基于TRIZ理論的車用汽油機稀薄燃燒技術的應用

馬冬

摘 要：面對能源緊缺、復雜的環境問題以及嚴格的排放法規，傳統燃油車的發展正面臨著嚴峻挑戰，合理、有效的運用現代設計方法開發出低排放、高效率的車用汽油機產品。稀薄燃燒技術具有良好的排放特性和燃油經濟性，正逐漸成為發展車用汽油機的一個重要方向，但稀薄燃燒目前還存在一些問題。本文針對稀燃技術所存在的問題，運用TRIZ理論快速、高效地設計出一種新型的可變渦流進氣結構，改善了發動機的稀燃能力。

關鍵詞：車用汽油機;稀薄燃燒;TRIZ理論;可變渦流進氣結構

1 TRIZ理論矛盾分析方法

創造性地解決問題的方法（TRIZ）是前蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒根據當時全世界兩百多萬高質量的發明專利歸納創造的一套完整的解決發明難題的系統工具與方法，集成了發明創新理論與方法，其主要包含了分析矛盾的方法與工具、40條發明原理、解題模型、標準解法，TRIZ理論給發明創造者展現了一個思路清晰的解決問題流程圖，一改之前靠經驗、靈感或多次嘗試的解決難題的思路，大大提升了發明創新能力和工作效率，所以說TRIZ理論是世界上實用而先進的創造性地解決問題的方法學，具有“超級發明術”之稱[1]。

TRIZ理論矛盾分析方法有效的結合了所要解決問題的理想化結果與實際情況下的矛盾，以此形成了一種強說服力的解決發明難題理論。TRIZ理論矛盾分析方法認為，所謂的現代創新設計指在解決所面臨的矛盾，這也是發明的核心之處，只有在設計過程中逐漸地發現矛盾并合理地解決矛盾，這樣才能不斷的推動發明設計向我們所要的理想化狀態前進，解決或者避開設計中的矛盾標志著產品的創新性，從而產生出具有競爭性的結果[2]。TRIZ理論中的40條發明原理是解決矛盾的密鑰之一，它打開了一扇解決發明難題的大門，將發明創造由神奇推向科學，讓認知為不可能解決的難題變為可能，并且逐漸地取得突破性的進展。目前，TRIZ理論所涉及的四十條發明原理已從過往的工程領域傳播到醫學、教育、電子等如今的各個領域，四十條創新發明原理的廣泛運用，產生了數以萬計的發明專利。

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域;然后矛盾創新解，即根據沖突區域到沖突矩陣表中找到相對應的推薦的發明原理，依據推薦的創新原理分析能不能有效地解決該問題，選擇出最優的發明原理;如果問題明確，但是卻無從下手，則應該用“效應”來解決;最后在對設計結果進行可行性分析之后，若發現新的問題，再按照上述步驟進行解決，直到不出現新的問題為止，則執行設計[3]。

2 基于TRIZ理論的設計

2.1 具體分析問題

雖然稀薄燃燒技術具有良好的排放特性和燃油經濟性，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，從而增加著火的時間延遲，伴隨著前者，進一步降低了火焰的擴散速度，使得缸內混合氣不能完全燃燒。②汽油機采用稀燃的技術，火花塞四周的混合氣勢必有些地方混合氣濃度過大或者過低，假如火花塞點火的區域混合氣濃度過低，則點火需要能量的最小值將增大，很難形成火核，不僅僅增加點火的難度，還加大了滯燃期，增加了MBT，將降低汽油機的燃燒效率。③由于火花塞四周所處的區域是整個缸內燃燒的高溫部位，當其空間的混合氣濃度過大或者過低，將導致NOx的生成量變大，與此用時，還阻礙了尾氣處理中NOx的還原反應。④汽油機采用稀薄燃燒的方式時，點火提前角的控制、噴油定時的設置都與汽油機的空燃比相關聯。與此同時，為了稀薄燃燒技術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：當前汽油機稀薄燃燒技術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的整體性能，主要解決減少火焰的發展期和燃燒所進行的持續時間，所以汽油機采用稀燃會增加整個系統的復雜性。

沖突區域：經過以上的具體分析問題、問題描述以及抽象后的結果，根據TRIZ理論矛盾分析方法中的沖突分析可知，沖突發生在兩個通用工程參數NO.35適應性及多用性與NO.36裝置的復雜性之間，即稀薄燃燒改善車用汽油機的燃油經濟性以及改善了排放，但其裝置的復雜程度將增大。

2.2 矛盾創新解

將上述的兩個通用工程參數NO.35和NO.36代入沖突矩陣，得到如下四條推薦的發明原理，分別為：NO.29氣動與液壓結構原理;NO.15動態化原理;NO.28機械系統的替代原理;NO.37熱膨脹原理。

依據以上四個創新原理，經過分析可知，NO.29氣動與液壓結構原理、NO.28機械系統的替代原理以及NO.37熱膨脹原理不能很好地解決該問題，而NO.15動態化原理對于解決該問題具有一定的可行性。

根據由沖突矩陣得出的創新原理，在不改變現有汽油機的結構基礎之上，在汽油機缸蓋內進氣道與進氣歧管的接觸面上，安裝一種通過閥片的左右移動來改變進氣渦流強度的進氣結構。通過滑動式閥片的移動可以使兩個進氣道流通面積產生變化，當兩個進氣道全部打開時，氣缸內的渦流強度變小;當兩個進氣道中打開其中一個進氣道，另一個進氣道保持為原有狀態，或者兩個進氣道全部關閉，此時氣缸內的渦流強度變大。汽油機在高轉速的運轉條件下，移動閥片打開所有進氣道;在低轉速的運轉條件下，移動閥片調小某一個進氣道或者完全關閉。

3 結語

TRIZ理論矛盾分析方法顛覆了傳統的創造發明思路，通過系統的工具與方法，解決發明過程中的難題，使發明創造變得更加合理、高效。本文針對稀燃技術所存在的問題，運用TRIZ理論快速、高效地設計出一種新型的可變渦流進氣結構，改善了發動機的稀燃能力。

參考文獻：

[1]謝里陽.現代機械設計方法[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]檀潤華.技術創新理論（TRIZ）及應用[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]劉訓濤，曹賀，陳國晶.TRIZ理論及應用[M].北京：北京大學出版社，2011.