ディーゼルエンジン

1878年、ミュンヘン工科大学の学生であったルドルフ・ディーゼルは、カール・フォン・リンデの講義に出席した。リンデは、蒸気機関は熱エネルギーのわずか6～10%しか仕事に変換できないが、カルノーサイクルでは等温条件の変化によって熱エネルギーのはるかに多くを仕事に変換できると説明した。ディーゼルによれば、これがカルノーサイクルで動作する高効率エンジンを作るというアイデアに火をつけた。^{[ 11 ]}ディーゼルはまた、リンデが東南アジアから入手した、急速な断熱圧縮の原理を利用した伝統的な火起こし装置である火起こしピストンについても紹介された。^{[ 12 ]}ディーゼルは数年間アイデアに取り組んだ後、1​​893年に論文「合理的な熱機関の理論と構造」でそれらを発表した。^{[ 11 ]}

ディーゼルは、自分のエンジンを製造してくれる企業や工場を探し求めた。モーリッツ・シュレーターとマックス・グーテルムートの助けを借りて、^{[ 34 ]}エッセンのクルップとアウクスブルク機械工場の両方を説得することに成功した。^{[ 35 ]} 1893 年 4 月に契約が締結され、^{[ 36 ]} 1893 年初夏にアウクスブルクでディーゼルの最初の試作エンジンが製造された。1893 年 8 月 10 日、最初の点火が行われ、燃料にはガソリンが使用された。1893 年/1894 年の冬に、ディーゼルは既存のエンジンを再設計し、1894 年 1 月 18 日までに、彼の機械工がそれを 2 番目の試作機に改造した。^{[ 37 ]}その年の 1 月には、エンジンのシリンダーヘッドに空気噴射システムが追加され、テストされた。^{[ 38 ]}フリードリヒ・サスは、ディーゼルが空気噴射の概念をジョージ・B・ブレイトンから模倣したと推測できると主張しているが、^{[ 29 ]}ディーゼルはシステムを大幅に改良した。^{[ 39 ]} 1894年2月17日、再設計されたエンジンは88回転、つまり1分間稼働した。^{[ 10 ]}このニュースを受けて、アウグスブルク機械工場の株価は30%上昇し、より効率的なエンジンに対する膨大な需要が予想されたことを示した。^{[ 40 ]} 1895年6月26日、エンジンは16.6%の有効効率を達成し、燃料消費量は519  g·kW ⁻¹ ·h ⁻¹であった。 ^{[ 41 ]}しかし、概念を証明したにもかかわらず、エンジンは問題を引き起こし、^{[ 42 ]}ディーゼルは実質的な進歩を達成できなかった。^{[ 43 ]}そのため、クルップはディーゼルとの契約を解除することを検討した。^{[ 44 ]}ディーゼルはエンジンの設計を改良せざるを得なくなり、急いで3番目の試作エンジンを製作した。1895年11月8日から12月20日の間に、2番目の試作エンジンは試験台で111時間以上を正常に走行した。1896年1月の報告書では、これは成功とみなされた。^{[ 45 ]}

1896 年 2 月、ディーゼルは 3 番目の試作機に過給機を取り付けることを検討した。^{[ 46 ]} 3 番目の試作機「モーター 250/400 」の図面を描くよう命じられたイマヌエル・ラウスターは、1896 年 4 月 30 日までに図面を完成させた。その年の夏にエンジンが製造され、1896 年 10 月 6 日に完成した。^{[ 47 ]} 1897 年初頭までテストが行​​われた。^{[ 48 ]}最初の公開テストは 1897 年 2 月 1 日に開始された。 ^{[ 49 ]} 1897 年 2 月 17 日に行われたモーリッツ・シュレーターのテストは、ディーゼルのエンジンの主要なテストであった。エンジンは 13.1 kW で、比燃料消費量は 324 g·kW ⁻¹ ·h ⁻¹と評価され、^{[ 50 ]}実効効率は 26.2% であった。^{[ 51 ] [ 52 ]} 1898 年までに、ディーゼルは億万長者になった。^{[ 53 ]}  

ディーゼルエンジンの特性は^{[ 144 ]}

• 点火プラグなどの点火装置の代わりに、圧縮点火を使用する。
• 内部混合気の形成。ディーゼルエンジンでは、空気と燃料の混合気は燃焼室内でのみ形成される。
• 高品質なトルク制御。ディーゼルエンジンのトルク量は、吸気量を絞ることで制御されるのではなく（トルク出力を調整するために空気流量を減らす従来の火花点火式ガソリンエンジンとは異なり）、エンジンに入る空気量を常に最大化し、噴射される燃料の量を制御することによってのみトルク出力を調整します。
• 高い空燃比。ディーゼルエンジンは、理論空燃比よりもかなり希薄な空燃比で動作します。
• 拡散火炎：燃焼時には、酸素がまず火炎中に拡散する必要があり、燃焼前に酸素と燃料がすでに混合されている場合は、予混合火炎になります。
• 不均一な空気燃料混合気：ディーゼルエンジンでは、シリンダー内部で燃料と空気が均一に分散されません。これは、燃焼プロセスが噴射段階の終わりに開始されるため、空気と燃料の均一な混合気が形成される前に燃焼が始まるからです。
• ガソリンエンジンでは、高いノッキング耐性（オクタン価）よりも、高い着火性能（セタン価）を持つ燃料が好まれる。

ディーゼル内燃機関は、ガソリンエンジンのオットーサイクルとは異なり、点火プラグを使用する代わりに、高圧の高温空気を使用して燃料に点火します（火花点火ではなく圧縮点火）。

ディーゼルエンジンでは、最初に燃焼室に導入されるのは空気のみです。空気は、通常15:1から23:1の圧縮比で圧縮されます。この高い圧縮により、空気の温度が上昇します。圧縮行程の上端付近で、燃料が燃焼室内の圧縮空気中に直接噴射されます。これは、エンジンの設計に応じて、ピストン上部の（通常は環状の）空洞、または予燃焼室に噴射されます。燃料インジェクターは、燃料を小さな液滴に分解し、燃料が均一に分配されるようにします。圧縮空気の熱により、液滴の表面から燃料が気化します。気化した燃料は、燃焼室内の圧縮空気の熱によって着火され、液滴は表面から気化して燃焼を続け、液滴内の燃料がすべて燃焼するまで小さくなっていきます。燃焼は、動力行程の初期段階では、ほぼ一定の圧力で行われます。気化が始まると、点火までに遅延が生じ、蒸気が点火温度に達すると、ピストン上部の圧力が急激に上昇し（PVインジケーター図には示されていない）、ディーゼル特有のノッキング音が発生します。燃焼が完了すると、ピストンがさらに下降するにつれて燃焼ガスが膨張します。シリンダー内の高圧がピストンを押し下げ、クランクシャフトに動力を供給します。

高い圧縮比は、別途点火システムなしで燃焼を起こせるだけでなく、エンジンの効率を大幅に向上させます。燃料と空気がシリンダーに入る前に混合される火花点火エンジンでは、エンジンの損傷を引き起こす早期着火を防ぐ必要があるため、圧縮比を上げることは制限されます。ディーゼルエンジンでは空気のみが圧縮され、燃料は上死点（ TDC ）の直前までシリンダーに導入されないため、早期着火は問題にならず、圧縮比ははるかに高くなります。

圧力-体積図(pV) は、ディーゼルエンジンのサイクルで起こる事象を簡略化して理想化した図であり、カルノーサイクルとの類似性を示すように配置されています。 1 から始まると、ピストンは下死点にあり、圧縮行程の開始時に両方のバルブが閉じています。シリンダー内には大気圧の空気が入っています。 1 から 2 の間では、上昇するピストンによって空気が断熱的に圧縮されます。 つまり、周囲との間で熱の伝達はありません。 (シリンダー壁 との間で多少の熱交換があるため、これは近似的にのみ正しいです。) この圧縮の間、体積は減少し、圧力と温度は両方とも上昇します。 2 (上死点) またはそれより少し前に燃料が噴射され、圧縮された高温の空気中で燃焼します。化学エネルギーが放出され、これが圧縮ガスへの熱エネルギー (熱) の注入となります。 燃焼と加熱は 2 から 3 の間で起こります。この区間では、ピストンが下降するため圧力は一定のままで、体積が増加します。燃焼エネルギーの結果として温度が上昇します。 3では燃料噴射と燃焼が完了し、シリンダー内のガス温度は2よりも高くなります。3と4の間で、この高温ガスは再びほぼ断熱的に膨張します。エンジンが接続されているシステムに対して仕事が行われます。この膨張段階では、ガスの体積が増加し、温度と圧力の両方が低下します。4で排気弁が開き、圧力は（ほぼ）大気圧まで急激に低下します。これは抵抗のない膨張であり、有効な仕事は行われません。理想的には、断熱膨張は続き、圧力が周囲の空気の圧力まで低下するまで、線3-4を右方向に延長する必要がありますが、この抵抗のない膨張によって生じる効率の低下は、それを回復する際の実際的な困難さ（エンジンをはるかに大きくする必要がある）によって正当化されます。排気弁が開いた後、排気行程が続きますが、この行程（およびそれに続く吸気行程）は図には示されていません。もし示されるとしたら、図の下部に低圧ループで表されます。 1では、排気行程と吸気行程が完了し、シリンダー内に再び空気が充填されたと想定される。ピストン・シリンダーシステムは、1と2の間でエネルギーを吸収する。 これはシリンダー内の空気を圧縮するために必要な仕事であり、エンジンのフライホイールに蓄えられた機械的運動エネルギーによって供給されます。仕事の出力は、2～4 の間のピストンとシリンダーの組み合わせによって行われます。これら 2 つの仕事の増分の差は、サイクルあたりの指示仕事出力であり、pV ループで囲まれた面積で表されます。断熱膨張は圧縮よりも高い圧力範囲で行われます。これは、シリンダー内のガスが圧縮時よりも膨張時の方が高温になるためです。このため、ループの面積は有限であり、サイクル中の仕事の正味出力は正になります。^{[ 145 ]}

ディーゼルエンジンの燃費は、圧縮比が高く、空気燃料当量比（λ）が高く、[148] 吸気制限（スロットルバルブなど）がないため、他のほとんどのタイプの燃焼エンジンよりも優れています。[ 146 ] ^[ 147 ^{]理論的には、ディーゼルエンジン}の最高効率は75%です。^{[ 149 ]}しかし、実際には効率ははるかに低く、乗用車用エンジンでは最大43%、^{[ 150 ]}大型トラックやバス用エンジンでは最大45%、大型2ストローク船舶用エンジンでは最大55%です。^{[ 1 ] [ 151 ]}自動車の走行サイクルにおける平均効率は、ディーゼルエンジンのピーク効率よりも低くなっています（たとえば、ピーク効率が44%のエンジンの平均効率は37%です）。^{[ 152 ]}それは、ディーゼルエンジンの燃費は低負荷時に低下するが、オットー（火花点火）エンジンほど急速には低下しないからである。^{[ 153 ]}

ディーゼルエンジンは燃焼エンジンであるため、排気ガス中に燃焼生成物を排出します。不完全燃焼のため、^{[ 154 ]}ディーゼルエンジンの排気ガスには、一酸化炭素、炭化水素、粒子状物質、窒素酸化物などの汚染物質が含まれます。排気ガス処理技術を使用すると、汚染物質の約90パーセントを排気ガスから除去できます。^{[ 155 ] [ 156 ]}自動車用ディーゼル燃料は2003年以降硫黄を含まないため、道路用ディーゼルエンジンは二酸化硫黄を排出しません。^{[ 157 ]}ヘルムート・チョーケは、自動車から排出される粒子状物質は人間の健康に悪影響を及ぼすと主張しています。^{[ 158 ]}

ディーゼル排気ガス中の粒子状物質は、発がん性物質または「発がん性のおそれのある物質」に分類されることがあり、心臓や呼吸器疾患のリスクを高めることが知られています。^{[ 159 ]}

原則として、ディーゼルエンジンは電気系統を必要としない。しかし、現代のディーゼルエンジンのほとんどは、電動燃料ポンプと電子式エンジン制御ユニットを備えている。

しかし、ディーゼルエンジンには高電圧の電気点火システムがありません。これにより、無線周波数放射の発生源（航行機器や通信機器に干渉する可能性がある）が排除されるため、アメリカの国立電波静穏区域の一部ではディーゼル車のみが許可されています。^{[ 160 ]}

任意の時点 (つまり、車の運転者がアクセル ペダルを調整したとき) でのトルク出力を制御するために、ガバナーはエンジンに噴射される燃料の量を調整します。機械式ガバナーは過去に使用されていましたが、現代のエンジンでは電子式ガバナーの方が一般的です。機械式ガバナーは通常、エンジンのアクセサリー ベルトまたはギア駆動システムによって駆動され^{[ 161 ] [ 162 ]}、負荷と速度の両方に応じて燃料供給を制御するためにスプリングとウェイトの組み合わせを使用します。^{[ 161 ]}電子制御エンジンは、電子制御ユニット(ECU) または電子制御モジュール (ECM) を使用して燃料供給を制御します。ECM/ECU は、さまざまなセンサー (エンジン速度信号、吸気マニホールド圧力、燃料温度など) を使用して、エンジンに噴射される燃料の量を決定します。

空気量が一定（一定の回転数において）である一方で燃料量が変化するため、最小限のトルク出力が求められる状況では、非常に高い（「リーン」な）空燃比が使用されます。これは、エンジンのトルク出力を調整するためにスロットルを使用して吸気量を減らすガソリンエンジンとは異なります。シリンダーへの燃料噴射開始タイミングの制御は、ガソリンエンジンの点火タイミングの制御に似ています。したがって、これは出力、燃料消費量、および排気ガス排出量を制御する上で重要な要素となります。

ギュンター・マウはディーゼルエンジンを回転速度によって3つのグループに分類している。^{[ 163 ]}

• 高速エンジン（1,000rpm以上）、
• 中速エンジン（300～1,000rpm）、
• 低速エンジン（300rpm未満）。

高速ディーゼルエンジン

高速エンジンは、トラック（貨物車）、バス、トラクター、乗用車、ヨット、コンプレッサー、ポンプ、小型発電機の動力源として使用されています。^{[ 164 ]} 2018年現在、ほとんどの高速エンジンは直噴式です。多くの最新エンジン、特にオンハイウェイ用途のエンジンは、コモンレール直噴式です。^{[ 165 ]}大型船舶では、高速ディーゼルエンジンが発電機の動力源としてよく使用されます。^{[ 166 ]}高速ディーゼルエンジンの最大出力は約5MWです 。^{[ 167 ]}

中速ディーゼルエンジン

中速エンジンは、大型発電機、鉄道ディーゼル機関車、船舶推進、大型コンプレッサーやポンプなどの機械駆動用途に使用されます。中速ディーゼルエンジンは、低速エンジンと同様に、ディーゼル燃料または重油を直接噴射して作動します。通常、トランクピストンを備えた4ストロークエンジンですが、^{[ 168 ]}注目すべき例外として、EMD 567、645 、および710エンジンはすべて2ストロークです。^{[ 169 ]}

中速ディーゼルエンジンの出力は最大で21,870  kWにも達し、^{[ 170 ]}実効効率は約47～48% (1982年) である。^{[ 171 ]}大型の中速エンジンのほとんどは、小型エンジンでよく使われるフライホイールに作用する空気圧始動モーターとは異なり、空気分配器を使用して圧縮空気をピストンに直接かけて始動する。^{[ 172 ]}

船舶用途向けの中速エンジンは、通常、（RORO）フェリー、旅客船、小型貨物船の動力として使用されます。中速エンジンを使用することで、小型船のコストを削減し、輸送能力を向上させることができます。さらに、1隻の船で大型エンジン1基の代わりに小型エンジン2基を使用できるため、船の安全性が向上します。^{[ 168 ]}

低速ディーゼルエンジン

低速ディーゼルエンジンは通常非常に大型で、主に船舶の動力源として使用されます。一般的に使用される低速エンジンには、クロスヘッドを備えた2ストロークエンジンと、通常のトランクピストンを備えた4ストロークエンジンの2種類があります。2ストロークエンジンは回転周波数が制限されており、混合気の交換がより困難であるため、通常は4ストロークエンジンよりも大型で、船舶のプロペラを直接駆動するために使用されます。

船舶の4ストロークエンジンは通常、発電機の動力源として使用されます。プロペラは電動モーターによって駆動されます。^{[ 163 ]}どちらのタイプも通常、ボアがストロークよりも小さいアンダースクエアです。 ^{[ 173 ]}低速ディーゼルエンジン（船舶やエンジン全体の重量が比較的重要でないその他の用途で使用されるもの）は、多くの場合、最大55%の有効効率を有します。^{[ 1 ]}中速エンジンと同様に、低速エンジンは圧縮空気で始動され、主燃料として重油を使用します。^{[ 172 ]}

4ストロークエンジンは、前述の燃焼サイクルを使用します。たとえば、車両用の小型ディーゼルエンジンのほとんどは、通常4ストロークサイクルを使用します。これは、2ストローク設計の狭いパワーバンドが自動車用途にはあまり適していないことや、複雑で高価な内蔵潤滑システムと掃気対策が必要であることなど、いくつかの要因によるものです。^{[ 174 ]}これらの技術の費用対効果（および追加重量の割合）は、より大型で高価なエンジンにはあまり影響しませんが、船舶用または定置用として設計されたエンジンは、長期間にわたって単一速度で運転できます。^{[ 174 ]}

2ストロークエンジンは、 4ストロークではなく2ストロークで完了する燃焼サイクルを使用します。シリンダーに空気を充填して圧縮するのは1ストロークで行われ、動力行程と排気行程が組み合わされます。2ストロークディーゼルエンジンの圧縮は、4ストロークディーゼルエンジンで行われる圧縮と似ています。ピストンが下死点を通過して上昇し始めると、圧縮が開始され、燃料噴射と点火で完了します。2ストロークディーゼルエンジンは、完全なバルブセットの代わりに、単純な吸気ポートと排気ポート（または排気バルブ）を備えています。ピストンが下死点に近づくと、吸気ポートと排気ポートの両方が「開いている」ため、シリンダー内に大気圧が存在します。したがって、シリンダー内に空気を送り込み、燃焼ガスを排気口に送り込むには、何らかのポンプが必要です。このプロセスは掃気と呼ばれます。必要な圧力は約10～30  kPaです。^{[ 175 ]}

排気行程と吸気行程が明確に区別されていないため、すべての2ストロークディーゼルエンジンは、シリンダーに空気を送り込み掃気を補助するために掃気ブロワーまたは何らかのコンプレッサーを使用します。^{[ 175 ]}ルーツ式スーパーチャージャーは1950年代半ばまで船舶エンジンに使用されていましたが、1955年以降はターボチャージャーに広く置き換えられました。^{[ 176 ]}通常、2ストローク船舶ディーゼルエンジンは、軸方向流入と半径方向流出を持つタービンを備えた単段ターボチャージャーを備えています。^{[ 177 ]}

いわゆるデュアル燃料ディーゼルエンジンまたはガスディーゼルエンジンは、例えば気体燃料とディーゼルエンジン燃料など、2種類の異なる燃料を同時に燃焼させます。ディーゼルエンジン燃料は圧縮着火により自己着火し、その後気体燃料に着火します。このようなエンジンは火花点火を必要とせず、通常のディーゼルエンジンと同様に動作します。^{[ 179 ] [ 180 ]}

ほとんどの直噴ディーゼルエンジンは、ピストンの上部に燃料が噴射される燃焼カップを備えています。さまざまな噴射方法が使用できます。通常、ヘリックス制御の機械式直噴エンジンには、インラインまたはディストリビューター噴射ポンプがあります。^{[ 161 ]}各エンジンシリンダーに対して、燃料ポンプ内の対応するプランジャーが適切な量の燃料を計測し、各噴射のタイミングを決定します。これらのエンジンは、特定の燃料圧力で開閉する非常に精密なスプリング式バルブであるインジェクターを使用します。個別の高圧燃料ラインが燃料ポンプと各シリンダーを接続します。各燃焼の燃料量は、圧力を解放するために数度だけ回転するプランジャーの傾斜溝によって制御され、スプリングとレバーによって拘束されたエンジン速度で回転するウェイトで構成される機械式ガバナーによって制御されます。インジェクターは燃料圧力によって開いたままになります。高速エンジンでは、プランジャーポンプは1つのユニットにまとめられています。^{[ 182 ]}ポンプから各インジェクターまでの燃料ラインの長さは、圧力遅延を同じにするために、通常は各シリンダーで同じです。直噴ディーゼルエンジンは通常、オリフィスタイプの燃料インジェクターを使用します。^{[ 183 ]}

燃料噴射の電子制御は、燃焼をより細かく制御できるようにすることで、直噴エンジンを変革した。^{[ 184 ]}

コモンレール

コモンレール（CR）直噴システムでは、例えばボッシュのディストリビューター型ポンプのように、燃料計量、加圧、供給機能が1つのユニットにはありません。高圧ポンプがCRに燃料を供給します。各シリンダーインジェクターの要求は、この共通の高圧燃料リザーバーから供給されます。電子ディーゼル制御（EDC）は、エンジンの運転条件に応じてレール圧力と噴射の両方を制御します。古いCRシステムのインジェクターは、噴射ニードルを持ち上げるソレノイド駆動のプランジャーを備えていますが、新しいCRインジェクターは、可動質量が少なく、非常に短い時間でさらに多くの噴射を可能にする圧電アクチュエータによって駆動されるプランジャーを使用しています。 ^{[ 185 ]} 初期のコモンレールシステムは機械的な手段で制御されていました。

現代のCRシステムの噴射圧力は140MPaから 270MPaの範囲である 。^{[ 186 ]}

間接ディーゼル噴射システム（IDI）エンジンは、スワールチャンバー、予燃焼室、プレチャンバー、またはアンテチャンバーと呼ばれる小さなチャンバーに燃料を供給します。このチャンバーは、狭い空気通路でシリンダーに接続されています。一般的に、プレチャンバーの目的は、乱流を増加させて空気と燃料の混合を改善することです。このシステムにより、エンジンの動作がよりスムーズで静かになり、乱流によって燃料の混合が促進されるため、インジェクター圧力を低くすることができます。ほとんどのIDIシステムは、シングルオリフィスインジェクターを使用します。プレチャンバーの欠点は、エンジンの冷却システムへの熱損失が増加し、燃焼が制限されるため、効率が低下することです。これにより、効率が5～10%低下します。IDIエンジンは始動も難しく、通常はグロープラグの使用が必要です。IDIエンジンは製造コストが安い場合がありますが、一般的にDIエンジンよりも高い圧縮比が必要です。また、IDIは、正確な噴射タイミングがそれほど重要ではないため、シンプルな機械式噴射システムでスムーズで静かに作動するエンジンを製造するのが容易になります。現代の自動車用エンジンのほとんどはDIエンジンであり、効率が高く始動が容易という利点があります。しかし、IDIエンジンは依然として多くのATVや小型ディーゼル用途で見られます。^{[ 187 ]}間接噴射式ディーゼルエンジンはピントル型燃料インジェクターを使用します。^{[ 183 ]}

初期のディーゼルエンジンは、圧縮空気の助けを借りて燃料を噴射し、燃料を霧状にしてノズルを通してエンジンに送り込んだ（エアゾールスプレーと同様の原理）。ノズルの開口部は、カムシャフトによって作動するピンバルブによって閉じられた。エンジンは空気噴射に使用される空気圧縮機を駆動する必要もあったが、それでも当時の他の燃焼エンジンよりも効率が優れていた。^{[ 52 ]}しかし、このシステムは重く、変化するトルク要求への反応が遅かったため、道路車両には不向きだった。^{[ 188 ]}

ユニットインジェクターシステムは、「Pumpe-Düse」（ドイツ語でポンプノズル）とも呼ばれ、インジェクターと燃料ポンプを1つのコンポーネントに統合し、各シリンダーの上に配置します。これにより、高圧燃料ラインが不要になり、より安定した噴射が可能になります。全負荷時には、噴射圧力は最大220  MPaに達することがあります。^{[ 189 ]}ユニットインジェクターはカムによって作動し、噴射される燃料の量は機械的（ラックまたはレバーによる）または電子的に制御されます。

性能要求の高まりにより、ユニットインジェクターはコモンレール噴射システムにほぼ置き換えられました。^{[ 165 ]}

平均的なディーゼルエンジンは、同等のガソリンエンジンに比べて出力対質量比が劣ります。一般的なディーゼルエンジンは回転数（RPM）が低いため、出力が低くなります。^{[ 190 ]}また、燃焼室内の作動圧力が高いため内部力が大きくなり、その力に耐えるためにはより強力な（したがってより重い）部品が必要となるため、ディーゼルエンジンの質量は一般的に大きくなります。^{[ 191 ]}

ディーゼルエンジン特有の音、特にアイドリング時の音は、「ディーゼルガラガラ」と呼ばれることがある。この音は、燃焼室に噴射されたディーゼル燃料が急激に着火することで発生する圧力波が、ノッキング音のように聞こえることが主な原因である。

エンジン設計者は、間接噴射、パイロット噴射またはプレインジェクション、^{[ 192 ]}噴射タイミング、噴射率、圧縮比、ターボブースト、排気ガス再循環(EGR) ^{[ 193 ]}などによりディーゼルの騒音を低減できます。コモンレールディーゼル噴射システムでは、騒音低減の補助として複数回の噴射が可能です。このような対策により、現代のエンジンではディーゼルの騒音が大幅に低減されています。セタン価の高いディーゼル燃料は着火しやすく、ディーゼルの騒音を低減します。^{[ 194 ]}

温暖な気候では、ディーゼルエンジンは始動補助装置を必要としません（スターターモーターを除く）。ただし、多くのディーゼルエンジンには、低温時の始動を助けるために、燃焼室の予熱機能が備わっています。1 気筒あたり1リットル未満の排気量のエンジンには通常グロープラグが使用されていますが、大型の重負荷エンジンにはフレームスタートシステムが搭載されています。^{[ 195 ]}予熱なしで始動できる最低始動温度は、予燃焼室エンジンでは40  ℃（104 °F）、旋回室エンジンでは20 ℃（68 °F）、直噴エンジンでは0 ℃（32 °F）です。     

過去には、より多様な冷間始動方法が用いられていました。デトロイトディーゼルエンジンなどの一部のエンジンでは、少量のエーテルを吸気マニホールドに導入して燃焼を開始させるシステムを採用していました。^{[ 196 ]}グロープラグの代わりに、バルブタイミングを変更する始動補助システムを備えたディーゼルエンジンもあります。最も簡単な方法は、減圧レバーを使用することです。減圧レバーを作動させると、排気バルブがわずかに下がった位置に固定され、エンジンに圧縮がなくなり、クランクシャフトをはるかに少ない抵抗で回転させることができます。クランクシャフトが高速に達すると、減圧レバーを通常の位置に戻すと、排気バルブが急激に再作動し、圧縮が発生します。すると、フライホイールの慣性モーメントによってエンジンが始動します。^{[ 197 ]}ガンツ社製の予燃焼室エンジン XII Jv 170/240 など他のディーゼルエンジンには、吸気バルブカムシャフトを調整してわずかに「遅れた」位置に移動させることで作動するバルブタイミング変更システムがあります。これにより吸気バルブが遅れて開き、吸気空気が燃焼室に入るときに加熱されます。^{[ 198 ]}

ディーゼルエンジンでは、効率とトルク出力が大幅に向上するため、特にターボチャージャーなどの過給が一般的に使用されています。^{[ 199 ]ディーゼルエンジンは、広い着火限界[ 144 ]}と圧縮行程中の燃料の不在を特徴とする作動原理により、過給装置に非常に適しています。そのため、ノッキング、プレイグニッション、デトネーションは発生せず、燃焼室内の過剰な過給空気によって生じる希薄混合気も燃焼に悪影響を与えません。^{[ 200 ]}

ルドルフ・ディーゼルは、1893年の著書『合理的な熱機関の理論と構造』の中で、ディーゼルエンジンの燃料として石炭粉を使用することを検討した。しかし、ディーゼルは石炭粉（および液体燃料とガス）の使用を検討しただけであり、実際のエンジンは石油で動作するように設計されていたが、石油は粘度が高すぎることが判明したため、さらなるテストのためにすぐに通常のガソリンと灯油に置き換えられた。^{[ 204 ]}ディーゼルのエンジンは、灯油とガソリンに加えて、リグロインでも動作できた。^{[ 205 ]}

ディーゼルエンジンの燃料が標準化される以前は、ガソリン、灯油、軽油、植物油、鉱物油、およびこれらの燃料の混合物などが使用されていました。^{[ 206 ]}ディーゼルエンジン専用に設計された代表的な燃料は、以下のような石油留出物およびコールタール留出物でした。これらの燃料の比発熱量は以下のとおりです。

• ディーゼル油：10,200  kcal·kg ⁻¹ (42.7  MJ·kg ⁻¹ ) ～ 10,250  kcal·kg ⁻¹ (42.9  MJ·kg ⁻¹ )
• 暖房油：10,000  kcal·kg ⁻¹ (41.8  MJ·kg ⁻¹ ) ～ 10,200  kcal·kg ⁻¹ (42.7  MJ·kg ⁻¹ )
• コールタールクレオソート：9,150  kcal·kg ⁻¹ (38.3  MJ·kg ⁻¹ ) ～ 9,250  kcal·kg ⁻¹ (38.7  MJ·kg ⁻¹ )
• 灯油：最大10,400  kcal·kg ⁻¹ (43.5  MJ·kg ⁻¹ )

出典: ^{[ 207 ]}

最初のディーゼル燃料規格は、第二次世界大戦後に登場したDIN 51601、VTL 9140-001、およびNATO F 54でした。 ^{[ 206 ]}現代の欧州EN 590ディーゼル燃料規格は 1993 年 5 月に制定されました。NATO F 54 規格の最新版は、これとほぼ同じです。DIN 51628 バイオディーゼル規格は、EN 590 の 2009 年版によって廃止されました。FAME バイオディーゼルはEN 14214規格に準拠しています。船舶用ディーゼルエンジンは通常、 ISO 8217規格 (バンカー C )に準拠したディーゼルエンジン燃料で動作します。また、一部のディーゼルエンジンはガス( LNGなど)で動作できます。^{[ 208 ]}

DIN 51601 ディーゼル燃料は、寒冷時にワックス化またはゲル化を起こしやすい。どちらもディーゼル油が部分的に結晶化した状態になる現象を指す。結晶は燃料システム（特に燃料フィルター）に蓄積し、最終的にはエンジンへの燃料供給が不足し、エンジンが停止する原因となる。 ^{[ 210 ]}この問題を解決するために、燃料タンク内および燃料ライン周辺に低出力の電気ヒーターが使用された。また、ほとんどのエンジンにはスピルリターンシステムがあり、インジェクターポンプとインジェクターからの余剰燃料を燃料タンクに戻す。エンジンが温まったら、温かい燃料を戻すことでタンク内のワックス化を防ぐ。直噴ディーゼルエンジンが登場する以前は、BMWなどの一部のメーカーは、気温が-15℃を下回ったときに燃料がゲル化するのを防ぐために、ディーゼル車にガソリンを給油してディーゼルに最大30%のガソリンを混合することを推奨していた 。^{[ 211 ]}

ディーゼル燃料は引火点が55 ℃であるため、ガソリンよりも燃えにくく、 ^{[ 210 ] [ 212 ]}ディーゼルエンジンを搭載した車両では燃料による火災のリスクが低くなります。 

ディーゼル燃料は、適切な条件下では爆発性の空気/蒸気混合物を生成する可能性があります。しかし、ガソリンと比較すると、蒸発速度を示す蒸気圧が低いため、爆発する可能性は低くなります。超低硫黄ディーゼル燃料の安全データシート^{[ 213 ]}には、屋内、屋外、または下水道でのディーゼル燃料の蒸気爆発の危険性が示されています。

ディーゼル排気ガスは、 IARCグループ1の発がん性物質に分類されています。肺がんを引き起こし、膀胱がんのリスク増加と関連しています。^{[ 214 ]}

ディーゼルエンジンの暴走を参照してください。

ディーゼルエンジンは、大型車では長らく人気があり、1980年代以降はヨーロッパのスーパーミニなどの小型車にも使用されています。以前は、重量とコストの負担がそれほど目立たなかったため、大型車で人気がありました。 ^{[ 215 ]}スムーズな動作と高い低速トルクは、乗用車や小型商用車にとって重要だと考えられています。電子制御燃料噴射の導入により、スムーズなトルク発生が大幅に改善され、1990年代初頭から自動車メーカーは高級車にディーゼルエンジンを搭載し始めました。乗用車のディーゼルエンジンは通常、3～12気筒で、排気量は0.8～6.0リットルです。現代の動力装置は通常、ターボチャージャー付きで、直噴式です。^{[ 164 ]}

ディーゼルエンジンは吸気スロットルの影響を受けないため、特に低部分負荷時（例えば市街地走行時）には非常に低い燃料消費量となります^{[ 216 ] 。世界中の乗用車の5分の1はディーゼルエンジンを搭載しており、その多くはヨーロッパにあり、ヨーロッパでは乗用車の約47%がディーゼル車です[ 217 ]} 。ダイムラー・ベンツはロバート・ボッシュ社と共同で、1936年からディーゼル車の製造を開始しました^{[ 81 ]。}インド、韓国、日本などの市場では、ディーゼル車の人気が高まっています（2018年現在）^{[ 218 ] 。}

1893年、ルドルフ・ディーゼルはディーゼルエンジンが「ワゴン」（トラック）の動力源になる可能性があると示唆した。^{[ 220 ]}ディーゼルエンジンを搭載した最初のトラックは1924年に市場に投入された。^{[ 81 ]}

トラック用の現代のディーゼルエンジンは、極めて高い信頼性と非常に高い燃費効率の両方を備えている必要があります。コモンレール直噴、ターボチャージャー、シリンダーあたり4バルブが標準です。排気量は4.5～15.5リットルで、出力質量比は大型エンジンで2.5～3.5  kg·kW ⁻¹ 、中型エンジンで2.0～3.0  kg·kW ^{−1です。V型構成によりエンジン質量が比較的低いため、} V6およびV8エンジンはかつて一般的でした。最近では、直列エンジンが好まれ、V型構成は廃止されています。これらのエンジンは通常、大型および中型では直列6気筒、中型では直列4気筒です。アンダースクエア設計により、ピストン全体の速度が低下し、寿命が最大1,200,000キロメートル（750,000マイル）まで延びます。^{[ 221 ]} 1970年代のディーゼルエンジンと比較すると、現代のトラック用ディーゼルエンジンの期待寿命は2倍以上になっている。^{[ 219 ]} 

機関車用のディーゼルエンジンは、給油の合間に連続運転できるように設計されており、状況によっては低品質の燃料を使用するように設計する必要がある場合もあります。^{[ 222 ]}一部の機関車は2ストロークディーゼルエンジンを使用しています。^{[ 223 ]}ディーゼルエンジンは、世界中のすべての非電化鉄道で蒸気機関車に取って代わりました。最初のディーゼル機関車は1913年に登場し、^{[ 81 ]}その後すぐにディーゼル多重ユニットが登場しました。現代のディーゼル機関車のほぼすべては、電気式トランスミッションを使用しているため、より正確にはディーゼル電気機関車として知られています。ディーゼルエンジンが発電機を駆動し、その発電機が電気牽引モーターに電力を供給します。 ^{[ 224 ]}多くの地域で旅客サービスでは電気機関車がディーゼル機関車に取って代わりましたが、貨物列車の輸送や電化が経済的に実現不可能な線路では、ディーゼル牽引が広く使用されています。

1940年代には、出力150～200メートル馬力（110～150 kW、150～200 hp）の道路車両用ディーゼルエンジンがDMUに適していると考えられていた。一般的には、通常のトラック用動力装置が使用された。これらのエンジンの高さは、床下への設置を可能にするために1メートル（3フィート3インチ）未満でなければならなかった。通常、この設計のサイズ、質量、および製造コストが低いため、エンジンは空気圧作動式の機械式ギアボックスと組み合わされた。一部のDMUは代わりに油圧トルクコンバータを使用した。ディーゼル電気式トランスミッションは、このような小型エンジンには適していなかった。^{[ 225 ]} 1930年代には、ドイツ国鉄が最初のDMUエンジンを標準化した。それは30.3リットル（1,850立方インチ）の12気筒水平対向エンジンで、275メートル馬力（202kW 、271hp ）を発揮した。ドイツのいくつかのメーカーがこの規格に従ってエンジンを製造した。^{[ 226 ]}        

船舶用ディーゼルエンジンの要件は、用途によって異なります。軍事用途や中型ボートには、中速4ストロークディーゼルエンジンが最適です。これらのエンジンは通常、最大24気筒で、出力は1桁メガワットの範囲です。^{[ 222 ]}小型ボートにはトラック用ディーゼルエンジンが使用される場合があります。大型船には、非常に効率的な低速2ストロークディーゼルエンジンが使用されます。効率は最大55%に達することがあります。ほとんどの通常のディーゼルエンジンとは異なり、2ストローク船舶用エンジンは高粘度の燃料油を使用します。^{[ 1 ]}潜水艦は通常、ディーゼル電気推進です。^{[ 224 ]}

船舶用ディーゼルエンジンの最初のものは、1903年にストックホルムのAB Diesels Motorer社によって製造されました。これらのエンジンは、120  PS (88 kW) の3気筒ユニットと180 PS (132 kW) の4気筒ユニットで、ロシアの船舶に使用されました。第一次世界大戦では、特に潜水艦用ディーゼルエンジンの開発が急速に進みました。戦争終結までに、最大12,200 PS (9 MW) の複動ピストン2ストロークエンジンが船舶用に製造されました。^{[ 227 ]}    

非道路用ディーゼルエンジンは、建設機械や農業機械によく使用されます。このようなエンジンでは、燃費効率、信頼性、メンテナンスの容易さが非常に重要であり、高出力や静音運転は二の次です。そのため、機械制御式燃料噴射と空冷が依然として非常に一般的です。非道路用ディーゼルエンジンの一般的な出力は大きく異なり、最小のユニットは3kWから始まり 、最も強力なエンジンは大型トラック用エンジンです。^{[ 222 ]}

定置式ディーゼルエンジンは、発電だけでなく、冷蔵庫のコンプレッサーやその他のコンプレッサー、ポンプの動力源としても一般的に使用されています。通常、これらのエンジンは部分負荷で連続運転するか、全負荷で断続運転します。交流を出力する発電機を駆動する定置式ディーゼルエンジンは、通常、負荷は変動しますが、回転周波数は固定されています。これは、主電源の周波数が50  Hz（ヨーロッパ）または60  Hz（米国）に固定されているためです。エンジンのクランクシャフト回転周波数は、主電源の周波数の倍数になるように選択されます。実用的な理由から、家庭用または待機用途（連続運転とは区別される）の一般的な小型発電機セットでは、クランクシャフト回転周波数は25  Hz（毎分1500回転）または30  Hz（毎分1800回転）になります。 ^{[ 245 ]} 大型発電機セット、特に中速エンジンを使用する発電機セットは、系統周波数とエンジンのサイズに応じて、500、514、600、720、750、900、または1000rpmの同期速度で動作します。

フレキシブルクランクシャフトを備えたディーゼルエンジンとは、運転応力、製造公差、材料特性によりクランクシャフトにある程度の弾性を示す内燃機関を指します。完全に剛性のあるクランクシャフトとは異なり、フレキシブルクランクシャフトは、周期的な燃焼力、慣性負荷、潤滑効果により動的な変形を受け、偏心運動や振動変位を引き起こす可能性があります。この柔軟性は、ベアリング負荷、潤滑膜分布、機械的摩耗に影響を与えることでエンジンの性能に影響を与え、効率と寿命を低下させる可能性があります。有限要素解析（FEA）やマルチボディダイナミクス（MBD）などの高度なモデリング技術は、これらの影響を予測および軽減するために使用され、より優れたエンジン設計、燃費の向上、耐久性の向上を可能にします。クランクシャフトの柔軟性により、シリンダーに入る空気の質量流量が減少し、COなどの排気ガス排出量が不利なほど増加します。^{[ 246 ]}