Оптимизация конфигурации форсунки впрыска для высокой эффективности и низких выбросов в дизельных двигателях, работающих на смесях биодизеля и n-бутанола

Чистая энергия из повседневных отходов

Сжигание дизельного топлива поддерживает работу тракторов, насосов и генераторов, но при этом нагревает планету и загрязняет воздух. В этом исследовании рассматривается, как превратить два неожиданных вида отходов — использованное кулинарное масло и быстрорастущие водоросли — в более чистое топливо для дизельных двигателей, и как небольшое изменение в металлическом наконечнике, распыляющем топливо, может повысить эффективность и сократить количество вредных газов. Работа указывает на практические способы продолжать эксплуатацию существующих двигателей, но на более экологичных топливных смесях, подходящих для сельской местности и мелкомасштабных энергетических нужд.

Преобразование водорослей и масла для фритюра в пригодное топливо

Исследователи сначала получили смесь биодизеля, используя масло микроводоросли Chlorella vulgaris и отработанное кулинарное масло в равных долях. По отдельности эти масла слишком густые для хорошего сгорания в современном двигателе, поэтому команда применила химический процесс, который разжижает их в биодизель и удаляет нежелательные побочные продукты. Твердое графеновое катализатор ускоряло реакцию и могло использоваться многократно, снижая количество отходов. Полученный биодизель затем смешали с обычным дизелем в соотношении 20% биодизеля, а далее улучшили добавлением 30% n-бутанола — спирта, который улучшает текучесть топлива и способствует более полному его сгоранию.

Испытательный стенд для реальных двигателей

Чтобы увидеть поведение этих топлив в реальных условиях, команда работала на небольшом, но коммерчески распространенном одноцилиндровом дизельном двигателе, подключенном к динамометру, что позволяло точно контролировать и измерять мощность. Они заменили стандартную форсунку на электронно управляемые форсунки, которые были идентичны за исключением одной важной детали: числа мелких отверстий на наконечнике сопла. Сравнивая сопла с тремя, четырьмя и пятью отверстиями, всех одинаковых размеров и при одинаковом давлении, они смогли изолировать влияние этой геометрии на дробление топлива, его смешение с воздухом и, в конечном счете, на работу двигателя и выбросы. Тщательные датчики отслеживали расход топлива, давление в цилиндре и выхлопные газы, такие как угарный газ, несгоревшие углеводороды и оксиды азота.

Больше, тоньше — лучшая экономичность

Для всех типов топлива увеличение числа отверстий в сопле улучшало дробление струи топлива и более равномерное его смешение с воздухом. Это проявлялось в повышении тормозного теплового КПД — показателя того, какая доля энергии топлива превращается в полезную работу — и в снижении удельного расхода топлива, отражающего, сколько топлива требуется на единицу мощности. Хотя чистый дизель по-прежнему давал самые высокие пиковые давления и сильную эффективность, смесь с 20% биодизеля из водорослей и отработанного масла, 30% n-бутанола и 50% дизеля в сочетании с соплом на пять отверстий дала наилучший баланс: она достигла примерно 33% эффективности и минимального расхода топлива при наибольшей испытанной нагрузке. Проще говоря, двигатель выполнял больше работы на каждый литр этой смешанной смеси при распылении через наиболее тонко разделённое сопло.

Чище выхлоп, с одним важным компромиссом

Измерения выхлопа показали, что смеси биодизель–бутанол, особенно в сочетании с большим числом отверстий в сопле, заметно снизили выбросы угарного газа и несгоревших углеводородов по сравнению с обычным дизелем. Эти преимущества объясняются дополнительным кислородом в топливе и более тонким распылением, которые способствуют более полному сгоранию даже по мере роста мощности двигателя. Однако то же самое более полное сгорание и более горячее горение повышали уровни оксидов азота — группы газов, связанных с смогом и респираторными проблемами. Сопло с пятью отверстиями и богатая кислородом смесь дали наивысшие уровни оксидов азота среди всех испытанных случаев, хотя авторы отмечают, что обычные системы доочистки, такие как рециркуляция отработавших газов и селективное каталитическое восстановление, могут снизить эти выбросы.

Небольшие изменения оборудования для более экологичного дизеля

Проще говоря, это исследование показывает, что умеренная переработка наконечника форсунки в сочетании с тщательно подобранной смесью биодизеля из отходов, спирта и обычного дизеля может сделать существующие дизельные двигатели чище и экономичнее без крупных механических переделок. Сочетание форсунки с пятью отверстиями и смеси биодизеля из водорослей и использованного кулинарного масла с n-бутанолом дало наилучший общий результат: высокая эффективность, меньший расход топлива и сокращение сажиобразующих газов, но ценой более высоких выбросов оксидов азота, которые можно справиться с помощью известных технологий очистки выхлопа. Для сообществ и отраслей, зависящих от малых дизельных двигателей, этот подход предлагает практический путь к снижению углеродного следа и местного загрязнения воздуха при эффективном использовании повседневных потоков отходов.

Цитирование: 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

Ключевые слова: биодизель, дизельный двигатель, впрыск топлива, отработанное кулинарное масло, n-бутанол