Ottimizzazione della configurazione dell’ugello iniettore per alta efficienza e basse emissioni in motori diesel alimentati con miscele di biodiesel e n-butanolo

Energia più pulita dagli scarti di tutti i giorni

La combustione del gasolio mantiene in funzione trattori, pompe e generatori, ma aumenta anche il riscaldamento del pianeta e inquina l’aria. Questo studio esplora come trasformare due prodotti di scarto inaspettati — olio da cucina usato e alghe a crescita rapida — in un carburante più pulito per motori diesel, e come una piccola modifica nella punta metallica che spruzza il carburante possa aumentare l’efficienza riducendo contemporaneamente i gas nocivi. Il lavoro indica strategie pratiche per continuare a usare i motori esistenti, ma con miscele di carburante più verdi adatte alle esigenze rurali e su piccola scala.

Trasformare alghe e olio da frittura in carburante utilizzabile

I ricercatori hanno prima ottenuto una miscela di biodiesel utilizzando olio della microalga Chlorella vulgaris e olio da cucina esausto in parti uguali. Presi singolarmente, questi oli sono troppo densi per bruciare bene in un motore moderno, quindi il team ha impiegato un processo chimico che li rende più fluidi trasformandoli in biodiesel ed elimina i sottoprodotti indesiderati. Un catalizzatore solido a base di grafene ha accelerato la reazione ed è stato riutilizzabile più volte, riducendo gli scarti. Il biodiesel ottenuto è stato poi miscelato con gasolio normale per formare una miscela al 20% di biodiesel, e ulteriormente migliorato aggiungendo il 30% di n-butanolo, un alcol che rende il flusso del carburante più agevole e ne favorisce una combustione più completa.

Un banco prova per motori del mondo reale

Per valutare il comportamento pratico di questi carburanti, il team ha fatto funzionare un motore diesel monocilindrico piccolo ma commerciale collegato a un banco prova (dinamometro), che consente di controllare e misurare precisamente la potenza erogata. Hanno sostituito l’iniettore standard con iniettori controllati elettronicamente identici tra loro tranne per un dettaglio chiave: il numero di fori minuscoli sulla punta dell’ugello. Confrontando ugelli a tre, quattro e cinque fori, tutti di pari dimensione e pressione, hanno potuto isolare come questa geometria influenzi la disgregazione del carburante, la miscelazione con l’aria e, in ultima analisi, le prestazioni del motore e le emissioni. Sensori accurati hanno monitorato il consumo di carburante, la pressione in cilindro e i gas di scarico come monossido di carbonio, idrocarburi incombusti e ossidi di azoto.

Più getti, più fini: migliore economia

Per tutti i carburanti, l’aumento del numero di fori dell’ugello ha migliorato la frammentazione della nebulizzazione e l’omogeneità della miscelazione con l’aria. Ciò si è tradotto in una maggiore efficienza termica al freno — una misura di quanta energia del carburante diventa lavoro utile — e in un minore consumo specifico, che indica quanto carburante è necessario per unità di potenza. Pur mantenendo il gasolio puro i picchi di pressione e una forte efficienza, la miscela con 20% di biodiesel da alghe e olio di scarto, 30% di n-butanolo e 50% di gasolio, abbinata all’ugello a cinque fori, ha dato il miglior compromesso: ha raggiunto circa il 33% di efficienza e il consumo di carburante più basso al carico massimo testato. In termini semplici, il motore ha prodotto più lavoro per ogni litro di questa miscela quando spruzzata attraverso l’ugello maggiormente frazionante.

Scarico più pulito, con un importante compromesso

Le misurazioni dei gas di scarico hanno mostrato che le miscele biodiesel–butanolo, specialmente con un maggior numero di fori sull’ugello, hanno ridotto chiaramente le emissioni di monossido di carbonio e gli idrocarburi incombusti rispetto al gasolio ordinario. Questi miglioramenti provengono dall’ossigeno aggiuntivo presente nel carburante e dalla nebulizzazione più fine, che favoriscono una combustione più completa anche con l’aumentare della potenza del motore. Tuttavia, la stessa combustione più completa e più calda ha anche aumentato i livelli di ossidi di azoto, una famiglia di gas collegati allo smog e a problemi respiratori. L’ugello a cinque fori e la miscela ricca di ossigeno hanno prodotto i livelli più alti di ossidi di azoto tra i casi testati, sebbene gli autori osservino che sistemi di post-trattamento comuni, come la ricircolazione dei gas di scarico e la riduzione catalitica selettiva, potrebbero ridurre queste emissioni.

Piccole modifiche hardware per un diesel più verde

In termini pratici, questo studio dimostra che una modesta riprogettazione della punta dell’iniettore, abbinata a una miscela accuratamente calibrata di biodiesel derivato da scarti, alcol e gasolio convenzionale, può rendere i motori diesel esistenti più puliti ed economici senza grandi revisioni meccaniche. La combinazione di un iniettore a cinque fori con una miscela di biodiesel da alghe e olio da cucina usato più n-butanolo ha fornito il risultato complessivo migliore: elevata efficienza, ridotto consumo di carburante e minori emissioni di gas formanti fuliggine, a costo di ossidi di azoto più elevati che possono essere affrontati con tecnologie di depurazione dei gas di scarico già note. Per comunità e industrie che dipendono da piccoli motori diesel, questo approccio offre una via pratica per ridurre l’impronta di carbonio e l’inquinamento locale sfruttando al meglio i flussi di rifiuti quotidiani.

Citazione: 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

Parole chiave: biodiesel, motore diesel, iniezione del carburante, olio da cucina esausto, n-butanolo