EP2011732B1 - Verfahren zur Regelung von Schiffsantriebsanlagen mit Oberflächenpropellern - Google Patents

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EP2011732B1
EP2011732B1 EP20080011664 EP08011664A EP2011732B1 EP 2011732 B1 EP2011732 B1 EP 2011732B1 EP 20080011664 EP20080011664 EP 20080011664 EP 08011664 A EP08011664 A EP 08011664A EP 2011732 B1 EP2011732 B1 EP 2011732B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
port
starboard
rotation speed
range
calculated
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP20080011664
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2011732A1 (de
Inventor
Markus Müller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rolls Royce Solutions GmbH
Original Assignee
MTU Friedrichshafen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Friedrichshafen GmbH filed Critical MTU Friedrichshafen GmbH
Publication of EP2011732A1 publication Critical patent/EP2011732A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2011732B1 publication Critical patent/EP2011732B1/de
Ceased legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/21—Control means for engine or transmission, specially adapted for use on marine vessels
    • B63H21/213—Levers or the like for controlling the engine or the transmission, e.g. single hand control levers

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling at least one port ship propulsion system with surface propeller and at least one starboard ship propulsion system with surface propeller, in which for the respective ship propulsion system a power request is interpreted as a target speed and from the target speed and an actual speed a speed Control deviation is calculated, based on which a Einspitzmenge for speed control of the internal combustion engine is determined via a speed controller. Furthermore, the method consists in that a control signal for setting a trim position of the surface propeller is determined via a system controller at least as a function of the setpoint speed and an actual trim position and the control signal is corrected via a precontrol value.
  • trim position In fast ships surface propellers are often used. This can be changed in the submerged depth as well as to port or starboard to control the ship.
  • the immersion depth of the surface propeller is referred to as the trim position.
  • a trim position of + 100% corresponds to a maximum replacement position and a trim position of -100% of a maximum immersion depth of the propeller.
  • a skipper sets the subjectively best trim position via an actuator. However, this leads to an additional load of the ship's master in addition to his nautical duties. In dynamic processes, he often lacks the evaluation criteria for the best trim position.
  • Another burden arises for the skipper in symmetrically arranged ship propulsion systems with at least one port ship propulsion system and at least one starboard propulsion system. For example, on a turn to port, the port surface propeller plunges deeper while the starboard surface propeller dives less. Also in this case, the skipper must adjust the trim position manually to an unnecessary Load of internal combustion engines and to avoid increased fuel consumption.
  • a method for automatically adjusting a surface propeller depending on the current operating state of the ship is known.
  • the current operating state in turn is derived from the ship's speed, a steering angle, the position of a throttle lever and parameters of the internal combustion engine.
  • the submergence depth of the port surface propeller and starboard surface propeller are set differently.
  • the power and / or the rotational speed of the internal combustion engine can be regulated differently.
  • a method for controlling a marine propulsion system with surface propeller in which a desired performance is interpreted as a target speed and from the target speed and an actual speed of the internal combustion engine, a speed control deviation is calculated. Depending on the speed control deviation then determines a speed controller a target Einspitzmenge for acting on the controlled system. Also, depending on the speed control deviation, an effective speed is calculated, based on which determines a system controller in conjunction with a power reserve of the internal combustion engine and an actual trim position of the surface propeller a control signal for setting the trim position.
  • the system controller receives from a transmission control a signal which characterizes the number of coupled drive shafts and the thrust direction of the transmission.
  • a transmission control a signal which characterizes the number of coupled drive shafts and the thrust direction of the transmission.
  • the invention is therefore based on the object to improve in symmetrically arranged ship propulsion systems, the method in relation to cornering.
  • the improvement consists in correcting the control signal specified by the system controller for setting a trim position of the surface propeller via a pre-control value.
  • a port-related pilot value for the port ship propulsion system and a starboard related pre-tax value for the starboard ship propulsion system is calculated.
  • the pre-control values are determined depending on the steering angle of a steering wheel in each case via an associated characteristic curve. The characteristics are such that, for example, when cornering to port, the trim position of the port surface propeller is changed toward evacuation, while the trim position of the starboard surface propeller remains unchanged. Further interventions, for example in the speed control loop, as proposed in the prior art, are not provided.
  • the correction of the actuating signal is deactivated as soon as an actual rotational speed falls below a limiting value.
  • the invention allows the representation of a ship propulsion plant in the so-called fly-by-wire operation, which is characterized compared to a hydraulic system by a reduced number of components, lower system weight and ultimately lower costs. Overall, due to the better adaptation results in fuel savings.
  • the FIG. 1 shows a system diagram symmetrically arranged ship propulsion systems, which includes at least one port ship propulsion system 1 with surface propeller 2 and at least one starboard ship propulsion system 3 with surface propeller 4.
  • a skipper defines a desired performance for the port ship propulsion system 1.
  • This desired performance is interpreted as the first setpoint speed n SL1, which represents the reference variable for a speed control loop for the speed control of the internal combustion engine of the port ship propulsion system 1.
  • the desired performance is interpreted as the second target speed nSL2 and is the reference variable for a speed control circuit for speed control of the engine of the starboard ship propulsion system 3.
  • About a steering wheel 12 provides the skipper the direction of travel and a steering angle L.
  • the steering angle L is the input value of a port-related characteristic curve 8, via which a port-related precontrol value VSBB is determined, and is the input variable of a starboard-related characteristic curve 9, via which a starboard-related precontrol value VSSB is calculated.
  • the port-related precontrol value VSBB calculated via the port-related characteristic 8 is one of the input variables for the port drive system 1.
  • the starboard-related precontrol value VSSB calculated via the starboard-related characteristic curve 9 is one of the input variables for starboard drive system 3.
  • the port-related curve 8 shows as an abscissa the range of maximum steering angle port LBB (MAX) to the maximum steering angle starboard LSB (MAX).
  • the value M on the abscissa corresponds to the center position of the steering wheel 12, a steering angle L of 0 ° accordingly.
  • the ordinate of the port-related characteristic curve 8 plots the output variable, that is to say the port-related precontrol value VSBB.
  • the port-related characteristic curve 8 is divided into a first area 10 and a second area 11.
  • the actual characteristic curve is composed of a straight line section with a positive gradient in the first region 10 and an abscissa-parallel straight line section in the second area 11 together.
  • the straight line section in the first area 10 is defined by the value pair (LBB (MAX) / 0.8) and the value pair (M / 1).
  • the straight line section in the second area 11 has the fixed value 1.
  • the abscissa and the ordinate are identical to the port-related characteristic curve 8.
  • the actual characteristic curve is composed of an abscissa-parallel straight line section in the first region 10 and a straight line section with negative slope in the second region 11.
  • the straight line section in the first area 10 has the fixed value 1.
  • the straight line section in the second area 11 is defined by the value pair (M / 1) and the value pair (LSB (MAX) / 0.8).
  • FIG. 1 is in the port-related curve 8 as a dashed line an alternative embodiment in the second region 11 located.
  • the straight line section has a positive slope.
  • an alternative embodiment is also shown in the first region 10 as a dashed line.
  • the straight line section has a negative slope. The effect of this alternative embodiment on functionality will be discussed in connection with FIG FIG. 2 described.
  • the port ship propulsion system 1 and the starboard ship propulsion system 3 are shown as a block diagram.
  • the input variables of the port ship propulsion system 1 are the first setpoint speed nSL1 and the port-related precontrol value VSBB.
  • the output of the port ship propulsion system 1 is the trim position of the surface propeller 2.
  • a trim position of + 100% corresponds to a maximum replacement position and a trim position of -100% of a maximum immersion depth of the surface propeller 2.
  • the inputs of the starboard ship propulsion system 3 are the second target Speed nSL2 and the starboard related pilot value VSSB.
  • the output of the starboard marine propulsion system 3 is the trim position of the surface propeller 4.
  • the internal structure and functionality of the two marine propulsion systems are identical.
  • the port ship propulsion system 1 comprises as mechanical components an internal combustion engine 5 with common rail system 15 for fuel injection, a transmission 17, an actuator 19 for adjusting the trim position and the surface propeller 2.
  • the port ship propulsion system 1 comprises an electronic engine control unit (ADEC) 16, an electronic transmission control unit (GS) 18 and a system controller 6.
  • the internal combustion engine 5 drives via a shaft 20, the transmission 17 at.
  • the transmission 17 usually includes an input and an output shaft and means for reversing the direction of rotation for the forward or reverse drive.
  • the activation and the switching state of the transmission 17 are predetermined by the electronic transmission control unit 18.
  • the gear 17 drives the surface propeller 2.
  • the operation of the internal combustion engine 5 is determined by the electronic engine control unit (ADEC) 16.
  • ADEC electronic engine control unit
  • EEPROM electrically erasable programmable read-only memory
  • RAM memory devices
  • I / O devices I / O devices
  • EEPROM electrically erasable programmable programmable read-only memory
  • RAM memory devices relevant for the operation of the internal combustion engine 5 operating data in maps / curves are applied.
  • the electronic engine control unit 16 calculates the electronic engine control unit 16 from the input variables, the output variables.
  • As input variables are in the FIG. 2 the first target speed nSL1, which can be predetermined by a drive lever 13, an actual speed nIST, which is detected, for example, on the shaft 20, and a signal ON.
  • the signal ON is representative of the other input signals, for example a rail pressure of the common rail system 15 with
  • FIG. 2 are shown as outputs of the electronic engine control unit 16, a target injection quantity qV, an effective speed nEFF, a signal power reserve PRES and a signal OFF.
  • the power reserve PRES corresponds to the engine power which results from the difference of the power at the current operating point to the maximum possible power for this operating point.
  • the signal OFF is representative of the other control signals for controlling and regulating the internal combustion engine 5, for example, a drive signal for the intake throttle of the common rail system 15 and a control signal for activating a second exhaust gas turbocharger in a register charging.
  • the input signals of the system controller 6 are the effective speed nEFF, the power reserve PRES, a thrust direction SRI and the actual trim position POS (IST) of the Surface propeller 2.
  • the output signal of the system controller 6 is the control signal STS1 for controlling the actuator 19, via which then the trim position is set.
  • the system controller 6 outputs the control signal STS1 either as an absolute angle value in degrees, or as a percentage of the immersion depth, for example + 20%, or as an adjustment rate in degrees / second or percent / second.
  • the following functions are integrated in the system controller 6: maps for the trim input as a function of the effective speed nEFF and the thrust direction SRI, a load control as a function of the trim specification and power reserve PRES and the actual trim position POS (IST) and a trim control (actuating signal STS1).
  • maps for the trim input as a function of the effective speed nEFF and the thrust direction SRI maps for the trim input as a function of the effective speed nEFF and the thrust direction SRI
  • a load control as a function of the trim specification and power reserve PRES and the actual trim position POS (IST)
  • a trim control actuating signal STS1
  • the steering wheel When driving straight ahead, the steering wheel is in the center position M.
  • the port-related pilot control value VSBB is calculated via the port-related characteristic curve 8 to one, ie the manipulated variable STS1 of the port ship propulsion system 1 is not corrected.
  • the starboard related pilot value VSSB also becomes unity via the starboard related characteristic 9 calculated, so that the manipulated variable STS2 the starboard ship propulsion system 3 is not corrected. In other words, when driving straight ahead, there is no correction of the manipulated variables STS1 and STS2.
  • a port-related precontrol value VSBB is calculated as 0.9 using the steering angle L via the port-related characteristic curve 8 (first region 10), for example.
  • the signal SKORR is therefore calculated from the current value of the control signal STS1 times the value VSBB, here 0.9.
  • the trim position of the surface propeller 2 in the direction of + 100%, ie in the direction of Ausforce changed.
  • a value of one is calculated as a function of the steering angle L, so that the trim position of the starboard surface propeller 4 remains unchanged.
  • this causes the trim position of the starboard surface propeller 4 to be -100%, that is to say in direction, due to the starboard related precontrol value VSSB (VSSB> 1) when cornering to port Immersion, is changed.
  • VSSB starboard related precontrol value
  • the trim position of the port surface propeller 2 is changed in the direction -100%, ie in the direction of immersion, due to the port-related precontrol value VSBB (VSBB> 1).
  • the function is deactivated when the actual speed nlST the port ship propulsion system 1 or the actual speed of the starboard ship propulsion system 3 falls below a predetermined limit.
  • a symmetrical arrangement of a port ship propulsion system and a starboard ship propulsion system has been described.
  • a symmetrical arrangement is also present if in the center of the fuselage a drive system with fixed or variable pitch propeller is arranged and at least one Ship propulsion system with surface propeller on the port side and at least one ship propulsion system with surface propeller on the starboard side are arranged. In this embodiment, the bottom-center drive system is then not activated.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung mindestens einer Backbord-Schiffsantriebsanlage mit Oberflächenpropeller sowie mindestens einer Steuerbord-Schiffsantriebsanlage mit Oberflächenpropeller, bei dem für die jeweilige Schiffsantriebsanlage ein Leistungswunsch als Soll-Drehzahl interpretiert wird und aus der Soll-Drehzahl sowie einer Ist-Drehzahl eine Drehzahl-Regelabweichung berechnet wird, anhand derer über einen Drehzahlregler eine Einspitzmenge zur Drehzahl-Regelung der Brennkraftmaschine festgelegt wird. Ferner besteht das Verfahren darin, dass ein Stellsignal zur Einstellung einer Trimmposition des Oberflächenpropellers über einen Anlagenregler zumindest in Abhängigkeit der Soll-Drehzahl sowie einer Ist-Trimmposition bestimmt wird und das Stellsignal über einen Vorsteuerwert korrigiert wird.
  • Bei schnellen Schiffen werden häufig Oberflächenpropeller verwendet. Dieser kann sowohl in der Eintauchtiefe als auch nach Backbord oder Steuerbord zur Steuerung des Schiffs verändert werden. Im weiteren Text wird die Eintauchtiefe des Oberflächenpropellers als Trimmposition bezeichnet. Hierbei entspricht eine Trimmposition von +100% einer maximalen Austauchposition und eine Trimmposition von -100% einer maximalen Eintauchtiefe des Propellers. In der Praxis stellt ein Schiffsführer über ein Betätigungselement die subjektiv beste Trimmposition ein. Dies führt jedoch zu einer zusätzlichen Belastung des Schiffsführers neben seinen nautischen Aufgaben. Bei dynamischen Vorgängen fehlen ihm oft die Beurteilungskriterien für die beste Trimmposition. Eine weitere Belastung ergibt sich für den Schiffsführer bei symmetrisch angeordneten Schiffsantriebsanlagen mit mindestens einer Backbord-Schiffsantriebsanlage und mindestens einer Steuerbordantriebsanlage. So taucht beispielsweise bei einer Kurve nach Backbord der Backbord-Oberflächenpropeller tiefer ein, während der Steuerbord-Oberflächenpropeller weniger eintaucht. Auch in diesem Fall muss der Schiffsführer die Trimmposition manuell nachregeln um eine unnötige Belastung der Brennkraftmaschinen und einen erhöhten Kraftstoffverbrauch zu vermeiden.
  • Aus der WO 2004/020281 A1 ist ein Verfahren zum automatischen Einstellen eines Oberflächenpropellers in Abhängigkeit des aktuellen Betriebszustands des Schiffs bekannt. Der aktuelle Betriebszustand wiederum wird aus der Schiffsgeschwindigkeit, einem Lenkwinkel, der Stellung eines Gashebels und Kenngrößen der Brennkraftmaschine abgeleitet. Bei Kurvenfahrt werden die Eintauchtiefe des Backbord-Oberflächenpropellers und Steuerbord-Oberflächenpropellers unterschiedlich eingestellt. Ergänzend kann auch die Leistung und/oder die Drehzahl der Brennkraftmaschinen unterschiedlich geregelt werden.
  • Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen DE 10 2006 045 685.8 ist ein Verfahren zur Regelung einer Schiffsantriebsanlage mit Oberflächenpropeller bekannt, bei dem ein Leistungswunsch als Soll-Drehzahl interpretiert wird und aus der Soll-Drehzahl und einer Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine eine Drehzahl-Regelabweichung berechnet wird. In Abhängigkeit der Drehzahl-Regelabweichung bestimmt dann ein Drehzahlregler eine Soll-Einspitzmenge zur Beaufschlagung der Regelstrecke. Ebenfalls in Abhängigkeit der Drehzahl-Regelabweichung wird eine effektive Drehzahl berechnet, anhand derer ein Anlagenregler in Verbindung mit einer Leistungsreserve der Brennkraftmaschine und einer Ist-Trimmposition des Oberflächenpropellers ein Stellsignal zur Einstellung der Trimmposition festlegt. Als weitere Eingangsgröße erhält der Anlagenregler von einer Getriebesteuerung ein Signal, welches die Anzahl der gekuppelten Antriebswellen und die Schubrichtung des Getriebes charakterisiert. In der Praxis hat es sich jedoch gezeigt, dass das Verfahren bei einem Schiff mit symmetrisch angeordneten Antriebsanlagen mit mindestens einer Backbord- und mindestens einer Steuerbord-Antriebsanlage bei Kurvenfahrt noch nicht optimal ist.
  • Ausgehend vom zuletzt genannten Stand der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, bei symmetrisch angeordneten Schiffsantriebsanlagen das Verfahren in Bezug auf Kurvenfahrt zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
  • Die Verbesserung besteht darin, dass das vom Anlagenregler festgelegte Stellsignal zur Einstellung einer Trimmposition des Oberflächenpropellers über einen Vorsteuerwert korrigiert wird. Hierbei wird ein backbordbezogener Vorsteuerwert für die Backbord-Schiffsantriebsanlage und ein steuerbordbezogener Vorsteuerwert für die Steuerbord-Schiffsantriebsanlage berechnet. Bestimmt werden die Vorsteuerwerte in Abhängigkeit des Lenkwinkels eines Steuerrads jeweils über eine zugeordnete Kennlinie. Die Kennlinien sind in der Art ausgeführt, dass beispielsweise bei einer Kurvenfahrt nach Backbord die Trimmposition des Backbord-Oberflächenpropellers in Richtung Austauchen verändert wird, während die Trimmposition des Steuerbord-Oberflächenpropellers unverändert bleibt. Weitere Eingriffe, zum Beispiel in den Drehzahl-Regelkreis, wie dies im Stand der Technik vorgeschlagen wird, sind nicht vorgesehen.
  • Um die Manövrierbarkeit des Schiffs im Hafen nicht zu beeinträchtigen, ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass die Korrektur des Stellsignals deaktiviert wird, sobald eine Ist-Drehzahl unter einen Grenzwert fällt.
  • Neben dem bekannten systembedingten Vorteil einer Vorsteuerung, hier: schnelle Reaktion auf eine sich veränderte Eingangsgröße, besteht ein Vorteil der Erfindung in der Prävention. Beispielsweise bei einer Kurvenfahrt nach Backbord taucht der Backbord-Oberflächenpropeller tiefer ein, worauf der Anlagenregler auf Grund der vom elektronischen Motorsteuergerät angezeigten Leistungsreserve-Abnahme die Trimmposition des Backbord-Oberflächenpropellers in Richtung Austauchen verringert. Hier greift das erfindungsgemäße Verfahren präventiv über die Vorsteuerung und die Korrektur des Stellsignals ein. Mit anderen Worten: bei Kurvenfahrt wird die Trimmposition nicht über die Interaktion elektronisches Motorsteuergerät und Anlagenregler bestimmt sondern unmittelbar über den Steuerrad-Lenkwinkel.
  • Von Vorteil ist ebenfalls die Möglichkeit engere Kurvenradien zu durchfahren. Zudem gestattet die Erfindung die Darstellung einer Schiffsantriebsanlage im so genannten Fly-by-wire-Betrieb, der gegenüber einem hydraulischen System durch eine reduzierte Bauteileanzahl, geringeres Systemgewicht und letzten Endes auch geringere Kosten charakterisiert ist. Insgesamt ergibt sich auf Grund der besseren Anpassung eine Kraftstoff-Ersparnis.
  • In den Zeichnungen ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein Systemschaubild symmetrisch angeordneter Schiffsantriebsanlagen und
    Fig. 2
    die Schiffsantriebsanlage als Blockschaltbild.
  • Die Figur 1 zeigt ein Systemschaubild symmetrisch angeordneter Schiffsantriebsanlagen, welche zumindest eine Backbord-Schiffsantriebsanlage 1 mit Oberflächenpropeller 2 und zumindest eine Steuerbord-Schiffsantriebsanlage 3 mit Oberflächenpropeller 4 umfasst. Über einen Fahrhebel 13 definiert ein Schiffsführer einen Leistungswunsch für die Backbord-Schiffsantriebsanlage 1. Dieser Leistungswunsch wird als erste Soll-Drehzahl nSL1 interpretiert, welche die Führungsgröße für einen Drehzahl-Regelkreis zur Drehzahlregelung der Brennkraftmaschine der Backbord-Schiffsantriebsanlage 1 darstellt. Den Leistungswunsch für die Steuerbord-Schiffsantriebsanlage 3 definiert der Schiffsführer über einen Fahrhebel 14. Der Leistungswunsch wird als zweite Soll-Drehzahl nSL2 interpretiert und ist die Führungsgröße für einen Drehzahl-Regelkreis zur Drehzahlregelung der Brennkraftmaschine der Steuerbord-Schiffsantriebsanlage 3. Über ein Steuerrad 12 stellt der Schiffsführer die Fahrtrichtung und einen Lenkwinkel L ein. Der Lenkwinkel L ist die Eingangsgröße einer backbordbezogenen Kennlinie 8, über welche ein backbordbezogener Vorsteuerwert VSBB bestimmt wird, und ist die Eingangsgröße einer steuerbordbezogenen Kennlinie 9, über welche ein steuerbordbezogener Vorsteuerwert VSSB berechnet wird. Der über die backbordbezogene Kennlinie 8 berechnete backbordbezogenen Vorsteuerwert VSBB ist eine der Eingangsgrößen für die Backbord-Antriebsanlage 1. Der über die steuerbordbezogene Kennlinie 9 berechnete steuerbordbezogene Vorsteuerwert VSSB ist eine der Eingangsgrößen für Steuerbord-Antriebsanlage 3.
  • Die backbordbezogene Kennlinie 8 zeigt als Abszisse den Bereich von maximalem Lenkwinkel Backbord LBB(MAX) bis zum maximalen Lenkwinkel Steuerbord LSB(MAX). Der Wert M auf der Abszisse entspricht der Mittenstellung des Steuerrads 12, einem Lenkwinkel L von 0° entsprechend. Auf der Ordinate der backbordbezogenen Kennlinie 8 ist die Ausgangsgröße, also der backbordbezogene Vorsteuerwert VSBB, aufgetragen. Die backbordbezogene Kennlinie 8 ist in einen ersten Bereich 10 und einen zweiten Bereich 11 aufgeteilt. Die eigentliche Kennlinie setzt sich aus einem Geradenabschnitt mit positiver Steigung im ersten Bereich 10 und einem abszissenparallelen Geradenabschnitt im zweiten Bereich 11 zusammen. Der Geradenabschnitt im ersten Bereich 10 ist durch das Wertepaar (LBB(MAX) / 0.8) und das Wertepaar (M /1) definiert. Der Geradenabschitt im zweiten Bereich 11 hat den Festwert 1.
  • Bei der steuerbordbezogenen Kennlinie 9 sind die Abszisse und die Ordinate identisch zur backbordbezogenen Kennlinie 8. Die eigentliche Kennlinie setzt aus einem abszissenparallelen Geradenabschnitt im ersten Bereich 10 und einem Geradenabschnitt mit negativer Steigung im zweiten Bereich 11 zusammen. Der Geradenabschnitt im ersten Bereich 10 besitzt den Festwert 1. Der Geradenabschnitt im zweiten Bereich 11 wird durch das Wertepaar (M / 1) und das Wertepaar (LSB(MAX) / 0.8) definiert.
  • In der Figur 1 ist in der backbordbezogenen Kennlinie 8 als gestrichelte Linie eine alternative Ausführungsform im zweiten Bereich 11 eingezeichnet. Bei dieser Ausführungsform hat im zweiten Bereich 11 der Geradenabschnitt eine positive Steigung. In der steuerbordbezogenen Kennlinie 9 ist im ersten Bereich 10 ebenfalls als gestrichelte Linie eine alternative Ausführungsform eingezeichnet. Bei dieser Ausführungsform hat im ersten Bereich 10 der Geradenabschnitt eine negative Steigung. Die Auswirkung dieser alternativen Ausführungsform auf die Funktionalität wird in Verbindung mit der Figur 2 beschrieben.
  • In der Figur 2 sind die Backbord-Schiffsantriebsanlage 1 und die Steuerbord-Schiffsantriebsanlage 3 als Blockschaltbild dargestellt. Die Eingangsgrößen der Backbord-Schiffsantriebsanlage 1 sind die erste Soll-Drehzahl nSL1 und der backbordbezogene Vorsteuerwert VSBB. Die Ausgangsgröße der Backbord-Schiffsantriebsanlage 1 ist die Trimmposition des Oberflächenpropellers 2. Hierbei entspricht eine Trimmposition von +100% einer maximalen Austauchposition und eine Trimmposition von -100% einer maximalen Eintauchtiefe des Oberflächenpropellers 2. Die Eingangsgrößen der Steuerbord-Schiffsantriebsanlage 3 sind die zweite Soll-Drehzahl nSL2 und der steuerbordbezogene Vorsteuerwert VSSB. Die Ausgangsgröße der Steuerbord-Schiffsantriebsanlage 3 ist die Trimmposition des Oberflächenpropellers 4. Die innere Struktur und die Funktionalität der beiden Schiffsantriebsanlagen sind identisch.
  • Die Backbord-Schiffsantriebsanlage 1 umfasst als mechanische Baugruppen eine Brennkraftmaschine 5 mit Common-Railsystem 15 zur Kraftstoffeinspritzung, ein Getriebe 17, ein Stellglied 19 zur Einstellung der Trimmposition und den Oberflächenpropeller 2. Als elektronische Baugruppen umfasst die Backbord-Schiffsantriebsanlage 1 ein elektronisches Motorsteuergerät (ADEC) 16, ein elektronisches Getriebesteuergerät (GS) 18 und einen Anlagenregler 6. Die Brennkraftmaschine 5 treibt über eine Welle 20 das Getriebe 17 an. Das Getriebe 17 beinhaltet üblicherweise eine Eingangs- sowie eine Ausgangswelle und eine Einrichtung zur Drehrichtungsumkehr für die Vorwärts- oder Rückwärtsfahrt. Die Aktivierung und der Schaltzustand des Getriebes 17 werden durch das elektronische Getriebesteuergerät 18 vorgegeben. Über eine Welle 21 und eine Welle 22 treibt das Getriebe 17 den Oberflächenpropeller 2 an.
  • Die Betriebsweise der Brennkraftmaschine 5 wird durch das elektronische Motorsteuergerät (ADEC) 16 bestimmt. Dieses beinhaltet die üblichen Bestandteile eines Mikrocomputersystems, beispielsweise einen Mikroprozessor, I/O-Bausteine, Puffer und Speicherbausteine (EEPROM, RAM). In den Speicherbausteinen sind die für den Betrieb der Brennkraftmaschine 5 relevanten Betriebsdaten in Kennfeldern/Kennlinien appliziert. Über diese berechnet das elektronische Motorsteuergerät 16 aus den Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen. Als Eingangsgrößen sind in der Figur 2 die erste Soll-Drehzahl nSL1, welche durch einen Fahrhebel 13 vorgebbar ist, eine Ist-Drehzahl nIST, welche beispielsweise an der Welle 20 erfasst wird, und ein Signal EIN dargestellt. Das Signal EIN steht stellvertretend für die weiteren Eingangssignale, beispielsweise einem Raildruck des Common-Railsystems 15 mit Einzelspeichern, einem Ladeluftdruck der Abgasturbolader und den Temperaturen der Kühl- und Schmiermittel oder des Kraftstoffs.
  • In Figur 2 sind als Ausgangsgrößen des elektronischen Motorsteuergeräts 16 eine Soll-Einspritzmenge qV, eine effektive Drehzahl nEFF, ein Signal Leistungsreserve PRES und ein Signal AUS dargestellt. Die Leistungsreserve PRES entspricht derjenigen Motorleistung, welche sich aus der Differenz der Leistung am aktuellen Betriebspunkt zur maximal möglichen Leistung für diesen Betriebspunkt ergibt. Das Signal AUS steht stellvertretend für die weiteren Stellsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 5, beispielsweise ein Ansteuersignal für die Saugdrossel des Common-Railsystems 15 und ein Stellsignal zur Aktivierung eines zweiten Abgasturboladers bei einer Registeraufladung.
  • Die Eingangssignale des Anlagenreglers 6 sind die effektive Drehzahl nEFF, die Leistungsreserve PRES, eine Schubrichtung SRI und die Ist-Trimmposition POS(IST) des Oberflächenpropellers 2. Das Ausgangssignal des Anlagenreglers 6 ist das Stellsignal STS1 zur Ansteuerung des Stellglieds 19, über welches dann die Trimmposition eingestellt wird. Der Anlagenregler 6 gibt das Stellsignal STS1 entweder als absoluter Winkelwert in Grad, oder als Prozent der Eintauchtiefe, beispielsweise +20%, oder als Verstellrate in Grad/Sekunde bzw. Prozent/Sekunde vor. Im Anlagenregler 6 sind folgende Funktionalitäten integriert: Kennfelder zur Trimmvorgabe in Abhängigkeit der effektiven Drehzahl nEFF und der Schubrichtung SRI, eine Laststeuerung in Abhängigkeit der Trimmvorgabe sowie Leistungsreserve PRES sowie der Ist-Trimmposition POS(IST) und eine Trimmregelung (Stellsignal STS1). Eine detaillierte Beschreibung der inneren Struktur des Anlagenreglers 6 ist aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen DE 10 2006 045 685.8 bekannt.
  • Die Anordnung besitzt folgende Funktionalität:
    • Aus der ersten Soll-Drehzahl nSL1 und der Ist-Drehzahl nIST berechnet das elektronische Motorsteuergerät 16 eine Drehzahl-Regelabweichung. Ein Drehzahlregler, üblicherweise ein PIDT1-Regler, setzt die Drehzahl-Regelabweichung in ein Stellsignal, hier: eine Soll-Einspritzmenge qV, um. Mit dem Stellsignal werden dann die Injektoren des Common-Railsystems 15 mit Einzelspeichern beaufschlagt. Ebenfalls aus der Drehzahl-Regelabweichung wird über ein Kennfeld die effektive Drehzahl nEFF berechnet. Aus der effektiven Drehzahl nEFF, dem Signal SRI, der Leistungsreserve PRES und der Ist-Trimmposition POS(IST) berechnet der Anlagenregler 6 das Stellsignal STS1. An einer Multiplikationsstelle A wird das Stellsignal STS1 über den backbordbezogenen Vorsteuerwert VSBB korrigiert, Ausgangssignal SKORR. Anhand des Signals SKORR stellt das Stellglied 19 dann die Trimmposition ein. Für die Steuerbord-Antriebsanlage 3 gilt dieselbe Funktionalität, d. h. der Anlagenregler 7 bestimmt ein Stellsignal STS2, welches über den steuerbordbezogenen Vorsteuerwert VSSB, Multiplikationsstelle B, korrigiert wird und über das Stellglied in die Trimmposition für den Oberflächenpropeller 4 umgesetzt wird.
  • Bei Geradeausfahrt befindet sich das Steuerrad in der Mittenstellung M. In der Mittenstellung M berechnet sich der backbordbezogene Vorsteuerwert VSBB über die backbordbezogene Kennlinie 8 zu Eins, d. h. die Stellgröße STS1 der Backbord-Schiffsantriebsanlage 1 wird nicht korrigiert. Der steuerbordbezogene Vorsteuerwert VSSB wird über die steuerbordbezogene Kennlinie 9 ebenfalls zu Eins berechnet, so dass auch die Stellgröße STS2 der Steuerbord-Schiffsantriebsanlage 3 nicht korrigiert wird. Mit anderen Worten: Bei Geradeausfahrt erfolgt keine Korrektur der Stellgrößen STS1 und STS2.
  • Bei einer Kurvenfahrt nach Backbord wird an Hand des Lenkwinkels L über die backbordbezogene Kennlinie 8 (erster Bereich 10) beispielsweise ein backbordbezogener Vorsteuerwert VSBB mit 0.9 berechnet. Das Signal SKORR berechnet sich daher aus dem aktuellen Wert des Stellsignals STS1 mal dem Wert VSBB, hier 0.9. Als Ergebnis wird die Trimmposition des Oberflächenpropellers 2 in Richtung +100%, also in Richtung Austauchen, verändert. Über die steuerbordbezogene Kennlinie 9 wird in Abhängigkeit des Lenkwinkels L ein Wert von Eins (erster Bereich 10) berechnet, so dass die Trimmposition des Steuerbord-Oberflächenpropellers 4 unverändert bleibt.
  • Bei einer Kurvenfahrt nach Steuerbord wird entsprechend der Steuerbord- Oberflächenpropeller 4 über den steuerbordbezogenen Vorsteuerwert VSSB in Richtung Austauchen verändert, während der Backbord-Oberflächenpropeller 2 seine Trimmposition beibehält.
  • Wird an Stelle der Kennlinien 8 und 9 deren alternative Ausführungsform verwendet, so bewirkt dies, dass bei einer Kurvenfahrt nach Backbord die Trimmposition des Steuerbord-Oberflächenpropeller 4 auf Grund des steuerbordbezogenen Vorsteuerwerts VSSB (VSSB > 1) in Richtung -100%, also in Richtung Eintauchen, verändert wird. Bei einer Kurvenfahrt nach Steuerbord wird die Trimmposition des Backbord-Oberflächenpropellers 2 auf Grund des backbordbezogenen Vorsteuerwerts VSBB (VSBB > 1) in Richtung -100%, also in Richtung Eintauchen, verändert.
  • Um die Manövrierbarkeit des Schiffs im Hafen nicht zu beeinträchtigen ist es vorgesehen, dass die Funktion deaktiviert wird, wenn die Ist-Drehzahl nlST der Backbord-Schiffsantriebsanlage 1 oder die Ist-Drehzahl der Steuerbord-Schiffsantriebsanlage 3 unter einen vorgebbaren Grenzwert fällt.
  • In der Beschreibung wurde eine symmetrische Anordnung von einer Backbord-Schiffsantriebsanlage und einer Steuerbord-Schiffsantriebsanlage beschrieben. Eine symmetrische Anordnung liege auch dann vor, wenn in der Rumpfmitte eine Antriebsanlage mit Fest- oder Verstellpropeller angeordnet ist und mindestens eine Schiffsantriebsanlage mit Oberflächenpropeller auf der Backbordseite sowie mindestens eine Schiffsantriebsanlage mit Oberflächenpropeller auf der Steuerbordseite angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform wird dann die rumpfmittige Antriebsanlage nicht angesteuert.
  • Aus der Beschreibung ergeben sich für die Erfindung folgende Vorteile:
    • Die Reaktionszeit auf eine Lenkwinkeländerung wird verkürzt, da der Lenkwinkel über den Vorsteuerwertwert unmittelbar auf das Stellsignal zur Einstellung der Trimmposition einwirkt;
    • Eine präventive Steuerung wird ermöglicht, ohne dass zuerst die Leistungsreserve der Brennkraftmaschine ausgeschöpft werden muss, woraus eine entsprechende Kraftstoff-Ersparnis resultiert;
    • Engere Kurvenradien sind möglich;
    • Ein so genanntes Fly-by-wire-Konzept ist darstellbar, woraus eine geringere Teilevielfalt an mechanischen und hydraulischen Komponenten und letztlich ein geringeres Gewicht und geringere Kosten resultieren .
    Bezugszeichen
    • 1
    Backbord-Schiffsantriebsanlage
    2
    Oberflächenpropeller (Backbord)
    3
    Steuerbord-Schiffsantriebsanlage
    4
    Oberflächenpropeller (Steuerbord)
    5
    Brennkraftmaschine
    6
    Anlagenregler (Backbord)
    7
    Anlagenregler (Steuerbord)
    8
    backbordbezogene Kennlinie
    9
    steuerbordbezogene Kennlinie
    10
    erster Bereich
    11
    zweiter Bereich
    12
    Steuerrad
    13
    Fahrhebel (Backbord)
    14
    Fahrhebel (Steuerbord)
    15
    Common-Railsystem
    16
    elektronisches Motorsteuergerät (ADEC)
    17
    Getriebe
    18
    Getriebesteuerung (GS)
    19
    Stellglied
    20
    Welle
    21
    Welle
    22
    Welle

Claims (9)

  1. Verfahren zur Regelung mindestens einer Backbord-Schiffsantriebsanlage (1) mit Oberflächenpropeller (2) sowie mindestens einer Steuerbord-Schiffsantriebsanlage (3) mit Oberflächenpropeller (4), bei dem für die jeweilige Schiffsantriebsanlage ein Leistungswunsch als Soll-Drehzahl (nSL1, nSL2) interpretiert wird, aus der Soll-Drehzahl (nSL1, nSL2) sowie einer IstDrehzahl (nIST) eine Drehzahl-Regelabweichung berechnet wird, anhand derer über einen Drehzahlregler eine Einspitzmenge (qV) zur Drehzahl-Regelung der Brennkraftmaschine (5) festgelegt wird, bei dem ein Stellsignal (STS1, STS2) zur Einstellung einer Trimmposition des Oberflächenpropellers (2, 4) über einen Anlagenregler (6, 7) zumindest in Abhängigkeit der Soll-Drehzahl (nSL1, nSL2) sowie einer Ist-Trimmposition (POS(IST)) bestimmt wird und bei dem das Stellsignal (STS1, STS2) über einen Vorsteuerwert (VSBB, VSSB) korrigiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein backbordbezogener Vorsteuerwert (VSBB) für die Backbord-Schiffsantriebsanlage (1) und steuerbordbezogener Vorsteuerwert (VSSB) für die Steuerbord-Schiffsantriebsanlage (3) berechnet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der backbordbezogene Vorsteuerwert (VSBB) über eine backbordbezogene Kennlinie (8) und der steuerbordbezogene Vorsteuerwert (VSSB) über eine steuerbordbezogene Kennlinie (9) jeweils in Abhängigkeit des Lenkwinkels (L) eines Steuerrads (12) berechnet werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die backbordbezogene Kennlinie (8) in einem ersten Bereich (10) als Geradenabschnitt mit positiver Steigung und in einem zweiten Bereich (11) als abszissenparalleler Geradenabschnitt ausgeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die backbordbezogenen Kennlinie (8) im zweiten Bereich (11) alternativ als Geradenabschnitt mit positiver Steigung ausgeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die steuerbordbezogene Kennlinie (9) im ersten Bereich (10) als abszissenparallelen Geradenabschnitt und im zweiten Bereich (11) als Geradenabschnitt mit negativer Steigung ausgeführt wird,
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die steuerbordbezogene Kennlinie (9) im ersten Bereich (10) alternativ als Geradenabschnitt mit negativer Steigung ausgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der erste Bereich (10) über einen maximalen Lenkwinkel (LBB(MAX)) nach Backbord und Mittenstellung (M) definiert wird und der zweite Abschnitt (11) über die Mittenstellung (M) und einen maximalen Lenkwinkel (LSB(MAX)) nach Steuerbord definiert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorausgegangen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Korrektur des Stellsignals (STS1, STS2) unterhalb einer Ist-Drehzahlgrenze deaktiviert wird.
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