Τρεις βασικές ομάδες μεγέθους
Υπάρχουν τρεις βασικές ομάδες μεγεθών κινητήρων ντίζελ με βάση την ισχύ—μικρές, μεσαίες και μεγάλες.Οι μικροί κινητήρες έχουν τιμές ισχύος εξόδου μικρότερες από 16 κιλοβάτ.Αυτός είναι ο πιο συχνά παραγόμενος τύπος κινητήρα ντίζελ.Αυτοί οι κινητήρες χρησιμοποιούνται σε αυτοκίνητα, ελαφρά φορτηγά και σε ορισμένες γεωργικές και κατασκευαστικές εφαρμογές και ως μικρές σταθερές γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας (όπως αυτές σε σκάφη αναψυχής) και ως μηχανικές κινήσεις.Είναι συνήθως κινητήρες άμεσου ψεκασμού, εν σειρά, τετρακύλινδροι ή εξακύλινδροι.Πολλά είναι υπερτροφοδοτούμενα με aftercoolers.

Οι μεσαίες μηχανές έχουν χωρητικότητα ισχύος που κυμαίνεται από 188 έως 750 κιλοβάτ, ή 252 έως 1.006 ίππους.Η πλειοψηφία αυτών των κινητήρων χρησιμοποιούνται σε φορτηγά βαρέως τύπου.Είναι συνήθως κινητήρες άμεσου ψεκασμού, σε σειρά, εξακύλινδροι υπερτροφοδοτούμενοι και μεταψυκτικοί κινητήρες.Ορισμένοι κινητήρες V-8 και V-12 ανήκουν επίσης σε αυτήν την ομάδα μεγέθους.

Οι μεγάλοι κινητήρες ντίζελ έχουν ονομαστική ισχύ άνω των 750 κιλοβάτ.Αυτοί οι μοναδικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται για θαλάσσιες εφαρμογές, ατμομηχανές και μηχανικές εφαρμογές κίνησης και για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.Στις περισσότερες περιπτώσεις πρόκειται για συστήματα άμεσου ψεκασμού, υπερσυμπιεστή και μεταψύξης.Μπορούν να λειτουργούν με έως και 500 στροφές ανά λεπτό όταν η αξιοπιστία και η ανθεκτικότητα είναι κρίσιμες.

Δίχρονοι και Τετράχρονοι Κινητήρες
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, οι κινητήρες ντίζελ έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν είτε στον δίχρονο είτε στον τετράχρονο κύκλο.Στον τυπικό τετράχρονο κινητήρα, οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής και το ακροφύσιο ψεκασμού καυσίμου βρίσκονται στην κυλινδροκεφαλή (βλ. εικόνα).Συχνά, χρησιμοποιούνται διπλές διατάξεις βαλβίδων - δύο βαλβίδες εισαγωγής και δύο βαλβίδες εξαγωγής.
Η χρήση του δίχρονου κύκλου μπορεί να εξαλείψει την ανάγκη για μία ή και τις δύο βαλβίδες στη σχεδίαση του κινητήρα.Ο καθαρισμός και ο αέρας εισαγωγής παρέχονται συνήθως μέσω των θυρών στην επένδυση του κυλίνδρου.Η εξάτμιση μπορεί να γίνει είτε μέσω βαλβίδων που βρίσκονται στην κυλινδροκεφαλή είτε μέσω θυρών στην επένδυση του κυλίνδρου.Η κατασκευή του κινητήρα απλοποιείται όταν χρησιμοποιείται σχεδίαση θύρας αντί για μία που απαιτεί βαλβίδες εξαγωγής.

Καύσιμα για ντίζελ
Τα προϊόντα πετρελαίου που χρησιμοποιούνται συνήθως ως καύσιμο για κινητήρες ντίζελ είναι αποστάγματα που αποτελούνται από βαρείς υδρογονάνθρακες, με τουλάχιστον 12 έως 16 άτομα άνθρακα ανά μόριο.Αυτά τα βαρύτερα αποστάγματα λαμβάνονται από το αργό πετρέλαιο αφού αφαιρεθούν τα πιο πτητικά μέρη που χρησιμοποιούνται στη βενζίνη.Τα σημεία βρασμού αυτών των βαρύτερων αποσταγμάτων κυμαίνονται από 177 έως 343 °C (351 έως 649 °F).Έτσι, η θερμοκρασία εξάτμισης τους είναι πολύ υψηλότερη από αυτή της βενζίνης, η οποία έχει λιγότερα άτομα άνθρακα ανά μόριο.

Το νερό και τα ιζήματα στα καύσιμα μπορεί να είναι επιβλαβή για τη λειτουργία του κινητήρα.Το καθαρό καύσιμο είναι απαραίτητο για αποτελεσματικά συστήματα έγχυσης.Τα καύσιμα με υψηλά υπολείμματα άνθρακα μπορούν να αντιμετωπιστούν καλύτερα από κινητήρες χαμηλής ταχύτητας περιστροφής.Το ίδιο ισχύει και για εκείνα με υψηλή περιεκτικότητα σε τέφρα και θείο.Ο αριθμός κετανίου, ο οποίος καθορίζει την ποιότητα ανάφλεξης ενός καυσίμου, προσδιορίζεται χρησιμοποιώντας το ASTM D613 «Τυπική μέθοδος δοκιμής για τον αριθμό κετανίου του καυσίμου πετρελαίου».

Ανάπτυξη κινητήρων ντίζελ
Πρόωρη εργασία
Ο Rudolf Diesel, ένας Γερμανός μηχανικός, συνέλαβε την ιδέα για τον κινητήρα που τώρα φέρει το όνομά του αφού είχε αναζητήσει μια συσκευή για να αυξήσει την απόδοση του κινητήρα Otto (ο πρώτος τετράχρονος κινητήρας, που κατασκευάστηκε από τον Γερμανό μηχανικό του 19ου αιώνα Νικόλαος Όττο).Ο Ντίζελ συνειδητοποίησε ότι η διαδικασία ηλεκτρικής ανάφλεξης του βενζινοκινητήρα θα μπορούσε να εξαλειφθεί εάν, κατά τη διάρκεια της διαδρομής συμπίεσης μιας συσκευής κυλίνδρου εμβόλου, η συμπίεση μπορούσε να θερμάνει τον αέρα σε θερμοκρασία υψηλότερη από τη θερμοκρασία αυτοανάφλεξης ενός δεδομένου καυσίμου.Ο Ντίζελ πρότεινε έναν τέτοιο κύκλο στις πατέντες του του 1892 και του 1893.
Αρχικά, ως καύσιμο προτάθηκε είτε ο άνθρακας σε σκόνη είτε το υγρό πετρέλαιο.Το ντίζελ είδε άνθρακα σε σκόνη, ένα υποπροϊόν των ανθρακωρυχείων Saar, ως άμεσα διαθέσιμο καύσιμο.Ο πεπιεσμένος αέρας έπρεπε να χρησιμοποιηθεί για την εισαγωγή σκόνης άνθρακα στον κύλινδρο του κινητήρα.Ωστόσο, ο έλεγχος του ρυθμού έγχυσης άνθρακα ήταν δύσκολος και, αφού ο πειραματικός κινητήρας καταστράφηκε από έκρηξη, το Diesel στράφηκε σε υγρό πετρέλαιο.Συνέχισε να εισάγει το καύσιμο στον κινητήρα με πεπιεσμένο αέρα.
Ο πρώτος εμπορικός κινητήρας που χτίστηκε με διπλώματα ευρεσιτεχνίας της Diesel εγκαταστάθηκε στο St. Louis, Mo., από τον Adolphus Busch, έναν ζυθοποιό που είχε δει έναν να εκτίθεται σε έκθεση στο Μόναχο και είχε αγοράσει άδεια από τη Diesel για την κατασκευή και την πώληση του κινητήρα στις Ηνωμένες Πολιτείες και τον Καναδά.Ο κινητήρας λειτούργησε με επιτυχία για χρόνια και ήταν ο πρόδρομος του κινητήρα Busch-Sulzer που τροφοδοτούσε πολλά υποβρύχια του Πολεμικού Ναυτικού των ΗΠΑ στον Α' Παγκόσμιο Πόλεμο. Ένας άλλος κινητήρας ντίζελ που χρησιμοποιήθηκε για τον ίδιο σκοπό ήταν ο Nelseco, που κατασκευάστηκε από την New London Ship and Engine Company στο Groton, Conn.

Ο κινητήρας ντίζελ έγινε ο κύριος σταθμός παραγωγής ενέργειας για τα υποβρύχια κατά τη διάρκεια του Α' Παγκοσμίου Πολέμου. Δεν ήταν μόνο οικονομικός στη χρήση καυσίμου, αλλά αποδείχθηκε αξιόπιστος και σε συνθήκες πολέμου.Το καύσιμο ντίζελ, λιγότερο πτητικό από τη βενζίνη, αποθηκεύτηκε και χειρίστηκε με μεγαλύτερη ασφάλεια.
Στο τέλος του πολέμου πολλοί άντρες που χειρίζονταν ντίζελ έψαχναν για δουλειές σε καιρό ειρήνης.Οι κατασκευαστές άρχισαν να προσαρμόζουν τα ντίζελ για την οικονομία σε καιρό ειρήνης.Μια τροποποίηση ήταν η ανάπτυξη του λεγόμενου ημιντίζελ που λειτουργούσε σε δίχρονο κύκλο σε χαμηλότερη πίεση συμπίεσης και χρησιμοποιούσε έναν θερμό λαμπτήρα ή σωλήνα για να ανάψει τη φόρτιση του καυσίμου.Αυτές οι αλλαγές είχαν ως αποτέλεσμα έναν κινητήρα λιγότερο δαπανηρή στην κατασκευή και συντήρηση.

Τεχνολογία έγχυσης καυσίμου
Ένα απαράδεκτο χαρακτηριστικό του πλήρους ντίζελ ήταν η αναγκαιότητα ενός συμπιεστή αέρα υψηλής πίεσης, έγχυσης.Όχι μόνο απαιτούνταν ενέργεια για την οδήγηση του αεροσυμπιεστή, αλλά ένα φαινόμενο ψύξης που καθυστέρησε την ανάφλεξη εμφανίστηκε όταν ο πεπιεσμένος αέρας, συνήθως στα 6,9 megapascals (1.000 λίβρες ανά τετραγωνική ίντσα), ξαφνικά επεκτάθηκε στον κύλινδρο, ο οποίος ήταν σε πίεση περίπου 3,4 έως 4 megapascals (493 έως 580 λίβρες ανά τετραγωνική ίντσα).Το ντίζελ χρειαζόταν αέρα υψηλής πίεσης για να εισάγει άνθρακα σε σκόνη στον κύλινδρο.Όταν το υγρό πετρέλαιο αντικατέστησε τον άνθρακα σε σκόνη ως καύσιμο, θα μπορούσε να κατασκευαστεί μια αντλία για να αντικαταστήσει τον αεροσυμπιεστή υψηλής πίεσης.

Υπήρχαν διάφοροι τρόποι με τους οποίους μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μια αντλία.Στην Αγγλία, η εταιρεία Vickers χρησιμοποίησε αυτό που ονομαζόταν μέθοδος common-rail, κατά την οποία μια μπαταρία αντλιών διατηρούσε το καύσιμο υπό πίεση σε έναν σωλήνα που διέτρεχε το μήκος του κινητήρα με καλώδια σε κάθε κύλινδρο.Από αυτή τη γραμμή τροφοδοσίας καυσίμου σιδηροτροχιάς (ή σωλήνα), μια σειρά από βαλβίδες έγχυσης δέχονταν τη φόρτιση καυσίμου σε κάθε κύλινδρο στο σωστό σημείο του κύκλου του.Μια άλλη μέθοδος χρησιμοποιούσε αντλίες με τράνταγμα που λειτουργούν με έκκεντρο ή τύπου εμβόλου για την παροχή καυσίμου υπό στιγμιαία υψηλή πίεση στη βαλβίδα έγχυσης κάθε κυλίνδρου την κατάλληλη στιγμή.

Η εξάλειψη του συμπιεστή αέρα έγχυσης ήταν ένα βήμα προς τη σωστή κατεύθυνση, αλλά υπήρχε ένα ακόμη πρόβλημα που έπρεπε να λυθεί: η εξάτμιση του κινητήρα περιείχε υπερβολική ποσότητα καπνού, ακόμη και σε εξόδους πολύ εντός της ιπποδύναμης του κινητήρα και παρόλο που υπήρχε ήταν αρκετός αέρας στον κύλινδρο για να κάψει τη φόρτιση του καυσίμου χωρίς να αφήσει μια αποχρωματισμένη εξάτμιση που συνήθως υποδηλώνει υπερφόρτωση.Οι μηχανικοί τελικά συνειδητοποίησαν ότι το πρόβλημα ήταν ότι ο στιγμιαία αέρας έγχυσης υψηλής πίεσης που εκρήγνυται στον κύλινδρο του κινητήρα είχε διαχέει τη φόρτιση καυσίμου πιο αποτελεσματικά από ό,τι μπορούσαν να κάνουν τα υποκατάστατα μηχανικά ακροφύσια καυσίμου, με αποτέλεσμα χωρίς τον αεροσυμπιεστή το καύσιμο έπρεπε να αναζητήστε τα άτομα οξυγόνου για να ολοκληρώσετε τη διαδικασία καύσης και, καθώς το οξυγόνο αποτελεί μόνο το 20 τοις εκατό του αέρα, κάθε άτομο καυσίμου είχε μόνο μία πιθανότητα στις πέντε να συναντήσει ένα άτομο οξυγόνου.Το αποτέλεσμα ήταν η ακατάλληλη καύση του καυσίμου.

Ο συνήθης σχεδιασμός ενός ακροφυσίου έγχυσης καυσίμου εισήγαγε το καύσιμο στον κύλινδρο με τη μορφή ψεκασμού κώνου, με τον ατμό να ακτινοβολεί από το ακροφύσιο, παρά σε ρεύμα ή πίδακα.Πολύ λίγα θα μπορούσαν να γίνουν για τη διεξοδική διάχυση του καυσίμου.Η βελτιωμένη ανάμιξη έπρεπε να επιτευχθεί μεταδίδοντας πρόσθετη κίνηση στον αέρα, συνηθέστερα με στροβιλισμούς αέρα που παράγονται από επαγωγή ή μια ακτινική κίνηση του αέρα, που ονομάζεται squish, ή και τα δύο, από το εξωτερικό άκρο του εμβόλου προς το κέντρο.Διάφορες μέθοδοι έχουν χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία αυτού του στροβιλισμού και του στροβιλισμού.Τα καλύτερα αποτελέσματα λαμβάνονται προφανώς όταν ο στροβιλισμός του αέρα έχει μια σαφή σχέση με τον ρυθμό έγχυσης καυσίμου.Η αποτελεσματική χρήση του αέρα μέσα στον κύλινδρο απαιτεί μια ταχύτητα περιστροφής που αναγκάζει τον εγκλωβισμένο αέρα να μετακινείται συνεχώς από τον ένα ψεκασμό στον άλλο κατά την περίοδο της έγχυσης, χωρίς ακραία καθίζηση μεταξύ των κύκλων.