现代电子技术
Modern Electronics Technique
2022年9月1日第45卷第17期
Sep.2022Vol.45No.17
0引言
“发动机构造”“发动机原理”和“发动机设计”是能
源与动力（汽车发动机方向）专业的核心专业课程，为了加深学生对发动机结构、工作过程及工作原理的理解，同时也开设了“发动机速度特性实验”“发动机燃烧参数调整特性实验”和“发动机气门运动规律”等10项实验教学项目[1]。实验教学项目在开展过程中遇到了教学资源紧张、学生操作安全隐患大、知识点覆盖不全面等问题，未能充分发挥实验教学的优势[2]。本文针对以上问
汽车发动机虚拟仿真实验教学平台开发与应用
范鲁艳，曲大为，苏
岩，杨硕
（吉林大学
汽车工程学院，吉林长春130025）
摘
要：汽车发动机实验课程是提高学生专业实践能力的重要环节，但在传统实验教学台架搭建过程中存在“耗时、耗
能、耗力”的问题，并且受实验场地和成本的限制，学生开展实验的自由度和参与度较低，针对以上问题搭建了汽车发动机虚拟仿真实验教学平台。平台以CA4DD 柴油机为建模对象，在对其结构分析的基础上利用CRUISE⁃M 软件完成了发动机进排气子系统、EGR 子系统等以及整机的模型搭建、参数输入与模型校核，以柴油机燃烧参数调整特性虚拟仿真实验为例，设计实验流程，展示了平台的实际应用。学生可以根据搭建的CA4DD 一维性能仿真模型在课堂教学演示和自学之后，利用CRUISE⁃M 的在线和离线仿真方法，实现传统实验教学平台的升级，扩充现有的实验项目。平台丰富了实验内容，弥补了当前发动机专业实践教学的缺陷，拓宽了学生的知识领域，提升了学生的学习兴趣和实践能力。
关键词：汽车发动机；实验教学平台；虚拟仿真；CRUISE⁃M ；进排气；EGR ；气缸；模型搭建
中图分类号：TN02⁃34；G434
文献标识码：A
文章编号：1004⁃373X （2022）17⁃0163⁃06
Development and application of automobile engine virtual simulation experimental
teaching platform
FAN Luyan ，QU Dawei ，SU Yan ，YANG Shuo
（College of Automotive Engineering ，Jilin University ，Changchun 130025，China ）
Abstract ：Automobile engine experiment course is an important part to improve students ′professional practical ability.However ，the process of the traditional experimental teaching platform construction is time ⁃consuming ，energy ⁃consuming and effort ⁃consuming.In addition ，with the limitation of experimental site and cost ，students have low degree of freedom and participation in e
xperiments.Therefore ，a virtual simulation experimental teaching platform for automobile engine is set up.On
the platform ，the CA4DD diesel engine is taken as the modeling object.On the basis of the structural analysis of the CA4DD diesel engine ，the CRUISE ⁃M is used to complete the model building ，including engine intake &exhaust subsystem ，EGR subsystem and the model building ，parameter input and model checking of the whole engine.The virtual simulation experiment of diesel engine combustion parameter adjustment characteristics is taken as an example.The experiment procedures are designed to show the practical application of the platform.According to the built one⁃dimensional performance simulation model
of CA4DD ，students can realize the upgrade of the traditional experimental teaching platform and expand the existing experimental projects by CRUISE⁃M online and offline simulation methods after classroom teaching demonstration and self⁃study.The platform can enrich the experiment content ，make up for the defects of the current practical teaching of engine major ，
broaden the knowledge field of students and improve their learning interests and practical abilities.Keywords ：automobile engine ；experimental teaching platform ；virtual simulation ；CRUISE ⁃M ；intake and exhaust ；
EGR ；cylinder ；model building
DOI ：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2022.17.030
引用格式：范鲁艳，曲大为，苏岩，等.汽车发动机虚拟仿真实验教学平台开发与应用[J].现代电子技术，2022，45（17）：163⁃168.
收稿日期：2022⁃01⁃21修回日期：2022⁃02⁃18
基金项目：国家自然科学基金面上项目（51876079）；吉林大学
教学改革项目（2019XYB156）
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题，利用动力系统一维仿真软件CRUISE⁃M，搭建了典型汽油机和柴油机的整机模型，分析了发动机结构参数、控制参数和环境参数对发动机燃烧过程、动力性、经济性和排放的影响规律，完成了虚拟仿真实验教学平台的开发，扩充了实验教学所涵盖的知识点范围，提高了学生学习的主动性和参与度，增强了学生对相关知识点的理解。
1虚拟仿真实验教学平台总体方案
1.1功能定义
汽车发动机零部件多、结构和装配关系复杂，发动机的工作过程和工作原理涉及到化学、传热传质、机械等多门学科[3⁃4]，实践教学一直是汽车发动机专业课程体系的重要组成部分。但是目前实施的大部分实验项目的实验过程复杂、操作周期长，同时需要测功机、尾气分析仪等大型设备的支持，因此实验课程存在“耗时、耗能、耗力”的问题[5]。而且在实际实验课程中，为了避免学生对设备使用不熟练而导致的数据无效、设备损坏甚至危险事故，一般采用老师操作演示的方式，学生没有实际参与到实验中，影响了教学效果的提升。
针对以上问题，将虚拟仿真技术与现有的实践环节相结合应用到实验教学中，在节约实验资源的同时还能够拓宽实验种类和实验项目，使学生对相关知识点的理解更深刻。汽车发动机虚拟仿真实验教学平台需具备以下功能：
1）典型汽油发动机和柴油发动机主要结构与配合关系演示；
2）不同环境及结构参数对于发动机性能（燃烧过程、动力性、经济性、排放、热效率等）影响的在线实时仿真分析；
3）不同控制参数对发动机性能影响的在线实时仿真分析；
4）良好的人机交互。
1.2总体框架
汽车发动机虚拟仿真实验教学平台的总体框架如图1所示，硬件系统由计算服务器、主控客户端、投影仪、以太网交换机、路由器及多台演示客户端组成。整个平台通过以太网实现局域网以及外网通信。计算服务器安装AVL CRUISE⁃M软件平台，选择适当的流体、传热及机械组件模型，搭建完成典型汽油发动机和柴油发动机两个发动机性能仿真模型，同时根据实验教学科目的需要，建立仿真算例。主控客户端通过操作计算服务器，实现仿真过程控制及结果分析基本操作，同时给演示客户端分配权限。演示客户端在权限范围内，学生根据具体实验要求可以进行模型参数调整、控制仿真过程、
分析仿真结果等操作。
图1汽车发动机虚拟仿真实验教学平台总体架构
2基于CRUISE⁃M的虚拟仿真实验教学平台搭建
2.1仿真工具
汽车发动机虚拟仿真实验教学平台所采用的仿真工具，必须能够实现动力传动系统物理及半物理整机模型的搭建，要拥有动力学模型、传热传质模型、燃烧模型和有害物生成机理模型等适应发动机工作过程的基本模型。同时选择的建模仿真工具应是汽车行业广泛应用的，使得实验教学工作更适应行业的培养需求。综上，选择AVL公司的CRUISE⁃M软件作为平台采用的仿真工具。
CRUISE⁃M系统级仿真平台主要用于车辆多物理场系统仿真，其能够将发动机系统、传动系统、汽车空调系统、冷却系统、润滑系统、电气系统及控制系统无缝地耦合在一起，广泛地应用于整车动力经济性仿真、发动机/电池/燃料电池系统仿真，以及集成在硬件在环系统中进行测试。CRUISE⁃M支持6个主要功能模块，包括内燃机系统、后处理系统、冷却润滑系统、动力传动系统、电气动力总成系统以及硬件在环系统[6⁃7]。
2.2发动机一维整机性能模型搭建
1）部件连接形式
CRUISE⁃M仿真平台支持三种部件连接形式，分别为热流连接、流体连接和机械连接。图2为CRUISE⁃
M 三种部件连接形式示意图。
机械连接主要是实现有机械支撑及传动关系部件模块之间的连接。在发动机建模过程中机械连接主要应用在以下三个模块中：气缸、活塞、连杆、曲轴之间的连接；废气涡轮增压器压气机与涡轮机之间的连接；风扇等其他附件的连接。流体连接主要是气体、液体的连接。本文在搭建发动机进气系统、EGR系统、排气系
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统、燃料供给系统时需要考虑空气、燃料的流动及混合
过程，
需要应用到流体连接。
图2CRUISE⁃M 支持的三种部件连接形式
热流连接则主要应用于发动机缸内传热建模以及冷却系统建模，仿真不同部件之间、部件与环境之间的传热散热[8]。在实际使用过程中，需以内燃机流动及传热理论为基础，明确不同模块节点实际意义，根据不同适用环境完成模块间的能量连接。
2）子系统模型搭建
虚拟仿真实验教学平台针对实验课程，需要搭建汽油机、柴油机的一维性能仿真模型。为了和实操实验一致，选择了大众EA888（汽油机）和大柴CA4DD （柴油机）两款发动机为建模对象。本文以CA4DD 为例，搭建了发动机进排气子系统（包含EGR 子系统）和气缸子系统模型。CA4DD 为增压中冷高压共轨直列4缸柴油机，排量3L ，最大扭矩500N·m ，最大功率121kW ，额定转速3000r/min ，采用了EGR 及多段喷射技术[9]。
在进排气子系统建模过程中，与环境有物质交换的进排气口需要添加“System Boundary ”模块（系统边界模块）作为空气流动的起始边界和终止边界。空气从起始边界流入后经空气滤清器流经压气机，流出涡轮机的空气经过中冷器进行冷却，冷却后的空气经进气歧管进入气缸参与燃烧，废气从气缸中进入排气歧管，从排气歧管流出的废气推动涡轮机转动后再经排气后处理装置过后由系统终止边界排出[10]。图3为空气系统模型图示。
图4为EGR 子系统模型图，可模拟柴油机废气再循环功能。系统中“Valve ”模块为节流阀，与排气歧管
相连，通过控制阀门开度可达到控制EGR 率的目的。由于废气温度较高，需对其进行冷却，“EGR Cooler Core ”模块即可对EGR 冷却器进行建模。由于涉及到热量交换，所以将“EGR Coolant ”模块与“Heat Transfer Connection ”模块进行热连接，用以终止散热器热量传输，散热器最终连接到进气歧管，实现废气再循环过程。
在Function 模块中可通过编程进行EGR 率的控制参数
设置。
图3
进排气子系统模型
图4EGR 子系统模型
图5为发动机气缸内部详细模型。“Direct Injector ”模块为喷油器，可通过此模块对发动机喷油压力、喷油时刻、喷油脉宽、喷油规律等参数进行设置；“Intake Port ”和“Exhaust Port ”分别为缸盖进气道和排气道，同时可对气门配气相位进行参数设置；“Combustion Chamber ”为燃烧室模块，支持多种燃烧及有害物生成机理，用于仿真发动机的缸内燃烧过程和有害物生成过程[11]。以上4个模块构建了发动机气缸内部气体流通的路径。5个“SW ”模块终止了缸内热量传递的网络，分别用以对进排气道壁面和燃
烧室壁面进行建模，与“Intake Port ”“Exhaust Port ”和“Combustion Chamber ”进行热流连接，构建发动机缸内传热模型。针对多缸发动机需要添加多个气缸模型来建立气缸子
系统，CA4DD 发动机缸数为4，因此添加4个气缸模型。
3）整机模型搭建
通过流体、热流和机械连接，根据发动机实际结构
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特点，将搭建好的子系统模型进行整体连接，并根据发
动机实际参数对模型进行参数设置，主要包含环境参数、结构参数和控制参数三个部分。
图6为搭建好的发动机一维整机性能仿真模型。
3虚拟仿真实验教学平台应用
汽车发动机虚拟仿真实验项目主要分为两大部分：
汽车发动机构造虚拟仿真实验和汽车发动机原理虚拟仿真实验，包含发动机示功图制取实验、汽油机燃烧参数调整特性实验、风扇及冷却系统性能实验等具体实验项目，如表1所示。
本文以柴油机燃烧参数调整特性实验项目为例，说明虚拟仿真实验教学平台的具体应用情况。具体的虚拟仿真实验流程如图7所示。在教师介绍平台操作流程及仿真模型架构后，根据实验内容，定义仿真工况，调整仿真参数，得出仿真结果并进行在线和离线分析。
表1汽车发动机虚拟仿真实验项目
汽车发动机构造
序号123456
汽车发动机原理
序号12345
实验项目整机结构认识发动机总功率特性实验压缩比对发动机性能的影响实验配气相位对发动机性能的影响实验
发动机增压器特性实验风扇及冷却系统实验实验项目
汽油机燃烧参数调整特性实验柴油机燃烧参数调整特性实验
发动机污染物生成实验HCCI 、RCCI 新型燃烧模式实验
发动机示功图制取实验
图5
气缸内部详细模型与气缸子系统模型
图6发动机一维整机性能仿真模型
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ea888发动机期
图8
柴油机燃烧参数调整特性虚拟仿真实验界面
图7柴油机燃烧参数调整特性虚拟仿真实验流程
仿真数据的分析与观测支持多种形式，如曲线图、饼状图、表格等，图形界面简洁清晰、便于观测。同时可以根据知识点的要求，设定需要观测和分析的参数。以该实验项目为例，如图8所示，仿真演示面共有6片区域：左上选项卡可以观测到缸压和放热率等参数随曲轴转角的变化关系；中上部的曲线图为进气歧管和排气歧管压力对照曲线；左下曲线则描述了实际空燃比、平均有效压力和发动机扭矩随时间的变化；中下部饼状图描述了发动机的能量分配；右上区域的表格可观测计算过程中转速、扭矩等参数的实时变化；右下部分的执行器选项卡采用滑块控制，可以在仿真过程中通过拖动滑块来改变相关控制参数，观察前述观测参数的实时变化情况，让学生更直接地理解EGR 率、增压比、喷油时刻等控制参数与发动机输出性能的关系。
除了在线实时观察，还可以采用离线数据分析的方式，对于课程关心的参数及参数变化规律进行分析。以图9为例，利用离线分析模块分析了发动机转速为1500r/min 时，全负荷工况下，不同增压比、缸压、放热率及压力升高率随曲轴转角的变化规律。由在线和离线分析的仿真结果能够看出，增压比提升、进气压力提升，提高了缸内的最高压力及压力升高率，燃烧过程受影响较大，发动机扭矩升高
、经济性略微降低、氮氧化
合物排放增加。
通过虚拟仿真技术在实验教学过程中的应用，让传统实验课程变得生动有趣，调动了学生的积极性，也让学生有更高的参与度[12]。在加深了学生对知识点的理解的同时，也让学生接触了行业设计开发过程中虚拟仿真分析方法，将来更适应行业对人才的多方面要求。
汽车发动机虚拟仿真实验平台的首次应用正处于疫情原因的远程教学期间，虚拟仿真实验项目的开展解决了传统实验无法远程操作的问题，降低了疫情对于教学进度的影响，有效地结合了线上教学的优势，取得了较好的教学效果。
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