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Einspritzdüsentausch: Tuning ohne elektronische Eingriffe (Fachartikel)

 
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Einspritzdüsentausch: Tuning ohne elektronische Eingriffe
ulf Beitrag09-03-2005, 17:58  
Einspritzdüse und Kolben
Die Aufgabe der Einspritzdüsen besteht unter anderem in der Zerstäubung des eingespritzten Kraftstoffs.

Um gute Abgaswerte mit geringem Rußanteil zu erreichen, ist eine sehr feine Zerstäubung erforderlich, die nur mit kleinen Düsenbohrungen relativ zur Fördergeschwindigkeit der Pumpe realisierbar ist.
Durch diese Auslegung der TDI-Einspritzanlagen mit einem ausgeprägten "Staueffekt" vor den Bohrungen werden auch bei VP37-Motoren düsenseitige Einspritzdrücke bis über 1000 bar erreicht (mit beabsichtigter Unterstützung durch Druckwelleneffekte im Hochdruckbereich des Systems) - aber nur im oberen Drehzahlbereich, denn durch die direkte Abhängigkeit der Fördergeschwindigkeit von der Motordrehzahl sind die Drücke im unteren Drehzahlbereich bzw. Leerlauf erheblich niedriger.

Doch auch hier sollen noch akzeptable Abgaswerte erreicht werden. Also müssen die Düsenbohrungen klein genug sein, um schon im Leerlauf eine gute Zerstäubung zu gewährleisten.
Dies bedingt wiederum, dass die Bohrungen für die Fördergeschwindigkeit bei hohen Drehzahlen "eigentlich zu klein" sind.

Tatsächlich passt bei normalen VP37-TDIs die geförderte Dieselmenge bei hohen Drehzahlen "nicht mehr schnell genug" durch die Bohrungen, so dass ein Teil der Fördervolumens in erhöhten Leckverlusten bei Pumpe und Düsen, elastischen Aufblähungen besonders der Einspritzleitungen und sogar Kompressionseffekten des Kraftstoffs "verlorengeht".

Zum Ausgleich wird das Mengenstellwerk z.B. bei Vollgas mit steigender Drehzahl durch die EDC immer weiter ausgelenkt (womit sich die Winkeldauer der Einspritzung verlängert), während die tatsächliche Einspritzmenge bis an den Abregelbeginn weitgehend konstant bleibt.

Der Zusammenhang zwischen Drehzahl, Einspritzmenge und Auslenkung des Mengenstellwerks (bzw. der Regelweggeberspannung) ist motortypspezifisch im Pumpenkennfeld der EDC gespeichert.

Der fein abgestimmte Kompromiß zwischen Pumpen- und Düsendaten macht einen großen Teil der Gesamtauslegung des Einspritzsystems aus.

Neben dem Lochdurchmesser bestimmen düsenseitig noch die übrige Lochgeometrie, der Öffnungsdruck und weitere Parameter den Einspritzverlauf und die -menge.

Die besagten Fördervolumenverluste bieten die Möglichkeit, zwecks Leistungssteigerung mehr Diesel in die Zylinder zu befördern. Dazu reicht es grundsätzlich aus, zum System passende Einspritzdüsen mit größeren Bohrungen einzubauen. Durch den größeren Einspritzquerschnitt fließt bei Volllast mehr Kraftstoff, und bei Teillast kann eine bestimmte Dieselmenge schneller eingespritzt werden, was die Verbrennung mehr im Bereich des OT konzentriert und den Motorwirkungsgrad etwas anhebt.

Üblicherweise werden beim Tausch der Einspritzdüsen die kompletten sogenannten Düsenhalterkombinationen getauscht - also die Teile, die man nach Lösen der Einspritzleitungen und der Halteklauen als Ganzes aus dem Zylinderkopf ziehen kann. Der Einfachheit halber wird hierfür der gängige Begriff "Einspritzdüsen" benutzt.

Da die Mehrleistung beim Einbau "größerer Einspritzdüsen" aus der Verringerung der Fördervolumenverluste entsteht, macht sie sich vor allem dort bemerkbar, wo die Verluste hoch sind, also im oberen Drehzahlbereich.
Zusätzlich erfordert der Antrieb der Einspritzpumpe bei größeren Düsen etwas weniger Leistung, da der besagte Staueffekt vor den (größeren) Düsenbohrungen geringer ausfällt und daher keine so hohen Drücke mehr aufgebaut werden.
Aber letzeres zeigt schon die Kehrseite der Medaille - nämlich eine generell schlechtere Zerstäubung des Kraftstoffs infolge des reduzierten Einspritzdruckes.

D.h. mit größeren Düsen wird der werksmäßige Kompromiß zugunsten einer höheren Leistung und zu Lasten der Abgaswerte verschoben, wobei die schlechtere Zerstäubung den genannten positiven Effekten auf die Kraftstoffausnutzung bzw. den Verbrauch zuwiderläuft.

Durch die Veränderung der Leistungs- und Abgaswerte erlischt grundsätzlich die Betriebserlaubnis des Fahrzeuges. Die folgenden praktischen Hinweise sind demnach nur für den Fahrzeugeinsatz abseits des öffentlichen Verkehrsraumes bzw. für Motorsportzwecke u.ä. zu verstehen!

Wie bei praktisch jedem Tuning wird der Motor natürlich auch durch größere Düsen höher belastet. Hier steigen hauptsächlich die Spitzendrücke an - im Gegensatz zum üblichen Tuning per Spritzdauerverlängerung, wo hauptsächlich die thermische Belastung und die Abgastemperatur zunehmen.

Problematisch beim Düsentausch könnte z.B. das Spritzbild der "fremden" Düsen sein, die ja nicht für den jeweiligen Motor gedacht sind. So ist es grundsätzlich denkbar, dass die größeren Düsen nicht mehr in die Kolbenbrennmulde, sondern z.B. zu hoch oder zu tief direkt auf das Kolbenmaterial spritzen, was zu Überhitzungen, Kolbenklemmern, Schmelzschäden usw. führen könnte.

Um solchen Folgen vorzubeugen, sollten zumindest die Ausrichtungen der Spritzbohrungen bei den alten und neuen Düsen möglichst genau auf Übereinstimmung geprüft werden. Da die Düsen meist schräg zur Brennmulde eingebaut sind, zeigt jedes Loch bezogen auf die Düsenachse in eine andere Richtung.

Wenn kein Düsenprüfgerät zum Vergleich der Spritzbilder vorhanden ist, kann man versuchen, ausreichend dünne, gerade Drahtstückchen aus weicheren Legierungen (um die Löcher nicht zu verkratzen, z.B. Kupfer), feine Borsten von Bürsten o.ä. in die Löcher zu stecken.
Wenn diese in beiden Düsen jeweils in die gleiche Richtung weisen und die Düsen ansonsten äußerlich gleich aufgebaut sind, besteht nach bisherigen Erfahrungen keine allzugroße Gefahr von Motorschäden durch unpassende Spritzbilder.

Die Höhe der zu erwartenden Mehrleistung kann bei moderaten Vergrößerungen des Einspritzquerschnitts überschlägig am Verhältnis der Querschnitte der jeweiligen Düsen und / oder den Zylinderleistungen des Spender- und Empfängermotors abgeschätzt werden.

Z.B. bilden die Querschnitte der originalen Düsen des AFN (205 um Lochdurchmesser) und des 2,5 ltr 5Zyl. / 111 kW (216 um Lochdurchmesser) ein Verhältnis von rund 1 : 1,11.
Die Zylinderleistungen von 20,25 kW beim Serien-AFN und 22,2 kW beim 111 kW / 5 Zylinder entsprechen einem Verhältnis von ca. 1 : 1,10.

In der Praxis bringt der Tausch der Düsen beim AFN gegen die besagten größeren Düsen ohne sonstige Änderungen einen mittleren Leistungszuwachs von etwa. 10% zwischen 2000 und 4000 rpm (ermittelt anhand der Durchzugszeit bei Vollgas im 3. Gang).

Ausnahme: der ALH-Motor (66kW) mit Automatikgetriebe und betont "kleinen" Düsen dürfte aufgrund der erhöhten Einspritzdrücke schon mit den Original-Düsen des Schaltgetriebe-ALH (ebenfalls 66 kW) eine erhebliche Mehrleistung entwickeln.

Größere Düsen erhöhen grundsätzlich auch das Potential für weitere Leistungssteigerungen durch Verlängerungen der Einspritzdauer, ohne allzuschnell an die Gefahrengrenze für Kolbenschmelzschäden zu geraten.

Sonstige Probleme durch evtl. erforderliche Ladedruckerhöhungen (um genügend Frischluft zuzuführen), Überlastungen des Motors usw. sollen hier nicht näher dargestellt werden.

Je stärker die Änderung der Düsenbohrungen, desto weiter wird der werksmäßige Kompromiß aus Abgaswerten, Verbrauch und Leistung verschoben, und umso mehr Nebenwirkungen können auch auftreten - z.B. Ruckelneigung im Teillastbereich, schlechteres Startverhalten, sichtbar erhöhte Russbildung usw.
Ausnahme: die Motoren ALH (mit Schaltgetriebe) und ASV haben verschiedene Düsen, aber die gleiche Pumpe. Beide sind in der Abgasklasse EU 3 eingestuft, d.h. die ASV-Düsen dürften im ALH-Motors hinsichtlich der Kraftstoffzerstäubung keine Probleme bereiten. Somit können die Abgaswerte noch akzeptabel bleiben, solange die Frischluftmasse (bzw. der Ladedruck) für die erhöhte Dieselmenge ausreicht.
Da aber im ALH-Motorsteuergerät (MSG) das Pumpenkennfeld mit den 66 kW-Düsen gespeichert ist, werden die ASV-Düsen neben einer Mehrleistung auch zu gewissen Nebenwirkungen führen.

Durch jeden Düsentausch kommt die hydraulische Seite des Einspritzsystems mehr oder weniger durcheinander.
Bei Fahrzeugen mit Verbrauchsanzeige wird diese mit größeren Düsen gegenüber der Nachtankmenge zuwenig anzeigen, da die Bordelektronik für die Verbrauchsberechnung das normale Pumpenkennfeld heranzieht und das MSG von der erhöhten Einspritzmenge praktisch nichts bemerkt.
Per Chiptuning kann das zwar grundsätzlich repariert werden, aber der verringerte Einspritzdruck und die schlechtere Zerstäubung größerer Düsen kann durch kein zusätzliches Chiptuning mehr ausgeglichen werden.
Ein "automatischer" Gang zum Chiptuner nach dem Düsentausch kann daher nur dazu dienen, den Verlauf der neuen Leistungskurve an die eigenen Wünsche anzupassen, die Abgaswerte durch eine Ladedruckerhöhung zu verbessern, falsche Verbrauchsanzeigen zu korrigieren, evtl. Nebenwirkungen wie Ruckeln zu beseitigen o.ä.

Wenn der Düsentausch alleine nicht die gewünschte Mehrleistung bringt und es nicht auf eine "Feinmodellierung" der Leistungskurve bzw. der Abgaswerte ankommt, kann schon ein zusätzliches 10c-Tuning (oder auch eine Powerbox) weitere Leistung aktivieren.

Bei Ruckeln und Startproblemen nach dem Einbau größerer Düsen kann auch in Eigenregie versucht werden, durch Adaption der Einspritzmenge und der Startmenge bzw. Verschieben des Mengenstellwerks auf dem Pumpenkörper Abhilfe zu schaffen: siehe DIY-Ruckelabhilfe bei Motoren mit VP 37.
Erst wenn das kein akzeptables Ergebnis bringt, besteht eine "objektive" Notwendigkeit, einen Chiptuner aufzusuchen - es sei denn, ein Tuner würde ein eintragungsfähiges und somit legales Gesamtpaket aus größeren Düsen und geänderter Software anbieten.

Um die AGR-Funktion an die vom MSG größtenteils unbemerkte Mehr-Einspritzmenge anzupassen, sollte auch eine Adaption des Kanals 3 in Richtung höherer Luftmasse erfolgen.

Ruckelprobleme können u.U. völlig ausbleiben, wenn die größeren Düsen einen höheren Öffnungsdruck haben (im Düsenkörper eingeprägt). Durch den begrenzt schnellen Druckaufbau der Pumpe öffnen die größeren Düsen dann etwas später, d.h. die reale Einspritzdauer wird bei unverändertem Fördervolumen verkürzt. Das kann den größeren Durchlaßquerschnitt sogar überkompensieren, so daß das Mengenstellwerk weiter geöffnet werden muß, um kleine Dieselmengen einzuspritzen. VAGCOM zeigt dann eine höhere (scheinbare) Leerlaufmenge an, was aus Sicht der EDC einer ruckelverringernden magereren Pumpeneinstellung entspricht.

In diesem Fall wird auch der ungeregelte Spritzbeginn etwas nach spät verschoben (erkennbar über den VAGCOM-Grundeinstellungsmodus), was wiederum das Startverhalten verschlechtern und u.U. die Spritzbeginnregelung bei Vollgas an den Früh-Anschlag laufen lassen kann. Dann empfiehlt sich eine entsprechende Korrektur der Pumpen-Grundeinstellung nach früh.

Die Abregeldrehzahl erhöht sich mit größeren Düsen nach bisherigen Erfahrungen nur wenig (Größenordnung: bis etwa 50 rpm), da oberhalb von ca. 5000 rpm die Einspritzmenge bei steigender Drehzahl sehr "steil" heruntergeregelt wird.

Beim Austausch der Düsen sollte man auf peinliche Sauberkeit achten, da jeder Dreckkrümel im Kraftstoffsystem zu Störungen und Schäden führen kann. Die Kupferdichtringe zwischen Düsen und Zylinderkopf sollten immer erneuert und das Montageloch der Düsen sorgfältig gesäubert werden.

In dem engen Spalt zwischen Düsenkörper und Zylinderkopf sammeln sich im Laufe der Zeit feine Sandkörner usw. an und verklemmen meist die Düse beim Versuch, sie herauszuziehen.
Dann sollte man einen Maulschlüssel an der Düse ansetzen, sie hin und her drehen und gleichzeitig herausziehen. Ein paar Tropfen Öl in besagtem Ringspalt kleben den Dreck an der Düse und am Zylinderkopf fest und verhindern, dass er in den Zylinder fällt.

Als Anzugsmomente sind für die Einspritzleitungen 25 Nm und für die Düsenhalteschrauben 20 Nm vorgegeben.

Zur Dichtigkeitskontrolle zwischen Düsen und Brennraum kann man wieder etwas Öl in die Ringspalte um die Düsen geben, das beim laufendem Motor durch aufsteigende Blasen anzeigt, wenn Verbrennungsdruck abgeblasen wird. In diesem Fall sollte man die Halteschrauben der betroffenen Düsen maßvoll nachziehen, oder notfalls die Düse nochmals ausbauen, die Dichtsitze reinigen und wieder einen neuen Dichtring einsetzen.

Nach dem Einbau neuer Düsen muß der Anlasser oft Schwerarbeit leisten, bis die Einspritzleitungen und Düsen entlüftet sind und der Motor anspringt.
Das kann man erleichtern, indem man zunächst nur 2 Düsen von Zylindern mit großem Zündabstand tauscht (z.B. beim 4-Zylinder die Düsen 1 und 4), den Motor anschließend startet und bis zum völligen Rundlauf laufen lässt, und erst denn das nächste Düsenpaar wechselt.

Alternative nach dem Wechsel aller Düsen auf einmal:
Die düsenseitigen Überwurfmuttern der Einspritzleitungen nur locker anziehen und den Anlasser (kurz) betätigen, bis deutlich Diesel austritt. Dann die Muttern ganz anziehen und den Motor starten.
Größere "Schweinereien" durch Diesel im Motorraum lassen sich mit Putzlappen an den Düsen verhindern.


Was geht bei PD-Motoren?

Auch bei den 2Ventil-PD-Motoren sind die Außenabmessungen der Pumpedüse-Elemente (PDE) identisch, und die Düsenbohrungen werden grundsätzlich mit der Leistung pro Zylinder größer.

Ausnahme: Bei der Umstellung einer Leistungsstufe in bessere Abgasklassen (beim 100 PS: ATD = EU3, AXR = EU4 / beim 130 PS: ASZ = EU3, BLT = EU4) werden im Interesse einer besseren Kraftstoffzerstäubung u.U. kleinere PDE verbaut.
Stellt man diese Motoren auf die jeweiligen EU3-PDEs um, so kann grundsätzlich eine Leistungssteigerung erwartet werden.

Um wieviel die Leistung beim Einbau größerer PDE steigt, ist allerdings kaum absehbar, da bisher so gut wie keine Erfahrungswerte bekannt sind.

Beim Tausch der PDE sollten immer die jeweils dazugehörenden Einstellschrauben verwendet werden, da im Laufe der Produktionszeit verschiedene Formen verbaut wurden.
Passen PDE und Einstellschrauben nicht zueinander, so können die PDE in kürzester Zeit unbrauchbar werden!

Da zwischen PDE und Zylinderkopf je 3 O-Ring-Dichtungen sitzen, lassen sich die PDEs (nach Demontage des Halteklotzes) nur mit erheblicher Kraft aus dem Zylinderkopf ziehen.
VAG-Werkstätten benutzen dazu ein Spezialwerkzeug, das in die Haltenut der PDE greift und mit einem Gleithammer Kraftimpulse nach oben erzeugt, die das PDE aus dem ZK ziehen.

Beim Tausch der PDE sollte man immer neue O-Ringe verwenden, da diese die Bereiche von Kraftstoffvorlauf, -rücklauf und Motoröl (im Ventildeckel) voneinander trennen.
VAG-Werkstätten benutzen zur Montage der O-Ringe Hilfswerkzeuge (Hülsen), die über das PDE geschoben werden und eine exakte, in sich unverdrehte Montage der Dichtungen gewährleisten.
Bei undichten O-Ringen kann der Druck im Kraftstoffvorlauf absacken und / oder das Motoröl durch Diesel verdünnt werden!
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