Effekte bei Düsentuning (Theorien)

Hallo

Ich habe mal versucht, die Auswirkungen eines Tausches von Einspritzdüsen bei VP 37 Motoren abzuschätzen bzw. überschlägig zu berechnen.
Da der folgende Text Fehler enthalten kann, bitte ich ausdrücklich um Korrekturen, Ergänzungen usw., um daraus ggf. anschließend einen weiteren Fachartikel zu machen (falls Rainer es für angebracht hält).

Auf evtl. Probleme mit unpassenden Spritzbildern kann ich mangels entsprechender verlässlicher Infos vorerst nicht eingehen.


Der erwünschte Zerstäubungseffekt beim Einspritzvorgang kommt zustande, weil der Kraftstoff in den "Engstellen" der Düsenbohrungen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt wird und sich der Strahl beim Auftreffen auf die Luft „zerlegt“.
Zum Beispiel beträgt die Gesamt-Durchflußfläche einer 205 um 5Loch-Düse rund 0,165 mm².
Wenn beim 81 kW TDI eine Volllastmenge von etwa 40 mg bzw. ca. 50 mm³ während einer angenommenen Spritzdauer von 1 Millisekunde (= 24 ° Kurbelwelle bei 4000 rpm) durch diesen Querschnitt gepumpt werden soll, muß der Kraftstoff auf etwa 300 m / sec beschleunigt werden.

In der Realität treten dabei einige unerwünschte Effekte auf: Durch die hohen Drücke bis in eine Größenordnung um 1000(?) bar werden besonders die Einspritzleitungen elastisch „aufgebläht“, der Kraftstoff wird um eine gewisse Rate komprimiert(!), und die Leckverluste in der Pumpe und den Düsen verschlucken ihren Anteil der „geometrischen“ Fördermenge aus Pumpenkolbendurchmesser und Förderhub.

Da der Einspritzdruckbedarf zur Kraftstoffbeschleunigung quadratisch zur Drehzahl steigt (über den Druck wird die kinetische Energie W = m/2 v² auf den Kraftstoff übertragen, und v ist grundsätzlich proportional zur Drehzahl), machen sich diese Verluste hauptsächlich im oberen Drehzahlbereich bemerkbar.
Zum Ausgleich muß das Fördervolumen passend erhöht werden, d.h. das MSW wird weiter ausgelenkt und die Einspritzdauer sozusagen um die Zeit für denjenigen Teil der Einspritzmenge verlängert, der bei unkorrigierter Einspritzdauer nicht mehr durch die Düsen passt.
Dieser Zusammenhang zwischen Drehzahl, Auslenkung des MSW und Einspritzmenge ist motorspezifisch im Pumpenkennfeld der EDC gespeichert.

Die Volllastmengen-Korrektur im oberen Drehzahlbereich kann man z.B. während einer DZR-Testahrt mit VAGCOM sehen, wenn man eine Wertegruppe mit Drehzahl, Einspritzmenge und RWG-Spannung mitloggt: während die Einspritzmenge ab dem Aufbau des vollen Ladedrucks bis zum Abregelbeginn weitgehend gleich bleiben sollte, steigt die RWG-Spannung mit der Drehzahl an.



Ändert man also den Lochdurchmesser für Tuningzwecke per Düsentausch z.B. von 205 auf 216 um, so erhöht sich die Gesamt-Durchflußfläche auf rund 0,183 qmm.
Die Einspritzgeschwindigkeit sinkt unter ansonsten unveränderten Bedingungen entsprechend auf ca. 270 m / sec, und der Einspritzdruckbedarf zur Kraftstoffbeschleunigung wieder quadratisch mit der Geschwindigkeit (bzw. in 4.Potenz des Lochdurchmessers) auf etwa 81% des Ausgangswertes.

Das verringert (neben der Druckbelastung aller beteiligten Komponenten) die beschriebenen Verluste zwischen Fördervolumen und Einspritzmenge, so dass die unveränderte Fördervolumen-Kompensation nunmehr zu hoch ausfällt. So kommt mehr Kraftstoff im Zylinder an – und zwar überwiegend im oberen Drehzahlbereich, wo die o.a. Verluste auftreten.

Besagtes Ansteigen der RWG-Spannung bei gleichbleibender Einspritzmenge gibt einen ungefähren Hinweis auf die maximale Wirkung eines Tausches der Seriendüsen gegen "größere": Je stärker die RWG-Spannung ansteigt, desto mehr Verluste hat die Einspritzanlage. Die Mehrmenge durch alleiniges Düsentuning kann nie größer sein als die "verschluckte" Verlustmenge.

Besonders zusammen mit einem elektronischen Tuning ohne entsprechende Ladedruckerhöhung kann mit größeren Düsen der Luftüberschuß völlig aufgebraucht werden und ein erheblicher Russausstoß entstehen.

Zusätzlich wird die Abregeldrehzahl soweit angehoben, bis zwischen den Motor-Gesamtverlusten und der Einspritzmenge wieder ein Gleichgewicht entsteht.

Da eine gegebene Kraftstoffmenge nun schneller in Zylinder kommt, konzentriert sich die Verbrennung etwas mehr im OT-Bereich, was den Motorlauf in der Regel härter machen wird, aber auch die Kraftstoffausnutzung tendenziell verbessert und so eine Verbrauchseinsparung bewirken kann.

Leider wird durch den verringerten Einspritzdruck die Zerstäubung schlechter – in etwa so, als würde der Motor jeweils soviel niedriger drehen, wie es dem Verhältnis der Durchflußflächen (also bei gleicher Lochzahl das quadrierte Verhältnis der Lochdurchmesser) entspricht.
Die Folge sind schlechtere Abgaswerte besonders im unteren Drehzahlbereich, was grundsätzlich auch die Betriebserlaubnis des Fahrzeuges erlöschen lassen dürfte.

Hi Ulf,

ich hätte da auch noch eine Anmerkung dazu, nachdem mich ein wirklich freundlicher Boschmitarbeiter beraten hat:

- man muss nämlich bei diesen hydraulischen Überlegungen auch die Länge des Düsenlochs mit berücksichtigen, was zwischen verschieden Düsen abweicht

Ich habe gerade das Problem, dass ich für meinen 1Z einen Satz neue Düsen da habe, die einen etwas größeren Lochquerschnitt haben, aber dafür ein längeres Loch. Der Boschmitarbeiter meinte, dass die Auswirkungen eines Tausches nicht so einfach zu berechnen sind. Zumindest sind meine neuen Düsen für den amerikanischen 1Z, für den strengere Rußgrenzwerte gelten. Also müsste mit diesen Düsen weniger Ruß entstehen Allerdings weiß ich nicht, was an den EDC-Einstellungen solcher Fahrzeuge anders ist. Somit muss ich wahrscheinlich ausprobieren, was dabei rauskommt (unwohl ist mir dabei schon).

Eine weitere Sache ist, dass ich mir erst überlegt hatte die drei Düsen ohne NHG gegen die amerikanischen zu tauschen, da der NHG neu ist. Der Boschmitarbeiter riet mir jedoch dringend davon ab Düsen mit unterschiedlichen Lochquerschnitten bzw. -längen einzubauen. Die entstehenden Schwingungen könnten z.B. die Hauptlager der Kurbelwelle stark schädigen.

Um wieviel rpm nimmt eigentlich für Dein Rechenbeispiel schätzungsweise die Höchstdrehzahl zu Das wäre schon wichtig zu wissen für die ASU

Hi,
Was denn mit den höheren Einspritzdruck das dide 216er Düsen haben??
Die gringere Kraftstoffgeschw. wird doch durch den höheren Einspritzdruck kompensiert daher würde ich sagen das die Zerstäubung nicht schlechter wird.
Denke da es so seine wird denn schließlich haben die 205er düsen ja auch etwas hören druck als die 184 er, und dabei habe ich dann auch mehr Kraftstoff im Zylinder.

Die annahme das die Leckageverluste geringer werden ist korreckt.

Achso, um die Querschnittsverluste in den Einspritzleitungen zu veringern kann mann ja auch Einspritzleitungen mit größerem Querschnitt nehmen.

tim27 hat folgendes geschrieben:

Die gringere Kraftstoffgeschw. wird doch durch den höheren Einspritzdruck kompensiert daher würde ich sagen das die Zerstäubung nicht schlechter wird.

Hi Tim,

Wenn man theoretisch das Bernoullische Prinzip berücksichtigt dann bedeutet das, dass bei sinkender Geschwindigkeitshöhe die Druckhöhe (= Druck auf die Wand) zwangsläufig ansteigt (dann hättest Du recht). Voraussetzung dafür ist natürlich, dass die Durchflussmenge, die von der Pumpe geliefert wird, konstant ist. Diese erhöht sich aber, sodass Ulf recht hat und der Druck sinkt.

tim27 hat folgendes geschrieben:

Hi, Was denn mit den höheren Einspritzdruck das dide 216er Düsen haben?? Die gringere Kraftstoffgeschw. wird doch durch den höheren Einspritzdruck kompensiert daher würde ich sagen das die Zerstäubung nicht schlechter wird. Denke da es so seine wird denn schließlich haben die 205er düsen ja auch etwas hören druck als die 184 er, und dabei habe ich dann auch mehr Kraftstoff im Zylinder..

Hi Tim

Du verwechselst offenbar den Öffnungsdruck der Düsen mit dem Druck im System während der laufenden Einspritzung (letzteren meine ich im Eingangsposting).

Steck doch mal in Gedanken die Einspritzleitung direkt in den Zylinder - meinst Du, daß bei mehreren mm Mündungsdurchmesser auch noch hunderte bar in der Leitung aufgebaut werden, obwohl der Saft ungehindert aus dem Rohr rausschießen kann??

Wenn nicht, sind wir uns grundsätzlich einig: je kleiner der Einspritzquerschnitt, desto stärker der "Stau" davor und damit höherer Druck - und umgekehrt.

Zitat:

Achso, um die Querschnittsverluste in den Einspritzleitungen zu veringern kann mann ja auch Einspritzleitungen mit größerem Querschnitt nehmen

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Aha . . . und wenn Deine Spritzdüse am Gartenschlauch verstopft ist (und deshalb zuwenig Wasser rauskommt), kaufst Du einen dickeren Schlauch, steckst die gleiche Düse ungereinigt da dran und schon flutscht es wieder

-> eine Kette ist so schwach wie ihr stärkstes Glied, oder wie war das noch . . .

ulf hat folgendes geschrieben:

Aha . . . und wenn Deine Spritzdüse am Gartenschlauch verstopft ist (und deshalb zuwenig Wasser rauskommt), kaufst Du einen dickeren Schlauch, steckst die gleiche Düse ungereinigt da dran und schon flutscht es wieder

Hi Ulf,

theoretisch hätte er recht, solange die Fördermenge konstant ist (Bernoulli)...hab mich oben nochmal verbessert. Der Durchfluss erhöht sich aber um einiges, sodass der Druck auf die Wand in Wirklichkeit geringer wird.

haehnlein hat folgendes geschrieben:

theoretisch hätte er recht, solange die Fördermenge konstant ist (Bernoulli)...hab mich oben nochmal verbessert. Der Durchfluss erhöht sich aber um einiges, sodass der Druck auf die Wand in Wirklichkeit geringer wird.

Hi Christian

ich hab so leise Zweifel, ob das Bernoulli-Gesetz hier anwendbar ist - ich kenne es nur
1. für Gase
2. in der Praxis als Venturidüse für Flugzeug-Fahrtmesser, die in einer Engstelle durch die Beschleunigung der Luft einen Unterdruck erzeugt.

Klar ist der "quer gemessene Druck" (und damit die Saugwirkung) dort niedrigsten, wo die schnellste Strömung herrscht.

Hier gehts aber um Überdruck zur Beschleunigung des Kraftstoffs.
Und praktisch jede reale Pumpe baut den höchsten Druck auf, wenn die Abflußmenge minimal (oder Null) ist.

Also je kleiner die Düsenbohrung, desto höher der Druck und damit die Kraft, die den Kaftstoff auf umso höhere Geschwindigkeiten beschleunigt (wenn man mal Reibungsverluste durch Oberflächeneffekte zwischen Düse und Kraftstoff grundsätzlich unbeachtet läßt).
Oder wo ist darin der logische Knoten?

haehnlein hat folgendes geschrieben:

man muss nämlich bei diesen hydraulischen Überlegungen auch die Länge des Düsenlochs mit berücksichtigen, was zwischen verschieden Düsen abweicht Ich habe gerade das Problem, dass ich für meinen 1Z einen Satz neue Düsen da habe, die einen etwas größeren Lochquerschnitt haben, aber dafür ein längeres Loch. Der Boschmitarbeiter meinte, dass die Auswirkungen eines Tausches nicht so einfach zu berechnen sind. Zumindest sind meine neuen Düsen für den amerikanischen 1Z, für den strengere Rußgrenzwerte gelten. Also müsste mit diesen Düsen weniger Ruß entstehen Eine weitere Sache ist, dass ich mir erst überlegt hatte die drei Düsen ohne NHG gegen die amerikanischen zu tauschen, da der NHG neu ist. Der Boschmitarbeiter riet mir jedoch dringend davon ab Düsen mit unterschiedlichen Lochquerschnitten bzw. -längen einzubauen. Die entstehenden Schwingungen könnten z.B. die Hauptlager der Kurbelwelle stark schädigen.

Hi Christian

das ist insofern gut einsehbar, als die "Reibungsfläche" zwischen Düse und Kraftstoff mit der Lochlänge wächst und der Kraftstoff dadurch abgebremst wird -> geringere Einspritzmenge.
Als Ausgleich macht man die Bohrung größer, was wie beschrieben die Menge wieder erhöht.

Wie sich jetzt grundsätzlich das Spritzbild eines kurzen engen Loches von einem langen größeren (mit gleichem Druckbedarf für einen bestimmten Durchsatz) unterscheidet ->

Zitat:

Um wieviel rpm nimmt eigentlich für Dein Rechenbeispiel schätzungsweise die Höchstdrehzahl zu Das wäre schon wichtig zu wissen für die ASU

Gute Frage - hab ich auch schon mehrmals gestellt, leider bisher ohne konkrete Antwort

Dabei kommt für jeden "Großdüsenfahrer" spätestens bei der nächsten AU die Stunde der Wahrheit. Dort wird sein Motor auf nmax gequält, und wenn die Drehzahl zu hoch ist, muß er AFAIK so oft wiederkommen bis es paßt - und setzt bis dahin jedesmal die AU-Gebühr in den Sand
Ich würde es also alleine schon aus Geiz mal vorher probieren und ggf. solange adaptieren etc. bis es paßt . . .

Sicher abschätzen kann ich den Effekt jedenfalls nicht. Es hängt in jedem Fall auch davon ab, wie "steil" die Einspritzmenge im Abregelbereich durch die EDC runtergeregelt wird.

Auf Wunsch gelöscht

diesel.gustav hat folgendes geschrieben:

Da ist nach meiner Erfahrung nicht der obere, sondern der untere Drehzahlbereich kritisch. Denn: viel Kraftstoff, aber wenig Verbrennungsluft!

Hi diesel.gustav,

das heißt der Verbrauch ist in meinem Lieblingsdrehzahlbereich höher

diesel.gustav hat folgendes geschrieben:

Allerdings: Die Österreicher sind da vielleicht großzügiger. Die Kfz-Werkstätten kennen die Problematik der Abgas-Trübungsmessung in der freien Beschleunigung. Wir haben aktuell 70% Dieselanteil an Neufahrzeugen und vielleicht ca. 50% im Altbestand. Viele Betriebe haben sich bei den Kunden mit der Abgas-Trübungsmessung gelegentlich "blutige Nasen" geholt und reagieren in den Gutachten eher vorsichtig.

bei uns auch....zumindest bei meinem TÜV-Menschen Der versucht das Messgerät mit möglichst langsamen Gasgeben zu überlisten..Folge: 20mal Hochdrehen

Auf Wunsch gelöscht

diesel.gustav hat folgendes geschrieben:

Aber das kanns ja nicht sein, was ein seriöser Dieselfahrer anstrebt.

da war ich mal wieder zu voreilig mit meinem neuen Düsensatz (naja noch ist er nicht eingebaut). Mir ist es in erster Linie wichtig, dass die Kiste wenig verbraucht....ist doch kein Ferrari. Eine Sache verstehe ich aber nicht: meine neuen Düsen sind für den amerikanischen 1Z und dort sind die Rußgrenzwerte strenger. Bedeutet das, dass im Volllastbereich die Rußwerte dann doch niedriger sind, oder hat der amerikanische 1Z eine anderes Kennfeld für die ESP

haehnlein hat folgendes geschrieben:

... meine neuen Düsen sind für den amerikanischen 1Z und dort sind die Rußgrenzwerte strenger.

Hi Christian,

diese Aussage kann ich kaum nachvollziehen, da in den USA der Dieselkraftstoff völlig andere (schlechtere) Spezifikationen bestitzt.
Wichtigste Abweichung vom EU Diesel ist der Schwefelanteil der in den USA zwischen 500 und 1200ppm liegen darf (>50ppm in der EU). Damit dürfte das Rußverhalten eines 1Z TDIs in den USA (egal ob andere Düsen oder nicht) katastrophal schlechter sein. Übrigens gibt es nur in Californien andere Abgasvorschriften für Dieselfahrzeuge und dort hat VW den 1Z eben offiziell nie verkauft. Wer dort einen TDI haben wollte hat ihn einfach im Nachbarstaat als Tageszulassung gekauft und gut wars (Die Abgasgesetze gelten nur bei Erstzulassung ).
Ich denke eher die anderen Düsen haben was mit der wesentlich geringeren Cetanzahl von 42-45 für das US Diesel zu tun (EU Diesel = 49). Das US Diesel ist damit um einiges Zündunwilliger und kommt dem TDI ohne Änderungen sicher nicht entgegen.
Das schlechte Diesel ist auch der Grund warum es (noch) keine PD TDIs in den USA gibt. Auch die Zahl der CDIs ist deshalb in den USA sehr gering. Und der Rußfilter ist Aufgrund der schlechten Kraftstoffverhältnisse in den USA sowiso kein Thema (der funktioniert nur mit schwefelarmen Diesel).

[quote="Bertil"] diese Aussage kann ich kaum nachvollziehen, da in den USA der Dieselkraftstoff völlig andere (schlechtere) Spezifikationen bestitzt. [quote]

Hi Bertil,

...hat mir der nette Boschmitarbeiter erzählt.

Zitat:

Das schlechte Diesel ist auch der Grund warum es (noch) keine PD TDIs in den USA gibt.

glaube ich nicht (kam letztens eine Sendung drüber): Das Dieselimage ist miserabel in den USA (und der Preis gegenüber Benzin) und außerdem haben die Amis`s sich eine ordentliche Portion Sprit für die nächsten Jahrzehnte gesichert ...dann wird es in Zehn Jahren noch keine PD`s dort geben.

Meine Düsen sind aber auch noch für den deutschen AEY...was meinst Du denn...soll ich die einfach mal einbauen (Die Querschnittsunterschiede sind glaube ich 0,164 alt und 0,174 neu) oder weiterverkaufen

Hi Christian,

haehnlein hat folgendes geschrieben:

...hat mir der nette Boschmitarbeiter erzählt.

Da hat er aber mächtig im Trüben gefischt

Zitat:

glaube ich nicht (kam letztens eine Sendung drüber): Das Dieselimage ist miserabel in den USA (und der Preis gegenüber Benzin)...

Stimmt...

Zitat:

... und außerdem haben die Amis`s sich eine ordentliche Portion Sprit für die nächsten Jahrzehnte gesichert

Stimmt nicht! Die geschätzten Erdölreserven reichen nur noch für ca. 25-30 Jahre und das Weltweit! Ich denke nicht das es der USA möglich ist sich jetzt schon Reserven für mehrere Jahrzehnte zu sichern. Die "Notfallreserve" der USA reicht (nur für Militär- und Regierungsfahrzeuge) etwa 6-12 Monate!

Zitat:

...dann wird es in Zehn Jahren noch keine PD`s dort geben.

Seit etwa fünf Jahren versucht man in den USA das Diesel auf den EU Standart zu bringen, doch mit G.W. Bush hat dieses Projekt einen herben Rückschlag erlitten und die US Norm bleibt erhalten. Das sichert den US Autoherstellern eine gewisse Monopolstellung beim Diesel. Die europäischen Dieselmotoren (PD-TDI und CDI oder HDI-FAP) benötigen den (schwefelarmen und höher Cetanigen) EU Diesel unbedingt!
Wenn du mal auf die Webseite von VWoA schaust wirst du Feststellen das es dort noch den 90PS VP37 TDI gibt! Und daß in 2003! In Europa sind die VP37 Motoren bei VW schon in 5/2002 ausgelaufen!

http://www.vw.com/Brochure/pdfs/jetta.pdf -- Seite 4 sind die Motorvarianten zu sehen

Zitat:

Meine Düsen sind aber auch noch für den deutschen AEY...was meinst Du denn...soll ich die einfach mal einbauen (Die Querschnittsunterschiede sind glaube ich 0,164 alt und 0,174 neu) oder weiterverkaufen

Also probiern würde ich das schon mal, nur solltest du recht vorsichtig sein und den Motor genau beobachten.