內燃機課程教學的去同質化思考與設計

張袁元 辛江慧 張雨 陳茹雯 劉國兵

摘要：節能與新能源汽車作為當前國家節能減排發展的熱點，已成為人們的共識，但就傳統內燃機課程如何在其中明確自己的地位，同時，又能切合潮流表現自己的特點，避免與傳統汽車專業課程的同質化，是講授該門課程所需要關注的重點。本文從節能與新能源汽車與內燃機的聯系，強調了汽車發展中內燃機起到的作用；從講授的內容和實現的方法上，結合現今較為流行的數值仿真，讓學生更為感性的認識內燃機的工作原理；在具體知識點上，結合學生所獲得、所感興趣的信息，突出利用內燃機的新技術特點實現節能減排；在實踐內容中，讓學生具有更多的主動參與性，自主的調節與獲得最優內燃機節能狀態。通過從課程地位、興趣切入點、內容設置、講授方法、各知識點與現實技術的結合等方面的調整，使課堂變成以學生為主體的學習過程，取得良好的教學效果。

關鍵詞：內燃機原理；節能與新能源汽車；去同質化；教學設計

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）40-0201-03

一、引言

隨著機械工業科學技術的進步，現階段各種替代能源的發展，新能源與節能汽車的發展也日新月異，表現為各種混合動力汽車和新能源汽車的層出不窮。作為一般本科院校中，以應用型作為特色發展方向的省屬重點院校，南京工程學院的車輛工程設置了新能源與節能汽車的專業方向，以適應人才市場的需求。

事實上，市面上可見的、區別于傳統內燃機的汽車市場份額仍然較低，如何在政策導向、現實技術以及輿論環境找到課程的著力點，是本專業設置專業課與教學內容編排的重要關注點。

現今社會媒體以及相關廠家大篇幅的強調混合動力以及電動車的技術優勢，使得處于該方向學習階段的本科生存在部分誤區，即忽略傳統內燃機在目前車輛發展中的作用，使學生學習的重點更傾向電池、電控與電子技術，而忽略機械傳動與基礎力學。本文重點探討在該方向上，如何講授內燃機原理，但又區別傳統內燃機教學內容，從教學方法、內容設置以及各環節講授上，體現節能與新能源汽車方向的特點和地位，使學生能夠重視該課程的學習，激發學生興趣，并能有效結合該課程促進自身在專業方向上的進步。事實上，不論內燃機目前如何發展，其仍然遵循“油”、“氣”、“室”的配合，所以，合理的配合方式是實現內燃機節能的研究方向，即了解內燃機工作過程和原理存在必要性。

二、課程地位的教學引導

國務院2012年發布的《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012—2020年）》中明確指出，新能源汽車主要包括純電動汽車、插電式混合動力汽車及燃料電池汽車。節能汽車是指以內燃機為主要動力系統，綜合工況燃料消耗量優于下一階段目標值的汽車。對于我國汽車發展，應立足兩條腿走路：一方面，發展節能汽車，以解決現階段產業發展、能源緊張和節能環保問題；另一方面，開展新能源汽車研究，實現車用能源多元化，保障汽車能源的長期可持續供應。其表明：利用傳統能源（石油類）的內燃機仍將是下一階段國家政策發展的重點，尤其規劃中包含的混合動力汽車、節能車，仍將以內燃機作為主要動力輸出源；同時，由于內燃機是將燃料燃燒釋放出來的熱能轉化為機械能的一種動力裝置，所有替代能源在缸內燃燒轉化為機械功的方式與傳統能源的轉換原理基本相同，即了解新能源車，需要對內燃機整個工作原理和過程進行學習，從而對動力系統進行設計和性能優化。

內燃機經過多年的發展，已取得了長足進步，具有一定的成熟度，但在有些方面仍存在待優化的空間，目前主要集中的研究熱點包括，在節能車方向：（1）高效柴油內燃機技術；（2）節能汽油內燃機技術；（3）電子技術；（4）內燃機的混合技術。在新能源汽車方向：（1）基于可再生能源的生物燃料；（2）混合動力；（3）燃料電池。因此，將《汽車內燃機原理》作為車輛工程（節能與新能源汽車方向）的專業基礎課是非常必要的。

三、教學內容的設計

作為節能與新能源汽車方向的特色專業課程，教學內容設置上需要避免與傳統車輛工程的內燃機內容和方法上的同質化，在該方向領域，內燃機課程著重介紹理論與實際熱循環的區別、換氣過程以及現階段提高換氣效率的新技術、現代內燃機燃料包括替代燃料的燃燒特點與研究熱點、內燃機的混合氣形成和燃燒特點、性能特性曲線以及在混合動力汽車中應用、實踐環節。具體內容的教學目的如下。

第一部分，讓學生掌握內燃機工作過程中提高經濟性和動力性的可能方向。

第二部分，了解實際進排氣過程對內燃機性能的影響，尤其注重可變進氣歧管、可變氣門正時、諧振箱等提高充氣效率的原理與技術特點。

第三部分，了解現代內燃機燃料包括替代燃料的燃燒特點，掌握現階段替代燃料在應用時須克服的問題，以及政策、市場、技術、成本的綜合影響。

第四部分，掌握內燃機混合氣形成和燃燒特點，如何改善經濟性、排放和內燃機品質方向要重點講授，對現有內燃機直噴技術、共軌系統、可變噴油定時等技術特點進行說明。

第五部分，對現有內燃機的性能特性曲線進行分析，思考如何在保證其具有良好經濟性、動力性和排放狀態下內燃機所處的工況。

第六部分，精選試驗內容，如在調整點火提前角時，內燃機呈現的性能指標變化，如何測試內燃機的性能特性曲線，設置的試驗課時的比例占總體課時的1/5。

以上教學內容緊密聯系節能與新能源汽車，使學生在認識上并不脫離自身的學習方向；同時也能意識到，基于傳統能源的內燃機仍有待改善的地方和現階段研究所關注的研究熱點。對于傳統能源內燃機工作過程的了解有助于促進節能與新能源汽車的研究。

四、新型教學手段的聯合運用

內燃機課程原理性的知識點較多，大部分需要通過學生自身的想象能力，如燃燒特點、混合氣形成特點、內燃機使用因素對性能的影響等，這會給學生造成一種困擾，會有很多為什么，但也問不出個為什么。為了解決這樣的問題，在課程教學手段的應用上，綜合應用板書和多媒體教學，尤其是對內燃機工作過程的動畫文件的播放與講解。

在第二部分中，轉速與負荷對充氣效率的影響，可以結合現代計算機仿真分析（基于Fluent的氣體流動隨通流面積變化，研究最終進入氣缸內的氣體質量、殘余廢氣系數）所得到的過程動畫，增加學生對換氣效率的理解，也能體現充氣效率所受參數的影響效果。

在第四部分中，結合Ansys仿真模擬內燃機的燃燒過程，體現混合氣濃度、各氣門正時以及噴油正時對燃燒后的壓力、輸出功率的影響，使學生感性理解內燃機各性能受到的使用因素的影響，加強學生對改善內燃機節能減排措施的方向性理解，同時，也能體現現階段研究、設計和優化內燃機性能的計算機仿真技術優勢，避免了學生對內燃機工作過程空洞的想象。

綜合上述數值仿真技術在內燃機中的應用，可以有效的提高教學效率，所得到的結論可以在第五部分中進行加強認識。結合節能與新能源汽車的使用優勢，更好的理解內燃機區別于傳統汽車上的使用特點。

在第六部分，聯系理論教學中的結論與實際內燃機的工作過程，通過調整不同使用參數，使內燃機表現不同運行狀態特征，使學生可以更好的從實踐中加強對內燃機工作原理的理解。結合實驗室的條件和環境，設置不同的轉速和負荷背景，對學生進行分組，讓學生調整噴油提前角和點火提前角，以內燃機油耗量、輸出功率和整機振動最優為評價指標，鍛煉學生的實際動手能力，同時也能提高學生對內燃機使用參數對其運行性能影響的理解。實驗過程的鍛煉，旨在設定具有競爭意識的環境中，更有效率地加強學生動手能力，擺脫理論空洞的講解，加深學生本門課程知識點的理解，提高其實際應用能力。

五、課程中現階段流行的新技術特點

現在整車的性能參數大多都能在網絡上查詢得到，學生獲得信息的能力較傳統無網絡時代要強得多，因此講授時要體現內燃機性能在整車上的使用特點，使學生不再孤立的理解內燃機總成，避免出現局部脫離整體的情況，即內燃機原理課程的講授始終不能脫離整車環境。在課堂上的調研發現，大部分同學對整車性能，如百公里加速時間、最高車速、燃油消耗率等指標有著感性認識，也就引入了如何比較、提高和優化這些指標的興趣出發點。

在車輛尾部，不論何種車型，都體現了部分內燃機高新技術的特點，如在國內，經常會看到不同的TSI標志，有全紅的、只有“SI”是紅的、還有只有“I”是紅的，但采用的技術原理一樣，只是為了區分不同的排量而已。例如：2.0排量和1.8排量的“SI”是紅色的，而2.0TSI車型中的高配車型或者高端車型則使用全紅的標識，1.4排量只有“I”是紅色。在講解換氣過程時，可以提及車輛尾部的TSI標識，從而引入渦輪增壓和機械增壓的工作原理，體現其技術特點和優勢；在講解內燃機中混合氣的形成時，引入缸內直噴的技術特點和優勢，從而可以使學生更多的獲得內燃機新技術對節能減排做出的貢獻，

類似的技術有：T-FSI、TDI，現代、鈴木、江淮、長城的VVT技術，起亞、日產的CVVT，三菱的MIVEC以及本田的VTEC/I-VTEC等。

通過以上技術的了解，更加感性的認識到，在傳統內燃機上開發節能車的研究方向，在新技術的輔助下，是符合國家政策和市場趨勢的，提高了學生對傳統內燃機工作過程理解的重視程度。

六、教學知識點的“俗話說”

對于內燃機課程某些知識點的講授，以最通俗、最白話的語言描述，避免“高大上”的深奧理論推導，結合大多老師傅對車輛使用技巧和描述，使學生更好理解，整個學習過程變得更接地氣。

如在講解機械效率時，提出這樣的思考，下坡時是否掛檔、是否熄火？掛擋滑行時，利用內燃機反拖進行制動控制車速，從側面反映內燃機輸出的指示功率、有效功率與機械損失的聯系；現在大多車型，方向盤和剎車的助力都來源于內燃機，一旦熄火，助力泵停止工作，剎車幾乎踩不動，方向盤變得沉重無比，并且稍微晃動方向盤很容易鎖死（車鎖在熄火位置時，會在某個角度鎖死方向盤），在此情況下，事故的出現機率更大。

在負荷特性曲線的講解時，提出問題，俗話說有“大馬拉小車”，經濟性不好，為什么呢？汽油機在某轉速下的負荷特性表現為受到充氣效率、機械效率的影響，在負荷增加時，充氣效率增加后減小、機械效率增加，即負荷特性中的油耗率曲線類似碗口狀，其特點為低負荷時，燃油消耗量大，從而反映了當內燃機功率較大，而小負荷低速行駛時是不經濟的。該曲線也能給予現代混合動力車思考，即使內燃機維持在80%負荷時，處于經濟功率狀態，多余功率可以轉化為電能存儲起來。

類似的這種“俗話”還有內燃機熱機、高檔滑行等。從理論上解釋人們在使用汽車時的一些技巧，加深學生對于傳統內燃機工作經濟性和動力性的理解。

七、課程講學效果

在車輛工程專業中，開設節能與新能源汽車方向，牽涉到傳統課程中內燃機課程內容的重新設置、安排和講授方法，避免直接沿用傳統課程內容的同質化，經過對其進行進一步的加工，突出內燃機課程中的節能與新能源思想，使學生從意識上、老師講授的內容和方法上更好的掌握知識，服務于自己的學習領域。體現的講學效果總結如下。

1.從學生聽課與互動的效果來看，學生對于平常聽到汽車使用中的俗話呈現較多的“恍然大悟”的態度，表現出興趣濃厚，問題不斷，探討熱烈；同時，也對本門課程中所涉及到的節能技術有了更深的理解。

2.實踐環節的設置也極大的促進了學生的動手能力，加強了理論知識的掌握，對于各使用參數、內燃機的使用性能有更為感性的認識，而不是簡單的數據比較和曲線描述。

3.了解了現階段內燃機的發展狀態和國家政策導向，對本專業方向的內涵不在只是停留在電動汽車等研究熱點上，更多的擴展了自己的知識體系和對未來汽車發展的理解。

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