Silnik Diesla – projekt i druk 3D repliki silnika
Silnik Diesla jest obecnie jednym z najszerzej stosowanych wynalazków w przemyśle motoryzacyjnym. W naszym biurze projektowym postanowiliśmy wykonać prosty prototyp – replikę tego wynalazku za pomocą techniki druku 3D.
W tym artykule zapoznasz się z budową i zasadą działania silnika Diesla, poznasz również jego twórcę – Rudolfa Diesla. W tekście zostanie przedstawiony proces projektowania oraz prototypowania repliki tego wynalazku krok po kroku.
Prototyp ma z założenia spełniać rolę makiety, dlatego niektóre części zaprojektowaliśmy w postaci półprzekroju. Pozwala to lepiej zaprezentować zasadę działania.
Jeżeli nie masz wystarczająco dużo czasu na samodzielne projektowanie, lub po prostu dopiero zaczynasz zagłębiać się w tematy związane z modelowaniem i drukowaniem 3D – możesz zlecić nam stworzenie repliki swojego wynalazku pod tym linkiem.
Jeśli z kolei sam jesteś wynalazcą i pracujesz nad innowacyjnym projektem – koniecznie zapisz się na nasz DARMOWY kurs: Poradnik ABC Wynalazcy dostępny tutaj.
Rudolf Diesel, twórca silnika wysokoprężnego – tytułowego silnika „Diesla”
Nazwisko tego słynnego naukowca i konstruktora zna chyba każdy fan motoryzacji.
Rudolf Diesel zrewolucjonizował tę branżę tworząc przełomowy, jak na tamten czas wynalazek – silnik wysokoprężny.
Urodził się w 1858 roku w Paryżu i już w młodości interesował się konstrukcją maszyn. Jako student Politechniki w Monachium osiągał jedne z najlepszych wyników.
Prototyp swojego przełomowego wynalazku, silnika wysokoprężnego, pokazał na wystawie w 1892 roku, jednak wersja działająca bezkolizyjnie ujrzała światło dzienne dopiero w 1897 roku. Rudolf Diesel przez całe swoje życie miał również ambicje stworzenia paliwa uzyskiwanego z roślin. Udało mu się przedstawić model silnika zasilanego paliwem uzyskanym z orzeszków ziemnych, jednak pomysł ten nie był dalej rozwijany.
Naukowiec zmarł w 1913 roku, w niewyjaśnionych okolicznościach. Co ciekawe, pierwszym samochodem, w którym użyto silnika Diesla był Mercedes Benz 260D. Silnik zaimplementowano do pojazdu już po śmierci Rudolfa Diesla – w 1936 roku.
W obecnych czasach silniki Diesla są jednymi z najchętniej stosowanych silników w mechanice.
Budowa silnika
Silnik Diesla jest bardzo skomplikowaną konstrukcją, składającą się z wielu precyzyjnie wykonanych części połączonych ze sobą. Podstawowym elementem silnika Diesla jest kadłub, w którym znajdują się cylindry z tłokami. To tam zachodzi główna zamiana energii chemicznej na mechaniczną.
Do sprawnej pracy silnika, potrzebny jest szereg różnego rodzaju układów, pełniących konkretne funkcje:
- Układ rozrządu – poprzez zawory ssące, steruje procesem napełnienia cylindrów powietrzem, a także poprzez zawory wydechowe manewruje opróżnieniem cylindrów ze spalin,
- Układ korbowy – zamienia ruchu tłoka w cylindrze z ruchu posuwisto – zwrotnego na ruch obrotowy wału korbowego,
- Układ zasilania – dzięki temu układowi, silnik Diesla ma dostęp do paliwa i powietrza;
- Układ smarowania – uzupełnia olej pomiędzy współpracującymi ze sobą częściami silnika i chroni przez zatarciem oraz dodatkowymi oporami powstającymi poprzez tarcie,
- Układ chłodzenia – pozwala na ekonomiczną i optymalną pracę jednostki napędowej, dzięki utrzymywaniu silnika w optymalnej temperaturze.
Zasada działania silnika Diesla
Zasada działania silnika Diesla opiera się na pracy jego elementów w czterech fazach. Są to:
- Ssanie,
- Sprężanie,
- Rozprężanie (praca),
- Wydech.
W pierwszym etapie (ssanie), powietrze jest zasysane do cylindra poprzez otwarty zawór ssania. Skręt wału korbowego mieści się w przedziale 0 – 180 stopni.
W etapie drugim (sprężanie) tłok powoduje sprężanie znajdującego się już w komorze powietrza od 16 do 25 razy i kilkukrotny wzrost temperatury powietrza (do 900 stopni Celsjusza). Skręt wału korbowego mieści się w przedziale od 180 – 360 stopni.
W etapie trzecim (rozprężanie) następuje wtrysk paliwa, które ulega zapłonowi, co w następstwie powoduje ruch tłoka w dół. Skręt wału korbowego mieści się w przedziale od 360 do 540 stopni.
W ostatnim czwartym etapie (wydech), tłok wraca do pozycji początkowej, a wytworzone gazy spalinowe ulatniają się poprzez otworzony zawór wydechu. Cykl ulega powtórzeniu._text el_class=”wyn-last-element”
Podsumowując możemy stwierdzić, że jego cykl pracy obejmuje dwa obroty wału korbowego, co jest równe czterem ruchom tłoka w jednym cyklu roboczym (tłok porusza się ruchem posuwisto – zwrotnym).
Suw pracy przypada na dwa obroty wału korbowego, więc teoretycznie silnik czterosuwowy ma dwukrotnie mniejszą moc od silnika dwusuwowego, gdyż w dwusuwie suw pracy przypada na jeden obrót wału korbowego.
Cykle Diesla (obieg Diesla)
Cyklem Diesla (obiegiem Diesla) nazywamy prawobieżny obieg termodynamiczny, w którym występują dwa cykle adiabatyczne, izobara oraz izochora. Cykl Diesla jest obiegiem porównawczym (obiegiem teoretycznym) dla silnika wysokoprężnego.
W silniku Diesla następuje sprężanie powietrza na odcinku AB, które jest zasysane oraz sprężane adiabatycznie w odcinku BC. Dzięki takiemu rozwiązaniu nie istnieje możliwość samozapłonu. Wtrysk paliwa zaczyna się w punkcie C, a na całym odcinku CD trwa spalanie przy stałym ciśnieniu. Spalanie kończy się w punkcie D, gdzie rozpoczyna się rozprężanie adiabatyczne.
Silnik rzeczywisty pracuje według obiegu, który składa się z innych przemian, niż te przedstawione wyżej.
Występuje w nim bowiem wymiana cieplna z poszczególnymi elementami silnika,
jak np. głowica, cylinder czy tłok, co skutkuje tym, że sprężanie i rozprężanie nie jest już adiabatyczne. Z kolei ogrzewanie czynnika następuje w kolejności wzrostu ciśnienia i później jego spadku, więc nie jest izobaryczne.
To powoduje, że w rzeczywistości cały cykl pracy silnika Diesla jest zdecydowanie inny niż ten teoretyczny przedstawiony na wykresie powyżej, który nie uwzględnia ww. problemów technicznych._
Zaletami silników Diesla jest ich niskie spalanie. Typowy samochód z silnikiem Diesla spala średnio 6 – 7 litrów / 100 km. Dla porównania – samochód z silnikiem benzynowym 8 – 9 litrów / 100 km. Silnik Diesla potrafi spalić około 25% mniej paliwa względem silników benzynowych, co powoduje, że ostatecznie pod względem ekonomicznym są one lepsze.
Ponadto silniki te są bardziej trwałe, mają solidniejszą konstrukcję oraz budowę (muszą wytrzymać większą kompresję oraz mają większy moment obrotowy niż silniki benzynowe).
Jeśli zaś mówimy o wadach, trzeba pamiętać, że koszt utrzymania lub modernizacji silnika Diesla jest znaczący, gdyż posiada on więcej części, które ulegają zużyciu, co z kolei prowadzi do tego, że często trzeba serwisować i przeglądać silnik. Ponadto silniki te są stosunkowo głośne podczas pracy i gorzej sprawdzają się na krótkich trasach w porównaniu do innych silników.
Istnieje stosunkowo mało marek produkujących samochody, które korzystają z rozwiązania silnika Diesla. Co więcej, takie samochody tracą szybko na wartości, ponieważ wraz z ich przebiegiem zwiększają się koszty napraw oraz częstotliwość przeglądów i serwisowania. Silniki te są wyczulone na jakość wlewanego paliwa. Szczególnie zimą trzeba stosować odpowiednie paliwa, przystosowane do niskich temperatur.
Tworzenie prototypu silnika Diesla
Poniżej przedstawiam proces tworzenia prototypu silnika Diesla jako zabawki edukacyjnej. Jest to nasz autorski projekt, który był wykonany na drukarce 3D. W trakcie prac projektowych skupiliśmy się na tym, aby wykonany model umożliwiał zapoznanie się z ruchem części wewnętrznych i zasadą działania tego wynalazku.
Ostatecznie nasz silnik składał się aż z 72 części!
Najpierw stworzono szkic koncepcyjny projektu, następnie zaprojektowano poszczególne elementy silnika, utworzono symulację działania i wydrukowano poszczególne elementy. Ostatnim krokiem było zmontowanie wszystkich części w jedną całość.
W dalszej części artykułu zobaczysz dokładnie proces tworzenia modelu krok po kroku.
Po zakończeniu procesu drukowania trzeba usunąć tzw. podpory, czyli elementy wsporcze, które zapobiegają opadaniu filamentu podczas drukowania i pozwalają na jego zastygnięcie w odpowiednim miejscu (element z podporami oraz element docelowy po obróbce widać na zdjęciu poniżej). Przy wydruku 3D nieskomplikowanych elementów, można łatwo usunąć podpory, nawet nie korzystając z narzędzi do obróbki. Jednakże zdarza się, że w niektórych elementach usunięcie podpory jest trudne i wymaga specjalistycznych narzędzi. Szczególnie trudne w obróbce są długie, wąskie otwory oraz drobne szczeliny. Szczególną uwagę należy poświęcić elementom, które są cienkie oraz małe, aby podczas usuwania podpór nie doszło do ich uszkodzenia. Dlatego ważne jest, by osoba która jest odpowiedzialna za druk 3D, była doświadczona i kompetentna.
Jeśli interesuje Cię temat postprocessingu druku 3D to koniecznie przeczytaj ten artykuł: Metody obróbki druku 3D – postprocessing
Szlifowanie wydruków 3d silnika Diesla
Po wydruku 3D dużych elementów silnika Diesla, takich jak np. głowica, miska olejowa czy wałki, należało wygładzić niektóre ostre krawędzie.
Było to szczególnie ważne przy szlifowaniu wałków, które są elementami działającymi poprzez ruch obrotowy. Dzięki szlifowaniu, zmniejszyła się siła tarcia co wpłynęło na lepszą współpracę wałków z łożyskami (zobacz: czym są łożyska).
Do szlifowania użyto urządzeń służących do obróbki takich jak Dremel (do bardziej precyzyjnych prac) lub skorzystano z papieru ściernego (do przeprowadzenia prostej obróbki zgrubnej).
Malowanie wydruków 3D
Ponieważ przy druku 3D użyto tylko jednego rodzaju filamentu niektóre z elementów postanowiliśmy dodatkowo pomalować, ponieważ chcieliśmy by nasz model silnika Diesla był zróżnicowany kolorystycznie oraz całość lepiej prezentowała się wizualnie.
Elementy pomalowaliśmy używając farby w sprayu, gdyż ta metoda malowania jest szybka, nie zostawia zacieków, a w przypadku błędu, można łatwo usunąć nałożony już kolor.
Montaż elementów silnika Diesla
Po obróbce elementów nadszedł czas na ostatni etap – montaż, czyli połączenie ze sobą wydrukowanych w 3D części, tak by tworzyły spójną całość. Zamiast drukować łożyska, postanowiliśmy je kupić oraz zamocować w częściach naszego silnika Diesla w odpowiednich miejscach. Co więcej, kupiliśmy również sprężyny, śruby, nakrętki, podkładki oraz pas napędowy, co znacznie skróciło proces modelowania i ułatwiło montaż elementów.
Składanie silnika należy rozpocząć od nałożenia na miskę olejową wału korbowego i łożysk. Następnie przejść do zamontowania korbowodu, sworznia i tłoka. Najtrudniejszym etapem jest włożenie tłoka w cylinder (gdzie różnica wymiarów jest niewielka) oraz przytwierdzenie cylindra do korpusu silnika. Kolejnym krokiem będzie zamocowanie krzywek na wale rozrządu oraz nałożenie łożysk. Kolejno, należy górną część korpusu nałożyć na cylinder i przykręcić go śrubami. Ostatnim etapem jest nałożenie kół napędowych na wałek rozrządu i wał korbowy oraz założenie pasa napędu.
Efekty pracy
Na podstawie dostępnych materiałów powstała replika silnika Diesla. Przy użyciu nowoczesnych programów udało się zamodelować wynalazek, a korzystając z druku 3D, uzyskać jego postać fizyczną. Po złożeniu wydrukowanych elementów otrzymano finalny produkt, który obrazuje działanie silnika czterosuwowego. Oto efekt naszej pracy
Warto zauważyć, że wizualizacja odwzorowała w zadowalający sposób rzeczywisty wygląd repliki silnika Diesla. Silnik został przerobiony w taki sposób, aby pokazać użytkownikowi jak działa czterosuw, a zależności wynikające z tego faktu, zostały zachowane.
Podsumowanie
W tym artykule przybliżyliśmy ci budowę, zasadę działania, oraz autora przełomowego wynalazku silnika Diesla.
Przeprowadziliśmy cię przez cały proces powstawania prototypu – od modelowania 3D, przez wydruk, postprocessing, aż po montaż.
Gotowy model 3D silnika Diesla, który zaprezentowaliśmy, był bardzo czasochłonny w wykonaniu i obróbce. Wiele elementów wymagało ogromnej precyzji (szczególnie przy czterosuwie, gdzie wał korbowy obraca się dwukrotnie szybciej niż wał rozrządu), cierpliwości i dobrego sprzętu, na którym będziemy modelować oraz drukować. Zrobienie tak skomplikowanej części, jest dość trudne, szczególnie dla początkujących.
Jeżeli masz jakieś pytania co do naszej pracy lub chciałbyś wyrazić opinię o realizacji, zapraszamy do zostawienia komentarza lub kontaktu przez nasz e-mail
Literatura:
[1] https://www.szkolnictwo.pl/szukaj,Silnik_o_zap%C5%82onie_samoczynnym ( stan na dzień 02.08.2019r.)
[2] https://www.autodoc.pl/info/silnik-typu-diesel-podstawy( stan na dzień 02.08.2019r.)
[3] https://pl.wikipedia.org/wiki/Stopie%C5%84_spr%C4%99%C5%BCania( stan na dzień 06.08.2019r.)
[4] https://jego-styl.pl/Diesel-czy-benzyna-porownanie-wady-i-zalety( stan na dzień 10.08.2019r.)
[5] https://wypracowania24.pl/historia/8226/rudolf-diesel-biografia-zyciorys( stan na dzień 10.08.2019r.)
[6] https://jego-styl.pl/Diesel-czy-benzyna-porownanie-wady-i-zalety (stan na dzień 12.08.2019r.)
[7] https://www.bryk.pl/wypracowania/fizyka/procesy-termodynamiczne/10004-silnik-spalinowy-budowa-i-zasada-dzialania.html (stan na dzień 24.09.2019r.)
Źródło Grafik:
[1] https://pl.wikipedia.org/wiki/Silnik_czterosuwowy#/media/Plik:Silnik_czterosuwowy-idea.jpg( stan na dzień 14.08.2019r)
[2] https://pl.wikipedia.org/wiki/Silnik_spalinowy#/media/Plik:Four_stroke_engine_diagram.jpg( stan na dzień 06.08.2019r)
[3] https://pl.wikipedia.org/wiki/Rudolf_Diesel#/media/Plik:Diesel_1883.jpg( stan na dzień 12.08.2019r)
[4] https://www.thinglink.com/scene/725365415236075520 ( stan na dzień 18.09.2019r)
[5] http://www.if.pw.edu.pl/~pluta/pl/dyd/plg/w-fiz/w13/segment4/main.htm (stan na dzień 18.09.2019r)_text css=”.vc_custom_1633000269681{padding-top: 30px !important;}”]Autor wpisu: Piotr Buczek
Współautorzy: Katarzyna Grzywacz, Jakub Najowicz, Jowita Guzek
- Wzory przemysłowe część 2 – regulacje polskie - 27 czerwca 2023
- Wzory przemysłowe część 1 – informacje ogólne - 30 maja 2023
- Nowe procesory w 2023 roku – czym zaskoczy nas AMD i Intel? - 19 marca 2023
