Trois groupes de tailles de base
Il existe trois groupes de tailles de base de moteurs diesel en fonction de leur puissance : petit, moyen et grand.Les petits moteurs ont des puissances inférieures à 16 kilowatts.Il s’agit du type de moteur diesel le plus couramment produit.Ces moteurs sont utilisés dans les automobiles, les camions légers et certaines applications agricoles et de construction, ainsi que comme petits générateurs électriques fixes (tels que ceux des embarcations de plaisance) et comme entraînements mécaniques.Il s’agit généralement de moteurs en ligne à quatre ou six cylindres à injection directe.Beaucoup sont turbocompressés avec refroidisseurs.

Les moteurs moyens ont des capacités de puissance allant de 188 à 750 kilowatts, soit de 252 à 1 006 chevaux.La majorité de ces moteurs sont utilisés dans les camions lourds.Il s’agit généralement de moteurs six cylindres en ligne à injection directe, turbocompressés et refroidis par post-refroidissement.Certains moteurs V-8 et V-12 appartiennent également à ce groupe de taille.

Les gros moteurs diesel ont une puissance nominale supérieure à 750 kilowatts.Ces moteurs uniques sont utilisés pour les applications d'entraînement marines, de locomotives et mécaniques ainsi que pour la production d'énergie électrique.Dans la plupart des cas, il s’agit de systèmes à injection directe, turbocompressés et post-refroidissement.Ils peuvent fonctionner à une vitesse aussi basse que 500 tours par minute lorsque la fiabilité et la durabilité sont essentielles.

Moteurs à deux et quatre temps
Comme indiqué précédemment, les moteurs diesel sont conçus pour fonctionner selon un cycle à deux ou quatre temps.Dans un moteur à quatre temps typique, les soupapes d'admission et d'échappement ainsi que l'injecteur de carburant sont situés dans la culasse (voir figure).Souvent, des agencements à double soupape (deux soupapes d'admission et deux soupapes d'échappement) sont utilisés.
L'utilisation du cycle à deux temps peut éliminer le besoin d'une ou des deux soupapes dans la conception du moteur.L’air de balayage et d’admission est généralement fourni par les orifices de la chemise de cylindre.L'échappement peut se faire soit par des soupapes situées dans la culasse, soit par des orifices dans la chemise de cylindre.La construction du moteur est simplifiée lorsqu'on utilise une conception à orifices au lieu d'une conception nécessitant des soupapes d'échappement.

Carburant pour diesel
Les produits pétroliers normalement utilisés comme carburant pour les moteurs diesel sont des distillats composés d'hydrocarbures lourds, avec au moins 12 à 16 atomes de carbone par molécule.Ces distillats plus lourds sont extraits du pétrole brut après avoir éliminé les parties les plus volatiles utilisées dans l’essence.Les points d'ébullition de ces distillats plus lourds vont de 177 à 343 °C (351 à 649 °F).Ainsi, leur température d’évaporation est bien supérieure à celle de l’essence, qui possède moins d’atomes de carbone par molécule.

L'eau et les sédiments présents dans les carburants peuvent nuire au fonctionnement du moteur ;Un carburant propre est essentiel à l’efficacité des systèmes d’injection.Les carburants à forte teneur en carbone peuvent être mieux traités par des moteurs à faible vitesse de rotation.Il en va de même pour ceux à forte teneur en cendres et en soufre.L'indice de cétane, qui définit la qualité d'inflammation d'un carburant, est déterminé à l'aide de la norme ASTM D613 « Standard Test Method for Cetane Number of Diesel Fuel Oil ».

Développement de moteurs diesel
Premiers travaux
Rudolf Diesel, un ingénieur allemand, a conçu l'idée du moteur qui porte aujourd'hui son nom après avoir recherché un dispositif permettant d'augmenter l'efficacité du moteur Otto (le premier moteur à quatre temps, construit par l'ingénieur allemand du XIXe siècle). Nikolaus Otto).Diesel s'est rendu compte que le processus d'allumage électrique du moteur à essence pouvait être éliminé si, pendant la course de compression d'un dispositif piston-cylindre, la compression pouvait chauffer l'air à une température supérieure à la température d'auto-inflammation d'un carburant donné.Diesel a proposé un tel cycle dans ses brevets de 1892 et 1893.
À l’origine, le charbon en poudre ou le pétrole liquide étaient proposés comme combustible.Le diesel utilisait le charbon en poudre, un sous-produit des mines de charbon de la Sarre, comme combustible facilement disponible.L'air comprimé devait être utilisé pour introduire de la poussière de charbon dans le cylindre du moteur ;cependant, contrôler le taux d'injection de charbon était difficile et, après la destruction du moteur expérimental par une explosion, le diesel s'est tourné vers le pétrole liquide.Il a continué à introduire le carburant dans le moteur avec de l'air comprimé.
Le premier moteur commercial construit sur les brevets de Diesel a été installé à Saint-Louis, dans le Missouri, par Adolphus Busch, un brasseur qui en avait vu un exposé lors d'une exposition à Munich et avait acheté une licence de Diesel pour la fabrication et la vente du moteur. aux États-Unis et au Canada.Le moteur a fonctionné avec succès pendant des années et a été le précurseur du moteur Busch-Sulzer qui a propulsé de nombreux sous-marins de la marine américaine pendant la Première Guerre mondiale. Un autre moteur diesel utilisé dans le même but était le Nelseco, construit par la New London Ship and Engine Company. à Groton, Connecticut.

Le moteur diesel est devenu le principal moteur des sous-marins pendant la Première Guerre mondiale. Il était non seulement économique en termes de consommation de carburant, mais s'est également révélé fiable dans des conditions de guerre.Le carburant diesel, moins volatil que l’essence, était stocké et manipulé de manière plus sûre.
À la fin de la guerre, de nombreux hommes qui conduisaient des véhicules diesel cherchaient un emploi en temps de paix.Les constructeurs ont commencé à adapter les moteurs diesel à l’économie du temps de paix.Une modification a été le développement du soi-disant semi-diesel qui fonctionnait sur un cycle à deux temps à une pression de compression inférieure et utilisait une ampoule ou un tube chaud pour enflammer la charge de carburant.Ces changements ont abouti à un moteur moins coûteux à construire et à entretenir.

Technologie d'injection de carburant
Une caractéristique répréhensible du moteur diesel complet était la nécessité d'un compresseur d'air à injection haute pression.Non seulement de l'énergie était nécessaire pour faire fonctionner le compresseur d'air, mais un effet réfrigérant qui retardait l'allumage se produisait lorsque l'air comprimé, généralement à 6,9 mégapascals (1 000 livres par pouce carré), se dilatait soudainement dans le cylindre, qui était à une pression d'environ 3,4. à 4 mégapascals (493 à 580 livres par pouce carré).Le diesel avait besoin d'air à haute pression pour introduire du charbon en poudre dans le cylindre ;Lorsque le pétrole liquide remplaçait le charbon en poudre comme combustible, une pompe pourrait être conçue pour remplacer le compresseur d'air à haute pression.

Il y avait plusieurs façons d’utiliser une pompe.En Angleterre, la société Vickers utilisait ce qu'on appelait la méthode à rampe commune, dans laquelle une batterie de pompes maintenait le carburant sous pression dans un tuyau s'étendant sur toute la longueur du moteur avec des conduits vers chaque cylindre.À partir de cette conduite d'alimentation en carburant par rail (ou tuyau), une série de soupapes d'injection acheminait la charge de carburant vers chaque cylindre au bon moment de son cycle.Une autre méthode utilisait des pompes à secousses ou à piston actionnées par came pour fournir du carburant sous une pression momentanément élevée à la soupape d'injection de chaque cylindre au bon moment.

La suppression du compresseur d'air d'injection était un pas dans la bonne direction, mais il restait encore un autre problème à résoudre : les gaz d'échappement du moteur contenaient une quantité excessive de fumée, même à des puissances bien inférieures à la puissance nominale du moteur et même s'il y avait Il y avait suffisamment d'air dans le cylindre pour brûler la charge de carburant sans laisser d'échappement décoloré qui indiquait normalement une surcharge.Les ingénieurs ont finalement réalisé que le problème était que l'air d'injection à haute pression explosant momentanément dans le cylindre du moteur avait diffusé la charge de carburant plus efficacement que les injecteurs de carburant mécaniques de remplacement étaient capables de le faire, de sorte que sans le compresseur d'air, le carburant devait recherchez les atomes d'oxygène pour achever le processus de combustion et, comme l'oxygène ne représente que 20 pour cent de l'air, chaque atome de carburant n'avait qu'une chance sur cinq de rencontrer un atome d'oxygène.Le résultat était une mauvaise combustion du carburant.

La conception habituelle d'une buse d'injection de carburant introduisait le carburant dans le cylindre sous la forme d'un jet conique, la vapeur rayonnant depuis la buse, plutôt que sous forme d'un flux ou d'un jet.Très peu de choses pourraient être faites pour diffuser le carburant de manière plus complète.Un mélange amélioré devait être obtenu en conférant un mouvement supplémentaire à l'air, le plus souvent par des tourbillons d'air produits par induction ou un mouvement radial de l'air, appelé écrasement, ou les deux, depuis le bord extérieur du piston vers le centre.Diverses méthodes ont été utilisées pour créer ce tourbillon et cet écrasement.Les meilleurs résultats sont apparemment obtenus lorsque le tourbillon d'air est en relation certaine avec le taux d'injection de carburant.Une utilisation efficace de l'air à l'intérieur du cylindre exige une vitesse de rotation qui fait que l'air emprisonné se déplace continuellement d'une pulvérisation à l'autre pendant la période d'injection, sans affaissement extrême entre les cycles.