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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller umfassend einen Stator zur Aufnahme einer Rotationsenergie von einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, einen im Stator drehbar gelagerten Rotor zur Abgabe der Rotationsenergie an eine Nockenwelle zum Ansteuern des Verbrennungsmotors und ein axial in die Nockenwelle einschraubbares Zentralventil, wobei das Zentralventil zum Steuern eines Hydraulikölflusses so konfiguriert ist, dass durch eine Öldruckdifferenz zwischen zwei Arbeitskammern im Nockenwellenversteller der Rotor verstellbar ist.
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Nockenwellenversteller sind technische Baugruppen zum Verstellen der Phasenlagen zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle in einem Verbrennungsmotor. Der Rotor eines Nockenwellenverstellers, der üblicherweise mit der Nockenwelle des Nockenwellenverstellers drehfest verbunden ist, wird durch die Öldruckdifferenz zwischen zwei Arbeitskammern im hydraulischen Nockenwellenversteller in Richtung „früh“ oder in Richtung „spät“ durch Zuschaltung des Zentralventils verstellt.
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Bei der Verstellung werden bedingt durch Nockenwellenüberläufe und Abstützung der Rotorflügel am Ölpolster in der Arbeitskammer mehrere, kurzeitige Druckspitzen in der druckbeaufschlagten Arbeitskammer und mehrere, kurzzeitige Druckabfälle in der druckentlasteten Arbeitskammer erzeugt. Diese Druckspitzen und Druckabfälle verursachen eine Winkeloszillation des Rotors zwischen Schaltungen des Zentralventils, die die Verstellung der Nockenwelle abbremst bzw. verlangsamt. Um dieses Problem zu lösen, sind aus dem Stand der Technik bereits einige Lösungsansätze bekannt geworden.
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Aus der
DE102012201567B4 ist ein Wegeventil zum Steuern eines Hydraulikölflusses von einem Druckanschluss über Arbeitskammern eines Nockenwellenverstellers zu einem Tankanschluss bekannt. Das angegebene Wegeventil umfasst einen Speicheranschluss zum Leiten wenigstens eines Teils des aus einer Arbeitskammer ablaufenden Hydrauliköles in einen Volumenspeicher vor dem Ablauf in den Tankanschluss.
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Ferner ist ein Nockenwellenversteller aus der
CN112302753A bekannt, mit einer erhöhten Ölzirkulationsrate im Zentralventil und mit zwei Rückschlagventilen.
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EP1476642B1 offenbart eine Vorrichtung zur relativen Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle zur Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, mit einem hydraulisch beaufschlagbaren Stellelement, durch dessen Stellbewegung direkt oder indirekt die Phasenlage der Nockenwelle veränderbar ist, wobei das Stellelement von zwei Druckräumen begrenzt ist, die durch Steuerleitungen hydraulisch beaufschlagbar bzw. entlastbar sind, sowie mit einem Steuerventil, das in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine den durch eine Ölpumpe aus einem Ölvorratsbehälter geförderten Ölstrom über eine erste Steuerleitung zu einem ersten Druckraum fördert, während das Öl aus einem zweiten Druckraum über eine zweite Steuerleitung zum Ölvorratsbehälter zurückgeführt wird, und umgekehrt. Es wird vorgeschlagen, dass zwischen den beiden Druckräumen mindestens ein gesteuerter Bypass vorgesehen ist. Damit kann die Verstellgeschwindigkeit des Nockenwellenverstellers erhöht werden.
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In der
EP2010759B1 wird eine Synchronisationsvorrichtung für einen Motor offenbart, welche einen ersten aktiven Sensor und einen zweiten aktiven Sensor aufweist. Der erste aktive Sensor ist eingerichtet, eine Winkellage einer ersten Welle, und der zweite aktive Sensor ist eingerichtet, die Winkellage einer zweiten Welle zu ermitteln. Der erste aktive Sensor und der zweite aktive Sensor sind eingerichtet, der Steuereinrichtung Informationen über den Zustand der Winkellage der ersten Welle und der zweiten Welle oder die Winkellage der ersten Welle und die Phasenlage zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle bereitzustellen. Außerdem ist die Steuereinrichtung eingerichtet, ein Steuersignal zum Einstellen einer vorgebbaren Phasendifferenz zwischen der ersten und der zweiten Welle bereitzustellen.
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Schließlich beschreibt die
DE102018106104A1 eine Synchronisierung zwischen dem Erfassen eines tatsächlichen Systemparameters und dem Ermitteln eines erwünschten Systemparameters durch Beginnen eines Zeitplans zum Ermitteln des Unterschieds zwischen den beiden jedes Mal, wenn der tatsächliche und der erwünschte Systemparameter ermittelt wird. Aus diesem Grund kann der erwünschte Arbeitszyklus unter Verwendung der jüngsten Informationen zum tatsächlichen unerwünschten Parameter berechnet werden. Wenn darüber hinaus ein großer Fehler (Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwerts) zwischen einem erwünschten Arbeitszyklus und einem tatsächlichen Arbeitszyklus besteht, kann die PWM-Signalperiode unverzüglich abgebrochen werden, und die PWM-Signalperiode kann unverzüglich mit dem neuen erwünschten Arbeitszyklus neu gestartet werden.
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Im Stand der Technik soll die Winkeloszillation des Rotors, also Druckspitzen in Arbeitskammer, durch zusätzliche Funktions-Elemente wie beispielsweise ein gesteuerter Bypass zwischen beiden Arbeitskammern (vergl.
EP1476642B1 ) oder Rückschlagventile zwischen Ölkanälen A und B im Zentralventil (vergl.
CN112302753A ) und / oder durch Ölnachschub aus externen Ölvolumenspeicher mit der Rückschlagventilplatte am Versteller (vergl.
DE102012201567B4 ) gedämpft werden, um die Verstellgeschwindigkeit des Nockenwellenverstellers damit zu erhöhen. Die Funktion dieser Elemente ist jedoch nur für einen begrenzten Betriebsbereich des Motors ausgelegt, sodass die Erhöhung der Verstellgeschwindigkeit des Nockenwellenverstellers nur bei einer bestimmten Kombination des Öldrucks, der Ölviskosität, Motordrehzahl, Reibung, Leckage und des Verstellmoments möglich ist. Diese Funktionselemente erfordern ferner einen erhöhten Fertigungs-und Montageaufwand sowie einen zusätzlichen Bauraum am Motor.
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Die Steuerung des Nockenwellenverstellers ist in der Regel auch an die Signale der Winkelgeber an Nockenwelle und Kurbelwelle angewiesen (vergl.
EP2010759B1 ). Die Winkelgeber ermitteln die Winkellage der Nocken- und Kurbelwelle nicht fein genug, um die Winkeloszillation des Rotors mit zu erfassen und entgegen steuern zu können. Die Winkelgeber können nur die Phasendifferenz zwischen Anfang-, End- und einige wenige Zwischenpositionen der Verstellung erfassen, nicht jedoch die Phasendifferenz für jede einzelne Winkeloszillation des Rotors.
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Die Simulation der gewünschten Phasendifferenz in der Steuerung (vergl.
DE102018106104A1 ) kann die Entscheidung der Motorsteuerung über die Änderung der Phasendifferenz und/oder Abbruch der Verstellung zwar beschleunigen, nicht jedoch das Problem mit der Dämpfung der Winkeloszillation des Rotors während der Verstellung lösen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung einen Nockenwellenversteller bereitzustellen, der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile ganz oder zumindest teilweise beseitigt und eine kostengünstige Lösung zur Reduzierung der Winkeloszillation des Rotors während des Verstellens ohne zusätzlichen Funktionselemente realisiert. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Steuerung eines Nockenwellenverstellers bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Nockenwellenversteller umfassend einen Stator zur Aufnahme einer Rotationsenergie von einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, einen im Stator drehbar gelagerten Rotor zur Abgabe der Rotationsenergie an eine Nockenwelle zum Ansteuern des Verbrennungsmotors und ein axial in die Nockenwelle einschraubbares Zentralventil, wobei das Zentralventil zum Steuern eines Hydraulikölflusses so konfiguriert ist, dass durch eine Öldruckdifferenz zwischen zwei Arbeitskammern im Nockenwellenversteller der Rotor verstellbar ist, wobei eine Reduktion von Winkeloszillationen des Rotors durch eine Zuschaltung des Zentralventils erfolgt, so dass eine druckbelastete Arbeitskammer druckentlastet und jede druckentlastete Arbeitskammer druckbelastet kurzzeitig geschaltet wird, wobei das Zentralventil so der Winkeloszillation des Rotors des Nockenwellenverstellers folgt.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass zusätzliche Funktionselemente wie Bypass, Rückschlagventile und Ölspeicher im System entfallen können. Ferner kann eine maximale Reduzierung der Druckspitzen in der Arbeitskammer und damit eine maximale Reduzierung der Winkeloszillation des Rotors während der Verstellung realisiert werden. Hierdurch kann auch eine deutliche Verbesserung der Regelbarkeit des VVT-Systems (variables Ventilsteuerungssystem) und eine spürbare Erhöhung der Verstellgeschwindigkeit beim Kaltstart bewirkt werden. Auch erlaubt der erfindungsgemäße Nockenwellenversteller in einer bevorzugten Ausführungsform eine dynamische Anpassung des Regelungsmusters des WT-Systems an Ölviskosität, Öltemperatur und Motorlast. Auch kann eine dynamische Anpassung der Verstellgeschwindigkeit des Nockenwellenverstellers an die Betriebsparameter wie Motordrehzahl, Motorlast, Zylinderabschaltung, AGR etc. erfolgen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Frequenz und die Dauer der einzelnen Zuschaltungen des Zentralventils in einem Schaltmuster „f-s“ zusammengefasst sind, wobei für unterschiedliche Betriebszustände des Nockenwellenverstellers unterschiedliche Schaltmuster gebildet und in einer Motorsteuerung gespeichert sind.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Frequenz der einzelnen Zuschaltungen der Frequenz der einzelnen Abstufungen in einer Verstellgeschwindigkeitskurve entspricht und/oder die Dauer der einzelnen Zuschaltungen der Dauer der einzelnen Druckspitzen-Abstufungen in einer Verstellgeschwindigkeitskurve entspricht.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Bestimmung des Schaltmusters des Zentralventils beim Beginn, in einer Zwischenposition und am Ende der Verstellung mit einer jeweiligen Ist-Winkelposition der Nockenwelle in Motorsteuerung korreliert werden.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Korrelation in der Motorsteuerung mittels einer künstlichen Intelligenz erfolgt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung eines Nockenwellenverstellers mittels einer Motorsteuerung durch eine Ermittlung eines Schaltmusters zur Reduktion von Winkeloszillationen eines Rotors eines Nockenwellenverstellers nach einem der Ansprüche -, umfassen die folgenden Schritte:
- a) Messung einer Verstellgeschwindigkeitskurve mit einem Standard-Schaltmuster „f-s“ und Ableitung eines SOLL-Schaltmusters durch Messung,
- b) Simulation der Verstellgeschwindigkeitskurve und Ableitung eines SOLL-Schaltmusters „f-s“ durch eine künstliche Intelligenz auf Basis von Parametern umfassend die Ölviskosität, Öltemperatur, Öldruck, Druckübersetzung, Motordrehzahl, Nockenüberläufe, und/oder Reibung,
- c) Simulation einer optimierten Verstellgeschwindigkeitskurve und Ableitung eines optimierten Schaltmusters „f-s“ mit einer reduzierten Anzahl und Dauer der einzelnen Zuschaltungen im Vergleich zum ersten Schaltmuster „f-s“,
- d) Vergleich der optimierten SOLL-Verstellgeschwindigkeit zur simulierten Verstellgeschwindigkeit in Korrelation zu Signalen von Winkelgebern und
- e) beim Vorliegen der Bedingung, dass das Schaltmuster „f-s“ eine längere Dauer der Verstellung aufweist, als das Schaltmuster „f-s“, das Schaltmuster „f-s“ innerhalb der Motorsteuerung ausgewählt und aktiviert wird oder anderweitig das Schaltmuster „f-s“ aktiviert bleibt.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Simulation der Verstellgeschwindigkeitskurve und/oder der optimierten Verstellgeschwindigkeitskurve mittels einer künstlichen Intelligenz durch nummerische Methoden ausgewählt aus der Gruppe der Newtonschen Näherungsverfahren, Iterationsmethoden, Monte-Carlo-Methoden oder dergleichen erfolgt.
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Auch wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Computerprogrammprodukt, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, oder Computer-Datensignal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, mit einem Computerprogrammcode, der geeignet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 6-7.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass Motorsteuerung zur Steuerung eines Nockenwellenverstellers, wobei die Motorsteuerung einen Prozessor und einen Speicher umfasst, der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Motorsteuerung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 6-7 zu veranlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 einen Nockenwellenversteller 90 in einer schematischen Axialschnittansicht,
- 2 eine gemessene Verstellgeschwindigkeitskurve in einer kommentierten Diagrammdarstellung,
- 3 eine simulierte Verstellgeschwindigkeitskurve in einer kommentierten Diagrammdarstellung.
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Die 1 zeigt einen Nockenwellenversteller 90, umfassend einen Stator 94 zur Aufnahme einer Rotationsenergie von einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, einen im Stator 94 drehbar gelagerten Rotor 92 zur Abgabe der Rotationsenergie an eine Nockenwelle 112 zum Ansteuern des Verbrennungsmotors und ein axial in die Nockenwelle 112 einschraubbares Zentralventil 2, wobei das Zentralventil 2 zum Steuern eines Hydraulikölflusses so konfiguriert ist, dass durch eine Öldruckdifferenz zwischen zwei Arbeitskammern im Nockenwellenversteller 90 der Rotor 92 verstellbar ist.
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Der Nockenwellenversteller 90 weist neben dem Zentralventil 2 einen axial auf das Zentralventil 2 aufgesetzten Rotor 92, einen Stator 94, in dem der Rotor 92 aufgenommen ist, einen axial auf den Stator 94 aufgesetzten Frontdeckel 96, einen axial auf den Stator 94 aufgesetzten Rückdeckel 98, Schrauben 100 zum Verschrauben der Deckel 96, 98 am Stator 94, eine zwischen dem Rotor 92 und dem Stator 94 verspannte Spiralfeder 102 und eine die Spiralfeder 102 bedeckenden Federdeckel 104 auf.
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Der Rotor 92 ist axial im Stator 94 aufgenommen. Axial auf den Stator 94 sind der Frontdeckel 96 und der Rückdeckel 98 aufgesetzt und mit den Schrauben 100 verschraubt. Der Rotor 92 bildet gemeinsam mit dem Stator 94 in einer dem Fachmann bekannten Weise die Druckkammern aus. Das Zentralventil 2 ist rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse 3 aufgebaut. Im Betrieb des Zentralventils 2 wird der Steuerkolben 8 zum Betrieb des Nockenwellenverstellers hin- und hergeschoben, um die Druckkammern des Nockenwellenverstellers mit Hydraulikflüssigkeit zu füllen und zu leeren.
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Der Stator 94 weist ferner an seinem Umfang Zähne 110 auf, in die ein durch eine nicht gezeigte Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors angetriebenes Triebmittel, wie beispielsweise eine Kette eingreifen kann, um den Stator 94 zu drehen. Der Rotor 92 ist zwischen dem Schraubenkopf 16 der Zentralschraube 4 und der Nockenwelle 112 axial verklemmt und so fest mit der Nockenwelle 112 verbunden. Auf diese Weise wird die vom Stator 94 aufgenommene Rotationsenergie aus der Kurbelwelle über den Rotor 92 auf die Nockenwelle 112 übertragen.
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Zur Reduktion von Winkeloszillationen des Rotors 92 kann durch eine Zuschaltung des Zentralventils 2 erfolgen, so dass eine druckbelastete Arbeitskammer druckentlastet und jede druckentlastete Arbeitskammer druckbelastet kurzzeitig geschaltet wird, wobei das Zentralventil 2 so der Winkeloszillation des Rotors 92 des Nockenwellenverstellers 1 folgt.
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Die Frequenz und die Dauer der einzelnen Zuschaltungen des Zentralventils 2 sind in einem Schaltmuster „f-s“ zusammengefasst, wobei für unterschiedliche Betriebszustände des Nockenwellenverstellers 90 unterschiedliche Schaltmuster gebildet und in einer Motorsteuerung gespeichert sind.
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Die Frequenz der einzelnen Zuschaltungen entspricht der Frequenz der einzelnen Abstufungen in einer Verstellgeschwindigkeitskurve, während die Dauer der einzelnen Zuschaltungen der Dauer der einzelnen Druckspitzen-Abstufungen in einer Verstellgeschwindigkeitskurve entspricht, wie sie beispielhaft in den 2-3 gezeigt ist.
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Die Bestimmung des Schaltmusters des Zentralventils 2 kann beim Beginn, in einer Zwischenposition und am Ende der Verstellung mit einer jeweiligen Ist-Winkelposition der Nockenwelle 112 in der Motorsteuerung korreliert werden. Die Korrelation in der Motorsteuerung kann mittels einer künstlichen Intelligenz erfolgen.
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Anhand der Figure 1-3 wird nachfolgend ein Verfahren zur Steuerung des Nockenwellenverstellers 90 mittels einer Motorsteuerung durch eine Ermittlung eines Schaltmusters zur Reduktion von Winkeloszillationen des Rotors 92 des Nockenwellenverstellers 90 näher erläutert.
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Zunächst erfolgt eine Messung einer Verstellgeschwindigkeitskurve mit einem Standard-Schaltmuster „f0-s0“ und Ableitung eines SOLL-Schaltmusters durch Messung, was in der 2 skizziert ist. Diese Messung kann beispielsweise an einem Prüfstand während der System-Entwicklung erfolgen.
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Danach wird eine Simulation der Verstellgeschwindigkeitskurve und Ableitung eines SOLL-Schaltmusters „f1-s1“ durch eine künstliche Intelligenz auf Basis von Parametern umfassend die Ölviskosität, Öltemperatur, Öldruck, Druckübersetzung, Motordrehzahl, Nockenüberläufe, und/oder Reibung durchgeführt. Dies ist in der 3 skizziert.
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Nun wird nachfolgend eine Simulation einer optimierten Verstellgeschwindigkeitskurve und Ableitung eines optimierten Schaltmusters „f2-s2“ mit einer reduzierten Anzahl und Dauer der einzelnen Zuschaltungen im Vergleich zum ersten Schaltmuster „f1-s1“ veranlasst, gefolgt von einem Vergleich der optimierten SOLL-Verstellgeschwindigkeit zur simulierten Verstellgeschwindigkeit in Korrelation zu Signalen von Winkelgebern und beim Vorliegen der Bedingung, dass das Schaltmuster „f1-s1“ eine längere Dauer der Verstellung aufweist, als das Schaltmuster „f2-s2“, das Schaltmuster „f2-s2“ innerhalb der Motorsteuerung ausgewählt und aktiviert wird oder anderweitig das Schaltmuster „f1-s1“ aktiviert bleibt.
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Für die Verstellgeschwindigkeit relevante Parameter wie Ölviskosität, Reibung, Leckage etc. können bei der Fertigung/Montage des VVT-Systems gemessen, auf ein Speichermedium dokumentiert (DMC, elektr. Speicher, Cloud etc.) und bei der Motormontage in die künstliche Intelligenz eingelesen werden.
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Der Wechsel von einem Schaltmuster zum anderen Schaltmuster kann durch die künstliche Intelligenz dynamisch nach jeder einzelnen, bereits durchgeführten Zuschaltung des Zentralventils 2 eingeleitet werden, z.B. bei Änderung eines der Betriebsparametern, z.B. Drehgeschwindigkeit, Öldruck, Leckage etc. Dadurch kann die Erhöhung der Verstellgeschwindigkeit an die Betriebsbedingungen in Echtzeit gekoppelt werden.
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Die Simulation der Verstellgeschwindigkeitskurve und/oder der optimierten Verstellgeschwindigkeitskurve kann mittels einer künstlichen Intelligenz durch nummerische Methoden ausgewählt aus der Gruppe der Newtonschen Näherungsverfahren, Iterationsmethoden, Monte-Carlo-Methoden oder dergleichen erfolgen.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Zentralventil
- 3
- Rotationsachse
- 4
- Zentralschraube
- 8
- Steuerkolben
- 16
- Schraubenkopf
- 90
- Nockenwellenversteller
- 92
- Rotor
- 94
- Stator
- 96
- Frontdeckel
- 98
- Rückdeckel
- 100
- Schraube
- 102
- Spiralfeder
- 104
- Federdeckel
- 110
- Zähne
- 112
- Nockenwelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012201567 B4 [0004, 0009]
- CN 112302753 A [0005, 0009]
- EP 1476642 B1 [0006, 0009]
- EP 2010759 B1 [0007, 0010]
- DE 102018106104 A1 [0008, 0011]
