船舶應用中的自動燃料經濟性優化的製作方法

2023-04-28 13:20:41 3

專利名稱：船舶應用中的自動燃料經濟性優化的製作方法
技術領域：
本發明涉及船舶，更具體地涉及優化船舶的燃料經濟性。
背景技術：
此處提供的背景資料描述是為了總體上介紹本發明的背景。在背景資料章節所描述的程度上，目前署名的發明人的作品以及那些在申請時不構成現有技術的方面都並非明 示地或隱含地被認為是本發明的現有技術。許多船舶具有舷外掛機，該舷外掛機具有推進器，該推進器推進正在航行的運載 工具。舷外掛機相對於船舶的角度是舷外掛機平衡角(trim angle)。在航行時，可以將該 舷外掛機的平衡角移到不同位置。其他變量也可影響船舶在水中的移動，包括但不限於平 衡調整片的位置。平衡調整片通常是液壓裝置，這些液壓裝置用於控制船舶的姿態。平衡 調整片控制船舶的俯仰以及船舶在搖晃方向上的任何傾斜。隨著燃料成本的提高，對船舶的高燃料經濟性的需求也隨之升高。如果安裝了的 話，舷外掛機平衡角和平衡調整片能影響船舶的燃料經濟性。

發明內容
因此，本發明提供一種系統，該系統通過調節船舶操作特性來提高船舶的燃料經 濟性，這些操作特性可包括舷外掛機平衡角和平衡調整片位置(如果安裝了的話)。本發明 提供一種系統和方法，從而使得即使是駕船新手也能獲得高水平的燃料經濟性。在本發明的一個方面，一種用於操作船舶的系統包括巡航控制模塊和平衡控制模 塊，該巡航控制模塊使船舶在一個速度下航行，該平衡控制模塊使舷外掛機定位在多個平 衡位置。燃料經濟性判定模塊為每個平衡位置判定多個燃料經濟性並且通過每個平衡位置 的多個燃料經濟性判定高效平衡位置。操作控制模塊使船舶在高效平衡位置航行。在本發明的另一個方面，一種方法包括使船舶以一個速度航行、使舷外掛機定位 在多個平衡位置、判定每個平衡位置的多個燃料經濟性、通過每個平衡位置的多個燃料經 濟性判定高效平衡位置、以及使船舶在高效平衡位置航行。根據本發明的一個方面，提供一種用於操作船舶的系統，包括巡航控制模塊，其 使所述船舶以一定速度航行；平衡控制模塊，其將舷外掛機定位到多個平衡位置；燃料經 濟性判定模塊，其判定每個平衡位置的多個燃料經濟性並且從每個平衡位置的多個燃料經 濟性中判定高效平衡位置；以及操作控制模塊，其使所述船舶在所述高效平衡位置下航行。在優選實施例中，所述速度包括恆定的發動機轉速。在優選實施例中，所述速度包括恆定的船速。在優選實施例中，所述速度包括多個速度，並且其中，所述平衡控制模塊將所述舷 外掛機定位到所述多個速度中的每個速度下的多個平衡位置。在優選實施例中，所述系統還包括建立速度窗口的巡航控制模塊，所述速度窗口 具有高速和低速並且使所述船舶在多個速度下航行，並且其中，所述平衡控制模塊將所述舷外掛機定位到所述速度窗口內的多個速度中的每個速度下的多個平衡位置。在優選實施例中，所述燃料經濟性判定模塊判定高效速度和平衡位置組合，並且其中，所述操作模式控制模塊使所述船舶在高效速度和平衡位置組合下航行。在優選實施例中，所述平衡控制模塊將所述舷外掛機定位在下降位置。在優選實施例中，所述系統還包括平衡調整片控制模塊，所述平衡調整片控制模 塊在維持速度的同時將平衡調整片定位在多個平衡調整片位置。在優選實施例中，在將舷外掛機定位到多個平衡位置之前，所述燃料經濟性判定 模塊從多個平衡調整片位置中判定高效平衡調整片位置。在優選實施例中，所述燃料經濟性判定模塊在維持所述高效平衡調整片位置的同 時判定多個速度中的每個速度下的相應的多個燃料經濟性。根據本發明的另一個方面，提供一種操作船舶的方法，包括使所述船舶以一定速 度航行；將舷外掛機定位到多個平衡位置；判定每個平衡位置的多個燃料經濟性；從每個 平衡位置的多個燃料經濟性中判定高效平衡位置；以及使所述船舶在所述高效平衡位置下 航行。在優選實施例中，使所述船舶以一定速度航行包括使所述船舶在恆定的發動機轉 速下航行。在優選實施例中，使所述船舶以一定速度航行包括使所述船舶以恆定的船速航 行。在優選實施例中，使所述船舶以一定速度航行包括使所述船舶在多個速度下航 行，並且其中，將舷外掛機定位到多個平衡位置包括將所述舷外掛機定位到所述多個速度 中的每個速度下的多個平衡位置。在優選實施例中，所述方法還包括建立速度窗口，所述速度窗口具有高速和低速， 並且其中，使所述船舶以一定速度航行包括使所述船舶在多個速度下航行，並且其中，將舷 外掛機定位到多個平衡位置包括將所述舷外掛機定位到所述速度窗口內的多個速度中的 每個速度下的多個平衡位置。在優選實施例中，所述方法還包括判定高效速度和平衡位置組合，並且其中，使所 述船舶在所述平衡位置下航行包括使所述船舶在所述高效速度和平衡位置組合下航行。在優選實施例中，所述定位包括將所述舷外掛機定位在下降位置。在優選實施例中，所述方法還包括在維持速度的同時將平衡調整片定位在多個平 衡調整片位置。在優選實施例中，在將舷外掛機定位到多個平衡位置之前，將所述舷外掛機定位 在下降位置並且從所述多個平衡調整片位置中判定高效平衡調整片位置。在優選實施例中，判定所述多個速度中的每個速度下的每個平衡位置的多個燃料 經濟性包括在維持所述高效平衡調整片位置的同時判定所述多個速度中的每個速度下的 每個平衡位置的多個燃料經濟性。從本文提供的描述可以清楚更多適用領域。應當理解的是，該描述和特定示例只 是用作說明目的，並非意圖限制本發明的範圍。


通過下面的詳細描述和附圖可以更完整地理解本發明，附圖中圖1是根據本發明的船舶的原理框圖；圖2是圖1中的發動機控制器的原理框圖；圖3是圖1中的舵輪控制模塊的原理框圖；圖4是示出由系統的第一實施例所執行的步驟的流程圖；以及圖5是示出由系統的第二實施例所執行的步驟的流程圖。
具體實施例方式下列描述本質上只是示例性的，並非用於限制本發明、其應用或用途。為了清楚起 見，附圖中將使用相同的附圖標記表示相似的元件。本文所用的措詞"A、B和C中的至少 一個"應當解釋成意味著使用非排他邏輯"或"的邏輯(A或B或C)。應當理解，方法中的 步驟可以不同順序執行，只要不改變本發明的原理。本文所用的術語"模塊"是指專用集成電路(ASIC)、電子電路、執行一種或多種 軟體或固件程序的處理器(共享的、專用的或成組的)和存儲器、組合邏輯電路、和/或提 供所述功能的其它適當部件。現在參照圖1，該圖示出了具有控制器12的船舶10，該控制器帶有舵輪控制模塊 14和發動機控制單元16。控制器12、相關的舵輪控制模塊14和發動機控制單元16用於 控制發動機18和舷外掛機20。發動機18可以是內燃機，用於為船舶10的移動提供動力。 發動機18機械地連接到舷外掛機20。發動機18通過連接到舷外掛機20的軸而傳遞動力。 舷外掛機20具有用於系統和推進器22的傳動裝置。舷外掛機20具有調整或調節其相對 於船舶10的斜度的能力。通過在航行中適當地控制舷外掛機平衡角，船舶可以在穩定速度 航行期間獲得改善的燃料經濟性，這將在下文中描述。舵輪控制模塊14是駕駛員和船舶輸入/輸出部件的主要的人工控制接口。舵輪 控制模塊14為用戶提供了用於系統的初始設置和控制的接口。舵輪控制模塊14對系統中 所用的致動器或傳感器進行校準並且將這些信息報告給發動機控制單元16。舵輪控制模塊 14還為用戶提供輸入控制參數的接口，系統將在這些控制參數下操作。舵輪控制模塊14還 為用戶提供音頻/視頻接口，在各個自動化步驟中提示用戶。通過通信接口 24提供舵輪控 制模塊14與發動機控制單元16之間的信號交換。通過整套通信的適當信號交換能使舵輪 控制模塊14和發動機控制單元16 —起工作並且與其它系統通信。舵輪控制模塊14可與顯示器30和音頻顯示設備32通信。顯示器30可以是計算 機屏幕或者其它類型的顯示器，例如LCD顯示器、LED顯示器等。音頻顯示設備32可包括 話筒、蜂鳴器或其它類型的音頻顯示器來向操作者或用戶提供反饋。顯示器30與音頻顯示 設備32的組合能夠提供視頻/音頻反饋來編程和控制各種功能。用戶接口 34也與舵輪控制模塊14通信。用戶接口 34可以是各種類型的用戶接 口，例如多個開關、轉盤、鍵盤或其它類型的按鈕。用戶接口 34允許執行和監控各種操作條 件。用戶接口 34還可控制顯示器或通過顯示器30和音頻顯示設備32提供反饋。發動機 控制單元16和舵輪控制模塊14都協調合作來控制船舶。控制器12還可控制平衡調整片40A和40B。如圖所示，平衡調整片40A位於船舶10的左側或左舷。平衡調整片40B位於船舶的右側或右舷。對於滑航式船體，平衡調整片 40A、40B連在船尾板上。平衡調整片40A、40B可用於調整正在航行的船的俯仰姿態。平衡 調整片40A、40B通常是液壓致動的。船速或船重布置的變化需要將平衡調整片40A、40B調 整成保持船在舒適、高效的俯仰姿態。平衡調整片40A、40B還可用於校正斜度，即船舶向一 側的傾斜(或者改變橫搖軸)。通過適當地控制平衡調整片40A、40B，船可獲得船體相對於 吃水線的高效滑航角。最高效的滑航角在船體上形成最小的曳力。正如下文將要描述的， 一旦平衡調整片40A、40B處於最佳位置，舷外掛機20就可調節為適應船舶的角度。不是所 有船舶都有平衡調整片，因此舷外掛機可調節成提供改善的燃料經濟性，這將在下文描述。各種傳感器還可與控制器12通信。陀螺儀50產生對應於船舶姿態的信號。例如，陀螺儀50可提供船體的俯仰和船體的橫搖角，其對應於斜度。船速傳感器52產生對應於 船舶速度的信號。發動機轉速傳感器54產生對應於發動機18的轉速的信號。全球定位系 統56還可用於判定船舶的速度以及其它操作參數。這些傳感器中的一些或全部都納入這 個系統的實施例中。控制器12和發動機18可與控制器區域網(CAN)通信，以便與船舶內的各種部件 和傳感器通信。現在參照圖2，將進一步詳細說明發動機控制單元16。發動機控制單元16包括巡 航控制模塊70，該巡航控制模塊用於控制發動機保持在預定速度或預定速度範圍內平衡控制模塊72控制舷外掛機相對於船體的角度。舷外掛機的俯仰影響著船舶 的俯仰。正如下文將要描述的，平衡控制模塊72能將舷外掛機移入各種位置從而判定燃料 經濟性。燃料經濟性判定模塊74判定在各種條件下操作時船舶的燃料經濟性。操作模式控制模塊76用於控制船舶的操作。操作模式控制模塊76還可位於舵輪 控制接口中。操作模式控制模塊76可在燃料經濟性模式中控制船舶的操作，如下文所述， 該燃料經濟性模式具有用於高效操作的平衡位置或平衡調整片位置。通過在駕駛員控制的 飛速航行(rim-on-the-fly)模式、自學模式或校準模式下的操作，操作模式控制模塊76可 控制對船舶的燃料高效模式的學習。飛速航行(rim-on-the-fly)模式使得船舶的操作者 或駕駛員能夠執行這個步驟以便在特定行程中操作在燃料經濟性模式下。自學模式是為給 定速度提供的。也就是說，在操作中，有相容的最佳船舶配置，這種配置可被首先學習且放 入存儲器80中。從那之後，自動燃料經濟性系統可不斷地參考學習到的值。該系統還可提 供存儲在存儲器80中的校準值，這校準值由船舶的製造商提供。也可由經銷商提供這些存 儲在存儲器80中的校準值。電子控制模塊中還可包含舵輪控制接口 82。舵輪控制接口 82控制發動機控制單 元16與舵輪控制模塊14之間的信號交換。現在參照圖3，將進一步詳細說明舵輪控制模塊14。舵輪控制模塊14可包括用戶 接口模塊90，該用戶接口模塊90用於與圖1所示的用戶接口 34、顯示器30和音頻顯示設 備32對接。由用戶接口模塊90控制各種輸入和輸出。用戶接口模塊90可與音頻驅動器 92和顯示器驅動器94通信，以便分別與音頻顯示設備32和視頻顯示器30對接。舵輪控制 模塊14也可通過E⑶接口 96與發動機控制單元16通信。E⑶接口 96控制在舵輪控制模 塊處舵輪控制模塊14與舵輪控制接口 82之間的信號交換。舵輪控制模塊14還可包括燃料經濟性優化模塊98。燃料經濟性優化模塊98可提供優化船舶的燃料經濟性的自動化系統。燃料經濟性優化模塊96可在軟體中執行並且通過用戶接口模塊90提供指令和接收輸入。現在參照圖4，將詳述用於判定期望的發動機轉速或船速的最佳船舶特性以獲得 最佳燃料經濟性的方法。該系統評估船舶和發動機條件的矩陣以及圖1中的發動機18和 舷外掛機20的操作條件。在下列示例中，通過控制舷外掛機來控制燃料經濟性。在步驟110中，開始該過程，此時起動發動機。在步驟112中，啟用自動燃料經濟 性優化系統。在步驟114中，通過圖3的用戶接口模塊90將期望速度加入舵輪控制模塊14 中。該期望速度可以是發動機轉速或船速。在步驟116中，加入速度窗口。該速度窗口包括 速度上限和速度下限。例如，設定士2英裡/小時或士200轉/分鐘(RPM)。該窗口會提供測 試不同給定速度的能力，由於發動機或船舶的特性，這些給定速度具有非常好的燃料經濟性。在步驟118中，由操作者提供節流權限以獲得期望的船速或發動機轉速。在步驟 120中，當達到發動機窗口的下限時，通過巡航控制模塊70和發動機控制單元16獲取船舶 的控制。總是通過將節流閥置於怠速位置來將該系統從自動控制移開。在步驟122中，由操作者提供權限來將舷外掛機移入第一位置，例如完全降低的 位置。如果沒有給出權限，就再次應用步驟122。當操作者給出權限時，執行步驟124。在 步驟124中，將舷外掛機定位在最低位置。當將舷外掛機定位在最低位置時，發動機控制單 元16維持速度。在步驟130中，記錄燃料經濟性。在已經達到特定平衡角的穩態位置之後， 記錄燃料經濟性。將燃料經濟性存儲在存儲器中，例如圖2的存儲器80。在步驟132中， 判定是否檢查了這個速度下的燃料經濟性的舷外掛機的每個位置。如果沒有檢查所有舷外 掛機位置下的燃料經濟性，就執行步驟133並且記錄新的舷外掛機位置的燃料經濟性。在 步驟132中，如果執行了當前速度下所有舷外掛機位置，步驟134就判定是否檢查了所有速 度。在該示例中，為了燃料經濟性而以各種增值檢查窗口內的燃料經濟性的所有速度。如 果在步驟134中檢查了所有速度，步驟136就要求權限來改變速度。使用舵輪控制模塊執 行這個步驟。如果沒有權限改變速度，步驟138就停止該過程。在步驟136中，如果給了權 限改變速度，步驟140就改變速度，並且，在將舷外掛機移到各種位置期間步驟126用於維 持新的速度，在步驟124-134中記錄新速度的燃料經濟性。返回參照步驟134，當該系統檢查了每個位置和每個速度時，步驟144就要求權限 來移動船舶到最佳燃料經濟性或最大燃料效率速度和位置。如果沒有給出權限，步驟146 就停止該過程。在步驟144中，如果提供了權限將船舶移入最大效率速度和位置，步驟148 就改變舷外掛機的角度並且ECU 16改變速度從而使平衡角和速度處於最大燃料效率位 置。這是通過比較舷外掛機的每個速度和平衡位置組合的每個燃料經濟性來執行的。船舶 會一直在這個位置操作，直到消除權限。現在參照圖5，該圖提供了用於船舶的第二種方法，該船舶包括舷外掛機和平衡調 整片，該方法與圖4所示的僅提供舷外掛機的方法不同。在步驟210中，起動發動機。在步 驟212中，啟用燃料經濟性優化系統。在步驟214中，通過圖1的舵輪控制模塊14加入期 望速度。在本實施例中，只闡述了一個速度。然而，可以如上圖4所述檢查各種速度。在步驟216中，由操作者提供節流權限以獲得期望的船速或發動機轉速。在步驟 218中，圖2的發動機控制單元和巡航控制模塊70獲得發動機的控制，此時發動機轉速或船 速達到步驟216的期望速度。如上所述，一旦該系統處於控制之下，駕駛員就通過將節流閥放回怠速位置來退出自動化系統。在步驟220中，系統要求權限來將舷外掛機移入第一位置，例如完全降低的位置， 並且將平衡調整片向上移至第一位置，例如完全上升的位置。步驟220 —直執行直到完成 這個操作。一旦舷外掛機處於完全降低的位置並且平衡調整片處於完全上升的位置，步驟 222就定位舷外掛機平衡調整片。步驟224維持船舶具有當前發動機轉速或船速。用陀螺 儀檢查船舶的俯仰。步驟230判定船舶是否有由平衡的變化所引起的浮沉運動。浮沉運動 是船頭的上下運動。這是一種不穩定的位置，而不是相容的平穩平面位置。如果在步驟230 處船舶有浮沉運動，就在步驟232獲取之前調整片的位置。在步驟232之後，執行步驟228。如果在步驟230處船舶沒有浮沉運動，就在步驟234中判定船舶是否傾斜或偏向 一側。如果在步驟234處該系統是傾斜的，該系統就在步驟236通過根據角度獨立地調整這 些平衡調整片中的一個來調整船舶的橫搖角。在步驟238中，記錄平衡調整片位置的燃料 經濟性。如果沒有檢查所有平衡調整片位置，就在平衡調整片置於不同位置的情形下執行 步驟241。此後，執行步驟224。在步驟240中，當檢查了所有平衡調整片位置時，通過比較 所有不同平衡調整片位置所記錄的所有燃料經濟性來判定最大燃料效率平衡調整片位置。在步驟242中，然後檢測各種燃料經濟性的舷外掛機位置，同時保持高效平衡調 整片位置。在步驟244中，維持船速並且將舷外掛機位置移到新位置。在步驟248中，記錄 舷外掛機平衡位置的燃料經濟性。如果在步驟250處運載工具由於平衡角的調節而傾斜， 就在步驟252中調整平衡角以消除傾斜。在步驟250之後，如果運載工具沒有傾斜或者在 步驟252調整了平衡角之後，步驟254判定是否檢查了每個平衡角。在步驟254中，如果沒 有檢查所有平衡角，就執行步驟255，移動舷外掛機。此後，為了新的或調整過的平衡角再次 執行步驟244-252。當測試了所有平衡角和特定調整平衡角設定下的每個平衡角所記錄的燃料經濟 性時，步驟256就要求權限來改變舷外掛機平衡到最大燃料效率舷外掛機平衡。如果步驟 256處操作者沒有給出權限，步驟258就停止該過程。如果提供了權限來改變舷外掛機平 衡，步驟260就改變舷外掛機平衡。平衡調整片保持在之前設定的最大燃料效率位置。如上所述，最大效率平衡角和/或平衡調整片位置的校準值可存儲在存儲器中。 該校準值由船舶製造商或經銷商執行。自學配置也可由操作者執行且存儲在存儲器中。一 旦學習了，就很容易確定最大燃料效率舷外掛機角度和平衡位置，而無需再次執行校準值。 如果條件_例如天氣、水況和重量改變了，就調用該系統來再次執行優化。現在本領域技術人員可以從上面的描述認識到本發明的寬泛教導可以多種形式實施。因此，儘管結合特定示例對本發明進行了說明，但是本發明的真實範圍不會由此受到 限制，因為本領域技術人員在研究附圖、說明書和所附權利要求書的基礎上將會清楚其它 改型。
權利要求
一種用於操作船舶的系統，包括巡航控制模塊，其使所述船舶以一定速度航行；平衡控制模塊，其將舷外掛機定位到多個平衡位置；燃料經濟性判定模塊，其判定每個平衡位置的多個燃料經濟性並且從每個平衡位置的多個燃料經濟性中判定高效平衡位置；以及操作控制模塊，其使所述船舶在所述高效平衡位置下航行。
2.如權利要求1所述的系統，其中，所述速度包括恆定的發動機轉速。
3 如權利要求1所述的系統，其中，所述速度包括恆定的船速。
4.如權利要求1所述的系統，其中，所述速度包括多個速度，並且其中，所述平衡控制 模塊將所述舷外掛機定位到所述多個速度中的每個速度下的多個平衡位置。
5.如權利要求1所述的系統，還包括建立速度窗口的巡航控制模塊，所述速度窗口具 有高速和低速並且使所述船舶在多個速度下航行，並且其中，所述平衡控制模塊將所述舷 外掛機定位到所述速度窗口內的多個速度中的每個速度下的多個平衡位置。
6.如權利要求5所述的系統，其中，所述燃料經濟性判定模塊判定高效速度和平衡位 置組合，並且其中，所述操作模式控制模塊使所述船舶在高效速度和平衡位置組合下航行。
7.如權利要求1所述的系統，其中，所述平衡控制模塊將所述舷外掛機定位在下降位置。
8.如權利要求1所述的系統，還包括平衡調整片控制模塊，所述平衡調整片控制模塊 在維持速度的同時將平衡調整片定位在多個平衡調整片位置。
9.如權利要求1所述的系統，其中，在將舷外掛機定位到多個平衡位置之前，所述燃料 經濟性判定模塊從多個平衡調整片位置中判定高效平衡調整片位置。
10.如權利要求9所述的系統，其中，所述燃料經濟性判定模塊在維持所述高效平衡調 整片位置的同時判定多個速度中的每個速度下的相應的多個燃料經濟性。
全文摘要
本發明涉及船舶應用中的自動燃料經濟性優化。一種用於操作船舶的方法和系統，該系統包括巡航控制模塊和平衡控制模塊，該巡航控制模塊使船舶在一定速度下航行，該平衡控制模塊將舷外掛機定位到多個平衡位置。燃料經濟性判定模塊判定每個平衡位置的多個燃料經濟性並且從每個平衡位置的多個燃料經濟性中判定高效平衡位置。操作控制模塊使船舶在高效平衡位置下航行。還可在高效操作中考慮平衡調整片的位置。
文檔編號F02D43/00GK101817396SQ20101011305
公開日2010年9月1日 申請日期2010年2月4日 優先權日2009年2月4日
發明者K·A·肯西亞尼, T·J·克萊弗 申請人:通用汽車環球科技運作公司