fbpx

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.

Przejdź szybko do wybranego fragmentu tekstu:

    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.

    Rudolf-Diesel-wynalazca-twórca-silnika-Diesla-WYNALAZCA-TV
    Rudolf Diesel – wynalazca, twórca silnika Diesla

    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.
    Schemat-czterosuwowego-silnika-Diesla
    Schemat czterosuwowego silnika Diesla: C – wał korbowy; R – korbowód, P – tłok, V – zawory, I i E – wały rozrządu, W – wodny płaszcz chłodzący, S – świeca zapłonowa (tylko w silniku o zapłonie iskrowym)

    Zasada działania silnika Diesla

    Zasada działania silnika Diesla opiera się na pracy jego elementów w czterech fazach. Są to:

    1. Ssanie,
    2. Sprężanie,
    3. Rozprężanie (praca),
    4. Wydech.
    Schemat-działania-silnika-czterosuwowego,-w-tym-silnika-Diesla-WYNALAZCA-TV
    Schemat działania silnika czterosuwowego, w tym silnika Diesla

    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.

    Podsumowanie zasady działania silnika Diesla

    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.

    Cykl-pracy-silnika-Diesla-(obieg Diesla)-WYNALAZCA-TV
    Cykl pracy silnika Diesla (obieg Diesla)

    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.

    Termodynamiczny cykl pracy - teoria a rzeczywistość

    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.

    Wady i zalety silników tego rodzaju

    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.

    Definiowanie założeń projektowych i planowanie projektu

    Najpierw należy zdefiniować odpowiednie założenia projektowe. Naszymi głównymi założeniami były: odpowiednio duże gabaryty silnika, przystosowanie projektu pod technologię druku 3D oraz charakter edukacyjny modelu - zapewnienie możliwości obserwowania wnętrza silnika.

    W kolejnym kroku stworzono szkic koncepcyjny projektu. Przedyskutowano dostępne opcje i wybrano najbardziej optymalną z nich. Następnie rozplanowano dalsze zadania definiując potencjalne problemy oraz szukając ich rozwiązania.

    Tworzenie szkicu koncepcyjnego dla silnika Diesla

    Szkic koncepcyjny  jest formą, w której głównym celem jest pokazanie wizji autora modelu z zaznaczeniem głównych elementów konstrukcyjnych. Nie uwzględnia konkretnych materiałów, a ma na celu tylko pokazanie rozmieszczenia elementów składających się na dany projekt.

    W naszym przypadku, było to ogólne rozplanowanie poszczególnych elementów silnika Diesla. Jak już wcześniej wspomniano, wzięliśmy pod uwagę głównie gabaryty silnika.

    Musieliśmy rozwiązać przede wszystkim problem stabilności silnika, by nie przewrócił się on podczas działania. Najlepszą opcją zażegnania problemu, było zrobienie miski olejowej w proporcjach 3/4, oraz zrobienie dodatkowych otworów, w których moglibyśmy umieścić śruby i przykręcić silnik do podłoża.

    Postanowiliśmy również na naszym szkicu konstrukcyjnym uwzględnić napęd silnika tak, byśmy mieli zobrazowaną całą nasza koncepcję i pomysł na ten projekt.

    Szkic-koncepcyjny-silnika-Diesla-z-uwzględnieniem-napędu-WYNALAZCA-TV
    Szkic koncepcyjny silnika Diesla z uwzględnieniem napędu

    Modelowanie 3D prototypu

    Modelowanie 3D, jest to proces tworzenia i/lub modyfikowania obiektów trójwymiarowych, za pomocą specjalnych programów komputerowych CAD. Oprogramowanie dostarcza m.in. zestawu niezbędnych narzędzi oraz zbioru podstawowych figur, które możemy wykorzystać przy tworzeniu naszego modelu.

    W celu wykonania prototypu za pomocą techniki druku 3D należy zamodelować każdy element składowy silnika jako osobną część. Jest to szczególnie ważne przy konstruowaniu modelu, który finalnie ma być ruchomy. Taki zabieg jest niezbędny, aby mieć możliwość złożenia podzespołów w jeden mechanizm, które następnie będziemy mogli wprowadzić w ruch.

    Miska-olejowa-korpusu-silnika-Diesla
    Miska olejowa korpusu silnika Diesla
    Górna-część-korpusu-silnika-Diesla-WYNALAZCA-TV
    Górna część korpusu silnika Diesla
    Korbowód-silnika-Diesla-WYNALAZCA-TV
    Korbowód silnika Diesla
    Tłok-silnika-Diesla-WYNALAZCA-TV
    Tłok silnika Diesla

    Złożenie elementów modelu

    Model złożeniowy to model, który uwzględnia wiązania znajdujące się między poszczególnymi elementami. Wiązania te definiują m.in. położenie elementów względem siebie oraz ich odpowiednie ruchy (lub ich brak) względem przestrzeni oraz poszczególnych elementów.

    Dzięki złożeniu 3D możemy zobaczyć, jak wygląda nasz model. Ponadto widząc całe złożenie możemy wprowadzić potrzebne korekty. W przypadku bardziej zaawansowanych projektów złożenia 3D wykorzystuje się także do realizacji analiz kinematycznych i dynamicznych prototypu.

    Modele złożeniowe pozwalają również na wykonanie tzw. rozstrzeleń, które w dobry sposób obrazują poszczególne elementy w projekcie. Jest to szczególnie pomocne przy tworzeniu instrukcji montażowych.

    Rozstrzelenie-modelu-silnika-Diesla-WYNALAZCA-TV
    Rozstrzelenie modelu silnika Diesla

    Wizualizacja silnika Diesla

    Przed wydrukiem 3D, warto sprawdzić jak w rzeczywistości będzie wyglądał nasz model. W tym celu warto skorzystać z funkcji tzw. renderingu, która umożliwia nam nadanie wybranym elementom materiału, tekstury oraz rzeczywistego koloru. Co więcej, dzięki takiemu zabiegowi, możemy w przybliżeniu oszacować wagę naszego modelu. Dodając światło, ustawienie kamery oraz kolor tła, nasz model zyskuje na realistyce.

    Obecnie takie wizualizacje są często wykorzystywane do sprzedaży produktu, lub jego prezentacji przed dokonaniem transakcji/zlecenia. Jeśli jesteś ciekawy jakie wizualizacje wykonywane są w naszym biurze kliknij tutaj.

    Wizualizacja-silnika-Diesla-WYNALAZCA-TV
    Wizualizacja silnika Diesla

    Druk 3D prototypu silnika Diesla

    Po wykonaniu projektu 3D silnika Diesla można przejść do etapu drukowania.

    Prototyp wykonano z materiału PLA. Zdecydowano się na ten rodzaj filamentu, ponieważ:

    • jego skurcz termiczny jest niewielki, nie jest więc konieczne podgrzewanie stołu,
    • nie wymaga komory grzewczej,
    • ma dobrą wytrzymałość na sztywność oraz rozciąganie,
    • jest łatwy w obróbce.

    Ponadto w celu optymalizacji procesu druku 3D w niektórych elementach ograniczono wypełnienie, co skróciło czas drukowania komponentu oraz było mniej kosztowne.

    Wydrukowany w 3D prototyp silnika Diesla, został wykonany na drukarce 3D o głowicy Ø 0,6 mm. Głowica działała w przedziale 190-200 stopni Celsjusza, a temperatura stołu wynosiła 50 stopni Celsjusza. Wysokość druku jednej warstwy wynosiła 0,4 mm.

    Cylinder-silnika-Diesla-podczas-druku-3d-WYNALAZCA-TV
    Cylinder silnika Diesla podczas druku 3d

    Obróbka i składanie prototypu

    Znaczna część wydruków 3D wymaga dodatkowej obróbki. Elementy fizyczne mogą się nieznacznie różnić od elementów zamodelowanych między innymi poprzez skurcz materiału po wydruku. Silnik Diesla jest maszyną bardzo precyzyjną, więc obróbka części elementów była niezbędna i czasochłonna.

    Usuwanie podpór z wydruku 3D

    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

    Element-napędowy-przed-i-po-usunięciem-podpór-WYNALAZCA-TV
    Element napędowy przed usunięciem podpór i po obróbce
    Wałek-rozrządu-po-usunięciu-podpór-i-po-obróbce-mechanicznej-WYNALAZCA-TV
    Wałek rozrządu po usunięciu podpór i po obróbce mechanicznej
    Korbowód-po-obróbce-mechanicznej-WYNALAZCA-TV
    Korbowód po obróbce mechanicznej
    Tłok-po-obróbce-mechanicznej-WYNALAZCA-TV
    Tłok po obróbce mechanicznej

    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.

    Wał-rozrządu-przed-i-po-malowaniu-WYNALAZCA-TV
    Wał rozrządu po malowaniu

    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.

    Wał-rozrządu-z-zamocowanymi-krzywkami-i-łożyskami-WYNALAZCA-TV
    Wał rozrządu z zamocowanymi krzywkami i łożyskami
    Częściowo-złożony-silnik-Diesla-WYNALAZCA-TV
    Częściowo złożony silnik Diesla

    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:

    Silnik-Diesla-efekt-końcowy-WYNALAZCA-TV
    Końcowy model silnika Diesla po montażu
    Końcowy-model-silnika-Diesla-po-montażu-WYNALAZCA-TV
    Końcowy model silnika Diesla po montażu

    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.

    Porównanie-wizualizacji-a-fizycznego-modelu-WYNALAZCA-TV-min
    Porównanie wizualizacji a fizycznego modelu

    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

    Zamów wydruk 3D
    Wynalazca TV
    Marka została stworzona, by pomagać wynalazcom, przedsiębiorcom oraz startupom w kreowaniu prototypów, ochronie pomysłów (wynalazków) oraz ich sprzedaży.
    Close