EP0595977A1 - Steuersystem zum betreiben einer antriebsanlage eines schiffes. - Google Patents

Steuersystem zum betreiben einer antriebsanlage eines schiffes.

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EP0595977A1
EP0595977A1 EP92916358A EP92916358A EP0595977A1 EP 0595977 A1 EP0595977 A1 EP 0595977A1 EP 92916358 A EP92916358 A EP 92916358A EP 92916358 A EP92916358 A EP 92916358A EP 0595977 A1 EP0595977 A1 EP 0595977A1
Authority
EP
European Patent Office
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control
speed
clutch
travel
trolling
Prior art date
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Application number
EP92916358A
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English (en)
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EP0595977B1 (de
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Josef Schwarz
Christoph Goebel
Thomas Voss
Gerhard Maurer
Manfred Braig
Raimund Auer
Peter Brinck
Guenter Roth
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ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
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Publication date
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Publication of EP0595977A1 publication Critical patent/EP0595977A1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H23/00—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements
    • B63H23/22—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing
    • B63H23/26—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing fluid
    • 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
    • B63H23/00—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements
    • B63H23/02—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with mechanical gearing
    • B63H2023/0291—Trolling gears, i.e. mechanical power transmissions comprising controlled slip clutches, e.g. for low speed propulsion

Definitions

  • the invention relates generally to a control system for operating a propulsion system of a ship.
  • the drive system has at least one motor that drives a propeller shaft via a gearbox with at least one controllable clutch for forward and reverse travel.
  • Control and sensor means are provided in order to be able to vary the engine speed or the degree of slip of the clutch.
  • the control system also has control electronics for processing input and output signals in order to maintain the desired operating states of the drive system.
  • a mode selection device in which a specific operating mode can be selected.
  • the control lever of the control station is assigned a specific function. If the cruise mode is selected, the clutch is closed for forward travel. The control lever is used to vary the engine speed to set a specific cruising speed. If the mode selection device is used to preselect slow travel mode (trolling), the function assigned to the control lever changes. As long as this mode is selected, " the engine is operated at a certain, constant speed. The driving speed is varied by means of the control lever in such a way that the degree of slip of the clutch of the transmission is more or less is chosen large. The speed of the propeller shaft is thus varied via the degree of slip of the clutch.
  • the known control system has control electronics to which an input and output unit, a display unit and control and sensor means are connected.
  • direction reversals can be carried out in the troll or travel mode by a corresponding movement of the direction / speed lever.
  • the direction reversals are carried out by the control unit in an automatically clocked sequence.
  • the motor When changing from travel mode to TroHing mode, the motor reduces the speed to a speed selected by a rotary control.
  • the 'engine speed changes in the direction of the idle speed, clutch disengaged completely, and then the engine speed increases up to the control lever position (DE-A 39 07 841, column 12, lines 16-33 ).
  • the present invention is therefore based on the object of specifically influencing the reaction of the ship when reversing in that the skipper can make use of at least one reversing aid by means of which the timing of the ship is changed in a certain way. Above all, the response times when starting off or during turning maneuvers, in particular with low propeller shaft speeds, are to be improved.
  • the object on which the invention is based is achieved in that in one operating mode (trolling) of the drive system the clutch is completely closed after switching the direction of travel and the acceleration phase is ended by transmitting a control signal to the control electronics by transferring the clutch to the regulated slip mode.
  • This solution is a manual reversing aid that is selected by the skipper by pressing a selection button on the control station.
  • the clutch In start-up or turning maneuvers in trolling mode, the clutch is completely closed after switching the direction of travel. This accelerates the ship with a thrust corresponding to the prevailing engine speed.
  • the master may end the acceleration phase if the ship reacts sufficiently.
  • the end of the acceleration phase is tied to an adjustment movement of the driving switch (control lever).
  • the skipper When the "end of acceleration" concept is presented, the skipper usually reacts by adjusting the control lever in the sense of "reducing the drive speed”. This reaction is used by ending the acceleration phase by slightly reducing the trolling speed.
  • a control signal is transmitted to the control electronics when a negative adjustment gradient of the setpoint generator for the trolling speed is generated. The control electronics then convert the clutch into slipping, regulated operation, so that a trolling speed is set automatically.
  • the ship's reaction in trolling operation is significantly improved during approach and turning maneuvers.
  • the control electronics can interact with the slipping clutch in such a way that the clutch is protected against thermal overload.
  • Another solution to the problem is according to the invention that in one mode (trolling) of the drive system, the clutch is completely closed after switching the direction of travel and the acceleration phase by transmitting a control signal to the control electronics with the clutch closed by adjusting the speed of the propeller shaft to trolling -Speed is ended. It is advantageous here to derive the control signal for the control electronics from the ship's speed. When a desired ship speed is reached, the control signal is generated or delivered to the control electronics. In a preferred solution, the target ship speed is preselected, for example, using the travel switch.
  • the ship's speed is determined and the control signal is derived from the target / actual value comparison.
  • Either the relative speed of the ship against the water or the absolute speed of the ship above ground can be used.
  • the first option mentioned is advantageous, for example, when rescuing an accident victim, while the other option is used in the area of fixed systems.
  • a possible reversal aid can be automated.
  • the control station has a means for preselecting a desired reversal sequence.
  • This means can consist, for example, of a selector switch, which is preferably designed as a light button. By pressing the button, a certain reversal sequence can be selected, which then runs semi-automatically or fully automatically when the ship starts or reverses.
  • the control lever for briefly adjusting the trolling speed is actuated. With this adjustment, a negative adjustment gradient is generated.
  • An advantageous design of the control system for selecting the travel speed via a control lever, with which the engine speed is adjusted in travel mode is that in a region of the path of the control lever in which the engine speeds permissible for slow travel can be set, a superimposition of the setpoint - Make speed setting for slow travel mode.
  • the overlay means that in this area, instead of or in addition to a change in the engine speed, a change in the propeller shaft speed, that is to say the trolling speed, takes place with priority.
  • This superposition can advantageously be solved with known electrical means.
  • FIG. 1 is a schematic of a control system
  • FIG. 7 schematic representations of a
  • a control system for operating a propulsion system of a ship is shown in a highly simplified, schematic representation.
  • the drive system has at least one motor 1, the output shaft 2 of which is connected to a gear 3.
  • Gearwheels are arranged within the transmission 3 in a manner not shown, which are in meshing connection with each other.
  • the clutch 4 can be in three switching states operated: it is either fully open or completely closed. It can also be operated in a regulated slip mode.
  • the clutch 4 is preferably a hydraulically actuated, wet-running multi-plate clutch. With the help of a clutch pressure actuator 5, the degree of slippage of the clutch 4 can be adjusted.
  • the speed of the output shaft 2 of the motor 1 can be detected via a speed sensor 8.
  • Another speed sensor 9 is assigned to the propeller shaft 6 in order to detect its speed.
  • a temperature sensor 11 monitors the operating temperature of the clutch 4.
  • the speed sensors 8 and 9, the clutch pressure regulator 5 and the direction divider 10 are connected to an electronic control unit 12.
  • the gear 3 with the sensor and control means 8, 9, 11 and 5 and 10 can be combined to form a unit 13.
  • the electronic control unit is connected to a control station 15 via an electrical line 14.
  • the control station 15 comprises a series of control, switching and adjusting elements. Specifically, this is a command transmitter 18 for the direction of travel, a setpoint transmitter 19 for the speed of the propeller shaft 6 in slow travel mode (trolling mode), a control lamp 20 which indicates to the skipper that the propulsion systems are operating properly, and two warning lights 21 and 22, which signal deviations from normal operation.
  • An operating switch 23 is used to select the operating mode "slow travel" (trolling) and a further operating switch 24 is provided in order to preselect a reversing aid.
  • the button 25 is an emergency switch, and the button 26 turns the power supply on or off.
  • An essential feature of the invention is that the skipper has the possibility in slow travel mode, that is in trolling mode (operating switch 23 is actuated) to make use of reversing aids.
  • the skipper can preselect a specific reversing aid - depending on his needs.
  • the preselected reversing aid is activated when a certain control signal is transmitted to the electronic control unit 12.
  • the ship is propelled at a certain engine speed, for example 900 rpm.
  • the transmission 3 is shifted into reverse gear (second picture from above).
  • the ship moves backwards in slow speed mode at a propeller shaft speed of 100 rpm.
  • the clutch 4 operates in the controlled, slipping mode, that is, it is acted upon by a certain clutch pressure which causes a relative movement between the Lamella packs allowed (compare fourth picture from above).
  • the absolute value of the propeller shaft speed corresponds to the target trolling speed of 100 rpm.
  • the sign is negative because of the reverse drive.
  • the ship is moving at a reverse speed of three knots.
  • the gearbox is switched to the forward direction via a neutral position (second picture from above).
  • the clutch pressure is completely reduced in the neutral position of the transmission.
  • the clutch With the switching of the forward driving direction, the clutch is closed completely, so that the clutch pressure quickly reaches its maximum (compare fourth picture from above).
  • the propeller shaft speed begins to increase and reaches its maximum in the present exemplary embodiment at 400 rpm. This speed value depends on the prevailing engine speed and the gear ratio. The ship's speed slows down, goes through zero and begins to increase in the forward direction (see bottom illustration).
  • the ship When the clutch is fully closed, the ship is accelerated at a current propeller shaft speed which is dependent on " various influences, for example the engine speed, the clutch pressure, the flow conditions, etc.
  • the ship's captain observes the reaction of the ship. As soon as the ship reaction is sufficient appears, it ends the acceleration phase in the following way:
  • a control lever 27, with which the trolling target speed is set, is briefly adjusted in the sense of a reduction in the set trolling target speed. During this brief withdrawal, a negative adjustment gradient is generated, which is transmitted to the control unit 12. This control signal is sent from the control unit 12 interpreted that the acceleration phase should be ended.
  • the brief withdrawal of the set trolling speed is indicated schematically (third illustration from above) by the fact that a notch can be seen in the otherwise straight-line characteristic of the trolling speed.
  • the clutch pressure is reduced to a value which corresponds to the clutch pressure as it corresponds to the desired trolling speed or the propeller shaft speed or a desired ship speed.
  • Another reversing aid which is related to that explained above, consists in the fact that in trolling mode the clutch 4 is initially completely closed after switching the forward direction. This accelerates the ship with a thrust that is proportional to the selected engine speed. As soon as the ship takes into account the system dynamics has reached the desired speed, the control electronics 12 interrupts the acceleration with the clutch closed and adjusts the trolling speed on the propeller shaft until the desired speed is reached. The sensor 16 mentioned is used to determine the speed. In contrast to the first reversing aid, this type of reversing aid can run automatically.
  • a reversing aid can be selected or preselected with the operating switch 24.
  • the control system according to the invention is particularly flexible when all reversing aids are available on request.
  • the skipper has the option of preselecting one of a total of three available reversing aid 4 via the operating switch 24.
  • the propulsion system of the ship is suitable for every situation for practical conditions.
  • the diagrams corresponding to FIGS. 4 to 6 show the speed ratios as a function of the swivel angle of the control levers assigned to them. 4 is based on a deck switch which has two control levers. A first control lever allows you to switch a certain direction of travel and set a certain engine speed. Another
  • Control lever allows the setting of a certain trolling target speed.
  • This control lever can be used to preselect a specific direction of travel and a specific engine speed.
  • the engine speed can be set in 'that are permitted for the trolling mode or suitable, the arrangement being such that superimposition of the setpoint setting for a trolling speed takes place automatically with priority.
  • These areas, in which the vehicle is then driven in slow travel mode, are shown with dashed lines 31. It is advantageous that the speeds are superimposed in such a way that a minimum trolling speed is set at a minimum motor speed. The maximum permitted engine speed in trolling mode is then assigned the maximum possible trolling speed.
  • a deck switch which can have either one or two control levers.
  • travel mode the direction of travel is switched with one or both control levers and an engine speed is set (solid line).
  • trolling mode a control lever can be used to specify the trolling propeller shaft speed (dashed line Lines).
  • the electronic control unit 12 or separate engine electronics assign a predetermined engine speed to a preselected trolling speed. This assignment takes place depending on certain operating parameters of the engine or the transmission. These operating parameters are characteristic parameters such as fuel consumption, the thermal load on the clutch or exhaust emission values.
  • control lever 27 or drive switch with which a trolling speed can be set is shown schematically.
  • the control lever 27 can be pivoted between two end positions (for example 0% and 100%).
  • a sector 29 which adjoins an end position (0%) the control lever 27 can only be pivoted against resistance, for example the force of a compression spring 30, in the sense of a further reduction.

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Description

Steuersystem zum Betreiben einer Antriebsanlage eines Schiffes
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Steuersystem zum Betreiben einer Antriebsanlage eines Schiffes. Die Antriebsanlage verfügt zumindest über einen Motor, der über ein Getriebe mit mindestens einer regelbaren Kupplung für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt eine Propellerwelle antreibt. Es sind Steuer- und Sensormittel vorgesehen, um die Motordrehzahl oder den Schlupfgrad der Kupplung variieren zu können. Ferner ist mindestens eine Steuerstation mit Steuermitteln vorhanden, über die der Schiffsführer die Fahrtrichtung und die Geschwindigkeit des Schiffes durch Betätigen mindestens eines Steuerhebels beeinflussen kann. Ferner verfügt das Steuersystem über eine Steuerelektronik zum Verarbeiten von Ein- und Ausgangssignalen, um die gewünschten Betriebszustände der Antriebsanlage aufrecht zu erhalten.
Bei einem bekannten Steuersystem zum Betreiben einer Antriebsanlage ist eine Modus-Wähleinrichtung vorgesehen, bei der eine bestimmte Betriebsart vorgewählt werden kann. Je nach dem, welche Betriebsart vorgewählt wird, wird dem Steuerhebel der Steuerstation eine bestimmte Funktion zugeordnet. Wird der Reise-Modus (Cruise) angewählt, wird die Kupplung für die Vorwärtsfahrt geschlossen. Mit dem Steuerhebel wird die Motordrehzahl variiert, um eine bestimmte Reisegeschwindigkeit einzustellen. Wenn mit der Modus-Wähleinrichtung der Langsamfahrt-Modus (Trolling) vorgewählt wird, ändert sich die dem Steuerhebel zugeordnete Funktion. Solange dieser Modus gewählt ist," wird der Motor mit einer bestimmten, gleichbleibenden Drehzahl betrieben. Die Fahrtgeschwindigkeit wird über den Steuerhebel in der Weise variiert, daß der Schlupfgrad der Kupplung des Getriebes mehr oder weniger groß gewählt wird. Über den Schlupfgrad der Kupplung wird somit die Drehzahl der Propellerwelle variiert. Das bekannte Steuersystem verfügt über eine Steuerelektronik, an die eine Ein- und Ausgabeeinheit, eine Anzeigeeinheit und Steuer- und Sensormittel angeschlossen sind. Bei dem bekannten Steuersystem können Richtungsumkehrungen im Troll- oder Reise-Modus durch eine entsprechende Bewegung des Richtungs-/Drehzahlhebels durchgeführt werden. Die Richtungsumkehrungen werden in einer automatisch getakteten Sequenz durch das Steuergerät ausgeführt. Beim Wechsel vom Reise-Modus zum TroHing-Modus reduziert der Motor die Drehzahl auf eine durch einen Drehsteller vorgewählte Drehzahl. Beim Wechsel vom TroHing-Modus zum Reise-Modus ändert sich die 'Motordrehzahl in Richtung zur Leerlaufdrehzahl, die Kupplung rückt vollständig ein, und sodann erhöht sich die Motordrehzahl bis zur Steuerhebelstellung (DE-A 39 07 841, Spalte 12, Zeilen 16 - 33) .
Bei dem vorstehend erläuterten Steuersystem wird der Schiffsführer zwar durch eine automatisch getaktete Sequenz von der manuellen Bedienung entlastet, jedoch hat die dort vorgeschlagene Vorgehensweise praktisch keinen Einfluß auf das Zeitverhalten des Schiffes insgesamt beim Wechsel vom Trolling-Modus in den Reise-Modus und umgekehrt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Reaktion des Schiffes beim Umsteuern gezielt dadurch zu beeinflussen, daß der Schiffsführer von mindestens einer Umsteuerhilfe Gebrauch machen kann, durch die das Zeitverhalten des Schiffes in einer bestimmten Weise verändert wird. Hierbei sollen vor allem die Reaktionszeiten beim Anfahren oder bei Wendemanövern, insbesondere mit niedrigen Propellerwellendrehzahlen, verbessert werden. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einer Betriebsart (Trolling) der Antriebsanlage die Kupplung nach Schalten der Fahrtrichtung vollständig geschlossen wird und die Beschleunigungsphase durch Übermittlung eines Steuersignals an die Steuerelektronik durch Überführen der Kupplung in den geregelten Schlupfbetrieb beendet wird. Bei dieser Lösung handelt es sich um eine manuelle Umsteuerhilfe, die vom Schiffsführer durch Betätigen einer Wahltaste an der Steuerstation angewählt wird. Bei Anfahr- oder Wendemanövern im Trolling-Modus wird die Kupplung nach Schalten der Fahrtrichtung zunächst vollständig geschlossen. Dadurch wird das Schiff mit einem der herrschenden Motordrehzahl entsprechenden Schub beschleunigt. Der Schiffsführer kann die Beschleunigungsphase bei ausreichender Reaktion des Schiffes beenden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Beenden der Beschleunigungsphase an eine Verstellbewegung des Fahrschalters (Steuerhebel) gebunden. Der Schiffsführer reagiert bei der Vorstellung "Ende der Beschleunigung" normalerweise mit einer Verstellung des Steuerhebels im Sinne einer "Reduktion der Antriebsdrehzahl". Diese Reaktion wird genutzt, indem die Beschleunigungsphase durch geringfügiges Zurücknehmen der Trolling-Drehzahl beendet wird. Mit dem Erzeugen eines negativen Verstellgradienten des Sollwertgebers für die Trolling-Drehzahl, wird der Steuerelektronik ein Steuersignal übermittelt. Die Steuerelektronik überführt die Kupplung sodann in den schlupfenden, geregelten Betrieb, so daß sich eine Trolling-Drehzahl selbsttätig einstellt. Die Schiffsreaktion im Trolling-Betrieb wird bei Anfahr- und Wendemanövern erheblich verbessert. Die Steuerelektronik kann mit der schlupfenden Kupplung in der Weise zusammenwirken, daß die Kupplung vor thermischer Überlastung geschützt wird. Eine weitere Lösung der gestellten Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß in einer Betriebsart (Trolling) der Antriebsanlage die Kupplung nach Schalten der Fahrtrichtung vollständig geschlossen wird und die Beschleunigungsphase durch Übermittlung eines Steuersignals an die Steuerelektronik bei geschlossener Kupplung durch Einstellen der Drehzahl der Propellerwelle auf eine Trolling-Drehzahl beendet wird. Hierbei ist es vorteilhaft, das Steuersignal für die Steuerelektronik von der Schiffsgeschwindigkeit abzuleiten. Bei Erreichen einer gewünschten Schiffsgeschwindigkeit wird das Steuersignal erzeugt bzw. an die Steuerelektronik geliefert. Bei einer bevorzugten Lösung wird die Soll-Schiffsgeschwindigkeit zum Beispiel mit dem Fahrschalter vorgewählt. Mit Hilfe eines geeigneten Meßglieds wird die Schiffsgeschwindigkeit ermittelt und das Steuersignal vom Soll-/Ist-Wertvergleich abgeleitet. Hierbei kann entweder die Relativgeschwindigkeit des Schiffs gegenüber dem Wasser oder die absolute Geschwindigkeit des Schiffs über Grund herangezogen werden. Die zuerst genannte Möglichkeit ist beispielsweise bei der Bergung eines Havaristen vorteilhaft, während von der weiteren Möglichkeit im Bereich ortsfester Anlagen Gebrauch gemacht wird. Mit diesem Vorschlag läßt sich eine mögliche Umsteuerhilfe automatisieren.
Schließlich besteht eine weitere Lösung der gestellten Aufgabe darin, daß in einer Betriebsart (Trolling) der Antriebsanlage die Kupplung so weit geschlossen wird, daß die vorgewählte Trolling-Drehzahl und Drehrichtung an der Propellerwelle eingestellt wird und die Steuerelektronik im Übergangsbereich, in dem der Propeller auch als Turbine angetrieben werden, kann die Propellerwellendrehzahl konstant hält. Bei dieser Lösung stellt sich selbsttätig die vorgewählte Trolling-Drehzahl und Drehrichtung am Propeller ein. Anschließend hält die Steuerelektronik mit Hilfe der Steuer- und Sensormittel die Propellerdrehzahl konstant, und zwar unter Berücksichtigung der Tatsache, daß beim Reversiervorgang der Propeller in einem Übergangsbereich als Turbine angetrieben werden kann. Diese Umsteuerhilfe ist - wie erwähnt - automatisierbar und ist insbesondere für Manöver besonders geeignet, bei denen die Schiffsgeschwindigkeit langsam gesteigert werden soll.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung eines Steuersystems verfügt die Steuerstation über ein Mittel zur Vorwahl einer gewünschten Umsteuersequenz. Dieses Mittel kann zum Beispiel in einem Wahlschalter bestehen, der vorzugsweise als Leuchttaste ausgebildet ist. Durch Betätigen der Taste kann eine bestimmte Umsteuersequenz vorgewählt werden, die dann beim Anfahren oder Reversieren des Schiffes semi- oder vollautomatisch abläuft. Bei der eingangs erwähnten, manuell einzuleitenden Umsteuerhilfe wird der Steuerhebel zur Verstellung der Trolling-Drehzahl kurzzeitig betätigt. Bei dieser Verstellung wird ein negativer Verstellgradient erzeugt.
Eine vorteilhafte Auslegung der Steuerung zur Wahl der Fahrtgeschwindigkeit über einen Steuerhebel, mit dem die Motordrehzahl im Reise-Modus verstellt wird, besteht darin, daß in einem Bereich des Wegs des Steuerhebels, in dem für Langsamfahrt zulässige Motordrehzahlen eingestellt werden können, eine Überlagerung der Sollwert-Drehzahl-Einstellung für den Langsamfahrt-Modus vorzunehmen. Die Überlagerung bedeutet, daß in diesem Bereich anstelle oder zusätzlich zu einer Veränderung der Motordrehzahlen eine Veränderung der Propellerwellendrehzahl, das heißt der Trolling-Drehzahl, mit Priorität stattfindet. In vorteilhafter Weise kann diese Überlagerung mit bekannten elektrischen Mitteln gelöst werden. Für einen wirtschaftlichen bzw. auch umweltfreundlichen Antrieb ist es vorteilhaft, einer vorgewählten Propellerwellendrehzahl für den Langsamfahrt-Modus selbsttätig eine bestimmte Motordrehzahl zuzuordnen. Diese Zuordnung zwischen einer Trolling-Drehzahl und einer Motordrehzahl kann in Abhängigkeit spezifischer Betriebsparamter des Motors vorgenommen werden. Bei diesen Parametern kann es sich beispielsweise um den Kraftstoffverbrauch, eine AbgasZusammensetzung oder auch um andere Kenngrößen handeln.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema eines Steuersystems;
Fig. 2 und 3 Ablaufdiagramme von Umsteuerhilfen;
Fig. 4 bis 6 verschiedene Drehzahldiagramme in
Abhängigkeit des Schwenkwinkels eines Steuerhebels.
Fig. 7 schematische Darstellungen eines
Steuerhebels, mit dem ein negativer Verstellgradient erzeugt wird;
In Fig. 1 ist in stark vereinfachter, schematischer Darstellung ein Steuersystem zum Betreiben einer Antriebsanläge eines Schiffes dargestellt. Die Antriebsanlage hat mindestens einen Motor 1, dessen Abtriebswelle 2 mit einem Getriebe 3 verbunden ist. Innerhalb des Getriebe 3 sind in nicht näher dargestellter Weise Zahnräder angeordnet, die miteinander in kämmender Verbindung stehen. Ferner ist mindestens eine Kupplung 4 vorhanden. Die Kupplung 4 kann in drei Schaltzuständen betrieben werden: sie ist entweder vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen sein. Ferner kann sie in einem geregelten Schlupfbetrieb betrieben werden. Bei der Kupplung 4 handelt es sich vorzugsweise um eine hydraulisch betätigbare, naßlaufende Lamellenkupplung. Mit Hilfe eines Kupplungs-Druckstellers 5 kann der Schlupfgrad der Kupplung 4 eingestellt werden. Vom Getriebe 3 führt eine Abtriebswelle, die mit Propellerwelle 6 bezeichnet wird, zu einem Propeller 7.
Die Drehzahl der Abtriebswelle 2 des Motors 1 kann über einen Drehzahlsensor 8 erfaßt werden. Ein weiterer Drehzahlsensor 9 ist der Propellerwelle 6 zugeordnet, um deren Drehzahl zu erfassen.
Mit einem Fahrtrichtungssteiler 10 wird das Getriebe 3 auf Vorwärts- bzw. Rückwärtsfahrt geschaltet. Ein Temperatursensor 11 überwacht die Betriebstemperatur der Kupplung 4.
Die Drehzahlsensoren 8 und 9, der Kupplungsdrucksteller 5 und der Fahrtrichtungssteiler 10 sind mit einem elektronischen Steuergerät 12 verbunden. Das Getriebe 3 mit den Sensor- und Steuermitteln 8, 9, 11 sowie 5 und 10 können zu einer Baueinheit 13 zusammengefaßt werden.
Das elektronische Steuergerät ist über eine elektrische Leitung 14 an eine Steuerstation 15 angeschlossen. In die Leitung 14 mündet ein Anschluß eines Sensors 16 für die Schiffsgeschwindigkeit sowie ein Anschluß für einen Systemstecker 17, an den bedarfsweise ein Gerät zur Systemdiagnose angeschlossen werden kann. Die Steuerstation 15 umfaßt eine Reihe von Kontroll-, Schalt- und Stellelementen. Im einzelnen handelt es sich hierbei um einen Befehlsgeber 18 für die Fahrtrichtung, einen Sollwertgeber 19 für die Drehzahl der Propellerwelle 6 im Langsamfahrt-Modus (Trolling-Modus), eine Kontrollampe 20, die dem Schiffsführer den ordnungsgemäßen Betrieb der Antriebsanläge anzeigt, sowie zwei Warnleuchten 21 und 22, die Abweichungen vom ordnungsgemäßen Betrieb signalisieren. Ein Betriebsschalter 23 dient dazu, den Betriebs-Modus "Langsamfahrt" (Trolling) anzuwählen und ein weiterer BetriebsSchalter 24 ist vorgesehen, um eine Umsteuerhilfe vorzuwählen. Bei der Taste 25 handelt es sich um einen Notschalter, und mit der Taste 26 wird die Stromversorgung ein- bzw. ausgeschaltet.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Schiffsführer im Langsamfahrt-Modus, das heißt im Trolling-Betrieb (Betriebsschalter 23 ist betätigt) , die Möglichkeit hat, von Umsteuerhilfen Gebrauch zu machen. Mit Hilfe des BetriebsSchalters 24 kann der Schiffsführer eine bestimmte Umsteuerhilfe - je nach seinen Bedürfnissen - vorwählen. Die vorgewählte Umsteuerhilfe wird aktiviert, wenn dem elektronischen Steuergerät 12 ein bestimmtes Steuersignal übermittelt wird.
Das Ablaufdiagramm nach Fig. 2 verdeutlicht, wie eine Umsteuerhilfe, die halbautomatisch abläuft, wirkt. Das Schiff wird bei einer bestimmten Motordrehzahl, beispielsweise von 900 U/min angetrieben. Zunächst ist das Getriebe 3 im Rückwärtsgang geschaltet (zweites Bild von oben) . Das Schiff bewegt sich im Langsamfahrt-Modus bei einer Propellerwellendrehzahl von 100 U/min rückwärts. Die Kupplung 4 arbeitet im geregelten, schlupfenden Betrieb, d. h., sie ist mit einem bestimmten Kupplungsdruck beaufschlagt, der eine Relativbewegung zwischen den Lamellenpaketen zuläßt (vergleiche viertes Bild von oben). Die Propellerwellendrehzahl entspricht im Absolutbetrag der Trolling-Solldrehzahl von 100 U/min. Das Vorzeichen ist wegen der Rückwärtsfahrt negativ. Das Schiff bewegt sich beispielsweise mit einer Rückwärtsfahrgeschwindigkeit von drei Knoten. Soll nun aus der Rückwärtsfahrt heraus reversiert werden, wird das Getriebe über eine Neutralstellung in die Vorwärtsfahrtrichtung geschaltet (zweites Bild von oben). Der Kupplungsdruck wird in der Neutralstellung des Getriebes vollständig abgebaut. Mit dem Schalten der Vorwärtsfahrtrichtung wird die Kupplung vollständig geschlossen, so daß der Kupplungsdruck schnell sein Maximum erreicht (vergleiche viertes Bild von oben). Die Propellerwellendrehzahl beginnt zu steigen und erreicht ihr Maximum im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei 400 U/min. Dieser Drehzahlwert ist abhängig von der herrschenden Motordrehzahl und der Getriebeübersetzung. Die Schiffsgeschwindigkeit verlangsamt sich, geht durch Null und beginnt in Vorwärtsfahrtrichtung zu steigen (vergleiche unterste Abbildung).
Mit dem vollständigen Schließen der Kupplung wird das Schiff mit einer aktuellen Propellerwellendrehzahl, die von" verschiedenen Einflüssen, zum Beispiel der Motordrehzahl, dem Kupplungsdruck, den Strömungsverhältnissen usw. abhängig ist, beschleunigt. Der Schiffsführer beobachet die Reaktion des Schiffes. Sobald ihm die Schiffsreaktion ausreichend erscheint, beendet er die Beschleunigungsphase in folgender Weise:
Ein Steuerhebel 27, mit dem die Trolling-Soll-Drehzahl eingestellt wird, wird kurzzeitig im Sinne einer Reduzierung der eingestellten Trolling-Soll-Drehzahl verstellt. Bei diesem kurzzeitigen Zurücknehmen wird ein negativer Verstellgradient erzeugt, der dem Steuergerät 12 übermittelt wird. Von dem Steuergerät 12 wird dieses Steuersignal dahingehend interpretiert, daß die Beschleunigungsphase beendet werden soll. Das kurzzeitige Zurücknehmen der eingestellten Trolling-Soll-Drehzahl ist (dritte Abbildung von oben) dadurch schematisch angedeutet, daß in der ansonsten als gerade verlaufenden Kennlinie der Trolling-Soll-Drehzahl eine Einkerbung ersichtlich ist. Sobald die Steuerelektronik das-Steuersignal empfangen hat, wird der Kupplungsdruck auf einen Wert reduziert, der dem Kupplungsdruck entspricht, wie er der Trolling-Soll-Drehzahl bzw. der Propellerwellendrehzahl bzw. einer gewünschten Schiffsgeschwindigkeit entspricht.
Die Wirksamkeit der Umsteuerhilfe wird bei Betrachtung der unteren Abbildung der Fig. 2 deutlich. Nach Schalten der Vorwärtsfahrtrichtung und nach Durchlaufen der Schiffsgeschwindigkeit von Null steigt die Schiffsgeschwindigkeit in Vorwärtsfahrtrichtung relativ schnell an, bis der Schiffsführer durch Erzeugen des Steuersignals auf die vorstehend beschriebene Art und Weise die Beschleunigungsphase beendet. Dieses Zeitverhalten ist in der unteren Abbildung mit den durchgezogenen dicken Linien gekennzeichnet. Im Vergleich hierzu zeigt die gestrichelte Linie 28 das Zeitverhalten des Schiffes ohne Umsteuerhilfe. Ersichtlich ist, daß die gewünschte Schiffsgeschwindigkeit in Vorwärtsfahrtrichtung zu einem vergleichsweise sehr viel späteren Zeitpunkt erreicht wird.
Eine weitere Umsteuerhilfe, die mit der vorstehend erläuterten verwandt ist, besteht darin, daß im Trolling- Betrieb die Kupplung 4 nach Schalten der Vorwärtsfahrtrichtung zunächst vollständig geschlossen wird. Dadurch wird das Schiff mit einem Schub beschleunigt, der der gewählten Motordrehzahl proportional ist. Sobald das Schiff unter Berücksichtigung der Systemdynamik die gewünschte Geschwindkeit erreicht hat, unterbricht die Steuerelektronik 12 die Beschleunigung mit geschlossener Kupplung und stellt die Trolling-Drehzahl an der Propellerwelle ein, bis die Soll-Geschwindigkeit erreicht ist. Zur Ermittlung der Geschwindigkeit dient der erwähnte Sensor 16. Im Unterschied zur ersten Umsteuerhilfe kann diese Art der Umsteuerhilfe automatisiert ablaufen.
Aus der Abbildung entsprechend Fig. 3 ist eine dritte Möglichkeit einer' Umsteuerhilfe zu ersehen. Aus der vierten Abbildung von oben geht hervor, daß die Kupplung 4 beim Schalten der Vorwärtsfahrtrichtung zunächst so weit geschlossen wird, daß sich unmittelbar die vorgewählte Trolling-Drehzahl und Drehrichtung an der Propellerwelle 6 einstellt. Die Steuerelektronik 12 hält auch die Propellerwellendrehzahl konstant, und zwar entgegen einem am Propeller 7 wirkenden Turbinen-Antriebsmoment. Die erläuterte Umsteuerhilfe ist besonders dann vorteilhaft einzusetzen, wenn Manöver gefahren werden sollen, die eine langsame Geschwindigkeitssteigerung erfordern, wie dies zum Beispiel beim Anschleppen erwünscht ist.
Mit dem Betriebsschalter 24 kann eine Umsteuerhilfe an- bzw. vorgewählt werden. Besonders flexibel ist das erfindungsgemäße Steuersystem dann, wenn sämtliche Umsteuerhilfen auf Wunsch verfügbar sind. In diesem Fall hat der Schiffsführer die Möglichkeit, über den Betriebsschalter 24 eine - aus insgesamt drei verfügbaren - Umsteuerhilfe 4 vorzuwählen. Die Antriebsanlage des Schiffes wird in diesem Fall für praktische Verhältnisse jeder Situation gerecht. Den Diagrammen entsprechend den Fig. 4 bis 6 lassen sich die Drehzahlverhältnisse in Abhängigkeit der Schwenkwinkel der ihnen zugeordneten Steuerhebel entnehmen. DemDiagramm entsprechend Fig. 4 liegt ein Deckschalter zugrunde, der zwei Steuerhebel aufweist. Ein erster Steuerhebel erlaubt das Schalten einer bestimmten Fahrtrichtung und das Einstellen einer bestimmten Motordrehzahl . Ein weiterer
Steuerhebel läßt die Einstellung einer bestimmten Trolling-Soll-Drehzahl zu.
Dem .Diagramm nach Fig. 5 liegt ein Deckschalter mit einem Steuerhebel zugrunde. Mit diesem Steuerhebel kann eine bestimmte Fahrtrichtung und eine bestimmte Motordrehzahl vorgewählt werden. In dem Bereich, in' dem Motordrehzahlen eingestellt werden können, die auch für den Trolling-Betrieb zulässig bzw. geeignet sind, ist die Anordnung so getroffen, daß eine Überlagerung der Sollwerteinstellung für eine Trolling-Drehzahl selbsttätig mit Priorität stattfindet. Diese Bereiche, in denen dann im Langsamfahrt-Modus gefahren wird, sind mit gestrichelten Linien 31 eingezeichnet. Es ist vorteilhaft, daß die Drehzahlen so überlagert werden, daß bei einer minimalen Motordrehzahl eine minimale Trolling- Drehzahl eingestellt wird. Der im Trolling-Betrieb maximal zulässigen Motordrehzahl ist dann die maximal mögliche Trolling-Drehzahl zugeordnet.
Dem Diagramm entsprechend Fig. 6 liegt ein Deckschalter zugrunde, der entweder einen oder auch zwei Steuerhebel aufweisen kann. Im Reise-Modus wird mit einem bzw. beiden Steuerhebeln die Fahrtrichtung geschaltet und eine Motordrehzahl eingestellt (durchgezogene Linie). Im Trolling-Betrieb ist mit einem Steuerhebel eine Vorgabe der Trolling-Propellerwellendrehzahl möglich (gestrichelte Linien) . Das elektronische Steuergerät 12 bzw. eine gesonderte Motorelektronik ordnet einer vorgewählten Trolling-Drehzahl eine bestimmte Motor-Drehzahl zu. Diese Zuordnung erfolgt in Abhängigkeit bestimmter Betriebsparameter des Motors bzw. des Getriebes. Bei diesen Betriebsparametern handelt es sich um charakteristische Kenngrößen, wie beispielsweise den Kraf stoffverbrauch, die thermische Belastung der Kupplung oder auch Abgasemissionswerten.
In Fig. 7 ist schematisch der Steuerhebel 27 oder Fahrschalter, mit dem eine Trolling-Drehzahl eingestellt werden kann, abgebildet. Der Steuerhebel 27 ist zwischen zwei Endlagen (z. B. 0 % und 100 %) schwenkbar. In einem Sektor 29, der sich an eine Endlage (0 %) anschließt, ist der Steuerhebel 27 nur gegen einen Widerstand, beispielsweise die Kraft einer Druckfeder 30, im Sinne einer weiteren Reduzierung verschwenkbar. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß ein negativer Verstellgradient auch dann erzeugt werden kann, wenn sich der Steuerhebel 27 in einer Endlage befindet, aus der heraus eine weitere Reduzierung, der Trolling-Solldrehzahl tatsächlich nicht mehr möglich ist. Die vorstehend erläuterte Maßnahme erhöht die passive Sicherheit des Systems .
Bezu szeichen

Claims

A n s p r ü c h e
1. Steuersystem zum Betreiben einer Antriebsanlage eines Schiffes mit mindestens einem Motor (1), der über ein Getriebe (3) mit mindestens einer regelbaren Kupplung (4) für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt eine Propellerwelle (6) treibt, mit Steuer- und Sensormitteln (5, 8, 9, 10, 11, 12, 16, 17, 27) zum Beeinflussen der Motordrehzahl und/oder des Schlupfgrades der Kupplung (4) mit mindestens einer SteuerStation (15) mit Steuermitteln (18 - 26) zur Einstellung der Fahrtrichtung und Geschwindigkeit des Schiffes durch Betätigen mindestens eines Steuerhebels (27) sowie einer Steuerelektronik (12) zum Verarbeiten von Ein- und AusgangsSignalen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in einer Betriebsart (Langsamfahrt-Modus, Trolling) der Antriebsanlage die Kupplung (4) nach Schalten der Fahrtrichtung vollständig geschlossen wird und die Beschleunigungsphase durch Übermittlung eines Steuersignals an die Steuerelektronik (12) durch Überführen der Kupplung (4) in den geregelten Schlupfbetrieb beendet wird.
2. Steuersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in einer Betriebsart (Langsamfahrt-Modus, Trolling) der Antriebsanlage die Kupplung (4) nach Schalten der Fahrtrichtung vollständig geschlossen wird und die Beschleunigungsphase durch Übermittlung eines Steuersignals an die Steuerelektronik (12) bei geschlossener Kupplung (4) durch Einstellen der Drehzahl der Propellerwelle (6) auf eine Trolling-Drehzahl beendet wird. 3. Steuersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in einer Betriebsart (Langsamfahrt-Modus, Trolling) der Antriebsanlage die Kupplung (4) so weit geschlossen wird, daß die vorgewählte Trolling-Drehzahl und Drehrichtung an der Propellerwelle (6) eingestellt wird und die Steuerelektronik (12) im Übergangsbereich, in dem der Propeller (7) als Turbine wirken kann, die vorgewählte Propellerwellendrehzahl konstant hält. 0 . Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch g e k e n.n z e i c h n e t , daß der aus einer Reduzierung der Trolling-Drehzahl resultierende negative Verstellgradient eines Steuerhebels das Steuersignal für die Steuerelektronik (12) liefert.
5. Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Erreichen einer definierten Schiffsgeschwindigkeit das Steuersignal für die Steuerelektronik (12) liefert.
6. Steuersystem mit einer Steuerstation (15) , über die die Betriebsweise der Antriebsanlage kontrollierbar ist, nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch - g e k e n n z e i c h e t , daß Mittel
(BetriebsSchalter 24) zur Vorwahl einer Umsteuersequenz vorhanden sind.
7. Steuersystem mit mindestens einer Steuerstation (15) mit mindestens einem Steuerhebel, der zur Wahl der Fahrtgeschwindigkeit im Langsamfahrt-Modus zwischen zwei Endlagen schwenkbar ist, nach Anspruch 1 dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Steuerhebel (27) in einem an eine der Endlagen angrenzenden Bereich gegen einen Widerstand verstellbar ist. 8'. Steuersystem mit mindestens einer Steuerstation (15) mit einem Steuerhebel zur Wahl der Fahrtgeschwindigkeit durch Verstellen der Motordrehzahl im Reise-Modus (Cruise) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in einem Bereich des Steuerhebels, in dem für Langsamfahrt zulässige Motordrehzahlen einstellbar sind, eine Überlagerung der Einstellung des Sollwerts der Propellerwellendrehzahl mit Priorität stattfindet, so daß in diesem Bereich die Antriebsanlage im Langsamfahrt-Modus betrieben wird.
9. -Steuersystem nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Überlagerung mit elektrischen Mitteln erfolgt.
10. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß einer vorgewählten Propellerwellendrehzahl für den Langsamfahrt- Modus selbsttätig eine betriebsparameterabhängige Motordrehzahl durch die Steuerelektronik (12) zugeordnet wird.
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