基于虚拟仿真的“内燃机原理”实验慕课探索与实践
摘 要 实验教学是“新工科”专业培养创新型人才的重要途径。本研究针对能源与动力专业核心课程“内燃机原理”传统实验教学存在的观摩为主、无法独立操作、难以开展极限条件研究、进行自主探索等问题，采用先进的虚拟仿真技术，建设“内燃机原理”实验慕课。通过对真实实验场景的重现，学生可以对设备进行认知和操作，独立完成全部实验过程，在复习和巩固理论课学习成果的同时，掌握开展内燃机性能实验的基本技能。在此基础上，通过课后自主实验设计，进行探索式研究，并结合课堂理论教学环节的讨论分析，展示实验结果。该课程已被认定为“国家虚拟仿真实验教学项目”，具有良好的应用前景，不但对“新工科”背景下的研究型教学进行了有益的探索和尝试，也可为虚拟仿真教学资源建设提供参考依据。
关键词 新工科 虚拟仿真实验 慕课
Research and Practice of "Principles of Internal Combustion Engines" Experimental MOOC Based on the Virtual Simulation Technology
HE Xu， ZHANG Weizheng， YANG Qing
（Beijing Institute of Technology， School of Mechanical Engineering， Beijing 100081）
0 引言
“新工科”是在当前国际竞争新形势和国家发展战略新需求下应运而生的教育改革的重大战略选择，以培养未来多元化、创新型卓越工程人才为目标，对高校传统工科专业课程的教学模式提出了新的要求。[1]近期多家高校纷纷出台“双一流”大学建设方案，将培养拔尖创新人才提高到前所未有的高度。通过围绕“强化基础、突出实践、提升能力、面向创新”的特色培养理念，采用高科技手段，促进科研与教学深度互动，开展研究型教学，探索不同模式下的“新工科”人才培养途徑。[2]
实验教学是“新工科”专业培养创新型人才的重要途径，在巩固验证理论知识的同时，还具有培养学生探索未知世界的方法、勇气、创新能力和其他综合素质的功能。当期计算机技术快速发展，云计算、“互联网+”、虚拟现实等现代化信息技术为“新工科”实验教学提供了全新的教学手段。2017 年4 月，教育部高教司发布的《“新工科”建设行动路线》中明确指出，要充分利用虚拟仿真等技术创新工程实践教学方式。目前教育部已经认定国家虚拟仿真实验教学一流课程400余项，逐步形成实验教学领域专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学体系，推进信息技术、人工智能等新技术与教育行业的深度融合，促进教学改革的不断深化。[3，4]
针对“新工科”背景下国家对创新型人才的培养需求，在北京理工大学在能源与动力工程专业核心课程“内燃机原理”中，引入虚拟仿真实验慕课课程建设，并进行研究型教学模式探索，使学生在理解和掌握内燃机基本理论与实验方法的基础上，突破时间和空间的束缚，自主进行实验设计并开展实验研究，以培养其解决复杂工程问题的能力。
1 建设意义
1.1 “内燃机原理”是能源与动力工程专业课程学习的核心课程
能源与动力工程专业是北京理工大学重点发展的专业，为我国汽车工业和国防动力领域培养输送了大量人才。“内燃机原理”是本专业的核心必修课程，是专业教学的重中之重。该课程知识体系庞杂，以大量实验为基础，对实验技能和实验条件具有较高要求，是一门理论与实践并重的综合性专业课程。
在“新工科”创新型人才培养的大背景要求下，在保证理论教学效果的同时，通过“内燃机原理”实验教学，使学生获得以下方面的能力：
（1）能够了解和掌握内燃机工作和测试实验所需仪器设备的原理、测试流程和操作规范，并对获取数据开展误差分析;
（2）综合运用热力学、流体力学、燃烧学等基础知识，和内燃机原理相结合，对内燃机工作过程进行解析;
（3）可以应用专业知识和相关软件，利用实验平台，独立自主開展研究型课题研究，总结特点和规律，并解释分析其背后的机制;
（4）具备团队合作的意识，可以进行项目规划、管理和实施，并通过口头或书面方式展示相关研究成果。
1.2采用虚拟仿真技术是提升实验教学效果的有力保障
内燃机性能实验是能源与动力工程专业教学中的重要实践环节，但传统的内燃机实验教学面临以下难题：测控系统复杂，难以独立操作，实验设备的台套数与学生数量矛盾突出，实验过程以观摩为主;从安全角度考虑，学生无法在内燃机运转中进入设备间近距离观察内燃机工作状态，了解运行机制;受环境边界条件限制，难以开展极限条件下（如高温、高寒、高海拔等）实验测试。
开展以虚拟仿真实验为特色的“内燃机原理”慕课实验教学，并采用以学生为中心的探索性研究型教学模式，既可以开阔学生视野，生动课堂，增强学生对内燃机知识的理解，培养解决实际问题的能力，又可以激发学生学习兴趣，有助于学生养成善于尝试和探索规律的习惯。为学生以后从事内燃机相关产品的设计、开发和研究等方面的工作奠定必要的基础。
1.3以学生为中心的研究型教学模式是未来发展的必然趋势
近年来，学生和教师在教与学的角色上起到了很大的变化，逐渐从传统的教师单向讲述灌输，向以学生为中心，自主探索转变。在虚拟仿真实验过程中，可以设计需要学生独立思考完成的内容，通过循序渐进引导与自主研究探索相结合，进一步提升了学生实验过程的参与度和主动性，在这个过程中进一步复习和巩固理论知识。并且根据不同研究方向，设置开放性课题，由学生选择，并进行相应的实验设计与自主测试，进而达到提升学生实验研究能力和解决复杂工程问题能力的目的。
2 课程目标
为了进一步加强本科生创新意识与实践能力，提高本科生的培养质量，培育具有国际视野的行业领军人才，“内燃机原理”虚拟仿真实验慕课以“夯实知识基础，拓宽应用视野，提高工程能力，引领工程创新”为指导思想，以期达到以下目标：
（1）在“内燃机原理”理论教学中实践性较强的环节，采用先进计算机网络技术、多媒体技术和VR技术，建设与之匹配的虚拟仿真实验课程。学生通过开展虚拟仿真实验，沉浸式体验真实场景，生动有趣地完成教学实践环节，并进一步掌握内燃机工作原理和实验研究方法。
（2）布置课后研究型课题，由学生利用虚拟仿真实验平台自主完成。然后以学生为中心，采用智慧课堂模式，通过教师引导、分组讨论、项目汇报等形式，进一步巩固相关知识内容，提高学生的实际分析问题、解决问题的能力。
（3）根据系统对学生知识掌握和实验技能的反馈，研究团队对教学实施过程进行全面的总结和分析，构建以能力培养为主线，课内外相结合、线上线下相配合的信息化、数字化实践教学体系，探索符合国际化工程教育和“新工科”理念的研究型教学改革新模式。
3 课程建设与实施
3.1 课程方案设计
首先需要对能源与动力工程专业最新培养方案的剖析，广泛开展需求调查，详细了解国家社会及教育发展需求、行业产业及职场发展需求、学校定位及发展目标考量、学生发展及家长校友期望、国内外同专业发展的现状。在此基础上，针对“内燃机原理”实践性较强的章节和知识点，采用模块化教学，将其封装成“知识罐头”，并匹配相应的虚拟仿真实验。在虚拟仿真实验设计过程中，紧扣专业培养目标，使课程与培养目标和培养要求直接联系起来，特别是安全意识培养、紧急情况应对、设备操作流程训练等方面，通过多种方式鼓励学生进行自由探索。虚拟仿真实验结束后，系统会根据学生操作行为和试验数据，对学习效果进行评价。如果达到既定要求，则可以进入下一轮次教学环节，如果没有达到既定要求，或者出现新问题，则需要重新进行查缺补漏，然后再投入新的教学实践。
3.2 内燃机虚拟仿真实验建设
针对“内燃机原理”的虚拟仿真实验慕课教学内容，采用先进计算机网络技术和沉浸式交互体验相结合，建设如图1所示的“内燃机测试虚拟仿真实验平台”，包括8个实验，共计16个学时。通过对现代化发动机实验室真实场景的重现，支持学生自主操作相关仪器和设备，在实验指导书引导下，对设备进行认知和操作，独立完成全部实验过程。
以GDI光学发动机燃烧测试虚拟仿真实验为例：在进入实验室之前，首先对学生进行安全教育，通过培训考试后，方可进入实验室。进入如图2所示的内燃机虚拟仿真实验室之后，学生需要对开展实验所需要仪器设备如测功机、温度传感器、压力传感器等进行认知，了解其工作原理、测试范围和精度，熟悉操作流程。然后参照实验大纲，运行光學发动机，获取缸内喷雾燃烧的图像和缸内压力数据，根据放热率公式，编写Matlab程序处理得到放热率曲线，将放热规律和喷雾燃烧图像相结合（如图3所示），全面了解汽油机工作特点。在此过程中，学生还可以近距离观察设备运行情况，应对机油泄露、水温过高、发动机超速等各种突发情况，尝试应用所需知识分析故障，解决问题，从而全面掌握开展内燃机性能实验的基本技能。实验过程中系统将自动记录实验过程中的学生过程操作与完成情况，并生成如图4所示的实验过程评价，将和课后实验报告一起作为本课程的考核依据。
课后学生选择研究型课题，设计实验方案，可以灵活选择时间，通过本地终端，远程访问服务器，进入虚拟仿真实验系统，根据需要开展相关实验项目，独立完成操作。“内燃机原理”虚拟仿真实验慕课不受时间和空间的限制，通过逼真的实验场景重现，辅以图形文字介绍、声光音效、深度互动等手段，让学生身临其境，深入浅出地掌握实验相关原理、方法和操作步骤，对课堂理论教学起到良好的支撑作用。同时学生还可以根据自己的需要，对关键环节进行重复，直至掌握为止。
3.3 研究型教学模式探索
为了培养学生思辨能力，在虚拟仿真实验教学环节结束后，在课堂理论教学环节，将学生分为若干小组，对其研究型课题结果进行讨论分析，学会用基本原理解释不同的实验现象。在理论教学的基础上，将实验与理论课程有机融合，可以有效地培养了学生主动学习能力和创新思维，开展综合性与研究型研究，全面提升解决复杂工程问题能力。
4 结语
为培养“新工科”背景下的高素质复合型专业人才，北京理工大学能源与动力专业采用先进计算机网络技术和沉浸式交互体验相结合，建设“内燃机原理”虚拟仿真实验慕课，通过对真实实验场景的重现，支持学生自主操作设备，在实验指导书引导下，对设备进行认知和操作，独立完成全部实验过程，全面掌握开展内燃机性能实验的基本技能。在此基础上，通过自主实验设计和开放课题研究，结合课堂理论教学环节的讨论分析，对研究型教学进行了有益的探索和尝试。
该项目已被认定为“国家虚拟仿真实验教学项目”，在后续工作中，将进一步对其他兄弟院校开放，并服务于社会。通过多轮次的教学实践与应用迭代，持续完善虚拟实验内容、教学方法与评价体系，并在此基础上建设沉浸式VR虚拟实验室，进一步强化虚拟实验特色与参与效果，为“新工科”人才培养体系建设提供支持。
通信作者：张卫正
基金项目：北京理工大学网络在线课程建设专项（2018ZXJG004）、教育部产学合作协同育人项目（201902091016）
参考文献
[1] 李春梅，何洪，李元等. “新工科”背景下材料类专业“虚实互补”实验教学体系深化研究[J].西南师范大学学报（自然科学版），2020，45（04）：143-148.
[2] 吴钦，张晶，段冰凌等.面向新工科的《流体力学》课程思政教学模式研究与实践[J].科教导刊，2020（13）：115-116.
[3] 刘磊，张嘉鹭.“新工科”背景下工程机械类虚拟仿真实验教学资源建设[J].实验技术与管理，2021（01）：140-143.
[4] 黄开胜，王宏宇等.虚拟仿真实验教学课程建设指南（2020年版）[M].北京：高等教育出版社，2020.
作者：何旭 张卫正 杨青
【发动机原理】教案
教材: 《汽车发动机原理》
张志沛 主编
大连海运学院出版社
长安大学
汽车学院机电与动力研究所
曹建明
目 录
绪 论 ----------------------------
1 第一章 发动机工作循环及性能指标 --------------------------
5 §1-1 发动机理想循环概述 ---------------------------
5§1-2 发动机实际循环 -
7
§1-3 热平衡 ----------
§1-4 指示指标 --------- 9 §1-5 有效指标 --------
11 §1-6 机械损失 --------
§1-7 燃烧热化学 ------
§1-8 发动机混合气的着火和燃烧方式 ---------------- 第二章 发动机的换气过程 ------ §2-1 四冲程发动机的换气过程 ----------------------- §2-2 四冲程发动机的充气效率 ----------------------- §2-3 影响充气效率的各种因素 ----------------------- §2-4 提高充气效率的措施 ---------------------------
§2-5 进气管内的动态效应 --------------------------- §2-6 单位时间充气量与循环充气量 ------------------ 第三章 柴油机混合气形成和燃烧 ----------------------------- §3-1 柴油机混合气形成 ----------------------------- §3-2 柴油机的燃烧过程 -----------------------------
§3-3 柴油机供油系统的工作特性及其对燃烧过程的影响 ---------------------------- §3-4 柴油机的燃烧室 第四章 汽油机混合气形成和燃烧 ----------------------------
§4-1 汽油机混合气形成 -----------------------------
§4-2 汽油机的燃烧过程 -----------------------------
§4-3 汽油机的燃烧室 第五章 发动机噪声及排放污染
§5-1 发动机噪声污染及防治 ------------------------
§5-2 发动机排放污染及防治 ------------------------ 第六章 发动机特性 ------------- §6-1 发动机工况和性能指标分析式 ----------------- §6-2 发动机速度特性 §6-3 发动机负荷特性 §6-4 发动机万有特性 §6-5 发动机调速特性 §6-6 大气修正 ------- 第七章 发动机台架试验 -------- §7-1 测量与计算参数 §7-2 参数的测量 ----- §7-3 测取方法 ------- 第八章 车用发动机的废气涡轮增压概述 --------------------
13 16 20 22 22 23 25 27 29 30 32 32 36 39 41 46 46 49 57 60 60 63 66 66 66 70 72 73 77 79 79 79 83 85
绪 论
第一台实际使用过的内燃机，是1859年法国工程师勒努瓦制造的。这是一台煤气机，效率很低。1876年德国工程师奥托制成了按四冲程原理工作的煤气机，称为奥托循环机，这是内燃机划时代的进步。1892年，德国工程师狄塞尔。提出了压缩点火式内燃机的设计原理，经过多次试验和改进，于1897年制成第一台压燃式内燃机，使用液体燃料，热效率比以前的内燃机都高。内燃机的发明，使热机的效率由蒸汽机的10%左右，提高到内燃机的40%左右。而且由于内燃机轻巧，适于用在交通工具上，对促进交通运输业的发展起了关键的作用。
能量转换：发动机-燃料的化学能热能机械能
机械能、电能等-高级能源;热能-低级能源 《发动机原理》课研究：热能机械能 (转换效率：理论上小于100%)
机械能热能 (转换效率：理论上可达100%)
发动机：内燃机和外燃机
车用发动机：间歇工作式发动机
四个冲程中只有一个冲程做功，做功不连续。
燃气轮机：连续工作式发动机
一 分 类
(一) 种 类
1 往复活塞式 (普遍)
2 转子式-汪克尔式 (THE WANKEL ENGINE)
早在19世纪, 就有人设想过, 但泄漏问题是这种发动机发展的致命弱点。它结构紧凑，运转平稳，是高速车用发动机的发展方向之一。1956 年德国工程师汪克尔制造出样机。目前日本已用于小轿车上，时速 200 km/h 左右。但光泄漏损失就要占30%以上。目前我国苏杭等地已经生产出了样机。与往复式比较应特别注意的一点是，往复式活塞在上下止点都稍有短暂的停留，与一般认为的观点相反，运动方向的这些改变并不影响它的效率;也就是说，在这个过程中，并没有什么固有的损失。旋转式比往复式的优越之处主要是几何形状上的紧凑性及由此而引起的一些优越之处，并非直接在气体动力学和热力学方面有何优越之处。
3 摆动活塞式 (ROCKING PISTON ENGINE)
1979年日内瓦发动机展览会上，展出了瑞士索罗图恩的萨尔茨曼(W. Salemann )设计部门的摆动活塞式发动机。
4 斯特林 (THE STIRLING ENGINE)
1816年由罗伯特·斯特林设想在气缸外部燃烧的一种热力发动机(外燃机)，是现代发动机引人注目的一种。
5 自由活塞式 (FREE PISTON ENGINE)
只相当于涡轮发动机的燃气发生器。
(二)往复活塞式发动机的分类
我们这门课主要研究目前汽车上广泛应用的往复式活塞发动机。
1 按用途分类
(1) 灌溉(抽水)用 点工况
(2) 电站用 n = const. 线工况 固定式柴油机或机组
(3) 船舶用 Ne = k n3(螺旋桨曲线) 线工况 大型、低速柴油机 (4) 汽车、拖拉机用 变工况-面工况 中小型、高速柴油机 (5) 发动机车 大型高速柴油机组
(6) 工程机械 (矿山机械、建筑、石油钻探) 多变型 (7) 坦克 V型、多缸机
(8) 飞机 星型 (径向式) 已基本不用
2 按燃油种类分类
汽油机，柴油机
3 按点火方式分类
自行着火 (压燃式)，外源点火 (点燃式)
4 按工作循环分类
四冲程，二冲程
5 按冷却方式分类
水冷，风冷
6 按汽缸排列分类
直列式，卧式，V型，星型 (径向式)
7 按汽缸数目分类
单缸机，多缸机 (2，3，4，5，6，8，10，12，14，16缸„)
8 按转速分类 (1) 低速: n < 500 r/min (2) 中速: 500 r/min < n < 1500 r/min (3) 高速: n > 1500 r/min 但没有明确的界限。
9 按增压分类
增压，非增压
10 按能源分类 (代用燃料)
压缩天然气，液化天然气，液化石油气，氢气，
甲醇，乙醇，二甲醚，植物油，
电瓶，太阳能
二 优缺点
(一) 优点 1 有效热效率高
蒸汽机 11～16%，蒸汽轮机 30%，
汽油机 30%，柴油机 40%，增压柴油机 46%以上 2 功率范围广
Ne = 0.6～35000 kw 3 比重量小，升功率大 (体积小、重量轻)
比重量: 柴油机 3.7 kg/kw，车用汽油机 1.37 kg/kw 4 起动性好
可很快达到全负荷
(二) 缺点 1 对燃料要求高
石油紧张，汽油、柴油价格高;要求一定的标号。 2 噪声、排污 3 结构较复杂
三 现代发动机的发展
60 年代以前: 动力性，可靠性，耐久性 70～80年代: 经济性，动力性 90 年代口号: 清洁，经济，安全 1 相关学科日益增多，学科之间相互渗透 2 标准化，系列化，通用化 (三化) 3 新材料，新工艺，新产品
4 使用计算机设计、计算零部件及其配合，精密、准确、优化 5 设计、零部件生产商 分散集中分散
由分散的小公司到集中的大型脱拉斯，如今又分散到小公司，其主要原因是优
化产品，节省开支，降低成本。甚至象丰田、宝马这样的超级企业有时也需合 作开发新产品。
6 电控应用日益增多，混合气制备更加完善 7 检测设备与手段先进
8 低排放的代用燃料发动机正在普及，零排放的正在开发并进入实用
四 本课程的研究对象和任务
(一) 对象
本课程以性能指标作为研究对象
深入到工作过程的各个阶段，分析影响性能指标的各种因素，找出规律，研究提高性能指标的措施与途径。
(二) 性能指标
1 动力性指标 (功率、扭矩、转速)
2 经济性指标 (燃料和润滑油的消耗量及消耗率) 3 运转性指标 (冷起动性、噪声和排气品质)
衡量发动机的质量，还要考虑可靠性，耐久性，加工容易，操纵维修方便，成本核算等，全面综合评定。
(三) 工作过程
发动机冲程 (四个): 吸气 压缩 做功 排气
热力过程 (五个): 吸气 压缩 燃烧 膨胀 排气
燃烧 膨胀 为能量转换过程
(四) 任务
研究热力过程，热力循环，整机性能
明确基本概念，基本技能。培养综合分析问题的能力。
(五) 单位制
我国的法定计量单位
第一章 发动机工作循环及性能指标
§1-1 发动机理想循环概述
一 实际循环向理想循环的简化
(一) 实际循环 (以车用柴油机为例)
1 进气过程: 0～1 ( p > p0p < p0 )
2 压缩过程: 1～2 ( p，T )
初期: 工质吸热;后期: 工质放热。
3 燃烧过程: 2～3～4 ( p，T ) 4 膨胀过程: 4～5 ( p，T )
初期: 工质放热;后期: 工质吸热。
5 排气过程: 5～0 ( p > p0 )
(二) 实际循环的简化
1 忽略进、排气过程
2 压缩、膨胀过程 (复杂的多变过程) 简化为绝热过程
3 燃烧过程简化为定容加热过程 (2～3) 和定压加热过程 (3～4) 4 排气放热简化为定容放热过程 5 假定工质为定比热的理想气体
二 理想循环及其分析比较
(一) 混合加热循环
-车用柴油机的理想循环
1 循环特征参数 (1) 压缩比
v
1
v2(2) 压力升高比
p
3
p2(3) 预胀比 v
4
v32 热效率
w0q2q2v t 11q1q1q1vq1pk1
计算得: t1k1
(1)k(1)13 分析 (1) 为定值
t ; t 。 = 1 t = const. (汽油机，定容加热循环)
(2) t ;当 = 20 左右时， t 不大
柴油机 = 12～22
(二) 定容加热循环 (奥托OTTO循环)
- 汽油机的理想循环
1 热效率
v4
因为: 预胀比 1
v3
所以: 热效率 t12 分析
= 1 t = const.
t ;当 = 10 左右时， t 不大
且汽油机容易爆燃，因此，汽油机 = 6～10
1k1
(三) 定压加热循环 (狄赛尔DIESEL 循环)
-船舶用大型低速柴油机的理想循环
1 热效率
p3
因为: 压力升高比 1
p2k1
所以: 热效率 t1k1
k(1)12 分析
(1) 为定值 t
(2) 为定值 t
(四) 三种理想循环热效率的比较
1 初态1相同，压缩比相同，加热量q1相同
t,vt,mt,p
2 初态1相同，最高压力pmax、最高温度Tmax相同，放热量q2相同
t,vt,mt,p
§1-2 发动机实际循环
发动机理想循环加上各项损失后， 即可分析发动机的实际循环。
一 工质改变损失
(一) 工质性质
理论上: 理想气体，双原子气体。
实际上: 燃烧前: 燃料+空气;
燃烧后: 燃烧产物。
(二) 比热
理论上: 定比热
实际上: 温度T 比热C
(三) 高温分解
例
C + O CO + 热量 [+ O] CO2 + 热量
其中 CO 为中间产物，CO2 为最终产物。若遇高温，则会发生复分解反
应，即高温分解:
CO2 CO + Op’)无关, 只决定于排气阀开启面积和气体状态。
4 亚临界排气 D
p = 1.9 p’ 排闭。
其流量取决于压差 (p油滴平均直径 匀：雾化好
粒细均匀度好，粒粗均匀度差。
(四) 喷油规律
单位时间(或曲轴转角)的喷油量随时间(或曲轴转角)的变化规律。
喷油规律影响放热规律，放热规律影响动力性、经济性和排放。 1 喷油延迟角
喷油提前角 — 开始喷油 上止点的曲轴转角。
’ — 上止点 停止喷油的曲轴转角。
喷油延迟角’ — 开始喷油 停止喷油的曲轴转角。 2 喷油延迟角对性能的影响
’ 喷油持续时间长, 工作柔和，但油耗增大, 排放变差。
’ 喷油持续时间短, 油耗下降, 排放好，但工作粗暴。
3 喷油延迟角的比较
a. ’
油耗, 排放好，但工作粗暴。 b. 先急后缓
工作粗暴。
’
油耗 , 排放差。 c. 先缓后急
工作柔和。
’
油耗 , 排放好, 尽量采用，但很难做到。
(五) 喷油嘴
1 孔式喷嘴
主要用于直喷式燃烧室中。
孔数: 1～5个， = 0.25～0.8 mm。
雾化好，但易阻塞。孔数越少，雾化越好，但也易阻塞。 2 轴针式喷嘴
主要用于分隔式燃烧室中。
= 1～3 mm，通道间隙 = 0.025～0.05 mm。
雾化差，但有自洁作用，不易阻塞。
三 气流运动对混合气形成的影响
(一) 气流运动的作用
(二) 气流运动
组织气流运动，加速混合气形成。
1 进气涡流
使进气气流相对于汽缸中心产生一个力，形成涡流。
(1) 切向气道
特点: 气道母线与汽缸相切。
优点: 结构简单，气流阻力小 v
缺点: 涡流强度对进气口位置敏感。 (2) 螺旋气道
特点: 进气道呈螺旋型。
优点: 能产生强烈的进气涡流。
缺点: 工艺要求高，制造、调试难度较高 2 挤气涡流
活塞上行: 将活塞顶隙的气体挤出流向燃烧室中，形成挤气涡流。
活塞下行: 燃烧室中的气体流向活塞顶隙处，形成反涡流。
挤气间隙 挤气涡流强度
挤气面积 挤气涡流强度
挤气涡流虽然不如进气涡流强，但它的形成正好处于压缩冲程终了，此时进气涡流已经衰减得很弱，所以挤气涡流就显得相当重要了。
3 燃烧涡流
燃烧在燃烧室中产生压力差，形成燃烧涡流。
尤其是分隔式的涡流室型燃烧室，汽缸盖内的 副燃烧室中的燃料燃烧后，高压混合气流和火焰高 速喷向活塞顶部的主燃烧室中，由于主燃烧室的导 向作用，形成燃烧涡流，或称二次涡流。
(三) 热混合作用
1 刚性涡流
涡流中心质点速度为零，越向边缘速度越大。
2 势涡流
涡流中心质点速度最大，压力最小。越向边缘速度越小，压力越大，壁面处速度为零。
一般认为涡流为势涡流。
3 热混合作用 (主要在涡流室型燃烧室的涡流室中产生)
涡流中的质点受两个力作用，离心力使质点向外运动，压差力使质点向中心运动。
若 ’ — 质点密度， — 空气密度。
当 ’ = 时，— 质点作圆周运动。
当 ’ > 时，— 离心力为主，质点呈螺旋形向外运动。
当 ’ < 时，— 压差力为主，质点呈螺旋形向中心运动。
液体油、燃油蒸汽: ’ > 400 ，向外运动。
燃烧产物: ’ < 0.3 ，向中心运动。
燃烧产物将新鲜空气挤向外围与燃油混合，并使混合气与燃烧产物分开，火焰呈螺旋形向中心运动，这就是热混合作用。
§3-2 柴油机的燃烧过程
一 燃烧过程的特点和柴油机燃烧的主要研究方向
(一) 燃烧过程的特点
1 高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气。 2 压缩自燃。
(二) 柴油机燃烧的主要研究方向
1 喷油雾化 2 喷油规律 3 气流运动 4 燃烧室结构
配合要好。
二 燃烧过程
白班7时30分出勤，19时退勤。夜班19时出勤，次日7时30分退勤。 工作前;
1、必须充分休息，严禁饮酒，保证精力充沛。
2、提前10分钟到岗，按规定穿戴好劳动保护用品，携带必备工具，准时参加出勤班前会。
3、认真听取值班员传达各项命令、指示及有关注意事项。朗读《岗前安全承诺》内容，认真履行安全承诺签字程序。
4、接车;认真查看交接簿，与交班司机对口交接，了解机车质量状态、运用情况，按照“日常交接班检查标准”程序，认真检查机车，发现故障及时报告值班员及时处理，确保设备完好，正点出库作业。 整备完毕，准备出库。 工作中; 作业前准备
5、认真听取调车员传达作业计划并复述传达给副司机。
6、与调车员、连接员、调度员共同测试无线调车系统，确保语音清晰无误，状态完好。
7、按照“五步闸”检查方法，检查试验制动机，确保制动、缓解作用灵敏，状态完好。 作业规则
8、要认真执行《调车员、乘务员安全标准用语》，按标准作业程序作业，不得简化作业过程。
9、熟知厂内作业现场及线路情况，如坡道、弯道、道口、道岔、厂房、瞭望死角、管道等影响行车安全的因素。
10、严格执行厂内各线路的限速规定，严禁超速运行，在通过危险路段时，必须按照“铁路信号标志牌”鸣笛或减速运行。
11、不间断瞭望，严格执行“呼喊应答”制，通过扳道区必须两人确认信号，信号不明或无信号，必须停止作业，在警冲标内停车，严谨主观臆测作业。
12、严禁无操纵权者操纵机车。对有操纵权的副司机，必须在司机的监护下方可操纵机车作业。
13、运行中应经常观察各种仪表显示是否正常，随时注意机车运转状态，发现异常应立即停车，查明原因，禁止带病运行。
14、严禁在作业时做与工作无关的事情(闲聊、看书报、玩手机游戏、睡觉等)。
15、司机室内禁止存放书本，报刊，杂志等娱乐性用品。
16、机车作业中，乘务员严禁离开机车，严禁巡间检查机车。如必须要检查时，一定要通知调度员、调车员，停车后进行检查。 作业标准
17、挂车作业标准;以(乘务员、调车组标准用语)作业程序为准。
18、顶进作业标准;以(乘务员、调车组标准用语)作业程序为准。
19、牵引作业标准;以(乘务员、调车组标准用语)作业程序为准。 20、掩车作业标准;以(乘务员、调车组标准用语)作业程序为准。
21、进入车间作业标准;以(乘务员、调车组标准用语)作业程序为准。
22、取、送特种车作业标准;以(乘务员、调车组标准用语)作业程序为准。 工作后
23、机车完成作业回库后，应关闭机控，小闸置放于制动位，并打好止轮器。
24、严格执行交接班制度，认真检查机车各部运转状况并做好记录，做到交班不交活。
25、整备擦车时要与副司机联系好，做好防护，需动车时要两次鸣笛方可启动。
26、交班后把本班的作业事项、安全情况、设备状态及《工作完成报告单》汇报给值班员，特殊情况参加交大班。
内燃机车是怎样工作的
混合型内燃机车是对动力独创性的一种难以相信的表现。他将一些伟大的机械技术包括了一个庞大的系统，12缸二冲程柴油发动机与一些重型电动机和发电机结合起来，里面投入了很少的计算机技术用于良好的检测。
这是27000磅的机车被设计用于牵引客车车辆以177Km/h运行。这台内燃机车产生3200马力的功率，发电机可以将它变成接近4700A的电流。四台牵引电动机利用这相电流会产生超过6400磅的推力。为了向其他列车提供功率，将V-12发电机完全分开。它的前端动力装臵可以将电功率变成560Kw。
内燃机与电力发电机和电动机的结合将机车变成一台混合型的车辆。在这篇文章中我们将学到为什么机车以这种方式构造，为什么他们会有钢轨。接下来我们将看一下布局和关键部分。
为什么是混合型?为什么是柴油机车?
内燃机车是混合型的主要原因是：这种方式排除了就像在汽车构造中对机械传动装臵的需要。让我们去搞懂为什汽车需要这种传动装臵。
汽车需要传动装臵是由于汽车的物理现象。首先，任何引擎都有一个极限时速，即每分钟最高转速，如果超过这个值，引擎将会爆炸。其次，如果你读了功率是怎样工作的，你会知道在功率和转速达到最大值时引擎会有一个狭小的转速范围。例如一台引擎或许在时速5200到5500rpm时产生它的最大马力。汽车传动系统在加速和减速时引擎和驱动轮之间的传动比发生变化。改变传动装臵以便引擎可以保持低于极限时速并且接近传动速度的最佳特性。
五速或六速变速箱在大多数汽车上可以达到177Km/h，引擎速度范围在500到600r/min。内燃机车的发动机的速度范围很小。他的空转速度约为269r/min,最大速度仅仅为904r/min。像这样的速度范围，柴油机将需要20-30齿的传动装臵。 为什么是内燃机?
一辆大型的机车以1.5加仑/min，牵引五辆客车，柴油机比汽油及效率高。当机车牵引几百辆重载货车会超过几倍的燃料，因此即使效率减少5%-10%，将会对燃料消耗有很大的增加。
钢轮
以前猜想为什么火车使用跟钢轮而不像汽车一样使用轮胎?它是为了减少滚动摩擦。当汽车在高速公路上运行时，大约25%的发动机功率用于使轮胎压向道路。当他们滚动时轮胎弯曲或变形会浪费大量能量。
轮胎上使用的大量的能量部分用于支撑它上面的重量。因为汽车是相对较轻的，所以部分能量也是可以接受的。(如果你想节省一些汽油，可以买低滚动助力的轮胎)
一列火车的重量是一辆汽车的几千倍，在衡量用于推动列车力的大小时，滚动阻力是最大的因素。火车车轮和钢轨的接触宽度小，接触区域大约仅有一块一角硬币大。
通过在钢轨上使用钢轮，使大量的变形变小了，它减小了滚动阻力。事实上，火车是运载重型货物最便捷的方式。
车轮的底侧没有大的牵引力。在下一部分，我们将讨论这一问题有趣的解决办法。
牵引
当列车转向时牵引并不是问题，因为车轮有轮缘保持他在轨道上，担当列车在制动和加速时牵引便是一个问题。
这台机车可以产生64000磅的推力。但是为了有效利用这个推力，及车上的八个车轮必须将这个推力用于轨道上，而没有滑动。机车会利用一个巧妙的方法增加牵引。
在两个车轮的前面是喷嘴，砂被储藏在机车的两个砂箱中利用压缩空气喷砂。砂可以明显的增加动轮的牵引。列车有一套动力牵引系统，当车轮打滑或当发动机紧急停止时，它会自动启动撒砂装臵。这套系统也可以减少牵引电动机动轮滑行时的功率。 主要机器和发动机
巨型二冲程12缸涡轮增压电力发电机提供重载列车在高速行驶所需的大量功率。单个发动机重超过30000磅，发电机重17700磅。
司机室
机车的司机室位于它自己的悬挂系统上面，为了保护它不被撞击对电动机进行了隔离。座位也有一套悬挂系统。
在司机室的里面有两个座位，火车司机一个副司机一个。司机主要完成机车的所有控制，副司机只负责无线电设备和列车制动的控制。在司机室前端的右侧有一个卫生间。 转向架
转向架是两根车轴,车轮,牵引电动机,齿轮箱,悬挂装臵和制动装臵的完整组装。 前端动力单元
前端动力单元由另一个柴油发电机组成，这是一个四冲程12缸双倍涡轮增压带履带装臵的发电机。这个发电几比几乎任何小型转向架上的发电机有更强的动力。他提供480V三相交流电,功率高于560Kw，用于其他列车，空调，照明和厨房设备。将一个完全独立的发电机用于这些系统，即使主发电机停止了，它仍能保持乘客舒适。它也减轻了主发电机的载重。
燃料箱
在级车的下腹部是一个可以容纳2200加仑柴油的大型油箱，它是被隔开的，因此如果任一部分被毁坏或发生泄漏，泵可以将燃油从这部分移出。
电源
机车控制公称64V的电力系统。机车有8个8V的电源，每个重136kg。这些电池提供发电机启动所需的能量，也用于机车上电子设备的运行。当主发动机工作时，一台发电机提供用于电子设备和电源设备的功率。
发动机和发电机
这台机车的主发动机是通用汽车EMD710系列发动机。710意思是在每个涡轮增压二冲程12缸的发动机有一个710立方英尺的排水量。它的大小是最大的V-8型汽油机的两倍。
为什么采用二冲程呢?即使发动机是庞大的，如果它像大多小型柴油机采用四冲程
迪塞尔循环，将仅仅产生一半的能量。因为二冲程产生的能量是四冲程的两倍多。事实证明二冲程柴油机比二冲程汽油机性能更优良，效率更高。
你可能会想，如果这台发动机的大小是V-8型汽油机的24倍，并且使用二冲程发电机代替四冲程，但为什么它产生的能量仅仅是10倍?原因是这台发动机用于连续不断的产生3200马力的功率，并且它可以持续几十年，但如果发电机以全功率工作，持续工作一周算是比较幸运的。
以下是这台发动机的规格：
汽缸数：12
空气压缩率：16:1
每个气缸排气量：11.6L
气缸直径：230mm
气缸行程：279mm
全速：904r/min
怠速：269r/min
这台大型的发电机由等大的发动机钩住。这台发动机直径约为1.8m，重8029kg，当以最大功率工作时可以供给相邻1000家住户的电能。
所有这些电能用于何处呢?它用于转向架上四台大型发电机。
转向架：推动装臵和悬挂装臵
转向架是火车上最重的部分，每个转向架重16783kg。转向架的作用很多，它支撑车体的重量，提供动力装臵，悬挂装臵和制动装臵。你可以想象到它是多大的结构。 动力装臵
牵引电动机提供每根轴上车轮的推动力。每台电动机驱动与车轴上大齿轮啮合的小齿轮。由于齿轮齿数的减少使电动机可以驱动列车以110km/h的速度运行。
每台电动机重2722kg可以带动1170A的电流。
悬挂装臵
转向架也提供了机车的悬挂装臵。有一个大的转动的轴承，可以允许车体在转向架的中心点处转向，支撑机车重量。在中心点的下方是一个大的板簧放臵在平台上。这个平台由四根大的转向架装配的金属链悬挂。这些金属链允许及车在两边摇动。
机车的重量由板簧承载，当遇到撞击时它会被压紧。这样使机车车体与撞击相互隔离。铁链允许转向架发生起伏时它可以在两边移动。转向架并不完全是直线型的，在高速时，如果转向架不能向旁侧摇动，转向架上小的变动将会导致艰难的运行。这个系统也保持每根轨道上重量相对平衡，减少在轨道和轮子上的磨损。
转向架：制动装臵
制动装臵是由一个压力活塞将制动板压向车轮的外表面。
机车与机械制动装臵的结合使其具有了动力制动。以这种方式每四个牵引电动机就像一个发电机，有列车的车轮利用电动机的转矩产生电流，也可实现电动机的减速。电机产生的电流被转到一个巨大的有阻抗的网丝上，他将电流转化成热。冷却风扇通过网丝吸收空气并将其从机车的顶部排出，被称为世界上最强的头发风干机。
在转向架的后面有个手制动机，即使火车也需要手制动。因为制动装臵是气动的，他们只有在压缩机工作时才起作用。如果列车停车一段时间时，将没有压缩空气保持制动装
臵工作，没有手制动机和失效保持的压缩空气容器，由于列车巨大的重量和轨道与车轮之间低的滚动摩擦，即使一段小小的斜坡也能使列车滚动。
手制动器是有一个曲柄拉着一个链条，制动时曲柄依次拉紧链条，链条拉着活塞产生制动。
驱动机车
启动火车比启动汽车复杂点，你不仅仅是进入司机室转动钥匙，然后驾驶机车离开。 首先火车司机爬上2.4m高的梯子进入司机室走廊，关闭闸刀开关事电源与开始电路连接。然后将断路开关板上的开关转换成100，它便提供所有照明和燃油泵的能量。
接下来，司机走进发电机室的走廊控制里面的开关，使燃油系统准备就绪，确保系统中没有空气。然后伺机将开关转向另一边是启动电动机工作，这样发动机开始工作了。
接下来，司机进入司机室监控测量仪表，设臵压缩机已经增压的制动系统，然后到列车的后部解除手制动。
最后司机返回到前端司机室进行控制。一旦允诺管理员列车可以移动，司机要连续不断的按铃，并且要听到两次汽笛声。
油门控制由8个位臵，运行时要加到一个理想的位臵。每个油门位臵叫一个等级，一级是最低速，八级是最高速。列车移动司机要解除手制动并将油门推到一级。
通用汽车公司EMD710系列发动机，将油门调至一级将有一系列开关工作。这些开关从主发电机连接到牵引电动机。每一级，开关会有不同的组合，产生不同的电压。开关的一些组合会使发电机某一部分绕成各种结构，产生一个更高的电压，而将其绕成平行结构会产生一个更低的电压。高压时牵引电机会产生更高的功率。
当电流接触器参与时，发动机数字化控制调节燃料喷射器产生更高的功率。
制动控制改变制动缸里的空气压力并将压力用于刹车片，同时它也混合了动力制动，利用电动机使列车减速。
司机也有其他控制，并且也有指示灯。
一台数字化的显示器陈列出来自传感器的机车上所有数据。它提供给司机或检修工的信息可以帮助他们诊断一些故障。例如，如果油路的压力变高时，可能表明滤油器被堵住了。
驾驶列车
客车的布臵是相当豪华的。这列车是皮埃蒙特，每天从罗利通往加利福利亚北部。比起航空线路这列车的座位可以是躺的，并且有更多的放脚空间，也有脚踏板。
虽然比起飞机乘坐火车或许慢点，但它舒适，并且有更多的空间可以走动，你可以到餐车上用餐，也可以到顶部的瞭望车观看风景。有的列车甚至为头等座乘客提供了私人房间，乘坐火车也是一个好的选择。
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