1
Pomiar momentu obrotowego użytecznego silnika torsjometrem
Wstęp
Doświadczalne wyznaczenie sprawności energetycznej układu napędowego silników nie
badanych na stanowisku próbnym sprawia na ogół wiele kłopotów ze względu na trudność
zmierzenia w warunkach roboczych mocy efektywnej oddawanej na wał przez układ
napędowy. Szybki rozwój techniki pomiarowej przyniósł jednak jeszcze w okresie przed
drugą wojną światową szereg przyrządów, których prototypy sięgają roku 1900,
umożliwiających pomiar mocy efektywnej na wale bez potrzeby rozmontowania wału czy też
przenoszenia silnika na stanowisko próbne. Stało się to możliwe dzięki zastosowaniu w
przyrządach pomiarowych czujników i układów lamp elektronowych, dających bardzo duże
wzmocnienie wielkości mierzonych.
Przykład pomiarów torsjometrycznych jest jeszcze jednym dowodem jak wielką pomocą
mogą się stać z odpowiednio zastosowane układy wzmacniakowe do pomiarów wielkości
mechanicznych. Prawie wszystkie nowoczesne torsjometry wykorzystujÄ… do pomiaru mocy
efektywnej odkształcenie wału wynikłe z działania momentu skręcającego. Odkształcenie to
jest niezmiernie maÅ‚e i wyraża siÄ™ liczbÄ… rzÄ™du 0,05° na 1 m dÅ‚ugoÅ›ci waÅ‚u, przy obciążeniu
nominalnym. Wielkość ta charakteryzuje trudności, z jakimi spotyka się konstruktor
przyrządu. Dokładne zmierzenie takiej wielkości przy jednoczesnym zachowaniu zasady
ekonomiczności przyrządu i możliwie łatwych warunków eksploatacji jest prawie niemożliwe
bez układów wzmacniakowych i odpowiednich czujników mechaniczno-elektrycznych. Tą
drogą poszły też wysiłki konstruktorów w wyniku czego opracowano kilka torsjometrów, z
których najczęściej używane są: torsjometr Siemens-Forda oparty na zasadzie indukcyjnej
oraz torsjometr Maihaka  akustyczny.
Zasada pomiaru w obu torsjometrach jest zbliżona, jakkolwiek zastosowano w nich różne
czujniki. Polega ona na porównaniu przyrostu nieznanego, mierzonego odkształcenia wału ze
znanym, dokładnie wycechowanym przyrostem odkształcenia identycznego układu
pomiarowego umieszczonego w przyrządzie. Porównanie to przez zastosowanie indykatorów
elektrycznych, jak np. lampy oscylograficznej, może być dokonana praktycznie bezbłędnie.
W wypadku odkształcenia wału wielkość mierzona jest transformowana w zmiany wielkości
elektrycznej, np. w zmiany częstotliwości  jak to jest w torsjometrze Maihaka  lub w
zmiany indukcyjności  w torsjometrze Siemens Forda. Elementem przetwarzającym jest
czujnik mechaniczno-elektryczny, w którym wyjściowa wielkość elektryczna jest ściśle
związana z wejściową wielkością nieelektryczną, np. kątem skręcenia wału. Zależność ta jest
dokładnie znana.
W zerowej metodzie porównania, jaka jest stosowana w wyżej wymienionych torsjometrach,
wpływ części elektrycznej na dokładność pomiaru jest praktycznie pomijalny. Według
literatury fachowej błąd pomiaru torsjometru Maihaka i Siemens Forda wynosi, 2% co dla
tego rodzaju przyrządów stanowi bardzo dużą dokładność.
Podstawy teoretyczne pomiaru mocy na wale
Zależności mechaniczne
Wał śrubowy obciążony momentem Ms, ulega w czasie pracy skręceniu o kąt Ć Kat ten jcsi
proporcjonalny do długości bazy pomiarowej l, to znaczy do długości odcinka wału, na
którym mierzone jest skręcenie (rys.1).
 2
Rys. 1. Skręcenie wału pod wpływem działania momentu Ms
Na rys. 2 pokazany jest przekrój A-A wału, z którego widać, że:
Ć
(1)
"l = 2R Å" tg
2
Rys. 2. Przekrój wału skręcanego
Dla małych kątów Ć można przyjąć:
Ć Ć
tg E"
(2)
2 2
Uwzględniając (2) w równaniu (1) otrzymujemy:
"l E" R Å" Ć (3)
Z teorii wytrzymałości wiemy, że kąt skręcenia wału obciążonego momentem skręcającym
Ms mierzony na odcinku l wynosi:
Ms Å" l
(4)
Ć =
G Å" Io
gdzie:
G - moduÅ‚ odksztaÅ‚cenia postaciowego (kN/m2),wynoszÄ…cy dla stali 8.14Å"107 [kN/m2],
Io - biegunowy moment bezwładności przekroju wału (m4):
Ä„ Å" D4
Dla wału pełnego; (5)
Io =
32
 3
D  średnica zewnętrzna wału (m),
Ms  moment skręcający (Nm),
l  baza pomiarowa (l).
Podstawiając obliczoną wartość Ć do równania (3) oraz rozwiązując je względem Ms
otrzymujemy:
G Å" Io
(6)
Ms = "l Å"
R Å" l
Moc silnika (W), przenoszona przez wał skręcany momentem Ms i obracający się z
prędkością obrotową n (obr/min), jest:
Ä„Å" n
Pe = Ms Å" É = Ms Å"
(7)
30
Uwzględniając powyższe równania otrzymujemy ostatecznie wyrażenie na moc przenoszona
przez wał jako funkcję odkształcenia "l mierzonego na odcinku wału l:
G Å" Io Ä„Å" n
Pe = "l Å" Å"
(8)
R Å" l 30
Dla danego wału wielkości: G, Io, R, l, są stałe i można je zastąpić przez współczynnik K:
G Å" Io Ä„
K = Å" (9)
R Å" l 30
Otrzymamy ostatecznie wzór na moc przenoszona przez wał, w funkcji odkształcenia wału "l
i prędkości obrotowej n:
Pe = "l Å" K Å" n (10)
Dane do obliczeń:
1. długość pomiarowa: l = 80 mm = 0.08m,
2. odległość strun pomiarowych od osi symetrii wału: R = 108.1 mm = 0.1081 m,
3. staÅ‚a struny (nr. 18700): C1 = 3.87Å"10-5 cm/dziaÅ‚ka = 3.87Å"10-7 m/dziaÅ‚ka,
4. staÅ‚a struny (nr. 23381): C2 = 4.02Å"10-5 cm/dziaÅ‚ka = 4.02Å"10-7 m/dziaÅ‚ka,
5. średnica wału: D = 145 mm = 0.145 m,
6. moduÅ‚ sprężystoÅ›ci waÅ‚y: G = 8.14Å"107 kNm/m2.
Objaśnienia uzupełniające:
"l  wydłużenie lub skrócenie struny struny,
"l1=C1(z1-z01) = C1Å""z1 "l2=C2(z02-z2) = C2Å""z2
C1 Å" "z1 + C2 Å" "z2
"lśr =
2
z01, z02  wyniki zerowania strun 1 i 2,
z1, z2  wyniki odczytane dla strun 1 i 2 w czasie pomiaru momentu obrotowego (pod
obciążeniem).
 4
Obliczenia:
1. Stała K
Ä„ Å" D4
3.14 Å" 0.1454
Io =
Io =
32
32
G Å" Io Ä„
8.14 Å"107 Å" 4.33Å"10-5 Å"3.14 110.67306Å"102
K = Å"
K = = = 42658.44
R Å" l 30 0.1081Å"0.08Å"30 0.25944
2. Odkształcenie wału "lśr
C1 Å" "z1 + C2 Å" "z2
"lsr = 0.5[(4.02 Å"10-7 Å" "z1)+ (3.87 Å"10-7 Å" "z2)]
"lśr =
2
3. Moc użyteczna Pe
21329.22
Pe = "lÅ›r Å" K Å" n = Å"[(4.02 Å" "z1)+ (3.87 Å" "z2)]Å" n
107
2.132922
[kW]
Pe = Å"[(4.02 Å" "z1)+ (3.87 Å" "z2)]Å" n
103
Układy pomiaru zużycia paliwa
Wprowadzenie
Ilość paliwa zużytego przez silnik przypadająca na jednostkę wytworzonej pracy lub też na
jednostkę drogi przebytej przez pojazd jest miarą jego sprawności. W badaniach silników
ilość zużytego paliwa określa się w postaci dwóch wielkości:
" Godzinowego,
" Jednostkowego zużycia paliwa.
Godzinowe (lub sekundowe) zużycie paliwa B w kg/h (lub g/s) określa masę paliwa zużytego
przez silnik w jednostce czasu i wyraża się zależnością:
Vp Å"Áp
B =
t
lub
m
B =
t
gdzie:
Vp - objętość paliwa zużytego w czasie pomiaru, m3,
Áp - gÄ™stość paliwa w warunkach pomiaru, kg/m3,
t - czas zużycia paliwa podczas pomiaru, s,
m - masa paliwa zużytego podczas pomiarów, kg.
Jednostkowe zużycie paliwa b (g/kWh) określa ilość paliwa zużytego przez silnik
przypadajÄ…cÄ… na jednostkÄ™ mocy:
 5
B
b =
Pe
gdzie:
Pe - jest mocą użyteczną silnika wyrażoną w kW.
Pomiar godzinowego zużycia paliwa nie nastręcza większych trudności, natomiast w celu
wyznaczenia jednostkowego zużycia paliwa należy wykonać pomiary następujących
wielkości: prędkości obrotowej wału korbowego, momentu obrotowego silnika, masy
zużytego paliwa oraz czasu, w jakim dokonywano pomiaru.
Metody pomiaru zużycia paliwa
Do pomiaru zużycia paliwa najczęściej wykorzystuje się metody objętościową i wagową.
Najprostszą metodą pomiaru zużycia paliwa przez silnik zarówno podczas pomiarów
eksploatacyjnych, jak i podczas badań silnika na hamowni, jest metoda objętościowa. Pomiar
średniego objętościowego zużycia paliwa wykonuje się za pomocą zbiornika pomiarowego.
Naczynie pomiarowe połączone jest z układem zasilania silnika za pomocą trójdrożnego
zaworu, który pozwala na pracę w trzech położeniach:
" zasilanie ze zbiornika pomiarowego,
" zasilanie ze zbiornika głównego,
" zasilanie połączone z napełnianiem zbiornika pomiarowego.
Czas zużycia określonej objętości paliwa wyznacza się, mierząc czas obniżania się poziomu
paliwa od górnej do dolnej kreski zaznaczonej na zbiorniku pomiarowym. Masę paliwa
określa iloczyn objętości i gęstości paliwa w czasie pomiaru.
Pomiar zużycia paliwa metodą objętościową obarczony jest błędem tym większym, im
mniejsza jest dokładność wyznaczania objętości zużytego paliwa i czasu pomiaru. Wadą
metody objętościowej jest również konieczność uwzględnienia zmian gęstości paliwa w
czasie pomiarów.
W czasie badań silnika należy pamiętać o tym, aby po zakończeniu pomiaru zużycia paliwa z
wykorzystaniem naczynia pomiarowego przedstawionego przełączyć zawór trójdrożny do
pozycji zapewniającej zasilanie silnika ze zbiornika głównego. Jest to szczególnie ważne w
przypadku silników z zapłonem samoczynnym. gdyż nieodpowiednio prowadzony pomiar
może spowodować zapowietrzenie układu paliwowego.
Wyznaczanie gęstości produktów naftowych
Rozróżnia się dwa określenia gęstości ciał (masy właściwej):
" gęstość bezwzględna  gęstością bezwzględną p danego ciała nazywamy stosunek
masy m do objętości V, wyznaczonych w tej samej temperaturze:
 6
" gęstość względna - gęstością względną dtr nazywamy stosunek gęstości badanego ciała
w temperaturze odniesienia t do gęstości innej substancji w temperaturze odniesienia
tr, np. do gÄ™stoÅ›ci wody w temperaturze 4°C, wyrażonÄ… wzorem:
Jeżeli objętości obu substancji są równe (V = Vw), to:
Temperatura odniesienia to temperatura, w której należy oznaczyć lub, do której należy
odnieść gęstość badanej substancji w innej temperaturze. Zgodnie z normą temperaturą
odniesienia dla gÄ™stoÅ›ci jest 15°C. JeÅ›li pomiar gÄ™stoÅ›ci jest wykonywany w innej
temperaturze, należy przeliczyć gęstość w temperaturze; oznaczania na gęstość w
temperaturze 15°C. W tym celu należy posÅ‚użyć siÄ™ tablicÄ…, która zawiera przeliczenia
gęstości produktów naftowych w temperaturze oznaczania (t) na gęstość w temperaturze
odniesienia (t = 15°C).
Przy wyznaczaniu gęstości ciał stałych jako ciało wzorcowe przyjmuje się wodę destylowaną,
której gÄ™stość w temperaturze 20°C jest równa 1000 kg/m3.
Masa ciała jest wielkością stałą, natomiast ciężar ciała jest zmienny i zależy np. od szerokości
geograficznej położenia ciała. Jeżeli objętość ciała nie zmienia się, to gęstość jest wielkością
stałą, a ciężar właściwy jest zmienny i zmienia się wraz z ciężarem ciała. Ciężar właściwy ma
wartość liczbowo równą gęstości danego ciała w średnich szerokościach geograficznych
(zmienia siÄ™ tylko jednostka).
Przy wyznaczaniu gęstości paliw silnikowych należy mieć na uwadze, że pod względem
chemicznym nie są one ciałami jednorodnymi, ale stanowią mieszaniny różnych związków.
Najliczniejszą grupę stanowią węglowodory. których gęstość zawiera się w szerokim zakresie
od 621 kg/m3 dla izopentanu (C5H12) do 884 kg/m3 dla benzenu (C6 H6 ). Stosunkowo
niewielką grupę stanowią takie związki, jak siarka, żywice, kwasy i zasady rozpuszczalne w
wodzie, a także sama woda.
W skład paliw wchodzą różne związki, gęstość paliwa należy więc rozumieć jako gęstość
mieszaniny tych związków. Znając gęstość paliwa, można zaszeregować je do napędu
określonej grupy silników spalinowych. Silniki o zapłonie iskrowym zasilane są paliwem o
mniejszej gęstości, a silniki o zapłonie samoczynnym - paliwem o większej gęstości.
Zestawienie gęstości paliw w zależności od przeznaczenia silnika przedstawiono w tablicy.
 7
Tablica
Gęstość paliw stosowanych w silnikach spalinowych
Rodzaj paliwa Gęstość w temp. Zastosowanie w silnikach spalinowych
silnikowego
20°C,
kg/m3
Benzyna z zapłonem iskrowym
700÷785
Nafta z zapłonem iskrowym i z urządzeniami podgrzewającymi
760÷860
paliwo
Olej napędowy z zapłonem samoczynnym - trakcyjne
830÷920
Olej opałowy z zapłonem samoczynnym - okrętowe
890÷950
Do pomiaru gęstości paliw płynnych i olejów silnikowych stosowanych w silnikach
spalinowych używa się najczęściej areometru, wagi hydrostatycznej lub piknometru.
Znajomość prawa Pascala oraz prawa Archimedesa pozwala wyznaczyć gęstość cieczy za
pomocą areometru i wagi hydrostatycznej, a umiejętność ważenia jest przydatna do pomiaru
gęstości za pomocą piknometru.
Metoda oznaczania gęstości areometrem
Metodę tę stosuje się do oznaczania gęstości produktów naftowych, które w normalnych
warunkach są cieczami i których prężność par jest nie większa niż 180 kPa (wg PN-84/C-
04036).
Areometr to wąska rurka szklana zakończona kulistym zbiornikiem wypełnionym śrutem lub
rtęcią. Często w jego wnętrzu umieszcza się termometr i wtedy mamy do czynienia z
termoareometrem. Górna część areometru jest wyskalowana tak, że można odczytywać
wyniki z dokładnością do czwartego miejsca znaczącego. Areometr zanurzony w cieczy
pływa w pozycji pionowej. Każda inna pozycja wskazuje na jego uszkodzenie.
Przebieg pomiarów i przyrządy:
1. Zestaw areometrów szklanych z podziałką elementarną 0.001 g/ml i z podziałką
czÄ…stkowÄ… 0.050 g/ml.
2. Cylinder mierniczy z bezbarwnego szkła o średnicy wewnętrznej co najmniej 0.25
mrn większej od zewnętrznej średnicy stosowanego areometru. Wysokość cylindra
powinna być taka, aby dolny koniec areometru znajdował się co najmniej 25 mm od
dna cylindra.
3. Zestaw termometrów o zakresie pomiarowym od -15°C do 102°C z podziaÅ‚kÄ…
elementarnÄ… 0.5°C.
Przygotowanie przyrządów, pomiar:
Przed wykonaniem pomiarów przyrządy przemyć benzyną (ekstrakcyjną) lub
eterem naftowym i osuszyć.
Do cylindra mierniczego wlać badany produkt, tak aby nie utworzyły się
pęcherzyki powietrza.
Zmierzyć temperaturę badanego produktu.
 8
Areometr zanurzyć ostrożnie w badanej cieczy, tak aby nie nastąpiło uderzenie
o dno naczynia (co mogłoby spowodować zniszczenie areometru). Areometr lekko
nacisnąć, aby zanurzył się mniej więcej na 2 działki skali, po czym pozwolić mu na
swobodne ustalenie położenia (ważne w przypadku produktów o dużej lepkości).
Odczytać wartość gęstości z podziałki areometru z dokładnością do najbliższej
działki elementarnej według menisku górnego.
Rys. Odczytywanie wskazań areometru
Zmierzyć ponownie temperaturę badanego produktu. Za temperaturę
oznaczenia (tr) przyjąć średnią wartość temperatury przed odczytaniem gęstości i po
odczycie, przy czyn różnica miÄ™dzy nimi nie może być wiÄ™ksza niż 0.5°C. JeÅ›li
różnica przekracza tę wartość, cały pomiar należy powtórzyć. Jeśli pomiar był
wykonany w temperaturze innej niż 15°C, należy wynik pomiarów sprowadzić do
warunków standardowych, tj. do temperatury 15°C.
Wyniki pomiarów wykonywane w tych samych warunkach i tym samym
przyrządem należy uznać za prawidłowe, jeśli nie różnią się między sobą więcej niż
o 0.001 g/ml. Wyniki pomiaru należy zawsze podawać wraz z temperaturą.