background image

 

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 wykorzystują do pomiaru mocy 
efektywnej odkształcenie wału wynikłe z działania momentu skręcającego. Odkształcenie to 
jest niezmiernie małe i wyraża się liczbą rzędu 0,05° na 1 m długości wału, 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 M

s

, ulega w czasie pracy skręceniu o kąt 

φ Kat ten jcsi 

proporcjonalny do długości bazy pomiarowej l, to znaczy do długości odcinka wału, na 
którym mierzone jest skręcenie (rys.1).  
 
 

background image

 

2

 
 

 

 
Rys. 1. Skręcenie wału pod wpływem działania momentu M

 

Na rys. 2 pokazany jest przekrój A-A wału, z którego widać, że: 
 

2

tg

R

2

l

φ

=

   

 

 

 

 

 

(1) 

 

 
Rys. 2. Przekrój wału skręcanego  

Dla małych kątów 

φ można przyjąć: 

 

2

2

tg

φ

φ

 

 

 

 

 

(2) 

 
Uwzględniając (2) w równaniu (1) otrzymujemy: 
 

φ

R

l

 

 

 

 

 

(3) 

 
Z teorii wytrzymałości wiemy, że kąt skręcenia wału obciążonego momentem skręcającym 
M

s

 mierzony na odcinku l wynosi: 

 

o

s

I

G

l

M

=

φ

 

 

 

 

 

(4) 

 

gdzie: 

G - moduł odkształcenia postaciowego (kN/m

2

),wynoszący dla stali 8.14

⋅10

[kN/m

2

], 

I

o

 - biegunowy moment bezwładności przekroju wału (m

4

): 

 

 

Dla wału pełnego;  

32

D

I

4

o

π

=

 

 

 

 

 

 

 

(5) 

background image

 

3

D – średnica zewnętrzna wału (m), 
M

s

 – moment skręcający (Nm), 

l – baza pomiarowa (l). 

 

Podstawiając obliczoną wartość 

φ do równania (3) oraz rozwiązując je względem M

s

 

otrzymujemy: 

 

l

R

I

G

l

M

o

s

=

   

 

 

 

 

(6) 

 

Moc silnika (W), przenoszona przez wał skręcany momentem M

s

 i obracający się z 

prędkością obrotową n (obr/min), jest: 
 

30

n

M

M

P

s

s

e

π

=

ω

=

 

 

 

 

 

(7) 

 
Uwzględniając powyższe równania otrzymujemy ostatecznie wyrażenie na moc przenoszona 
przez wał jako funkcję odkształcenia 

∆l mierzonego na odcinku wału l: 

 

30

n

l

R

I

G

l

P

o

e

π

=

 

 

 

 

 

(8) 

 

Dla danego wału wielkości: G, I

o

, R, l, są stałe i można je zastąpić przez współczynnik K: 

 

 

 

 

 

30

l

R

I

G

K

o

π

=

  

 

 

 

 

 

(9) 

 

Otrzymamy ostatecznie wzór na moc przenoszona przez wał, w funkcji odkształcenia wału 

∆l 

i prędkości obrotowej n: 

n

K

l

P

e

=

  

 

 

 

 

(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. stała struny (nr. 18700): C

1

 = 3.87

⋅10

-5 

cm/działka = 3.87

⋅10

-7

 m/działka, 

4. stała struny (nr. 23381): C

2

 = 4.02

⋅10

-5 

cm/działka = 4.02

⋅10

-7

 m/działka, 

5.  średnica wału: D = 145 mm = 0.145 m, 
6. moduł sprężystości wały: G = 8.14

⋅10

7

 

kNm/m

2

 

Objaśnienia uzupełniające

 

∆l – wydłużenie lub skrócenie struny struny, 

 

∆l

1

=C

1

(z

1

-z

01

) = C

1

⋅∆z

1

 

∆l

2

=C

2

(z

02

-z

2

) = C

2

⋅∆z

2

 

 

2

z

C

z

C

l

2

2

1

1

śr

+

=

 

 

z

01

, z

02

 – wyniki zerowania strun 1 i 2, 

z

1

, z

2

 – wyniki odczytane dla strun 1 i 2 w czasie pomiaru momentu obrotowego (pod 

obciążeniem). 

background image

 

4

Obliczenia: 

 

1. Stała K 

 

32

D

I

4

o

π

=

 

32

145

.

0

14

.

3

I

4

o

=

 

 

30

l

R

I

G

K

o

π

=

  

44

.

42658

25944

.

0

10

67306

.

110

30

08

.

0

1081

.

0

14

.

3

10

33

.

4

10

14

.

8

K

2

5

7

=

=

=

 

 

2. Odkształcenie wału ∆l

śr

 

 

2

z

C

z

C

l

2

2

1

1

śr

+

=

  

(

) (

)

[

]

2

7

1

7

sr

z

10

87

.

3

z

10

02

.

4

5

.

0

l

+

=

 

 

3. Moc użyteczna P

e

 

 

(

) (

)

[

]

n

z

87

.

3

z

02

.

4

10

22

.

21329

n

K

l

P

2

1

7

śr

e

+

=

=

 

 

(

) (

)

[

]

n

z

87

.

3

z

02

.

4

10

132922

.

2

P

2

1

3

e

+

=

      [kW] 

 

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: 
 

t

V

B

p

p

ρ

=

 

lub 

t

m

B

=

 

gdzie:  
V

p

 - objętość paliwa zużytego w czasie pomiaru, m

3

,  

ρ

p

 - gęstość paliwa w warunkach pomiaru, kg/m

3

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 
przypadającą na jednostkę mocy: 

background image

 

5

 

e

P

B

b

=

 

gdzie: 
P

e

 - 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: 

 

 

background image

 

6

 

•  gęstość względna - gęstością względną d

tr

 nazywamy stosunek gęstości badanego ciała 

w temperaturze odniesienia t do gęstości innej substancji w temperaturze odniesienia 
t

r

, np. do gęstości wody w temperaturze 4°C, wyrażoną wzorem: 

 

 

Jeżeli objętości obu substancji są równe (V = V

w

), 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 gęstości jest 15°C. Jeśli pomiar gęstości jest wykonywany w innej 
temperaturze, należy przeliczyć  gęstość w temperaturze; oznaczania na gęstość w 
temperaturze 15°C. W tym celu należy posłużyć się tablicą, 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 gęstość w temperaturze 20°C jest równa 1000 kg/m

3

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 się 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/m

3

 dla izopentanu (C

5

H

12

) do 884 kg/m

3

 dla benzenu (C

6

  H

6

 ). 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. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

7

Tablica  

Gęstość paliw stosowanych w silnikach spalinowych 

 

Rodzaj paliwa 

silnikowego 

 

Gęstość w temp. 

20°C, 

kg/m

Zastosowanie w silnikach spalinowych 

Benzyna 

700

÷785 

z zapłonem iskrowym 

Nafta 

760

÷860 

z zapłonem iskrowym i z urządzeniami podgrzewającymi 

paliwo 

Olej napędowy 

830

÷920 

z zapłonem samoczynnym - trakcyjne 

Olej opałowy 

890

÷950 

z zapłonem samoczynnym - okrętowe 

 
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 

cząstkową 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 podziałką 

elementarną 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.  

background image

 

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 między nimi nie może być większa niż 0.5°C. Jeśli 
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.