Este estudio tiene como objetivo evaluar el impacto de la relación agua y la concentración de nanopartículas en el combustible diésel puro sobre las características de rendimiento y las emisiones de gases de escape de los motores diésel. Las pruebas experimentales se llevaron a cabo en dos etapas. En la primera etapa, se examinaron y compararon los efectos de añadir agua al combustible diésel puro en proporciones del 2.5% y 5% sobre el rendimiento del motor y las características de emisiones, en comparación con el diésel puro a una velocidad constante del motor de 3000 rpm bajo tres diferentes cargas del motor. Se utilizó una metodología de superficie de respuesta (RSM) basada en un diseño compuesto central (CCD) para simular el diseño del experimento. Según los resultados de las pruebas, añadir agua al combustible diésel puro aumentó el consumo de combustible específico de freno y redujo la eficiencia térmica de freno en comparación con el combustible diésel puro. En el examen de las emisiones de escape, los hidrocarburos (HC), el monóxido de carbono (CO) y los óxidos de nitrógeno (NOx) en el combustible probado que contenía un 2.5% de agua se redujeron en comparación con el combustible diésel puro en un 16.62%, 21.56% y 60.18%, respectivamente, en promedio, a través de la carga del motor. En la segunda etapa, debido al compromiso entre emisiones y rendimiento, se eligió el combustible emulsionado que contenía un 2.5% de agua como la mejor emulsión de la etapa anterior y se mezcló con nanopartículas de óxido de aluminio en dos niveles de dosis (50 y 100 ppm). Con las mismas condiciones del motor, el combustible emulsionado mezclado con 50 ppm de nanopartículas de óxido de aluminio mostró el mejor rendimiento y las emisiones más bajas en comparación con los otros combustibles evaluados. Los resultados de las investigaciones mostraron que una baja concentración de 50 ppm con una pequeña cantidad de 11 nm de nanopartículas de óxido de aluminio combinadas con una emulsión de diésel en agua es un método exitoso para mejorar el rendimiento del motor diésel mientras se reducen las emisiones. Además, se encontró que el modelo matemático podía predecir con precisión los parámetros de rendimiento del motor y las características de contaminación.