防水透氣閥在汽車發(fā)動機(jī)控制單元的應(yīng)用

王雅薈，孫旭升，周宇辰

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引言

人們?yōu)榱颂岣哒麢C(jī)的電磁屏蔽性能，往往會在蓋板與機(jī)箱結(jié)合處、在航插的法蘭盤下安裝導(dǎo)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(shè)備。

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

防水透氣膜是一種可以將液態(tài)物質(zhì)和固態(tài)物質(zhì)擋在外面[1]，而氣態(tài)物質(zhì)可以自由出入的功能性薄膜。其孔徑大小介于液態(tài)水分子直徑和氣態(tài)水分子直徑之間，并且是立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此能阻擋液態(tài)分子和微小顆粒狀灰塵的進(jìn)入，同時又能使氣體自由進(jìn)出。

1 浸水試驗(yàn)GJB 138-86介紹

發(fā)動機(jī)浸入水中30 min后，按下列程序進(jìn)行試驗(yàn)：

(1) 按GJB 3743的第8.1.3條規(guī)定的方法進(jìn)行起動試驗(yàn)。

(2) 最后一次起動成功后，以最大扭矩轉(zhuǎn)速運(yùn)行30 min。

(3) 停止運(yùn)行5 min后，按照(1)條的規(guī)定再次進(jìn)行起動試驗(yàn)。最后一次起動后，再運(yùn)行20 mim。

(4) 停止運(yùn)行，將發(fā)動機(jī)移出試驗(yàn)槽。檢查發(fā)動機(jī)外觀和拆檢各密封面。

試驗(yàn)條件：ECU裝在發(fā)動機(jī)側(cè)壁，將發(fā)動機(jī)放入水池中，注水淹沒發(fā)動機(jī)，直至發(fā)動機(jī)進(jìn)氣門頂蓋在水面下1 m。

試驗(yàn)方法：測量水位后，浸泡30 min，然后發(fā)動機(jī)起動，將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到1 500 rps維持30 min；熄火5 min再起動，將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到1 500 rps維持20 min。

2 防水透氣防護(hù)技術(shù)介紹

防水透氣閥是將防水透氣膜裝配在閥體內(nèi)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(shí)現(xiàn)殼體內(nèi)外壓力的平衡，并能有效保護(hù)密封條的完整性。防水透氣膜還能加快設(shè)備內(nèi)部水氣的散發(fā)，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(guān)鍵性能指標(biāo)是防水能力和透氣量。防水能力主要和閥體生產(chǎn)工藝和透氣膜的防水能力有關(guān)，可以達(dá)到IP65，IP66，IP67[2]甚至更高的防護(hù)等級。防護(hù)等級的選擇和設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境有關(guān)，一般淋雨環(huán)境要求IP65即可，如有浸水的環(huán)境，則需考慮IP67或更高的防護(hù)等級，防護(hù)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(guān)鍵指標(biāo)，主要與設(shè)備殼體體積、溫度變化速率相關(guān)。假設(shè)設(shè)備內(nèi)部空氣體積為10 L，外部使用環(huán)境最大溫差為從80 ℃(353.15K)降低到20 ℃(293.15 K)(12 min內(nèi)，即5 ℃/min，國軍標(biāo)的環(huán)境試驗(yàn)要求一般為5 ℃/min)，并且內(nèi)部和外部初始空氣壓力均為1個大氣壓，即101 kPa，假設(shè)從80 ℃降低到20 ℃是一個勻速降溫的過程，內(nèi)外壓差按1 min為時間單位進(jìn)行積聚，且內(nèi)部空氣壓力在每個時間單位開始時已恢復(fù)至一個大氣壓。

3 防水透氣防護(hù)技術(shù)介紹

在完全密封的情況下，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程[3]：

P1V=nRT1

(1)

P2V=nRT2

(2)

式中：T1，T2為兩個溫度狀態(tài)下氣體的熱力學(xué)溫度；P1，P2為兩個溫度狀態(tài)下的氣體壓強(qiáng)；V為氣體體積；n為氣體物質(zhì)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(nèi)外壓差ΔP=101 kPa-83.840 kPa=17.160 kPa。則1 min的內(nèi)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(nèi)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(bǔ)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(nèi)外壓差在1～2 kPa之間(80 ℃降到75 ℃和25 ℃降到20 ℃產(chǎn)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(guān)系，一般用7kPa時的透氣量表示，142×7=994，142×3.5=497)。

實(shí)際使用時考慮到外界環(huán)境的復(fù)雜性，一般透氣量選擇為理論設(shè)計值的2倍以上為宜，在這里即為994～1988 ml/min@ 7 kPa，選型時應(yīng)選2 000 ml/min@7 kPa左右的型號。

4 發(fā)動機(jī)電子控制器改進(jìn)措施

按照軍用發(fā)動機(jī)浸水試驗(yàn)要求，須將發(fā)動機(jī)上表面浸入水下1 m進(jìn)行起動及怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，目前ECU的安裝位置在發(fā)動機(jī)側(cè)壁，因此ECU應(yīng)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(yàn)要求對ECU進(jìn)行過水下0.3 m的浸水試驗(yàn)，試驗(yàn)已經(jīng)通過，水下1.5 m試驗(yàn)因條件限制暫沒有進(jìn)行。

目前，發(fā)動機(jī)控制器防水有3個薄弱環(huán)節(jié)：連接器；防水透氣閥；機(jī)箱接縫。其中更換了連接器的密封圈、機(jī)箱接縫采用灌膠方式可達(dá)到防水1.5 m。防水透氣閥改為可拆卸式，通過內(nèi)螺紋擰入，避免出現(xiàn)橡膠透氣閥在塞入過程中由于閥門內(nèi)透氣薄膜變形導(dǎo)致防水性能降低問題。同時閥門拆卸后預(yù)留內(nèi)螺紋可以安裝加壓裝置，便于對產(chǎn)品進(jìn)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(dá)到10 m。

5 結(jié)語

設(shè)計時根據(jù)設(shè)備所處環(huán)境和試驗(yàn)要求決定是否選用防水透氣閥，根據(jù)設(shè)備體積和溫度變化速率選擇合適的透氣量，實(shí)際選用的參數(shù)以理論計算值的兩倍以上為宜。