Kolmesylinteriset valtaavat alaa: Rivikuutosen puolikas 22.10.2020 Juha Kiiskinen

Kahdeksan vuotta sitten markkinoille tullut kolmesylinterinen Ford Ecoboost-turbomoottori on osoittautunut menestystarinaksi, jota muut valmistajat eivät voineet tyytyä seuraamaan sivusta.

Ecoboostin vanavedessä

Litraisen Ford Ecoboostin vanavedessä yhä useampi valmistaja on alkanut valmistaa tai on tuomassa markkinoille ajantasaisia kolmesylinterisiä voimalaitteita. Viimeisimpänä tähän joukkoon on liittynyt korealainen Ssangyong, joka hiljattain esitteli uuden 1,2 l GDI-T -moottorin.

Toki kolmesylinterisiä moottoreita on ollut aikaisemminkin, mutta yleensä niitä pidettiin lähinnä mukavina pörisijöinä. Näin esimerkiksi Daihatsun ja Suzukin tapauksessa 1980-luvulla. Daihatsu jopa valmisti litraista kolmepyttyistä pientä dieseliä, joko turbolla tai ilman.

1990-luvun lopussa Volkswagen-konserni toi edesmenneen Ferdinand Piëchin johdolla markkinoille erityisen säästeliääksi säädetyt VW Lupo ja Audi A2 3L-mallit, joiden ilmoitettiin tuon ajan mittaustavan mukaan keskimäärin kuluttavan 3 litraa/100 km. Moottorina näissä talousmaistereissa oli kolmesylinterinen 1,2 litran TDI-moottori pumppusuuttimin. Kapearenkaisen Audi A2 3L-mallin tankkaaminen oli mieleenpainuva kokemus, sillä reilun 300 km ajomatkan jälkeen auton polttoainesäiliöön sai valutettua dieselöljyä vähän yli 10 litraa. Ja tämä tapahtui 20 vuotta sitten.

Etuja tarjolla

Kolmesylinterinen voimalaite tarjoaakin pienissä kokoluokissa etuja, joita viime vuosiin saakka dominoineella nelisylinterisellä on vaikeampi saavuttaa. Eduista tärkeimmiksi voi nimetä suuremman sylinterikohtaisen iskutilavuuden, moottorinosien vähäisemmän määrän, pienemmän sisäisen kitkavastuksen ja kevyen massan yhdistettynä moottorin kompakteihin ulkomittoihin.

Usein moottorivalmistuksen kustannusten edullisuus puhuu kolmesylinterisen puolesta. Näin varsinkin silloin, kun samasta perusrakenteesta valmistetaan legopalikkamaisesti moduulimoottoreita, joiden merkittävin eroavuus on sylinteriluku. Tällä tavoin toimivat muun muassa BMW, Toyota ja Volvo, joiden näkemyksen mukaan optimikoko polttomoottorin yhden sylinterin iskutilavuudelle on 0,5 litraa. Toyotalla on kuitenkin edelleen tuotannossa varsin pitkän elinkaaren saavuttanut 3-sylinterinen 1KR-FE, jonka iskutilavuus on 998 cm3.

Ei kuitenkaan pelkkää hymistelyä

Pelkkää hymistelyä kolmesylinterinen moottori ei edellä kerrotusta huolimatta osakseen saa, sillä rakenteen haittapuolena tulee edestakaisista massamomenteista johtuvat tärinät.

Kyse on lähinnä ensimmäisen kertaluvun momenteista. Toisin kuin nelisylinterinen rivimoottori, saadaan kolmesylinterinen toisen kertaluvun edestakaisten voimien osalta varsin helposti tasapainoon.

Kolmesylinterisen nelitahtimoottorin sytytysväli on käytännössä poikkeuksetta tasainen 240 kulma-astetta, joka on seurausta kampiakselin kammentappien yleisestä 120 asteen asettelusta. Täristävän käynnin eliminoimiseen on usein käytetty kampiakselin kanssa samalla kierrosluvulla vastakkaiseen suuntaan pyörivää tasapainotusakselia.

Tosin viime aikoina markkinoille on ilmaantunut moottoreita, joissa tasapainotusakselista on valmistuskustannusten ja voimalaitteen sisäisen kitkan edelleen karsimiseksi luovuttu. Näissä kampikoneiston osien tasapainotus on toteutettu vauhtipyörän ja kampiakselin hihnapyörän tarkkaan haetun epäbalanssin avulla. Myös moottorintuennalla on merkitystä tärinän eristämisessä.

Moottoripyörissä on nähty muutamia irtiottoja kampiakselin asettelun suhteen, jotta täristävästä käynnistä päästäisiin paremmin eroon. Tasainen 240 asteen sytytysväli on voinut vaihtua 180-270-270 asteen järjestelyksi, kuten vuosimallin 2020 Triumph Tiger 900-mallissa. Valmistajan mukaan tällä on vaikutusta moottorin luonteeseen, käyntiääneen ja kuljettajan ajotuntumaan.

Viilausta alaspäin

Viime vuosien voimalaitetekninen kehitys on ollut tasoittamassa tietä kolmesylinteristen tulemiselle. Bensiinikäyttöisten moottoreiden tapauksessa tämä on usein tarkoittanut pieniä, herkästi reagoivia turboahtimia, polttoaineen korkeapaineista suorasuihkutusta ja venttiilikoneiston nokka-akselikohtaisesti mukautuvaa ajoituksensäätöä. Näiden ja kehittyneen lämmönhallinnan sekä harkitusti käytettävien apulaitteiden myötä polttonesteenkulutusta – ja siten myös CO₂-päästöjä – onkin saatu tiristettyä alaspäin. Tästä huolimatta polttomoottoritekniikan kehitys saa luvan jatkua, jotta ilmoitetut polttoaineen  kulutuslukemat olisivat yhä lähempänä arkirealismia. WLTP-ajosyklin käyttöönoton myötä tässä onkin tapahtunut kehitystä.

Konstikas ahdettava

Turboahtimien valmistajille kolmesylinteriset moottorit ovat aiheuttaneet hieman päänvaivaa, sillä parittomasta sylinterimäärästä johtuen pakokaasujen virtausdynamiikka poikkeaa siitä, mihin nelisylinteristen kanssa on totuttu. Niinpä esimerkiksi ahtopainetta rajoittava hukkaportti on jouduttu suunnittelemaan uudelleen, jolloin sen muoto on usein muuttunut perinteisestä lautasventtiilistä puolipallomaiseksi. Parittomasta sylinterimäärästä johtuen jaetulla pakopesällä varustettuja twin scroll-kaksikanavaturboja ei kolmesylinterisissä ole käytetty.

Samalla hukkaporttiventtiili on voinut vaihtua perinteisen painesäätöisen yksikön sijaan suorasähköisellä ohjauksella varustetun toimilaitteen – esimerkkinä askelmoottori – käyttämäksi. Näin toteutettuna hukkaporttia voidaan avata matalillakin rasitusasteilla, kuten taajamanopeutta pintakaasulla ajettaessa. Tämän seurauksena pakoputkiston vastapaine laskee, jolloin moottorin pumppaushäviöt pienenevät. Tällä on suotuisa vaikutus auton taloudellisuuteen.

Suurin tai tehokkain kolmesylinterinen?

Tiettävästi suurin henkilöautossa käytetty kolmesylinterinen voimalaite on italialaisen VM Motorin valmistama turbodieselmoottori, jonka iskutilavuus on lähentelee 1,8 litraa. Moottoria käytettiin Alfa Romeo 33-mallissa vuosina 1986-1995. Ilmeisesti 33-mallin konehuone, joka alun perin oli suunniteltu Alfan bensiinikäyttöiselle bokserimoottorille, oli sen verran ahdas, että sinne olisi ollut vaikea tunkea rivinelosta.

Moottoripyörissä on nähty selvästi suurempia kolmesylinterisiä bensiinimoottoreita kuin edellä mainittu VM Motorin diesel. Esimerkkinä suuresta kaksipyöräisen kolmepyttyisestä käy Triumph Rocket 3-mallin moottori, joka alun perin oli 2,3 litran kokoinen. Sittemmin moottori suurennettiin lähes 2,5 litraiseksi lyhentämällä iskua 8 millimetriä (!), mutta suurentamalla sylinteriporausta 10 mm. Rocket 3:n massiivinen moottori onkin julman voimakas, sillä sen vääntömomentiksi ilmoitetaan 221 Nm (4000 rpm).

Tehokkain sarjavalmisteinen kolmesylinterinen voimalaite lienee Toyotan upouusi G16E-GTS -moottori, jota asennetaan uuteen, sporttiseen GR Yaris-malliin. Turboahdetun moottorin iskutilavuus on noin 1,6 litraa ja se kehittää 192 kW akselitehon. Toyotan kannoilla tulee Ford Ecoboost ”Dragon” 1,5 litran moottori, joka vauhdikkaan Fiesta ST-mallin tapauksessa on viritetty 147 kW akselitehoon. Fiesta ST:n moottorin käyntiääni on kiehtovan matalavireinen muistuttaen enemmän kuusisylinterisen rivimoottorin soundimaailmaa kuin nelisylinterisen.