DE3901137A1 - Verfahren zum regeln eines bootsantriebes mit einem motor und einem verstellpropeller - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Boots­ antriebes mit einem Motor, insbesondere Otto-Motor, und einem Verstellpropeller.

Bei Schiffsantrieben, die mit einem Verstellpropeller ausgerü­ stet sind, können Leistungsaufnahme und Schub des Verstellpro­ pellers durch Verstellung der Steigung verändert werden. Da­ durch kann die jeweils zur Verfügung stehende Leistung des An­ triebsmotors bei allen Belastungsfällen in vollem Umfang ge­ nutzt werden. Bei gleichbleibender Drehrichtung des Antriebs­ motors kann auch der Schub des Verstellpropellers umgekehrt werden, woraus sich Vorteile beim Manövrieren ergeben.

Schiffsantriebe werden in der Regel mit Dieselmotoren und Ver­ stellpropellern ausgerüstet. Dieselmotoren sind immer drehzahl­ geregelt. Die Drehzahl wird unabhängig von der Steigung des Verstellpropellers durch Änderung des Füllungsgrades des Motors geregelt. Die Steigung des Verstellpropellers wird parallel zu der vorgegebenen Soll-Drehzahl durch Vorgabe eines Steigungs- Sollwertes eingestellt. Zusätzlich können Schiffsantriebe mit Dieselmotoren und Verstellpropellern auch eine überlagerte Lastbegrenzungsregelung aufweisen, die die sich jeweils ein­ stellende Motorlast mit einem vorgegebenen Soll- oder Grenz­ wert vergleicht. Wird dieser Grenzwert überschritten, dann re­ duziert sich die Steigung durch Eingriff der Lastregelung selbsttätig.

Bootsantriebe werden überwiegend mit Otto-Motoren ausgerüstet. Die Motorleistung wird durch Vorgabe des Treibstoffstroms (Gas­ hebel) eingestellt. Die Motordrehzahl stellt sich dabei ent­ sprechend dem Gleichgewicht zwischen dem vom Motor abgegebenen und dem vom Propeller aufgenommenen Drehmoment ein. Ist der Bootsantrieb mit einem Verstellpropeller ausgerüstet, richtet sich die Motordrehzahl nach der jeweils eingestellten Propel­ lersteigung. Dabei können bereits kleine Änderungen der Propel­ lersteigung große Änderungen der Motordrehzahl zur Folge ha­ ben. Da sich mit der Motordrehzahl auch die Motorleistung än­ dert, kann insbesondere bei wechselnden Fahrtzuständen eines Bootes, die Motorleistung nicht immer voll ausgeschöpft werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem gattungsgemäßen Boots­ antrieb auf einfache Weise die Motordrehzahl so zu regeln, daß die bei einer bestimmten Motordrehzahl zur Verfügung stehende Leistung insbesondere beim Beschleunigen in vollem Umfang ge­ nutzt werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Motordrehzahl über einen Regelkreis geregelt wird, dessen Stellgröße die Propel­ lersteigung ist. Insbesondere kann dem Regler des Regelkreises eine Soll-Motordrehzahl und eine gemessene Ist-Motordrehzahl aufgegeben werden, aus der der Regler die Stellgröße Propeller­ steigung entwickelt. Damit wird eine z.B. durch eine Taste oder die Stellung eines Gashebels vorgegebene Soll-Motordrehzahl ebenso wie die Motorleistung unabhängig von den wechselnden Fahrtzuständen des Bootes konstant gehalten. Die jeweils zur Verfügung stehende Motorleistung kann in vollem Umfang genutzt werden, wobei der Verstellpropeller jeweils nur das zur Verfü­ gung stehende Drehmoment aufnimmt und den maximal möglichen Schub erzeugt. Beschleunigungsvorgänge des Bootes, auch am Ende einer Kurvenfahrt, werden damit optimiert. Ein weiterer Vorteil dieser Regelung ist, daß bei Einsatz herkömmlicher Z-Antriebe der dort übliche Festpropeller durch einen Verstell­ propeller ersetzt werden kann, ohne daß Veränderungen am Motor vorgenommen werden müssen.

Man kann dem Regelkreis auch eine fest vorgegebene Propeller­ steigung aufschalten oder verschiedene Propellersteigungen, die nach unterschiedlichen Gesichtspunkten (Höchstgeschwindig­ keit, wirtschaftlicher Betrieb oder dergleichen) ausgelegt sind und damit dem Bootsführer die Möglichkeit geben, bei län­ gerer Fahrt ohne wesentliche Änderung des Fahrtzustandes Ver­ hältnisse einzustellen, wie sie sich beim Betrieb mit einem jeweils entsprechenden Festpropeller ergeben würden. Um eine solche vorgegebene Propellersteigung unabhängig von möglichen Toleranzen einer Verstellmechanik oder Leckagen eines hydro­ mechanischen Verstellsystems einhalten zu können, ist es zweck­ mäßig, wenn die jeweilige Ist-Propellersteigung gemessen und die Propellersteigung mit Hilfe eines Stellungsregelkreises eingehalten wird.

Sowohl bei der Auslegung des Regelkreises zwischen Motordreh­ zahl und Propellersteigung als auch bei der Auslegung des Stellungsregelkreises sollte die Stellgeschwindigkeit der Propellersteigung kleiner als 1,5°/s gehalten werden, um Regel­ schwankungen der Motordrehzahl und unerwünschte Bootsbeschleu­ nigungen zu vermeiden bzw. zu begrenzen.

Im Hinblick auf die Gewohnheiten von Bootsführern, die den Betrieb mit Festpropellern gewohnt sind, kann es zweckmäßig sein, den Regelkreis erst bei Überschreiten einer vorgegebenen Motordrehzahl bzw. speziell für bestimmte Vorgänge wie die Bootsbeschleunigung zu aktivieren.

Ein wesentlicher Vorteil des Antriebes mit Verstellpropeller ist die verbesserte Manövrierfähigkeit insbesondere bei lang­ samer Fahrt. Hier ist es zweckmäßig, dem Bootsführer die Mög­ lichkeit zu geben, durch direkte Steuerung der Propellersteigung Fahrtrichtung und Geschwindigkeit des Bootes zu bestimmen. Des­ halb kann der Regelkreis bei Unterschreiten einer vorgegebenen Motorteildrehzahl desaktiviert werden und dann die Propeller­ steigung direkt gesteuert werden. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß das aufgenommene Drehmoment eines Propellers bei einer Teildrehzahl, die etwa 1/3 oder weniger der Nenndrehzahl beträgt, verhältnismäßig wenig von der Steigung abhängt, so daß die Motordrehzahl bei allen praktisch vorkommenden Propeller­ steigungen im wesentlichen konstant bleibt. Um dem Bootsführer die Möglichkeit zu geben, bewußt in Manövrier-Betrieb umzu­ schalten, kann der Regelkreis erst auf ein zusätzliches Si­ gnal hin desaktiviert werden. Das kann z.B. durch Betätigung eines Steigungshebels erfolgen. Die direkte Steuerung der Pro­ pellersteigung über den Steigungshebel erfolgt dann proportional und mit großer Stellgeschwindigkeit von bis zu 30°/s. Weil auf diese Weise der Manövrier-Betrieb nur unterhalb einer Teil­ drehzahl zugelassen wird, sind Manipulationen des Bootsführers, die zu gefährlichen Kombinationen von Motordrehzahl und Propel­ lersteigung führen können, ausgeschlossen.

Im folgenden wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung erläutert; die einzige Figur zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer Regelung für einen Bootsantrieb mit einem Otto-Motor und einem Verstellpropeller.

Zu der dargestellten Regelung gehören eine Regelstrecke 1, die aus einem Boot mit Otto-Motor und Verstellpropeller einschließ­ lich zugehöriger Servo-Einrichtung besteht, sowie ein Regler 2. Der Regler 2 ist z.B. ein PID-Regler. Dem Regler 2 werden eine durch die Stellung eines zum Motor gehörenden Gashebels vorge­ gebene Soll-Motordrehzahl 3 sowie die Ist-Motordrehzahl 4 auf­ gegeben. Daraus ermittelt der Regler 2 eine Stellgröße, die im vorliegenden Fall die Propellersteigung 5 des Verstellpro­ pellers ist. Bei Änderungen des Fahrtzustandes des Bootes wird die Ist-Motordrehzahl 4 im wesentlichen konstant gehalten, und zwar durch Steigungsverstellung derart, daß der Verstellpropel­ ler die jeweils vom Motor angebotene Leistung aufnimmt und den maximal möglichen Schub erzeugt.

In der Zeichnung erkennt man ferner einen Stellungsregler 6 für die Propellersteigung, dem verschiedene Soll-Propeller­ steigungen 7 aufgegeben werden können und dem als weitere Ein­ gangsgröße die Ist-Propellersteigung 8 zugeführt wird. Die vom Stellungsregler 6 abgegebene Stellgröße ist z.B. eine Ven­ tilstellung der Servoeinrichtung zur Einstellung der Propeller­ steigung. Die beiden Regler sind so ausgelegt, daß die Stell­ geschwindigkeit der Propellersteigung 5 sowohl bei Änderungen des Fahrtzustandes des Bootes als auch beim Übergang von einer Soll-Propellersteigung 7 zu einer anderen kleiner als 1,5°/s gehalten wird.

Die Ist-Motordrehzahl 4 liegt außerdem an einem Komperator 9 an, der feststellt, ob die Ist-Motordrehzahl 4 größer oder kleiner ist als eine vorgegebene Motorteildrehzahl. Diese vorgegebene Motorteildrehzahl beträgt bei der dargestellten Ausführung etwa 1/3 der Motornenndrehzahl. Solange die Ist-Motordrehzahl 4 größer ist als die vorgegebene Motorteildrehzahl, ist der Re­ gelkreis aktiviert. Fällt die Ist-Motordrehzahl 4 unter die vorgegebene Motorteildrehzahl und wird gleichzeitig ein zusätz­ liches Signal gegeben, dann veranlaßt der Komperator 9 die Desaktivierung des Regelkreises z.B. dadurch, daß der Regel­ kreis mit Hilfe eines Schalters 10 aufgetrennt wird. Das zu­ sätzliche Signal kann aus der Betätigung eines nicht darge­ stellten Stellhebels abgeleitet werden, mit dem die Propeller­ steigung direkt gesteuert wird. Ist der Regelkreis desaktiviert, dann kann die Propellersteigung mit einem Stellhebelsignal 11 direkt gesteuert werden, und zwar mit verhältnismäßig großer Stellgeschwindigkeit, die bis zu 30°/s betragen kann. Das Stell­ hebelsignal 11 kann auch dem Stellungsregler 6 aufgegeben werden.

Es sind verschiedene Betriebszustände möglich. Bei wechselnden Fahrtzuständen, z.B. beim Beschleunigen, bei Kurvenfahrt und dergleichen, wird die Motordrehzahl über den Regelkreis 1, 2 im wesentlichen durch entsprechende Regelung der Propeller­ steigung konstant gehalten. Die bei einer vorgegebenen Soll- Motordrehzahl 3 zur Verfügung stehende Motorleistung kann in vollem Umfang genutzt werden. Über den Stellungsregelkreis 1, 6 können vorgegebene Propellersteigungen angewählt werden, die unter Berücksichtigung bestimmter Gesichtspunkte, wie maximale Geschwindigkeit, wirtschaftlicher Motorbetrieb und dergleichen, ausgelegt sind. Für den Manövrierbetrieb kann auf eine Regelung der Motordrehzahl verzichtet werden, weil der Drehmomentbedarf des Propellers bei Drehzahlen kleiner 1/3 der Motornenndrehzahl von der Propellersteigung nur wenig abhängt, so daß bei allen praktisch vorkommenden Propellersteigungen die Motordrehzahl im wesentlichen konstant bleibt. Die Propellersteigung kann daher vom Bootsführer mit dem Stellhebelsignal 11 direkt ein­ gestellt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Regeln eines Bootsantriebes mit einem Motor, insbesondere Otto-Motor, und einem Verstellpropeller, dadurch gekennzeichnet, daß die Motor­ drehzahl (4) über einen Regelkreis (1, 2) geregelt wird, dessen Stellgröße die Propellersteigung (5) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Regler (1) des Regelkreises eine Soll-Motordrehzahl (3) und eine gemessene Ist-Motordrehzahl (4) aufgegeben werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Regelkreis eine vor­ gegebene Propellersteigung (7) aufgeschaltet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Ist- Propellersteigung (8) gemessen und die Propellersteigung (5) mit einem Stellungsregelkreis (1, 6) eingehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgeschwindigkeit der Propellersteigung (5) kleiner als 1,5°/s gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis (1, 2) erst bei Überschreiten einer vorgegebenen Motordrehzahl (3) aktiviert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis (1, 2) bei Unterschreiten einer vorgegebenen Motorteildrehzahl desakti­ viert wird und daß dann die Propellersteigung direkt steuer­ bar ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Regelkreis (1, 2) erst auf ein zusätzliches Signal hin desaktiviert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die direkte Steuerung der Propeller­ steigung proportional und mit großer Stellgeschwindigkeit durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, daß bei direkter Steuerung die Stellgeschwindigkeit der Propellersteigung bis zu 30°/s beträgt.