トヨタ:3ZR-FAE型エンジンの諸元と性能まとめ [直列4気筒 1986cc]

ここではトヨタのZSU60W型・ハリアー [Grand|2013/12モデル] に搭載されている3ZR-FAE型の自然吸気エンジンのデータを参考に、このエンジンが持つ特性や素性について調べてみます。

3ZR-FAE型の自然吸気エンジン諸元


ZSU60W型 ハリアー
主要諸元と走行性能まとめ
車両型式DBA-ZSU60W型
車名&グレードハリアー
Grand
エンジン型式3ZR-FAE
種類直列4気筒
排気量1986cc
内径×行程80.5mm×97.6mm
ボアストローク比1.21
単気筒容積496.7cc
圧縮比10.5
吸気方式自然吸気
使用燃料レギュラーガソリン
最高出力151PS/6100rpm
最大トルク19.7kgm/3800rpm

まず基本的な成り立ちとして、3ZR型エンジンはボア(内径)80.5mm、ストローク(行程)97.6mm、ボアストローク比1.21のロングストローク型エンジン(ピストン径よりもストローク量のほうが大きい)です。

排気量と気筒数が同一の場合、ショートストローク型に比べて低回転域でのトルク特性に優れ、扱い易いエンジンとされますが、高回転域では充填効率の悪化や摺動抵抗が増大して出力の低下が懸念されます。

なおかつ回転数も同一の場合、ショートストローク型に比べて平均ピストンスピードが高くなりがちなことから、エンジンへの負荷が大きくなる傾向にあります。

このサイトにて登録されている車種のうち、3ZR-FAE型の自然吸気エンジンを搭載する最も古い車種は、2009/04から発売された2代目ウィッシュ [ZGE21G型|2009/04]、最も新しい車種は2014/01から発売された3代目ノア [ZRR80W型|2017/09]となっており、NA車は39車種、ターボ/SC車は0車種の全39車種が登録されています。

過渡特性とリッター換算馬力から見た評価

エンジン性能曲線のイメージ
3ZRのエンジン性能曲線図もどき
馬力の変遷104.5PS → 151PS
トルクの変遷19.7kgm → 17.7kgm
リッター馬力76.0PS/L
リッタートルク9.9kgm/L

今回の参考車両であるハリアーの直列4気筒1986cc、圧縮比10.5でレギュラーガソリン仕様の自然吸気エンジンは、6100回転のとき最高出力151馬力を、6100回転のとき最大トルク19.7kgmを発生させます。

馬力と回転数が分かればトルクが、トルクと回転数が分かれば馬力を知ることができますので計算してみますと、最大トルクが発生する3800回転での馬力は104.5PS、最高出力が発生する6100回転でのトルクは17.7kgmになります。

排気量1リットルあたりの馬力は76.0PS/L、トルクは9.9kgm/Lとなり、1気筒(単気筒容積496.7cc)あたりの馬力は37.8PS、トルクは4.9kgmです。

3ZR型自然吸気エンジンを、このサイトで登録している全てのNA車から集計した偏差値ベースの10段階評価に当てはめると、評価は換算馬力が[ 6 ]、換算トルクが[ 7 ]の「標準的な出力(中の上)のエンジン」にカテゴライズされます。

ちなみに、3ZR-FAE型のターボ・SCエンジン搭載車種のうち、最高出力が最も大きかったのはZRR70W型ヴォクシーの158PS/20.0kgm、最も小さかったのはZSU60W型ハリアーの151PS/19.7kgmとなっています。

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排気量アップと圧縮比の上昇、ボアストローク比の変化

ノーマルの排気量と圧縮比
BoreStroke排気量圧縮比B/S比
80.597.61986cc10.51.21
ボアアップによる排気量拡大
81.097.62012cc10.61.20
81.52037cc10.71.20
82.02062cc10.81.19
82.52087cc11.01.18
83.02112cc11.11.18
83.52138cc11.21.17
ストロークアップによる排気量拡大
80.598.62007cc10.61.22
99.62028cc10.71.24
100.62048cc10.81.25
101.62068cc10.91.26
102.62089cc11.01.27

エンジンの排気量を決める要素には気筒数、ボア径、ストローク量の3つがあり、これらを増減することでさまざまな排気量のエンジンが生まれます。

ここでは実際に可能かどうかは別として、ピストン径を純正の80.5mmから0.5mm刻みで83.5mmまで拡大した場合および、ストロークを純正の97.6mmから1mm刻みで102.6mmまで延長した場合の排気量と、燃焼室容積が変化しないと仮定した場合の圧縮比の変化を一覧表にしています。

※ストロークアップと口で言うのは簡単なのですが、ロングストローク化するにあたってはクランクシャフトおよび対応コンロッドが必要になり、純正流用できない場合はワンオフで作らなければならないなど、とにかくお高く付きますので、手を出すには相当の覚悟を求められるメニューです。

圧縮比については、実際のところピストンが大径化するに伴ってピストン天面の凸凹容量も変化する場合が大半ですから、一覧表にある圧縮比の数値の通りにはなりませんが、排気量を大きくすると自ずと圧縮比も上昇しますよ、という雰囲気をご堪能ください。

B/S比はボアストローク比の略で、ボア径を広げていくとロングストローク型からスクエア型、あるいはショートストローク型の特性へと近付いていきます。3ZR型エンジンの場合、純正ピストンから+3.0mmのボアアップをすると比は1.21から1.17に変化するという具合です。

ピストン径が近いエンジンと排気量アップ

3ZR型エンジンのピストン径80.5mmとサイズが近いピストンを持つエンジンが19件ありますので、余興としてピストン流用でボアアップした場合の排気量を計算してみます。

Eg型式ピストン径排気量
三菱
4G94型
81.5mm
[+1.0mm]
2037cc
[+51cc]
三菱
4G67型
81.5mm
[+1.0mm]
2037cc
[+51cc]
マツダ
GY型
81.6mm
[+1.1mm]
2042cc
[+56cc]
トヨタ
2ZZ型
82.0mm
[+1.5mm]
2062cc
[+76cc]
ホンダ
G20A型
82.0mm
[+1.5mm]
2062cc
[+76cc]
ホンダ
C20A型
82.0mm
[+1.5mm]
2062cc
[+76cc]

ピストン径が近いエンジンとしては、三菱:H67W型パジェロイオに搭載される4G94型1999ccの81.5mm、三菱:E35A型エテルナサヴァに搭載される4G67型1836ccの81.5mm、マツダ:LW5W型MPVに搭載されるGY型2494ccの81.6mm、トヨタ:ZZT231型セリカに搭載される2ZZ型1795ccの82.0mm、ホンダ:CB5型アコード インスパイアに搭載されるG20A型1996ccの82.0mm、ホンダ:KA5型レジェンドに搭載されるC20A型1996ccの82.0mmなどが該当します。

(もはやこのような探求に楽しみを見い出す人は減ってしまいましたが)いくら径が近かろうとも、ピストンピンの径やピストンの高さ、バルブリセスの都合などなどありますので、なるべくなら同じメーカー、なるべくなら同じ燃料で同じ吸気方式、なるべくなら排気量が近いものを選ぶと純正流用できる可能性が高くなる、かもしれません。

ピストン径が小さい 2000ccクラスのエンジン
ピストン径が大きい 2000ccクラスのエンジン
ストロークが短い 2000ccクラスのエンジン
ストロークが長い 2000ccクラスのエンジン
ボアストローク比・昇順 [2000ccクラス]
ボアストローク比・降順 [2000ccクラス]


平均ピストンスピード

ストローク最大トルク
3800rpm
最高出力
6100rpm
97.6mm12.4m/s19.8m/s
回転数/分秒速時速
2000rpm6.5m/s23km/h
4000rpm13.0m/s47km/h
6000rpm19.5m/s70km/h
8000rpm26.0m/s94km/h
10000rpm32.5m/s117km/h

続きまして平均ピストンスピードについて見てみます。ストロークが97.6mmのエンジンが最高出力を発生する6100回転での平均ピストンスピードは19.8m/sとなり、これは1秒間に19.8メートル(時速にすると71.3km/h)の距離を進む速さでピストンが上下運動していますよ、という意味です。

最大トルクを発生する3800回転では12.4m/s、最高出力が発生する6100回転より500回転高い6600回転をレブリミットと仮定したときの平均速度は21.5m/sとなっています。

参考までにストロークが97.6mmの3ZR型エンジンを10000回転/毎分まで回したときのピストンスピードの変化を計算してみました。これを見ると回転数が2000回転高くなるごとに概ね6.50m/sずつ速度が増していくようです。

大量生産を前提とした一般的なエンジンの目安である20.0m/sのみを基準として考えると、高回転化の上限を(回るか回らないかは別として)6150回転くらいにするのが機械的にも精神的にも好ましそうです。


3ZR-FAE型エンジンを搭載する車種の例

全39車種のうち、最高出力が大きいものから順に上位3車種を表示しています。その他の車種については、ページ下部にあるリンクより3ZR型エンジン搭載車種の一覧をご覧ください。

メーカー
車両型式
画像車名&グレード出力/燃費
パワーウェイト
排気量
変速機
トヨタ
ZRR70W
2010/04
ヴォクシー
Z
[DBA-ZRR70W]
158PS
20.0kgm
13.6km/L
10.06kg/PS
自然吸気
FF/CVT
ミニバン
8人乗り

ヴォクシー
[Z]
2010/04モデル
車両型式DBA-ZRR70W
最高出力158PS
最大トルク20.0kgm
JC08モード燃費13.6km/L
10-15モード燃費14.4km/L
パワーウェイト10.06kg/PS
吸気方式自然吸気
駆動方式&変速機FF/CVT
車体形状&乗車定員ミニバン/8人乗り
トヨタ
ZGE21G
2009/04
ウィッシュ
2.0G
[DBA-ZGE21G]
158PS
20.0kgm
15.2km/L
8.73kg/PS
自然吸気
FF/CVT
ミニバン
7人乗り

ウィッシュ
[2.0G]
2009/04モデル
車両型式DBA-ZGE21G
最高出力158PS
最大トルク20.0kgm
JC08モード燃費13.6km/L
10-15モード燃費15.2km/L
パワーウェイト8.73kg/PS
吸気方式自然吸気
駆動方式&変速機FF/CVT
車体形状&乗車定員ミニバン/7人乗り
トヨタ
ZGE22W
2009/12
ウィッシュ
2.0Z
[DBA-ZGE22W]
158PS
20.0kgm
15.2km/L
8.99kg/PS
自然吸気
FF/CVT
ミニバン
7人乗り

ウィッシュ
[2.0Z]
2009/12モデル
車両型式DBA-ZGE22W
最高出力158PS
最大トルク20.0kgm
JC08モード燃費13.6km/L
10-15モード燃費15.2km/L
パワーウェイト8.99kg/PS
吸気方式自然吸気
駆動方式&変速機FF/CVT
車体形状&乗車定員ミニバン/7人乗り
3ZR型エンジン搭載車種の一覧
パワーウェイトレシオ順|全39車種

トヨタ製エンジンの原動機型式まとめ
【排気量順】