尤其用于电动驱动的机动车辆的燃气轮机系统、以及机动车辆和方法与流程

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的尤其用于操纵电动驱动的机动车辆中的发电机的燃气轮机系统。本发明还涉及一种包括这样的燃气轮机系统的机动车辆，以及一种用于操纵燃气轮机系统的方法和一种计算机程序产品。

背景技术：

1、低排放驱动装置(特别用于pkw、lkw、商用车辆和商用机械)的开发，与许多地方日益严格的排放限制并行不悖。在此，特别是在商用车辆(如lkw、建筑机械和农业机械)领域面临挑战。在那里，尤其由于能量需求高，因此电动车概念(如电池驱动的车辆)目前不能作为柴油发动机的替代方案。此外，商用车辆领域中的柴油发动机通常具有45％至48％的效率，因此相比于pkw发动机相对高效。在此几乎达到理论上可行的效率。因此，同样不再能够显著地提高效率。

2、还已知的是，燃气轮机通常比活塞式发动机的燃烧排放更低。然而，例如在中央热电站中固定使用的常规微型燃气轮机的电效率仅在25％至35％的范围内。特别对于机动性应用而言，这样的效率太低，无法用作常规燃烧发动机的替代方案。

3、在燃烧发动机中，还期望的是使用在效率方面理想的燃料-空气混合物进行燃烧过程。该混合物通常是所谓的化学计量混合物的情况，在其燃烧时，所有成分都得到化学转化。然而，在燃气轮机中，这通常导致过热。因此，燃气轮机在大多数情况下以非常稀薄的燃料-空气比运行，以避免由于热的烟气流进入实际的涡轮机而超过临界温度。临界温度在此尤其由涡轮机叶片的耐温性确定。在此，冷空气以已供应至燃气轮机的燃烧室的供应空气的增加体积的形式存在。因此，为了向涡轮机供应足够的冷空气，连接在燃烧室上游的压缩机必须进行大量的冷却工作，以便同样压缩被设置成用于进行冷却的空气。常规燃气轮机的效率由此受到影响。临界温度由所使用的涡轮机材料确定，并且通常为约1200℃。而这种耐高温性进而对所使用的材料和制造提出了特别的要求。

4、所谓的程氏过程，也就是程氏循环(cheng-cycle)或stig(即，注蒸汽燃气轮机)过程，是用于提高燃气轮机的效率的方法，燃气轮机固定地、尤其在大型工业中用于提供过程热量和电能。燃气轮机产生的余热在程氏过程中用于产生蒸汽。蒸汽在连接在涡轮机下游的废热锅炉中产生，并且可以再次被引导回到燃气轮机的燃烧室。通过添加蒸汽而增加的涡轮机中的质量流量确保功率提升。通过废热锅炉中的热量回收可以提高燃气轮机的效率。蒸汽随烟气排放到环境中。

5、程氏循环由于高成本而不用于连续运行，而是仅用于功率提升，类似于在飞行器涡轮机中注水(参见下文)。因此，所使用的涡轮机并不针对这种类型的运行优化，并且在这样的运行中必须始终由人进行监测。此外，尽管存在注水，涡轮机温度也很高，因为排气还用于产生过程热量。在燃气电厂中不使用该过程，因为气体-蒸汽组合系统实现的整体效率更优。

6、飞行器涡轮机在结构上与固定式工业涡轮机几乎没有区别。在飞行器涡轮机中，机械功不是用于驱动发电机，而是用于操纵机翼。在此，排气射流还产生附加的推进力。自60年代以来，就存在飞行器涡轮机，其中为了短暂的功率提升，向涡轮机中注入水。在此，水进而仅短暂地注入，以冷却涡轮机并且能够使用更加富集的空气-燃料混合物，而不会损坏涡轮机。由此，按需求在供水持续时间内提高涡轮机的功率。

7、然而，在供水的情况下，飞行器涡轮机的效率明显降低，因为在涡轮机中必须首先引入水的蒸发焓，并且涡轮机也不是为增大的质量流量而设计的。由此，增大的质量流量经过涡轮机，而不做功。此外，在供水的情况下，燃烧过程中的有害物质排放明显增加。

8、相比之下，微型燃气轮机长期以来用于固定式能量产生。在中央热电站中，微型燃气轮机实现25％至35％的电效率。在此，主要目的在于提供过程热量。这些涡轮机明显比燃气电厂中的涡轮机更紧凑，因为它们是用径流式压缩机和涡轮机工作的。微型燃气轮机以1:4至1:10的相对较小的压缩比工作。为了提高效率，压缩机之后的燃烧空气通常由回收器预热。因此实现最大涡轮机入口温度所需的燃料更少。

9、然而，由于上述运行方式，已知的微型燃气轮机的运行特别“稀薄(mager)”，即燃料-空气混合物中的空气含量相对较高。由此需要增大压缩机的功率，这进而严重影响了这样的涡轮机的效率。

技术实现思路

1、本发明所基于的问题在于实现一种尤其用于机动性应用的效率高且有害物质排放低的节省空间的驱动解决方案。

2、该问题通过提供具有权利要求1所述特征的具有控制单元的燃气轮机系统来解决。在从属权利要求中给出了本发明的改进方案。

3、据此，提供了一种燃气轮机系统，该燃气轮机系统具有至少一个注水组件，该至少一个注水组件被设计成向气体流添加水。控制单元被设计成控制借助于注水组件向气体流添加的水量。燃气轮机进一步被设计成在预设的第一运行类型中以第一燃料-空气混合物运行，其中由此产生的气体流的温度适用于在涡轮机叶轮的区域中引起大于涡轮机叶轮的临界温度的温度。控制单元被设计成控制水量，使得涡轮机叶轮的区域中的由此产生的水-气体混合物的温度小于涡轮机叶轮的临界温度并且大于阈值温度。

4、注水组件的注水区域可以相对于燃烧室布置成使得注水区域中的气体流至少很大程度上不再包含燃料-空气混合物的燃烧成分。

5、第一燃料-空气混合物可以是至少近似化学计量的。至少近似化学计量的燃料-空气混合物可以被实现为使得混合物的任何组分的质量含量与相应组分的化学计量质量含量的偏差相差最大50％、优选最大30％、优选最大15％、特别优选最大5％。

6、阈值温度可以至少部分地由用于将燃气轮机的燃料预热所需的温度确定。附加地或替代性地，阈值温度可以至少部分地由借助于注水组件将水预热所需的温度确定。阈值温度还可以至少部分地由用于操纵燃气轮机系统的排气净化设备所需的温度确定。

7、燃气轮机系统可以包括至少一个传感器，该至少一个传感器被设计成检测指示涡轮机叶轮区域中的温度的至少一个测量变量。在此，控制单元可以被设计成至少部分地基于检测到的测量变量控制水量。

8、该至少一个传感器可以包括温度传感器，该温度传感器布置在涡轮机叶轮的区域中或其下游。替代性地，温度传感器可以在涡轮机叶轮的上游布置在排气净化设备、尤其排气催化器与涡轮机叶轮之间。在此，控制单元可以被设计成至少部分地基于借助于温度传感器检测到的温度控制水量。附加于此或替代于此，该至少一个传感器可以包括λ传感器(lambdasonde)和/或氮氧化物传感器，并且控制单元可以被设计成至少部分地基于λ传感器和/或氮氧化物传感器的信号控制水量。λ传感器和/或氮氧化物传感器的信号可以指示燃烧室中的燃烧过程的至少一个特性，该至少一个特性与涡轮机叶轮的区域中的温度具有技术相关性。附加地或替代性地，控制单元可以被设计成进一步至少部分地基于燃气轮机的燃料通过量、燃气轮机运行所凭借的燃料-空气混合物的混合比例、烟气的成分和/或燃烧室内的压力控制水量。

9、控制单元可以被设计成还以如下方式控制水量，使得根据水量优化，尤其最大化燃气轮机的效率。在此，燃气轮机的效率可以关于燃烧室中的运行过程的至少一个过程参数优化，尤其最大化。在此，控制单元可以被设计成还至少部分地基于运行过程的至少一个过程参数控制水量，以用于优化，尤其最大化效率。

10、优化后的效率可以相当于最大效率的至少84％、优选至少90％、优选至少94％、进一步优选至少98％的范围内的效率。在此，还可以关于燃气轮机的至少一个构造要求和/或至少一个运行要求优化效率。

11、根据另一方面，提供了一种机动车辆。机动车辆包括在此提出的类型的燃气轮机系统。

12、机动车辆可以包括至少一个电动驱动装置和发电机，该发电机被设置成用于为该至少一个电动驱动装置发电。在此，燃气轮机系统可以被布置成用于操纵发电机。

13、机动车辆还可以包括至少一个电能储存设备，该至少一个电能储存设备被设计成储存借助于发电机产生的电能并且将储存的电能提供给该至少一个电动驱动装置。

14、根据另一方面，提供了一种用于操纵在此提出的类型的燃气轮机系统的方法。该方法包括借助于控制单元接收指示涡轮机叶轮的区域中的温度的至少一个输入信号。该方法还包括借助于控制单元产生用于控制借助于注水组件向气体流添加的水量的控制信号，使得涡轮机叶轮的区域中的由此产生的水-气体混合物的温度小于涡轮机叶轮的临界温度并且大于阈值温度。此外，该方法包括借助于控制单元将控制信号输出至注水组件。

15、根据另一方面，提供了一种计算机程序产品。该计算机程序产品包括程序代码的部分，该程序代码的部分在燃气轮机系统的控制单元的处理器装置上执行的情况下，使得控制单元执行在此提出的类型的方法。