Двигатель Toyota 2ZZ-GE. Апофеоз идеи

Eugenio,77  arco@newmail.ru

С переходом к двигателям нового поколения перед тойотовцами встал вопрос о новом заряженном моторе для переднеприводных моделей, на замену 4A-GE и 3S-GE. Во-первых, он должен был иметь такие же габариты, что и 1ZZ-FE, во-вторых - литровую отдачу "на уровне лучших мировых аналогов", в-третьих - максимально облегченную конструкцию. Само собой, форсировать нужно было по оборотам, а не при помощи наддува, и при этом совместить высокую мощность на максимальных оборотах с нормальной тягой на низах.
Первый 2ZZ-GE, созданный при традиционном участии мотористов Yamaha, появился на внешнем рынке вместе с новой Celica 230 в конце 1999 года.

Двигатель	4A-GE	3S-GE	1ZZ-FE	2ZZ-GE
Рабочий объем, см3	1587	1998	1794	1795
Мощность, л.с.	165/7800 JIS	190/7000 JIS	130-140/6000 JIS	190/7600 JIS
Крутящий момент, Нм	162/5600 JIS	206/6000 JIS	171/4000 JIS	180/6800 JIS
Степень сжатия	11,0	11,0	10,0	11,5
Диаметр цилиндра, мм	81	86	79	82
Ход поршня, мм	77	86	91,5	85

Особенности двигателей семейства ZZ мы уже рассмотрели ранее, в статье "1ZZ-FE. Без права на ошибку", но новый силовой агрегат имеет несколько радикальных отличий - о них и речь.

Главной гордостью мотористов стал новый алюминиевый блок на основе MMC (это не "мицубиси моторс", а "композит" с алюмо-силикатными волокнами и включениями).

Дело в том, что 1ZZ представляет собой весьма длинноходный движок, поэтому и дальше форсировать его по оборотам при неизменном соотношении диаметра цилиндра и хода поршня было невозможно. В результате диаметр вырос до предела, а толщина перемычки между цилиндрами уменьшилась до 5,5 мм. Тоньше уже нельзя - иначе прокладка вообще не будет уплотнять газовый стык. Даже если в это расстояние и можно было бы вставить стальную гильзу, то все равно температура на перемычке превысила все допустимые пределы - поэтому тойотовцам пришлось применить своеобразную композитную гильзу.

Основные проблемы такой конструкции возникают при литье и, ввиду отсутствия традиционной чугунной гильзы, никак не выводятся:

• равномерность застывания (образуются раковины) и "непролитости";
• пористость (процесс отвердевания замедляется около включений с более низкой теплопроводностью);
• трещины (из-за разной скорости застывания в области включений MMC и в основной массе алюминия, на поверхности формы и внутри нее)

С литьевыми дефектами тойотовцы борются сильным предварительным нагревом формы, ламинарным заполнением ее жидким металлом, вакуумированием форм и т.п.

Невелика у MMC и стойкость к задирам - как известно, стальная гильза или чугунный блок сохраняют следы хона очень долго, а вот в случае алюминиевой гильзы происходит даже не "срезание", а "смятие" сетки хона (поверхность пластически деформируется). Победить этот момент невозможно, поэтому стойкость максимально сбалансировали составом композита - и объявили ее просто "достаточной".

Поршень для этого двигателя изготавливается по той же технологии MMC с алюмо-силиктными волокнами, а снаружи на юбку дополнительно наносится железо- и фосфорсодержащее покрытие для увеличения твердости.

Довольно долго пришлось подгонять друг у другу т.н. "гильзы" и поршневые кольца, чтобы износ все-таки шел в основном за счет колец, а не заведомо слабого в этом отношении цилиндра.

Вторым революционным для тойоты нововведением стала система VVTL-i (Variable Valve Timing and Lift - изменяемые фазы газораспределения и высота подъема клапанов).

Традиционная VVT-i, аналогичная 1ZZ, отвечает за улучшение тяги на низких оборотах, а дополнительная часть - за максимальную мощность и максимальный момент, "подбрасывая угля" при частоте вращения более 6000 об/мин (высота подъема клапанов увеличивается с 7,6 мм до 10,0/11,2 мм).

Сам по себе механизм VVTL-i устроен достаточно просто. Для каждой пары клапанов на распредвале имеется два кулачка с разным профилем ("спокойным" и "агрессивным"), а на рокере - два разных толкателя (соответственно, роликовый и скользящий). В нормальном режиме рокер (и клапан) приводится от кулачка со спокойным профилем через роликовый толкатель, а подпружиненный скользящий толкатель работает вхолостую, перемещаясь в рокере. При переходе в форсированный режим давлением масла перемещается стопорный штифт, который подпирает шток скользящего толкателя, жестко соединяя его с рокером. Когда давление жидкости снимается, пружина отжимает штифт и скользящий толкатель вновь освобождается.

Изощренная схема с разными толкателями объясняется тем, что роликовый (на игольчатом подшипнике) дает меньшие потери на трение, но, при равной высоте профиля кулачка, обеспечивает меньшее наполнение (мм*град), а на высоких оборотах потери на трение почти выравниваются, так что с точки зрения получения максимальной отдачи становится выгоднее скользящий. Роликовый толкатель изготовлен из закаленной стали, а скользящий, хоть и использует ферросплав с повышенными противозадирными свойствами, все равно потребовал применения особой схемы орошения маслом, установленной в головке блока.

Самой ненадежной частью схемы стал стопорный штифт. Он не может за один оборот распредвала встать в рабочее положение, поэтому неизбежно происходит соударение штока со штифтом при их частичном перекрытии, от чего износ обоих деталей только прогрессирует. В конце концов он достигает такой величины, что штифт постоянно будет отжиматься штоком в исходное положение и не сможет зафиксировать его, поэтому постоянно будет работать только кулачок низких оборотов. С этой особенностью боролись тщательной обработкой поверхностей, уменьшением веса штифта, увеличением давления в магистрали, но до конца победить ее не смогли. А на практике по-прежнему случаются поломки оси и штифтов этого хитроумного рокера.

Второй распространенный дефект - срезается болт крепления оси коромысел, после чего та начинает свободно вращаться, подвод масла к рокерам прекращается, и VVTL-i в принципе не выходит в форсированный режим, не говоря уж о нарушении смазки всего узла.

Остальные доработки можно считать только сопутствующими. Потрудились инженеры над масляным поддоном, чтобы при перегрузках насос не захватывал воздух. Установили впускной коллектор с крупным резонатором, а на выпуске вставили перегородку, призванную снижать потери тепла и быстрее разогревать катализатор.

С нормальной звукоизоляцией моторного отсека при плотной компоновке возникли проблемы, поэтому борьба с шумом начинается уже в самом движке, с резиновых проставок между впускным коллектором и головкой.

Итоги

В активе у Toyot'ы появился новый, технологичный, довольно компактный, легкий и мощный двигатель. Причем, в отличие от предыдущих форсированных моторов, он в достаточной степени эластичен и может нормально тянуть на низких и средних оборотах, а на максимале - и поддать копоти.

В пассиве, кроме особенностей обычного 1ZZ:

• Сильно выросла степень сжатия (до 11,5), поэтому номинальным стал бензин с высоким ОЧ (95-й).
• Недоведенная конструкция рокеров VVTL-i.
• Одноразовость конструкции, характерная для всего нового поколения движков, усугубляется повышенными нагрузками и своеобразностью материалов - это самый не-живучий из заряженных тойотовских двигателей. Как показывает опыт, по надежности он даже рядом не стоял с 4A-GE и 3S-GE.

 

Москва, сентябрь 2004 - январь 2006
© Toyota-Club.Net

обновить