噴油器專利技術研究

周　強 黃　琴

（國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，湖北　武漢　430070）

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噴油器專利技術研究

周強 黃琴

（國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，湖北武漢430070）

摘要：本文首先進行了噴油器專利申請總體分析，并從噴油器的國內外發(fā)展情況、地域分布和主要申請人的角度進行了分析，然后從電磁閥式、壓電式兩個技術分支對電控式噴油器的技術發(fā)展路線進行了梳理，最后針對國內電控式噴油器的發(fā)展給出了相應的總結建議。

關鍵詞：噴油器；電控；電磁；壓電

噴油器是內燃機燃油系統(tǒng)的核心，對噴油壓力、噴油量、噴油定時和噴油率的準確控制，直接決定內燃機是否能夠滿足日益嚴格的排放法規(guī)和不斷降低燃油油耗的要求［1］。因此，本文主要針對噴油器進行專利技術綜述研究。

1　噴油器專利申請總體分析

1.1專利發(fā)展趨勢

有關噴油器技術的專利申請，筆者在中國專利文摘數據庫CNABS中進行了檢索、去噪和分析，截止2015年，提取出524件發(fā)明和實用新型專利申請，本文所做的相關統(tǒng)計和分析均基于這524件專利申請文件。圖1為1993-2015年涉及噴油器的中國專利申請趨勢，包括國外在華申請和中國本國申請。國外在華申請明顯較中國本國申請數量多，并且在2004-2006年、2008年和2010-2011年達到了發(fā)展的峰值，接著便逐漸放緩，表明國外噴油器新一輪的技術革新趨向于成熟與穩(wěn)定。國內噴油器領域專利申請起步較晚，直至2002年才逐步出現專利申請，并在2010年之后達到了發(fā)展的峰值，并有持續(xù)的趨勢，這與國內追趕國外噴油器技術有關。

圖1　專利申請趨勢

1.2國內外申請人地域分布

在噴油器領域，申請人主要集中在中國、德國、日本和美國等國家。其中，德國、日本分布位于申請量排名前兩位（見圖2）。德國和日本等車企在中國的汽車市場占有率較高，其專利申請數量也相應地較多。

圖2　專利申請國別分布

國內江蘇省、黑龍江省和浙江省在噴油器領域的申請量遠遠超過其他省份。圖3表明大部分經濟發(fā)達省份在該領域的發(fā)展是領先的，內陸省份中黑龍江省的申請量相對比較突出，主要源于哈爾濱工程大學的高校申請。

圖3　中國專利申請省份分布

1.3國內外主要申請人

在噴油器技術領域，羅伯特?博世有限公司占有絕對的優(yōu)勢，而其他著名公司和大專院校，如株式會社京浜、株式會社電裝、卡特彼勒、哈爾濱工程大學、美國西門子汽車公司及中國第一汽車集團有限公司等也占有一席之地（見圖4）。羅伯特?博世有限公司在噴油器技術領域具有絕對的競爭力，并于2004年在無錫高新技術開發(fā)區(qū)成立了一家合資企業(yè)，致力于先進噴射系統(tǒng)和尾氣后處理系統(tǒng)的研發(fā)、匹配和制造［2］。

2　噴油器主要技術分支

噴油器技術分支如圖5所示，噴油器按照其工作原理可分為機械式噴油器和電控式噴油器。機械式噴油器又稱為自動閥式噴油器或自控式噴油器，主要分為開式噴油器和閉式噴油器。從20世紀90年代開始，隨著電子控制技術在柴油機中的推廣應用，電控共軌噴油系統(tǒng)迅速普及。電子控制式噴油器是電控發(fā)動機中央噴射單元中最重要的零部件，其負責在發(fā)動機運行的各種工況下，向汽缸準時噴射經過精確計量的霧化燃油混合氣，它接受電控單元ECU送來的噴油脈沖信號，精確地計算燃油噴射量。隨著科學技術的進步，機械式噴油器逐漸退出歷史舞臺，本文主要對電控式噴油器進行研究。

圖4　主要申請人

圖5　噴油器技術分支

2.1直接控制式噴油器的發(fā)展

根據電磁閥式噴油器的工作原理和結構組成，可以將電磁閥式噴油器分為直接控制式噴油器和控制腔式噴油器。“直接控制式噴油器”分支發(fā)展方向比“控制腔式噴油器”起步較早。并且在2005年和2011年左右出現了專利申請的熱點（見圖6）。“直接控制式噴油器”技術在演進過程中主要涉及3處改進：電磁鐵的改進，電樞的改進，針閥偶件的改進。

圖6　直接控制式噴油器分支發(fā)展趨勢

對于電磁鐵的改進，各項發(fā)明主要針對磁性特性的增強。申請?zhí)枮镃N200410103691的專利，電磁鐵上的固定鐵芯包括正對著活動鐵芯的對置部分及位于對置部分上一與活動鐵芯相反側的大徑部分，大徑部分的外徑大于活動鐵芯的外徑；對置部分的對置端面的外徑與活動鐵芯的外徑基本相同，以達到獲得足夠磁吸力的效果。

對于電樞的改進，各項發(fā)明主要針對閥元件與電樞的可靠連接方式、電樞的對中問題。申請?zhí)枮镃N200880122644的專利其導向體設在銜鐵內部的縱向孔和內極內部的通流孔中，導向體在銜鐵和內極中的一個被固定的導向，在對應的另一個中可松動地被導向，達到減少了用于導向的接觸面積，避免了不利的徑向力的效果。

對于針閥偶件的改進，各項發(fā)明主要針對發(fā)動機起動后可使閥座和閥芯的滑動部提前升溫。申請?zhí)枮镃N201310413436的專利在其閥座上開設的閥孔為兩層臺階形閥孔，上層臺階的寬度小于下層臺階的寬度，以達到使得噴油器噴射的燃油霧化效果較好，有效地改善發(fā)動機的工作性能。

2.2控制腔式噴油器的發(fā)展

區(qū)別于直接控制式噴油器，控制腔式噴油器中存在一控制腔。相對于“直接控制式噴油器”，“控制腔式噴油器”分支起步較晚。電磁閥式噴油器領域的發(fā)展開始于1989年前后，而“控制腔式噴油器”分支在2003年才出現，并成為近些年來的研究熱點（見圖7）。控制腔式噴油器技術在演進過程中主要涉及3處改進：電磁鐵的改進，電樞的改進，針閥偶件的改進。

圖7　控制腔式噴油器分支發(fā)展趨勢

對于電磁鐵的改進，各項發(fā)明主要使其能產生更大的電磁力和壓力，加快電控噴油器的響應速度。申請?zhí)枮镃N200410103688的專利在電磁鐵的定子上設置將定子保持在定子軸向方向上的保持件以及當定子吸引電樞時停止電樞的止動件。對于電樞的改進，各項發(fā)明主要針對電樞的高速移動，加快驅動速度，能夠獲得適合在共軌系統(tǒng)中使用的電磁閥。申請?zhí)枮镃N201280047572的專利通過使電樞的來自勵磁線圈的磁通量較少的部分缺失而形成被引導部，固定于主體的引導件卡合于被引導部，利用引導件支承銜鐵，達到加快電樞高速移動的效果。對于針閥偶件的改進，各項發(fā)明主要降低零件尺寸公差精度及磨損。申請?zhí)枮镃N201010144300的專利在油針的頂端設有半球形連接頭，油針通過連接頭與錐面卡接適配并穿設在控制柱塞中，在油針穿設經過控制柱塞的裸露部分設有油針凹槽，在其上嵌裝有卡環(huán)，在控制柱塞與卡環(huán)之間夾裝彈性部件，并達到精確控制的效果。

2.3壓電式噴油器的發(fā)展

壓電式噴油器的基本組成是壓電執(zhí)行器（壓電堆）、液壓耦合器（液壓接桿）、伺服閥和噴油嘴針閥偶件［3］。從發(fā)明專利的申請量角度來看，國外的相關技術發(fā)展遠遠超過國內，在137篇涉及壓電式噴油器的專利申請中，國外在華申請量占85%，而國內申請量只占15%。其中，日本的京瓷株式會社和德國的羅伯特?博世有限公司處于絕對主導的地位，分別占據壓電式噴油器專利申請量的35%和34%。2011年哈爾濱工程大學和中國第一汽車股份有限公司無錫油泵油嘴研究所開始進行初步研究。

從圖8中可以直接看出，壓電式噴油器的技術研發(fā)熱點在壓電執(zhí)行器（壓電錐、壓電晶體）。涉及壓電執(zhí)行器的專利申請量在2008年尤其突出；涉及液壓耦合器的專利申請量相對比較穩(wěn)定；針閥偶件屬于較為成熟的技術手段，其專利申請量一直較少。

圖8　壓電式噴油器分支發(fā)展趨勢

壓電式噴油器主要朝改進壓電晶體的方向發(fā)展。執(zhí)行器采用壓電晶體，其響應速度快，精度高，非常穩(wěn)定。圍繞壓電晶體制造、密封保護和性能改進一直是眾多公司的研發(fā)熱點。申請?zhí)枮镃N200480031494的專利提出疊層型壓電元件，其疊層體由交互地疊層壓電體層和內部電極而形成。液壓耦合器受壓電晶體的控制開啟針閥偶件。申請?zhí)枮镃N201280015053的專利公開了一種具有一個在活塞導向部中可軸向移動的且不能夠旋轉的活塞的液壓耦合器，其能夠提高閥的壽命，節(jié)省設計步驟和裝配步驟，改善熱傳遞。國內外針對針閥偶件的改進主要集中在精確定量噴油，保證燃油的霧化效果。申請?zhí)枮?01280056090的專利具有布置在流體流中的由閥座包圍的定量配給孔，控制定量配給孔的閥針具有與閥座作用以關閉和打開定量配給孔的關閉頭。

3　總結和建議

隨著國家對內燃機節(jié)能減排的標準越來越嚴格，國內電控式噴油器領域勢必需要較大的發(fā)展和提升：①相關企業(yè)和大專院校之間可以采取共同開發(fā)的模式，進行電控式噴油器領域的研究；②企業(yè)內部需要統(tǒng)籌規(guī)劃本企業(yè)電控式噴油器領域方面的發(fā)展和專利布局，并對相關競爭對手進行研究，做好專利防御工作。

參考文獻：

［1］林鐵堅，汪洋.高壓共軌噴油器設計參數對性能影響的研究［J］.內燃機學報，2001，19（4）：289-294.

［2］徐家龍，藤澤英也.電裝公司的電控噴油器［J］.現代車用動力，2003（4）：7-17.

［3］張興春，張幽彤，丁曉亮，等.壓電式高壓共軌噴油器的驅動研究［J］.內燃機工程，2011，32（3）：53-57.

中圖分類號TK403

文獻標識碼A

文章編號：1003-5168（2016）01-0103-03

收稿日期：2015-12-28

作者簡介：周強（1987-），男，碩士，研究方向：一般發(fā)動機領域發(fā)明專利實質審查工作；黃琴（1988-），女，碩士，研究方向：汽車配件領域的發(fā)明專利實質審查工作（等同第一作者）。

Research on the Patent Technology of Fuel Injector

Zhou QiangHuang Qin
（Patent Examination Cooperation Hubei Center of the Patent Office，SIPO，Wuhan Hubei 430070）

Abstract:This paper first has carried on the injector patent applied for the analysis of overall,and from the injector for the domestic and foreign development,geographical distribution and the principal applicant's point of view were analyzed.Then the technical development route of the electronic control injector was sorted out from the electromag?netic valve type and the piezoelectric two technology branch.Finally,the corresponding suggestions were given for the development of the electronic controlled injector in China.

Keywords:injector；electronic control；electromagnetic；piezoelectric