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Die Erfindung betrifft ein Verstellorgan für ein Schubumluftventil mit einem translatorisch bewegbaren Betätigungsglied und einem Regelkörper, der einen äußeren Hohlkörper mit einer umfänglich geschlossenen Mantelfläche aufweist, von deren ersten axialen Ende sich nach radial innen eine ringförmige Platte erstreckt, und einen inneren Hohlkörper aufweist, der mit dem Betätigungsglied verbunden ist und eine sich radial nach außen erstreckende ringförmige Platte aufweist, von deren radial inneren Bereich sich eine Mantelfläche in Richtung des Betätigungsgliedes im Inneren des äußeren Hohlkörpers erstreckt, wobei an der ringförmigen Platte des inneren Hohlkörpers ein Dichtring befestigt ist.
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Schubumluftventile dienen in bekannter Weise zur Rezirkulation von verdichtetem Frischgas, gegebenenfalls mit zurückgeführtem Abgas von der Druckseite eines Verdichters eines Turboladers zurück zur Saugseite des Verdichters. Die Verbindung zwischen der Druckseite und der Saugseite des Verdichters durch eine Bypassleitung wird für den Übergang von einer hohen Last in den Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine benötigt, um eine hohe Förderung der Ladedruckpumpe gegen eine geschlossene Drosselklappe und den daraus entstehenden Pumpeffekt sowie ein zu starkes plötzliches Absenken der Turbodrehzahl mit den Folgen thermodynamischer Probleme zu verhindern.
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Schubumluftventile werden häufig elektromagnetisch betätigt, wobei der Ventilschließkörper des Ventils über den Anker durch die elektromagnetische Kraft bewegt wird. Ein Beispiel einer solchen Anordnung wird in der
DE 100 20 041 A1 beschrieben. Die Ansteuerung erfolgt über eine Steuereinheit entsprechend vorhandener Motordaten. Das Ventil weist eine Druckausgleichsöffnung am Ventilschließkörper auf, wodurch bei entsprechender Auslegung der wirksamen Flächen ein Kräftegleichgewicht bezüglich der pneumatischen Kräfte hergestellt wird. Bei diesem Ventil ist der Verschlusskörper direkt mit dem Anker verbunden und das Innere des Ventils ist über eine Membran vom Außenbereich getrennt. Im Anker und im Verschlusskörper ist eine Bohrung ausgebildet, über die ein Druckausgleich zwischen der Druckseite des Turboladers und dem Inneren des Ventils hergestellt wird.
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Bei den folgenden Generationen von Schubumluftventilen wird in der Regel auf eine Membran verzichtet, so dass ein im Wesentlichen zylindrischer Regelkörper verwendet wird, der beispielsweise kardanisch mit dem Anker verbunden ist und der im radial äußeren Bereich, statt über eine Membran, über einen Dichtring abgedichtet ist. Ein solches Schubumluftventil ist beispielsweise aus der
DE 10 2010 026 121 A1 bekannt. Der im Wesentlichen zylindrische Regelkörper weist an seinem zum Anker weisenden Ende eine Einschnürung auf, hinter die eine Erweiterung einer Gleithülse greift, die mit dem Anker verbunden ist, so dass der Anker mit der Gleithülse und dem Regelkörper vom Ventilsitz abgehoben oder auf diesen abgesenkt wird.
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In anderen Veröffentlichungen, wie der
WO 2014/102133 A1 oder der
DE 10 2004 044 439 B4 , ist direkt am Anker eine Einschnürung mit einer folgenden Erweiterung ausgebildet, so dass der Regelkörper nach dem Einschieben über die Erweiterung in die Einschnürung greift und so formschlüssig befestigt wird. Hierzu sind am Regelkörper nach radial innen weisende, federnde Elemente vorzusehen. Entsprechend wird der Regelkörper üblicherweise als Kunststoffbauteil hergestellt, der jedoch bezüglich seiner thermischen Belastbarkeit begrenzt ist.
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Aus der
US 2012/0256115 A1 ist ein pneumatisch betätigtes Bypassventil bekannt, bei dem ein erstes kleineres topförmiges Regelkörperteil unter Zwischenlage einer Membran mittels einer Federkraft gegen ein zweites größeres topförmiges Regelkörperteil gedrückt wird, welches gleichzeitig durch die Feder gegen den Ventilsitz belastet wird. Die Membran ist außen am Gehäuse befestigt und dichtet einen Druckraum zur Betätigung ab.
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Des Weiteren ist aus der
DE 10 2013 214 594 A1 ein Schubumluftventil bekannt, welches einen Regelkörper aufweist, der über eine Buchse am Anker befestigt ist, welche einstückig mit einer Membran hergestellt ist, die einen Boden des Regelkörpers bildet, von dem aus sich eine Mantelfläche in Richtung zum Elektromagneten erstreckt. Die Membran ist als Einlegeteil in diese Mantelfläche gespritzt.
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Um die Dichtigkeit derartiger Verstellorgane zu verbessern und die Verstellorgane auch bei hohen Temperaturen einsetzen zu können, wird in der
DE 10 2014 113 550 B3 und der
DE 10 2014 113 566 B3 ein Verschlussorgan für ein Schubumluftventil vorgeschlagen, welches aus einem äußeren, zylindrischen Hohlkörper und einem inneren Hohlkörper besteht, welcher über eine Schweißverbindung am äußeren Hohlkörper befestigt ist. Die beiden Hohlkörper können aus einem Blech beispielsweise durch Tiefziehen hergestellt werden. Um eine ausreichende Dichtigkeit im den Bypasskanal verschließenden Zustand sicher zu stellen, ist am inneren Hohlkörper eine sich axial erstreckende Platte ausgebildet, an der eine Dichtung angespritzt ist, über die das Verschlussorgan am Ventilsitz aufliegt.
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Nachteilig an einer solchen Ausführung ist, dass die beiden Hohlkörper zunächst zueinander ausgerichtet und dann durch die Schweißnaht miteinander verbunden werden müssen. Dies führt zu einem unerwünschten erhöhten Montageaufwand.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verstellorgan für ein Schubumluftventil zur Verfügung zu stellen, welches kostengünstiger herstellbar und thermisch belastbar ist sowie gleichzeitig eine hohe Dichtigkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verstellorgan mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass der Dichtring an beiden Seiten der sich nach radial außen erstreckenden, ringförmigen Platte des inneren Hohlkörpers ausgebildet ist und der äußere Hohlkörper mit seiner sich nach radial innen erstreckenden, ringförmigen Platte gegen den Dichtring gespannt aufliegt, entfällt die Herstellung einer sonst notwendigen Verbindung zwischen den beiden kostengünstig herstellbaren Hohlkörpern. Die Anpresskraft kann dabei entweder mechanisch oder pneumatisch erzeugt werden, um die Hohlkörper aufeinander zu pressen. Zusätzlich kann auf ein Ausrichten der beiden Hohlkörper zueinander verzichtet werden, da sich der äußere Hohlkörper automatisch zum Gehäuse des Schubumluftventils ausrichtet. So können die Hohlkörper auch mit geringeren Toleranzen hergestellt werden.
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Vorzugsweise ist ein zum radial äußeren Hohlkörper gerichteter Wirkdurchmesser des Dichtrings geringfügig kleiner oder gleich einem größten Durchmesser einer Mantelfläche des äußeren Hohlkörpers. Dies führt dazu, dass der äußere Hohlkörper axial durch die wirkende pneumatische Kraft gegen den Dichtring gedrückt wird, da im Innern des äußeren Hohlkörpers ebenso wie im radial inneren Bereich der sich nach radial innen erstreckenden Platte des äußeren Hohlkörpers der Einlassdruck des Turboladers herrscht, während im radial äußeren Bereich der Platte der geringere Auslassdruck herrscht. Entsprechend greift an der vom Dichtring abgewandten Seite der Platte der Einlassdruck an, während auf der zum Dichtring gewandten Seite teilweise der Einlassdruck und teilweise der Auslassdruck herrscht, was zu einer Druckdifferenz führt, durch die die Anpresskraft des äußeren Hohlkörpers auf den Dichtring erzeugt wird.
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In einer bevorzugten Ausbildung ist die Mantelfläche des äußeren Hohlkörpers zylindrisch ausgebildet, wodurch einerseits eine einfache Herstellbarkeit gegeben ist und andererseits eine einfache Abdichtung über den Außenumfang des Hohlkörpers über den gesamten Hubbereich ermöglicht wird.
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Vorteilhaft ist es, wenn radial zwischen den beiden Hohlkörpern eine Feder angeordnet ist, welche auf der sich nach radial innen erstreckenden Platte des äußeren Hohlkörpers axial vorgespannt aufliegt und welche sich nach der radial innen erstreckenden Platte des äußeren Hohlkörpers gegen die zum Betätigungsglied weisende Seite des Dichtrings drückt. So kann entweder ergänzend oder alleine die durch die Feder aufgebrachte mechanische Kraft genutzt werden, um den äußeren Hohlkörper gegen den Dichtring zu pressen und so eine Wirkung zu erzielen, als wäre das Verstellorgan einstückig hergestellt.
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Vorzugsweise ist in der Mantelfläche des inneren Hohlkörpers mindestens eine Öffnung ausgebildet, durch die ein Druckausgleich zwischen der Unterseite des Verstellorgans und der Oberseite des Verstellorgans hergestellt wird. Durch diesen Druckausgleich werden die notwendigen Stellkräfte verringert und somit auch die erreichbaren Stellzeiten. Des Weiteren wird es möglich, den äußeren Hohlkörper durch die pneumatischen Kräfte bei Auswahl geeigneter Wirkdurchmesser gegen den Dichtring zu belasten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen einem Innenumfang der sich nach radial innen erstreckenden, ringförmigen Platte des äußeren Hohlkörpers und der Mantelfläche des inneren Hohlkörpers, welche sich an die nach radial außen erstreckenden ringförmigen Platte anschließt, ein Spalt ausgebildet. Dadurch, dass hier lediglich ein Spalt vorhanden ist, kann der äußere Hohlkörper bei der Montage einfach über den inneren Hohlkörper geschoben werden. Gleichzeitig ergibt sich eine Vorzentrierung der Hohlkörper zueinander.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn axial zwischen einem am Betätigungsglied befestigten Verbindungselement und einer radialen Einschnürung des inneren Hohlkörpers ein Elastomer angeordnet ist. Beim Aufsetzen des Hohlkörpers auf den Ventilsitz des Schubumluftventils wirkt das Elastomer als Dämpfungselement, wodurch die mechanische Belastung und die Geräusche beim Schalten des Ventils reduziert werden.
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Eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des Verstellorgans wird erreicht, wenn die beiden Hohlkörper und/oder das Verbindungselement als Tiefziehteile aus Blech hergestellt sind.
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Zusätzlich ist es vorteilhaft, den Dichtring an den inneren Hohlkörper anzuspritzen, wodurch eine feste und haltbare Verbindung zwischen dem Dichtring und dem Hohlkörper geschaffen wird.
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Es wird somit ein Verstellorgan für ein Schubumluftventil geschaffen, welches eine hohe Haltbarkeit und Dichtheit aufweist. Insbesondere wird im Vergleich zu bekannten Ausführungen die Montage erleichtert, die Anzahl der Herstellungsschritte verringert und so Kosten reduziert.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Schubumluftventils mit einem erfindungsgemäßen Verschlussorgan ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
- 1 zeigt eine Seitenansicht eines Schubumluftventils mit einem erfindungsgemäßen Verstellorgan in geschnittener Darstellung.
- 2 zeigt eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Verstellorgans in geschnittener Darstellung.
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Das in 1 dargestellte Schubumluftventil besteht aus einem Elektromagneten 10, in dessen Gehäuse 12 eine Spule 14 auf einem Spulenträger 16 gewickelt ist. Im radial inneren Bereich des Spulenträgers 16 ist ein magnetisierbarer Kern 18 befestigt, dessen axiales Ende über den Spulenträger 16 hinausragt, wobei der Kern 18 an diesem axialen Ende von einem Rückschlussblech 20 umgeben ist, welches in Verbindung mit einem die Spule 14 umgebenden Joch 22 steht. Am zum Kern 18 entgegengesetzten Ende des Spulenträgers 16 befindet sich ein weiteres Rückschlussblech 24, welches im radial äußeren Bereich mit dem Joch 22 in Kontakt steht und einen inneren axialen Erstreckungsabschnitt 26 aufweist, der sich in den Spulenträger 16 erstreckt. Im radial Inneren des Spulenträgers 16 ist zusätzlich eine Gleitbuchse 28 angeordnet, in der ein als Betätigungsglied 32 wirkender Anker gelagert ist. Dieser Anker wird bei Bestromung der Spule 14 durch die elektromagnetische Kraft zum Kern 18 und in dessen Ausnehmung 30 gezogen. Die Stromversorgung der Spule 14 erfolgt über Kontakte 34, die in einen Stecker 36 münden.
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Das Betätigungsglied 32 bildet ein erstes Bauteil eines erfindungsgemäßen Verstellorgans 38, welches zusätzlich einen am Betätigungsglied 32 befestigten Regelkörper 40 aufweist, mittels dessen ein Durchströmungsquerschnitt zwischen einem Einlass und einem Auslass eines nicht dargestellten Strömungsgehäuses freigegeben oder abgesperrt werden kann, indem der Regelkörper 40 auf einen den Durchströmungsquerschnitt umgebenden Ventilsitz abgesenkt oder von diesem abgehoben wird.
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Der Regelkörper 40 besteht aus einem radial äußeren Hohlkörper 42 und einem radial inneren Hohlkörper 44. Der äußere Hohlkörper 42 weist eine über den Umfang geschlossene zylindrische Mantelfläche 46 auf, an deren vom Betätigungsglied 32 weg weisenden Ende eine ringförmige Platte 48 ausgebildet ist, die sich radial nach innen erstreckt. Dieser Hohlkörper 42 wird aus Blech durch Tiefziehen hergestellt.
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Der innere Hohlkörper 44 wird ebenfalls durch Tiefziehen aus Blech hergestellt und weist eine radial äußere ringförmige Platte 50 auf, von deren Innenumfang aus sich eine Mantelfläche 52 in den inneren Bereich des äußeren Hohlkörpers 42 erstreckt, dessen ringförmige Platte 48 axial zwischen dem Steller 10 und der ringförmigen Platte 50 des inneren Hohlkörpers 44 angeordnet ist und sich radial innen bis kurz vor die Mantelfläche 52 des Hohlkörpers 44 erstreckt, so dass zwischen dem Innenumfang der Platte 48 und der Mantelfläche 52 lediglich ein schmaler Spalt 54 ausgebildet ist. Im radial äußeren Bereich der ringförmigen Platte 50 des inneren Hohlkörpers 44 ist ein Dichtring 56 angespritzt, der beide axialen Seiten der Platte 50 bedeckt. Sein wirksamer Durchmesser zur Auflage auf dem Ventilsitz entspricht im Wesentlichen dem Durchmesser der zylindrischen Mantelfläche 46 des äußeren Hohlkörpers 42, wodurch ein Kräftegleichgewicht der wirkenden pneumatischen Kräfte am Verstellorgan 38 hergestellt wird. Auf der zum Elektromagneten 10 weisenden axialen Seite ist der Wirkdurchmesser des Dichtrings 56, der mit dem radial äußeren Hohlkörper 42 zusammenwirkt, geringfügig kleiner als der Durchmesser der zylindrischen Mantelfläche 46. Hierdurch wirkt auf die Platte 48 und damit auf den Hohlkörper 42 eine resultierende pneumatische Kraft in Richtung des Dichtrings 56, so dass der äußere Hohlkörper 42 in allen Schaltzuständen des Schubumluftventils gegen den Dichtring 56 gedrückt wird. Somit wird das gesamte Verstellorgan 38, ohne das die Hohlkörper 42, 44 aneinander befestigt sind, immer als gesamte Einheit bewegt.
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Die Mantelfläche 52 des inneren Hohlkörpers 44 ist in einem ersten Abschnitt 58 zylindrisch ausgebildet. An diesen zylindrischen Abschnitt 58 schließt sich eine radiale Einschnürung 60 an, von deren Innendurchmesser sich ein weiterer zylindrischer Abschnitt 62 in Richtung des Betätigungsgliedes 32 erstreckt, der entsprechend einen kleineren Durchmesser aufweist, als der erste zylindrische Abschnitt 58. An seinem axialen Ende ist der zylindrische Abschnitt 62 geringfügig nach innen gebogen. Im Bereich der radialen Einschnürung 60 sind mehrere Axialbohrungen ausgebildet sind, die als Öffnungen 64 den Druckausgleich zwischen der Unterseite und der Oberseite des Verstellorgans 38 ermöglichen.
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Die zylindrischen Abschnitte 58, 62 sowie die Einschnürung 60 sind mit Ausnahme der Öffnungen 64 mit einem Elastomer 66 umspritzt, welches in Richtung zum Betätigungsglied 32 über den zylindrischen Abschnitt 62 ragt und gegen das Betätigungsglied 32 anliegt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dieses Elastomer 66 einstückig mit dem Dichtring 56 angespritzt und umgibt den gesamten inneren Hohlkörper 44.
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Um den Regelkörper 40 am Betätigungsglied 32 zu befestigen, wird ein Verbindungselement 68 verwendet, welches ebenfalls durch Tiefziehen hergestellt wird. Das Verbindungselement 68 ist im Wesentlichen topfförmig ausgebildet, wobei ein Boden 70 in einer zentralen kreisförmigen Ausnehmung 72 am axialen Ende des Betätigungsgliedes 32 angeordnet und an dieser Stelle durch Schweißen befestigt ist. Ein sich an den Boden 70 anschließender zylindrischer Abschnitt 74 erstreckt sich bis zum vom Betätigungsglied 32 weg weisenden Ende des Elastomers 66 am inneren Hohlkörper 44 und weist einen Außendurchmesser auf, der kleiner ist als der Innendurchmesser des Elastomers 66. An diesen zylindrischen Abschnitt 74 schließt sich an der zum Boden 70 entgegengesetzten axialen Seite eine radiale Erweiterung 76 in Ringform an, die sich radial etwa bis zu einem radial nach außen weisenden dickeren Ende des Elastomers 66 erstreckt, und deren Außendurchmesser somit größer ist als der Innendurchmesser der Einschnürung 60 des inneren Hohlkörpers 44. Ein beim Zusammenbau des Verstellorgans 38 entstehender Raum, der axial zwischen der Einschnürung 60 des inneren Hohlkörpers 44 und der Erweiterung 76 des Verbindungselementes 68 entsteht, ist zumindest teilweise mit dem Elastomer 66 gefüllt.
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Im Gehäuse 12 des Schubumluftventils ist ein Raum 78 ausgebildet, in den der Regelkörper 40 bei Betätigung des Ventils eintauchen kann. Dieser Raum 78 wird radial von einer Gehäusewand 80 begrenzt, an deren vom Elektromagneten 10 abgewandten Ende eine ringförmige Platte 82 ausgebildet ist, deren Innendurchmesser geringfügig größer ist als der Außendurchmesser des äußeren Hohlkörpers 42. Auf dieser Platte 82 liegt eine V-förmige Dichtung 84 mit zwei Schenkeln auf, von denen der erste gegen die umfänglich geschlossene Mantelfläche 46 des äußeren Hohlkörpers 42 anliegt, und deren zweiter Schenkel gegen die radial begrenzende Gehäusewand 80 anliegt, so dass der Raum 78 im geschlossenen Zustand des Ventils ausschließlich über die Öffnungen 64 mit dem darunter liegenden Einlasskanal verbunden ist. Um auch die zentrale Ausnehmung 30 zwischen dem Betätigungsglied 32 und dem Kern 18 mit einem entsprechenden Druck zu versorgen und so ein druckausgeglichenes Ventil zu schaffen, sind am Außenumfang des Betätigungsgliedes 32 ein oder mehrere Nuten angeordnet. Um des Weiteren sicher zu stellen, dass bei Nichtbestromung der Spule 14 der Regelkörper 40 in seinen auf dem Ventilsitz aufliegenden Zustand gestellt wird, ist im Innern des äußeren Hohlkörpers 42 eine als Schraubenfeder ausgebildete Feder 88 angeordnet, die gegen die Platte 48 des äußeren Hohlkörpers 42 gespannt aufliegt, und deren entgegengesetztes axiales Ende gegen das Gehäuse 12 des Elektromagneten 10 anliegt. Durch diese Schraubenfeder 88 wird der äußere Hohlkörper 42 somit zusätzlich gegen den Dichtring 56 gedrückt, so dass auch bei Druckschwankungen eine Anlage des äußeren Hohlkörpers 42 mit seiner Platte 48 gegen den Dichtring 56 sichergestellt wird.
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Bei Bewegung des erfindungsgemäßen Verstellorgans 38 ist es somit möglich, dass der Regelkörper 40 im Vergleich zum Betätigungsglied 32 geringfügig kippt, um einen sicheren Verschluss herstellen zu können. Dennoch bleiben alle Bewegungen durch das Elastomer 66 gedämpft, wodurch Schaltgeräusche vermieden werden.
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Das Verstellorgan ist somit trotz seiner Zweiteiligkeit immer als Einheit bewegbar. Zusätzlich wird eine hohe Dichtigkeit des radial Inneren des Regelkörpers zum radial Äußeren des Regelkörpers und somit eine hohe Dichtigkeit zwischen dem Einlass und dem Auslass des Ventils sichergestellt, wodurch schnelle Öffnungs- und Verschlusszeiten realisiert werden können. Die Montage und Herstellung dieses Verstellorgans wird entsprechend im Vergleich zu bekannten Ausführungen vereinfacht und Kosten reduziert, da einerseits auf einen Befestigungsvorgang der beiden Hohlkörper aneinander verzichtet werden kann und durch den Spalt zwischen den Hohlkörpern diese einfach ineinander gesteckt werden können und dabei eine Vorpositionierung stattfindet, welche ausreicht, um das Verstellorgan als Ganzes in das Gehäuse des Elektromagneten einzuführen.
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Es sollte deutlich sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist. Das erfindungsgemäße Verstellorgan eignet sich auch für andere Steller, so dass das Betätigungsglied nicht zwangsweise ein Anker eines Elektromagneten sein muss. Die Form des Regelkörpers und insbesondere der verwendeten Hohlkörper oder die Befestigung des Regelkörpers am Betätigungsglied sind ebenfalls modifizierbar. Auch kann der Dichtring unabhängig vom Elastomer am inneren Hohlkörper ausgebildet werden.
