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 .

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