Sytytyslaitteet

Sytytyspuolan toiminta

Kuinka sytytyspuola toimii? Sytytyspuola itsessään on oikeastaan vain muuntaja. Siinä on kaksi kuparikelaa rautasydämen ympärillä, joka muuntaa sisääntulevan jännitteen korkeammaksi jännitteeksi. Sytytyspuolan ensiöpuolelle tulee aina virtojen ollessa päällä +12V, ja haluttaessa kipinä kytketään puolan miinukseen maadoitus pieneksi toviksi. Tällöin sytytyspuolan ensiöpuoli lähtee “latautumaan” ja ensiöpuolen kelaan varastoituu energiaa. Maadoitus katkaistaessa syntyy samalla itseinduktanssi, joka nostaa ensiöpuolen jännitteen sinne luokkaa 300+-V (riippuvainen puolan rakenteesta), ja tämä sitten synnyttää toisiopuolelle suuremman jännitteen, joka sitten ohjataan tulpan kipinäväliin. Eli kipinä syntyy vasta se maadoitus katkaistaessa.

Pääteaste

Pääteaste on yksinkertaistetusti transistori, jolla kytketään sytytyspuolan maadoitus. Pääteaste voi olla rakennettu moottorinohjaimen sisälle, olla oma ulkoinen yksikkönsä tai sitten rakennettu sytytyspuolaan itseensä sisään. Pääteastetta usein ohjataan moottorinohjaimelta tulevalta +5V kanttiaallolla, joka nousee +5V tasoon latausajan määrittelemäksi ajaksi ja laskeutuu takaisin 0V tuntumaan muuna aikana. Pääteaste taas tekee sytytyspuolan maadoitukselle saman.

Tämän takia jos moottorinohjaimessa on rakennettu ohjaimen sisään pääteasteet, niin siihen ei voi kytkeä puolaa jossa on pääteaste itsessään. Koska tällöin moottorinohjaus maadoittaa signaalia kipinää halutessaan ja sytytyspuola odottaa +5V signaalia että osaisi sytyttää. Suurin osa nykyisistä jälkiasennettavista ohjaimista nykyään on tehty tuottamaan +5V jännite, eli käytettäväksi joko ulkoisen pääteasteen kanssa tai puolan kanssa jossa pääteaste on sisäänrakennettuna

Ulkoisia pääteasteita on 1, 2, 3, 4 kanavaisia ainakin, näistä kannattaa valita se mikä soveltuu omaan käyttöön parhaiten. Oikeilla asetuksilla pääteasteen ei tulisi lämmetä juurikaan, mutta huono ajatus ei ole kiinnittää sitä johonkin alumiinilevyyn tai vastaavaan joka tuo laajemman haihdutuspinta-alan lämmölle.

Vanhempia, virranjakajien kanssa käytettäviä pääteasteita on sitten sellaisia joissa on itsessäänkin jonkinlaista ohjausta sisällä jne., mutta käymällä läpi kaikki ne tarinasta tulisi todella pitkä, joten tämä jää jokaisen itse selvitettäväksi kyseisen moottorin kohdalla. Esimerkiksi Megasquirtin manuaaleista löytyy todella hyvin tietoa noista, ja sitä tietoa voi sitten soveltaa tarvittaessa myös muiden moottorinohjainten kanssa.

Sytytysenergia

Jotta sytytystulpan kärkivälissä syntyy riittävä kipinä seoksen sytyttämiseen, niin kärkivälille johdettava sytytysenergia on oltava riittävä kipinän muodostamiseksi. Jos energia ei ole riittävän suuri, niin kipinää ei muodostu ja seos en myöskään syty. Autotehtaat ovat viime vuosina tehneet paljon tuotekehitystä sytytysenergian kasvattamiseksi, lähinnä siksi koska tuotantomoottoreissa mitataan päästöjä, ja palamattomat hiilivedyt(HC), eli käytännössä palamaton polttoaine on yksi mitattavista kohteista. Sen ja myös kulutuksen vuoksi halutaan tietenkin moottoriin syötettävästä polttoaineesta polttaa mahdollisimman hyvin kaikki. Tämä tietenkin myös auttaa virittäjiä, koska suuremman sytytysenergian tuottavat puolat auttavat myös sytyttämään viritetyn moottorin seoksen paremmin.

Sytytysenergian tarve kasvaa sylinteripaineen myötä. Eli mitä suurempi sylinteripaine, sen suurempi myös on sytytysenergian tarve. Ja suurempaa sylinteripainettahan tarvitaan jotta moottorista saadaan suurempi teho ulos. Myös suurempi kärkiväli kasvattaa sytytysenergian tarvetta, samaten hieman vaikutusta on myös seossuhteella yms.

Eri sytytyspuolista on saatavilla erilainen sytytysenergia. Aiheesta Motive Video on tehnyt hyvän videon YouTubeen, jossa mittaillaan useampaa erilaista sytytyspuolaa. Mitä suuremman energian puola tarjoaa, sitä paremmin se saa sytytettyä kipinän haastavissakin olosuhteissa. BMWn vakiopuolat on myös todettu aivan hyväksi, N54 tyyppisellä puolalla ajetaan tällä hetkellä JRJ Garagen Bemarissa ja 700+hp tehoilla mennään ongelmitta. Myös VAG sytytyspuolan teholuokka riittää varsin pitkälle. Noita tehokkaimpia kaivataan sitten hyvin rajuissa moottoreissa, jossa sylinteripaine on todella kova tai kaivattu energia muuten kova

Latausaika

Sytytyspuolan latausaika, eli usein moottorinohjauksessa nimellä Dwell. Tämä aika on se kuinka pitkäksi aikaa maadoitus sytytyspuolalla kytketään. Aikaa määritellessä on tarkoitus ladata sytytyspuolaan niin paljon energiaa kuin on mielekästä, mutta ei liikaa. Puola pystyy ottamaan vain tietyn määrän energiaa vastaan ja jos latausta jatketaan tätä pidemmälle, niin loppu lataus muuttuu lämmöksi. Ja liika lämpö saattaa sitten tuhota pääteasteen / puolan.

Yllä periaatteellinen kuvaaja joka oskilloskoopin näytölle piirtyisi mitattaessa sytytyspuolalle menevää virtaa. Kyseisessä kuvaajassa latausaika olisi jo reilusti ylipitkä, eli latausaika olisi hyvä lopettaa tuohon kun käyrä alkaa ylhäältä tasoittua. Sen jälkeen energia ei oikeastaan enää lisäänny, mutta lämpö kyllä. Tuo Dwell arvo on sytytyspuolakohtainen, ja normaalisti turvallinen arvo on luokkaa 2-2,5ms, mutta kannattaa varmistaa ennen kuin rikkoo mitään.

Toinen tärkeä, puolan latausaikaan vaikuttava asetus on että kummalla kanttiaallon reunalla kipinä syntyy.

Eli nimitys vaihtelee, mutta ajatus on sama. Kyse on siitä että onko kyseinen sytytyslähtö normaalisti +5V, ja laskee 0V latausajaksi, vai normaalisti 0V ja nousee 5V latausajaksi. Jälkimmäinen vaihtoehto on käytössä suurimmassa osassa tapauksista, eli Linkin tapauksessa Spark Edge Falling ja Megasquirtissa Going High. Ero alla kuvattuna kuvaajana jollainen näkyisi oskilloskoopin näytöllä noita eroja tutkittaessa.

Spark Edge

Miksi tämä sitten on ehdottoman tärkeä olla oikein päin? Oikein päin ollessaan puolaa ladataan pääteasteen kautta se noin 2,5ms, mutta jos asetus on väärin päin, niin latausaika on koko muun ajan, paitsi sen 2,5ms. Eli yleensä kymmeniä millisekuntteja. Tässä kohtaa puolan saturoitumisen jälkeen kaikki muuttuu lämmöksi, eli todennäköinen lopputulema on joko palanut pääteaste, sytytyspuola tai molemmat.

Sytytystulpan rakenne

Mistä tietää että tulppa on kulunut? Perinteisessä kuparielektrodilla olevasta sen näkee kun keskielektrodin reunat alkaa pyöristyä. Miksi tulppa sitten kuluu juuri siitä reunasta? Koska kipinä muodostuu aina siihen keskielektrodin terävään kohtaan. Sitten kun terävät kulmat sytytystulpasta on kadonneet, niin kipinän muodostuminen on merkittävästi hankalampi ja tämän vuoksi tulppa on vaihtokunnossa.

Miksi sitten sytytystulppien keskielektrodeja on tehty eri materiaaleista, kuten iridiumista, platinasta jne.? Suurin syy tähän on kulutuskestävyys. Esimerkiksi platina on metallina merkittävästi paljon kestävämpi kuin kupari-nikkeli seos mitä halvimmissa tulpissa käytetään. Tämä on yksi syy miksi nykyaikaisilla autoilla pystytään yksillä sytytystulpilla ajamaan yli 100tkm vaihtamatta. Entä, hyödyttääkö tuollainen kalliimpi tulppa viritetyssä moottorissa? Ei merkittävästi. Aika harvoin tulee tilanne että rajummin viritetyllä moottorilla huoltovälin pituus olisi jollain tavalla merkityksellinen. Itse olemme suosineet useissa tilanteissa ihan edullista perustulppaa ja sitten vain vaihtaneet riittävän usein. Aiheesta on varmasti todella monia mielipiteitä ja näkemyksiä, mutta tämä on ainakin todettu hyvin toimivaksi. Eri metallit tietenkin myös johtavat sähköä eri tavalla, mutta jännitteen ollessa hyvin korkea, tulpan läpi ei kulje merkittävää virtamäärää keskielektrodin paksuuteen verrattuna ja tulpassa kulkeva “johtimen” pituuskin on hyvin lyhyt, niin merkittävää vastusta tuosta ei kuitenkaan tule. Ja suuressa osassa ruiskumoottoreita sytytystulpassa on myös häiriöiden poistamiseksi vastus itsessään, jonka vaikutus on joka tapauksessa suurempi kuin valitun metallin. Oikeastaan suurin vaikutus kipinään mikä iridium tulpalla on, johtuu siitä että keskielektrodin muodoksi voidaan tehdä merkittävästi pienempi ja näin paremmin mahdollistaa kipinän muodostuminen.

Entä sitten sivuelektrodien määrä? Omat kokemukset useammalla sivuelektrodilla olevista sytytystulpista viritetyissä autoissa ovat huonoja. Sellaiset vaativat usein hieman enemmän sytytysenergiaa, joka sitten kostautuu helpoimmin sytytyskatkoksina. Ja niissä ei myöskään kärkivälin säätäminen ole mahdollista, jolla tilannetta voisi hieman pelastaa. Esimerkiksi 4 sivuelektrodilla varustetussa tulpassahan kipinä ei mene kaikkiin 4 sivuelektrodiin, vaan se menee siihen yhteen mihin se pääsee helpoiten. Eli käytännössä siihen väliin missä sytytyshetkellä on eniten polttoainetta ja sähkönjohtavuus paras. Pääasiallinen syy tuonkin rakenteen kehittämiseen on ollut kulutuskestävyys.

Lämpöarvo

Tulpien valmistajat ilmoittavat tulpalleen aina lämpöarvon. Merkintätapoja on erilaisia eri valmistajilla ja koska vertailutaulukoita löytyy netistä hyvin, niin ei lähdetä tässä kohtaa merkintälogiikkaa avaamaan sen kummemmin. Mutta kysehän on lähtökohtaisesti siitä että kuinka hyvin tulppa pystyy johtamaan lämpöä pois itsestään, eli käytännössä kanteen.

Mutta, miksi erilaisillä lämpöarvoilla olevia tulppia sitten on olemassa? Liian kuuma tulppa saattaisi sytyttää seoksen ennen aikojaan, joka olisi todella vaarallista moottorille. Samaten metallin sulaminen saattaa tulla ongelmaksi. Liian kylmä tulppa taas ei pysty polttamaan karstaa pois tulpasta ja näin ollen käytössä karstoittuu aiheuttaen ongelmia tällä tavalla. Hieman kylmempi on aina turvallisen puolella. Semmoisena yleisenä nyrkkisääntönä pykälän tai kaksi kylmempi alkuperäisestä on hyvä lähtökohta viritettyihin. Sen jälkeen tarkkailla tulppia ja moottorin käyttäytymistä, ja muuttaa tarvittaessa.

Häiriönpoistovastus

Koska sytytystulpilla on korkea jännite ja virtapulssit sykäyksittäisiä, niin ne aiheuttavat helposti häiriöitä auton muihin laitteisiin. Esimerkiksi moottorinohjauksen anturitiedoissa nämä häiriöt aiheuttavat suuria ongelmia ja saattavat jopa estää käynnistymisen, sotkiessaan kierroslukutiedon. Eli yksittäispuolien (COP) tai kupariydinjohtojen kohdalla on ehdottoman tärkeää käyttää häiriönpoistovastuksella varustettuja sytytystulppia. Yleensä merkintä R jossain kohtaa tulpan koodissa. Jos sytytysjärjestelmässä käytetään sytytysjohtoja, niin useimmat tehdasvalmisteisiin autoihin tarkoitetut johdot sisältävät itsessään häiriönpoistovastuksen. Tämän voi selvittää ihan yksinkertaisella vastusmittauksella sytytysjohdon päästä päähän. Jos vastus on lähellä nollaa, niin kyseessä on kupariydinjohto, jos vastus on yleensä kilo-ohmeja niin sytytysjohto sisältää vastuksen.

Tulppien ja puolien asennus

Tulpissa oikeastaan tärkeintä on oikeanlainen ja oikean mittainen kierre, sekä avainkoko. Mutta tästä selviää oikeastaan helpoiten kun käyttää vakiotulppaa vastaavaa noin muuten, ainoat muuttuvat tekijät ovat se vastus ja lämpöarvo. Pääasiassa ei kannata tehdä asiasta monimutkaisempaa ellei ole välttämätöntä.

Varsinkin jos jokaiselle tulpalle on oma puolansa, niin niiden tukeminen yläpäästään kunnolla on ehdottoman tärkeää. Puola yleensä kyllä pysyy tulpan päällä ilman tukeakin, mutta esimerkiksi VAG puolissa on painavin osa puolan yläpäässä, jolloin se pääsee heilumaan moottorin käydessä / autolla ajettaessa ja helposti katkaisee sytytystulpan posliinin, aiheuttaen näin ongelmia.

Läpilyönnit

Sähkö on siitä yksinkertaista että se menee aina sinne mihin helpoimmalla pääsee. Jos sytytysjohtoon tai yksittäispuolan kylkeen tulee syystä tai toisesta vauriota, josta virta pääsee helpommin maihin kuin sytytystulpan kipinävälin kautta, niin se myös sieltä menee, jättäen sytytystulpan ilman kipinää kokonaisuudessaan. Sama seuraus on esimerkiksi vedellä tai öljyllä täyttyneellä tulppakaivolla. Sähkö löytää aina sen helpoimman reitin.