本实用新型涉及一种高压泵，作用是对引入其中的经一次加压的流体进行二次压缩，特别涉及一种柱塞式高压泵，尤其涉及一种高压泵中的柱塞偶件和柱塞套。
背景技术：
高压泵是燃油直喷式发动机的关键零件，其结构大致如图1所示。在高压泵的泵体1内设置有柱塞偶件，柱塞偶件包括柱塞2和柱塞套3，柱塞2可活动地插入柱塞套3内。实际使用时，柱塞2在外力推动下作往复直线运动，从而改变工作腔4内的容积和压强，柱塞2的向下运动在工作腔4内形成负压，使燃油经吸入阀5进入工作腔4内，且随着柱塞2的向上运动，工作腔4内液体受到挤压，压力增大，最终使排出阀6打开而排出工作腔4内的燃油，由此达到输送高压燃油(压力为150bar或以上)的目的。这种情况下，在前端需要输油泵从油箱将燃油压入到供油管路上，再由高压泵对燃油进行二次压缩后增加燃油的压力，从而达到改善车辆发动机的燃料可燃性的目的。
目前随着国家对节能减排要求的不断提高，高压直喷系统压力也在不断提高，例如在不失轻量化的前提下，提升泵油压力至350bar或以上。为此，高压泵的设计制造面临新的挑战。具体地，随着泵油压力的提升，高压油越容易通过柱塞间隙g(即为柱塞2和柱塞套3间的密封间隙)向泵体1内的低压区7回流，造成发动机容积效率下降的问题愈加严重。因此，泵油压力越高，缝隙泄漏越大。该问题在发动机处于中低转速工况下尤为显著，使得中低转速供油能力已成为更高压力油泵的瓶颈能力。如果使用现有技术路线，下一代系统压力(500bar及以上)下的中低转速下的缝隙泄漏成为供油效率损失的最主要的来源，供油量甚至会变得非常微小，使得进一步升高直喷系统的系统压力变得不可能。为此，有必要解决随泵油压力升高而缝隙泄漏越大的问题，从而提升供油效率。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种柱塞偶件、柱塞套及高压泵，旨在减小实际柱塞间隙，提升供油效率，且在提升供油效率时，不会增加整个高压泵的重量，而且还能保证零件的使用寿命，同时还能减小柱塞磨损，保证柱塞运动不会出现卡死的问题。
为实现上述目的，根据本实用新型的第一方面，提供了一种柱塞套，所述柱塞套具有轴向贯通的内孔，所述内孔于两端之间的内圆周面上形成有环形凹槽。
为实现上述目的，根据本实用新型的第二方面，提供了一种柱塞偶件，包括柱塞、柱塞套和滚动体；所述柱塞可活动地穿设在所述内孔中；所述环形凹槽内填充有多个所述滚动体；每个所述滚动体的尺寸被配置为能够阻止其进入柱塞间隙中，且每个所述滚动体还被配置为能够在所述环形凹槽中活动。
可选地，所述环形凹槽的数量为一个或多个，多个所述环形凹槽沿所述柱塞套的轴向间隔地设置。
可选地，所述环形凹槽的尺寸被配置为能够在所述内孔的轴向上容纳多个所述滚动体，所述环形凹槽的尺寸还被配置为能够在所述内孔的径向上容纳一个或多个所述滚动体。
可选地，在所述内孔的轴向方向上，多个所述滚动体充满整个所述环形凹槽，或者多个所述滚动体填充所述环形凹槽的一部分高度。
可选地，所述滚动体的结构相同或不相同，所述滚动体的结构包括滚动体的形状和/或尺寸。
可选地，所述滚动体为规则形状。
可选地，所述滚动体为圆球形状，所述滚动体的直径为1.0μm～100μm。
可选地，所述滚动体的材料为金属材料或无机非金属材料。
可选地，所述环形凹槽与所述柱塞之间具有凹槽间隙；在所述内孔的径向方向上，所述凹槽间隙与所述滚动体所填充的宽度的差值为0.5μm～5.0μm。
可选地，所述柱塞间隙为大于或等于0.5μm，且小于70μm。
为实现上述目的，根据本实用新型的第三方面，提供了一种高压泵，包括泵体以及所述的柱塞偶件，所述柱塞偶件设置在所述泵体中。
本实用新型提供的柱塞偶件、柱塞套及高压泵具有如下优点：
第一、在高压泵的柱塞偶件中，在柱塞和柱塞套间填充滚动体，使柱塞与柱塞套间的间隙(即柱塞间隙)可以通过滚动体的自由填充而变小，甚至很小，而且泵油压力越高，滚动体的堆积效应越大，泄漏间隙越小，因此，泄漏间隙可以自适应于压力的变化，正好补偿了泄漏率随压力升高而变大的负面效果；故而这样做，能较好地解决随泵油压力升高而缝隙泄漏越大的问题，使供油效率得到较大的提升，而且这样的设置方式不会增加高压泵的重量和制造成本；
第二、柱塞运动还能通过滚动体的滚动得以辅助润滑，使柱塞和柱塞套之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，减小了柱塞和柱塞套之间的磨损，保证了柱塞偶件的使用寿命，进一步降低了成本；而且滚动体在柱塞运动时可在环形凹槽内自由移动，不存在与柱塞的硬接触，进一步防止了由零件变形导致的接触摩擦加剧问题，或因局部瞬时干摩擦而过热导致的柱塞卡死的问题；此外，滚动体的设置，使得实际柱塞间隙可以被加工的更小，此时，即使柱塞间隙被减小也不会造成柱塞卡死问题，且有利于选择较小尺寸的滚动体进行填充，进一步减少泄漏，提升供油效率，或者，滚动体的设置，使得实际柱塞间隙可以被加工的更大，以降低柱塞间隙的加工精度，从而降低加工成本；
第三、上述环形凹槽优选为多个，在柱塞套的轴向上间隔设置，这样做，有利于在轴向上形成多层间隙密封带，密封效果更好，更进一步地减少泄漏，提升供油效率。
附图说明
本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本实用新型，而不对本实用新型的范围构成任何限定。附图中：
图1为现有技术中的高压泵的内部结构示意图；
图2为本实用新型优选实施例中高压泵的内部结构示意图，其中高压泵处于吸油行程；
图3为本实用新型优选实施例中高压泵的内部结构示意图，其中高压泵处于供油加压行程；
图4为本实用新型实施例中缝隙占用度的计算原理图；
图5和图6分别为本实用新型示范性实施例中滚动体的装配示意图；
图7为本实用新型实施例中凸轮转速与350bar下非易燃测试油品中的供油效率的关系图。
附图标记说明：
泵体1；柱塞2；柱塞套3；工作腔4；吸入阀5；排出阀6；柱塞间隙g；低压区7；
高压泵10；泵体11；柱塞12；柱塞套13；滚动体14；柱塞间隙g’；环形凹槽131；高压腔15。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，以下说明内容的各个实施例分别具有一或多个技术特征，然此并不意味着使用本实用新型者必需同时实施任一实施例中的所有技术特征，或仅能分开实施不同实施例中的一部或全部技术特征。换句话说，在实施为可能的前提下，本领域技术人员可依据本实用新型的公开内容，并视设计规范或实作需求，选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地实施多个实施例中部分或全部的技术特征的组合，借此增加本实用新型实施时的弹性。
为使本实用新型的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。如在本说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书中所使用的，“多个”的含义通常包括二个或二个以上，除非内容另外明确指出外。如在本说明书中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。术语“轴向”通常是指平行于零件的轴线方向，“径向”通常是指与轴向垂直并指向轴线的方向，“周向”通常是指围绕零件的轴线的方向。还应理解的是，本实用新型在各个实施例中重复参考数字和/或字母。该重复是处于简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。还将理解的是，当元件被称为“连接”另一个元件时，其可以直接连接至另一个元件，或者可以存在一个或多个中间元件。
如背景技术，随着泵油压力的提升，高压油越容易通过柱塞间隙向泵体内的低压区回流，造成发动机容积效率下降的问题愈加严重。针对该技术问题，业内提出的解决方案如下：
方案1、选用更大的泵油容积，弥补容积效率下降带来的损失；
方案2、增加柱塞间隙段的长度，减少间隙回流的损失；
方案3、缩小柱塞副的加工间隙，减少间隙回流的损失；
方案4、在柱塞和柱塞套之间使用o型圈密封。
发明人发现，上述方案均存在一些问题：
在方案1中，需要增加升程或者增加柱塞直径，这样做，总的来说，柱塞泄漏还是增加的，对供油效率的提升非常有限，且伴随着重量增加，成本也提高，同时也需要提供更大的驱动力，功耗增加；
在方案2和方案3中，伴随着柱塞副加速磨损，寿命显著下降的风险，现有柱塞间隙的加工工艺已经趋近于柱塞可正常运行的极限，进一步压缩间隙或增加间隙长度极容易造成柱塞卡死的问题；这是因为现有的柱塞和柱塞套之间为滑动摩擦，磨损较为严重，再加上柱塞间隙小的情况下，磨损更为严重，柱塞更容易卡死；
在方案4中，对o型圈的耐磨性要求非常高，而且已知的o型圈在高压油的高速高温的恶劣工况下寿命很难满足要求，最终使用成本非常高。
由此可见，现有并没有较好地解决随泵油压力升高而缝隙泄漏越大的问题，即使提出了相关解决方案，但提升供油效率非常有限，而且成本高，甚至于会加剧柱塞的磨损并导致柱塞运动卡死。
基于上述研究，本实用新型提出一种新的柱塞偶件，旨在通过滚动体在柱塞套的环形凹槽内的填充，减小柱塞泄漏间隙，由此提升供油效率，且即使泵油压力升高，也不会造成容积效率的下降，使得后续更高压力泵油易于实现。
为了实现上述目的，本实用新型提出的柱塞偶件具体包括柱塞、柱塞套和滚动体，所述柱塞套具有轴向贯通的内孔，所述柱塞可活动地穿设在所述内孔中；所述内孔于两端之间的内圆周面上形成有环形凹槽，所述环形凹槽内填充有若干所述滚动体，每个所述滚动体的尺寸被配置为能够阻止其进入柱塞间隙之中，且每个所述滚动体还被配置为能够在所述环形凹槽中活动。此处，柱塞间隙指的是柱塞套的内孔中没有形成环形凹槽的内圆周面与柱塞之间所具有的间隙。可以理解，柱塞与柱塞套间的泄漏间隙通过滚动体的自由填充可以变得很小，从而较大地减小缝隙泄漏，有效提高供油效率。特别地，泵油压力越高，滚动体的堆积效应越大，泄漏间隙越小，因此，泄漏间隙可以自适应于压力的变化，克服了泄漏率随压力升高而变大的缺陷。故而这样做，能较好地解决随泵油压力升高而缝隙泄漏越大的问题，使供油效率得到较大的提升，同时也不会增加高压泵的重量和制造成本。
不仅于此，柱塞运动还能通过滚动体的滚动得以辅助润滑，使柱塞和柱塞套之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，减小了柱塞和柱塞套之间的磨损，保证了柱塞偶件的使用寿命，降低了使用成本。同时滚动体在柱塞运动时可在环形凹槽内自由移动，不存在与柱塞的硬接触，进一步防止了由零件变形导致的接触摩擦加剧问题，或因局部瞬时干摩擦而过热导致的柱塞卡死的问题。此外，滚动体的设置，使得实际柱塞间隙可以被加工的更小，此时，即使柱塞间隙小，也能保证柱塞运动正常，不会出现柱塞运动卡死的问题，并可进一步减少泄漏，提升供油效率，或者，滚动体的设置，使得实际柱塞间隙可以被加工的更大，从而降低柱塞的加工成本。
具体的，本实用新型的柱塞偶件的使用，可允许柱塞间隙为大于或等于0.5μm，且小于70μm。更具体的，针对汽油发动机和柴油发动机，这些发动机的柱塞间隙一般为1μm～20μm，例如汽油发动机的柱塞间隙主要为10μm，柴油发动机的柱塞间隙主要为2μm～3μm。而应用本实用新型的柱塞偶件后，可允许发动机的柱塞间隙被加工得更大，在这种情况下，在保证供油效率的同时，还可降低柱塞间隙的加工精度，降低制造成本。此外，也可允许发动机的柱塞间隙被加工得更小，此时，依然可避免柱塞卡死的问题，还能保证供油效率，且有利于将小尺寸的滚动体使用在柱塞间隙小的柱塞偶件中，减小泄漏面积。或者，本实用新型的柱塞偶件的柱塞间隙也可与现有的柱塞间隙相同。应知晓，本实用新型的柱塞间隙的尺寸主要根据滚动体的尺寸来设定，只要柱塞间隙能够阻止滚动体掉入柱塞间隙中即可，因此，柱塞间隙只要被设计为小于滚动体的尺寸即可。
更详细地说，滚动体在环形凹槽内的聚集形态具有自适应的特性，正因为该自适应的特点，使供油泄漏得到了较大的降低，并克服了随泵油压力增大而缝隙泄漏越大的技术瓶颈。具体地，滚动体在环形凹槽内的自适应聚集的第一个优点是：当高压泵处于供油加压行程时，随着泵体内高压腔中压力的升高，滚动体会被集中压到环形凹槽的底部，堆积在一起，形成比正常状态下更高密度的密封区，使柱塞间隙进一步被压缩，供油效率可以达到最佳的提升效果。故而，泵油压力越高，滚动体的堆积效益则越大，间隙泄漏越小，使间隙泄漏可以自适应于泵油压力的变化，克服了泄漏率随压力升高而变大的缺陷。滚动体在环形凹槽内的自适应聚集的第二个优点是：当高压泵处于吸油行程时，泵体内高压腔回到正常压力，滚动体可较随机地分布于环形凹槽内，且由于滚动体的滚动，使滚动体与柱塞及柱塞套间的自由运动接触点会随机改变，接触应力不会一直集中在柱塞及柱塞套的固定部位，从而防止了滚动体与柱塞及柱塞套间的不必要磨损，保证了柱塞偶件的使用寿命，降低了使用成本。滚动体在环形凹槽内的自适应聚集的第三个优点是：滚动体不需要布满整个环形凹槽，泵油压力会自动将滚动体压缩聚集在一处形成间隙密封带，无论何时都能形成良好的密封，密封灵活性强，而且也能帮助吸油行程时滚动体还有充分空间可以自由活动，避免与柱塞形成硬接触，避免一个部位的应力集中，减少滚动体、柱塞套和柱塞的磨损。
需说明的是，本实用新型对环形凹槽的形状不作特别的限定，包括对环形凹槽的轴截面形状和横截面形状均不限定。此外，在本实用新型中，所述环形凹槽的数量可以是一个，也可以是多个(多个包括两个、三个或更多个)。当环形凹槽为多个时，多个所述环形凹槽沿所述柱塞套的轴向间隔地设置，方便在轴向形成多层间隙密封带，有利于进一步减小泄漏。例如空间允许，可在柱塞套内形成三个或更多个环形凹槽，这些环形凹槽可以等距离或不等距离分布。
本实用新型中，所述环形凹槽的结构可以是连续不间断的一圈凹槽，也可以是由多个围绕所述内孔的轴线对称分布的子凹槽构成。优选的，所述环形凹槽为连续不间断的一圈凹槽，加工方便，也有利于在周向一圈形成间隙密封带，泄漏率会更小。此外，当所述环形凹槽为多个时，可将所有环形凹槽设计为连续不间断的一圈凹槽，也可将所有环形凹槽设计成由多个所述子凹槽构成的凹槽结构，还可以是其中一些环形凹槽被设计成连续不间断的一圈凹槽，另一些环形凹槽被设计成由多个所述子凹槽构成的凹槽结构。进一步的，当所述环形凹槽为多个时，如果至少一部分环形凹槽由多个所述子凹槽构成，进一步优选的，由子凹槽构成的环形凹槽中，可将不同环形凹槽的子凹槽在周向上错开设置，也即，不同环形凹槽上的子凹槽在垂直于轴向的同一投影平面上，不同环形凹槽的子凹槽是不重合的，例如一个环形凹槽由四个第一子凹槽构成，而另一个环形凹槽由四个第二子凹槽构成，此时，在垂直于轴向的同一投影平面上，沿圆周方向，在任意相邻两个第一子凹槽之间可布置一个或多个第二子凹槽，这样设置，也能在周向上形成一圈间隙密封带，减少泄漏。
本实用新型对滚动体在环形凹槽内布置的数量不作限定，且对滚动体在环形凹槽内分布的方式不作限定，滚动体可以自由、随意地在环形凹槽内排布，只要能够在环形凹槽的周向和径向上形成致密的分布即可。这里，所谓“周向上形成致密的分布”指的是，沿环形凹槽的周向，滚动体相互紧挨着，滚动体之间可以重叠也可以不重叠；同理，“径向上形成致密的分布”指的是，沿环形凹槽的径向，滚动体相互紧挨着，滚动体之间可以重叠也可以不重叠。
此外，为了形成致密的分布，所述环形凹槽的尺寸被配置为能够在所述内孔的轴向上容纳多个所述滚动体，也即在环形凹槽的轴向上形成多排滚动体(多排可以是两排或、三排或更多排)，另外，所述环形凹槽的尺寸还被配置为能够在所述内孔的径向上容纳一个或多个所述滚动体，径向上的多个滚动体可以是两个、三个或更多个。应理解，当环形凹槽为连续不间断的一圈凹槽时，所述一圈凹槽的尺寸被配置为能够在所述内孔的轴向上容纳多个所述滚动体，所述一圈凹槽的尺寸还被配置为能够在所述内孔的径向上容纳一个或多个所述滚动体。进一步的，所述一圈凹槽优选为圆环形凹槽，加工简单，不产生毛刺，不易磨损，强度高。还应理解，当环形凹槽由多个子凹槽构成时，每个子凹槽的尺寸被配置为能够在所述内孔的轴向上容纳多个所述滚动体，每个子凹槽的尺寸还被配置为能够在所述内孔的径向上容纳一个或多个所述滚动体。而且所述一圈凹槽或每个子凹槽的尺寸还应能保证滚动体可以在槽内自由活动，形成滚动摩擦。
进一步的，在柱塞偶件的轴向上，多个滚动体可以充满整个环形凹槽，也即，环形凹槽沿轴向的整个高度上均被滚动体所填充。或者是，在柱塞偶件的轴向上，环形凹槽沿轴向的部分高度被滚动体所填充。通常的，滚动体在轴向上填充环形凹槽的最小高度根据缝隙面积的减小程度来设定。
进一步的，所述一圈凹槽或每个子凹槽内的滚动体的形状可以相同或不相同。进一步的，所述一圈凹槽或每个子凹槽内的滚动体的尺寸可以相同或不相同，优选尺寸不相同，方便形成更致密的分布。本实用新型对滚动体的形状不作限定，可以是规则形状或不规则形状，例如多面体、椭球形、圆球形等，更优选规则形状，方便形成更致密的分布，而且不易磨损。优选的，所述滚动体为圆球形状。滚动体的材料不限定，主要选用耐磨损、强度高的材料，优选的，所述滚动体的材料为金属材料或无机非金属材料，例如可选为不锈钢、石英(例如玻璃粉或球形硅微粉)、陶瓷(例如碳化钨)或沙砾等。例如可选用不锈钢制作的滚珠来充当滚动体，或者，选用沙粒充当滚动体，沙粒硬度能达到莫氏硬度8～9，较高的硬度可保证较高的耐磨性，且沙粒的形状优选为规则形状，保证填充的致密性。所述滚动体的尺寸根据柱塞间隙的尺寸来设定，例如现有的柱塞间隙为1μm～20μm，则滚动体为圆球形时，滚动体的直径略大于柱塞间隙即可，例如滚动体的直径大于1μm且小于或等于100μm，进一步可选的，滚动体的直径为5μm～70μm，优选的，滚动体的直径为10μm。
进一步的，本实用新型还保护一种用于柱塞偶件的柱塞套，通过在柱塞套的内孔于两端之间形成环形凹槽，方便在环形凹槽内填充滚动体，达到上述效果。进一步的，本实用新型还保护一种高压泵，包括泵体以及所述柱塞偶件，所述柱塞偶件设置在所述泵体中。通过应用本实用新型提供的高压泵，供油效率高，而且成本低，柱塞运动的可靠性高。进一步的，本实用新型还保护一种燃油直喷式发动机，其采用了本实用新型的高压泵，因此供油效率高，动力得到了显著的提高，有效地降低了燃油消耗。
接下去结合附图和优选实施例对本实用新型作进一步地说明，以更凸显上述实施例的特点和特征。
图2为本实用新型优选实施例中高压泵的内部结构示意图。如图2所示，本实施例涉及一种高压泵10，主要用在车载燃油直喷式发动机中，如汽油发动机或柴油发动机，或者其他类似的应用场景中，如船舶、化工、石油开采、油田管道、冶金、农机等场合。
所述高压泵10具体包括泵体11以及柱塞偶件。所述柱塞偶件包括柱塞12和柱塞套13。所述柱塞12可活动地设置在泵体11内，用于接收从泵体11的外部传递的动力而做往复直线运动。所述柱塞套13具有轴向贯通的内孔(未标注)，所述柱塞12可活动地穿设在柱塞套13的内孔中，以相对于柱塞套13做往复直线运动。
与现有的柱塞套的结构不同，本实施例的柱塞套13的内孔的孔径不均一，两端孔径小，中间至少一部分区域的孔径大。具体地，所述柱塞套13的内孔于两端之间的内圆周面上形成有至少一个环形凹槽131，该环形凹槽131为连续且不间断的一圈凹槽，并在所述环形凹槽131内填充有多个滚动体14。每个滚动体14的尺寸被配置为能够阻止其进入柱塞间隙g’之中，使滚动体14在高压泵10使用过程中不会掉入到柱塞间隙g’中。此处，柱塞间隙g’的定义如前所述，指的是柱塞套13的内孔中没有形成环形凹槽131的内圆周面与柱塞12之间的间隙。在实际使用时，滚动体14的尺寸不能太大，若滚动体14的尺寸过大，滚动体14间的间隙也大，不利于形成致密的分布。本实施例中，滚动体14优选为圆球形，其直径略大于柱塞间隙g’即可，例如滚动体14的直径d为：1μm＜d≤100μm，优选d为5μm～70μm，更优选d为10μm。如前所述，柴油发动机和汽油发动机的柱塞间隙g’是不同的，在实际应用时，滚动体14的尺寸通应根据柴油发动机和汽油发动机中柱塞间隙g’的尺寸来设定。
这里，应用所述高压泵10后，使柱塞12与柱塞套13间的间隙通过滚动体14的自由填充而变小，而且泵油压力越高，滚动体14的堆积效应越大，泄漏间隙越小，因此，泄漏间隙可以自适应于压力的变化，即使泵油压力升高，间隙泄漏也不会增大，反而更小，供油效率得到了有效的提升，能较好地解决随泵油压力升高而缝隙泄漏越大的问题。而且柱塞12的运动还能通过滚动体14的滚动得以辅助润滑，使柱塞12和柱塞套13之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，减小了柱塞12和柱塞套13之间的磨损，保证了柱塞偶件的使用寿命，进一步降低了成本。并且，滚动体14在柱塞12运动时可在环形凹槽131内自由移动，不存在与柱塞12的硬接触，进一步防止了由零件变形导致的接触摩擦加剧问题，或因局部瞬时干摩擦而过热导致的柱塞12卡死的问题。尤其地，滚动体14的设置，使得实际柱塞间隙可以被加工的更小，从而进一步减少泄漏，提升供油效率，或者，滚动体14的设置，使得实际柱塞间隙可以被加工的更大，从而降低加工成本。本实施例中，柱塞间隙g’可以被加工的更小，例如汽油发动机的柱塞间隙g’可为0.5μm、1μm、5μm，柴油发动机的柱塞间隙g’可为0.5μm、1μm。或者，柱塞间隙g’可以被加工的更大，例如汽油发动机的柱塞间隙g’可为15μm、20μm、30μm，柴油发动机的柱塞间隙g’可为5μm、10μm。在其他实施例中，柱塞间隙g’还可与现有的柱塞间隙相同，例如汽油发动机的柱塞间隙g’为10μm，柴油发动机的柱塞间隙g’为2μm或3μm。
具体地，当高压泵10处于供油加压行程中，随着高压腔15内压力的升高，滚动体14会被集中压到靠近柱塞12下侧的位置(即环形凹槽131的底部，可参阅图3)，堆积在一起，形成比正常状态下更高密度的密封区，使柱塞间隙g’进一步被压缩，供油效率可以达到最佳的提升效果。另外，当高压泵10处于吸油行程时，高压腔15回到正常压力，滚动体14可较随机地分布于环形凹槽131中(参阅图2)，且由于滚动体14的自由运动，使其与柱塞12和柱塞套13的接触点随机改变，接触应力不会一直集中在某些固定部位，从而防止了滚动体14、柱塞12和柱塞套13的不必要磨损，进一步保证了零件的使用寿命。再则，滚动体14并不需要充满整个环形凹槽131，压力会自动将滚动体14压缩聚集在一处形成间隙密封带，无论何时都能形成良好的密封，密封灵活性强，而且也能帮助吸油行程中滚动体14还有充分空间可以自由活动，避免一个部位的应力集中，降低滚动体、柱塞套和柱塞的磨损。
本实施例中，所述环形凹槽131的数量可为一个或多个，多个可以是两个、三个或更多个。当所述环形凹槽131的数量为多个时，多个所述环形凹槽131沿所述柱塞套13的轴向间隔地设置，例如等距或不等距设置，从而在轴向上形成多层间隙密封带，防泄漏效果更好。所述环形凹槽131的截面形状(如横截面或轴截面)不作特别的限定，可以是规则形状或不规则形状，优选地，所述环形凹槽131的轴截面形状为规则形状，如矩形、椭圆形或多边形，更优选为矩形。本实施例中，所述环形凹槽131优选为圆柱形，加工简单，不产生毛刺，不易磨损，强度高。
在替代性实施例中，所述环形凹槽131也可由多个围绕内孔的轴线对称布置的子凹槽构成，也即，在同一圆周上间隔布置多个子凹槽，并在每个子凹槽内填充滚动体14即可，这样做，也可在周向上形成间隙密封带，减小缝隙泄漏。
在一些实施例中，当所述环形凹槽131为多个时，可以是，所有环形凹槽131为连续不间断的一圈凹槽，还可以是，所有环形凹槽131由多个所述子凹槽构成。在另一些实施例中，当所述环形凹槽131为多个时，其中一些环形凹槽131可为连续不间断的一圈凹槽，另一些环形凹槽131可由多个所述子凹槽构成。进一步的，当至少一部分环形凹槽131由多个所述子凹槽构成时，且由子凹槽构成的环形凹槽中，不同环形凹槽的子凹槽在周向上优选错开设置，这样做，等同于在周向上形成连续不间断的一圈凹槽。
以下描述中，为了方便叙述，以环形凹槽131为连续且不间断的一圈凹槽作为示意进行描述，但不应以此作为对本实用新型的限定。
所述环形凹槽131的尺寸被配置为在柱塞套13的径向方向上允许容纳一个或多个并排的滚动体14，和/或，所述环形凹槽131的尺寸被配置在柱塞套13的轴向方向上允许容纳多个并排的滚动体14。例如，所述环形凹槽131在柱塞套13的径向方向上可以容纳1个～1000个滚动体14。进一步的，在一些实施例中，在柱塞偶件的轴向方向上，也即柱塞套13的内孔的轴向方向上，环形凹槽131的整个高度均可以被滚动体14所充满，此时，利用径向上的间隙，各个滚动体14还能够自由活动。在替代性实施例中，在柱塞偶件的轴向方向上，也即柱塞套13的内孔的轴向方向上，仅环形凹槽131的部分高度被滚动体14所填充。应知晓，环形凹槽131沿内孔轴向的尺寸为环形凹槽的高度，环形凹槽131沿内孔的周向的尺寸为环形凹槽的宽度，环形凹槽131沿内孔的径向的尺寸为环形凹槽的深度。进一步的，所述滚动体14优选为圆球形。
接下去通过具体的算例进一步说明在填充滚动体14后缝隙减小的情况。
图4为本实用新型实施例中缝隙占用度的计算原理图。如图4所示，假设环形凹槽131为连续且不间断的一圈凹槽，且环形凹槽131为圆环形，并假设在环形凹槽131的径向上填充一个滚动体14，滚动体14为圆球形。具体计算时，柱塞12的直径定义为d，滚动体14的直径定义为d，柱塞间隙为g’，环形凹槽131与柱塞12之间的单边凹槽间隙为g。
在一个示例中，假设g＝10μm，g＝13μm，d＝12μm，考虑到柱塞12直径d(例如汽油发动机的柱塞的直径一般为9mm，柴油发动机的柱塞直径一般为6mm)远大于柱塞间隙10μm，因此，可以通过局部长方形中的缝隙面积占用度代替圆周的单边缝隙宽度，以此表示泄漏缝隙尺寸。此时，局部长方形中的缝隙面积占用度的计算方式为：滚珠缝隙截面积a1/柱塞加工形成的缝隙截面a2，其中，a1≈g×d-(π×d2/4)，a2≈g×d。因此，a1/a2≈(g×d-π×d2/4)/(g×d)＝35.8％。可见，填充滚动体14后，改进后的缝隙面积为原有缝隙面积的35.8％。
在一个示例中，假设g＝10μm，g＝18μm，d＝16μm，则a1/a2≈(g×d-π×d2/4)/(g×d)＝54.3％。也即，填充滚动体14后，改进后的缝隙面积为原有缝隙面积的54.3％。可见，柱塞间隙10μm不变的情况下，环形凹槽131的径向深度越大，滚动体14的直径越大，缝隙泄漏也越大。
在一个示例中，假设g＝5μm，g＝8μm，d＝7μm，则a1/a2≈(g×d-π×d2/4)/(g×d)＝50％。可见，填充滚动体14后，改进后的缝隙面积为原有缝隙面积的50％。
在一个示例中，假设g＝5μm，g＝12μm，d＝10μm，则a1/a2≈(g×d-π×d2/4)/(g×d)＝82.9％。即，填充滚动体14后，改进后的缝隙面积为原有缝隙面积的82.9％。可见，柱塞间隙5μm不变的情况下，环形凹槽131的径向深度越大，滚动体14的直径越大，缝隙泄漏也越大。
在一个示例中，假设g＝20μm，g＝73μm，d＝70μm，则a1/a2≈(g×d-π×d2/4)/(g×d)＝90.1％。可见，在增大柱塞间隙至20μm的情况下，若环形凹槽131的径向深度过大，滚动体14的直径越大，缝隙被减小的面积越有限。因此，优选的，滚动体的直径d优选不超过70μm，否则超过70μm的情况下，在实际高压泵应用中没有正面效果。
因此，通过上述算例可以看出，在柱塞套13的内孔中形成环形凹槽131，并在环形凹槽131中填充滚动体14，可使柱塞间隙被极大的缩小。环形凹槽131的径向深度(即凹槽减小g)与滚动体的直径d间的差值不宜过大，通常控制在0.5μm～5μm的范围为宜，可有效减少缝隙面积。也即，所述环形凹槽131与所述柱塞12之间具有凹槽间隙g，且当径向上排布一个或多个滚动体14时，所述凹槽间隙g与滚动体14在径向方向上所填充的宽度的差值优选为0.5μm～5.0μm。
进一步地，根据环形缝隙泄漏公式评价缝隙泄漏率，即：
其中：q为泄漏率，d为柱塞直径，δ为单边缝隙宽度，△p为上下液压差，l为流道长度，c为层流起始段修正系数，μ为流体粘性系数，大多数情况下c≈1。可以看出，泄漏率q与△p、l、d和δ相关性很大。其中，缝隙泄漏率q是与柱塞间隙成3次方的关系。因此，缝隙的缩小可极大改进柱塞缝隙导致的供油效率损失问题。而其他变量△p取决于应用要求，d变小可以减小q，但是理论容积会按平方关系减小，需要通过加大升程来才能弥补理论容积损失，会增加成本和零件体积。
应知晓，滚珠轴向堆叠高度也是跟缝隙面积缩小量相关，如果缝隙面积缩小了50％，即使在轴向高度上滚珠填充了环形凹槽高度的20％，泄漏量依然是可以减小为原来的0.5^3/0.2＝0.625。而如果缝隙面积缩小了90％，即使在轴向高度上滚珠填充了环形凹槽高度的70％，泄漏量则为原来的0.9^3/0.7＝1.04，反而增大了泄漏率。因此，在轴向上，滚动体排列的高度应根据实际缝隙面积的缩小量来设定，缝隙面积缩小越多，则环形凹槽在高度上可减小的余量越大。此外，例如在下一代系统研发的主流趋势中，350bar提升到500bar系统压力，压力与泄漏率是正比关系，系统压力带来的泄漏增加比例为3/7≈1.43倍。面积与泄漏率是3次方关系。在不改变d和l的情况下，单边缝隙宽度缩小8.4％，即可补偿系统压力提升带来的效率损失，而通过本实用新型技术的应用，柱塞等效间隙宽度可较容易实现10％～50％的减小，因此，供油效率的提升高于下一代技术的应用需求。
同理，当环形凹槽131的径向上排布多个滚珠时，缝隙面积的减少也可采用相同的方式进行计算，此处不再详细叙述，具体可参考上述算例。通常地，径向是多个滚珠的情况下，多个滚珠的填充面积与单个滚珠的填充面积相同。
进一步的，本实用新型的设计效果从实验数据中得到了验证。图7为凸轮转速(横坐标camspeed，单位rpm)与350bar下非易燃测试油品中的供油效率(纵坐标deliveryrate，％)的关系图，其中曲线a为含尘油品的供油曲线，曲线b为清洁油品的供油曲线。如图7所示，曲线a的供油效率高于曲线b的供油效率，尤其在在中低转速下(如500rpm以下)，供油效率得到较大提升，如凸轮转速在低转速250rpm(发动机500rpm)时，供油效率提升了8％左右，甚至在凸轮转速为2000rpm(发动机4000rpm)时，供油效率也有较大提升。应理解，含尘油品指的是油品中含有灰尘，这些灰尘类似小颗粒的形式存在于油品中，清洁油品指的油品中不包括灰尘。这些都是基于发明人在实验中的研究发现，发明人发现，油品中有大量小颗粒，使得实验运行后柱塞间隙填充了一层粉尘小颗粒，经过测试后供油效率反而大幅度提升，同时柱塞运动也未受到颗粒的影响，因此，创造性地提出了在柱塞套的内孔中开设凹槽来填充滚动体，解决泵油压力越高供油效率下降约严重的问题，并取得了显著的效果。
需说明的是，在常规工艺中，滚珠的直径通常在100um，而本实用新型的滚珠的直径一般要求更小，如5μm、10μm、12μm、16μm或70μm等，从而保证填塞的致密度，且滚珠通常为圆形滚珠，填充致密度更好，而且不易磨损。而且滚珠可选用沙砾，例如粒径为4um～62um的粉砂，从中找到满足要求的粒径和球度即可。滚珠也可选用玻璃粉，例如准球形玻璃粉。
实际装配时，可先将柱塞12装入柱塞套13中，再将柱塞偶件整体装入泵体11中。针对滚动体14的装配，如图5和图6所示，可以先用柱塞12塞住柱塞套13的一端，装入预定数量的滚动体14后，再将柱塞头部积留的滚珠抖落到侧边槽里，再将柱塞12从柱塞套13的另一端推出即可。
进一步的，本实用新型实施例还提供一种燃油直喷式发动机，包括本实用新型所述的高压泵10。燃油直喷式发动机所具有的优点可参考高压泵10所带来的上述技术效果。因此，本实用新型通过滚动体的填充缩小了柱塞间隙，提升了高压泵在发动机中低速区运行的泵油效率，能够克服下一代燃油直喷系统对更高系统压力(大于500bar)下中低速区的泵油效率极低的瓶颈问题。而且可以适当放宽柱塞的加工精度，降低制造成本。
应理解，上述实施例具体公开了本实用新型优选实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本实用新型。本领域技术人员应当理解，在本申请文件公开内容的基础上，容易将本实用新型做适当修改，以实现与本实用新型所公开的实施例相同的目的和/或实现相同的优点。本领域技术人员还应该认识到，这样的相似构造不脱离本实用新型公开的范围，并且在不脱离本实用新型公开范围的情况下，它们可以进行各种改变、替换和变更。
1.一种柱塞套，其特征在于，所述柱塞套具有轴向贯通的内孔，所述内孔于两端之间的内圆周面上形成有环形凹槽。
2.根据权利要求1所述的柱塞套，其特征在于，所述环形凹槽的数量为一个或多个，多个所述环形凹槽沿所述柱塞套的轴向间隔地设置。
3.根据权利要求2所述的柱塞套，其特征在于，所述环形凹槽为连续不间断的一圈凹槽，或者，所述环形凹槽由多个围绕所述内孔的轴线对称分布的子凹槽构成。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的柱塞套，其特征在于，所述环形凹槽的尺寸被配置为能够在所述内孔的轴向上容纳多个滚动体，所述环形凹槽的尺寸还被配置为能够在所述内孔的径向上容纳一个或多个滚动体，每个所述滚动体被配置为能够在所述环形凹槽中活动，且每个所述滚动体的尺寸还被配置为能够阻止其进入柱塞间隙之中。
5.一种柱塞偶件，其特征在于，包括柱塞、滚动体和如权利要求1-4中任一所述的柱塞套；所述柱塞可活动地穿设在所述柱塞套的内孔中；所述环形凹槽内填充有多个所述滚动体；每个所述滚动体的尺寸被配置为能够阻止其进入柱塞间隙之中，且每个所述滚动体还被配置为能够在所述环形凹槽中活动。
6.根据权利要求5所述的柱塞偶件，其特征在于，在所述内孔的轴向方向上，多个所述滚动体充满整个所述环形凹槽，或者多个所述滚动体填充所述环形凹槽的一部分高度。
7.根据权利要求5或6所述的柱塞偶件，其特征在于，所述滚动体的结构相同或不相同，所述滚动体的结构包括滚动体的形状和/或尺寸。
8.根据权利要求5或6所述的柱塞偶件，其特征在于，所述滚动体为规则形状。
9.根据权利要求8所述的柱塞偶件，其特征在于，所述滚动体为圆球形状，所述滚动体的直径大于1.0μm且小于或等于100μm。
10.根据权利要求5或6所述的柱塞偶件，其特征在于，所述滚动体的材料为金属材料或无机非金属材料。
11.根据权利要求5或6所述的柱塞偶件，其特征在于，所述环形凹槽与所述柱塞之间具有凹槽间隙；在所述内孔的径向方向上，所述凹槽间隙与所述滚动体所填充的宽度的差值为0.5μm～5.0μm。
12.根据权利要求5或6所述的柱塞偶件，其特征在于，所述柱塞间隙为大于或等于0.5μm，且小于70μm。
13.一种高压泵，其特征在于，包括泵体以及如权利要求5-12中任一项所述的柱塞偶件，所述柱塞偶件设置在所述泵体中。
技术总结