Ba nhóm kích thước cơ bản
Có ba nhóm kích thước cơ bản của động cơ diesel dựa trên công suất—nhỏ, trung bình và lớn.Các động cơ nhỏ có giá trị công suất đầu ra nhỏ hơn 16 kilowatt.Đây là loại động cơ diesel được sản xuất phổ biến nhất.Những động cơ này được sử dụng trong ô tô, xe tải nhẹ, và một số ứng dụng nông nghiệp và xây dựng cũng như máy phát điện cố định nhỏ (chẳng hạn như máy phát điện trên tàu du lịch) và làm bộ truyền động cơ khí.Chúng thường là động cơ phun xăng trực tiếp, thẳng hàng, bốn hoặc sáu xi-lanh.Nhiều chiếc được tăng áp với bộ làm mát sau.

Động cơ cỡ trung có công suất từ ​​188 đến 750 kilowatt, tương đương 252 đến 1.006 mã lực.Phần lớn các động cơ này được sử dụng trên xe tải hạng nặng.Chúng thường là động cơ tăng áp sáu xi-lanh thẳng hàng, phun nhiên liệu trực tiếp và làm mát sau.Một số động cơ V-8 và V-12 cũng thuộc nhóm kích thước này.

Động cơ diesel lớn có công suất vượt quá 750 kilowatt.Những động cơ độc đáo này được sử dụng cho các ứng dụng hàng hải, đầu máy, truyền động cơ khí và phát điện.Trong hầu hết các trường hợp, chúng là hệ thống phun trực tiếp, tăng áp và làm mát sau.Chúng có thể hoạt động ở tốc độ thấp tới 500 vòng/phút khi độ tin cậy và độ bền là rất quan trọng.

Động cơ hai thì và bốn thì
Như đã lưu ý trước đó, động cơ diesel được thiết kế để hoạt động theo chu trình hai hoặc bốn thì.Trong động cơ bốn thì điển hình, van nạp, van xả và vòi phun nhiên liệu được đặt ở đầu xi-lanh (xem hình).Thông thường, bố trí van kép — hai van nạp và hai van xả — được sử dụng.
Việc sử dụng chu trình hai thì có thể loại bỏ sự cần thiết của một hoặc cả hai van trong thiết kế động cơ.Khí thải và khí nạp thường được cung cấp qua các cổng trong ống lót xi lanh.Khí thải có thể thông qua các van nằm ở đầu xi lanh hoặc qua các cổng trong ống lót xi lanh.Cấu trúc động cơ được đơn giản hóa khi sử dụng thiết kế cổng thay vì thiết kế cần có van xả.

Nhiên liệu cho động cơ diesel
Các sản phẩm dầu mỏ thường được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel là sản phẩm chưng cất gồm các hydrocacbon nặng, với ít nhất 12 đến 16 nguyên tử cacbon trên mỗi phân tử.Những sản phẩm chưng cất nặng hơn này được lấy từ dầu thô sau khi loại bỏ những phần dễ bay hơi hơn được sử dụng trong xăng.Điểm sôi của các sản phẩm chưng cất nặng hơn này nằm trong khoảng từ 177 đến 343 °C (351 đến 649 °F).Do đó, nhiệt độ bay hơi của chúng cao hơn nhiều so với xăng, loại xăng có ít nguyên tử carbon trên mỗi phân tử hơn.

Nước và cặn trong nhiên liệu có thể gây hại cho hoạt động của động cơ;nhiên liệu sạch là điều cần thiết cho hệ thống phun hiệu quả.Nhiên liệu có cặn cacbon cao có thể được xử lý tốt nhất bằng động cơ quay tốc độ thấp.Điều tương tự cũng áp dụng cho những chất có hàm lượng tro và lưu huỳnh cao.Trị số cetane, xác định chất lượng bắt lửa của nhiên liệu, được xác định bằng cách sử dụng “Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn về chỉ số cetane của dầu diesel” theo tiêu chuẩn ASTM D613.

Sự phát triển của động cơ diesel
Làm việc sớm
Rudolf Diesel, một kỹ sư người Đức, đã nghĩ ra ý tưởng về động cơ mang tên ông sau khi ông tìm kiếm một thiết bị để tăng hiệu suất của động cơ Otto (động cơ bốn kỳ đầu tiên, do kỹ sư người Đức thế kỷ 19 chế tạo). Nikolaus Otto).Diesel nhận ra rằng quá trình đánh lửa điện của động cơ xăng có thể bị loại bỏ nếu trong quá trình nén của thiết bị piston-xi lanh, quá trình nén có thể làm nóng không khí đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tự bốc cháy của một loại nhiên liệu nhất định.Diesel đã đề xuất một chu trình như vậy trong bằng sáng chế của ông năm 1892 và 1893.
Ban đầu, than bột hoặc dầu mỏ lỏng được đề xuất làm nhiên liệu.Diesel coi than bột, sản phẩm phụ của mỏ than Saar, làm nhiên liệu sẵn có.Khí nén được sử dụng để đưa bụi than vào xi lanh động cơ;tuy nhiên, việc kiểm soát tốc độ phun than rất khó khăn và sau khi động cơ thử nghiệm bị phá hủy trong một vụ nổ, Diesel đã chuyển sang sử dụng dầu mỏ lỏng.Anh tiếp tục đưa nhiên liệu vào động cơ bằng khí nén.
Động cơ thương mại đầu tiên được chế tạo dựa trên bằng sáng chế của Diesel đã được lắp đặt tại St. Louis, Mo., bởi Adolphus Busch, một nhà sản xuất bia, người đã từng nhìn thấy một chiếc được trưng bày tại một cuộc triển lãm ở Munich và đã mua giấy phép từ Diesel để sản xuất và bán động cơ này. ở Hoa Kỳ và Canada.Động cơ này hoạt động thành công trong nhiều năm và là tiền thân của động cơ Busch-Sulzer cung cấp năng lượng cho nhiều tàu ngầm của Hải quân Hoa Kỳ trong Thế chiến I. Một động cơ diesel khác được sử dụng cho mục đích tương tự là Nelseco, do New London Ship and Engine Company chế tạo. ở Groton, Conn.

Động cơ diesel trở thành nguồn năng lượng chính cho tàu ngầm trong Thế chiến thứ nhất. Nó không chỉ tiết kiệm nhiên liệu mà còn tỏ ra đáng tin cậy trong điều kiện thời chiến.Nhiên liệu diesel, ít bay hơi hơn xăng, được lưu trữ và xử lý an toàn hơn.
Khi chiến tranh kết thúc, nhiều người vận hành động cơ diesel đang tìm kiếm công việc trong thời bình.Các nhà sản xuất bắt đầu điều chỉnh động cơ diesel cho nền kinh tế thời bình.Một sửa đổi là sự phát triển của cái gọi là bán động cơ diesel hoạt động theo chu trình hai thì ở áp suất nén thấp hơn và sử dụng bóng đèn hoặc ống nóng để đốt cháy nhiên liệu.Những thay đổi này dẫn đến việc chế tạo và bảo trì động cơ ít tốn kém hơn.

Công nghệ phun nhiên liệu
Một đặc điểm khó chịu của động cơ diesel hoàn toàn là sự cần thiết của máy nén khí phun áp suất cao.Không chỉ cần năng lượng để vận hành máy nén khí mà hiệu ứng làm lạnh làm chậm quá trình đánh lửa xảy ra khi khí nén, thường ở mức 6,9 megapascal (1.000 pound mỗi inch vuông), đột ngột giãn nở vào xi lanh, ở áp suất khoảng 3,4 đến 4 megapascal (493 đến 580 pound mỗi inch vuông).Diesel cần không khí áp suất cao để đưa than bột vào xi lanh;khi dầu mỏ lỏng thay thế than bột làm nhiên liệu, một máy bơm có thể được chế tạo để thay thế máy nén khí áp suất cao.

Có một số cách để sử dụng máy bơm.Ở Anh, Công ty Vickers đã sử dụng cái được gọi là phương pháp đường ray chung, trong đó một cụm máy bơm duy trì nhiên liệu dưới áp suất trong một đường ống chạy dọc theo chiều dài động cơ có dây dẫn đến mỗi xi-lanh.Từ đường ray (hoặc đường ống) cung cấp nhiên liệu này, một loạt các van phun tiếp nhận nhiên liệu nạp vào từng xi lanh vào đúng điểm trong chu trình của nó.Một phương pháp khác sử dụng máy bơm giật vận hành bằng cam hoặc loại pít tông để cung cấp nhiên liệu dưới áp suất cao nhất thời đến van phun của mỗi xi lanh vào đúng thời điểm.

Việc loại bỏ máy nén khí phun là một bước đi đúng hướng, nhưng vẫn còn một vấn đề khác cần giải quyết: khí thải động cơ chứa một lượng khói quá lớn, ngay cả ở công suất đầu ra nằm trong định mức mã lực của động cơ và mặc dù có có đủ không khí trong xi-lanh để đốt cháy nhiên liệu nạp mà không để lại khí thải bị đổi màu thường biểu thị tình trạng quá tải.Các kỹ sư cuối cùng đã nhận ra rằng vấn đề là không khí phun áp suất cao trong giây lát bùng nổ vào xi lanh động cơ đã khuếch tán nhiên liệu hiệu quả hơn những gì mà các vòi phun nhiên liệu cơ học thay thế có thể làm được, dẫn đến kết quả là nếu không có máy nén khí thì nhiên liệu phải hoạt động. tìm kiếm các nguyên tử oxy để hoàn tất quá trình đốt cháy, và vì oxy chỉ chiếm 20% trong không khí nên mỗi nguyên tử nhiên liệu chỉ có một phần năm cơ hội gặp một nguyên tử oxy.Kết quả là việc đốt nhiên liệu không đúng cách.

Thiết kế thông thường của vòi phun nhiên liệu đưa nhiên liệu vào xi lanh dưới dạng phun hình nón, với hơi tỏa ra từ vòi phun chứ không phải ở dạng dòng hoặc tia.Có thể làm rất ít việc để khuếch tán nhiên liệu triệt để hơn.Việc trộn được cải thiện phải được thực hiện bằng cách truyền thêm chuyển động vào không khí, phổ biến nhất là bằng các xoáy không khí được tạo ra bằng cảm ứng hoặc chuyển động xuyên tâm của không khí, được gọi là tiếng ép, hoặc cả hai, từ mép ngoài của piston về phía tâm.Nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng để tạo ra vòng xoáy và tiếng squish này.Kết quả tốt nhất rõ ràng thu được khi xoáy không khí có mối liên hệ rõ ràng với tốc độ phun nhiên liệu.Việc sử dụng hiệu quả không khí trong xi lanh đòi hỏi tốc độ quay làm cho không khí bị mắc kẹt di chuyển liên tục từ lần phun này sang lần phun tiếp theo trong suốt thời gian phun mà không bị lún quá nhiều giữa các chu kỳ.