內部加熱雙線圈GDI噴油器性能研究

Research on the Performance of Internal Heating Dual-coil GDI Injector

Chen Yong Jingdezhen University，Jingdezhen 333ooo，China

Abstract：ToadresstheshortcomingsoftraditionalGDinjectors，suchaspoorfuelatomizatioandslowresponsespedinlowtemperatureenviroments，thispperproposesaniterallyeateddual-coilGDjectorstructure.Bydsignigadual-coildrieoduleandinteralheatingunit，theproposeddesignenhancesboththeinjector'sactivationresponsespeedandfuelflowperforanceunderlow-temperatureconditios.Throughacombnatioofexperimentalandsulationmethods，thistudyinvestigatestheeltomag netic response characteristics，spray characteristics，and fuel economyofthe injector.Results demonstrate thatat -20^°C low-temperature conditions，the internally heated dual-coil GDI injector achieves a 15%～20% reduction in injection response time compared to conventional injectors，an 8%～12% decrease in fuel atomization particle size（SMD），and a 3%～5% improvement in engine thermal efficiency.This innovation provides critical technical support for optimizing GDI engine performance.

KeyWords：GDI injector;Internal heating;Dual-coil;Electromagnetic response;Spray characteristics

1前言

面對全球能源危機，環保法規不斷收緊，高效節能低排放成為發動機發展主流，汽油直噴GDI技術以其燃油噴射準、燃油利用率高的特點在乘用車發動機上得到廣泛應用。中國汽車工業協會數據顯示，2024年我國搭載GDI技術的乘用車占比超 60% 。傳統GDI噴油器在實際使用中也存在一些問題，在低溫環境下 （-10%） ，燃油黏度增大，霧化性能變差，未充分燃燒的燃油會生成大量積碳，影響發動機的動力性能，還會造成發動機氮氧化物 NO_x ，顆粒物PM等污染物的增加。傳統的單線圈GDI噴油器因為自身電磁力特性的限制，開啟反應時間長（一般為 0.8～1.2ms ，無法滿足發動機高速運轉工況下的快速噴油要求，導致燃燒過程中不穩定[1-3]。

本文提出內部加熱雙線圈GDI噴油器結構，將雙線圈驅動與內部加熱功能相結合，從結構設計、性能測試和仿真分析三個方面，全面研究內部加熱雙線圈GDI噴油器的性能優勢，為GDI噴油器技術升級提供理論和試驗基礎。

2內部加熱雙線圈GDI噴油器結構設計

2.1傳統GDI噴油器結構缺陷研究

傳統單線圈GDI噴油器主要由電磁線圈、銜鐵、針閥、噴孔等組成，其工作原理是ECU發出驅動信號后，電磁線圈通電產生電磁力，吸引銜鐵帶動針閥向上運動，噴油器開啟；斷電后，復位彈簧推動針閥關閉，停止噴油4。其缺點主要有兩個：a.單線圈電磁力隨電流變化的線性度較差，當電流未達到飽和值時，電磁力增長緩慢，噴油器開啟響應較慢；b.低溫環境下，噴油器內部燃油溫度低、黏度大，針閥運動時容易產生黏滯阻力，響應時間更長，燃油霧化時易發生“油滴團聚”，影響燃燒效率。

2.2內部加熱雙線圈GDI噴油器結構設計

傳統單線圈GDI噴油器存在電磁響應慢、低溫霧化差的問題。本文采用多物理場耦合理念，提出內部加熱雙線圈GDI噴油器結構方案，由雙線圈驅動、內部加熱、針閥、噴孔組件和溫度控制單元五部分組成，各模塊協同工作。

2.2.1雙線圈驅動模塊

雙線圈驅動模塊是提高響應速度的關鍵，采用“主線圈 + 輔助線圈”同軸嵌套結構，突破了傳統單線圈的局限。鐵芯由高硅電工鋼片疊壓而成（疊片厚度 0.35mm ，可減小損耗、保證電磁轉換效率。主線圈是主要驅動力源，匝數80～100匝，線徑 0.5～0.6mm ，為高強度漆包銅線， 12V 電壓下可產生25～28N電磁力，滿足針閥開啟需求。輔助線圈為“加速補能”單元，匝數30～40匝，線徑 0.3～0.4mm ，為細徑漆包線，通電瞬間產生8～10N附加電磁力[5]。

控制邏輯上，“時序串聯”，ECU先對輔助線圈施加0.1～0.2ms 短時高電流脈沖（峰值電流8～10A），輔助線圈快速建立磁場，帶動銜鐵初步移動；隨后主線圈與輔助線圈串聯通電（工作電流4～6A），雙線圈磁場疊加， 0.22ms 內總電磁力達 ?30N 的針閥開啟閾值，比傳統單線圈縮短 51.1% 。為防過熱，線圈繞組外側包裹聚酰亞胺絕緣膜，設計螺旋式散熱通道，連續噴油工況下溫度維持在 65～70°C ，保證長期可靠。

2.2.2內部加熱模塊

內部加熱模塊旨在實現“燃油精準預熱”與“熱量高效利用”，采用“嵌入式加熱絲 + 導熱套筒\"方案。加熱元件為直徑 0.5mm 的鎳鉻合金加熱絲（鎳鉻含量比80：20），電阻率穩定、耐溫性強，12V電壓下功率為 5～8W 。加熱絲通過激光焊接嵌入針閥套內壁螺旋形凹槽（凹槽深度 0.3mm ，螺距 2mm ），填充導熱硅脂確保熱量傳遞并避免機械磨損。

對比實驗顯示， -20^°C 低溫下，加熱模塊通電3s，燃油溫度升至 50^qC ，運動黏度下降 62.4% ，針閥運動黏滯阻力從1.8N降至 0.6N ；加熱5s，燃油溫度達 75^°C ，黏度進一步下降且無汽化現象。加熱絲呈螺旋狀布局，以便使熱量均勻分布，針閥套各區域溫度差 ?5^°C ，燃油受熱均勻性比傳統外部加熱提高 40% 。

2.2.3溫度控制單元

溫度控制單元是加熱模塊的“智能調控核心”，采用“STM32單片機 +NTC 熱敏電阻\"閉環控制策略。控制核心為STM32F103C8T6單片機，具有12位ADC采樣功能、多通道PWM輸出和低功耗特性[]。溫度采集元件為貼片式NTC熱敏電阻，安裝在針閥套出油口處，采樣頻率 10Hz 。

控制邏輯選用“分段式PID控制\"算法，燃油溫度lt;50^qC 時，加熱絲滿功率加熱； 50～65^circC 時，采用比例控制； 65～80^°C 時，使用PID控制將溫度波動控制在 超過 80^qC 時，切斷電源并發出故障預警。臺架試驗表明，在 -20～80^°C 環境下，控溫精度達 ±1.5% ，響應時間 ? 0.5s ，滿足不同工況需求。

2.3核心參數設計與匹配

要達到噴油器最佳噴射效果，就需要對雙線圈匝數、加熱功率、針閥行程等主要參數進行匹配，采用正交試驗確定出最佳參數組合，如表1所示。其中，綜合評分以噴油響應時間（權重 40% ）、燃油霧化粒徑（權重40% ）、可靠性（權重 20% 作為評分標準，分數越高越好。

表1內部加熱雙線圈GDI噴油器正交試驗結果核心參數

由表1可知，當主線圈匝數為100匝、輔助線圈匝數為35匝、加熱功率為7W、針閥行程為 0.29mm 時，噴油器綜合評分最高，達到96分，此時噴油響應時間為0.70ms ，燃油霧化粒徑為 21.8μm ，滿足設計要求，故確定此參數組合為最優方案。

3內部加熱雙線圈GDI噴油器性能仿真

3.1電磁響應特性仿真

3.1.1仿真模型建立

基于ANSYSMaxwell軟件建立雙線圈電磁仿真模型，設置仿真參數：線圈材料銅，相對磁導率1.0005；銜鐵材料電工純鐵（DT4），相對磁導率5000；氣隙長度0.1mm （針閥未打開時），仿真時間步長 0.01ms 。分別對傳統單線圈噴油器和內部加熱雙線圈噴油器進行電磁響應仿真，比較兩種噴油器的電磁力和銜鐵位移隨時間的變化情況。

3.1.2仿真結果分析

表2展示了關鍵數據對比。從表2可知，內部加熱雙線圈噴油器的電磁力峰值比傳統噴油器提高 23.5% ，電磁力達到閾值（30N）的時間縮短 51.1% ，銜鐵達到最大位移的時間（即噴油響應時間）縮短 37.5% ，斷電后復位時間縮短 20.0% 。由于雙線圈結構在通電初期，輔助線圈可以快速提高電磁力，避免了單線圈電磁力“慢速增長”的缺點，并且雙線圈產生的磁場疊加，使電磁驅動作用增強，從而實現噴油器響應速度大幅提升。

表2單雙線圈噴油器電磁響應特性比較

3.2噴霧特性仿真

3.2.1仿真模型建立

根據Fluent軟件搭建噴油器噴霧仿真模型，選擇離散相模型（DPM）模擬燃油霧化，設置邊界條件：噴油壓力 15MPa （GDI發動機噴油壓力），環境溫度 -20^°C 、25^°C，80^°C ，燃油為92#汽油（密度 720kg/m³ ，表面張力0.022N/m ，分別對傳統噴油器（無加熱）和內部加熱雙線圈噴油器（加熱溫度 50^qC 噴霧特性進行仿真，分析噴霧錐角、霧化粒徑、噴霧貫穿距隨時間的變化。

3.2.2仿真結果分析

表3展示了不同環境溫度下兩種噴油器在噴霧時間 1.0ms 時的關鍵噴霧特性數據對比。

表3不同溫度下兩種噴油器噴霧特性對比（噴霧時間 1.0ms ）

由表3可知，不同環境溫度下，內部加熱雙線圈噴油器噴霧特性優于傳統噴油器：噴霧錐角更大， -20^qC 時較傳統增大 26.4%，25‰ 時分別增大 13.4% ！7.9% ，使燃油在燃燒室分布更均勻；霧化粒徑大幅下降， -20^°C 時減小 40.0% ^{，25°C，80°C} 時分別減小 32.2% 、24.8% ，改善霧化質量；噴霧貫穿距更長， -20^qC 時增大5.7%，25‰ 時分別增大 9.5%.5.3% ，利于燃油與空氣混合。

4內部加熱雙線圈GDI噴油器性能測試

4.1試驗臺搭建

為了驗證仿真的正確性，搭建GDI噴油器性能試驗臺，主要設備有噴油器驅動模塊（輸出雙線圈驅動信號）恒溫環境箱 （-40～120^°C） ）、高速攝像系統（ 10000fps 1 280×800 ）、激光粒度儀 （0.1～100μm ）、燃油消耗儀（0.1mL/h） 以及數據采集卡（ 1MHz ）[7]。試驗對象是傳統單線圈噴油器（對照組）和內部加熱雙線圈噴油器（試驗組），試驗工況是噴油壓力 10～20MPa ，環境溫度 -20^qC，0^qC，25^qC，50^qC， 發動機轉速 1500～4000r/min

4.2電磁響應時間試驗

在噴油壓力 15MPa 環境溫度 25‰ 工況下，采用數據采集卡采集兩種噴油器針閥位移信號，獲取噴油響應時間（從ECU發出噴油指令到針閥打開的時間）和復位時間（從斷電到針閥關閉的時間），試驗結果見表4。

表4兩種噴油器電磁響應時間試驗結果（ n=5 ，取平均值）

由表4可知，試驗組噴油響應時間 0.72ms ，比對照組縮短了 31.4% ；復位時間 0.27ms ，比對照組縮短了18.2% ；而且試驗結果與仿真結果偏差均小于 4% ，表明仿真模型是準確的。試驗標準差更小，說明內部加熱雙線圈噴油器的電磁響應穩定性更好，這對于發動機在高轉速工況下的精準噴油尤為重要。

4.3噴霧特性試驗

在噴油壓力 15MPa 環境溫度 江況下使用高速攝像系統和激光粒度儀測試噴霧特性，結果與仿真趨勢一致。 -20^°C 時，試驗組噴霧錐角 15.5^° （對照組 12.3^° ）， SMD22.1μm （對照組 36.2μm ），霧化質量提升 39.0% 25^°C 時，試驗組SMD 19.5μm （對照組28.1μm， ，優勢略有縮小，但噴霧均勻性更好，低溫加熱模塊降低了燃油的黏度，減少了油滴團聚，是低溫工況下噴霧性能提升的主要原因。

4.4燃油經濟性試驗

將兩種噴油器搭載至1.5LGDI發動機臺架，測試不同轉速下的燃油消耗率（BSFC）。發動機轉速在 1500r/min （低負荷） ?3000r/min （中負荷） 、4000r/min （高負荷）工況下，試驗組BSFC分別為 238g/（kW?h）.215g/（kW?h） 、242g/（kW?h） ，較對照組 252g/（kW?h）.230g/（kW?h）. 258g/（kW?h） 分別降低 5.6%.6.5%.6.2% 。低溫啟動時，試驗組發動機怠速穩定時間縮短至 12s∣ 對照組 25s ，HC排放降低 28% ，因霧化改善減少不完全燃燒。

5結語

內部加熱雙線圈結構，使噴油器響應速度得到極大提高，響應時間縮短了 31.4% ，復位時間縮短了 18.2% ，能夠滿足高轉速工況要求。內部加熱模塊在 -20^°C 時使燃油SMD下降 39.0% ，噴霧錐角增大 25.2% ，解決了低溫霧化不良問題，搭載該噴油器的發動機BSFC平均下降 6.1% ，低溫啟動性能與排放指標改善明顯。

參考文獻：

[1]梁遲遲，張振東.GDI噴油器小脈寬非線性流量特性分析[J].車用發動機，2023（5）：31-37.

[2]梁遲遲，張振東.GDI噴油器結構參數對液力響應特性的影響[J].農業裝備與車輛工程，2023，61（2）：122-127+136.

[3]李勝榴，張振東，李方博，等.汽車電控噴油器多物理場耦合及優化研究[J].農業裝備與車輛工程，2019，57（9）：76-79.

[4]武玉琪.GDI燃油系統研發平臺的開發[D].濟南：山東大學，2019.

[5]蒲超杰.基于定容測試系統的GDI噴油器的噴霧及撞壁特性研究[D].長春：吉林大學，2018.

[6]苗元元.GDI汽油機電控燃油噴射系統控制策略的研究[D].長沙：湖南大學，2017.

[7]孔祥棟，張振東，謝乃流，等.GDI噴油器電磁場對動態響應特性影響的研究[J].汽車工程，2016，38（12）：1471-1476+1482.

作者簡介：陳勇，男，1979年生，講師，研究方向為汽車發動機燃燒與排放控制。