УСТАНОВКА ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ СИСТЕМ COMMON RAIL

Полезная модель относится к технологии производства топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания и может быть использована при автофретировании и испытаниях компонентов топливных систем Common Rail.
Топливная аппаратура двигателей внутреннего сгорания включает гидравлические компоненты (далее - компоненты), внутренние полости которых в эксплуатации нагружены высоким давлением топлива. Особенно это относится к компонентам систем Common Rail, в которых во время работы двигателя находится топливо под давлением порядка 160 МПа и выше. Примерами могут служить гидравлические аккумуляторы, топливопроводы высокого давления, форсунки, насосы. В реальных условиях эксплуатации давление во внутренних полостях компонентов топливной аппаратуры является непостоянным, по величине. Колебания давления топлива при работе двигателя представляют собой дополнительный фактор, отрицательно влияющий на герметичность и прочность конструкции компонентов топливной аппаратуры.
Создание колебаний давления топлива или других жидкостей, применяемых в роли технологических жидкостей, во внутренних полостях компонентов в процессе производства топливной аппаратуры может быть целесообразно, по крайней мере, в двух случаях: во-первых, для осуществления так называемого автофретирования - гидроимпульсного упрочнения и, во-вторых, при испытаниях - для имитации эксплуатационного нагружения.
Известны способ и устройство для генерирования колебаний давления в потоке жидкости (пат. RU №2464456, опубл. 20.10.2012. Бюл. №29). Известное устройство включает щелевое сопло, две камеры-резонатора с острыми выходными кромками, острый клин, два рабочих канала, гидроцилиндр и два поршней, соединенные штангой. Известное устройство работает следующим образом. Жидкость подается через входное щелевое сопло и плоской струей натекает на острый плоский клин, с которого сваливается в один из двух расходящихся рабочих каналов. Струя жидкости задевает краем острую выходную кромку камеры резонатора и частично втекает в рабочий канал. При этом повышается давление в камере-резонаторе и струя отклоняется повышенным давлением в противоположный канал. При устойчивом заполнении струей одного из рабочих каналов давление по разные стороны поршня в гидроцилиндре различное. Поршень перемещается в гидроцилиндре в сторону окна, соединенного с заполненным рабочим каналом, и тащит за собой поршень в выходном коллекторе. Резкое перемещение поршня в трубе выходного коллектора создает область пониженного давления с одной стороны поршня и область повышенного давления с другой стороны. Перепад давления между рабочими каналами используют для генерации импульсов давления в выходном коллекторе.
К недостаткам известного решения относится чувствительность конструкции из двух поршней, жестко связанных между собой штангой к несоосностям как самих поршней друг относительно друга при их установке и закреплении на штанге, так и отверстий под поршни в гидроцилиндре и выходном коллекторе или перфорированном стакане (вариант, предложенный в известном решении). Увеличение взаимной несоосности поршней приведет к уменьшению эффективности преобразования перепада давления между рабочими каналами в импульсы давления в выходном коллекторе. Так как оба поршня должны иметь определенную высоту, обеспечивающую гидравлическую плотность соединения, при некотором перекосе связки «поршни-штанга» устройство может стать неработоспособным. Важной особенностью известного решения, которая при испытаниях топливной аппаратуры на прочность будет недостатком, является необходимость организации постоянного протока жидкости через устройство, так как эффективность известного способа и устройства для его осуществления зависит от скорости движения жидкости.
Известны способ возбуждения колебаний давления в замкнутом объеме и гидравлический возбудитель колебаний для его осуществления (А.С. №1606752, опубл. 15.11.1990. Бюл. №42). Устройство включает два, установленных в корпусе и гидравлически связанных между собой поршня, днища которых в совокупности со специально профилированными стенками корпуса образуют рабочую камеру, заполненную рабочей жидкостью. Один из поршней является задающим и связан с неоговоренным источником механической энергии, от которого получает перемещение. Второй поршень авторы известного решения определяют, как рабочий орган устройства. Он связан с корпусом через упругий демпфер, причем между наружной поверхностью второго поршня и стенкой корпуса образована полость, заполненная демпфирующей жидкостью. По известному решению, задающий поршень перемещается с заданной частотой и сжимает рабочую жидкость в рабочей камере, создавая волну давления в направлении днища второго поршня. Возвращаясь в исходное положение задающий поршень создает волну разрежения, которая достигает днища второго поршня и отражается в обратном направлении. В момент достижения волной разрежения днища задающего поршня, последний выдает следующий импульс. Импульсы повышенного давления суммируются до тех пор, пока волна высокого давления не переместит рабочий орган устройства, преодолевая сопротивление демпфера и демпфирующей жидкости. Перемещаясь на расстояние, определяемое упругими свойствами демпфера и демпфирующей жидкости, рабочий орган устройства создает рабочий импульс давления в выходном патрубке.
К недостаткам известного решения относится применение двух различных жидкостей - рабочей и демпфирующей и, соответственно, необходимость специальных мероприятий по предотвращению их смешивания. Недостатками является так же применение демпфера, периодически деформируемого при работе устройства и ограничивающего за счет этого ресурс всей конструкции.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков - прототипом предлагаемой полезной модели - является устройство для гидравлического испытания, примененное для осуществления способа гидравлического испытания (пат. RU №2649619, опубл. 04.04.2018. Бюл. №10), включающее устройство для подачи технологической жидкости из емкости к усилителям давления, усилители давления, систему трубопроводов, связывающих между собой компоненты устройства и испытуемое изделие, систему управления работой отдельных компонентов устройства, датчики.
По известному решению, предполагается использование двух технологических жидкостей с различными свойствами. Гидравлическое нагружение испытуемого изделия осуществляют одной технологической жидкостью, а привод усилителей давления - другой технологической жидкостью, при этом смешивание технологических жидкостей не допускается. В качестве первой технологической жидкости, используемой для заполнения внутренней полости изделия, используется вода, а в качестве технологической жидкости, используемой для привода усилителей давления - гидравлическое масло. В соответствии с этим, известное устройство в обязательном порядке должно включать две емкости - каждая для соответствующей технологической жидкости.
Усилители давления выполнены в виде бустерных цилиндров с различными коэффициентами усиления, подключаемых к испытуемому изделию параллельно. Количество бустерных цилиндров может быть равно единице, но предпочтительным вариантом, по известному решению, является поочередное использование множества бустерных цилиндров с последовательно увеличивающимися коэффициентами усиления. Количество бустерных цилиндров соответствует количеству насосов для их привода.
В качестве насосов для привода бустерных цилиндров, по известному решению, предполагается применять насосы двойного действия.
Между емкостью для гидравлического масла и бустерными цилиндрами, по известному решению, размещен переключающий механизм, который подает масло избирательно в один из множества бустерных цилиндров.
На выходной стороне каждого бустерного цилиндра имеется датчик давления.
При достижении заданного уровня давления во внутренней полости изделия все бустерные цилиндры, кроме одного, отключают и выдерживают изделие под давлением в течении заданного временного интервала. Таким образом, после достижения с помощью бустерных цилиндров заданного уровня давления испытания продолжают при постоянном давлении.
К недостаткам известного решения относится:
- использование двух типов жидкостей;
- использование бустерных цилиндров с различными коэффициентами усиления;
- использование отдельных насосов для привода каждого бустерного цилиндра;
- использование большого числа датчиков давления;
- проведение испытаний при постоянном давлении.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемая полезная модель, является создание эффективной установки для гидравлического нагружения компонентов систем Common Rail, позволяющей обеспечить циклическое изменение давления во внутренних полостях нагружаемых изделий. Это позволит осуществлять упрочнение компонентов за счет автофретирования и выполнять испытания компонентов при имитации реальных условия нагружения в эксплуатации.
Решение поставленной технической задачи достигается за счет:
- применения одной технологической жидкости для привода усилителей давления и для нагружения компонента;
- использование для привода всех используемых при испытаниях усилителей давления одного стендового насоса;
- использование в качестве усилителей давления электроуправляемых мультипликаторов давления (далее - мультипликаторов) с одинаковыми коэффициентами мультипликации (усиления), обеспечивающих циклическое изменение давления с заданными частотой и амплитудой во внутренней полости компонента.
Новизной в предлагаемой установке для гидравлического нагружения компонентов систем Common Rail является сочетание применения одной технологической жидкости для привода усилителей давления и нагружения испытуемого изделия внутренним давлением, одного насоса для подачи технологической жидкости к усилителям давления, а также применения в качестве усилителей давления электроуправляемых мультипликаторов, имеющих равные коэффициенты мультипликации (усиления давления).
Предлагаемая в качестве настоящей полезной модели установка для гидравлического нагружения компонентов систем Common Rail поясняется структурной схемой на фиг. 1.
Нагружение на предлагаемой установке может проводиться как с целью испытаний компонента системы Common Rail, так и с целью упрочнения его конструкции путем автофретирования.
Предлагаемая установка включает насос 2, приводимый в действие электродвигателем 3, емкость 4 для технологической жидкости, стендовый аккумулятор 5, разветвители 6 и 8, обратный клапан 7, электроуправляемые клапаны 9, мультипликаторы 10, управляемые актуаторами 101, датчики давления 11 и 12, поддон 13, систему управления 14. Штрих-пунктирной линией 15 на фиг. 1 условно показаны коммутирующие жгуты системы управления 14. Сплошной линией - трубопроводы высокого давления. Штриховой линией - дренажные трубопроводы. Стрелки показывают направление движения технологической жидкости в трубопроводах.
Предпочтительным, но не исключительным, является использование в качестве насоса 2 электроуправляемого топливного насоса высокого давления системы Common Rail, например, модельного ряда «СР» фирмы Robert Bosch GmbH. Это связано с широким распространением таких насосов, что упрощает техническое обслуживание и, при необходимости, ремонт.
В качестве технологической жидкости могут быть использованы дизельное топлива, калибровочная жидкость, гидравлическое масло или любой жидкий углеводородный продукт, не вызывающий коррозию стальных деталей.
3
2
Предпочтительным вариантом является применение в качестве технологической жидкости калибровочной жидкости, имеющей плотность 825 кг/м при 15°С и кинематическую вязкость 2,53 мм/с при 40°С. Это связано с широко распространенным применением упомянутой жидкости в производстве, испытаниях и техническом обслуживании топливной аппаратуры типа Common Rail.
Разветвитель 6 может быть выполнен в виде тройника и установлен между насосом 2, стендовым аккумулятором 5 и нагружаемым изделием 1.
Обратный клапан 7 установлен между разветвителем 6 и нагружаемым изделием 1 для препятствия прохождения волн давления из нагружаемого изделия 1 в стендовый аккумулятор 5.
К стендовому аккумулятору 5 подключен разветвитель 8, сообщающий стендовый аккумулятор 5 с электроуправляемыми мультипликаторами 10 через электроклапаны 9.
Электроклапаны 9 являются нормально закрытыми.
В частном случае, в качестве электроклапанов 9 могут быть использованы электроуправляемые форсунки Common Rail.
Электроуправляемые мультипликаторы 10 включают актуаторы 101. Актуаторы 101 содержат электроуправляемое исполнительное устройство и нормально закрытый клапан. На фиг. 1 электроуправляемое исполнительное устройство и нормально закрытый клапан позициями отдельно не обозначены.
Предпочтительным является применение электромагнитных актуаторов 101. Это связано с накопленным специалистами в настоящее время большим опытом работы с электромагнитами систем Common Rail, существующим разнообразием конструкций электромагнитных актуаторов, применяемых в различных системах Common Rail, позволяющим подобрать необходимый, по характеристикам актуатор.
Электроуправляемые мультипликаторы 10 могут быть выполнены, например, в виде двух цилиндрических деталей разного диаметра, которые условно можно назвать поршнем (деталь большего диаметра) и плунжером (деталь меньшего диаметра). Полость над поршнем является входом, а полость под плунжером - выходом электроуправляемых мультипликаторов 10. На фиг. 1 поршень, плунжер и соответствующие полости позициями отдельно не обозначены.
Электроуправляемые мультипликаторы 10 имеют одинаковые конструкции и, в частности, одинаковые коэффициенты геометрической мультипликации.
В общем случае в качестве мультипликаторов поз. 10 могут быть использованы электроуправляемые насос-форсунки либо специально изготовленные для осуществления способа мультипликаторы. При использовании в качестве мультипликаторов поз. 10 электроуправляемых насос-форсунок необходимо, чтобы цикловая подача, обеспечиваемая ими, была достаточна для создания заданного циклического повышения давления в обрабатываемом компоненте системы Common Rail.
Количество электроуправляемых мультипликаторов определяется характеристиками колебаний давления, которые необходимо получить в нагружаемом изделии - амплитудой и частотой. На структурной схеме установки для гидравлического нагружения компонентов систем Common Rail, показанной на фиг. 1, изображен пример комплектации установки, в котором использованы два электроуправляемых мультипликатора 10.
Количество электроклапанов 9 равно количеству мультипликаторов 10.
К стендовому аккумулятору 5 подключен датчик давления 11. Тип датчика 11 может быть любым. На структурной схеме установки для гидравлического нагружения компонентов систем Common Rail, показанной на фиг. 1, изображен пример комплектации установки электронным датчиком, подключенным коммутирующим жгутом к системе управления 14, где происходит обработка сигнала.
К нагружаемому изделию 1 подключен электронный датчик давления 12, связанный с системой управления 14, где происходит обработка сигнала.
Система управления 14 включает устройство обработки сигналов датчиков, управления насосом 2, электроклапанами 9 и актуаторами 101, а также запоминающее устройство ввода-вывода информации, разъемы для подключения коммутирующих жгутов 15 и, по меньшей мере, один USB-порт. Система управления 14 может иметь сетевой разъем RJ-45. Перед началом эксплуатации установки в систему управления 14 должна быть загружена программа, по которой будет работать установка.
В систему управления 14 могут быть предварительно загружены различающиеся между собой программы для испытания или автофретирования различных компонентов систем Common Rail. Для выбора необходимой программы используется устройство ввода-вывода информации.
Устройство ввода-вывода информации, являющееся частью системы управления 14, может быть выполнено в виде клавиатуры или сенсорного экрана.
Насос 2, стендовый аккумулятор 5, разветвители 6 и 8, обратный клапан 7, электроуправляемые клапаны 9, мультипликаторы 10 и трубопроводы, соединяющие гидравлические компоненты установки, размещены над поддоном 13 для сбора возможных утечек через соединения. Поддон 13 соединен с емкостью для технологической жидкости 4, куда из него происходит свободный слив технологической жидкости в случае ее утечек через соединения.
Предлагаемая в качестве настоящей полезной модели установка для гидравлического нагружения компонентов систем Common Rail работает следующим образом.
Устанавливают, закрепляют и подключают к компонентам установки нагружаемое изделие 1.
С помощью устройства ввода-вывода системы управления 14 оператор выбирает необходимую программу работы и включает установку.
Электродвигатель 3 приводит в действие насос 2. Насос 2 получает соответствующий управляющий сигнал и подает из емкости 4 технологическую жидкость через разветвитель  6 в стендовый аккумулятор 5 и через обратный клапан 7 в нагружаемое изделие 1. В нагружаемом изделии 1 создается заданный начальный уровень давления.
Из стендового аккумулятора 5 технологическая жидкость поступает в разветвитель 8 и, далее, к электроклапанам 9.
При подаче сигнала от системы управления 14 на электроклапаны 9, последние открываются на заданное время. Технологическая жидкость проходит на вход электроуправляемых мультипликаторов 10. Поскольку деталь, названная поршнем, имеет больший диаметр, в полости над ней развивается усилие, достаточное для перемещения поршня и - вместе с ним - плунжера из исходного положения в такое, при котором плунжер максимально удален от входа электроуправляемого мультипликатора. При этом происходит вытеснение технологической жидкости из подплунжерного пространства во внутреннюю полость нагружаемого изделия 1. Давление во внутренней полости нагружаемого изделия 1 повышается тем больше, чем больше объем вытесняемой технологической жидкости. При одной и той же длительности нахождения электроклапанов 9 в открытом состоянии объем вытесняемой плунжером технологической жидкости можно увеличить как за счет увеличения объема подплунжерного пространства, например, путем увеличения диаметра плунжера, его хода или и того, и другого, либо путем увеличения одновременно срабатывающих электроуправляемых мультипликаторов 10.
При подаче системой управления 14 сигнала на актуаторы 101 нормально закрытые клапаны, входящие в состав актуаторов 101 начинается слив технологической жидкости из надпоршневой полости. Когда давление там упадет ниже давления в подплунжерной полости, произойдет движение пары «поршень-плунжер» в направлении актуатора 101. При этом давление во внутренней полости нагружаемого изделия 1 также упадет. Величина падения давления технологической жидкости во внутреннего полости нагружаемого изделия 1 пропорциональна перемещению плунжера и, соответственно, величине слива из надпоршневой полости.
После закрытия актуаторов 101, слив из надпоршневой полости электроуправляемых мультипликаторов 10 прекращается. По команде системы управления 14, в заданный момент подается сигнал на электроклапаны 9.
Цикл повторяется.
Варьируя частоту и длительность подаваемых сигналов, можно получать различные режимы нагружения изделия 1, подходящие как для испытаний, так и для автофретирования.
В качестве нагружаемого изделия 1 могут быть использованы любые гидравлические компоненты систем Common Rail, в которых имеются каналы, в эксплуатации нагружаемые внутренним высоким давлением топлива, например: аккумуляторы, топливопроводы, корпуса форсунок, корпуса распылителей, детали топливных насосов.
Техническим результатом предлагаемой в качестве полезной модели установки для гидравлического нагружения компонентов систем Common Rail является упрощение конструкции за счет использования единой технологической жидкости, а также создание в нагружаемом изделии переменного давления с заданным характером его изменения во времени, дающее возможность:
- выполнять упрочнение компонентов Common Rail путем их автофретирования;
- выполнять гидравлические испытания при переменном давлении;
- имитировать эксплуатационные режимы работы компонента Common Rail, что может быть использовано при проведении, например, прочностных или ресурсных испытаний компонентов.