Двигатель Toyota 1ZZ-FE.

Пришло время более-менее
обстоятельно поговорить о тойотовских двигателях нового поколения и в
первую очередь - об 1ZZ-FE, наиболее распространенном из них. С каждым
днем в страну приходит все больше автомобилей с такими агрегатами, а
информации по ним по-прежнему удручающе мало. Дополним данные
заокеанских коллег нашим местным опытом.

Итак, двигатель Toyota 1ZZ-FE,
первый представитель совершенно нового семейства, был запущен в
серийное производство в 1998 году. Практически одновременно он
дебютировал на модели Corolla для внешнего рынка и на Vista 50 для
внутреннего, и с тех пор устанавливается на большое количество моделей
классов C и D.

Формально ему надлежало заменить собой 7A-FE
STD, агрегат предыдущего поколения, заметно превосходя его по мощности и
не уступая по топливной экономичности. Однако, устанавливаемый на
топ-версии моделей, он фактически занял и место заслуженного ветерана
3S-FE, немногим уступая ему по характеристикам.
 

     

А теперь подробнее рассмотрим конструкцию этого двигателя, отметив ее особенности, основные достоинства и недостатки.

Цилиндро-поршневая группа

Блок цилиндров
- изготовлен из алюминиевого сплава методом литья под давлением, в
цилиндрах установлены чугунные гильзы. Это стало вторым, после серии
MZ, опытом Toyota по внедрению массовых "легкосплавных двигателей".
Отличительная особенность моторов нового поколения - открытая сверху
рубашка охлаждения, что негативным образом отражается на жесткости
блока и всей конструкции. Безусловным преимуществом схемы стало
снижение массы (в целом двигатель стал весить ~100 кг против 130 кг у
предшественника), а главное - технологическая возможность изготавливать
блок в пресс-формах. Традиционные блоки с закрытыми рубашками
охлаждения прочнее и надежнее, но, изготавливаемые литьем в разовые
формы, более трудоемки на стадии подготовки форм (в которых, к тому же,
при подготовке к заливке смесь имеет склонность разрушаться), имеют
бóльшие допуски и требуют, соответственно, бóльшего объема последующей
механической обработки прилегающих поверхностей и постелей подшипников.




Другая особенность блока цилиндров - картер,
объединяющий опоры коленчатого вала. Линия разъема блока и картера
проходит по оси коленвала. Алюминиевый (точнее, легкосплавный) картер
выполнен как одно целое с залитыми в него стальными крышками коренных
подшипников и сам по себе дополнительно увеличивает жесткость блока
цилиндров.




Двигатель 1ZZ-FE относится к "длинноходным"
моторам - диаметр цилиндра 79 мм, ход поршня 91,5 мм. Это означает
лучшие тяговые характеристики на низах, что для массовых моделей намного
важнее, нежели повышенная мощность на высоких оборотах. Заодно
улучшается и топливная экономичность (физика - меньше тепловые потери
через стенки более компактной камеры сгорания). Кроме того, при
проектировании движка стала преобладающей идея снижения трения и
максимальной компактности, что выразилось, кроме прочего, в уменьшении
диаметра и длины шеек коленчатого вала - а значит, неизбежно возросли
нагрузки на них и износ.

Примечателен поршень    
новой формы, немного напоминающей деталь дизеля ("с камерой в
поршне"). Чтобы уменьшить потери на трение при значительном рабочем
ходе, была уменьшена юбка поршня - для его охлаждения это не лучшее
решение. Кроме того, Т-образные в проекции поршни на свежих тойотах
начинают стучать при перекладке значительно раньше, чем их классические
предшественники.




Но самым значительным недостатком новых тойотовских движков стала их "одноразовость".
В самом деле, оказался предусмотрен лишь один ремонтный размер
коленчатого вала для 1ZZ-FE (и то - японского производства), а вот
капремонт цилиндро-поршневой оказался невозможен в принципе (и
перегильзовать блок тоже не выйдет).

А зря, потому как в ходе
эксплуатации вскрылась очень неприятная особенность двигателей первых
лет выпуска (а таких у нас было и в ближайшие несколько лет будет
большинство) - повышенный расход масла на угар, вызванный износом и
залеганием поршневых колец (требования к их состоянию у ZZ тем выше,
чем больше ход поршня, а значит и его скорость). Подробнее вопрос

Степень
сжатия у 1ZZ-FE - около 10:1, однако двигатель допускает использование
обычного бензина (87-й по SAE, Regular в Японии, 92-й у нас). По
заявлениям производителя, увеличение октанового числа не приводит к
росту мощностных показателей, а лишь уменьшает вероятность детонации.
Что касается других представителей семейства (3ZZ-FE, 4ZZ-FE) - то в них
степень сжатия больше, поэтому к топливной всеядности стоит относиться
аккуратнее.

Интересна новая конструкция седел клапанов.
Вместо традиционных стальных запрессовываемых, на двигателях ZZ
применены т.н. "лазерно-напыляемые" легкосплавные седла. Они в четыре
раза тоньше обычных и способствуют лучшему охлаждению клапанов,
позволяя отдавать тепло в тело головки блока не только через стержень,
но и в значительной степени через тарелку клапана. Заодно, несмотря на
небольшой диаметр камеры сгорания, увеличился диаметр впускных и
выпускных портов, а также уменьшился диаметр стержня (с 6 до 5,5 мм) -
это улучшило течение воздуха через порт. Но, естественно, конструкция
также получилась абсолютно неремонтопригодной.




Газораспределительный механизм
- традиционный 16-клапанный DOHC. Ранний вариант для внешнего рынка
имел фиксированные фазы, но основная масса движков получила затем
систему VVT-i (изменения фаз газораспределения) - отличная вещь для
достижения баланса между тягой на низах и мощностью на верхах, но
требующая внимательного отношения к качеству и состоянию масла.
 

Снижение массы клапана позволило уменьшить усилие клапанных пружин,
заодно сократилась ширина кулачков распределительного вала (менее 15
мм) - опять снижение потерь на трение с одной стороны и увеличение
износа - с другой. Кроме того, Toyota отказалась от регулировки зазора в
клапанах с помощью шайб в пользу, если можно так сказать,
"регулировочных толкателей" различной толщины, стаканчики которых
совмещают функции прежнего толкателя и шайбы (для высокооборотистого
форсированного движка это имело бы смысл, но в данном случае - сделало
регулировку зазора максимально сложной и дорогой; хорошо, что этой
процедурой приходится заниматься крайне редко).

Очередное радикальное нововведение - в приводе ГРМ теперь используется однорядная цепь
с малым шагом (8 мм). С одной стороны - это плюс к надежности (не
порвется), в теории отсутствует необходимость относительно частой
замены, требуется только изредка проверять натяжение. Но... Опять но - у
цепи есть свои существенные недостатки. О шумности говорить, наверное,
не стоит - разве что в основном по этой причине цепь сделана
однорядной (в минус долговечности). Но в случае с цепью обязательно
появляется гидронатяжитель - во-первых, это дополнительные требования к
качеству и чистоте масла, во-вторых, даже тойотовские натяжители не
отличаются абсолютной надежностью, раньше или позже начиная пропускать и
ослабляться (предусмотренная японцами собачка выполняет свои функции
отнюдь не всегда). Что такое отпущенная в свободное плавание цепь -
объяснять не надо. Второй подверженный износу элемент - успокоитель, это
хоть и не "чудо" производства ЗМЗ, но принципы износа у них общие.


Ну и основная проблема - растяжение, тем большее, чем длиннее сама
цепь. Лучше всего дело с этим обстоит в нижневальном движке, где цепь
короткая, но при обычном расположении распределительных валов в головке
блока она существенно удлиняется. Часть производителей борется с этим,
вводя промежуточную звездочку и делая уже две цепи. Заодно этим удается
уменьшить диаметр ведомых звездочек - при приводе обоих валов единой
цепью расстояние между ними и ширина головки получаются слишком
большими. Но при наличии промежуточных цепей увеличивается шумность
передачи, количество элементов (как минимум, два натяжителя), да и с
надежным креплением дополнительной звездочки возникают некоторые
проблемы. Посмотрим же на ГРМ 1ZZ-FE - цепь здесь вызывающе длинная.
 

Хотя применение цепи и подразумевало уменьшение затрат на техобслуживание, но на деле произошло скорее обратное, так что средний срок службы цепи составляет ~150 тысяч км, а затем ее постоянный грохот заставляет владельцев принимать меры.

Впуск и выпуск

Бросается в глаза расположение впускного коллектора
- теперь он находится спереди (ранее практически всегда на
поперечно-расположенных двигателях он находился со стороны моторного
щита). Выпускной коллектор
также переместился на противоположную сторону. В значительной степени
это было вызвано традиционным экологическим помешательством -
необходимо сделать катализатор как можно быстрее прогревающимся после
запуска, а значит нужно разместить его максимально близко к двигателю.
Но если устанавливать его сразу за выпускным коллектором, сильно (и
совершенно напрасно) перегревается подкапотное пространство,
дополнительно греется радиатор и т.д. Поэтому на ZZ выпуск ушел назад, а
катализатор - под днище, при этом второй вариант борьбы за сертификаты
(малый пре-катализатор за коллектором) не потребовался.


Длинный впускной тракт способствует увеличению отдачи на низких и
средних оборотах, однако при переднем расположении впускного коллектора
сделать его достаточно протяженным затруднительно. Поэтому вместо
традиционного цельнолитого коллектора с 4-мя "параллельными" патрубками,
на первом 1ZZ-FE появился новый "паук", похожий на выпускной, с
четырьмя алюминиевыми трубчатыми воздуховодами равной длины, ввареными в
общий литой фланец. Плюс - изготовливемые прокатом воздуховоды имеют
намного более гладкую поверхность, чем литые, минус - не всегда
безупречная сварка фланца и труб.
 

Но позднее японцы все-таки заменили металлический коллектор
пластиковым. Во-первых - экономия цветного металла и упрощение
технологии, во-вторых - снижение нагрева воздуха на впуске из-за
меньшей теплопроводности пластмассы. В пассиве - сомнительная
долговечность и чувствительность к перепадам температур.
 

Привод навесных агрегатов.
Здесь тойотовцы проделали примерно то же, что и с цепью. Генератор,
насос ГУР, кондиционер и помпа приводятся единым ремнем. В плюс
компактности (один шкив на коленвалу), но в минус надежности -
значительно больше нагрузка на ремень, не особо надежен
гидронатяжитель, а в случае чего - из-за насоса системы охлаждения не
удастся сбросить ремешок заклинившего устройства и ковылять дальше...
Навесное для серии ZZ, кстати, тоже получилось эндемичное - из-за
сильно усовершенствованных креплений.

Фильтры.
Наконец-то тойотовские инженеры смогли грамотно (хотя и менее удобно
для обслуживания) расположить масляный фильтр - отверстием вверх, так
что традиционные проблемы с давлением масла после запуска отчасти
решаются. А вот поменять топливный фильтр теперь так просто не
получится - он помещен в бак, располагаясь на одном кронштейне с
насосом.

Система охлаждения.
Теперь поток охлаждающей жидкости проходит через блок по U-образному
маршруту, охватывая цилиндры с обеих сторон и существенно улучшая
охлаждение.



Топливная система.
Здесь также произошли заметные изменения. Чтобы уменьшить испарение
топлива в магистралях и баке, Toyota отказалась от схемы с линией
возврата топлива и вакуумным регулятором (при этом бензин постоянно
циркулирует между баком и двигателем, нагреваясь в подкапотном
пространстве). На двигателе 1ZZ-FE применен регулятор давления,
встроенный в погружной топливный насос. Использованы новые форсунки с
"многодырочным" торцевым распылителем, установленные не на коллекторе, а
в головке блока цилиндров.




 

Система зажигания.
На ранней версии использовалась бестрамблерная схема DIS-2 (одна
катушка на две свечи), а затем все двигатели получили систему DIS-4 -
отдельные катушки, расположенные в свечном наконечнике (свечи, кстати,
на 1ZZ-FE используются самые обыкновенные). Плюсы - точность
определения момента подачи искры, отсутствие высоковольтных линий и
механических вращающихся деталей (не считая роторов датчиков), меньше
количество циклов работы каждой отдельной катушки, да и мода такая, в
конце концов. Минусы - катушки (да еще и совмещенные с коммутаторами) в
колодцах головки блока сильно перегреваются, зажигание нельзя
подрегулировать вручную, больше чувствительность к свечам, обрастающим
"красной смертью" от местного бензина, и, главное, статистика и
практика - если при традиционной трамблерной системе катушка (особенно
выносная) практически не фигурировала среди выходящих из строя деталей,
то в DIS любого производителя их замена (в т.ч. в виде "узлов
зажигания", "модулей зажигания"...) стала обычным делом.

Резюме


Так что же в итоге? Тойотовцы создали современный, мощный и достаточно
экономичный двигатель с хорошими перспективами модернизации и развития -
наверное, идеальный для нового автомобиля. Но нас больше волнует, как
ведут себя движки на второй-третьей сотне тысяч, как переносят не самые
щадящие условия эксплуатации, насколько поддаются местному ремонту. И
здесь нужно признать - борьба между технологичностью и надежностью, в
которой Toyota раньше практически всегда стояла на стороне потребителя,
закончилась победой hi-tech'а над долговечностью. И жаль, что
альтернативы двигателям нового поколения больше нет...