ディーゼルエンジン
ディーゼルエンジン (diesel engine) は、ディーゼル機関（?きかん）ともいい、ドイツの技術者ルドルフ・ディーゼルが発明した内燃機関。1892年に発明され、1893年2月23日に特許を取得した。
シリンダー内でピストンが空気を高圧に圧縮して高温にし、そこに燃料を噴射することで自然着火させる構造を基本とする。
実用的な内燃機関の中ではもっとも熱効率に優れる種類のエンジンであり、また軽油・重油などの一般的燃料の他にも、様々な種類の液体燃料が使用可能である。汎用性が高く、小型高速機関から巨大な船舶用低速機関まで様々なバリエーションが存在する。
エンジン名称は発明者にちなむものであるが、日本語表記では一般に普及した「ディーゼル」のほか、かつては「ヂーゼル」「ジーゼル」とも表記された。日本の自動車整備士国家試験ではジーゼルエンジンと呼称している。
ディーゼルエンジンの仕組み
圧縮されて高温になった空気に軽油や重油などのディーゼル燃料を吹き込んだ時に起こる、自己着火（正しくは「発火」）をもとにした膨張でピストンを押し出す、超拡散燃焼である。理論サイクルの分類では、低速のものがディーゼルサイクル（等圧サイクル）、高速のものはサバテサイクル（複合サイクル）として取り扱われる。
1．吸入行程: ピストンが下がり、空気のみをシリンダー内に吸い込む行程。
2．圧縮行程: ピストンが上死点まで上がり空気を圧縮する行程。
3．膨張行程: 高圧のシリンダー内に燃料を噴射・燃焼し、燃焼ガスがピストンを下死点まで押し下げる行程。
4．排気行程: 慣性によりピストンが上がり燃焼ガスをシリンダ外に押し出す行程。
21世紀初めの現代の高速ディーゼルエンジンでは4ストローク機関が主流であり、航空機にまで使われたクルップ・ユンカース式対向ピストンエンジンや、GMのユニフロースカベンジング式など、第二次世界大戦以前から出現していた2ストローク機関は姿を消した。一方、極低速回転の大型船舶用は、上死点毎回爆発の2ストローク型（ユニフロー・スカベンジング・ディーゼル）が主流となっている。
燃料の噴射には高圧ポンプが使用され、燃焼方式の違いで、単室の直接噴射式と副室式（予燃焼室式・渦流室式）に分かれる。
ディーゼルエンジンは圧縮によって吸気を高温にする必要があり、高い圧縮比が要求される。圧縮比が高いために熱効率が良いと言われることが多いが、高すぎる圧縮比はエンジンにより高い機械的強度を要求し、そのために部品を丈夫にする必要が生じ、可動部品の重量のために機械的損失が大きくなる。自動車用4ストロークエンジンでは過給圧の高圧化が進み、過度に筒内最高圧力(Pmax)が上がるのを避けるために圧縮比は低下傾向にある。
ガソリンエンジンと異なり、過給をしてもノッキングやデトネーションが起こらず、圧縮比を下げる必要がないため、過給とは相性がよい。自動車用高速ディーゼルエンジンは、そのほとんどがターボ過給されるようになっている。ターボ過給をすることにより、排気エネルギーの一部を回収でき、効率が改善され、吸気量の増加に対する燃料噴射量の増量で、同じ出力をより小さい排気量、より低い回転数で発生することも可能となり、ディーゼルエンジンの高性能化が一気に進んだ。
従来、高速定速走行の頻度が高い高速バスやカーゴトラックには、古くからターボチャージャーが普及していたが、低ミュー路や、走行抵抗の大きい悪路での微・低速走行の機会の多いダンプトラックでは、レスポンスに優れ、扱いやすい排気量20リッター以上の、V型8気筒自然吸気エンジンが好まれてきた経緯がある。しかし、次第に厳しくなる排ガス規制の前に、各社とも排気量を11 ~ 13リッター程度まで落とし、エミッション低減デバイスとの親和性が高い直列6気筒エンジンに生産を絞り込んだため、排気量の大きなV8自然吸気エンジンは姿を消した。
燃料噴射ポンプとインジェクター
従来型の燃料噴射装置は燃料の“加圧”と“制御”の両方を燃料ポンプで行う。このようなポンプを「ジャーク式」といい、燃料噴射量・タイミングなどがすでに制御された状態で加圧を行うタイプである。
システムは噴射ポンプ本体のほか、噴射量を制御するガバナーや、噴射タイミングを制御するタイマーが組み合わされ、これらはポンプの加圧能力と並んでエンジンの性能を決定する要素となっている。
制御の機構は遠心力や負圧を利用した機械制御が中心で、一部電子制御が採り入れられているものもあるが、大きな力のかかる加圧行為そのものを微細に制御しなければならないという構造上、その制御には限界がある。
列型噴射ポンプ
「ボッシュA型」と呼ばれ、エンジンの気筒数分のカムとプランジャーが一列に並んだ、直列エンジンのような外観を特徴とする。
構造上部品点数が多く、高価で大型化しがちだが、噴射量が多く、気筒数の制約もないため、大型車両や船舶、産業用の定置型エンジンなどに使われている。
ガバナーからポンプ内に伸びるラックが、カムとプランジャーの間に置かれた、外周に斜めの溝を持つスリーブを回転（正転・逆転）させることで、溝に組み合わされたプランジャーの位置が変化（上下）し、その圧縮ストロークの変化で噴射量の制御（増減）を行う。
噴射時期の制御は、エンジンの回転を利用した遠心式のタイマーが、噴射ポンプ内のカムシャフトの位相を変化させることで行う。
カム周りの潤滑にはエンジンオイルが使われており、燃料と潤滑油が分離されているため、重油や粗悪燃料にも対応できる。
インジェクター（噴射ノズル）にはニードルバルブ（針弁）型が組み合わされ、副室式では単孔型、直接噴射式では多孔型が用いられる。
分配型噴射ポンプ
「ボッシュVE型」と呼ばれ、1組の波型カム（フェイスカム）、プランジャー、スピル弁のみで構成され、各気筒に燃料を分配する。各気筒への高圧配管が同心円上に並び、ガソリンエンジンのディストリビューターに似た外観を持つ。
部品点数が圧倒的に少なく、全ての潤滑を燃料でまかなうなど、シンプルかつ合理的な基本構造を持ち、小型で安価である。乗用車からピックアップトラック、それらをベースとしたSUVのエンジンなどに使われている。構造上、噴射量や気筒数には限界があるが、中排気量の6気筒程度までなら十分対応できる。
噴射量の制御はスピル弁の開弁時期の変化で行い、噴射時期の制御はフェイスカムの軸を平行移動させて行う。
インジェクターはニードルバルブ型が組み合わされる。
VE型の改良版で、内接カムと2つのプランジャーを組み合わせたものもある。
コモンレール式
最新の排出ガス規制に対応したディーゼルエンジンでは主流となる噴射方式で、「蓄圧式」とも呼ばれる。燃料の加圧はサプライポンプが行い、噴射制御は電子制御による電磁式インジェクターが行う分業となっている。
ディーゼルエンジンの歴史にコモンレールの名前が現れたのは、1910年代終盤のボッシュによるものが最初であるが、当時の開弁圧は90bar程度と低く、インジェクターの開弁も圧縮空気によるもので、そのためのエアーコンプレッサーを必要とした。1,800barを超える開弁圧と電子制御によるソレノイドやピエゾ素子を用いたインジェクターを備えた現在のコモンレールとは文字通り隔世の感があるが、基本的な原理は同じである。
環境対策としての現在のコモンレール方式を初めて実用化したのは日本のデンソーであり、伊藤昇平、宮木正彦を中心として、ECD-U2という名称で開発され、1995年末に日野ライジングレンジャーに搭載された。
1997年末にはボッシュで乗用車用が実用化された。コモンレールは、1960年代後半にスイスのRobert Huberがその原型を開発、スイス工科大学が中心となり研究が進んだ。
金属製の頑丈なパイプ（レール）に高圧燃料を蓄えてから、各インジェクターで噴射を行うため、ポンプ側は無理なカムリフトや噴射制御から解放された。
電磁式インジェクターは開弁行為のみを受け持つため従来の噴射方式と比べ噴射時期の自由度が大幅に向上し、また1行程中に複数回の噴射が可能となるなど、NOxの発生を抑え、かつ、PMも少ない、完全燃焼のための理想的な噴射を実現する制御が可能となった。
ただし硫黄分や灯油（炭素）分の多い不正軽油を使用すると燃料噴射装置などの故障を招きやすい。
ユニットインジェクター式
メインポンプから送られた燃料の圧力を使い、パスカルの原理を応用し、インジェクター内で再度加圧する仕組み。
インジェクターごとに加圧機構を持つため、従来型の噴射ポンプでは不可能な高圧が簡単に得られることから、燃料の微粒化による完全燃焼が行え、燃費の改善に効果がある。フォルクスワーゲン・アウディグループが燃費最優先の考えでこの方式を選んだ。
日本では、電子制御コモンレール式の前段階の技術と見られていたが、日産ディーゼル一社のみは開発を続け、尿素SCR還元システムとの組み合わせで、平成17年排出ガス規制（新長期規制）に、大幅な前倒しで適合を果たしている。
ディーゼルエンジンとガソリンエンジンの比較
メリット
・オットーサイクルのガソリンエンジンと比較して、圧縮時の筒内が空気のみであるため、プレイグニッション・ノッキングなどの危険がないことから高い圧縮比を維持できる。同じ理由でデトネーションの発生が予混合気を使用したエンジンと比べて低く、また、全域で排気圧が高いため、ターボチャージャーとの相性が良い。
・空気過剰率が大きいため、作動ガスの比熱比が高く図示熱効率が高い（投入したエネルギーに対して燃焼ガスの温度上昇に使われる割合が高い）。
・出力制御を燃料噴射のみで行えるため、出力制御のためにスロットルバルブが必要ない（自動車用はガバナー制御や吸気騒音低減のためスロットルバルブを持つ）。そのため絞り損失（吸気損失・ポンピングロス）が小さい。
・部分負荷時の燃料消費率が低く、同じ仕事に対する二酸化炭素の排出量が少ない。端的には燃費が良くなる。これがヨーロッパでのディーゼルシフトの最大の要因であり、世界初となった3リッターカーの実用化もディーゼルエンジンなしでは困難であったと思われる。
・高回転運転には不適（2.0l 4気筒の実用上限回転は4,800rpm程度）なため、同排気量あたりのガソリンエンジンと比較して表示上の最高出力は低い。しかしながら、実用トルクの発生回転数がガソリンエンジンに比べて低く、しかもフラットな特性であるため、むやみに回転を上げる必要が無い。実用回転域が下がることにより、機械的な損失が減り、燃費の向上にも寄与している。
・ガソリンエンジンには点火時の炎の伝播速度によりシリンダの直径（ボア）に限界があるのに対し、ディーゼルエンジンには限界が無いので大型化に適している。ガソリンエンジンでは、多気筒化で排気量を確保して高トルクを得るか、または、高回転化で出力を上げなければならないのに対し、ディーゼルエンジンでは1シリンダーあたりの大容積化が可能であり、構造が単純化出来る。また、大型化に適しており、大型化することにより熱効率が高まる。
・2ストロークターボディーゼルとした場合、2ストロークの長所を活かし、過給で短所を補う事が出来る。
デメリット
・機関自体に高い強度と剛性が必要で、噴射ポンプやタービンなどの補機も加わるために質量が大きくなりやすい。
・燃料噴射システムに高い精度、高い耐久性が要求されるため、コストがかさむ。
・自己着火に必要な高温を高圧縮で作るため、小排気量エンジンの場合、エネルギー損失が多い（超大型では圧縮比が11〜13程度で済むので効率が良い）。
・高圧縮のため、振動や騒音が大きくなりがちである。
・高圧の燃料噴射系の騒音が大きい。
・脈動が大きく、吸排気系の振動や騒音が大きい（船舶用、コジェネレーション用では脈動を抑える為、アキュムレーターを備えた物もある）。
・吸気管負圧を得にくいため、自動車において、それを動力源とするブレーキブースターなどをガソリンエンジン車と共用する場合、別途バキュームポンプが必要。
・燃焼室内が空気過剰（窒素過多）で窒素酸化物が発生しやすい。
・希薄燃焼域（軽負荷時は 30:1 から 60:1）での運転が多いために排気中の残留酸素が多く、酸化性雰囲気になる為、三元触媒が使えない。
・拡散燃焼なので均一燃焼が難しく、黒煙や粒状物質（PM, パティキュレート・マター）が発生しやすい。
・高地など気圧の低いところでは更に不完全燃焼による黒煙が多くなる。
・従来の後処理デバイスではガソリン車より有害排出物が多いため、現在の日本や米国の法制度では、ヨーロッパ製のディーゼル車も排出ガス規制を満たしていない。
ディーゼルエンジンの主な用途
日本では、ディーゼル燃料がガソリンに比べて税制上安価（おおむねレギュラーガソリンの70%程度の価格）であり、経済性を優先する商用車（トラック、バス※1、※2、ライトバン）などにディーゼル自動車がみられる。
欧州では、大型車や商業車への普及に加え、乗用車でも新車販売台数の約43%がディーゼル車（2006年）である。米国では、乗用車市場におけるディーゼル車のシェアは0.5%（2005年）である。
モータースポーツでのディーゼルエンジンの登場は古く1952年のインディ500でディーゼルエンジン車がポールポジションを獲得している。2006年には、ディーゼルエンジンを搭載したアウディ・R10がル・マン24時間レースに出場し初優勝した。同じ燃料タンク容量でガソリンより軽油が10%保有エネルギーが高い燃料密度のトリックを利用した結果である。ピットイン回数が1割低減でき、タイムロスが減る。
WTCCでもディーゼルエンジン車は活躍しており、セアトのレオンは優勝もしている。他メーカーもディーゼルエンジンでの参戦を検討しているようである。
ディーゼルエンジンの環境への影響と対策
あらかじめ空気とガソリンを混合して圧縮するガソリンエンジンと異なり、温度の上がった空気の中に燃料のみを噴射する拡散燃焼の原理上、着火から燃焼が均一にならないため、黄色い火炎の燃焼となり、PMや黒煙を発生しやすいことが欠点である。また、内燃機関の燃焼時には、筒内の温度と圧力の急激な上昇による窒素酸化物 (NOx)の発生が避けられないが、大量の空気を取り込むディーゼルエンジンでは燃焼室内の窒素量が多く、NOxの生成量も多い。
さらに、部分負荷域（パーシャルスロットル）での空燃比は30：1から60：1と希薄となるため、排出ガスは酸素過多の状態となり、排出ガス浄化のための触媒である三元触媒が有効に働かない（ガソリンエンジンでは理論空燃比で燃焼させた場合、同触媒により炭化水素 (HC)・窒素酸化物 (NOx)・一酸化炭素 (CO) を同時に浄化できる）。
現在では吸気時に噴射し、青い火炎で燃焼する、「予混合燃焼」の実用化が進んでいる。
