EP2066560B1 - Verfahren zur regelung einer schiffsantriebsanlage mit einem oberflächenpropeller - Google Patents

Verfahren zur regelung einer schiffsantriebsanlage mit einem oberflächenpropeller Download PDF

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EP2066560B1
EP2066560B1 EP07818402.5A EP07818402A EP2066560B1 EP 2066560 B1 EP2066560 B1 EP 2066560B1 EP 07818402 A EP07818402 A EP 07818402A EP 2066560 B1 EP2066560 B1 EP 2066560B1
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EP
European Patent Office
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rotational speed
trim
adjustment angle
pres
adjustment
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP07818402.5A
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English (en)
French (fr)
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EP2066560A2 (de
Inventor
Christian Faller
Oliver Haller
Adelbert Kern
Alfred MÖHRLE
Markus Müller
Michael Welte
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Rolls Royce Solutions GmbH
Original Assignee
MTU Friedrichshafen GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H5/00—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water
    • B63H5/07—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers
    • B63H5/125—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers movably mounted with respect to hull, e.g. adjustable in direction, e.g. podded azimuthing thrusters
    • 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
    • B63H21/22—Use of propulsion power plant or units on vessels the propulsion power units being controlled from exterior of engine room, e.g. from navigation bridge; Arrangements of order telegraphs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
    • B63H1/12—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially in propulsive direction
    • B63H1/14—Propellers
    • B63H1/18—Propellers with means for diminishing cavitation, e.g. supercavitation
    • B63H2001/185—Surfacing propellers, i.e. propellers specially adapted for operation at the water surface, with blades incompletely submerged, or piercing the water surface from above in the course of each revolution

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a ship propulsion system with a surface propeller.
  • 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.
  • a method and a device for load control of a marine propulsion system with a variable pitch propeller which comprises a speed control loop for speed control of the internal combustion engine and a system controller for controlling the variable pitch propeller.
  • a target speed is calculated as a reference variable for the speed control loop via a first map.
  • a target wing pitch is then converted via the plant controller into a control variable for the variable pitch propeller.
  • a power reserve of the internal combustion engine, a speed deviation and a speed gradient in terms of increasing or decreasing the wing pitch are taken into account.
  • a large power request change causes a direct, same-direction change in the target speed and the target wing pitch.
  • the speed control loop has a large step response time.
  • a change in the manipulated variable for example the injection quantity, therefore causes a time-delayed change in the actual rotational speed and the variables derived therefrom.
  • the desired wing pitch is quickly converted by the controller into a control variable for the variable pitch propeller. Since the variable pitch propeller with the variable hydraulic has a large time constant, this behavior is mitigated.
  • the method consists in that the desired power is interpreted as the desired speed and a speed control deviation is calculated from the desired speed and the actual speed of the internal combustion engine. From the speed control deviation, in turn, a Einspitzmenge for speed control of the internal combustion engine is set and calculated an effective speed via a speed controller.
  • the effective speed is the reference variable of the system controller, which regulates the trim position of the surface propeller. In the regulation of the trim position, the power reserve of the internal combustion engine is taken into account.
  • the method according to the invention thus differs from the previously described prior art in that the reference variable for the system controller is not directly derived from the Performance is derived, but from the effective speed. Another difference is that the trim position of the surface propeller is controlled.
  • the effective speed is calculated via a map in which preferably a staircase function is shown. Temporarily short changes in the actual speed, for example, due to the swell, cause no change in the effective speed.
  • the effective speed is thus a robust reference variable.
  • the effective speed is corrected by engine-internal parameters, such as the boost pressure of an exhaust gas turbocharger.
  • a first adjustment angle is determined via a trim preset with a plurality of selection maps.
  • the selection of a map is carried out as a function of the number of coupled drive shafts and the thrust direction of the transmission, such as turning or reversing.
  • the maps cause an improved adaptation of the drive system to the external conditions. For example, when reversing, the trim position is changed in the direction of -100%, so that the water moved by the surface propeller flows under the stern of the ship. This considerably reduces the flow resistance.
  • the first adjustment angle in turn is processed together with the power reserve in a load control, which generates the reference variable, here: second adjustment angle, for the trim controller and a first adjustment rate.
  • the trim controller then defines the trim position based on the second adjustment angle, the actual trim position, and the first adjustment rate.
  • the advantages of the invention are that the engine remains in the tested load range for significant power-desired changes and the automatic control of the trim position represents a corresponding comfort for the skipper.
  • the maps are designed so that an economical and effective operating state is set automatically at each operating point.
  • the FIG. 1 shows a system diagram of a marine propulsion system with a surface propeller.
  • the main components are: the mechanical components of the marine propulsion system 1 with an internal combustion engine 2 together with gear 4 and surface propeller 5, an electronic engine control unit (ADEC) 7, an electronic transmission control unit (GS) 13 and a system controller 8.
  • the internal combustion engine 2 drives via a shaft 3A the transmission 4 on.
  • the transmission 4 usually includes an input as well as an output shaft and a reversing device for forward or reverse travel.
  • the activation and the switching state of the transmission 4 are predetermined by the electronic transmission control unit 13.
  • the transmission 4 drives the Surface propeller 5, the trim position can be changed via an actuator 12.
  • the operation of the internal combustion engine 2 is determined by the electronic engine control unit (ADEC) 7.
  • ADEC electronic engine control unit
  • EEPROM electrically erasable programmable read-only memory
  • I / O devices I / O devices
  • buffers and memory devices EEPROM, RAM
  • EEPROM electrically erasable programmable programmable read-only memory
  • RAM memory modules relevant for the operation of the internal combustion engine 2 operating data in maps / curves are applied.
  • the electronic engine control unit 7 from the input variables, the output variables.
  • FIG. 1 the following input variables are exemplarily shown: a desired speed nSL, which can be predetermined by a drive lever 6, an actual speed nIST, which is sensed, for example, at the shaft 3A and filtered by a software filter, and a signal EIN.
  • the signal ON is representative of the other input
  • FIG. 1 are shown as outputs of the electronic engine control unit 7, a target injection amount qV, an effective speed nEFF, a signal power reserve PRES and a signal OFF.
  • the signal OFF is representative of the other control signals for controlling and regulating the internal combustion engine 2, for example, a drive signal for the intake throttle of the common rail system 27 and an actuating signal for activating a second exhaust gas turbocharger in a register charging.
  • the input signals of the system controller 8 are: the effective speed nEFF, the power reserve PRES, a thrust direction SRI and the actual trim position POS (IST) of the surface propeller 5.
  • the output signal of the system controller 8 is a control signal STS for controlling the actuator 12, via which then the trim position POS is set.
  • the system controller 8 outputs the control signal STS for conversion into the trim position POS for the surface propeller either as an absolute angle value in degrees, or as a percentage of the immersion depth, for example + 2o%, or as an adjustment rate in degrees / second or percent / second.
  • a trim preset 9 with a plurality of selection maps KF1 to KF3 a load control 10 for limiting the trim position and a trim control 11 for controlling the trim position POS are arranged.
  • the load controller 10 is in FIG. 3 and will be explained in connection with this.
  • the trim control 11 is in FIG. 4 and will be described in connection with this.
  • the arrangement has the following functionality:
  • the skipper defines his desired performance on the position of the driving lever 6.
  • the position of the driving lever 6 is interpreted as a target speed nSL.
  • FIG. 2 shows a block diagram of the electronic engine control unit 7.
  • a speed controller 14 usually a PIDT1 controller, converts the speed control deviation dn into a control signal, here: a setpoint injection quantity qV. With the control signal then the injectors of the common rail system 27 are acted upon with individual memories.
  • the Speed control deviation dn is calculated via a map 15, shown is a step function, an effective speed nEFF.
  • the speed control deviation dn is filtered via the step function, ie the effective speed nEFF is robust against small deviations.
  • the effective speed nEFF is corrected by means of a factor E which identifies engine-internal parameters, for example the boost pressure of an exhaust-gas turbocharger.
  • a first adjustment angle Phi1 is determined via the trim setting 9.
  • the trim preset 9 contains several maps, which in FIG. 1 with KF1, KF2 and KF3 are designated. A map is selected via the signal thrust direction SRI and based on the number of coupled waves. For example, one or two shafts can be coupled in a drive system with two internal combustion engines.
  • the first adjustment angle Phi1, the power reserve PRES and the actual trim position POS (IST) are the input variables of the load control 10.
  • a first adjustment rate VSR1 and a second adjustment angle Phi2 are determined via the load control 10.
  • the load control 10 is activated or deactivated as a function of the power reserve PRES of the internal combustion engine 2.
  • the power reserve PRES is the engine power resulting from the difference in power at the current operating point to the maximum possible power for this operating point.
  • the first adjustment rate VSR1 and the second adjustment angle Phi2 are respectively calculated via a characteristic map as a function of the power reserve PRES. Alternatively, a fixed value can also be specified.
  • the activated load controller 10 sets the first adjustment rate VSR1 to zero if the value of the power reserve PRES lies within a deadband.
  • disabled Load control 10 corresponds to the second adjustment angle Phi2 the first adjustment angle Phi1.
  • the internal structure of the load controller 10 will be described more in detail in connection with FIG FIG. 3 described.
  • the second adjustment angle Phi2 corresponds to the reference variable for the trim control 11, which is closer in FIG. 4 is described.
  • the trim control 11 determines the trim position deviation from the second adjustment angle Phi2 and the actual trim position POS (IST) and regulates the trim position POS as a function of this via the actuating signal STS.
  • the load controller 10 is shown as a block diagram.
  • the input variables are the actual trim position POS (IST), the power reserve PRES and the first adjustment angle Phi1.
  • the output variables are the first adjustment rate VSR1 and the second adjustment angle Phi2.
  • the actual trim position POS (IST) is assigned via a map 16, a first signal S1, which is a first input of a switch 18.
  • the power reserve PRES is assigned via a map 17, a second signal S2, which represents the second input of the switch 18.
  • the output of the switch 18, here: a third signal S3, corresponds to either the first S1 or the second signal S2.
  • the switching state of the switch 18 is determined by a control block 20 via a fourth signal S4.
  • the third signal S3 is an input of the switch 19.
  • the second input of the switch 19 is the value zero.
  • the switching state of the switch 19 is determined by the control block 20 via a fifth signal S5.
  • the output of the switch 19, here: the first Verstellrate VSR1 corresponds to either the value of the third signal S3 or the value zero.
  • the power reserve PRES is assigned via a map 21, a sixth signal S6, which is a first input of the switch 22.
  • the second input of the switch 22 is the first adjustment angle Phi1.
  • the switching state of the switch 22 is determined by the control block 20 via a seventh signal S7.
  • the output signal of the switch 22, here: the second adjustment angle Phi2 corresponds either to the value of the sixth signal S6 or to the first adjustment angle Phi1.
  • the load controller 10 may be designed so that the second S2 and sixth signal S6 are not calculated in dependence on the power reserve PRES, but the two signals are set to a fixed value.
  • the load controller 10 has the following functionality:
  • the load controller 10 is shown in the deactivated state.
  • the second adjustment angle Phi2 corresponds to the value of the first adjustment angle Phi1, which is calculated via the trim specification 9 as a function of the effective rotational speed nEFF. Since the second adjustment angle Phi2 is the reference variable for the trim control 11, consequently the trim position POS of the surface propeller 5 is defined by the effective speed nEFF.
  • the first adjustment rate VSR1 is set in the deactivated state as a function of the actual trim position POS (IST).
  • PRES means the power reserve, GW1 and GW2 freely applicable limits and t1 and t2 a time step.
  • the adjustment rate VSR1 corresponds to the value zero.
  • the trim control 11 is shown as a block diagram.
  • the input variables are: the second adjustment angle Phi2, the first adjustment rate VSR1, the actual trim position POS (IST), a third GW3 and a fourth limit value GW4, a minimum adjustment angle MIN and a maximum displacement angle MAX.
  • the output of the trim control 11 is the manipulated variable STS, with which the actuator 12 is acted upon to adjust the surface propeller 5.
  • the second adjustment angle Phi2 is monitored via a limit 23 to the value MIN and MAX. Thereafter, a control deviation dPOS from the second adjustment angle Phi2 and the actual trim position POS (IST) at a point A is determined. Over a deadband 24, deviations in the range between the two limits GW3 and GW4 suppressed.
  • a trim controller 25 determines a second adjustment rate VSR2.
  • a maximum value selection MAX 26 either the first adjustment rate VSR1 or the second adjustment rate VSR2 is set as the manipulated variable STS for acting on the actuator 12.
  • the manipulated variable STS can be specified either as an absolute angle value in degrees, as a percentage of the immersion depth, for example + 2o%, or as an adjustment rate in degrees / second or percent / second.
  • FIG. 5 a simplified program flow chart is shown.
  • the setpoint speed nSL which represents the reference variable of the speed control loop and of the system controller 8 is determined from the desired performance of the skipper.
  • the actual rotational speed nIST is read in at S2 and the rotational speed control deviation dn is calculated from the difference between the nominal rotational speed nSL and the actual rotational speed nIST.
  • the effective speed nEFF is calculated via the characteristic diagram 15 by means of a step function, from which the first adjustment angle Phi1 is calculated at S4 via the trim setting 9 as a function of the thrust direction and the number of coupled shafts.
  • the power reserve PRES is determined.
  • Power reserve is the engine power that results from the difference in power at the current operating point to the maximum possible power for this operating point.
  • This step takes place in the load control 10 on the basis of the activation or deactivation conditions described above.
  • S7 using the actual trim position POS (IST) and the output variables of the load control 10, in this case the second adjustment angle Phi2 and the first adjustment rate VSR1, it is checked via the trim control whether the trim position is to be changed.
  • a ship propulsion system Internal combustion engine 3 wave 4 transmission 5 surface propeller 6 lever 7 electronic engine control unit (ADEC) 8th Conrols 9 trim specification 10 load control 11 trimming control 12 actuator 13 electronic gearbox control unit (GS) 14 Speed governor 15 map 16 map 17 map 18 switch 19 switch 20 control block 21 map 22 switch 23 limit 24 deadband 25 trimmers 26 Maximum value selection 27 Common Rail System

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Schiffsantriebsanlage mit einem Oberflächenpropeller.
  • 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 Maßnahme zur Verbesserung dieser Situation ist aus der WO 2004/020281 A1 bekannt, welche als nächstliegender Stand der Technik betrachtet wird, und ein Verfahren zum automatischen Einstellen eines Oberflächenpropellers in Abhängigkeit des aktuellen Betriebszustands des Schiffs vorschlägt. Der aktuelle Betriebszustand wiederum wird aus der Schiffsgeschwindigkeit, einem Lenkwinkel, der Stellung eines Gashebels und Kenngrößen der Brennkraftmaschine abgeleitet. Eine konkrete Ausführungsform ist jedoch dieser Fundstelle nicht zu entnehmen.
  • Aus der DE 195 15 481 A1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Lastregelung einer Schiffsantriebsanlage mit einem Verstellpropeller bekannt, welche einen Drehzahl-Regelkreis zur Drehzahlreglung der Brennkraftmaschine und einen Anlageregler zur Steuerung des Verstellpropellers umfasst. Aus dem Leistungswunsch des Schiffsführers, also der Fahrhebelstellung, wird über ein erstes Kennfeld eine Soll-Drehzahl als Führungsgröße für den Drehzahl-Regelkreis berechnet. Ebenfalls aus dem Leistungswunsch wird über ein zweites Kennfeld eine Soll-Flügelsteigung als Vorgabegröße für den Anlageregler abgeleitet. Die Soll-Flügelsteigung wird dann über den Anlageregler in eine Steuergröße für den Verstellpropeller umgesetzt. Hierbei werden eine Leistungsreserve der Brennkraftmaschine, eine Drehzahl-Regelabweichung sowie ein Drehzahl-Gradient im Sinne einer Vergrößerung oder Verringerung der Flügelsteigung mit berücksichtigt.
  • Bei diesem Verfahren bewirkt eine große Leistungswunsch-Änderung eine unmittelbare, gleichsinnige Änderung der Soll-Drehzahl und der Soll-Flügelsteigung. Systembedingt besitzt der Drehzahl-Regelkreis eine große Sprungantwortszeit. Eine Veränderung der Stellgröße, beispielsweise der Einspritzmenge, bewirkt daher erst zeitverzögert eine Veränderung der Ist-Drehzahl und der daraus abgeleiteten Größen. Die Soll-Flügelsteigung hingegen wird durch die Steuerung rasch in eine Steuergröße für den Verstellpropeller umgesetzt. Da der Verstellpropeller mit der Verstellhydraulik eine große Zeitkonstante aufweist, wird dieses Verhalten gemildert.
  • Das aus der DE 195 15 481 A1 bekannt Verfahren kann auf eine Schiffsantriebsanlage mit einem Oberflächenpropeller nicht spiegelbildlich umgesetzt werden. Der Grund ist die wesentlich kürzere Reaktionszeit des Oberflächenpropellers gegenüber einem Verstellpropeller. Eine spiegelbildliche Umsetzung würde beispielsweise bei einer großen Leistungswunsch-Änderung eine hohe Belastung der Brennkraftmaschine verursachen und als Konsequenz eine verzögerte Schiffsbeschleunigung bewirken.
  • Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird insofern darin gesehen, das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren auf eine Schiffsantriebsanlage mit einem Oberflächenpropeller anzupassen.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Anspruchs gelöst. Die Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
  • Das Verfahren besteht darin, dass der Leistungswunsch als Soll-Drehzahl interpretiert wird und aus der Soll-Drehzahl sowie der Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine eine Drehzahl-Regelabweichung berechnet wird. Aus der Drehzahl-Regelabweichung wiederum wird über einen Drehzahlregler eine Einspitzmenge zur Drehzahl-Regelung der Brennkraftmaschine festgelegt und eine effektive Drehzahl berechnet. Die effektive Drehzahl ist die Führungsgröße des Anlagenreglers, welcher die Trimmposition des Oberflächenpropellers regelt. Bei der Regelung der Trimmposition wird die Leistungsreserve der Brennkraftmaschine mit berücksichtigt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich vom zuvor beschriebenen Stand der Technik also darin, dass die Führungsgröße für den Anlagenregler nicht unmittelbar aus dem Leistungswunsch abgeleitet wird, sondern aus der effektiven Drehzahl. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die Trimmposition des Oberflächenpropellers geregelt wird.
  • Die effektive Drehzahl wird über ein Kennfeld berechnet in dem vorzugsweise eine Treppenfunktion abgebildet ist. Zeitlich kurze Änderungen der Ist-Drehzahl, beispielsweise auf Grund des Wellengangs, bewirken keine Änderung der effektiven Drehzahl. Die effektive Drehzahl ist somit eine robuste Führungsgröße. Korrigiert wird die effektive Drehzahl durch motorinterne Kenngrößen, beispielsweise dem Ladedruck eines Abgasturboladers.
  • Aus der effektiven Drehzahl wird über eine Trimmvorgabe mit mehreren Auswahl-Kennfeldern ein erster Verstellwinkel bestimmt. Die Auswahl eines Kennfelds erfolgt in Abhängigkeit der Anzahl der gekuppelten Antriebswellen und der Schubrichtung des Getriebes, beispielsweise Kurven- oder Rückwärtsfahrt. Die Kennfelder bewirken eine verbesserte Anpassung der Antriebsanlage an die äußeren Gegebenheiten. Beispielsweise wird bei einer Rückwärtsfahrt die Trimmposition in Richtung -100% verändert, so dass das vom Oberflächenpropeller bewegte Wasser unter dem Heck des Schiffs hindurchströmt. Hierdurch verringert sich der Strömungswiderstand erheblich.
  • Der erste Verstellwinkel wiederum wird zusammen mit der Leistungsreserve in einer Laststeuerung verarbeitet, welche die Führungsgröße, hier: zweiter Verstellwinkel, für den Trimmregler und eine erste Verstellrate generiert. Der Trimmregler definiert dann die Trimmposition anhand des zweiten Verstellwinkels, der Ist-Trimmposition und der ersten Verstellrate.
  • Ganz allgemein bestehen die Vorteile der Erfindung darin, dass die Brennkraftmaschine bei signifikanten Leistungswunsch-Änderungen im geprüften Lastbereich verbleibt und die selbsttätige Regelung der Trimmposition einen entsprechenden Komfort für den Schiffsführer darstellt. Zudem sind in der Praxis die Kennfelder so ausgelegt, dass in jedem Betriebspunkt ein wirtschaftlicher und effektiver Betriebszustand automatisch eingestellt wird.
  • In den Zeichnungen ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein Systemschaubild;
    Fig. 2
    ein Blockschaltbild des Motorsteuergeräts;
    Fig. 3
    ein Blockschaltbild der Laststeuerung;
    Fig. 4
    ein Blockschaltbild der Trimmregelung und
    Fig. 5
    einen Programmablaufplan.
  • Die Figur 1 zeigt ein Systemschaubild einer Schiffsantriebsanlage mit einem Oberflächenpropeller. Die wesentlichen Baugruppen sind: die mechanischen Komponenten der Schiffsantriebsanlage 1 mit einer Brennkraftmaschine 2 nebst Getriebe 4 und Oberflächenpropeller 5, ein elektronisches Motorsteuergerät (ADEC) 7, ein elektronisches Getriebesteuergerät (GS) 13 und ein Anlagenregler 8. Die Brennkraftmaschine 2 treibt über eine Welle 3A das Getriebe 4 an. Das Getriebe 4 beinhaltet üblicherweise eine Eingangssowie eine Ausgangswelle und eine Einrichtung zur Drehrichtungsumkehr für die Vorwärts- oder Rückwärtsfahrt. Die Aktivierung und der Schaltzustand des Getriebes 4 werden durch das elektronische Getriebesteuergerät 13 vorgegeben. Über eine Welle 3B treibt das Getriebe 4 den Oberflächenpropeller 5 an, dessen Trimmposition über ein Stellglied 12 verändert werden kann.
  • Die Betriebsweise der Brennkraftmaschine 2 wird durch das elektronische Motorsteuergerät (ADEC) 7 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 2 relevanten Betriebsdaten in Kennfeldern/Kennlinien appliziert. Über diese berechnet das elektronische Motorsteuergerät 7 aus den Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen. In Figur 1 sind exemplarisch folgende Eingangsgrößen dargestellt: eine Soll-Drehzahl nSL, welche durch einen Fahrhebel 6 vorgebbar ist, eine Ist-Drehzahl nIST, welche beispielsweise an der Welle 3A sensiert und mittels eines Software-Filters gefiltert wird, und ein Signal EIN. Das Signal EIN steht stellvertretend für die weiteren Eingangssignale, beispielsweise einem Raildruck des Common-Railsystems 27 mit Einzelspeichern, einem Ladeluftdruck der Abgasturbolader und den Temperaturen der Kühl-/Schmiermittel oder des Kraftstoffs.
  • In Figur 1 sind als Ausgangsgrößen des elektronischen Motorsteuergeräts 7 eine Soll-Einspritzmenge qV, eine effektive Drehzahl nEFF, ein Signal Leistungsreserve PRES und ein Signal AUS dargestellt. Das Signal AUS steht stellvertretend für die weiteren Stellsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 2, beispielsweise ein Ansteuersignal für die Saugdrossel des Common-Railsystems 27 und ein Stellsignal zur Aktivierung eines zweiten Abgasturboladers bei einer Registeraufladung.
  • Die Eingangssignale des Anlagenreglers 8 sind: die effektive Drehzahl nEFF, die Leistungsreserve PRES, eine Schubrichtung SRI und die Ist-Trimmposition POS(IST) des Oberflächenpropellers 5. Das Ausgangssignal des Anlagenreglers 8 ist ein Stellsignal STS zur Ansteuerung des Stellglieds 12, über welches dann die Trimmposition POS eingestellt wird. Der Anlagenregler 8 gibt das Stellsignal STS zur Umsetzung in die Trimmposition POS für den Oberflächenpropeller entweder als absoluter Winkelwert in Grad, oder als Prozent der Eintauchtiefe, beispielsweise +2o%, oder als Verstellrate in Grad/Sekunde bzw. Prozent/Sekunde vor. Innerhalb des Anlagenreglers 8 sind eine Trimmvorgabe 9 mit mehreren Auswahl-Kennfeldern KF1 bis KF3, eine Laststeuerung 10 zur Begrenzung der Trimmposition und eine Trimmregelung 11 zur Regelung der Trimmposition POS angeordnet. Die Laststeuerung 10 ist in Figur 3 dargestellt und wird in Verbindung mit dieser erläutert. Die Trimmregelung 11 ist in Figur 4 dargestellt und wird in Verbindung mit dieser beschrieben.
  • Die Anordnung besitzt folgende Funktionalität:
  • Der Schiffsführer definiert seinen Leistungswunsch über die Stellung des Fahrhebels 6. Die Stellung des Fahrhebels 6 wird als Soll-Drehzahl nSL interpretiert. Die weitere Erklärung erfolgt in Verbindung mit der Figur 2, welche ein Blockschaltbild des elektronischen Motorsteuergeräts 7 zeigt. Aus der Soll-Drehzahl nSL und der Ist-Drehzahl nIST berechnet das elektronische Motorsteuergerät 7 eine Drehzahl-Regelabweichung dn. Ein Drehzahlregler 14, üblicherweise ein PIDT1-Regler, setzt die Drehzahl-Regelabweichung dn in ein Stellsignal, hier: eine Soll-Einspritzmenge qV, um. Mit dem Stellsignal werden dann die Injektoren des Common-Railsystems 27 mit Einzelspeichern beaufschlagt. Ebenfalls aus der Drehzahl-Regelabweichung dn wird über ein Kennfeld 15, dargestellt ist eine Treppenfunktion, eine effektive Drehzahl nEFF berechnet. Über die Treppenfunktion wird die Drehzahl-Regelabweichung dn gefiltert, d. h. die effektive Drehzahl nEFF ist robust gegenüber kleinen Abweichungen. Korrigiert wird die effektive Drehzahl nEFF über einen Faktor E, welcher motorinterne Kenngrößen, beispielsweise den Ladedruck eines Abgasturboladers, kennzeichnet.
  • Aus der effektiven Drehzahl nEFF wird über die Trimmvorgabe 9 ein erster Verstellwinkel Phi1 festgelegt. Hierzu enthält die Trimmvorgabe 9 mehrere Kennfelder, welche in Figur 1 mit KF1, KF2 und KF3 bezeichnet sind. Über das Signal Schubrichtung SRI und anhand der Anzahl gekuppelter Wellen wird ein Kennfeld ausgewählt. Zum Bespiel können bei einer Antriebsanlage mit zwei Brennkraftmaschinen eine oder zwei Wellen gekuppelt sein. Der erste Verstellwinkel Phi1, die Leistungsreserve PRES und die Ist-Trimmposition POS(IST) sind die Eingangsgrößen der Laststeuerung 10. Über die Laststeuerung 10 werden eine erste Verstellrate VSR1 und ein zweiter Verstellwinkel Phi2 bestimmt. Aktiviert oder deaktiviert wird die Laststeuerung 10 in Abhängigkeit der Leistungsreserve PRES der Brennkraftmaschine 2. Unter der Leistungsreserve PRES ist diejenige Motorleistung zu verstehen, welche sich aus der Differenz der Leistung am aktuellen Betriebspunkt zur maximal möglichen Leistung für diesen Betriebspunkt ergibt. Bei aktivierter Laststeuerung 10 werden die erste Verstellrate VSR1 und der zweite Verstellwinkel Phi2 jeweils über ein Kennfeld in Abhängigkeit der Leistungsreserve PRES berechnet. Alternativ kann auch ein Festwert vorgegeben werden. Als weitere Sicherheitsfunktion setzt die aktivierte Laststeuerung 10 die erste Verstellrate VSR1 auf Null, wenn der Wert der Leistungsreserve PRES innerhalb eines Totbands liegt. Bei deaktivierter Laststeuerung 10 entspricht der zweite Verstellwinkel Phi2 dem ersten Verstellwinkel Phi1. Die innere Struktur der Laststeuerung 10 wird genauer in Verbindung mit der Figur 3 beschrieben.
  • Der zweite Verstellwinkel Phi2 entspricht der Führungsgröße für die Trimmregelung 11, welche näher in Figur 4 beschrieben wird. Die Trimmregelung 11 bestimmt aus dem zweiten Verstellwinkel Phi2 und der Ist-Trimmposition POS(IST) die Trimmpositions-Regelabweichung und regelt in Abhängigkeit dieser über das Stellsignal STS die Trimmposition POS.
  • In Figur 3 ist die Laststeuerung 10 als Blockschaltbild dargestellt. Die Eingangsgrößen sind die Ist-Trimmposition POS(IST), die Leistungsreserve PRES und der erste Verstellwinkel Phi1. Die Ausgangsgrößen sind die erste Verstellrate VSR1 und der zweite Verstellwinkel Phi2. Der Ist-Trimmposition POS(IST) wird über ein Kennfeld 16 ein erstes Signal S1 zugeordnet, welches eine erste Eingangsgröße eines Schalters 18 ist. Der Leistungsreserve PRES wird über ein Kennfeld 17 ein zweites Signal S2 zugeordnet, welches die zweite Eingangsgröße des Schalters 18 darstellt. Die Ausgangsgröße des Schalters 18, hier: ein drittes Signal S3, entspricht entweder dem ersten S1 oder dem zweiten Signal S2. Der Schaltzustand des Schalters 18 wird durch einen Steuerblock 20 über ein viertes Signals S4 bestimmt. Das dritte Signal S3 ist eine Eingangsgröße des Schalters 19. Die zweite Eingangsgröße des Schalters 19 ist der Wert Null. Der Schaltzustand des Schalters 19 wird durch den Steuerblock 20 über ein fünftes Signals S5 bestimmt. Die Ausgangsgröße des Schalters 19, hier: die erste Verstellrate VSR1, entspricht entweder dem Wert des dritten Signals S3 oder dem Wert Null. Der Leistungsreserve PRES wird über ein Kennfeld 21 ein sechstes Signal S6 zugeordnet, welches eine erste Eingangsgröße des Schalters 22 ist. Die zweite Eingangsgröße des Schalters 22 ist der erste Verstellwinkel Phi1. Der Schaltzustand des Schalters 22 wird durch den Steuerblock 20 über ein siebtes Signal S7 bestimmt. Das Ausgangssignal des Schalters 22, hier: der zweite Verstellwinkel Phi2, entspricht entweder dem Wert des sechsten Signals S6 oder dem ersten Verstellwinkel Phi1.
  • Als Alternative kann die Laststeuerung 10 so ausgeführt sein, dass das zweite S2 und sechste Signal S6 nicht in Abhängigkeit der Leistungsreserve PRES berechnet werden, sondern die beiden Signale auf einen Festwert gesetzt sind.
  • Die Laststeuerung 10 besitzt folgende Funktionalität:
  • In Figur 3 ist die Laststeuerung 10 im deaktivierten Zustand dargestellt. Im deaktivierten Zustand entspricht der zweite Verstellwinkel Phi2 dem Wert des ersten Verstellwinkels Phi1, welcher über die Trimmvorgabe 9 in Abhängigkeit der effektiven Drehzahl nEFF berechnet wird. Da der zweite Verstellwinkel Phi2 die Führungsgröße für die Trimmregelung 11 ist, wird folglich die Trimmposition POS des Oberflächenpropellers 5 über die effektive Drehzahl nEFF definiert. Die erste Verstellrate VSR1 wird im deaktivierten Zustand in Abhängigkeit des Ist-Trimmposition POS(IST) festgelegt.
  • Beim Übergang der Laststeuerung 10 aus dem deaktivierten Zustand in den aktivierten Zustand wechseln die Schalter 18 und 22 ihre Schaltstellung. Initiiert wird dieser Wechsel über den Steuerblock 20. Im aktivierten Zustand werden sowohl der zweite Verstellwinkel Phi2 als auch die erste Verstellrate VSR1 in Abhängigkeit der Leistungsreserve PRES berechnet (Kennfeld 17, 21). Die Laststeuerung 10 ist aktiv, wenn
    • PRES < GW1 nach t1 (Einschaltverzögerung) oder
    • PRES < GW1 + GW2 oder
    • PRES > GW1 + GW2 vor Ablauf t2 (Ausschaltverzögerung).
  • Hierin bedeuten PRES die Leistungsreserve, GW1 sowie GW2 frei applizierbare Grenzwerte und t1 bzw. t2 eine Zeitstufe.
  • Der Steuerblock 20 ändert über das fünfte Signal S5 den Schaltzustand des Schalters 19, wenn die Laststeuerung 10 aktiviert ist und folgende Bedingung vorliegt:
    • GW1 < PRES < GW1 +GW2 (Totband)
  • In diesem Fall entspricht die Verstellrate VSR1 dem Wert Null.
  • In Figur 4 ist die Trimmregelung 11 als Blockschaltbild dargestellt. Die Eingangsgrößen sind: der zweite Verstellwinkel Phi2, die erste Verstellrate VSR1, die Ist-Trimmposition POS(IST), ein dritter GW3 sowie ein vierter Grenzwert GW4, ein minimaler Verstellwinkel MIN und ein maximaler Verstellwinkel MAX. Die Ausgangsgröße der Trimmregelung 11 ist die Stellgröße STS, mit der das Stellglied 12 zur Verstellung des Oberflächenpropellers 5 beaufschlagt wird. Der zweite Verstellwinkel Phi2 wird über eine Begrenzung 23 auf den Wert MIN und MAX überwacht. Danach wird eine Regelabweichung dPOS aus dem zweiten Verstellwinkel Phi2 und der Ist-Trimmposition POS(IST) an einem Punkt A bestimmt. Über ein Totband 24 werden Regelabweichungen im Bereich zwischen den beiden Grenzwerten GW3 und GW4 unterdrückt. Aus der Regelabweichung dPOS bestimmt ein Trimmregler 25, vorzugsweise mit PID-Verhalten, eine zweite Verstellrate VSR2. Über eine Maximalwert-Auswahl MAX 26 wird entweder die erste Verstellrate VSR1 oder die zweite Verstellrate VSR2 als Stellgröße STS zur Beaufschlagung des Stellglieds 12 festgelegt. Die Stellgröße STS kann entweder als absoluter Winkelwert in Grad, als Prozent der Eintauchtiefe, beispielsweise +2o%, oder als Verstellrate in Grad/Sekunde bzw. Prozent/Sekunde vorgegeben werden.
  • In Figur 5 ist ein vereinfachter Programmablaufplan dargestellt. Bei S1 wird aus dem Leistungswunsch des Schiffsführers die Solldrehzahl nSL bestimmt, welche die Führungsgröße des Drehzahl-Regelkreises und des Anlagenreglers 8 darstellt. Danach wird bei S2 die Ist-Drehzahl nIST eingelesen und die Drehzahl-Regelabweichung dn aus der Differenz der Soll-Drehzahl nSL zur Ist-Drehzahl nIST berechnet. Aus der Drehzahl-Regelabweichung dn wird über das Kennfeld 15 mittels einer Treppenfunktion die effektive Drehzahl nEFF berechnet, S3, aus welcher bei S4 über die Trimmvorgabe 9 der erste Verstellwinkel Phi1 in Abhängigkeit der Schubrichtung und der Anzahl der gekuppelten Wellen berechnet wird. Bei S5 wird die Leistungsreserve PRES ermittelt. Unter Leistungsreserve ist diejenige Motorleistung zu verstehen, welche sich aus der Differenz der Leistung am aktuellen Betriebspunkt zur maximal möglichen Leistung für diesen Betriebspunkt ergibt. Danach erfolgt bei S6 eine Lastprüfung. Dieser Schritt erfolgt in der Laststeuerung 10 anhand der zuvor beschriebenen Aktivierungs- oder Deaktivierungsbedingungen. Bei S7 wird anhand der Ist-Trimmposition POS(IST) und der Ausgangsgrößen der Laststeuerung 10, hier: zweiter Verstellwinkel Phi2 sowie erste Verstellrate VSR1, über die Trimmregelung geprüft, ob die Trimmposition verändert werden soll, S8: Eintauchen bzw. S9: Austauchen, oder ob die Trimmposition beibehalten werden soll, S10. Danach ist der Programmablaufplan beendet.
  • Aus der Beschreibung ergeben sich für die Erfindung folgende Vorteile:
    • Die Führungsgröße für den Anlagenregler wird maßgeblich aus der Soll-Drehzahl gebildet, wodurch bei signifikanten Leistungswunsch-Änderungen ein sicherer und überlastungsfreier Betrieb der Brennkraftmaschine erzielt wird;
    • die selbsttätige Regelung der Trimmposition entlastet den Schiffsführer, wodurch der Komfort für ihn verbessert wird;
    • geringe Ist-Drehzahlschwankungen, zum Beispiel auf Grund des Wellengangs, werden unterdrückt, wodurch ein hohe Regelgüte der Trimmposition erreicht wird;
    • in jedem Betriebspunkt wird ein wirtschaftlicher und effektiver Betriebszustand automatisch eingestellt.
    Bezugszeichen
  • 1 Schiffsantriebsanlage
    2 Brennkraftmaschine
    3 Welle
    4 Getriebe
    5 Oberflächenpropeller
    6 Fahrhebel
    7 elektronisches Motorsteuergerät (ADEC)
    8 Anlagenregler
    9 Trimmvorgabe
    10 Laststeuerung
    11 Trimmregelung
    12 Stellglied
    13 elektronisches Getriebesteuergerät (GS)
    14 Drehzahlregler
    15 Kennfeld
    16 Kennfeld
    17 Kennfeld
    18 Schalter
    19 Schalter
    20 Steuerblock
    21 Kennfeld
    22 Schalter
    23 Begrenzung
    24 Totband
    25 Trimmregler
    26 Maximalwert-Auswahl
    27 Common-Railsystem

Claims (10)

  1. Verfahren zur Regelung einer Schiffsantriebsanlage (1) mit einem Oberflächenpropeller (5), bei dem ein Leistungswunsch als Soll-Drehzahl (nSL) interpretiert wird, aus der Soll-Drehzahl (nSL) sowie einer Ist-Drehzahl (nIST) der Brennkraftmaschine (2) eine Drehzahl-Regelabweichung (dn) berechnet wird, anhand der Drehzahl-Regelabweichung (dn) über einen Drehzahlregler (14) eine Einspritzmenge (qV) zur Drehzahl-Regelung der Brennkraftmaschine (2) festgelegt wird und bei dem die Trimmposition (POS) des Oberflächenpropellers (5) über einen Anlagenregler (8) in Abhängigkeit einer Leistungsreserve (PRES) der Brennkraftmaschine (2) sowie einer Ist-Trimmposition (POS(IST)) und einer effektiven Drehzahl (nEFF) geregelt wird, welche aus der Drehzahl-Regelabweichung (dn) bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die effektive Drehzahl (nEFF) über ein Kennfeld (15) und eine weitere Eingangsgröße (E), insbesondere Ladedruck eines Abgasturboladers, berechnet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass aus der effektiven Drehzahl (nEFF) über eine Trimmvorgabe (9) mit mehreren Auswahl-Kennfeldern (KF1, KF2, KF3) ein erster Verstellwinkel (Phi1) bestimmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Kennfeld (KF1, KF2, KF3) in Abhängigkeit der Anzahl der gekuppelten Wellen (3) und einer Schubrichtung (SRI) des Getriebes (4) ausgewählt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein zweiter Verstellwinkel (Phi2) und eine erste Verstellrate (VSR1) über eine Laststeuerung (10) in Abhängigkeit des ersten Verstellwinkels (Phi1), der Leistungsreserve (PRES) und der Ist-Trimmposition (POS(IST)) des Oberflächenpropellers (5) berechnet werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass bei aktivierter Laststeuerung (10) die erste Verstellrate (VSR1) und der zweite Verstellwinkel (Phi2) mittels Kennfeldern (17, 21) in Abhängigkeit der Leistungsreserve (PRES) berechnet werden oder alternativ auf einen festen Wert gesetzt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass bei aktivierter Laststeuerung (10) die erste Verstellrate (VSR1) auf Null gesetzt wird, wenn der Wert der Leistungsreserve (PRES) innerhalb eines Totbands (GW1, GW2) liegt.
  8. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass bei deaktivierter Laststeuerung (10) der zweite Verstellwinkel (Phi2) dem ersten Verstellwinkel (Phi1) entspricht.
  9. Verfahren nach einem der vorausgegangen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass aus dem zweiten Verstellwinkel (Phi2) als Führungsgröße und der Ist-Trimmposition (POS(IST)) eine Positions-Regelabweichung (dPOS) berechnet wird und aus der Positions-Regelabweichung (dPOS) über einen Trimmregler (25) eine zweite Verstellrate (VSR2) festgelegt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass entweder die erste (VSR1) oder die zweite Verstellrate (VSR2) als maßgeblich für das Stellsignal (STS) zur Festlegung der Trimmposition (POS) des Oberflächenpropellers (5) gesetzt wird.
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