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【國王學苑】剖析《Toyota Corolla Cross、Altis》神車1.8引擎(二)耐用易修 天下無敵

【國王學苑】剖析《Toyota Corolla Cross、Altis》神車1.8引擎(二)耐用易修 天下無敵

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先進科技
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油耗表現
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安全配備
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【國王學苑】剖析《Toyota Corolla Cross、Altis》神車1.8引擎(二)耐用易修 天下無敵

▲上一代國產Altis的2ZR-FE引擎上方仍有護蓋修飾,現行款已取消此一設計,可以直接看到汽缸蓋、供油、點火、進氣系統。

上回合最後提到1ZZ-FE和2ZR-FR引擎節能關鍵之一在於10:1的高壓縮比,但是10:1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,當時國產房車與SUV仍可尋見排氣量較大的V6引擎,大約是在2007~2008年金融風暴之後,國人越來越重視油耗數據、安全配備、用車成本、坐艙空間、C/P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。

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▲為了確保耐用度、低故障、低維修等特性,1ZZ系列引擎很早就開始使用正時鍊條,從結構來看具有明顯的「單」可變汽門正時機構,2010年之後改為「雙」可變汽門正時機構。

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▲別以為神車引擎毫無性能可言,至今Lotus Elise仍使用Toyota提供的「2ZZ-G」1.8升機械增壓多點噴射引擎,經高性能調校包含無汽缸套新科技,缸徑與衝程為82×85mm強化高轉速性能,最高轉速超過7000rpm,動力輸出為220~250hp,最大馬力曾達到260hp,性能與耐用度備受好評。

科技家常菜  配搭最重要

車型世代 上市時間 引擎代號 排氣量 缸徑×衝程 變速箱 平均油耗km/L
9代Altis 2001.03 1ZZ-FE 1794cc 79.0×91.5mm 4AT 15.2(美國FTP-75)
10代Altis前期型 2007.12 1ZZ-FE 1794cc 79.0×91.5mm 4AT 14.9(美國FTP-75)
10代Altis後期型 2010.7 2ZR-FE 1798cc 80.5×88.3mm CVT 18.2(美國FTP-75)
11代Altis 2013.10 2ZR-FE 1798cc 80.5×88.3mm CVT 19.2(美國FTP-75)
12代Altis 2019.03 2ZR-FE 1798cc 80.5×88.3mm CVT 15.4(歐盟1999/100/EC)

小缸徑、長衝程設計:某些讀者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消費者都會看在眼裡,無疑是在肉搏戰!

以今日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,所以折衷方案就是使用缸徑與衝程比例為1:1之均衡設定,這樣「最容易向上司、老闆、消費者交代」,無疑是最保守也可是說是最沒創意的設定!

但是1.8升1ZZ-FE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Toyota當時的想法乃是~自排變速箱越來越普及並將手排邊緣化,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,屆時消費者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Toyota很早就朝向小缸徑、長行程方向發展,對於一般市售車來說,高轉速性能可說是大幅讓步,讓Honda的VTEC引擎專美於前也沒關係,反正Toyota就是先固守大眾化平民車市場。因低轉速扭力表現好,當然會增進實際行車的油耗,可說是一箭雙雕。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1ZZ-FE引擎壓縮比達到10.0:1,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10.0:1的自然進氣引擎幾乎都要加95以上的無鉛汽油。話說回來,Toyota完全放棄高轉速與最大馬力?其實也不盡然,除了可變進氣歧管之外,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4000rpm?

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▲左為一般的引擎設計,右方為Toyota 最新Dynamic Force引擎上座進氣結構,大幅強化燃燒室滾流,20年前的1ZZ引擎就有類似設計,只是原廠惦惦吃三碗公不多加說明。

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▲20年前1ZZ系列引擎已經有「小夾角汽門、筆直進氣歧管、無進氣汽門座」等技術概念,約20年後的Dynamic Force引擎只是加以發揚光大而已!

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▲一般四缸引擎的曲軸通常都是用五組分離式支架固定在引擎本體上,1ZZ系列引擎則是用紮實的一體式下曲軸座,以高剛性特質固定在引擎本體上,大幅增進運轉精緻度。

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▲1ZZ系列引擎概略分成上座、本體、下曲軸座三大部分,皆以鋁合金材質打造上下再加上汽缸蓋與油底殼。

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▲結構大幅簡化的1ZZ系列引擎,沒有凸出的反向平衡軸,引擎相當瘦長,體積小、重量輕、零件少、組裝容易,可以節省引擎室容積,增進坐艙空間表現。

小角度汽門夾角: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,因此採用偏大的汽門夾角,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Toyota工程師主張「更快速的燃氣滾流」,因此縮減汽門夾角,提高進氣歧管位置,造型也更為筆直,讓進氣效能更為流暢快速。

過往Toyota並未特別強調此設計,直到RAV4所使用的2.0升、2.5升Dynamic Force引擎問世,終於有明確的解說與圖片分析,今日全新仙草Nissan Sentra 1.6的HR16 K2也採用類似技術,但20年前1ZZ-FE引擎已是這樣的設計!

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更大的進氣汽門:Dynamic Force引擎同樣具備這樣的科技,但20年前1ZZ-FE引擎就是這樣!關鍵在於取消傳統鋼製或銅合金汽門座,進一步將進氣汽門尺碼擴充至最大的境界,加速進氣速度與效能。那耐用度如何解決?答案就是在鋁合金汽門座鍍上一環高硬度耐磨金屬,今日Toyota自家最新Dynamic Force引擎正是採用此設計,但還是那句話~20年前1ZZ-FE引擎已是這樣的設計!

當然,想要加大進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Honda採用「縮小火星塞尺碼」來解決這個問題!戲法人人會變、巧妙各有不同…

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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1ZZ-FE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Honda S2000)。但是1ZZ-FE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?套句經典電影台詞:妳又沒有小ㄐㄐ、半夜來借夜壺做什麼?

原來Toyota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!

國產神車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Toyota工程師的頭腦並沒有這麼簡單,為了對應此一設計,1ZZ-FE引擎採用高強度釩鋼連桿,以及加長型連桿固定螺絲,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。

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▲Toyota會不會研發排氣量低於2.0的Dynamic Force引擎,取代征戰多年的2ZR系列引擎?目前仍充滿未知數,畢竟2ZR-FE引擎各方面表現依然優秀,且成本相當便宜,怎能輕言放棄?

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▲▲Nissan Sentra的1.6升HR16 K2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進氣引擎對Altis 1.8來說毫無威脅性,搞得歷史悠久的2ZR-FE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Nissan。下次將剖析Focus、Kuga的1.5T引擎,看看小排氣量渦輪直噴動力是否能成為NA引擎的解放軍!

未來展望  還是不需要展望?

以上就是1ZZ-FE和2ZR-FE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年來都在挑大樑,擔任神車動力之任務。除了Altis 1.8之外,其它還包括Corolla Cross 1.8、Sienta 1.8都使用這一系列引擎,目前這三款車單月總銷售量超過五千輛,以國產+進口整體市場來看,最誇張的狀態,大約每五輛新車就有一輛使用2ZR系列引擎!您說這顆引擎神還是不神?

20年來2ZR引擎僅小改缸徑與衝程設計,升級進排氣雙可變汽門正時機制,變速箱從4AT更換為CVT,最大馬力與節能成績都有進步,Sienta的2ZR-FAE引擎則是具備VVTL-i可變汽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!

國產車型 排氣量 缸徑×衝程 壓縮比 最大動力 重量 平均油耗
Nissan Sentra 1598c.c. 78.0×83.6mm 10.8:1 138hp/6300rpm、17.2kgm/4000rpm 1285kg 17.7km/L
Toyota Altis 1798c.c. 80.5×88.3mm 10.0:1 140hp/6400rpm、17.5kgm/4000rpm 1305kg 15.6km/L
Mitsubishi Grand Lancer 1798c.c. 86.2×77.4mm 10.7:1 140hp/6000rpm、17.9kgm/4200rpm 1380kg 15.5km/L
Toyota Sienta 1798c.c. 80.5×88.3mm 10.6:1 140hp/6200rpm、17.5kgm/4000rpm 1330kg 14.7km/L
Toyota Corolla Cross 1798c.c. 80.5×88.3mm 10.0:1 140hp/6400rpm、17.5kgm/4000rpm 1330kg 14.5km/L
Honda HR-V 1799c.c. 81.0×87.3mm 10.6:1 143hp/6500rpm、17.5kgm/4300rpm 1283kg 14.5km/L

論加速性能,Honda的1.8升SOHC i-VTEC引擎稍微猛一點點,但優勢並不明顯。論油耗成績,目前Nissan的HR16 K2新引擎出類拔萃,Toyota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Nissan的HR16 K2與Mitsubishi的「4J10」1.8升MIVEC引擎略微出色。如此看來,Toyota的2ZR系列引擎目前似乎略顯老態缺乏優勢?

這樣想就錯了!試想~至今2ZR系列引擎已經上市這麼久了,當前銷售量又這麼大,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Nissan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2ZR-FE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VVTL-i之後調校成Sienta的2ZR-FAE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!

「因銷售成績實在太好、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2ZR-FE引擎的寫照!

除非稅金級距大幅修改,或是競爭對手油耗成績通通達到Nissan HR16 K2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Toyota最新Dynamic Force系列引擎,會不會推出比2.0更小的動力。或是原廠是否要導入48V輕油電或PHEV,且戰且走直到電動車世代來臨。

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