CN111570089A - 尾热发电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种尾热发电装置及方法。其中，尾热发电装置包括动力产生单元，所述动力产生单元包括涡扇，所述涡扇包括：涡扇轴，至少两组涡扇组件，安装在涡扇轴上，用于允许至少两种物质通过，其中，至少两组涡扇组件所通过的物质不相同或不完全相同，且所述涡扇组件可以沿正反两个方向转动；本发明能够基于汽车尾气实现余热发电，且热能转换效率高，换热介质可循环利用。

Description

尾热发电装置及方法

技术领域

本发明涉及一种发电装置及方法，尤其涉及一种尾热发电装置及方法。

技术背景

余热是在一定经济技术条件下，在能源利用设备中没有被利用的能源，也就是多余、废弃的能源。它包括高温废气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热、可燃废气废液和废料余热以及高压流体余压等七种。余热发电是指利用生产过程中多余的热能转换为电能的技术。余热发电不仅节能，还有利于环境保护。

目前常见的余热发电重要设备是余热锅炉，用于发电的余热主要有：高温烟气余热，化学反应余热，废气、废液余热，低温余热(低于200℃)等，但对汽车尾气余热未能充分加以利用。汽车尾气中存在有大量的尾热，这些废热目前基本都流失到空气中，造成了大量的能源浪费。

发明内容

为了解决现有技术中尾气废热被大量浪费的问题，本发明提供一种尾热发电装置，包括动力产生单元，所述动力产生单元包括涡扇，所述涡扇包括：

涡扇轴；

至少两组涡扇组件，安装在涡扇轴上，用于允许至少两种物质通过，其中，至少两组涡扇组件所通过的物质不相同或不完全相同，且所述涡扇组件可以沿第一方向、第二方向转动。

于一实施例中，至少一组所述涡扇组件包括：

导流扇，动力扇；

所述物质流经所述导流扇时，推动所述导流扇运转，并在所述导流扇的作用下，所述物质按设定的路径流动至所述动力扇，推动所述动力扇运转，并带动涡扇轴一起转动。

于一实施例中，所述尾热发电装置还包括涡扇调节模块，用于调节涡扇转动。

于一实施例中，所述尾热发电装置还包括换热单元，所述换热单元包括：

尾气通过腔，所述尾气通过腔用于供尾气通过；

介质气化腔，所述介质气化腔用于将液态换热介质与尾气发生热交换后转化成气态。

于一实施例中，所述至少两组涡扇组件包括：

所述介质气化腔中具有的介质腔涡扇组件和所述尾气通过腔中具有的尾气腔涡扇组件；

所述介质气化腔中气态的换热介质作用于所述介质腔涡扇组件，并带动所述介质腔涡扇组件及所述涡扇轴转动；

所述尾气通过腔中的尾气作用于所述尾气腔涡扇组件，并带动所述尾气腔涡扇组件及所述涡扇轴转动。

于一实施例中，所述介质气化腔的轴线与尾气通过腔的轴线相重合。

于一实施例中，所述介质气化腔全包覆或除其前端外的部分包覆在尾气通过腔的内外侧。

于一实施例中，所述尾热发电装置还包括：

介质循环回路，所述介质循环回路的两端分别与介质气化腔的两端相连通；

所述介质循环回路包括与介质气化腔的尾部相连通的介质连通回路、冷凝器、增压模块、位于冷凝器与增压模块之间的储液模块、位于储液模块与介质气化腔之间的液体调节模块、位于储液模块和介质气化腔之间的加注模块，且所述加注模块与增压模块和液体调节模块相连通，所述加注模块包括喷嘴。

于一实施例中，所述尾热发电装置还包括介质传输单元，所述介质传输单元连接于换热单元和动力产生单元之间。

于一实施例中，所述介质传输单元包括反推涵道和承压管路。

于一实施例中，所述尾热发电装置还包括发电单元。

于一实施例中，所述尾热发电装置还包括耦合单元，所述耦合单元电性连接于动力产生单元和发电单元之间。

于一实施例中，所述耦合单元包括电磁耦合器。

本发明还提供一种尾热发电方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：与尾气进行热交换，将液态的换热介质加热成气态的换热介质；

S2：将换热介质的热能和/或尾气的热能转换为机械能；

S3：将机械能转换为电能。

于一实施例中，所述将液态的换热介质加热成气态的换热介质包括：

所述尾气通过尾气通过腔，所述液态换热介质在介质气化腔中与尾气发生热交换后转化成气态。

于一实施例中，所述将换热介质的热能和/或尾气的热能转换为机械能包括：

所述尾气和/或气态换热介质的压力作用于涡扇上，推动所述涡扇上的至少两组涡扇组件转动，通过所述涡扇组件的转动实现热能转换为机械能。

于一实施例中，所述尾气和/或气态换热介质的压力作用于涡扇上包括：

所述尾气和/或气态换热介质流经所述涡扇组件中的导流扇时，推动所述导流扇运转，并在所述导流扇的作用下，所述尾气和/或气态换热介质按设定的路径流动至所述涡扇组件中的动力扇，并推动所述动力扇运转。

于一实施例中，所述将机械能转换为电能包括：

所述涡扇具有涡扇轴，所述涡扇组件转动带动涡扇轴转动，通过涡扇轴的转动实现机械能转换为电能。

于一实施例中，还包括以下步骤：

介质气化腔中的气态换热介质流入介质连通回路；冷凝器将进入介质连通回路中气态的换热介质冷凝为液态的换热介质；液态的换热介质流入储液模块，增压模块将由储液模块流出的换热介质增压后推送至喷嘴，喷嘴将液态的换热介质喷入介质气化腔；同时，液体调节模块调节向介质气化腔回流液体的量。

本发明能够基于汽车尾气实现余热发电，且热能转换效率高，换热介质可循环利用；能够应用于柴油发动机、汽油发动机和燃气发动机等的节能减排领域，使发动机废热得到回收利用，从而提高发动机的经济性；通过高速涡扇抽气产生恒定排气负压，减少了发动机的排气阻力，提高了发动机效率。

附图说明

图1为本发明实施例1中尾热发电装置的结构示意图。

图2为本发明实施例2中尾热发电装置的结构示意图。

图3为本发明实施例3中尾热发电装置的结构示意图。

图4为本发明实施例3中换热单元的结构示意图。

图5为本发明实施例4中尾热发电装置的结构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种尾热发电装置，包括：

换热单元1，用于与发动机的尾气进行热交换，以将换热单元1中液态的换热介质加热成气态的换热介质。

本实施例中换热单元1可以包括：

尾气通过腔，与发动机的排气管路相连通，该尾气通过腔用于供发动机的尾气通过；

介质气化腔，介质气化腔用于将液态换热介质与尾气发生热交换后转化成气态的换热介质。

本实施例中介质气化腔中具有液态的换热介质，液态的换热介质与尾气通过腔中的尾气发生热交换后会转化成气态的换热介质。尾气通过腔实现对汽车尾气的收集。本实施例中介质气化腔和尾气通过腔的长度方向可以相同，即介质气化腔的轴线与尾气通过腔的轴线相重合。本实施例中介质气化腔可以位于尾气通过腔内，或位于尾气通过腔外部。这样，当汽车尾气流过尾气通过腔时，汽车尾气携带的热量传递给介质气化腔内的液体，将液体加热到沸点以上，液体汽化为高温高压的蒸气等气态介质，该蒸气将在介质气化腔中流动。本实施例中介质气化腔具体可全包覆或除其前端外的部分包覆在尾气通过腔的内外侧。

本实施例中尾热发电装置还包括动力产生单元2，该动力产生单元2用于将换热介质的热能和/或尾气的热能转换为机械能。

本实施例中尾热发电装置还包括发电单元3，该发电单元3用于将动力产生单元2产生的机械能转换为电能。

本实施例中尾热发电装置的工作原理为：换热单元1与发动机的尾气进行热交换，以将换热单元1中的液态的换热介质加热成气态的换热介质；动力产生单元2将换热介质的热能或尾气的热能转换为机械能；发电单元3将动力产生单元2产生的机械能转换为电能，从而实现利用发动机的尾气进行发电，避免尾气携带的热量及压力被浪费掉；且换热单元1在与尾气进行热交换时，还能起到对尾气散热、降温的作用，以便于能采用其它尾气净化装置等对尾气进行处理，并提高后续对尾气处理的效率。

本实施例中换热介质可以为水、甲醇、乙醇、油、或烷等。上述换热介质为能因温度而相变的物质，同时在相变过程中其体积及压力也产生相应的变化。

本实施例中换热单元1也称作换热器。本实施例中换热单元1可采用管式换热设备。换热单元1的设计考虑因素包括承压、减少体积、及增加换热面积等。

如图1所示，本实施例中尾热发电装置还可以包括连接于换热单元1与动力产生单元2之间的介质传输单元4。介质气化腔中形成的蒸气等气态介质通过介质传输单元4作用于动力产生单元2。介质传输单元4包括承压管路。

本实施例中动力产生单元2包括涡扇。该涡扇能将蒸气或尾气等气态介质产生的压力转换成动能。且涡扇包括涡扇轴、及至少一组固定在涡扇轴上的涡扇组件，用于允许至少两种物质通过，其中，至少两组涡扇组件所通过的物质不相同或不完全相同，本实施例中的物质可以为汽车尾气、锅炉废气、高温烟气余热，化学反应余热、换热介质、蒸气等。涡扇组件包括导流扇和动力扇，且可以沿第一方向、第二方向转动。当蒸气的压力作用于涡扇组件时，涡扇轴将随涡扇组件一起转动，从而将蒸气的压力转换成动能。当动力产生单元2包括涡扇时，发动机尾气的压力也可作用于涡扇上，以带动涡扇转动。这样，蒸气的压力和尾气产生的压力可交替地、无缝切换作用于涡扇上。当涡扇以第一方向转动时，发电单元3将动能转换为电能，实现余热发电；当产生的电能反过来带动涡扇转动，且涡扇以第二方向转动时，发电单元3将电能转换为排气阻力，为发动机提供排气阻力，当安装于发动机上的排气制动装置起作用，产生发动机制动高温高压尾气时，涡扇将这种制动能转换为电能，实现发动机排气制动和制动发电。本实施例可通过高速涡扇抽气产生恒定排气负压，减少了发动机的排气阻力，实现发动机助动。且当动力产生单元2包括涡扇时，动力产生单元2还包括涡扇调节模块，该涡扇调节模块利用发动机排气压力峰值推动涡扇产生转动惯量，进一步延时产生尾气负压，推动发动机吸气、降低发动机排气阻力，提升发动机功率。

本实施例中尾热发电装置可应用于燃油发动机，如柴油发动机、或汽油发动机。本实施例中尾热发电装置还可应用于燃气发动机。具体地，本尾热发电装置用于车辆的柴油发动机上，即上述尾气通过腔与柴油发动机的排气口相连通。

发电单元3包括发电机定子和发电机转子，发电机转子与动力产生单元2的涡扇轴相连接。这样，发电机转子将随涡扇轴的转动而转动，从而与发电机定子共同作用实现发电。本实施例中发电单元3可采用可变负荷发电机，或使用直流发电机将转矩变换为电能。同时，本发电单元3可通过调整励磁绕组电流，调整发电量匹配尾气热量的变化；以适应车辆上坡、下坡、重载、轻载等尾气温度变化。本实施例中发电单元3还可以包括电池组件，以利用该电池组件储存电能，即实现对发出的电暂时缓存。本实施例中电池组件中储存的电可供换热器动力扇、水泵、制冷压缩机以及车辆中其它电器使用。

如图1所示，本实施例中尾热发电装置还可以包括耦合单元5，该耦合单元5电性连接于动力产生单元2和发电单元3之间，发电单元3通过该耦合单元5与动力产生单元2同轴耦合。本实施例中耦合单元5包括电磁耦合器。

本实施例中发电单元3还可以包括发电机调控组件，该发电机调控组件用于调节发电机的电动转矩，产生排气负压以改变发动机强制制动力大小，产生排气背压以提高余热转换效率。具体地，发电机调控组件通过调节发电励磁或发电电流，能够改变发电功输出，从而调节汽车尾气排放阻力，实现发动机做功、排气背压、排气负压平衡，提高发电机效率。

本实施例中尾热发电装置还可以包括保温管路，该保温管路连接于发动机的排气管路和换热单元1之间。具体地，保温管路的两端分别与发动机系统的排气口和尾气通过腔相连通，以利用该保温管路来维持尾气的高温，并将尾气引入尾气通过腔中。

本实施例中尾热发电装置可以协助发动机系统实现发动机排气余热的回收再利用，有助于减少发动机排放温室气体，也助于减少燃油发动机排放有害气体，减少了污染物的排放，并使燃油发动机排放更环保。

实施例2

如图2所示，本实施例在上述实施例1的基础上，其换热单元1还可以包括介质循环回路6；该介质循环回路6的两端分别与介质气化腔的前后两端相连通，并形成封闭式的气液循环回路；介质循环回路6上安装有冷凝器61，冷凝器61用于将气态的换热介质冷凝为液态的换热介质。介质循环回路6通过动力产生单元2与介质气化腔相连通。本实施例中介质循环回路6的一端用于收集蒸气等气态换热介质，并将蒸气冷凝为液态的换热介质、即液体，另一端用于将液态的换热介质注入到介质气化腔中，以重新生成蒸气，从而实现了换热介质的循环回收利用。本实施例中介质循环回路6包括介质连通回路62，该介质连通回路62与介质气化腔的后端相连通。另外，本实施例中上述冷凝器61还通过介质传输单元4与动力产生单元2相连通。本实施例中气液循环回路与尾气通过腔不相通。

本实施例中冷凝器61可采用风冷散热器等散热设备，具体可采用承压翘片风冷散热器。当车辆行驶时，冷凝器61通过自然风强行散热，无自然风时，可使用电扇对冷凝器61进行散热。具体地，介质气化腔中形成的蒸气等气态介质在作用于动力产生单元2后将进行泄压，并流入介质循环回路6及风冷散热器，蒸气的温度随着散热器的散热而降低，并继续冷凝为液体。

如图2所示，本实施例中介质循环回路6的一端可以设有增压模块63，该增压模块63用于将冷凝后的换热介质进行加压，以推动冷凝后的换热介质流入介质气化腔。本实施例中增压模块63包括循环水泵或高压泵，液态的换热介质在循环水泵的叶轮推动下实现增压，并通过补水管道被挤压、进入介质气化腔中，以在介质气化腔中继续进行加热、并汽化。另外，涡扇转动时可替代循环水泵或高压泵，此时液体在涡扇余压的推动下，通过补水管道被挤压进介质气化腔中，继续被加热汽化。

如图2所示，本实施例中介质循环回路6还可以包括设置在冷凝器61和增压模块63之间的储液模块64，该储液模块64用于存储经过冷凝器61冷凝后液态的换热介质。上述增压模块63位于储液模块64和介质气化腔之间的一输送管路上，储液模块64中的液体经增压模块63增压后注入介质气化腔。本实施例中介质循环回路6还包括液体调节模块65，该液体调节模块65设置于储液模块64与介质气化腔之间，具体设置在位于储液模块64与介质气化腔之间的另一输送管路上。上述液体调节模块65用于调节向介质气化腔回流液体的量。当汽车尾气的温度持续高于液态换热介质的沸点温度时，液体调节模块65将储液模块64中的液体注入介质气化腔。本实施例中介质循环回路6还包括设置于储液模块64与介质气化腔之间的加注模块66，该加注模块66具体与上述增压模块63和液体调节模块65相通。本实施例中加注模块66可包括喷嘴661。喷嘴661位于介质循环回路6的一端，且喷嘴661设置在介质气化腔的前端内，以通过该喷嘴661向介质气化腔内注入液体。上述增压模块63将储液模块64中的液体加压后，经加注模块66的喷嘴661注入介质气化腔中。上述储液模块64中的液体也可经液体调节模块65注入加注模块66，并经加注模块66的喷嘴661注入介质气化腔中。上述输送管路也称作热介质管道。

本实施例中尾热发电装置具体应用于一台13升柴油发动机上，上述尾气通过腔具体与该柴油发动机的排气口相连通，发动机排放的尾气温度为650摄氏度，流量约4000立方米/小时，尾气热量约80千瓦左右。本实施例具体采用水作为介质气化腔中的换热介质，并采用涡扇为动力产生单元2。本尾热发电装置可以回收15千瓦电能，可以用于驱动车载电器；同时，加上循环水泵的直接效能回收利用，可回收40千瓦尾气热能。本实施例中尾热发电装置既可以提高燃油经济性，还可以把尾气温度降低到露点以下，以有利于需要低温环境的湿电除尘和臭氧脱硝尾气净化工艺的进行。

综上所述，本尾热发电装置可应用于柴油、汽油、燃气发动机节能减排领域，是发动机效率提升、节省燃料技术、提高发动机经济性的创新技术。本尾热发电装置能够帮助汽车省油、提高燃油经济性；也能使发动机废热得到回收利用，实现能源高效利用。

实施例3

如图3和图4所示，本实施例中上述实施例2的基础上，其动力产生单元2具体采用涡扇。同时，本实施例中涡扇包括涡扇轴21和介质腔涡扇组件22，介质腔涡扇组件22安装在涡扇轴21上，且介质腔涡扇组件22位于介质气化腔11中，具体可位于介质气化腔11中的后端处。

本实施例中介质腔涡扇组件22包括介质腔导流扇221和介质腔动力扇222。

本实施例中涡扇包括尾气腔涡扇组件23，安装在涡扇轴21上，且尾气腔涡扇组件23位于尾气通过腔12中。

本实施例中尾气腔涡扇组件23包括尾气腔导流扇231和尾气腔动力扇232。

本实施例中尾气通过腔12位于介质气化腔11中，即介质气化腔11套设在尾气通过腔12的外侧。本实施例中介质气化腔11具体可全包覆或除其前端外的部分包覆在尾气通过腔12的外侧。介质气化腔11中形成的蒸气等气态介质流过介质腔涡扇组件22，在蒸气压力的作用下推动介质腔涡扇组件22及涡扇轴21运转。介质腔导流扇221具体设置在介质气化腔11的后端处，蒸气等气态介质流经介质腔导流扇221时，推动介质腔导流扇221运转，并在该介质腔导流扇221的作用下，蒸气按设定的路径流动至介质腔动力扇222；介质腔动力扇222设置在介质气化腔11的后端处，具体位于介质腔导流扇221的后方，流过介质腔导流扇221的蒸气流动至介质腔动力扇222，并推动介质腔动力扇222及涡扇轴21运转。本实施例中介质腔动力扇222又称作第一级动力扇。尾气腔涡扇组件23设置在介质腔涡扇组件22的后方或前方，与介质腔涡扇组件22同轴运转。尾气腔导流扇231设置在尾气通过腔12中，尾气流经尾气通过腔12时，推动尾气腔导流扇231运转，并在该尾气腔导流扇231的作用下，尾气按设定的路径流动至尾气腔动力扇232。尾气腔动力扇232设置在尾气通过腔12中，具体位于尾气腔导流扇231的后方，流过尾气腔导流扇231的尾气流动至尾气腔动力扇232，且在尾气压力作用下推动尾气腔动力扇232及涡扇轴21运转，最后尾气经尾气腔动力扇232及尾气通过腔12排出。本实施例中尾气腔动力扇232又称作第二级动力扇。

如图3所示，本实施例中发电单元3包括发电机定子31和发电机转子32。另外，本实施例中上述发电单元3也设置在尾气通过腔12外部，并与涡扇同轴连接，即发电机转子32与涡扇轴21相连接，这样发电机转子32将随涡扇轴21的转动而转动。

本实施例中动力产生单元2正是采用涡扇，使得蒸气和尾气能够快速移动，节省了体积和重量，满足汽车尾气能量转换的需求。当本实施例中涡扇以第一方向转动时，发电单元3将涡扇轴21的动能转换为电能，从而实现余热发电；当涡扇以第二方向转动时，发电单元3将电能转换为排气阻力，为发动机提供排气阻力，当安装于发动机上的排气制动装置起作用，产生发动机制动高温高压尾气时，涡扇将这种制动能转换为电能，实现发动机排气制动和制动发电。具体地，涡扇产生的动能可以用于发电，从而实现汽车余热发电；所产生的电能反过来带动涡扇转动，为发动机提供排气负压，从而就实现发动机排气制动和制动发电，极大地提升了发动机的效率。

如图3和图4所示，本实施例中尾气通过腔12全部设置在介质气化腔11内，从而实现汽车尾气收集。本实施例中介质气化腔11与尾气通过腔12的横向轴向相重合。

本实施例中动力产生单元2还包括涡扇转动负压调节模块，该涡扇转动负压调节模块利用发动机排气压力峰值推动涡扇产生转动惯量，进一步延时产生尾气负压，推动发动机吸气、降低发动机排气阻力，提升发动机功率。

如图3所示，本实施例中发电单元3包括电池组件33，以利用该电池组件33储存电能，即实现对发出的电暂时缓存。本实施例中电池组件33中储存的电可供换热器动力扇、水泵、制冷压缩机以及车辆中其它电器使用。

本实施例中尾热发电装置能够利用汽车尾气的余热进行发电，同时兼顾了体积和重量的要求，且热能转换效率高，换热介质可循环利用，极大地提升了能源利用率，绿色环保，实用性强。

在初始状态下，发动机排放的尾气推动尾气腔动力扇232旋转，实现尾气压力直接换能；由尾气腔动力扇232和涡扇轴21的转动惯量，实现尾气排气瞬时负压；发电机调控组件8通过调节发电励磁或发电电流，能够改变发电功输出，从而调节汽车尾气排放阻力，适应发动机做功工况。

当采用汽车尾气余热发电时，且汽车尾气温度连续高于200摄氏度时，向介质气化腔11注入水，水吸收尾气的热量形成高温高压的蒸气，同时产生蒸气动力，继续加速推动介质腔动力扇222，使介质腔动力扇222和尾气腔动力扇232转动更快，力矩更大。通过调节发电电流或励磁电流平衡发动机做功和排气背压平衡；通过调节向介质气化腔11注入的水量，适应排气温度变化，从而恒定排气温度。

当汽车制动发电时，发动机压气通过尾气腔动力扇232，并推动尾气腔动力扇232转动，从而将压力转变为发电机旋转动力，通过调节发电电流或励磁电流，改变阻力大小，实现发动机制动和制动力缓释。

当汽车电动制动时，发动机压气通过尾气腔动力扇232，推动尾气腔动力扇232正向转动，开启电动机，输出反向转动力矩，通过涡扇轴21传递到介质腔动力扇222和尾气腔动力扇232上，形成强烈反推阻力，将能耗转变为腔体热量，同时使发动机制动力增加，强制制动。

介质传输单元4包括反推涵道。当蒸气制动时，连续压气制动蓄积热量通过蒸气，产生更大推力，并通过反推涵道，将蒸气输出到介质腔动力扇222上，强制介质腔动力扇222和尾气腔动力扇232反转，实现制动发动同时进行。

实施例4

如图5所示，本实施例在上述实施例3的基础上，其介质气化腔11位于尾气通过腔12中；且介质腔涡扇组件22位于介质气化腔11中，并具体位于介质气化腔11的后端处；尾气腔涡扇组件23位于尾气通过腔12中，并具体位于尾气通过腔12的后端处。介质腔涡扇组件22和尾气腔涡扇组件23均安装在涡扇轴21上。本实施例中尾气腔涡扇组件23位于介质腔涡扇组件22的后方。这样，流经尾气通过腔12的汽车尾气将直接作用于尾气腔涡扇组件23，以带动尾气腔涡扇组件23及涡扇轴21转动；同时，当汽车尾气流经尾气通过腔12时，将与介质气化腔11中的液体进行换热，并使介质气化腔11中的液体形成蒸气，该蒸气的压力作用于介质腔涡扇组件22，以带动介质腔涡扇组件22及涡扇轴21转动，从而进一步加快推动涡扇轴21转动；涡扇轴21转动时将带动与其相连接的发电机转子32一起转动，进而利用发电单元3实现发电。另外，介质气化腔11中的蒸气在向后流经介质腔涡扇组件22后，将流入介质循环回路6，并经介质循环回路6中的冷凝器61冷凝为液体后，再重新注入介质气化腔11，以实现换热介质的循环回收利用。尾气通过腔12中的汽车尾气在流经尾气腔涡扇组件23后排放至大气。

另外，本实施例中介质气化腔11的侧壁上设有弯折段111，该弯折段111能有效增加介质气化腔11与尾气通过腔12的接触面积，即换热面积。本实施例中弯折段111的截面呈锯齿状。

实施例5

为提高发动机热效率，需要把发动机尾气热能和背压回收换能，达到高效率，特别是混动车辆，既要燃油直接带动发电机，也要尾热高效转换为电能，这样燃油热效率可以提高15％-20％。对于混动车辆来说，在节省燃油同时可以为电池组件充更多的电，燃油转换为电能的效率可以达到70％以上。

具体地，在混动车辆燃油发动机的排气口，安装上述实施例3或实施例4中尾热发电装置，开启燃油发动机，发动机尾气进入尾气通过腔12，在尾气背压作用下，经尾气腔导流扇231调整方向，直接推动尾气腔动力扇232旋转，从而在涡扇轴21上产生旋转扭矩。由于存在转动惯量，介质腔动力扇222和尾气腔动力扇232继续旋转时，将产生抽气，使发动机排气处于瞬时负压，这样，发动机排气阻力极低，有利于发动机继续排气并做功。同样燃油供给和输出负载情况下，提升发动机转速3％-5％左右。

发动机排气温度会因为翘片导热集聚在介质气化腔11，当集聚温度大于水的沸点温度时，将水注入介质气化腔11，水瞬间汽化，体积急剧膨胀，通过介质腔导流扇导向，推动介质腔动力扇222及涡扇轴21进一步加速旋转，产生更大的转动惯量和转矩。继续提升发动机转速，而燃油并没有增加，负载也没有减轻，获得的额外转速提升10％-15％。在转速因回收背压和温度提升同时，发动机动力输出将增加，根据排气温度差异，提高功率输出13％-20％左右，对于提高燃油经济性、减少发动机体积来说，非常有帮助。

实施例6

本实施例将实施例3或实施例4中的尾热发电装置应用于一台13升柴油发动机上，该柴油发动机尾气温度为650摄氏度，流量约4000立方米/小时，尾气热量约80千瓦左右。同时，本实施例使用水为换热介质，本尾热发电装置可以回收20千瓦电能，可以用于驱动车载电器。因此，本实施例中尾热发电装置既可以提高燃油经济性，还可以把尾气温度降低到露点以下，有利于需要低温环境的静电除尘、湿电除尘及臭氧脱硝尾气净化工艺的实施；同时实现了发动机变扭连续高效制动和强制连续制动。

具体地，本实施例的尾热发电装置直接连接在一台13升柴油发动机的排气口，并通过在本尾热发电装置的出口、即上述尾气通过腔12的出口连接尾气电场装置、尾气湿电除尘和臭氧脱硝系统，就能够实现尾热发电、尾气降温、发动机制动、除尘、脱硝等。

其中，本实施例使用3寸的介质腔动力扇222和尾气腔动力扇232，并使用10kw高速直流发电电动机，电池组件采用48v300ah动力电池组，使用发电电动手动切换开关。初始状态时，发动机怠速运转，转速小于750转，发动机输出功率10％左右，通过发动机排气推动尾气腔动力扇232旋转，转速在2000转左右，实现尾气压力直接换能；尾气腔动力扇232以及涡扇轴21的转动惯量使尾气排气瞬时负压；由于尾气腔动力扇232转动，在排气管道内产生瞬时负压-80kp左右，通过调节发电电流，改变发电功输出，从而调节尾气排放阻力，适应发动机做功工况，获得发电功率0.1-1.2kw。

当带负载30％时，发动机转速上升到1300转，尾气温度连续高于300摄氏度，向介质气化腔11注入水，尾气温度下降到200摄氏度，产生大量高温高压蒸气，吸收尾气温度同时产生蒸气动力，由于介质腔导流扇和喷口限制，喷到介质腔动力扇上的蒸气压力继续加速推动介质腔动力扇转动，使介质腔动力扇及涡扇轴转动更快，力矩更大，带动发电机高速大扭矩旋转，通过调节发动电流或励磁电流平衡发动做功和排气背压平衡，获得发电量1kw-3kw，通过调节注入水量，适应排气温度变化，达到恒定排气温度目的，从而获得连续排气温度150摄氏度。低温排气有利于后续尾气电场装置回收颗粒物和臭氧脱硝，达到环保目的。

当发动机停止供油时，通过涡扇轴21拖动发动机压气，发动机压气通过排气管路到达尾气腔动力扇232，推动尾气腔动力扇232，将压力转变为涡扇轴21旋转动力，在涡扇轴21上同时安装的发电机，通过调节发电电流，改变通过涡扇的排气量，从而改变排气阻力大小，实现发动机制动和制动力缓释，可以获得3-10kw左右的制动力，同时回收1-5kw的发电量。

当发电机切换到电动制动模式时，发电机瞬间变成电动机，等于驾驶员快速踏下制动踏板。这时发动机压气通过尾气腔动力扇232，推动尾气腔动力扇232正向转动。开启电动机，输出反向转动力矩，通过涡扇轴21传递到介质腔动力扇222和尾气腔动力扇232上，形成强烈反推阻力，进一步增加制动效果。大量压气做功将能耗转变为高温气体，使腔体热量蓄积，同时使发动机制动力增加，强制制动。强制制动功率15-30kw。这种制动可以间歇发电，发电功率3-5kw左右。

当使用电动反推制动同时间歇发电时，突然需要紧急制动，可以停止发电，将制动热量产生蒸气用于制动，连续压气制动蓄积热量传递给介质气化腔中的水，介质气化腔中产生的蒸气通过反推涵道，输出到介质腔动力扇222上，且蒸气反推介质腔动力扇222，强制介质腔动力扇222和尾气腔动力扇232反转，实现强制制动，可产生制动功率30kw以上。

综上所述，本发明的尾热发电装置能够基于汽车尾气实现余热发电，且热能转换效率高，换热介质可循环利用；能够应用于柴油发动机、汽油发动机和燃气发动机等的节能减排领域，使发动机废热得到回收利用，从而提高发动机的经济性；通过高速涡扇抽气产生恒定排气负压，减少了发动机的排气阻力，提高了发动机效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (19)

1.一种尾热发电装置，其特征在于，包括动力产生单元，所述动力产生单元包括涡扇，所述涡扇包括：

涡扇轴；

至少两组涡扇组件，安装在涡扇轴上，用于允许至少两种物质通过，其中，至少两组涡扇组件所通过的物质不相同或不完全相同，且所述涡扇组件可以沿第一方向、第二方向转动。

2.如权利要求1所述的尾热发电装置，其特征在于，至少一组所述涡扇组件包括：

导流扇，动力扇；

所述物质流经所述导流扇时，推动所述导流扇运转，并在所述导流扇的作用下，所述物质按设定的路径流动至所述动力扇，推动所述动力扇运转，并带动涡扇轴一起转动。

3.如权利要求1-2任一项所述的尾热发电装置，其特征在于，所述尾热发电装置还包括涡扇调节模块，用于调节涡扇转动。

4.如权利要求1-3任一项所述的尾热发电装置，其特征在于，所述尾热发电装置还包括换热单元，所述换热单元包括：

尾气通过腔，所述尾气通过腔用于供尾气通过；

介质气化腔，所述介质气化腔用于将液态换热介质与尾气发生热交换后转化成气态。

5.如权利要求4所述的尾热发电装置，其特征在于，所述至少两组涡扇组件包括：

所述介质气化腔中具有的介质腔涡扇组件和所述尾气通过腔中具有的尾气腔涡扇组件；

所述介质气化腔中气态的换热介质作用于所述介质腔涡扇组件，并带动所述介质腔涡扇组件及所述涡扇轴转动；

所述尾气通过腔中的尾气作用于所述尾气腔涡扇组件，并带动所述尾气腔涡扇组件及所述涡扇轴转动。

6.如权利要求4-5任一项所述的尾热发电装置，其特征在于，所述介质气化腔的轴线与尾气通过腔的轴线相重合。

7.如权利要求4-6任一项所述的尾热发电装置，其特征在于，所述介质气化腔全包覆或除其前端外的部分包覆在尾气通过腔的内外侧。

8.如权利要求4-7任一项所述的尾热发电装置，其特征在于，所述尾热发电装置还包括：

介质循环回路，所述介质循环回路的两端分别与介质气化腔的两端相连通；

所述介质循环回路包括与介质气化腔的尾部相连通的介质连通回路、冷凝器、增压模块、位于冷凝器与增压模块之间的储液模块、位于储液模块与介质气化腔之间的液体调节模块、位于储液模块和介质气化腔之间的加注模块，且所述加注模块与增压模块和液体调节模块相连通，所述加注模块包括喷嘴。

9.如权利要求4-8任一项所述的尾热发电装置，其特征在于，所述尾热发电装置还包括介质传输单元，所述介质传输单元连接于换热单元和动力产生单元之间。

10.如权利要求9所述的尾热发电装置，其特征在于，所述介质传输单元包括反推涵道和承压管路。

11.如权利要求1-10任一项所述的尾热发电装置，其特征在于，所述尾热发电装置还包括发电单元。

12.如权利要求11所述的尾热发电装置，其特征在于，所述尾热发电装置还包括耦合单元，所述耦合单元电性连接于动力产生单元和发电单元之间。

13.如权利要求12所述的尾热发电装置，其特征在于，所述耦合单元包括电磁耦合器。

14.一种尾热发电方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：与尾气进行热交换，将液态的换热介质加热成气态的换热介质；

S2：将换热介质的热能和/或尾气的热能转换为机械能；

S3：将机械能转换为电能。

15.如权利要求14所述的尾热发电方法，其特征在于，所述将液态的换热介质加热成气态的换热介质包括：

所述尾气通过尾气通过腔，所述液态换热介质在介质气化腔中与尾气发生热交换后转化成气态。

16.如权利要求14-15任一项所述的尾热发电方法，其特征在于，所述将换热介质的热能和/或尾气的热能转换为机械能包括：

所述尾气和/或气态换热介质的压力作用于涡扇上，推动所述涡扇上的至少两组涡扇组件转动，通过所述涡扇组件的转动实现热能转换为机械能。

17.如权利要求16所述的尾热发电方法，其特征在于，所述尾气和/或气态换热介质的压力作用于涡扇上包括：

所述尾气和/或气态换热介质流经所述涡扇组件中的导流扇时，推动所述导流扇运转，并在所述导流扇的作用下，所述尾气和/或气态换热介质按设定的路径流动至所述涡扇组件中的动力扇，并推动所述动力扇运转。

18.如权利要求16-17任一项所述的尾热发电方法，其特征在于，所述将机械能转换为电能包括：

所述涡扇具有涡扇轴，所述涡扇组件转动带动涡扇轴转动，通过涡扇轴的转动实现机械能转换为电能。

19.如权利要求15-18任一项所述的尾热发电方法，其特征在于，还包括以下步骤：

介质气化腔中的气态换热介质流入介质连通回路；冷凝器将进入介质连通回路中气态的换热介质冷凝为液态的换热介质；液态的换热介质流入储液模块，增压模块将由储液模块流出的换热介质增压后推送至喷嘴，喷嘴将液态的换热介质喷入介质气化腔；同时，液体调节模块调节向介质气化腔回流液体的量。

Images