Двигатели серии AZ появились на рынке в 2000 года, как идеологическая замена серии S морально устаревшей, но любимой потребителями. Хороший пример того, как жадность превращает хорошую вещь в к***шку. По началу заявлялись как очень высокотехнологичный продукт, благодаря таким инновациям, как камера сгорания для послойного смесеобразования, алюминиевый блок открытого типа с дезаксажем, VVTi и прямой впрыск топлива. Однако, много модификаций двигатель не получил, до наших дней выпускают только 2AZ-FE и 2AZ-FXE(цикл Аткинсона для гибридов). А ещё были 1AZ-FE, 1AZ-FSE, 2AZ-FSE... Такова судьба многих тойотовских двигателей "третей волны" - быстрый уход со сцены, но этот двигатель выделяется тем, что он выводился на рынок именно как FSE(D-4).
Далее я привожу небольшой экскурс в тему FSE(D-4), взятый мной с нескольких уважаемых сайтов:
Сама идея подавать бензин напрямую в камеру сгорания немногим моложе самого двигателя, но ее реализация всегда тормозилась несовершенством технологий. Первым разработчиком систем непосредственного впрыска бензина в двигателях с искровым зажиганием (разумеется, с механическим управлением) стала германская компания "Robert Bosch", еще до Второй мировой войны. В то время единственной областью его применения была авиация.
Первыми массовыми двигателями FSE следует считать моторы Daimler Benz 600-й серии (напомним, что с ними летали всем известные Bf 109), Jumo211, а затем и BMW-801C (FW 190A).
С окончанием эры господства поршневых моторов в авиации, идея непосредственного впрыска несколько потеряла актуальность. У бывших европейских новаторов были другие проблемы, нежели поиск новых применений передовой технологии.
Но в 1951 году в Германии все-таки появился первый серийный легковой автомобиль с непосредственным впрыском - его выпустила компания Goliath - Borgward. Это был двухтактный двигатель с объемом всего 688 кубиков (система впрыска - Bosch PFM 2KL50).
Наиболее известный автомобиль из прошлого с непосредственным впрыском - это знаменитый Mercedes-Benz 300SL, появившийся в 1954 году. Однако дальше технология FSE с механическим управлением развития не получила, так как положительных сторон его использования было не слишком много, а старые недостатки (недостаточный ресурс, сложность управления на разных режимах и т.д.) - оставались. Тем более экономическая ситуация и экология у лидеров технического прогресса того времени не требовали срочных усилий и затрат. Да и карбюраторы далеко не исчерпали еще свои возможности.
Следующий опыт использования FSE был предпринят на волне нефтяного кризиса 70-ых годов Ford'ом, но успехом не увенчался.
FSE оставался за скобками массовой автомобильной промышленности (не считая разве что мира F1), пока в начале 90-ых годов развитие электроники (систем управления двигателем) не позволила реализовать идею НВ с электронным управлением. Первыми создать такой двигатель, а главное, сделать его экономически рентабельным и пригодным для массового производства, удалось японским автомобилестроителям.
Двигатель FSE может работать в режиме сгорания сверхобедненной топливовоздушной смеси: соотношение воздуха и топлива по массе до 30-40:1. Максимально возможный для традиционных инжекторных двигателей с распределенным впрыском a равен 20-24 (стоит напомнить, что оптимальный стехиометрический состав - 14,7:1) - если избыток воздуха будет больше, переобедненная смесь просто не воспламенится.
На двигателе FSE распыленное топливо находится в ограниченном объеме в виде облака, сосредоточенного в районе свечи зажигания. Поэтому, хотя в целом смесь переобедненная, у свечи зажигания она близка к стехиометрическому составу и легко воспламеняется. В то же время, обедненная смесь в остальном объеме имеет намного меньшую склонность к детонации, чем стехиометрическая. Последнее обстоятельство позволяет повысить степень сжатия, а значит увеличить и мощность, и крутящий момент.
За счет того, что при впрыскивании и испарении в цилиндр топлива, воздушный заряд охлаждается - несколько улучшается наполнение цилиндров, а также снова снижается вероятность возникновения детонации.
Основные конструктивные отличия FSE от обычного впрыска:
1. Топливный насос высокого давления (ТНВД). Механический насос (подобный ТНВД дизельного двигателя) развивает давление в 120 бар (у инжекторного двигателя электронасос в баке создает в магистрали давление около 3-3,5 бар).
2. Форсунки. Вихревые распылители создают различную форму топливного факела: на мощностном режиме - конический, в режиме сгорания бедной смеси - узкий факел, который посредством поршня направляется к свече зажигания. В остальном объеме камеры сгорания, особенно у стенок - смесь остается сверхобедненной. Направление факела выбрано так, чтобы жидкая фаза бензина не попадала на стенки цилиндра или головку поршня.
3. Поршень. В днище особой формы сделана выемка, при помощи которой топливо-воздушная смесь направляется в район свечи зажигания.
4. Впускные каналы. На двигателе FSE применены вертикальные впускные каналы, которые обеспечивают формирование в цилиндре т.н. "обратного вихря", направляя топливовоздушную смесь к свече и улучшая наполнение цилиндров воздухом (у обычного двигателя вихрь в цилиндре закручен в противоположную сторону).
5. Дроссельная заслонка с электронным управлением. Водитель не осуществляет непосредственно управление заслонкой, а лишь задействует датчик положения педали акселератора. Далее электронный блок управления сам приводит в движение дроссельную заслонку с помощью электродвигателя в зависимости от условий работы двигателя - это "засада" для бюджета владельца.
Одна из проблем, с которыми сталкиваются производители двигателей FSE - это повышенные выбросы NOx (оксидов азота), непосредственно связанные с переизбытком воздуха в смеси. Для борьбы с ними были внедрены катализаторы (каталитические нейтрализаторы) накопительного типа (NO-катализаторы), дополняющие традиционные трехкомпонентные катализаторы (TWC).
В значительной степени снизить содержание NOx позволяет, благодаря работе системы EGR (система рециркуляции отработавших газов - при небольшом открытии дроссельной заслонки на впуск подается до 30% объема отработанных газов), но оставшиеся не устраняются обычным TWC. Поэтому схема выпуска включает в себя обычный катализатор около впускного коллектора для нейтрализации CO и CH (объем 0,8 л) и дополнительный катализатор (объем 3 л), расположенный под полом и совмещающий функции накопительного NO-катализатора и TWC. Одним из активных элементов в нем является основное покрытие из солей бария (щелочно-земельный металл, близкий по свойствам к кальцию и стронцию), также присутствует покрытие из платины, палладия и родия.
При работе на бедной смеси все оксиды азота окисляются до диоксида NO2 при помощи платинового катализатора, а затем взаимодействуют с покрытием основы и удерживаются на ней в виде нитрата бария.
Периодически (обычно раз в минуту на 3 секунды), оксиды азота выводятся из накопителя при помощи обогащения смеси. В этот момент в отработавших газах увеличивается содержание CO и CH, которые взаимодействуют с NO2 - на родиевом покрытии происходят окислительно-восстановительные реакции, в которых нитрат восстанавливается до чистого азота (N2), а CO и CH окисляются до CO2 и H2O (углекислого газа и воды).
Контроль за работой катализатора осуществляет непосредственно электронный блок управления:
- при работе в режиме ПСО ("режим послойного смесеобразования и сгорания". Режим ПСО реализуется при движении с постоянной скоростью до 120 км/ч. Топливо впрыскивется в конце такта сжатия в направлении поршня, отражается от него, активно диспергируется и испаряется, направляясь в зону свечи зажигания.) Оценивается степень наполнения катализатора и при необходимости активируется обогащение смеси, - затем, по изменению содержания кислорода, определяется момент полного разложения оксидов азота, и двигатель вновь возвращается на режим ПСО, а катализатор - в режим накопления.
Нейтрализация NOx зависит от температуры отработавших газов - после 500° С эффективность накопительного катализатора значительно падает. Поэтому он расположен в зоне, где температура обычно составляет 300-450° С (в городском режиме езды). При езде по трасе температура газов превышает 500° С, и блок управления обогащает смесь до того уровня, когда газы смогут быть нейтрализованы в TWC.
Большую угрозу для NO-катализатора представляет высокое содержание серы в топливе. Сера в процессе сгорания окисляется до диоксида (SO2), который также взаимодействует с солями бария, как и NO2, и образует сульфат бария, который химически более стабилен, чем нитрат, постепенно снижая емкость и эффективность катализатора, вплоть до его полного выхода из строя.
Для борьбы с этим явлением используется режим очистки от серы, в котором блок управления периодически заметно увеличивает температуру отработавших газов и содержание в них содержание CO и CH. В результате - растет расход топлива, который таким образом, напрямую зависит от содержания серы в топливе.
Заявленное снижение расхода на 10% обеспечивается при содержании серы не более 150 ppm (Европа). Ожидаемое в будущем (к 2011 году) снижение сернистости до 10 ppm позволит производителям отказаться от операций по ее устранению. К слову, нынешнее содержание серы в бензине для Японии - 10 ppm. Напомним, что только по ГОСТу доля серы в российском бензине - 0,05% (можно оценить, как 500 ppm).
Высокий процент серы в топливе заставляет и других производителей дорабатывать покрытие катализаторов с помощью различных добавок (цеолит, кварц), в том числе и дорогостоящих (титан). Например, стоимость только катализатора для FSE -двигателя на внутреннем японском рынке и на европейском для одной модели составляет 1300-1400$.
Теперь давайте говорить о конструкции именно AZ серии.
1. Алюминиевый блок цилиндров открытого типа без ремонтных размеров - это даже не обсуждаем, все понимаем, для чего это надо.
В конструкции механической части - легкосплавный блок с "сухими" чугунными гильзами и открытой рубашкой охлаждения (что резко понизило жесткость блока), монолитный картер с интегрированными в него опорами коленвала (как на двигателях Мазды с середины 80-х годов), штампованный поддон. Из полезных нововведений стоит отметить новую компоновку блока - теперь ось цилиндра не пересекается с продольной осью двигателя (коленчатого вала) - т.н. дезаксаж, ради того, чтобы немного снизить интенсивный износ пары поршень-гильза (т.к. двигатель сделали более длиноходным, чем была серия S). Привод ГРМ осуществляет длинной однорядной цепью мелкого шага, что требует применения очень хорошего масла (у цепи гидронатяжитель). Вообще, что будет дешевле - менять через 80-100 тысяч ремень с роликами или через 150-180 цепь с натяжителями - покажет практика, я думаю, что такие странные попытки увеличить долговечность, и уступки в пользу увеличения шумности (которая неизбежно больше у цепи) неизбежно обернутся в большой минус...
2. В двигателе аж две цепи - вторая для привода масленого насоса - снабжена пружинным натяжителем, вау!
Масляный насос на AZ установлен не на передней части блока, а в картере (так легче всасывать масло из поддона и можно быстрее создать давление при запуске). Приводится он не напрямую от коленвала, а через еще одну цепь - это стандартный подход, но увы, не повышающий надежность.
3. Головка. Тонкие клапана, неремонтопригодные сёдла, и регулировочные стаканы для тепловых зазоров клапанов - современные моторы не нуждаются в ремонте, сломалась что-то в головке, меняем головку целиком! Второй момент - а не страшно ли допускать к такой головке ремонтника для замены маслосъемных колпачков?
На впускном распредвале установлен шкив системы VVT-i, обязательной для моторов "третьей волны". Зазор в клапанах изменяется "регулировочными толкателями" - на хрена спрашивается не гидрокомпенсаторами, ведь из-за цепи уже льют качественное масло каждые 10000 км. Наборы толкателей есть только у официалов, т.ч. подозреваю, что вместо регулировки клапанов люди будут продавать машину.
4. Топливный насос. Многие утверждают, что он лучше и дешевле, чем на 3S-FSE, а бензин из него по плунжеру не попадает в масло.Это враки! Я привожу схему насоса и его номер, что бы Вы могли убедиться в реальности приводимых мною цен. Для тех кто не в курсе, поясню: в двигателе 1AZ-FSE высоконапорный насос приводится распредвалом и установлен непосредственно на головке блока. В этом насосе как раз используется плунжер (в отличие от насоса Mitsubishi, это уже удалось установить достоверно), который на нашем бензине способен очень быстро увеличить зазор между корпусом. Плунжерные пары дизельных ТНВД хоть немного, но смазываются самой соляркой, а здесь этого нет. Наверняка Вы знаете, что современные зарубежные бензины тоже обладают смазывающими присадками, но в нашем нет ни смазки, ни подобающей очистки. В общем, плунжерная пара изнашивается и давление в системе падает, что тоже ведет к перебоям работы двигателя. Но самое страшное в другом. Проникающий через плунжер лишний бензин должен уходить .. в масло. Но это при допустимых порциях. А при сильном износе бензин начинает стекать ручьем... прямо в поддон картера! Хорошо разбавляя масло. При сильном износе всего за день-два езды уровень масла может увеличиться вдвое. Таким образом, сначала бензин "разъедает" топливный насос высокого давления, а потом способствует катастрофическому износу кулачков распредвала, вкладышей, поршневой и т. д.
Новый бензонасос (part number 23100-28030) для 1AZ-FSE сегодня на Экзисте стоит $1022 (у официалов, наверно, дороже раза в полтора!) - вес этой железки менее 600 грамм, нормальная наценка?! Кстати, примеры из жизни показывают, что между привозом машины с двигателем 1AZ-FSE из Японии и началом кончины топливного насоса может пройти всего несколько дней эксплуатации. С одной стороны, это говорит об особенностях заправляемой в бак жидкости, а с другой подтверждает некоторые истины. По идее, при определенном пробеге прецизионные детали должны были поменяться на новые еще в Японии, но японец не стал тянуть до дорогостоящего ТО и сдал машину. Потом она попала в Россию.
5. Оригинальное решение тех лет - пластмассовый впускной коллектор, интересно, как он будет показывать себя зимой через 5-6 лет эксплуатации. Кстати, такая пластиковая конструкция впускного коллектора станет серьезным препятствием при установке ГБО (газо-баллонное оборудование) 4го или 5го поколений (хотя, 1-3 поколением, я бы то же не рисковал!), а так же уязвимым в случае аварий. Температурная деформация этого пластикового коллектора (как в очень жарких странах c +40 по Цельсию, так и в очень холодных c -30 по Цельсию) может вызывать подсос воздуха, который препятствует нормальному пуску двигателя. Данная неисправность очень трудно диагностируется в сервисном центре с нормальной температурой в ремонтной зоне.
Естественно, что цена на этот кусок пластмассы совсем не адекватная - она стоит в разы дороже любого изделия из пластмассы такого же веса!
Расположение коллекторов здесь традиционное - впуск сзади, выпуск спереди. Но, вместе с новомодными "экологическими" приблудами вроде выпускного "паука" и сдвоенного катализатора, это способствует чрезмерному перегреву подкапотного пространства.
Обладатели модификаций с продвинутой системой снижения токсичности - два датчика состава смеси (а не простых и дешевых лямбда-зонда) перед сдвоенным катализатором и два кислородных датчика за ним, непременно увидят некстати загоревшийся "CHECK ENGINE" (коды неисправности будут указывать на лямбда-зонды или "недостаточную эффективность катализатора"). Проблема эта целиком лежит на совести "эколохов", вынудивших внедрить чрезмерно чувствительную систему, которая не предназначена для сколь-нибудь длительной реальной эксплуатции ни в штатах, ни, тем более, у нас. Увы, наиболее экономичным и разумным выходом будет смириться с горящим индикатором.
6. В традициях японского автомобилестроения 4-х цилиндровому двигателю объемом более двух литров полагается иметь балансирные валы, на 1AZ-FSE их нет, а вот например 2AZ-FSE их имеет (конструктивное исполнение аналогично предыдущему двигателю 5S-FE, то есть компактный механизм установлен в картере под блоком цилиндров и приводится шестерней на коленчатом валу. Любой балансирный механизм снижает общую надежность и долговечность мотора, но, по крайней мере, здесь нет крайне ненадежного ременного привода. Вот только для уменьшения шума тойотовцы применили в приводе пластиковые шестерни).
Система впрыска традиционная, разве что новые форсунки с мелкодисперным распылителем устанавливаются непосредственно в головку блока цилиндров. Зажигание - тоже в духе времени, типа DIS-4 с отдельными катушками.
Ремонтопригодность двигателя практически нулевая. Ремонтных размеров ни для поршней, ни для вкладышей не предусмотрено, перегильзовать блок тоже не представляется возможным, при залегании поршневых колец, по гарантии меняют поршневые кольца ... вместе с блоком цилиндров и поршнями !!!!
Отзывы читателей (орфография сохранена):
часть 1
часть 2
Путеводитель во всем моим статьям Toyota, выбор по моделям:
Путеводитель по бензиновым моторам:
Путеводитель по дизельным моторам:
Если у Вас есть собственные материалы о негативных сторонах этого чудо-мотора, пожалуйста, напишите их в коментариях для публикации.