กลุ่มขนาดพื้นฐานสามกลุ่ม
เครื่องยนต์ดีเซลมีกลุ่มขนาดพื้นฐานสามกลุ่มตามกำลัง ได้แก่ เล็ก กลาง และใหญ่เครื่องยนต์ขนาดเล็กมีค่ากำลังส่งออกน้อยกว่า 16 กิโลวัตต์นี่คือประเภทเครื่องยนต์ดีเซลที่ผลิตมากที่สุดเครื่องยนต์เหล่านี้ใช้ในรถยนต์ รถบรรทุกขนาดเล็ก และการใช้งานด้านการเกษตรและการก่อสร้างบางประเภท ตลอดจนเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานไฟฟ้าขนาดเล็กแบบอยู่กับที่ (เช่น บนเรือสำราญ) และเป็นตัวขับเคลื่อนเชิงกลโดยทั่วไปแล้วจะเป็นเครื่องยนต์ไดเร็กอินเจคชั่น อินไลน์ สี่หรือหกสูบหลายๆ เครื่องมีเทอร์โบชาร์จพร้อมอาฟเตอร์คูลเลอร์

เครื่องยนต์ขนาดกลางมีกำลังตั้งแต่ 188 ถึง 750 กิโลวัตต์ หรือ 252 ถึง 1,006 แรงม้าเครื่องยนต์เหล่านี้ส่วนใหญ่จะใช้ในรถบรรทุกงานหนักโดยปกติแล้วจะเป็นเครื่องยนต์แบบไดเร็กอินเจคชั่น ไลน์อินไลน์ เทอร์โบชาร์จ 6 สูบ และอาฟเตอร์คูลเลอร์เครื่องยนต์ V-8 และ V-12 บางรุ่นก็อยู่ในกลุ่มขนาดนี้ด้วย

เครื่องยนต์ดีเซลขนาดใหญ่มีพิกัดกำลังเกิน 750 กิโลวัตต์เครื่องยนต์ที่มีลักษณะเฉพาะเหล่านี้ใช้สำหรับการใช้งานทางทะเล หัวรถจักร และกลไกขับเคลื่อน และสำหรับการผลิตพลังงานไฟฟ้าในกรณีส่วนใหญ่ เป็นระบบไดเร็กอินเจคชั่น เทอร์โบชาร์จ และระบบอาฟเตอร์คูลเลอร์อาจทำงานที่ความเร็วต่ำถึง 500 รอบต่อนาที เมื่อความน่าเชื่อถือและความทนทานเป็นสิ่งสำคัญ

เครื่องยนต์สองจังหวะและสี่จังหวะ
ตามที่ระบุไว้ข้างต้น เครื่องยนต์ดีเซลได้รับการออกแบบให้ทำงานในวงจรสองหรือสี่จังหวะในเครื่องยนต์สี่จังหวะทั่วไป วาล์วไอดีและไอเสียและหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงจะอยู่ที่ฝาสูบ (ดูรูป)บ่อยครั้งที่มีการใช้การจัดเรียงวาล์วคู่—วาล์วไอดีสองตัวและวาล์วไอเสียสองตัว—ถูกนำมาใช้
การใช้วงจรสองจังหวะสามารถขจัดความจำเป็นในการใช้วาล์วตัวใดตัวหนึ่งหรือทั้งสองตัวในการออกแบบเครื่องยนต์ได้โดยปกติแล้วการไล่และดูดอากาศเข้าจะผ่านทางพอร์ตในซับสูบไอเสียอาจผ่านทางวาล์วที่อยู่ในฝาสูบหรือผ่านช่องต่างๆ ในซับสูบโครงสร้างเครื่องยนต์ทำได้ง่ายขึ้นเมื่อใช้การออกแบบพอร์ตแทนที่จะต้องใช้วาล์วไอเสีย

น้ำมันเชื้อเพลิงสำหรับดีเซล
ผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมที่ปกติใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลเป็นการกลั่นที่ประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนหนัก โดยมีคาร์บอนอย่างน้อย 12 ถึง 16 อะตอมต่อโมเลกุลการกลั่นที่หนักกว่าเหล่านี้จะถูกนำมาจากน้ำมันดิบหลังจากกำจัดส่วนที่ระเหยง่ายกว่าในน้ำมันเบนซินออกไปแล้วจุดเดือดของสารกลั่นที่หนักกว่าเหล่านี้มีตั้งแต่ 177 ถึง 343 °C (351 ถึง 649 °F)ดังนั้นอุณหภูมิการระเหยจึงสูงกว่าน้ำมันเบนซินซึ่งมีอะตอมของคาร์บอนต่อโมเลกุลน้อยกว่ามาก

น้ำและตะกอนในเชื้อเพลิงอาจเป็นอันตรายต่อการทำงานของเครื่องยนต์เชื้อเพลิงสะอาดถือเป็นสิ่งสำคัญต่อระบบหัวฉีดที่มีประสิทธิภาพเชื้อเพลิงที่มีคาร์บอนตกค้างสูงสามารถจัดการได้ดีที่สุดโดยเครื่องยนต์ที่หมุนด้วยความเร็วต่ำเช่นเดียวกับที่มีปริมาณเถ้าและกำมะถันสูงค่าซีเทนซึ่งกำหนดคุณภาพการจุดระเบิดของน้ำมันเชื้อเพลิง ถูกกำหนดโดยใช้ ASTM D613 “วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับค่าซีเทนของน้ำมันเชื้อเพลิงดีเซล”

การพัฒนาเครื่องยนต์ดีเซล
งานช่วงต้น
รูดอล์ฟ ดีเซล วิศวกรชาวเยอรมัน เกิดแนวคิดสำหรับเครื่องยนต์ซึ่งปัจจุบันเป็นชื่อของเขาหลังจากที่เขาค้นหาอุปกรณ์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์อ็อตโต (เครื่องยนต์สี่จังหวะเครื่องแรก สร้างโดยวิศวกรชาวเยอรมันในคริสต์ศตวรรษที่ 19 นิโคเลาส์ ออตโต)ดีเซลตระหนักว่ากระบวนการจุดระเบิดด้วยไฟฟ้าของเครื่องยนต์เบนซินสามารถขจัดออกไปได้ หากในระหว่างจังหวะอัดของอุปกรณ์ลูกสูบ-กระบอกสูบ การบีบอัดอาจทำให้อากาศร้อนจนถึงอุณหภูมิที่สูงกว่าอุณหภูมิการจุดระเบิดอัตโนมัติของเชื้อเพลิงที่กำหนดดีเซลเสนอวัฏจักรดังกล่าวในสิทธิบัตรของเขาในปี พ.ศ. 2435 และ พ.ศ. 2436
เดิมทีมีการใช้ถ่านหินชนิดผงหรือปิโตรเลียมเหลวเป็นเชื้อเพลิงดีเซลเลื่อยถ่านหินแบบผงซึ่งเป็นผลพลอยได้จากเหมืองถ่านหินซาร์เป็นเชื้อเพลิงที่หาได้ง่ายต้องใช้อากาศอัดเพื่อนำฝุ่นถ่านหินเข้าไปในกระบอกสูบเครื่องยนต์อย่างไรก็ตาม การควบคุมอัตราการฉีดถ่านหินเป็นเรื่องยาก และหลังจากที่เครื่องยนต์ทดลองถูกทำลายด้วยการระเบิด ดีเซลก็หันไปใช้ปิโตรเลียมเหลวเขายังคงแนะนำน้ำมันเชื้อเพลิงเข้าสู่เครื่องยนต์ด้วยลมอัด
เครื่องยนต์เชิงพาณิชย์เครื่องแรกที่สร้างขึ้นตามสิทธิบัตรของดีเซลได้รับการติดตั้งในเมืองเซนต์หลุยส์ รัฐมิสซูรี่ โดยอดอลฟัส บุช ผู้ผลิตเบียร์ที่เคยเห็นเครื่องยนต์หนึ่งเครื่องที่จัดแสดงในงานแสดงสินค้าในมิวนิก และได้ซื้อใบอนุญาตจากดีเซลในการผลิตและจำหน่ายเครื่องยนต์ ในสหรัฐอเมริกาและแคนาดาเครื่องยนต์นี้ทำงานได้สำเร็จมานานหลายปีและเป็นบรรพบุรุษของเครื่องยนต์ Busch-Sulzer ที่ใช้ขับเคลื่อนเรือดำน้ำหลายลำของกองทัพเรือสหรัฐฯ ในสงครามโลกครั้งที่ 1 เครื่องยนต์ดีเซลอีกเครื่องหนึ่งที่ใช้เพื่อจุดประสงค์เดียวกันคือ Nelseco ซึ่งสร้างโดย New London Ship and Engine Company ในGroton, Conn.

เครื่องยนต์ดีเซลกลายเป็นโรงไฟฟ้าหลักสำหรับเรือดำน้ำในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1 ไม่เพียงแต่ประหยัดในการใช้เชื้อเพลิงเท่านั้น แต่ยังได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเชื่อถือได้ภายใต้สภาวะสงครามอีกด้วยน้ำมันดีเซลซึ่งมีการระเหยน้อยกว่าน้ำมันเบนซินได้รับการจัดเก็บและจัดการอย่างปลอดภัยมากกว่า
ในช่วงสิ้นสุดของสงคราม ผู้ชายหลายคนที่ทำงานเกี่ยวกับเครื่องยนต์ดีเซลกำลังมองหางานในยามสงบผู้ผลิตเริ่มปรับใช้เครื่องยนต์ดีเซลเพื่อเศรษฐกิจในยามสงบการปรับเปลี่ยนประการหนึ่งคือการพัฒนาสิ่งที่เรียกว่าเซมิดีเซลซึ่งทำงานในวงจรสองจังหวะที่ความดันการอัดที่ต่ำกว่า และใช้กระเปาะหรือท่อร้อนเพื่อจุดประจุเชื้อเพลิงการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ส่งผลให้เครื่องยนต์มีราคาถูกลงในการสร้างและบำรุงรักษา

เทคโนโลยีการฉีดเชื้อเพลิง
คุณลักษณะที่น่ารังเกียจอย่างหนึ่งของดีเซลเต็มตัวคือความจำเป็นในการใช้เครื่องอัดอากาศแบบฉีดแรงดันสูงไม่เพียงแต่พลังงานที่จำเป็นในการขับเคลื่อนเครื่องอัดอากาศเท่านั้น แต่ยังส่งผลในการทำความเย็นที่ทำให้การจุดระเบิดล่าช้าเกิดขึ้นเมื่ออากาศอัด ซึ่งโดยทั่วไปอยู่ที่ 6.9 เมกะปาสคาล (1,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) ขยายตัวเข้าไปในกระบอกสูบอย่างกะทันหัน ซึ่งมีความดันประมาณ 3.4 เป็น 4 เมกะปาสคาล (493 ถึง 580 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว)ดีเซลต้องการอากาศแรงดันสูงเพื่อนำผงถ่านหินเข้าไปในกระบอกสูบเมื่อปิโตรเลียมเหลวเข้ามาแทนที่ผงถ่านหินเป็นเชื้อเพลิง ก็สามารถสร้างปั๊มแทนเครื่องอัดอากาศแรงดันสูงได้

สามารถใช้ปั๊มได้หลายวิธีในประเทศอังกฤษ บริษัทวิคเกอร์สใช้วิธีที่เรียกว่าวิธีคอมมอนเรล ซึ่งแบตเตอรี่ของปั๊มจะรักษาน้ำมันเชื้อเพลิงภายใต้แรงดันในท่อที่วิ่งตามความยาวของเครื่องยนต์โดยมีสายไปยังแต่ละกระบอกสูบจากท่อจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิงแบบราง (หรือท่อ) ชุดวาล์วฉีดจะยอมรับประจุเชื้อเพลิงไปยังแต่ละกระบอกสูบที่จุดที่ถูกต้องในวงจรอีกวิธีหนึ่งคือใช้ปั๊มแบบกระตุกหรือลูกสูบเพื่อส่งน้ำมันเชื้อเพลิงภายใต้แรงดันสูงชั่วขณะไปยังวาล์วฉีดของแต่ละกระบอกสูบในเวลาที่เหมาะสม

การกำจัดเครื่องอัดอากาศแบบฉีดเป็นขั้นตอนหนึ่งในทิศทางที่ถูกต้อง แต่ยังมีปัญหาอีกประการหนึ่งที่ต้องแก้ไข: ไอเสียของเครื่องยนต์มีควันในปริมาณที่มากเกินไป แม้ว่าเอาต์พุตจะอยู่ภายในระดับแรงม้าของเครื่องยนต์ได้ดีก็ตาม และแม้ว่าจะมี มีอากาศในกระบอกสูบเพียงพอสำหรับเผาประจุเชื้อเพลิงโดยไม่ทิ้งไอเสียที่เปลี่ยนสีซึ่งปกติแสดงว่าโอเวอร์โหลดในที่สุดวิศวกรก็ตระหนักว่าปัญหาคืออากาศฉีดแรงดันสูงชั่วขณะหนึ่งที่ระเบิดเข้าไปในกระบอกสูบของเครื่องยนต์ได้กระจายประจุเชื้อเพลิงอย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าหัวฉีดเชื้อเพลิงเชิงกลทดแทนที่สามารถทำได้ โดยผลที่ตามมาคือหากไม่มีเครื่องอัดอากาศ เชื้อเพลิงจะต้อง ค้นหาอะตอมของออกซิเจนเพื่อทำให้กระบวนการเผาไหม้สมบูรณ์ และเนื่องจากออกซิเจนมีส่วนประกอบของอากาศเพียง 20 เปอร์เซ็นต์ เชื้อเพลิงแต่ละอะตอมจึงมีโอกาสเพียงครั้งเดียวในห้าที่จะพบกับอะตอมของออกซิเจนผลที่ได้คือการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่ไม่เหมาะสม

การออกแบบหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงตามปกติจะนำเชื้อเพลิงเข้าไปในกระบอกสูบในรูปแบบของสเปรย์ทรงกรวย โดยมีไอระเหยออกจากหัวฉีด แทนที่จะเป็นกระแสน้ำหรือไอพ่นสามารถทำได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้นเพื่อกระจายเชื้อเพลิงให้ทั่วถึงยิ่งขึ้นการผสมที่ได้รับการปรับปรุงจะต้องทำได้สำเร็จโดยให้การเคลื่อนไหวเพิ่มเติมกับอากาศ โดยทั่วไปโดยการหมุนวนของอากาศที่เกิดจากการเหนี่ยวนำหรือการเคลื่อนที่ในแนวรัศมีของอากาศ เรียกว่าบีบหรือทั้งสองอย่าง จากขอบด้านนอกของลูกสูบไปทางศูนย์กลางมีการใช้วิธีการต่างๆ เพื่อสร้างการหมุนและบีบนี้เห็นได้ชัดว่าจะได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดเมื่อการหมุนวนของอากาศมีความสัมพันธ์ที่แน่นอนกับอัตราการฉีดเชื้อเพลิงการใช้อากาศภายในกระบอกสูบอย่างมีประสิทธิภาพต้องใช้ความเร็วในการหมุน ซึ่งทำให้อากาศที่ถูกกักไว้เคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องจากสเปรย์หนึ่งไปยังอีกสเปรย์หนึ่งในระหว่างช่วงการฉีด โดยไม่มีการทรุดตัวอย่างรุนแรงระหว่างรอบ