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Die Erfindung betrifft ein Druckbegrenzungsventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch eine dazugehörige Kraftstoff-Hochdruckpumpe.
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Kraftstoff-Hochdruckpumpen für Kraftstoffsysteme von Brennkraftmaschinen, beispielsweise für eine Benzindirekteinspritzung, sind vom Markt her bekannt. Bei diesen Brennkraftmaschinen wird Kraftstoff aus einem Kraftstofftank mittels einer Vorförderpumpe und der mechanisch angetriebenen Hochdruckpumpe unter hohem Druck in einen Hochdruckspeicher („Rail“) gefördert.
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Derartige Kraftstoffsysteme weisen üblicherweise ein Druckbegrenzungsventil auf, das verhindert, dass ein Druck in dem Hochdruckspeicher zu stark ansteigt. Erreicht der Druck im Hochdruckspeicher einen zu hohen Wert, so öffnet im Saughub der Hochdruckpumpe das Druckbegrenzungsventil zu einem Förderraum der Hochdruckpumpe des Kraftstoffsystems hin und der Druck im Hochdruckspeicher wird nicht weiter erhöht, sondern Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher in den Förderraum abgesaugt. Das Druckbegrenzungsventil öffnet dabei, wenn der Druck im Hochdruckspeicher derart groß ist, dass eine Druckdifferenz, die zwischen dem Hochdruckspeicher und dem Förderraum im Saughub der Hochdruckpumpe auftritt, einen Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils überschreitet.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch ein Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Erfindungsgemäß ist zwischen dem Ventilelement und dem Beaufschlagungselement eine punktförmige oder im wesentlichen punktförmige Kontaktstelle vorhanden. Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass aufgrund der punktförmigen Verbindung zwischen dem Beaufschlagungselement und dem Ventilelement die Einleitung bzw. Übertragung von Drehmomenten vom Beaufschlagungselement auf den Dichtkörper nicht mehr möglich ist bzw. jedenfalls soweit minimiert ist, dass keine oder keine wesentliche Relativbewegung mehr zwischen dem Ventilelement und dem Ventilsitz in der Geschlossenstellung des Ventils auftritt. Dabei kann das Ventilelement unmittelbar oder insbesondere auch mittelbar über die Kontaktstelle am Beaufschlagungselement angeordnet sein.
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Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde: Dadurch, dass Kraftstoff-Hochdruckpumpen meist direkt am Verbrennungsmotor angebaut sind, sind diese hohen Schwingungsbeschleunigungsanregungen ausgesetzt. Das Beaufschlagungselement kann dadurch axial und/oder radial zu Schwingungen angeregt werden, was insbesondere in den Eigenmoden (Resonanzstellen) des Beaufschlagungselements besonders ausgeprägt sein kann. Insbesondere bei einer Spiralfeder als Beaufschlagungselement kann diese dynamische Anregung zu einer Verformung entlang der Biegelinie der Eigenmoden führen.
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Da jedoch erfindungsgemäß die Verbindung zwischen Beaufschlagungselement und Ventilelement punktförmig ist bzw. jedenfalls im Wesentlichen punktförmig ist, wird kein bzw. kein relevantes Drehmoment vom Beaufschlagungselement in das Ventilelement eingeleitet. Somit kann eine unerwünschte Bewegung des Ventilelements am Ventilsitz verhindert werden. Insbesondere bei kugelförmigen Ventilelementen kann eine Rotation des Ventilelements verhindert werden. Insgesamt wird erfindungsgemäß der Verschleiß zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilelement reduziert, was über die Lebensdauer des Druckbegrenzungsventils zu einer geringeren Änderung des Öffnungsdrucks sowie zu einer verbesserten Dichtheit führt. Insgesamt können Kosten gespart werden, da die Lebensdauer des Druckbegrenzungsventils verlängert werden kann. Auch eine vergleichsweise kostengünstige Herstellung ist möglich.
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In einer Ausgestaltung ist zwischen dem Ventilelement und dem Beaufschlagungselement ein Haltestück angeordnet, an dem das Beaufschlagungselement befestigt ist, wobei das Haltestück eine Anlagefläche zur Anlage des Ventilelements aufweist, und wobei die Anlagefläche die Kontaktstelle umfasst. Die Kontaktstelle ist insoweit also zwischen der Anlagefläche und dem Ventilelement vorhanden. An der punktförmigen oder im Wesentlichen punktförmigen Kontaktstelle berührt das Ventilelement folglich das Haltestück. Aufgrund der Bewegung des Haltestücks relativ zum Ventilelement kann sich die Kontaktstelle zwischen Ventilelement und Haltestück verlagern. Dennoch bleibt die Kontaktstelle punktförmig oder jedenfalls im Wesentlichen punktförmig. Hierdurch kann der Verschleiß zwischen Ventilelement und Ventilsitz sowie zwischen Ventilelement und Haltestück in vorteilhafter Weise reduziert werden..
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Anlagefläche eine orthogonal zur Öffnungsrichtung verlaufende ebene Fläche. Diese Anlagefläche wird folglich vom Ventilelement an der Kontaktstelle berührt. Das Haltestück kann sich dennoch gegenüber dem Ventilelement relativ bewegen, beispielsweise Verkippen, ohne dass ein Drehmoment in das Ventilelement eingeleitet werden würde.
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In diesem Zusammenhang ist denkbar, dass die Anlagefläche vom Ventilelement her gesehen konkav ausgebildet ist. Folglich kann in das Haltestück eine Aussparung in Form eines Kugelsegements eingebracht sein, so dass hierdurch die konkave Oberfläche ausgebildet wird. Bei einer Relativbewegung des Haltestücks gegenüber dem Ventilelement, beispielsweise aufgrund einer Bewegung des Beaufschlagungselements, kann sich das Haltestück, insbesondere bei einem kugelförmig ausgebildeten Ventilelement, entlang des Ventilelements abrollend bewegen. Dadurch kann verhindert werden, dass ein Drehmoment in das Ventilelement eingeleitet wird. Dennoch ist eine Bewegung des Haltestücks relativ zum Ventilelement ermöglicht.
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In diesem Zusammenhang ist denkbar, dass das Ventilelement als Ventilkugel ausgebildet ist. Dabei kann die Krümmung der Ventilkugel größer sein als die Krümmung der Anlagefläche. Die Krümmung ist der Kehrwert des Radiusses. Dadurch kann sich das Haltestück auf dem Ventilelement abrollen.
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Denkbar ist andererseits auch, dass die Anlagefläche vom Ventilelement her gesehen konvex ausgebildet ist. Folglich kann das Haltestück in Richtung des Ventilsitzes eine Auswölbung aufweisen. Diese Auswölbung kann insbesondere in Form eines konvexen Kugelsegments ausgebildet sein. Die Krümmung dieses Kugelsegments kann wiederum größer sein als die Krümmung eines als Ventilkugel ausgebildeten Ventilelements. Somit kann sich das Haltestück gegenüber dem Ventilelement abrollend bewegen.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Anlagefläche jedenfalls abschnittsweise beschichtet ist. Zusätzlich oder alternativ ist denkbar, dass das Haltestück ein Härtungselement umfasst, wobei das Härtungselement jedenfalls einen Abschnitt der Anlagefläche umfasst. Dadurch wird ein besonders verschleißbeständiges Druckbegrenzungsventil bereitgestellt.
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In diesem Zusammenhang ist denkbar, dass das Haltestück orthogonal zur Öffnungsrichtung eine Randfläche aufweist, die eine bogenförmige, konvexe Außenkontur aufweist. Wenn sich folglich das Haltestück gegenüber dem Ventilelement verlagert, so kann das Haltestück über die Randfläche an einer Innenseite einer Ausnehmung zur Anlage kommen, in der das Druckbegrenzungsventil angeordnet ist. Diese Kontaktierung kann ebenfalls punktförmig sein. Auch dadurch kann der Verschleiß des Druckbegrenzungsventils reduziert werden und somit die Lebensdauer erhöht werden.
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Dabei ist vorstellbar, dass die Randfläche eine sich in Öffnungsrichtung erstreckende Aussparung zur Fluidabströmung aufweist. Dadurch kann eine kontinuierliche und sichere Fluidabströmung auch dann bereitgestellt werden, wenn das Haltestück in der Offenstellung des Druckbegrenzungsventils aus einer Neutrallage gegenüber dem Ventilelement in eine Auslenklage verlagert ist, wobei insbesondere die Randfläche an der Innenseite der Ausnehmung für das Druckbegrenzungsventil zur Anlage kommt.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird auch gelöst durch eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für ein Kraftstoff-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, umfassend ein erfindungsgemäßes Druckbegrenzungsventil. Das Druckbegrenzungsventil kann dabei zu einem Förderraum hin öffnen und fluidisch zwischen dem Förderraum und einem Hochdruckspeicher angeordnet sein. Durch diese Anordnung kann insbesondere die Gefahr zu hoher Drücke in einem Rail minimiert werden, in dem eine Gefahr des Berstens oder eine Gefahr, dass Injektoren nicht mehr öffnen, reduziert werden kann. Ferner kann insbesondere vermieden werden, dass das Druckbegrenzungsventil bei zu niedrigen Drücken öffnet und somit der Systemdruck im Rail nicht mehr erreicht bzw. gehalten werden kann. Andererseits ist auch denkbar, dass das Druckbegrenzungsventil zu einem Vorraum des Einlassventils hin öffnet und somit fluidisch zwischen dem Vorraum des Einlassventils und beispielsweise dem Hochdruckspeicher angeordnet ist.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die anhand der Zeichnung erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einem Pumpengehäuse, einem Druckbegrenzungsventil gemäß einer ersten Ausführungsform, und einer Ausnehmung, in dem das Druckbegrenzungsventil aufgenommen ist;
- 2 eine vergrößerte Detaildarstellung der Ausnehmung und des Druckbegrenzungsventils von 1;
- 3 eine Darstellung ähnlich zu 2 eines Abschnitts eines Druckbegrenzungsventils gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 4 eine Darstellung des Druckbegrenzungsventil gemäß 3 während eines Betriebs; und
- 5 eine Darstellung ähnlich zu 2 eines Abschnitts eines Druckbegrenzungsventils gemäß einer dritten Ausführungsform;
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Funktionsäquivalente Elemente und Bereiche tragen in den nachfolgenden Figuren die gleichen Bezugszeichen und sind nicht nochmals im Detail erläutert.
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In 1 trägt eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für eine nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 weist ein insgesamt im Wesentlichen zylindrisches Pumpengehäuse 12 auf, in oder an dem die wesentlichen Komponenten der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 angeordnet sind. So weist die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 ein Einlass- und Mengensteuerventil 14, einen in einem Förderraum 16 angeordneten, durch eine nicht gezeigte Antriebswelle in eine Hin-und Herbewegung versetzbaren Förderkolben 18, ein Auslassventil 20 und ein Druckbegrenzungsventil 22 auf.
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In dem Gehäuse 12 ist ein erster Kanal 24 vorhanden, der sich koaxial zum Förderraum 16 und zum Förderkolben 18 erstreckt und der vom Förderraum 16 zu einem zweiten Kanal 26 in Form einer insgesamt im Wesentlichen zylindrischen Ausnehmung führt, die in einem Winkel von 90° zum ersten Kanal 24 angeordnet ist und in der das Druckbegrenzungsventil 22 aufgenommen ist. Eine Längsachse des Pumpengehäuses 12 trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 28, eine Längsachse der Ausnehmung 26 das Bezugszeichen 29. In 1 oben ist in dem Pumpengehäuse 12 ein Druckdämpfer 30 angeordnet.
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Im Betrieb wird vom Förderkolben 18 bei einem Saughub Kraftstoff über das Einlass- und Mengensteuerventil 14 in den Förderraum 16 angesaugt. Bei einem Förderhub wird der im Förderraum 16 befindliche Kraftstoff verdichtet und über das Auslassventil 20 beispielsweise in einen Hochdruckbereich 32, beispielsweise zu einer Kraftstoff-Sammelleitung („Rail“) ausgestoßen, wo der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert ist. Der Hochdruckbereich 32 ist über einen Auslassstutzen 34 mit der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 verbunden. Die Kraftstoffmenge, die bei einem Förderhub ausgestoßen wird, wird dabei durch das elektromagnetisch betätigte Einlass- und Mengensteuerventil 14 eingestellt. Bei einem unzulässigen Überdruck im Hochdruckbereich öffnet das Druckbegrenzungsventil 22, wodurch Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich in den Förderraum 16 strömen kann.
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Das Druckbegrenzungsventil 22 verbindet, wie gesagt, in einem geöffneten Zustand den Hochdruckbereich 32 mit dem Förderraum 16 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10. Dabei öffnet das Druckbegrenzungsventil 22 dann, wenn eine Druckdifferenz zwischen dem auslassseitigen Hochdruckbereich 32 und dem Förderraum 16 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 einen Grenzwert überschreitet. Durch das Druckbegrenzungsventil 22 wird also verhindert, dass der Druck in dem auslassseitigen Hochdruckbereich 32 unzulässig hoch ist.
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Die Komponenten des Druckbegrenzungsventils 22 werden nun insbesondere unter Bezugnahme auf 2 stärker im Detail erläutert. Zu dem Druckbegrenzungsventil 22 gehört zunächst ein hülsenartiger Ventilsitzkörper 38, der in die Ausnehmung 26 eingepresst ist und in dem ein in Längsrichtung 29 des Ventilsitzkörpers 38 verlaufender Kanal 40 vorhanden ist. Am in 2 rechten Ende des Kanals 40 ist an dem Ventilsitzkörper 38 ein Ventilsitz 42 ausgebildet, der mit einem Ventilelement 44 in Form einer Ventilkugel zusammenwirkt. Auf der vom Ventilsitz 42 abgewandten Seite des Ventilelements 44 ist ein im Querschnitt T-förmiges Haltestück 46 angeordnet.
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Auf der vom Ventilelement 44 abgewandten Seite des Haltestücks 46 weist das Haltestück 46 einen zapfenartigen Fortsatz 48 auf. Auf diesen ist ein in der Figur linker erster Endabschnitt 50 eines als Spiralfeder ausgebildeten Beaufschlagungselements 52 aus Federdraht aufgeschoben. Ein in 2 rechter zweiter Endabschnitt 53 des Beaufschlagungselements 52 des Druckbegrenzungsventils 22 ist in einem zylindrischen Endbereich 54 der Ausnehmung 26 angeordnet.
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Der Ventilkörper 38 und das Haltestück 46 sind dabei rotationssymmetrisch um eine Mittellängsachse 56 ausgebildet, die mit der Längsachse 29 der Ausnehmung 26 zusammenfällt. Das Druckbegrenzungsventil öffnet in Öffnungsrichtung 58. Diese Richtung verläuft parallel zur Längsachse 29 bzw. zur Mittellängsachse 56.
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In der Ausführungsform gemäß 2 weist das Haltestück 46 eine Anlagefläche 60 auf, die dem Ventilelement 44 zugewandt ist. Diese Anlagefläche 60 ist vorliegend beispielhaft als ebene Fläche 61 ausgebildet, die sich orthogonal zur Öffnungsrichtung 58 erstreckt. Die Anlagefläche 60 berührt das Ventilelement 44 an einer punktförmigen Kontaktstelle 62. In einer Ruhelage, in der keine äußeren Kräfte auf das Beaufschlagungselement 52 bzw. das Haltestück 46 einwirken, liegt die punktförmige Kontaktstelle 62 auf der Mittellängsachse 56 des Haltestücks 46.
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In der in den 3 und 4 gezeigten zweiten Ausführungsform ist die Anlagefläche 60 nicht eben, sondern vom Ventilelement 44 her gesehen konkav ausgebildet. Folglich ist auf der dem Ventilelement 44 zugewandten Seite des Haltestücks 46 eine Aussparung 64 in Form eines Kugelsegments eingebracht. Das Ventilelement 44 weist hierbei einen Radius r1 auf, wobei der Mittelpunkt des Ventilelements 44 in der Geschlossenstellung auf der Längsachse 29 liegt. Der Radius r2, der zu der kugelsegmentförmigen Aussparung 64 zugeordnet ist, ist größer als der Radius r1. Der Mittelpunkt einer gedachten, zu dem Kugelsegment gehörigen Kugel liegt in der Ruheposition ebenfalls auf der Längsachse 29. Der Radius r2 ist dabei größer als der Radius r1, so dass das Ventilelement 44 eine größere Krümmung aufweist, als die kugelsegmentförmig ausgebildete Aussparung 64. Der Radius r1 kann zwischen 0,5 und 1,5 mm betragen. Der Radius r2 kann zwischen 0,6 und 5 mm betragen.
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In der in 5 gezeigten dritten Ausführungsform weist das Haltestück 46 vom Ventilelement 44 her gesehen eine konvex ausgebildete Anlagefläche 60 auf. Folglich ist das Haltestück 46 zum Ventilelement 44 hin ausgewölbt und ist somit insgesamt pilzförmig ausgebildet. Die Auswölbung 66 weist die Form eines Kugelsegements auf. Dieses Kugelsegment kann einen Radius r3 aufweisen. Der Mittelpunkt einer gedachten Kugel zu diesem Kugelsegment liegt in der Ruhelage ebenfalls auf der Längsachse 29. Dabei ist der Radius r3 größer als der Radius r1 des Ventilelements, so dass insgesamt die Krümmung des Ventilelements 44 größer ist als die Krümmung der Anlagefläche 60.
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Im Bereich der Kontaktstelle 62 wird die Anlagefläche 60 der in 5 dargestellten Ausführungform von einem Härtungselement 68 augebildet, das in eine Aussparung 70 im Bereich der Auswölbung 66 des Haltestücks 46 eingebracht wurde. Der das Härtungselement 68 umgebende Bereich des Haltestücks 46 kann dabei aus einem weicheren Material und damit insbesondere aus einem kostengünstigeren Material als das Material des Härtungselements hergestellt sein.
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In 5 weist das Haltestück 46 eine Randfläche 72 auf, die eine bogenförmige und von außen gesehen konvexe Außenkontur aufweist. Diese Randfläche erstreckt sich über den gesamten Umfang des Haltestücks 46. Allerdings ist in einem Umfangsbereich wenigstens eine Aussparung 74 in die Randfläche 72 eingebracht.
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Die Funktionsweise des Druckbegrenzungsventils 22 wird im Folgenden beispielhaft insbesondere unter Bezugnahme auf 4 erläutert: Dadurch, dass die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 direkt am Verbrennungsmotor angebracht sein kann, können hohe Schwingungsbeschleunigungsanregungen auftreten. Dadurch kann das Beaufschlagungselement 52 zu Schwingungen angeregt werden, die insbesondere in den Eigenmoden besonders ausgeprägt sein können. Diese Anregung kann zu einer Verformung entlang einer Biegelinie 76 des Beaufschlagungselements 52 führen. Die Schwingung des Beaufschlagungselements 52 kann hierbei insbesondere sinusförmig sein. Schwingungsanregungen können zusätzlich oder alternativ auch durch den Betrieb der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 selbst erfolgen, beispielsweise indem Medien im Förderraum 16 beim Fördern und/oder Saugen Strömungskräfte auf das Beaufschlagungselement 52 zyklisch einprägen.
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Aufgrund dieser Bewegung wird eine Kraft F auf das Haltestück 46 ausgeübt. Dies führt zu einer Verkippung des Haltestücks 46 um den Winkel α aus einer Ruhelage in eine Auslenklage. Aufgrund dieser Bewegung des Haltestücks 46 rollt sich die Anlagefläche 60 entlang der Oberfläche des Ventilelements 44 ab. Dadurch verschiebt sich auch die Kontaktststelle 62 von der Längsachse 29 weg. Dennoch bleibt die Kontaktstelle 62 weiterhin punktförmig. Aufgrund dieser punktförmigen Berührung zwischen Ventilelement 44 und Haltestück 46 wird kein Drehmoment in das Ventilelement 44 eingebracht, auch wenn das Haltestück 46 vom Beaufschlagungselement 52 zu einer Hin- und Herbewegung im Geschlossenzustand des Druckbegrenzungsventils 22 angeregt wird. Dadurch wird der Verschleiß zwischen Ventilsitz 42 und Ventilelement 44 reduziert.
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Zudem wird auch der Verschleiß zwischen Ventilelement 44 und Haltestück 46 reduziert.
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Die Ausführungsform gemäß den 2 und 5 weisen dabei das gleiche Wirkprinzip wie die Ausführungsform der 4 auf, nämlich, dass sich die Position der Kontaktstelle 62 zwischen Ventilelement 44 und Haltestück 46 zwar durch eine Bewegung des Haltestücks 46 verschiebt. Dennoch bleibt die Kontaktstelle 62 weiterhin punktförmig, so dass - insbesondere auf Grund eines Abrollens des Haltestücks 46 auf dem Ventilelement 44 - kein Drehmoment in das Ventilelement 44 eingeleitet wird. In der Ausführungsform gemäß 5 kann der Verschleiß weiterhin vorteilhaft reduziert werden, indem die Randfläche 72 bogenförmig ausgebildet ist. Wenn folglich das Haltestück 46 zur Anlage an die Innenwand 77 der Ausnehmung 26 gelangt, ergibt sich wiederum eine im Idealfall punktförmige Kontakstelle. So kann durch die bogenförmige Ausbildung ebenfalls der Verschleiß reduziert werden. Dadurch, dass weiterhin wengistens eine Aussparung 74 vorgesehen ist, kann dennoch eine zuverlässige Fluidabfuhr bereitgestellt werden.