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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Schiffsgeschwindigkeit
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Der
Leistungsbedarf eines Binnenschiffsantriebs hängt primär
vom Tiefgang, dem Pegelstand und der Fahrgeschwindigkeit ab. Vom
Schiffsführer wird der Kurs über Wegpunkte vorgegeben
und die gewünschte Ankunftszeit eingestellt. Ein Anlagenregler
berechnet dann an Hand der Vorgabewerte eine konstante Wunsch-Durchschnittsgeschwindigkeit.
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Zur
Einhaltung eines durch den Schiffsführer vorgegebenen zeitlichen
Programms bei möglichst geringem Kraftstoffverbrauch schlägt
die
DE 32 30 621 C2 vor,
die Schiffsgeschwindigkeit mittels eines kaskadierten Regelkreises
zu überwachen, bei welchem ein Schiffsgeschwindigkeits-Regelkreis
den äußeren Regelkreis bildet. Die Stellgröße
des Schiffsgeschwindigkeits-Regelkreises ist zugleich die Führungsgröße
eines unterlagerten, inneren Motordrehzahl-Regelkreises. Als Regelgröße
des Schiffsgeschwindigkeits-Regelkreises wird die Fahrt über
Grund gemessen. Die Führungsgröße des Schiffsgeschwindigkeits-Regelkreises,
also die Soll-Schiffsgeschwindigkeit, wird an äußere
Einflüsse angepasst, zum Beispiel an die Konturen des Uferpanoramas über
einen Radar-Sender-Empfänger oder an die Berg- bzw. Talfahrt.
Bei dieser Regelkreisstruktur verursacht ein Ansaugen des Schiffs
bei zu wenig Wasser unter dem Schiffsrumpf eine geringere Ist-Schiffsgeschwindigkeit
und bewirkt damit eine entsprechende Schiffsgeschwindigkeits-Regelabweichung.
Hierauf reagiert der Schiffsgeschwindigkeitsregler, indem er die
Soll-Drehzahl erhöht. Eine erhöhte Soll-Drehzahl
wiederum verursacht einen erhöhten Kraftstoffverbrauch,
so dass das Regelsystem noch nicht in allen Betriebszuständen
optimal ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, das zuvor beschriebene
Verfahren hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs weiter zu optimieren.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Regelung der Schiffsgeschwindigkeit
mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die Ausgestaltungen sind in den
Unteransprüchen dargestellt.
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Durch
die Erfindung wird die Schiffsgeschwindigkeit an die Unterwassertopographie
angepasst, indem die Soll-Schiffsgeschwindigkeit als Führungsgröße
des Schiffsgeschwindigkeits-Regelkreises in Abhängigkeit
der Topographie der Wasserstraße korrigiert wird. Die Unterwassertopographie
ist in einem Anlagenregler als elektronische Flusskarte hinterlegt,
woraus die Wassertiefe bestimmt werden kann. Alternativ kann die
elektronische Flusskarte auch im elektronischen Motorsteuergerät
hinterlegt sein. Bei einer zunehmenden Wassertiefe wird die Soll-Schiffsgeschwindigkeit
erhöht, während bei einer abnehmenden Wassertiefe
die Soll-Schiffsgeschwindigkeit hingegen verringert wird.
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Zentraler
Gedanke der Erfindung ist eine vorausschauende Reiseplanung, bei
der zwischen den Wegpunkten unterschiedliche Soll-Schiffsgeschwindigkeiten
unter Berücksichtigung der Unterwassertopographie prädiktiv
vorgegeben werden. So wird die geforderte Durchschnittsgeschwindigkeit
dadurch erreicht, dass im flachen Wasser eine geringere und im tiefen
Wasser eine höhere Soll-Schiffsgeschwindigkeit vorgegeben
wird. Als Konsequenz ergibt sich ein nochmals verringerter Kraftstoffverbrauch,
da der Effekt des Ansaugens eindeutig einem Flachwassergebiet zugeordnet
werden kann. Ebenfalls von Vorteil ist eine automatische Anpassung
der Schiffsgeschwindigkeit an gesetzliche Vorgaben, zum Beispiel Geschwindigkeitsbeschränkungen
in bestimmten Flussabschnitten, da dies den Schiffsführer
entlastet.
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Zur
besseren Einschätzung der Situation wird dem Schiffsführer
eine Zeitreserve angezeigt. Eine zulässige Zeitreserve
bedeutet, dass der Zielort zur gewünschten Ankunftszeit
bei brennstoffoptimiertem Betrieb erreicht wird. Eine unzulässige
Zeitreserve zeigt an, dass die Ankunftszeit mit den eingestellten
Vorgabewerten nicht erreicht werden kann und daher der Schiffsführer
die Vorgabewerte korrigieren sollte. Berechnet wird die Zeitreserve,
indem in einem ersten Schritt an Hand der Wunsch-Ankunftszeit und
der Wegpunkte die Entfernung und hieraus eine Wunsch-Durchschnittsgeschwindigkeit
berechnet wird. In einem zweiten Schritt wird dann die Soll-Schiffsgeschwindigkeit
für eine Teilstrecke zwischen zwei Wegpunkten berechnet
und an Hand der Unterwassertopographie korrigiert. In einem dritten Schritt
wird dies iterativ für die weiteren Teilstrecken durchgeführt.
In einem vierten Schritt werden dann die korrigierten Soll-Schiffsgeschwindigkeiten
summiert und die Summe in Beziehung zur Wunsch-Durchschnittsgeschwindigkeit
gesetzt.
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Ein
selbstanpassendes, lernfähiges Verfahren wird dadurch erreicht,
dass die korrigierte Soll-Schiffsgeschwindigkeit, der theoretisch
berechnete Kraftstoffverbrauch und der tatsächliche Kraftstoffverbrauch
in Abhängigkeit der Unterwassertopographie abgespeichert
werden und beim erneuten Durchfahren derselben Wegstrecke diese
gelernten Werte adaptiv in die Bestimmung der Soll-Schiffsgeschwindigkeit
eingreifen. Weitere verbrauchsbeeinflussende Größen,
wie zum Beispiel die Windgeschwindigkeit, könnten auch
gemessen, gespeichert und zur Verfeinerung der Voraussage verwendet werden.
Insgesamt ist von Vorteil die noch präzisere Anpassung
des Systems an die gegebenen Umstände.
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In
den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt.
Es zeigen:
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1 ein
Systemschaubild,
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2 einen
kaskadierten Regelkreis,
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3 die
Soll-Schiffsgeschwindigkeit über dem Weg,
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4 die
Unterwassertopographie/Tiefe über dem Weg,
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5 ein
Diagramm Motorleistung über Schiffsgeschwindigkeit und
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6 einen
Ausschnitt des Diagramms der 5.
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Die 1 zeigt
ein Systemschaubild eines Schiffsantriebs, welcher als mechanische
Baugruppen eine Brennkraftmaschine 1, ein Getriebe 4,
eine Abtriebswelle 5 und einen Propeller 6, beispielsweise einen
Verstellpropeller, umfasst. Bei der dargestellten Brennkraftmaschine 1 wird
der Kraftstoff über ein Common-Railsystem eingespritzt,
dessen Funktionalität und Aufbau bekannt ist. Der Betriebspunkt
der Brennkraftmaschine 1 wird von einem elektronischen Motorsteuergerät 2 (ECU)
in Abhängigkeit von Eingangsgrößen EIN über
entsprechende Stellsignale, beispielsweise über ein den
Spritzbeginn/Spritzende kennzeichnendes Signal ve, festgelegt. Mit
einem Anlagenregler 7 kommuniziert das elektronische Motorsteuergerät 2 über
einen Signalpfad S1. Am Anlagenregler 7 ist ein graphisches
Interface angeordnet, über welches der Schiffsführer
seine Anforderungen eingibt und alle Informationen angezeigt bekommt. Vom
Schiffsführer werden insbesondere der Tiefgang/Trimm, die
Reisedaten bzw. die gewünschte Ankunftszeit, die Fahrtstrecke
an Hand der Wegpunkte, die Wasserstände, die erwartete
Fließgeschwindigkeit zwischen den Wegpunkten und die erwartete
Windgeschwindigkeit vorgegeben. Als weitere Größen
erhält der Anlagenregler über ein GPS-System die
aktuelle Position und über ein Echolot die aktuelle Wassertiefe.
Diese Daten werden während des gesamten Betriebs aktualisiert.
Die Ankunftszeit und die Fahrtstrecke werden im Anlagenregler 7 weiterverarbeitet.
Im Anlagenregler 7 sind die P/V-Kurven für unterschiedliche
Wasserstände, Beladungszustände und auch die historischen
Daten über bereits gefahrene Wegstrecken hinterlegt. Ist die
elektronische Flusskarte über die Unterwassertopographie
im Anlagenregler 7 hinterlegt, so gibt der Anlagenregler 7 über
den Signalpfad S1 die Soll-Schiffsgeschwindigkeit an das elektronische
Motorsteuergerät 2 aus.
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Ein
elektronisches Getriebesteuergerät 3 (GS) bestimmt über
einen Signalpfad S3 den Schaltzustand des Getriebes 4,
beispielsweise Vorwärts-/Rückwärtsfahrt
oder Trolling. Über denselben Signalpfad S3 werden die
Aktuator- und Sensorsignale des Getriebes 4 an das elektronische
Getriebesteuergerät 3 zurückgemeldet.
Mit dem Anlagenregler 7 kommuniziert das elektronische
Getriebesteuergerät 3 über einen Signalpfad
S2.
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Die 2 zeigt
einen kaskadierten Regelkreis bestehend aus einem Schiffsgeschwindigkeits-Regelkreis 8 als äußerer
Regelkreis und einem Motordrehzahl-Regelkreis 9 als unterlagerter,
innerer Regelkreis. Ein kaskadierter Regelkreis ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Stellgröße des äußeren Regelkreises
zugleich die Führungsgröße des inneren
Regelkreises darstellt. Die Eingangsgrößen des Regelkreises
sind die Unterwassertopographie TOPO, die aktuelle Position POS,
eine Adaptionsgröße ADAP und die Wunsch-Durchschnittsgeschwindigkeit
vWD. Die Unterwassertopographie TOPO ist im Anlagenregler oder alternativ
im elektronischen Motorsteuergerät als elektronische Flusskarte
hinterlegt. Die aktuelle Position POS wird an Hand der GPS-Signale
im Anlagenregler verarbeitet. Die Adaptionsgröße
ADAP entspricht den gelernten Soll-Schiffsgeschwindigkeitswerten
einer früheren Fahrt auf demselben Streckenabschnitt. Die
Wunsch-Durchschnittsgeschwindigkeit vWD berechnet sich aus der Ankunftszeit
und der Gesamtstrecke. Die Ausgangsgrößen des
Regelkreises sind die Rohwerte der Motordrehzahl nMOT und die Rohwerte
der Schiffsgeschwindigkeit vS, welche über ein Schiffslog
erfasst wird. An Hand der Eingangsgrößen bestimmt
eine Sollwertvorgabe 10 eine Soll-Schiffsgeschwindigkeit vSL.
An einem Punkt A wird diese mit der Ist-Schiffsgeschwindigkeit vIST
verglichen, woraus eine Schiffsgeschwindigkeits-Regelabweichung
dv resultiert. Aus der Schiffsgeschwindigkeits-Regelabweichung dv
bestimmt ein Schiffsgeschwindigkeitsregler 11, mit zumindest
PI-Verhalten, dann die Stellgröße, hier eine Soll-Drehzahl
nSL. Die Soll-Drehzahl nSL ist die Führungsgröße
des Motordrehzahl-Regelkreises 9. An einem Punkt B werden
die Soll-Drehzahl nSL mit der Ist-Drehzahl nIST verglichen. Dies
entspricht einer Drehzahl-Regelabweichung dn, welche von einem Drehzahlregler 12 in
eine Stellgröße ve umgesetzt wird. Typischerweise
ist der Drehzahlregler 12 als PIDT1-Regler ausgeführt.
Die Stellgröße ve ist die Eingangsgröße
für die Regelstrecke, wobei diese als Gesamt-Regelstrecke 13 dargestellt
ist. Die Gesamt-Regelstrecke 13 umfasst daher die Brennkraftmaschine 1,
das Getriebe 4, die Abtriebswelle 5 und den Propeller 6.
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Die
Rohwerte der Motordrehzahl nMOT sind eine der Ausgangsgrößen
der Gesamt-Regelstrecke 13 und entspricht bei einem kaskadierten
Regelkreis der Hilfsregelgröße. Über
ein Filter 14, beispielsweise ein 2-Umdrehungsfilter, werden
die Rohwerte der Motordrehzahl nMOT gefiltert und als Ist-Drehzahl nIST
auf den Punkt B zurückgekoppelt. Damit ist der innere Regelkreis
geschlossen. Die Rohwerte der Schiffsgeschwindigkeit vS sind die
zweite Ausgangsgröße der Gesamt-Regelstrecke 13 und
entspricht bei einem kaskadierten Regelkreis der Regelgröße. Über
ein Filter 15 werden die Rohwerte der Schiffsgeschwindigkeit
vS gefiltert und als Ist-Schiffsgeschwindigkeit vIST auf den Punkt
A zurückgekoppelt. Damit ist auch der äußere
Regelkreis geschlossen.
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In
der 3 ist als Diagramm die Soll-Schiffsgeschwindigkeit
vSL über dem Weg s dargestellt. Zur 3 korrespondiert
die 4, welche als Diagramm die Unterwassertopographie TOPO
und damit auch die Tiefe unter dem Schiff über demselben
Weg s zeigt. Die weitere Beschreibung erfolgt für beide
Figuren gemeinsam. In der 3 ist als
gestrichelte Linie eine Wunsch-Durchschnittsgeschwindigkeit vWD
von zum Beispiel 12,5 km/h dargestellt, welche eine der Eingangsgrößen
des zuvor beschriebenen Regelkreises darstellt. Zentraler Gedanke
der Erfindung ist die Korrektur der Soll-Schiffsgeschwindigkeit
vSL in Abhängigkeit der Unterwassertopographie TOPO. In
einem Streckenabschnitt mit geringer Tiefe, einer so genannten Flachwasserzone,
wird die Soll-Schiffsgeschwindigkeit vSL reduziert. In einem Streckenabschnitt
mit größerer Tiefe, einer so genannten Tiefwasserzone,
wird die Soll-Schiffsgeschwindigkeit vSL erhöht.
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In
einem ersten Streckenabschnitt A des Wegs s (Bereich 0–10
km) beträgt die Tiefe lediglich 3,5 m. Über die
Sollwertvorgabe, Bezugszeichen 10 in 2,
wird die Soll-Schiffsgeschwindigkeit vSL an Hand der Unterwassertopographie
TOPO zu einer kleineren Soll-Schiffsgeschwindigkeit vSL korrigiert, hier:
11 km/h. Im ersten Streckenabschnitt A liegt die Soll-Schiffsgeschwindigkeit
vSL unterhalb der Wunsch-Durchschnittsgeschwindigkeit vWD. Auch
in einem zweiten Streckenabschnitt B (Bereich 10–17 km)
mit einer Tiefe von 5 m, wird die Soll-Schiffsgeschwindigkeit vSL
verringert, hier: 12 km/h. Erst in einem dritten Streckenabschnitt
C (Bereich größer 17 km) wird die Soll-Schiffsgeschwindigkeit
vSL über die Wunsch-Durchschnittsgeschwindigkeit vWD angehoben,
da nunmehr eine genügend große Tiefe, hier: 7
m, vorhanden ist und ein Ansaugen des Schiffs nicht mehr auftritt.
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Wie
die beiden Figuren deutlich zeigen, ist die Kenntnis der Unterwassertopographie über
die elektronische Flusskarte von entscheidender Bedeutung bei der
Verringerung des Kraftstoffverbrauchs. Die elektronische Flusskarte
eröffnet die Möglichkeit einer prädiktiven
Anpassung der Schiffsgeschwindigkeit, indem eine geringere Reisegeschwindigkeit
in einer Flachwasserzone durch eine höhere Reisegeschwindigkeit
in einer Tiefwasserzone ausgeglichen wird. Da hierbei Motorleistung
konstant bleibt, ist der Kraftstoffverbrauch gegenüber
dem Stand der Technik nochmals reduziert.
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Zur
besseren Einschätzung der Situation wird dem Schiffsführer
eine Zeitreserve angezeigt. Eine zulässige Zeitreserve
bedeutet, dass der Zielort zur gewünschten Ankunftszeit
bei brennstoffoptimiertem Betrieb erreicht wird. Eine unzulässige
Zeitreserve zeigt an, dass die Ankunftszeit mit den eingestellten
Vorgabewerten nicht erreicht werden kann und daher der Schiffsführer
die Vorgabewerte korrigieren sollte. Berechnet wird die Zeitreserve,
indem in einem ersten Schritt an Hand der Wunsch-Ankunftszeit und
der Wegpunkte die Entfernung und hieraus eine Wunsch-Durchschnittsgeschwindigkeit
berechnet wird. In einem zweiten Schritt wird dann die Soll-Schiffsgeschwindigkeit
für eine Teilstrecke zwischen zwei Wegpunkten berechnet
und an Hand der Unterwassertopographie korrigiert. In einem dritten Schritt
wird dies iterativ für die weiteren Teilstrecken durchgeführt.
In einem vierten Schritt werden dann die korrigierten Soll-Schiffsgeschwindigkeiten
summiert und die Summe in Beziehung zur Wunsch-Durchschnittsgeschwindigkeit
gesetzt.
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Die 5 zeigt
als Diagramm die Motorleistung P über der Schiffsgeschwindigkeit
vS in Abhängigkeit des Schiffstiefgangs und der Wassertiefe. Eine
erste Linie 16 kennzeichnet den Leistungsbedarf eines Schiffs
mit einem Tiefgang x0 bei einer Wassertiefe y0. Eine zweite Linie 17 kennzeichnet dasselbe
Schiff (Tiefgang = unverändert) bei einer Wassertiefe y1.
Die zweite Linie 17 unterscheidet sich von der erste Linie 16 durch
die Variation der Wassertiefe, wobei y1 > y0 ist. Eine dritte Linie 18 kennzeichnet
den Leistungsbedarf bei einem Schiff mit einem Tiefgang x1 bei der
Wassertiefe y0. Eine vierte Linie 19 kennzeichnet dasselbe
Schiff (Tiefgang = unverändert) bei der Wassertiefe y1.
Die vierte Linie 19 unterscheidet sich von der dritten
Linie 18 durch die Variation der Wassertiefe, wobei y1 > y0 ist. Für
den Tiefgang gilt x1 < x0.
Aus den Kennlinien, beispielsweise die erste Linie 16 zur
zweiten Linie 17, lässt sich qualitativ ableiten,
dass bei einer größeren Wassertiefe zur Erzielung
derselben Schiffsgeschwindigkeit vS eine geringere Motorleistung
P erforderlich ist.
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Die 6 zeigt
einen Ausschnitt aus der 5, wobei jedoch der Tiefgang
der Schiffs konstant gehalten wurde. Das Verfahren nach dem Stand
der Technik läuft folgendermaßen ab: An einem
Betriebspunkt A fährt das Schiff mit einer konstanten Schiffsgeschwindigkeit
v2. Der Betriebspunkt A ist durch das Wertepaar v2/P1 definiert
und liegt auf einer Linie L1, welche für eine erste Wassertiefe steht.
Der Sollwert des Schiffsgeschwindigkeits-Regelkreises bleibt konstant.
Eine geringere Wassertiefe verursacht ein Ansaugen des Schiffs und
bewirkt eine abnehmende Ist-Schiffsgeschwindigkeit. Hieraus ergibt
sich eine zunehmende Schiffsgeschwindigkeits-Regelabweichung, auf
welche der Schiffsgeschwindigkeitsregler reagiert, indem er seine
Stellgröße, also die Soll-Motordrehzahl, vergrößert.
Auf eine erhöhte Soll-Motordrehzahl reagiert der Motordrehzahlregler
durch eine Anhebung seiner Stellgröße, wodurch
schließlich mehr Kraftstoff eingespritzt wird. Der Betriebspunkt
A verändert sich daher in Richtung des Betriebspunkts B,
welcher über das Wertepaar v2/P2 definiert ist. Der Betriebspunkt
B liegt auf einer Linie L2 mit geringerer Wassertiefe als die Linie
L1. Es ergibt sich hieraus ein erhöhter Leistungsbedarf,
welcher einen erhöhten Kraftstoffverbrauch zur Folge hat.
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Das
Verfahren nach der Erfindung läuft folgendermaßen
ab: der Anlagenregler erkennt an Hand der Unterwassertopographie
eine abnehmende Wassertiefe. Die geringere Wassertiefe verursacht
auch hier ein Ansaugen des Schiffs. Auf Grund der hinterlegten elektronischen
Flusskarte wird aber die Soll-Schiffsgeschwindigkeit über
die Sollwertvorgabe, Bezugszeichen 18 in 2,
verringert, so dass bei konstanter Motorleistung, hier: P1, sich
die Schiffsgeschwindigkeit vS vom Betriebspunkt A in Richtung des
Betriebspunkt C verändert. Der Betriebspunkt C ist über
das Wertepaar v1/P1 definiert und liegt auf der Linie L2, welche
für eine geringere Wassertiefe als L1 steht. Erkennt der
Anlagenregler eine Tiefwasserzone, Linie L3, so wird die Soll-Schiffsgeschwindigkeit
vS wieder angehoben, wodurch die Schiffsgeschwindigkeit vS bei unveränderter
Motorleistung zunimmt. Der Betriebspunkt C ändert sich
daher in Richtung des Betriebspunkts D, welcher durch das Wertepaar
v3/P1 definiert ist.
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Ein
Vergleich der beiden Verfahren an Hand der Betriebspunkte zeigt
deutlich, dass die Kenntnis der Unterwassertopographie entscheidend
zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs beiträgt, da
eine geringere Reisegeschwindigkeit in einer Flachwasserzone durch
eine höhere Reisegeschwindigkeit in einer Tiefwasserzone
ausgeglichen wird und dies bei konstanter Motorleistung. Dieses
Einsparpotential ist in der 6 mit dem
Bezugszeichen dP gekennzeichnet.
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Der
besondere Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass die Unterwassertopographie
für die kommenden Abschnitte des Flusses über
die elektronische Flusskarte bekannt ist und daher eine vorausschauende
Anpassung der Schiffsgeschwindigkeit zur Optimierung des Kraftstoffverbrauchs
genutzt werden kann.
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- elektronisches
Motorsteuergerät (ECU)
- 3
- elektronisches
Getriebesteuergerät (GS)
- 4
- Getriebe
- 5
- Abtriebswelle
- 6
- Propeller
- 7
- Anlagenregler
- 8
- Schiffsgeschwindigkeits-Regelkreis
(äußerer Regelkreis)
- 9
- Motordrehzahl-Regelkreis
(innerer Regelkreis)
- 10
- Sollwertvorgabe
- 11
- Schiffsgeschwindigkeitsregler
- 12
- Drehzahlregler
- 13
- Regelstrecke,
gesamt
- 14
- Filter
(Drehzahl)
- 15
- Filter
(Geschwindigkeit)
- 16
- erste
Linie (x0, y0)
- 17
- zweite
Linie (x0, y1)
- 18
- dritte
Linie (x1, y0)
- 19
- vierte
Linie (x1, y1)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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