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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Druckbegrenzungsventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einem dazugehörigen Druckbegrenzungsventil.
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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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Das Druckbegrenzungsventil öffnet dabei dann, wenn die hydraulisch wirkende Kraft auf der einen Seite des Ventilelements größer ist als die entgegenwirkende Kraft des Beaufschlagungselements. Die hydraulisch wirkende Kraft ergibt sich aus dem vorherrschenden hydraulischen Druck und der Fläche, auf die der Druck wirkt. Diese Fläche ergibt sich aus dem Dichtdurchmesser. Bei einem kugelförmigen Ventilelement ist dies der Auflagering, an dem die Kugel die konische Ventilsitzfläche berührt. Dieser Auflagering und damit der Dichtdurchmesser (Ventilauflagering) kann sich über die Lebensdauer aufgrund von Verschleiß ändern. Der Auflagering kann insbesondere immer mehr zu einer Ringfläche werden, so dass sich der wirkende Dichtdurchmesser innerhalb dieser Ringfläche verschiebt. Dies kann zu einer Änderung des Öffnungsdrucks führen, da sich die Fläche des Ventilelements auf die der Druck wirken kann, verändern kann. Je nachdem wie sich der Dichtdurchmesser verschiebt, ist ein Anstieg oder ein Abfall des Öffnungsdrucks denkbar. Kritisch ist insbesondere eine Erhöhung des Öffnungsdrucks durch eine Verringerung des Dichtdurchmesses, so dass das Druckbegrenzungsventil zu spät, also bei einem höheren Druck als vorgesehen, öffnet.
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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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Das Ventilelement kann insbesondere kugelförmig ausgebildet sein. Der erste rohrförmige Abschnitt kann insbesondere als Drosselbohrung ausgebildet sein. Der Ventilkörper kann insgesamt insbesondere um die Mittellängsachse rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Der zweite rohrförmige Abschnitt kann im Wesentlichen dem Durchmesser eines kugelförmigen Ventilelements entsprechen oder leicht größer sein und somit einen Öffnungsdurchmesser der Ventilöffnung darstellen. Der zweite rohrförmige Abschnitt kann also insbesondere als Führung für das Ventilelement dienen.
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Erfindungsgemäß kann eine Begrenzung der über die Lebensdauer des Druckbegrenzungsventils maximal möglichen Verschleißbreite, die der Breite einer aufgrund von Verschleiß entstehbaren Ringfläche entsprechen kann, bzw. eine deutliche Verlangsamung der Verschleißbreitenzunahme erzielt werden. Hierdurch wird die mögliche Veränderung des Öffnungsdrucks begrenzt bzw. verlangsamt. Dadurch kann insbesondere verhindert werden, dass der Öffnungsdruck sich über die Lebensdauer markant erhöht und somit beispielsweise in einem Rail einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe eine Gefahr des Berstens besteht oder eine Gefahr, dass Injektoren nicht mehr öffnen können. Ferner kann eine Verringerung des Öffnungsdrucks über die Lebensdauer zumindest reduziert werden, so dass vermieden werden kann, dass der Systemdruck im Rail nicht mehr erreicht wird bzw. nicht mehr gehalten werden kann.
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Durch das Vorsehen der ersten Übergangsfläche kann eine Reduzierung des minimal über die Lebensdauer erreichbaren Dichtdurchmessers (minimaler Ventilelementauflagering) erzielt werden. Dabei ist insbesondere denkbar, dass der minimale Durchmesser der Verschleißbreite über die Lebensdauer nicht kleiner werden kann als der Durchmesser des Ventilkörpers am Übergang von der Übergangsfläche zur Ventilsitzfläche.
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Zusätzlich oder alternativ kann durch das Vorsehen der zweiten Übergangsfläche eine Reduzierung des über die Lebensdauer erzielbaren maximalen Dichtdurchmessers (maximaler Ventilelementauflagering) erzielt werden. Der maximale Dichtdurchmesser über die Lebensdauer kann hierbei insbesondere am Übergang von der Ventilsitzfläche zur zweiten Übergangsfläche liegen. Die Winkel β bzw. γ können unterschiedlich sein und sich somit in der Wirksamkeit gegen die Verschleißbreitenzunahme und Robustheit unterscheiden.
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Vorteilhafterweise kann der Winkel γ 0° betragen, sodass sich die erste Übergangsfläche in Öffnungsrichtung parallel zur Mittellängsachse erstreckt, wobei zwischen dem ersten Abschnitt und der ersten Übergangsfläche eine erste Zwischenfläche vorhanden ist. Indem sich die Übergangsfläche parallel zur Mittellängsachse in Öffnungsrichtung erstreckt, kann der innere Verschleißdurchmesser festgelegt werden. Bei einer kugelförmigen Ausbildung des Ventilelements kann der Berührpunkt bzw. der Berührring beispielsweise in der Mitte der Ventilsitzfläche liegen. Durch Verschleiß kann eine Verschiebung der Ventilkugel in Richtung der Schließrichtung erfolgen. Der Durchmesser des Auflagerings kann hierbei allerdings über die Lebensdauer nicht kleiner werden als der Durchmesser der ersten Übergangsfläche.
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In einer Ausgestaltung verläuft die erste Zwischenfläche in einem Winkel µ zur Mittellängsachse. Somit ist denkbar, dass an den ersten rohrförmigen Abschnitt, bei dem es sich insbesondere um die Drosselbohrung mit einem Drosselbohrungsdurchmesser handeln kann, eine sich konisch in Öffnungsrichtung erweiternde Zwischenfläche anschließt und daran wiederum die Übergangsfläche anschließt, die insbesondere einen Durchmesser aufweisen kann, der dem inneren Verschleißdurchmesser entspricht.
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In einer weiteren Ausgestaltung beträgt der Winkel µ 90°, sodass zwischen dem ersten Abschnitt und der Ventilsitzfläche eine Stufe ausgebildet wird. Die Zwischenfläche kann somit als Kreisring ausgebildet sein. Insbesondere, wenn der Winkel µ 90° beträgt und der Winkel γ 0° beträgt, kann eine rechtwinklige Stufe ausgebildet werden. Diese Stufe kann eine Erstreckung entlang der Mittellängsachse von beispielsweise 1 bis 3 mm, insbesondere 2 mm, aufweisen, während die Erstreckung orthogonal zur Mittellängsachse beispielsweise 0,001 bis 0,1 mm, insbesondere 0,01 mm, betragen kann.
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Vorteilhafterweise liegt der Winkel β zwischen 90° und 180°.Dadurch kann der maximale äußere Verschleißdurchmesser reduziert werden. Vorteilhaft sind insbesondere Winkel zwischen 135 und 180°.
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Denkbar ist weiterhin, dass der Winkel β 180° beträgt, sodass sich die zweite Übergangsfläche in eine der Öffnungsrichtung entgegengesetzten Schließrichtung parallel zur Mittellängsachse erstreckt. Hierdurch kann eine maximale Begrenzung des maximalen Dichtrings über die Lebensdauer erzielt werden. Der Durchmesser der Ventilsitzfläche am Übergang zur Übergangsfläche kann sich über die Lebensdauer nicht erweitern und somit kann der Durchmesser der Ventilsitzfläche am Übergang zur Übergangsfläche den maximalen Dichtringdurchmesser darstellen.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass zwischen der zweiten Übergangsfläche und dem zweiten Abschnitt eine zweite Zwischenfläche vorhanden ist, die sich insbesondere orthogonal zur Mittellängsachse erstreckt.
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Bei einer orthogonalen Ausgestaltung bildet die Zwischenfläche folglich insbesondere eine kreisringförmige Fläche aus. Diese Fläche kann in den zweiten rohrförmigen Abschnitt übergehen. Insgesamt kann durch diese Konfiguration folglich eine Art Aussparung zwischen der Ventilsitzfläche und dem zweiten rohrförmigen Abschnitt ausgebildet werden. Dadurch kann sich der innere Dichtringdurchmesser über die Lebensdauer insbesondere gar nicht ändern.
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In diesem Zusammenhang ist denkbar, dass das Ventilelement kugelförmig ist, wobei der Berührpunkt des Ventilelements vor der Benutzung des Druckbegrenzungsventils am Übergang von der ersten Übergangsfläche zur Ventilsitzfläche liegt. Insbesondere, wenn die erste Übergangsfläche parallel zur Mittellängsachse verläuft, kann der Durchmesser der ersten Übergangsfläche dem minimalen Dichtdurchmesser entsprechen, der sich über die Lebensdauer des Druckbegrenzungsventils insbesondere gar nicht ändert, sodass die Gefahr einer Erhöhung des Öffnungsdrucks über die Lebensdauer minimiert werden kann.
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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. Das Druckbegrenzungsventil kann ferner fluidisch zwischen dem Förderraum und einem Hochdruckspeicher angeordnet sein. Durch diese Anordnung kann insbesondere die Gefahr zu hoher Drücke im 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.
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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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In der Zeichnung zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einem Pumpengehäuse, einem bekannten Druckbegrenzungsventil, und einer Ausnehmung, in dem das Druckbegrenzungsventil aufgenommen ist;
- 2 eine vergrößerte Detaildarstellung der Ausnehmung und des Druckbegrenzungsventils von 1;
- 3 ein Detail III aus 2;
- 4 Darstellung eines Abschnitts eines Druckbegrenzungsventils gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 5 Darstellung eines Abschnitts eines Druckbegrenzungsventils gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 6 Darstellung eines Abschnitts eines Druckbegrenzungsventils gemäß einer dritten Ausführungsform; und
- 7 Darstellung eines Abschnitts eines Druckbegrenzungsventils gemäß einer vierten Ausführungsform.
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Elemente und Bereiche, welche in den nachfolgenden Figuren äquivalente Funktionen aufweisen, tragen die gleichen Bezugszeichen.
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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 Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 angeordnet sind. So weist die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 ein Einlass-/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. 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 auch unter Bezugnahme auf 2 stärker im Detail erläutert. Zu dem Druckbegrenzungsventil 22 gehört zunächst ein hülsenartiger Ventilkörper 38, der in die Ausnehmung 26 eingepresst ist und in dem ein in Längsrichtung des Ventilsitzkörpers 38 verlaufender Kanal 40 vorhanden ist. Der Ventilkörper 38 weist eine Mittellängsachse 29 auf und ist insgesamt rotationssymmetrisch um die Mittellängsachse 29. Am in 2 oberen Ende des Kanals 40 ist an dem Ventilkörper 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 Haltestück 46 angeordnet, in dem eine Durchgangsöffnung 48 vorhanden ist, die in Längsrichtung des Haltestücks 46, also wiederum parallel zur Längsachse 29, läuft. Auf der vom Ventilelement 44 abgewandten Seite des Haltestücks 46 weist das Haltestück 46 einen zapfenartigen Fortsatz 50 auf. Auf diesen ist ein als Spiralfeder ausgebildetes Beaufschlagungselement 52 aus Federdraht aufgeschoben. Ein in 1 rechter zweiter Endabschnitt des Beaufschlagungselements 52 des Druckbegrenzungsventils 22 ist in einem zylindrischen Endbereich der Ausnehmung 26 angeordnet. Der zweite Endabschnitt der Ventilfeder 52 stützt sich dabei an einer Endwand 54 ab. Der Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils kann vor der Benutzung über die Federkraft der Ventilfeder 52 und die Einpresstiefe des Ventilkörpers 38 eingestellt werden.
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In den 1 bis 3 ist eine bekannte Ausbildung des Druckbegrenzungsventils 22 als Kugelkegelventil gezeigt. Dabei ist eine konische Ventilsitzfläche 56 vorhanden. In Öffnungsrichtung 58 vor der Ventilsitzfläche 56 ist ein als Drosselbohrung ausgebildeter erster Abschnitt 60 vorgesehen. In Öffnungsrichtung 58 nach der Ventilsitzfläche 56 ist ein ebenfalls kreiszylindrischer zweiter Abschnitt 62 vorgesehen, der eine Führung für das Ventilelement 44 darstellt. Bei der Inbetriebnahme des Druckbegrenzungsventils 22 liegt die Kugel 44 zunächst dicht an der Ventilsitzfläche 44 an und berührt die Ventilsitzfläche 76 am Berührpunkt 64, der im vorliegenden Fall ungefähr in der Mitte der Ventilsitzfläche 56 liegt. Aufgrund der rotationssymmetrischen Ausbildung des Ventilkörpers 38 und der Kugel 44 wird somit entlang des Berührungspunkes 64 Auflagering (Dichtring) ausgebildet. Dieser weist einen Dichtradius r1 auf. Über die Benutzungsdauer des Druckbegrenzungsventils 22 verändert sich der ursprüngliche Auflagering 66 und wird aufgrund von Verschleiß immer mehr zu einer Ringfläche. Der Verschleiß kann insbesondere innerhalb der Verschleißbreite b stattfinden, so dass sich der Dichdurchmesser innerhalb dieses Bereichs verändernd bewegen kann, so dass der Dichtdurchmesser entweder kleiner ist als im Neuzustand oder größer ist als im Neuzustand. Die Differenz zwischen dem über die Lebensdauer so eintretbaren minimalen Dichtringradius r2 und dem maximalen Dirchtringradius r3 stellt die Verschleibreite b dar. Insbesondere kann sich die Kugel durch den Verschleiß um das Maß X über die Zeit weiter in Richtung der der Öffnungsrichtung 58 entgegengesetzten Schließrichtung 68 bewegen. Dadurch kann es insbesondere zu einer Verringerung des Dichtdurchmessers kommen, was zu einem höheren Öffnungsdruck führt, da der Öffnungsdruck bestimmt wird durch die hydraulisch wirkende Kraft gegen die Federkraft, die sich zusammensetzt aus dem hydraulischen Druck und der Fläche auf die der Druck wirkt, wobei sich diese Fläche eben durch den Dichtdurchmesser bestimmt.
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Gemäß der Ausführungsformen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Verschleißbreite b durch Änderung der Geometrie im Bereich der Ventilsitzfläche 56 verringert wird. Im Folgenden werden die Ausführungsbeispiel nun ausführlich offenbart:
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Wie in 4 zu erkennen ist, schließt sich an die Drosselbohrung 60 zunächst eine erste konische erste Zwischenfläche 70 an, die sich in Öffnungsrichtung 58 aufweitet und einen Winkel µ mit der Mittellängsachse 29 einschließt. An diese erste Zwischenfläche 70 schließt sich anschließend eine erste Übergangsfläche 72 an, die rohrförmig und damit kreiszylindrisch ausgebildet ist, und die einen Winkel γ von 0° mit der Mittellängsachse 29 einschließt, so dass diese Fläche folglich parallel um die Mittellängsachse 29 verläuft. An diese erste Übergangsfläche 72 schließt sich anschließend die Ventilsitzfläche 56 an. Durch das Vorsehen der ersten Zwischenfläche 70 und der ersten Übergangsfläche 72 wird folglich eine Stufe ausgebildet. Diese Stufe kann eine Länge I von beispielsweise 2 mm und eine Tiefe t von beispielsweise 0,01 mm aufweisen. Durch dieses Vorgehen wird die Verschleißbreite b im Vergleich zur bekannten Ausgestaltung in 3 reduziert. Der Berührpunkt 64 und damit der Dichtring 66 können insbesondere am Übergang 74 von der ersten Übergangsfläche 72 zur Ventilsitzfläche 56 liegen. Somit kann der durch Verschleiß auftretende minimale Dichtringradius r2 im Vergleich zur Ausgestaltung in 3 vergrößert sein, so dass der Öffnungsdruck sich durch Verschleiß nicht erhöht.
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Bei der Ausführungsform gemäß 5 ist ebenfalls eine zweite Zwischenfläche 70 vorhanden, in diesem Fall beträgt der Winkel µ 90°, so dass diese Fläche einen Kreisring ausbildet und orthogonal zur Mittellängsachse 29 verläuft. An diese zweite Zwischenfläche 70 schließt sich wiederum die zweite Übergangsfläche 72 an. Im Vergleich zu 4 ist die Verschleißbreite b weiter reduziert und zwar durch folgende Maßnahme: An die Ventilsitzfläche 56 schließt sich in Öffnungsrichtung 58 eine zweite Übergangsfläche 76 an. Diese zweite Übergangsfläche 76 schließt einen Winkel β von 90° mit der Mittellängsachse 29 ein. Die zweite Übergangsfläche 76 mündet schließlich in der zweiten kreiszylindrischen Fläche 62. Durch diese Maßnahme wird die Verschleißbreite nochmals im Vergleich zur Ausgestaltung gemäß 4 reduziert. Im Unterschied zu 5 beträgt der Winkel β gemäß 6 135°, so dass die Verschleißbreite b wiederum im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 5 reduziert ist. Eine optimale Verschleißbreitenreduktion wird gemäß 7 dadurch erhalten, dass der Winkel β 180° beträgt, so dass sich die Übergangsfläche 76 ausgehend vom Übergang 78 zwischen der Ventilsitzfläche 56 in Schließrichtung 68 erstreckt. An die zweite Übergangsfläche 76 schließt sich in den 6 und 7 wiederum eine orthogonal zur Mittellängsachse 29 verlaufende zweite Zwischenfläche 80 an. Der Radius r3 gemäß 7 am Übergang 78von der Ventilsitzfläche 56 zur zweiten Übergangsfläche 76 bestimmt hierbei den maximalen Dichtringradius bei Verschleiß.
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Insgesamt kann erfindungsgemäß über die Lebensdauer des Druckbegrenzungsventils 22 eine Reduzierung der verschleißbedingten Öffnungsdruckänderung erzielt werden.
