Tre gruppi di dimensioni base
Esistono tre gruppi di dimensioni base dei motori diesel in base alla potenza: piccolo, medio e grande.I piccoli motori hanno valori di potenza inferiori a 16 kilowatt.Questo è il tipo di motore diesel più comunemente prodotto.Questi motori sono utilizzati nelle automobili, negli autocarri leggeri e in alcune applicazioni agricole ed edili, nonché come piccoli generatori fissi di energia elettrica (come quelli sulle imbarcazioni da diporto) e come azionamenti meccanici.Si tratta in genere di motori a iniezione diretta, in linea, a quattro o sei cilindri.Molti sono turbocompressi con postrefrigeratori.

I motori medi hanno capacità di potenza che vanno da 188 a 750 kilowatt, o da 252 a 1.006 cavalli.La maggior parte di questi motori sono utilizzati negli autocarri pesanti.Di solito sono motori a iniezione diretta, in linea, a sei cilindri turbocompressi e postrefrigerati.Anche alcuni motori V-8 e V-12 appartengono a questo gruppo di dimensioni.

I grandi motori diesel hanno una potenza nominale superiore a 750 kilowatt.Questi motori esclusivi vengono utilizzati per applicazioni marine, locomotive e di azionamento meccanico e per la generazione di energia elettrica.Nella maggior parte dei casi si tratta di sistemi a iniezione diretta, turbocompressi e postrefrigerati.Possono funzionare a un minimo di 500 giri al minuto quando l'affidabilità e la durata sono fondamentali.

Motori a due e quattro tempi
Come notato in precedenza, i motori diesel sono progettati per funzionare con il ciclo a due o quattro tempi.Nel tipico motore a quattro tempi, le valvole di aspirazione e scarico e l'ugello di iniezione del carburante si trovano nella testata (vedi figura).Spesso vengono utilizzate disposizioni a doppia valvola: due valvole di aspirazione e due di scarico.
L'uso del ciclo a due tempi può eliminare la necessità di una o entrambe le valvole nella progettazione del motore.L'aria di scarico e di aspirazione viene solitamente fornita attraverso le porte nella camicia del cilindro.Lo scarico può avvenire attraverso valvole situate nella testata del cilindro o attraverso porte nella camicia del cilindro.La costruzione del motore è semplificata quando si utilizza un design con porta invece di uno che richiede valvole di scarico.

Carburante per motori diesel
I prodotti petroliferi normalmente utilizzati come carburante per i motori diesel sono distillati composti da idrocarburi pesanti, con almeno 12-16 atomi di carbonio per molecola.Questi distillati più pesanti vengono prelevati dal petrolio greggio dopo aver rimosso le parti più volatili utilizzate nella benzina.I punti di ebollizione di questi distillati più pesanti vanno da 177 a 343 ° C (da 351 a 649 ° F).Pertanto, la loro temperatura di evaporazione è molto più elevata di quella della benzina, che ha meno atomi di carbonio per molecola.

L'acqua e i sedimenti nei carburanti possono essere dannosi per il funzionamento del motore;il carburante pulito è essenziale per sistemi di iniezione efficienti.I combustibili con un elevato residuo di carbonio possono essere gestiti meglio dai motori a bassa velocità di rotazione.Lo stesso vale per quelli ad alto contenuto di ceneri e zolfo.Il numero di cetano, che definisce la qualità di accensione di un carburante, viene determinato utilizzando ASTM D613 "Metodo di prova standard per il numero di cetano dell'olio combustibile diesel".

Sviluppo di motori diesel
Primi lavori
Rudolf Diesel, un ingegnere tedesco, concepì l'idea del motore che ora porta il suo nome dopo aver cercato un dispositivo per aumentare l'efficienza del motore Otto (il primo motore a quattro tempi, costruito dall'ingegnere tedesco del XIX secolo Nicola Otto).Diesel si rese conto che il processo di accensione elettrica del motore a benzina poteva essere eliminato se, durante la corsa di compressione del dispositivo pistone-cilindro, la compressione potesse riscaldare l'aria ad una temperatura superiore alla temperatura di autoaccensione di un dato carburante.Diesel propose un tale ciclo nei suoi brevetti del 1892 e 1893.
Originariamente come combustibile veniva proposto carbone in polvere o petrolio liquido.Il diesel vedeva il carbone in polvere, un sottoprodotto delle miniere di carbone della Saar, come combustibile facilmente disponibile.L'aria compressa doveva essere utilizzata per introdurre la polvere di carbone nel cilindro del motore;tuttavia, controllare la velocità di iniezione del carbone era difficile e, dopo che il motore sperimentale fu distrutto da un'esplosione, il diesel passò al petrolio liquido.Ha continuato a introdurre il carburante nel motore con aria compressa.
Il primo motore commerciale costruito sui brevetti Diesel fu installato a St. Louis, Missouri, da Adolphus Busch, un birraio che ne aveva visto uno esposto a un'esposizione a Monaco e aveva acquistato una licenza da Diesel per la produzione e la vendita del motore. negli Stati Uniti e in Canada.Il motore funzionò con successo per anni e fu il precursore del motore Busch-Sulzer che alimentava molti sottomarini della Marina americana durante la prima guerra mondiale. Un altro motore diesel utilizzato per lo stesso scopo era il Nelseco, costruito dalla New London Ship and Engine Company a Groton, Connecticut

Il motore diesel divenne la principale centrale elettrica per i sottomarini durante la prima guerra mondiale. Non solo era economico nell'uso del carburante, ma si dimostrò affidabile anche in condizioni di guerra.Il carburante diesel, meno volatile della benzina, veniva immagazzinato e maneggiato in modo più sicuro.
Alla fine della guerra molti uomini che avevano utilizzato motori diesel cercavano lavoro in tempo di pace.I produttori iniziarono ad adattare i diesel per l'economia in tempo di pace.Una modifica è stata lo sviluppo del cosiddetto semidiesel che funzionava con un ciclo a due tempi con una pressione di compressione inferiore e utilizzava un bulbo o un tubo caldo per accendere la carica di carburante.Questi cambiamenti hanno portato a un motore meno costoso da costruire e mantenere.

Tecnologia di iniezione del carburante
Una caratteristica discutibile del diesel completo era la necessità di un compressore d'aria ad iniezione ad alta pressione.Non solo era necessaria energia per azionare il compressore d'aria, ma si verificava un effetto refrigerante che ritardava l'accensione quando l'aria compressa, tipicamente a 6,9 megapascal (1.000 libbre per pollice quadrato), si espandeva improvvisamente nel cilindro, che era a una pressione di circa 3,4 a 4 megapascal (da 493 a 580 libbre per pollice quadrato).Il diesel aveva bisogno di aria ad alta pressione con cui introdurre il carbone in polvere nel cilindro;quando il petrolio liquido sostituì il carbone in polvere come combustibile, si poté realizzare una pompa per sostituire il compressore d'aria ad alta pressione.

C'erano diversi modi in cui una pompa poteva essere utilizzata.In Inghilterra la Vickers Company utilizzava quello che veniva chiamato il metodo common-rail, in cui una batteria di pompe manteneva il carburante sotto pressione in un tubo che correva per tutta la lunghezza del motore con cavi a ciascun cilindro.Da questa linea di alimentazione del carburante su rotaia (o tubo), una serie di valvole di iniezione immetteva la carica di carburante in ciascun cilindro nel punto giusto del suo ciclo.Un altro metodo utilizzava pompe a scatto, o a stantuffo, azionate a camma per fornire carburante ad alta pressione momentanea alla valvola di iniezione di ciascun cilindro al momento giusto.

L'eliminazione del compressore d'aria ad iniezione era un passo nella giusta direzione, ma c'era ancora un altro problema da risolvere: lo scarico del motore conteneva una quantità eccessiva di fumo, anche a potenze ben entro la potenza nominale del motore e anche se c'era C'era abbastanza aria nel cilindro per bruciare la carica di carburante senza lasciare uno scarico scolorito che normalmente indicava un sovraccarico.Alla fine gli ingegneri si resero conto che il problema era che l'aria di iniezione momentaneamente ad alta pressione che esplodeva nel cilindro del motore aveva diffuso la carica di carburante in modo più efficiente di quanto fossero in grado di fare gli ugelli meccanici sostitutivi del carburante, con il risultato che senza il compressore d'aria il carburante doveva cercare gli atomi di ossigeno per completare il processo di combustione e, poiché l'ossigeno costituisce solo il 20% dell'aria, ogni atomo di carburante aveva solo una possibilità su cinque di incontrare un atomo di ossigeno.Il risultato è stata una combustione impropria del carburante.

Il design consueto di un ugello di iniezione del carburante introduceva il carburante nel cilindro sotto forma di uno spruzzo a cono, con il vapore che si irradiava dall'ugello, anziché in un flusso o getto.Si potrebbe fare ben poco per diffondere il carburante in modo più approfondito.Una migliore miscelazione doveva essere ottenuta impartendo ulteriore movimento all'aria, più comunemente mediante vortici d'aria prodotti per induzione o un movimento radiale dell'aria, chiamato squish, o entrambi, dal bordo esterno del pistone verso il centro.Sono stati impiegati vari metodi per creare questo vortice e questo schiacciamento.Apparentemente i migliori risultati si ottengono quando il vortice d'aria ha una relazione definita con la velocità di iniezione del carburante.Un utilizzo efficiente dell'aria all'interno del cilindro richiede una velocità di rotazione che faccia sì che l'aria intrappolata si sposti continuamente da uno spruzzo a quello successivo durante il periodo di iniezione, senza cedimenti estremi tra i cicli.