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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern eines Fluidstroms, insbesondere eines Volumenstroms eines gasförmigen Fluids nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
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Aus der
DE 100 46 939 B4 ist bereits ein Tauchankersystem für einen elektropneumatischen Druckwandler bekannt. Der Druckwandler umfasst zumindest teilweise in einer Ummantelung, insbesondere einer Eisenummantelung, einen Tauchanker, einen Kern, wie einen Eisenkern oder einen Magnetkern, zumindest eine erste Ausnehmung in dem Tauchanker und einen Luftspalt zwischen der Ummantelung und dem Tauchanker und dem Kern, der durch Relativbewegung zwischen dem Tauchanker und dem Kern, während der der Kern in die erste Ausnehmung in dem Tauchanker teilweise hinein- oder aus derselben hinaus bewegbar ist, einstellbar ist. Dabei ist der Kern relativ zum Tauchanker zur Einstellung des Luftspalts bewegbar. Über eine Gewindehülse ist der Kern relativ zum Taucheranker bewegbar, wobei zwischen der Ummantelung und der Gewindehülse ein Abstandshalter und ein erstes Dämpfungsglied in der ersten Ausnehmung vorgesehen sind.
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Aus der
DE 82 32 134 U1 ist bereits ein Magnetventil in der Anwendung eines Dosierventils für Beatmungsgeräte bekannt. Dieses Magnetventil zeichnet sich dadurch aus, dass eine Ankerhülse aus Ferrit besteht und in einer Ausnehmung eines gehäusefesten Magnetkerns zwei hintereinander angeordnete Federelemente sowie ein kolbenförmiges Übertragungsglied vorgesehen sind, die eine Dämpfungsvorrichtung bilden, die eine progressive Bewegungsdämpfung des Tauchankers ermöglicht, wodurch nicht nur die Schaltgeräusche erheblich vermindert werden, sondern auch ein vibrationsfreies exaktes Schalten erreichbar ist.
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Aus der
DE 103 04 143 A1 ist eine Ventilvorrichtung zum Steuern eines Fluids bekannt, welche ein Ventilgehäuse und eine elektromagnetische Betätigungseinheit zum Betätigen eines Ventilankers aufweist. Der Ventilanker ist axial verschiebbar in einer Führungshülse geführt und zur Steuerung eines Fluidstroms zwischen einer Zuströmseite und einer Abströmseite vorgesehen. Dazu ist der Ventilanker mit einem mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilschließglied ausgebildet, das zum Überführen der Ventilvorrichtung zwischen einem geschlossenen und einem geöffneten Zustand in der Führungshülse axial entgegen einem Anschlagelement gegen die Kraft einer Rückstellfeder bewegbar ist.
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Derartige Einspritzventile bzw. Einblasventile, welche bei gasförmigen Medien zum Einsatz kommen, sind bezüglich Ihres Aufbaus und der Funktion im Wesentlichen von den für flüssige Medien gebräuchlichen Einspritzventilen abgeleitet, wobei es schwierig ist, den speziellen Anforderungen zu genügen, die beim Steuern gasförmiger Volumenströme an Ventile gestellt werden.
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Einem Gasverbrennungsmotor bzw. einer Brennstoffzelle sind in der Regel weitaus größere Fluidmengen zuzuführen als einem mit Flüssigbrennstoff betriebenen Verbrennungsmotor. Weshalb Ventilvorrichtungen zum Steuern von gasförmigen Fluiden mit größeren Querschnitten und größeren Ankerhüben zur Verfügung zu stellen sind.
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Aufgrund der im Vergleich zu Einspritzventilen für flüssige Medien großen Querschnitte werden zur Betätigung von Ventilvorrichtungen für gasförmige Medien sogenannte stromgeregelte Endstufen verwendet, wobei die Ventilvorrichtungen durch die Ansteuerung mit stromgeregelten Endstufen mit sehr kurzen Öffnungszeiten betrieben werden.
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Dies führt jedoch nachteilhafterweise dazu, dass der Ventilanker mit derartigen Geschwindigkeiten auf das eine Hubbegrenzungsfläche aufweisende Anschlagelement auftrifft, was nachteilhafterweise zu einer plastischen Verformung der Hubbegrenzungsflache und/oder einem Abplatzen einer Verschleißschutzschicht bzw. einer Schicht zur Einstellung eines magnetischen Restluftspaltes im Bereich zwischen dem Ventilanker und dem Anschlagelement führt. Diese Verschleißerscheinungen verursachen im Betrieb der Ventilvorrichtung und führen zu einer unerwünschten Veränderung der Funktionswerte.
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Aus diesem Grund ist in der Praxis dazu übergegangen worden, die miteinander in Kontakt tretenden Stirnflächen des Ventilankers und/oder des Anschlagelements mit als Dämpfungselement wirkenden Elastomeren zu beschichten.
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Derartig ausgebildete Ventilvorrichtungen weisen aufgrund der Stoffeigenschaften der Elastomere gegenüber ohne Elastomerdämpfungselemente ausgeführten Ventilvorrichtungen Nachteile hinsichtlich der schlechten Einstellbarkeit der Härte, der hohen Streuung zwischen den Ventilen, der Kleinmengenlinearität, des Temperaturverhaltens und des höheren Bedarfs an Magnetkraft zur Betätigung der Ventilvorrichtung auf.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ventilvorrichtung zum Steuern eines Fluidstroms, insbesondere eines Volumenstroms eines gasförmigen Fluids zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Lebensdauer aufweist und mit der eine exakte Steuerung durchführbar ist.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern eines Fluidstroms, insbesondere eines Volumenstroms eines gasförmigen Fluids, ist mit einem Führungselement, in dem ein Ventilanker mit einem Ventilschließglied zur Einstellung des Fluidstroms zwischen einer Zuströmseite und einer Abströmseite gegenüber einem Ventilsitzkörper axial beweglich geführt ist, ausgebildet. Der Ventilanker ist mittels einer mit einer Spule und einem wenigstens teilweise innerhalb der Spule angeordneten Innenpolelement ausgeführten elektromagnetischen Betätigungseinrichtung zwischen zwei Endstellungen verschiebbar, wobei eine erste Endstellung des Ventilankers durch eine dem Ventilanker zugeordnete Anschlagstirnfläche des Innenpolelements definiert ist und das Innenpolelement zum Abstützen des Ventilankers in seiner ersten Endstellung mit einem mit einem gehäusefesten Bereich zusammenwirkenden Abstützbereich ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß ist zwischen der Anschlagstirnfläche und dem gehäusefesten Bereich wenigstens ein Bewegungsenergie des Ventilankers absorbierender Dämpfungsbereich ausgebildet. Dadurch ist die Ventilvorrichtung auf konstruktiv einfache Art und Weise mit einem einstellbaren Abbremsmechanismus für den Magnetanker ausgebildet, mittels welchem Verschleiß bzw. plastische Verformungen sowohl im Bereich des Ventilankers als auch im Bereich des die erste Endstellung des Ventilankers definierenden Anschlages am Innenpolelement reduzierbar bzw. vollständig vermeidbar sind.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Ventilvorrichtung bietet neben einer einfach einstellbaren Gegenkraft für den Ventilanker die Möglichkeit, Betriebsgeräusche im Bereich der Ventilvorrichtung im Vergleich zu herkömmlich ausgebildeten Ventilvorrichtungen wesentlich zu reduzieren.
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Zusätzlich wird durch den verringerten bzw. vollständig eliminierten Verschleiß im Bereich zwischen den einander zugewandten und in der ersten Endstellung des Ventilankers einander anliegenden Stirnflächen des Ventilankers und des Innenpolelementes eine über die gesamte Lebensdauer der Ventilvorrichtung gleichbleibende Funktionalität der Ventilvorrichtung erreicht, was besonders vorteilhaft für die Ansteuerung eines Verbrennungsmotors ist.
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Ein weiterer Vorteil, welcher sich aus der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Ventilvorrichtung ergibt, ist, dass im Vergleich zu herkömmlichen Ventilvorrichtungen eine deutliche Reduktion der Stoßkraft des Ventilankers erzielt wird. Dies führt ebenfalls zu einer Reduzierung der Stoßbelastung der weiteren Bauteile der Ventilvorrichtung, so dass aufwändige Maßnahmen, welche die durch das Auftreffen des Ventilankers auf das Innenpolelement ausgelösten Erschütterungen im Bereich der gesamten Ventilvorrichtung reduzieren, nicht erforderlich sind.
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Zudem ist die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung im Vergleich zu an sich bekannten Ventilvorrichtungen mit einem schlankeren Magnetkreis ausführbar, da der Ventilanker gegen den festen Anschlag des vorzugsweise rohrförmigen Innenpolelements abgefedert ist.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Drei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäß ausgeführten Ventilvorrichtung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventilvorrichtung;
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2 eine vergrößerte Einzeldarstellung des Innenpolelements gemäß 1;
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3 eine 2 entsprechende Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Innenpolelements; und
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4 eine 1 entsprechende Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgeführten Ventilvorrichtung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt einen Teillängsschnitt einer Ventilvorrichtung 1, welches zum Einsatz bei einer Brennstoffzelle oder bei einem Gasverbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges ausgelegt ist und zur Steuerung eines Fluidstroms, d. h. eines Volumenstroms eines gasförmigen Fluids, von einer Zuströmseite 2 zu einer Abströmseite 3 vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung kann beispielsweise als niederohmiges Gaseinlassventil in Nutzkraftwagen, wie LKWs oder Bussen eingesetzt werden.
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Die Ventilvorrichtung 1 umfasst ein mehrteiliges Gehäuse 4, in welchem eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung 5 mit einer Magnetspule 6 angeordnet ist, welche wiederum eine vorliegend durch Tiefziehen oder eine andere Umformtechnik hergestellte Führungshülse bzw. ein Führungselement 7 aus nichtmagnetischem Werkstoff umgreift.
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In dem Führungselement 7 ist ein weichmagnetischer Ventilanker 8 axial verschieblich gelagert, der mit einem nicht näher dargestellten Ventilschließglied verbunden ist, welches zum Zusammenwirken mit einem Ventilsitz vorgesehen ist.
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Zuströmseitig schließt sich an den Ventilanker 8 ein koaxial in der Führungshülse 7 angeordnetes, rohrförmig ausgebildetes Innenpolelement 9 an, welches einen Innenpol der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 5 bildet. Das Innenpolelement 9 liegt mit einer dem Ventilanker 8 abgewandten Stirnfläche 10, die einen Abstützbereich des Innenpolelements 9 darstellt, an einer einen axialfesten Anschlag bildenden bzw. einen gehäusefesten Bereich darstellenden Anschlaghülse 11 an, welche fest mit dem Führungselement 7 verbunden ist.
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Der Ventilanker 8 und das Innenpolelement 9 weisen jeweils eine zentrale Bohrung auf, die der Zuführung des in den Verbrennungsraum der Verbrennungsmaschine einzuspritzenden gasförmigen Fluids dient und in der eine auf den Ventilanker 8 wirkende, zu diesem konzentrisch angeordnete Rückstellfeder 13 angeordnet ist. Die Rückstellfeder 13 ist abströmseitig bei der in der 1 dargestellten Ausführung der Ventilvorrichtung 1 an einer an dem Ventilanker 8 ausgebildeten Auflageschulter 14 und zuströmseitig an einer Einstellhülse 12 abgestützt.
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Die Einstellhülse 12 ist mit ihrem abströmseitigen Ende in der zentralen Bohrung des Innenpolelementes 9 angeordnet und mit einem ersten Innenpolelementteil 9A des zweiteilig ausgebildeten Innenpolelements 9 über eine Pressverbindung fest verbunden. Diese Verbindung, welche auch als veränderbare Gewindeverbindung ausgebildet sein kann, dient der Bestimmung der axialen Länge der Kombination aus Einstellhülse 12 und Innenpolelement 9.
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Im nicht aktivierten geschlossenen Zustand der Ventilvorrichtung 1 ist der Ventilsitz durch das Ventilschließglied abgedichtet, wobei das mit dem Ventilanker 8 fest verbundene Ventilschließglied durch die Kraft der Rückstellfeder 13 in Schließstellung gehalten wird. Die Einstellhülse 12 und das Innenpolelement 9 werden über die Anschlaghülse 11 in einer vordefinierten Axialposition gehalten.
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Zum Öffnen der Ventilvorrichtung 1 wird die Magnetspule 6 der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 5 erregt, wodurch der magnetische Ventilanker 8 mit dem Ventilschließglied von dem Ventilsitz abgehoben und in Richtung der Zuströmseite 2 der Ventilvorrichtung 1 bewegt wird. Sobald der Ventilanker 8 auf die im Ventilanker 8 zugewandte Stirnfläche 15 eines zweiten Innenpolelementteils 9B auftrifft, wird der durch die Bewegung des Ventilankers 8 generierte Impuls in das zweite Innenpolelementteil 9B eingeleitet.
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Das zweite Innenpolelementteil 9B, dessen Außendurchmesser D2 kleiner ist als der Außendurchmesser D1 des ersten Innenpolelementteils 9A ist, ist in dem Führungselement 7 axial verschieblich geführt und stützt sich über einen zwischen dem zweiten Innenpolelementteil 9B und dem ersten Innenpolelementteil 9A vorgesehenen Dämpfungsbereich 16 in axialer Richtung an der Anschlaghülse 11 ab. Zusätzlich ist das erste Innenpolelementteil 9A in die Führungshülse 7 eingepresst und somit in axialer Richtung nicht verschieblich ausgeführt.
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Der Dämpfungsbereich 16 ist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Ventilvorrichtung 1 als ein elastischer Elastomerring ausgeführt, der beim Öffnen der Ventilvorrichtung 1 den durch das Auftreffen des Ventilankers 8 auf die Stirnfläche 15 des zweiten Innenpolelementteils 9B auftretenden Impuls zumindest zu einem derartigen Anteil absorbiert bzw. dämpft, dass ein Verschleiß im Bereich der dem Innenpolelement 9 zugewandten Stirnfläche des Ventilankers 8 sowie der Stirnfläche 15 des Innenpolelements 9 vermieden wird und ein Ventilgeräusch beim Öffnen der Ventilvorrichtung 1 gering ist.
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Durch die Anordnung des Dämpfungsbereiches 16 zwischen den beiden Innenpolelementteilen 9A und 9B des Innenpolelementes 9 liegt eine einstellbare Abbremsung des Ventilankers 8 vor, ohne dass plastische Verformungen oder ein Verschleiß an den Kontaktflächen des Ventilankers 8 und des Innenpolelements 9 bei einem Ventilöffnungsvorgang auftreten, da der Impuls beim Auftreffen des Ventilankers 8 auf das Innenpolelement 9 bei einer Ventilöffnung an den Dämpfungsbereich 16 weitergeleitet und die Impulsenergie dort aufgrund der axialen Bewegung des zweiten Innenpolelementteils 9B und der damit einhergehenden Verformung des Dämpfungsbereiches 16 abgebaut wird.
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Je nach Dimensionierung der Ventilvorrichtung 1 und der gewünschten Einspritz- bzw. Einblasdynamik kann über eine entsprechende Wahl der Elastizität des Dämpfungsbereiches 16 die von diesem aufgebrachte Gegenkraft individuell eingestellt werden, so dass sich für jede Ventilvorrichtung eine stabile Dämpfungsfunktion und Ventilfunktion über die gesamte Lebensdauer des Ventils ergibt.
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Dabei besteht zusätzlich die Möglichkeit, den Öffnungsvorgang derart zu gestalten, dass die erfindungsgemäß vorgesehene Dämpfung über den Dämpfungsbereich 16 keinerlei Auswirkungen auf die Funktionalität, wie z. B. den Einspritz- bzw. Einblaswinkel und die dynamische Mengeneinstellung, der Ventilvorrichtung 1 hat.
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In Abhängigkeit der Elastomerhärte bzw. des für die Herstellung des Dämpfungsbereichs 16 ausgewählten Elastomertyps steht der durch den Impuls verursachten Bewegung des Ventilankers 8 in Richtung der Einströmseite 2 eine bestimmte Gegenkraft des Dämpfungsbereichs 16 entgegen, aufgrund der sich der Ventilanker 8 und das zweite Innenpolelementteil 9B nach Erreichen der maximalen Auslenkung des Ventilankers 8 wieder in Richtung des Ausströmbereichs 3 bzw. des Ventilsitzes der Ventilvorrichtung bewegen, bis sich eine stabile Gleichgewichtslage einstellt, in der sich der Elastomerring 16 in Abhängigkeit der an ihn angreifenden resultierenden Gesamtkraftkomponente in einem bestimmten Verformungszustand befindet.
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2 zeigt das in 1 näher dargestellte zweiteilig ausgeführte Innenpolelement 9 und den zwischen den beiden Innenpolelementteilen 9A und 9B angeordneten Dämpfungsbereich 16, wobei letztgenannter bei der in 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform der Ventilvorrichtung als Elastomerring ausgebildet ist.
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In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiels eines Innenpolelements 9 einer erfindungsgemäß ausgeführten Ventilvorrichtung 1 gezeigt, bei der der Dämpfungsbereich 16 als gewellte Metallfeder ausgebildet ist, die die beiden Innenpolelementteile 9A und 9B federnd miteinander verbindet.
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Das bedeutet, dass der Metallfeder des in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels grundsätzlich dieselbe Funktionalität zugrunde liegt wie dem Elastomerring des in 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels der Ventilvorrichtung 1, nämlich einen beim Öffnungsvorgang der Ventilvorrichtung 1 auftretenden Impuls zwischen dem beweglich in der Führungshülse 7 angeordneten zweiten Innenpolelementteil 9B und dem in die Führungshülse 7 eingepressten ersten Innenpolelementteil 9A durch reversible Verformung derart zu absorbieren, dass plastische Verformungen und Verschleiß im Bereich der einander zugewandten Stirnflächen des Ventilankers 8 und des Innenpolelements 9 auf einfache Art und Weise vermieden werden, wobei die der Bewegung des Ventilankers 8 entgegenwirkende Gegenkraft der Metallfeder 16 des zweiten Ausführungsbeispiels der Ventilvorrichtung 1 durch entsprechende Auslegung der Kraft der Metallfeder, die beispielsweise durch Veränderung der Federneigung variierbar ist, auf einfache Art und Weise an den jeweils vorliegenden Anwendungsfall anpassbar ist.
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Die Einstellung der Federkraft des Dämpfungsbereiches des Innenpolelements bzw. die dynamische Mengeneinstellung der Ventilvorrichtung 1 gemäß 1 bzw. gemäß 3 erfolgt auf einfache Art und Weise mittels einer an den jeweils vorliegenden Anwendungsfall angepassten dynamischen und statischen Massenstromeinstellung in an sich bekannter Art und Weise.
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Bei einer nicht näher dargestellten weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Ventilvorrichtung ist es vorgesehen, dass der Dämpfungsbereich des hohlzylindrisch ausgeführten Innenpolelements mehrere über den Umfang und die axiale Länge des Innenpolelements verteilt angeordnete Aussparungen in der Zylinderwand aufweist, welche das Innenpolelement mit der für die Dämpfung des durch das Auftreffen des Ventilankers auf das Innenpolelement generierten Impulses bzw. der Auftreffenergie erforderlichen Elastizität ausbildet und die den die Ventilfunktion der Ventilvorrichtung beeinträchtigenden Verschleiß auf einfache Art und Weise vermeidet.
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Selbstverständlich liegt es im Ermessen des Fachmannes, den Dämpfungsbereich in anderer geeigneter Art und Weise auszuführen sowie das Innenpolelement auch mit mehreren Dämpfungsbereichen auszuführen, welche beispielsweise aus einer Kombination verschiedener Ausgestaltungen, d. h. eine Kombination aus einem Elastomerring und/oder einer Metallfeder und/oder Aussparungen in der Zylinderwand des Innenpolelementes gebildet sind.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgeführten Ventilvorrichtung 1 dargestellt, bei welchem das Innenpolelement 9 abweichend von den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen einteilig ausgeführt ist. Der Dämpfungsbereich 16 ist in axialer Erstreckung der Ventilvorrichtung 1 zwischen der Stirnfläche 10 des Innenpolelements 9 und einer dem Innenpolelement 9 zugewandten Stirnfläche der Anschlaghülse 11 vorgesehen. Grundsätzlich weist der Dämpfungsbereich 16 bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel dieselbe Funktionalität wie die Dämpfungsbereiche der vorbeschriebenen Beispiele gemäß 1 bis 3 auf, weshalb bezüglich der Funktionalität des Dämpfungsbereiches 16 auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.
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Der Dämpfungsbereich 16 der Ventilvorrichtung 1 gemäß 3 ist vorliegend als ein hülsenartiger Elastomerring ausgeführt und kann selbstverständlich in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles auch als eine in 3 dargestellte Metallfeder oder in beliebig anderer geeigneter Ausführung ausgebildet sein.