喷油器专利技术研究

周　强 黄　琴

（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，湖北　武汉　430070）



喷油器专利技术研究

周强 黄琴

（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，湖北武汉430070）

摘要：本文首先进行了喷油器专利申请总体分析，并从喷油器的国内外发展情况、地域分布和主要申请人的角度进行了分析，然后从电磁阀式、压电式两个技术分支对电控式喷油器的技术发展路线进行了梳理，最后针对国内电控式喷油器的发展给出了相应的总结建议。

关键词：喷油器；电控；电磁；压电

喷油器是内燃机燃油系统的核心，对喷油压力、喷油量、喷油定时和喷油率的准确控制，直接决定内燃机是否能够满足日益严格的排放法规和不断降低燃油油耗的要求［1］。因此，本文主要针对喷油器进行专利技术综述研究。

1　喷油器专利申请总体分析

1.1专利发展趋势

有关喷油器技术的专利申请，笔者在中国专利文摘数据库CNABS中进行了检索、去噪和分析，截止2015年，提取出524件发明和实用新型专利申请，本文所做的相关统计和分析均基于这524件专利申请文件。图1为1993-2015年涉及喷油器的中国专利申请趋势，包括国外在华申请和中国本国申请。国外在华申请明显较中国本国申请数量多，并且在2004-2006年、2008年和2010-2011年达到了发展的峰值，接着便逐渐放缓，表明国外喷油器新一轮的技术革新趋向于成熟与稳定。国内喷油器领域专利申请起步较晚，直至2002年才逐步出现专利申请，并在2010年之后达到了发展的峰值，并有持续的趋势，这与国内追赶国外喷油器技术有关。

图1　专利申请趋势

1.2国内外申请人地域分布

在喷油器领域，申请人主要集中在中国、德国、日本和美国等国家。其中，德国、日本分布位于申请量排名前两位（见图2）。德国和日本等车企在中国的汽车市场占有率较高，其专利申请数量也相应地较多。

图2　专利申请国别分布

国内江苏省、黑龙江省和浙江省在喷油器领域的申请量远远超过其他省份。图3表明大部分经济发达省份在该领域的发展是领先的，内陆省份中黑龙江省的申请量相对比较突出，主要源于哈尔滨工程大学的高校申请。

图3　中国专利申请省份分布

1.3国内外主要申请人

在喷油器技术领域，罗伯特•博世有限公司占有绝对的优势，而其他著名公司和大专院校，如株式会社京浜、株式会社电装、卡特彼勒、哈尔滨工程大学、美国西门子汽车公司及中国第一汽车集团有限公司等也占有一席之地（见图4）。罗伯特•博世有限公司在喷油器技术领域具有绝对的竞争力，并于2004年在无锡高新技术开发区成立了一家合资企业，致力于先进喷射系统和尾气后处理系统的研发、匹配和制造［2］。

2　喷油器主要技术分支

喷油器技术分支如图5所示，喷油器按照其工作原理可分为机械式喷油器和电控式喷油器。机械式喷油器又称为自动阀式喷油器或自控式喷油器，主要分为开式喷油器和闭式喷油器。从20世纪90年代开始，随着电子控制技术在柴油机中的推广应用，电控共轨喷油系统迅速普及。电子控制式喷油器是电控发动机中央喷射单元中最重要的零部件，其负责在发动机运行的各种工况下，向汽缸准时喷射经过精确计量的雾化燃油混合气，它接受电控单元ECU送来的喷油脉冲信号，精确地计算燃油喷射量。随着科学技术的进步，机械式喷油器逐渐退出历史舞台，本文主要对电控式喷油器进行研究。

图4　主要申请人

图5　喷油器技术分支

2.1直接控制式喷油器的发展

根据电磁阀式喷油器的工作原理和结构组成，可以将电磁阀式喷油器分为直接控制式喷油器和控制腔式喷油器。“直接控制式喷油器”分支发展方向比“控制腔式喷油器”起步较早。并且在2005年和2011年左右出现了专利申请的热点（见图6）。“直接控制式喷油器”技术在演进过程中主要涉及3处改进：电磁铁的改进，电枢的改进，针阀偶件的改进。

图6　直接控制式喷油器分支发展趋势

对于电磁铁的改进，各项发明主要针对磁性特性的增强。申请号为CN200410103691的专利，电磁铁上的固定铁芯包括正对着活动铁芯的对置部分及位于对置部分上一与活动铁芯相反侧的大径部分，大径部分的外径大于活动铁芯的外径；对置部分的对置端面的外径与活动铁芯的外径基本相同，以达到获得足够磁吸力的效果。

对于电枢的改进，各项发明主要针对阀元件与电枢的可靠连接方式、电枢的对中问题。申请号为CN200880122644的专利其导向体设在衔铁内部的纵向孔和内极内部的通流孔中，导向体在衔铁和内极中的一个被固定的导向，在对应的另一个中可松动地被导向，达到减少了用于导向的接触面积，避免了不利的径向力的效果。

对于针阀偶件的改进，各项发明主要针对发动机起动后可使阀座和阀芯的滑动部提前升温。申请号为CN201310413436的专利在其阀座上开设的阀孔为两层台阶形阀孔，上层台阶的宽度小于下层台阶的宽度，以达到使得喷油器喷射的燃油雾化效果较好，有效地改善发动机的工作性能。

2.2控制腔式喷油器的发展

区别于直接控制式喷油器，控制腔式喷油器中存在一控制腔。相对于“直接控制式喷油器”，“控制腔式喷油器”分支起步较晚。电磁阀式喷油器领域的发展开始于1989年前后，而“控制腔式喷油器”分支在2003年才出现，并成为近些年来的研究热点（见图7）。控制腔式喷油器技术在演进过程中主要涉及3处改进：电磁铁的改进，电枢的改进，针阀偶件的改进。

图7　控制腔式喷油器分支发展趋势

对于电磁铁的改进，各项发明主要使其能产生更大的电磁力和压力，加快电控喷油器的响应速度。申请号为CN200410103688的专利在电磁铁的定子上设置将定子保持在定子轴向方向上的保持件以及当定子吸引电枢时停止电枢的止动件。对于电枢的改进，各项发明主要针对电枢的高速移动，加快驱动速度，能够获得适合在共轨系统中使用的电磁阀。申请号为CN201280047572的专利通过使电枢的来自励磁线圈的磁通量较少的部分缺失而形成被引导部，固定于主体的引导件卡合于被引导部，利用引导件支承衔铁，达到加快电枢高速移动的效果。对于针阀偶件的改进，各项发明主要降低零件尺寸公差精度及磨损。申请号为CN201010144300的专利在油针的顶端设有半球形连接头，油针通过连接头与锥面卡接适配并穿设在控制柱塞中，在油针穿设经过控制柱塞的裸露部分设有油针凹槽，在其上嵌装有卡环，在控制柱塞与卡环之间夹装弹性部件，并达到精确控制的效果。

2.3压电式喷油器的发展

压电式喷油器的基本组成是压电执行器（压电堆）、液压耦合器（液压接杆）、伺服阀和喷油嘴针阀偶件［3］。从发明专利的申请量角度来看，国外的相关技术发展远远超过国内，在137篇涉及压电式喷油器的专利申请中，国外在华申请量占85%，而国内申请量只占15%。其中，日本的京瓷株式会社和德国的罗伯特•博世有限公司处于绝对主导的地位，分别占据压电式喷油器专利申请量的35%和34%。2011年哈尔滨工程大学和中国第一汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所开始进行初步研究。

从图8中可以直接看出，压电式喷油器的技术研发热点在压电执行器（压电锥、压电晶体）。涉及压电执行器的专利申请量在2008年尤其突出；涉及液压耦合器的专利申请量相对比较稳定；针阀偶件属于较为成熟的技术手段，其专利申请量一直较少。

图8　压电式喷油器分支发展趋势

压电式喷油器主要朝改进压电晶体的方向发展。执行器采用压电晶体，其响应速度快，精度高，非常稳定。围绕压电晶体制造、密封保护和性能改进一直是众多公司的研发热点。申请号为CN200480031494的专利提出叠层型压电元件，其叠层体由交互地叠层压电体层和内部电极而形成。液压耦合器受压电晶体的控制开启针阀偶件。申请号为CN201280015053的专利公开了一种具有一个在活塞导向部中可轴向移动的且不能够旋转的活塞的液压耦合器，其能够提高阀的寿命，节省设计步骤和装配步骤，改善热传递。国内外针对针阀偶件的改进主要集中在精确定量喷油，保证燃油的雾化效果。申请号为201280056090的专利具有布置在流体流中的由阀座包围的定量配给孔，控制定量配给孔的阀针具有与阀座作用以关闭和打开定量配给孔的关闭头。

3　总结和建议

随着国家对内燃机节能减排的标准越来越严格，国内电控式喷油器领域势必需要较大的发展和提升：①相关企业和大专院校之间可以采取共同开发的模式，进行电控式喷油器领域的研究；②企业内部需要统筹规划本企业电控式喷油器领域方面的发展和专利布局，并对相关竞争对手进行研究，做好专利防御工作。

参考文献：

［1］林铁坚，汪洋.高压共轨喷油器设计参数对性能影响的研究［J］.内燃机学报，2001，19（4）：289-294.

［2］徐家龙，藤泽英也.电装公司的电控喷油器［J］.现代车用动力，2003（4）：7-17.

［3］张兴春，张幽彤，丁晓亮，等.压电式高压共轨喷油器的驱动研究［J］.内燃机工程，2011，32（3）：53-57.

中图分类号TK403

文献标识码A

文章编号：1003-5168（2016）01-0103-03

收稿日期：2015-12-28

作者简介：周强（1987-），男，硕士，研究方向：一般发动机领域发明专利实质审查工作；黄琴（1988-），女，硕士，研究方向：汽车配件领域的发明专利实质审查工作（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