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内燃機関超基礎講座 | トヨタ2代目S型エンジン【3S-GE】WRC王座も手中にしたエンジン

  • 2021/02/17
  • Motor Fan illustrated編集部
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2.0ℓ 直列4気筒DOHC

1980~1990年代におけるトヨタの2ℓ級直4DOHCエンジンといえば「3S」である。その主力である3S-G系は、様々な量産スポーツモデルから各種モータースポーツまで実に幅広く用いられた、奇をてらったところのない高性能エンジンだった。
TEXT:今井清和(IMAI Kiyokazu) PHOTO:桜井淳雄(SAKURAI Atsuo)

1980年代前半、トヨタの2ℓ級高出力エンジンのラインアップは、旧世代機と新世代機が共存する、ちょっとしたカオス状態にあった。

まず、4気筒では18R型があった。初搭載は1972年発売の2代目マークⅡというエンジンで、DOHC化や電子制御燃料噴射化などが図られつつ、4代目マークⅡがマイナーチェンジした1982年まで使われ続けた。さらに、排気量は1.8ℓだが出力では同等の3T-GTEUという4気筒も存在。「日本初の量産DOHCターボエンジン」という触れ込みで3代目セリカなどに搭載されたが、1982年から1985年のわずか3年でカタログから消えた。そして6気筒では、1960年代からのM型がターボで武装され(M-TEU)、1986年に初代ソアラが販売終了となるまで現役を張った。

一方、新世代機としてまず登場したのは6気筒の1G-GEだった。1982年に4代目マークⅡや2代目セリカXXなどに搭載されてお目見えしている。そして、2年後の1984年6月、ようやく4気筒の2ℓ新世代機が姿を現した。それが3S-GEであった。

気筒あたり4バルブのDOHCヘッドを持つ点、それがヤマハ発動機との共同開発による産物である点は、先に送り出されていた1G-GEや1.6ℓの4A-GEと同様。燃焼室は点火プラグを中央に配したペントルーフ型で、吸排気をクロスフローとし、ロッカーアームを介さずにタペットを直打ちするアウターシム式の直接バルブ駆動方式である点も共通している。旧世代機に延命措置を重ねて使い回してこざるを得なかったトヨタの設計部隊が、高出力エンジンをようやく「本来あるべき姿」で作ることが許された、といった感の、一気呵成の展開だった。

同時期のトヨタの直4同士ということから、約1年先に世に出た4A-GEの排気量拡大版のように思われがちな3S-GEだが、両エンジンの間ではストローク/ボア比が決定的に異なる。つまり、4A-GEが81.0mm×77.0mm(S/B比0.95)であるのに対して、3S-GEは86.0mm×86.0mmのスクエア。このあたりには、初搭載車が2代目カムリ/初代ビスタであったことからして、3S-GEは低中速を主にした使い方にも対応できるエンジンでなければならなかった、という事情が見て取れる。

余談だが、この2代目カムリ/初代ビスタは、国産車として初めて横置きのDOHCエンジンを搭載したFF車として記録されている。グロス200psの三菱ギャランシグマやグロス170psの日産ブルーバードマキシマなどの高出力FF車が続々と登場し、トルクステアに対する懸念から、「FF車にハイパワーエンジンを載せても大丈夫なのか!?」という議論が声高にたたかわされていた時代でもあった。

話を3S-GEに戻すと、このエンジンのバルブ挟み角は50度で、その中で吸排気バルブの開口面積/ポート面積は最大限の大きさを確保しつつ、できるだけ小さく、効率よく燃える燃焼室とすることが目指された。バルブ駆動はロッカーアームを介さない直動式とし、シリンダーヘッドも極力コンパクトにすることが狙われている。そのヘッドの材質はアルミ合金で、シリンダーブロックは鋳鉄製。燃料噴射システムには、当時のトヨタのエンジンでは最も進んだ各気筒独立制御方式が採用された。

3S-GEは最後の搭載車となったアルテッツァが生産中止となった2005年までの足かけ22年にわたって作り続けられた。その間の最大の変化は吸排気バルブタイミング可変機構の導入で、1997年には吸気バルブの開閉タイミングをエンジン回転数等に応じて連続可変させるVVT-i、翌1998年には吸気側/排気側双方のバルブを同様に制御するDUAL VVT-iを搭載した3S-GEが登場している。デビュー当初はネットで140psだった最高出力は、最後のDUAL VVT-i仕様では210psにまで高められていた。

また、3S-GEには、同じくDOHC・4バルブヘッドを持ち、排気量やボア×ストロークも同一の派生エンジンが3機種あった。まずは「ハイメカツインカム」といううたい文句のもと、1986年に登場した3S-FE。これは従来のSOHC機に代わるものとして開発された汎用DOHCエンジンで、フレキシブルな出力特性と省燃費性能、そして仕様・性能に対して安上がりに作れることが特に狙われていた。3S-GEと大きく違うのはヘッド周りで、コンパクトな燃焼室を実現させるために3S-FEはバルブ挟み角が22度35分と3S-GEの半分以下に。結果、カムプーリーを2つ配置できなくなったためにプーリーは吸気側だけとし、排気側はシザースギヤで駆動する方式とされた。そして、この3S-FEの流れから、トヨタ初のガソリン直噴エンジンである3S-FSEが1998年に登場している。三菱のGDIに対抗してトヨタが送り出してきた直噴エンジン「D-4」の第一弾だったが、強化される排ガス規制にうまく対応できず、3S-FSEはもとより「D-4」シリーズそのものが短命に終わった。

3S型に至る第2世代「S」の流れ

トヨタの第2世代のS型エンジンは、1981年発売の3代目セリカなどに搭載された1S-U(1832cc、ボア80.5mm×ストローク89.9mm)からスタートし、1982年には2ℓ版の2S-ELU(1995cc、84.0mm×89.9mm)が送り出されている。そして1984年には、同じ2ɜ版のS型でもDOHC専用の3S型がラインアップを開始。いずれも排気量は1998cc、ボア×ストロークは86.0mm×86.0mmのスクエアで、2S型までとは主要寸法からして異なっていた。

そして、自然吸気版の3S-GEより2年4カ月後の1986年10月、ターボ版の3S-GTEが市場投入される。同じ2ℓDOHCターボの国産エンジンでは、日産FJ20ETが1983年2月、三菱4G63が1987年10月、スバルEJ20が1989年2月というタイミングでそれぞれ登場を果たしていたという時代だった。ちなみに、トヨタ、三菱、スバルはここに記したエンジンで各々WRCチャンピオンを獲得している。

型式:3S-GT
種類:水冷直列4気筒DOHC
総排気量(cc):1998
ボア×ストローク(mm):86.0×86.0
圧縮比:8.5
最高出力(kW/rpm):136/6000
最大トルク(Nm/rpm):240/4000

OTHER SIDE

NAとターボ、どう違う?

〈3S-GE〉
〈3S-GT〉

3S-GTEでは多岐にわたって高出力化への対応が図られている。例えばシリンダーヘッドガスケットには、3S-GE、3S-GTEともにステンレス製グロメット付きのカーボンガスケットを採用しているが、3S-GTEではグロメット内側にワイヤリングを追加し、シリンダーヘッドボルトに塑性域締め付けを採用してヘッドガスケットのシール性を向上させている。肝心のターボに関しては、一貫して「CT」という名称が与えられた自社開発品を使用。当初はシングルエントリー&金属タービンのCT26だったが、5代目セリカ(ST185)搭載モデルからは名称は同じCT26でもツインエントリー&セラミックタービンに。これがST185の「GT-FOUR RC」ではツインエントリー&金属タービンのCT26となり、6代目セリカ(ST205)からはCT20Bという名のツインエントリー&金属タービンとされた。

ブロックの違い

〈3S-GE〉
〈3S-GT〉

3S型の鋳鉄製シリンダーブロックは、全長が409.5mm、全高が272.5mm。ボアピッチは、1番・2番シリンダー間が9 3.5mm、2番・3 番が96.5mm、3番・4番が93.5mmとなっている。3S-GTEにおけるブロック関係での高出力化への対応は、クランクシャフトの軸受け周りの強化やクランクケース内部へのリブの追加、1番・2番シリンダー間および3番・4番シリンダー間へのウォーターチャンネルの追加など。

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