Einspritzdüse

Einspritzdüsen eines TDI-Motors AXG (Lochdüse)

Allgemeine Informationen

Die Einspritzdüse (ESD) bzw. das Einspritzventil ist ein Ventil, das bei einem Verbrennungsmotor Kraftstoff in den Ansaugtrakt oder den Verbrennungsraum einspritzt. Während bei Ottomotoren diese Ventile durchweg elektrisch angesteuerte Magnetventile sind, wurden bei Dieselmotoren bis zur Einführung moderner Common-Rail-Einspritzungen hydraulisch auf den Druck reagierende Ventile verwendet. (Quellenangabe 1)

Zu besseren Differenzierung zwischen Diesel- und Benzinmotoren wird in der T4-Wiki bei den Dieselmotoren der Begriff Einspritzdüse und bei den Benzinmotoren der Begriff Einspritzventil genutzt.

Funktion

Einspritzdüse allgemein

Die Einspritzdüsen bestehen aus dem Düsenkörper und der Düsennadel. Beide sind aus hochwertigem Stahl hergestellt und eingeläppt. Die Toleranzen liegen bei 0,002 - 0,003 mm. Man darf sie daher nur zusammen austauschen.
Bei einfachen Systemen wird die Düsennadel von einer oder zwei Druckfedern des Düsenhalters in den Sitz gedrückt. Durch den Kraftstoffdruck entsteht eine senkrecht wirkende Hubkraft. Ist diese größer als die Federkraft, wird die Nadel nach oben gedrückt, und es wird Kraftstoff eingespritzt. Fällt der Druck ab, schließt die Düse (wieder). Die Düsenöffnungsdrücke liegen herstellerabhängig zwischen 115 und 300 bar. Der maximale Einspritzdruck kann allerdings je nach System und Motorlast/-drehzahl bei bis zu 2000 bar liegen. (Quellenangabe 2)

Das nachfolgende DieselSend-Bild (Quellenangabe 3) verdeutlicht den Aufbau der ESD mit Düsenhalter (rechts) am Beispiel einer Zapfendüse (links).

Im einzelnen bedeuten:

1. Düsenkörper
2. Vorlaufbohrung
3. Düsenzapfen
4. Druckkammer
5. Ausströmquerschnitt
6. Vorlaufbohrung
7. Rücklaufnippel
8. Einstellscheibe
9. Druckfeder
10. Druckbolzen
11. Zwischenscheibe
12. Zapfendüse (s.l.)
13. Spannmutter

Bei den TDI-Motoren, die ein Motorsteuergerät besitzen, ist der Geber G80 (Nadelhub) in einer der 5 ESDs integriert, der dem Motorsteuergerät ein Signal zur Erkennung der Düsenöffnung liefert.

Motorabhängig (TDI oder Wirbelkammer) kommen unterschiedliche Typen von Einspritzdüsen zum Einsatz.

Lochdüse

(Quellenangabe 2)
Diese Art wird ausschließlich bei direkt einspritzenden Motoren verwendet. Man unterscheidet zwischen Sitzlochdüsen und Sacklochdüsen.

Bei der Sitzlochdüse werden die Düsenlöcher direkt von dem Ventilglied (Düsennadel) verschlossen.

Bei der Sacklochdüse ist unterhalb des Düsensitzes ein Restvolumen, in dem ein Rest Kraftstoff verbleibt, der nicht durch die Düsenlöcher eingespritzt wurde, was eine erhöhte Emission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) im Abgas zur Folge haben kann. Allerdings kann man durch ein den Düsenlöchern vorgelagertes Mischvolumen günstigere Strömungsverhältnisse erreichen. Um das unerwünschte Restvolumen möglichst gering zu halten, gibt es auch Mini-Sacklochdüsen, bei denen das Totvolumen durch "auffüllen" möglichst gering hält.

Der Düsenkörper weist mehrere Spritzlöcher auf. Je nach Motor liegt die Anzahl zwischen 5 (PKW) bis 14 (Großdieselmotor, z.B. für Schiffe oder Kraftwerke). Der Lochdurchmesser variiert zwischen 0,15 mm (Pkw) und 0,4 mm (Lkw). Die Spritzlochanzahl, -winkel und -größe, sowie die Strömungsverhältnisse an den Düsenlöchern beeinflussen den Einspritzstrahl und dessen Zerstäubung (Spritzbild), welche in Abstimmung mit der Einspritzmenge, Einspritzdruck, Druckverlauf, Brennraumgeometrie, Ladungsbewegung, Kompressionsdruck und -temperatur die Verbrennungsqualität bei der Verbrennung des Dieselkraftstoffs bestimmen.

Die nachfolgenden Bilder von Inazone zeigen Bilder einer ESD aus einem 1996er TDI-Motor mit dem MKB ACV nach einer Laufleistung von gut 290.000 km (davon ca. 30.000 km mit PÖL); beim TDI kommen 2-Feder-Düsen zum Einsatz.

Gesamtansicht

Zerlegte ESD (VW-Bezeichnungen der Teile)

Ablagerungen an der ESD

Die nachfolgenden Bilder von Chris zeigen einen Vergleich der Einspritzdüsen aus einem 1999er TDI ACV beim Wechseln inkl. neuer Flammringe. Laufleistung der alten Düsen: knapp 400.000km

Draufsicht

Seitenansicht

Zapfendüse

Die Zapfendüsen werden bei Motoren mit Vor- bzw. Wirbelkammer verwendet und haben einen viel geringeren Öffnungsdruck von 80-145 bar. Bei dieser Bauart wird das einzige Einspritzloch in geschlossenem Zustand durch einen Zapfen verschlossen. Dadurch gibt es kein Restvolumen, und der Einspritzstrahl kann durch die Form des Zapfens verändert werden. Möglich sind z. B. Voreinspritzung oder druckabhängige Änderung der Strahlform. Bei der Entwicklung des Zapfens wird der immer entstehende Rußbelag mit einkalkuliert, das bedeutet, dass neue Düsen, die den Rußbelag noch nicht besitzen, eventuell unsauberer verbrennen, bis sich der Belag ausgebildet hat. (Quellenangabe 2)

Das nachfolgende Bild von Gonzo6296 zeigt Zapfendüsen aus einem 4-Zylinder-Wirbelkammer-Dieselmotor.

Zapfendüsen mit Halter

Technische Daten

Motor	Düsenart	Soll-Abspritzdruck in Bar	Verschleißgrenze in Bar
1X	Zapfendüse	130-138	120
AAB / AJA	Zapfendüse	130-138	120
ABL	Zapfendüse	155-163	140
ACV bis 04/99 ACV ab 05/99 / AUF	Lochdüse	190-200 220-230	170 200
AHY / AXG / AXL	Lochdüse	220-230	200
AJT	Lochdüse	220-230	200

Teilenummern

Aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher Einspritzdüsen werden an dieser Stelle keine Teilenummern aufgeführt. Die Preise für komplette Düsen (mit Halter) liegen im Bereich von 75 für einfache bis über 400 Euro für Einspritzdüsen mit Nadelhubgeber. In vielen Fällen sind Düseneinzelteile wie Nadel, Feder, Scheiben etc. als Ersatzteil erhältlich.

Einbauort

Die Einspritzdüsen sind in unmittelbarer Nähe der Glühkerzen (Markierungen in den Bildern) in den Zylinderkopf geschraubt bzw. mit Spanbügeln fixiert.

Einbauort 4-Zylinder-Motor (1X)

Einbauort 4-Zylinder-Motor (ABL)

Einbauort 5-Zylinder-Motor (ACV, AHY)

Ausbau

Hinweise:

• Um mehr Arbeitsraum zu erhalten, sollte der Kühler vorgeklappt werden.
• Die Einspritzleitungen sollten stets komplett ausgebaut werden. Dabei unbedingt darauf achten, dass sie nicht verbogen werden, und dass keine Fremdkörper in die Leitungen kommen.
• Bei den TDI-Motoren ACV und AHY (und deren Versionen) muss zum Ausbau der 5. ESD mit dem Nadelhubgeber möglichewrweise vorher die Einspritzpumpe ausgebaut werden. Vorher prüfen!
• Die Wärmeschutzdichtungen (auch Dichtscheibe) bei den Saugdiesel-Motoren bzw. die Flammringe (auch Dichtring) aus Kupfer bei den TDI-Motoren zwischen Einspritzdüse und Zylinderkopf müssen ersetzt werden. Dabei auf die Einbaulage der Wärmeschutzdichtungen achten: die Seite mit der Aussparung muss zum Zylinderkopf zeigen.
  

  Einbaulage der Wärmeschutzdichtung
• Bei den TDI-Motoren besteht beim Hin- und Herdrehen der ESD während des Ausbaus ein erhebliches Risiko, die ESD zu beschädigen. Dem entsprechend darauf achten, dass die ESD nur gerade herausgezogen bzw. mit einem Abzieher mit Schlaghammer herausgeschlagen wird.

Werkzeug:

• Ringschlüssel VW 3035 oder offener Ringsschlüssel SW17 für die Einspritzleitungen
• TDI-Motoren:
  • ggf. Einspritzdüsenabzieher mit Schlaghammer
  • Inbusschlüssel für Innensechskant M8
  • Drehmomentschlüssel für o.a. Einsatz bis 20 bzw. 25 Nm
  • ggf. Schraubenschlüssel SW27
• Restliche Dieselmotoren:
  • Lange Stecknuss SW27 für die Einspritzdüsen
  • Drehmomentschlüssel für o.a. Einsatz bis 70 Nm

Arbeitsschritte:

1. Kühler vorklappen.
2. Einspritzleitungen abschrauben (Anzugsmoment 25 Nm).
3. Leckölleitungen abziehen.
4. Ggf. Einspritzpumpe ausbauen; siehe Hinweise.
5. TDI-Motoren:
   1. Steckverbindung vom Nadelhubgeber abziehen.
   2. Befestigungsschraube für Spannbügel herausschrauben und Spannbügel abnehmen.
      

      Befestigungsschraube für Spannbügel (Bild RalphCC)
   3. Einspritzdüsen herausnehmen. Dies kann recht mühsam sein, weil sie u.U. 'festgepresst' sind. Die ESD zum Lockern nicht hin- und herdrehen, weil sie dabei beschädigt werden kann. Im Zweifelsfall sollte man zu einem Spezialwerkzeug greifen (siehe oben Abzieher mit Schlaghammer).
      Alternativ bietet sich folgender Trick an, für den man aber wohl etwas Mut braucht: Befestigungsschrauben der Düsen etwas lösen und Motor starten. Durch den Verbrennungsdruck lösen sich die Düsen aus dem Zylinderkopf und können nach dem Entfernen der Druckleitungen entnommen werden. Die noch angeschlossenen Druckleitungen verhindern ein Davonfliegen der Düsen. Nebenbei wird auch noch sämtlicher Dreck um die Düse herum weggeblasen.
   4. Dichtring ersetzen.
6. Restliche Dieselmotoren:
   1. Einspritzdüsen mit Stecknuss herausschrauben.
   2. Wärmeschutzdichtung ersetzen.

Wiederherstellung:

• O.a. Arbeitsschritte in umgekehrter Reihenfolge.
• Dabei auf die korrekten Anzugsmomente achten:
  • Einspritzleitungen: 25 Nm
  • Spannbügel für ESD: 20 Nm bis 04/1999, 25 Nm ab 05/1999
  • ESD: 70 Nm

Betrieb, Fehler und Prüfung

Betrieb

Die Einspritzdüsen sind letztendlich Verschleißteile, die nach längerer Laufzeit (Richtwert: ab 200.000 km) zumindest geprüft und ggf. getauscht werden sollten, da Probleme im Bereich der Düsen durchaus größere Schäden am Motor verursachen können.

Fehler

(Quellenangabe 1)
Im Idealzustand sollte bei luftverteiltem Kraftstoff der Einspritzstrahl außen feine Tröpfen enthalten und im Zentrum zu größeren Tröpfchen zerstäuben. Dadurch zünden die feineren Tröpfchen zuerst, der Kraftstoff brennt langsamer und gleichmäßiger ab und es entsteht ein vergleichsweise sanfter Druckanstieg im Brennraum.

Der Hauptfehler bei der Einspritzung besteht in einer mangelhaften Zerstäubung, die sich auf verschiedene Arten auswirken kann:

• Klopfende Verbrennung: Ein großer Teil der eingespritzten Kraftstoffmenge verbrennt schlagartig. Dies macht sich akustisch durch das bekannte „Nageln“ des Dieselmotors (eine Form der klopfenden Verbrennung) bemerkbar, das in der Regel zu Mehrverbrauch, Leistungsverlust, schlechterer Abgasqualität und auf Dauer zu Schäden an den Gleitlagern des Triebwerks führen kann.
• Lokale Überhitzung: Wenn die Strahlrichtung dejustiert ist und das Kraftstoff-Luft-Gemsich auf Bauteile zielt, dann können diese durchbrennen (etwa Loch im Kolbenboden).
• Abriss des Schmierfilms: Wenn der Kraftstoffstrahl auf die Zylinderwand zielt, kann der Schmierfilm abgewaschen werden. Wegen der geringeren Schmierwirkung des Kraftstoffes ist dann mit Fressschäden zu rechnen.

Weitere Fehler bestehen in einer undichten Düse oder gebrochenen Düsenfedern (bei klassischen Düsen, die nur als Drossel wirken), so dass Kraftstoff vor oder nach der regulären Einspritzung in den Brennraum nachläuft. Der Kraftstofffilm verkokt an der Düse und behindert dann wiederum die korrekte Zerstäubung.

Typische Symptome einer oder mehrerer fehlerhafter Einspritzdüsen sind:

• Fehlzündungen
• Klopfen in einem/mehreren Zylindern
• Überhitzung des Motors
• Leistungsabfall
• Übermäßiger schwarzer Auspuffqualm
• Erhöhter Kraftstoffverbrauch
• Verstärkter Blaurauch beim Kaltstart

Prüfung

Eine rudimentäre Prüfung der Einspritzdüsen ist bei im leicht überhöhten Leerlauf laufendem Motor möglich. Dabei löst man der Reihe nach die Überwurfmutter an der Einspritzleitung und zieht sie danach gleich wieder fest. Verändert sich die Motordrehzahl bei einer ESD nicht, so liegt bei dieser ESD ein Problem vor.
Ein detailliertere Prüfung (Abspritzdruck und -bild) ist erst nach Ausbau mit entsprechenden Prüfgeräten möglich.

Quellenangabe

1. Artikel Einspritzventil. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 28. März 2007, 09:59 UTC. URL: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Einspritzventil&oldid=29782185 (Abgerufen: 11. Mai 2007, 14:18 UTC)
2. Artikel Einspritzdüse (Dieselmotor). In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 25. März 2007, 11:23 UTC. URL: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Einspritzd%C3%BCse_%28Dieselmotor%29&oldid=29645764 (Abgerufen: 11. Mai 2007, 14:25 UTC)
3. DieselSend - Versand von Diesel-Einspritztechnik