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1、内燃机热负荷与热强度Thermal loads and Strength of Internal Combustion Engine课程代码：04410096学分：2学时：32 （其中：课堂教学学时：28 实验学时：4 上机学时：0 课程实践学时:0 ） 先修课程：热力发动机构造、传热学、内燃机学、热能与动力工程测试技术 适用专业：能源与动力工程（动力机械工程及自动化）教材：内燃机热负荷与热强度、肖永宁、机械工业出版社、1988年出版。一、课程性质与课程目标（一）课程性质（需说明课程对人才培养方面的贡献）内燃机热负荷与热强度是动力机械工程及自动化专业本科生的一门理论性与实践性很强的 专业选修课
2、，应在修完专业课后讲授，它建立在发动机构造、大学物理、内燃机学、传热学等课程 的基础之上。通过本课程教学使动力机械及自动化专业及相关专业的本科生掌握内燃机中传热与温 度分布的基本规律，本课程重视理论与实践的结合，培养学生分析内燃机热负荷故障、提高内燃机 可靠性及综合性能指标的能力；同时，可为学生毕业就业于汽车相关行业进行设计、动力机械应用、 工程问题解决方案等提供先期条件，也可为进一步深造提供一定的科研基础。（二）课程目标（根据课程特点和对毕业要求的贡献，确定课程目标。应包括知识目标和能力 目标。）课程目标1:掌握内燃机中传热现象的基本规律，熟悉内燃机受热零件温度场分布特征。课程目标2： 了解
3、内燃机结构因素及运转因素对内燃机热负荷的影响规律。课程目标3：掌握内燃机受热零件稳态温度和瞬态温度的测量方法。课程目标4：掌握内燃机传热与热负荷的试验方法、测试技术及数值模拟理论与技术。课程目标5：培养学生分析内燃机热负荷故障、提高内燃机可靠性及综合性能指标的能力。注：工程类专业通识课程的课程目标应覆盖相应的工程教育认证毕业要求通用标准；（三）课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系（认证专业专业必修课程填写）2017年09月22 日1 .毕业要求1-1:具有系统的能源与动力工程专业知识，能够将数学、自然科学、工程基 础和专业知识用于解决能源与动力工程领域的复杂工程问题，了解能源与动力工程专业的
4、前沿发展 现状和趋势。2 .毕业要求2-1:掌握文献检索、资料查询及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法, 能够应用数学、自然科学基本原理，通过文献研究，识别、分析相关工程问题，获得有效结论。3 .毕业要求3-1:能够设计满足特定需求的动力机械系统、部件或工艺流程，在设计环节 中能体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。4 .毕业要求4-1:具有一定的科学研究能力，能对动力机械相关工程的设计方案和试验数 据进行分析，并通过信息综合获得合理有效的结论。5 .毕业要求9-1:具有团队合作和在多学科背景环境中发挥作用的能力，理解个体、团队 成员以及负责人的角色。程目标 毕业要
5、求指蔡课程目标1课程目标2课程目标3课程目标4课程目标5毕业要求1-1毕业要求2-1毕业要求3-1毕业要求4-1毕业要求9-1注：课程目标与毕业要求指标点对接的单元格中可输入也可标注“H、M、L-o二、课程内容与教学要求（按章撰写）第一章传热基础（一）课程内容（1）热传导（2）对流换热（3）热辐射（二）教学要求（1）理解导热基本定律，能够求解多层平壁导热和多层圆柱壁导热。（2）理解对流换热的基本概念、特点和分类，掌握热边界层厚度与流动边界层厚度的区别和联 系，了解对流换热微分方程组的边界单值性条件。（3）掌握热辐射在机理上与导热和对流的区别，理解普朗克定律、维恩（位移）定律和斯忒芬 波尔兹曼定
6、律，并能够灵活应用它们解释一些辐射规律。（三）重点与难点.重点传热学的基础概念：热传导、温度场、对流换热、热辐射、黑体、镜反射、漫反射、全反射、 辐射力和辐射强度；传热学的基本定律：傅里叶定律、普朗克定律、维恩（位移）定律和斯忒芬- 波尔兹曼定律；对流换热过程的边界条件；热辐射与导热、对流在机理上的区别。1 .难点维恩（位移）定律的理解与应用。第二章内燃机气缸内的传热（一）课程内容（1）气缸内的热流（2）瞬时放热系数a基本公式的现状和研究（3）各种参数对放热系数的影响（二）教学要求（1） 了解气缸内的传热过程，理解气缸内热流的求解方法。（2）理解瞬时放热系数&的两类基本公式，掌握各个公式的优点
7、和缺点，知道其适用范围。（3）掌握放热系数的影响因素，能根据具体情况进行选用公式。（4）掌握两类放热系数公式的型式、形成、实验条件和适用范围，了解其局限性，对影响因素 综合分析比较，能够更好地研究发展。（三）重点与难点.重点气缸内热流的求解方法：根据傅里叶定律、实测燃烧室中压力法、热力损耗角法；努塞尔特 （Nusselt）公式、Overbye公式和Sitkey公式的特点；燃烧方式对放热系数的影响，气体温度和压 力对放热系数的影响；零件不同位置的放热系数。1 .难点燃烧方式对放热系数的影响，由于内燃机燃烧组织方式对传热过程有重要影响。第三章活塞的热状态(一)课程内容(1)活塞热状态概述(2)活塞
8、温度的估算(3)活塞温度场的分析计算(4)有限单元法的理论与应用(5)设计和运转参数对活塞热状态的影响(二)教学要求(1) 了解活塞的工作状态，掌握活塞热状态的评价标准。(2)理解活塞温度估算的三种基本方法，掌握各个方法的优点和缺点，能够运用图表估算活塞 温度。(3) 了解活塞温度场分析计算的步骤，掌握活塞设计和运转参数对活塞热状态的影响规律。(4)掌握有限单元法的基本概念和单元划分规则，了解通用有限元软件的逻辑顺序。(三)重点与难点.重点活塞出现热点的区域和局部温度过高的破坏；冷却方式对活塞散热的影响；活塞温度的估算方 法：传热平衡，经验公式，用图表来估算；不同燃烧室的活塞顶/活塞裙温度分布
9、规律；采用喷油冷 却和强制冷却对活塞温度的影响；有限元的基本概念：有限元模型，自由度，节点，单元；单元划 分规则，有限元软件逻辑模块。1 .难点冷却方式对活塞温度的影响，由于涉及油孔位置、大小及冷却油流量等因素。第四章气缸盖和气缸套的热状态(一)课程内容(1)气缸盖的热状态(2)涡流室和预燃室的热状态(3)排气门的热状态(4)气缸套的热状态(二)教学要求了解气缸盖工作状态和评定缸盖热负荷的标志，掌握缸盖火力面温度分布规律和产生裂纹原因。(2)理解沸腾换热的基本概念、特点和分类，了解大容器沸腾和强制对流沸腾的区别，理解饱 和沸腾曲线。(3)掌握设计因素对气缸盖热状态的影响，了解涡流室和预燃室的温
10、度分布及随供油定时变化 规律。(4)掌握排气门损坏和故障常见的类型，并理解产生这些损坏和故障的原因；了解排气门温度 分布和传热过程。(5)掌握气缸套的壁面温度及其分布，了解缸套热流量的经验公式。(三)重点与难点.重点缸盖热负荷的评定标志；缸盖火力面产生裂纹的原因；缸盖火力面温度分布的主要影响因素； 沸腾换热的基础概念：过冷沸腾、饱和沸腾、大容器沸腾、管内沸腾；饱和沸腾曲线的特点；排气 门损坏和故障常见的类型，产生原因；排气门冷却方案；气缸套的温度分布。1 .难点缸盖火力面产生裂纹的原因和演变过程。第五章内燃机受热零件的温度测量技术(-)课程内容(1)测量零件稳态温度的方法(2)活塞温度测量技术
11、(3)缸盖和缸套温度的测量(4)气门温度的测量(5)测量中的有关误差问题(6)贯穿式热电偶(7)壁面温度波动的测量(二)教学要求(1)了解内燃机受热零件温度测量的意义，掌握零件稳态测温的要求，理解稳态温度测量的5 种方法的原理、特点和优缺点，了解热电偶材料的特点。(1) 了解活塞温度测量方法和机构特点，理解气缸盖和气缸套等固定零件温度热电偶测量，了 解气门温度测量方法。(3)掌握热电偶测量零件温度的误差及特点，知道消除这些误差的措施，掌握贯穿式热电偶的 构造、安装和使用，能够使用其测量某一局部位置的温度梯度，理解薄膜热电偶的结构，动态测量 壁面温度的波动。(三)重点与难点.重点内燃机零件测温要
12、求；稳态温度测量5种方法的原理与特点；标准化热电偶材料；活塞温度测 量方法：气缸盖上引出热电偶线的方法；气门温度测量采用热电偶法；热电偶测量零件温度的误差 和消除方法；贯穿式热电偶的构造和原理；薄膜热电偶的构造和原理。2 .难点贯穿式热电偶的构造、安装和使用。第六章内燃机的热负荷(-)课程内容(1)内燃机的热平衡(2)内燃机热流量的实际测量和计算(3)各种运转因素对受热零件温度的影响(4)结构因素对零件温度的影响(5)绝热发动机(二)教学要求(1) 了解表征内燃机热负荷的参数，理解内燃机热负荷研究的意义。(2)理解气缸中燃料燃烧放出的热量分配情况，了解零件局部热流量的求解方法。(3)掌握发动机
13、工况、供油参数等运转因素对受热零件温度的影响规律，理解压缩比、喷油器 特点等因素对零件温度的影响规律。(4) 了解绝热发动机的热力学意义和发展过程，掌握绝热发动机的材料要求和面临的问题。(三)重点与难点.重点内燃机热负荷的含义：燃料燃烧放出热量分配情况；废气温度变化规律；冷却水带走热量的经 验公式；局部热流量的3种求解方法；平均有效压力和转速对受热零件温度的影响；喷油器孔数和 喷孔直径对零件温度的影响；绝热发动机面临的问题。2,难点绝热发动机面临的问题，由于受到高温摩擦、高温润滑和成本等影响。第七章内燃机受热零件的热应力(-)课程内容(1)热应力概念(2)热弹性理论的基本关系式(3)热应力问题
14、中的几种分析解法(4)平面热应力问题(二)教学要求(1) 了解物体中产生热应力的原因，理解热应力概念。(2)掌握三论结合解决热弹性体力学问题，了解热应变的基本关系式和热弹性应变协调方程。(3)掌握用分析法解热弹性问题，了解热弹性位移势。(4) 了解热弹性力学平面问题的特点，知道平面热应力的工程实际意义。(三)重点与难点.重点热应力的概念：物体中产生热应力的三个原因；解决热弹性体力学问题的三论；广义胡克定律 的内容；热弹性应变协调方程的特点和边界条件；热应力问题的分析解法；平面热应力问题的特点; 平面热应力的意义；平面应变问题的概念；平面热应力函数。1 .难点物体中产生热应力的原因，物体可能是均
15、匀的也可能是不均匀的，内燃机受热零件的热应力通常大于机械应力。三、本课程开设的实验项目(如课程不含实验，该项可不填)注：L “类型”填验证性、综合性、设计性等;编号实验项目名称学时类型要求支撑的课程目标1热电偶测量原理及制备2综合性必做课程目标32发动机零件的温度场测量2验证性必做课程目标4. “要求”填必做、选做。实验1:热电偶测量原理及制备（-）实验目标（1）掌握热电偶测温的基本原理；（2）掌握热电偶的制备方法；2 3） 了解热电偶的校验方法，理解深对热电偶性能特点。（二）实验要求（1）学习并掌握热电偶的工作原理；（2）能够自行制备出热电偶温度计（铜-康铜）；（3）自制热电偶的分度方法的掌
16、握。实验2：发动机零件的温度场测量写明实验目标及要求。（-）实验目标（1）掌握热电偶测量发动机零件表面的温度场；（2） 了解发动机零件的温度场随发动机工况的变化规律。（二）实验要求（1）搭建好发动机台架实验平台，确保测功机控制系统正常运转；（2）将热电偶布置到待测零部件的不同区域；（3）恒定转速变负荷测量零件温度场分布，表格记录结果并绘制图;（4）恒定扭矩变转速测量零件温度场分布，表格记录表格并绘制图。四、学时分配及教学方法章（按序填写）教学形式及学时分配主要教学方法支撑的课程目标课堂 教学实验上 机课程 实践小 计第一早40004讲授法课程目标1第二章40004讲授法+讨论法课程目标2第三章
17、40004讲授法+讨论法课程目标2第四章40004讲授法课程目标5第五章44008讨论法+演示法课程目标3、4第六章40004讲授法+讨论法课程目标5第七章40004讲授法课程目标1合计2840032注：1 .课程实践学时按相关专业培养计划列入表格；2 .主要教学方法包括讲授法、讨论法、演示法、研究型教学方法（基于问题、项目、案例 等教学方法）等。五、课程考核考核形式考核要求考核权重备注课堂表现按时上课，课堂讨论10%实验成绩实验操作，实验报告10%期末考试开卷80%注：1,分学期设置和考核的课程应按学期分别填写上表。3 .考核形式主要包括课堂表现、平时作业、阶段测试、期中考试、期末考试、大作
18、业、小 论文、项目设计和作品等。4 .考核要求包括作业次数、考试方式（开卷、闭卷）、项目设计要求等。5 .考核权重指该考核方式或途径在总成绩中所占比重。六、参考书目及学习资料（书名，主编，出版社，出版时间及版次）内燃机热负荷和热强度肖永宁、潘克煜、韩国蜒编著，机械工业出版社，1988年；内燃机的传热与热负荷陆瑞松，人民交通出版社，1988年；内燃机失效分析与评估张卫正，北京航空航天大学出版社，2011。七、大纲说明（内容可包括课程基本要求、习题要求及其它一些必要的说明）（1）采用多媒体教学手段，建议采用讲授、讨论相结合，多种教学手段综合运用。（2）课后需要学生复习，多看相关文献，认真完成2次实验，以加深学生对所学内容的理解和掌握，建议利用网络教学平台。