Free Press

Motory Ford a Chevrolet V8, Toyota 2JZ, Subaru EJ257 a dokonce i motory Ferrari dokázaly nahradit motor Subaru FA20 ve více než hrstce modelů BRZ, WRX, FR-S a 86. Ať už je místem konání Formule D, Pike’s Peak, Time Attack nebo dokonce dragstrip, řešením byla výměna motoru FA20, místo aby mu byla dána šance dokázat, že je toho hoden. Popularita výměn motorů do modelu 86 vedla mnohé k domněnce, že FA20 není životaschopnou motorovou platformou pro cíle s výkonem plus 500 koní. Je tedy FA20 ztracený případ? Jedním slovem „ne.“

Text: Michael Ferrara // Fotografie: Joe Singleton

DSPORT Issue #187

It’s a Keeper

Prvotní výsledky probíhajícího programu vývoje motoru FA20 klubu DSPORT jsou pádným argumentem pro zastavení výměny. Jak zní výkon přes 560 koní při 6500 otáčkách za minutu a točivý moment přes 475 ft-lbs při 5750 otáčkách za minutu z přeplňovaného 2,1litrového motoru FA20 na čerpadlo E85 s manýry sériového motoru? To je teprve začátek, protože Club DSPORT bude na 2,1litrový motor tlačit ještě více a zároveň zahájí testování svého 2,25litrového motoru FA20, který bude mít další výkon a možnosti zpracování výkonu. Abychom plně pochopili proces vývoje motoru Club DSPORT, je nutné nejprve pochopit FA20 v jeho „dodané“ podobě.

Mnozí se mylně domnívají, že verze BRZ a WRX FA20 jsou si podobné s výjimkou kompresního poměru a přítomnosti turbodmychadla. Ve skutečnosti jsou rozdíly obrovské, včetně bloku, hlav, pístů, tyčí, ventilů, vačkových hřídelí a olejových čerpadel. Většina dílů není zaměnitelná.

D a F

Před tříděním motoru FA20 v jeho sériové podobě je důležité pochopit, že existují dvě velmi odlišné verze motoru. FA20D (často označovaný jednoduše jako FA20) je verze s přirozeným přeplňováním o výkonu 200 koní, která se nachází ve vozech BRZ, FR-S a 86; zatímco FA20F (mylně označovaný jako FA20T, protože je přeplňovaný turbodmychadlem) poskytuje výkon téměř 270 koní. Mnoho lidí se domnívá, že jediným rozdílem mezi oběma motory jsou kompresní poměry a přítomnost turbodmychadla. Ve skutečnosti je mezi těmito dvěma motory více rozdílů než podobností. Bloky, hlavy, písty, ojnice, ventily a sací potrubí jsou pro každou platformu jedinečné. To sice samozřejmě zvyšuje výrobní náklady, ale umožňuje to společnosti Subaru optimalizovat každý motor pro jeho specifické použití.

HlavyWRX jsou vybaveny malými vysokorychlostními otvory pro snížení prodlevy turba a zlepšení odezvy. Hlavy válců BRZ mají větší porty s vyšším průtokem, jejichž základem jsou větší ventily. To je jeden z důvodů, proč motor WRX dosahuje nejvyššího výkonu při nižších otáčkách.

FA20D Brief

Subaru zkonstruovalo motor FA20D jako mimořádně účinný motor 2,0 l s výjimečnou objemovou, mechanickou a tepelnou účinností. Na kolech dosahuje 2,0litrový motor výkonu zhruba 170 koní při 6700 otáčkách za minutu a zároveň dokáže vyvinout točivý moment téměř 150 ft-lbs. I když se tato čísla sama o sobě nemusí zdát tak působivá, pohled na křivku točivého momentu, která poskytuje téměř 90 % maximálního točivého momentu od 2 500 do 7 000 ot. I když je tato křivka točivého momentu ideální pro jízdu na ulici nebo na závodním okruhu, nemá takový psychologický dopad jako motor F20C VTEC Honda, který má špičkovou a krátkou křivku točivého momentu, která se rozjede až v horní části LED tachometru modelu S2000. Proto si mnozí stěžují, že BRZ, FR-S a 86 silně postrádají výkon. Ve skutečnosti široká a plochá křivka točivého momentu jednoduše způsobuje pocit nedostatku výkonu.

Zatímco hlavy BRZ jsou lepší z hlediska průtoku, hlavy WRX jsou lepší z hlediska účinnosti spalování. Dvojité zhášecí podložky pomáhají snižovat detonaci. Na ideální kombinaci spalovací komory WRX s porty a ventily BRZ se v současné době pracuje v klubu DSPORT.

FA20F Brief

Při vývoji přeplňovaného bratrance FA20D se inženýři Subaru zaměřili na to, aby FA20F byl přeplňovaný 2,0litrový motor s výkonovými charakteristikami 4,0litrového V8. To znamenalo, že se 2,0litrový motor choval, jako by měl dvojnásobný zdvihový objem. Aby se toho dosáhlo, byla prioritou co nejrychlejší aktivace motoru. Kromě odpovídajícího dimenzování turbodmychadla jsou sací potrubí, hlavy válců a dokonce i sací a výfukové ventily mnohem menší než u modelu FA20D, aby byly zachovány vyšší rychlosti proudění. Vačkové hřídele a časování vaček jsou také zkreslené kvůli odezvě a účinnosti při nízkých otáčkách. Výsledkem je, že FA20F dosahuje nejvyššího výkonu při 5 600 ot/min namísto 7 000 ot/min u FA20D. Malé otvory, díky nimž je FA20F tak citlivý a účinný v nízkých otáčkách, zároveň omezují jeho nejvyšší výkon.

Klub DSPORT používá tvárná železná pouzdra od LA Sleeve nebo Darton Sleeves, aby zvětšil velikost otvoru FA20 z 86 na 89 mm. Kombinace vrtání 89 mm a zdvihu 90 mm umožňuje dosáhnout objemu 2 240 cm3.

Společné přednosti

V rodině motorů FA20 je zabudována řada technologií, které z nich činí dobrý základ pro vysoký výkon. Zatímco řada moderních motorů obsahuje přímé vstřikování umožňující zvýšení výkonu a účinnosti, vstřikování Toyota D-4S přidává k přímému vstřikování i konvenční vstřikování do portu. Použitím vstřikování paliva přes port se zcela eliminuje problém s tvorbou usazenin v sání, který trápí motory s přímým vstřikováním. Kromě toho systém umožňuje na trhu s náhradními díly snadnou modernizaci vstřikovačů s portovým vstřikováním na vyšší průtoky, pokud je to nutné pro aplikace s vyšším výkonem.

Tady je sací port motoru VW 2,0 l s turbodmychadlem po ujetí pouhých 14 000 km. Vzhledem k tomu, že motor má pouze přímé vstřikování, není do sacího portu nikdy vstřikováno žádné palivo, aby byl port a sací ventil čistý. V důsledku toho se tvoří tyto masivní usazeniny, které omezují průtok vzduchu a ovlivňují výkon.

Další společnou silnou stránkou celé rodiny FA20 je drasticky zvýšená pevnost válců ve srovnání s motorem EJ257. Zatímco rozteč otvorů válců je u motorů FA20 a EJ257 totožná, menší průměr otvoru válce u motoru FA20 umožňuje použití silnějších stěn válce. Tyto silnější stěny by měly být schopny pojmout vyšší tlaky ve válci před jeho selháním.

Společná slabina

Oba motory FA20 mají ojnice, které jsou nejslabším článkem zvýšeného výkonu. Zdá se, že ojnice FA20D mají dostatečnou pevnost, aby při správném seřízení unesly většinu šroubovaných systémů přeplňování. Bohužel překročení výkonu 300 koní na kolech nebo naladění, které vyvolává klepání, může rychle způsobit, že jedna z těchto tyčí prorazí bok bloku.

Klub DSPORT Reference FA

Máme zaměstnance, kteří postavili více než 500 motorů EJ257, takže jsme dobře obeznámeni s dobrými i špatnými vlastnostmi motorů Subaru boxer. Přestože přesnost zpracování motoru Subaru není nejhorší ze všech OEM výrobců, rozhodně není na špičce. Proto je možné dosáhnout významných zlepšení zvýšením úrovně přesnosti obrábění.

Šrouby skříně a hlavy ARP jsou klíčem ke zvýšení výkonových schopností motoru FA20. Vzhledem k tomu, že tyto spojovací prvky zvyšují upínací zatížení, může dojít k dodatečné deformaci bloku. Dodatečné deformace koriguje CNC vyvrtávání řádků a honování válců pomocí momentové desky.

Všechny stavby na bázi motoru FA20 od společnosti Club DSPORT začínají se zcela novým holým blokem FA20, který pochází od společnosti Heuberger Subaru z Colorado Springs v Coloradu. Podle našich zkušeností nemůže být společnost Heuberger překonána, pokud jde o ceny, skladové zásoby a cenově dostupnou a rychlou dopravu. A co je nejlepší, společnost Heuberger podporuje scénu prostřednictvím sponzorství akce IDRC v Coloradu. Když nový blok dorazí, provede se měření seřízení hlavního otvoru. Tento proces určí, zda budou poloviny skříně vyžadovat obrábění před operací vyvrtání vedení.

Zarovnání

Před operací vyvrtání vedení je kompletní sada vysoce výkonných šroubů skříně ARP dotažena podle specifikace. Šrouby skříní ARP jsou vyrobeny z kvalitnější slitiny, která umožňuje zvýšit upínací sílu. Vzhledem k tomu, že v současné době nejsou na trhu žádná náhradní ložiska s nadměrným vnějším průměrem pro motory FA20, je tento proces velmi zdlouhavý a časově náročný, protože nastavení vyžaduje seřízení s přesností na několik desetitisíciny palce. To je asi 1/10 průměru nejtenčího vlasu na vašem těle. Po zahájení procesu řezání se používají speciální frézy PCD, které vytvářejí výjimečnou povrchovou úpravu. Optický seřizovač nástrojů Club DSPORT umožňuje mimořádnou přesnost nastavení nástrojů.

Čtyřosé CNC obrábění

Po dokončení operace vyvrtávání čáry se blok demontuje a poté se znovu sestaví s tyčí 2,0000″ na místě. Tato lišta umožňuje umístění motoru do 4osého obráběcího centra pro operace vyvrtávání, vyklíčování, obrábění pouzder, dekování a gravírování. Bloky se zachováním původního vrtání 86 mm budou vyžadovat pouze operace paralelního dekování a gravírování (pro identifikaci bloku jako motoru řady Club DSPORT Reference). Operace paralelního vykládání zajišťuje, že vzdálenost od osy klikového hřídele k palubě bloku je na obou stranách motoru boxer stejná. Tato operace vyvrtávání přímky a operace paralelního vykládání zajišťují geometrii, která zajišťuje, že vůle mezi pístem a palubou je v každém válci stejná. Výsledný statický kompresní poměr každého válce je pak konzistentnější. Po dokončení CNC obrábění bloku přichází na řadu honování válců.

Varianty pouzdra

Klub DSPORT právě vyhodnocuje všechny v současnosti dostupné nabídky vysoce výkonných pouzder pro motor řady FA. V minulosti měl klub DSPORT vynikající úspěchy s nabídkami Darton Sleeves i LA Sleeves u různých typů motorů. Pro motor řady FA bude společnost Club DSPORT vyrábět edice FA225 s oběma konstrukcemi pouzder na základě preferencí zákazníka. Pro speciální aplikace budou k dispozici také pouzdra na zakázku od obou dodavatelů.

Povrch paluby bloku je obroben frézou PCBN a poté je lapován do superhladkého povrchu pro těsnění hlavy MLS. U iterací FA20 a FA21 se používají originální těsnění hlavy, zatímco u motorů FA225 s 89mm vrtáním s pouzdrem se používá těsnění hlavy HKS o průměru 90 mm.

Plateau & Profilované honování válců s deskou

Kromě korekce umístění osy klikového hřídele v motoru a vyrovnání výšek paluby v motoru lze největší rozdíl mezi továrně zpracovaným motorem Subaru a referenčním motorem Club DSPORT najít ve válcích. V ideálním případě jsou válce motoru (po sestavení) co nejvíce kulaté a bez kuželů a zároveň mají ideální povrchovou úpravu pro práci s pístem a pístním kroužkem. Aby toho bylo dosaženo, experimentoval klub DSPORT s různými konstrukcemi torzních desek (tzv. honovacích desek), dokud nebyl dokončen návrh, který přesně simuloval účinky deformace při šroubování hlav k bloku. Při šroubování momentové desky se používají šrouby ARP a buď tovární (FA20 a FA21), nebo 90mm těsnění hlavy Cosworth (FA225). Když jsou nyní válce vystaveny stejnému namáhání a deformaci, jaké se projeví na dokončeném motoru, válec se vybrousí pomocí speciálního diamantového brusiva na konečný rozměr 86,05 mm nebo 89,00 mm (specifikace pro písty na zakázku). Kulatost a kuželovitost válce se udržuje pod 0,0004″, zatímco povrchová úprava se vyrovnává a optimalizuje v každém otvoru pomocí profilometru k měření povrchu. Na konci honování se provede pouze malé odstranění otřepů a poté se blok umyje tryskou, vyčistí ultrazvukem a následně ručně vyčistí do stavu připraveného k montáži.

Po měření přímosti a rozměrů čepů je každý klikový hřídel dynamicky vyvážen na méně než 0,25 gramu vyvážení.

Optimalizovaná rotační sestava

Zatímco model Club DSPORT FA20 používá standardní 86mm OEM klikový hřídel, obě iterace FA21 a FA225 od Club DSPORT využívají stejný kovaný a nitridovaný klikový hřídel typu stroker. Tento klikový hřídel vyrobený v Japonsku má zdvih +4 mm (90 mm) a přesně tříděné hlavní a ojniční čepy. Klikový hřídel je plně tepelně zpracován a nitridován pro dosažení vynikající pevnosti, odolnosti proti únavě a tvrdosti povrchu čepu. Většina motorů Club DSPORT řady FA, které jsou v současné době v provozu, má klikové hřídele zpracované povrchovou úpravou Omicron společnosti Shaftech. Tento proces hyperfinišování vytváří vynikající povrchovou úpravu, která eliminuje běžně přítomné mikroskopické stopy po obrábění a broušení. Ačkoli Club DSPORT neprovedl vlastní testování tohoto procesu, jiné strany zaznamenaly u podobných procesů zvýšení výkonu a snížení tření. Každý klikový hřídel je dynamicky vyvážen s nevyvážeností menší než 0,25 g.

Každý píst je před konečným vyvážením sladěn v sadě pístů podobných rozměrů a hmotnosti.

Výkon pístu

Každý motor Club DSPORT Reference-series FA má jedinečnou konstrukci pístu. Všechny tři konstrukce pístů byly zkonstruovány společností Mahle Motorsports tak, aby poskytovaly špičkový výkon, spolehlivost a účinnost pro každou verzi motoru. Díky rozsáhlým vztahům společnosti Mahle s dodavateli OEM jsou její konstruktéři dobře obeznámeni s vytvářením tvaru kopule pístu optimalizovaného pro prostředí přímého vstřikování. Písty byly rovněž optimalizovány pro použití s palivy E85, protože horní dosedací plochy kroužků byly tvrdě eloxovány pro zvýšení pevnosti a odolnosti proti mikrosváření. Posunutí čepů a konstrukce suknic, stejně jako sada kroužků, byly rovněž vybrány speciálně pro manipulaci s vysokým výkonem, prodloužení životnosti motoru a zvýšení účinnosti. Ačkoli limity výkonu pístů nebyly zdokumentovány, počítačové modely a zkušenosti s podobnými 86mm písty (tj. RB26 a Supra) naznačují, že by mělo být snadno dosaženo výkonu přes 200 koní na válec. Statický kompresní poměr se bude pohybovat mezi 10,7-10,8:1 s hlavami BRZ a 10,9-11,0:1 s hlavami válců WRX. Před instalací Club DSPORT vyváží každou sadu pístů a čepů s přesností na 0,2 gramu.

Každý malý a velký konec je v každé sadě vyvážen a zaznamenán pro případ, že by někdy v budoucnu byla nutná výměna.

Kolejové tyče

K vytvoření spojení mezi klikovým hřídelem a pístem se v motorech Club DSPORT FA20 Reference Series používají hotové ojnice Manley Pro Series I-beam 4340 vybavené 3/8palcovými šrouby ARP2000. U motorů Club DSPORT FA21 a FA225 se používá vlastní ojnice Manley Pro Series I-beam. Tyče jsou navrženy tak, aby podporovaly výkon 250 koní na válec. Před montáží Club DSPORT vyváží malý a velký konec každé ojnice s přesností na 0,2 gramu.

Montáž, sestavení a plánování

Když jsou všechny součásti připraveny k montáži ve stavu čistoty, jsou při sestavování krátkého bloku zaznamenána všechna kritická měření. Patří mezi ně všechny rozměry čepu klikového hřídele, vůle ložisek, vůle na konci klikového hřídele, vůle na straně ojnice, vůle na konci pístních kroužků, vůle mezi pístem a stěnou válce, výška pístu vůči palubě a točivý moment potřebný k otáčení zkompletovaného krátkého bloku. Ve většině případů se používají hlavní ložiska King Racing XPG s ojničními ložisky Clevite. Pokud však v této kombinaci nelze dosáhnout ideálních olejových vůlí, lze je nahradit ložisky ACL nebo OEM. Ve většině případů jsou vůle nastaveny pro olej viskozity SAE 0W-40.

Kompletní ventilový rozvod Supertech včetně černě nitridovaných sacích ventilů z nerezové oceli a výfukových ventilů Inconel nahrazuje tovární hardware. Pružiny, úchytky, těsnění a držáky Supertech doplňují vylepšený ventilový rozvod, který je řízen vačkovými hřídeli HKS.

Hlavy válců

Pokud je program krátkého bloku dokončen, program hlav válců je ještě několik měsíců před dokončením. Při dynamickém testu FA21 byla použita kombinace vačkových hřídelí HKS s nerezovými sacími ventily Supertech z nitridu a výfukovými ventily Inconel. FA225, který se v současné době montuje, bude používat sadu vačkových hřídelů Piper Cams BP285 Ultimate Road s +1 mm velkými ventily. Tyto vačky jsou podstatně agresivnější než vačky HKS a měly by lépe vyhovovat zvýšenému zdvihovému objemu.

Výsledky

Nedávno jsme měli možnost otestovat jeden z motorů FA21 referenční řady Club DSPORT. Poté, co sériový motor v našem projektu FR-S s turbodmychadlem kapituloval při výkonu těsně nad 400 W, jsme se rozhodli, že to bude ideální testovací místo pro nový motor. Předtím systém Full-Race EFR turbo pomáhal sériovému FA20 generovat 412whp při přibližně 6 900 ot/min. Maximální točivý moment dosáhl hodnoty 332 ft-lbs při 6 000 ot/min. Zvýšení tlaku dosahovalo při provozu na E85 zhruba 15 psi.

S nasazením motoru Club DSPORT FA21 jsme očekávali nárůst točivého momentu v rozmezí 5 až 10 % při stejných úrovních zvýšení tlaku díky většímu zdvihovému objemu a vylepšením. Při 2 500 otáčkách za minutu, než dojde k výraznému posílení, se točivý moment zlepšil ze 125 ft-lbs na 160 ft-lbs. To je výrazný nárůst o 28 procent. Při 3 500 ot/min se točivý moment zlepšil z 215 ft-lbs na 270 ft-lbs; nárůst o 26 %. Z toho vyplývá, že FA21 poskytuje charakteristiku odezvy 2,5litrového motoru. Extrapolací těchto údajů může mít FA225 charakteristiku odezvy 2,7 litru.

Stock engine, stock engine with Full-Race EFR7163 kit and Club DSPORT FA21 with Full-Race EFR7163 show the massive gains possible with properly-built 2.1 litter FA20.

No compromises. Současná kombinace vykazuje křivku točivého momentu, pro kterou se dá zemřít. Nejlepší ze všeho je, že po dalším kole modernizace palivového systému lze realizovat ještě více.

Výsledky vysokého nárůstu výkonu

Díky zvýšenému výkonu a kompresnímu poměru optimalizovanému pro nucené vstřikování jsme konečně mohli bezpečně zvýšit nárůst výkonu. S boostem nastaveným na 24 psi se FA21 předvedl, a to ve velkém stylu. Výkonová křivka dosáhla maxima 563whp, ale měla tvar, který by jí mohly závidět všechny ostatní dvoulitrové motory. V porovnání s továrním motorem nedošlo k žádnému kompromisu ve výkonu od 2 000 otáček za minutu až po novou červenou hranici 7 600 otáček za minutu. Více než 300 ft-lbs točivého momentu je k dispozici od 3 700RPM až do dosažení omezovače otáček. Skutečně sladké místo je mezi 4 800 a 7 000 otáčkami za minutu, kde je na požádání k dispozici více než 400 lbs-ft točivého momentu. I když jsou tato čísla působivá, pravděpodobně je k dispozici vyšší výkon, protože nám jednoduše došla kapacita vstřikovačů pro podporu vyššího výkonu. Na základě těchto údajů by se EFR 7163 měl dostat přes hranici 600 koní při tlaku přibližně 28 psi. Jakmile se nám podaří vyřešit převodovku, vrátíme se s naším turbodieselem FR-S na dynamo, abychom na něj zatlačili ještě víc.

Náš stříbrný FR-S bude sloužit jako náš interní tester pro 2,1litrovou verzi FA21 v rámci programu Club DSPORT Reference Series. Tester o objemu 2,3 litru bude přeplňovaný.

Příjemně překvapen

Vyvinuli jsme a postavili motory RB o výkonu 1 400 koní, Hondy řady B o výkonu přes 1 000 koní, vítězné 2JZ a příliš mnoho dalších motorů, které není možné zmínit. I když samotný výkon ostatních motorů může zastínit současná vývojová čísla řady FA, žádný motor nepřekonal naše předpovědi tak jako FA21 a FA225. Zatímco jsme si jisti vývojem až do úrovně 600 koní, nevíme, jaká omezení se projeví při dosažení úrovně 700, 800, 900 nebo 1000 koní. Vzhledem k tomu, že FA21 o výkonu 550whp nebo FA23 o výkonu 600whp by splnily požadavky 98 % nejambicióznějších majitelů WRX nebo 86, musíme říci: „Zastavte výměnu“. Pokud potřebujete více, jsme si celkem jisti, že zjistíme, co je skutečně potřeba pro 700, 800 a možná i 1000whp.

.