Drie basisgroottegroepen
Er zijn drie basisgroottegroepen van dieselmotoren op basis van vermogen: klein, middelgroot en groot.De kleine motoren hebben een vermogen van minder dan 16 kilowatt.Dit is het meest geproduceerde type dieselmotor.Deze motoren worden gebruikt in auto's, lichte vrachtwagens en sommige landbouw- en bouwtoepassingen en als kleine stationaire elektrische stroomgeneratoren (zoals die op pleziervaartuigen) en als mechanische aandrijvingen.Het zijn doorgaans vier- of zescilindermotoren met directe injectie.Velen zijn voorzien van een turbocompressor en nakoelers.

Middelgrote motoren hebben een vermogen variërend van 188 tot 750 kilowatt, of 252 tot 1.006 pk.Het merendeel van deze motoren wordt gebruikt in zware vrachtwagens.Het zijn doorgaans zescilinder-in-lijnmotoren met turbocompressor en nakoeling met directe injectie.Sommige V-8- en V-12-motoren behoren ook tot deze groottegroep.

Grote dieselmotoren hebben een vermogen van meer dan 750 kilowatt.Deze unieke motoren worden gebruikt voor maritieme, locomotief- en mechanische aandrijftoepassingen en voor de opwekking van elektrische energie.In de meeste gevallen zijn het systemen met directe injectie, turbocompressor en nakoeling.Ze kunnen werken met een snelheid van slechts 500 toeren per minuut wanneer betrouwbaarheid en duurzaamheid van cruciaal belang zijn.

Tweetakt- en viertaktmotoren
Zoals eerder opgemerkt, zijn dieselmotoren ontworpen om te werken op de twee- of viertaktcyclus.Bij de typische viertaktmotor bevinden de inlaat- en uitlaatkleppen en het brandstofinjectiemondstuk zich in de cilinderkop (zie afbeelding).Vaak worden dubbele klepopstellingen gebruikt: twee inlaat- en twee uitlaatkleppen.
Het gebruik van de tweetaktcyclus kan de noodzaak van één of beide kleppen in het motorontwerp elimineren.Afzuig- en inlaatlucht wordt meestal aangevoerd via poorten in de cilindervoering.Uitlaat kan via kleppen in de cilinderkop of via poorten in de cilindervoering.De motorconstructie wordt vereenvoudigd bij gebruik van een poortontwerp in plaats van een ontwerp waarbij uitlaatkleppen nodig zijn.

Brandstof voor diesels
Aardolieproducten die normaal gesproken als brandstof voor dieselmotoren worden gebruikt, zijn destillaten die zijn samengesteld uit zware koolwaterstoffen, met ten minste 12 tot 16 koolstofatomen per molecuul.Deze zwaardere destillaten worden uit ruwe olie gehaald nadat de meer vluchtige delen die in benzine worden gebruikt, zijn verwijderd.De kookpunten van deze zwaardere destillaten variëren van 177 tot 343 ° C (351 tot 649 ° F).Hun verdampingstemperatuur is dus veel hoger dan die van benzine, die minder koolstofatomen per molecuul heeft.

Water en sediment in brandstoffen kunnen schadelijk zijn voor de werking van de motor;schone brandstof is essentieel voor efficiënte injectiesystemen.Brandstoffen met een hoog koolstofgehalte kunnen het beste worden verwerkt door motoren met een laag toerental.Hetzelfde geldt voor producten met een hoog as- en zwavelgehalte.Het cetaangetal, dat de ontstekingskwaliteit van een brandstof definieert, wordt bepaald met behulp van ASTM D613 “Standaardtestmethode voor het cetaangetal van dieselbrandstofolie.”

Ontwikkeling van dieselmotoren
Vroeg werk
Rudolf Diesel, een Duitse ingenieur, vatte het idee op voor de motor die nu zijn naam draagt ​​nadat hij een apparaat had gezocht om de efficiëntie van de Otto-motor te vergroten (de eerste viertaktmotor, gebouwd door de 19e-eeuwse Duitse ingenieur Nikolaus Otto).Diesel realiseerde zich dat het elektrische ontstekingsproces van de benzinemotor geëlimineerd kon worden als compressie tijdens de compressieslag van een zuigercilinderapparaat lucht kon verwarmen tot een temperatuur die hoger was dan de zelfontbrandingstemperatuur van een bepaalde brandstof.Diesel stelde een dergelijke cyclus voor in zijn patenten van 1892 en 1893.
Oorspronkelijk werd poederkool of vloeibare aardolie als brandstof voorgesteld.Diesel zag poederkool, een bijproduct van de kolenmijnen in het Saargebied, als een gemakkelijk verkrijgbare brandstof.Er moest perslucht worden gebruikt om kolenstof in de motorcilinder te brengen;Het was echter moeilijk om de snelheid van de koleninjectie te beheersen, en nadat de experimentele motor door een explosie was vernietigd, wendde Diesel zich tot vloeibare aardolie.Hij bleef de brandstof met perslucht in de motor brengen.
De eerste commerciële motor gebouwd op de patenten van Diesel werd geïnstalleerd in St. Louis, Missouri, door Adolphus Busch, een brouwer die er een had gezien op een tentoonstelling in München en een licentie van Diesel had gekocht voor de productie en verkoop van de motor. in de Verenigde Staten en Canada.De motor werkte jarenlang met succes en was de voorloper van de Busch-Sulzer-motor die veel onderzeeërs van de Amerikaanse marine in de Eerste Wereldoorlog aandreef. Een andere dieselmotor die voor hetzelfde doel werd gebruikt, was de Nelseco, gebouwd door de New London Ship and Engine Company. in Groton, Conn.

De dieselmotor werd tijdens de Eerste Wereldoorlog de belangrijkste energiecentrale voor onderzeeërs. Hij was niet alleen zuinig in het gebruik van brandstof, maar bleek ook betrouwbaar onder oorlogsomstandigheden.Dieselbrandstof, minder vluchtig dan benzine, werd veiliger opgeslagen en verwerkt.
Aan het einde van de oorlog waren veel mannen die diesels bestuurden op zoek naar banen in vredestijd.Fabrikanten begonnen diesels aan te passen voor de economie in vredestijd.Eén wijziging was de ontwikkeling van de zogenaamde semidiesel die op een tweetaktcyclus werkte met een lagere compressiedruk en gebruik maakte van een gloeilamp of buis om de brandstoflading te ontsteken.Deze veranderingen resulteerden in een motor die goedkoper was om te bouwen en te onderhouden.

Brandstofinjectietechnologie
Een verwerpelijk kenmerk van de volledige dieselmotor was de noodzaak van een hogedrukinjectieluchtcompressor.Er was niet alleen energie nodig om de luchtcompressor aan te drijven, maar er trad ook een koelend effect op dat de ontsteking vertraagde toen de samengeperste lucht, typisch bij 6,9 megapascal (1.000 pond per vierkante inch), plotseling uitbreidde in de cilinder, die een druk had van ongeveer 3,4. tot 4 megapascal (493 tot 580 pond per vierkante inch).Diesel had lucht onder hoge druk nodig om poederkool in de cilinder te brengen;toen vloeibare aardolie poederkool als brandstof verving, kon er een pomp worden gemaakt die de plaats van de hogedrukluchtcompressor zou innemen.

Er waren een aantal manieren waarop een pomp kon worden gebruikt.In Engeland gebruikte de Vickers Company wat de common-rail-methode werd genoemd, waarbij een batterij pompen de brandstof onder druk hield in een pijp die over de hele lengte van de motor liep met leidingen naar elke cilinder.Vanaf deze brandstoftoevoerleiding per spoor (of pijp) liet een reeks injectiekleppen de brandstoftoevoer naar elke cilinder op het juiste punt in zijn cyclus toe.Een andere methode maakte gebruik van nokbediende schok- of plunjerpompen om brandstof onder kortstondig hoge druk op het juiste moment naar de injectieklep van elke cilinder te leveren.

De afschaffing van de luchtinjectiecompressor was een stap in de goede richting, maar er moest nog een ander probleem worden opgelost: de uitlaatgassen van de motor bevatten een buitensporige hoeveelheid rook, zelfs bij vermogens die ruim binnen het vermogen van de motor lagen en ook al was er sprake van Er zat voldoende lucht in de cilinder om de brandstoflading te verbranden zonder een verkleurde uitlaat achter te laten die normaal gesproken op overbelasting duidde.De ingenieurs realiseerden zich uiteindelijk dat het probleem was dat de kortstondig onder hoge druk staande injectielucht die in de motorcilinder explodeerde de brandstoflading efficiënter had verspreid dan de vervangende mechanische brandstofsproeiers konden doen, met als gevolg dat de brandstof zonder de luchtcompressor moest worden afgevoerd. zoek de zuurstofatomen op om het verbrandingsproces te voltooien, en aangezien zuurstof slechts 20 procent van de lucht uitmaakt, had elk brandstofatoom slechts één kans op vijf om een ​​zuurstofatoom tegen te komen.Het resultaat was een onjuiste verbranding van de brandstof.

Het gebruikelijke ontwerp van een brandstofinjectiemondstuk introduceerde de brandstof in de cilinder in de vorm van een kegelvormige spray, waarbij de damp uit het mondstuk straalde, in plaats van in een stroom of straal.Er kon heel weinig worden gedaan om de brandstof grondiger te verspreiden.Verbeterde menging moest worden bereikt door extra beweging aan de lucht te geven, meestal door door inductie geproduceerde luchtwervelingen of een radiale beweging van de lucht, squish genoemd, of beide, vanaf de buitenrand van de zuiger naar het midden.Er zijn verschillende methoden gebruikt om deze werveling en squish te creëren.De beste resultaten worden blijkbaar verkregen wanneer de luchtwerveling een duidelijke relatie heeft met de brandstofinjectiesnelheid.Efficiënt gebruik van de lucht in de cilinder vereist een rotatiesnelheid die ervoor zorgt dat de ingesloten lucht tijdens de injectieperiode continu van de ene nevel naar de volgende beweegt, zonder extreme verzakkingen tussen de cycli.