Обработка и анализ экспериментальных данных. Нагрузочные характеристики

1.2.8 Завершение работы. График нумеруют, ему дают название, кратко отражающее содержание построенной зависимости. Все графические символы, использованные при построении, поясняют в подписи к графику, которую располагают под графиком или на не занятой кривой части поля.

Правила оформления графиков в учебниках, научных публикациях, монографиях несколько отличаются от изложенных выше, что, в первую очередь, связано с их иллюстративным характером. Большинство таких графиков имеют смысл рисунков, так как на них часто не приводят масштабную сетку и масштабы по осям, не обозначают единицы измерения откладываемых величин. Отчасти все это объясняется малыми размерами самих графиков, на которых просто не остается места для дополнительных надписей и линий.

1.3 Работа с графиками

На основе графического представления исследуемых зависимостей во многих случаях удается провести достаточно полную обработку экспериментальных  данных. Подобная обработка всегда проста и наглядна, не требует сложных  вычислений, взамен же дает вполне приемлемые по точности результаты. Полезно взять  за правило начинать обработку любых  данных с графических построений и их интерпретации. Впоследствии можно  воспользоваться более точными  методами статистической обработки, но никакие математические ухищрения  не составят конкуренции зримой достоверности  графиков.

 
Рис. 2. Зависимость удельного электрического сопротивления алюминия от температуры.

1.3.1 Считывание точек с графика . Часто возникает необходимость найти из имеющегося графика значение функции y , если задано значение аргумента x. Такое считывание точек требуется, например, при использовании градуировочных графиков термопар, расходомеров и т.п., которые, в свою очередь, строят на основании предварительных измерений или берут из справочников.

Во всех этих случаях  координата точки, определяемая из графика, имеет погрешность, сопоставимую с  ценой наименьшего масштабного  деления.

1.3.2 Экстремум кривой. При дискретных измерениях физической величины, т.е. измерениях при некоторых фиксированных значениях аргумента, исследуемая зависимость не может быть восстановлена полностью. Поэтому особенности кривой, проведенной по экспериментальным точкам, не могут быть выявлены абсолютно точно. Это, в первую очередь, относится к определению координат экстремумов– максимумов и минимумов кривых. Например, на рис.3 кривая может иметь форму, отмеченную как сплошной, так и штриховыми линиями. Однако график дает основание утверждать, что максимум находится на отрезке (x1, x3 ),

Рис. 3. Определение положения экстремума на экспериментальной кривой.

поэтому его координату можно оценить как

xmax= ,           (1.1)

а за оценку погрешности  принять величину

△x= ,           (1.2)

Чтобы уменьшить  погрешность экспериментального определения  координаты экстремума, в близкой  к нему области следует выполнять  измерения как можно чаще с  минимально допустимым шагом изменения  величины x. Если оценка (1.2) оказывается меньше погрешности измерения величины x, то именно погрешность измерения следует принимать за погрешность△x .

1.3.3 Проверка теоретических выводов. Графическую проверку осуществляют на основе сравнения экспериментальной и теоретической кривых, совместно построенных на одном графике. Для корректности сравнения необходимо учитывать разброс точек экспериментальной кривой. С этой целью на графике по обе стороны от нее проводят дополнительные кривые, симметричные относительно экспериментальной кривой. Выполняя построение дополнительных кривых, необходимо исходить из того, что между ними должна оказаться примерно половина всех экспериментальных точек. Теоретическая кривая, если она соответствует полученным данным, также должна располагаться в промежутке между дополнительными кривыми.

1.3.4 Графическое дифференцирование. Графическое дифференцирование может понадобиться, например, при вычислении дифференциального сопротивления диода. Вольтамперная характеристика диода нелинейна, поэтому его сопротивление зависит от приложенного напряжения, называемого смещением. Понятие статического сопротивления (сопротивления по постоянному току R = U/I) в данном случае лишено физического смысла, поэтому вводят дифференциальное сопротивление, при заданном смещении находимое путем дифференцирования экспериментальной вольтамперной характеристики.

Поясним, как графически выполнить дифференцирование. Известно, что производная от функции y(x) равна угловому коэффициенту касательной, построенной к кривой y(x) при том же значении аргумента, при котором вычисляется . Поэтому после графического отображения экспериментальной кривой для вычисления производной в некоторой точке достаточно провести на графике касательную к кривой в той же точке и вычислить ее угловой коэффициент. Конечно, метод весьма чувствителен к точности построения кривой– даже небольшая неточность, допущенная при вычерчивании, может привести к ощутимым ошибкам в производной. Это означает, что экспериментальную кривую следует строить очень тщательно.

1.3.5 Графическое интегрирование. Определенный интеграл от неотрицательной функции y(x) может быть найден как площадь плоской геометрической фигуры, ограниченной на графике прямой x=x1 слева, прямой x=x2 справа, кривой y(x) сверху и прямой y=0 снизу. Такая интерпретация является удобной применительно к вычислению интеграла от любой экспериментально полученной зависимости. Площадь фигуры, дающая количественное значение интеграла, находят посредством подсчета составляющих ее клеток миллиметровки с последующим домножением результата подсчета на цену стороны клетки по каждой из двух осей.

Графическое интегрирование можно использовать, например, при  проверке закона излучения Стефана-Больцмана, устанавливающего, что интегральная светимость физического тела пропорциональна  четвертой степени его температуры. Светимость находят интегрированием  экспериментальной кривой, отображающей зависимость спектральной плотности  излучения тела от длины волны.

Графические дифференцирование и интегрирование дают неплохие по точности результаты, однако основная область их применения относится к качественному анализу  исследуемых зависимостей.

 

2. Нагрузочные характеристики.

2.1 Исследование нагрузочной характеристики карбюраторного двигателя

 

Автомобильный двигатель в эксплуатации сравнительно редко работает на полной мощности (режим разгона, движение в тяжелых дорожных условиях или с максимальной скоростью). Основную часть времени он работает при неполных (частичных) нагрузках.

В карбюраторном  двигателе уменьшение мощности при  постоянное скоростном режиме осуществляется прикрытием дроссельной заслонки карбюратора, т. е. дросселированием. При этом уменьшается плотность, а следовательно, и количество свежего заряда, поступающего в цилиндр. Такой метод регулировки называется количественным. С прикрытием дроссельной заслонки экономичность работы двигателя, определяемая эффективным удельным расходом топлива, существенно изменяется.

Оценка  экономичности и других показателей  работы двигателя на частичных нагрузках производится по нагрузочным характеристикам.

Нагрузочной характеристикой двигателя  внутреннего сгорания называется зависимость часового расхода топлива Q_т, удельного эффективного расхода топлива g_e и других показателей (η, η, α  и др.) работы двигателя от изменения нагрузки (p_e, M_e, N_e) при постоянном скоростном и тепловом режимах.

При графическом  построении нагрузочных характеристик  изменение нагрузки двигателя наносится  на оси абцисс либо в абсолютных значениях величин p_e (M_e), или N_e, либо в относительных - в процентах от значений p_e (M_e), или N_e, соответствующих полному открытию дросселя. Примерный характер изменения основных показателей рабочего процесса двигателя от нагрузки приведен на рис. 1.

 

                                  20    40   60   80  100%                  20 40   60   80  100%

Рис. 1. Нагрузочные характеристики карбюраторного двигателя.

 

Для анализа характера изменения  часового расхода топлива Q_т и удельного эффективного расхода топлива g_e от нагрузки воспользуемся зависимостями, известными из теории двигателей:

 

где А1, С1,С2 - постоянные коэффициенты, учитывающие конструктивные особенности двигателя и физико-химические свойства бензовоздушной смеси.

Изменение часового расхода топлива G_m по нагрузочной характеристике карбюраторного двигателя n=Const определяется, как следует из соответствующего выражения, значениями коэффициентов наполнения ηv и состава смеси α. По мере открытия дроссельной заслонки гидравлическое сопротивление впускной системы уменьшается, коэффициент наполнения увеличивается и пропорционально ему увеличивается расход свежей смеси, т.е. топлива.

Одновременно  с изменением положения дросселя изменяется и качество смеси. Характер изменения коэффициента избытка воздуха α по нагрузочной характеристике определяется требованием мощностной или экономической регулировки состава смеси.

Резкое  повышение расхода топлива G_m на нагрузках, близких к максимальной, объясняется обогащением смеси (уменьшением а ) за счет открытия клапана экономайзера.

Эффективный удельный расход топлива g_e определяется величиной, обратно пропорциональной произведению ηi* ηm

На холостом ходу вся развиваемая  в цилиндрах двигателя работа затрачивается на преодоление механических потерь в двигателе (pi=p_M), т.е. механическийк.п.д. равен 0, так как:

Кроме того, на режиме холостого хода двигателя смесь обогащается  до     а = 0,6.. .0,8. Это вызвано тем, что при дросселировании вследствие уменьшения давления и температуры в цилиндре к моменту подачи искры, а также, в результате увеличения коэффициента остаточных газов происходит существенное ухудшение условий воспламенения и сгорания рабочей смеси. Для обеспечения устойчивой работы при малых открытиях дроссельной заслонки карбюратор должен давать обогащенную смесь. Обогащение же смеси приводит к уменьшению индикаторного к. п.д.

По  мере открытия дроссельной заслонки в зоне средних нагрузок необходимость  в обогащении смеси отпадает, карбюратор начинает подавать обедненную смесь с а = 1,0...1,2, что вызывает увеличение индикаторного к.п.д. Механический к. п. д. по мере открытия дросселя также растет. Это вызвано тем, что значительно увеличивается среднее индикаторное давление pi, величина же удельной работы механических потерь практически не изменяется. Таким образом, относительные потери, затрачиваемые на трение в двигателе, по мере увеличения нагрузки все время уменьшаются.

Наименьший  удельный эффективный расход топлива  по нагрузочной характеристике достигается  при максимальном значении произведения ηi* ηm на режимах, близких к полному открытию дросселя, но до включения экономайзера, когда карбюратор подает в двигатель обедненную смесь. При переходе к полным нагрузкам, несмотря на увеличение η_м, эффективный удельный расход топлива ge увеличивается вследствие снижения ηi, вызванного обогащением смеси и неполным сгоранием топлива. Обогащение смеси до α = 0,85...0,95 при работе двигателя на полном открытии дросселя объясняется желанием получить на данном скоростном режиме максимальную мощность и достигается дополнительной подачей топлива через клапан экономайзера.

 

 Методика снятия характеристики.

После прогрева двигателя на малой нагрузке, полностью открывают дроссельную  заслонку. Одновременно регулировкой тормоза устанавливают частоту вращения двигателя, при котором намечено снимать характеристику.

По  достижении установившегося скоростного  и теплового режимов измеряют следующие величины:

• показание весов Р_вес,
• время расходования дизелем задаваемой дозы топлива τ,
• частоту вращения вала двигателя n,
• разрежение во впускном трубопроводе ∆р_к;
• расход воздуха ∆V_в за время τ,
• температуру охлаждающей жидкости t_в,_вых,
• температуру и давление масла t_мac и р_мас,
• температуру, барометрическое давление и влажность окружающего воздуха t0, B₀ и φ_п,
• угол опережения зажигания φ_з.

• температуру  отработавших газов t_r.

После записи измеренных параметров устанавливают  следующий нагрузочный режим работы двигателя, для чего несколько уменьшают угол открытия дроссельной заслонки карбюратора. Частоту вращения двигателя поддерживают постоянной посредством тормозной нагрузки. После стабилизации скоростного и теплового режимов работы двигателя на

установленной нагрузке производят замеры. Таким образом, изменяя нагрузку двигателя до режима холостого хода получают 6...8 точек пo нагрузочной характеристике. С целью наиболее точного выявления режима, при котором наблюдается наилучшая экономичность работы двигателя, в области нагрузок от Ne max    до 50 % Ne max    число нагрузочных режимов увеличивают.

По  результатам испытаний после  обработки опытных данных по соответствующим  формулам строят графические зависимости  изменения часового и удельного  расходов топлива G_m, g_e, коэффициента избытка воздуха а, коэффициента наполнения ηv, разрежения во впускном трубопроводе ∆р_к, температуры выпускных газов t_r, угла опережения зажигания φ_з и других показателей работы двигателя от его нагрузки (см. рис. 2).

При построении нагрузочной характеристики двигателя  должны быть выявлены следующие характерные  точки:

1. Минимальный эффективный удельный расход топлива.
2. Часовой расход топлива на режиме холостого хода.
3. Часовой расход топлива при полном открытии дроссельной заслонки карбюратора Gm max.
4. Коэффициенты избытка воздуха, соответствующие работе 
   при полностью открытом дросселе, при минимальном эффективном удельном расходе топлива и на холостом ходу.