车辆发动机原理课程新体系的研究与实践

杨建华　隆武强　杨延相　罗建斌　梁　昱

摘要：本文介绍了作者创新车辆发动机原理课程体系、更新教学内容与改革实验教学相结合，深入生产实际和学科前缘找课题，开展研究性教学的方法与效果。

关键词：发动机原理；课程体系；创新；实践

面对国内外激烈的市场竞争，如何提高现代车辆发动机的性能，开发出轻巧化、高性能(高功率、低油耗、低排污、低噪声、低振动、易启动)、高寿命与低成本的车辆发动机，用我国高水平的新成果、新产品去参与国际竞争，以满足广大用户对车辆发动机工作可靠、耐久、节能、舒适与环保等方面的要求，已成为我国内燃机教学与科研工作者的共同愿望。在多年分析与使用国内外教材的基础上，结合教学改革、科学研究与生产实践的经验体会，创造性地形成了“弄清发动机性能影响因素，突出研究重点，充分挖掘潜力，创新开发新产品”的车辆发动机原理课程新体系。

1.弄清影响因素

车辆发动机的有效功率P_e、扭矩T_q、升功率P_L、最高燃烧压力p_z、燃烧噪声、NO_x排放量及热负荷q_w的大小均与平均有效压力p_e(单位气缸工作容积V_h的有效功W_e)成正比；而其燃油消耗率g_e、单位功率的散热量Q_w/P_e、单位功率的生产成本和HC化合物排放量则与平均有效压力p_e成反比。可见，平均有效压力p_e对车辆发动机主要性能有着极其重要的影响，亦即提高平均有效压力，并采取随之相适应降低NO_x排放量、燃烧噪声与热负荷的技术措施，便能有效地提高车辆发动机的整机性能。

那么，平均有效压力又与那些因素有关呢?只要能找出影响平均有效压力的各种因素，就找到了影响车辆发动机性能的因素。众所周知，车辆发动机工作时，只受到进入气缸内新鲜空气量与燃油量的制约，即平均有效压力p_e是每循环进入气缸内新鲜空气量m₁与燃油量g_b的函数，应用相关定定理推导得p_e=η_mη_vρ_sδ_lH_u/l₀，其中η_v为充量系数，η_m为机械效率，η_i为指示热效率，δ_l为空气利用率，ρ_s为进气状态下的空气密度，H_u为燃油低热值，l₀为定值。

显然，只要将机械损失降低到最低限度，获得高的机械效率η_m；将进排气系统中的流动损失与换气损失减少到最低限度，并应用气流波动效应增大进气量，获得高的充量系数η_v；借助于电子控制技术等措施将热功转换过程的各个热力参数调整到尽善尽美，以实现低传热损失、低热负荷、高指示热效率η_i与高空气利用率δ_l的完善燃烧；采用先进的增压技术，提高进气状态下的空气密度ρ_s；改进燃油特性，提高燃油低热值H_u的各种技术措施，都有利于提高车辆发动机性能。

为此，从基本现象出发，综合国内外已有的成果，分章论述车辆发动机低机械损失与高机械效率η_m，换气过程与高充量系数η_v，低传热损失与低热负荷，低噪声振动与排放特性，增压技术与高空气密度ρ_s，发动机与底盘优化匹配的理论、技术与方法，从而使学生全面弄清车辆发动机性能的影响因素及其影响程度，掌握提高车辆发动机性能的基本理论、途径与方法。

2.突出研究重点

由热功转换原理可知，车辆发动机性能的好坏，主要取决于其做工发源地即燃烧室内工质压力p、温度T随曲轴转角的变化关系。而压力、温度的变化关系是由对气缸内工质的加热规律所决定的；对工质的加热规律又是由燃油燃烧的放热规律与高温工质向气缸周壁的传热规律所控制的。亦即是由每循环进入气缸内的空气量及其运动规律、喷油规律及喷注特性、燃烧室尺度与传热规律之间的相互匹配关系所支配的。

显然，在保证充足的进气量、高充量系数与高机械效率的基础上，研究工作的重点应集中在实现车辆发动机气缸内空气运动规律、喷油规律、喷注特性、传热规律与燃烧室尺度之间的最佳匹配上，才能获得指示热效率与空气利用率乘积η_iδ_l最大的高性能车辆发动机。

需要指出的是，随着车辆发动机强化程度的不断提高，传热规律参入优化匹配尤为重要；柴油机与汽油机不同的是喷油规律与喷注特性的差异；水冷发动机与风冷发动机不同的是传热规律的区别。因而用两章分别论述柴油机燃烧及其控制与汽油机燃烧及其控制，使学生掌握提高发动机指示热效率η_i与高空气利用率δ_l的理论基础、研究方法与技术对策，熟悉柴油机、汽油机的发展与研究方向。

3.充分挖掘潜力

对现代车辆发动机进行综合试验分析，全面地进行技术诊断，掌握各项性能参数、性能指标与国内外同类产品先进机型的差距，以及与理论限度的差别，从而找到潜力所在，对症下药，达到提高整机性能目的。如对485柴油机进行不同转速下的机械效率、充量系数、负荷特性试验，不同负荷下气缸、气缸盖、活塞的温度场试验，找到了该机与国际先进机型在机械效率、充量系数、空气利用率、指示热效率与传热规律等方面的差距，采取相应的技术对策，通过优化匹配，使柴油机有效功率提高10％，燃油消耗率降低7g/kW·h，排气烟度降低20％，排气温度降低30℃～40℃，气缸盖最高温度降低35℃，使柴油机处在最佳热状下工作，有效地提高了柴油机的整体性能，达到了高强化程度柴油机的国际先进水平。

4.积极创新开发

轻巧化、高性能、高寿命、低成本是现代车辆发动机技术发展的总和，它是汇集在设计计算、试验研究、材料开发、制造技术、测试方法、质量管理等各工程学科综合发展的基础上，并经过年复一年地努力才取得不断进展的。因此，开发新型车辆发动机时必须进行多学科综合分析，才能创造出新的技术综合体(新一代发动机)，造福于人类。

从机构运动学分析，看设计是否具有结构最简单、运动最合理、零件数目最少、轻巧可靠、易造好修及便于实现自动化生产与控制的特点；从材料学分析，应选择材质轻、造价低、强度高、耐磨性好且具有自润滑性

能与吸声吸振阻尼特性好的材料，为保证发动机具有高强载、高寿命、低噪声、低振动特性奠定基础；从热力学分析，看工作循环的各个热力参数是否调整到最佳状态，循环热效率是否达到或接近在理论上的限度，以确保发动机具有低能耗的特点；从燃烧学分析，看是否达到了完善燃烧、放热合理及时、燃烧效率高；从流体力学与传热学分析，看是否实现了冷却介质导流与散热的最佳化，受热零件的温差小，热应力与热负荷低；从系统工程分析，要求发动机的每个零部件都具有相同时间的长寿命；从环境工程学分析，应作到无污染或污染少，低噪声，最好能把燃烧产物变为有用物质，将排气噪声变成音乐等等。

5.进行研究性教学

创新课程体系、更新教学内容与改革实验教学相结合，深入生产实际和学科前缘找课题，把科研活动引入教学，开展研究性教学，加强工程训练和实践环节，使学生知识来源与能力培养多渠道、多元化，实现了创新课程体系、更新教学内容与课堂教学创新相结合，课堂创新教学与创新实验、创新设计相结合，创新实验、创新设计与生产实际、行业技术进步相结合，取得了良好的效果。

一是建成了与企业“产品研究、开发、制造、检测、使用、维修、改进”——工程链的全过程相适应的工程模式发动机实验室。不仅能让学生独立完成认识实验、验证实验、创造性实验与实验设计的全过程，加强了学生实践能力与创新能力的培养：而且又是科学研究与对技术服务的重要基地，实践表明，有利于出人才、出产品、出成果、出效益。2004年获湖南省高等教育教学成果二等奖，实验室也被评为湖南省普通高等学校示范实验室与重点实验室。

二是有效地提高了教学质量，如2004年学生参加首届全国大学生机械创新设计大赛获中南地区一等奖、三等奖各1项。2006年参加第二届全国大学生机械创新设计大赛获湖南赛区一等奖、二等奖各1项，获得国家专利1项，近5年毕业生一次性就业率都是100％。

三是推动了行业技术进步，近四年来，我们实验室承担了国家自然科学基金项目1项、湖南省重点科研项目1项、省(部)级与横向科研项目近20项，为企业开发达到国际先进水平、国内领先水平的新产品2种，取得了良好的经济效益。先后获湖南省科技进步三等奖2项，国家专利3项。2005年获国家教学成果二等奖。

[责任编辑：张冬梅]