(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
1または2以上のシリンダを有するエンジンを作動させる方法であって、
各シリンダは、前記シリンダの内部にピストンを有し、
各ピストンは、膨脹ストロークおよびリターンストロークを有し、上死点（TDC）位置および下死点（BDC）位置を有し、
前記エンジンは、作動流体（WF）および熱交換流体（HEF）を使用し、
当該方法は、
I．前記エンジンのリターンストロークの間、前記熱交換流体を導入するステップと、
II．前記エンジンの膨脹ストロークの間、前記作動流体を導入するステップと、
III．前記ピストンの下死点（BDC）またはその近傍で、排気バルブを開にするステップと、
IV．前記エンジンの前記排気バルブが開にされた後、前記熱交換流体を前記シリンダに供給するステップと、
V．TDC前に前記排気バルブを閉止するステップであって、前記作動流体は、前記シリンダ内の前記ピストンにより圧縮される、ステップと、
を有する、方法。
【請求項２】
前記排気バルブが開になった後5°以上で、熱交換流体を前記シリンダに導入するステップを有する、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
340°と358°の間で、前記排気バルブの閉止を完了するステップを有する、請求項2に記載の方法。
【請求項４】
345°と350°の間で、前記排気バルブの閉止を完了するステップを有する、請求項2に記載の方法。
【請求項５】
350°と355°の間で、前記排気バルブの閉止を完了するステップを有する、請求項2に記載の方法。
【請求項６】
前記排気バルブが完全に閉止されるまで、熱交換流体の導入を継続するステップを有する、請求項2に記載の方法。
【請求項７】
前記排気バルブが完全に閉止するまで、熱交換流体の導入を継続するステップを有し、該ステップでは、前記排気バルブが完全に閉止された後、2°と10°の間まで、熱交換流体の導入が維持される、請求項2に記載の方法。
【請求項８】
前記排気バルブが完全に閉止するまで、熱交換流体の導入を継続するステップを有し、該ステップでは、前記排気バルブが完全に閉止された後、2°と10°の間まで、熱交換流体の導入が維持され、前記HEFの導入は、TDCまでに中止される、請求項2に記載の方法。
【請求項９】
熱交換流体の導入が完全に停止されるときと上死点（TDC）の間で、前記シリンダ内の残留作動流体（WF）を圧縮するステップを有する、請求項2に記載の方法。
【請求項１０】
TDC後0°と60°の間で、加圧下において前記シリンダに作動流体（WF）を導入するステップを有する、請求項1に記載の方法。
【請求項１１】
噴射の際に負の熱輸送が形成されるように、熱交換流体の導入を制御するステップを有する、請求項1に記載の方法。
【請求項１２】
エンジンシステムであって、
i）作動流体（WF）を貯蔵する第1の貯蔵タンクと、
ii）1または2以上のシリンダを有するエンジンであって、各シリンダは、上死点（TDC）位置と下死点（BDC）位置の間で移動可能なピストンを有し、各シリンダは、入口バルブおよび排気バルブを有する、エンジンと、
iii）前記第1の貯蔵タンクから前記エンジンに作動流体を供給する、第1の供給システムと、
iv）熱交換流体（HEF）を貯蔵する第2の貯蔵タンクと、
v）前記第2の貯蔵タンクから前記エンジンに熱交換流体を供給する、第2の供給システムと、
vi）前記第1の供給システムおよび前記第2の供給システムに作動可能に接続された制御器であって、前記シリンダ内の前記ピストンにより、前記作動流体が圧縮されるように、前記1または2以上のピストンのリターンストロークの間、前記シリンダへの熱交換流体（HEF）の供給が生じるように、およびTDC前に前記排気バルブを閉止するように構成された、制御器と、
を有するエンジンシステム。
【請求項１３】
前記制御器は、前記排気バルブの開の後5°以上で、前記シリンダに熱交換流体が導入されるように構成される、請求項12に記載のエンジンシステム。
【請求項１４】
前記制御器は、340°と358°の間で、前記排気バルブの閉止が完了するように構成される、請求項13に記載のエンジンシステム。
【請求項１５】
前記制御器は、350°と355°の間で、前記排気バルブの閉止が完了するように構成される、請求項13に記載のエンジンシステム。
【請求項１６】
前記制御器は、前記排気バルブが完全に閉止された後、2°と10°の間まで、熱交換流体の導入を維持するように構成される、請求項12に記載のエンジンシステム。
【請求項１７】
前記制御器は、TDCまでに熱交換流体の導入を中止するように構成される、請求項12に記載のエンジンシステム。
【請求項１８】
TDC後0°と60°の間で、圧力下において、前記シリンダに作動流体（WF）を噴射するインジェクタを有する、請求項12に記載のエンジンシステム。
【請求項１９】
前記作動流体は、液体窒素、液体空気、液化天然ガス、二酸化炭素、酸素、アルゴン、圧縮空気、圧縮窒素、または圧縮天然ガスの少なくとも一つを含む、請求項12に記載のエンジンシステム。
【請求項２０】
膨脹の動きおよび戻りの動きを有する作動チャンバを有するエンジンを作動させる方法であって、
前記エンジンは、作動流体（WF）および熱交換流体（HEF）を使用し、
当該方法は、
前記作動チャンバの前記戻りの動きの間、前記HEFを導入するステップと、
前記作動チャンバの前記膨脹の動きの間、前記作動流体（WF）を導入するステップと、
最大チャンバ容積の位置またはその近傍で、前記作動チャンバの排気を開にするステップと、
前記排気が開にされた後、前記HEFを前記チャンバに供給するステップと、
最小チャンバ容積の位置の前に、前記排気を閉止するステップであって、前記作動チャンバ内で前記作動流体が圧縮される、ステップと、
を有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、作動流体（WF）および熱交換流体（HEF）を用いたエンジンシステムに関し、特に、これに限られるものではないが、作動流体として液体極低温燃料を用いたそのようなエンジンに関する。また、本願は、特に、これに限られるものではないが、そのようなエンジンの効率を改善する機器および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
極低温エンジンは、作動流体（WF）と、該作動流体に熱輸送するため、WFに比べて高い温度の熱交換流体（HEF）とを使用するエンジンである。極低温エンジンでは、エンジンのエキスパンダに作動流体が導入され、エキスパンダにより作動流体が膨脹される際に仕事が生じる。
【０００３】
作動流体への熱輸送のため、HEFは作動流体と熱的に接触する。HEFは、通常、作動流体と混合され、その後再生される。さらに、極低温エンジンは、作動流体への熱輸送のため熱交換器を有しても良い。作動流体およびHEFは、別個にエキスパンダに導入され、ここでこれらが混合され、および／またはHEFは、作動流体がエキスパンダに導入される前に、作動流体と熱的に接触される。
【０００４】
作動流体は、熱が作動流体に移動する前に、極めて低い温度で保管される。「極めて低い温度」とは、空気、窒素、酸素および天然ガスのような気体が大気圧で液相状態にある温度を意味する。従って、貯蔵温度は、常時約−150℃未満である。ただし、いったん熱が作動流体に移動すると、作動流体は、貯蔵温度を超える温度になり、通常貯蔵温度よりも有意に高くなり、ほとんどの場合、周囲温度またはその近傍の温度になる。この温度は、約+5から約+25℃の範囲である。ただし、これは、0℃未満の温度であっても良い。通常、作動流体は、冷凍機関連用途の場合、約0から約+30℃の範囲であり、廃熱回収用途の場合、約+60℃から約+100℃の範囲である。
【０００５】
作動流体は、エキスパンダに導入される際に、液化ガスであり、その後、エキスパンダが作動流体を気化しても良い。あるいは、作動流体は、加圧下で既に気相状態であっても良く、またはエキスパンダに導入される前に、超臨界状態であっても良い。「超臨界状態」とは、作動流体が、流体の相平衡図において、その臨界点を超える温度および圧力にあることを意味する。ここでは、明確な液相および気相は存在しない。従って、膨脹は、作動流体の液体から気体への相変化を伴う。あるいは作動流体がエキスパンダに導入される前に、加圧下で既に気相状態であり、または超臨界状態である場合、これは相変化する必要はない。
【０００６】
理想的には、HEFにより作動流体に移送される熱は、そうでければ膨脹の間、作動流体によりロスされる熱と等しい。従って、作動流体の膨脹は、等温的である。これは、例えば、蒸気エンジンおよび内部または外部燃焼エンジンと好対照である。これらは全て、作動流体の理想的な断熱膨脹により作動し、仕事をする。
【０００７】
本発明は、米国特許第6,983,598号（Dearman001）に記載の極低温エンジンシステムの開発に関する。このエンジンは、1または2以上のシリンダと、各シリンダ内のピストンとを有し、通常、液体極低温源由来の気体を有する作動流体（WF）源を使用する。これは、熱交換流体（HEF）と共にエンジンのチャンバに導入され、HEFは、熱を作動流体（WF）に輸送し、チャンバ内で、そうでなければ生じ得ない高い度合いで、作動流体（WF）の膨脹が生じる。作動流体（WF）の膨脹を使用して、ピストンが駆動され、このピストン駆動により、出力シャフトが駆動され、有益なシャフト馬力が生じる。エンジンは、多数のシリンダの各々のための入口および出口バルブを有し、これらは、入口バルブが閉止される前に、作動流体とHEFの両方を、シリンダに確実に供給するように制御される。時限噴射ポンプであり得るフロー制御装置が提供され、これは、エンジンのサイクルの適切なポイントで、作動流体（WF）の投与量を分配するように作動する。所与の例では、サイクルの第1の（膨脹）部分の間、熱交換流体（HEF）は、入口バルブを介してシリンダに導入され、このポイントで、作動流体（WF）がシリンダに導入される。作動流体は、熱交換流体（HEF）の加熱効果に晒されて膨脹し、シリンダ内の圧力が上昇し、ピストンは膨脹ストロークを開始する。ピストンが下死点（BDC）に達すると、排気バルブが開にされ、膨脹した作動流体（WF）および熱交換流体（HEF）がシリンダから排出され、後の再利用のため、セパレータおよびリザーバに向かって輸送される。この配置では、サイクルの膨脹部の第1の部分の間、熱交換流体（HEF）は、シリンダに流れ、熱交換流体（HEF）バルブは、TDCまたはその近傍で開にされ、ポストTDCのある時点で閉にされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
膨脹チャンバに導入される熱交換流体（HEF）の有効な制御は、エンジンコンセプトの効率的な作動に極めて重要であることが認められている。エンジン試験では、膨脹ストロークの第1のフェーズの間のHEFの導入が、有効な膨脹をもたらさないことが示されている。これは、作動流体の注入を、膨脹ストロークの後半に移動させる必要があるためである。ここでは、エキスパンダ容積の高速変化により、バルブフローの限界のため、容積効率が低下する。
【０００９】
このように、これらの問題を克服する改良されたエンジンシステムに対して要望がある。
【００１０】
本発明のエンジンシステムは、前述の問題を低減し、可能な場合取り除くような、エンジンを作動する方法、およびエンジン自体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述の観点から、本発明の第1の態様では、
1または2以上のシリンダを有するエンジンを作動させる方法であって、
各シリンダは、内部にピストンを有し、
各ピストンは、膨脹ストロークおよびリターンストロークを有し、上死点（TDC）位置および下死点（BDC）位置を有し、
前記エンジンは、作動流体（WF）および熱交換流体（HEF）を使用し、
当該方法は、
前記エンジンのリターンストロークの間、前記HEFを導入するステップと、
前記エンジンの膨脹ストロークの間、前記作動流体（WF）を導入するステップと、
前記ピストンの下死点BDCまたはその近傍で、前記排気バルブを開にするステップと、
前記排気バルブが開にされた後、前記HEFを前記シリンダに供給するステップと、
TDC前に前記排気バルブを閉止するステップであって、前記作動流体は、前記シリンダ内の前記ピストンにより圧縮される、ステップと、
を有する、方法が提供される。
【００１２】
好ましくは、当該方法は、前記排気バルブが開になった後5°以上で、HEFを前記シリンダに導入するステップを有する。
【００１３】
当該方法は、340°と358°の間で、前記排気バルブの閉止を完了するステップを有することが有意である。あるいは、345°と350°の間で、前記排気バルブの閉止を完了するステップを有する。あるいは、350°と355°の間で、前記排気バルブの閉止を完了するステップを有する。
【００１４】
好ましくは、当該方法は、前記排気バルブが完全に閉止されるまで、HEFの導入を継続するステップを有する。
【００１５】
前記排気バルブが完全に閉止された後、2°と10°の間まで、HEFの導入が維持されることが有意である。
【００１６】
好ましくは、前記HEFの導入は、TDCまでに中止される。
【００１７】
また、当該方法は、HEFの導入が完全に停止されるときと上死点（TDC）の間で、前記シリンダ内の任意の残留作動流体（WF）を圧縮するステップを有しても良い。
【００１８】
また、当該方法は、TDC後0°と60°の間で、加圧下において前記シリンダに作動流体（WF）を導入するステップを有しても良い。
【００１９】
好ましくは、当該方法は、噴射の際に負の熱輸送が形成されるように、HEFの導入を制御するステップを有する。「負」と言う用語は、WFからHEFへの熱輸送を意味する。
【００２０】
また、本発明では、
エンジンシステムであって、
作動流体（WF）を貯蔵する第1の貯蔵タンクと、
1または2以上のシリンダを有するエンジンであって、各シリンダは、上死点（TDC）位置と下死点（BDC）位置の間で移動可能なピストンを有し、各シリンダは、入口バルブおよび排気バルブを有する、エンジンと、
前記第1の貯蔵タンクから前記エンジンに作動流体を供給する、第1の供給システムと、
熱交換流体（HEF）を貯蔵する第2の貯蔵タンクと、
前記第2の貯蔵タンクから前記エンジンにHEFを供給する、第2の供給システムと、
前記第1の供給システムおよび前記第2の供給システムに作動可能に接続された制御器であって、前記シリンダ内の前記ピストンにより、前記作動流体が圧縮されるように、前記1または2以上のピストンのリターンストロークの間、前記シリンダへの熱交換流体（HEF）の供給が生じるように、およびTDC前に前記排気バルブを閉止するように構成された、制御器と、
を有するエンジンシステムが提供される。
【００２１】
前記制御器は、前記排気バルブの開の後5°以上で、前記シリンダにHEFが導入されるように構成されることが有意である。
【００２２】
好ましくは、前記制御器は、340°と358°の間で、前記排気バルブの閉止が完了するように構成される。
【００２３】
あるいは、前記制御器は、350°と355°の間で、前記排気バルブの閉止が完了するように構成される。あるいは、前記制御器は、前記排気バルブが完全に閉止された後、2°と10°の間まで、HEFの導入を維持するように構成される。
【００２４】
好ましくは、前記制御器は、TDCまでにHEFの導入を中止するように構成される。
【００２５】
前記エンジンは、TDC後0°と60°の間で、圧力下において、前記シリンダに作動流体（WF）を噴射するインジェクタを有することが有意である。
【００２６】
前記作動流体は、液体窒素、液体空気、液化天然ガス、二酸化炭素、酸素、アルゴン、圧縮空気、圧縮窒素、または圧縮天然ガスの少なくとも一つを含んでも良い。
【００２７】
また、本発明は、ワンケルエンジンのような非ピストンタイプのエンジン、またはペダル／ベーンタイプのエンジンに適用されても良い。従って、本発明では、
膨脹の動きおよび戻りの動きを有する作動チャンバを有するエンジンを作動させる方法であって、
前記エンジンは、作動流体（WF）および熱交換流体（HEF）を使用し、
当該方法は、
前記エンジンの前記戻りの動きの間、前記HEFを導入するステップと、
前記エンジンの前記膨脹の動きの間、前記作動流体（WF）を導入するステップと、
最大チャンバ容積の位置またはその近傍で、前記排気を開にするステップと、
前記排気が開にされた後、前記HEFを前記チャンバに供給するステップと、
最小チャンバ容積の位置の前に、前記排気を閉止するステップであって、前記作動チャンバ内で前記作動流体が圧縮される、ステップと、
を有する、方法が提供される。
【００２８】
以下、添付図面を参照して、本発明についてより詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一態様によるエンジンの概略図である。
【図２】貫流（through-flow：TF）比の改善のグラフである。
【図３】本発明に使用され得る排気動作、および熱交換流体と作動流体の導入角を表す図である。
【図４】上死点のシリンダ圧力における排気バルブの閉止角の影響を示したグラフである。
【図５】HEFを使用して、噴射中の熱輸送を反転させる方法を示した図である。
【図６】固有仕事指標とパワー指標のV排気バルブ閉止角を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
簡略化のため、以降、熱交換流体という用語は、HEFと省略され、作動流体という用語は、WFと省略される。以下で表される作動流体（WF）は、液体窒素、液体空気、液化天然ガス、二酸化炭素、酸素、アルゴン、圧縮空気、圧縮窒素または圧縮天然ガスの少なくとも一つを含んでも良い。熱交換流体は、例えば水、不凍液、もしくはそれらの混合物のような、非圧縮もしくはほぼ非圧縮の液体の1または2以上を含んでも良い。
【００３１】
まず図1を参照すると、エンジンシステム10は、作動流体（WF）を貯蔵する第1の貯蔵タンク12と、エンジン14とを有し、該エンジンは、1または2以上のシリンダ16を有し、各シリンダは、上死点（TDC）位置と下死点（BDC）位置との間で可動のピストン18を有する。各シリンダ16は、1または複数の入口バルブ20と、排気バルブ22とを有する。第1の供給システム24は、第1の貯蔵タンク12からエンジン14に作動流体を供給するために提供され、一方第2の貯蔵タンク26は、（HEF）を貯蔵するために提供される。第2の貯蔵タンク26からエンジン14にHEFを供給するため、第2の供給システム28が提供される。制御器30が提供され、これは、第1の供給システムおよび第2の供給システム28に動作可能に接続され、後に詳述する所望の制御方法に従って、熱交換流体（HEF）および作動流体（WF）がシリンダに供給されるように構成される。制御器30の形態は、HEFおよび作動流体の供給方法に依存する。ある配置では、作動流体（HF）は、第1の供給システム24とシリンダ内部またはシリンダ16自体の両方に流体接続されたインジェクタ32により、1または2以上のシリンダ16に直接供給される。別の配置では、作動流体（WF）は、入口バルブ20に対応する入口ポート20iに供給されても良く、供給される作動流体は、入口バルブ20を介して、シリンダまたは複数のシリンダ16に供給される。この動作は、制御器30の制御下で行われる。入口バルブ20と排気バルブ22の双方は、ソレノイドバルブ20s、22sを有しても良く、あるいは図1に概略的に示されているように、カム作動バネ付勢バルブ20c、22cを有しても良い。ソレノイドバルブが使用される場合、制御器30は、それぞれのソレノイドに対する電流Eの供給を制御することにより、必要な際に、バルブ20、22を開閉するように接続される。カム作動バネ付勢バルブ20c、22cが使用される場合、制御器30は、バルブ20c、22cに関連する1または2以上のカム34の形態を有し、関連のバネ36の動作に対抗して、前記バルブ20c、22cの開閉を行うように作動される。前述のインジェクタまたはバルブ配置の任意の組み合わせが使用し得ることは、明らかである。熱交換流体（HEF）は、第2の供給システム28を介して、1または2以上のシリンダ16に供給される。第2の供給システム28は、熱交換流体（HEF）が加圧下で確実にシリンダ16に供給されるように、圧力ポンプ38を有することが好ましい。第2の供給システム28は、熱交換流体（HEF）を、入口ポート20iに供給しても良く、バルブ20sまたは20cを用いて、後述する方法で、供給のタイミングが制御される。また、第2の供給システム28には一方向バルブ40が提供され、熱交換流体の逆流が抑制され、または作動流体（WF）による熱交換流体供給システム28の加圧化が抑制される。第1の貯蔵タンク12には、タンク12からの出口に圧力ポンプ42が提供されても良く、この場合、供給システム24を介してエンジン14に供給される作動流体の加圧が生じる。排気バルブ22は、任意の使用済み作動流体／熱交換流体混合物（SWF/SHEF）を、回収ライン44に供給するように接続され、この回収ラインにより、混合物が分離用のセパレータ46に誘導される。セパレータ46は、その後の再利用のため、任意の分離熱交換流体（HEF）が第2の貯蔵タンク26に戻るように接続される。
【００３２】
前述の配置に追加部材を加えて、未使用の作動流体が第1の貯蔵タンク12に戻るようにしても良い。熱交換流体加圧ポンプ38は、制御器30により制御される可変スピードポンプであり、その速度、すなわちエンジン14に供給されるHEFの量が制御されても良い。また、例えば、バイパスバルブ39の形態のHEFフローコントローラが提供され、HEFのエンジン14への流れが制御されても良い。また、このバルブ39は、制御のため制御器30に接続され、これにより、所望の制御パラメータに従って、HEFの供給が変化し、例えばエンジン14の出力が変化することが好ましい。
【００３３】
別の任意部材は、概略的に56で示され、示された1または2以上のピストンに設置された熱交換器を有し、高温源とのエネルギー交換により熱交換流体が暖められる。そのような高温源は、内部燃焼エンジンからの廃熱、またはエンジン14を取り囲む一般的な雰囲気内の熱であっても良い。作動流体供給システム24内に設置され、58で概略的に示されている任意の熱交換器は、さらに、廃熱または周囲熱の利用により、エンジン16に噴射される前にWFを暖めても良い。これにより、最適な膨脹条件が得られ、全体の効率が向上する。また、任意の位置でHEFを暖めることにより、全体の効率の向上が助長され、含まれる任意の熱により、膨脹の間の気体の膨脹比が高められる。
【００３４】
概略的に60で示されているシリンダ内圧力モニタを提供して、シリンダ内圧力をモニタしても良い。これは、制御器30に接続され、後述するように、エンジン14にわたる制御の段階が提供されても良い。モニタ60は、モニタ60Aを介して、シリンダ内の圧力を直接アクセスするように提供されても良く、あるいはHEF供給ライン28内の圧力をモニタしても良い。その場合、入口バルブ20の上流または下流に、モニタ60Bが提供されても良い。モニタ60A、60Bのいずれかを用いて、リターンストロークにおけるエンジン圧力上昇がモニタされ、これは、所望の場所でのフロー制御のため、制御器30にリンクされる。同じ目的のため、概略的に62で示されているサイクリックエンジン速度モニタが提供され、これは、制御器30に接続され、リターンストロークでの圧力（またはトルク）発生に基づいて、HEFフロー制御バルブ39を介してHEF流速が調節され、リスクのある略油圧作動方式を導入せずに、最適なHEF噴射が行われる。
【００３５】
本発明は、特に、以下の3領域の1または2以上を目的とする：
a）シリンダ内で十分なHEF容積の利用を可能にすること。これにより、作動流体への入熱が中止された際に、HEFの温度低下が抑制される。HEFの最小限の温度低下により、膨脹の際の作動流体の最大温度が高められること、および作動流体と熱交換流体の間の（温度差による）熱輸送の割合が高められることが知られている。これは、略等温を得る際に重要であり、または等温膨脹よりも好ましく（低温または液相噴射の場合）、従って最大指示効率が得られる。
【００３６】
b）作動流体の噴射の点（TDC）で、シリンダ内にHEFの量が存在するようにすること。ほぼ非圧縮性のHEFにより、シリンダ内の有効デッド容積が抑制される。これは、シリンダの有効膨脹比（V2／V1）を高め、以下により、等温膨脹の効率に広く相関する：
【００３７】
【数１】
0006785787.tif 000002
ここで、最小値V1は、バルブ機器の噴射に必要な高速により制限される。所与の〜30°のクランク角の制限の場合、HEFの導入による代表寸法を有する単一エキスパンダから、膨脹比に最大30％の改善が得られる。示された膨脹効率の17％の改善が可能となる。
【００３８】
c）逆熱輸送の使用。高圧での作動流体の噴射の間、熱はWFからHEFに輸送され、TDCでの温度スパイクが減少し、従って、エキスパンダの容積効率が向上し、パワー密度の利点が提供される。
【００３９】
エンジン試験において、従来技術に記載されているような、膨脹ストロークの第1のフェーズ中のHEFの導入では、有効な膨脹が生じないことが示されている。これは、WFの噴射は、膨脹ストロークの後半にシフトさせる必要があるためである。高速のエキスパンダ容積変化により、バルブフロー限界のため、容積効率が低下する。
【００４０】
前述の問題を克服するため、本発明では、エンジンサイクルのリターンストロークの部分に存在する低い排気圧力のため必要なポンプ圧が最小となる、リターンストローク中に、HEFを導入することが提案される。HEFは、既に膨脹した作動流体が除去される間に導入されるため、HEFの容積の一部は、不可避的に、排気バルブを介して直接ロスされる。すなわち、後続の膨脹ストロークに備えて、シリンダに供給される、予想よりも多くのHEFが必要となる。HEFの導入効率は、貫流比として表され、これは、TDCで保持されるHEFの容積を、シリンダに流入するHEFの容積で除したものである。従って、所与の必要なHEF容積の場合、貫流比の上昇による効率の向上は、HEFのポンプワークを低下させ、従って、エンジンの正味の効率を高める。また、HEF導入の特定のタイミング、および排気バルブの開閉は、貫流（TF）比を大きく改善する。本発明は、これらの問題に対処する。図3には、アプローチの詳細を示す、概括的なタイミング図を示す。HEF入口バルブの開ステップは、排気バルブの開ステップの後、5°以上となるように段階化されることが好ましい。これにより、作動流体のHEF供給への逆流につながる、残留圧力が抑制される。そうでなければ、HEF導入が妨害される。排気バルブの閉止ステップは、TDC前に完了することが好ましい。これは、所与の容積比で、HEFと低圧作動流体のマルチフェーズの混合物をトラップする。エキスパンダ容積が低下すると、圧縮作動流体の容積はさらに減少するものの、ほぼ非圧縮性のHEFの容積は、未変化のまま残り、従って、TDCにおいてHEFの容積比（VHEF／Vworking  fluid）の増加が生じる。このステージでの圧縮でなされた任意の仕事は、後続の膨脹において回復される。排気バルブを閉にする最適なタイミングは、340°と358°のクランク角の間にあり、好ましくは345°と350°（最大パワー）の間にあり、あるいは350°と355°（中程度の最良の妥協）の間にある。読者には、添付図面の図6が参照される。
【００４１】
後の排気バルブの閉止は、TF比にほとんど利点を有さないことが認められている。これは、図2に概略的に示されている。図には、多くの排気ガス閉止角に対するTF比の改善が示されており、これから、345°の排気閉止角では、他の閉止角に比べて、TF比が57％改善されることは明らかである。また、リターンストローク中、および初期の排気バルブ閉止ステップの間、HEF導入の組み合わせが与えられるこのタイプのHEF制御では、エンジンの油圧ロッキングの防止が重要であることは明らかである。シリンダ内もしくはHEFマニホルド圧力測定の使用を介して、またはサイクリックエンジン速度のモニタリングを介して、制御システム30を用いて、リターンストロークにおける圧力（またはトルク）発生に基づいてHEFフロー制御バルブを介してHEF流速が調節され、リスクのある略油圧作動方式（油圧ロッキング）を使用せずに、最適なHEF噴射が可能となる。
【００４２】
また、早期の排気バルブの閉止は、図4に示すように、初期の油圧ロックに関連する、急激な圧力上昇のリスクがあることが認められている。この図には、各種排気バルブ閉止角および各種流速に対する、シリンダ14内のTDC圧力が示されている。図4から、345°でまたはその後、排気バルブが閉止されると、TDC圧力の急激な低下があることは明らかである。その結果、早期の排気バルブ閉止は回避することが最良である。
【００４３】
図5には、HEFを使用して、噴射中に逆熱輸送を達成する方法を示す。そのような配置では、エンジンのリターンストロークにおける熱輸送流体（HEF）の事前導入は、その後噴射される作動流体（WF）が、既にシリンダ内に存在する熱輸送流体（HEF）のプールにに噴射されることを意味する。これにより、エンジンサイクルに有意な効果が提供される。特に、TDCまたはその後に、高圧作動流体（WF）が膨脹チャンバに導入されると、これは、高速のチョック（chocked）流の不可逆性のため、ある局部的な加熱につながり、シリンダ内での停滞、および残留シリンダガスの圧縮により仕事が行われる。モデル化の結果、作動流体の噴射が開始された際に、TDCでシリンダ内にHEFが存在すると、実際に窒素が冷却され、吸気弁閉止（IVC）のポイントで、温度が低下することが示されている。噴射中のこの逆熱輸送は、IVCの後の方向を切り換え、残りの膨脹の間、HEFの窒素に対する加熱が中止され、等温性およびプロセスの効率が改善される。
【００４４】
以下、特に図1を参照し、時折残りの図面を参照して、本配置の動作について説明する。
【００４５】
ピストン18の下死点（BDC）位置では、シリンダ16は、膨脹作動流体（WF）と使用済み熱交換流体（HEF）の混合物Mを含み、これをシリンダから排気し、新鮮なチャージと置換する必要がある。排気バルブ22は、カム34またはソレノイド22sの形態の、制御器30の動作を介して開にされ、使用済み混合物Mの排気が可能になる。次に、十分な期間、排気バルブ22が開にされた後、熱交換流体（HEF）がシリンダ16に導入され、使用済み混合物Mの少なくとも初期のチャージが、シリンダから排気される。その後、十分な期間、HEFの導入が維持され、その所望の量Qが導入される一方、一部は、開の排気バルブを介して排出される。これは、HEF導入の間、開に維持される。排気HEFに対する残りのHEFの比は、前述の貫流（TF）比で表される。
【００４６】
使用済み混合物Mの初期のチャージがシリンダ16から排出されるまで、HEFの導入を遅延させることにより、混合物Mの排気とともに新たに導入されたHEFの一部の好ましくない膨脹を生じさせる、比較的僅かの駆動力しか存在しないことは明らかである。また、熱交換の開始により、HEFの全体の温度低下が制限される前に、シリンダ内で十分なHEF容積が利用できることは明らかである。これにより、作動流体の加熱が中止される。HEFの温度低下が最小化されると、これの膨脹の際に、作動流体（WF）の最大温度が上昇し、作動流体と熱交換流体の間の熱輸送（温度差による）の比が上昇する。これは、略等温性を得るために重要である。または等温膨脹よりも好ましく（低温噴射の場合）、従って、最大指示効率が得られる。
【００４７】
排気バルブ22の開とHEFの導入の間の遅延は、できる限り大きくする必要があることは明らかであるが、5°以上のHEF導入の遅延は、ロスの最小化に十分であることが認められている。排気バルブ22は、十分に長く開に維持され、使用済み混合物Mの排気が可能となり、排気される混合物Mによる任意の新鮮なHEFのロスが最小化される。
【００４８】
排気バルブの閉止を340°と358°の間で完遂することが、この効果を得る上で十分であることが認められている。角度は、345から350の間であることが好ましい。一方、HEF導入は、開始点と上死点（TDC）の間の任意の点で排除されても良く、排気バルブ22が完全に閉止された後まで、HEF導入を維持することは、特に有意であることが認められる。これは、その後の膨脹ストロークの前に、シリンダ内でのHEFの十分なチャージを確保し、前述の容積比の上昇を助長する。HEF導入は、排気バルブ22が完全に閉止された後、2°と10°の間まで、維持されることが好ましい。上死点（TDC）の前に排気バルブを閉止することにより、またシリンダ16内にHEFのチャージが確実に存在するようにすることにより、HEFがシリンダ16内のデッドスペースの一部を占め、未排気の使用済み作動流体（WF）の少量が、残りの部分を占めるようになることは明らかである。HEFは液体であるため、これはほぼ非圧縮性であるのに対し、作動流体は、気相で圧縮可能であり、ピストン18が上死点（TDC）に到達するまで圧縮される。これにより、上死点（TDC）前方から開始され、後続の膨脹ストロークの間、いったん作動流体が膨脹すると、作動流体の有効膨脹比が高まり、エンジンの全体効率が大きく高まる。熱交換流体（HEF）の導入は、上死点（TDC）よりも前までに除かれる。
【００４９】
いったんピストン18が、上死点（TDC）に到達すると、作動流体（WF）は、圧力下で、シリンダ自体の内部圧力に打ち勝つように、シリンダ16に導入される。ポンプ42を用いて、所望の膨脹のため、作動流体（WF）の十分な圧力が存在するようにされる。作動流体（WF）は、上死点の後に導入され、作動流体の十分なチャージが導入され、所望の膨脹比またはパワー出力が確保される。所望の量の作動流体（WF）の噴射に必要な時間は、供給圧力に応じて変化するが、使用エネルギーは、上死点（TDC）後最大60°までの連続導入により、抽出されることが認められている。HEFのシリンダへの早期の導入により、逆熱輸送の使用が可能となり、この場合、熱は、作動流体の噴射の間、作動流体（WF）から熱交換流体（HEF）に輸送される。これにより、TDCでの温度スパイクが低減され、さらにはエキスパンダの容積効率が向上し、有意なパワー密度が提供される。
【００５０】
バルブの開閉の角度位置を変更すること、ならびに熱交換流体および／または作動流体の一方または両方の供給のタイミングを変えることにより、記載の範囲で前述の修正を行っても良い。シリンダ内圧力モニタ60をシリンダ圧力Pのモニタに使用し、圧力情報を制御器30にリレーしても良い。これにより、制御器30で、前述の変更可能パラメータの1または2以上を変更することが可能となる。あるいは、同じ目的で、サイクリックエンジン速度モニタ62またはHEFフローモニタ（バルブ位置／流速または圧力）を使用し、これらを制御器30に接続して、リターンストロークにおける圧力（またはトルク）発生に基づいて、HEFフローコントロールバルブを介してHEF流速を調節し、リスクのある略油圧作動方式を導入せずに、最適なHEF噴射を行っても良い。
【００５１】
いったんピストン18が下死点（BDC）に到達すると、必要な場合、前述のプロセスが1回または2回以上繰り返され、エンジン14からの有益な仕事出力の供給が確保される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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