馬冬
摘 要:面對(duì)能源緊缺、復(fù)雜的環(huán)境問(wèn)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(kāi)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(wèn)題。本文針對(duì)稀燃技術(shù)所存在的問(wèn)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(wèn)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(wàn)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(wèn)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(shuō)TRIZ理論是世界上實(shí)用而先進(jìn)的創(chuàng)造性地解決問(wèn)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(wèn)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(shuō)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(wàn)計(jì)的發(fā)明專利。
TRIZ理論矛盾分析方法解決問(wèn)題的一般步驟:概括地說(shuō),首先是分析所遇到的問(wèn)題,包含問(wèn)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(wèn)題,選擇出最優(yōu)的發(fā)明原理;如果問(wèn)題明確,但是卻無(wú)從下手,則應(yīng)該用“效應(yīng)”來(lái)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(wèn)題,再按照上述步驟進(jìn)行解決,直到不出現(xiàn)新的問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(guò)大或者過(guò)低,假如火花塞點(diǎn)火的區(qū)域混合氣濃度過(guò)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(guò)大或者過(guò)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(wèn)題描述:當(dāng)前汽油機(jī)稀薄燃燒技術(shù)所面臨的矛盾問(wèn)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(guò)以上的具體分析問(wèn)題、問(wèn)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(guò)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(wèn)題,而NO.15動(dòng)態(tài)化原理對(duì)于解決該問(wèn)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(guò)閥片的左右移動(dòng)來(lái)改變進(jìn)氣渦流強(qiáng)度的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)。通過(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(yǔ)
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(guò)系統(tǒng)的工具與方法,解決發(fā)明過(guò)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(wèn)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(yáng).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.
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[3]劉訓(xùn)濤,曹賀,陳國(guó)晶.TRIZ理論及應(yīng)用[M].北京:北京大學(xué)出版社,2011.