基本的な3つのサイズグループ
ディーゼル エンジンには、出力に基づいて小型、中型、大型の 3 つの基本的なサイズ グループがあります。小型エンジンの出力値は 16 キロワット未満です。これは最も一般的に生産されているディーゼル エンジンのタイプです。これらのエンジンは、自動車、軽トラック、一部の農業および建設用途、小型定置発電機 (プレジャーボートの発電機など) および機械駆動装置として使用されます。これらは通常、直列 4 気筒または 6 気筒の直噴エンジンです。多くはアフタークーラーを備えたターボチャージャー付きです。

中型エンジンの出力容量は 188 ～ 750 キロワット、つまり 252 ～ 1,006 馬力です。これらのエンジンの大部分は大型トラックに使用されています。これらは通常、直列 6 気筒ターボチャージャー付きアフタークーラー付きの直噴エンジンです。一部の V-8 および V-12 エンジンもこのサイズ グループに属します。

大型ディーゼル エンジンの出力定格は 750 キロワットを超えます。これらのユニークなエンジンは、船舶、機関車、機械駆動用途や発電に使用されます。ほとんどの場合、それらは直噴、ターボチャージャー、アフタークールシステムです。信頼性と耐久性が重要な場合には、毎分 500 回転という低い速度で動作する場合もあります。

2ストロークエンジンと4ストロークエンジン
前述したように、ディーゼル エンジンは 2 ストローク サイクルまたは 4 ストローク サイクルで動作するように設計されています。典型的な 4 ストローク サイクル エンジンでは、吸気バルブと排気バルブ、および燃料噴射ノズルがシリンダー ヘッドに配置されています (図を参照)。多くの場合、デュアル バルブ配置 (2 つの吸気バルブと 2 つの排気バルブ) が採用されます。
2 ストローク サイクルを使用すると、エンジン設計で一方または両方のバルブが不要になります。掃気と吸気は通常、シリンダー ライナーのポートを通じて提供されます。排気は、シリンダー ヘッドにあるバルブを介して行うことも、シリンダー ライナーのポートを介して行うこともできます。排気バルブを必要とするポート設計の代わりにポート設計を使用すると、エンジンの構造が簡素化されます。

ディーゼル用燃料
通常、ディーゼル エンジンの燃料として使用される石油製品は、分子あたり少なくとも 12 ～ 16 個の炭素原子を含む重炭化水素で構成される留出物です。これらの重質留出物は、ガソリンに使用されるより揮発性の高い部分が除去された後、原油から採取されます。これらの重質留分の沸点は 177 ～ 343 °C (351 ～ 649 °F) の範囲です。したがって、それらの蒸発温度は、分子あたりの炭素原子の数が少ないガソリンの蒸発温度よりもはるかに高くなります。

燃料中の水や沈殿物はエンジンの動作に有害となる可能性があります。効率的な噴射システムにはクリーンな燃料が不可欠です。残留炭素の多い燃料は、低速回転のエンジンで最もよく処理できます。灰分と硫黄分が多いものも同様です。燃料の着火性を定義するセタン価は、ASTM D613「ディーゼル燃料油のセタン価の標準試験方法」を使用して測定されます。

ディーゼルエンジンの開発
初期の仕事
ドイツの技術者であるルドルフ ディーゼルは、オットー エンジン (19 世紀のドイツの技術者によって製造された最初の 4 ストローク サイクル エンジン) の効率を高める装置を探していた後、現在彼の名前が付けられているエンジンのアイデアを思いつきました。ニコラウス・オットー）。Diesel は、ピストンシリンダー装置の圧縮行程中に、圧縮によって空気が所定の燃料の自動発火温度よりも高い温度まで加熱されれば、ガソリン エンジンの電気点火プロセスを省略できることに気づきました。ディーゼルは 1892 年と 1893 年の特許でそのようなサイクルを提案しました。
当初、燃料としては微粉炭または液体石油が提案されていました。ディーゼルは、ザール炭鉱の副産物である粉炭を、すぐに入手できる燃料として利用しました。石炭粉塵をエンジンシリンダーに導入するために圧縮空気が使用されることになっていました。しかし、石炭注入量の制御は難しく、実験エンジンが爆発で破壊された後、ディーゼルは液体石油に変わりました。彼は圧縮空気とともに燃料をエンジンに導入し続けました。
ディーゼルの特許に基づいて構築された最初の商用エンジンは、ミュンヘンの博覧会で展示されているエンジンを見てディーゼルからエンジンの製造と販売のライセンスを購入した醸造業者アドルファス・ブッシュによってミズーリ州セントルイスに設置されました。米国とカナダでは。このエンジンは長年にわたって正常に動作し、第一次世界大戦でアメリカ海軍の多くの潜水艦に動力を供給したブッシュ・スルツァー エンジンの先駆けとなりました。同じ目的に使用されたもう 1 つのディーゼル エンジンは、ニュー ロンドン シップ アンド エンジン カンパニーによって建造されたネルセコです。コネチカット州グロトンにある

ディーゼル エンジンは、第一次世界大戦中に潜水艦の主な動力源となりました。燃料の使用が経済的であるだけでなく、戦時下でも信頼性が高いことが証明されました。ディーゼル燃料はガソリンよりも揮発性が低く、より安全に保管および取り扱いが可能でした。
戦争の終わりには、ディーゼル車を運転していた多くの男性が平時の仕事を探していました。メーカーはディーゼルを平時の経済に適応させ始めました。改良の 1 つは、より低い圧縮圧力で 2 ストローク サイクルで動作し、燃料チャージの点火に高温のバルブまたはチューブを使用する、いわゆるセミディーゼルの開発でした。これらの変更により、エンジンの構築と保守のコストが削減されました。

燃料噴射技術
フルディーゼルの不快な特徴の 1 つは、高圧の噴射式エアコンプレッサーが必要であることでした。エアコンプレッサーを駆動するのにエネルギーが必要なだけでなく、通常 6.9 メガパスカル (1,000 ポンド/平方インチ) の圧縮空気が約 3.4 気圧のシリンダー内で突然膨張したときに、点火を遅らせる冷却効果が発生しました。 〜 4 メガパスカル (1 平方インチあたり 493 〜 580 ポンド)。ディーゼルでは、シリンダー内に粉炭を導入するために高圧空気が必要でした。燃料として粉炭の代わりに液体石油が使用されるようになると、高圧エアコンプレッサーの代わりにポンプを作ることができるようになります。

ポンプの使用方法は数多くありました。イギリスのビッカース社は、いわゆるコモンレール方式を採用していました。この方式では、ポンプのバッテリーが、各シリンダーにつながるリード線を備えたエンジン全長のパイプ内で燃料を加圧状態に維持していました。このレール (またはパイプ) 燃料供給ラインから、一連の噴射弁がサイクルの適切な時点で各シリンダーに燃料を供給します。別の方法では、カム作動のジャーク ポンプ、またはプランジャー タイプのポンプを使用して、瞬間的に高い圧力で燃料を適切なタイミングで各シリンダーの噴射バルブに送り出しました。

インジェクションエアコンプレッサーの廃止は正しい方向への一歩でしたが、解決すべきもう一つの問題がありました。エンジンの排気には、エンジンの定格馬力以内の出力であっても、過剰な量の煙が含まれていました。シリンダー内には、通常は過負荷を示す変色した排気ガスを残さずに充填燃料を燃焼させるのに十分な空気があった。エンジニアたちは最終的に、問題は、エンジンシリンダー内で爆発する瞬間的な高圧噴射空気が、代替の機械式燃料ノズルよりも効率的に燃料を拡散させ、その結果、エアコンプレッサーなしで燃料を拡散しなければならなかった点であると認識した。燃焼プロセスを完了するために酸素原子を探しますが、酸素は空気の 20% しか占めていないため、燃料の各原子が酸素原子に遭遇する機会は 5 回に 1 回しかありません。その結果、燃料が不適切に燃焼した。

燃料噴射ノズルの通常の設計では、燃料はストリームやジェットではなく、ノズルから蒸気が放射されるコーンスプレーの形でシリンダー内に導入されました。燃料をより完全に拡散させるためにできることはほとんどありません。混合を改善するには、空気に追加の動きを与える必要がありました。最も一般的な方法は、誘導によって生成される空気の渦巻きや、ピストンの外縁から中心に向かうスキッシュと呼ばれる空気の放射状の動き、あるいはその両方です。この渦巻きと潰れを作り出すために、さまざまな方法が採用されています。空気の渦が燃料噴射率と明確な関係を持っている場合に、最良の結果が得られるようです。シリンダー内の空気を効率的に利用するには、噴射期間中、サイクル間で極端に沈下することなく、閉じ込められた空気がスプレーから次のスプレーへ連続的に移動できる回転速度が必要です。