Optimisation de la configuration des buses d’injecteur pour une haute efficacité et de faibles émissions dans les moteurs diesel alimentés par des mélanges de biodiesel et de n-butanol

Une énergie plus propre à partir de déchets quotidiens

Le carburant diesel fait fonctionner tracteurs, pompes et groupes électrogènes, mais il réchauffe aussi la planète et pollue l’air. Cette étude examine comment transformer deux déchets inattendus — l’huile de cuisson usagée et des microalgues à croissance rapide — en un carburant plus propre pour moteurs diesel, et comment une petite modification de la pointe métallique qui pulvérise le carburant peut améliorer l’efficacité tout en réduisant les gaz nocifs. Le travail indique des voies pratiques pour continuer d’utiliser des moteurs existants, mais avec des mélanges plus verts adaptés aux besoins ruraux et à petite échelle.

Transformer les algues et l’huile de friture en carburant utilisable

Les chercheurs ont d’abord préparé un biodiesel en mélangeant à parts égales de l’huile issue de la microalgue Chlorella vulgaris et de l’huile de cuisson usagée. Pris séparément, ces huiles sont trop visqueuses pour bien brûler dans un moteur moderne, aussi l’équipe a utilisé un procédé chimique qui les affine en biodiesel tout en éliminant les sous-produits indésirables. Un catalyseur solide à base de graphène a accéléré la réaction et a pu être réutilisé plusieurs fois, réduisant ainsi les déchets. Le biodiesel obtenu a ensuite été mélangé au diesel ordinaire pour former un mélange à 20 % de biodiesel, puis amélioré en ajoutant 30 % de n-butanol, un alcool qui facilite l’écoulement du carburant et favorise une combustion plus complète.

Un banc d’essai pour des moteurs réels

Pour observer le comportement de ces carburants en conditions pratiques, l’équipe a fait tourner un petit moteur diesel monocylindre, courant en usage commercial, connecté à un dynamomètre permettant de contrôler et mesurer précisément la puissance. Ils ont remplacé l’injecteur standard par des injecteurs à commande électronique identiques sauf pour un détail clé : le nombre de minuscules orifices à la pointe de la buse. En comparant des buses à trois, quatre et cinq trous, toutes de même taille et sous la même pression, ils ont pu isoler l’effet de cette géométrie sur la rupture du jet, le mélange avec l’air et, au final, les performances et émissions du moteur. Des capteurs précis ont suivi la consommation de carburant, la pression dans le cylindre et les gaz d’échappement tels que le monoxyde de carbone, les hydrocarbures imbrûlés et les oxydes d’azote.

Plus de jets, plus fins : une meilleure économie

Pour tous les carburants testés, l’augmentation du nombre d’orifices de la buse a amélioré la finesse de la pulvérisation et l’homogénéité du mélange air-carburant. Cela s’est traduit par une augmentation du rendement thermique au frein — mesure de la part d’énergie du carburant convertie en travail utile — et par une baisse de la consommation spécifique, qui reflète la quantité de carburant nécessaire par unité de puissance. Si le diesel pur a encore donné les pressions maximales et une forte efficacité, le mélange composé de 20 % de biodiesel algal–huile usagée, 30 % de n-butanol et 50 % de diesel, associé à la buse à cinq trous, a offert le meilleur compromis : il a atteint environ 33 % d’efficacité et la consommation la plus faible au régime de charge le plus élevé testé. En termes simples, le moteur a fourni plus de travail par litre de ce carburant mélangé lorsqu’il était pulvérisé par la buse la plus finement divisée.

Des gaz d’échappement plus propres, avec un compromis important

Les mesures des gaz d’échappement ont montré que les mélanges biodiesel–butanol, en particulier avec un plus grand nombre d’orifices, réduisaient nettement les émissions de monoxyde de carbone et d’hydrocarbures imbrûlés par rapport au diesel ordinaire. Ces gains résultent de l’oxygène additionnel présent dans le carburant et d’une pulvérisation plus fine, qui favorisent une combustion plus complète même lorsque la puissance du moteur augmente. Cependant, cette combustion plus complète et plus chaude a aussi entraîné une hausse des oxydes d’azote, une famille de gaz liée au smog et aux problèmes respiratoires. La buse à cinq trous et le mélange riche en oxygène ont produit les niveaux d’oxydes d’azote les plus élevés de tous les cas testés, bien que les auteurs notent que des systèmes de post-traitement courants, tels que la recirculation des gaz d’échappement et la réduction catalytique sélective, pourraient réduire ces émissions.

Petites modifications matérielles pour un diesel plus vert

En résumé, cette étude montre qu’une légère refonte de la pointe de l’injecteur, associée à un mélange soigneusement ajusté de biodiesel issu de déchets, d’alcool et de diesel standard, peut rendre les moteurs diesel existants plus propres et plus économiques sans de lourdes modifications mécaniques. L’association d’une buse à cinq trous avec un mélange de biodiesel issu d’algues et d’huile de cuisson usagée plus n-butanol a donné le meilleur résultat global : forte efficacité, consommation réduite et diminution des gaz formant la suie, au prix d’un surcroît d’oxydes d’azote qui peut être traité par des technologies de dépollution éprouvées. Pour les communautés et les industries dépendant de petits moteurs diesel, cette approche offre une voie pratique pour réduire l’empreinte carbone et la pollution locale tout en valorisant des flux de déchets quotidiens.

Citation: 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

Mots-clés: biodiesel, moteur diesel, injection de carburant, huile de cuisson usagée, n-butanol