农业机械动力装置燃油喷射技术专利竞争态势分析

吴磊琦，谌 凯，赵志娟，应向伟

(浙江省科技信息研究院，浙江 杭州 310052)

农业机械动力装置燃油喷射技术专利竞争态势分析

吴磊琦，谌 凯，赵志娟，应向伟*

(浙江省科技信息研究院，浙江 杭州 310052)

针对柴油机目前广泛应用的3种燃油喷射系统(电控单体泵系统、电控泵喷嘴系统、共轨燃油喷射系统)进行分析，从专利申请趋势、技术发展趋势、区域分布、主要竞争机构以及在农用发动机中的应用等角度探讨其竞争态势。结果表明，电控单体泵、电控泵喷嘴系统整体技术已趋于稳定，目前技术发明主要布局在系统零部件或新材料研发等外围专利上，共轨燃油喷射系统技术已趋于成熟，德国和日本在相关技术领域处于绝对领先地位，我国在该领域的研究与开发尚处于起步阶段。

农业机械；燃油喷射系统；单体泵；泵喷嘴；共轨；专利分析

农业机械、农用运输车辆的发动机90%以上采用柴油发动机，是非道路移动机械尾气排放治理的重点。2014年10月1日起，《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段)》正式实施，要求于2016年4月1日起，所有制造、进口和销售的非道路移动机械应装用符合该标准第三阶段要求的柴油机。日趋严格的排放标准、激烈的市场竞争和能源短缺使得农用发动机不得不引入新技术，向低污染、低油耗、高比功率的方向发展，关键在于改善燃烧过程和方式，而这在很大程度上取决于喷油系统、进气系统和燃烧室结构三者之间的匹配[1-7]。因此，对喷油系统的开发研究是未来发动机技术的主要研究方向之一，提高喷射压力，对喷油规律、准确、灵活的控制是发动机技术升级的主要途径。

本研究通过对目前在柴油机上广泛应用的几种燃油喷射系统进行专利分析，旨在全面了解电控单体泵系统、电控泵喷嘴系统、共轨燃油喷射系统的专利申请趋势、技术发展趋势、区域分布、主要竞争机构以及在农用发动机中的应用。然后，根据专利分析结果，结合我国农用发动机发展实际，参考国外发展经验，提出我国企业农用发动机燃油喷射系统发展的对策建议。

1 材料与方法

以德温特专利数据库为数据源，通过关键词、国际专利分类号(IPC)及德温特(DII)手工代码相结合的检索方法进行专利检索：电控单体泵、泵喷嘴系统相关专利族1 144项，其中，中国专利173件，中国申请人申请的中国专利为122件(由于电控单体泵和泵喷嘴一样，是通过做成一体的电磁阀进行时间控制的单独喷油泵的喷油系统，仅存在单体泵系统的高压产生和高压电磁阀与喷油嘴之间有一根高压油管的区别，因此将单体泵系统和泵喷嘴系统一起进行专利分析)；共轨燃油喷射系统相关专利族4 817项，其中，中国专利1 092件，中国申请人申请的中国专利451件(检索时间范围为1962年至2015年5月)。

2 结果与分析

2.1 电控单体泵、泵喷嘴系统发展态势

2.1.1 专利申请趋势

电控单体泵、泵喷嘴系统在全球和我国的专利申请走势如图1所示，可以看出，此类燃油喷射系统的技术发展大致可以分为3个阶段。

第一阶段，快速发展期(1984年之前)。此类燃油喷射相关技术专利最早出现在1966年，到1982年申请量达到30件，发展较为迅速。该系统从出现专利申请开始，申请量就迅速增长，这可能与泵喷嘴系统是技术局部改进相关。中国在该阶段尚未有专利申请。

图1 电控单体泵、泵喷嘴系统专利申请走势Fig.1 Patent application trends of electronically controlled unit pump system and electric control unit injector system

第二阶段，稳步增长期(1984—1999年)。从1984年开始，此类系统的专利申请量出现较低幅度的回落，但总体仍呈向上发展趋势，这意味着该技术在此阶段已步入稳定期。我国于1991年出现此领域的第一件专利申请。

第三阶段，调整期(2000年至今)。从2000年开始至今，此类专利申请量的调整幅度较大，意味着该类别的技术趋于成熟，但研发力度不稳定，这可能与新替代技术的快速发展相关。我国在此阶段专利申请出现快速增长。

需要指出的是，由于专利申请存在18个月的公开期，所以2013年之后的数据还不完整，仅作参考。但根据整体趋势判断，此类燃油喷射系统的技术从第一件专利申请开始就被学术界和产业界迅速接受，并快速发展。

2.1.2 技术发展趋势

IPC和DII手工代码包含了专利的技术信息，统计分析发现，专利主要集中于此2类燃油喷射系统的结构特征、电子控制的电子单元，以及电磁阀、压电或电致伸缩电机等部件以及部件新材料。

通过2类燃油喷射系统技术领域最近3年(2012—2014年)首次使用的IPC代码和未再使用的IPC代码的对比分析可以发现，具体的结构部件成为目前的研发方向，这也表明该类技术整体已经成熟，部件的结构设计和新材料研发成为完善系统技术的手段。

2.1.3 专利区域分布

根据图2可以看出，美国、日本、德国、中国专利合计占该类别专利的75%左右，说明前述4国在这2类燃油喷射系统技术上处于绝对的领先地位。德国从1966年就开始申请该领域的第一项专利，1973年后申请量一直保持稳定，研发主力为博世公司；美国从1971年开始申请该领域的第一项专利，1979—2008年间专利申请一直保持稳定，研发主力为卡特彼勒公司；日本在该领域起步较晚，申请量顶峰的时期是1994—1999年。我国于1991年才申请此领域的第一项专利，但后续发展较快，尤其是自2004年开始，专利申请量一直保持稳定增长，研发主力有中国一拖集团、重庆红江机械有限公司等。

根据国别和国内地区统计分析，除国内企业申请中国专利122件外，外国申请人中，美国公司在中国申请布局的专利最多，其次是德国、日本、欧洲、韩国等。而国内申请主体所属地区中，北京、江苏、山东申请量排名前三。

2.1.4 专利竞争机构

图3展示了电控单体泵、泵喷嘴系统领域专利申请量排名前列的机构。其中，博世公司申请时间最早且申请量最多，达130项，相对于该公司在其他燃油喷射系统的专利数量，两类燃油喷射系统的专利所占比重较低，说明其在该公司的战略地位较低。但不管是申请总量还是近3 a数据均显示，博世公司在此类技术中一直处于绝对领先地位。该公司专利主要布局于德国、日本和美国，最近3 a的研发趋向于喷射时间控制、喷射量控制、聚合物材料的应用等。卡特彼勒公司的专利申请量仅次于博世公司，起步也相对较早，在1984年就开始申请专利，但之后中断8 a，该公司在1994—1997年间，申请数量达37件，占全部专利的近一半。德尔福公司专利申请量排名第五，但起步较晚，1996年才开始申请第一项专利，专利主要布局在英国、欧洲和美国，最近研发主要集中于喷射阀、凸轮轴、摇臂等方向。

图2 电控单体泵、泵喷嘴系统优先权专利国际区域分布Fig.2 Regional distribution of priority patents about electronically controlled unit pump system and electric control unit injector system

图3 单体泵、泵喷嘴系统主要专利申请人国际排名Fig.3 Global ranking of main patent applicants in s electronically controlled unit pump system and electric control unit injector

根据近3 a专利数据，国内的潍柴动力公司、北京理工大学、重庆红江机械有限责任公司、中国重型汽车集团等专利申请量快速增长。国内关于2类燃油喷射系统的技术改进比较热门，专利申请积极性也较高，具体来说主要集中于以电力操作为特点的燃料喷射装置、燃料喷射泵等方面。

2.1.5 在农用发动机中的应用分析

根据检索结果，电控单体泵、泵喷嘴燃油喷射系统在农用发动机中的应用相关专利共26项，主要有洋马、博世、约翰迪尔、久保田等公司申请相关专利，其中，洋马柴油机申请7项，博世公司、约翰迪尔各申请4项专利。该领域虽然自1982年起就有相关研究，但研发不稳定，每年的专利申请数量少。根据IPC代码统计分析，电控单体泵、泵喷嘴燃油喷射系统在农用发动机中的技术应用主要集中在电力操作、燃油泵以及燃料喷射器等领域。

2.2 共轨燃油喷射系统发展态势

2.2.1 专利申请趋势

图4展示了全球和中国共轨燃油喷射系统相关专利的申请情况，可以看出，相关技术的发展大致可以分为3个阶段。

第一阶段，技术孕育期(1993年之前)。第一项共轨燃油喷射技术相关专利于1975年申请，但接下来的十几年间，每年此类专利申请量不足10项，说明该技术仍处于孕育期，专利申请主要来自美国和日本。

第二阶段，快速发展期(1994—2008年)。从1994年开始，共轨燃油喷射技术相关专利申请量总体出现快速增长，1994年时仅为18项，而2008年时达到高峰，达387项，说明众多企业、高校院所等开始投入到共轨燃油喷射系统的研究中，相关技术得到快速发展。除美国、日本和德国外，中国也开始加强相关技术的研发，并于1999年申请该领域第一项相关专利。

第三阶段，稳定成熟期(2009年至今)。从2009年开始，该领域专利申请量出现一定程度的波动，但年申请量稳定在300项左右，说明共轨燃油喷射技术已经趋于成熟，开始朝产业化方向发展。在此阶段，我国开始发力，专利申请量出现快速增长。

综上可以看出，共轨燃油喷射技术在1994年后受到学术界和产业界的广泛关注，开始稳步发展，目前已趋于成熟。

2.2.2 技术发展趋势

基于共轨燃油喷射系统排名前十的IPC代码和DII手工代码的统计分析可以看出，共轨燃油喷射系统的专利主要集中于燃料喷射控制、燃料喷射装置及其零部件、电子控制部件、共轨装置等。

图4 共轨燃油喷射系统专利申请走势Fig.4 Patent application trend of common rail fuel injection system

通过共轨燃油喷射系统领域最近3 a(2012—2014年)首次使用和不再使用的手工代码的对比分析可以看出，电控单元可能成为潜在的研发热点，而传统的电机、检测技术已经较为成熟，不再是近期研发关注的焦点。

2.2.3 专利区域分布

全球有十几个国家在共轨燃油喷射系统领域进行了专利申请。如图5所示，专利申请排名前10位的国家和地区依次为：德国、日本、中国、美国、韩国、欧洲、英国、法国、奥地利和意大利。其中，美国起步最早，但专利申请量相对较少，占比仅为6%，主要申请机构为卡特彼勒。德国专利占比达40%，日本专利占比达34%，远远领先于其他国家，说明德日两国主导了共轨燃油喷射技术的发展。德国主要申请机构为德国博世，日本主要申请机构为日本电装。我国在该领域起步较晚，1999年才申请第一项相关专利，但2004年之后专利申请量出现高速增长，近3 a的申请量占全部申请的一半以上，说明国内创新主体越来越重视共轨燃油喷射系统的研发工作。

德国和日本的技术布局各有侧重，德国侧重于F02M47(用受流体压力而动作的燃料喷射阀进行循环动作的燃料喷射装置)、F02M59(专门适用于燃料喷射的泵)、F02M63(其他燃料喷射装置及其零部件)的研发，而日本更侧重F02D41(可燃混合气或其组分供给的电气控制)、F02M55(以其自身的燃料输送管或通风装置为特征的燃料喷射装置)、F02M45(燃料喷射装置，其特点是按一定的时间/压力或时间/喷油量关系循环工作)的研发。我国在共轨燃油喷射系统关键技术领域中专利申请量相对较少。

图5 共轨燃油喷射系统优先权专利国际区域分布Fig.5 Regional distribution of priority patents about common rail fuel injection system

根据国别和国内地区统计分析，除国内企业申请中国专利451件外，外国申请人中，德国公司在中国申请布局的专利最多，达283件，其次是日本、美国、韩国等。而国内申请企业所属地区中，江苏企业申请最多，主要申请人为无锡油泵油嘴研究所和无锡威孚有限公司，其次是北京、山东、福建等地。

2.2.4 专利竞争机构

图6展示了共轨燃油喷射系统领域专利申请量排名前列的机构。全球有数百家机构在共轨燃油喷射系统相关领域进行了专利申请，排名前10的机构主要来自德国、日本、美国和韩国，均为企业。来自德国的3家企业包括：博世、西门子、大陆汽车，其中德国博世在共轨燃油喷射系统方面的专利申请量远远高于其他企业，在技术上处于领先地位，且多年来一直保持对该领域的持续研发，对应于市场战略，其专利主要布局于本国和日本、韩国，技术布局较为全面，尤其侧重F02M47、F02M59和F02M63的研发，近3 a的研发则主要侧重于燃油喷射阀、燃油泵、微处理器系统、压力检测等。来自日本的4家企业包括：电装、丰田、五十铃和自动车部品工业，其中日本电装专利申请量排名第2，但2005年之后专利申请量出现明显下滑，主要布局在本国和德国、美国，技术上相对更为侧重F02M45的研发，近3 a的研发则主要侧重于微处理器系统、燃油喷射阀、液压检测和传感器。

在共轨燃油喷射系统相关中国专利中，国外企业德国博世和日本电装的专利申请量占据绝对领先地位，带来较强专利壁垒。国内机构中，哈尔滨工程大学、福建莆田中涵机动力公司、无锡油泵油嘴研究所、北京亚新科天纬油泵油嘴股份有限公司、潍柴动力有限公司等专利申请量在近3 a出现快速增长，专利申请主要集中于燃料喷射泵、燃料输送管为特征的燃料喷射装置、电力操作为特点的燃料喷射装置以及相关零部件等领域。

图6 共轨燃油喷射系统主要专利申请人国际排名Fig.6 Global ranking of main patent applicants in common rail fuel injection system field

2.2.5 在农用发动机中的应用分析

根据检索结果，共轨燃油喷射系统在农用发动机中的应用相关专利共47项，不到共轨燃油喷射系统总专利数量的1%。2002年才出现农用发动机中的应用相关专利(由美国底特律柴油机公司申请)，与1975年相比整整落后了将近30 a。日本井关农机株式会社、日本洋马柴油机株式会社、德国博世公司为主要研发力量。目前，农用发动机共轨燃油喷射系统的主要技术研究方向是共轨装置和电控单元，这与整个技术的研究方向一致，同时，污染排放控制也是其主要研究方向。

3 结论与讨论

本研究针对柴油机目前广泛应用的3种燃油喷射系统(电控单体泵系统、电控泵喷嘴系统、共轨燃油喷射系统)，从专利申请趋势、技术发展趋势、区域分布、主要竞争机构以及在农用发动机中的应用等角度进行分析。结果发现，电控单体泵、泵喷嘴系统从1966年就获得关注，并迅速被推广应用，至今仍不断有人进行研究，但系统整体技术已经趋于稳定，目前的技术发明主要布局在系统零部件或新材料研发等外围专利。从获得的文献资料也可知，电控单体泵具有技术成熟、燃油质量敏感度低、使用维护条件要求不高、使用寿命长、制造工艺相对简单、成本低、产品价格也低等优点，这与专利现状和趋势分析一致。在农用发动机应用中，此类系统的专利数量不多，目前主要有洋马、博世、约翰迪尔、久保田等公司申请了相关专利。这可能是因为农业机械的负载不均匀，而单体泵的喷射压力直接由高压泵控制，随负载变动不灵活，所以在农机应用中的研究不多。从专利情况来看，共轨燃油喷射技术目前已趋于成熟，德国和日本在该领域处于领先和主导地位，代表企业分别为博世和电装，研发重点主要集中在燃料喷射阀、燃料喷射泵及相关零部件，而电控单元和相关部件可能是该领域的潜在技术热点。该系统在农机上的应用总量仍然较少，分布主要以德国和日本企业为主，这可能与技术提升成本在整个农机成本中所占比重太大有关。

我国在共轨燃油喷射系统的研发方面仍处于起步阶段，动力装置燃油喷射系统由机械式向电控式过渡主要还依赖国外技术，但以福建莆田中涵机动力公司、北京亚新科天纬油泵油嘴股份有限公司、潍柴动力有限公司为代表的企业和以哈尔滨工程大学、无锡油泵油嘴研究所为代表的高校及科研院所在该领域已经开始奋起直追。建议今后应加强相关技术的引进、转化和吸收，加强产学研合作，大力支持电控喷油器、液压控制阀、喷油嘴偶件、高速执行器以及ECU电控单元等关键技术的研发，提高我国在该领域的自主开发能力和核心竞争力。

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(责任编辑 高 峻)

Competitive situation analysis on patents regarding agricultural machinery engine fuel injection technology

WU Leiqi， SHEN Kai， ZHAO Zhijuan， YING Xiangwei*

(InstituteofScientificandTechnicalInformationofZhejiangProvince，Hangzhou310052，China)

Based on patent analysis into 3 kinds of diesel engine fuel injection system (electronically controlled unit pump system， electric control unit injector system， common rail fuel injection system)， the competitive situation of these systems were investigated from 5 aspects， including patent application trend， technology development trend， regional distribution， rival agencies and applications in agricultural machinery engine. It was shown that the development of electronically controlled unit pump system and electric control unit injector system tended to be stable， with new technical inventions laying out in system components and new materials. Common rail fuel injection system related technologies were going to be mature. Germany and Japan hold absolutely leading positions in this field， while the research and development of China in this field was still in its infancy.

agricultural machinery; fuel injection system; unit pump system; unit injector system; common rail; patent analysis

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.06.25

2017-03-15

吴磊琦(1967—)，男，浙江杭州人，副研究馆员，主要从事产业情报研究。E-mail: 274404007@qq.com

*通信作者，应向伟，E-mail: yxw@zjinfo.gov.cn

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A

1004-1524(2017)06-1037-06