船舶应用中的自动燃料经济性优化

摘要

本发明涉及船舶应用中的自动燃料经济性优化。一种用于操作船舶的方法和系统，该系统包括巡航控制模块和平衡控制模块，该巡航控制模块使船舶在一定速度下航行，该平衡控制模块将舷外挂机定位到多个平衡位置。燃料经济性判定模块判定每个平衡位置的多个燃料经济性并且从每个平衡位置的多个燃料经济性中判定高效平衡位置。操作控制模块使船舶在高效平衡位置下航行。还可在高效操作中考虑平衡调整片的位置。

说明书

技术领域

本发明涉及船舶，更具体地涉及优化船舶的燃料经济性。

背景技术

此处提供的背景资料描述是为了总体上介绍本发明的背景。在背景资料章节所描述的程度上，目前署名的发明人的作品以及那些在申请时不构成现有技术的方面都并非明示地或隐含地被认为是本发明的现有技术。

许多船舶具有舷外挂机，该舷外挂机具有推进器，该推进器推进正在航行的运载工具。舷外挂机相对于船舶的角度是舷外挂机平衡角(trim angle)。在航行时，可以将该舷外挂机的平衡角移到不同位置。其他变量也可影响船舶在水中的移动，包括但不限于平衡调整片的位置。平衡调整片通常是液压装置，这些液压装置用于控制船舶的姿态。平衡调整片控制船舶的俯仰以及船舶在摇晃方向上的任何倾斜。

随着燃料成本的提高，对船舶的高燃料经济性的需求也随之升高。如果安装了的话，舷外挂机平衡角和平衡调整片能影响船舶的燃料经济性。

发明内容

因此，本发明提供一种系统，该系统通过调节船舶操作特性来提高船舶的燃料经济性，这些操作特性可包括舷外挂机平衡角和平衡调整片位置(如果安装了的话)。本发明提供一种系统和方法，从而使得即使是驾船新手也能获得高水平的燃料经济性。

在本发明的一个方面，一种用于操作船舶的系统包括巡航控制模块和平衡控制模块，该巡航控制模块使船舶在一个速度下航行，该平衡控制模块使舷外挂机定位在多个平衡位置。燃料经济性判定模块为每个平衡位置判定多个燃料经济性并且通过每个平衡位置的多个燃料经济性判定高效平衡位置。操作控制模块使船舶在高效平衡位置航行。

在本发明的另一个方面，一种方法包括使船舶以一个速度航行、使舷外挂机定位在多个平衡位置、判定每个平衡位置的多个燃料经济性、通过每个平衡位置的多个燃料经济性判定高效平衡位置、以及使船舶在高效平衡位置航行。

根据本发明的一个方面，提供一种用于操作船舶的系统，包括：巡航控制模块，其使所述船舶以一定速度航行；平衡控制模块，其将舷外挂机定位到多个平衡位置；燃料经济性判定模块，其判定每个平衡位置的多个燃料经济性并且从每个平衡位置的多个燃料经济性中判定高效平衡位置；以及操作控制模块，其使所述船舶在所述高效平衡位置下航行。

在优选实施例中，所述速度包括恒定的发动机转速。

在优选实施例中，所述速度包括恒定的船速。

在优选实施例中，所述速度包括多个速度，并且其中，所述平衡控制模块将所述舷外挂机定位到所述多个速度中的每个速度下的多个平衡位置。

在优选实施例中，所述系统还包括建立速度窗口的巡航控制模块，所述速度窗口具有高速和低速并且使所述船舶在多个速度下航行，并且其中，所述平衡控制模块将所述舷外挂机定位到所述速度窗口内的多个速度中的每个速度下的多个平衡位置。

在优选实施例中，所述燃料经济性判定模块判定高效速度和平衡位置组合，并且其中，所述操作模式控制模块使所述船舶在高效速度和平衡位置组合下航行。

在优选实施例中，所述平衡控制模块将所述舷外挂机定位在下降位置。

在优选实施例中，所述系统还包括平衡调整片控制模块，所述平衡调整片控制模块在维持速度的同时将平衡调整片定位在多个平衡调整片位置。

在优选实施例中，在将舷外挂机定位到多个平衡位置之前，所述燃料经济性判定模块从多个平衡调整片位置中判定高效平衡调整片位置。

在优选实施例中，所述燃料经济性判定模块在维持所述高效平衡调整片位置的同时判定多个速度中的每个速度下的相应的多个燃料经济性。

根据本发明的另一个方面，提供一种操作船舶的方法，包括：使所述船舶以一定速度航行；将舷外挂机定位到多个平衡位置；判定每个平衡位置的多个燃料经济性；从每个平衡位置的多个燃料经济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。

在优选实施例中，使所述船舶以一定速度航行包括使所述船舶在恒定的发动机转速下航行。

在优选实施例中，使所述船舶以一定速度航行包括使所述船舶以恒定的船速航行。

在优选实施例中，使所述船舶以一定速度航行包括使所述船舶在多个速度下航行，并且其中，将舷外挂机定位到多个平衡位置包括将所述舷外挂机定位到所述多个速度中的每个速度下的多个平衡位置。

在优选实施例中，所述方法还包括建立速度窗口，所述速度窗口具有高速和低速，并且其中，使所述船舶以一定速度航行包括使所述船舶在多个速度下航行，并且其中，将舷外挂机定位到多个平衡位置包括将所述舷外挂机定位到所述速度窗口内的多个速度中的每个速度下的多个平衡位置。

在优选实施例中，所述方法还包括判定高效速度和平衡位置组合，并且其中，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组合下航行。

在优选实施例中，所述定位包括将所述舷外挂机定位在下降位置。

在优选实施例中，所述方法还包括在维持速度的同时将平衡调整片定位在多个平衡调整片位置。

在优选实施例中，在将舷外挂机定位到多个平衡位置之前，将所述舷外挂机定位在下降位置并且从所述多个平衡调整片位置中判定高效平衡调整片位置。

在优选实施例中，判定所述多个速度中的每个速度下的每个平衡位置的多个燃料经济性包括在维持所述高效平衡调整片位置的同时判定所述多个速度中的每个速度下的每个平衡位置的多个燃料经济性。

从本文提供的描述可以清楚更多适用领域。应当理解的是，该描述和特定示例只是用作说明目的，并非意图限制本发明的范围。

附图说明

通过下面的详细描述和附图可以更完整地理解本发明，附图中：

图1是根据本发明的船舶的原理框图；

图2是图1中的发动机控制器的原理框图；

图3是图1中的舵轮控制模块的原理框图；

图4是示出由系统的第一实施例所执行的步骤的流程图；以及

图5是示出由系统的第二实施例所执行的步骤的流程图。

具体实施方式

下列描述本质上只是示例性的，并非用于限制本发明、其应用或用途。为了清楚起见，附图中将使用相同的附图标记表示相似的元件。本文所用的措词″A、B和C中的至少一个″应当解释成意味着使用非排他逻辑″或″的逻辑(A或B或C)。应当理解，方法中的步骤可以不同顺序执行，只要不改变本发明的原理。

本文所用的术语″模块″是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或成组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其它适当部件。

现在参照图1，该图示出了具有控制器12的船舶10，该控制器带有舵轮控制模块14和发动机控制单元16。控制器12、相关的舵轮控制模块14和发动机控制单元16用于控制发动机18和舷外挂机20。发动机18可以是内燃机，用于为船舶10的移动提供动力。发动机18机械地连接到舷外挂机20。发动机18通过连接到舷外挂机20的轴而传递动力。舷外挂机20具有用于系统和推进器22的传动装置。舷外挂机20具有调整或调节其相对于船舶10的斜度的能力。通过在航行中适当地控制舷外挂机平衡角，船舶可以在稳定速度航行期间获得改善的燃料经济性，这将在下文中描述。

舵轮控制模块14是驾驶员和船舶输入/输出部件的主要的人工控制接口。舵轮控制模块14为用户提供了用于系统的初始设置和控制的接口。舵轮控制模块14对系统中所用的致动器或传感器进行校准并且将这些信息报告给发动机控制单元16。舵轮控制模块14还为用户提供输入控制参数的接口，系统将在这些控制参数下操作。舵轮控制模块14还为用户提供音频/视频接口，在各个自动化步骤中提示用户。通过通信接口24提供舵轮控制模块14与发动机控制单元16之间的信号交换。通过整套通信的适当信号交换能使舵轮控制模块14和发动机控制单元16一起工作并且与其它系统通信。

舵轮控制模块14可与显示器30和音频显示设备32通信。显示器30可以是计算机屏幕或者其它类型的显示器，例如LCD显示器、LED显示器等。音频显示设备32可包括话筒、蜂鸣器或其它类型的音频显示器来向操作者或用户提供反馈。显示器30与音频显示设备32的组合能够提供视频/音频反馈来编程和控制各种功能。

用户接口34也与舵轮控制模块14通信。用户接口34可以是各种类型的用户接口，例如多个开关、转盘、键盘或其它类型的按钮。用户接口34允许执行和监控各种操作条件。用户接口34还可控制显示器或通过显示器30和音频显示设备32提供反馈。发动机控制单元16和舵轮控制模块14都协调合作来控制船舶。

控制器12还可控制平衡调整片40A和40B。如图所示，平衡调整片40A位于船舶10的左侧或左舷。平衡调整片40B位于船舶的右侧或右舷。对于滑航式船体，平衡调整片40A、40B连在船尾板上。平衡调整片40A、40B可用于调整正在航行的船的俯仰姿态。平衡调整片40A、40B通常是液压致动的。船速或船重布置的变化需要将平衡调整片40A、40B调整成保持船在舒适、高效的俯仰姿态。平衡调整片40A、40B还可用于校正斜度，即船舶向一侧的倾斜(或者改变横摇轴)。通过适当地控制平衡调整片40A、40B，船可获得船体相对于吃水线的高效滑航角。最高效的滑航角在船体上形成最小的曳力。正如下文将要描述的，一旦平衡调整片40A、40B处于最佳位置，舷外挂机20就可调节为适应船舶的角度。不是所有船舶都有平衡调整片，因此舷外挂机可调节成提供改善的燃料经济性，这将在下文描述。

各种传感器还可与控制器12通信。陀螺仪50产生对应于船舶姿态的信号。例如，陀螺仪50可提供船体的俯仰和船体的横摇角，其对应于斜度。船速传感器52产生对应于船舶速度的信号。发动机转速传感器54产生对应于发动机18的转速的信号。全球定位系统56还可用于判定船舶的速度以及其它操作参数。这些传感器中的一些或全部都纳入这个系统的实施例中。

控制器12和发动机18可与控制器局域网(CAN)通信，以便与船舶内的各种部件和传感器通信。

现在参照图2，将进一步详细说明发动机控制单元16。发动机控制单元16包括巡航控制模块70，该巡航控制模块用于控制发动机保持在预定速度或预定速度范围内

平衡控制模块72控制舷外挂机相对于船体的角度。舷外挂机的俯仰影响着船舶的俯仰。正如下文将要描述的，平衡控制模块72能将舷外挂机移入各种位置从而判定燃料经济性。燃料经济性判定模块74判定在各种条件下操作时船舶的燃料经济性。

操作模式控制模块76用于控制船舶的操作。操作模式控制模块76还可位于舵轮控制接口中。操作模式控制模块76可在燃料经济性模式中控制船舶的操作，如下文所述，该燃料经济性模式具有用于高效操作的平衡位置或平衡调整片位置。通过在驾驶员控制的飞速航行(run-on-the-fly)模式、自学模式或校准模式下的操作，操作模式控制模块76可控制对船舶的燃料高效模式的学习。飞速航行(run-on-the-fly)模式使得船舶的操作者或驾驶员能够执行这个步骤以便在特定行程中操作在燃料经济性模式下。自学模式是为给定速度提供的。也就是说，在操作中，有相容的最佳船舶配置，这种配置可被首先学习且放入存储器80中。从那之后，自动燃料经济性系统可不断地参考学习到的值。该系统还可提供存储在存储器80中的校准值，这校准值由船舶的制造商提供。也可由经销商提供这些存储在存储器80中的校准值。

电子控制模块中还可包含舵轮控制接口82。舵轮控制接口82控制发动机控制单元16与舵轮控制模块14之间的信号交换。

现在参照图3，将进一步详细说明舵轮控制模块14。舵轮控制模块14可包括用户接口模块90，该用户接口模块90用于与图1所示的用户接口34、显示器30和音频显示设备32对接。由用户接口模块90控制各种输入和输出。用户接口模块90可与音频驱动器92和显示器驱动器94通信，以便分别与音频显示设备32和视频显示器30对接。舵轮控制模块14也可通过ECU接口96与发动机控制单元16通信。ECU接口96控制在舵轮控制模块处舵轮控制模块14与舵轮控制接口82之间的信号交换。

舵轮控制模块14还可包括燃料经济性优化模块98。燃料经济性优化模块98可提供优化船舶的燃料经济性的自动化系统。燃料经济性优化模块96可在软件中执行并且通过用户接口模块90提供指令和接收输入。

现在参照图4，将详述用于判定期望的发动机转速或船速的最佳船舶特性以获得最佳燃料经济性的方法。该系统评估船舶和发动机条件的矩阵以及图1中的发动机18和舷外挂机20的操作条件。在下列示例中，通过控制舷外挂机来控制燃料经济性。

在步骤110中，开始该过程，此时起动发动机。在步骤112中，启用自动燃料经济性优化系统。在步骤114中，通过图3的用户接口模块90将期望速度加入舵轮控制模块14中。该期望速度可以是发动机转速或船速。在步骤116中，加入速度窗口。该速度窗口包括速度上限和速度下限。例如，设定±2英里/小时或±200转/分钟(RPM)。该窗口会提供测试不同给定速度的能力，由于发动机或船舶的特性，这些给定速度具有非常好的燃料经济性。

在步骤118中，由操作者提供节流权限以获得期望的船速或发动机转速。在步骤120中，当达到发动机窗口的下限时，通过巡航控制模块70和发动机控制单元16获取船舶的控制。总是通过将节流阀置于怠速位置来将该系统从自动控制移开。

在步骤122中，由操作者提供权限来将舷外挂机移入第一位置，例如完全降低的位置。如果没有给出权限，就再次应用步骤122。当操作者给出权限时，执行步骤124。在步骤124中，将舷外挂机定位在最低位置。当将舷外挂机定位在最低位置时，发动机控制单元16维持速度。在步骤130中，记录燃料经济性。在已经达到特定平衡角的稳态位置之后，记录燃料经济性。将燃料经济性存储在存储器中，例如图2的存储器80。在步骤132中，判定是否检查了这个速度下的燃料经济性的舷外挂机的每个位置。如果没有检查所有舷外挂机位置下的燃料经济性，就执行步骤133并且记录新的舷外挂机位置的燃料经济性。在步骤132中，如果执行了当前速度下所有舷外挂机位置，步骤134就判定是否检查了所有速度。在该示例中，为了燃料经济性而以各种增值检查窗口内的燃料经济性的所有速度。如果在步骤134中检查了所有速度，步骤136就要求权限来改变速度。使用舵轮控制模块执行这个步骤。如果没有权限改变速度，步骤138就停止该过程。在步骤136中，如果给了权限改变速度，步骤140就改变速度，并且，在将舷外挂机移到各种位置期间步骤126用于维持新的速度，在步骤124-134中记录新速度的燃料经济性。

返回参照步骤134，当该系统检查了每个位置和每个速度时，步骤144就要求权限来移动船舶到最佳燃料经济性或最大燃料效率速度和位置。如果没有给出权限，步骤146就停止该过程。在步骤144中，如果提供了权限将船舶移入最大效率速度和位置，步骤148就改变舷外挂机的角度并且ECU 16改变速度从而使平衡角和速度处于最大燃料效率位置。这是通过比较舷外挂机的每个速度和平衡位置组合的每个燃料经济性来执行的。船舶会一直在这个位置操作，直到消除权限。

现在参照图5，该图提供了用于船舶的第二种方法，该船舶包括舷外挂机和平衡调整片，该方法与图4所示的仅提供舷外挂机的方法不同。在步骤210中，起动发动机。在步骤212中，启用燃料经济性优化系统。在步骤214中，通过图1的舵轮控制模块14加入期望速度。在本实施例中，只阐述了一个速度。然而，可以如上图4所述检查各种速度。

在步骤216中，由操作者提供节流权限以获得期望的船速或发动机转速。在步骤218中，图2的发动机控制单元和巡航控制模块70获得发动机的控制，此时发动机转速或船速达到步骤216的期望速度。如上所述，一旦该系统处于控制之下，驾驶员就通过将节流阀放回怠速位置来退出自动化系统。

在步骤220中，系统要求权限来将舷外挂机移入第一位置，例如完全降低的位置，并且将平衡调整片向上移至第一位置，例如完全上升的位置。步骤220一直执行直到完成这个操作。一旦舷外挂机处于完全降低的位置并且平衡调整片处于完全上升的位置，步骤222就定位舷外挂机平衡调整片。步骤224维持船舶具有当前发动机转速或船速。用陀螺仪检查船舶的俯仰。步骤230判定船舶是否有由平衡的变化所引起的浮沉运动。浮沉运动是船头的上下运动。这是一种不稳定的位置，而不是相容的平稳平面位置。如果在步骤230处船舶有浮沉运动，就在步骤232获取之前调整片的位置。在步骤232之后，执行步骤228。

如果在步骤230处船舶没有浮沉运动，就在步骤234中判定船舶是否倾斜或偏向一侧。如果在步骤234处该系统是倾斜的，该系统就在步骤236通过根据角度独立地调整这些平衡调整片中的一个来调整船舶的横摇角。在步骤238中，记录平衡调整片位置的燃料经济性。如果没有检查所有平衡调整片位置，就在平衡调整片置于不同位置的情形下执行步骤241。此后，执行步骤224。在步骤240中，当检查了所有平衡调整片位置时，通过比较所有不同平衡调整片位置所记录的所有燃料经济性来判定最大燃料效率平衡调整片位置。

在步骤242中，然后检测各种燃料经济性的舷外挂机位置，同时保持高效平衡调整片位置。在步骤244中，维持船速并且将舷外挂机位置移到新位置。在步骤248中，记录舷外挂机平衡位置的燃料经济性。如果在步骤250处运载工具由于平衡角的调节而倾斜，就在步骤252中调整平衡角以消除倾斜。在步骤250之后，如果运载工具没有倾斜或者在步骤252调整了平衡角之后，步骤254判定是否检查了每个平衡角。在步骤254中，如果没有检查所有平衡角，就执行步骤255，移动舷外挂机。此后，为了新的或调整过的平衡角再次执行步骤244-252。

当测试了所有平衡角和特定调整平衡角设定下的每个平衡角所记录的燃料经济性时，步骤256就要求权限来改变舷外挂机平衡到最大燃料效率舷外挂机平衡。如果步骤256处操作者没有给出权限，步骤258就停止该过程。如果提供了权限来改变舷外挂机平衡，步骤260就改变舷外挂机平衡。平衡调整片保持在之前设定的最大燃料效率位置。

如上所述，最大效率平衡角和/或平衡调整片位置的校准值可存储在存储器中。该校准值由船舶制造商或经销商执行。自学配置也可由操作者执行且存储在存储器中。一旦学习了，就很容易确定最大燃料效率舷外挂机角度和平衡位置，而无需再次执行校准值。如果条件-例如天气、水况和重量改变了，就调用该系统来再次执行优化。

现在本领域技术人员可以从上面的描述认识到本发明的宽泛教导可以多种形式实施。因此，尽管结合特定示例对本发明进行了说明，但是本发明的真实范围不会由此受到限制，因为本领域技术人员在研究附图、说明书和所附权利要求书的基础上将会清楚其它改型。