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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schiffantriebssystems.
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In der
DE 10 2015 014 857 A1 und
DE 100 48 103 A1 werden bereits jeweils Verfahren zum Betreiben eines Schiffantriebsystems, welches einen Verstell-Propeller mit neigungsverstellbaren Propellerschaufeln aufweist, unter Verwendung einer Drehzahlregelung für die Brennkraftmaschine zur Bereitstellung einer Leistungsanforderung, wobei abhängig von einer Leistungsanforderung an das Schiffantriebssystem eine Drehmomentanforderung für die Brennkraftmaschine resultiert und eine Soll-Drehzahl für die Brennkraftmaschine ermittelt und die Drehzahl der Brennkraftmaschine über eine Drehzahlregelung auf die Soll-Drehzahl für die Brennkraftmaschine zur Bereitstellung der Leistungsanforderung eingeregelt wird
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Insbesondere ist das voran Beschriebene aus der
EP 2 330 284 A1 für einen Gasmotor bekannt.
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1 zeigt den aus der Praxis grundsätzlich bekannten Aufbau eines Schiffsantriebssystems 10. So verfügt das Schiffsantriebssystem 10 der 1 über eine Brennkraftmaschine 11 mit mehreren Zylindern 12. In den Zylindern 12 der Brennkraftmaschine 11 wird ein Kraftstoff verbrannt. Das Schiffsantriebssystem 10 verfügt weiterhin über einen Verstell-Propeller 13 mit verstellbaren Propellerschaufeln 14, um über eine Verstellung der Propellerschaufeln 14 eine sogenannte Propellersteigung des Verstell-Propellers 13 einzustellen. Zwischen den Verstell-Propeller 13 und die Brennkraftmaschine 11 ist ein Getriebe 15 geschaltet.
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1 visualisiert weiterhin eine sogenannte Antriebssteuerung 16 sowie eine Motorsteuerung 17. Die Antriebssteuerung 16 tauscht mit dem Getriebe 15, über welches auch der Verstell-Propeller 13, nämlich die Propellerschaufeln 14 desselben, verstellt werden können, Daten aus. So übermittelt die Antriebssteuerung 16 gemäß dem Pfeil 18 Daten an das Getriebe 15, ferner übermittelt das Getriebe 15 gemäß dem Pfeil 19 Daten an die Antriebssteuerung 16. Ebenso tauscht die Motorsteuerung 17 mit der Brennkraftmaschine 11 Daten aus, wozu die Motorsteuerung 17 gemäß dem Pfeil 20 Daten an die Brennkraftmaschine 11 übermittelt und die Brennkraftmaschine 11 gemäß dem Pfeil 21 Daten zurück an die Motorsteuerung 17 übermittelt. Ein weiterer Datenaustausch erfolgt zwischen der Antriebssteuerung 16 und der Motorsteuerung 17, wobei die Antriebssteuerung 16 gemäß dem Pfeil 22 Daten an die Motorsteuerung 17 und die Motorsteuerung 17 gemäß dem Pfeil 23 Daten an die Antriebssteuerung 16 übermittelt. Zusätzlich zu den Daten 19 und 23 werden der Antriebssteuerung 16 gemäß dem Pfeil 24 weitere Eingangsgrößen bereitgestellt.
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Zu den Daten, die gemäß dem Pfeil 18 die Antriebssteuerung 16 an das Getriebe 15 übermittelt, zählt ein Soll-Wert für die Propellersteigung. Zu denjenigen Grö-ßen, die gemäß dem Pfeil 19 das Getriebe 15 an die Antriebssteuerung 16 übermittelt, zählen ein Ist-Wert der Propellersteigung und ein Ist-Wert der Propellerdrehzahl. Zu den Daten, die der Antriebssteuerung 16 gemäß dem Pfeil 24 bereitgestellt werden, zählt eine Leistungsanforderung an das Schiffsantriebssystem 10.
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Abhängig von der Leistungsanforderung an das Schiffsantriebssystem 10 ermittelt die Antriebssteuerung 16 einerseits eine Soll-Propellersteigung und andererseits eine Soll-Drehzahl für die Brennkraftmaschine 11, wobei die Antriebssteuerung 16 die Soll-Drehzahl im Sinne des Pfeils 22 der Motorsteuerung 17 als Eingangsgröße bereitstellt. Die Motorsteuerung 17 regelt die Drehzahl der Brennkraftmaschine 11 abhängig von dieser Soll-Drehzahl, wozu die Motorsteuerung 17 die Brennkraftmaschine 11 im Sinne des Pfeils 20 mit einer Stellgröße ansteuert, und zwar mit einer den Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 11 bereitzustellenden Kraftstoffmenge. Die Brennkraftmaschine 11 meldet im Sinne des Pfeils 21 die Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine 11 der Motorsteuerung 17 zurück. Die Ist-Motordrehzahl wird von der Motorsteuerung 17 der Antriebssteuerung 16 im Sinne des Pfeils 23 übermittelt.
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Aus der Praxis ist es demnach für ein Schiffsantriebssystem 10 bekannt, dass abhängig von einer Leistungsanforderung an das Schiffsantriebssystem 10 eine Soll-Propellersteigung für den Verstell-Propeller und eine Soll-Drehzahl für die Brennkraftmaschine 11 ermittelt werden, wobei die Drehzahl der Brennkraftmaschine 11 über eine in der Motorsteuerung 17 implementierte Drehzahlregelung auf die Soll-Drehzahl eingeregelt wird, um die Leistungsanforderung bereitzustellen. Passend hierzu ermittelt dann die Antriebssteuerung 16 abhängig von der Ist-Drehzahl, abhängig von der Soll-Drehzahl der Brennkraftmaschine 11 sowie abhängig vom bereitzustellenden Propeller-Schub eine Propellersteigung für den Verstell-Propeller 13.
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So zeigt 2 eine Propellerkurve 25, die für eine feste Propellersteigung die Abhängigkeit zwischen dem Drehmoment M der Brennkraftmaschine 11 und der Drehzahl n der Brennkraftmaschine 11 zeigt. Durch eine Vergrößerung der Propellersteigung oder eine Verkleinerung der Propellersteigung kann die Propellerkurve 25 verschoben werden, und zwar bei einer Vergrößerung der Propellersteigung in Richtung des Pfeils 26 insbesondere auf die Propellerkurve 25a und bei Verkleinerung der Propellersteigung im Sinne des Pfeils 27 insbesondere auf die Propellerkurve 25b.
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Auf die obige Art und Weise kann insbesondere für Schiffsantriebssysteme, in welchen ein flüssiger Kraftstoff verbrannt wird, so zum Beispiel für Dieselbrennkraftmaschinen, ein guter wirtschaftlicher Betrieb des Schiffsantriebssystems unter Ausnutzung der Motorreserven gewährleistet werden.
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Bei Brennkraftmaschinen hingegen, in den ein gasförmiger Kraftstoff verbrannt wird, also bei Gasmotoren oder bei in Gaskraftstoffbetriebsmodus betriebenen Dual-Fuel-Motoren, kann es infolge einer Klopfneigung der Brennkraftmaschine jedoch problematisch sein, eine in dieser Art gewünschte Leistungsanforderung an das Schiffsantriebssystem bereitzustellen. Es besteht daher Bedarf an einem neuartigen Verfahren zum Betreiben eines Schiffsantriebssystems, welches insbesondere für den Einsatz bei Gasmotoren sowie im Gaskraftstoffbetriebsmodus betriebenen Dual-Fuel-Motoren Verwendung findet.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verfahren zum Betreiben eines Schiffantriebssystems zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Schiffantriebssystems nach Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird bei der Drehzahlregelung ein Klopfabstand der Brennkraftmaschine von einer Klopfgrenze erfasst und über brennkraftmaschinenseitige Maßnahmen, insbesondere über eine Anhebung eines Ladeluftdrucks der Brennkraftmaschine, dieselbe mit einem definierten Klopfabstand zur Klopfgrenze betrieben.
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Dann, wenn die brennkraftmaschinenseitigen Maßnahmen ausgeschöpft sind und der Klopfabstand zur Klopfgrenze einen ersten Grenzwert erreicht oder unterschreitet, wird eine Reduzierung des Drehmoments der Brennkraftmaschine steuerungsseitig angefordert, zu diesem Zweck wird die Propellersteigung des Verstell-Propellers reduziert, um bei reduzierter Propellersteigung des Verstell-Propellers und reduziertem Drehmoment der Brennkraftmaschine unter Erhöhung der Soll-Drehzahl der Brennkraftmaschine die Leistungsanforderung an das Schiffantriebssystem mit definiertem Klopfabstand zur Klopfgrenze bereitzustellen.
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Mit der Erfindung wird also vorgeschlagen, bei der Drehzahlregelung eines Gasmotors oder eines im Gaskraftstoffbetriebsmodus betriebenen Dual-Fuel-Motors zunächst über brennkraftmaschinenseitige Maßnahmen, insbesondere über eine Anhebung des Ladeluftdrucks eines mit der Brennkraftmaschine zusammenwirkenden Abgasturboladers, die Brennkraftmaschine mit dem definierten Klopfabstand zur Klopfgrenze zu betreiben. Dann, wenn diese brennkraftmaschinenseitigen Maßnahmen ausgeschöpft sind und der Klopfabstand zur Klopfgrenze kleiner wird, nämlich den ersten Grenzwert erreicht oder unterschreitet, wird eine Reduzierung des Drehmoments der Brennkraftmaschine mittels einer Reduzierung der Propellersteigung des Verstell-Propellers und über eine Erhöhung der Soll-Drehzahl der Brennkraftmaschine ein Betriebspunkt für das Schiffsantriebssystem angepasst, bei welchem die Leistungsanforderung wieder mit dem definierten Klopfabstand zur Klopfgrenze bereitgestellt werden kann. Hierdurch ist ein besonders vorteilhafter Betrieb eines Schiffsantriebssystems mit einem Gasmotor oder Dual-Fuel-Motor möglich.
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Nach einer Weiterbildung wird dann, wenn nach Ausschöpfen der brennkraftmaschinenseitigen Maßnahmen der Klopfabstand zur Klopfgrenze den ersten Grenzwert erreicht oder unterschreitet, das Drehmoment reduziert, insbesondere um ein Inkrement, wobei hierzu die Propellersteigung reduziert wird, die Soll-Drehzahl der Brennkraftmaschine erhöht wird und das Schiffantriebssystem wird eine definierte erste Zeitspanne mit diesen geänderten Betriebsparametern zur Bereitstellung der Leistungsanforderung betrieben. Nach Ablauf der ersten Zeitspanne wird überprüft, ob der Klopfabstand zur Klopfgrenze den ersten Grenzwert erneut erreicht oder unterschreitet. Dann, wenn festgestellt wird, dass Klopfabstand zur Klopfgrenze den ersten Grenzwert erneut erreicht oder unterschreitet, wird das Drehmoment weiter reduziert, insbesondere um ein weiteres Inkrement, wobei hierzu die Propellersteigung erneut reduziert wird, die Soll-Drehzahl erneut erhöht wird, das Schiffantriebssystem erneut die definierte erste Zeitspanne mit den geänderten Betriebsparametern betrieben wird und wiederum nach Ablauf der ersten Zeitspanne überprüft wird, ob der Klopfabstand zur Klopfgrenze den ersten Grenzwert erneut erreicht oder unterschreitet, wobei dies solange wiederholt wird, bis eine zulässiger Grenzwert für die Reduzierung des Drehmoments erreicht wird. Dann, wenn festgestellt wird, dass der Klopfabstand zur Klopfgrenze den ersten Grenzwert nicht erneut erreicht oder unterschreitet, das Drehmoment unverändert bleibt. Diese Vorgehensweise ist bevorzugt, um insbesondere im stationären Betrieb bei konstanter Leistungsanforderung unter vorzugsweise inkrementeller Reduzierung des Drehmoments mittels entsprechender Anpassung der Propellersteigung sowie Soll-Drehzahl der Brennkraftmaschine die Leistungsanforderung an das Schiffsantriebssystem mit ausreichendem Klopfabstand zur Klopfgrenze an der Brennkraftmaschine bereitzustellen.
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Nach einer Weiterbildung wird dann, wenn festgestellt wird, dass der Klopfabstand zur Klopfgrenze einen zweiten Grenzwert erreicht oder überschreitet, das zuvor reduzierte Drehmoment erhöht, hierzu wird die Propellersteigung erhöht, die Soll-Drehzahl der Brennkraftmaschine wird reduziert und das Schiffantriebssystem wird eine definierte zweite Zeitspanne mit diesen geänderten Betriebsparametern zur Bereitstellung der Leistungsanforderung betrieben. Nach Ablauf der zweiten Zeitspanne wird überprüft wird, ob der Klopfabstand zur Klopfgrenze den zweiten Grenzwert erneut erreicht oder überschreitet. Dann, wenn festgestellt wird, dass Klopfabstand zur Klopfgrenze den zweiten Grenzwert erneut erreicht oder überschreitet, wird das Drehmoment erneut erhöht, hierzu wird die Propellersteigung erneut vergrößert, die Soll-Drehzahl wird erneut reduziert, das Schiffantriebssystem wird erneut die definierte zweite Zeitspanne mit den geänderten Betriebsparametern betrieben und es wird wiederum nach Ablauf der zweiten Zeitspanne überprüft, ob der Klopfabstand zur Klopfgrenze den zweiten Grenzwert erneut erreicht oder überschreitet, wobei dies solange wiederholt wird, bis die Reduzierung des Drehmoments rückgängig gemacht wurde. Dann, wenn festgestellt wird, dass der Klopfabstand zur Klopfgrenze den zweiten Grenzwert nicht erneut erreicht oder überschreitet, bleibt das Drehmoment unverändert. Diese Vorgehensweise ist bevorzugt, um insbesondere im stationären Betrieb bei konstanter Leistungsanforderung nach bereits erfolgter Reduzierung des Drehmoments unter nachfolgend vorzugsweise inkrementeller Erhöhung des Drehmoments mittels entsprechender Anpassung der Propellersteigung sowie Soll-Drehzahl der Brennkraftmaschine die Leistungsanforderung an das Schiffsantriebssystem mit ausreichendem Klopfabstand zur Klopfgrenze an der Brennkraftmaschine bereitzustellen. Vorzugsweise ist die zweite Zeitspanne länger als die erste Zeitspanne. Hierdurch können Drehmoment, Propellersteigung und Drehzahl besonders vorteilhaft abhängig von einer Vergrößerung oder Verkleinerung des Klopfabstands beeinflusst werden.
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Nach einer Weiterbildung wird dann, wenn sich eine Leistungsanforderung an das Schiffantriebssystem erhöht, eine erhöhte Soll-Drehzahl für die Brennkraftmaschine ermittelt und die Drehzahl der Brennkraftmaschine durch eine Erhöhung der Kraftstoff-Einspritzmenge auf die höhere Drehzahl eingeregelt, wobei eine maximale zeitabhängige Erhöhung der Kraftstoff-Einspritzmenge über einen Begrenzer limitiert wird, der vom Klopfabstand zur Klopfgrenze anhängig ist. Hiermit kann bei Änderung der Leistungsanforderung in einem sogenannten Transientbetrieb des Schiffsantriebssystems dasselbe besonders vorteilhaft betrieben werden.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 ein Schema eines Schiffantriebssystems,
- 2 eine exemplarische Propellerkurve des Schiffantriebssystems,
- 3 Kurvenverläufe zur Verdeutlichung der Erfindung,
- 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus 3,
- 5 weitere Kurvenverläufe zur Verdeutlichung der Erfindung, und
- 6 weitere Kurvenverläufe zur Verdeutlichung der Erfindung.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schiffsantriebssystems. Der grundsätzliche Aufbau eines Schiffsantriebssystems 10 wurde bereits oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, ebenso wie die grundsätzliche Funktionsweise desselben zur Bereitstellung einer Leistungsanforderung an das Schiffsantriebssystem 10 unter Ermittlung eines Drehmomentanforderung und einer Soll-Drehzahl für die Brennkraftmaschine 11, wobei die Drehzahl der Brennkraftmaschine 11 über eine in der Motorsteuerung 17 implementierte Drehzahlregelung auf die Soll-Drehzahl zur Bereitstellung der Leistungsanforderung eingeregelt wird.
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Die hier vorliegende Erfindung betrifft nun solche Details eines Verfahrens zum Betreiben eines Schiffsantriebssystems, bei welchen bei einem Gasmotor oder bei einem im Gaskraftstoffbetriebsmodus betriebenen Dual-Fuel-Motor eine Leistungsanforderung mit ausreichendem Abstand zu einer Klopfgrenze der Brennkraftmaschine 11 bereitgestellt werden kann.
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Bei der Drehzahlregelung der Drehzahl der Brennkraftmaschine 11 auf die Soll-Drehzahl wird ein Klopfabstand der Brennkraftmaschine von einer Klopfgrenze erfasst. Dies kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass ein Klopfintegrator genutzt wird, wobei ein Wert des Klopfintegrators umso größer ist, je kleiner der Klopfabstand zur Klopfgrenze ist. Der Klopfintegrator kann dabei zum Beispiel einen Messwert von einem der Brennkraftmaschine 11 oder von den Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 11 zugeordneten Körperschallsensoren auswerten.
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Dann, wenn bei der Drehzahlregelung festgestellt wird, dass der Klopfabstand zur Klopfgrenze zu klein wird, wird zunächst über brennkraftmaschinenseitige Maßnahmen über eine sogenannte Klopfregelung dieselbe mit einem definierten Klopfabstand zur Klopfgrenze betrieben, vorzugsweise über eine Anhebung eines Ladeluftdrucks eines mit der Brennkraftmaschine 11 zusammenwirkenden Abgasturboladers.
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Dann, wenn die brennkraftmaschinenseitigen Maßnahmen ausgeschöpft sind und zum Beispiel eine weitere Anhebung des Ladeluftdrucks nicht mehr realisiert werden kann, und wenn der Klopfabstand zur Klopfgrenze einen ersten Grenzwert erreicht oder unterschreitet, wird eine Reduzierung des Drehmoments der Brennkraftmaschine steuerungsseitig angefordert, und zwar von der Motorsteuerung 17, die eine entsprechende steuerungsseitige Anforderung zur Reduzierung des Soll-Drehmoments der Brennkraftmaschine 11 an die Antriebssteuerung 16 übermittelt. Die Antriebssteuerung 16 reduziert dann in Abhängigkeit der Reduzierung des Drehmoments die Propellersteigung des Verstell-Propellers 13 und erhöht die Drehzahl der Brennkraftmaschine 11, um bei reduzierter Propellersteigung des Verstell-Propellers 13, bei reduziertem Soll-Drehmoment der Brennkraftmaschine 11 und bei erhöhter Soll-Drehzahl der Brennkraftmaschine 11 die Leistungsanforderung an das Schiffsantriebssystem 10 mit definierten Klopfabstand zur Klopfgrenze bereitzustellen. Diese Details kommen insbesondere in einem Stationärbetrieb des Schiffsantriebssystems 10 zum Einsatz, also dann, wenn eine Leistungsanforderung an das Schiffsantriebssystem konstant ist.
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Hierzu wird so vorgegangen, dass dann, wenn nach Ausschöpfen der brennkraftmaschinenseitigen Maßnahmen der Klopfregelung der Klopfabstand der Brennkraftmaschine 11 zur Klopfgrenze den ersten Grenzwert erreicht oder unterschreitet, indem der Wert des Klopfintegrators den ersten Grenzwert erreicht oder unterschreitet, das Drehmoment vorzugsweise um ein Inkrement reduziert wird.
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Hierzu, also zur Reduzierung des Soll-Drehmoments, wird die Propellersteigung reduziert, die Soll-Drehzahl der Brennkraftmaschine 11 wird erhöht und das Schiffsantriebssystem 10 wird eine definierte erste Zeitspanne mit diesen geänderten Betriebsparametern zur Bereitstellung der Leistungsanforderung betrieben. Nach Ablauf der ersten Zeitspanne wird erneut überprüft, ob der Klopfabstand zur Klopfgrenze den ersten Grenzwert erreicht oder unterschreitet.
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Wird festgestellt, dass der Klopfabstand zur Klopfgrenze den ersten Grenzwert nicht erneut erreicht oder unterschreitet, so bleibt das Drehmoment unverändert, ebenso wie die Propellersteigung sowie die Soll-Drehzahl der Brennkraftmaschine 11.
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Wird hingegen nach Ablauf der ersten Zeitspanne festgestellt, dass der Klopfabstand zur Klopfgrenze den ersten Grenzwert erneut erreicht oder unterschreitet, so wird das Drehmoment für die Brennkraftmaschine 11 erneut reduziert, vorzugsweise um ein weiteres Inkrement, wozu die Propellersteigung erneut reduziert wird, die Soll-Drehzahl der Brennkraftmaschine erneut erhöht wird, und das Schiffsantriebssystem 10 erneut für die definierte Zeitspanne bei den abermals geänderten Betriebsparametern betrieben wird.
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Dann wird wiederum nach Ablauf der ersten Zeitspanne überprüft, ob der Klopfabstand zur Klopfgrenze den ersten Grenzwert erneut erreicht oder unterschreitet, wobei diese Überprüfung und Anpassung solange wiederholt wird, bis ein zulässiger Grenzwert für die Reduzierung des Drehmoments erreicht wird.
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Diesbezügliche Details sind in 3, 4 visualisiert, wobei in 3, 4 über der Drehzahl n eine Propellerkurve 28 mit einer definierten Propellersteigung gezeigt ist. Ferner ist in 3, 4 eine konstante Leistungsanforderung 29 an das Schiffsantriebssystem gezeigt. Zur Bereitstellung dieser konstanten Leistungsanforderung 29 unter Verwendung der Propellerkurve 28 wird die Brennkraftmaschine 11 im Betriebspunkt 30 betrieben, der durch eine definierte Drehzahl n gekennzeichnet ist. Ferner visualisiert 3, 4 einen Drehmomentverlauf 31, der unter Verwendung der Propellerkurve 28 abhängig von der Drehzahl n bereitgestellt werden kann.
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Dann, wenn im Betriebspunkt 30 festgestellt wird, dass der Klopfabstand zur Klopfgrenze trotz Ausschöpfen der brennkraftmaschinenseitigen Maßnahmen den ersten Grenzwert erreicht oder unterschreitet, so wird, wie oben ausgeführt, das Drehmoment für die Brennkraftmaschine 11 vorzugsweise um ein Inkrement reduziert, wozu dann die Propellersteigung im Sinne des Pfeils 32 um ein entsprechendes Inkrement reduziert wird, wodurch dann die Propellerkurve 28 auf die Propellerkurve 28' verschoben wird. Unter Erhöhung der Soll-Drehzahl an der Brennkraftmaschine 11 im Sinne des Pfeils 33 kann dann bei reduziertem Drehmoment und reduzierter Propellersteigung im Betriebspunkt 32' wiederum die konstante Leistungsanforderung 29 bereitgestellt werden.
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Nach Ablauf der ersten Zeitspanne wird dann wiederum der Klopfabstand zur Klopfgrenze überprüft. Dann, wenn festgestellt wird, dass auch im Betriebspunkt 32' nach Ablauf der definierten ersten Zeitspanne der Klopfabstand zur Klopfgrenze zu gering ist und erneut den ersten Grenzwert erreicht oder unterschreitet, wird das Drehmoment erneut vorzugsweise um ein weiteres Inkrement reduziert, wozu dann im Sinne des Pfeils 32' die Propellersteigung erneut reduziert wird, wodurch dann die Propellerkurve 28' auf die Propellerkurve 28'' verschoben wird.
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Um unter Verwendung der Propellerkurve 28'' mit abermals reduzierter Propellersteigung die Leistungsanforderung 29 bereitzustellen, wird im Sinne des Pfeils 33' die Soll-Drehzahl für die Brennkraftmaschine erneut erhöht und dann unter Nutzung der Propellerkurve 28'' das Schiffsantriebssystem im Betriebspunkt 30'' betrieben. Im Betriebspunkt 30'' kann der Drehmomentverlauf 31'' bereitgestellt werden.
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Mit Überführung des Schiffsantriebssystems in den Betriebspunkt 30'' wird dann erneut für die definierte erste Zeitspanne überprüft, wie sich der Klopfabstand zur Klopfgrenze verhält, ob also der Klopfabstand zur Klopfgrenze den ersten Grenzwert erneut erreicht oder unterschreitet. Sollte auch im Betriebspunkt 30'' festgestellt werden, dass der Klopfabstand zur Klopfgrenze den Grenzwert erneut erreicht oder unterschreitet, so kann das Drehmoment nochmals über die Propellersteigung im Sinne des Pfeils 33'' unter Verschiebung der Propellerkurve 28'' auf die Propellerkurve 28''' erneut reduziert werden, um dann unter abermaliger Erhöhung der Soll-Drehzahl im Sinne des Pfeils 33'' das Schiffsantriebssystem im Betriebspunkt 30''' unter Bereitstellung der Leistungsanforderung 29 zu betreiben.
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Dann, wenn festgestellt wird, dass der Klopfabstand zur Klopfgrenze einen zweiten Grenzwert erreicht oder überschreitet, dass also in einem Betriebspunkt der Abstand zur Klopfgrenze größer wird, so wird das zuvor reduzierte Soll-Drehmoment erhöht. Hierzu wird dann die Propellersteigung vergrößert und die Soll-Drehzahl der Brennkraftmaschine 11 reduziert und dann das Schiffsantriebssystem mit den geänderten Betriebsparametern im entsprechend angepassten Betriebspunkt eine definierte zweite Zeitspanne zur Bereitstellung der Leistungsanforderung betrieben. Nach Ablauf der zweiten Zeitspanne wird überprüft, ob der Klopfabstand zur Klopfgrenze einen entsprechenden zweiten Grenzwert erneut erreicht oder überschreitet.
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Wird festgestellt, dass dies nicht der Fall ist, so bleiben das Soll-Drehmoment und damit der Betriebspunkt unverändert. Wird hingegen festgestellt, dass der Klopfabstand zur Klopfgrenze den zweiten Grenzwert nach Ablauf der zweiten Zeitspanne erneut erreicht oder überschreitet, so wird das Drehmoment erneut erhöht, hierzu die Propellersteigung erneut vergrößert und die Soll-Drehzahl der Brennkraftmaschine 11 erneut reduziert. Nachfolgend wird das Schiffsantriebssystem 10 erneut die definierte zweite Zeitspanne mit den erneut geänderten Betriebsparametern betrieben. Nach Ablauf der zweiten Zeitspanne wird erneut überprüft, wie sich der Klopfabstand zur Klopfgrenze ausbildet, ob derselbe also wiederum den zweiten Grenzwert erneut erreicht oder unterschreitet, wobei diese Überprüfung und Anpassung solange wiederholt wird, bis die zuvor vorgenommene Reduzierung des Drehmoments vollständig rückgängig gemacht werden konnte.
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In 5 sind über der Zeit t Kurvenverläufe gezeigt, welche die oben beschriebene Erhöhung bzw. Reduzierung des Drehmoments für die Brennkraftmaschine 11 abhängig vom Klopfabstand zur Klopfgrenze weiter visualisieren. So visualisiert der Kurvenverlauf 34 den Wert eines Klopfintegrators über der Zeit t, wobei der Wert des Klopfintegrators umso größer ist, je kleiner der Klopfabstand zur Klopfgrenze ist. Die Kurve 35 visualisiert den ersten Grenzwert für den Klopfabstand zur Klopfgrenze, die Kurve 36 36 den zweiten Grenzwert für den Klopfabstand zur Klopfgrenze. Ein Kurvenverlauf 37 visualisiert einen Lastreduzierwert zur Reduktion des Drehmoments. Je höher der Lastreduzierwert 37 ist, desto höher ist die angeforderte Reduzierung des Drehmoments.
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Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 ist der Wert 34 des Klopfintegrators jeweils größer als der erste Grenzwert 35, sodass demnach der Klopfabstand zur Klopfgrenze den jeweiligen ersten Grenzwert jeweils unterschreitet. Demnach wird zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 der über den Kurvenverlauf 37 visualisierter Lastreduzierwert zur Reduktion des Soll-Drehmoments jeweils erhöht, und zwar nach Ablauf der ersten Zeitspanne Δt1 dreimal um jeweils ein Inkrement, um das Drehmoment um jeweils ein Inkrement zu reduzieren.
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Gemäß dem Kurvenverlauf 37 erfolgt die Erhöhung des Lastreduzierwerts zur Reduktion des Drehmoments um das jeweilige Inkrement jeweils sprungartig bzw. stufenartig, um das Drehmoment um jeweils sprungartig bzw. stufenartig ein Inkrement zu reduzieren.
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Zum Zeitpunkt t2 ist der Wert 34 des Klopfintegrators nicht mehr größer als der erste Grenzwert 35, der Lastreduzierwert 37 bleibt dann unverändert. Zum Zeitpunkt t3 wird der Wert des Klopfintegrators 34 geringer als der zweite Grenzwert 36, sodass demnach der Abstand zur Klopfgrenze größer wird als der zweite Grenzwert. Dies wird für die definierte zweite Zeitspanne Δt2 überwacht, wobei dann mit Ablauf der Zeitspanne Δt2 beginnend zum Zeitpunkt t4 der Lastreduzierwert 37 verringert wird.
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In 5 wird zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 der Lastreduzierwert 37 rampenartig bzw. linear verringert. Dabei entspricht im Ausführungsbeispiel die Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 der zweiten Zeitspanne Δt2. Die Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 kann jedoch auch von der zweiten Zeitspanne Δt2 abweichen. Gemäß dem Kurvenverlauf 37 erfolgt die Verringerung des Lastreduzierwerts zur Erhöhung des Drehmoments zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 um ein Inkrement rampenartig bzw. linear.
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Während also die Erhöhung des Lastreduzierwerts zur Reduktion des Drehmoments um das jeweilige Inkrement jeweils sprungartig bzw. stufenartig erfolgt, erfolgt die Verringerung des Lastreduzierwerts zur Erhöhung des Drehmoments um das jeweilige Inkrement jeweils rampenartig bzw. linear. Die Höhe bzw. der Betrag der jeweiligen Inkremente für die Erhöhung und Verringerung des Lastreduzierwerts ist gleich.
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Nach entsprechender Reduktion des Lastreduzierwerts bzw. entsprechende Erhöhung des Drehmoments wird dann die Brennkraftmaschine 11 beginnend mit dem Zeitpunkt t5 wiederum für die zweite Zeitspanne Δt2 mit diesen angepassten Betriebsbedingungen betrieben, um dann im Zeitpunkt t6 erneut zu überprüfen, wie sich der Klopfabstand zur Klopfgrenze verhält, ob als oder Klopfabstand zur Klopfgrenze größer oder kleiner als der zweite Grenzwert ist. In 5 wird zum Zeitpunkt t6 festgestellt, dass gemäß dem Kurvenverlauf 34 der Wert des Klopfintegrators kleiner als der zweite Grenzwert 36 ist und demnach der Klopfabstand zur Klopfgrenze größer als der zweite Grenzwert ist, sodass dann zwischen den Zeitpunkt t6 und t7 erneut das Drehmoment erhöht werden kann, und zwar über eine entsprechende rampenartige Reduzierung oder lineare Reduzierung des Lastreduzierwerts 37.
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Aus den obigen Zusammenhängen folgt demnach insbesondere für den Stationärbetrieb bei konstanter Leistungsanforderung an das Schiffsantriebssystem 10, dass dann, wenn brennkraftmaschinenseitige Maßnahmen der Klopfregelung ausgeschöpft sind und der Wert des Klopfintegrators größer als der erste Grenzwert 35 ist und damit der Klopfabstand zur Klopfgrenze kleiner als der erste Grenzwert ist, durch Erhöhung des Lastreduzierwerts 37 das Drehmoment der Brennkraftmaschine 11 reduziert wird, wobei hierfür dann die Propellersteigung reduziert und die Soll-Drehzahl für die Brennkraftmaschine erhöht wird, um dann unter einer entsprechenden Verschiebung des Betriebspunkts die Leistungsanforderung bereitzustellen.
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Die Erhöhung des Lastreduzierwerts 37 abhängig vom Klopfabstand zur Klopfgrenze erfolgt dann, wenn an mindestens einem Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 11 der Klopfabstand zur Klopfgrenze kleiner als der erste Grenzwert ist, und/oder dann, wenn ein Mittelwert des Klopfabstands zur Klopfgrenze aller Zylinder kleiner als der erste Grenzwert ist. Dann, wenn der Klopfabstand zur Klopfgrenze kleiner als der erste Grenzwert, ist der Wert des Klopfintegrators 34 größer als der erste Grenzwert 35.
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Die Überprüfung und Reduktion des Drehmoments erfolgt so lange, wie der Klopfabstand zur Klopfgrenze kleiner als der erste Grenzwert ist und ein Grenzwert für die Reduzierung des Drehmoments noch nicht erreicht ist.
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Wird festgestellt, dass der Klopfabstand zur Klopfgrenze größer wird, also der Wert des Klopfintegrators 34 kleiner als der zweite Grenzwert 36 wird, so wird die Erhöhung des Lastreduzierwerts 37 und damit die Reduktion des Drehmoments für die Brennkraftmaschine rückgängig gemacht, indem die Propellersteigung erhöht und die Soll-Drehzahl für die Brennkraftmaschine wieder reduziert wird. So kann trotz ausgeschöpfter brennkraftmaschinenseitiger Maßnahmen für eine Klopfregelung die Brennkraftmaschine 11 und damit das Schiffsantriebssystem 10 mit ausreichendem Abstand zur Klopfgrenze betrieben werden.
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Die Verringerung des Lastreduzierwerts 37 abhängig vom Klopfabstand zur Klopfgrenze erfolgt dann, wenn an allen Zylindern 12 der Brennkraftmaschine 11 der Klopfabstand zur Klopfgrenze größer als der zweite Grenzwert ist, und/oder dann, wenn der Mittelwert des Klopfabstands zur Klopfgrenze aller Zylinder größer als der zweite Grenzwert ist. Dann, wenn der Klopfabstand zur Klopfgrenze größer als der zweite Grenzwert, ist der Wert des Klopfintegrators 34 kleiner als der zweite Grenzwert 36.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung betrifft einen Transientbetrieb des Schiffsantriebssystems bei einer Erhöhung der Leistungsanforderung an das Schiffsantriebssystem 10. Bei einer Erhöhung einer Leistungsanforderung an das Schiffsantriebssystem 10 wird einerseits eine erhöhte Drehmomentanforderung und andererseits gegebenenfalls eine erhöhte Soll-Drehzahl der Antriebssteuerung 16 ermittelt, wobei die Drehzahlregelung der Motorsteuerung 17 die erhöhte Soll-Drehzahl dadurch bereitstellen kann, dass die Kraftstoff-Einspritzmenge für die Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 11 erhöht wird.
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Dabei wird die Erhöhung der Kraftstoff-Einspritzmenge über einen Begrenzer limitiert, der vom Klopfabstand zur Klopfgrenze abhängig ist. Dieser Begrenzer ist dabei derart vom Klopfabstand zur Klopfgrenze abhängig, dass sowohl die absolute Erhöhung der Kraftstoff-Einspritzmenge für die Erhöhung der Soll-Drehzahl als auch der zeitliche Gradient der Erhöhung der Kraftstoff-Einspritzmenge vom Klopfabstand zur Klopfgrenze abhängig ist. Es erfolgt demnach sowohl eine Sprunglimitierung als auch eine Gradientenlimitierung für den Begrenzer, der bei einer Änderung der Soll-Drehzahl und Drehmomentanforderung für die Brennkraftmaschine bei einer Erhöhung der Leistungsanforderung an das Schiffsantriebssystem 10 die maximale zeitabhängige Erhöhung der Kraftstoff-Einspritzmenge begrenzt. Hiermit kann auch im Transientbetrieb die Brennkraftmaschine mit einem ausreichend großen Abstand zur Klopfgrenze betrieben werden.
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Diesbezügliche Details sind in 6 visualisiert. So sind in 6 mögliche Verläufe von Begrenzern 38, 38a gezeigt, die der Limitierung einer maximalen Erhöhung der Kraftstoff-Einspritzmenge bei einer infolge einer erhöhten Leistungsanforderung zu erhöhenden Soll-Drehzahl dienen.
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In 6 visualisiert der Kurvenverlauf 39 der 2 eine Stellgröße der Drehzahlregelung, also die von der Drehzahlregelung angeforderte Kraftstoffmenge für die Brennkraftmaschine 11 zur Erhöhung der Soll-Drehzahl. Vor dem Zeitpunkt t8 liegt eine konstante Leistungsanforderung an das Schiffsantriebssystem 10 vor.Zum Zeitpunkt t8 liegt eine Änderung, nämlich Erhöhung, der Leistungsanforderung an das Schiffantriebssystem 10 und damit an die Brennkraftmaschine 11 vor. Infolge dessen ändert sich insbesondere auch die Soll-Drehzahl für die Brennkraftmaschine 11, was auch in einer Erhöhung der Stellgröße 39, nämlich der angeforderten bzw. bereitzustellenden Kraftstoffmenge für die Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 11 führt. Gemäß 6 ändert sich die Leistungsanforderung zwischen den Zeitpunkten t8 und t9, im Anschluss an den Zeitpunkt t9 liegt demnach wieder eine konstante, erhöhte Leistungsanforderung vor.
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Vor dem Zeitpunkt t8, zwischen den Zeitpunkten t8 und t9 und nach dem Zeitpunkt t9 ist die Stellgröße 39, nämlich die bereitzustellende Kraftstoffmenge für die Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 11, kleiner als beide Begrenzer 38, 38a, sodass demnach hier die Begrenzer 38, 38a die den Zylindern 12 der Brennkraftmaschine 11 bereitzustellende Kraftstoffmenge nicht aktiv limitieren.
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Während des Betriebs der Brennkraftmaschine 11 wird die Klopfneigung derselben permanent erfasst und ausgewertet, um stets aktuell den Klopfabstand zur Klopfgrenze zu ermitteln, insbesondere durch Auswertung des Werts des sogenannten Klopfintegrators. Abhängig vom aktuellen Klopfabstand zur Klopfgrenze kann der Begrenzer 38, 38a angepasst werden, um zum Beispiel sich ändernden Gasqualitäten oder sich ändernden Betriebsbedingungen Rechnung zu tragen, die Einfluss auf die Klopfgrenze haben können. Die Anpassung des Begrenzers 38, 38a abhängig vom Klopfabstand zur Klopfgrenze erfolgt abhängig von einem Mittelwert des Klopfabstands zur Klopfgrenze aller Zylinder.
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6 zeigt, dass der Begrenzer 38 in den Begrenzer 38a geändert wird, wobei abhängig vorzugsweise vom Mittelwert des Klopfabstands aller Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 11 von der Klopfgrenze und demnach abhängig von der aktuellen Klopfneigung sowohl die absolute Höhe des Begrenzers als auch die relative zeitliche Änderung des Begrenzers angepasst wird. Wie bereits ausgeführt, wird der Begrenzer 38, 38a abhängig von der Klopfneigung der Brennkraftmaschine 11 angepasst, also abhängig vom Klopfabstand der Brennkraftmaschine 11 von der Klopfgrenze, vorzugsweise abhängig vom Mittelwert des Klopfabstands aller Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 11 von der Klopfgrenze. Hierbei wird sowohl die absolute Höhe des Begrenzers im Sinne des Pfeils 40 als auch eine relative zeitliche Änderung bzw. der Gradient des Begrenzers im Sinne des Pfeils 41 angepasst wird. Die Anpassung des absoluten Begrenzers kann auch als Sprunglimitierung 40 und die Anpassung der relativen zeitlichen Änderung des Begrenzers als Gradientenlimitierung 41 bezeichnet werden.
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Abhängig vom aktuellen Klopfabstand zur Klopfgrenze kann der Begrenzer 38 angepasst werden, um zum Beispiel sich ändernden Gasqualitäten oder sich ändernden Betriebsbedingungen Rechnung zu tragen, die Einfluss auf die Klopfgrenze haben können. Ist. z.B. der Begrenzer 38 aktuell gültig und erhöht sich in Folge einer schlechteren Gasqualität die Klopfneigung der Brennkraftmaschine 11, so kann der Begrenzer 38 in den Begrenzer 38a geändert werden. Ist. z.B. der Begrenzer 38a aktuell gültig und verringert sich in Folge einer besseren Gasqualität die Klopfneigung der Brennkraftmaschine, so kann der Begrenzer 38a in den Begrenzer 38 geändert werden. Die Pfeile 42 visualisieren einen Abstand der Drehzahlregelung 17, nämlich der Stellgröße 39 bzw. der angeforderten bzw. bereitzustellenden Kraftstoffmenge für die Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 11, vom jeweiligen Begrenzer 38, 38a und damit eine sogenannte Leistungsreserve.
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Es kann vorgesehen sein, den Grenzwert 38, 38a auch abhängig von einer Schwankung der Stellgröße 39 bzw. einer Schwankung der vom Drehzahlregler angeforderten, bereitzustellenden Kraftstoffmenge im Sinne einer Sprunglimitierung 40 ohne Gradientenlimitierung 41 zu ändern. Dabei wird dann mit zunehmenden Schwankungen der Stellgröße 39 der Grenzwert 38, 38a vorzugswise angehoben.
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Das oben beschriebene Verfahren wird bei Verbrennung eines gasförmigen Kraftstoffs in einem Gasmotor oder in dem in einem Gaskraftstoffbetriebsmodus betriebene Dual-Fuel-Motor genutzt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schiffantriebssystem
- 11
- Brennkraftmaschine
- 12
- Zylinder
- 13
- Verstell-Propeller
- 14
- Propellerschaufel
- 15
- Getriebe
- 16
- Antriebssteuerung
- 17
- Motorsteuerung
- 18
- Daten
- 19
- Daten
- 20
- Daten
- 21
- Daten
- 22
- Daten
- 23
- Daten
- 24
- Daten
- 25, 25a, 25b
- Propellerkurve
- 26
- Propellerkurvenverschiebung
- 27
- Propellerkurvenverschiebung
- 28, 28', 28'', 28'''
- Propellerkurve
- 29
- Leistungsanforderung
- 30, 30', 30'', 30'''
- Betriebspunkt
- 31
- Drehmoment
- 32, 32', 32''
- Veränderung Propellersteigung
- 33, 33', 33''
- Veränderung Drehzahl
- 34
- Klopfintegrator
- 35
- Grenzwert
- 36
- Grenzwert
- 37
- Lastreduzierwert
- 38, 38a
- Begrenzer
- 39
- bereitzustellende Ktaftsoffmenge
- 40
- Sprunglimitierung
- 41
- Gradientenlimitierung
- 42
- Abstand
