防水透氣閥在汽車發動機控制單元的應用

王雅薈，孫旭升，周宇辰

(中國航空工業集團公司 西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068)

0 引言

人們為了提高整機的電磁屏蔽性能，往往會在蓋板與機箱結合處、在航插的法蘭盤下安裝導電密封條，在提高屏蔽性能的同時也提高了密封性能，而且人們常用的連接器密封性能也比較好(J599Ⅲ系列普通連接器可以防淋雨，J599Ⅲ系列氣密連接器在插座兩端壓力差為100 kPa時，泄漏量不超過10-7cm3/s)，因此可以近似看作是密封設備。

由于設備內部電子元器件的自身發熱等原因，密封設備內部氣體的狀態也會隨之發生變化。溫度的快速上升會引起殼體內空氣膨脹，密閉殼體內空氣如果無法排出，壓力便會積聚在外殼上最薄弱的環節，如密封條、連接器等處。

防水透氣膜是一種可以將液態物質和固態物質擋在外面[1]，而氣態物質可以自由出入的功能性薄膜。其孔徑大小介于液態水分子直徑和氣態水分子直徑之間，并且是立體網狀結構，因此能阻擋液態分子和微小顆粒狀灰塵的進入，同時又能使氣體自由進出。

1 浸水試驗GJB 138-86介紹

發動機浸入水中30 min后，按下列程序進行試驗：

(1) 按GJB 3743的第8.1.3條規定的方法進行起動試驗。

(2) 最后一次起動成功后，以最大扭矩轉速運行30 min。

(3) 停止運行5 min后，按照(1)條的規定再次進行起動試驗。最后一次起動后，再運行20 mim。

(4) 停止運行，將發動機移出試驗槽。檢查發動機外觀和拆檢各密封面。

試驗條件：ECU裝在發動機側壁，將發動機放入水池中，注水淹沒發動機，直至發動機進氣門頂蓋在水面下1 m。

試驗方法：測量水位后，浸泡30 min，然后發動機起動，將轉速調節到1 500 rps維持30 min；熄火5 min再起動，將轉速調節到1 500 rps維持20 min。

2 防水透氣防護技術介紹

防水透氣閥是將防水透氣膜裝配在閥體內部組成一個防水組件，主要由閥體、防水透氣膜、O型密封圈組成，防水透氣閥能夠通過較好的透氣來實現殼體內外壓力的平衡，并能有效保護密封條的完整性。防水透氣膜還能加快設備內部水氣的散發，從而減少水氣積聚。

防水透氣閥主要功能是防水和透氣，其關鍵性能指標是防水能力和透氣量。防水能力主要和閥體生產工藝和透氣膜的防水能力有關，可以達到IP65，IP66，IP67[2]甚至更高的防護等級。防護等級的選擇和設備的應用環境有關，一般淋雨環境要求IP65即可，如有浸水的環境，則需考慮IP67或更高的防護等級，防護等級定義如表1所示。

表1 IPxx等級定義表

透氣量是防水透氣閥的關鍵指標，主要與設備殼體體積、溫度變化速率相關。假設設備內部空氣體積為10 L，外部使用環境最大溫差為從80 ℃(353.15K)降低到20 ℃(293.15 K)(12 min內，即5 ℃/min，國軍標的環境試驗要求一般為5 ℃/min)，并且內部和外部初始空氣壓力均為1個大氣壓，即101 kPa，假設從80 ℃降低到20 ℃是一個勻速降溫的過程，內外壓差按1 min為時間單位進行積聚，且內部空氣壓力在每個時間單位開始時已恢復至一個大氣壓。

3 防水透氣防護技術介紹

在完全密封的情況下，根據理想氣體狀態方程[3]：

P1V=nRT1

(1)

P2V=nRT2

(2)

式中：T1，T2為兩個溫度狀態下氣體的熱力學溫度；P1，P2為兩個溫度狀態下的氣體壓強；V為氣體體積；n為氣體物質的量；R為普適氣體常量。

則P2=P1×(T2/T1)=101 kPa×(293.15/353.15)=83.840 kPa，那么這個過程中最終的內外壓差ΔP=101 kPa-83.840 kPa=17.160 kPa。則1 min的內外壓差為1.4 kPa，近似為1～2 kPa。

在裝有防水透氣閥的情況下，將內部空氣壓力始終保持在一個大氣壓，所以：

PV1=nRT1

(3)

PV2=nRT2

(4)

則V2=V1×(T2/T1)=10 L×(293.15/353.15)=8.3 L，則需從外部補充的空氣體積ΔV=10 L-8.3 L=1.7 L，除以12 min即為142 ml/min。

假定降溫是一個勻速過程(5 ℃/min)，1 min的內外壓差在1～2 kPa之間(80 ℃降到75 ℃和25 ℃降到20 ℃產生的壓差均在1～2 kPa之間)，那么，要求透氣閥的透氣量為497～994 ml/min@7kPa(透氣量與壓差有線性關系，一般用7kPa時的透氣量表示，142×7=994，142×3.5=497)。

實際使用時考慮到外界環境的復雜性，一般透氣量選擇為理論設計值的2倍以上為宜，在這里即為994～1988 ml/min@ 7 kPa，選型時應選2 000 ml/min@7 kPa左右的型號。

4 發動機電子控制器改進措施

按照軍用發動機浸水試驗要求，須將發動機上表面浸入水下1 m進行起動及怠速運轉，目前ECU的安裝位置在發動機側壁，因此ECU應滿足水下1.5 m加電工作的要求。此前，研究人員按照康明斯公司DVP&R試驗要求對ECU進行過水下0.3 m的浸水試驗，試驗已經通過，水下1.5 m試驗因條件限制暫沒有進行。

目前，發動機控制器防水有3個薄弱環節：連接器；防水透氣閥；機箱接縫。其中更換了連接器的密封圈、機箱接縫采用灌膠方式可達到防水1.5 m。防水透氣閥改為可拆卸式，通過內螺紋擰入，避免出現橡膠透氣閥在塞入過程中由于閥門內透氣薄膜變形導致防水性能降低問題。同時閥門拆卸后預留內螺紋可以安裝加壓裝置，便于對產品進行打壓測試密封性能。采用螺紋式防水透氣閥防水等級可以達到10 m。

5 結語

設計時根據設備所處環境和試驗要求決定是否選用防水透氣閥，根據設備體積和溫度變化速率選擇合適的透氣量，實際選用的參數以理論計算值的兩倍以上為宜。