内燃机设计
一、课程介绍
内燃机设计是能源与动力工程专业的专业教育课程必修课，是本专业本科生的主要课程之一，属于教学计划中的必修主干课程。本课程的目的与任务是通过课堂教学、实验室试验和课程设计等环节，了解内燃机设计的基本理论和设计思想，掌握内燃机动力学、主要零部件的结构和计算方法以及辅助系统的配套与选择，并在这个基础上了解优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计等现代设计方法在内燃机中的应用。学生学完课程后能进行有关内燃机设计的技术工作。
Introduction
“Internal Combustion Engine Design”, taken as a compulsory course in specified ones, is required for the undergraduate students majored in Energy and Power Engineering. The main purpose or task of this course is to understand about the piston engine dynamics and its design theories and conceptions, master the main component structures and its calculation methods, and matching and selection methods of the auxiliary systems, and learn the modern design methods for engine applications such as optimal design, reliability design, computer-aided design, etc. the students can engage in engine design-related work after finishing this course.
课程基本信息
课程名称 |
内燃机设计 |
课程编码 |
422203 |
英文名称 |
Internal Combustion Engine Design |
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课程学时 |
48 |
课程学分 |
3 |
课程类别 |
专业教育课程 |
课程性质 |
必修课 |
开课学期 |
第6 学期 |
课内实验学时 |
8 |
适用专业 |
能源与动力工程专业 |
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开课单位 |
内燃机教研室 |
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选用教材 |
《内燃机设计》第3版.机械工业出版社.袁兆成主编 |
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主要参考书 |
1.《内燃机设计》．农业机械出版社.杨连生主编 2.《内燃机学》．机械工业出版社.周龙保主编 |
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制定人 |
董伟，马家义 |
制定时间 |
2018年9月 |
教学大纲
1、教学目的
本课程的教学目的是通过课堂教学和实验室试验等环节，了解内燃机设计的基本理论和设计思想，掌握内燃机动力学、主要零部件的结构和计算方法以及辅助系统的配套与选择，并在这个基本上了解优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计等现代设计方法在内燃机中的应用。学生学完课程后能进行有关内燃机设计的技术工作。
2、教学要求
教师要积极备课，认真准备实验，对课程内容要融会贯通，切忌照本（幕）宣科。授课在多媒体教室，充分利用多媒体动画教学课件，结合典型实用案例和相关软件，边授课边演示。做到授课内容与大纲相符，注重平时成绩（作业和实验）积累，成绩评价体系标准真实、严谨、公平、公正、公开，能促使学生学习的积极性。
3、预备知识或先修课程要求
本课程是专业必修课之一，先修课程应包括：工程制图、理论力学、材料力学、工程材料、机械制造技术基础、机械原理、机械设计、机械精度设计基础、工程流体力学、工程热力学、传热学、内燃机构造和内燃机原理等。
4、教学方式
以课堂讲授为主，课后自习和大作业为辅，同时配合4个实验（内燃机配气机构实验，内燃机扭转振动实验，内燃机整机振动实验，内燃机冷却风扇实验）。
5、实验环境和设备
实验在能源与动力大楼实验室进行。设备包含变速调速电机，发动机，示波器，变频调速电机，动态应变仪，信号采集处理器，加速度传感器，电荷放大器，大屏幕液晶显示器，六缸柴油机、电涡流测功机，LMS多通道振动噪声测试系统，四缸（或二缸）发动机、电涡流测功机，DSPS多通道振动测试分析系统，风扇专用风洞试验台（变速电机、扭矩仪）等。
6、课程教学内容及学时分配
第1章 内燃机设计总论（3学时）
1.1 内燃机设计的一般流程（0.5学时）
1.2 内燃机的主要设计指标（0.5学时）
1.3 内燃机的选型（1学时）
1.4 内燃机主要参数的选择（0.5学时）
1.5 现代内燃机设计与技术的发展（0.5学时）
教学重点和难点：内燃机主要设计指标和主要参数对内燃机性能的影响，汽油机、柴油机和气体燃料内燃机性能特点、适用场合和设计的考虑点，内燃机主要参数选取原则。
思考题：书后习题1,2,3,4,5,6,8,9
第2章 曲柄连杆机构受力分析（5学时）
2.1 曲柄连杆机构的运动学（2学时）
2.2 曲柄连杆机构中的作用力（3学时）
教学重点和难点：活塞运动学分析，曲柄连杆机构力的传递和相互关系，输出力矩和翻倒力矩的关系，动力学计算的基本内容和方法，多缸机扭矩的求法，单缸发动机对支撑的作用力。
思考题：书后习题1,3,4,5,6,9,10,11,12
课后作业：利用MATLAB软件，对某款汽油机进行动力计算。
第3章 内燃机的平衡（5学时）
3.1 平衡的基本概念（0.5学时）
3.2 旋转惯性力的平衡分析（1.5学时）
3.3 单列式内燃机往复惯性力平衡分析（2学时）
3.4 双列式内燃机往复惯性力平衡分析（1学时）
教学重点和难点：不平衡力和力矩对内燃机工作和可靠性的危害，产生不平衡的原因，动平衡的概念，单缸机和直列多缸机的平衡分析方法，用多种平衡措施（整体平衡法、分散平衡法、过量平衡法、平衡轴法等）解决不平衡现象，能够定量给出平衡方案参数。
思考题：书后习题1-13
第4章 曲轴系统的扭转振动（6学时）
4.1 扭转振动的基本概念（0.5学时）
4.2 扭转振动系统自由振动计算（1学时）
4.3 强迫振动与共振（1学时）
4.4 曲轴系统的激发力矩（1.5学时）
4.5 曲轴系统的强迫振动与共振（0.5学时）
4.6 扭转振动的消减措施（1学时）
4.7 扭振的现代测试分析方法（0.5学时）
教学重点和难点：曲轴扭转振动的基本概念，单质量和三质量系统扭转振动微分方程建立方法和求解方法，多缸机曲轴系统激发力矩简谐分析，主临界转速和次主临界转速的确定，减震器减震原理。
思考题：书后习题1,4-11
第5章 配气机构设计（7学时）
5.1 配气机构的形式及评价（1学时）
5.2 配气机构运动学和凸轮型线设计 （2学时）
5.3 配气机构动力学（1.5学时）
5.4 凸轮轴及气门驱动件设计（2学时）
5.5 可变配气机构（0.5）
教学重点和难点：配气机构的形式，气门通过能力评价指标的含义及应用，凸轮设置缓冲段的必要性，凸轮型线动力修正公式及各项含义，凸轮工作关系计算，相关零部件设计原则。
思考题：书后习题1-14
课后作业：查阅资料，简要介绍一种可变配气机构的结构和原理。
第6章 曲轴飞轮组设计（3学时）
6.1 曲轴的工作情况、设计要求和材料选择（0.5学时）
6.2 曲轴的结构设计 （1学时）
6.3 曲轴的疲劳强度校核（0.5学时）
6.4 提高曲轴疲劳强度的结构措施和工艺措施（0.5学时）
6.5 飞轮的设计（0.5学时）
教学重点和难点：曲轴的工作条件、材料和结构形式，曲轴结构参数选择原则，各种疲劳强度校核方法的优缺点，飞轮参数的确定原理。
思考题：书后习题1-13
第7章 连杆组设计（2学时）
7.1 连杆的设计（1学时）
7.2 连杆螺栓的设计 （0.7学时）
7.3 提高螺栓疲劳强度的措施（0.2学时）
7.4 连杆的强度计算方法（0.1学时）
教学重点和难点：连杆结构形式和特点，最新加工工艺和材料选择，连杆的设计要求和基本尺寸确定原则，连杆强度计算和校核方法，计算工况和工作条件。
思考题：书后习题1-10
第8章 活塞组设计（4学时）
8.1 活塞设计（1学时）
8.2 活塞的结构设计（2学时）
8.3 活塞环设计（1学时）
教学重点和难点：活塞组在内燃机中的重要作用，活塞组的工作条件与设计要求，活塞结构参数的基本要求和设计原则，均压活塞环的早期失效的根本原因，活塞环的密封原理，活塞环初弹力的确定原则，活塞裙部膨胀变形的原因和设计上采用反椭圆设计的出发点，采用高点活塞环和低点活塞环的出发点。
思考题：书后习题1-10
第9章 内燃机滑动轴承设计（2学时）
9.1 轴承的工作条件和材料要求（0.5学时）
9.2 轴瓦的结构设计（1学时）
9.3 轴心轨迹（0.5学时）
教学重点和难点：轴瓦的工作条件和设计要求，轴瓦的基本材料，滑动轴承工作压力分布形式，油膜承载能力与结构的关系，轴心轨迹计算基本思想和轴心轨迹的作用，轴瓦过盈量的含义、表达和测量。
思考题：书后习题1,2,4
第10章 机体与气缸盖的设计（2学时）
10.1 机体设计（0.5学时）
10.2 气缸与气缸套设计（0.5学时）
10.3 气缸盖设计（1学时）
教学重点和难点：机体、缸盖和缸套的工作条件、设计要求，缸套穴蚀原理及防止措施，进排气道布置原则，缸盖冷却重点及方法，水套布置原则。
思考题：书后习题1,2,3,5
第11章 内燃机的润滑和冷却系统（1学时）
11.1 润滑系（0.5学时）
11.2 冷却系统（0.5学时）
教学重点和难点：润滑系的工作条件和基本要求，冷却系的工作条件和基本要求，润滑系基本参数的确定，冷却系基本参数的确定，冷却系的调节，风扇的计算以及内燃机现代热管理。
思考题：书后习题1,2,4,5,6,7
课后作业：查阅资料，了解内燃机现代冷却方法。
7、实验项目内容、学时分配、实验小组
序号 |
实验项目 |
内容提要 |
实验 类型 |
学时 分配 |
分组 人数 |
实验 地点 |
教学 要求 |
1 |
内燃机配气机构实验 |
内燃机各转速（怠速、最大扭矩转速、标定转速）工况下，气门运动的加速度信号、摇臂的应变信号测量及数据采集、分析。学生在拿到气门加速度数据后，自己进行二次数据积分、平滑和零线调整，得到气门速度和位移。利用应变数据分析气门运动的平稳性，写出实验报告。 |
综合性 |
2 |
4-6 |
内燃机实验教学中心
|
依据实验报告和出勤情况进行评价 |
2 |
内燃机扭转振动实验 |
6缸内燃机油门全开，转速由低到高，记录扭转振动的转速频率扭转角度瀑布图，分析各阶次扭转角度，寻找临界转速，判断曲轴系统固有频率。写出实验报告。 |
综合性 |
2 |
4-6 |
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3 |
内燃机整机振动实验 |
4缸4冲程（或2缸4冲程）内燃机各转速（怠速、最大扭矩转速、标定转速）工况下，整机振动信号测量。根据4缸机或者2缸机的平衡特性和工作特性，在教师示范试验之后，由学生自己选择振动测试点，然后根据振动加速度信号的频谱数据，分析发影响发动机整机振动的主要激励源，写出试验报告。 |
综合性 |
2 |
4-6 |
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4 |
内燃机冷却风扇实验 |
利用风扇专用风洞进行风扇性能测试试验。测量各转速（最大扭矩、标定工况）下，冷却风扇的扇风能力（风筒内的流量、流速、压力）。实验中要在风洞中加装不同阻力的阻尼网，研究不同阻力下的风扇流量和扭矩，对各工况下的测量数据进行分析计算，写出实验报告。 |
综合性 |
2 |
4-6 |
8、考核要求、考核方式及成绩评定标准
(1) 课程考核成绩由期末考试（70%）、作业（10%）、出勤（10%）和实验效果（10%）四部分组成。
(2) 考试，作业，出勤和实验效果成绩为百分制，期末采用加权累计的方法计分。
(4) 最终课程考核成绩采用百分制。
9、其他说明
无
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