張袁元 辛江慧 張雨 陳茹雯 劉國兵

摘要：節(jié)能與新能源汽車作為當(dāng)前國家節(jié)能減排發(fā)展的熱點，已成為人們的共識，但就傳統(tǒng)內(nèi)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(xiàn)自己的特點，避免與傳統(tǒng)汽車專業(yè)課程的同質(zhì)化，是講授該門課程所需要關(guān)注的重點。本文從節(jié)能與新能源汽車與內(nèi)燃機的聯(lián)系，強調(diào)了汽車發(fā)展中內(nèi)燃機起到的作用；從講授的內(nèi)容和實現(xiàn)的方法上，結(jié)合現(xiàn)今較為流行的數(shù)值仿真，讓學(xué)生更為感性的認(rèn)識內(nèi)燃機的工作原理；在具體知識點上，結(jié)合學(xué)生所獲得、所感興趣的信息，突出利用內(nèi)燃機的新技術(shù)特點實現(xiàn)節(jié)能減排；在實踐內(nèi)容中，讓學(xué)生具有更多的主動參與性，自主的調(diào)節(jié)與獲得最優(yōu)內(nèi)燃機節(jié)能狀態(tài)。通過從課程地位、興趣切入點、內(nèi)容設(shè)置、講授方法、各知識點與現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合等方面的調(diào)整，使課堂變成以學(xué)生為主體的學(xué)習(xí)過程，取得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機原理；節(jié)能與新能源汽車；去同質(zhì)化；教學(xué)設(shè)計

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

一、引言

隨著機械工業(yè)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)階段各種替代能源的發(fā)展，新能源與節(jié)能汽車的發(fā)展也日新月異，表現(xiàn)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(yīng)用型作為特色發(fā)展方向的省屬重點院校，南京工程學(xué)院的車輛工程設(shè)置了新能源與節(jié)能汽車的專業(yè)方向，以適應(yīng)人才市場的需求。

事實上，市面上可見的、區(qū)別于傳統(tǒng)內(nèi)燃機的汽車市場份額仍然較低，如何在政策導(dǎo)向、現(xiàn)實技術(shù)以及輿論環(huán)境找到課程的著力點，是本專業(yè)設(shè)置專業(yè)課與教學(xué)內(nèi)容編排的重要關(guān)注點。

現(xiàn)今社會媒體以及相關(guān)廠家大篇幅的強調(diào)混合動力以及電動車的技術(shù)優(yōu)勢，使得處于該方向?qū)W習(xí)階段的本科生存在部分誤區(qū)，即忽略傳統(tǒng)內(nèi)燃機在目前車輛發(fā)展中的作用，使學(xué)生學(xué)習(xí)的重點更傾向電池、電控與電子技術(shù)，而忽略機械傳動與基礎(chǔ)力學(xué)。本文重點探討在該方向上，如何講授內(nèi)燃機原理，但又區(qū)別傳統(tǒng)內(nèi)燃機教學(xué)內(nèi)容，從教學(xué)方法、內(nèi)容設(shè)置以及各環(huán)節(jié)講授上，體現(xiàn)節(jié)能與新能源汽車方向的特點和地位，使學(xué)生能夠重視該課程的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生興趣，并能有效結(jié)合該課程促進(jìn)自身在專業(yè)方向上的進(jìn)步。事實上，不論內(nèi)燃機目前如何發(fā)展，其仍然遵循“油”、“氣”、“室”的配合，所以，合理的配合方式是實現(xiàn)內(nèi)燃機節(jié)能的研究方向，即了解內(nèi)燃機工作過程和原理存在必要性。

二、課程地位的教學(xué)引導(dǎo)

國務(wù)院2012年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)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(jié)能汽車是指以內(nèi)燃機為主要動力系統(tǒng)，綜合工況燃料消耗量優(yōu)于下一階段目標(biāo)值的汽車。對于我國汽車發(fā)展，應(yīng)立足兩條腿走路：一方面，發(fā)展節(jié)能汽車，以解決現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)發(fā)展、能源緊張和節(jié)能環(huán)保問題；另一方面，開展新能源汽車研究，實現(xiàn)車用能源多元化，保障汽車能源的長期可持續(xù)供應(yīng)。其表明：利用傳統(tǒng)能源（石油類）的內(nèi)燃機仍將是下一階段國家政策發(fā)展的重點，尤其規(guī)劃中包含的混合動力汽車、節(jié)能車，仍將以內(nèi)燃機作為主要動力輸出源；同時，由于內(nèi)燃機是將燃料燃燒釋放出來的熱能轉(zhuǎn)化為機械能的一種動力裝置，所有替代能源在缸內(nèi)燃燒轉(zhuǎn)化為機械功的方式與傳統(tǒng)能源的轉(zhuǎn)換原理基本相同，即了解新能源車，需要對內(nèi)燃機整個工作原理和過程進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而對動力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和性能優(yōu)化。

內(nèi)燃機經(jīng)過多年的發(fā)展，已取得了長足進(jìn)步，具有一定的成熟度，但在有些方面仍存在待優(yōu)化的空間，目前主要集中的研究熱點包括，在節(jié)能車方向：（1）高效柴油內(nèi)燃機技術(shù)；（2）節(jié)能汽油內(nèi)燃機技術(shù)；（3）電子技術(shù)；（4）內(nèi)燃機的混合技術(shù)。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(nèi)燃機原理》作為車輛工程（節(jié)能與新能源汽車方向）的專業(yè)基礎(chǔ)課是非常必要的。

三、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計

作為節(jié)能與新能源汽車方向的特色專業(yè)課程，教學(xué)內(nèi)容設(shè)置上需要避免與傳統(tǒng)車輛工程的內(nèi)燃機內(nèi)容和方法上的同質(zhì)化，在該方向領(lǐng)域，內(nèi)燃機課程著重介紹理論與實際熱循環(huán)的區(qū)別、換氣過程以及現(xiàn)階段提高換氣效率的新技術(shù)、現(xiàn)代內(nèi)燃機燃料包括替代燃料的燃燒特點與研究熱點、內(nèi)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(yīng)用、實踐環(huán)節(jié)。具體內(nèi)容的教學(xué)目的如下。

第一部分，讓學(xué)生掌握內(nèi)燃機工作過程中提高經(jīng)濟性和動力性的可能方向。

第二部分，了解實際進(jìn)排氣過程對內(nèi)燃機性能的影響，尤其注重可變進(jìn)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(shù)特點。

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

第四部分，掌握內(nèi)燃機混合氣形成和燃燒特點，如何改善經(jīng)濟性、排放和內(nèi)燃機品質(zhì)方向要重點講授，對現(xiàn)有內(nèi)燃機直噴技術(shù)、共軌系統(tǒng)、可變噴油定時等技術(shù)特點進(jìn)行說明。

第五部分，對現(xiàn)有內(nèi)燃機的性能特性曲線進(jìn)行分析，思考如何在保證其具有良好經(jīng)濟性、動力性和排放狀態(tài)下內(nèi)燃機所處的工況。

第六部分，精選試驗內(nèi)容，如在調(diào)整點火提前角時，內(nèi)燃機呈現(xiàn)的性能指標(biāo)變化，如何測試內(nèi)燃機的性能特性曲線，設(shè)置的試驗課時的比例占總體課時的1/5。

以上教學(xué)內(nèi)容緊密聯(lián)系節(jié)能與新能源汽車，使學(xué)生在認(rèn)識上并不脫離自身的學(xué)習(xí)方向；同時也能意識到，基于傳統(tǒng)能源的內(nèi)燃機仍有待改善的地方和現(xiàn)階段研究所關(guān)注的研究熱點。對于傳統(tǒng)能源內(nèi)燃機工作過程的了解有助于促進(jìn)節(jié)能與新能源汽車的研究。

四、新型教學(xué)手段的聯(lián)合運用

內(nèi)燃機課程原理性的知識點較多，大部分需要通過學(xué)生自身的想象能力，如燃燒特點、混合氣形成特點、內(nèi)燃機使用因素對性能的影響等，這會給學(xué)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(xué)手段的應(yīng)用上，綜合應(yīng)用板書和多媒體教學(xué)，尤其是對內(nèi)燃機工作過程的動畫文件的播放與講解。

在第二部分中，轉(zhuǎn)速與負(fù)荷對充氣效率的影響，可以結(jié)合現(xiàn)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(jìn)入氣缸內(nèi)的氣體質(zhì)量、殘余廢氣系數(shù)）所得到的過程動畫，增加學(xué)生對換氣效率的理解，也能體現(xiàn)充氣效率所受參數(shù)的影響效果。

在第四部分中，結(jié)合Ansys仿真模擬內(nèi)燃機的燃燒過程，體現(xiàn)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(xué)生感性理解內(nèi)燃機各性能受到的使用因素的影響，加強學(xué)生對改善內(nèi)燃機節(jié)能減排措施的方向性理解，同時，也能體現(xiàn)現(xiàn)階段研究、設(shè)計和優(yōu)化內(nèi)燃機性能的計算機仿真技術(shù)優(yōu)勢，避免了學(xué)生對內(nèi)燃機工作過程空洞的想象。

綜合上述數(shù)值仿真技術(shù)在內(nèi)燃機中的應(yīng)用，可以有效的提高教學(xué)效率，所得到的結(jié)論可以在第五部分中進(jìn)行加強認(rèn)識。結(jié)合節(jié)能與新能源汽車的使用優(yōu)勢，更好的理解內(nèi)燃機區(qū)別于傳統(tǒng)汽車上的使用特點。

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

五、課程中現(xiàn)階段流行的新技術(shù)特點

現(xiàn)在整車的性能參數(shù)大多都能在網(wǎng)絡(luò)上查詢得到，學(xué)生獲得信息的能力較傳統(tǒng)無網(wǎng)絡(luò)時代要強得多，因此講授時要體現(xiàn)內(nèi)燃機性能在整車上的使用特點，使學(xué)生不再孤立的理解內(nèi)燃機總成，避免出現(xiàn)局部脫離整體的情況，即內(nèi)燃機原理課程的講授始終不能脫離整車環(huán)境。在課堂上的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分同學(xué)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(biāo)有著感性認(rèn)識，也就引入了如何比較、提高和優(yōu)化這些指標(biāo)的興趣出發(fā)點。

在車輛尾部，不論何種車型，都體現(xiàn)了部分內(nèi)燃機高新技術(shù)的特點，如在國內(nèi)，經(jīng)常會看到不同的TSI標(biāo)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(shù)原理一樣，只是為了區(qū)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(biāo)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(biāo)識，從而引入渦輪增壓和機械增壓的工作原理，體現(xiàn)其技術(shù)特點和優(yōu)勢；在講解內(nèi)燃機中混合氣的形成時，引入缸內(nèi)直噴的技術(shù)特點和優(yōu)勢，從而可以使學(xué)生更多的獲得內(nèi)燃機新技術(shù)對節(jié)能減排做出的貢獻(xiàn)，

類似的技術(shù)有：T-FSI、TDI，現(xiàn)代、鈴木、江淮、長城的VVT技術(shù)，起亞、日產(chǎn)的CVVT，三菱的MIVEC以及本田的VTEC/I-VTEC等。

通過以上技術(shù)的了解，更加感性的認(rèn)識到，在傳統(tǒng)內(nèi)燃機上開發(fā)節(jié)能車的研究方向，在新技術(shù)的輔助下，是符合國家政策和市場趨勢的，提高了學(xué)生對傳統(tǒng)內(nèi)燃機工作過程理解的重視程度。

六、教學(xué)知識點的“俗話說”

對于內(nèi)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(dǎo)，結(jié)合大多老師傅對車輛使用技巧和描述，使學(xué)生更好理解，整個學(xué)習(xí)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(nèi)燃機反拖進(jìn)行制動控制車速，從側(cè)面反映內(nèi)燃機輸出的指示功率、有效功率與機械損失的聯(lián)系；現(xiàn)在大多車型，方向盤和剎車的助力都來源于內(nèi)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?zé)o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(xiàn)機率更大。

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

類似的這種“俗話”還有內(nèi)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(xué)生對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機工作經(jīng)濟性和動力性的理解。

七、課程講學(xué)效果

在車輛工程專業(yè)中，開設(shè)節(jié)能與新能源汽車方向，牽涉到傳統(tǒng)課程中內(nèi)燃機課程內(nèi)容的重新設(shè)置、安排和講授方法，避免直接沿用傳統(tǒng)課程內(nèi)容的同質(zhì)化，經(jīng)過對其進(jìn)行進(jìn)一步的加工，突出內(nèi)燃機課程中的節(jié)能與新能源思想，使學(xué)生從意識上、老師講授的內(nèi)容和方法上更好的掌握知識，服務(wù)于自己的學(xué)習(xí)領(lǐng)域。體現(xiàn)的講學(xué)效果總結(jié)如下。

1.從學(xué)生聽課與互動的效果來看，學(xué)生對于平常聽到汽車使用中的俗話呈現(xiàn)較多的“恍然大悟”的態(tài)度，表現(xiàn)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(jié)能技術(shù)有了更深的理解。

2.實踐環(huán)節(jié)的設(shè)置也極大的促進(jìn)了學(xué)生的動手能力，加強了理論知識的掌握，對于各使用參數(shù)、內(nèi)燃機的使用性能有更為感性的認(rèn)識，而不是簡單的數(shù)據(jù)比較和曲線描述。

3.了解了現(xiàn)階段內(nèi)燃機的發(fā)展?fàn)顟B(tài)和國家政策導(dǎo)向，對本專業(yè)方向的內(nèi)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(fā)展的理解。

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