Первые двигатели серии ZR были представлены осенью 2006 года для моделей внутреннего японского рынка, версии Valvematic выпускаются с лета 2007.
Принципиальные различия многочисленных вариантов семейства можно проиллюстрировать на примере всего трех моторов.
3ZR-FAE (2.0 EFI DVVT Valvematic)
Механическая часть
В двигателе применяется алюминиевый (легкосплавный) гильзованный блок цилиндров с открытой рубашкой охлаждения. Гильзы вплавлены в материал блока, а их специальная неровная внешняя поверхность способствует максимально прочному соединению и улучшенному теплоотводу. Толщина стенки между цилиндрами ~7 мм, капитальный ремонт двигателя производителем не предусматривается по определению.
1 - блок цилиндров, 2 - сепаратор, 3 - крышка сепаратора. a - гильза
Коленчатый вал установлен с 8-мм дезаксажем (оси цилиндров не пересекаются с продольной осью коленвала, благодаря чему снижаются нагрузки в паре поршень-гильза в момент создания в цилиндре максимального давления).
a - ось цилиндра, b - ось коленвала
Коленвал имеет 8 противовесов на щеках, шейки уменьшенной ширины и традиционные отдельные крышки коренных подшипников.
Поршни - легкосплавные, компактные T-образные, с рудиментарной юбкой. Канавка верхнего компрессионного кольца имеет анодированное покрытие, кромки верхнего компрессионного и маслосъемного колец - противоизносное покрытие методом конденсации паров (PVD). Соединение с шатуном - полностью плавающим пальцем.
1 - поршень, 2 - кольцо, 3 - верхнее компрессионное кольцо, 4 - нижнее компрессионное кольцо, 5 - маслосъемное кольцо. a - форма днища, b - анодное покрытие, c - полимерное покрытие, d - PVD-покрытие
К блоку крепится массивный литой картер, выполняющий роль верхней части масляного поддона. Нижняя часть поддона - стальная штамповка.
1 - картер, 2 - масляный насос, 3 - нижняя часть масляного поддона. a - масляный канал, b - кронштейн компрессора кондиционера
Распределительные валы устанавливаются в отдельный корпус, который затем монтируется на головку блока - это несколько упростило конструкцию и технологию обработки собственно ГБЦ, однако появился еще один требующий уплотнения стык деталей, через который проходят масляные каналы.
1 - впускной клапан, 2 - отверстие свечи зажигания, 3 - выпускной клапан, 4 - корпус распредвалов. b - сторона впуска, c - сторона выпуска
Как и на всех современных тойотовских моторах, используются гидрокомпенсаторы клапанных зазоров и роликовые толкатели/рокеры.
На двигателях Valvematic от задней части распредвала выпускных клапанов приводится лопастной вакуумный насос, необходимый для работы усилителя тормозов.
Привод газораспределительного механизма осуществляется однорядной цепью мелкого шага (8 мм) с гидронатяжителем (со стопорным механизмом).
В литую алюминиевую крышку цепи привода ГРМ устанавливается помпа системы охлаждения и встроена масляная магистраль для форсунки смазки цепи.
1 - крышка цепи, 2 - прокладка насоса, 3 - насос охлаждающей жидкости. a - канал охлаждения, b - масляный канал, c - форсунка цепи
Приводы изменения фаз газораспределения устанавливаются на распределительных валах и впускных, и выпускных клапанов (DVVT - Dual Variable Valve Timing). Фазы изменяются в пределах 55° для впуска и 40° для выпуска.
Каждый из двигателей ZR получил модификацию с системой бесступенчатого изменения высоты подъема впускных клапанов (Valvematic) - см. "Valvematic system".
На двигателях с Valvematic устанавливается маслонасос с механическим перепускным клапаном, который позволяет нелинейно регулировать расход/давление масла в зависимости от частоты вращения коленвала. Дополнительные подробности - см.
"Масляный насос переменной производительности"
В блоке установлены масляные форсунки охлаждения и смазки поршней.
Масляный фильтр установлен с задней стороны двигателя горизонтально. С 2008 года начали использоваться "экономичные" разборные фильтры со сменными картриджами...
...Но спустя десять лет начался-таки возврат от этой порочной практики к нормальным сменным spin-on фильтрам.
1 - масляный фильтр, 2 - кронштейн
Официально предписанные производителем значения вязкости масла для серии ZR:
В очередной раз напоминаем - если на североамериканском и японском рынках для этих же двигателей "предпочтительными" (preferred) называются самые жидкие масла (0W-16..0W-20), то причиной этого является только лишь желание производителя задеклирировать максимальную экономичность (а точнее - минимальные выбросы CO2) для общественности, зомбированной спекуляциями на тему global warming. Разумеется, внутри самого двигателя конструктивных ограничений для использования вязких масел не существует.
Охлаждение
Система охлаждения классическая: привод помпы от внешней стороны общего ремня привода навесных агрегатов, "холодный" (78-82°C) механический термостат, корпус дроссельной заслонки обогревается жидкостью для противодействия обмерзанию.
1 - насос охлаждающей жидкости. a - от радиатора, b - к радиатору, c - к отопителю, d - от отопителя
У вентилятора радиатора имеется отдельный блок управления электродвигателем, который позволяет регулировать его скорость в зависимости от температуры охлаждающей жидкости, давления хладагента кондиционера, скорости автомобиля и частоты вращения коленвала.
Впуск и выпуск
Расположение впуска и выпуска - по современной традиции, спереди и сзади соответственно.
Как правило, во впускном коллекторе устанавливается система ACIS (Acoustic Control Induction System), изменяющая эффективную длину впускного тракта для повышения мощности. При низкой и средней частоте вращения и высокой нагрузке заслонки ACIS закрыты и воздух поступает по длинному каналу, в других диапазонах клапан открыт и воздух идет по более короткому пути.
1 - привод, 2 - электропневмоклапан, 3 - заслонки ACIS, 4 - датчик положения дроссельной заслонки, 5 - ECM, 6 - датчик положения коленчатого вала, 7 - впускной коллектор. a - клапан закрыт, b - клапан открыт
Топливная система / Система управления
Классическая система распределенного впрыска топлива на всех двигателях ZR по сегодняшним меркам выглядит предельно простой.
· Наличие Valvematic повлекло за собой изменение принципа управления - дозирование подачи смеси в цилиндры за счет изменения высоты подъема клапана, которое осуществляется при полностью открытой дроссельной заслонке.
· Датчик массового расхода воздуха (MAF) типа "hot wire", совмещен с датчиком температуры воздуха на впуске.
· Дроссельная заслонка - полностью с электронным управлением (ETCS): привод двигателем постоянного тока, бесконтактный двухканальный датчик положения на эффекте Холла. ETCS выполняет функции управления частотой вращения холостого хода (ISC), противобуксовочной системы (TRC), часть функций системы стабилизации (VSC) и круиз-контроля.
· Датчик положения педали акселератора - бесконтактный двухканальный, на эффекте Холла.
· Датчики положения распредвалов - магниторезистивные, в отличие от прежних индуктивных обеспечивают на выходе цифровой сигнал и исправно работают при низкой частоте вращения.
· Датчик детонации - плоский широкополосный пьезоэлектрический, в отличие от старых датчиков резонансного типа регистрирует более широкий диапазон частот вибраций.
· Кислородный датчик перед катализатором - датчик состава смеси (AFS) (89467-) планарного типа, за катализатором - обычный кислородный (89465-) колпачкового типа.
· Форсунки с удлиненным распылителем устанавливаются в головку блока и впрыскивают топливо максимально близко к впускным клапанам.
· В топливный коллектор встроен демпфер пульсаций давления.
1 - топливный коллектор, 2 - демпфер пульсаций.
· Адсорбер системы улавливания паров топлива (EVAP) объединен с модулем топливного насоса.
· Свечи зажигания - тонкие "иридиевые" с удлиненной резьбовой частью, под ключ на "14".
· В системе зарядки используются два типа генераторов - обычные и с сегментным проводником, с отдачей в 90-100 А и обгонной муфтой в шкиве привода. Непрерывная зарядка аккумулятора осуществляется при замедлении автомобиля, а в установившихся режимах движения циклы зарядки и разрядки батареи чередуются для максимальной экономичности. Более сложное управление потребовало использовать в системе датчик температуры батареи и датчик силы тока.
· Базовый вариант системы запуска - традиционный, со стартерами мощностью 0.8-1.1 кВт с планетарным редуктором. Однако внедрение системы Stop-Start повлекло за собой установку нового стартера типа TS (tandem solenoid / со сдвоенными соленоидами) мощностью 1.7 кВт. Независимые соленоиды для втягивающей обмотки и для электродвигателя, позволяют входить в зацепление с вращающимся венцом маховика, обеспечивая возможность быстрого запуска сразу после выключения двигателя.
3ZR-FE (2.0 EFI DVVT)
Лучший двигатель серии ZR - полностью традиционной конструкции, лишенный излишеств Valvematic и пока не уличенный в серьезных дефектах.
• Основные конструктивные отличия - в головке блока, где установлен нормальный газораспределительный механизм (DVVT, диапазон изменения фаз на впуске/выпуске - 43°/40°).
1 - впускной клапан, 2 - отверстие свечи зажигания, 3 - выпускной клапан, 4 - корпус распредвалов, 5 - днище. b - сторона впуска, c - сторона выпуска
• Обычный масляный насос
• Обычный стартер с планетарным редуктором
1 - разъем DLC3, 2 - датчик положения педали акселератора, 3 - датчик расхода воздуха (MAF) / температуры воздуха на впуске, 4 - ЭБУ двигателя (ECM), 5 - кислородный датчик (B1S2), 6 - топливный насос, 7 - клапан VVT (выпуск), 8 - клапан VVT (впуск), 9 - форсунка, 10 - электропневмоклапан ACIS, 11 - датчик детонации, 12 - датчик положения коленчатого вала, 13 - корпус дроссельной заслонки (ETCS), 14 - датчик температуры охлаждающей жидкости, 15 - датчик AFS (B1S1), 16 - датчик положения распредвала (выпуск), 17 - датчик положения распредвала (впуск), 18 - катушка зажигания
2ZR-FXE (1.8 EFI VVT)
Модификация для гибридных силовых установок имеет ряд серьезных отличий.
Механическая часть
• Привод изменения фаз газораспределения установлен только на впускном распредвалу (диапазон изменения - 62°), фазы на выпуске фиксированные. Мотор работает по циклу Миллера-Аткинсона.
• Система EGR оборудована жидкостным охладителем
• Может быть установлен теплообменник утилизации тепла отработавших газов, а также привод жалюзи радиатора.
1 - расширительный бачок, 2 - насос охлаждающей жидкости, 3 - впускной патрубок и термостат, 4 - корпус дроссельной заслонки, 5 - распределительный клапан, 6 - клапан EGR, 7 - трубка EGR и охладитель. a - к радиатору, b - от радиатора, c - от отопителя, d - к отопителю, e - от теплообменника, f - к теплообменнику
Модуль EHR (Exhaust Heat Recirculation) вмонтирован между катализатором и передним глушителем. Клапан приводится простым термостатом: на холодном двигателе отработавшие газы направляются через теплообменник для ускорения прогрева; по мере нагрева антифриза термостат срабатывает, клапан открывается и газы проходят напрямую.
1 - привод EHR, 2 - теплообменник, 3 - клапан EHR
1 - привод EHR, 2 - клапан EHR
• Опциональная схема с распределительным клапаном должна позволить регулировать переток жидкости между двигателем и теплообменником, уменьшать поток через двигатель при работе отопителя до прогрева двигателя, ускорять прогрев и поддерживать более равномерный температурный режим.
a - температура охлаждающей жидкости 5-65°C / b - температура охлаждающей жидкости 65-88°C / c - температура охлаждающей жидкости более 88°C
1 - насос охлаждающей жидкости, 2 - клапан EGR, 3 - корпус дроссельной заслонки, 4 - охладитель EGR, 5 - радиатор отопителя, 6 - теплообменник рециркуляции тепла, 7 - распределительный клапан (закрыт), 8 - двигатель, 9 - радиатор, 10 - термостат (закрыт), 11 - распределительный клапан (открыт), 12 - термостат (открыт)
При подаче тока клапан удерживается в закрытом положении. При отсутствии питания на обмотке и при работающей помпе клапан открывается под действием потока охлаждающей жидкости и остается открытым, пока поток не остановится.
• Мелкие дефекты, особенно характерные для первых лет выпуска:
- повышенное нагарообразование в камерах сгорания
- брак шкива генератора
- утечки и шум насоса охлаждающей жидкости
- стук в приводах VVT (звездочках распредвалов) при запуске - толком неизлечимый дефект большинства тойотовских двигателей, в том числе и ZR
• Характерный стук вакуумного насоса на двигателях с Valvematic (для незнакомых с такой особенностью звучит пугающе)
• Проблемы при запуске из-за обрастания нагаром форсунок. Признано и описано в TSB EG-0013T-0217 (рекомендуются модифицированные форсунки образца 2016 года).
• Остановка двигателя из-за самопроизвольного отсоединения контроллера Valvematic. Признано и описано в TSB EG-0075T-0912. Исправлено новой формой крепления контроллера к штоку механизма изменения подъема клапанов.
• Неполадки в работе двигателя из-за поломки контроллера Valvematic (с характерными DTC из числа P26## и P10##). Отчасти описывалось в нескольких TSB 2010-2019 гг., однако на практике отказы продолжаются и носят достаточно массовый характер. Как правило, проблему решают установкой контрактного контроллера, хотя и местные умельцы уже наладили поточную переборку поломанных узлов.
• Повышенный угар масла 2ZR-FXE. Признано и описано еще в TSB EG-0112T-0914. При расходе выше 0.5 л/1000 км рекомендуется заменить комплект поршней и поршневых колец на модифицированные образцы. В странах, где гибридных тойот действительно много, эта тема стала достаточно резонансной. Обычный 2ZR-FE тоже чаще других фигурирует в контексте расхода масла, однако в его отношении позиция производителя менее конструктивна.
• EG-00446T-TME "ZR engine: LLC leakage from water pump" (06.10.2020) - наконец-то предлагается модифицированная помпа (16100-09502), которая должна-таки решить вечную проблему подтекания.
• Утечка охлаждающей жидкости из теплообменника модуля EHR (для двигателей 2ZR-FXE) с потенциальной возможностью перегрева двигателя. Изменения: теплообменник усилен для лучшей защиты от термонапряжений. Предписания: замена приемной трубы системы выпуска в сборе (17410-37B52 ⇒ 17410-37D40). Описано в TSB EG-00190T-TME (24.11.2020).
• Однако по закону сохранения, появилась новая небольшая утечка ( CP-00557T-TME "ZR Engine - Throttle Body - Coolant Leakage", 02.06.2021 - замена корпуса дроссельной заслонки).
• Более серьезный дефект - TSB EG-00550T-TME "ZR: Engine Stall - Timing Chain Sprocket Teeth Abnormal Wear" (14.05.2021, upd. 14.03.2022). Производственный брак звездочки коленвала (пониженное содержание углерода) приводит к аномальному износу и поломке - с традиционными разрушительными последствиями (среди пострадавших - короллы 2020-21 года с диапазоном VIN NMTBB0BE00R076924-NMTBB9BEX0R091533). Предписание - заменить звездочку и все прочие поломанные детали.
• Upd. Наконец-то Toyota начала признавать проблемы с прокладкой ГБЦ - TSB EG-00573T-TME "ZR engine: Cylinder head gasket damages" (22.06.2021, upd. 16.03.2022). Пока что японцы ограничились относительно свежими гибридами с 2ZR-FXE, однако лиха беда начало (тем более, эти же прокладки шли и на другие версии 2ZR и 3ZR).
Прогар прокладки головки блока, главным образом между 1-2 или 3-4 цилиндрами, зачастую с выходом в каналы охлаждения - дефект для серии ZR не то чтобы массовый, но весьма характерный. Как теперь заявлено, его причиной является смещение в сторону цилиндра и растрескивание прослойки между металлическими слоями. В случае поломки предписывается устанавливать модифицированные прокладки с улучшенной заделкой (caulking) (11115-37061 > 11115-37080, 11115-37070 > 11115-37090)
Заранее стоит предостеречь остальных ZR-владельцев от эфемерных надежд добиться пост-гарантийного ремонта, но, по крайней мере, теперь можно приобрести более правильную запчасть.
В качестве постскриптума - еще несколько мелких признаннынх дефектов:
·T-SB-0103-12 "2ZR-FXE: MIL "ON" DTC P2111 and P0A0F After Cold Soak" (23.07.2012, замена впускного коллектора, перепрошивка)
·L-SB-0004-13 "2ZR-FXE: MIL DTC P030# after coal soak" (23.01.2013, замена впускного коллектора)
·EG-0056T-0711 "2ZR-FXE: Tapping noise after cold engine start" (28.02.2013, замена впускного коллектора или форсунок)
·T-SB-0011-14 "2ZR-FAE: MIL DTC P2646 / P265B" (14.02.2014, перепрошивка)
·T-SB-0116-15 "2ZR-FXE: Misfire While Driving With EGR Active" (19.11.2015, замена впускного коллектора)
·L-SB-0015-16 "2ZR-FXE: MIL "ON" DTC P0401 and/or Rattle After Cold Soak" (01.04.2016, замена клапана EGR, перепрошивка)
·EG-0020T-0213 "2ZR-FXE: DTC P0401 and/or vehicle vibration, tapping noise" (11.04.2016, замена клапана EGR, перепрошивка)
Даже по сравнению с предыдущим поколением тойотовских моторов (ZZ и AZ), не говоря уж о современных двигателях других производителей, ZR заслуженно считаются надежными и неприхотливыми агрегатами без особых критических проблем. В то же время нельзя в очередной раз не отметить - любые технические инновации в случае Тойоты не приносят владельцам ничего, кроме лишних забот: даже у серии ZR едва ли не большая часть известных дефектов так или иначе связана с версией Valvematic.