高壓共軌柴油發動機技術專利分析

闕春生，謝金泉，杜正志，鐘 明

（江西省農業技術推廣中心，江西 南昌 330046）

發動機作為車輛的“心臟”，是動力的唯一來源，屬于最為核心的部件。柴油車市場隨著用戶需求日益變化，在此背景下，高壓共軌柴油發動機技術得到了充分發展。當前，汽油機在高壓共軌技術方面與國外差距較大，但柴油機得益于自主品牌起步較早、國產價格優勢等因素，與國外差距并不明顯。實踐證明，知識產權布局是高壓共軌柴油發動機技術向上向好發展的重要內驅力。

1 高壓共軌柴油機技術路線

依據國內外研究成果，電控柴油機技術發展路線大致能分成三類：第一類是位置控制系統，此系統保留柴油機噴射部分的傳統結構，僅用電控元件代替原機械控制結構，雖可以調節增強噴油速度，但由于未改變原結構造成直列機構復雜，不易維修，屬過渡產品；第二類是時間控制系統，包括電控泵、分配泵，較第一類相比有較大改進，但噴油壓力依舊同發動機轉速相關聯，且對電磁閥有較高要求，不夠穩定；第三類是共軌控制系統，其徹底改變供油原理，控制系統通過持續調節共軌壓力來保持噴射壓力，使用的是壓力時間式燃油計量原理，完全用電磁閥控制供油過程，可反復供油并任意調節噴油壓力。高壓共軌柴油發動機可以分為三種技術路線：提高噴油壓力、控制噴油精度、檢修系統部件。提高噴油壓力技術的核心是增加噴射系統強度、噴油器及附屬裝置精密度，使得噴射燃油壓力達到傳統的5～20倍，并降低機械故障率；控制噴油精度主要是依靠電控技術即車載“電腦”（ECU）對噴射時間、噴油量精準控制，并降低電子故障率；檢修系統部件，表明當前對于高壓共軌柴油機的維修手段仍不夠全面，甚至部分故障無法完成檢修，只能進行換件修理[1-2]。

2 專利檢索情況

專利數質量是反映高壓共軌技術發展水平最具參考價值的依據，專利的技術內容、格式標準及申請人信息可以如實精確地映射此領域的研發現況和未來方向。掌握高壓共軌柴油機技術使用情況、發展方向及科研單位舉措，將有效提高搜索、分析相關專利的效率。輸入“電控and柴油”、“噴射and柴油發動機”、“高壓共軌and發動機”、“B60K15”（與內燃機燃料供給結合的布置）、“B60K5”（內燃機或噴氣推進裝置的布置或安裝）以及“申請人”等關鍵詞段搜索專利情況，并用統計學手段將搜索結果標引、去噪。高壓共軌柴油機專利公開情況如圖1所示，專利自2002年起陸續公開，各單位展開高壓共軌相關技術的投入和研究，而后專利數量遞增，2016年呈現陡增趨勢。

圖1 高壓共軌柴油機專利公開趨勢圖

伴隨車輛電控技術不斷進步，高壓共軌柴油機相關研發機構和團隊以及專利申請逐漸增加。如圖2所示，當前公開情況來看，專利的失效率為8.67%，處于有效期及審查期當中的占比91.33%。高壓共軌技術和產品迭代速度快，較早申請的第一代位置控制系統相關的基礎性較強的專利仍然在努力維系其有效性。

圖2 高壓共軌柴油機專利占比圖

高壓共軌柴油機專利分布圖如圖3所示。大量的三代技術專利則展現出高壓共軌技術的主導地位，其成熟的技術方案將會在未來的商用當中被各大汽車企業所廣泛接納。

圖3 高壓共軌柴油機專利分布圖

3 專利情況分析

3.1 提高噴油壓力

依據高壓共軌柴油機三條技術路線，對搜索的230項專利進行分類，得出156項以供油噴射系統各機械部件為主的提高噴油壓力相關專利，其主要申請單位和專利數量如表1所示。江淮汽車、東風康明斯、一汽解放等國有汽車企業占據主導，共有23項專利公開，其中發明專利20項；另有一批以江陰卡利格機械為代表的新勢力表現也尤為搶眼，研發內容以實用新型專利為主。對于高壓共軌的機械結構相關領域已研究得較為完備，對后續有意進入的企業來說，機會已所剩無幾。

表1 提升噴油壓力相關專利分布表

3.2 控制噴油精度

電子控制技術在柴油發動機上的應用，使得發動機在供給燃油過程中，能夠精準控制噴射時間、噴射燃油量，進而改進發動機作業流程，提升整體工效[3]。國外在電控系統領域較為活躍的主要有德國的博世、美國的福特、日本的電裝這三大公司。國內電控技術起步較晚，從2012年開始有相關專利的申請與公開。高壓共軌電子控制相關專利占16.52%，如圖4所示，對各柴油發電機科研企業的意義在于：既說明了公開專利量較少，投入研發機會較多，又展現了電控領域技術要求高，專利申請困難，需要有更多的投入、更長的周期。

圖4 控制噴油精度相關專利分布

3.3 檢修系統部件

高壓共軌柴油機無論是機械結構還是電控系統都較傳統結構更加復雜，其故障點更多，維修難度更大。當前，國內相關修理技術并不成熟，故只有15.66%的專利是關于修理高壓共軌柴油機的。從專利公布具體情況來看，如何快速排除故障、以較低成本維修成為研究的主要方向。特別是針對燃油噴射系統電子控制板塊故障診斷、排除的研究尤為重要，相關專利能夠幫助維修人員有效減小排除范圍，準確查找故障[4]。高壓共軌柴油機常見故障主要是起動困難和異常熄火、動力不夠與動力不均、數顯故障與報警異常等。這也為企業下一步研究提供了思路。

4 討論

普通的柴油發動機實質上屬于單純的機械結構[5]，品質可靠，便宜耐用，但其并不精密而且產品盈利率低。高壓共軌技術與柴油機結合以后，大幅提高了發動機的動力性和燃油經濟性，當然電控技術難度系數倍增，對整個發動機制造產業和行業領域的人才都提出了更高要求。正是新技術的挑戰，使門檻變得更高，能生產和維修的企業更少，利潤就大幅增加。同時，技術專利不斷飽和，后來者的機會越來越少，相關技術合作也充滿障礙。

挑戰與機遇并存，傳統發動機制造商盡早進入電控發動機領域、進一步擴大技術的引進與二次創新都是不凡舉措。尋找適合自身的技術路線，弄清競爭對手、發掘合作伙伴，不走別人簡單重復研發的路，不侵犯別人的專利。全面了解當前相關技術專利申請、公布情況，找準自己的研發路才是不二之選。

5 結語

綜上所述，高壓共軌是柴油發動機的核心工作元件之一。普通柴油發動機車輛的年產量占我國專用車年產量的比重較大，隨著用戶需求的不斷提升，普通柴油發動機車輛的產品結構、質量和可靠性都在不斷提升。作為柴油發動機車輛的關鍵零部件，國內市場對高壓共軌的需求正朝著自重輕型化、舉升重型化以及系統集成化方向發展。可以這樣說，高壓共軌柴油發動機要向自重輕型化、自動化以及系統集成化等方向發展，同時，還要有優秀的質量保障與售后服務能力。因為質量穩定性永遠是第一需要，這也是一切產品要在激烈的市場競爭中占有一席之地的先決條件。系統集成化要求高壓共軌的供應商不僅能提供智能化產品，還必須具備系統匹配設計的能力，對于整個系統來說，高壓共軌僅僅是執行部件，與其匹配的泵、閥等控制部件也非常重要。而只有輕量化的產品才能使單車運輸更多的貨物，使用戶得到更多的利潤。