内燃机课程教学的去同质化思考与设计

张袁元 辛江慧 张雨 陈茹雯 刘国兵

摘要：节能与新能源汽车作为当前国家节能减排发展的热点，已成为人们的共识，但就传统内燃机课程如何在其中明确自己的地位，同时，又能切合潮流表现自己的特点，避免与传统汽车专业课程的同质化，是讲授该门课程所需要关注的重点。本文从节能与新能源汽车与内燃机的联系，强调了汽车发展中内燃机起到的作用；从讲授的内容和实现的方法上，结合现今较为流行的数值仿真，让学生更为感性的认识内燃机的工作原理；在具体知识点上，结合学生所获得、所感兴趣的信息，突出利用内燃机的新技术特点实现节能减排；在实践内容中，让学生具有更多的主动参与性，自主的调节与获得最优内燃机节能状态。通过从课程地位、兴趣切入点、内容设置、讲授方法、各知识点与现实技术的结合等方面的调整，使课堂变成以学生为主体的学习过程，取得良好的教学效果。

关键词：内燃机原理；节能与新能源汽车；去同质化；教学设计

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）40-0201-03

一、引言

随着机械工业科学技术的进步，现阶段各种替代能源的发展，新能源与节能汽车的发展也日新月异，表现为各种混合动力汽车和新能源汽车的层出不穷。作为一般本科院校中，以应用型作为特色发展方向的省属重点院校，南京工程学院的车辆工程设置了新能源与节能汽车的专业方向，以适应人才市场的需求。

事实上，市面上可见的、区别于传统内燃机的汽车市场份额仍然较低，如何在政策导向、现实技术以及舆论环境找到课程的着力点，是本专业设置专业课与教学内容编排的重要关注点。

现今社会媒体以及相关厂家大篇幅的强调混合动力以及电动车的技术优势，使得处于该方向学习阶段的本科生存在部分误区，即忽略传统内燃机在目前车辆发展中的作用，使学生学习的重点更倾向电池、电控与电子技术，而忽略机械传动与基础力学。本文重点探讨在该方向上，如何讲授内燃机原理，但又区别传统内燃机教学内容，从教学方法、内容设置以及各环节讲授上，体现节能与新能源汽车方向的特点和地位，使学生能够重视该课程的学习，激发学生兴趣，并能有效结合该课程促进自身在专业方向上的进步。事实上，不论内燃机目前如何发展，其仍然遵循“油”、“气”、“室”的配合，所以，合理的配合方式是实现内燃机节能的研究方向，即了解内燃机工作过程和原理存在必要性。

二、课程地位的教学引导

国务院2012年发布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》中明确指出，新能源汽车主要包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车及燃料电池汽车。节能汽车是指以内燃机为主要动力系统，综合工况燃料消耗量优于下一阶段目标值的汽车。对于我国汽车发展，应立足两条腿走路：一方面，发展节能汽车，以解决现阶段产业发展、能源紧张和节能环保问题；另一方面，开展新能源汽车研究，实现车用能源多元化，保障汽车能源的长期可持续供应。其表明：利用传统能源（石油类）的内燃机仍将是下一阶段国家政策发展的重点，尤其规划中包含的混合动力汽车、节能车，仍将以内燃机作为主要动力输出源；同时，由于内燃机是将燃料燃烧释放出来的热能转化为机械能的一种动力装置，所有替代能源在缸内燃烧转化为机械功的方式与传统能源的转换原理基本相同，即了解新能源车，需要对内燃机整个工作原理和过程进行学习，从而对动力系统进行设计和性能优化。

内燃机经过多年的发展，已取得了长足进步，具有一定的成熟度，但在有些方面仍存在待优化的空间，目前主要集中的研究热点包括，在节能车方向：（1）高效柴油内燃机技术；（2）节能汽油内燃机技术；（3）电子技术；（4）内燃机的混合技术。在新能源汽车方向：（1）基于可再生能源的生物燃料；（2）混合动力；（3）燃料电池。因此，将《汽车内燃机原理》作为车辆工程（节能与新能源汽车方向）的专业基础课是非常必要的。

三、教学内容的设计

作为节能与新能源汽车方向的特色专业课程，教学内容设置上需要避免与传统车辆工程的内燃机内容和方法上的同质化，在该方向领域，内燃机课程着重介绍理论与实际热循环的区别、换气过程以及现阶段提高换气效率的新技术、现代内燃机燃料包括替代燃料的燃烧特点与研究热点、内燃机的混合气形成和燃烧特点、性能特性曲线以及在混合动力汽车中应用、实践环节。具体内容的教学目的如下。

第一部分，让学生掌握内燃机工作过程中提高经济性和动力性的可能方向。

第二部分，了解实际进排气过程对内燃机性能的影响，尤其注重可变进气歧管、可变气门正时、谐振箱等提高充气效率的原理与技术特点。

第三部分，了解现代内燃机燃料包括替代燃料的燃烧特点，掌握现阶段替代燃料在应用时须克服的问题，以及政策、市场、技术、成本的综合影响。

第四部分，掌握内燃机混合气形成和燃烧特点，如何改善经济性、排放和内燃机品质方向要重点讲授，对现有内燃机直喷技术、共轨系统、可变喷油定时等技术特点进行说明。

第五部分，对现有内燃机的性能特性曲线进行分析，思考如何在保证其具有良好经济性、动力性和排放状态下内燃机所处的工况。

第六部分，精选试验内容，如在调整点火提前角时，内燃机呈现的性能指标变化，如何测试内燃机的性能特性曲线，设置的试验课时的比例占总体课时的1/5。

以上教学内容紧密联系节能与新能源汽车，使学生在认识上并不脱离自身的学习方向；同时也能意识到，基于传统能源的内燃机仍有待改善的地方和现阶段研究所关注的研究热点。对于传统能源内燃机工作过程的了解有助于促进节能与新能源汽车的研究。

四、新型教学手段的联合运用

内燃机课程原理性的知识点较多，大部分需要通过学生自身的想象能力，如燃烧特点、混合气形成特点、内燃机使用因素对性能的影响等，这会给学生造成一种困扰，会有很多为什么，但也问不出个为什么。为了解决这样的问题，在课程教学手段的应用上，综合应用板书和多媒体教学，尤其是对内燃机工作过程的动画文件的播放与讲解。

在第二部分中，转速与负荷对充气效率的影响，可以结合现代计算机仿真分析（基于Fluent的气体流动随通流面积变化，研究最终进入气缸内的气体质量、残余废气系数）所得到的过程动画，增加学生对换气效率的理解，也能体现充气效率所受参数的影响效果。

在第四部分中，结合Ansys仿真模拟内燃机的燃烧过程，体现混合气浓度、各气门正时以及喷油正时对燃烧后的压力、输出功率的影响，使学生感性理解内燃机各性能受到的使用因素的影响，加强学生对改善内燃机节能减排措施的方向性理解，同时，也能体现现阶段研究、设计和优化内燃机性能的计算机仿真技术优势，避免了学生对内燃机工作过程空洞的想象。

综合上述数值仿真技术在内燃机中的应用，可以有效的提高教学效率，所得到的结论可以在第五部分中进行加强认识。结合节能与新能源汽车的使用优势，更好的理解内燃机区别于传统汽车上的使用特点。

在第六部分，联系理论教学中的结论与实际内燃机的工作过程，通过调整不同使用参数，使内燃机表现不同运行状态特征，使学生可以更好的从实践中加强对内燃机工作原理的理解。结合实验室的条件和环境，设置不同的转速和负荷背景，对学生进行分组，让学生调整喷油提前角和点火提前角，以内燃机油耗量、输出功率和整机振动最优为评价指标，锻炼学生的实际动手能力，同时也能提高学生对内燃机使用参数对其运行性能影响的理解。实验过程的锻炼，旨在设定具有竞争意识的环境中，更有效率地加强学生动手能力，摆脱理论空洞的讲解，加深学生本门课程知识点的理解，提高其实际应用能力。

五、课程中现阶段流行的新技术特点

现在整车的性能参数大多都能在网络上查询得到，学生获得信息的能力较传统无网络时代要强得多，因此讲授时要体现内燃机性能在整车上的使用特点，使学生不再孤立的理解内燃机总成，避免出现局部脱离整体的情况，即内燃机原理课程的讲授始终不能脱离整车环境。在课堂上的调研发现，大部分同学对整车性能，如百公里加速时间、最高车速、燃油消耗率等指标有着感性认识，也就引入了如何比较、提高和优化这些指标的兴趣出发点。

在车辆尾部，不论何种车型，都体现了部分内燃机高新技术的特点，如在国内，经常会看到不同的TSI标志，有全红的、只有“SI”是红的、还有只有“I”是红的，但采用的技术原理一样，只是为了区分不同的排量而已。例如：2.0排量和1.8排量的“SI”是红色的，而2.0TSI车型中的高配车型或者高端车型则使用全红的标识，1.4排量只有“I”是红色。在讲解换气过程时，可以提及车辆尾部的TSI标识，从而引入涡轮增压和机械增压的工作原理，体现其技术特点和优势；在讲解内燃机中混合气的形成时，引入缸内直喷的技术特点和优势，从而可以使学生更多的获得内燃机新技术对节能减排做出的贡献，

类似的技术有：T-FSI、TDI，现代、铃木、江淮、长城的VVT技术，起亚、日产的CVVT，三菱的MIVEC以及本田的VTEC/I-VTEC等。

通过以上技术的了解，更加感性的认识到，在传统内燃机上开发节能车的研究方向，在新技术的辅助下，是符合国家政策和市场趋势的，提高了学生对传统内燃机工作过程理解的重视程度。

六、教学知识点的“俗话说”

对于内燃机课程某些知识点的讲授，以最通俗、最白话的语言描述，避免“高大上”的深奥理论推导，结合大多老师傅对车辆使用技巧和描述，使学生更好理解，整个学习过程变得更接地气。

如在讲解机械效率时，提出这样的思考，下坡时是否挂档、是否熄火？挂挡滑行时，利用内燃机反拖进行制动控制车速，从侧面反映内燃机输出的指示功率、有效功率与机械损失的联系；现在大多车型，方向盘和刹车的助力都来源于内燃机，一旦熄火，助力泵停止工作，刹车几乎踩不动，方向盘变得沉重无比，并且稍微晃动方向盘很容易锁死（车锁在熄火位置时，会在某个角度锁死方向盘），在此情况下，事故的出现机率更大。

在负荷特性曲线的讲解时，提出问题，俗话说有“大马拉小车”，经济性不好，为什么呢？汽油机在某转速下的负荷特性表现为受到充气效率、机械效率的影响，在负荷增加时，充气效率增加后减小、机械效率增加，即负荷特性中的油耗率曲线类似碗口状，其特点为低负荷时，燃油消耗量大，从而反映了当内燃机功率较大，而小负荷低速行驶时是不经济的。该曲线也能给予现代混合动力车思考，即使内燃机维持在80%负荷时，处于经济功率状态，多余功率可以转化为电能存储起来。

类似的这种“俗话”还有内燃机热机、高档滑行等。从理论上解释人们在使用汽车时的一些技巧，加深学生对于传统内燃机工作经济性和动力性的理解。

七、课程讲学效果

在车辆工程专业中，开设节能与新能源汽车方向，牵涉到传统课程中内燃机课程内容的重新设置、安排和讲授方法，避免直接沿用传统课程内容的同质化，经过对其进行进一步的加工，突出内燃机课程中的节能与新能源思想，使学生从意识上、老师讲授的内容和方法上更好的掌握知识，服务于自己的学习领域。体现的讲学效果总结如下。

1.从学生听课与互动的效果来看，学生对于平常听到汽车使用中的俗话呈现较多的“恍然大悟”的态度，表现出兴趣浓厚，问题不断，探讨热烈；同时，也对本门课程中所涉及到的节能技术有了更深的理解。

2.实践环节的设置也极大的促进了学生的动手能力，加强了理论知识的掌握，对于各使用参数、内燃机的使用性能有更为感性的认识，而不是简单的数据比较和曲线描述。

3.了解了现阶段内燃机的发展状态和国家政策导向，对本专业方向的内涵不在只是停留在电动汽车等研究热点上，更多的扩展了自己的知识体系和对未来汽车发展的理解。

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