ثلاث مجموعات الحجم الأساسية
هناك ثلاث مجموعات ذات أحجام أساسية لمحركات الديزل تعتمد على القوة: صغيرة ومتوسطة وكبيرة.تتمتع المحركات الصغيرة بقيم إنتاج طاقة أقل من 16 كيلووات.هذا هو نوع محرك الديزل الأكثر إنتاجًا.تُستخدم هذه المحركات في السيارات والشاحنات الخفيفة وبعض التطبيقات الزراعية والإنشائية وكمولدات صغيرة ثابتة للطاقة الكهربائية (مثل تلك الموجودة في قوارب الترفيه) وكمحركات ميكانيكية.وهي عادة ما تكون ذات حقن مباشر، ومحركات مستقيمة، وأربع أو ست أسطوانات.يتم شحن العديد منها بشاحن توربيني مع مبردات لاحقة.

وتتراوح قدرة المحركات المتوسطة من 188 إلى 750 كيلووات، أو من 252 إلى 1006 حصان.وتستخدم غالبية هذه المحركات في الشاحنات الثقيلة.وهي عادة ما تكون محركات ذات حقن مباشر، ومحركات مستقيمة، سداسية الأسطوانات مزودة بشاحن توربيني ومبرد لاحق.تنتمي بعض محركات V-8 وV-12 أيضًا إلى مجموعة الحجم هذه.

تتمتع محركات الديزل الكبيرة بقدرة تزيد عن 750 كيلووات.تُستخدم هذه المحركات الفريدة في تطبيقات القيادة البحرية والقاطرات والميكانيكية ولتوليد الطاقة الكهربائية.في معظم الحالات، تكون أنظمة الحقن المباشر والشاحن التوربيني والتبريد اللاحق.قد تعمل بسرعة منخفضة تصل إلى 500 دورة في الدقيقة عندما تكون الموثوقية والمتانة أمرًا بالغ الأهمية.

محركات ثنائية الأشواط ورباعية الأشواط
كما ذكرنا سابقًا، تم تصميم محركات الديزل للعمل إما على دورة ثنائية أو رباعية الأشواط.في المحرك النموذجي رباعي الأشواط، توجد صمامات السحب والعادم وفوهة حقن الوقود في رأس الأسطوانة (انظر الشكل).في كثير من الأحيان، يتم استخدام ترتيبات الصمام المزدوج - صمامان للسحب وصمامين للعادم.
يمكن أن يؤدي استخدام الدورة ثنائية الشوط إلى إلغاء الحاجة إلى صمام واحد أو كليهما في تصميم المحرك.عادةً ما يتم توفير هواء التفريغ والسحب من خلال المنافذ الموجودة في بطانة الأسطوانة.يمكن أن يكون العادم إما من خلال الصمامات الموجودة في رأس الأسطوانة أو من خلال المنافذ الموجودة في بطانة الأسطوانة.يتم تبسيط بناء المحرك عند استخدام تصميم المنفذ بدلاً من التصميم الذي يتطلب صمامات العادم.

وقود الديزل
المنتجات البترولية التي تستخدم عادة كوقود لمحركات الديزل هي عبارة عن نواتج تقطير تتكون من هيدروكربونات ثقيلة تحتوي على ما لا يقل عن 12 إلى 16 ذرة كربون لكل جزيء.يتم أخذ نواتج التقطير الأثقل هذه من النفط الخام بعد إزالة الأجزاء الأكثر تطايرًا المستخدمة في البنزين.تتراوح نقاط غليان نواتج التقطير الأثقل هذه من 177 إلى 343 درجة مئوية (351 إلى 649 درجة فهرنهايت).وبالتالي، فإن درجة حرارة تبخرها أعلى بكثير من درجة حرارة البنزين، الذي يحتوي على عدد أقل من ذرات الكربون لكل جزيء.

يمكن أن تكون المياه والرواسب الموجودة في الوقود ضارة بتشغيل المحرك؛الوقود النظيف ضروري لأنظمة الحقن الفعالة.يمكن التعامل مع الوقود الذي يحتوي على نسبة عالية من الكربون بشكل أفضل بواسطة المحركات ذات السرعة المنخفضة.وينطبق الشيء نفسه على تلك التي تحتوي على نسبة عالية من الرماد والكبريت.يتم تحديد رقم السيتان، الذي يحدد جودة اشتعال الوقود، باستخدام ASTM D613 "طريقة الاختبار القياسية للرقم السيتاني لزيت وقود الديزل".

تطوير محركات الديزل
العمل في وقت مبكر
رودولف ديزل، مهندس ألماني، خطرت له فكرة المحرك الذي يحمل اسمه الآن بعد أن كان يبحث عن جهاز لزيادة كفاءة محرك أوتو (أول محرك رباعي الأشواط، صنعه المهندس الألماني في القرن التاسع عشر). نيكولاس أوتو).أدرك ديزل أنه يمكن التخلص من عملية الإشعال الكهربائي لمحرك البنزين إذا تمكن الضغط، أثناء شوط الضغط لجهاز أسطوانة المكبس، من تسخين الهواء إلى درجة حرارة أعلى من درجة حرارة الاشتعال الذاتي لوقود معين.اقترح ديزل مثل هذه الدورة في براءات اختراعه في عامي 1892 و1893.
في الأصل، تم اقتراح الفحم المسحوق أو البترول السائل كوقود.رأى الديزل الفحم المسحوق، وهو منتج ثانوي لمناجم الفحم في سار، كوقود متاح بسهولة.كان من المقرر استخدام الهواء المضغوط لإدخال غبار الفحم إلى أسطوانة المحرك.ومع ذلك، كان التحكم في معدل حقن الفحم أمرًا صعبًا، وبعد تدمير المحرك التجريبي نتيجة انفجار، تحول الديزل إلى البترول السائل.واصل إدخال الوقود إلى المحرك بالهواء المضغوط.
تم تركيب أول محرك تجاري مبني على براءات اختراع ديزل في سانت لويس، ميزوري، بواسطة أدولفوس بوش، صانع الجعة الذي شاهد واحدًا معروضًا في معرض في ميونيخ واشترى ترخيصًا من ديزل لتصنيع وبيع المحرك. في الولايات المتحدة وكندا.عمل المحرك بنجاح لسنوات وكان المحرك السابق لمحرك Busch-Sulzer الذي زود العديد من غواصات البحرية الأمريكية بالطاقة في الحرب العالمية الأولى. كما تم استخدام محرك ديزل آخر لنفس الغرض وهو محرك Nelseco، الذي بنته شركة New London Ship and Engine Company. في جروتون، كونيتيكت

أصبح محرك الديزل محطة الطاقة الأساسية للغواصات خلال الحرب العالمية الأولى. ولم يكن اقتصاديًا في استخدام الوقود فحسب، بل أثبت أيضًا موثوقيته في ظل ظروف الحرب.كان وقود الديزل، الأقل تطايرًا من البنزين، يتم تخزينه والتعامل معه بشكل أكثر أمانًا.
في نهاية الحرب، كان العديد من الرجال الذين كانوا يعملون بمحركات الديزل يبحثون عن وظائف في وقت السلم.بدأ المصنعون في تكييف محركات الديزل مع الاقتصاد في زمن السلم.كان أحد التعديلات هو تطوير ما يسمى بنصف الديزل الذي يعمل على دورة ثنائية الأشواط عند ضغط ضغط أقل ويستفيد من لمبة ساخنة أو أنبوب لإشعال شحنة الوقود.أدت هذه التغييرات إلى جعل المحرك أقل تكلفة في البناء والصيانة.

تكنولوجيا حقن الوقود
كانت إحدى الميزات المرفوضة للديزل الكامل هي ضرورة وجود ضاغط هواء عالي الضغط.لم تكن هناك حاجة إلى طاقة لتشغيل ضاغط الهواء فحسب، بل حدث تأثير تبريد أدى إلى تأخير الاشتعال عندما تمدد الهواء المضغوط، عادة عند 6.9 ميجا باسكال (1000 رطل لكل بوصة مربعة)، فجأة داخل الأسطوانة، التي كان ضغطها حوالي 3.4 إلى 4 ميغاباسكال (493 إلى 580 رطلاً لكل بوصة مربعة).كان الديزل يحتاج إلى هواء عالي الضغط لإدخال مسحوق الفحم إلى الأسطوانة؛عندما حل البترول السائل محل الفحم المسحوق كوقود، كان من الممكن صنع مضخة لتحل محل ضاغط الهواء عالي الضغط.

كان هناك عدد من الطرق التي يمكن من خلالها استخدام المضخة.في إنجلترا، استخدمت شركة فيكرز ما كان يسمى طريقة السكك المشتركة، حيث تقوم بطارية من المضخات بالحفاظ على الوقود تحت الضغط في أنبوب يمتد على طول المحرك مع وصلات إلى كل أسطوانة.من خط إمداد الوقود هذا (أو الأنبوب)، تسمح سلسلة من صمامات الحقن بشحن الوقود إلى كل أسطوانة عند النقطة الصحيحة في دورتها.هناك طريقة أخرى تستخدم مضخات رعدية تعمل بالكامة، أو من النوع المكبس، لتوصيل الوقود تحت ضغط مرتفع مؤقتًا إلى صمام الحقن لكل أسطوانة في الوقت المناسب.

كان التخلص من ضاغط الهواء بالحقن خطوة في الاتجاه الصحيح، ولكن كانت هناك مشكلة أخرى يجب حلها: احتوى عادم المحرك على كمية زائدة من الدخان، حتى عند المخرجات ضمن تصنيف القدرة الحصانية للمحرك وعلى الرغم من وجود كان هناك ما يكفي من الهواء في الأسطوانة لحرق شحنة الوقود دون ترك عادم متغير اللون يشير عادة إلى الحمل الزائد.أدرك المهندسون أخيرًا أن المشكلة تكمن في أن هواء الحقن عالي الضغط الذي ينفجر مؤقتًا في أسطوانة المحرك قد أدى إلى تشتيت شحنة الوقود بشكل أكثر كفاءة مما كانت فوهات الوقود الميكانيكية البديلة قادرة على القيام به، وكانت النتيجة أنه بدون ضاغط الهواء، كان على الوقود أن يتدفق ابحث عن ذرات الأكسجين لتكتمل عملية الاحتراق، وبما أن الأكسجين يشكل 20 بالمائة فقط من الهواء، فإن كل ذرة وقود لديها فرصة واحدة فقط من كل خمس لمقابلة ذرة أكسجين.وكانت النتيجة حرق غير لائق للوقود.

كان التصميم المعتاد لفوهة حقن الوقود هو إدخال الوقود إلى الأسطوانة على شكل رذاذ مخروطي، مع إشعاع البخار من الفوهة، وليس في تيار أو طائرة نفاثة.ولا يمكن فعل الكثير لتوزيع الوقود بشكل أكثر شمولاً.يجب أن يتم تحسين الخلط عن طريق نقل حركة إضافية إلى الهواء، والأكثر شيوعًا عن طريق دوامات الهواء المنتجة بالحث أو حركة شعاعية للهواء، تسمى السحق، أو كليهما، من الحافة الخارجية للمكبس باتجاه المركز.تم استخدام طرق مختلفة لإنشاء هذه الدوامة والسحق.ومن الواضح أنه يتم الحصول على أفضل النتائج عندما يكون لدوامة الهواء علاقة محددة بمعدل حقن الوقود.يتطلب الاستخدام الفعال للهواء داخل الأسطوانة سرعة دوران تؤدي إلى تحرك الهواء المحبوس بشكل مستمر من رشة إلى أخرى خلال فترة الحقن، دون هبوط شديد بين الدورات.