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| 3S-FEエンジンの考察 | ||
あれこれやってもなかなか上手くいかない３S-FEというエンジンについて、 冷静に考えてみようという個人的覚え書き。 多分に私的考察です。 |
● 3S-FEというエンジン 3S-FEは、トヨタでは大ベストセラーとも言うべき街乗り重視志向の2,000ccツインカムエンジン。 同じカレンでは3S-GEというパフォーマンス重視のエンジンも搭載されていますが、ハイメカエンジン3S-FEはボア×ストロークなどのスペックを他の3S系エンジンと同じにしながら「省エネルギー」「低燃費」「ツインカム」のコンセプトを軸にしたまったく種類を異にしたエンジンとされています。これらのコストパフォーマンス重視の性能が受け、実際新車時によく売れていたのはFE搭載のXSであったそうです。 トヨタの3SファミリーにはこのFE/GEのほかにもGT・GTE・FSEなどのいくつかのバリエーションがありましたが、なんと言ってももっとも多く使われたのはこのFEエンジンなのです。 （参考）3S-FEエンジンを搭載したトヨタ車一覧
これだけ多彩な車種に採用された3S-FEエンジンですが、それだけに開発コストの元以上にコストパフォーマンスの均衡が取れている名作エンジンとでも言うべきでしょうか。同じ3SファミリーでもGEエンジンは後にVVT方式のBEAMSエンジンへ派生していきますが、このエンジンはLASREエンジンの代で終止符を打つことになります。 ● 3S-FEエンジンの特徴 カレンのカタログでは、 「燃焼効率の高いペントルーフ型燃焼室に加え、吸気系にたて型細径インテークポート、排気系にデュアルエキゾーストマニホールドを採用。実用的な回転域で最大トルクが得られる、高性能ハイメカツインカムエンジンです。 」 とありますが… なんだかよく分からないっす（苦笑) …というわけで調べてみました。
これはカレン前期型搭載の3S-FEエンジンのカット図です。 基本的には2本のカムシャフト（ツインカム)と、1シリンダーあたり4本×4の16バルブを使い、これにより吸気・排気の効率を高めているトヨタでは多く使われている方式（TWINCAM16VALVE）です。 3S-GEが当時のF3やツーリングレースなどでも用いるほどに高回転重視のスポーツエンジンであったのに対し、狭いバルブの挟み角度をもち、インテーク（吸気)側のカムシャフトをタイミングベルトで駆動、さらにインテーク側に組み込まれたギアでインテーク側のバルブを駆動するという複雑な機構によって低速・中速域での高トルクと低燃費効率を両立しており、これによってコンパクトなシリンダーヘッドになっているのが特徴で、これらの構造が俗に「ハイメカツインカム」と呼ばれるゆえんなのです。 開発時点では同じST系列のセリカ・カリーナED・コロナEXIVと並行開発され、この時に従来発売されていたセリカ（ST180系）の実績を元に改良が加えられています。 87年8月に120馬力で登場してからST18♯系で改良され125馬力に、カレンやセリカに代表するST20♯系で140馬力になるなどの仕様変更を重ね、96年6月にはGE系に先駆けてダイレイグニッション（TDI）の採用したり、燃焼室形状の改良による低・中速トルクの向上や、メタルガスケットの採用、ピストンの軽量化、インマニ形状やインジェクタの改良などの変化を遂げていますが、とりわけTDIの採用は3S系エンジンの歴史的進化と言われています。 ちなみに、 最高馬力はGEが180ps/7000rpm（MT車）・FEが140ps/6000rpmなのに対し、 最高トルクはGEが19.5kg-m/4800rpmに対しFEが19.0kg-m/4400rpm と、トルクではほとんど変わりがないことからもその高性能ぶりがお分かりかと思います。 しかし、明らかにGEとは違うのが悲しい現実…（泣 現実にはあくまでも「街乗りエンジン」という観念が払拭できず、高回転エンジンと比べると致命的な構造障害があるのが実際。 その主なものとして、 ・バルブの挟み角が小さすぎると吸排気のバルブ面積が大きく取れないため、高回転時の効率は低下する ・燃焼室のスキッシュを大きく取ると、高回転ではノッキングの原因となる という事項が指摘されています（元来、高回転走行は想定外という説もあるが)。 また、街乗りエンジンということでチューニング人口も極端に少なく、パーツなども展開が少ないのも事実。 しかし、性能を十分引き出せるライトチューン程度のパーツはある程度発売されています。 ●エンジン性能からみる3S-FEエンジンの乗りこなしかた えー、そんな副題つけるほどたいしたことは書か（け）ないっす（苦 まずはこれなんか見ちゃってください。
これはカレン中期型搭載の3S-FEエンジンにおける性能曲線図です。後期型もまったく同じです。 （前期型もほぼ同じですが、厳密には若干曲線が違うようです) 比較的カーブがゆるやかな軸出力や燃料消費率の軸に比べて、軸トルクの線がなんとも言えない感じがしますけども（苦笑 軸出力については踏んだ分だけ、という感じなので割愛します。 燃料消費率に関しては、やはり実用域である2,000回転から下がりだし、3,000をピークに逆消費していくことは街乗りエンジンの裏づけですね。 そして、これらをもとに軸トルクを見てみますとやはり街乗り加速をする際に使われる2〜3,000回転の間はトルクがうなぎのぼりになり強加速の4,000過ぎがピークに達しています。 この辺の実情は車両条件によって異なることは当たり前の話なのですが、少なくともあっきーカレン（3S-FEのAT車)の場合、レブ/スピードメーターによる馬力計測機能による実測で4,000回転前後でコンスタントに70ps以上の数値を出しています。 （2004/12/2追記：その後、AFCの導入により4,000回転前後の馬力が80以上に上がりました。) （2005/2/21追記：さらにその後、RSMの設定を見直し4,000回転以上で無修正馬力が100psを超えることが判明しました) この曲線図をまったく鵜呑みにするのであれば、 ・低い燃料消費で加速が得られるのは3,000回転程度 ・エンジンのパワーを強く引き出すには4,000回転以上で一気に！ （実際、4,000回転以上から目がさめたように加速をするよーわからんエンジンです) …ということになるんでしょうが、こんなこといつもいつもやってたらエンジン大丈夫なんですかねぇ。 しかも、3S系エンジンは油温が上がりやすいという話もあります。 それ以上に、やはり個体差があるコトを念頭においていただければと。 ●3S-FEは本当に3S-GEよりショボイのか？ おいらが3S-FEについて調べようと思った発端はこれです（苦笑 なにしろ、普段仲間と走ってもGEにはどうしてもついていけないのですから。 ・車両が重いかもしれない（荷物積みすぎ） ・ドラテクが下手くそなのかもしれない（これ最有力) 要因は様々です。 ですが、とりあえずココは数値的な観点で考えてみましょう。 まずはさくっと両者の比較です。 ついでに４S-FEもあれば関連のエンジンデータ補完ということで。 （3S-FEと4S-FEは共通項が多いのでもしかすると参考にはなるかもしれません)
(2005.2.21：4S-FEデータ追加：エンジン重量・点火順序追加) 基本的なエンジン性能を比較すると、やはりGEのほうがスポーツ走行向きということはよくわかる数値です。 では、これを元に少し素人分析をしてみましょう。 いや、ホントはするまでもないんですけども（苦
● 3S-FEの実力を高めるあれこれ さて、ここまであれこれ考えたのでGEに張り合っていけるだけの条件はいくつか出揃いました。 ではでは、何ができるか！？ あちこち探し回っていろいろ調べてみましたです。 ・給排気の強化 →エアクリ・マフラーの交換で給排気抵抗の低減 お手軽強化策としてはポピュラー。 カレンの場合、最初から大型のエアクリーナー（GEと共通です)と口径の大きいサクションパイプを導入しているので、本来は純正状態でも吸気には何等問題はないと思われるのです。 しかし、マフラーだけ変えてしまうと低速トルクがもやもやしてしまうので、均衡をとるにはサイレンサー等を入れて抵抗をつける（この場合、モノによってはマフラー変えた意味が失われる場合があります)か、社外エアクリーナーの導入で吸気の効率も上げてやるか、です。 エアクリは純正交換なら手間がかからず安価。むき出しタイプはカルディナやイプサム用からの流用が多いらしい。 しかし、むき出しタイプはサクションパイプの加工が必要で、流用かアダプタホースの導入、もしくはワンオフ要らしい。 マフラーは現在5次元・タナベ・藤壺からカレンFE用が購入可。リアが少々引っ込むがセリカ（SS-T）用もいけるらしい。 また、3ピースタイプのものならリアの部分だけGE用と入れ替えることも可能らしいですが、この場合接続部の径が異なるので加工は結構面倒らしい。 ちなみに、同じST系のエクシヴやED、カルディナ等のマフラーはパイピングが異なるため使えません。 給排気の強化はお手軽ではあります。 …が、本来はこれを両方返ると燃料調整や吸排気量が変わることにもなります。 両方変えるとスカスカになって加速感がなくなることも。 それでも燃焼効率を上げる対策（高効率プラグ・プラグケーブルへの交換など）をすれば、いくらかは改善できるとか。 しかし、ここまでやると本来は燃調コントローラー（AFC)やECUロムの書き換えでもしてポテンシャルを全能発揮させるようにしないと、根本的な解決にはなりません。 ・クランクシャフト交換 →排気量アップが目的。 …どの程度の効果があがるかは未経験なので不明。 しかも、代替品のデータは皆無です。ワンオフ？？ ・シリンダーの圧縮比を上げる →単純に熱量が変わるのでパワーアップが見込める 一説によると、シリンダーの内径が一緒との根拠で同系列最強の３S-GTEのピストンを入れることが可能らしい。元来、ターボエンジンは圧縮比は高い設定なので効果が期待できるとか。 …ただし、シリンダヘッドが高圧縮に耐えるかはまったく不明なので保障しない（TRD多摩の方談）んだそうな。 ちなみに、このシリンダーの圧縮比の関係に関しご意見をいただきました。ありがとうございます。 ●刃物屋さんのご意見（要約) 「確かに理屈は圧縮比を上げるとパワーは出るのは分かるのですが、単純に上げると低回転と高回転のバランスがおかしくなるような気がします。それと通常はターボよりＮＡの方が圧縮比が高い気がします。そもそもエンジン本体の設計が違うらしいです。僕がインテグラにターボをつけていたときは、ＮＡで高圧縮比のエンジンだったので、ガスケットを変えて圧縮を下げていました。」 ●さのやんさんのご意見 「 実際には、NAの圧縮比のまま過給すると、実質的な圧縮比が上がってノッキングしてしまうので、ターボはＮＡに対して圧縮比を（意図的に）下げてあるという表現が適切かと思います。一般的な手法としては、ガスケットの厚さを薄く変えるのが一番簡単かな？他には、ピストン形状変えたり、ヘッド形状そのものを専用設計にしたて、圧縮比を下げると思います。 ちなみに3S-FEと3S-GTEでは、ピストン形状とガスケット厚、あとヘッド形状も違うので、3S-FEに3S-GTEピストンをそのまま付けただけだと、ピストン上面の形状差で、逆に圧縮比があがってしまうとか。 あと、圧縮比アップの利点と弊害は、刃物屋君のご指摘の通りでしょう。ただ単に圧縮比を上げると、多分、トルクは出たとしても、高回転ではロスが増えて回転は伸びなくなるのではないかと思われます。」 つまり、単純理論としてはあり得るとしても、3S-FEの複雑な構造や形状を考えるに、現実性は薄いということでしょうか。 ・ターボキット換装 →必殺の実力アップ法！いわゆる「ポン付けターボ化」ですね。 実際、オプション２にも乗ってましたですね。一気に200ps以上の力持ちエンジンに変化するらしい。 …が、ワンオフ部品を作らなければならない（エキマニやサクションパイプ等）ことや、ECUを根本的に見直さなければならないので本気でないならかなり非現実的。 ちなみに。過去にSARDからイプサム用FEターボキットが発売されていたそうです。ピークパワーは控えめながら中速トルクを大幅に増幅させることで気持ちよい加速をするエンジンになるとか。イプサムとはエンジンレイアウトが似ているためカレンでも搭載は可能らしく、エアクリ・K24タービン・燃料増量マップとコンピューターで1セット約40万という設定。現在も扱っているかは不明です。 ・エンジンのスワッピング（載せ換え） →根本的解決の一つだが、これは「FEでどうしようか？」という問いの答えにはならない最終手段（笑 とにかく費用はかかる。 ● で、あっきーの試行錯誤。 こんなことしてみました。 ・吸気効率向上 純正交換タイプのHKSスーパーフィルターを入れました。これを選んだのは、吸気効率のよいウレタン製だったから。 しかし、吸い込みがよくなった分マフラーの負荷がかかるらしく、純正マフラーの音はそりゃもう必死と言うか、しょぼい音でした。 ちなみに、後日純正交換から剥き出しのトラスト・エアインクスに換装しています（順番としてはマフラーを換えた後です)。 吸気効率はかなりよくなっており、加速のストレス感も解消しています。しかし、熱い空気を吸い込んでいると効果が下がるらしく、遮熱板の設置で解決しています。 で。 ・排気系強化 マフラーを純正からHKSスーパードラッガーへ。ちなみにあっきーカレンのスーパードラッガーは本来は３S-GE用です。中古で買ったのですが、3S−FE用にワンオフ加工したものだそうな。現実には、エキマニのエンドから触媒にかけてのパイプ形状が異なるため、加工をしなければGE用は取り付けできません。また、同様の理由で4S-FEの場合も装着はできません。 エキゾーストパイプの径は60パイになったので、抜けがよくなった分高回転は伸びるようになりましたが、これだと低速のモタモタ感が気になりだします。 そこで。 ・点火系強化 プラグを純正からイリジウムプラグ（Apex'iレーシングプラグ)に、プラグコードを強化コードに。 プラグはイリジウムプラグへ換えていますが、熱価は純正と同じ6番で据え置きました。熱価を上げると燃焼効率が上がり完全燃焼を促すので違いが体感できるという話もありますが、理屈上はそれはコードの電流伝導が爆発的に違うとか、ターボ車のようにブーストのかかった吸気＋高圧縮比シリンダーなどのエンジンでもない限りあり得ないと個人的には思っています（この時点ではプラグケーブルはまだ純正だったし)。 ちなみにプラグコードは純正→TRD製→スプリットファイヤVチャージャー と変化してます。 ここまでやるとだいぶ変化は体感できます。 しかし、完全に高効率化しているので燃費が落ちてしまいました（泣 で。 ・エアフローコンバータ導入 いよいよ最終兵器登場。抜けすぎによる無駄な燃料消費を強制的に抑えて、必要な分だけ燃料を送り込むように調整します。 導入したのはApex'iのS-AFC（青パネルの旧型・お金ないから中古・苦笑)。 500rpm刻みの任意8ポイントに対し、アクセル開度小（Lo)と大（Hi)の2モードで設定ができます（LoとHiの間は自動ステップで補正)。 この設定は意外とややこしくて、いろんなシチュエーションで走行させながらデータを取り、設定をしなければならないので結構面倒。 （現在販売しているS-AFCUでは2モード×2種類の設定を記憶できるほか、設定を解除するスルーモードもあるらしい。ちょっといーなぁと思ってたり・苦笑) それでも、街乗りでは無駄な消費を抑えるリーン設定にしたり、逆にアグレッシブ走行ではレスポンスを上げるためのリッチ設定も自在にできるので結構スグレモノです。 厳密に計測して最適分析をするにはシャシダイに載せてエアフロー値を測定する必要がありますが、このS-AFCはあくまでも簡易設定に過ぎないのでさほどナーバスにならず、性能曲線を元にまず設定して実走させ、発見した無駄を調整すればリーン設定はある程度できますし、リッチ設定は単純に加速したい場所の燃料を増やしてやれば十分効果が反映されます。 ちなみに、おいらはアクセル開度Loを20％以下に設定、これを街乗りモードとして仮定、アクセル開度50％以上でHiにし、こちらはアグレッシブモードと仮定して設定しています。アクセル開度20％〜50％の間はAFCがアクセル開度と設定補正値を比例させて移動補正します。 ちなみに、H16・12/2現在の補正値はこんな感じ。
（参考）性能曲線図を分析した最初の補正値。
３S-FEに関してはメーカー側にも蓄積データが存在せず、実測によって測るしかない状態です。 この数値は性能曲線に対して推測した設定を基準に、実測してエアフロー値の目安をみながらたどり着いたあっきーカレンの場合の数値です。 同じように設定しても、他車（特に、同エンジンの他車種の場合と、カレンのMT車の場合）において効果が得られるとは考えにくいのが正直な考えです。 あっきーカレンの場合搭載品が多いので車重は重めですから、軽い車の場合はもっと設定は違うように思います。 別のサイトで同様に設定している方のも拝見しましたが、こんな数値ではなくもっと平坦でした（逆にこんなに？と不思議なくらい高い方もいました)。 ですから、参考程度に。 ちなみに、燃料消費のリーン/リッチ状態の判断はApex'iオートタイマーにある”推定A/F値”の表示を目安にしています。 O2センサ電圧から推定値を表示するのですが、（正確かどうかは不明として）目安を知る材料には十分と思います。 しかし、まだなんだか物足りないんですよね。 なにか知恵のある方、情報お待ちしております。 （掲示板等でぜひ意見交換しましょう） あ、もちろん異論・反論・肯定論大歓迎です。 おいらもまだまだ試行錯誤の勉強中なので。 また思いついたらちらちらと。 |
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