●9代目カローラのエンジン

9代目カローラではのエンジンではガソリンエンジンを従来のLASREシリーズに代わる 新世代BEAMSエンジンが搭載された。 BEAMSとはBreakthrough Engine with Advanced Mechanism Systemの略で先進機構を備えた画期的なエンジン、という 意味を込めて命名されている。 ガソリン1300シリーズは従来の4E-FE型から2NZ-FE型へ、 1500シリーズは5A-FE型に代わりプリウスに搭載されていた1NZ-FXE型 を一般化した1NZ-FE型が搭載されている。 一方、ディーゼルエンジンは大幅改良版の従来型LASREエンジンである3C-E型エンジンを搭載している。

従来4WD用/スポーツモデル用に用意された1600シリーズは廃止され、 新たに1800シリーズが20年ぶりに復活する事となった。 これはボディサイズが大型化したカムリの穴を埋めるための処置で ビスタでお馴染みの1ZZ-FE型がラインナップに加えられている。 更に17年間にわたりトヨタの小排気量スポーツエンジンとして親しまれた4A-GE型は 排出ガス規制をクリアできずに廃止され、1999年からセリカに搭載された 新スポーツエンジン2ZZ-GE型がフィールダー/ランクスに搭載されている。

9代目カローラのメインエンジンとなるNZ系エンジンは従来のE系エンジンに代わる新設計エンジンとして、 まず1997年のプリウスや1999年のプラッツ/ファンカーゴにも搭載されたエンジンである。 このNZ系エンジンは次世代ベーシックエンジンとして高性能・低燃費に加えて 低エミッションを目標に開発されたエンジンである。 ZZ系エンジンはそれまでのA系エンジンの後継エンジンであり、 排気量は1400ccから1800ccを受け持つが、国内で販売されているZZ系エンジン車は全て1800ccとなっている。 (海外向けには1400ccの4ZZ-FE型、1600ccの3ZZ-FE型というのもある) 9代目カローラに搭載されるZZ系エンジンはセリカに搭載されているものと基本的に 同様で、ノーマル仕様の1ZZ-FE型とスポーツ性を重視した新世代スポーツツインカム 2ZZ-GE型(フィールダー/ランクスに設定)の2種類がある。

これらの新世代BEAMSエンジンは水冷4気筒、DOHC16バルブ、と基本要素は従来型と変わらないが、 設計は全くの新設計でヘッド、ブロック共にアルミ合金を使用した軽量なエンジンである。 カムシャフトは従来のハイメカツインカム方式から8mmピッチのサイレントチェーンによる チェーン駆動に切り替えられ、更に吸気側カムシャフトではVVT-i(2ZZ-GE型にはVVTL-i)が採用されている。 さらに、斜めスキッシュ燃焼室やオフセットクランクなど新しい技術が惜しみなく投入されているのが特徴である。 燃費低減も大きな目標であり、ピストンリングの張力低減、ピストンの摩擦低減樹脂コーティングや面仕上げ、 幅狭ベアリングの採用や5W-20という低粘度のエンジンオイルを採用するなど摩擦ロスを徹底的に減らしている。

これらNZ、ZZ系(特に1ZZ-FE)エンジンには以下に挙げる新技術が採用されている。
・VVT-i
・斜めスキッシュ燃焼室
・オフセットクランク
・前方吸気後方排気レイアウト
・樹脂製インテークマニホールド
・ステンレス製エキゾーストマニホールド
・エンジンの徹底的な軽量、コンパクト化
・サービス性の向上

VVT-iとは7代目カローラの4A-GE型から採用されたVVTの電子制御版である。 95年に10代目クラウンの1JZ-GE型に初搭載されて以来、高級車クラスに採用が広がり、 ついにこのクラスにまで採用が広げられた。 従来のVVTでは吸気側カムシャフトの位相を低速側と高速側の二種類を条件によって切り替える方式を採っていたが これを連続的にバルブの開閉タイミングを制御することで 低燃費と高出力及び低エミッションの両立を図ろうとするシステムである。 VVT-iシステムは次のような構成になっている。
・吸気カムの前端部で、油圧によって吸気カムとクランクシャフトの位相を連続的に変化させるVVT-iプーリ。
・ECU(Electronic Control Unit)の指令により油圧を制御するOCV(Oil Control Valve)
・クランク角信号及び、カム角信号からバルブタイミングを演算し、最適なタイミングへの制御量を演算するECU

VVT-i作動状態の分類としては次の3種類の作動パターンがある。
(1)アイドル時
アイドル時には吸気カムシャフトの位相を最遅角状態にしてバルブオーバーラップを0に設定することで、 アイドル安定性を向上させアイドル回転数を下げることでアイドル燃費を向上させる。
(2)部分負荷運転時
部分負荷運転時には、吸気カムシャフトを進角させオーバーラップを拡大すると、NOxが低減されるだけでなくHCも低減できる。 更に、燃費も向上する。
(3)全負荷運転時
低回転では吸気カムシャフトを進角させ吸気バルブ閉じタイミングを下死点付近に設定し、高回転では吸気慣性効果を得るために 閉じタイミングを遅角側に設定でき、出力特性が向上する。

VVT-iの効果を最大限に発揮するためには応答速度(変位速度)が重要となる。最初にエンジン回転数、油温ごとに 目標変位速度を決定したが、VVT-i開発初期には特に進角側変位速度が目標未到達であった。そこで、関連する部品全般について 改良を試みた。改良項目はオイルポンプの吐出量の増加、油圧通路のオイル漏れ対策、油圧通路拡大などを行って油圧の確保。 このほか、カムフリクションの低減により応答性を改善した。このことで開発目標値を十分満足する高応答な機構とすることができた。 また、商品化されて間もない頃はヘリカルプーリーを用いたヘリカル式VVT-iが採用されていたが、9目カローラに採用されたのは よりシンプルで形状の自由度が高く、製造や搭載が容易なベーン式VVT-iである。このベーン式VVT-iは3S-FSE型から採用が始まっている。 ベーン式では、吸気側カムシャフトの駆動部分をハウジング部とベーン部に分離し、ハウジングとベーンで油圧室を形成するという方式である。

また、VVT-iのエミッション低減効果と燃費向上効果を考える上で重要なのが内部EGRという現象である。 一般に排気上死点付近で吸気弁と排気弁が同時に開いている時期があり、部分負荷運転時には、このバルブオーバーラップ によって排ガスが逆流する内部EGRが存在することは古くから知られていた。オーバーラップ時には吸気管負圧によって 排ガスの逆流が発生する。この排気工程末期の排気ガスは未燃焼成分(HC:炭化水素)を多く含んでいることが特徴である。 この内部EGR量は吸気管の大きさとオーバーラップ量で大きく変化するのでVVT-iによる連続可変バルブタイミング機構は 内部EGRの効果を最大限に活用することが可能となるのである。部分負荷運転時にオーバーラップを最適に拡大すると、 内部EGRによってNOxだけではなく、最大で20%のHCが低減できる。古くからある外部EGRでも燃焼温度低下による効果で NOxが減少しているが、HC低減は排気工程末期のオーバーラップ期間によるシリンダ内のクエンチゾーン(燃焼を妨げる部分) で発生する未燃ガスの再吸入、再燃焼による効果であり、内部EGR固有の効果である。 更に、内部EGRによって吸気管負圧が緩和されることによるポンピングロスの低減と吸気弁早閉じによる 実圧縮比上昇のため、燃費も向上する。既に述べたがアイドリング時においてはアイドル安定性を向上させることで アイドル燃費の向上も実現している。このようにVVT-iは、従来のVVTの様にスポーツ性を重視したものではなく、 内部EGRを有効に活用することを重視したシステムであるということが分かっていただけたと思う。 蛇足だが世界初のハイブリッド乗用車である プリウスではこのVVT-iを活用して膨脹比と圧縮比が異なるアトキンソンサイクルを実現している。

斜めスキッシュ燃焼室とは日本初のV型12気筒エンジンである1GZ-FE型で世界初採用された技術で、 従来は水平に配置されていたスキッシュエリアを斜めに配置する事で吸気ポート からの燃焼がスムーズになり吸気効率が向上し、またプラグ付近から伝達してくる火炎が スキッシュエリア内の隅まで素早く到達し安定した燃焼を行うことができる燃焼室形状のことである。 斜めスキッシュ燃焼室の採用により、燃焼の安定、耐ノック性の向上が図られ、未燃焼ガスを低減、 燃焼速度が速くなることによる高トルクと低燃費、低エミッション化を実現している。

オフセットクランクとはクランクシャフトがシリンダーボアの中心線からずれて取りつけてある配置の事で 1NZ-FE型、2NZ-FE型の場合12mmずれている。 これによりピストンにかかるスラスト方向の力を小さくし、フリクションロスが低減できる。 更に、オフセットクランクの場合、燃焼行程の前半にピストンスピードが遅くなる領域が発生し、このことで ピストンが上死点により近い位置で燃焼が行われるために燃焼圧力が高くなり熱効率を改善する。 燃料消費率では2〜3%の寄与があるという。

前方吸気/後方排気レイアウトとは、これまで後方から吸気し前方へ排気していた吸排気ポートをひっくり返したものである。 これにより吸気側ではエアクリーナーホースの部品のコンパクト化が可能になり、 排気側ではエキゾーストマニホールドから触媒までの距離を短縮する事ができるため、 軽量化、触媒の早期暖機の実現による低エミッション化にも貢献している。 従来の後方吸気/前方排気レイアウトは、 キャブレターを使用していた時代に極寒冷地ではキャブレター内の燃料が冷風などによって凍りつく(アイシング) ことによって走行不能に陥るのを防ぐために吸気側をエンジンの後ろに配置し、 熱風を当てるように工夫されていたからである。しかし現代ではアイシングの心配が無いEFIが主流であるために、 より理想的な前方吸気/後方排気レイアウトの採用が可能となったのである。

樹脂製インテークマニホールドとは、 従来は金属製であった吸気側のマニホールドを樹脂製に置き換えたものである。 高温の排ガスにさらされる排気側のマ二ホールドは耐熱性が要求されるが、 吸気側ではそれほどの耐熱性は要求されない。 そこで、昔から軽量なアルミ製のインテークマニホールドが採用されてきているが、 更に軽量な樹脂を材料として用いることが実現された。 樹脂製のインテークマニホールドは材質をグラスファイバー入りナイロンである。 樹脂とすることで吸気温度の低減が可能となり、特に夏場の実車におけるエンジン出力性能確保に寄与している。 更に、内部形状が滑らかで、成形上の自由度も高いために低中速域におけるトルクアップと高出力化が実現した。 更に従来の金属製と比べて圧倒的に軽量、コンパクトになっている。 製造工程でも、従来のような大掛かりな鋳造設備が不要となり、構成部品をはめ込んで振動溶着によって一体成形している。

ステンレス製エキゾーストマニホールドは、1989年に初代セルシオに搭載された1UZ-FE型で初採用されたものである。 ステンレスは耐熱性、耐蝕性に優れている。従来の鋳鉄製マニホールドでは長年の使用で錆びて破壊してしまうために、 若干分厚く作られていたが、ステンレスではそのような心配が無いために薄肉化が可能となり軽量化に貢献する。 更に熱容量が低減できるので触媒の暖機性が向上している。ステンレス製エキゾーストマニホールドはエンジン運転時の 高温状態と、エンジン停止時の低温状態の差が大きく、亀裂、変形が生じやすい部品である。今後、エンジンが発生する熱は 高くなる傾向にあることから、十分な寿命が確保できなくてはステンレス製エキゾーストマニホールドの採用は拡大できない。 そこでトヨタでは亀裂予測解析技術を獲得し、設計に応用しているという。

また、軽量化や省資源、更には理想的なパッケージングを得るために エンジンの徹底的な軽量、コンパクト化を図ることは避けられない項目であった。 BEAMSエンジンでは、樹脂製吸気側マニホールドを採用したほか、アルニウム製のシリンダブロックの採用、 オイルポンプのチェーンケース一体化、 クランクプーリー締結の工夫による全長短縮、補機類の最適配置により全高、全幅を短縮している。 更に一部エンジンでは補機類を1本のベルトで駆動するサーペンタイン駆動を採用している。

サービス性の向上という点では、オイル交換時に、従来のドレンボルトから使用済オイルを抜き取る 下抜きから、オイルチェンジャーを用いた上抜きによるオイル交換が増えてきたことに対応して 上抜きしやすい構造となっている。吸い込みノズルを入れやすくするために、 オイルレベルゲージの形状を工夫したり、オイルパンの形状をフラットにして上抜き作業をしやすくするといった 対策が施されている。また、オイルフィルターは流行のフィルター部のみの交換ではなく従来のフィルターが 採用されているが、取り付け部を従来のシリンダブロックではなくエンジン下部にすることで オイル飛散防止、作業性の大幅な向上を実現している。

スペックはそれぞれ、
2NZ-FE型が最高出力65kw(88ps)/6000rpm、最大トルク123N・m(12.5kgm)/4400rpm。
1NZ‐FE型が、最高出力81kw(110ps)/6000rpm、最大トルク143N・m(14.6kgm)/4200rpm。
4WD用の場合は最高出力77kw(105ps)/6000rpm、最大トルク138Nm(14.1kgm)。
1ZZ‐FE型は最高出力100kw(136ps)/6000rpm、最大トルク171N・m(17.4kgm)/4200rpm。
4WD用の場合は最高出力92kw(125ps)/6000rpm、最大トルク161N・m(16.4kgm)/4200rpm。

2ZZ-GE型は4A-GE型に代わるスポーツエンジンとして開発され、1999年に7代目セリカに初搭載されている。 2ZZ-GE型は1ZZ-FE型と基本思想を共通としながらも、 より高回転高出力追求型というコンセプトで設計されていることが特徴である。 1ZZ-FE型との主な相違点は、 トヨタ初の可変バルブタイミング/リフト量機構であるVVTL-i (Variable Valve Timing & Lift-Intelligent)つきシリンダーヘッドの採用、 ショートストローク化、高圧縮比化が挙げられる。

ヤマハ発動機との共同開発によるシリンダーヘッドに採用された新バルブシステムであるVVTL-iは 吸排気とも連続的にバルブタイミングとそのリフト量を最適に制御するシステムである。 リフト量を変化させる仕組みは先行他社に似たコンセプトで一本のカムシャフトに低速用のカムと高速用のカムの両方が備わっている。 低速用は燃費の面から摩擦損失の少ないローラーを介する構造を採り、ロッカーアームを押すようになっている。 また高速用はハルブリフト量アップを狙ったスリッパを介しロッカーアームを押すようになっているが 通常時は高速用カムシャフトに押されながらもロッカーアーム本体には力を伝えない様になっている。 またロッカーアーム内にはロックピンが内蔵され、通常時はロックピンはロック解除方向に押されているが、 高速時はOCV(オイルコントロールバルブ)が作動し油圧を送りスリッパを固定するようになっている。 (つまりそれまではスリッパはフリーとなっている) 実際の走行時、低速では通常時はロックピンに油圧はかかっておらずスリッパは固定されていない状態であり 高速カムに押されたスリッパは単独で往復運動を繰り返すのみとなりその力をロッカーアームには伝えないようになっている。 従って低速用カムがローラーを通してロッカーアームを動かしてバルブを上下させる。 この状態ではバルブリフト量は低速カムの設定量になっている そして高速時(エンジン回転数6000rpm以上)になるとVVTL-i用OCVからロッカーアームにオイルが送られ、 ロックピンが移動する。 この事により低速時は空回り(?)していたスリッパが固定され、 高速カムはスリッパを通してロッカーアームに力を伝え、バルブを上下させる。 低速カムは低速カム自身がローラーに接触する前に高速カムがロッカーアームを押し下げるため、 低速カムは空回り状態となる。 この状態ではバルブリフト量は高速カムの設定量となるのである。 このVVTL-iの採用により普段よく使う低速域のトルクを犠牲にすること無く 高速域での性能を向上させることに成功している。

シリンダーブロックはエンジンは型式を見て分かるように白紙の状態から新設計が施されている。 ボア×ストロークは1ZZ-FE型よりもショートストローク化し、1ZZ-FE型の79×91.5から82×85となっている。 ただしボアを拡げてもエンジン全長は1ZZ-FEと比較して延長されていない。 元々ZZ系エンジンは1400ccから1800ccまでを受け持つエンジンであり、 1800ccの1ZZ-FE型の全長でギリギリの寸法なのでそれ以上ボアアップしたらブロックの強度が保てない。 そういった経緯で2ZZ-GE型のシリンダーブロックが新設計される事となったのである。 新設計のブロックはアルミと珪素の主成分にファインセミックスの繊維と粒子を混入した材料で作られた。 そして問題のボア同士の間隔であるが1ZZ-FE型エンジンと同じため5.5mmしか残っていない。 当然の事ながらスリーブレスであるのでお互いの摩擦を低減して発熱を抑えるため ピストンの表面に鉄メッキを施してある。 ちなみに2ZZ-GE型は製造工程で金型からの剥離剤にカーボンを使っているので、 アルミブロックを特徴付ける銀色ではなくシリンダーブロックは黒い色をしている。 また、圧縮比は11.5という非常に高い値となっており、熱効率の改善が図られている。 ただし、4A-GE型の時には許されていたレギュラーガソリンの使用が禁じられている点には注意が必要である。
2ZZ‐GE型のスペックは最高出力140kw(190ps)/7600rpm、最大トルク180N・m(18.4kgm)/6800rpmである。

2002年9月には、関連企業のトヨタモデリスタインターナショナルが特装車としてTRDスポーツMという モデルをフィールダーとランクスに追加した。外装ではエンブレムや専用ローダウンサスが目を引くが、 専用にチューニングされた2ZZ-GE型が搭載されていることがその最もたる特徴である。 吸排気ポートを研磨しスポーツフィルターと専用マフラーを採用している。
スペックは最高出力151kw(205ps)/7600rpm、最大トルク193N・m(19.7kgm)/6800rpmを搾り出す。

ディーゼルエンジンは従来のキャリーオーバーである3C−E型エンジンが継続搭載された。 このエンジンも前方吸気/後方排気システムを採り(つまりクロスフロー吸排気方式となった)エミッション性に配慮した。 またその他にも電子制御式燃料噴射ポンプの採用など細かい改良が施されている。 しかしながら、国内では東京都がディーゼル車の乗り入れを規制した事などから ディーゼル乗用車の人気が著しく低下し、2004年のマイナーチェンジを機にディーゼル車が廃止されている。 海外では高圧噴射を行うコモンレール式ディーゼルターボなど積極的なディーゼル車種の展開を行っているだけに 国内でもまたディーゼル車が復活することも十分ありうる。
3C‐E型のスペックは最高出力58kw(79ps)/4400rpm、最大トルク147N・m(15.0kgm)/2400rpm となっている。

9代目カローラに搭載されたエンジンはこれにより全て前方吸気/後方排気レイアウトを採用し、全てのエンジンがEFI化された。 カローラに初めてのEFI車が設定されてから23年ぶりの出来事である。 またエミッション性にも配慮し国土交通省の平成12年度基準排ガス規制値の25%減を実現し、 一つ星を獲得している。2002年には平成12年度基準排ガス規制値の75%減を達成することで 三つ星を獲得するに至った。このことで一定期間優遇税制を受けることができ、ユーザー にとっても排ガス浄化にはメリットがあった。ただし、このように優遇税制をしたしわ寄せが 登録後11年以上経過した車種に対する増税を引き起こしている事を忘れてはならない。

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