TRIZ理論在液壓自由活塞發動機中的應用

楊灝

（杭州錢江制冷集團有限公司，浙江杭州 311122）

液壓自由活塞內燃機(Hydraulic Free Piston Engine，HFPE)集內燃機、液壓泵于一體，摒棄了柱塞驅動機構，通過連桿將內燃機活塞與液壓泵的柱塞直接連接，燃料化學能直接轉化輸出為液壓能，減少了能量轉化損耗，有利于提高燃料熱效率，結構簡單，便于在車輛上靈活布置動力系統[1-4]。HFPE作為一種跨內燃機、液壓、微電子、控制等學科的新型動力裝置，具有廣泛的工程應用前景和重要的學術研究價值，已經成為國內外科技界的研究熱點。盡管國內外學者進行了許多研究，但仍沒有產業化，壓縮比控制是亟待解決的關鍵問題之一[5,6]。

TRIZ是由蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒提出的一種解決發明問題的方法。TRIZ理論引導發明者通過發明原理創造性地解決問題，提高研究開發的效率[7-10]。

針對液壓自由活塞發動機存在的壓縮比難以精確控制的問題，本文首先進行了因果鏈分析，然后利用TRIZ理論中的物場分析、技術矛盾理論和小人法，得到技術方案，然后經過分析確定了設計方案。

1 液壓自由活塞內燃機系統分析

1.1 問題描述

液壓自由活塞內燃機典型系統如圖1所示[11]，壓縮比作為動力模塊的關鍵參數，是內燃機的主要性能指標。由于缺少發動機曲柄連桿的約束，活塞運動的上止點和下止點是不固定的，使得HFPE壓縮比難以精確控制。

圖1 液壓自由活塞內燃機原理圖

1.2 因果鏈分析

通過因果鏈分析，可以發現問題中隱含的邏輯鏈及其形成機制，從中找出解決問題的所有可能的點，并選出最優的突破口。

因果鏈如圖2所示，通過因果鏈分析可以看出，壓縮比控制精度不足主要有以下原因：（1）噴油量的控制精度不足；（2）進氣量的控制精度不足；（3）排氣量的控制精度不足；（4）液壓室14的壓力的控制精度不足；（5）液壓室15的壓力的控制精度不足。

圖2 因果鏈分析圖

1.3 功能分析

功能分析的目的是通過分析事物組成系統的功能及作用，進而認識事物的系統特性及內部結構[12]。如圖3所示，對系統進行功能分析。

功能分析如圖3所示，通過分析可知，系統存在以下問題：（1）噴油嘴對噴油量的控制精度不足；（2）進氣口對進氣量的控制精度不足；（3）排氣口對排氣量的控制精度不足；（4）低壓蓄能器2對流動的控制精度不足；（5）高壓蓄能器1對流動的控制精度不足。因此將功能不足的功能組件剪裁掉。

圖3 功能分析圖

將進氣口裁剪掉，得到方案1：進氣口和排氣口合并為通氣口，通氣口上設流量閥，流量閥與控制器連接，根據活塞位置控制通氣口的流量；高壓蓄能器1、低壓蓄能器2與控制器連接，根據活塞位置調節蓄能器的彈簧剛度。

2 運用TRIZ工具解決問題

2.1 物場分析

2.1.1 確定關鍵問題

在進行物場分析時，首先確定關鍵問題。通過對上述因果鏈的分析，在眾多問題點中找到了產生問題的關鍵問題——噴油嘴流量、進氣流量、排氣流量不能根據動力室、液壓室14、液壓室15的壓力進行調整。

2.1.2 物場模型[13]的建立

物場模型是由兩個物質與一個場組成的完全的、最小的技術系統，描述系統中不同元素之間發生的各種相互作用。對關鍵問題建立物場模型，如圖4所示。

圖4 物場分析

在TRIZ中，在進行物場分析后，用76個標準解進行求解。現有物場模型屬于效應不足的物場模型，采用76個標準解中的第二類標準解：增強物場模型的標準解，得到如下方案：

方案2：在物場1中，引入壓力傳感器，測量作用在活塞左端面的壓力，將壓力反饋到控制系統；控制系統根據傳感器測量值，調整噴油嘴流量、進氣流量、排氣流量，使壓縮比得到精確控制。

方案3：在物場2中，引入壓力傳感器，測量作用在活塞變截面處的壓力，將壓力反饋到控制系統；控制系統根據傳感器測量值，調整噴油嘴流量、進氣流量、排氣流量，使壓縮比得到精確控制。

方案4：在物場3中，引入壓力傳感器，測量作用在活塞右端面的壓力，將壓力反饋到控制系統；控制系統根據傳感器測量值，調整噴油嘴流量、進氣流量、排氣流量，使壓縮比得到精確控制。

方案5：在物場4中，引入位置傳感器，測量活塞的位置，將活塞的位置信息反饋到控制系統；在機架和活塞上分別安裝電磁鐵，電磁鐵的電流反饋到控制系統；控制系統根據活塞的位置信息改變電磁鐵的電流，控制活塞和機架的摩擦力，使壓縮比得到精確控制。

2.2 技術矛盾

2.2.1 技術矛盾[14]的確定

液壓自由活塞內燃機(Hydraulic Free Piston Engine,HFPE)集內燃機、液壓泵于一體，去掉了柱塞驅動結構，使結構得到了簡化，同時導致活塞位置不能精確控制，因此，結構簡化和活塞位置精確控制之間是一對矛盾。

該矛盾是技術矛盾，其改善參數為N0.45裝置的復雜性，惡化參數為N0.46控制的復雜性。利用惡化參數和改善參數，查找TRIZ沖突矩陣（2003版），并得到發明原理為：3局部特性原理，37熱膨脹原理，25自服務原理，26復制原理，7嵌套原理，28替換機械系統原理。

2.2.2 利用發明原理解決問題

通過對以上發明原理的分析并進行綜合考慮，提出解決方案。

采用3局部特性原理，得到方案6:在機架上安裝位置傳感器，測量活塞的位置，將活塞的位置信息反饋到控制系統；控制系統根據傳感器測量值，調整噴油嘴流量、進氣流量、排氣流量，使壓縮比得到精確控制。

采用25自服務原理，得到方案7：活塞左端面上、活塞變截面處、活塞右端面上分別安裝壓力傳感器，用于測量壓力；機架上安裝位置傳感器，測量活塞的位置；將上述傳感器采集的信息反饋到控制系統，控制系統根據傳感器測量值，調整噴油嘴流量、進氣流量、排氣流量，使壓縮比得到精確控制。

2.3 小人法

當系統內的某些組件表現出相互矛盾的作用，不能完成其必要的功能時，用一組小人來代表這些特定功能的部件，通過能動的小人實現預期的功能，然后，根據小人模型對結構進行重新設計。它形象生動地描述技術系統中出現的問題，克服由于思維慣性導致的思維障礙，提供解決矛盾問題的思路[15]。

用白色小人代表活塞，黃色小人代表機架，藍色小人代表動力室，紫色小人代表液壓室14，紅色小人代表液壓室15。現在的問題是，黃色小人、藍色小人、紫色小人、紅色小人的數量不可控。

由此可以得到以下解決方案：

方案8：液壓室14和液壓室15之間安裝流量控制閥，機架上安裝位置傳感器，測量活塞的位置，根據活塞的位置調節流量閥的流量，通過流量控制閥調節液壓室14和液壓室15的壓力，從而控制活塞的壓縮比。

3 確定設計方案

綜合以上方案，方案7與其他方案相比，結構簡單，控制精度高，所以以方案7作為設計方案，即，液壓室14和液壓室15之間安裝流量控制閥，機架上安裝位置傳感器，測量活塞的位置，根據活塞的位置調節流量閥的流量，通過流量控制閥調節液壓室14和液壓室15的壓力，從而控制活塞的壓縮比。

4 結語

對液壓自由活塞發動機壓縮比難以控制的問題進行了因果鏈分析和功能分析；針對其中存在的問題，運用TRIZ中物場分析、技術矛盾理論和小人法，得到了解決方案；對方案進行分析，確定液壓自由活塞發動機設計方案。該液壓自由活塞發動機壓縮比控制精確，結構簡單。