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Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe in einem Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere in einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2014 200 584 A1 ist ein elektromagnetisch ansteuerbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems, bekannt, das der Befüllung eines Hochdruckelementraums der Hochdruckpumpe mit Kraftstoff dient. Das Saugventil umfasst eine ringförmige Magnetspule, einen Polkern und einen zwischen zwei Endanschlägen hubbeweglichen Anker, wobei ein erster Endanschlag durch den Polkern gebildet wird, der gemeinsam mit dem Anker einen Arbeitsluftspalt begrenzt. Der Anker ist mit einem hubbeweglichen Ventilstößel koppelbar, der in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Der Anker ist jedoch in Richtung des Ventilstößels von der Federkraft einer weiteren Feder beaufschlagt, die derart dimensioniert ist, dass sie bei ausbleibender Bestromung der Magnetspule das Saugventil geöffnet hält. Soll das Saugventil geschlossen werden, wird die Magnetspule bestromt. Daraufhin bildet sich ein Magnetfeld aus, dessen Magnetkraft zu einer Hubbewegung des Ankers entgegen der Federkraft der weiteren Feder führt, so dass der Ventilstößel entlastet wird und von der Federkraft der in Schließrichtung wirkenden Feder in einen Ventilsitz gezogen wird. Um das Saugventil erneut zu öffnen, wird die Bestromung des Elektromagneten beendet. Die weitere Feder stellt den Anker in seine Ausgangslage zurück, wobei dieser vor Erreichen des zweiten Endanschlags am Ventilstößel anschlägt und den Ventilstößel aus dem Ventilsitz hebt.
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Die Hubbewegungen des Ankers sind in der Regel hochdynamisch. Das heißt, dass der Anker mit hoher Geschwindigkeit den Polkern erreicht, der einen der beiden Endanschläge ausbildet. Mit Auftreffen des Ankers an diesem Endanschlag wird demnach der Polkern stark belastet. Gleiches gilt in Bezug auf das Bauteil, das den weiteren Endanschlag ausbildet, bzw. in Bezug auf den Ventilstößel, auf den der Anker zuerst aufprallt. Die hohen Anschlagimpulse erhöhen den Verschleiß im jeweiligen Kontaktbereich, so dass auf Dauer die Funktion des Saugventils nicht mehr sichergestellt sein kann. Dies wiederum kann einen Pumpenausfall zur Folge haben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch betätigbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe in einem Kraftstoffeinspritzsystem anzugeben, das weniger verschleißanfällig ist und demzufolge eine hohe Lebensdauer besitzt.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das elektromagnetisch betätigbare Saugventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das vorgeschlagene elektromagnetisch betätigbare Saugventil umfasst einen Elektromagneten zur Einwirkung auf einen zwischen zwei Endanschlägen hubbeweglichen Anker, der in Richtung eines hubbeweglichen Ventilkolbens von der Federkraft einer Druckfeder beaufschlagt ist. Dem Anker liegt an einem Arbeitsluftspalt ein Polkern gegenüber, der einen der beiden Endanschläge ausbildet. Erfindungsgemäß ist zur Dämpfung der Bewegung des Ankers eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen, die ein in eine Sacklochbohrung eintauchendes Verdrängerelement umfasst.
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Im Betrieb des Saugventils ist die Sacklochbohrung mit Kraftstoff gefüllt. Um das Eintauchen des Verdrängerelements in die Sacklochbohrung während eines Hubs des Ankers zu ermöglichen, muss zumindest ein Teil des Kraftstoffs aus der Sacklochbohrung verdrängt werden. Durch die zur Verdrängung des Kraftstoffs erforderliche Energie wird die Bewegung des Ankers abgebremst. Folglich verringert sich die Ankergeschwindigkeit und der Anschlagimpuls wird gesenkt. Dies wiederum hat einen geringeren Verschleiß an den jeweiligen Kontaktflächen zur Folge, so dass die Lebensdauer des Saugventils steigt. Darüber hinaus minimiert die vorgeschlagene Dämpfungseinrichtung die Geräuschbildung beim Anschlagen des Ankers an einem Endanschlag.
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Vorteilhafterweise ist die Sacklochbohrung der Dämpfungseinrichtung in einer den Arbeitsluftspalt begrenzenden Stirnfläche des Ankers oder des Polkerns ausgebildet. Die Anordnung der Dämpfungseinrichtung erfolgt somit im Bereich des Arbeitsluftspalts. Auf diese Weise kann die Bewegung des Ankers relativ zum Polkern zur Aktivierung der Dämpfungseinrichtung genutzt werden bzw. die Aktivierung der Dämpfungseinrichtung erfolgt in Abhängigkeit vom Hub des Ankers. Vorzugsweise ist die Sacklochbohrung der Dämpfungseinrichtung mittig in Bezug auf die jeweilige Stirnfläche angeordnet.
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Das in die Sacklochbohrung eintauchende Verdrängerelement ist vorzugsweise gegenüberliegend angeordnet.
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Bevorzugt bildet ein Stift oder Bolzen das Verdrängerelement aus. Das heißt, dass das Verdrängerelement durch ein separates Bauteil gebildet wird, so dass die Herstellung des Verdrängerelements vereinfacht wird.
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Weiterhin bevorzugt ist das Verdrängerelement in den Polkern oder in den Anker eingesetzt, und zwar gegenüber von der Sacklochbohrung. Ist diese in der den Arbeitsluftspalt begrenzenden Stirnfläche des Ankers ausgebildet, ist das Verdrängerelement in den Polkern eingesetzt. Dies hat den Vorteil, dass über die im Anker ausgebildete Sacklochbohrung eine Reduzierung der bewegten Masse erreicht wird, was sich positiv auf die Ankerdynamik auswirkt. Es kann aber auch umgekehrt sein, d. h., dass der Polkern die Sacklochbohrung ausbildet und das Verdrängerelement in den Anker eingesetzt ist.
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Analog zur Sacklochbohrung, ist vorzugsweise der als Verdrängerelement dienende Stift oder Bolzen mittig in Bezug auf die jeweilige Stirnfläche des Polkerns bzw. des Ankers angeordnet. Dadurch ist sichergestellt, dass das Verdrängerelement in die Sacklochbohrung eintaucht und der an der Stirnfläche des Ankers anliegende hydraulische Druck den Anker gleichmäßig belastet.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Verdrängerelement innerhalb der Sacklochbohrung einen Ringspalt definiert. Über den Ringspalt kann Kraftstoff aus der Sacklochbohrung nach außen verdrängt werden. Vorzugsweise öffnet sich der Ringspalt zum Arbeitsluftspalt hin, so dass der verdrängte Kraftstoff zunächst in den Arbeitsluftspalt gelangt. Weiterhin vorzugsweise ist der Ringspalt derart ausgelegt, dass die gewünschte Dämpfungswirkung über unterschiedliche Kraftstoffviskositäten hinweg erreicht wird.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Ringspalt in Abhängigkeit vom Hub des Ankers variabel ist. Das heißt, dass der Ringspalt in Hubrichtung sein Spaltmaß ändert. Auf diese Weise kann hubabhängig die Dämpfungswirkung variiert werden. Insbesondere kann die Dämpfungseinrichtung über den variablen Ringspalt derart ausgelegt werden, dass die Ankergeschwindigkeit erst kurz vor Erreichen eines Endanschlags oder kurz vor Erreichen des Ventilkolbens reduziert wird. Bleibt im Übrigen die Ankerbewegung ungedämpft, können kurze Schaltzeiten erreicht werden.
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Vorteilhafterweise wirken die Sacklochbohrung und das Verdrängerelement eine Drosselstelle ausbildend zusammen. Die Drosselstelle erschwert die Verdrängung von Kraftstoff aus der Sacklochbohrung, so dass eine erhöhte Dämpfungswirkung erzielt wird. Vorzugsweise ist die Ausbildung der Drosselstelle vom Hub des Ankers abhängig. Das heißt, dass zweitweise keine Drosselstelle ausgebildet wird oder die Drosselstelle einen variablen Drosselquerschnitt besitzt. Bevorzugt kommt es zur Ausbildung der Drosselstelle kurz bevor der Anker einen Endanschlag oder den Ventilkolben erreicht. Dadurch werden kurze Schaltzeiten erreicht, da im Übrigen die Ankerbewegung ungedämpft bleibt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Sacklochbohrung zumindest abschnittsweise konisch, sphärisch und/oder gestuft ausgeführt. Über derart geformte Abschnitte der Sacklochbohrung lässt sich in einfacher Weise ein Ringspalt realisieren, der in Abhängigkeit vom Hub des Ankers variabel ist. Ferner kann der konisch, sphärisch und/oder gestuft ausgeführte Abschnitt der Ausbildung einer Drosselstelle dienen.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das Verdrängerelement zumindest abschnittsweise konisch, sphärisch und/oder gestuft ausgeführt ist, um einen variablen Ringspalt und/oder eine Drosselstelle auszubilden.
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Darüber hinaus kann – alternativ oder ergänzend – die Sacklochbohrung und/oder das Verdrängerelement zumindest abschnittsweise mindestens eine Längsnut oder Abflachung aufweisen. Die innerhalb der Sacklochbohrung ausgebildete Ringnut weist in diesem Fall kein über den Umfang gleichbleibendes, sondern variierendes Spaltmaß auf. D. h., dass der freie Strömungsquerschnitt der Ringnut über den Umfang variiert. Ist dies lediglich abschnittsweise der Fall, kann auch hierüber eine hubabhängige Dämpfung der Ankerbewegung erzielt werden.
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Bevorzugt weist der Anker mehrere Strömungskanäle in Form von Axialbohrungen oder Längsnuten zur Verbindung beidseits des Ankers gelegener Druckräume auf. Die Strömungskanäle ermöglichen einen schnellen Druckausgleich und damit eine schnelle Ankerbewegung. Um kurze Schaltzeiten zu erreichen, ist eine schnelle Ankerbewegung grundsätzlich erwünscht. Um den Verschleiß beim Anschlagen des Ankers an einem Endanschlag oder dem Ventilkolben zu verringern, kann die Ankerbewegung erst kurz vor Erreichen eines Endanschlags bzw. des Ventilkolbens gedämpft werden.
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Es wird angemerkt, dass je nach Gestaltung der Sacklochbohrung und/oder des Verdrängerelements eine Dämpfung der Ankerbewegung kurz vor Erreichen eines oder beider Endanschläge realisierbar ist. Ferner kann die Erfindung in der Weise umgesetzt werden, dass eine Dämpfung in jeder beliebigen Hubposition des Ankers erzielbar ist.
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Vorzugsweise sind die dem Druckausgleich dienenden mehreren Strömungskanäle in gleichem Winkelabstand zueinander im Anker ausgebildet. Dies trägt zu einer gleichmäßigen Druckbeaufschlagung des Ankers bei.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Anker zumindest abschnittsweise in einem Ventilkörper aufgenommen ist. Über den Ventilkörper kann eine Führung des Ankers bewirkt werden, die sicherstellt, dass das Verdrängerelement in die Sacklochbohrung eintaucht, wenn sich der Anker auf den Polkern zu bewegt.
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Vorzugsweise bildet ein ringförmiger Absatz des Ventilkörpers oder eine hieran abgestützte Anschlagplatte den weiteren Endanschlag aus. Über die Lage des Polkerns zum Ventilkörper kann demnach der Hub des Ankers eingestellt werden. Die Ausbildung des weiteren Endanschlags durch eine Anschlagplatte besitzt den Vorteil, dass die Anschlagplatte aus einem besonders verschleißfesten Werkstoff gefertigt werden kann.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch ein in eine Hochdruckpumpe integriertes, elektromagnetisch betätigbares Saugventil gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
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2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1,
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3 einen schematischen Längsschnitt durch eine Dämpfungseinrichtung eines elektromagnetisch betätigbaren Saugventils gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, a) bei Erreichen des unteren Endanschlags, b) während des Ankerhubs und c) bei Erreichen des oberen Endanschlags,
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4 einen schematischen Längsschnitt durch eine Dämpfungseinrichtung eines elektromagnetisch betätigbaren Saugventils gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
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5 einen schematischen Längsschnitt durch eine Dämpfungseinrichtung eines elektromagnetisch betätigbaren Saugventils gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte elektromagnetisch betätigbare Saugventil 1 dient der Befüllung eines Hochdruckelementraums 23 einer Hochdruckpumpe mit Kraftstoff. Das Saugventil 1 ist hierzu in ein Gehäuseteil 21 der Hochdruckpumpe integriert, das zugleich einen Ventilsitz 22 für einen hubbeweglichen Ventilkolben 6 des Saugventils 1 ausbildet. Der Ventilkolben 6 ist in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder 26 beaufschlagt, die als Schraubendruckfeder ausgebildet ist und den Ventilkolben 6 abschnittsweise umgibt. Die Abstützung der Feder 26 erfolgt einerseits an einem auf den Ventilkolben 6 aufgepressten Federteller 28, andererseits am Gehäuseteil 21 der Hochdruckpumpe.
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In Ruhestellung eines Elektromagneten 2 ist das Saugventil 1 geöffnet. Denn auf den Ventilkolben 6 wirkt mittelbar über einen Anker 5 die Federkraft einer Druckfeder 7, deren Federkraft größer als die der Feder 26 ist. Bei geöffnetem Saugventil 1 vermag Kraftstoff aus einem im Gehäuseteil 21 ausgebildeten Niederdruckraum 24 über Zulaufbohrungen 25 in den Hochdruckelementraum 23 der Hochdruckpumpe zu strömen. Der Kraftstoff im Hochdruckelementraum 23 wird im Förderbetrieb der Hochdruckpumpe komprimiert und anschließend über ein Auslassventil 27 einem Hochdruckspeicher (nicht dargestellt) zugeführt.
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Zum Schließen des Saugventils 1 wird der Elektromagnet 2 bestromt. Es bildet sich ein Magnetfeld aus, dessen Magnetkraft den mit dem Ventilkolben 6 gekoppelten Anker 5 entgegen der Federkraft der Druckfeder 7 in Richtung eines Polkerns 9 bewegt, um einen zwischen dem Polkern 9 und dem Anker 5 ausgebildeten Arbeitsluftspalt 8 zu schließen. Der Anker 5 löst sich dabei vom Ventilkolben 6 und die Feder 26 vermag den Ventilkolben 6 in den Ventilsitz 22 zu ziehen. Während der Hubbewegung des Ankers 5 stellen im Anker 5 ausgebildete Strömungskanäle 15 einen Druckausgleich zwischen beidseits des Ankers 5 gelegenen Druckräumen 16, 17 sicher.
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Der Polkern 9 bildet einen ersten Endanschlag 3 für den Anker 5 aus. Das heißt, dass die den Arbeitsluftspalt 8 begrenzende Stirnfläche des Polkerns 9 durch den anschlagenden Anker 5 auf Verschleiß beansprucht wird.
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Einen weiteren Endanschlag 4 bildet eine Anschlagplatte 20 aus, die an einem ringförmigen Absatz 19 eines Ventilkörpers 18 abgestützt ist.
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Wird die Bestromung des Elektromagneten 2 beendet, stellt die Druckfeder 7 den Anker 5 zurück in seine Ausgangslage. Vor Erreichen des Endanschlags 4 trifft der Anker 5 auf den Ventilkolben 6 und hebt diesen aus dem Ventilsitz 22, so dass das Saugventil 1 öffnet. Die Anschlagplatte 20 und der Ventilkolben 6 werden demnach ebenfalls auf Verschleiß beansprucht.
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Um den Verschleiß im Bereich eines Endanschlags 3, 4 und/oder am Ventilkolben 6 zu mindern, weist das in der 1 dargestellte Saugventil 1 eine Dämpfungseinrichtung 10 auf, die eine im Anker 5 ausgebildete Sacklochbohrung 11 sowie ein in den Polkern 9 eingesetztes Verdrängerelement 12 umfasst. Führt der Anker 5 eine Hubbewegung aus, taucht das Verdrängerelement 12 in die Sacklochbohrung 11 ein und verdrängt einen Teil des hierin vorhandenen Kraftstoffs über einen zwischen dem Anker 5 und dem Verdrängerelement 12 verbleibenden Ringspalt 13 (siehe auch 2). Über die Verdrängerleistung wird die Bewegung des Ankers 5 gebremst, so dass er mit verringerter Geschwindigkeit am Polkern 9 anschlägt. In der Folge wird auch der Verschleiß im Bereich des ersten Endanschlags 3 minimiert.
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In der 3 ist eine weitere Dämpfungseinrichtung 10 für ein erfindungsgemäßes Saugventil 1 dargestellt. Hier sind die Sacklochbohrung 11 und das Verdrängerelement 12 jeweils gestuft ausgeführt, so dass sich ein Ringspalt 13 zwischen dem Anker 5 und dem Verdrängerelement 12 ausbildet, der in Abhängigkeit vom Hub des Ankers 5 variabel ist. Die Dämpfungswirkung wird über einen Abschnitt des Verdrängerelements 12 mit vergrößertem Durchmesser in Verbindung mit Abschnitten der Sacklochbohrung 11 mit verkleinertem Durchmesser erreicht. Diese sind einander in der Weise zugeordnet, dass jeweils erst kurz vor Erreichen eines Endanschlags 3, 4 zwischen dem Anker 5 und dem Verdrängerelement 12 eine Drosselstelle 14 ausgebildet wird. Die Drosselstelle 14 erschwert eine Verdrängung des Kraftstoffs aus der Sacklochbohrung 11 über den Ringspalt 13, so dass eine optimale Dämpfung erzielt wird.
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In der 3a ist eine Hubposition des Ankers 5 dargestellt, die der Anker 5 kurz vor Erreichen des Endanschlags 4 einnimmt. Das heißt, dass sich der Anker 5 in Richtung der Anschlagplatte 20 bewegt. Die zwischen dem Anker 5 und dem Verdrängerelement 12 ausgebildete Drosselstelle 14 mindert den Anschlagimpuls des Ankers 5 an der Anschlagplatte 20.
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Wird der Elektromagnet 2 bestromt, so dass die Magnetkraft den Anker 5 in Richtung des Polkerns 9 bewegt, findet keine Dämpfung über die Dämpfungseinrichtung 10 statt, da – wie in der 3b dargestellt – die Sacklochbohrung 11 erweitert ist, so dass der in der Sacklochbohrung 11 vorhandene Kraftstoff über den Ringspalt 13 verdrängt werden kann. Die gestufte Ausführung des Verdrängerelements 12 gewährleistet, dass der freie Strömungsquerschnitt des Ringspalts 13 keine Verengung erfährt, solange der Anker 5 eine Lage zwischen den beiden Endanschlägen 3, 4 einnimmt. Dadurch bleiben kurze Schaltzeiten des Saugventils 1 erhalten.
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Kurz vor Erreichen des Polkerns 9, d. h. des Endanschlags 4, wird der Anker 5 jedoch erneut abgebremst. Denn dann taucht das Verdrängerelement 12 soweit in die Sacklochbohrung 1 ein, dass – wie in der 3c dargestellt – zwischen dem Anker 5 und dem Verdrängerelement 12 erneut eine Drosselstelle 14 ausgebildet wird.
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Weitere Ausführungsformen einer Dämpfungseinrichtung 10 für ein erfindungsgemäßes Saugventil 1 sind in den 4 und 5 dargestellt. Diese unterscheiden sich von der der 3 insbesondere dadurch, dass das Verdrängerelement 12 oder die Sacklochbohrung 11 zumindest abschnittsweise konisch geformt sind. Auf diese Weise können ebenfalls in Abhängigkeit vom Hub des Ankers 5 variable Ringspalte 13 ausgebildet werden, so dass die Dämpfungswirkung der Dämpfungseinrichtung 10 lediglich in bestimmten Hubpositionen des Ankers 5 bewirkt wird.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch Abwandlungen. Beispielsweise kann die Sacklochbohrung 11 im Polkern 9 ausgebildet sein, während das Verdrängerelement 12 in den Anker 5 eingesetzt ist. Darüber hinaus kann bzw. können die Sacklochbohrung 11 und/oder das Verdrängerelement 12 auch sphärisch geformte Abschnitte aufweisen, um einen in Abhängigkeit vom Hub des Ankers 5 variablen Ringspalt 13 zu schaffen. Zudem kann das Spaltmaß des Ringspalts 13 über seinen Umfang variieren. Beispielsweise kann bzw. können in der Sacklochbohrung 11 und/oder im Verdrängerelement 12 sich über einen bestimmten Abschnitt ersteckende Längsnuten oder Abflachungen ausgebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014200584 A1 [0002]
