基于TRIZ理论的车用汽油机稀薄燃烧技术的应用
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作者:马冬
摘 要：面对能源紧缺、复杂的环境问题以及严格的排放法规，传统燃油车的发展正面临着严峻挑战，合理、有效的运用现代设计方法开发出低排放、高效率的车用汽油机产品。稀薄燃烧技术具有良好的排放特性和燃油经济性，正逐渐成为发展车用汽油机的一个重要方向，但稀薄燃烧目前还存在一些问题。本文针对稀燃技术所存在的问题，运用TRIZ理论快速、高效地设计出一种新型的可变涡流进气结构，改善了发动机的稀燃能力。
关键词：车用汽油机;稀薄燃烧;TRIZ理论;可变涡流进气结构
1 TRIZ理论矛盾分析方法
创造性地解决问题的方法（TRIZ）是前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒根据当时全世界两百多万高质量的发明专利归纳创造的一套完整的解决发明难题的系统工具与方法，集成了发明创新理论与方法，其主要包含了分析矛盾的方法与工具、40条发明原理、解题模型、标准解法，TRIZ理论给发明创造者展现了一个思路清晰的解决问题流程图，一改之前靠经验、灵感或多次尝试的解决难题的思路，大大提升了发明创新能力和工作效率，所以说TRIZ理论是世界上实用而先进的创造性地解决问题的方法学，具有“超级发明术”之称[1]。
TRIZ理论矛盾分析方法有效的结合了所要解决问题的理想化结果与实际情况下的矛盾，以此形成了一种强说服力的解决发明难题理论。TRIZ理论矛盾分析方法认为，所谓的现代创新设计指在解决所面临的矛盾，这也是发明的核心之处，只有在设计过程中逐渐地发现矛盾并合理地解决矛盾，这样才能不断的推动发明设计向我们所要的理想化状态前进，解决或者避开设计中的矛盾标志着产品的创新性，从而产生出具有竞争性的结果[2]。TRIZ理论中的40条发明原理是解决矛盾的密钥之一，它打开了一扇解决发明难题的大门，将发明创造由神奇推向科学，让认知为不可能解决的难题变为可能，并且逐渐地取得突破性的进展。目前，TRIZ理论所涉及的四十条发明原理已从过往的工程领域传播到医学、教育、电子等如今的各个领域，四十条创新发明原理的广泛运用，产生了数以万计的发明专利。
TRIZ理论矛盾分析方法解决问题的一般步骤：概括地说，首先是分析所遇到的问题，包含问题描述和找出冲突区域;然后矛盾创新解，即根据冲突区域到冲突矩阵表中找到相对应的推荐的发明原理，依据推荐的创新原理分析能不能有效地解决该问题，选择出最优的发明原理;如果问题明确，但是却无从下手，则应该用“效应”来解决;最后在对设计结果进行可行性分析之后，若发现新的问题，再按照上述步骤进行解决，直到不出现新的问题为止，则执行设计[3]。
2 基于TRIZ理论的设计
2.1 具体分析问题
虽然稀薄燃烧技术具有良好的排放特性和燃油经济性，但是稀薄燃烧目前不可避免地还存在一些问题：①由于采用稀燃的方式，必然导致汽油与新鲜空气组成的混合气的浓度下降，从而增加着火的时间延迟，伴随着前者，进一步降低了火焰的扩散速度，使得缸内混合气不能完全燃烧。②汽油機采用稀燃的技术，火花塞四周的混合气势必有些地方混合气浓度过大或者过低，假如火花塞点火的区域混合气浓度过低，则点火需要能量的最小值将增大，很难形成火核，不仅仅增加点火的难度，还加大了滞燃期，增加了MBT，将降低汽油机的燃烧效率。③由于火花塞四周所处的区域是整个缸内燃烧的高温部位，当其空间的混合气浓度过大或者过低，将导致NOx的生成量变大，与此用时，还阻碍了尾气处理中NOx的还原反应。④汽油机采用稀薄燃烧的方式时，点火提前角的控制、喷油定时的设置都与汽油机的空燃比相关联。与此同时，为了稀薄燃烧技术具有良好的排放特性，在尾气后处理中还需使用EGR等等。
问题描述：当前汽油机稀薄燃烧技术所面临的矛盾问题是燃油混合气不能快速的完成完全燃烧，而为了提升稀燃汽油机的整体性能，主要解决减少火焰的发展期和燃烧所进行的持续时间，所以汽油机采用稀燃会增加整个系统的复杂性。
冲突区域：经过以上的具体分析问题、问题描述以及抽象后的结果，根据TRIZ理论矛盾分析方法中的冲突分析可知，冲突发生在两个通用工程参数NO.35适应性及多用性与NO.36装置的复杂性之间，即稀薄燃烧改善车用汽油机的燃油经济性以及改善了排放，但其装置的复杂程度将增大。
2.2 矛盾创新解
将上述的两个通用工程参数NO.35和NO.36代入冲突矩阵，得到如下四条推荐的发明原理，分别为：NO.29气动与液压结构原理;NO.15动态化原理;NO.28机械系统的替代原理;NO.37热膨胀原理。
依据以上四个创新原理，经过分析可知，NO.29气动与液压结构原理、NO.28机械系统的替代原理以及NO.37热膨胀原理不能很好地解决该问题，而NO.15动态化原理对于解决该问题具有一定的可行性。
根据由冲突矩阵得出的创新原理，在不改变现有汽油机的结构基础之上，在汽油机缸盖内进气道与进气歧管的接触面上，安装一种通过阀片的左右移动来改变进气涡流强度的进气结构。通过滑动式阀片的移动可以使两个进气道流通面积产生变化，当两个进气道全部打开时，气缸内的涡流强度变小;当两个进气道中打开其中一个进气道，另一个进气道保持为原有状态，或者两个进气道全部关闭，此时气缸内的涡流强度变大。汽油机在高转速的运转条件下，移动阀片打开所有进气道;在低转速的运转条件下，移动阀片调小某一个进气道或者完全关闭。
3 结语
TRIZ理论矛盾分析方法颠覆了传统的创造发明思路，通过系统的工具与方法，解决发明过程中的难题，使发明创造变得更加合理、高效。本文针对稀燃技术所存在的问题，运用TRIZ理论快速、高效地设计出一种新型的可变涡流进气结构，改善了发动机的稀燃能力。
参考文献：
[1]谢里阳.现代机械设计方法[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2]檀润华.技术创新理论（TRIZ）及应用[M].北京：机械工业出版社，2004.
[3]刘训涛，曹贺，陈国晶.TRIZ理论及应用[M].北京：北京大学出版社，2011.
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