Три основні розмірні групи
Існує три основні групи розмірів дизельних двигунів залежно від потужності: малі, середні та великі.Маленькі двигуни мають вихідну потужність менше 16 кіловат.Це найбільш поширений тип дизельного двигуна.Ці двигуни використовуються в автомобілях, легких вантажівках, деяких сільськогосподарських і будівельних установках, а також як невеликі стаціонарні генератори електроенергії (наприклад, на прогулянкових суднах) і як механічні приводи.Зазвичай це чотири- або шестициліндрові рядні двигуни з прямим уприскуванням.Багато з них оснащені турбонаддувом і доохолоджувачами.

Середні двигуни мають потужність від 188 до 750 кіловат, або від 252 до 1006 кінських сил.Більшість цих двигунів використовуються у важких вантажівках.Зазвичай це шестициліндрові шестициліндрові двигуни з турбонаддувом і системою додаткового охолодження.Деякі двигуни V-8 і V-12 також належать до цієї групи розмірів.

Великі дизельні двигуни мають потужність понад 750 кіловат.Ці унікальні двигуни використовуються для морських, локомотивних і механічних приводів, а також для виробництва електроенергії.У більшості випадків це системи прямого вприскування, з турбонаддувом і додатковим охолодженням.Вони можуть працювати на рівні 500 обертів за хвилину, коли надійність і довговічність є критичними.

Двотактні та чотиритактні двигуни
Як зазначалося раніше, дизельні двигуни розраховані на дво- або чотиритактний цикл.У типовому чотиритактному двигуні впускний і випускний клапани, а також паливні форсунки розташовані в головці блоку циліндрів (див. малюнок).Часто використовуються подвійні клапани — два впускних і два випускних.
Використання двотактного циклу може усунути потребу в одному або обох клапанах у конструкції двигуна.Повітря для продувки та всмоктування зазвичай здійснюється через отвори у гільзі циліндра.Вихлоп може здійснюватися або через клапани, розташовані в головці блоку циліндрів, або через отвори в гільзі циліндра.Конструкція двигуна спрощується, якщо замість вихлопних клапанів використовується конструкція порту.

Паливо для дизелів
Нафтопродукти, які зазвичай використовуються як паливо для дизельних двигунів, являють собою дистиляти, що складаються з важких вуглеводнів, щонайменше від 12 до 16 атомів вуглецю на молекулу.Ці більш важкі дистиляти беруться з сирої нафти після видалення більш летючих частин, які використовуються в бензині.Температури кипіння цих важких дистилятів коливаються від 177 до 343 °C (351 до 649 °F).Таким чином, їх температура випаровування значно вища, ніж у бензину, який має менше атомів вуглецю на молекулу.

Вода та осад у паливі можуть бути шкідливими для роботи двигуна;чисте паливо має важливе значення для ефективних систем уприскування.Паливо з високим вмістом вуглецевого залишку найкраще обробляється двигунами з низькою швидкістю обертання.Те саме стосується тих, що мають високий вміст золи та сірки.Цетанове число, яке визначає якість займання палива, визначається за допомогою ASTM D613 «Стандартний метод випробування цетанового числа дизельного палива».

Розробка дизельних двигунів
Рання робота
Рудольф Дізель, німецький інженер, задумав двигун, який тепер носить його ім’я, після того, як він шукав пристрій для підвищення ефективності двигуна Отто (першого чотиритактного двигуна, побудованого німецьким інженером 19-го століття Ніколаус Отто).Дизель зрозумів, що процес електричного запалювання бензинового двигуна можна усунути, якщо під час такту стиснення поршнево-циліндрового пристрою стиснення може нагріти повітря до температури, вищої за температуру самозаймання даного палива.Дизель запропонував такий цикл у своїх патентах 1892 і 1893 років.
Спочатку в якості палива пропонувалося використовувати вугільний порошок або рідку нафту.Дизель використовував подрібнене вугілля, побічний продукт вугільних шахт Саара, як легкодоступне паливо.Для введення вугільного пилу в циліндр двигуна передбачалося використовувати стиснене повітря;однак контролювати швидкість впорскування вугілля було важко, і після того, як експериментальний двигун був зруйнований вибухом, дизель перейшов на рідкий нафту.Він продовжував вводити паливо в двигун за допомогою стисненого повітря.
Перший комерційний двигун, створений за патентами Diesel, був встановлений у Сент-Луїсі, штат Миссурі, Адольфом Бушем, пивоваром, який бачив один на виставці в Мюнхені та придбав у Diesel ліцензію на виробництво та продаж двигуна. в США і Канаді.Двигун успішно працював протягом багатьох років і був попередником двигуна Буша-Зульцера, який приводив у дію багато підводних човнів ВМС США під час Першої світової війни. Іншим дизельним двигуном, який використовувався для тієї ж мети, був Nelseco, побудований New London Ship and Engine Company. у Гротоні, штат Коннектикут.

Дизельний двигун став основною силовою установкою для підводних човнів під час Першої світової війни. Він був не тільки економним у споживанні палива, але й виявився надійним у воєнних умовах.Дизельне паливо, яке є менш летючим, ніж бензин, безпечніше зберігається та обробляється.
Наприкінці війни багато чоловіків, які керували дизелями, шукали роботу в мирний час.Виробники почали адаптувати дизелі для економіки мирного часу.Однією з модифікацій була розробка так званого напівдизеля, який працював у двотактному циклі з нижчим тиском стиснення та використовував гарячу лампу або трубку для запалювання паливного заряду.Ці зміни призвели до того, що двигун був менш дорогим у виготовленні та обслуговуванні.

Технологія впорскування палива
Однією небажаною особливістю повного дизеля була необхідність компресора повітря високого тиску для впорскування.Для роботи повітряного компресора була потрібна не тільки енергія, але й холодильний ефект, який сповільнював запалювання, коли стиснене повітря, як правило, 6,9 мегапаскалів (1000 фунтів на квадратний дюйм), раптово розширювалося в циліндрі, який був під тиском приблизно 3,4 до 4 мегапаскалів (від 493 до 580 фунтів на квадратний дюйм).Дизелю потрібне було повітря під високим тиском, щоб ввести подрібнене вугілля в циліндр;коли рідка нафта замінила порошкове вугілля як паливо, замість повітряного компресора високого тиску можна було зробити насос.

Було кілька способів використання насоса.В Англії компанія Vickers використовувала так званий метод Common Rail, за яким батарея насосів підтримувала паливо під тиском у трубі, що проходить по всій довжині двигуна з проводами до кожного циліндра.З цієї рейкової (або трубної) лінії подачі палива серія інжекторних клапанів пропускала паливо до кожного циліндра в потрібній точці його циклу.Інший метод використовував кулачкові ривкові або плунжерні насоси для подачі палива під миттєво високим тиском до впорскового клапана кожного циліндра в потрібний час.

Ліквідація повітряного компресора для впорскування була кроком у правильному напрямку, але була ще одна проблема, яку потрібно було вирішити: вихлоп двигуна містив надмірну кількість диму, навіть при потужності, яка була в межах номінальної потужності двигуна, і навіть незважаючи на те, що там було достатньо повітря в циліндрі, щоб спалити паливний заряд, не залишаючи знебарвленого вихлопу, який зазвичай вказував на перевантаження.Нарешті інженери зрозуміли, що проблема полягала в тому, що миттєве впорскування повітря під високим тиском, яке вибухало в циліндр двигуна, розсіювало паливний заряд ефективніше, ніж це могли робити замінні механічні паливні форсунки, в результаті чого без повітряного компресора паливо мало б шукати атоми кисню, щоб завершити процес горіння, і, оскільки кисень становить лише 20 відсотків повітря, кожен атом палива мав лише один шанс із п’яти зустріти атом кисню.Результатом стало неправильне спалювання палива.

Звичайна конструкція форсунки для впорскування палива передбачала введення палива в циліндр у формі конічного розпилювача, причому пара випромінювалася з форсунки, а не у вигляді потоку чи струменя.Дуже мало можна було зробити, щоб дифузувати паливо більш ретельно.Покращеного перемішування потрібно було досягти шляхом додання додаткового руху повітрю, найчастіше за рахунок індукційних завихрень повітря або радіального руху повітря, що називається хлюпанням, або обох, від зовнішнього краю поршня до центру.Щоб створити цей вир і хлюпання, використовувалися різні методи.Очевидно, найкращі результати досягаються, коли завихрення повітря має певне відношення до швидкості вприскування палива.Ефективне використання повітря в циліндрі вимагає такої швидкості обертання, яка змушує захоплене повітря безперервно рухатися від одного розпилення до іншого протягом періоду вприскування, без екстремального осідання між циклами.