CN107567534A - 改进的低温发动机系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种操作发动机(14)的方法，该发动机具有一个或多个气缸(16)，每个气缸均具有在气缸(16)内的活塞(18)且每个活塞(18)具有膨胀冲程、返回冲程、上死点(TDC)位置和下死点(BDC)位置，并且所述发动机(14)使用工作流体(WF)和热交换流体(HEF)，该方法包括以下步骤：在发动机的返回冲程期间导入热交换流体；在发动机的膨胀冲程期间导入工作流体(WF)；使排气门在活塞的下死点BDC或其附近被打开；在发动机的排气门已经打开后输送热交换流体至气缸(16)；以及在上死点前关闭排气门从而允许气缸内的活塞压缩工作流体。本发明还提供一种能够根据以上方法操作的发动机(14)。

Description

改进的低温发动机系统

技术领域

本发明涉及一种使用工作流体(WF)和热交换流体(HEF)的发动机系统并且特别但不限于地涉及一种使用液态低温燃料作为工作流体的发动机并且尤其但不限于地涉及一种用于提高这种发动机的效率的装置和方法。

背景技术

低温发动机是指使用工作流体(WF)和热交换流体(HEF)的发动机，该热交换流体相对于WF具有高的温度以向工作流体传递热。低温发动机将工作流体导入发动机的用于使工作流体膨胀做功的膨胀器。

为了向工作流体传递热，热交换流体与工作流体热接触。热交换流体通常与工作流体混合然后被回收。低温发动机还可包括用于向工作流体传递热的热交换器。工作流体和热交换流体可被单独地导入膨胀器，在那里它们发生混合，和/或在将工作流体导入膨胀器前使热交换流体与工作流体热接触。

在向工作流体传递热之前，可以极低温度存储工作流体。“极低温度”是指气体诸如空气、氮气、氧气和天然气在大气压力下处于液态的温度。因此该存储温度一般低于约零下150摄氏度。然而，一旦已经向工作流体传递热，工作流体处于高于存储温度的温度，该温度通常显著高于存储温度，进而最通常是或者接近环境温度，该温度可以处于约5摄氏度至约25摄氏度的范围，尽管该温度也可以处于低于0摄氏度的温度。在制冷相关的应用中，工作流体通常处于约0摄氏度至约30摄氏度的范围，而在废热回收的应用中，工作流体处于约60摄氏度至约100摄氏度的范围。

当将工作流体导入膨胀器时，它可以是液态气体，随后膨胀器可汽化工作流体，或者在将工作流体导入膨胀器前，工作流体已经处于蒸汽态但在压力下或者处于超临界态。“超临界态”是指工作流体的温度和压力高于其在流体的相图中的临界点，在那里不存在明显的液态和气态。因此膨胀可包括工作流体由液态到蒸汽态的相变，或者在将工作流体导入膨胀器前，如果流体已经处于压力下的蒸汽态或者超临界态，则不需要包括相变。

理想地，由热交换流体传递给工作流体的热等于工作流体原本将在其膨胀期间散失的热，从而工作流体的膨胀是等温的。这与蒸汽发动机和内燃发动机或外燃发动机形成对比，例如以上三者均通过工作流体的理想绝热膨胀做功来运行。

本发明是对描述在美国专利号6983598(Dearman001)中的低温发动机系统的改进。这种发动机包括一个或多个气缸和在每个气缸中的活塞并且具有工作流体(WF)源，该工作流体源通常包括来源于液态低温源的气体，将该气体与热交换流体一起导入发动机的腔室，该热交换器流体向工作流体(WF)传递热从而导致在腔室内工作流体(WF)的高于其它方式的膨胀度。将工作流体(WF)的膨胀用于驱动活塞进而由活塞驱动输出轴从而产生有用的轴功率。发动机包括用于多个气缸中的每一个的进气门和排气门并且控制这些气门以确保在关闭进气门前将工作流体和热交换流体供应到气缸。说明书中描述了可以是定时喷射泵的流动控制设备，其是可操作的以在发动机循环的恰当时机分配工作计量的流体(WF)。在给出的示例中，在循环的第一(膨胀)阶段，经由进气门将热交换流体(HEF)抽入气缸并且在那时工作流体(WF)也被喷射入气缸。工作流体经受热交换流体(HEF)的加热工作从而膨胀进而升高缸内压力从而使活塞经历膨胀冲程。当活塞到达下死点(BDC)时，排气门被打开进而膨胀过的工作流体(WF)和热交换流体(HEF)自气缸排出并按路径输送朝向用于以后重复使用的分离器和储存器。在这种布置中，在循环的膨胀阶段将热交换流体(HEF)抽入气缸，这意味着热交换流体(HEF)的阀在上死点(TDC)处或其附近被打开并在上死点后一段时间被关闭。

已经发现有效控制热交换流体(HEF)导入膨胀腔室对于发动机的高效操作是至关重要的。发动机测试表明在膨胀冲程的第一阶段导入热交换流体(HEF)并不能实现高效的膨胀。这是因为在膨胀冲程中由于气门的流动限制需要推迟工作流体的喷射，在那里膨胀器高的容积变化率降低了容积效率。

因此，需要一种能够克服这些不足的改进的发动机系统。

发明内容

本发明的发动机系统目的在于提供一种发动机和操作发动机的方法，该发动机能减轻甚至可能消除以上问题。

鉴于以上内容并且根据本发明的第一方面，提供一种用于操作发动机的方法，该发动机具有一个或多个气缸，每个气缸均具有在气缸内的活塞且每个活塞具有膨胀冲程、返回冲程、上死点(TDC)位置和下死点(BDC)位置，并且所述发动机使用工作流体(WF)和热交换流体(HEF)，该方法包括以下步骤：在发动机的返回冲程中导入热交换流体；在发动机的膨胀冲程中导入工作流体(WF)；使排气门在活塞的下死点BDC或其附近被打开；在发动机的排气门已经打开后输送热交换流体至气缸；以及在上死点前关闭排气门从而允许气缸内的活塞压缩工作流体。

优选地，该方法包括在排气门打开后不小于5度将热交换流体HEF导入气缸的步骤。

有利地，该方法包括在340度至358度完成排气门关闭的步骤。替代地，在345度至350度完成排气门关闭。替代地，在350度至355度完成排气门关闭。

优选地，该方法包括持续导入热交换流体直至排气门完全关闭以后的步骤。

有利地，保持热交换流体的导入直至排气门完全关闭以后2至10度。

优选地，在上死点前停止导入热交换流体。

该方法还可包括在最终停止导入热交换流体和上死点的期间内压缩气缸(16)内的任何剩余工作流体(WF)的步骤。

该方法还可包括在上死点或上死点后的0度至60度在压力下将工作流体(WF)导入气缸(16)的步骤。

优选地，该方法包括控制热交换流体导入从而在喷射时产生逆向传热的步骤。“逆向”意味着热从工作流体传递到热交换流体。

本发明还提供一种发动机系统，包括：用于存储工作流体(WF)的第一储罐；发动机，其具有一个或多个气缸，每个气缸内均具有在上死点(TDC)位置和下死点(BDC)位置间可移动的活塞并且每个气缸均具有进气门以及排气门；第一输送系统，其用于将来自第一储罐的工作流体输送至发动机；用于存储热交换流体(HEF)的第二储罐；第二输送系统，其用于将来自第二储罐的热交换流体输送至发动机；以及控制器，其可操作地连接到第一输送系统和第二输送系统并且被构造为在一个或多个活塞的返回冲程中将热交换流体(HEF)输送至气缸并且用于在上死点前关闭排气门，从而允许气缸内的活塞压缩工作流体。

有利地，所述控制器被构造用于在排气门打开后不小于5度将热交换流体导入气缸。

优选地，所述控制器被构造用于在340度至358度完成排气门关闭。替代地，所述控制器被构造用于在350度至355度完成排气门关闭。替代地，所述控制器被构造成保持热交换流体导入直至排气门完全关闭以后2至10度。

优选地，所述控制器被构造成在上死点前停止导入热交换流体。

有利地，发动机包括用于在上死点或上死点后的0度至60度在压力下将工作流体(WF)喷射入气缸的喷射器。

工作流体可包括液氮、液化空气、液化天然气、二氧化碳、氧气、氩气、压缩空气、压缩氮气或者压缩天然气中的至少一种。

本发明也可应用于非活塞型发动机诸如汪克尔发动机或浆/叶片式发动机，并且相应地，本发明还提供一种操作发动机的方法，该发动机具有带膨胀冲程和返回冲程的工作腔室并且所述发动机使用工作流体(WF)和热交换流体(HEF)，包括以下步骤：在工作腔室的返回冲程期间导入热交换流体；在工作腔室的膨胀冲程期间导入工作流体(WF)；在最大腔室容积或其附近打开工作腔室排气；在排气已经打开后输送热交换流体至腔室；以及在最小腔室容积前关闭排气从而允许压缩工作腔室内的工作流体。

附图说明

现在将参考以下附图来更加具体地描述本发明，其中：

图1是根据本发明的一个方面的发动机的示意图；

图2是改进的通流比(TF)的图表；

图3是排气操作的曲线图，并且热交换流体和工作流体的导入角度可以与本发明结合使用；

图4是示出了排气门关闭角度对上死点缸内压力的影响的图表；

图5示出了如何使用热交换器流体来实现喷射期间的逆向传热；以及

图6是示出了比功指标和功率指标相对于排气门关闭角度的图表。

具体实施方式

为简洁起见，术语热交换器流体在下文中将缩写为HEF且术语工作流体将缩写为WF。在下文提及的工作流体(WF)可包括液氮、液化空气、液化天然气、二氧化碳、氧气、氩气、压缩空气、压缩氮气或者压缩天然气中的至少一种。热交换流体可包括一种或多种不可压缩或几乎不可压缩的液体诸如，例如水、防冻液或者其混合物。

首先参见图1，发动机系统10包括用于存储工作流体(WF)的第一储罐12和具有一个或多个气缸16的发动机14，每个气缸内具有在上死点(TDC)位置和下死点(BDC)位置间可移动的活塞18并且每个气缸16均包括进气门或气门20以及排气门22。第一输送系统24被设置用于将来自第一储罐12的工作流体输送至发动机14，与此同时第二储罐26被设置用于存储HEF。第二输送系统28被设置用于将来自第二储罐26的HEF输送至发动机14。提供控制器30并将其可操作地连接到第一输送系统24和第二输送系统28并且将其构造为根据期望的控制策略将热交换流体(HEF)和工作流体(WF)输送至气缸，这将在本文中稍后详细描述。控制器30的形式将取决于HEF和工作流体的输送方法。在一种布置中，通过与第一输送系统24和一个气缸或多个气缸本身均流体连通的喷射器32将工作流体(WF)直接输送入一个或多个气缸16。在一种替代的布置中，可将工作流体(WF)供应到与进气门20关联的进气口20i从而允许经由进气门20将工作流体供应到一个气缸或者多个气缸16，在控制器30的控制下进行该操作。进气门20和排气门22均可包括电磁阀20s、22s或者凸轮致动的弹簧加载阀20c、22c，如在图1中示意性示出的那样。如果使用电磁阀，控制器30被这样连接以通过控制供应到相应电磁阀的电流E在需要时打开或者关闭气门20、22。如果使用凸轮致动的弹簧加载阀20c、22c，则控制器30被构造为与阀20c、22c关联的一个或多个凸轮34进而克服与阀20c、22c关联的弹簧36的作用，可操作地打开和关闭所述阀20c、22c。能够理解的是本领域技术人员可以使用上述喷射器或阀布置的任意组合。热交换流体(HEF)可经由第二输送系统28被供应至一个或多个气缸16，该第二输送系统28优选地包括用于确保在压力下将热交换流体(HEF)供应至气缸16的加压泵38。第二输送系统28可将热交换流体(HEF)供应至进气口20i并且阀20s或20c被用于以在本文中稍后详细描述的方式控制输送的正时。此外，可在第二输送系统28中设置单向阀40以防止热交换流体的回流或者工作流体(WF)对热交换流体输送系统28的加压。第一储罐12可设置位于储罐12出口处的加压泵42，其用于对经由输送系统24被供应至发动机14的工作流体加压。排气门22被连接成将任何用过的工作流体/热交换流体混合物(SWF/SHEF)供应至返回管线44，该管线将流体混合物引导至用于在其中进行分离的分离器46。分离器46被连接成将任何分离后的热交换流体引导回第二储罐26以备后期重复使用。

可在以上布置中增加附加的部件以确保未使用的工作流体被返回至第一储罐12。热交换流体加压泵38可以是由控制器30控制的变速泵从而控制其转速，进而控制被输送至发动机14的HEF的量。还可提供例如构造为旁通阀39的HEF流动控制器以控制HEF至发动机14的流动。该阀39也优选地被连接至控制器30以对其进行控制进而根据期望的控制参数改变HEF的供应，从而改变发动机14的输出。

进一步可选的部件包括以56示意性示出的热交换器且其位于示出的一个或多个位置处，以使热交换流体通过与热源能量交换而被加热。该热源可以是来自内燃发动机的废热或者是发动机14周围大气中的热。位于工作流体输送系统24内并且以58示意性示出的可选的热交换器可允许在喷射入发动机16前进一步利用废热或者大气中的热加热工作流体从而获得优化的膨胀条件进而提高总体效率。在任一点处加热HEF也将有助于提高总体效率，这是因为其中包含的任何热都将大大提高气体在膨胀期间的膨胀比。

可以提供大体以60示出的缸内压力监测器以监测气缸内的压力并且它可被连接至控制器30从而提供对发动机14的控制等级，正如在本文稍后详细描述的那样。监测器60可被设置成经由监测器60A直接获取气缸内的压力或者可以监测HEF供应管线28内的压力。同样地，监测器60B可被设置在进气门20的上游或下游。监测器60A或60B均可用于监测在返回冲程中的发动机压力升高并且在需要时可连接至控制器30以用于流动控制。以62示意性示出的循环发动机速度监测器可因相同的目的被设置并且被连接至控制器30以经由HEF流动控制阀39基于在返回冲程中产生的压力(或扭矩)调整HEF的流动，从而在无需进入潜在危险的近液(near-hydraulic)操作区域的情况下，实现对HEF喷射的优化。

本发明的目的尤其在于以下三个方面中的一个或多个：

a)确保在气缸内存在充分的HEF体积从而限制HEF由于向工作流体放热而温度下降。已知的是最小化HEF的温度下降增大工作流体膨胀时的最大温度以及工作流体和热交换流体间的热传导率(归因于温度差)。这对于实现近似等温膨胀，或者优于等温膨胀(在低温或者液相喷射的情况下)进而最大化指示效率是至关重要的；

b)确保在工作流体喷射时(上死点)在气缸内存在一定量的HEF从而减小由HEF的几乎不可压缩特性所造成的气缸内的有效死区容积。这增大了气缸的有效膨胀比(V2/V1)，其经由以下与等温膨胀的效率广义地相关：

比功＝R*T*ln(V₂/V₁)

其中最小值V1受到阀装置的喷射所需的高速度的限制。就给定的～30度的曲轴转角的限制而言，可以通过导入HEF在具有代表性尺寸的单个膨胀器中实现多达30％的膨胀比的提高，使指示膨胀效率可能提高17％；以及

c)使用逆向传热，即在高压的工作流体的喷射期间，将热由WF传递到HEF，降低了在上死点处的温度峰值并由此提高了膨胀器的容积效率，这有利于功率密度。

如现有技术所述，发动机测试已经表明在膨胀冲程的第一阶段导入HEF并不会允许高效膨胀。这是因为在膨胀冲程中由于气门的流动限制需要推迟工作流体的喷射，在那里膨胀器高的容积变化比降低了容积效率。

为了克服上述问题，本发明提出在返回冲程期间当所需的泵送压力因发动机循环的该部分中存在较低的排气压力而最小化时导入HEF。由于在之前膨胀过的工作流体正在被排出时导入HEF，一定量的HEF将不可避免地直接经由排气门损失掉，即，与预期的相比，需要将更多的HEF泵入气缸以备随后的膨胀冲程。导入HEF的有效率可被描述为通流比-其是由在上死点处保留的HEF的量除以流入气缸的HEF的量。对于给定的所需HEF的量，通过提高通流比进而增加有效率将降低HEF的泵送功从而提高发动机的净功率。HEF导入和排气门的打开/关闭的特定正时也可显著地提高通流比(TF)。本发明解决这些不足并且图3中提供了示出所使用方法的细节的简要时间图。HEF进气门打开优选地被定相为在排气门打开后不小于5度。这防止剩余压力造成工作流体回流入HEF进流，否则这将阻碍HEF的导入。优选在上死点前完成排气门关闭。这截留了具有给定体积分数的HEF和低压工作流体的多相混合物。随着进一步减小膨胀器的容积，可压缩的工作流体的体积减小，而几乎不可压缩的HEF的体积保持不变，从而增大了在上死点处的HEF的体积分数(V_HEF/V_工作流体)。在这一阶段用于压缩的任何功都可在随后膨胀中重新获得。排气门关闭的优化正时位于340度至358度的曲轴转角之间，优选位于345至350度的曲轴转角(最大功率)之间或者替代地位于350至355度的曲轴转角之间(中等功率最佳折衷)。请读者参见附图中的图6。

已经发现推迟关闭排气门并没有怎么提高通流比，这在图2中图示地示出，其示出了对于多个排气门关闭角度的通流比的提高并且由其可以认识到在排气门关闭角度为345度处，与其它一些角度相比通流比提高了57％。还将认识到，对于结合有在返回冲程期间导入HEF和提前关闭排气门的HEF控制，防止发动机的液压锁定是重要的。通过测量缸内压力或HEF气管压力，或者监测循环发动机的速度，控制系统30可用于经由HEF流动控制阀基于在返回冲程中产生的压力(或扭矩)调整HEF的流量，从而在无需进入潜在危险的近液操作区域(液压锁定)的情况下，实现对HEF喷射的优化。

还已经发现过早关闭排气门产生与引发液压锁定相关的快速压力升高的风险，如图4所示，其中示出了不同排气门关闭角度和不同流量下气缸14内的上死点压力。由图4可以认识到当排气门在345度或之后关闭时存在上死点压力的快速下降，因而最好避免提前关闭排气门。

图5示出了如何使用HEF来实现喷射期间的逆向传热。在这样的布置中，在发动机的返回冲程中预先导入热交换流体(HEF)意味着随后喷射的工作流体(WF)被射入已经存在于气缸内的热交换流体(HEF)的池内。这为发动机循环提供有益效果。尤其是，随着在上死点或者之后将高压工作流体(WF)导入膨胀腔室，归因于高速阻塞流中的不可逆性，工作流体经受一定的局部加热，滞留在气缸内进而通过压缩气缸内的剩余气体做功。建模已经显示在开始喷射工作流体时上死点处气缸内具有HEF，实际上冷却氮气，降低进气门关闭(IVC)时的温度。在进气门关闭后该逆向传热在喷射期间改变方向以使得在余下膨胀期间由HEF向氮气放热从而提高了等温性以及过程的效率。

现在将尤其参考图1并偶尔参考其它附图来描述本发明的操作。

在活塞18的下死点(BDC)位置，气缸16将容置膨胀后的工作流体(WF)和用过的热交换流体(HEF)的混合物M，必须将该混合物自气缸排出并以新鲜充量替代。通过构造为凸轮34的控制器30或电磁阀22s的动作来打开排气门22从而允许排出用过的混合物M。接下来，在排气门22已经打开足够的时间后将热交换流体(HEF)导入气缸16从而允许至少用过的混合物M的初始充量自气缸排出。然后保持HEF导入足够的时间以允许导入期望的量Q同时记住部分导入量将通过在HEG导入期间保持打开的开放的排气门被排出。把保留的HEF与排出的HEF的比值称为如上所述的通流比(TF)。

将认识到通过将HEF的导入延时直至用过的混合物M的初始充量已经由气缸16排出，将会只有相对很少的驱动力使新导入的HEF的一部分和正被排出的混合物M一起被不期望地排出。还将认识到在热交换开始前确保在气缸内具有足够量的HEF将限制HEF由于向工作流体放热而导致的总的温度下降。最小化HEF的温度下降增大了工作流体(WF)膨胀时的最大温度以及工作流体和热交换流体间的热传导率(归因于温度差)。这对于实现近似等温膨胀，或者优于等温膨胀(在低温射的情况下)进而最大化指示效率是至关重要的。

同时还将认识到在打开排气门22和导入HEF之间的延时需要尽可能的大，已经发现延时HEF导入不小于5度对于最小化损失而言是足够的。将排气门22保持开放足够长时间以确保排出用过的混合物M同时还最小化新鲜HEF和正被排出的混合物M的任何损失。

已经发现在340度至358度之间完成排气门关闭对取得以上效果是足够的。优选地，该角度在345度至350度之间。同时，HEF导入可以在开始和上死点(TDC)之间的任一点停止，已经发现保持HEF导入直至排气门22已经完全关闭以后是特别有利的，因为这确保在随后的膨胀冲程前在气缸内具有足够的HEF充量进而还有助于增大上述的体积分数。优选地，保持HEF导入直至排气门22已经完全关闭以后的2至10度。将认识到通过在上死点(TDC)前关闭排气门并确保在气缸16内具有HEF充量将导致HEF占据气缸16内的死区容积的一部分同时少部分未排出的用过的工作流体(WF)将占据余下的部分。由于HEF是液态的，它将是几乎不可压缩的，然而处于气态下的工作流体将是可压缩的，从而工作流体将被压缩直至活塞18到达上死点(TDC)。一旦允许工作流体在随后的膨胀冲程中从上死点(TDC)向前膨胀，这将提高工作流体的有效膨胀比并且大大提高发动机的总体效率。在上死点(TDC)之前终止热交换流体(HEF)的导入。

一旦活塞18已经到达上死点(TDC)，工作流体(WF)在压力下被导入气缸16从而克服气缸本身内部的压力。泵42可用于确保工作流体(WF)具有用于期望膨胀的足够的压力。可在上死点后导入工作流体(WF)并且直至已经导入足够充量的工作流体从而确保期望的膨胀比或功率输出。尽管喷射期望量的工作流体(WF)所需的时间量会根据供应压力变化，已经发现可以通过持续导入直到上死点(TDC)后60度来获取有用的能量。提前将HEF导入气缸允许使用逆向热交换，在那里在工作流体的喷射期间将热从工作流体(WF)传递到热交换流体(HEF)。这降低了上死点处的温度峰值并由此提高了膨胀器的容积效率，这有利于功率密度。

在以上描述的范围内的变型可以通过改变气门打开和关闭的角位置和改变热交换流体和/或工作流体中的一个或另一个或两者的输送正时来实现。缸内压力监测器60可用于监测气缸内的压力P并且可将压力信息传递给控制器30从而允许控制器30改变上述可变参数中的一个或其它。可替代地，出于相同目的还可以使用循环发动机速度监测器62或HEF流动监测(阀位置/流量或者压力)并且将其连接到控制器30以经由HEF流动控制阀基于在返回冲程中产生的压力(或扭矩)调整HEF的流量，从而在无需进入潜在危险的近液(near-hydraulic)操作区域的情况下，实现对HEF喷射的优化。

一旦活塞18已经到达下死点(BDC)，在需要时一次或多次重复以上过程从而确保自发动机14输出的有用功。

Claims (20)

1.一种操作发动机(14)的方法，该发动机具有一个或多个气缸(16)，每个气缸均具有在气缸(16)内的活塞(18)且每个活塞(18)具有膨胀冲程、返回冲程、上死点(TDC)位置和下死点(BDC)位置，并且所述发动机(14)使用工作流体(WF)和热交换流体(HEF)，该方法包括以下步骤：

I.在发动机(14)的返回冲程期间导入热交换流体；

II.在发动机(14)的膨胀冲程期间导入工作流体(WF)；

III.使排气门(22)在活塞的下死点(BDC)或其附近被打开；

IV.在发动机的排气门(22)已经打开后输送热交换流体至气缸(16)；以及

V.在上死点前关闭排气门(22)从而允许气缸(16)内的活塞(18)压缩工作流体。

2.如权利要求1所述的方法，其中，包括在所述排气门(22)打开后不小于5度将热交换流体导入气缸(16)的步骤。

3.如权利要求2所述的方法，其中，包括在340度至358度之间完成排气门(22)关闭的步骤。

4.如权利要求2所述的方法，其中，包括在345度至350度之间完成排气门(22)关闭的步骤。

5.如权利要求2所述的方法，其中，包括在350度至355度之间完成排气门(22)关闭的步骤。

6.如权利要求2至5中任一项所述的方法，其中，包括继续热交换流体导入直至排气门(22)完全关闭以后的步骤。

7.如权利要求6所述的方法，其中，保持热交换流体的导入直至排气门(22)完全关闭以后2至10度之间。

8.如权利要求7所述的方法，其中，不迟于上死点停止导入热交换流体。

9.如权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，包括在最终停止导入热交换流体和上死点(TDC)之间压缩气缸(16)内的任何剩余工作流体(WF)的步骤。

10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，包括在上死点或上死点后的0度至60度在压力下将工作流体(WF)导入气缸(16)的步骤。

11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，包括控制热交换流体导入从而在喷射时产生逆向传热的步骤。

12.一种发动机系统(10),包括：

i)第一储罐(12)，其用于存储工作流体(WF)；

ii)发动机(14)，其具有一个或多个气缸(16)，每个气缸内均具有在上死点(TDC)位置和下死点(BDC)位置间可移动的活塞(18)，并且每个气缸(16)均具有进气门(20)和排气门(22)；以及

iii)第一输送系统(24)，其用于将来自所述第一储罐(12)的工作流体输送至发动机(14)；

iv)第二储罐(26)，其用于存储热交换流体(HEF)；

v)第二输送系统(28)，其用于将来自所述第二储罐(26)的热交换流体输送至发动机(14)；

vi)控制器(30)，其可操作地连接到所述第一输送系统(24)和所述第二输送系统(28)并且被构造为在一个或多个活塞(18)的返回冲程中将热交换流体(HEF)输送至气缸(16)且在上死点前关闭所述排气门(22)，从而允许气缸(16)内的活塞(18)压缩工作流体。

13.如权利要求12所述的发动机系统，其中，所述控制器(30)被构造用于在所述排气门(22)打开后不小于5度将热交换流体导入气缸(16)。

14.如权利要求13所述的发动机系统，其中，所述控制器(30)被构造用于在340度至358度之间完成排气门(22)关闭。

15.如权利要求13所述的发动机系统，其中，所述控制器(30)被构造用于在350度至355度之间完成排气门(22)关闭。

16.如权利要求12所述的发动机系统，其中，所述控制器(30)被构造成保持热交换流体导入直至排气门(22)完全关闭后2至10度。

17.如权利要求12至16中任一项所述的发动机系统，其中，所述控制器(30)被构造成不迟于上死点停止导入热交换流体。

18.如权利要求12至17中任一项所述的发动机系统，其中，包括用于在上死点或上死点后的0度至60度之间在压力下将工作流体(WF)导入气缸(16)的喷射器(32)。

19.如权利要求12至18中任一项所述的发动机系统，其中，所述工作流体包括液氮、液化空气、液化天然气、二氧化碳、氧气、氩气、压缩空气、压缩氮气或者压缩天然气中的至少一种。

20.一种操作发动机(14)的方法，该发动机(14)具有带膨胀冲程和返回冲程的工作腔室，并且所述发动机使用工作流体(WF)和热交换流体(HEF)，包括以下步骤：在工作腔室的返回冲程期间导入热交换流体；在工作腔室的膨胀冲程期间导入工作流体(WF)；在最大腔室容积或接近最大腔室容积时打开工作腔室排气；在排气已经打开后输送热交换流体至腔室；以及在最小腔室容积前关闭排气从而允许压缩工作腔室内的工作流体。