李延驍 徐傳燕 刁立福 張恒海 岳洪偉

摘要： 針對(duì)《發(fā)動(dòng)機(jī)原理》課程理論性強(qiáng)、概念抽象的特點(diǎn)，以及實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中的問(wèn)題，提出將MATLAB/Simulink仿真軟件應(yīng)用于《發(fā)動(dòng)機(jī)原理》課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，該方法將抽象的理論知識(shí)圖形化，更好地與工程實(shí)踐相融合，有助于培養(yǎng)學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和分析實(shí)際工程問(wèn)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(guān)鍵詞： 發(fā)動(dòng)機(jī)原理;數(shù)值仿真;MATLAB;Simulink

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

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）24-0254-03

0? 引言

《發(fā)動(dòng)機(jī)原理》作為本科院校動(dòng)力工程、車輛工程、交通運(yùn)輸?shù)葘I(yè)的主干課程，主要是圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)講解其工作過(guò)程與基本原理[1]。該課程的特點(diǎn)是理論性、系統(tǒng)性強(qiáng)，涉及的學(xué)科范圍廣，概念抽象，教學(xué)難度較大，因此需要借助實(shí)訓(xùn)幫助學(xué)生加深對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)原理》課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中，使抽象難懂的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)多物理場(chǎng)耦合工作過(guò)程圖形化，并在實(shí)訓(xùn)內(nèi)容等方面進(jìn)行了探索。該實(shí)訓(xùn)方式有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)分析復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

1  《發(fā)動(dòng)機(jī)原理》實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

《發(fā)動(dòng)機(jī)原理》課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)主要以臺(tái)架實(shí)驗(yàn)為主，對(duì)應(yīng)的課時(shí)較少，一般是在發(fā)動(dòng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，使用發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功機(jī)及各種傳感器等硬件設(shè)備建立臺(tái)架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[3]。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)導(dǎo)致其在《發(fā)動(dòng)機(jī)原理》課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中存在以下不足。

1.1 理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)聯(lián)系不夠緊密

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，設(shè)備與運(yùn)行條件相對(duì)固定，不利于學(xué)生深刻理解不同結(jié)構(gòu)參數(shù)或工作條件變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響機(jī)理，在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線時(shí)無(wú)法直接與《發(fā)動(dòng)機(jī)原理》教材中的基本理論或公式建立聯(lián)系。

1.2 學(xué)生參與度有待提高

與發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝實(shí)驗(yàn)不同，臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中由指導(dǎo)教師介紹實(shí)驗(yàn)間內(nèi)的測(cè)控系統(tǒng)及配套設(shè)備，教學(xué)過(guò)程基本是教師主動(dòng)講、學(xué)生被動(dòng)聽(tīng)為主的單向信息傳遞模式，無(wú)法及時(shí)獲得學(xué)生反饋。考慮到安全因素，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要求學(xué)生在控制間操作測(cè)控設(shè)備，同時(shí)觀察并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)架數(shù)量有限，部分學(xué)生只能處于觀察者的角色。

1.3 實(shí)訓(xùn)效果評(píng)價(jià)方法不完善

實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告基本都能夠完成，但相似度較高。由于教師很難判斷學(xué)生是否存在模仿抄襲行為，給出的實(shí)訓(xùn)成績(jī)差異較小，不能反映出學(xué)生真實(shí)學(xué)習(xí)狀況。另外，實(shí)訓(xùn)過(guò)程中師生互動(dòng)環(huán)節(jié)較少，課堂表現(xiàn)評(píng)定很難量化，教師在給出課堂表現(xiàn)成績(jī)時(shí)具有一定主觀性。

2? MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)

MATLAB軟件是科學(xué)工程中一個(gè)廣泛使用的計(jì)算工具，是理工科學(xué)生應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言[4]。MATLAB軟件主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、交互式程序設(shè)計(jì)及可視化的計(jì)算環(huán)境。它包括數(shù)值分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模與仿真等諸多強(qiáng)大功能，并具有良好的圖形表達(dá)功能，還可以提供許多面向應(yīng)用問(wèn)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(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口，學(xué)生只要從Simulink中的模塊庫(kù)中拖放合適的模塊搭建模型并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，就可以進(jìn)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(guò)程快捷且更易理解，擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的編程模式，為學(xué)生減輕了編程的負(fù)擔(dān)，提高了學(xué)習(xí)效率[5]。本文基于MATLAB/Simulink軟件建立了《發(fā)動(dòng)機(jī)原理》課程實(shí)訓(xùn)數(shù)值仿真平臺(tái)。

3? 實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)例

根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案與《發(fā)動(dòng)機(jī)原理》課程特點(diǎn)，在實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)采取以下實(shí)訓(xùn)方案，引導(dǎo)學(xué)生使用MATLAB/Simulink分析解決實(shí)際工程問(wèn)題。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程數(shù)學(xué)描述

學(xué)生運(yùn)用已掌握的專業(yè)知識(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程對(duì)應(yīng)的活塞運(yùn)動(dòng)學(xué)與缸內(nèi)熱力學(xué)等多學(xué)科復(fù)雜工程問(wèn)題用數(shù)學(xué)微分方程描述，并理解其局限性。

活塞在曲柄連桿機(jī)構(gòu)約束下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律由結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。由于飛輪通過(guò)自身慣性貯存做功行程能量使樣機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，可以忽略轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。設(shè)上止點(diǎn)位置為原點(diǎn)，學(xué)生可通過(guò)幾何關(guān)系導(dǎo)出曲軸式發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，只要通過(guò)轉(zhuǎn)速求得瞬時(shí)曲柄轉(zhuǎn)角α就可以確定該瞬時(shí)活塞與氣缸套的相對(duì)位置關(guān)系，進(jìn)而可計(jì)算出缸內(nèi)工質(zhì)體積。得出曲軸式發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞位移時(shí)間歷程后，速度與加速度可通過(guò)對(duì)時(shí)間變量求導(dǎo)得出。

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)熱力循環(huán)過(guò)程是復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，為簡(jiǎn)化計(jì)算，突出重點(diǎn)，僅要求學(xué)生建立描述發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮與做功沖程的缸內(nèi)零維單區(qū)熱力學(xué)模型，基本假設(shè)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(shè)缸內(nèi)氣體熱力學(xué)狀態(tài)是均勻的;②假設(shè)燃燒過(guò)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(guò)程對(duì)工作過(guò)程與性能的影響。根據(jù)熱力學(xué)相關(guān)公式導(dǎo)出缸內(nèi)氣體壓力變化率為：

式中，p、V為缸內(nèi)瞬時(shí)壓力和容積;計(jì)算得到缸內(nèi)壓力的時(shí)間歷程后可根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=mRT導(dǎo)出瞬時(shí)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(xué)變化過(guò)程的每一個(gè)瞬間都是均勻的，燃料的燃燒速率預(yù)先給定，燃燒過(guò)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(guò)程。采用Wiebe函數(shù)來(lái)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(kāi)始的時(shí)刻;tc為燃燒持續(xù)時(shí)間;a和b為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，通常汽油機(jī)取a=5，b=2。

在計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱損失時(shí)，要求學(xué)生采用Hohenberg公式近似模擬缸內(nèi)傳熱過(guò)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(duì)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(yùn)動(dòng)組件的平均速度。

3.2 MATLAB/Simulink數(shù)值仿真模型建立

在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程進(jìn)行仿真前，由指導(dǎo)教師介紹數(shù)值求解方法和MATLAB/Simulink仿真基礎(chǔ)，使學(xué)生熟練MATLAB/Simulink的基本操作流程，能用軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的常微分方程求解計(jì)算。在MATLAB/Simulink數(shù)值仿真平臺(tái)下，學(xué)生根據(jù)“發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程數(shù)學(xué)描述”中微分方程建立仿真模型，并在建模過(guò)程中理解模型的局限性，如圖1所示。首先設(shè)置仿真的設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)、步長(zhǎng)、算法等參數(shù)后即可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程進(jìn)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(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)功率及熱功轉(zhuǎn)換效率等性能指標(biāo)。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響因素分析

為便于參數(shù)化分析，同時(shí)增強(qiáng)模型可讀性，要求學(xué)生在定義發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行參數(shù)時(shí)用MATLAB進(jìn)行賦值，如圖3所示，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)缸徑、行程、壓縮比、點(diǎn)火提前角、空燃比、進(jìn)氣溫度及壓力等。學(xué)生在MATLAB環(huán)境下非常容易實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行參數(shù)調(diào)整，從而得到不同條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)。為拓展學(xué)生思維，可以設(shè)計(jì)以下思考問(wèn)題：①壓縮比對(duì)熱功轉(zhuǎn)換效率的影響;②點(diǎn)火提前角對(duì)熱功轉(zhuǎn)換效率的影響;③轉(zhuǎn)速對(duì)最佳點(diǎn)火提前角的影響;④空燃比對(duì)動(dòng)力性的影響;⑤缸徑行程比等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響;⑥進(jìn)氣溫度對(duì)動(dòng)力性的影響。

在仿真完成后，指導(dǎo)教師講解MATLAB繪圖方法，要求學(xué)生運(yùn)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(qiáng)，信息傳遞效率高。學(xué)生能夠利用圖表準(zhǔn)確有效地表述仿真結(jié)果，明確不同參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的影響規(guī)律，如圖4所示。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)背景知識(shí)進(jìn)行機(jī)理分析并形成結(jié)論。在自主探究過(guò)程中激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)的興趣，提高學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力。

3.4 答辯與考核

指導(dǎo)教師組織學(xué)生進(jìn)行分組，以團(tuán)隊(duì)的形式完成實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，不同團(tuán)隊(duì)可分別研究不同的問(wèn)題。每4位學(xué)生劃為一個(gè)團(tuán)隊(duì)，每個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)一位隊(duì)長(zhǎng)，由隊(duì)長(zhǎng)負(fù)責(zé)本隊(duì)成員的學(xué)習(xí)計(jì)劃、討論內(nèi)容等。一方面有助于學(xué)生進(jìn)行專業(yè)知識(shí)交流，另一方面有助于提高學(xué)生管理能力與團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。實(shí)訓(xùn)結(jié)束后學(xué)生制作PPT并參加答辯，團(tuán)隊(duì)里的每一個(gè)成員都要參與答辯，講出各自在團(tuán)隊(duì)中做出的貢獻(xiàn)，由指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)習(xí)成果進(jìn)行考察并給出成績(jī)，考察要點(diǎn)主要包括：①運(yùn)用數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識(shí)識(shí)別并描述實(shí)際復(fù)雜工程問(wèn)題的能力;②掌握并熟練運(yùn)用現(xiàn)代化數(shù)值計(jì)算工具;

③運(yùn)用圖表與文字對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確表述的能力;④運(yùn)用專業(yè)知識(shí)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析研究的能力;⑤通過(guò)答辯準(zhǔn)確表達(dá)專業(yè)見(jiàn)解并與業(yè)界同行進(jìn)行有效溝通交流的能力。⑥具有團(tuán)隊(duì)合作精神，能夠在多學(xué)科組成的團(tuán)隊(duì)中承擔(dān)個(gè)體、團(tuán)隊(duì)成員或負(fù)責(zé)人的角色，共同達(dá)成工作目標(biāo)。

4? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)引入MATLAB/Simulink軟件替代傳統(tǒng)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于《發(fā)動(dòng)機(jī)原理》課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，不但能夠降低實(shí)驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn)，而且易實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)化分析，輸出結(jié)果更加直觀，使枯燥的理論知識(shí)變得生動(dòng)有趣。教學(xué)實(shí)踐表明：基于MATLAB/Simulink的發(fā)動(dòng)機(jī)原理實(shí)訓(xùn)教學(xué)充分調(diào)動(dòng)了教師和學(xué)生的積極性，加深了學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，強(qiáng)化了學(xué)生分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的實(shí)踐能力，顯著提升了教學(xué)質(zhì)量和效率。

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