高壓共軌柴油發(fā)動機技術(shù)專利分析

闕春生，謝金泉，杜正志，鐘 明

（江西省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，江西 南昌 330046）

發(fā)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(fā)動機技術(shù)得到了充分發(fā)展。當(dāng)前，汽油機在高壓共軌技術(shù)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(chǎn)價格優(yōu)勢等因素，與國外差距并不明顯。實踐證明，知識產(chǎn)權(quán)布局是高壓共軌柴油發(fā)動機技術(shù)向上向好發(fā)展的重要內(nèi)驅(qū)力。

1 高壓共軌柴油機技術(shù)路線

依據(jù)國內(nèi)外研究成果，電控柴油機技術(shù)發(fā)展路線大致能分成三類：第一類是位置控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)保留柴油機噴射部分的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，僅用電控元件代替原機械控制結(jié)構(gòu)，雖可以調(diào)節(jié)增強噴油速度，但由于未改變原結(jié)構(gòu)造成直列機構(gòu)復(fù)雜，不易維修，屬過渡產(chǎn)品；第二類是時間控制系統(tǒng)，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(fā)動機轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)，且對電磁閥有較高要求，不夠穩(wěn)定；第三類是共軌控制系統(tǒng)，其徹底改變供油原理，控制系統(tǒng)通過持續(xù)調(diào)節(jié)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(fù)供油并任意調(diào)節(jié)噴油壓力。高壓共軌柴油發(fā)動機可以分為三種技術(shù)路線：提高噴油壓力、控制噴油精度、檢修系統(tǒng)部件。提高噴油壓力技術(shù)的核心是增加噴射系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)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(tǒng)部件，表明當(dāng)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(shù)質(zhì)量是反映高壓共軌技術(shù)發(fā)展水平最具參考價值的依據(jù)，專利的技術(shù)內(nèi)容、格式標準及申請人信息可以如實精確地映射此領(lǐng)域的研發(fā)現(xiàn)況和未來方向。掌握高壓共軌柴油機技術(shù)使用情況、發(fā)展方向及科研單位舉措，將有效提高搜索、分析相關(guān)專利的效率。輸入“電控and柴油”、“噴射and柴油發(fā)動機”、“高壓共軌and發(fā)動機”、“B60K15”（與內(nèi)燃機燃料供給結(jié)合的布置）、“B60K5”（內(nèi)燃機或噴氣推進裝置的布置或安裝）以及“申請人”等關(guān)鍵詞段搜索專利情況，并用統(tǒng)計學(xué)手段將搜索結(jié)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(xù)公開，各單位展開高壓共軌相關(guān)技術(shù)的投入和研究，而后專利數(shù)量遞增，2016年呈現(xiàn)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(shù)不斷進步，高壓共軌柴油機相關(guān)研發(fā)機構(gòu)和團隊以及專利申請逐漸增加。如圖2所示，當(dāng)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(dāng)中的占比91.33%。高壓共軌技術(shù)和產(chǎn)品迭代速度快，較早申請的第一代位置控制系統(tǒng)相關(guān)的基礎(chǔ)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(shù)專利則展現(xiàn)出高壓共軌技術(shù)的主導(dǎo)地位，其成熟的技術(shù)方案將會在未來的商用當(dāng)中被各大汽車企業(yè)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(jù)高壓共軌柴油機三條技術(shù)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(tǒng)各機械部件為主的提高噴油壓力相關(guān)專利，其主要申請單位和專利數(shù)量如表1所示。江淮汽車、東風(fēng)康明斯、一汽解放等國有汽車企業(yè)占據(jù)主導(dǎo)，共有23項專利公開，其中發(fā)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(xiàn)也尤為搶眼，研發(fā)內(nèi)容以實用新型專利為主。對于高壓共軌的機械結(jié)構(gòu)相關(guān)領(lǐng)域已研究得較為完備，對后續(xù)有意進入的企業(yè)來說，機會已所剩無幾。

表1 提升噴油壓力相關(guān)專利分布表

3.2 控制噴油精度

電子控制技術(shù)在柴油發(fā)動機上的應(yīng)用，使得發(fā)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(fā)動機作業(yè)流程，提升整體工效[3]。國外在電控系統(tǒng)領(lǐng)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(nèi)電控技術(shù)起步較晚，從2012年開始有相關(guān)專利的申請與公開。高壓共軌電子控制相關(guān)專利占16.52%，如圖4所示，對各柴油發(fā)電機科研企業(yè)的意義在于：既說明了公開專利量較少，投入研發(fā)機會較多，又展現(xiàn)了電控領(lǐng)域技術(shù)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(guān)專利分布

3.3 檢修系統(tǒng)部件

高壓共軌柴油機無論是機械結(jié)構(gòu)還是電控系統(tǒng)都較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，其故障點更多，維修難度更大。當(dāng)前，國內(nèi)相關(guān)修理技術(shù)并不成熟，故只有15.66%的專利是關(guān)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(tǒng)電子控制板塊故障診斷、排除的研究尤為重要，相關(guān)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(shù)顯故障與報警異常等。這也為企業(yè)下一步研究提供了思路。

4 討論

普通的柴油發(fā)動機實質(zhì)上屬于單純的機械結(jié)構(gòu)[5]，品質(zhì)可靠，便宜耐用，但其并不精密而且產(chǎn)品盈利率低。高壓共軌技術(shù)與柴油機結(jié)合以后，大幅提高了發(fā)動機的動力性和燃油經(jīng)濟性，當(dāng)然電控技術(shù)難度系數(shù)倍增，對整個發(fā)動機制造產(chǎn)業(yè)和行業(yè)領(lǐng)域的人才都提出了更高要求。正是新技術(shù)的挑戰(zhàn)，使門檻變得更高，能生產(chǎn)和維修的企業(yè)更少，利潤就大幅增加。同時，技術(shù)專利不斷飽和，后來者的機會越來越少，相關(guān)技術(shù)合作也充滿障礙。

挑戰(zhàn)與機遇并存，傳統(tǒng)發(fā)動機制造商盡早進入電控發(fā)動機領(lǐng)域、進一步擴大技術(shù)的引進與二次創(chuàng)新都是不凡舉措。尋找適合自身的技術(shù)路線，弄清競爭對手、發(fā)掘合作伙伴，不走別人簡單重復(fù)研發(fā)的路，不侵犯別人的專利。全面了解當(dāng)前相關(guān)技術(shù)專利申請、公布情況，找準自己的研發(fā)路才是不二之選。

5 結(jié)語

綜上所述，高壓共軌是柴油發(fā)動機的核心工作元件之一。普通柴油發(fā)動機車輛的年產(chǎn)量占我國專用車年產(chǎn)量的比重較大，隨著用戶需求的不斷提升，普通柴油發(fā)動機車輛的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和可靠性都在不斷提升。作為柴油發(fā)動機車輛的關(guān)鍵零部件，國內(nèi)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(tǒng)集成化方向發(fā)展。可以這樣說，高壓共軌柴油發(fā)動機要向自重輕型化、自動化以及系統(tǒng)集成化等方向發(fā)展，同時，還要有優(yōu)秀的質(zhì)量保障與售后服務(wù)能力。因為質(zhì)量穩(wěn)定性永遠是第一需要，這也是一切產(chǎn)品要在激烈的市場競爭中占有一席之地的先決條件。系統(tǒng)集成化要求高壓共軌的供應(yīng)商不僅能提供智能化產(chǎn)品，還必須具備系統(tǒng)匹配設(shè)計的能力，對于整個系統(tǒng)來說，高壓共軌僅僅是執(zhí)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(chǎn)品才能使單車運輸更多的貨物，使用戶得到更多的利潤。