上回合最後提到1ZZFE和2ZRFR引擎節能關鍵之一在於101的高壓縮比,但是10比1其實不算非常高的壓縮比,所以此一系列的引擎,其實還有其它思維在其中,功效不只是節能,還包括低轉速性能。畢竟在20年前油耗並非很重要的購車指標,當時本土化房車與SUV仍可尋見排氣量較大的V6引擎,大約是在2007到2008年金融風暴之後,小夥伴越來越重視油耗數據、安全配置、用車成本、坐艙空間、顏值等。
此時Altis順水推舟調整引擎並加入CVT變速箱,將節能數據推向一個更漂亮的境界。以下繼續介紹1ZZ系列引擎20年前研發之初所使用的科技。小缸徑、長衝程設計某些小夥伴可能不是很清楚長衝程、短衝程對引擎性能表現的影響,簡單來說,在相同排氣量之下,短衝程引擎適合高轉速、大馬力發揮,長衝程引擎偏向低轉速高扭力設定以及節能取向,20年前的四缸引擎普遍缺乏缸內直噴與渦輪增壓科技加持。
因此性能數據攀升相對辛苦而且錙銖必較,同排氣量之間馬力差5hp、10hp小夥伴城市看在眼裡,無疑是在肉搏戰。以近期的引擎設計理念來看,長衝程幾乎是必然設計,但20年前並非如此,工程師們絞盡腦汁在想節能、低轉速扭力、高轉速馬力如何在這三方面取得均衡,因為三者好像都很重要不能偏廢,所以折中方案就是使用缸徑與衝程比例為11之均衡設定,這樣最容易向上司、老闆、小夥伴交代,無疑是最保守也可是說是最沒創意的設定。
但是1.8升1ZZFR引擎設計之初,採用79.0×91.5mm這樣的小缸徑與長衝程設計,顯然是極端與異端!然而豐田當時的想法乃是自動變速箱越來越普及並將手動邊緣化,降低駕馭門檻後,勢必會有更多的車輛在路上行駛,交通壅塞問題會越來越嚴重,屆時小夥伴最常使用的引擎轉速乃是中低轉速,使用到高轉速的機率相對低,而且對於油耗的要求會越來越高。
因此豐田很早就朝向小缸徑、長行程方向發展,對於一般量產車來說,高轉速性能可說是大幅讓步,讓本田的VTEC引擎專美於前也沒關係,反正豐田就是先固守大眾化平民車。因低轉速扭力表現好,當然會增進實際行車的油耗,可說是一箭雙鵰。此外使用小缸徑設計還有一個優點,那就是燃燒室更為緊湊,不容易產生爆震問題。即便1ZZFR引擎壓縮比達到10.01但是可以使用92無鉛汽油!目前來看並不稀奇,不過20年前就是這麼稀奇!
當時壓縮比達10.01的自然吸氣引擎幾乎都要加95以上的無鉛汽油。話說回來,豐田完全放棄高轉速與最大馬力?其實也不盡然,除了可變吸氣歧管之外,原廠還加上機械式可變排氣系統,在高轉速狀態下會自動開啟高流量閥門,對馬力表現不無小補,但缺點是高轉速排氣噪音偏大、震動偏高,車主們你們有察覺嗎?還是轉速從來沒有破4000轉速。
小角度氣門夾角這同樣是個觀念問題,20年前多數工程師主張完美的半圓形燃燒室理論,能加快燃燒速度、降低爆震,因此採用偏大的氣門夾角,讓燃燒室上方約略呈現較為高聳的三角形設計,更接近半圓形狀態。但豐田工程師主張更快速的燃氣滾流,因此縮減汽門夾角,提高吸氣歧管位置,造型也更為筆直,讓吸氣效能更為流暢快速。
過往豐田並未特別強調此設計,直到RAV4所使用的2.0升、2.5升DynamicForce引擎問世,終於有明確的解說與圖片分析,近期全新仙草日產Sentra1.6的HR16K2也採用類似技術,但20年前1ZZFR引擎已是這樣的設計。更大的吸氣汽門DynamicForce引擎同樣具備這樣的科技,但20年前1ZZFR引擎就是這樣。關鍵在於取消傳統鋼製或銅合金氣門座,進一步將吸氣汽門尺寸擴充至最大的境界,加速吸氣速度與效能,那耐用度如何解決。
答案就是在鋁合金氣門座鍍上一環高硬度耐磨金屬,近期豐田自家最新DynamicForce引擎正是採用此設計,但還是那句話20年前1ZZFR引擎已是這樣的設計。當然想要加大吸氣汽門不只這個方法,因為汽門座用鍍的一旦損壞必須更換整個汽缸頭,而且難以對應高轉速需求,所以本田採用縮小火星塞尺寸來解決這個問題!戲法人人會變、巧妙各有不同,
一體式下曲軸箱先前說過20年前的四缸引擎多半被視為小兒科,曲軸固定方式就是以簡單的波司固定支架向上鎖在引擎本體上,下面接一個薄薄的油底殼就大功告成,剛性與運轉精度不會太好,震動偏大,且無法承受高轉速需求。但1ZZFR引擎採用一體式的下曲軸箱,向上固定於引擎本體上,達到一流的剛性與運轉精密度,可對應高轉速需求,性能化引擎一定採用這樣的設計(如當年的本田S2000)。但是1ZZFR引擎既不強調馬力又不玩高轉速,需要一體式下曲軸箱做什麼。
原來豐田的如意算盤是為了達到最佳引擎運轉精緻性,大幅消弭引擎震動與噪音問題,這樣就可以減少車體隔音材質使用比例,進一步達成輕量化目的,此外引擎還可以取消反向平衡軸設計,達到引擎輕量化、低慣性、縮減體積、增進坐艙容積等多重效益。本土化神車Altis為何這麼輕,未必都是鈑金薄,其實引擎與隔音材質都是關鍵。使用一體式下曲軸箱設計看似會提高成本,但實際效益可說是神奇又廣大啊。
不過豐田工程師的頭腦並沒有這麼簡單,為了對應此一設計,1ZZFR引擎採用高強度釩鋼連杆,以及加長型連杆固定螺絲,更進一步確保運轉精緻性,此外活塞邊緣也有錐形導流設計,搭配較為複雜的三層式活塞環(二層刮油、一層儲油),降低活塞運轉時的微幅震動。此外一體式下曲軸箱也有氣流導引設計,降低運轉時的空氣阻力,整體設計一點都不含糊。
日產Sentra的1.6升HR16K2引擎適時出現,節能表現終於對神車將了一軍,至於其它四缸多點噴射自然吸氣引擎對Altis1.8來說毫無威脅性,搞得歷史悠久的2ZRFR引擎似乎沒有進化的必要性。不能說2ZR引擎不好,而是競爭對手似乎沒有很認真地對待這樣的動力,除了日產。下次將剖析福克斯、Kuga的1.5T引擎,看看小排氣量渦輪直噴動力是否能成為NA引擎的救星。
以上就是1ZZFE和2ZRFR引擎20年前的科技DNA,因底子打的不錯,雖然沒有什麼黑科技或獨家設計,但這20年來都在挑大梁,擔任神車動力之任務。除了Altis1.8之外,其它還包括卡羅拉Cross1.8、Sienta1.8都使用這一系列引擎。20年來2ZR引擎僅小改缸徑與衝程設計,升級進排氣雙可變氣門正時機制,變速箱從4AT更換為CVT,最大馬力與節能成績都有進步,Sienta的2ZRFAE引擎則是具備VVTLi可變氣門揚程系統強化速扭力表現。
進化幅度不算小,但基本設定都沒有改變,上述科技都還在。20年後其它對手的實力又如何?就用以下表格來場決戰光明頂吧。論加速性能,本田的1.8升SOHCiVTEC引擎稍微猛一點點,但優勢並不明顯。論油耗成績,目前日產的HR16K2新引擎出類拔萃,豐田的2ZR引擎和其它對手則是沒有太大差別。論精緻度、平順性,上述引擎於怠速與中低轉速運轉都很順暢,噪音方面反而是日產的HR16K2與三菱的4J101.8升MIVEC引擎略微出色。
如此看來,豐田的2ZR系列引擎目前似乎略顯老態缺乏優勢。至今2ZR系列引擎已經上市這麼久了,當前部署量又這麼大,絕對有一項優勢令對手望塵莫及,那就是故障率低且維修便利又便宜,畢竟容易出問題的地方原廠都已改進,需要更換的那幾樣料件早已備齊且價格相當便宜,更重要的是仿間幾乎是每一家維修廠都能處理,連工帶料也罕有爭議。
整體來說僅油耗數據比日產差一截,其它方面都還挺得住,至於用車成本則是完勝!因此深受公司車、營業車主包含計程車司機之青睞。即便2ZRFR引擎說穿了就是壓縮比低了一點,從上述表格中應該不難發現,但升級VVTLi之後調校成Sienta的2ZRFAE版本,成本更高但效能只進步一點點,開起來好像也沒有太大差別,不如維持原狀最保險。
因部署成績實在太好、沒人想改變;因耐用且維護成本低廉、沒人敢改變大概就是目前2ZRFR引擎的寫照。競爭對手油耗成績通通達到日產HR16K2引擎以上的境界,否則神車1.8升引擎大概就是維持原狀,直到不能用、賣不動為止。期間再來觀望一下豐田最新DynamicForce系列引擎,會不會推出比2.0更小的動力。或是原廠是否要部署48V輕油電或PHEV,且戰且走直到電動車一代來臨。