为以生物柴油和正丁醇混合燃料驱动的柴油发动机优化喷油器喷嘴配置以实现高效率和低排放

来自日常废弃物的更清洁动力

燃烧柴油让拖拉机、水泵和发电机运转，但同时也在加剧全球变暖并污染空气。本研究探讨如何将两种看似不起眼的废弃物——用过的食用油和生长迅速的藻类——转化为更清洁的柴油机燃料，以及如何通过对喷油金属喷嘴尖端做小幅改动来提高效率并降低有害气体排放。该工作指向实用路径，使现有发动机在符合农村和小型电力需求的更环保燃料混合物下继续使用。

将藻类与油炸废油变成可用燃料

研究人员首先用微藻Chlorella vulgaris的油与废弃食用油等比例制备了一种生物柴油混合物。单独看这些油黏度过高，不利于现代发动机燃烧，因此团队采用了一种化学工艺将其酯化/酯交换，既使油变稀以形成生物柴油，又去除了不需要的副产物。一种基于石墨烯的固体催化剂加速了反应，并可重复使用多次，从而减少废物。得到的生物柴油再与常规柴油混合形成20%生物柴油的配方，并通过加入30%正丁醇进一步改善，正丁醇作为一种醇类可提升燃料流动性并促进更完全燃烧。

面向真实发动机的试验台架

为观察这些燃料在实际中的表现，团队在一台小型但商业上常见的单缸柴油机上连接了测功机，这使他们能够精确控制并测量功率输出。他们将标准喷油器替换为电子控制喷油器，这些喷油器在除一个关键细节外完全相同：喷嘴尖端的小孔数量。通过比较三孔、四孔和五孔喷嘴（其他条件如孔径和压力相同），他们能隔离出几何形状如何影响燃料雾化、与空气的混合以及最终的发动机性能和排放。精密传感器监测了燃油消耗、气缸压力和尾气中一氧化碳、未燃烃及氮氧化物等气体。

更多更细的喷射带来更好的经济性

对所有燃料而言，增加喷嘴孔数改善了燃料喷雾的雾化程度并使其与空气混合更均匀。这体现为更高的制动热效率——衡量燃料能量转化为有用功的程度——以及更低的比油耗，反映单位功率所需燃料量的减少。尽管纯柴油在峰值压力和效率方面仍表现最好，但含20%藻类—废油生物柴油、30%正丁醇和50%柴油的混合燃料，在五孔喷嘴配合下达成了最佳平衡：在最高测试负载下约达到33%的效率并具有最低燃油消耗。简单来说，当使用最细化的喷嘴喷射这种混合燃料时，发动机每升燃料产生的有效功更多。

更清洁的排气，但有一项重要权衡

尾气测量显示，生物柴油—正丁醇混合燃料，尤其在孔数更多的喷嘴条件下，明显降低了一氧化碳和未燃烃的排放，相比普通柴油有明显改善。这些改善来自于燃料中额外的氧含量和更细的喷雾，使燃料即便在功率提升时也能更完全地燃烧。然而，更完全的燃烧和更高的燃烧温度也提高了氮氧化物的排放——这类气体与光化学烟雾和呼吸系统问题有关。五孔喷嘴与富氧燃料混合产生了所有测试情况下最高的氮氧化物水平，尽管作者指出常见的后处理系统（如废气再循环和选择性催化还原）可以将这些排放量降低。

通过小幅硬件改动实现更绿色的柴油

简言之，本研究表明，将喷油器喷嘴进行适度重新设计，配合经过精心调配的废料衍生生物柴油、醇类和常规柴油混合物，可以在不进行大规模机械改造的前提下，使现有柴油发动机更清洁、更高效。五孔喷嘴与藻类和废弃食用油生物柴油加正丁醇的组合给出了最佳总体效果：效率提升、油耗降低、致污颗粒形成气体减少，代价是氮氧化物上升，这一问题可用已知的尾气治理技术应对。对于依赖小型柴油机的社区和行业而言，这一方法为降低碳足迹与局部空气污染、并有效利用日常废弃物提供了切实可行的路径。

引用: 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

关键词: 生物柴油, 柴油机, 燃油喷射, 废弃食用油, 正丁醇