CN101680353A - 内燃发动机及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种发动机(10，310)运行方法以及高功率密度内燃发动机(10，310)，该发动机包括具有多个气缸(14，314)的气缸体(12，312)。提供的燃料喷射器(16，116，216)至少部分地设置在每个气缸(14，314)内，并且能够将诸如柴油、JP8或其他燃料喷射到气缸中以用于压燃。发动机(10，310)能够燃烧一定量的喷入燃料，以在低于约0.4克且在某些情况下低于约0.75克烟雾每马力小时的烟雾排出量以及低于约250克燃料每千瓦小时发动机(10，310)输出的燃料消耗的条件下产生至少约150马力每升发动机排量。

Description

内燃发动机及其操作方法
技术领域
本发明整体涉及内燃发动机，且更特别地涉及高功率密度直喷压燃发动机及发动机运行方法。
背景技术
内燃发动机长久以来作为动力源具有广泛的应用。内燃发动机的尺寸范围可以从相对小的、手持的动力工具到海船和电站用的非常大型的柴油发动机。一般来说，大型发动机功率较大，而小型发动机功率较小。发动机功率可以根据以下公式计算，其中“BMEP”为平均有效制动压强，即在传统四冲程活塞式发动机中功率冲程的平均气缸压强。
功率＝(BMEP)x(发动机排量)x(RPM)x(1/792,000)
(英制单位)
虽然大型发动机功率可能更加大，但它们的功率-重量或尺寸比或“功率密度”一般小于较小的发动机。功率随着给定的比例因子的平方变化，而重量或容积随着比例因子的三次方变化。在其他条件不变的情况下，诸如通过将普通发动机的气缸缸径尺寸加倍以及将活塞冲程加倍来将发动机尺寸成比例地增加2倍，这会将功率增加约4倍。然而尺寸和重量将增加约8倍。因此“功率密度”会下降一半。在将发动机比例缩小时同样的原理也基本适用。当把普通发动机的缸径尺寸减小2倍时，发动机功率将减小4倍，而发动机尺寸和重量将减少8倍。因此，较小的发动机将具有比较小的可用功率输出，而在许多情况下它们的理论功率密度比类似的较大的发动机大。
功率密度的另一个相关影响因子是在特定的发动机中活塞的冲程距离。在许多发动机中，需要在冲程距离和每分钟转数(RPM)之间进行权衡。相对较长冲程的发动机倾向于具有较高的转矩和较低的RPM，而相对较短冲程的发动机倾向于具有较低的转矩和较高的RPM。即使短冲程发动机和长冲程发动机具有同样的马力，因为较短冲程的发动机更短、更小，因此较短冲程的发动机可以具有更大的功率密度。
在很多应用中可能需要较小、功率密度较大的发动机。例如在许多飞行器中，需要使用相对小型、轻质、功率密集、具有相对多的气缸数的发动机，而不是具有相对少的气缸数的大型发动机。但是，在将许多内燃发动机比例缩小到一定程度以下时鲜有成功，特别是对于直喷压燃发动机。很多较小的、理论上功率密度更高的发动机在它们相对小的气缸内可能无法在每个功率冲程中完全燃烧足够的燃料以满足更高的功率需求。
例如，如果传统的发动机在较低的温度及增压下运行，当每循环喷入的燃料量相对较少而发动机需要更多的功率时，无法燃烧所需的更多燃料可能会限制发动机的功率输出。当在较长的喷射时间中喷出更多的燃料，液态燃料喷雾可能在有机会与气缸内充入的新鲜空气充分混合之前就与活塞表面和任何其他燃烧室表面接触，在本领域中被称为“湿壁(wall wetting)”。这一问题在小缸径发动机中特别严重。因为湿壁倾向于导致燃烧质量下降以及高碳氢化合物和颗粒排放，所以可能对小缸径发动机造成限制，使它们具有比其本来的固有能力更低的功率和更差的排放。
在相对较高的温度和缸内压强下，湿壁不是大问题。然而燃料和空气的不充分混合可能导致燃烧前的过量烟雾，在发动机功率达到理论功率限值之前很久都会限制发动机的功率。这些限制的一个原因是在较高的RPM时，在每个气缸中能够用于喷射和点燃燃料的时间相对较短。不管发动机尺寸如何，速度较高的压燃发动机倾向于具有这个问题。
由于上述限制，小型柴油发动机一般分为两类：在相对较高BMEP和较低RPM下运行的，以及在相对较低BMEP和相对较高RPM下运行的。但是，这两类发动机一般都无法提供与它们的尺寸和重量相应的有吸引力的功率密度。一般来说，传统的较大缸径发动机一般也在高BMEP低RPM、中BMEP中RPM或者是低BMEP高RPM下运行，而不能同时具有高BMEP和高RPM，为此致力于使功率密度最大化。
小缸径柴油发动机的一个实例是由德国雷姆沙伊德市的Dr.Schrick公司设计的TKDI 600。TKDI600在6000RPM时具有34KW或46hp的输出。TKDI 600的缸径尺寸为约76mm或约3英寸，且活塞冲程可以为约66mm或2.6英寸。虽然TKDI 600在诸如小型无人飞行器上具有一定的应用，其可用的BMEP相对较低，约169PSI且因此发动机的总可用功率输出以及因此的功率密度都在某种程度上受到限制。
发明内容
本发明针对前述一个或多个问题或缺点。
在一个方面，本发明提供一种包括具有多个气缸的气缸体的内燃发动机，每个气缸都具有至少部分地定位在其中的活塞。每个活塞都可以运动冲程距离以将相应气缸内的压强增加至足以将燃料压燃的压强。气缸的直径和冲程距离的长度限定了内燃发动机的排量。发动机还包括与每个活塞联接且可以通过每个气缸内的燃料的燃烧进行旋转的曲轴以及相对于气缸体具有固定位置的多个燃料喷射器。至少一个喷射器延伸进入每个气缸内并且能够将其中的液体燃料以喷射压强通过多个喷射孔喷入气缸。发动机还能够在每个气缸内燃烧一定量的喷入燃料以在低于约0.4克烟雾每马力小时的烟雾排出量、以及低于约250克燃料每千瓦小时发动机输出的燃料消耗量的条件下产生至少约150马力每升发动机排量。
在另一个方面，本发明提供了内燃发动机的运行方法，包括通过多个活塞旋转发动机曲轴的步骤，每个活塞在发动机气缸内以冲程距离进行往复运动并且能够将气缸内的压强增加至足以压燃燃料的压强。该方法还包括将液体燃料通过延伸进入每个气缸内且具有多个喷射孔的燃料喷射器喷射进入每个气缸的步骤。该方法还包括将喷入每个气缸的燃料燃烧以在低于约0.4克烟雾每马力小时的烟雾排出量、以及低于约250克燃料每千瓦小时发动机输出的燃料消耗量的条件下产生至少约150马力每升发动机排量。
附图说明
图1为根据本发明的发动机的示意图；
图2为根据本发明的包括燃料喷射器的发动机气缸的一部分的侧视部分放大简图；
图3为示出各种压燃发动机类型的BMEP和RPM的曲线图；
图4为根据本发明的发动机系统的一部分的示意图；
图5为示出根据本发明的燃料喷射率图形的曲线图；
图6为根据本发明的发动机活塞和燃料喷射器的部分侧视简图；
图7为根据本发明的发动机的示意图。
具体实施方式
如图1，示出了根据本发明的一种实施方式的发动机10的示意图。发动机10包括其中具有多个气缸14的气缸体12。燃料喷射器16相对于气缸体12被设置在固定的位置，其至少部分地延伸进入每个气缸14并且可操作地引导液体燃料喷入气缸中。每个燃料喷射器16可以包括延伸进入相关的气缸的燃料喷射器喷头20，每个喷头20具有多个喷射孔22。发动机10还包括多个活塞21，每个活塞至少部分地设置在气缸14中的一个中并且可在气缸中运动以将气缸内压强增加至足以压燃燃料的压强。在一些实施方式中，压缩比可以达到约15.5∶1。每个活塞通过活塞杆23与曲轴30联接以使得气缸14内燃料的燃烧能够带动曲轴30旋转。发动机10还可以包括受压燃料源17，其可以包括例如高压泵或凸轮驱动的燃料压缩器。受压燃料源17可以通过高压供给管线或共轨19以及多个供给通道26与每个燃料喷射器16流体连接。可以想到，燃料源17将燃料增压至约150MPa，但本发明并不限制于此。在某些实例中已经有过相对更高的压强以促进喷入燃料的雾化，但是实际压强需要根据特定发动机的多个需要的运行特性以及可行性来选择。可以想到，发动机10可以是诸如柴油发动机的内燃发动机。发动机10，或这里想到的任何其他发动机，也可以包括至少一个传感器27，其能够感测指示发动机转速和/或发动机负载的值、并且将相应的信号输出至电子控制器15。
根据下列描述将很清楚，本发明提供发动机设计以及运行策略以实现比传统的压燃发动机明显更大的发动机功率密度。在这里描述的一些实施方式中，比其他现有发动机具有更高功率密度的相对小的发动机是可能的。在其他的实施方式中，提供诸如具有约4.5英寸或更大缸径尺寸的气缸的传统尺寸的压燃发动机，其能够具有远远高于与其他传统压燃发动机相关的发动机的功率密度。不论发动机尺寸如何，本发明提供的发动机和发动机运行策略在不降低效率和恶化烟雾排放的条件下将压燃发动机技术提升到新的功率密度高度。这里的烟雾排放水平是在不使用微粒过滤器的条件下获得的，但是在一些应用中可以使用氧化催化剂。因此，根据这里陈述的多种教导，本领域技术人员将理解，根据本发明可以设计多种具有广泛尺寸和重量范围的高功率密度的压燃发动机。
这里想到的发动机还可以包括能够提供相对高的增压压强的特定的涡轮增压器构造，通过提供相对高的空气/燃料比能够使得烟雾比早先策略显著下降，这里将更进一步描述。如图7，示出了与发动机10类似的发动机310(因此也以相应的标记示出)，但也包括了上文提到的特定的涡轮增压器设计。发动机310可以包括具有多个气缸314的气缸体312。特别地，发动机310可以包括从气缸体312延伸的一个或多个排气通道，例如双排气通道372和373。排气通道372和373中的每一个可以将排气供给到高压涡轮增压器376。进气口375可以将空气供给到涡轮增压器376以及这里描述的其他涡轮增压器以进行增压。涡轮增压器376被供能之后，排气可以平行地流入两个低压涡轮增压器374和380。通过涡轮增压器374和380之后，排气可以通过排气出口通道384排出。来自进气口375的空气可以通过涡轮增压器374和涡轮增压器380增压，然后通过涡轮增压器376进行另一个增压阶段。在各个增压阶段之间可以使用中冷器390。然后增压的空气通过后冷器382之后被供给到进气歧管370。在一种实施方式中，涡轮增压器374、376和380将能够向气缸314供给增压比在约4比1到约7比1之间、在一些实施方式中增压比在约5比1到约6比1之间的增压空气。相对高的增压压强能进一步促进在相对高的空气/燃料比下运转。在一种实施方式中，气缸314中的空气/燃料比可以为至少约25比1。涡轮增压器376可以与涡轮增压器374和380串联定位，但是其他的配置也是可能的。
现在如图2所示，示出了图1中的发动机10的一部分的放大图，包括气缸14以及可运动地定位在其中的活塞21。发动机10的每个气缸14可以具有直径D1，直径D1小于约3英寸，且可以在约2英寸到约3英寸之间。约3意指2.5到3.5之间。约2.5意指2.45到2.55之间。这些示例使得可以精确地确定表述“约X”在本公开的上下文中的含义。在一些实施方式中，D1将在约2.5和约2.8英寸之间，并且在一种实用的实施方式中也可以为约2.7英寸。虽然可以想到发动机10可以被构建为仅有一个气缸和一个活塞，大部分实施方式将包含多个、一般至少为8个气缸和活塞，且可以想到发动机10具有12个或取决于应用甚至多达16个或更多气缸的实施方式。发动机10中气缸的布置可以包括任何已知的配置，诸如V型、直列、星型、对置等。在许多实施方式中，尺寸和空间是首要的，因此诸如V型发动机可能是实用的设计。
发动机10可以是二冲程或者四冲程发动机，但是可以想到四冲程循环将是实用的实施策略。为此，燃料将通过燃料喷射器16每第四个活塞冲程至少喷入大约一次。每个活塞21一般具有在约2英寸和约3英寸之间的冲程距离“L”，且可以想到每个活塞21的冲程距离为约2.5英寸的实施方式。给定了每个活塞21的典型的冲程距离，在一些实施方式中发动机10的每个气缸14的总排量可以为少于约25立方英寸并且可以在约6立方英寸到约25立方英寸之间。当使用更大的气缸缸径尺寸时，各自的气缸排量可以相对更大。可以想到如下实施方式，例如每个气缸14的总排量在约7立方英寸和约25立方英寸之间，且可以为约14立方英寸。
其他的实施方式可以具有相对更大的缸径尺寸，且可以进一步具有超方缸径冲程比。在一些可想到的发动机中，气缸直径与冲程距离的比可以在约1.3比1到约1.6比1的范围内。在这种实施方式中冲程距离可以为例如约3.25英寸或更小，而气缸缸径尺寸可以为约4.5英寸或更大。在给定的发动机中使用相对短的冲程距离可以在不增加活塞速度的同时能够在相对更高的RPM下运行。换句话说，由于热负载、摩擦学特性等，两个不同的发动机可以具有同样的排量以及同样或类似的最大的实用的活塞速度。但是，具有相对较短冲程距离的那个发动机可以在以同样活塞速度运转的同时，以比具有较大冲程距离的发动机相对更高的RPM运转。活塞速度限制和热负载是通过限制RPM来限制给定的发动机的功率密度的因子。因此，为了实现针对给定活塞速度的最高功率密度，可能需要相对更短的活塞冲程。此外，热负载与冲程距离的比与功率密度成比例；因此，对于发动机的给定热负载，也可能需要更短的活塞冲程距离来获得最大的功率密度。对于给定发动机排量，更短冲程的发动机也倾向于更小并且因此具有相对低的热负载，且由于气缸体的金属部分一般较薄所以倾向于更容易冷却。因此非常明显，由于多种原因，为了实现更高的功率密度，可能需要短的活塞冲程，但在本发明的背景下并不是必要的。
每个燃料喷射器16的至少一部分喷射孔22的直径D2(图2)可以在约50微米到约125微米之间。这里提到的微米应当被理解为米制单位，因此50微米等于0.05毫米，60微米等于0.06毫米，85微米等于0.085毫米，90微米等于0.09毫米，110微米等于0.11毫米，且125微米等于0.125毫米。在一些实施方式中，一些或所有的喷射孔22都可在约0.06毫米到约0.09毫米之间，一些或所有喷射孔可以为约0.085毫米。喷射孔22可以在喷射器喷头20上通过激光钻孔形成，且喷射孔22将喷射器喷头20的外部连通到每个燃料喷射器16的喷嘴内腔24。在共同拥有的授权予Durheim的No.6,070,813美国专利中教导了一种适合的激光钻孔方法。虽然可以想到喷射孔22的激光钻孔将是可行的策略，也可以使用其他方法来形成超小的喷射孔。例如，喷射孔22可以通过如下已知方法形成：将较大的孔涂层或镀层使其减小到需要的直径，或者在铸造陶瓷喷射器喷嘴时在其中放入细的金属丝并且在固化成孔时将金属丝烧除，或者任何其他目前已知或待发现的喷射孔制造技术。但是在其他的发动机设计中，喷射孔尺寸可以相对较大。
喷射孔22的数量可以变化，在大部分实施方式中，喷射孔22的超小喷射孔的数量约大于7且一般在约10到约30之间。通流面积将随喷射孔直径的比例因子的平方而变化。因此设计具有约为传统的例如160微米喷射孔直径一半的喷射孔的发动机将产生的80微米喷射孔的每一个的通流面积为160微米喷射孔的1/4。因此，在这一示例中，需要至少四个较小的孔来等于一个较大的孔的通流面积能力。
可以想到，喷射孔22可以具有多种形状。传统的燃料喷射孔一般是圆柱形的，但是，近来喷射孔成形技术的进步使得可以形成特别适应于特定应用的更复杂形状的孔。因此，在一些实施方式中，喷射孔22可以是渐缩的、喇叭形的、椭圆截面的或一些其他形状。但是可以想到，在大部分实施方式中，喷射孔22具有在约0.002平方毫米到约0.01平方毫米之间的平均最小流通横截面积。因此，本领域技术人员将理解，燃料喷射器和/或发动机中可以使用很多不同的孔的配置、数量、尺寸、形式等，这些都落入本发明的范围内。
燃料喷射的透深通常与喷射孔尺寸基本线性相关。在给定的气缸中湿壁以及将喷入燃料喷射到活塞面上的可能性及程度一般与燃料喷射的透深相关。因此，由于较小的气缸缸径倾向于比较大的缸径更容易湿壁，一般可能需要在相对较小的气缸缸径尺寸下使用相对较小的喷射孔。例如，在D1相对更接近2英寸的实施方式中，喷射孔的直径D2相对更接近0.05毫米可能是合适的。逆命题也是成立的，更大尺寸如更接近3英寸的气缸具有更接近0.125毫米的喷射孔。
在一个特定的实例中，可以想到发动机10将使用能够传递至少约150MPa、且在某些示例中为至少约240MPa的燃料喷射压强的燃料系统。已经发现增加的燃料喷射压强在加强燃料和空气的混合的同时不会不适合地影响雾化燃料在气缸中的透深。燃料流量与比例因子的平方根成比例，因此对于给定的喷射孔尺寸将燃料喷射压强加倍将增加燃料流量使其约为原始流量的
Figure G2008800154680D00091
倍。增加的喷射压强也会对加气(air entrainment)造成正面影响，加气与碳烟形成和氧化过程相关。与流量类似，加气也和喷射压强的平方根成比例。
本发明还提供运转内燃发动机的方法。该方法可以包括以大于约5000RPM、且在某些实施方式中或在某些运转工况下以大于约6000RPM或甚至大于约6500RPM的转速转动发动机10的曲轴20的步骤。该方法还可以包括在每个气缸14中燃烧足够量的喷射燃料以产生至少约200磅每平方英寸(PSI)的平均有效制动压强(BMEP)，且在某些实施方式中或在某些运转工况下燃烧足够燃料以产生至少约250PSI的BMEP或甚至至少约350PSI的BMEP。
图3中示出了根据本发明的发动机的三个特定实施方式W、V和F，三者均位于根据本发明的发动机操作区域Z内，下文将进行描述。下面的表中将与传统发动机M和U对比地陈述发动机W、V和F的若干规格。发动机W、V和F均可以包括多个喷射孔22，喷射孔直径D2在所述预定的约0.05毫米到约0.125毫米的范围内。如这里所描述的，功率密度为功率与质量/体积的比。本领域技术人员将理解，特定的发动机的缸径尺寸与发动机的质量/体积相关。因此，一般来说，6英寸缸径的发动机M相对于3英寸缸径的发动机F为2倍因子的比例。因为功率随着比例因子的平方变化，因此当比例因子为2时，发动机M每缸的功率将是发动机F的约4倍。但是，因为质量和体积随着比例因子的立方变化，因此发动机M每气缸的质量和体积将是发动机F的8倍。因此发动机F比发动机M的功率密度更大。
  M   U   W   V   F
  缸径尺寸(英寸)   6   4   2   2.7   3
  冲程距离(英寸)   6   4   2   2.5   3
  气缸数   4   4   16   12   16
  BMEP(PSI)   400   400   400   400   400
  RPM   2667   4000   8000   5926   5334
  功率(马力)   914   406   406   514   914
  排量(英寸3)   678.6   201   100.5   171.8   339.3
  马力/英寸3   1.35   2.02   4.04   2.99   2.69
如上文所讨论的，发动机F、V和W代表功率密度明显大于大部分传统高性能压燃发动机的发动机。一般地，每个发动机气缸的气缸直径和冲程距离将限定内燃发动机的排量。根据本发明设计和运行的发动机可具有明显大于现有设计的以马力每升发动机排量的形式表示的功率密度。在图3中，曲线G代表与100马力每升发动机排量的发动机功率密度相应的大致界限。换句话说，位于曲线G一侧的发动机具有大于100马力每升的功率密度，就发动机F、V和W来说它们具有明显大于100马力每升的功率密度。虽然前述描述大部分集中在相对小的、功率密度大的发动机，但是应当理解，本发明并不严格地限制于小缸径发动机。在一种示例性的较大缸径的发动机实施方式中，在图3中位于类似于发动机V的位置，达到了至少约200马力每升的功率密度，同时不会产生过量的烟雾或消耗过量燃料。如这里所使用的，马力可以被理解为测功器测量的制动马力每升排量，排量即经过的总气缸容积。
如图4，示意性地示出了根据一种实施方式的发动机系统110的一部分。发动机系统110包括至少一个气缸114，该气缸具有在其中往复运动的活塞121。发动机系统110也可以包括直喷压燃发动机，其与前述实施方式具有某些类似之处，但也存在区别，区别在于提供了包括第一组喷射孔124和与第一组分离的第二组喷射孔122的燃料喷射装置116，而不是单独的一组燃料喷射孔。喷射孔124和122可以被设置在至少部分地延伸进入气缸114的喷射器主体119中。燃料喷射装置116也可以与共轨19相联并且包括能够控制将燃料通过装置116喷入气缸114的控制阀部件131。控制阀部件131可以包括分离的控制阀132a和132b，每个都包括例如能够控制共轨19和喷射孔122、124之间通过至少一个燃料供给通道135的流体连通的电致动器。通道135可以至少部分地被设置在喷射器主体119内。
燃料喷射装置116可以包括分离的、并置的成组喷射孔，或者可以替代地包括本领域已知的多种双同心阀喷射器中的一种。但是在任何一种情况下，燃料喷射装置116一般能够独立地控制分别从成组喷射孔124和122喷出的燃料喷雾。在一种实施方式中，通过能够分别独立地控制喷射孔124和122的燃料喷出的第一针阀118a和第二针阀118b可以实现对燃料喷雾的独立、直接控制，第一针阀118a和第二针阀118b分别可操作地与控制阀132a和132b联接。如这里所使用的，“直接控制”这一术语应当被理解为关于一种通过将流体压强或其他闭合力施加于诸如针阀构件118a和118b的阀构件的控制表面来控制各组喷射孔的闭合和/或打开的系统。换句话说，直接控制将使用除了作用于开放液压表面的流体压强之外的一些手段来使得燃料喷射。为此，控制阀部件131可以包括多种直接控制系统中的任何一种或多种。
在图4所示出的实施方式中，液压被可控制地向针阀118a和118b的第一压力表面117a和第二压力表面117b施加和解除，相应的压力表面分别暴露于第一针控制室133a和第二针控制室133b的流体压力。控制阀132a和132b可以独立地操作以允许不同的液压被施加到压力表面117a和117b。在一种典型的实施方式中，提供控制阀132a和132b中的一个或两个将轨道压力供给到控制室133a和133b。控制阀132a和132b可以被致动以将控制室133a和133b中的一个或两个连接到低压排出通道137，以解除控制室133a和/或133b中的压力并且允许轨道压力提升相应的针阀118a和/或118b以允许燃料从关联的喷射孔124、122中喷出。
还可以想到，在图4的实施方式中，成组喷射孔124和122中的至少一组可以包括其尺寸和/或流量与参照图1和图2的实施方式中所描述的喷射孔22类似的微小的喷射孔。另一组喷射孔可以是诸如包括具有相对较大尺寸的喷射孔的一组传统喷射孔，该相对较大尺寸为或接近于在本领域现有技术的条件下对给定发动机适合的尺寸，例如在约0.25毫米到约0.30毫米之间。在其他的实施方式中，成组喷射孔124和122中的每一组可以包括其尺寸和/或流量类似于喷射孔22的喷射孔。在这些情况下，可以在各组中分别使用不同数量的喷射孔来实现不同的净流量或通流面积。
成组喷射孔124和122中的每一组可以被设置为分别关于延伸穿过相应针阀118a和118b的轴线A1和轴线A2呈环状。喷射孔124和喷射孔122也可以被设置为相对于轴线A1和A2具有不同的平均喷射角。特别地，在一种实施方式中相对较小的喷射孔122可以被设置为具有相对较小的平均喷射角，而喷射孔124可以被设置为具有相对较大的平均喷射角。应当理解，图4的实施方式可应用于诸如参照图1和图2描述的相对小缸径发动机以及可应用于相对较大尺寸范围的其他发动机中。
如图6，示出了活塞221以及具有多个喷射孔222(例如朝向喷射器216的外表面217渐缩的喷射孔)的燃料喷射器216。虽然图6中仅示出单个喷射器，也可以使用多个喷射器、或者具有双喷嘴的喷射器、或者具有两组喷射孔的其他喷射器。在一种实施方式中，喷射孔221可以包括诸如辐射状的至少7个喷射孔。活塞221可以具有有助于燃料有效燃烧和低烟雾运行的独特配置，这至少部分由于活塞221的独特设计导致的燃料和空气的迅速混合。在压缩冲程中，活塞221可以导致在气缸内从活塞221顶部的区域向活塞221的凹腔250的相对高的流速。活塞221还可以包括具有向内延伸的唇部260的活塞表面252，唇部260提供活塞表面252和活塞凹腔250之间的过渡。而活塞221的底切部分254又可以朝向凹腔250中央在唇部260和环状上升部分256之间提供过渡。凹形区域258可以位于活塞凹腔250的中央处，由环状上升部分256围绕。
活塞凹腔250可以相对较浅，并且是高度内曲的(reentrant)。一旦燃料被喷射(一般正好在扩张冲程之前)，由于活塞221的独特设计引起燃料和空气的回转翻滚运动可以加强相应的气缸中燃料和空气的紊流混合。从喷射孔222中喷出的燃料喷雾卷流可以朝向唇部260向外延伸。一旦燃料被喷射，活塞221的配置将促成回转翻滚运动，使得凹腔250中的燃料和空气喷雾卷流将沿着大致如箭头J和N所示的路径运动。特别地，燃料和空气将大致从喷射器216向着唇部260、穿过底切部分254并朝向环状上升部分256和凹形部分258流动。燃料空气混合物喷雾卷流中的相对较小的一部分将倾向于流过唇部260(大致如箭头N所示)之上，且因此流入与活塞221相关联的气缸的压缩容积中。本领域技术人员一般将把与活塞221相关联的压缩容积理解为当活塞221在上止点位置时活塞表面252和气缸体之间的容积。活塞221的独特配置将使得燃料和空气流进入压缩容积中，并且使用其中的空气来实现比其他活塞设计能够获得的相对更充分的燃烧。燃烧因子k定义为凹腔容积和上止点时的总容积的比值，该燃烧因子k将通过使诸如活塞顶环环槽缝隙、阀凹坑、凹窝的缝隙体积最小化以及采用例如翻边衬垫(cuffed liner)等特定特征来得到优化。根据本发明的发动机可以相对于传统设计具有相对低的燃烧因子k。在一些例子中这通过将凹腔容积最大化以促进燃烧中空气的利用来实现。除了在相对小的压缩容积中使用空气来燃烧之外，示出的与活塞221相关联的流动特性将倾向于限制与相对冷的气缸壁接触的热燃烧气体的量。这可以减少热损失，且进一步提高使用具有如图6配置的一个或多个活塞的发动机的运行效率。
如上文所提到，活塞221具有高度内曲的浅的凹腔配置以使得在运转过程中燃料和空气混合物能够实现前述的流动特性。特别地，活塞221的凹腔250的内曲比(reentrance ratio)可以为至少约1.15比1。内曲比可以由凹腔250的最大宽度(图6中由线C’示出)以及凹腔250在唇部260处的宽度距离(图6中由线B’示出)的比限定。与活塞凹腔250相关联的纵横比为图6中示出的距离A’和B’之间的比。
根据上述教导构建的发动机因此能够在不牺牲烟雾排放和/或效率的条件下提供对于传统发动机的功率密度的显著改进。特别地，可以想到如下实施方式，其中诸如发动机10或发动机310的发动机能够燃烧一定量的喷入燃料以在少于约0.4克烟雾每马力小时的烟雾排出量以及少于约250克燃料每千瓦小时发动机输出的燃料消耗下，产生至少约150马力每升发动机排量。该实施方式的一个示例可以包括如图7所示的涡轮增压器配置、如图6所示的活塞配置以及传统尺寸、渐缩的喷射孔以及传统气缸直径，以及所述相对短的活塞冲程以及超方缸径冲程比。在一种实施方式中，气缸直径与冲程距离的比值可以在约1.3比1到约1.6比1的范围内，并且在一些实施方式中可以少于约80毫米。为了在一定范围的负载下实现低烟雾运转，这种示例性的发动机也可以包括具有两组喷射孔的喷射器。在又一些实施方式中，发动机每第四个活塞冲程能够燃烧一定量的喷入燃料，以在少于约0.1克烟雾每马力小时的烟雾排出量以及少于约250克燃料每千瓦小时发动机输出的燃料消耗下，产生大于约200马力每升发动机排量。约0.75克烟雾每马力小时的稳态烟雾排出量可以大致相应于颗粒物排放的AVL烟雾度为3。
应当理解，虽然某些实施方式可以包括这里所公开的所有或基本所有的不同的独特元件，但是并不必包括所有的设计特征或遵循所有所描述的操作。因此，具有前述功率密度、烟雾排出量和燃料消耗特性的诸如发动机10或发动机310的发动机的每个气缸14可以利用所述的微小的喷射孔22，且可以包括或不包括多个燃料喷射器喷嘴或多组喷射孔。类似的，在一些实施方式中可以不使用如图7中所示的多涡轮增压器。此外，在本发明范围内的所有发动机并不必都包括如图6所示的独特的活塞凹腔配置。
一种根据本发明的小缸径发动机的具体示例可以包括具有直径在约2.5英寸和约3.5英寸之间的气缸缸径以及直径为约0.05毫米到约0.125毫米之间的喷射孔的发动机。这种发动机能够提供至少约150马力每升发动机排量、少于约0.1克烟雾每马力小时的烟雾排出量以及少于约250克燃料每千瓦小时发动机输出的燃料消耗量。具有前述规格的小缸径发动机能够在约4比1到约7比1的增压比下运转，并且以高于约5000rpm的速度运转。这种发动机也可以具有短冲程，例如少于约2.5英寸。
但是，在其他的实施方式中，可以想到诸如具有大于3英寸的缸径尺寸并且使用一组或多组传统尺寸喷射孔的相对大的发动机。在一个相对较大缸径发动机的特定示例中，可以使用直径大于约4.5英寸的气缸以及具有一般大于约2.5英寸但是小于气缸缸径直径的相对短冲程的活塞。这种发动机也可以包括这里所描述的双喷嘴喷射器，其具有第一组相对较小的喷射孔以及第二组相对较大的喷射孔。这种发动机能够在约5比1到约7比1之间的增压比运转，并且具有少于约0.75克烟雾每马力小时的烟雾排出量以及少于约250克燃料每马力小时的燃料消耗。该示例性的较大缸径发动机可以在高于约6000rpm的转速下运转以提供每升发动机排量至少约200马力每小时的功率输出。
工业实用性
在典型的四冲程循环中，主要的燃料喷射将在每第四活塞冲程每个活塞21位于或接近于上止点位置时以传统的方式进行。此外，每次主要喷射可以伴随有较小的前导和/或后续喷射。在压燃发动机10中，压缩的空气和喷射的雾化燃料将被点燃并燃烧以分别驱动每个活塞21并且旋转曲轴30。火花点火设计一般使用公知的方式使用火花塞以进行点火。
通过具有这里所描述的预定直径范围的喷射孔22将燃料直接喷入气缸14相对于使用传统燃料喷射孔的设计可以允许更大量以及更大比例的喷入燃料的点燃以及更高或更有效率的燃烧。这一能力导致下述优点。首先，潜在的BMEP更高。每气缸中更高的BMEP意味着每个活塞21上可以作用更大的整体平均压强，提供更大的力来分别驱动相应气缸14中的每个活塞21并且旋转曲轴30。相对于来自传统尺寸喷射孔的较大雾化燃料液滴，来自喷射孔22的相对较小尺寸的雾化燃料液滴将减少烟雾排放并促进更快的燃烧。每个喷射孔的喷射形式可以具有使得与充入空气更快混合的扩散角以及内部燃料/空气比。因此，这可以允许燃烧绝对数量更多的燃料，也可以允许燃料被更快地燃烧。它还允许相对于在先设计更大比例的喷入燃料被燃烧。应当与较小的喷射孔共同使用的较高的喷射压强将帮助补偿较小喷射孔的较低的流量并且也在基本不影响燃料透深的条件下将帮助燃料空气混合。一般来说，较小的喷射孔和较高的压强的组合能够允许在湿壁之前更好的燃烧以及相关的燃烧分解。
其次，在给定的喷入燃料燃烧的固有时间限制内，发动机10中可用的燃料喷雾卷流中的相对较小的燃料液滴以及较低的燃料/空气比可以允许燃料更快地燃烧，允许相应更大的发动机RPM。相对更大的BMEP和更高的RPM的组合允许发动机10在相对于许多现有的小气缸缸径的发动机设计更高的功率密度下运转。
一些在先的小气缸缸径的发动机能够达到发动机10能够达到的BMEP，但是就其他运行参数而言具有缺点。为了在每个动力冲程中燃烧掉足够的燃料以实现更高的BMEP，很多现有发动机通常在低于发动机10的RPM下运转。在致力于增加每个点火冲程喷入每个气缸的燃料量并且增加BMEP的努力中，一些现有的操作方案将过量的燃料喷入每个气缸。虽然能够喷入过量的燃料，但是未燃烧碳氢化合物、碳烟雾和其他污染物的量可能过高，使得运转在很多环境下不合需要、也不够高效。例如，在一些军事应用中，可见的“烟雾迹(smoke signature)”是不合需要的。
类似的，已知一些在先小缸径发动机设计在接近发动机10的RPM下运转，但是也具有各自的换位损失。在这些相对高RPM的发动机中，由于较少量的燃料被喷入以避免烟雾过量和燃料的浪费，BMEP一般被降低。因此，这些发动机可以在相对高的RPM下运转，但每个动力冲程被燃烧的燃料不足以达到更高的BMEP。在上述每种设计/方案下，发动机的可用功率相对低于更大尺寸的类似发动机，且这种较小发动机的功率密度倾向于小于相应于它们相对较小的尺寸的理论值。
发动机马力直接与RPM和BMEP二者成比例，因此发动机10在相对高RPM和BMEP下运转的能力允许发动机10的整体可用功率显著地大于现有设计。给定发动机10的相对小的尺寸，其功率密度可以与其实际尺寸更相称，且发动机10相对于现有发动机可以更充分地发挥其小尺寸设计的优点。
发动机10相对于现有设计在使通过喷射孔22喷射的燃料的点火更容易方面更具优势。在冷起动工况下，很多现有的压燃发动机使用外部热源或诸如醚的可燃化合物的添加剂以使其最初开始运转。在压燃的发动机10中，相对于在先设计，对于这些以及类似的起动辅助的需要被减弱甚至消除了，因为燃料喷雾卷流中较小的燃料液滴以及较低的燃料/空气比倾向于更容易点火。
在一些可以想到的实施方式中，发动机10的更进一步的优点与其静态地混合燃料和空气的能力有关。这一方法与大部分(如果不是所有的)现有小气缸缸径设计形成对比，在现有小气缸缸径设计中，对于将充入的新鲜空气与喷入燃料混合来说“漩涡”混合是必要的。漩涡混合需要被充入气缸的空气的漩涡运动，主要是通过进气系统或涡轮增压器和气缸端口的适合的几何形状形成。与此相反，静态混合一般运用于大型发动机设计中，其中简单地将燃料喷入未漩涡运动的空气中将提供足够充分的混合。静态混合的优点是在燃烧过程中更少的热量从燃烧区域被传递到气缸壁、气缸盖和活塞，并且因此将允许更多的热量被转换成曲轴马力而不是经过气缸壁、气缸盖和活塞传递到冷却液。在其他实施方式中，燃料和空气混合物的一些漩涡运动可能是可接受的或甚至是希望的，其中使用类似于图6中活塞221的活塞配置，少量的漩涡可以在不将过量的热量传递至气缸壁的条件下辅助获得非常高的燃料和空气混合率。
更进一步的优点是关于发动机10的燃料经济性以及相对低的排放。燃烧更多的喷入燃料能够减少从发动机10排出的未燃烧碳氢化合物的相对量，提高可用燃料的使用。在一些可以想到的实施方式中，诸如在一些飞行器中，重量可能是首要问题。因此，就发动机10而言，不但发动机自身的重量和尺寸要相对较小，对于给定行程范围内需要携带的燃料量也要减少。此外，燃烧相对高比例的燃料可以减少运行中的烟雾排放。一般认为柴油发动机通常排放更大量的可视烟雾。从美学、环境和诸如军用车辆的一些战略场合考虑，可视烟雾最小化可能是希望的或必须的。发动机10一般能够实现基本无烟雾运行，例如在过渡工况下为博世烟雾度(Bosch SmokeNumber)3或更低，而稳定运行中为2或更低。一种测量发动机排放中烟雾含量的工具是诸如可从英国斯塔福德郡比达尔夫镇的Equipment Supplies Biddulph和其它供应商购买的Bosch ESA 110-Computer Controlled Smoke Meter的排气“烟度计”。
如图3，示出了几个不同的传统柴油发动机集合的运行区域与发动机10的操作区域Z的对比，以及前表中发动机M和U的大致位置。Y轴表示BMEP而X轴表示RPM。在图1中，集合P表示具有在约250PSI和约325PSI之间的BMEP的相对重型柴油发动机组。集合P中的发动机可以包括诸如小比例发电机的相对较小的柴油发动机、诸如可以在卡车或越野工作机中找到的中型发动机、以及大型柴油海船发动机或发电发动机。集合P中发动机的RPM范围倾向于在约1000RPM和约2500RPM之间。集合Q包括诸如普通皮卡中的发动机，具有与集合P相比相对高RPM和相对低的BMEP。集合R包括诸如一些军用车辆的发动机，具有在约350PSI和约400PSI之间的BMEP，且RPM在约3000到4000之间。集合S则包括诸如在很多欧洲乘用车中使用的发动机。集合T包括诸如一些军用摩托车发动机的发动机以及无人驾驶飞机用发动机，其BMEP在约150PSI和约175PSI之间且RPM在约5500和约6000之间。如图3所示，发动机10的操作区域包括比其他任何现有的发动机类型或发动机集合更高的BMEP和RPM组合。将发动机RPM限制超过现有发动机(尤其是柴油发动机)，并如这里所述地提高可获得的BMEP能够提供相对小的、轻型的、大功率的发动机。图3中点V代表本发明的一种可能的实施方式，能够达到约400PSI或更高的BMEP以及在约6000和约6500之间的RPM。
虽然前述描述大部分集中在微小燃料喷射孔在相对小型、功率密度高的发动机上的使用，本发明并不仅限于此。在其他的实施方式中，使用微小喷射孔可以为相对大型的发动机、特别是直喷柴油发动机带来优点。在一种既使用微小的喷射孔又使用类似于图4中所示的传统喷射孔的特定的实施方式中，能够基于诸如转速和/或负载的特定发动机运行工况来分别使用相应的成组喷射孔独立地喷射燃料。发动机110中可以使用诸如图1中示出的传感器27的传感器来确定相对发动机转速和/或负载，以用于选择需要的喷射策略。来自传感器27的信号可以被输入类似于图1中所示的控制器15的电子控制器，并且基于发动机110的转速和/或负载输出适合的指令来控制阀门132a和132b从需要的成组喷射孔喷射燃料。
在相对低速和/或低负载工况，可能需要使用例如图4的实施方式中的成组微小喷射孔122的相对较小的喷射孔。当发动机110在转速和/或负载范围的较低部分运行时，由于较低的缸内密度，喷入的液态燃料具有相对较大的倾向冲击活塞表面和/或发动机燃烧室壁。因此，与来自喷射孔122(其平均最小通流横截面积在约0.002平方毫米和约0.01平方毫米之间)的燃料喷雾相关联的相对较低的透深使得运转能够在很少或不造成湿壁的条件下进行。减少或没有湿壁可以实现很多好处，如前文所述。在相对高的转速和/或负载下，例如在转速和/或负载范围的较高半部，例如以相对较高的流量进行相对大量的燃料喷射可能是适合的。在这些示例中，可以使用具有传统平均尺寸的喷射孔124。来自传感器27的输入可以用来指示转速和/或负载范围以确定在一个或多个发动机循环中使用喷射孔124而不是喷射孔122的操作是合适的，或者在一个或多个发动机循环中使用喷射孔122而不是喷射孔124的操作是合适的。
还应当理解，本发明可适用于涉及喷射正时、尺寸和喷射率形状的不同的运行策略。在一种示例中，相对较小的喷射孔122可以有利地被用于一次或多次前导喷射，或者一次或多次后续喷射，而喷射孔124可以用于一次或多次相对较大的主要喷射。同样的成组喷射孔也可以用于在给定发动机循环中的多次喷射中的每一次。喷射孔122也可以在一般被称为均质压燃或HCCI的运行状态的发动机循环中用于相对较早的喷射。作为HCCI喷射、前导喷射、后续喷射等的补充或替代，喷射孔122和124中的任一种均可以被用于传统扩散燃烧的燃料喷射。随着活塞121往复运动，在喷射孔122和124之一的喷射能够被启动以实现燃烧室114中燃料的扩散燃烧之前、过程中和/或之后，活塞121可以将气缸114中的空气压缩至压燃状况。
尽管这里公开了使用多组独立控制的喷射孔，但是本发明的又一个特征涉及尤其是在喷射的开始和结束阶段的相对较好的控制燃料喷射率的能力。如图5，在示出的图中y轴表示喷射率而x轴表示时间。在图5中，“G”表示代表燃料喷射率对时间的曲线，曲线G的轮廓示出了燃料喷射率形状。可以注意到曲线G包括对应于本领域普通技术人员公知为“靴部(boot)”的燃料喷射起始阶段的起始部分“B”。在此之前控制燃料喷射率曲线中的靴部的相对形状是困难的(如果可能控制的话)。传统的单阀门的使用一般导致燃料喷射曲线的靴部基本为全部或没有，而要实现对于修改靴部形状所必须的喷射阀的位置的极为精确的控制是很有挑战性的。
可以想到使用两组喷射孔122和124来提供对喷射率曲线的靴部中的燃料喷射率进行比传统策略所提供的相对更精确的控制。换句话说，不是喷射率曲线的起始部分(即靴部)全部或没有，本发明能够允许靴部形状在循环更替中得到控制。靴部的可得到控制的一个具体方面是其相对长度。在图5中，通过范围R示出的靴部的一部分代表一般位于燃料喷射孔初始打开区和在范围R后的燃料喷射率的相对急速上升区之间的大致平稳区。可以想到通过对燃料喷射孔122、124的独立控制在一些情形中提供足够精确的控制，在这些情形中范围R的相对尺寸可以改变，如曲线G在靴部B处的不同的可实现的初始形状。在燃料喷射主要部分的曲线G的轮廓也可以改变，如图5中虚线G1所表示的。此外，不是与喷射曲线的其余部分连续的靴部，可以是在主喷射(其具有相对更短或者甚至可忽略的靴部)之前、但是与主喷射分离的微小喷射的靴部，如图5中虚线G2所表示的。此处所描述的策略的使用也能够提供对于燃料喷射率朝着零下降的燃料喷射末端处的改进的燃料喷射率控制。
本发明仅出于说明性的目的，而不应被以任何方式理解为限制本发明的范围。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，对于现在所公开的实施方式可以进行各种修正。例如，虽然这里描述的很多实施方式是以提高BMEP和提高RPM的背景下讨论的，本领域技术人员将理解，在一些应用中，可能需要在相对于传统发动机仅显著提升RPM或BMEP中的一项的条件下运转发动机。应当注意，图3中集合Z包括BMEP和RPM的相对较广的运行范围。可以根据本发明设计能够在至少约6000的相对高的RPM下运行、但是BMEP不大于约200PSI的小气缸缸径发动机。类似地，在其他应用中可能需要较高BMEP但是相对较低RPM的发动机。RPM和BMEP与功率的正比例关系允许在根据本发明设计相对高功率密度的小气缸缸径直喷发动机时具有相当的灵活性。还可以想到其他实施方式，其中喷射孔尺寸、形状、方向等可以变化，并且在给定的喷射器喷头上的喷射孔各不相同。这可以包括例如使用多个超小的喷射孔、多个较大的传统尺寸的喷射孔，并且各个孔的几何形状和方向变化以形成简单或复杂的喷射孔阵列来提供最佳的整体喷雾状态。因此，如这里所描述的，没有必要确定超小喷射孔的特定尺寸、特定数量或布局，只要提供的孔的数量足以实现需要的运行特征。在查阅后附的附图和权利要求书后，其他的方面、特征和优点将是很明显的。

Claims (10)

1.一种内燃发动机(10，310)，包括：
气缸体(12，312)，其包括多个气缸(14，314)，每个气缸具有至少部分地定位在该气缸中并且能够移动冲程距离以将相应气缸(14，314)内的压强增加至足以压燃燃料的压强的活塞(21，121，221)，其中，所述气缸(14，314)的直径以及所述冲程距离的长度限定所述内燃发动机(10，310)的排量；
曲轴(30)，其与所述活塞(21，121，221)中的每一个联接并且能够通过所述气缸(14，314)的每一个中的燃料的燃烧来旋转；以及
多个燃料喷射器(16，116，216)，其相对于所述气缸体(12，312)具有固定的位置，包括延伸进入所述气缸(14，314)的每一个中并且能够将液态燃料通过多个喷射孔(22，122，124，222)以喷射压强喷入所述气缸中的至少一个燃料喷射器(16，116，216)；
其中，所述发动机(10，310)能够在所述气缸(14，314)的每一个中燃烧一定量的喷入的燃料，以在低于约0.4克烟雾每马力小时的烟雾排出量以及低于约250克燃料每千瓦小时所述发动机(10，310)输出的燃料消耗条件下产生至少约150马力每升发动机排量。
2.如权利要求1所述的内燃发动机(10，310)，其中：
所述活塞(21，121，221)中的每一个均具有少于约80毫米的冲程距离；
所述气缸(14，314)的直径与所述冲程距离的比在约1.3比1到约1.6比1的范围内；且
所述活塞(21，121，221)中的每一个均包括活塞凹腔(250)，所述活塞凹腔具有至少约1.15比1的内曲比以及至少约3.5比1的纵横比。
3.如权利要求1所述的内燃发动机(10，310)，还包括燃料系统，所述燃料系统包括与所述燃料喷射器(16，116，216)中的每一个流体连接的共轨(19)；
其中，延伸进入所述气缸(14，314)的每一个中的至少一个燃料喷射器(16，116，216)包括多组燃料喷射孔(22，122，124，222)，每组包括至少七个燃料喷射孔(22，122，124，222)；
其中，所述燃料喷射孔(22，122，124，222)的至少一部分具有渐缩的形状；
其中，延伸进入所述气缸(14，314)的每一个中的至少一个燃料喷射器(16，216)包括第一组所述燃料喷射孔(22，122，124，222)设置于其中的第一喷嘴主体以及第二组所述燃料喷射孔(22，122，124，222)设置于其中的第二喷嘴主体；以及
其中，所述第一组燃料喷射孔(22，122，124，222)的平均最小通流横截面积大于所述第二组燃料喷射孔(22，122，124，222)的平均最小通流横截面积。
4.如权利要求1所述的内燃发动机(10，310)，还包括：进气歧管(370)、能够以在约4比1到约7比1之间的增压比向所述进气歧管(370)提供压缩空气的多个涡轮增压器(374，376，380)以及与所述喷射器(16，116，216)中的每一个连接并且能够提供燃料以在所述发动机(10，310)中产生至少为约25比1的空气/燃料比的共轨燃料系统；
其中，所述多个涡轮增压器(374，376，380)包括平行定位的第一涡轮增压器(374)和第二涡轮增压器(380)以及与所述第一涡轮增压器(374)和第二涡轮增压器(380)串联定位的高压涡轮增压器(376)。
5.如权利要求1所述的内燃发动机(10，310)，其中：
所述气缸(14，314)中的每一个均具有在约2.5英寸到约3.5英寸之间的直径；
所述活塞(21，121，221)中的每一个均能够在相应气缸(14，314)内移动少于约2.5英寸的冲程距离，所述活塞(21，121，221)能够使所述曲轴(30)以大于约5000RPM的转速旋转；
所述燃料喷射器(16，116，216)中的每一个均具有平均最小通流横截面积在约0.002平方毫米到0.01平方毫米之间的多个喷射孔(22，122，124，222)；
所述发动机(10，310)还包括能够以约4比1到约7比1之间的增压比向所述发动机(10，310)提供空气的至少一个涡轮增压器(374，376，380)；和
所述发动机(10，310)能够燃烧一定量的喷入的燃料，以在低于约0.1克烟雾每马力小时的烟雾排出量以及低于约250克燃料每千瓦小时所述发动机(10，310)输出的燃料消耗条件下产生至少约150马力每升发动机排量。
6.如权利要求1所述的内燃发动机(10，310)，其中：
所述气缸(14，314)中的每一个均具有大于约4.5英寸的直径；
所述活塞(21，121，221)中的每一个均能够在相应气缸(14，314)内移动少于相应气缸(14，314)的直径的冲程距离，所述活塞(21，121，221)能够使所述曲轴(30)以大于约6000RPM的转速旋转；
延伸进入所述气缸(14，314)的每一个中的至少一个燃料喷射器(16，116，216)包括第一组燃料喷射孔(22，122，124，222)以及第二组燃料喷射孔(22，122，124，222)，其中所述第二组燃料喷射孔(22，122，124，222)具有小于所述第一组燃料喷射孔(22，122，124，222)的平均最小通流横截面积；
所述发动机(10，310)还包括能够以在约5比1到约7比1之间的增压比向所述发动机(10，310)提供空气的至少一个涡轮增压器(374，376，380)；
所述发动机(10，310)能够燃烧一定量的喷入燃料，以在低于约0.75克烟雾每马力小时的烟雾排出量以及低于约250克燃料每千瓦小时所述发动机(10，310)输出的燃料消耗条件下产生至少约200马力每升发动机排量。
7.一种运行内燃发动机(10，310)的方法，包括以下步骤：
通过多个活塞(21，121，221)旋转发动机曲轴(30)，其中每个所述活塞在发动机气缸(14，314)内往复运动冲程距离并且能够将所述气缸(14，314)内的压强增加至足以压燃燃料的压强；
通过延伸进入所述气缸(14，314)的每一个中并且具有多个喷射孔(22，122，124，222)的燃料喷射器(16，116，216)将液态燃料喷入每个所述气缸(14，314)中；和
燃烧喷入所述气缸(14，314)的每一个中的燃料，以在低于约0.4克烟雾每马力小时的烟雾排出量以及低于约250克燃料每千瓦小时所述发动机(10，310)输出的燃料消耗条件下产生至少约150马力每升发动机排量。
8.如权利要求7所述的方法，其中：
旋转发动机曲轴(30)的步骤包括以至少约5000转每分钟的转速旋转发动机曲轴(30)，且其中燃烧燃料的步骤还包括燃烧燃料以在所述气缸(14，314)的每一个中产生至少约200磅每平方英寸的平均有效制动压强；
喷射燃料的步骤包括以至少约150MPa的压强通过位于所述燃料喷射器(16，116，216)的每一个中的至少七个喷射孔(22，122，124，222)喷射燃料；以及
该方法还包括将增压空气通过至少一个涡轮增压器(374，376，380)以在约4比1到约7比1之间的增压比供给到所述发动机气缸(14，314)中。
9.如权利要求8所述的方法，其中，旋转步骤包括以大于约6000转每分钟的转速旋转所述发动机曲轴(30)，且其中燃烧步骤还包括每第四个活塞冲程燃烧喷入的燃料以在气缸(14，314)的每一个中产生至少约300磅每平方英寸的平均有效制动压强。
10.如权利要求9所述的方法，其中，燃烧步骤还包括燃烧燃料以在低于0.1克烟雾每马力小时的烟雾排出量条件下产生在约175马力每升发动机排量到约200马力每升发动机排量之间的功率密度。
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