en el cilindro y los gases de escape como monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados y óxidos de nitrógeno.

Más chorros, más finos, mejor economía

En todos los combustibles, aumentar el número de orificios de la boquilla mejoró la finura del pulverizado y la uniformidad de la mezcla con el aire. Esto se tradujo en una mayor eficiencia térmica al freno —una medida de cuánto de la energía del combustible se convierte en trabajo útil— y en un menor consumo específico de combustible, que refleja cuánto combustible se necesita por unidad de potencia. Aunque el diésel puro aún presentó las presiones máximas y la mayor eficiencia pico, la mezcla con 20 % de biodiésel de algas y aceite usado más 30 % de n-butanol y 50 % de diésel, combinada con la boquilla de cinco orificios, ofreció el mejor equilibrio: alcanzó alrededor del 33 % de eficiencia y el consumo de combustible más bajo en la carga máxima probada. En términos sencillos, el motor realizó más trabajo por cada litro de este combustible mezclado cuando se pulverizaba a través de la boquilla más finamente distribuida.

Escape más limpio, con una compensación importante

Las medidas de escape revelaron que las mezclas de biodiésel y butanol, especialmente con más orificios en la boquilla, redujeron claramente las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos no quemados en comparación con el diésel ordinario. Estas mejoras se deben al oxígeno adicional en el combustible y al pulverizado más fino, que ayudan a que el combustible se queme más completamente incluso cuando aumenta la potencia del motor. Sin embargo, la misma combustión más completa y las temperaturas más altas también elevaron los niveles de óxidos de nitrógeno, una familia de gases vinculada al smog y a problemas respiratorios. La boquilla de cinco orificios y la mezcla rica en oxígeno produjeron los niveles más altos de óxidos de nitrógeno de todos los casos probados, aunque los autores señalan que sistemas de postratamiento comunes, como la recirculación de gases de escape y la reducción catalítica selectiva, podrían reducir estas emisiones.

Pequeños cambios de hardware para un diésel más verde

En pocas palabras, este estudio muestra que un rediseño modesto de la punta del inyector, junto con una mezcla cuidadosamente afinada de biodiésel derivado de residuos, alcohol y diésel estándar, puede hacer que los motores diésel existentes sean más limpios y económicos sin grandes revisiones mecánicas. La combinación de un inyector de cinco orificios con una mezcla de biodiésel de algas y aceite de cocina usado más n-butanol ofreció el mejor resultado general: alta eficiencia, menor consumo de combustible y reducción de gases formadores de hollín, a costa de un aumento de los óxidos de nitrógeno que puede abordarse con tecnologías conocidas de limpieza de escape. Para comunidades e industrias que dependen de motores diésel pequeños, este enfoque ofrece una vía práctica para reducir la huella de carbono y la contaminación local del aire mientras se aprovechan corrientes de residuos cotidianas.

Cita: Kumar, N.S., Barik, D., Velmurugan, S. et al. Optimizing injector nozzle configuration for high efficiency and low emissions in diesel engines fueled with biodiesel and n-butanol blends. Sci Rep 16, 12556 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43079-6

Palabras clave: biodiésel, motor diésel, inyección de combustible, aceite de cocina usado, n-butanol