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Stand der Technik und derzeitige Problematik:
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Üblicherweise
sind Fahrzustände
bei Booten nicht regelbar.
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Bestenfalls
sind Neigungswinkel der Propellerwellen bei verschiedenen käuflichen
Systemen tendentiell einstellbar, um den Tauchgrad von Oberflächenpropellern,
der entsprechend veränderlich sein
muss, um der Veränderung
der Heckwelle bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Kurvenradien,
Seegang und Ähnlichem,
gerecht zu werden.
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Trimmklappen
haben nur begrenzten Einfluss auf die Qualität der Fahreigenschaften. Allgemein
ist das Fahrverhalten des Schiffes abhängig von der Rumpfgeometrie
und der Anordnung der antriebstechnischen Installationen.
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Stufenrümpfe erfüllen die
Aufgabe der Verminderung der benetzten Rumpfoberfläche. Variabel wirksame
Stufen waren bisher nicht denkbar.
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Stufenrümpfe leiden
unter geringeren Seitenführungskräften, weil
sie keine durchlaufende Kimmkante aufweisen. Auch ist die Wirkung
der Rumpfstufe von ihrer Belüftung
durch die seitliche Öffnung
abhängig.
So sind Schwankungen in der Belüftung
und der Wirksamkeit der Rumpfstufen zum Beispiel beim schrägen von
hinten Heranfahren an Heckwellen zu messen. Die der Welle zugeneigte Stufe
belüftet
sich nicht mehr und der Rumpf hat einseitig einen höheren Fahrwiderstand,
der ihn aus dem Kurs bringt.
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Beim
Beschleunigen aus dem Stand neigt der Rumpf zum starken Vertrimmen.
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Beim
Befahren von Kurven legt sich ein Boot konstruktionsbedingt in die
Kurve. Ein definiert veränderliches
Kurvenfahrverhalten lassen herkömmliche
Systeme nicht zu.
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Ähnlich verhält es sich
beim Rückwärtsfahren.
Diese Disziplin beherrschen Boote, besonders mit einem Propeller,
bisher eher schlecht als recht, weil sie zum unkontrollierbaren
Ausbrechen (aus dem Ruder laufen) neigen.
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Die Erfindung, für die Schutz begehrt wird:
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Die
Grundidee, für
die Schutz begehrt wird, umfasst die Vorstellung, dass sich im Boot
zahlreiche Systeme befinden, die massiven Einfluss auf das Fahrverhalten
ausüben.
Zur optimierten Anwendung der einzelnen Komponenten ist ein Kennfeldsteuerungssystem
entwickelt worden, welches über
Sensoren sowohl die Ist-Zustände
der Komponenten als auch den Fahrzustand des Bootes in wirksam optimierte Übereinstimmung
bringt, wobei der Charakter der Abstimmung veränderlich programmiert und je nach
Vorliebe des Bootseigners abgerufen werden kann.
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Gewerbliche Anwendbarkeit:
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- Schnellste Yachten, Sportboote und Rennboote
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Vorteile:
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile stellen sich unter anderem
wie folgt dar:
- 1. Vollständige Nutzung der maximalen
Leistung des Motors beim Beschleunigen aus de Stand
- 2. Vollständige
Nutzung der maximalen Bremsleistung der Propeller zum Bremsen
- 3. Fahrlagebeeinflussung beim Befahren von Kurven (Rollwinkel)
- 4. Rückwärtsfahrtgeradeauslaufstabilisierung
und Kurvenunterstützung
- 5. Aufbau und Regelung eines dynamischen Luftpolsters
- 6. Alternative Nutzung der Seitenführungskräfte eines Rumpfes mit durchlaufender
Kimmkante oder der Überwindung
der Seitenführungskräfte mit
Hilfe des gezielt eingesetzten dynamischen Luftpolsters in Abhängigkeit
zahlreicher Parameter
- 7. Personenschutzmodus
- 8. Auflauf- und Unterwasserhindernisschutzmodus
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Wege zur Ausführung:
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Bei
der Herstellung der rechnerseitigen Hard- und Software sind keine
besonderen Vorkehrungen zu treffen. Die Herstellung geschieht im
Standardverfahren.
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Allerdings
verfügt
das Wasserfahrzeug über zahlreiche
Sensoren, Geber und Schrittmotoren, mit welchen der Fahrzeugfahr-
und Bedienungszustand erfasst werden kann.
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Im
Einzelnen ist die Anlage wie folgt aufgebaut und sinngemäß erweiterbar:
Um
die Motorleistung des im Ersten von mehreren Vorwärtsgängen arbeitenden
Antriebsmotors beim Beschleunigen aus dem Stand vollständig zu
nutzen, werden die beiden Propellerwellen des
VTTD Variable
Transmission Twin Drive
auf maximalem Neigungswinkel und
damit die Propeller des Typs
Hybrid Power Shock Mark One
in
den Launch Mode gebracht, in dem sie voll getaucht arbeiten.
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Zur
Erfassung und Einstellung des Neigungswinkels der Propellerwellen
werden zwei Schrittmotoren mit Schneckenantrieb verwendet, einer
je Propellerwelle.
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In
dieser Stellung erzielen die Hybridpropeller mit ihren zum Beschleunigen
optimierten Kernstrahlflächen
maximalen Anfahrschub, wobei die für Höchstgeschwindigkeit optimierten äußeren Ringstrahlflächen mit
herkömmlichem
Wirkungsgrad unterstützend
wirken. Insgesamt steht die neunfache Propellerstrahlfläche herkömmlicher
Antriebe zur Verfügung.
Der schräg
nach unten geneigte Propellerschub wirkt der Vertrimmung entgegen,
was den Fahrtwiderstand minimiert. Mit zunehmender Geschwindigkeit
heben sich die Propeller entsprechend der erforderlichen Leistungsaufnahme
aus dem Wasser, bis sie schließlich
horizontale Schubrichtung realisieren. In diesem Modus arbeiten
lediglich die für Höchstgeschwindigkeit
optimierten äußeren Ringstrahlflächen beider
Propeller, die in ihrer Gesamtstrahlfläche einem einzelnen herkömmlichen Propeller
entsprechen.
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Zum
Aufbau eines Luftpolsters wird Abgasvolumenstrom in die Rumpfstufen
geleitet. Hier wird eine Abgasverteilungsweiche
EPDS Exhaust
Pressure Distributing System
zum Einsatz gebracht. EPDS
ist einmal vorhanden für
jede Zylinderbank des Motors und verfügt über zwei Drosselklappen, die
den Abgasvolumenstrom entweder
- – links
und rechts über
den üblichen
Weg nach draußen
entlassen,
- – links
und rechts in die Stufen entlassen,
- – links
in die Stufen und rechts auf dem üblichen Weg nach außen entlassen,
- – rechts
in die Stufen und links auf dem üblichen Weg
nach außen
entlassen,
und jede beliebige Zwischenstellung realisieren.
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Mit „üblichem
Weg" ist hier ein
gewöhnlicher Abgasaustritt über oder
unter Wasser gemeint.
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Die
Stellung von VTTD und EPDS ist unter anderem von folgenden Parameter
abhängig.
- – Schiffsgeschwindigkeit
- – Schiffskurs
- – Schiffsgeschwindigkeit
in zeitlicher Abhängigkeit
nach eingeleiteter Vollgasbeschleunigung aus dem Stand während der
ersten 10 Sekunden, da GPS – Updating
zu langsam erfolgt
- – Gaspedalstellung
- – Bremspedalstellung
- – Kupplungspedalstellung
- – Lenkraddrehwinkel
- – Personenschutzsensoren
(auf Sitzflächen
und Fußböden), um
sicherzustellen, dass volles Beschleunigungsvermögen nur freigeschaltet ist, falls
alle Personen an Bord sitzen und angeschnallt sind
- – Codeeingabetastatur
zur grundlegenden Eingabe des Leistungsfreischaltcodes
- – Gewählter Getriebegang
(1 Rückwärtsgang, Leerlauf,
mehrere Vorwärtsgänge)
- – Sensor
zur Messung der Motordrehzahländerung
mit Eingriff in die Zündung.
(Um auszuschließen,
dass der Motor bei seegangsbedingten Sprüngen bei Last über die
Maximaldrehzahlgrenze hinaus dreht.)
- – Heckdriftwinkelsensor
(HDWS)
- – Seegangssensor
- – Rollsensor
- – Vertrimmsensor
- – Verzögerung-
und Beschleunigungssensor
- – Trimmklappenschrittmotor
rechte Trimmklappe (TPPS – Trim
Pad Power Steering)
- – Trimmklappenschrittmotor
linke Trimmklappe (TPPS – Trim
Pad Power Steering)
- – Ankersystemzustand
(CQR-MDAT und ADS)
- – Steuerung
der Motorraumverbrennungsluftversorgung (EATLS – Engine Air Top Loading System);
soll ausfahren, sobald Unterdruck im Maschinenraum herrscht.)
- – Korrektursteuerung
des Ruderblattes (SCS – Steering
Correction System)
- – Auslösung der Überschlag-Schutzeinrichtung (PSS – Passenger
Safety System)
- – Unterwasserauflaufschutz
(Schnittstelle mit Unterwassersonar)
- – Überwasserkollisionsschutz
(Schnittstelle mit Radar u./o. Ultraschallanlage o. Ä.)
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Zur
Nutzung der Bremsleistung der Propeller werden diese während der
Fahrt entsprechend der durch das Bremspedal angeforderten Bremsleistung ins
Wasser getaucht. Das Getriebe überträgt die durch
den Fahrtstrom in die Propeller eingeleitete Energie auf ein Bremssystem.
PBBS
Power Boat Brake System.
Hierbei ist es erforderlich,
die Wirkung zahlreicher der im Boot verwendeten Systeme aufeinander
abgestimmt mit einfließen
zu lassen. Das Verebben des Luftpolsters in den Stufen ist dem Bremsvorgang
zuträglich.
Beim Anbremsen vor Kurven sollte der kurveninnere Propeller stärker abbremsen,
also tiefer eintauchen als der andere Propeller, um das gewünschte Giermoment
zu erhöhen.
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Die
Fahrlagebeeinflussung beim Befahren von Kurven ist in erster Linie
abhängig
von der Anstellung der kurvenäußeren Propellerwelle,
der kurvenäußeren Trimmklappe
und dem Luftpolster in den kurvenäußeren Stufen.
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Die
Rückwärtsfahrtgeradeauslaufstabilisierung
und Kurvenunterstützung
ist eine Funktion der Stellung der Propellerwellen beim VTTD. Eine
nach unten gefahrene Propellerwelle auf Backbord entwickelt durch
den vollkommen im Fahrtstrom arbeitenden Propeller eine deutlich
einseitige Schubkraft. Der hochgefahrene Propeller entwickelt in
erster Linie zwei Kraftkomponenten:
Der Rückwärtsschub wird durch die Ausformung
des Anhanges
PTPS – Propeller
Tube Propulsion System
nach achtern reflektiert, wodurch
eine Kraftkomponente Vorwärtsschub
entwickelt, die mit dem anderen Propeller ein Drehmoment um die
Hochachse erzeugt.
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Andererseits
erzeugt der kurveninnere Propeller, bedingt durch seine große Steigung
und die große
seitliche Abdeckung durch die Propellertunnelhälften im PTPS unter der Badeplattform
eine sehr deutliche Querkraft, die dafür sorgt, dass das Boot bei
Rückwärtsfahrt
nicht nur einem Fahrspurbogen folgt, sondern bei verstärktem Lenkeinschlag
sogar seitlich in die gewünschte
Richtung querschiebt und somit den Kurvenradius drastisch verkleinert.
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Dieser
Effekt wird umso stärker,
je größer der Differenzwinkel
zwischen den Propellerwellen ist. Folglich ist hier eine Koppelung
der beiden verschiedenen VTTD – Propellerwellenneigungswinkel
mit der Lenkradstellung vorgesehen.
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Der
Aufbau des dynamischen Luftpolsters ist abhängig von der Motordrehzahl,
dem Vorwärtsgang, der
momentan gewählt
ist, der Stellung der Drosselklappen im EPDS – Exhaust Pressure Distributing System,
der Schiffgeschwindigkeit, der Lenkradstellung, dem Rollwinkel des
Bootes, dem gewünschten Heckdriftwinkel
und so weiter.
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So
wird man zum Beispiel beim Heranfahren an die schräge Heckwelle
eines vorwegfahrenden Wasserfahrzeuges auf die Luftpolster der Rumpfstufen
verzichten wollen, um die Wirkung der durchlaufenden Kimmleiste
zu nutzen, die das Abgleiten des Rumpfes vom Wellenhang erschwert.
Gleichzeitig wird das entstehende Giermoment durch eine automatische
Lenkkorrektur mittels
SCS – Steering Correction System
außerhalb
der Autopilotanlage eliminiert.
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Hierbei
handelt es sich um einen kennfeldgesteuerten Schrittmotor, der Ruderausschläge vergrößert oder
verkleinert und extrem schnell reagieren kann.
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In
Verbindung mit der gleichzeitigen Messung des Roll- und Stampfwinkels,
der Schiffsverzögerung
und anderer Parameter in Abhängigkeit
der Zeit, lassen sich wirksame Kennfelder programmieren.
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Fährt das
Schiff normal und hebt sich vorne geringfügig an, legt sich ansatzweise
auf die Seite und wird gleichzeitig abgebremst, kann das nur bedeuten,
es überfährt von
hinten eine Heckwelle. Also steuert das Steuerungskorrektursystem
in programmiertem Maße
entgegen, bevor das Boot aus dem Kurs läuft und der Autopilot oder
der Steuermann reagieren kann.
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Ähnlich verhält es sich
bei Betätigung
der Bootsbremse. Hier arbeiten die Sensoren über die Steuerung dergestalt,
dass zum Beispiel kein Unter- oder Übersteuern beim Anbremsen der
Kurven auftritt oder beim Beschleunigen aus der Kurve heraus das
Boot nicht auf dem Luftpolster mit dem Heck ausbricht. Unter- oder Übersteuern
lassen sich zum Beispiel in Abhängigkeit
der Lenkradstellung und des vorgewählten Ganges programmieren.
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Die
Verwendung des neuartigen Konzeptes eines Stufenrumpfes mit Mittelmotortechnologie,
und durchlaufender Kimmleiste (MMSRS), in Verbindung mit aktiver
Abgasvolumenstrominjektion (EAIS), angetrieben durch den neuartigen
Doppelpropellerantrieb (VTTD) und unterstützt durch weitere zahlreiche Neuerungen
wie zum Beispiel das Power Boat Brake System (PBBS), eröffnet ungeahnte
Kombinationsmöglichkeiten
verschiedenster positiver Eigenschaften.
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Betrachtet
man dieses System in Doppelmotorisierung mit vier Propeller zum
Beispiel in einem Offshore – Rennboot
mit zweimal 1100 KW Leistung, das eine bojenmarkierte Rennstrecke
mit vielen Kurven und Richtungswechseln zu absolvieren hat.
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Hier
würde die
vorgenannte Technik dem Boot bis kurz vor dem Wendepunkt die höchste Geschwindigkeit
erhalten, um dann, durch eine Vollbremsung vergleichbar der Größenordnung
eines Straßensportwagens
extrem verzögert,
die Boje im Heckdrift zu umrunden.
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Während der
Vollbremsung taucht der kurveninnere Propeller lenkeinschlagabhängig stärker ins Wasser
und bremst mehr, was ein Eindrehen des Bootes in die Kurve verspricht.
Kurz vor der Boje wird der zunehmende Aufbau des Luftpolsters unter
den kurveninneren Stufen bei weiterem Einlenken den Effekt noch
verstärken.
Beim Herunterschalten in einen niedrigen Gang und gleichzeitigem
Gasgeben schwenkt jetzt die kurvenäußere Propellerwelle ganz nach
unten und zwingt das Boot in die Steilkurvenlage. Der kurveninnere
Propeller, jetzt ganz hoch gefahren und nur noch geringfügig getaucht,
nutzt die volle Radwirkung aus, um das Heck zur Seite wegzuschieben.
Der volle Motoreinsatz im niedrigen Gang mit höchster Drehzahl emittiert einen
enormen Volumenstrom an Abgas in die kurveninnere Stufe, was den
Driftvorgang weiter verschärft.
Beim Auslenken in die Gerade nähern
sich die Propellerwellenstellungen einander an und wechseln mit
steigender Geschwindigkeit und Gangwechseln die Tauchtiefe bis zu
einem minimalen Prozentsatz der ursprünglichen Volltauchung beim
Beschleunigen aus dem Stand.
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Luftpolster,
Trimmklappenstellung und so weiter werden sich kennfeldgesteuert
jeweils optimal ausrichten.