高压共轨柴油发动机技术专利分析

阙春生，谢金泉，杜正志，钟 明

（江西省农业技术推广中心，江西 南昌 330046）

发动机作为车辆的“心脏”，是动力的唯一来源，属于最为核心的部件。柴油车市场随着用户需求日益变化，在此背景下，高压共轨柴油发动机技术得到了充分发展。当前，汽油机在高压共轨技术方面与国外差距较大，但柴油机得益于自主品牌起步较早、国产价格优势等因素，与国外差距并不明显。实践证明，知识产权布局是高压共轨柴油发动机技术向上向好发展的重要内驱力。

1 高压共轨柴油机技术路线

依据国内外研究成果，电控柴油机技术发展路线大致能分成三类：第一类是位置控制系统，此系统保留柴油机喷射部分的传统结构，仅用电控元件代替原机械控制结构，虽可以调节增强喷油速度，但由于未改变原结构造成直列机构复杂，不易维修，属过渡产品；第二类是时间控制系统，包括电控泵、分配泵，较第一类相比有较大改进，但喷油压力依旧同发动机转速相关联，且对电磁阀有较高要求，不够稳定；第三类是共轨控制系统，其彻底改变供油原理，控制系统通过持续调节共轨压力来保持喷射压力，使用的是压力时间式燃油计量原理，完全用电磁阀控制供油过程，可反复供油并任意调节喷油压力。高压共轨柴油发动机可以分为三种技术路线：提高喷油压力、控制喷油精度、检修系统部件。提高喷油压力技术的核心是增加喷射系统强度、喷油器及附属装置精密度，使得喷射燃油压力达到传统的5～20倍，并降低机械故障率；控制喷油精度主要是依靠电控技术即车载“电脑”（ECU）对喷射时间、喷油量精准控制，并降低电子故障率；检修系统部件，表明当前对于高压共轨柴油机的维修手段仍不够全面，甚至部分故障无法完成检修，只能进行换件修理[1-2]。

2 专利检索情况

专利数质量是反映高压共轨技术发展水平最具参考价值的依据，专利的技术内容、格式标准及申请人信息可以如实精确地映射此领域的研发现况和未来方向。掌握高压共轨柴油机技术使用情况、发展方向及科研单位举措，将有效提高搜索、分析相关专利的效率。输入“电控and柴油”、“喷射and柴油发动机”、“高压共轨and发动机”、“B60K15”（与内燃机燃料供给结合的布置）、“B60K5”（内燃机或喷气推进装置的布置或安装）以及“申请人”等关键词段搜索专利情况，并用统计学手段将搜索结果标引、去噪。高压共轨柴油机专利公开情况如图1所示，专利自2002年起陆续公开，各单位展开高压共轨相关技术的投入和研究，而后专利数量递增，2016年呈现陡增趋势。

图1 高压共轨柴油机专利公开趋势图

伴随车辆电控技术不断进步，高压共轨柴油机相关研发机构和团队以及专利申请逐渐增加。如图2所示，当前公开情况来看，专利的失效率为8.67%，处于有效期及审查期当中的占比91.33%。高压共轨技术和产品迭代速度快，较早申请的第一代位置控制系统相关的基础性较强的专利仍然在努力维系其有效性。

图2 高压共轨柴油机专利占比图

高压共轨柴油机专利分布图如图3所示。大量的三代技术专利则展现出高压共轨技术的主导地位，其成熟的技术方案将会在未来的商用当中被各大汽车企业所广泛接纳。

图3 高压共轨柴油机专利分布图

3 专利情况分析

3.1 提高喷油压力

依据高压共轨柴油机三条技术路线，对搜索的230项专利进行分类，得出156项以供油喷射系统各机械部件为主的提高喷油压力相关专利，其主要申请单位和专利数量如表1所示。江淮汽车、东风康明斯、一汽解放等国有汽车企业占据主导，共有23项专利公开，其中发明专利20项；另有一批以江阴卡利格机械为代表的新势力表现也尤为抢眼，研发内容以实用新型专利为主。对于高压共轨的机械结构相关领域已研究得较为完备，对后续有意进入的企业来说，机会已所剩无几。

表1 提升喷油压力相关专利分布表

3.2 控制喷油精度

电子控制技术在柴油发动机上的应用，使得发动机在供给燃油过程中，能够精准控制喷射时间、喷射燃油量，进而改进发动机作业流程，提升整体工效[3]。国外在电控系统领域较为活跃的主要有德国的博世、美国的福特、日本的电装这三大公司。国内电控技术起步较晚，从2012年开始有相关专利的申请与公开。高压共轨电子控制相关专利占16.52%，如图4所示，对各柴油发电机科研企业的意义在于：既说明了公开专利量较少，投入研发机会较多，又展现了电控领域技术要求高，专利申请困难，需要有更多的投入、更长的周期。

图4 控制喷油精度相关专利分布

3.3 检修系统部件

高压共轨柴油机无论是机械结构还是电控系统都较传统结构更加复杂，其故障点更多，维修难度更大。当前，国内相关修理技术并不成熟，故只有15.66%的专利是关于修理高压共轨柴油机的。从专利公布具体情况来看，如何快速排除故障、以较低成本维修成为研究的主要方向。特别是针对燃油喷射系统电子控制板块故障诊断、排除的研究尤为重要，相关专利能够帮助维修人员有效减小排除范围，准确查找故障[4]。高压共轨柴油机常见故障主要是起动困难和异常熄火、动力不够与动力不均、数显故障与报警异常等。这也为企业下一步研究提供了思路。

4 讨论

普通的柴油发动机实质上属于单纯的机械结构[5]，品质可靠，便宜耐用，但其并不精密而且产品盈利率低。高压共轨技术与柴油机结合以后，大幅提高了发动机的动力性和燃油经济性，当然电控技术难度系数倍增，对整个发动机制造产业和行业领域的人才都提出了更高要求。正是新技术的挑战，使门槛变得更高，能生产和维修的企业更少，利润就大幅增加。同时，技术专利不断饱和，后来者的机会越来越少，相关技术合作也充满障碍。

挑战与机遇并存，传统发动机制造商尽早进入电控发动机领域、进一步扩大技术的引进与二次创新都是不凡举措。寻找适合自身的技术路线，弄清竞争对手、发掘合作伙伴，不走别人简单重复研发的路，不侵犯别人的专利。全面了解当前相关技术专利申请、公布情况，找准自己的研发路才是不二之选。

5 结语

综上所述，高压共轨是柴油发动机的核心工作元件之一。普通柴油发动机车辆的年产量占我国专用车年产量的比重较大，随着用户需求的不断提升，普通柴油发动机车辆的产品结构、质量和可靠性都在不断提升。作为柴油发动机车辆的关键零部件，国内市场对高压共轨的需求正朝着自重轻型化、举升重型化以及系统集成化方向发展。可以这样说，高压共轨柴油发动机要向自重轻型化、自动化以及系统集成化等方向发展，同时，还要有优秀的质量保障与售后服务能力。因为质量稳定性永远是第一需要，这也是一切产品要在激烈的市场竞争中占有一席之地的先决条件。系统集成化要求高压共轨的供应商不仅能提供智能化产品，还必须具备系统匹配设计的能力，对于整个系统来说，高压共轨仅仅是执行部件，与其匹配的泵、阀等控制部件也非常重要。而只有轻量化的产品才能使单车运输更多的货物，使用户得到更多的利润。