MATLAB/Simulink在《发动机原理》课程实训教学中的应用

李延骁 徐传燕 刁立福 张恒海 岳洪伟

摘要： 针对《发动机原理》课程理论性强、概念抽象的特点，以及实训教学过程中的问题，提出将MATLAB/Simulink仿真软件应用于《发动机原理》课程实训教学中，该方法将抽象的理论知识图形化，更好地与工程实践相融合，有助于培养学生研究性学习和分析实际工程问题的能力。

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.

關键词： 发动机原理;数值仿真;MATLAB;Simulink

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

中图分类号：G642.0                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）24-0254-03

0  引言

《发动机原理》作为本科院校动力工程、车辆工程、交通运输等专业的主干课程，主要是围绕发动机各项性能指标讲解其工作过程与基本原理[1]。该课程的特点是理论性、系统性强，涉及的学科范围广，概念抽象，教学难度较大，因此需要借助实训帮助学生加深对发动机工作原理的理解[2]。本文将MATLAB/Simulink数值仿真软件引入《发动机原理》课程实训教学过程中，使抽象难懂的发动机缸内多物理场耦合工作过程图形化，并在实训内容等方面进行了探索。该实训方式有助于提高学生学习兴趣与实训教学效果，加深学生对所学专业知识的理解和掌握，培养学生综合运用理论知识分析复杂工程问题的能力。

1  《发动机原理》实训教学中存在的问题

《发动机原理》课程实训教学主要以台架实验为主，对应的课时较少，一般是在发动机性能实验室内完成。在实验室环境下，使用发动机、测功机及各种传感器等硬件设备建立台架进行实验[3]。发动机台架实验的特点导致其在《发动机原理》课程的实训教学过程中存在以下不足。

1.1 理论教学与实践教学联系不够紧密

发动机台架实验为验证性实验，设备与运行条件相对固定，不利于学生深刻理解不同结构参数或工作条件变化对实验结果的影响机理，在分析实验数据或曲线时无法直接与《发动机原理》教材中的基本理论或公式建立联系。

1.2 学生参与度有待提高

与发动机拆装实验不同，台架实验中由指导教师介绍实验间内的测控系统及配套设备，教学过程基本是教师主动讲、学生被动听为主的单向信息传递模式，无法及时获得学生反馈。考虑到安全因素，实验过程中要求学生在控制间操作测控设备，同时观察并记录实验数据，由于实验台架数量有限，部分学生只能处于观察者的角色。

1.3 实训效果评价方法不完善

实训教学过程中发现，学生实验报告基本都能够完成，但相似度较高。由于教师很难判断学生是否存在模仿抄袭行为，给出的实训成绩差异较小，不能反映出学生真实学习状况。另外，实训过程中师生互动环节较少，课堂表现评定很难量化，教师在给出课堂表现成绩时具有一定主观性。

2  MATLAB/Simulink仿真平台

MATLAB软件是科学工程中一个广泛使用的计算工具，是理工科学生应用最为广泛的计算机编程语言[4]。MATLAB软件主要面对科学计算、交互式程序设计及可视化的计算环境。它包括数值分析、动态系统建模与仿真等诸多强大功能，并具有良好的图形表达功能，还可以提供许多面向应用问题求解的工具箱函数。Simulink是MATLAB软件中的一种可视化仿真工具，它提供了一个建立模型方块图的图形用户接口，学生只要从Simulink中的模块库中拖放合适的模块搭建模型并进行参数设置，就可以进行数值仿真与参数化分析，仿真结果可以从示波器中直接观察。建模仿真过程快捷且更易理解，摆脱了传统非交互式程序设计语言的编程模式，为学生减轻了编程的负担，提高了学习效率[5]。本文基于MATLAB/Simulink软件建立了《发动机原理》课程实训数值仿真平台。

3  实训教学实例

根据专业人才培养方案与《发动机原理》课程特点，在实训教学环节采取以下实训方案，引导学生使用MATLAB/Simulink分析解决实际工程问题。

3.1 发动机工作过程数学描述

学生运用已掌握的专业知识，将发动机工作过程对应的活塞运动学与缸内热力学等多学科复杂工程问题用数学微分方程描述，并理解其局限性。

活塞在曲柄连杆机构约束下的运动规律由结构参数决定。由于飞轮通过自身惯性贮存做功行程能量使样机平稳运转，可以忽略转速的波动。设上止点位置为原点，学生可通过几何关系导出曲轴式发动机活塞位移[6]：

式中，x为活塞位移;R为曲柄回转半径;λ为曲柄回转半径与连杆比。当发动机结构参数确定后，只要通过转速求得瞬时曲柄转角α就可以确定该瞬时活塞与气缸套的相对位置关系，进而可计算出缸内工质体积。得出曲轴式发动机的活塞位移时间历程后，速度与加速度可通过对时间变量求导得出。

发动机缸内热力循环过程是復杂的动态过程，为简化计算，突出重点，仅要求学生建立描述发动机压缩与做功冲程的缸内零维单区热力学模型，基本假设包括：①不考虑缸内混合气成分、压力、温度空间上的差异性，假设缸内气体热力学状态是均匀的;②假设燃烧过程完全，不存在不完全燃烧损失;③在压缩和膨胀行程中缸内气体不存在漏气，缸内工质质量守恒;④不考虑换气过程对工作过程与性能的影响。根据热力学相关公式导出缸内气体压力变化率为：

式中，p、V为缸内瞬时压力和容积;计算得到缸内压力的时间历程后可根据理想气体状态方程pV=mRT导出瞬时缸内气体温度;γ为缸内气体等熵指数;Qc为燃烧释放的能量;Qt为传热损失的能量。

在采用的零维模型中缸内热力学变化过程的每一个瞬间都是均匀的，燃料的燃烧速率预先给定，燃烧过程可以近似为按照一定的规律向系统内加入热量的过程。采用Wiebe函数来描述缸内燃烧放热速率：

式中：Qc0为喷入燃油的总热量;t0为燃烧开始的时刻;tc为燃烧持续时间;a和b为经验参数，通常汽油机取a=5，b=2。

在计算发动机传热损失时，要求学生采用Hohenberg公式近似模拟缸内传热过程的热量损失。根据Hohenberg公式缸内气体与气缸套之间热量传递可表示为：

其中h为缸内气体与燃烧室内壁的对流传热系数，可表示为：

式中，Ac为缸内高温气体有效传热面积;Tw为气缸壁面温度;v为活塞运动组件的平均速度。

3.2 MATLAB/Simulink数值仿真模型建立

在对发动机工作过程进行仿真前，由指导教师介绍数值求解方法和MATLAB/Simulink仿真基础，使学生熟练MATLAB/Simulink的基本操作流程，能用软件进行简单的常微分方程求解计算。在MATLAB/Simulink数值仿真平台下，学生根据“发动机工作过程数学描述”中微分方程建立仿真模型，并在建模过程中理解模型的局限性，如图1所示。首先设置仿真的设置仿真时长、步长、算法等参数后即可对发动机工作过程进行仿真，得出的活塞位移与缸内压力变化等曲线，如图2所示。最后根据仿真结果计算出发动机功率及热功转换效率等性能指标。

3.3 发动机性能影响因素分析

为便于参数化分析，同时增强模型可读性，要求学生在定义发动机结构与运行参数时用MATLAB进行赋值，如图3所示，主要包括发动机缸径、行程、压缩比、点火提前角、空燃比、进气温度及压力等。学生在MATLAB环境下非常容易实现发动机结构与运行参数调整，从而得到不同条件下的发动机性能指标。为拓展学生思维，可以设计以下思考问题：①压缩比对热功转换效率的影响;②点火提前角对热功转换效率的影响;③转速对最佳点火提前角的影响;④空燃比对动力性的影响;⑤缸径行程比等结构参数对性能的影响;⑥进气温度对动力性的影响。

在仿真完成后，指导教师讲解MATLAB绘图方法，要求学生运用MATLAB软件处理数据并绘制仿真结果曲线，图表可读性强，信息传递效率高。学生能够利用图表准确有效地表述仿真结果，明确不同参数对发动机性能指标的影响规律，如图4所示。在此基础上，运用发动机专业背景知识进行机理分析并形成结论。在自主探究过程中激发学生对专业的兴趣，提高学生分析解决问题的能力。

3.4 答辩与考核

指导教师组织学生进行分组，以团队的形式完成实训内容，不同团队可分别研究不同的问题。每4位学生划为一个团队，每个团队设一位队长，由队长负责本队成员的学习计划、讨论内容等。一方面有助于学生进行专业知识交流，另一方面有助于提高学生管理能力与团队合作意识。实训结束后学生制作PPT并参加答辩，团队里的每一个成员都要参与答辩，讲出各自在团队中做出的贡献，由指导教师对学习成果进行考察并给出成绩，考察要点主要包括：①运用数学等多学科知识识别并描述实际复杂工程问题的能力;②掌握并熟练运用现代化数值计算工具;

③运用图表与文字对仿真结果进行准确表述的能力;④运用专业知识对仿真结果进行分析研究的能力;⑤通过答辩准确表达专业见解并与业界同行进行有效沟通交流的能力。⑥具有团队合作精神，能够在多学科组成的团队中承担个体、团队成员或负责人的角色，共同达成工作目标。

4  结束语

通过引入MATLAB/Simulink软件替代传统台架实验应用于《发动机原理》课程实训教学中，不但能够降低实验成本和风险，而且易实现发动机参数化分析，输出结果更加直观，使枯燥的理论知识变得生动有趣。教学实践表明：基于MATLAB/Simulink的发动机原理实训教学充分调动了教师和学生的积极性，加深了学生对专业知识的理解，强化了学生分析问题与解决问题的实践能力，显著提升了教学质量和效率。

参考文献：

[1]郭烈，申国哲，杨姝，亓昌.汽车发动机原理课程虚拟仿真教学系统构建[J].实验室科学，2016，19（05）：71-73.

[2]黄启科，宁佐归，李光明，伏军，袁文华，李煜，张玉林.新工科背景下《汽车发动机原理》考核方式探究[J].内燃机与配件，2020（21）：252-253.

[3]段其昌，吴正东，钟安勇.基于网络摩托车发动机台架实验测控系统设计[J].仪器仪表学报，2007（S1）：237-240.

[4]梁兰菊，闫昕，韦德泉，张兴坊，吕依颖.计算机仿真在理工科毕业论文中的实践与探索[J].教育现代化，2019，6（72）：106-107.

[5]李渊，杜秋月，张明慧.MATLAB优化工具箱在机械优化设计中的应用[J].电子技术与软件工程，2019（11）：58.

[6]袁兆成.内燃机设计[M].北京：机械工业出版社，2012.