Voiko paremmilla tulpilla säästää polttoaineenkulutuksessa? Saako kylmemmillä tulpilla lisää tehoa? Otimme selvää.
Artikkeli julkaistu GTi-Magazinen numerossa 10 / 2020 ja sen on kirjoittanut Jyrki Repo.
Sytytystulpalla on yksinkertainen tehtävä. Sen tulisi sytyttää polttoaineen ja ilman seos sylinterissä, hallitusti, aina samalla tavalla, ja juuri oikealla hetkellä. Tehtävä ei kuitenkaan ole helppo ja siksi sytytystulppiin liittyvä tekniikka on oma maailmansa.
Sytytystulppa ei ole muuttunut rakenteeltaan viimeisen sadan vuoden aikana käytännössä lainkaan. Tulppa koostuukin metallisesta runko-osasta, keraamisesta eristimestä ja keskellä kulkevasta johtimesta, jonka toinen pää on ulkoilmassa ja toinen pää palotilassa.
Tulpan pää on siis palotilassa, ja se joutuu kestämään melkoista höykytystä moottorin käydessä. Tulpan rakenne on suunniteltu sellaiseksi, että kovimmassakin kuormituksessa lämpöenergia pääsee johtumalla siirtymään sylinterikanteen tulpan elektrodien sulamatta.
Tulppa siis kerää palotapahtumasta karstaa, erilaisia palamatta jääneitä yhdisteitä, tuhkaa ja hiilijäämiä, joita kerrostuu eri kohtiin palotilaa. Jos karstaa kertyy tulpan pinnalle tarpeeksi, puolan varaus voi purkautua karstakerrosta pitkin sytyttämättä kipinää lainkaan. Niinpä tulpan pitää puhdistua jotenkin, ja se tapahtuu pyrolyysillä, eli tavallaan itsestään, kun tulpan pinta saavuttaa tarpeeksi korkean lämpötilan.
Tulpan puhdistaminen on tarkkaa puuhaa, sillä toisaalta sen täytyy kestää täyskaasutilanteen lämpökuorma, mutta toisaalta täytyy käydä joka käynnistyksellä niin kuumana, että karsta palaa pois. Tätä kutsutaan itsepuhdistuslämpötilaksi, joka on tyypillisesti jossain 450 celsiusasteen yläpuolella.
Jos lämpötila nousee liiaksi, tulppa voi vaurioitua. Keraamieriste voi rikkoutua tai sivuelektrodi irrota tai katketa. Useimmiten tulpan mekaaninen vaurio tulee omistajalle hyvin kalliiksi, sillä palotilassa pomppoilevat tulpan palaset tekevät nopeasti selvää jälkeä paitsi männän laesta, myös sylinterin seinämistä, palotilasta ja venttiileistä, sekä niiden istukoista.
LÄMPÖARVO
Tulpan optimi toimintalämpötila on siis käytännössä 450 – 800 astetta. Lämpöenergian virtausta elektrodilta sylinterinkanteen säädetään tulpan muotoilulla. Puhutaan lämpöarvosta. Lämpimässä tulpassa keskielektrodi on rakenteeltaan sellainen, että se säilyttää lämpöenergian hyvin, ja vain vähän siitä pääsee johtumaan tulpan rungon kautta sylinterikanteen.
Kylmä tulppa puolestaan jäähtyy tehokkaasti, joten se pysyy viileämpänä, vaikka palotilan lämpökuorma korkeiden ahtopaineiden tai hyvin korkean kierrosluvun takia kasvaakin. Kolikon kääntöpuoli on se, että tulppa saavuttaa itsepuhdistuslämpötilansa hitaammin.
Yksinkertaistettuna ja eräänlaiseksi nyrkkisäännöksi puristettuna koko lämpöarvon voi muotoilla siten, että liian kuumalla tulpalla moottori menee rikki, mutta liian kylmällä se ei lähde käyntiin. Niinpä tästä oppivainen Getarin lukija voikin päätellä, että kannattaa ajella juuri niin kylmällä tulpalla kuin moottori suostuu toimimaan.
Tulpanvalmistajilla on omat merkintänsä, ja toisilla isompi lukema tarkoittaa kylmempää tulppaa, kun taas toisella tilanne on päinvastainen. Näitä cross reference-taulukoita on netti täynnä.
TUOTEKEHITYSTÄ
Vaikka tämän päivän sytytystulppa muistuttaakin rakenteeltaan alkuperäisiä sata vuotta sitten valmistettuja tulppia, tekevät isot tulpanvalmistajat paljon töitä pystyäkseen vastaamaan tämän päivän haasteisiin. Tiukentuneet päästönormit ja alituinen hyötysuhteen kasvattaminen aiheuttavat sytytystulppavalmistajille paljon päänvaivaa.
Moderni pienellä iskutilavuudella varustettu, yleensä turboahdettu suoraruiskumoottori käy erittäin kuumana. Silti tulpan pitää pystyä sytyttämään seos erittäin kummallisissa olosuhteissa esimerkiksi katalysaattorien esilämmitystilassa aamun ensikäynnistyksellä, oli keli mikä tahansa.
Toimintavarmuutta on haettu paitsi eksoottisilla materiaaleilla, myös tulppien muotoilulla. Jos arvokasta uuden auton ensiasennustulppaa tutkii tarkemmin, siitä voi havaita, että elektrodien ja runkojen rakenteissa on toinen toistaan erikoisempia uria, koloja, olkia ja konkaaveja. Kaikilla näillä haetaan parempaa kompromissia termisen kuorman kestävyyden ja toisaalta kylmäkäynnistys- ja toimintavarmuuden välillä.
Osa rakenteista on suunniteltu kuljettamaan lämpöä pois tehokkaammin, osa taas on suunniteltu siten, että eristimen ympärille muodostuva sähkökenttä puhdistaa tai suojaa eristimen pintaa karstoittumiselta. Joku muoto voi olla ikään kuin varasuunnitelma sille, että tulppa pääsee karstoittumaan, jolloin rungon ja keskielektrodin välillä on tavallaan toiset kärjet, jota pitkin syttyvä kipinä on tarpeeksi voimakas sytyttämään seoksen, joka puolestaan lopulta puhdistaa tulpan karstasta, jotta se voi taas toimia normaaliin tapaan.
KÄÄRMEÖLJYJÄ JA EKSOOTTISIA METALLEJA
Aina välillä markkinoille ilmestyy tulppia, joilla luvataan vaikka mitä. Nyt viime vuosina tällä saralla on ollut hiljaisempaa, sillä pääasiassa luvatut lisätehot tai parantuneet polttoaineenkulutukset ovat jääneet toteutumatta. Tämä johtuu todennäköisesti siitä, että tulpalla on valtavan vähän tehtävissä sille, miten se palotapahtuma palotilassa etenee sen jälkeen, kun se ylipäätään on saatu sytytettyä.
On totta, että kipinän voimakkuudella voi olla marginaalinen merkitys esimerkiksi kylmäkäynnistyspäästöihin, mutta pelkällä tulpan rakenteella ei pystytä saavuttamaan sellaisia eroja palotapahtuman etenemisessä, että huomattavaa tehoeroa pääsisi oikeasti syntymään.
Jos kahdenkympin tulpalla oikeasti saisi 10 heppaa lisää, miksi ihmeessä autotehtaat eivät tekisi sitä itse? Saman kysymyksen voi esittää kaikkien päästönvähennysmagneettien ja ilmansuodattimeen asennettavien peltihäkkyröiden kohdalla.
Eksoottisisten metallien käytölle on kuitenkin tekniset perustelunsa. Tämän takia melkein kaikkien uusien ahdettujen moottorien tulpissa käytetään iridiumin, platinan tai yttriumin kaltaisia arvokkaita metalleja. Erikoisten ja arvokkaiden metallien käytölle on monia syitä.
Kuparista tai nikkeliteräksestä valmistettu elektrodi kuluu nopeasti, joten siitä täytyy tehdä lähtökohtaisesti melko pullea, jotta tulpalle saadaan järkevä käyttöikä. Tulpissa käytetyt metallit kestävät tätä sähkövirran aiheuttamaa korroosiota paremmin, joten elektrodista voidaan tehdä pienempi, samalla pelkäämättä sitä, että hentoinen kärki sulaisi palotilan kuumuudessa.
Pieni elektrodi puolestaan mahdollistaa kipinän purkauksen pienemmässä tilavuudessa, jolloin kipinän paikallinen intensiteetti on suurempi, lähes suoraan pinta-alojen suhteessa. Niinpä terävämmällä elektrodilla syttymisvarmuus on parempi ilman muita sytytysjärjestelmän muutoksia.
Monikärkitulpilla taas haetaan useimmiten sitä, että kun kipinää voi päristellä useammassa kärkivälissä, käyttöikä kasvaa lähestulkoon suoraan kärkivälien lukumäärän verran. Parempaa tehoa niilläkään ei kuitenkaan saada.
Joskus teräväkärkisillä platina- tai iridiumtulpilla voidaan korjata virityksen yhteydessä ilmestynyt sylinteripaineen kasvusta johtuva misfire-ongelma. Toinen helppo tapa vähentää tätä taipumusta on pienentää kärkiväliä. Näilläkin toimenpiteillä kuitenkin saavutetaan vain parempi syttymisvarmuus, ei merkittävää eroa esimerkiksi saatavaan tehoon – siis tietenkin palamattomien tahtien takia menetetyn tehon takaisin saamista lukuun ottamatta.
PINTAPURKAUS- JA MUUT ERIKOISRAKENTEET
Joissakin applikaatioissa pintapurkaustulppa on ainoa mahdollisuus. Wankel-moottorissa tulpanreikä on sijoitettu siten, että perinteinen tulppa osuisi apex-tiivisteisiin. Sama koskee joitakin kaksitahtimoottoreita. Pintapurkaustulppia voidaan käyttää myös silloin, kun ajetaan erittäin rajuilla ahtopaineilla tai kovilla ilokaasuannoksilla. Pintapurkaustulppa kestää paremmin äärimmäisiä rasituksia. Selkeää kuitenkin on, että pintapurkaustulppa myös karstoittuu helposti, eikä siten sovi läheskään kaikkiin käyttötarkoituksiin.
Hukkakipinäjärjestelmissä, kuten esimerkiksi evomitsuissa kannattaa käyttää sellaisia tulppia, jotka on nimenomaan suunniteltu hukkakipinäjärjestlemiin. Hukkakipinäsysteemissä kun joka toinen kipinä hyppää ”väärään suuntaan”. Niinpä on syytä käyttää tulppia, joissa on esimerkiksi platinakärki sekä keski- että sivuelektrodissa.
MINKÄ TULPAN SIIS VALITSEN?
Laita vakio, alkuperäinen tai tunnetun merkin vastaava tarviketulppa. Älä ala vaihtamaan tulppia ”parempiin”, jos sinulla ei ole jotakin erityistä ongelmaa, joka pitää ratkaista.
Jos virität moottoria reilusti, niin käytä juuri niin kylmiä tulppia kuin pystyt. Tarvittaessa aja kylmillä kesällä, ja vaihda pykälää lämpimämmäksi talvella. Kuten sanottua, liian kylmällä moottori ei lähde käyntiin tai se pätkii kylmänä. Se on kuitenkin verrattain vaaratonta verrattuna siihen, mitä tapahtuu jos liian kuuma tulppa sulaa täyskaasulla.
Muista seurata GTi-Magazinea myös somessa!
- Facebook: https://www.facebook.com/GTiMagazine/
- Instagram: https://www.instagram.com/gtimagazine/
