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| ディーゼルエンジン | |
|---|---|
 1898年にランゲン・アンド・ウルフ社がライセンス生産したディーゼルエンジン | |
| 分類 | 内燃機関 |
| 業界 | 自動車 |
| 応用 | エネルギー変換 |
| 発明家 | ルドルフ・ディーゼル |
| 発明された | 1893年 |
ディーゼルエンジンは、ドイツの技術者ルドルフ・ディーゼルにちなんで名付けられた内燃機関であり、機械的な圧縮によりシリンダー内の空気の温度が上昇することで燃料に点火します。そのため、ディーゼルエンジンは圧縮着火エンジン (CI エンジン) と呼ばれます。これは、ガソリンエンジン(ガソリンエンジン) やガスエンジン (天然ガスや液化石油ガスなどの気体燃料を使用) などの、点火プラグによる空気と燃料の混合気の点火を使用するエンジンとは対照的です。
導入
ディーゼル エンジンは、空気のみ、または排気からの残留燃焼ガスと混合した空気を圧縮することによって機能します (排気ガス再循環、"EGR" として知られています)。空気は吸気行程中にチャンバーに導入され、圧縮行程中に圧縮されます。これにより、シリンダー内の空気温度が上昇し、燃焼室に噴射された霧状のディーゼル燃料が点火します。燃料は燃焼直前に空気に噴射されるため、燃料の分散は不均一です。これは不均質な空燃比と呼ばれます。ディーゼル エンジンが生成するトルクは、空燃比 (λ) を操作することによって制御されます。ディーゼル エンジンは、吸入空気を絞る代わりに、噴射される燃料の量を変えることに依存しているため、空燃比は通常高くなります。
ディーゼルエンジンは、非常に高い膨張比と、過剰空気による熱放散を可能にする固有の希薄燃焼により、実用的な内燃機関または外燃機関の中で最も高い熱効率（ エンジン効率を参照）を備えています。バルブオーバーラップ中に未燃焼燃料が存在しないため、吸気/噴射から排気に直接燃料が流れないため、非直噴ガソリンエンジンと比較してわずかな効率低下も回避されます。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、最大55％の有効効率を達成できます。[1]複合サイクルガスタービン（ブレイトンおよびランキンサイクル）は、ディーゼルエンジンよりも効率的な燃焼エンジンですが、その質量と寸法のため、船舶や一部の航空機を含む多くの車両には適していません。稼働している世界最大のディーゼルエンジンは、14気筒の2ストローク船舶用ディーゼルエンジンで、それぞれほぼ100MWのピーク出力を生み出します。[2]
ディーゼルエンジンは、2ストロークまたは4ストロークの燃焼サイクルで設計できます。もともとは、定置型蒸気エンジンのより効率的な代替品として使用されていました。1910年代以降、潜水艦や船舶で使用されてきました。その後、機関車、バス、トラック、重機、農業機械、発電所での使用が続きました。1930年代には、一部の自動車で徐々に使用され始めました。1970年代のエネルギー危機以降、より高い燃費効率の要求により、ほとんどの大手自動車メーカーは、ある時点で、非常に小さな車でもディーゼルエンジンモデルを提供するようになりました。[3] [4] Konrad Reif（2012）によると、当時のディーゼル車のEU平均は、新規登録車の半分を占めていました。 [5]しかし、ディーゼルエンジンではガソリンエンジンに比べて大気汚染や全体的な排出ガスの制御が難しく、米国ではディーゼル自動車エンジンの使用は主に大型のオンロード車やオフロード車に限定されています。[6] [7]
航空業界では伝統的にディーゼルエンジンの使用を避けてきたが、21世紀には航空機用ディーゼルエンジンの利用が拡大している。1990年代後半以降、ディーゼルがガソリンエンジンに対して本質的に優れていることや、航空業界特有の最近の問題など、さまざまな理由から、航空機用ディーゼルエンジンの開発と生産が急増し、2002年から2018年の間に5,000台以上のエンジンが世界中で納入され、特に軽飛行機や無人航空機向けに使用されている。[8] [9]
歴史
ディーゼルのアイデア
有効効率16.6%
燃料消費量519 g·kW −1 ·h −1
定格出力13.1kW、
有効効率26.2%、
燃料消費量324g·kW −1 ·h −1。
1878年、ミュンヘン工科大学の学生だったルドルフ・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状態変化によってより多くの熱エネルギーを仕事に変換できると説明した。ディーゼルによると、これがカルノーサイクルで動作する高効率エンジンを開発するというアイデアのきっかけとなったという。[ 14]ディーゼルはまた、リンデが東南アジアから習得した急速断熱圧縮原理を用いた伝統的な着火装置であるファイアピストンについても知った。[15]ディーゼルは数年にわたってアイデアに取り組んだ後、1893年に論文「合理的熱モーターの理論と構成」でそのアイデアを発表した。[14]
ディーゼルは論文に対して激しく批判されたが、彼の間違いに気づいたのはほんの一握りの人だけだった。[16]彼の合理的な熱モーターは、圧縮着火に必要なレベルよりもはるかに高い圧縮を必要とする定温サイクル（等温圧縮）を利用するはずだった。ディーゼルのアイデアは、空気の温度が燃焼温度を超えるほど空気を圧縮することだった。しかし、そのようなエンジンでは実用的な仕事をすることは決してできなかった。[17] [18] [19] 1892年の米国特許（1895年に付与）#542846で、ディーゼルは彼のサイクルに必要な圧縮について次のように述べている。
- 純粋な大気は、曲線 1 2 に従って、点火または燃焼が起こる前に、図の最高圧力と最高温度、つまり、燃焼または点火点ではなく、その後の燃焼が起こる温度に達するまで圧縮されます。これをより明確にするために、その後の燃焼が 700° の温度で起こると仮定します。その場合、初期圧力は 64 気圧でなければならず、800° 摂氏の場合は圧力は 90 気圧でなければなりません。このように圧縮された空気に、細かく分割された燃料が外部から徐々に導入されます。空気は燃料の点火点よりはるかに高い温度であるため、導入と同時に燃焼します。したがって、本発明のサイクルの特徴は、燃焼ではなく、燃焼前に空気を機械的に圧縮することによって圧力と温度を最大まで上昇させ、その後、カットオイルによって決定されるストロークの所定部分の間に徐々に燃焼させることによって、圧力と温度の上昇なしに作業を実行することである。[20]
1893年6月までに、ディーゼルは当初のサイクルがうまくいかないことに気づき、定圧サイクルを採用しました。[21]ディーゼルは1895年の特許出願でこのサイクルについて説明しています。圧縮温度が燃焼温度を超えるという記述がなくなったことに注目してください。今では、圧縮は点火を引き起こすのに十分でなければならないとだけ述べられています。
- 1. 内燃機関において、燃料の発火点を超える温度を生じる程度まで空気を圧縮するように構成および配置されたシリンダーとピストンの組み合わせ、圧縮空気またはガスの供給源、燃料供給源、燃料分配弁、燃料分配弁と連通する空気供給源からシリンダーへの通路、空気供給源および燃料弁と連通するシリンダーへの入口、およびカットオイルは、実質的に説明されているとおりである。[22] [23] [24]
1892年、ディーゼルはドイツ、スイス、イギリス、アメリカ合衆国で「熱を仕事に変換する方法と装置」の特許を取得した。[25] 1894年と1895年に、彼はエンジンの特許と追加特許を様々な国に申請した。最初の特許はスペイン（第16,654号）で発行され、 [26] 1894年12月に フランス（第243,531号）とベルギー（第113,139号）、 1895年にドイツ（第86,633号）と1898年にアメリカ合衆国（第608,845号）で発行された。[27]
ディーゼルは数年にわたって攻撃され、批判された。批評家たちは、ディーゼルは新しいモーターを発明しておらず、ディーゼルエンジンの発明は詐欺であると主張した。オットー・ケーラーとエミール・キャピテーヌはディーゼルの時代の最も著名な批評家の2人であった。[28]ケーラーは1887年に論文を発表し、ディーゼルが1893年の論文で述べているエンジンに似たエンジンについて説明していた。ケーラーは、そのようなエンジンは仕事をすることができないと判断した。[19] [29]エミール・キャピテーヌは1890年代初頭にグロー管点火の石油エンジンを製作していた。[30]彼は自分の良識に反して、自分のグロー管点火エンジンはディーゼルのエンジンと同じように動作すると主張した。彼の主張は根拠がなく、ディーゼルに対する特許訴訟で敗訴した。[31]アクロイドエンジンやブレイトンエンジンなどの他のエンジンも、ディーゼルエンジンサイクルとは異なる動作サイクルを使用しています。[29] [32] フリードリヒ・サスは、ディーゼルエンジンはディーゼルの「独自の作品」であり、「ディーゼル神話」は「歴史の偽造」であると述べています。[33]
最初のディーゼルエンジン
ディーゼルは、自分のエンジンを製造してくれる会社や工場を探した。モーリッツ・シュレーターとマックス・グーテルムート[34]、エッセンのクルップ社とアウクスブルクの機械工場の両者を説得することに成功した。[35]契約は1893年4月に締結され、[36] 1893年の初夏、ディーゼルの最初のプロトタイプエンジンがアウクスブルクで製造された。1893年8月10日、最初の点火が行われ、燃料はガソリンであった。1893年から1894年にかけての冬、ディーゼルは既存のエンジンを再設計し、1894年1月18日までに彼の整備士はそれを2番目のプロトタイプに改造した。[37]その年の1月、空気噴射システムがエンジンのシリンダーヘッドに追加され、テストされた。[38] フリードリヒ・サスは、ディーゼルがエアブラスト噴射のコンセプトをジョージ・B・ブレイトンからコピーしたと推定できると主張しているが、[32]ディーゼルはこの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分間に作動した。[10]このニュースで、アウクスブルク機械工業の株価は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ていた。[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、コンセプト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結んだ契約の破棄を検討した。[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テストベンチで111時間以上を無事に走行した。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追加することを検討した。[46] 3番目の試作機「 モーター250/400 」の図面作成を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作され、1896年10月6日に完成した。[47]テストは1897年初頭まで実施された。 [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日のモーリッツ・シュレーターのテストがディーゼルのエンジンの主なテストであった。エンジンの定格出力は13.1kW、燃料消費率は324g/kW/hで、[ 50 ]有効効率は26.2%となった。[51] [52] 1898年までにディーゼルは億万長者になっていた。[53]
タイムライン
1890年代
- 1893年：ルドルフ・ディーゼルの「合理的熱モーターの理論と構築」と題する論文が発表される。[54] [55]
- 1893年2月21日、ディーゼルとアウクスブルク機械工場は、ディーゼルがプロトタイプエンジンを製造することを許可する契約を締結しました。[56]
- 1893年: 2月23日、ディーゼルは「 Arbeitsverfahren und Ausführungsart für Verbrennungsmaschinen」(内燃機関の作業方法と技術)というタイトルの特許(RP 67207)を取得しました。
- 1893年4月10日、ディーゼルとクルップはディーゼルが試作エンジンを製造することを許可する契約を締結した。[56]
- 1893年4月24日、クルップ社とアウクスブルク機械工場は協力してアウクスブルクでたった一つの試作品を製造することを決定した。[56] [36]
- 1893年7月、最初の試作品が完成。[57]
- 1893年8月10日、ディーゼルエンジンが初めて燃料（ガソリン）を噴射し、燃焼が起こり、インジケーターが破壊された。[58]
- 1893年11月30日、ディーゼルは改良された燃焼プロセスの特許（RP 82168）を申請し、1895年7月12日に取得しました。[59] [60] [61]
- 1894年1月18日、最初の試作機が2番目の試作機に改造された後、2番目の試作機によるテストが開始される。[37]
- 1894年2月17日、2番目の試作機が初走行。[10]
- 1895年3月30日、ディーゼルは圧縮空気による始動プロセスの特許（RP 86633）を申請した。[62]
- 1895年6月26日、2番目の試作車が初めてブレーキテストに合格した。[41]
- 1895年: ディーゼルが2番目の特許を申請 米国特許番号608845 [63]
- 1895年11月8日から12月20日まで、2番目の試作機による一連のテストが実施された。合計111時間の稼働が記録された。[45]
- 1896年4月30日、イマニュエル・ラウスターが3番目で最後のプロトタイプの図面を完成させた。[47]
- 1896年10月6日、3番目で最後の試作エンジンが完成。[11]
- 1897年2月1日、ディーゼルの試作エンジンが稼働し、ついに効率テストと生産の準備が整いました。[49]
- 1897年10月9日、アドルフス・ブッシュが米国とカナダでディーゼルエンジンの権利を取得。[53] [64]
- 1897年10月29日、ルドルフ・ディーゼルがディーゼルエンジンの過給に関する特許（DRP 95680）を取得。[46]
- 1898年: 2月1日、Diesel Motoren-Fabrik Actien-Gesellschaftが登録されました。[65]
- 1898年3月、2×30 PS（2×22 kW）の初の商用ディーゼルエンジンがケンプテンのVereinigte Zündholzfabriken AGの工場に設置された[66] [67]
- 1898年: 9月17日、Allgemeine Gesellschaft für Dieselmotoren A.-G.が設立されています。[68]
- 1899年:ヒューゴ・ギュルドナーが発明した最初の2ストロークディーゼルエンジンが製造される。[52]
1900年代
- 1901年：イマニュエル・ラウスターが最初のトランクピストンディーゼルエンジン（DM 70）を設計。[69]
- 1901年：1901年までにMANは商業用に77個のディーゼルエンジンシリンダーを生産した。[70]
- 1903年：河川と運河の両方で運航するための最初のディーゼル船2隻が進水しました。ヴァンダル ナフサタンカーとサルマットです。[71]
- 1904年: フランスが初のディーゼル潜水艦「エグレット」を進水させた。[72]
- 1905年1月14日：ディーゼルがユニット噴射に関する特許を申請（L20510I/46a）。[73]
- 1905年: 最初のディーゼルエンジン用ターボチャージャーとインタークーラーがビュッヒ社によって製造されました。[74]
- 1906: Diesel Motoren-Fabrik Actien-Gesellschaft が解散。[28]
- 1908年: ディーゼルの特許が失効。[75]
- 1908年：ディーゼルエンジンを搭載した最初の大型トラックが登場。 [76]
- 1909年3月14日、プロスパー・ロランジュが予燃焼室噴射の特許を申請。[77] 彼は後にこのシステムを搭載した最初のディーゼルエンジンを製作した。[78] [79]
1910年代
- 1910年: MANが2ストロークディーゼルエンジンの製造を開始。[80]
- 1910年11月26日、ジェームズ・マッケニーがユニットインジェクションの特許を申請。[81]ディーゼルとは異なり、彼は実際に機能するユニットインジェクターの製造に成功した。[73] [82]
- 1911: 11 月 27 日、Allgemeine Gesellschaft für Dieselmotoren A.-G.溶解されます。[65]
- 1911年: キールのゲルマニア造船所がドイツの潜水艦用に850 PS (625 kW) のディーゼルエンジンを製造。このエンジンは1914年に設置された。[83]
- 1912年: MANが最初の複動ピストン2ストロークディーゼルエンジンを製造。[84]
- 1912年: スイスのヴィンタートゥール・ロマンシュホルン鉄道でディーゼルエンジンを搭載した最初の機関車が使用される。[85]
- 1912年：MSセランディア号がディーゼルエンジンを搭載した最初の外洋船となる。[86]
- 1913年: NELSECOディーゼルエンジンが商船と米海軍の潜水艦に搭載される。[87]
- 1913年9月29日、ルドルフ・ディーゼルはSS ドレスデン号に乗ってイギリス海峡を横断中に謎の死を遂げた。[88]
- 1914年: MANはオランダの潜水艦用に900PS（662kW）の2ストロークエンジンを製造しました。[89]
- 1919年：プロスパー・ロランジュがニードル噴射ノズルを組み込んだ予燃焼室インサートの特許を取得。[90] [91] [79]カミンズ初のディーゼルエンジン。[92] [93]
1920年代
- 1923年: ケーニヒスベルクDLG展示会で、ディーゼルエンジンを搭載した最初の農業用トラクター、プロトタイプのベンツ・ゼンドリングS6が発表されました。[94] [より良い情報源が必要]
- 1923年12月15日、MAN社が直噴ディーゼルエンジンを搭載した最初のトラックの試験を実施。同年、ベンツ社が予燃焼室噴射ディーゼルエンジンを搭載したトラックを製造。[95]
- 1923年: 逆流掃気を備えた最初の2ストロークディーゼルエンジンが登場。[96]
- 1924年:フェアバンクス・モース社が2ストロークY-VA（後にモデル32に改名）を発表。[97]
- 1925年：ゼンドリングはディーゼルエンジン搭載の農業用トラクターの量産を開始。[98]
- 1927年：ボッシュが自動車用ディーゼルエンジン用の最初のインライン噴射ポンプを導入。[99]
- 1929年: ディーゼルエンジンを搭載した最初の乗用車が登場。エンジンはディーゼル原理とボッシュの噴射ポンプを使用するように改造されたオットーエンジン。その後、いくつかのディーゼル車の試作車が続いた。[100]
1930年代
- 1933年:ドイツのユンカース自動車工場が、史上最も成功した量産型航空ディーゼルエンジン、ユモ205の生産を開始。第二次世界大戦の勃発までに900台以上が生産された。定格離陸出力は645kW。[101]
- 1933年: ゼネラルモーターズは、シカゴ万国博覧会（A Century of Progress）での自動車組立展示に、新しいルーツブロー式ユニットインジェクション2ストロークWinton 201Aディーゼルエンジンを使用しました。[102]このエンジンは、600～900馬力（447～671kW）の範囲でいくつかのバージョンが提供されました。[103]
- 1934年：バッド社がウィントン社製のエンジンを搭載した米国初のディーゼル電気式旅客列車、パイオニアゼファー9900を製造。 [102]
- 1935年:シトロエン ロザリーに試験目的で初期の渦流室噴射式ディーゼルエンジンが搭載された。 [104] ダイムラー・ベンツは、メルセデス・ベンツ OM 138 の製造を開始した。これは乗用車用として初の量産ディーゼルエンジンであり、当時市場性のある数少ない乗用車用ディーゼルエンジンの1つであった。定格出力は45 PS (33 kW) であった。[105]
- 1936年3月4日、史上最大の航空機である飛行船LZ129ヒンデンブルクが初めて離陸した。この飛行船は、それぞれ1,200PS（883kW）のV16ダイムラーベンツLOF6ディーゼルエンジン4基を搭載していた。[106]
- 1936年：ディーゼルエンジンを搭載した最初の量産乗用車（メルセデス・ベンツ260D）の製造が始まる。[100]
- 1937年：コンスタンチン・フョードロヴィチ・チェルパンがV-2ディーゼルエンジンを開発。このエンジンは後にソ連のT-34戦車に使用され、第二次世界大戦で最高の戦車シャーシとして広く認められる。[107]
- 1938年:ゼネラルモーターズはGMディーゼル部門（後にデトロイトディーゼルとなる）を設立し、道路車両や船舶での使用に適したシリーズ71 直列高速中馬力2ストロークエンジンを発表しました。[108]
1940年代
- 1946年：クレシー・カミンズが、噴射圧力と噴射タイミングを生成するための別個の部品を組み込んだ石油燃焼エンジン用の燃料供給および噴射装置の特許を取得。 [109]
- 1946年：クロックナー・フンボルト・ドイツ（KHD）が空冷式量産ディーゼルエンジンを市場に投入。[110]
1950年代
- 1950年代: KHDは空冷ディーゼルエンジンの世界的マーケットリーダーとなる。[111]
- 1951年：J.ジークフリート・モイラーがピストン内に中央球形燃焼室を組み込んだ設計であるMシステムの特許を取得（DBP 865683）。 [112]
- 1953年: 初の量産型渦流室噴射式乗用車用ディーゼルエンジン（ボルグヴァルト/フィアット）。[81]
- 1954年: ダイムラー・ベンツは、ターボチャージャー付き4.6リッター直列6気筒量産産業用ディーゼルエンジン、メルセデス・ベンツOM312Aを発表。出力は115PS(85kW)。信頼性が低いことが判明。[113]
- 1954年:ボルボはTD96エンジンのターボチャージャー付きバージョンを200台少量生産した。この9.6リッターエンジンの定格出力は136kW (185PS)。[114]
- 1955年: MANの2ストローク船舶用ディーゼルエンジンのターボチャージャーが標準装備となる。[96]
- 1959年:プジョー403は、西ドイツ以外で製造されたディーゼルエンジンオプションを備えた最初の量産乗用セダン/サルーンになりました。 [115]
1960年代
- 1964年夏、ダイムラー・ベンツは予燃焼室噴射から螺旋制御直接噴射に切り替えた。[117] [112]
- 1962年 - 1965年:ディーゼル圧縮ブレーキシステムが発明され、クレシー・カミンズによって特許を取得しました。このシステムは最終的にジェイコブス・マニュファクチャリング・カンパニーによって製造され、「ジェイク・ブレーキ」という愛称で呼ばれることになります。[118]
1970年代
- 1972年：KHDはディーゼルエンジンにADシステム、Allstoff-Direkteinspritzung（あらゆる燃料の直接噴射）を導入しました。ADディーゼルは事実上あらゆる種類の液体燃料で作動しますが、燃料の着火性が低すぎる場合に点火する補助点火プラグが取り付けられています。[119]
- 1976年: ETHチューリッヒでコモンレール噴射の開発が始まる。 [120]
- 1976年:フォルクスワーゲン・ゴルフがディーゼルエンジンオプションを備えた初の小型乗用セダン/サルーンとなる。[121] [122]
- 1978年: ダイムラー・ベンツがターボチャージャー付き乗用車用ディーゼルエンジン（メルセデス・ベンツOM617エンジン）を生産。[123]
- 1979年: コモンレール噴射を備えた低速2ストローククロスヘッドエンジンの最初のプロトタイプ。[124]
1980年代
- 1981/82年: 2ストローク船舶用ディーゼルエンジンのユニフロー掃気方式が標準となる。[125]
- 1982年8月、トヨタはディーゼルエンジン用のマイクロプロセッサ制御エンジン制御ユニット（ECU）を日本市場に導入しました。[126]
- 1985年12月、 IFA W50に改造された6VD 12,5/12 GRF-Eエンジンを搭載したトラック用コモンレール噴射システムの路上テストが行われた。[127]
- 1987年：ダイムラー・ベンツがトラック用ディーゼルエンジンに電子制御噴射ポンプを導入。[81]
- 1988年：フィアット・クロマが世界初の直噴ディーゼルエンジンを搭載した量産乗用車となる。[81]
- 1989年：アウディ100は、ターボチャージャー、インタークーラー、直噴、電子制御ディーゼルエンジンを搭載した世界初の乗用車です。[81] BMEPは1.35MPa、BSFCは198g/(kW·h)です。 [128]
1990年代
- 1992年7月1日、ユーロ1排出ガス基準が発効。[129]
- 1993年: 気筒あたり4つのバルブを備えた初の乗用車用ディーゼルエンジン、メルセデス・ベンツOM 604。[123]
- 1994年: ボッシュ社製トラック用ディーゼルエンジン用ユニットインジェクターシステム。[130]
- 1996年: 直噴と気筒あたり4バルブを備えた初のディーゼルエンジンがオペル・ベクトラに搭載された。[131] [81]
- 1996年: ボッシュ社による初のラジアルピストンディストリビューター式噴射ポンプ。[130]
- 1997年:乗用車用として初めて量産されたコモンレール式ディーゼルエンジン、フィアット1.9 JTD。 [81] [123]
- 1998年: BMWは改造されたBMW E36でニュルブルクリンク24時間レースに優勝した。320dと呼ばれるこの車は、直噴とヘリックス制御ディストリビューター噴射ポンプ（ボッシュVP44）を備えた2リッター直列4気筒ディーゼルエンジンを搭載し、180kW（240馬力）を出力した。燃料消費量は23L/100kmで、同様のオットーエンジン搭載車の半分の燃料消費量であった。[132]
- 1998年：フォルクスワーゲンはボッシュが開発した電子制御ユニットインジェクターを搭載したVW EA188 Pumpe-Düseエンジン（1.9 TDI）を発表しました。[123]
- 1999年：ダイムラークライスラーが乗用車（スマートシティクーペ）に搭載される初のコモンレール式3気筒ディーゼルエンジンを発表。[81]
2000年代
- 2000年: プジョーが乗用車用ディーゼル粒子フィルターを導入。[81] [123]
- 2002年:シーメンスによる圧電インジェクター技術。[133]
- 2003年:ボッシュ社[134]とデルファイ社[135]による圧電インジェクター技術
- 2004年: BMWはBMW M57エンジンにデュアルステージターボチャージャーを導入しました。[123]
- 2006年: 世界最強のディーゼルエンジン、Wärtsilä-Sulzer RTA96-Cが生産される。定格出力は80,080kW。[136]
- 2006年: 5.5リッターV12-TDIエンジンを搭載し、476kW（638馬力）のアウディR10 TDIが2006年ルマン24時間レースで優勝。[81]
- 2006年：ダイムラークライスラーは、選択触媒還元排気ガス処理装置を備えた最初の量産乗用車用エンジン、メルセデスベンツOM 642を発売しました。これはTier2Bin8排出ガス基準に完全に準拠しています。[123]
- 2008年：フォルクスワーゲンはVW 2.0 TDIエンジンを搭載した乗用車ディーゼルエンジン用のLNT触媒を導入しました。[123]
- 2008年：フォルクスワーゲンは、乗用車用ディーゼルエンジンとしては世界最大となるアウディ6リッターV12 TDIの量産を開始した。[123]
- 2008年：スバルは乗用車に搭載される初の水平対向ディーゼルエンジンを導入した。これは2リッターコモンレールエンジンで、定格出力は110kWであった。 [137]
2010年代
- 2010年：三菱は、可変バルブタイミングシステムを搭載した世界初の乗用車用ディーゼルエンジンである4N13 1.8L DOHC I4を開発し、量産を開始した。[138]
- 2012年：BMWはBMW N57エンジンに3つのターボチャージャーを備えたデュアルステージターボチャージャーを導入しました。[123]
- 2015年：2,500バールの圧力で作動するコモンレールシステムが発売された。 [81]
- 2015年：フォルクスワーゲンの排出ガススキャンダルでは、フォルクスワーゲンがターボチャージャー付き直噴（TDI）ディーゼルエンジンを意図的にプログラムし、実験室での排出ガス試験中のみ特定の排出ガス制御を作動させていたことが判明し、米国EPAはフォルクスワーゲングループに大気浄化法違反の通知を発行した。[139] [140] [141] [142]
動作原理
概要
ディーゼルエンジンの特徴は[143]
- スパークプラグなどの点火装置の代わりに圧縮着火を使用する。
- 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ます。
- 高品質のトルク制御。ディーゼル エンジンが生成するトルクの量は、吸入空気の絞りによって制御されるのではなく (従来の火花点火式ガソリン エンジンでは、トルク出力を制御するために空気の流れが削減されます)、エンジンに入る空気の量が常に最大化され、トルク出力は噴射される燃料の量を制御することによってのみ制御されます。
- 高い空燃比。ディーゼルエンジンは、理論空燃比よりも大幅に希薄な全体空燃比で作動します。
- 拡散炎: 燃焼時には、酸素と燃料が燃焼前に既に混合されていて予混合炎となるのではなく、まず酸素が炎の中に拡散する必要があります。
- 不均質な空気と燃料の混合気: ディーゼル エンジンでは、シリンダー内で燃料と空気が均一に分散されません。これは、空気と燃料の均質な混合気が形成される前に、噴射段階の最後に燃焼プロセスが始まるためです。
- ガソリンエンジンに好まれる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ます。
熱力学サイクル
ディーゼル内燃エンジンは、点火プラグを使用するのではなく、高圧縮の熱風を使用して燃料に点火する点で、ガソリンを動力とするオットーサイクルとは異なります（火花点火ではなく圧縮点火）。
ディーゼルエンジンでは、最初に燃焼室に空気のみが導入されます。次に、空気は、通常 15:1 から 23:1 の圧縮比で圧縮されます。この高圧縮により、空気の温度が上昇します。圧縮行程のほぼ頂点で、燃料が燃焼室の圧縮空気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(通常はトロイダル) 空隙またはプレチャンバー内になります。燃料インジェクターにより、燃料が小さな液滴に分解され、燃料が均等に分配されます。圧縮空気の熱により、液滴の表面から燃料が蒸発します。次に、燃焼室内の圧縮空気の熱によって蒸気が点火され、液滴は表面から蒸発し続け、液滴内のすべての燃料が燃焼するまで小さくなりながら燃焼します。燃焼は、パワーストロークの初期段階では、ほぼ一定の圧力で発生します。気化が始まると点火が遅れ、蒸気が点火温度に達するとディーゼル特有のノッキング音が発生し、ピストン上の圧力が急激に上昇します (PV インジケーター図には表示されていません)。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によりピストンが下方に押し下げられ、クランクシャフトに動力が供給されます。
高い圧縮レベルにより、別個の点火システムなしで燃焼を起こせるだけでなく、高い圧縮比によりエンジンの効率が大幅に向上します。 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、エンジン損傷の原因となる早期点火を防止する必要があるため、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、早期爆発は問題にならず、圧縮比ははるかに高くなります。
圧力-容積図（pV）は、ディーゼルエンジンサイクルに含まれるイベントを単純化して理想化した図で、カルノーサイクルとの類似性を示すために配置されています。1から始まり、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。シリンダーには大気圧の空気が含まれています。1と2の間では、上昇するピストンによって空気は断熱的に圧縮されます。つまり、環境との間で熱伝達はありません。（シリンダー壁との熱交換があるため、これはおおよそ正しいだけです。.) この圧縮の間、容積は減少し、圧力と温度はともに上昇します。 2 (TDC) またはその少し前で、燃料が噴射され、圧縮された熱い空気の中で燃焼します。化学エネルギーが放出され、これが圧縮されたガスへの熱エネルギー (熱) の噴射となります。 燃焼と加熱は 2 と 3 の間で起こります。この間隔では、ピストンが下降するため圧力は一定のままで、容積が増加します。燃焼エネルギーの結果として温度が上昇します。 3 で燃料噴射と燃焼が完了し、シリンダーには 2 のときよりも高い温度のガスが含まれます。 3 と 4 の間では、この高温のガスが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で作業が行われます。この膨張段階では、ガスの容積が増加し、その温度と圧力はともに低下します。 4 で排気バルブが開き、圧力が急激に大気圧 (およそ) まで低下します。これは抵抗のない膨張であり、これによって有用な作業は行われません。理想的には、断熱膨張が継続し、圧力が周囲の空気の圧力まで下がるまで、線 3-4 が右に伸びますが、この抵抗のない膨張によって生じる効率の損失は、それを回復するための実際的な困難さ (エンジンがはるかに大きくなる) によって正当化されます。排気バルブが開いた後、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。示されている場合は、図の下部の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、シリンダーが再び空気で満たされていると想定されます。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します。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提供されます。仕事出力は、2 と 4 の間でピストン シリンダーの組み合わせによって行われます。これらの 2 つの仕事の増分間の差が、サイクルあたりの指示された仕事出力であり、pV ループで囲まれた領域で表されます。断熱膨張は圧縮よりも高い圧力範囲にあります。これはシリンダー内のガスが圧縮よりも膨張時に高温になるためです。このためループは有限の面積を持ち、サイクル中の仕事の正味出力は正になります。[144]
効率
ディーゼルエンジンの燃料効率は、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。[145] [146]これは、高圧縮比、高空燃比（λ）、[147]および吸入空気制限（すなわちスロットルバルブ）がないためです。理論上、ディーゼルエンジンの最高効率は75％です。[148]しかし、実際には効率ははるかに低く、乗用車エンジンでは最大43％、[149]大型トラックおよびバスエンジンでは最大45％、大型2ストローク船舶エンジンでは最大55％です。[1] [150]自動車の運転サイクル全体の平均効率は、ディーゼルエンジンのピーク効率よりも低くなります（たとえば、ピーク効率が44％のエンジンの平均効率は37％）。[151]これは、ディーゼルエンジンの燃費は低負荷時に低下しますが、オットー（火花点火）エンジンほど急激には低下しないためです。[152]
排出量
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する。不完全燃焼のため、[153]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、窒素酸化物汚染物質が含まれる。排気ガス処理技術を使用すれば、排気ガスから汚染物質の約90パーセントを除去できる。[154] [155]道路車両のディーゼルエンジンは二酸化硫黄を排出しない。これは、2003年以降、自動車のディーゼル燃料が硫黄を含まないためである。[156]ヘルムート・ツョーケは、自動車から排出される粒子状物質が人体への悪影響を及ぼすと主張している。[157]
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「発がん性の可能性がある物質」に分類されることがあり、心臓病や呼吸器疾患のリスクを高めることが知られています。[158]
電気システム
原則として、ディーゼル エンジンにはいかなる種類の電気システムも必要ありません。ただし、最新のディーゼル エンジンのほとんどには、電気燃料ポンプと電子エンジン制御ユニットが装備されています。
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、無線周波数の放出源（ナビゲーションや通信機器に干渉する可能性がある）が排除され、米国国立無線静寂地帯の一部ではディーゼルエンジン車のみが許可されています。[159]
トルク制御
任意の時点でのトルク出力を制御するために（つまり、車の運転手がアクセルペダルを調整したとき）、調速機がエンジンに噴射される燃料の量を調整します。過去には機械式調速機が使用されていましたが、現代のエンジンでは電子式調速機の方が一般的です。機械式調速機は通常、エンジンの補助ベルトまたはギア駆動システムによって駆動され[160] [161]、スプリングと重りの組み合わせを使用して、負荷と速度の両方に応じて燃料供給を制御します。[160]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。
空気の量は一定（特定の RPM の場合）ですが、燃料の量は変化するため、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」）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節する一環として、スロットルを使用して吸入空気の量も減らすガソリン エンジンとは異なります。シリンダーへの燃料噴射開始のタイミングを制御することは、ガソリン エンジンの点火時期を制御することに似ています。したがって、これは出力、燃料消費、および排気ガスを制御する上で重要な要素です。
分類
次のセクションで概説するように、ディーゼル エンジンを分類する方法はいくつかあります。
RPM動作範囲
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。[162]
- 高速エンジン（> 1,000 rpm）、
- 中速エンジン（300～1,000 rpm）
- 低速エンジン（< 300 rpm）。
- 高速ディーゼルエンジン
高速エンジンは、トラック、バス、トラクター、自動車、ヨット、コンプレッサー、ポンプ、小型発電機に動力を供給するために使用されます。[163] 2018年現在、ほとんどの高速エンジンは直噴式です。特にオンハイウェイ用途の多くの最新エンジンは、コモンレール 直噴式です。[164]大型船では、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。[165]高速ディーゼルエンジンの最高出力は約5MWです。[166]
- 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質燃料油を直接噴射して作動します。通常、これらはトランクピストンを備えた4ストロークエンジンです。[ 167]注目すべき例外は、EMD 567、645、および710エンジンで、すべて2ストロークです。[168]
中速ディーゼルエンジンの出力は21,870kWにも達し、[169]有効効率は約47～48%（1982年）である。[170]大型中速エンジンのほとんどは、小型エンジンで使用される傾向のあるフライホイールに作用する空気圧始動モーターとは対照的に、空気分配器を使用してピストンに直接圧縮空気を送り始動する。[171]
船舶用途の中速エンジンは、通常、RO-ROフェリー、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と、小型船のコストが削減され、輸送能力が向上します。さらに、1隻の船で1つの大型エンジンの代わりに2つの小型エンジンを使用できるため、船の安全性が向上します。[167]
- 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、サイズが非常に大きく、主に船舶の動力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、電荷交換がより困難であるため、通常は 4 ストローク エンジンよりも大きく、船舶のプロペラに直接動力を供給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、発電機に動力を供給するために使用されます。電動モーターがプロペラに動力を与えます。[162]どちらのタイプも通常、ボアがストロークよりも小さい、非常にアンダースクエアです。 [172]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）の有効効率は、多くの場合最大55％です。[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し、重油を主な燃料として使用します。[171]
燃焼サイクル
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での使用に特に適していないことや、複雑で高価な組み込み潤滑システムと掃気手段の必要性など、いくつかの要因によるものです。[173]これらの技術の費用対効果（および追加重量の割合）は、より大きく高価なエンジンにはあまり影響しませんが、船舶や定置用エンジンは、長時間にわたって単一速度で運転できます。[173]
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作業は 1 ストロークで行われ、動力と排気のストローク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 エンジンの圧縮に似ています。ピストンが下中央を通過して上昇を開始すると、圧縮が開始され、燃料噴射と点火が行われます。2 ストローク ディーゼル エンジンには、フルセットのバルブの代わりに、シンプルな吸気ポートと排気ポート (または排気バルブ) があります。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「開き」ます。つまり、シリンダー内に大気圧があるということです。したがって、シリンダーに空気を吹き込み、燃焼ガスを排気に送り込むには、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。[174]
2ストロークディーゼルエンジンは、排気行程と吸気行程が明確に区別されていないため、掃気ブロワーまたは何らかのコンプレッサーを使用してシリンダーに空気を充填し、掃気を補助します。[174]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。[175]通常、2ストローク船舶ディーゼルエンジンには、軸方向の流入と半径方向の流出を持つタービンを備えた単段ターボチャージャーがあります。[176]
2ストロークエンジンの掃気
一般的に、清掃には 3 つの種類があります。
- ユニフロー清掃
- クロスフロー掃気
- 逆流掃気
クロスフロー掃気は不完全でストロークが制限されるが、一部のメーカーはこれを採用していた。[177]リバースフロー掃気は非常に単純な掃気方法で、1980年代初頭までメーカーの間で人気があった。ユニフロー掃気は製造がより複雑だが、最高の燃料効率が得られる。1980年代初頭以降、MANやSulzerなどのメーカーはこのシステムに切り替えた。[125]これは現代の船舶用2ストロークディーゼルエンジンの標準である。[2]
使用燃料
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、例えばガス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します。ディーゼルエンジン燃料は圧縮着火により自然発火し、次にガス燃料に点火します。このようなエンジンは、いかなる種類の火花点火も必要とせず、通常のディーゼルエンジンと同様に動作します。[178] [179]
燃料噴射
燃料は高圧で燃焼室、「渦流室」、または「予燃焼室」のいずれかに噴射されます。 [143]ガソリンエンジンでは、燃料は吸気マニホールドまたはキャブレターに追加されることが多いのとは異なります。燃料が主燃焼室に噴射されるエンジンは直接噴射(DI) エンジンと呼ばれ、渦流室または予燃焼室を使用するエンジンは間接噴射(IDI) エンジンと呼ばれます。[180]
直接噴射
ほとんどの直噴ディーゼルエンジンには、ピストンの上部に燃焼カップがあり、そこから燃料が噴射されます。さまざまな噴射方法を使用できます。通常、らせん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。[160]各エンジンシリンダーでは、燃料ポンプの対応するプランジャーが正確な燃料量を計測し、各噴射のタイミングを決定します。これらのエンジンでは、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、プランジャーの斜めの溝によって制御されます。プランジャーは数度回転して圧力を解放し、機械式ガバナーによって制御されます。機械式ガバナーは、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重りで構成されています。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。 [ 181]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、同じ圧力遅延を得るために、通常、各シリンダーで同じです。直噴ディーゼルエンジンでは通常、オリフィス型の燃料インジェクターが使用されます。[182]
燃料噴射の電子制御により、直噴エンジンは燃焼をより細かく制御できるようになり、大きく進化しました。[183]
- コモンレール
コモンレール（CR）直接噴射システムは、例えばボッシュの分配型ポンプの場合のように、燃料の計量、昇圧、供給の機能を単一ユニットで備えていません。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件は、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装置（EDC）は、エンジンの動作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には、噴射ニードルを持ち上げるソレノイド駆動プランジャーがありますが、新しいCRインジェクターは、可動質量が少ない圧電アクチュエータで駆動されるプランジャーを使用しているため、非常に短時間でさらに多くの噴射が可能です。[184] 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システムの注入圧力は140MPaから270MPaの範囲です。[185]
間接注入
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送り込みます。このチャンバーは、狭い空気通路によってシリンダーに接続されています。一般に、プレ チャンバーの目的は、乱流を増やして空気と燃料の混合を改善することです。また、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、インジェクターの圧力を低く抑えることができます。ほとんどの IDI システムでは、シングル オリフィス インジェクターを使用します。プレ チャンバーには、エンジンの冷却システムへの熱損失が増加して燃焼が制限され、効率が 5～10% 低下するという欠点があります。また、IDI エンジンは始動が難しく、通常はグロー プラグを使用する必要があります。IDI エンジンは製造コストが安い場合がありますが、一般に DI エンジンよりも高い圧縮比が必要です。また、IDI では、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動作するエンジンを簡単に製造できます。現代の自動車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であるなどの利点があるが、IDIエンジンは今でも多くのATVや小型ディーゼルエンジンに使用されている。[186]間接噴射ディーゼルエンジンはピントル型燃料噴射装置を使用する。[182]
エアブラスト噴射
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からエンジンに送り込んだ（エアロゾ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る。エンジンはエアブラスト噴射用の空気圧縮機も駆動する必要があったが、それでも当時の他の燃焼エンジンよりも効率が良かった。[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く、道路車両には適していなかった。[187]
ユニットインジェクター
ユニットインジェクターシステムは、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たもので、各シリンダーの上部に配置されています。これにより、高圧燃料ラインがなくなり、より一貫した噴射が実現します。全負荷状態では、噴射圧力は最大220 MPaに達します。[188]ユニットインジェクターはカムによって操作され、噴射される燃料の量は機械的（ラックまたはレバー）または電子的に制御されます。
性能要件の高まりにより、ユニットインジェクターはコモンレールインジェクションシステムに大きく置き換えられました。[164]
ディーゼルエンジンの特徴
質量
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よりも出力対質量比が悪い。典型的なディーゼルエンジンのエンジン回転数（RPM）が低いため、出力も低くなる。[189]また、ディーゼルエンジンの質量は通常より大きくなる。これは、燃焼室内の作動圧力が高くなると内部力が増大し、この力に耐えるためにはより強い（したがってより重い）部品が必要になるためである。[190]
騒音（「ディーゼルエンジンの騒音」）
ディーゼル エンジンの、特にアイドリング時の独特の騒音は、「ディーゼル クラッター」と呼ばれることがあります。この騒音は主に、燃焼室に噴射されたディーゼル燃料が突然点火し、ノッキングのような圧力波が発生することによって発生します。
エンジン設計者は、間接噴射、パイロット噴射またはプレ噴射、[191]噴射タイミング、噴射率、圧縮比、ターボブースト、および排気ガス再循環（EGR）によってディーゼルのクラッター音を低減することができます。[192]コモンレールディーゼル噴射システムは、騒音低減の補助として複数回の噴射イベントを許可します。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クラッター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発火する可能性が高く、そのためディーゼルのクラッター音を低減します。[193]
寒い天候が始まります
温暖な気候では、ディーゼルエンジンは始動補助を必要としません（スターターモーターを除く）。しかし、多くのディーゼルエンジンには、寒冷条件での始動を助けるために、燃焼室の予熱が何らかの形で含まれています。シリンダーあたり1リットル未満の排気量のエンジンには通常、グロープラグがあり、より大型の大型エンジンには火炎始動システムがあります。[194]予熱なしで始動できる最小始動温度は、予燃焼室エンジンでは40°C（104°F）、渦流室エンジンでは20°C（68°F）、直噴エンジンでは0°C（32°F）です。
過去には、より多様なコールドスタート方法が使用されていました。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、 [いつ? ]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するシステムを使用していました。[195]グロープラグの代わりに、一部のディーゼルエンジンには、バルブタイミングを変更する始動補助システムが装備されています。これを行う最も簡単な方法は、デコンプレッションレバーを使用することです。デコンプレッションレバーを作動させると、アウトレットバルブがわずかに下がった位置でロックされ、エンジンの圧縮がなくなるため、クランクシャフトを非常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したときに、デコンプレッションレバーを通常の位置に戻すと、アウトレットバルブが突然再作動して圧縮され、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。[196] Ganz & Co.製の予燃焼室エンジンXII Jv 170/240などの他のディーゼルエンジンには、吸気バルブのカムシャフトを調整してわずかに「遅い」位置に動かす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、燃焼室に入るときに吸入空気が加熱されます。[197]
スーパーチャージャーとターボチャージャー
ディーゼルエンジンでは、効率とトルク出力を大幅に向上させるため、強制吸気、特にターボチャージャーが一般的に使用されています。 [198]ディーゼルエンジンは、広い点火限界[143]と圧縮行程中の燃料の不在を特徴とする動作原理のため、強制吸気セットアップに適しています。そのため、ノッキング、過早着火、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引き起こされる希薄混合気は燃焼に悪影響を与えません。[199]
主要メーカー
- 最大電力
- 男
- ワルチラ
- ロールスロイス
- シーメンス
- コロムナKDZ TMH BMZおよびUDMZ
- ゼネラル・エレクトリック GEトランスポーテーション
- ボルボ・ペンタ
- スルツァー（メーカー）
- 斗山斗山インフラコア、斗山マリン
- YaMZ VAZ , KMZ - RD ネフスキー, STM GAZ VMZ VMZ
- 三菱、三井、マツダ、IHI、カワサキ、ホンダ、スズキ、スバル、いすゞ、日産ほか
- キャタピラーとカミンズ
- AOズベズダとズベズダ・エネルゲティカ
- Bergen Engines MaK Deutz AG MWM BMW VW、MAPNA BHEL DESA Steyr Motors GmbH イラン Khodro ディーゼル Isotta Fraschini、EMD フェアバンクス モールス、山西省河南ディーゼル SDM
燃料と流体の特性
ディーゼル エンジンは、ガソリンなどの燃料よりも優れた利点を持ついくつかの燃料油を含む、多種多様な燃料を燃焼できます。これらの利点には次のものがあります。
- 燃料油が比較的安価であるため、燃料コストが低い
- 優れた潤滑性
- 高エネルギー密度
- 可燃性蒸気を発生しないため、火災の危険性が低い
- バイオディーゼルは、簡単に合成できる非石油系燃料（エステル交換反応による）であり、多くのディーゼルエンジンで直接使用できます。一方、ガソリンエンジンでは、合成燃料を使用するために改造するか、合成燃料をガソリンへの添加剤として使用する必要があります（例：ガソホールにエタノールを添加する）。
ディーゼルエンジンでは、機械式インジェクターシステムが燃料を燃焼室に直接霧化します（ガソリンエンジンのように、キャブレターのベンチュリージェットや、吸気マニホールドや吸気ランナーに燃料を霧化するマニホールド噴射システムの燃料インジェクターとは対照的です）。ディーゼルエンジンではシリンダーに空気のみが吸入されるため、噴射プロセスのタイミングが正確であれば、早期点火の危険がなく、圧縮比をはるかに高くすることができます。[199]これは、ディーゼルエンジンのシリンダー温度がガソリンエンジンよりもはるかに高いことを意味し、揮発性の低い燃料を使用できます。
そのため、ディーゼルエンジンは多種多様な燃料で作動します。一般に、ディーゼルエンジンの燃料は適切な粘度を持っている必要があります。そうすることで、噴射ポンプは燃料を噴射ノズルに送り込むことができ、燃料ラインに損傷や腐食を与えることはありません。噴射時に、燃料は良好な燃料スプレーを形成し、噴射ノズルにコークス効果を与えてはいけません。エンジンの適切な始動とスムーズな動作を確保するには、燃料は着火しやすく、したがって大きな着火遅れを引き起こさない必要があります (つまり、燃料のセタン価が高い必要があります)。ディーゼル燃料は、低位発熱量も高くなければなりません。[200]
インライン機械式インジェクターポンプは、一般的にディストリビュータータイプのポンプよりも低品質の燃料やバイオ燃料に対して耐性があります。また、間接噴射エンジンは、直噴エンジンよりも点火遅延の大きい燃料（ガソリンなど）でより満足のいく運転をします。[201]これは、間接噴射エンジンの方が「渦」効果がはるかに大きく、燃料の気化と燃焼が改善されることと、（植物油タイプの燃料の場合）燃焼温度が低すぎる場合（エンジンを冷間始動する場合など）直噴エンジンのシリンダー壁に脂質沈着物が凝縮する可能性があるためです。MANセンタースフィア燃焼室を備えた直噴エンジンは、燃焼室壁に燃料が凝縮することに依存しています。燃料は点火が始まってからのみ気化し始め、比較的スムーズに燃焼します。したがって、このようなエンジンは点火遅延特性の悪い燃料にも耐性があり、一般的には86 RON定格のガソリンで運転できます。[202]
燃料の種類
ルドルフ・ディーゼルは1893年の著書『合理的熱モーターの理論と構成』で、ディーゼルエンジンの燃料として石炭の粉末を使うことを検討している。しかし、ディーゼルが考えたのは石炭の粉末（および液体燃料とガス）の使用だけであり、実際のエンジンは石油で作動するように設計されたが、石油は粘性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。 [203]灯油とガソリンに加えて、ディーゼルのエンジンはリグロインでも作動した。[204]
ディーゼルエンジン燃料が標準化される前は、ガソリン、灯油、軽油、植物油、鉱油などの燃料、およびこれらの燃料の混合物が使用されていました。[205]ディーゼルエンジンに使用することを特に意図した典型的な燃料は、次のような石油蒸留物と石炭タール蒸留物でした。これらの燃料の特定の低位発熱量は次の通りです。
- ディーゼル油: 10,200 kcal/kg ( 42.7 MJ/kg )～ 10,250 kcal/kg ( 42.9 MJ/ kg )
- 暖房用油：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 （ 38.3 MJ/kg ）～9,250 kcal/kg （ 38.7 MJ/ kg）
- 灯油：最大10,400 kcal/kg （ 43.5 MJ/ kg）
出典: [206]
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、NATO F 54であった。[205]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、NATO F 54規格の現代版はそれとほぼ同じである。DIN 51628バイオディーゼル規格は、2009年版のEN 590によって廃止された。FAMEバイオディーゼルはEN 14214規格に準拠している。船舶の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作動する。また、一部のディーゼルエンジンはガス（ LNGなど）で作動することができる。 [207]
現代のディーゼル燃料の特性
ゲル化
DIN 51601 diesel fuel was prone to waxing or gelling in cold weather; both are terms for the solidification of diesel oil into a partially crystalline state. The crystals build up in the fuel system (especially in fuel filters), eventually starving the engine of fuel and causing it to stop running.[209] Low-output electric heaters in fuel tanks and around fuel lines were used to solve this problem. Also, most engines have a spill return system, by which any excess fuel from the injector pump and injectors is returned to the fuel tank. Once the engine has warmed, returning warm fuel prevents waxing in the tank. Before direct injection diesel engines, some manufacturers, such as BMW, recommended mixing up to 30% petrol in with the diesel by fuelling diesel cars with petrol to prevent the fuel from gelling when the temperatures dropped below −15 °C.[210]
Safety
Fuel flammability
Diesel fuel is less flammable than petrol, because its flash point is 55 °C,[209][211] leading to a lower risk of fire caused by fuel in a vehicle equipped with a diesel engine.
Diesel fuel can create an explosive air/vapour mix under the right conditions. However, compared with petrol, it is less prone due to its lower vapour pressure, which is an indication of evaporation rate. The Material Safety Data Sheet[212] for ultra-low sulfur diesel fuel indicates a vapour explosion hazard for diesel fuel indoors, outdoors, or in sewers.
Cancer
Diesel exhaust has been classified as an IARC Group 1 carcinogen. It causes lung cancer and is associated with an increased risk for bladder cancer.[213]
Engine runaway (uncontrollable overspeeding)
Applications
The characteristics of diesel have different advantages for different applications.
Passenger cars
Diesel engines have long been popular in bigger cars and have been used in smaller cars such as superminis in Europe since the 1980s. They were popular in larger cars earlier, as the weight and cost penalties were less noticeable.[214] Smooth operation as well as high low-end torque are deemed important for passenger cars and small commercial vehicles. The introduction of electronically controlled fuel injection significantly improved the smooth torque generation, and starting in the early 1990s, car manufacturers began offering their high-end luxury vehicles with diesel engines. Passenger car diesel engines usually have between three and twelve cylinders, and a displacement ranging from 0.8 to 6.0 litres. Modern powerplants are usually turbocharged and have direct injection.[163]
Diesel engines do not suffer from intake-air throttling, resulting in very low fuel consumption especially at low partial load[215] (for instance: driving at city speeds). One fifth of all passenger cars worldwide have diesel engines, with many of them being in Europe, where approximately 47% of all passenger cars are diesel-powered.[216] Daimler-Benz in conjunction with Robert Bosch GmbH produced diesel-powered passenger cars starting in 1936.[81] The popularity of diesel-powered passenger cars in markets such as India, South Korea and Japan is increasing (as of 2018).[217]
Commercial vehicles and lorries
Lifespan of Mercedes-Benz diesel engines[218]
In 1893, Rudolf Diesel suggested that the diesel engine could possibly power "wagons" (lorries).[219] The first lorries with diesel engines were brought to market in 1924.[81]
Modern diesel engines for lorries have to be both extremely reliable and very fuel efficient. Common-rail direct injection, turbocharging and four valves per cylinder are standard. Displacements range from 4.5 to 15.5 litres, with power-to-mass ratios of 2.5–3.5 kg·kW−1 for heavy duty and 2.0–3.0 kg·kW−1 for medium duty engines. V6 and V8 engines used to be common, due to the relatively low engine mass the V configuration provides. Recently, the V configuration has been abandoned in favour of straight engines. These engines are usually straight-6 for heavy and medium duties and straight-4 for medium duty. Their undersquare design causes lower overall piston speeds which results in increased lifespan of up to 1,200,000 kilometres (750,000 mi).[220] Compared with 1970s diesel engines, the expected lifespan of modern lorry diesel engines has more than doubled.[218]
Railroad rolling stock
Diesel engines for locomotives are built for continuous operation between refuelings and may need to be designed to use poor quality fuel in some circumstances.[221] Some locomotives use two-stroke diesel engines.[222] Diesel engines have replaced steam engines on all non-electrified railroads in the world. The first diesel locomotives appeared in 1913,[81] and diesel multiple units soon after. Nearly all modern diesel locomotives are more correctly known as diesel–electric locomotives because they use an electric transmission: the diesel engine drives an electric generator which powers electric traction motors.[223] While electric locomotives have replaced the diesel locomotive for passenger services in many areas diesel traction is widely used for cargo-hauling freight trains and on tracks where electrification is not economically viable.
In the 1940s, road vehicle diesel engines with power outputs of 150–200 metric horsepower (110–150 kW; 150–200 hp) were considered reasonable for DMUs. Commonly, regular truck powerplants were used. The height of these engines had to be less than 1 metre (3 ft 3 in) to allow underfloor installation. Usually, the engine was mated with a pneumatically operated mechanical gearbox, due to the low size, mass, and production costs of this design. Some DMUs used hydraulic torque converters instead. Diesel–electric transmission was not suitable for such small engines.[224] In the 1930s, the Deutsche Reichsbahn standardised its first DMU engine. It was a 30.3 litres (1,850 cu in), 12-cylinder boxer unit, producing 275 metric horsepower (202 kW; 271 hp). Several German manufacturers produced engines according to this standard.[225]
Watercraft
The requirements for marine diesel engines vary, depending on the application. For military use and medium-size boats, medium-speed four-stroke diesel engines are most suitable. These engines usually have up to 24 cylinders and come with power outputs in the one-digit Megawatt region.[221] Small boats may use lorry diesel engines. Large ships use extremely efficient, low-speed two-stroke diesel engines. They can reach efficiencies of up to 55%. Unlike most regular diesel engines, two-stroke watercraft engines use highly viscous fuel oil.[1] Submarines are usually diesel–electric.[223]
The first diesel engines for ships were made by A. B. Diesels Motorer Stockholm in 1903. These engines were three-cylinder units of 120 PS (88 kW) and four-cylinder units of 180 PS (132 kW) and used for Russian ships. In World War I, especially submarine diesel engine development advanced quickly. By the end of the War, double acting piston two-stroke engines with up to 12,200 PS (9 MW) had been made for marine use.[226]
Aviation
Early
Diesel engines had been used in aircraft before World War II, for instance, in the rigid airship LZ 129 Hindenburg, which was powered by four Daimler-Benz DB 602 diesel engines,[227] or in several Junkers aircraft, which had Jumo 205 engines installed.[101]
In 1929, in the United States, the Packard Motor Company developed America's first aircraft diesel engine, the Packard DR-980—an air-cooled, 9-cylinder radial engine. They installed it in various aircraft of the era—some of which were used in record-breaking distance or endurance flights,[228][229][230][231] and in the first successful demonstration of ground-to-air radiophone communications (voice radio having been previously unintelligible in aircraft equipped with spark-ignition engines, due to electromagnetic interference).[229][230] Additional advantages cited, at the time, included a lower risk of post-crash fire, and superior performance at high altitudes.[229]
On March 6, 1930, the engine received an Approved Type Certificate—first ever for an aircraft diesel engine—from the U.S. Department of Commerce.[232] However, noxious exhaust fumes, cold-start and vibration problems, engine structural failures, the death of its developer, and the industrial economic contraction of the Great Depression, combined to kill the program.[229]
Modern
From then, until the late 1970s, there had not been many applications of the diesel engine in aircraft. In 1978, Piper Cherokee co-designer Karl H. Bergey argued that "the likelihood of a general aviation diesel in the near future is remote."[233]
However, with the 1970s energy crisis and environmental movement, and resulting pressures for greater fuel economy, reduced carbon and lead in the atmosphere, and other issues, there was a resurgence of interest in diesel engines for aircraft. High-compression piston aircraft engines that run on aviation gasoline ("avgas") generally require the addition of toxic Tetraethyl lead to avgas, to avoid engine pre-ignition and detonation; but diesel engines do not require leaded fuel. Also, biodiesel can, theoretically, provide a net reduction in atmospheric carbon compared to avgas. For these reasons, the general aviation community has begun to fear the possible banning or discontinuance of leaded avgas.[8][234][235][236]
Additionally, avgas is a specialty fuel in very low (and declining) demand, compared to other fuels, and its makers are susceptible to costly aviation-crash lawsuits, reducing refiners' interest in producing it. Outside the United States, avgas has already become increasingly difficult to find at airports (and generally), than less-expensive, diesel-compatible fuels like Jet-A and other jet fuels.[8][234][235][236]
By the late 1990s / early 2000s, diesel engines were beginning to appear in light aircraft. Most notably, Frank Thielert and his Austrian engine enterprise, began developing diesel engines to replace the 100 horsepower (75 kW) - 350 horsepower (260 kW) gasoline/piston engines in common light aircraft use.[237] First successful application of the Theilerts to production aircraft was in the Diamond DA42 Twin Star light twin, which exhibited exceptional fuel efficiency surpassing anything in its class,[8][9][238] and its single-seat predecessor, the Diamond DA40 Diamond Star.[8][9][237]
In subsequent years, several other companies have developed aircraft diesel engines, or have begun to[237]—most notably Continental Aerospace Technologies which, by 2018, was reporting it had sold over 5,000 such engines worldwide.[8][9][239]
The United States' Federal Aviation Administration has reported that "by 2007, various jet-fueled piston aircraft had logged well over 600,000 hours of service".[237] In early 2019, AOPA reported that a diesel engine model for general aviation aircraft is "approaching the finish line."[240] By late 2022, Continental was reporting that its "Jet-A" fueled engines had exceeded "2,000... in operation today," with over "9 million hours," and were being "specified by major OEMs" for Cessna, Piper, Diamond, Mooney, Tecnam, Glasair and Robin aircraft.[239]
In recent years (2016), diesel engines have also found use in unmanned aircraft (UAV), due to their reliability, durability, and low fuel consumption.[241][242][243]
Non-road diesel engines
Non-road diesel engines are commonly used for construction equipment and agricultural machinery. Fuel efficiency, reliability and ease of maintenance are very important for such engines, whilst high power output and quiet operation are negligible. Therefore, mechanically controlled fuel injection and air-cooling are still very common. The common power outputs of non-road diesel engines vary a lot, with the smallest units starting at 3 kW, and the most powerful engines being heavy duty lorry engines.[221]
Stationary diesel engines
Stationary diesel engines are commonly used for electricity generation, but also for powering refrigerator compressors, or other types of compressors or pumps. Usually, these engines either run continuously with partial load, or intermittently with full load. Stationary diesel engines powering electric generators that put out an alternating current, usually operate with alternating load, but fixed rotational frequency. This is due to the mains' fixed frequency of either 50 Hz (Europe), or 60 Hz (United States). The engine's crankshaft rotational frequency is chosen so that the mains' frequency is a multiple of it. For practical reasons, this results in crankshaft rotational frequencies of either 25 Hz (1500 per minute) or 30 Hz (1800 per minute).[244]
Low heat rejection engines
A special class of prototype internal combustion piston engines has been developed over several decades with the goal of improving efficiency by reducing heat loss.[245] These engines are variously called adiabatic engines; due to better approximation of adiabatic expansion; low heat rejection engines, or high temperature engines.[246] They are generally piston engines with combustion chamber parts lined with ceramic thermal barrier coatings.[247] Some make use of pistons and other parts made of titanium which has a low thermal conductivity[248] and density. Some designs are able to eliminate the use of a cooling system and associated parasitic losses altogether.[249] Developing lubricants able to withstand the higher temperatures involved has been a major barrier to commercialization.[250]
Future developments
In mid-2010s literature, main development goals for future diesel engines are described as improvements of exhaust emissions, reduction of fuel consumption, and increase of lifespan (2014).[251][163] It is said that the diesel engine, especially the diesel engine for commercial vehicles, will remain the most important vehicle powerplant until the mid-2030s. Editors assume that the complexity of the diesel engine will increase further (2014).[252] Some editors expect a future convergency of diesel and Otto engines' operating principles due to Otto engine development steps made towards homogeneous charge compression ignition (2017).[253]
See also
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External links
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Wikisource has the text of the 1921 Collier's Encyclopedia article Diesel Engine.
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- The short film The Diesel Story (1952) is available for free viewing and download at the Internet Archive.
- "Introduction to Two Stroke Marine Diesel Engine" on YouTube
- "The Engine That Powers the World" BBC Documentary on YouTube
Patents
- Method of and Apparatus for Converting Heat into Work. # 542846 filed 1892 Archived April 26, 2021, at the Wayback Machine
- Internal Combustion Engine #608845 filed 1895