Trzy podstawowe grupy rozmiarów
Istnieją trzy podstawowe grupy wielkości silników wysokoprężnych ze względu na moc – małe, średnie i duże.Małe silniki mają moc wyjściową mniejszą niż 16 kilowatów.Jest to najczęściej produkowany typ silnika wysokoprężnego.Silniki te są stosowane w samochodach osobowych, lekkich ciężarówkach oraz w niektórych zastosowaniach rolniczych i budowlanych, a także jako małe stacjonarne generatory energii elektrycznej (takie jak te na statkach rekreacyjnych) oraz jako napędy mechaniczne.Są to zazwyczaj silniki rzędowe z bezpośrednim wtryskiem, cztero- lub sześciocylindrowe.Wiele z nich jest turbodoładowanych z chłodnicami końcowymi.

Średnie silniki mają moc od 188 do 750 kilowatów, czyli od 252 do 1006 koni mechanicznych.Większość tych silników jest stosowana w samochodach ciężarowych o dużej ładowności.Są to zazwyczaj sześciocylindrowe silniki z bezpośrednim wtryskiem paliwa, rzędowe, z turbodoładowaniem i chłodzeniem końcowym.Do tej grupy wielkości należą także niektóre silniki V-8 i V-12.

Duże silniki wysokoprężne mają moc znamionową przekraczającą 750 kilowatów.Te unikalne silniki są wykorzystywane w zastosowaniach morskich, lokomotywach i napędach mechanicznych, a także w wytwarzaniu energii elektrycznej.W większości przypadków są to układy z bezpośrednim wtryskiem, turbodoładowaniem i chłodzeniem końcowym.Gdy niezawodność i trwałość mają kluczowe znaczenie, mogą pracować z prędkością zaledwie 500 obrotów na minutę.

Silniki dwusuwowe i czterosuwowe
Jak wspomniano wcześniej, silniki wysokoprężne są zaprojektowane do pracy w cyklu dwu- lub czterosuwowym.W typowym silniku czterosuwowym zawory dolotowe i wydechowe oraz dysza wtrysku paliwa znajdują się w głowicy cylindrów (patrz rysunek).Często stosowane są układy z dwoma zaworami – dwa zawory wlotowe i dwa zawory wydechowe.
Zastosowanie cyklu dwusuwowego może wyeliminować potrzebę stosowania jednego lub obu zaworów w konstrukcji silnika.Powietrze oczyszczające i wlotowe jest zwykle dostarczane przez otwory w tulei cylindrowej.Wydech może odbywać się albo przez zawory umieszczone w głowicy cylindrów, albo przez otwory w tulei cylindrowej.Konstrukcja silnika jest uproszczona, gdy stosuje się konstrukcję portu zamiast konstrukcji wymagającej zaworów wydechowych.

Paliwo do diesli
Produkty naftowe zwykle stosowane jako paliwo do silników wysokoprężnych to destylaty składające się z ciężkich węglowodorów zawierających co najmniej 12–16 atomów węgla w cząsteczce.Te cięższe destylaty są pobierane z ropy naftowej po usunięciu bardziej lotnych części zawartych w benzynie.Temperatury wrzenia tych cięższych destylatów wahają się od 177 do 343 ° C (351 do 649 ° F).Zatem temperatura ich parowania jest znacznie wyższa niż temperatura benzyny, która ma mniej atomów węgla w cząsteczce.

Woda i osad w paliwach mogą być szkodliwe dla pracy silnika;czyste paliwo jest niezbędne dla wydajnych układów wtryskowych.Paliwa o dużej zawartości pozostałości węgla najlepiej radzą sobie z silnikami o niskich obrotach.To samo dotyczy tych o dużej zawartości popiołu i siarki.Liczbę cetanową, która określa jakość zapłonu paliwa, określa się przy użyciu normy ASTM D613 „Standardowa metoda badania liczby cetanowej oleju napędowego”.

Rozwój silników wysokoprężnych
Wczesna praca
Rudolf Diesel, niemiecki inżynier, wpadł na pomysł silnika, który obecnie nosi jego imię, po tym, jak poszukiwał urządzenia zwiększającego wydajność silnika Otto (pierwszego silnika czterosuwowego, zbudowanego przez XIX-wiecznego niemieckiego inżyniera Mikołaja Otto).Diesel zdał sobie sprawę, że proces elektrycznego zapłonu silnika benzynowego można wyeliminować, jeśli podczas suwu sprężania urządzenia tłokowo-cylindrowego sprężanie mogłoby podgrzać powietrze do temperatury wyższej niż temperatura samozapłonu danego paliwa.Diesel zaproponował taki cykl w swoich patentach z 1892 i 1893 roku.
Pierwotnie jako paliwo proponowano sproszkowany węgiel lub ciekłą ropę naftową.Diesel uznał sproszkowany węgiel, produkt uboczny kopalni Saara, za łatwo dostępne paliwo.Do wprowadzenia pyłu węglowego do cylindra silnika należało zastosować sprężone powietrze;jednak kontrolowanie szybkości wtrysku węgla było trudne i po zniszczeniu eksperymentalnego silnika w wyniku eksplozji Diesel przeszedł na płynną ropę naftową.Kontynuował wprowadzanie paliwa do silnika za pomocą sprężonego powietrza.
Pierwszy komercyjny silnik zbudowany na patentach Diesela został zainstalowany w St. Louis w stanie Missouri przez Adolphusa Buscha, piwowara, który widział go na wystawie w Monachium i kupił od Diesel licencję na produkcję i sprzedaż silnika w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie.Silnik działał z powodzeniem przez lata i był prekursorem silnika Busch-Sulzer, który napędzał wiele okrętów podwodnych Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych podczas I wojny światowej. Innym silnikiem wysokoprężnym używanym do tego samego celu był Nelseco, zbudowany przez New London Ship and Engine Company w Groton w stanie Connecticut.

Silnik wysokoprężny stał się głównym napędem okrętów podwodnych podczas I wojny światowej. Nie tylko oszczędzał paliwo, ale także okazał się niezawodny w warunkach wojennych.Olej napędowy, mniej lotny niż benzyna, był bezpieczniej przechowywany i obsługiwany.
Pod koniec wojny wielu mężczyzn, którzy jeździli dieslami, szukało pracy w czasie pokoju.Producenci zaczęli dostosowywać diesle do potrzeb gospodarki w czasie pokoju.Jedną z modyfikacji było opracowanie tak zwanego półdiesla, który działał w cyklu dwusuwowym przy niższym ciśnieniu sprężania i wykorzystywał gorącą żarówkę lub rurkę do zapalania ładunku paliwa.Zmiany te spowodowały, że silnik był tańszy w budowie i utrzymaniu.

Technologia wtrysku paliwa
Jedną z kontrowersyjnych cech pełnego diesla była konieczność stosowania wysokociśnieniowej sprężarki powietrza z wtryskiem.Do napędzania sprężarki powietrza potrzebna była nie tylko energia, ale także efekt chłodniczy w postaci opóźnionego zapłonu, gdy sprężone powietrze, zwykle o natężeniu 6,9 megapaskala (1000 funtów na cal kwadratowy), nagle rozprężyło się do cylindra, który miał ciśnienie około 3,4 do 4 megapaskali (493 do 580 funtów na cal kwadratowy).Diesel potrzebował powietrza pod wysokim ciśnieniem, aby wprowadzić sproszkowany węgiel do cylindra;kiedy płynna ropa naftowa zastąpiła sproszkowany węgiel jako paliwo, można by zastosować pompę, która zastąpiłaby wysokociśnieniową sprężarkę powietrza.

Pompę można było wykorzystać na wiele sposobów.W Anglii firma Vickers stosowała tak zwaną metodę Common Rail, w której zestaw pomp utrzymywał paliwo pod ciśnieniem w rurze biegnącej przez całą długość silnika, zakończonej przewodami do każdego cylindra.Z tej szyny (lub rury) przewodu paliwowego szereg zaworów wtryskowych dostarczał paliwo do każdego cylindra we właściwym momencie jego cyklu.Inna metoda wykorzystywała pompy szarpnięte krzywkowe lub tłokowe, które dostarczały paliwo pod chwilowo wysokim ciśnieniem do zaworu wtryskowego każdego cylindra we właściwym czasie.

Wyeliminowanie sprężarki powietrza wtryskowego było krokiem we właściwym kierunku, ale pojawił się jeszcze inny problem do rozwiązania: wydech silnika zawierał nadmierną ilość dymu, nawet przy mocach wyjściowych mieszczących się w zakresie mocy znamionowej silnika i mimo że w cylindrze była wystarczająca ilość powietrza, aby spalić ładunek paliwa bez pozostawiania odbarwionego wydechu, który zwykle wskazywałby na przeciążenie.Inżynierowie w końcu zdali sobie sprawę, że problem polegał na tym, że chwilowo powietrze wtryskowe pod wysokim ciśnieniem eksplodujące w cylindrze silnika rozproszyło ładunek paliwa skuteczniej, niż były w stanie to zrobić zastępcze mechaniczne dysze paliwowe, w wyniku czego bez sprężarki powietrza paliwo musiało wyszukuj atomy tlenu, aby dokończyć proces spalania, a ponieważ tlen stanowi tylko 20 procent powietrza, każdy atom paliwa miał tylko jedną szansę na pięć napotkania atomu tlenu.Efektem było niewłaściwe spalanie paliwa.

Zwykła konstrukcja dyszy wtrysku paliwa wprowadzała paliwo do cylindra w postaci rozpylonego stożka, a para promieniowała z dyszy, a nie w postaci strumienia lub strumienia.Niewiele można było zrobić, aby dokładniej rozprowadzić paliwo.Lepsze mieszanie należało osiągnąć poprzez nadanie powietrzu dodatkowego ruchu, najczęściej w drodze zawirowań powietrza wytwarzanych przez indukcję lub promieniowego ruchu powietrza, zwanego zgniataniem, lub obu, od zewnętrznej krawędzi tłoka w kierunku środka.Aby stworzyć ten wir i zgniatanie, zastosowano różne metody.Najlepsze wyniki uzyskuje się najwyraźniej, gdy zawirowanie powietrza ma określony związek z szybkością wtrysku paliwa.Efektywne wykorzystanie powietrza w cylindrze wymaga prędkości obrotowej, która powoduje, że uwięzione powietrze przemieszcza się w sposób ciągły z jednego rozpylenia do drugiego w okresie wtrysku, bez ekstremalnego osiadania pomiędzy cyklami.