基于TRIZ理論的車用汽油機(jī)稀薄燃燒技術(shù)的應(yīng)用

馬冬

摘 要：面對(duì)能源緊缺、復(fù)雜的環(huán)境問題以及嚴(yán)格的排放法規(guī)，傳統(tǒng)燃油車的發(fā)展正面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，合理、有效的運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法開發(fā)出低排放、高效率的車用汽油機(jī)產(chǎn)品。稀薄燃燒技術(shù)具有良好的排放特性和燃油經(jīng)濟(jì)性，正逐漸成為發(fā)展車用汽油機(jī)的一個(gè)重要方向，但稀薄燃燒目前還存在一些問題。本文針對(duì)稀燃技術(shù)所存在的問題，運(yùn)用TRIZ理論快速、高效地設(shè)計(jì)出一種新型的可變渦流進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃能力。

關(guān)鍵詞：車用汽油機(jī);稀薄燃燒;TRIZ理論;可變渦流進(jìn)氣結(jié)構(gòu)

1 TRIZ理論矛盾分析方法

創(chuàng)造性地解決問題的方法（TRIZ）是前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒根據(jù)當(dāng)時(shí)全世界兩百多萬高質(zhì)量的發(fā)明專利歸納創(chuàng)造的一套完整的解決發(fā)明難題的系統(tǒng)工具與方法，集成了發(fā)明創(chuàng)新理論與方法，其主要包含了分析矛盾的方法與工具、40條發(fā)明原理、解題模型、標(biāo)準(zhǔn)解法，TRIZ理論給發(fā)明創(chuàng)造者展現(xiàn)了一個(gè)思路清晰的解決問題流程圖，一改之前靠經(jīng)驗(yàn)、靈感或多次嘗試的解決難題的思路，大大提升了發(fā)明創(chuàng)新能力和工作效率，所以說TRIZ理論是世界上實(shí)用而先進(jìn)的創(chuàng)造性地解決問題的方法學(xué)，具有“超級(jí)發(fā)明術(shù)”之稱[1]。

TRIZ理論矛盾分析方法有效的結(jié)合了所要解決問題的理想化結(jié)果與實(shí)際情況下的矛盾，以此形成了一種強(qiáng)說服力的解決發(fā)明難題理論。TRIZ理論矛盾分析方法認(rèn)為，所謂的現(xiàn)代創(chuàng)新設(shè)計(jì)指在解決所面臨的矛盾，這也是發(fā)明的核心之處，只有在設(shè)計(jì)過程中逐漸地發(fā)現(xiàn)矛盾并合理地解決矛盾，這樣才能不斷的推動(dòng)發(fā)明設(shè)計(jì)向我們所要的理想化狀態(tài)前進(jìn)，解決或者避開設(shè)計(jì)中的矛盾標(biāo)志著產(chǎn)品的創(chuàng)新性，從而產(chǎn)生出具有競(jìng)爭(zhēng)性的結(jié)果[2]。TRIZ理論中的40條發(fā)明原理是解決矛盾的密鑰之一，它打開了一扇解決發(fā)明難題的大門，將發(fā)明創(chuàng)造由神奇推向科學(xué)，讓認(rèn)知為不可能解決的難題變?yōu)榭赡?，并且逐漸地取得突破性的進(jìn)展。目前，TRIZ理論所涉及的四十條發(fā)明原理已從過往的工程領(lǐng)域傳播到醫(yī)學(xué)、教育、電子等如今的各個(gè)領(lǐng)域，四十條創(chuàng)新發(fā)明原理的廣泛運(yùn)用，產(chǎn)生了數(shù)以萬計(jì)的發(fā)明專利。

TRIZ理論矛盾分析方法解決問題的一般步驟：概括地說，首先是分析所遇到的問題，包含問題描述和找出沖突區(qū)域;然后矛盾創(chuàng)新解，即根據(jù)沖突區(qū)域到?jīng)_突矩陣表中找到相對(duì)應(yīng)的推薦的發(fā)明原理，依據(jù)推薦的創(chuàng)新原理分析能不能有效地解決該問題，選擇出最優(yōu)的發(fā)明原理;如果問題明確，但是卻無從下手，則應(yīng)該用“效應(yīng)”來解決;最后在對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行可行性分析之后，若發(fā)現(xiàn)新的問題，再按照上述步驟進(jìn)行解決，直到不出現(xiàn)新的問題為止，則執(zhí)行設(shè)計(jì)[3]。

2 基于TRIZ理論的設(shè)計(jì)

2.1 具體分析問題

雖然稀薄燃燒技術(shù)具有良好的排放特性和燃油經(jīng)濟(jì)性，但是稀薄燃燒目前不可避免地還存在一些問題：①由于采用稀燃的方式，必然導(dǎo)致汽油與新鮮空氣組成的混合氣的濃度下降，從而增加著火的時(shí)間延遲，伴隨著前者，進(jìn)一步降低了火焰的擴(kuò)散速度，使得缸內(nèi)混合氣不能完全燃燒。②汽油機(jī)采用稀燃的技術(shù)，火花塞四周的混合氣勢(shì)必有些地方混合氣濃度過大或者過低，假如火花塞點(diǎn)火的區(qū)域混合氣濃度過低，則點(diǎn)火需要能量的最小值將增大，很難形成火核，不僅僅增加點(diǎn)火的難度，還加大了滯燃期，增加了MBT，將降低汽油機(jī)的燃燒效率。③由于火花塞四周所處的區(qū)域是整個(gè)缸內(nèi)燃燒的高溫部位，當(dāng)其空間的混合氣濃度過大或者過低，將導(dǎo)致NOx的生成量變大，與此用時(shí)，還阻礙了尾氣處理中NOx的還原反應(yīng)。④汽油機(jī)采用稀薄燃燒的方式時(shí)，點(diǎn)火提前角的控制、噴油定時(shí)的設(shè)置都與汽油機(jī)的空燃比相關(guān)聯(lián)。與此同時(shí)，為了稀薄燃燒技術(shù)具有良好的排放特性，在尾氣后處理中還需使用EGR等等。

問題描述：當(dāng)前汽油機(jī)稀薄燃燒技術(shù)所面臨的矛盾問題是燃油混合氣不能快速的完成完全燃燒，而為了提升稀燃汽油機(jī)的整體性能，主要解決減少火焰的發(fā)展期和燃燒所進(jìn)行的持續(xù)時(shí)間，所以汽油機(jī)采用稀燃會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性。

沖突區(qū)域：經(jīng)過以上的具體分析問題、問題描述以及抽象后的結(jié)果，根據(jù)TRIZ理論矛盾分析方法中的沖突分析可知，沖突發(fā)生在兩個(gè)通用工程參數(shù)NO.35適應(yīng)性及多用性與NO.36裝置的復(fù)雜性之間，即稀薄燃燒改善車用汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性以及改善了排放，但其裝置的復(fù)雜程度將增大。

2.2 矛盾創(chuàng)新解

將上述的兩個(gè)通用工程參數(shù)NO.35和NO.36代入沖突矩陣，得到如下四條推薦的發(fā)明原理，分別為：NO.29氣動(dòng)與液壓結(jié)構(gòu)原理;NO.15動(dòng)態(tài)化原理;NO.28機(jī)械系統(tǒng)的替代原理;NO.37熱膨脹原理。

依據(jù)以上四個(gè)創(chuàng)新原理，經(jīng)過分析可知，NO.29氣動(dòng)與液壓結(jié)構(gòu)原理、NO.28機(jī)械系統(tǒng)的替代原理以及NO.37熱膨脹原理不能很好地解決該問題，而NO.15動(dòng)態(tài)化原理對(duì)于解決該問題具有一定的可行性。

根據(jù)由沖突矩陣得出的創(chuàng)新原理，在不改變現(xiàn)有汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，在汽油機(jī)缸蓋內(nèi)進(jìn)氣道與進(jìn)氣歧管的接觸面上，安裝一種通過閥片的左右移動(dòng)來改變進(jìn)氣渦流強(qiáng)度的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)。通過滑動(dòng)式閥片的移動(dòng)可以使兩個(gè)進(jìn)氣道流通面積產(chǎn)生變化，當(dāng)兩個(gè)進(jìn)氣道全部打開時(shí)，氣缸內(nèi)的渦流強(qiáng)度變小;當(dāng)兩個(gè)進(jìn)氣道中打開其中一個(gè)進(jìn)氣道，另一個(gè)進(jìn)氣道保持為原有狀態(tài)，或者兩個(gè)進(jìn)氣道全部關(guān)閉，此時(shí)氣缸內(nèi)的渦流強(qiáng)度變大。汽油機(jī)在高轉(zhuǎn)速的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，移動(dòng)閥片打開所有進(jìn)氣道;在低轉(zhuǎn)速的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，移動(dòng)閥片調(diào)小某一個(gè)進(jìn)氣道或者完全關(guān)閉。

3 結(jié)語

TRIZ理論矛盾分析方法顛覆了傳統(tǒng)的創(chuàng)造發(fā)明思路，通過系統(tǒng)的工具與方法，解決發(fā)明過程中的難題，使發(fā)明創(chuàng)造變得更加合理、高效。本文針對(duì)稀燃技術(shù)所存在的問題，運(yùn)用TRIZ理論快速、高效地設(shè)計(jì)出一種新型的可變渦流進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝里陽.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]檀潤(rùn)華.技術(shù)創(chuàng)新理論（TRIZ）及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]劉訓(xùn)濤，曹賀，陳國晶.TRIZ理論及應(yīng)用[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011.