MATLAB/Simulink在《發(fā)動機原理》課程實訓教學中的應用

李延驍 徐傳燕 刁立福 張恒海 岳洪偉

摘要： 針對《發(fā)動機原理》課程理論性強、概念抽象的特點，以及實訓教學過程中的問題，提出將MATLAB/Simulink仿真軟件應用于《發(fā)動機原理》課程實訓教學中，該方法將抽象的理論知識圖形化，更好地與工程實踐相融合，有助于培養(yǎng)學生研究性學習和分析實際工程問題的能力。

Abstract： In view of the characteristics that the engine principle course is of strong theory and abstract content， the MATLAB/Simulink software is used to assist the teaching of such course. The method can achieve the graphical theoretical knowledge， make the practical teaching become more accord with engineering practice. Furthermore， it can help to cultivate students′ ability for research-based learning and analyzing practical engineering problems.

關鍵詞： 發(fā)動機原理;數(shù)值仿真;MATLAB;Simulink

Key words： engine principle;numerical simulation;MATLAB;Simulink

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0254-03

0? 引言

《發(fā)動機原理》作為本科院校動力工程、車輛工程、交通運輸?shù)葘I(yè)的主干課程，主要是圍繞發(fā)動機各項性能指標講解其工作過程與基本原理[1]。該課程的特點是理論性、系統(tǒng)性強，涉及的學科范圍廣，概念抽象，教學難度較大，因此需要借助實訓幫助學生加深對發(fā)動機工作原理的理解[2]。本文將MATLAB/Simulink數(shù)值仿真軟件引入《發(fā)動機原理》課程實訓教學過程中，使抽象難懂的發(fā)動機缸內(nèi)多物理場耦合工作過程圖形化，并在實訓內(nèi)容等方面進行了探索。該實訓方式有助于提高學生學習興趣與實訓教學效果，加深學生對所學專業(yè)知識的理解和掌握，培養(yǎng)學生綜合運用理論知識分析復雜工程問題的能力。

1  《發(fā)動機原理》實訓教學中存在的問題

《發(fā)動機原理》課程實訓教學主要以臺架實驗為主，對應的課時較少，一般是在發(fā)動機性能實驗室內(nèi)完成。在實驗室環(huán)境下，使用發(fā)動機、測功機及各種傳感器等硬件設備建立臺架進行實驗[3]。發(fā)動機臺架實驗的特點導致其在《發(fā)動機原理》課程的實訓教學過程中存在以下不足。

1.1 理論教學與實踐教學聯(lián)系不夠緊密

發(fā)動機臺架實驗為驗證性實驗，設備與運行條件相對固定，不利于學生深刻理解不同結(jié)構參數(shù)或工作條件變化對實驗結(jié)果的影響機理，在分析實驗數(shù)據(jù)或曲線時無法直接與《發(fā)動機原理》教材中的基本理論或公式建立聯(lián)系。

1.2 學生參與度有待提高

與發(fā)動機拆裝實驗不同，臺架實驗中由指導教師介紹實驗間內(nèi)的測控系統(tǒng)及配套設備，教學過程基本是教師主動講、學生被動聽為主的單向信息傳遞模式，無法及時獲得學生反饋。考慮到安全因素，實驗過程中要求學生在控制間操作測控設備，同時觀察并記錄實驗數(shù)據(jù)，由于實驗臺架數(shù)量有限，部分學生只能處于觀察者的角色。

1.3 實訓效果評價方法不完善

實訓教學過程中發(fā)現(xiàn)，學生實驗報告基本都能夠完成，但相似度較高。由于教師很難判斷學生是否存在模仿抄襲行為，給出的實訓成績差異較小，不能反映出學生真實學習狀況。另外，實訓過程中師生互動環(huán)節(jié)較少，課堂表現(xiàn)評定很難量化，教師在給出課堂表現(xiàn)成績時具有一定主觀性。

2? MATLAB/Simulink仿真平臺

MATLAB軟件是科學工程中一個廣泛使用的計算工具，是理工科學生應用最為廣泛的計算機編程語言[4]。MATLAB軟件主要面對科學計算、交互式程序設計及可視化的計算環(huán)境。它包括數(shù)值分析、動態(tài)系統(tǒng)建模與仿真等諸多強大功能，并具有良好的圖形表達功能，還可以提供許多面向應用問題求解的工具箱函數(shù)。Simulink是MATLAB軟件中的一種可視化仿真工具，它提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口，學生只要從Simulink中的模塊庫中拖放合適的模塊搭建模型并進行參數(shù)設置，就可以進行數(shù)值仿真與參數(shù)化分析，仿真結(jié)果可以從示波器中直接觀察。建模仿真過程快捷且更易理解，擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言的編程模式，為學生減輕了編程的負擔，提高了學習效率[5]。本文基于MATLAB/Simulink軟件建立了《發(fā)動機原理》課程實訓數(shù)值仿真平臺。

3? 實訓教學實例

根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案與《發(fā)動機原理》課程特點，在實訓教學環(huán)節(jié)采取以下實訓方案，引導學生使用MATLAB/Simulink分析解決實際工程問題。

3.1 發(fā)動機工作過程數(shù)學描述

學生運用已掌握的專業(yè)知識，將發(fā)動機工作過程對應的活塞運動學與缸內(nèi)熱力學等多學科復雜工程問題用數(shù)學微分方程描述，并理解其局限性。

活塞在曲柄連桿機構約束下的運動規(guī)律由結(jié)構參數(shù)決定。由于飛輪通過自身慣性貯存做功行程能量使樣機平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，可以忽略轉(zhuǎn)速的波動。設上止點位置為原點，學生可通過幾何關系導出曲軸式發(fā)動機活塞位移[6]：

式中，x為活塞位移;R為曲柄回轉(zhuǎn)半徑;λ為曲柄回轉(zhuǎn)半徑與連桿比。當發(fā)動機結(jié)構參數(shù)確定后，只要通過轉(zhuǎn)速求得瞬時曲柄轉(zhuǎn)角α就可以確定該瞬時活塞與氣缸套的相對位置關系，進而可計算出缸內(nèi)工質(zhì)體積。得出曲軸式發(fā)動機的活塞位移時間歷程后，速度與加速度可通過對時間變量求導得出。

發(fā)動機缸內(nèi)熱力循環(huán)過程是復雜的動態(tài)過程，為簡化計算，突出重點，僅要求學生建立描述發(fā)動機壓縮與做功沖程的缸內(nèi)零維單區(qū)熱力學模型，基本假設包括：①不考慮缸內(nèi)混合氣成分、壓力、溫度空間上的差異性，假設缸內(nèi)氣體熱力學狀態(tài)是均勻的;②假設燃燒過程完全，不存在不完全燃燒損失;③在壓縮和膨脹行程中缸內(nèi)氣體不存在漏氣，缸內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量守恒;④不考慮換氣過程對工作過程與性能的影響。根據(jù)熱力學相關公式導出缸內(nèi)氣體壓力變化率為：

式中，p、V為缸內(nèi)瞬時壓力和容積;計算得到缸內(nèi)壓力的時間歷程后可根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=mRT導出瞬時缸內(nèi)氣體溫度;γ為缸內(nèi)氣體等熵指數(shù);Qc為燃燒釋放的能量;Qt為傳熱損失的能量。

在采用的零維模型中缸內(nèi)熱力學變化過程的每一個瞬間都是均勻的，燃料的燃燒速率預先給定，燃燒過程可以近似為按照一定的規(guī)律向系統(tǒng)內(nèi)加入熱量的過程。采用Wiebe函數(shù)來描述缸內(nèi)燃燒放熱速率：

式中：Qc0為噴入燃油的總熱量;t0為燃燒開始的時刻;tc為燃燒持續(xù)時間;a和b為經(jīng)驗參數(shù)，通常汽油機取a=5，b=2。

在計算發(fā)動機傳熱損失時，要求學生采用Hohenberg公式近似模擬缸內(nèi)傳熱過程的熱量損失。根據(jù)Hohenberg公式缸內(nèi)氣體與氣缸套之間熱量傳遞可表示為：

其中h為缸內(nèi)氣體與燃燒室內(nèi)壁的對流傳熱系數(shù)，可表示為：

式中，Ac為缸內(nèi)高溫氣體有效傳熱面積;Tw為氣缸壁面溫度;v為活塞運動組件的平均速度。

3.2 MATLAB/Simulink數(shù)值仿真模型建立

在對發(fā)動機工作過程進行仿真前，由指導教師介紹數(shù)值求解方法和MATLAB/Simulink仿真基礎，使學生熟練MATLAB/Simulink的基本操作流程，能用軟件進行簡單的常微分方程求解計算。在MATLAB/Simulink數(shù)值仿真平臺下，學生根據(jù)“發(fā)動機工作過程數(shù)學描述”中微分方程建立仿真模型，并在建模過程中理解模型的局限性，如圖1所示。首先設置仿真的設置仿真時長、步長、算法等參數(shù)后即可對發(fā)動機工作過程進行仿真，得出的活塞位移與缸內(nèi)壓力變化等曲線，如圖2所示。最后根據(jù)仿真結(jié)果計算出發(fā)動機功率及熱功轉(zhuǎn)換效率等性能指標。

3.3 發(fā)動機性能影響因素分析

為便于參數(shù)化分析，同時增強模型可讀性，要求學生在定義發(fā)動機結(jié)構與運行參數(shù)時用MATLAB進行賦值，如圖3所示，主要包括發(fā)動機缸徑、行程、壓縮比、點火提前角、空燃比、進氣溫度及壓力等。學生在MATLAB環(huán)境下非常容易實現(xiàn)發(fā)動機結(jié)構與運行參數(shù)調(diào)整，從而得到不同條件下的發(fā)動機性能指標。為拓展學生思維，可以設計以下思考問題：①壓縮比對熱功轉(zhuǎn)換效率的影響;②點火提前角對熱功轉(zhuǎn)換效率的影響;③轉(zhuǎn)速對最佳點火提前角的影響;④空燃比對動力性的影響;⑤缸徑行程比等結(jié)構參數(shù)對性能的影響;⑥進氣溫度對動力性的影響。

在仿真完成后，指導教師講解MATLAB繪圖方法，要求學生運用MATLAB軟件處理數(shù)據(jù)并繪制仿真結(jié)果曲線，圖表可讀性強，信息傳遞效率高。學生能夠利用圖表準確有效地表述仿真結(jié)果，明確不同參數(shù)對發(fā)動機性能指標的影響規(guī)律，如圖4所示。在此基礎上，運用發(fā)動機專業(yè)背景知識進行機理分析并形成結(jié)論。在自主探究過程中激發(fā)學生對專業(yè)的興趣，提高學生分析解決問題的能力。

3.4 答辯與考核

指導教師組織學生進行分組，以團隊的形式完成實訓內(nèi)容，不同團隊可分別研究不同的問題。每4位學生劃為一個團隊，每個團隊設一位隊長，由隊長負責本隊成員的學習計劃、討論內(nèi)容等。一方面有助于學生進行專業(yè)知識交流，另一方面有助于提高學生管理能力與團隊合作意識。實訓結(jié)束后學生制作PPT并參加答辯，團隊里的每一個成員都要參與答辯，講出各自在團隊中做出的貢獻，由指導教師對學習成果進行考察并給出成績，考察要點主要包括：①運用數(shù)學等多學科知識識別并描述實際復雜工程問題的能力;②掌握并熟練運用現(xiàn)代化數(shù)值計算工具;

③運用圖表與文字對仿真結(jié)果進行準確表述的能力;④運用專業(yè)知識對仿真結(jié)果進行分析研究的能力;⑤通過答辯準確表達專業(yè)見解并與業(yè)界同行進行有效溝通交流的能力。⑥具有團隊合作精神，能夠在多學科組成的團隊中承擔個體、團隊成員或負責人的角色，共同達成工作目標。

4? 結(jié)束語

通過引入MATLAB/Simulink軟件替代傳統(tǒng)臺架實驗應用于《發(fā)動機原理》課程實訓教學中，不但能夠降低實驗成本和風險，而且易實現(xiàn)發(fā)動機參數(shù)化分析，輸出結(jié)果更加直觀，使枯燥的理論知識變得生動有趣。教學實踐表明：基于MATLAB/Simulink的發(fā)動機原理實訓教學充分調(diào)動了教師和學生的積極性，加深了學生對專業(yè)知識的理解，強化了學生分析問題與解決問題的實踐能力，顯著提升了教學質(zhì)量和效率。

參考文獻：

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[3]段其昌，吳正東，鐘安勇.基于網(wǎng)絡摩托車發(fā)動機臺架實驗測控系統(tǒng)設計[J].儀器儀表學報，2007（S1）：237-240.

[4]梁蘭菊，閆昕，韋德泉，張興坊，呂依穎.計算機仿真在理工科畢業(yè)論文中的實踐與探索[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（72）：106-107.

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