Free Press

Ford og Chevy V8’ere, Toyota 2JZ’ere, Subaru EJ257’ere og endda Ferrari-motorer har formået at erstatte Subaru FA20 i mere end en håndfuld BRZ-, WRX-, FR-S- og 86-platforme. Uanset om det drejer sig om Formel D, Pike’s Peak, Time Attack eller endog dragstrip, har løsningen været at udskifte FA20-motoren i stedet for at give den en chance for at bevise sin værdighed. Populariteten af motorudskiftninger i 86’eren har fået mange til at antage, at FA20 ikke er en levedygtig motorplatform til mål på over 500 hk. Så er FA20 en tabt sag? Med ét ord: “Nej.”

Tekst af Michael Ferrara // Fotos af Joe Singleton

DSPORT Issue #187

It’s a Keeper

De første resultater fra Club DSPORT’s igangværende FA20-motorudviklingsprogram giver et stærkt argument for at stoppe swap’en. Hvordan lyder over 560 hjulhestekræfter ved 6.500 RPM og over 475 ft-lbs drejningsmoment ved 5.750RPM fra en turboladet 2,1-liters FA20 på pumpet E85 med manerer som en stock-motor? Det er kun begyndelsen, da Club DSPORT vil presse den 2,1-liters motor endnu mere, samtidig med at de også begynder at teste deres 2,25-liters FA20-motor, som vil have yderligere output og kraftudnyttelsesmuligheder. For fuldt ud at forstå Club DSPORTs motorudviklingsproces er det nødvendigt først at forstå FA20 i dens “leverede” form.

Mange tror fejlagtigt, at BRZ- og WRX-versionerne af FA20 er ens med undtagelse af kompressionsforholdet og tilstedeværelsen af en turbolader. I virkeligheden er forskellene store, herunder blok, hoveder, stempler, stænger, stænger, ventiler, knastaksler og oliepumper. De fleste dele vil ikke kunne udskiftes.

D’er og F’er

Hvor man klassificerer FA20 i sin standardform, er det vigtigt at forstå, at der er to meget forskellige versioner af motoren. FA20D (ofte blot omtalt som FA20) er den version med 200 flyvehjulshestekræfter med naturlig indsugning, der findes i BRZ, FR-S og 86, mens FA20F (fejlagtigt omtalt som FA20T, da den er turboladet) yder næsten 270 flyvehjulshestekræfter. Mange mennesker antager, at den eneste forskel mellem de to motorer er kompressionsforholdet og tilstedeværelsen af en turbolader. I virkeligheden er der flere forskelle end ligheder mellem disse to motorer. Blokkene, hovederne, stemplerne, stængerne, ventilerne og indsugningsmanifoldene er unikke for hver platform. Selv om dette naturligvis øger produktionsomkostningerne, giver det Subaru mulighed for at optimere hver motor til dens specifikke anvendelse.

WRX-hovederne er udstyret med små højhastighedsporte for at reducere turboforsinkelse og forbedre responsen. BRZ-cylinderhoveder har større, mere strømførende porte, der er baseret på større ventiler. Dette er en af grundene til, at WRX-motoren yder sin maksimale effekt ved et lavere omdrejningstal.

FA20D Brief

Subaru har udviklet FA20D-motoren til at være en ekstremt effektiv 2,0-liters motor med exceptionelle volumetriske, mekaniske og termiske virkningsgrader. Ved hjulene leverer 2,0-literen ca. 170 hestekræfter ved 6 700 omdrejninger pr. minut, samtidig med at den formår at udlede et drejningsmoment på næsten 150 ft-lbs. Selv om disse tal måske ikke virker så imponerende i sig selv, er et kig på drejningsmomentkurven, der leverer næsten 90 procent af det maksimale drejningsmoment fra 2.500 til 7.000 omdrejninger pr. minut, noget af en præstation. Selv om denne drejningsmomentkurve er ideel til gaden eller banen, har den ikke den psykologiske effekt som en F20C VTEC Honda-motor med en F20C VTEC-motor, der har en kort og kort drejningsmomentkurve, som først kommer i gang i de øvre dele af S2000’s LED-tacho. Derfor er der mange, der klager over, at BRZ, FR-S og 86’eren i høj grad mangler power. I virkeligheden får den brede og flade drejningsmomentkurve den blot til at føles som om, den mangler kraft.

Mens BRZ-hovederne er overlegne med hensyn til flow, er WRX-hovederne bedre med hensyn til forbrændingseffektivitet. De dobbelte quench pads hjælper med at reducere detonation. Den ideelle kombination af WRX-forbrændingskammeret med BRZ-porte og -ventiler er i øjeblikket under udarbejdelse hos Club DSPORT.

FA20F Brief

I forbindelse med udviklingen af den turboladede fætter til FA20D fokuserede Subaru-ingeniørerne på at gøre FA20F til en turboladet 2,0-liters med outputkarakteristika som en 4,0-liters V8. Det betød, at 2,0-literen skulle opføre sig, som om den var dobbelt så stor som sin slagvolumen. For at opnå dette blev det prioriteret at få motoren op i boost så hurtigt som muligt. Ud over at dimensionere turboladeren tilsvarende er indsugningsmanifolden, cylinderhovederne og selv indsugnings- og udstødningsventilerne meget mindre end FA20D for at holde strømningshastighederne højere. Nokeaksler og cam timing er også skævt tilpasset for at opnå respons og effektivitet ved lave hastigheder. Som et resultat heraf leverer FA20F sin maksimale effekt ved 5.600 omdrejninger pr. minut i stedet for 7.000 omdrejninger pr. minut for FA20D. De små porte, der gør FA20F så responsiv og effektiv ved lave omdrejninger, er også det, der begrænser dens topkraft.

Club DSPORT bruger dutile jernbøsninger fra LA Sleeve eller Darton Sleeves til at øge FA20’s boringsstørrelse fra 86 til 89 mm. Kombinationen af 89 mm boring og 90 mm slaglængde bringer slagvolumenet op på 2.240 cc.

Fælles styrker

Der er en række teknologier indbygget i FA20-familien af motorer, der gør dem til et godt grundlag for højtydende motorer. Mens en række moderne motorer inkorporerer direkte indsprøjtning for at muliggøre ydelses- og effektivitetsforbedringer, tilføjer Toyotas D-4S-indsprøjtning konventionel portindsprøjtning ud over den direkte indsprøjtning. Ved at anvende portbrændstofindsprøjtning undgås problemet med dannelse af aflejringer i indsugningen, som plager motorer med direkte indsprøjtning, helt. Desuden giver systemet eftermarkedet mulighed for nemt at opgradere portinjektorerne til højere flowhastigheder, når det er nødvendigt for applikationer med højere effekt.

Her er indsugningsåbningen i en 2,0L turboladet VW-motor efter blot 14.000 miles. Da motoren kun er med direkte indsprøjtning, bliver der aldrig sprøjtet brændstof ind i indsugningsporten for at holde porten og indsugningsventilen ren. Som følge heraf dannes disse massive aflejringer, der dræber luftstrømmen og påvirker ydelsen.

En anden fælles styrke på tværs af FA20-familien er den drastisk øgede cylinderstyrke i forhold til EJ257. Mens cylinderboringsafstanden er identisk mellem en FA20- og en EJ257-motor, giver den mindre cylinderboringsdiameter i FA20-motoren mulighed for tykkere cylindervægge. Disse tykkere vægge skulle kunne rumme et højere cylindertryk, før de går i stykker.

Fælles svagheder

Både FA20-motorerne har forbindelsesstænger, der er det svageste led i den øgede kraftudnyttelse. FA20D-stængerne ser ud til at have tilstrækkelig styrke til at bære størstedelen af bolt-on superchargersystemer med korrekt tuning. Desværre kan det, hvis man går over 300 hestekræfter ved hjulene eller har en tuning, der inducerer en del knock, hurtigt få en af disse stænger til at gå igennem siden af blokken.

Club DSPORT Reference FA’er

Med et personale, der har bygget over 500 EJ257’er, er vi ret fortrolige med det gode og dårlige ved Subaru boxermotorer. Selv om præcisionen af Subaru’s bearbejdning af motoren ikke er den dårligste af alle OEM’er, er den bestemt ikke i top. Som sådan er der betydelige forbedringer at opnå ved at øge præcisionsniveauet med bearbejdningen.

ARP-kapselbolte og hovedbolte er nøglen til at øge FA20-motorens evne til at håndtere kraften. Da disse skruer øger spændingsbelastningerne, kan der opstå yderligere forvrængning af blokken. CNC-linjeboring og cylinderhoning med en torqueplade korrigerer den yderligere forvrængning.

Alle Club DSPORT FA20-baserede opbygninger starter med en helt ny FA20-nøgen blok, der stammer fra Heuberger Subaru i Colorado Springs, Colorado. Det er vores erfaring, at Heuberger ikke kan overgås med hensyn til priser, at have varer på lager og overkommelig og hurtig forsendelse. Det bedste af det hele er, at Heuberger støtter scenen gennem sponsorering af IDRC’s Colorado event. Når den nye blok ankommer, foretages målinger af hovedboringsjusteringen. Denne proces vil afgøre, om det vil være nødvendigt at bearbejde casehalvdelene før line boring-operationen.

Gennemførelse af justering

Et komplet sæt ARP-højtydende casebolte er fastspændt efter specifikation før line boring-operationen. ARP-husboltene er fremstillet af en legering af højere kvalitet, som gør det muligt at øge klemkraften. Da der på nuværende tidspunkt ikke findes nogen eftermarkedslejer med overdimensioneret udvendig diameter til FA20-motorerne, er processen ekstremt kedelig og tidskrævende, da opsætningen kræver en justering inden for et par ti tusindedele af en tomme. Det svarer til ca. 1/10 af diameteren på det tyndeste hår på din krop. Der anvendes specielle PCD-fræsere for at opnå en enestående finish, når først skæreprocessen er sat i gang. Club DSPORT’s optiske værktøjssætter giver mulighed for ekstrem præcision i indstillingen af værktøjet.

CNC 4-akse bearbejdning

Når linjeboringen er afsluttet, skilles blokken ad og samles derefter igen med 2,0000″ stangen på plads. Denne stang gør det muligt at placere motoren i det 4-akse motormaskinecenter til udboring, udrensning, bearbejdning af bøsninger, dæk- og graveringsoperationer. Blokke, der beholder den originale 86 mm boring, skal kun have de parallelle decking- og graveringsoperationer (for at identificere blokken som en motor i Club DSPORT Reference-serien). Ved den parallelle afretning sikres det, at afstanden fra krumtakslens centerlinje til blokens dæk er identisk på begge sider af boxermotoren. Denne linjeboring og den parallelle decking giver en geometri, der sikrer, at afstanden mellem stempel og dæk er identisk i hver enkelt cylinder. Dermed bliver det endelige statiske kompressionsforhold for hver enkelt cylinder mere ensartet. Når CNC-bearbejdningen er afsluttet på blokken, er det tid til honing af cylindrene.

Sleeve-muligheder

Club DSPORT er i færd med at evaluere alle de i øjeblikket tilgængelige højtydende sleeve-tilbud til FA-seriens motor. Club DSPORT har tidligere haft fremragende succes med tilbud fra både Darton Sleeves og LA Sleeves på forskellige motortyper. I forbindelse med FA-seriens motorer vil Club DSPORT bygge FA225-udgaverne med et af de to sleeve-designs afhængigt af kundens præferencer. Der vil også blive stillet specialspecificerede sleeves fra begge leverandører til rådighed til specielle anvendelser.

Dækoverfladen på blokken bearbejdes med en PCBN-fræser, inden den lappes til en superglat finish til MLShovedpakningerne. OEM-hovedpakninger anvendes på FA20- og FA21-iterationerne, mens en HKS 90 mm hovedpakning anvendes på FA225-motorerne med 89 mm kaliber med sleeve.

Plateau & Profileret cylinderhoning med plade

Ud over korrektionen af placeringen af krumtakslens centerlinje i motoren og udligningen af dækhøjderne i motoren, kan den største forskel mellem en fabriksbearbejdet Subaru-motor og en Club DSPORT-referencemotor findes i cylindrene. Ideelt set er motorens cylindre (når de er monteret) så runde og koniske som muligt, samtidig med at de har en ideel overfladefinish til at arbejde sammen med stemplet og stemplens ringpakke. For at opnå dette eksperimenterede Club DSPORT med forskellige designs af torqueplader (også kaldet honingplader), indtil et design blev færdiggjort, der nøjagtigt simulerede forvridningseffekterne ved at bolte hovederne fast til blokken. Der anvendes ARP-hovedbolte og enten en fabriks- (FA20 og FA21) eller Cosworth 90 mm hovedpakning (FA225), når torquepladen boltes på plads. Når cylindrene nu er udsat for de samme belastninger og belastninger som på den færdige motor, hones cylinderen med et specielt diamantslibemiddel til en slutdimension på 86,05 mm eller 89,00 mm (specifikationerne for de specialfremstillede stempler). Cylinderens rundhed og konicitet holdes på under 0,0004″, mens overfladefinishet udlignes og optimeres i hver boring ved hjælp af et profilometer til måling af overfladen. Ved afslutningen af honingprocessen finder der kun en lille mængde afgratning sted, inden blokken jetvaskes, ultralydsrenses og derefter rengøres i hånden, så den er klar til at blive samlet.

Efter målingerne for rethed og journaldimensioner afbalanceres hver krumtapaksel dynamisk til mindre end 0,25grams balance.

Optimeret roterende samling

Mens Club DSPORT FA20 bruger en standard 86 mm OEM-krumtapaksel, bruger både FA21- og FA225-iterationerne fra Club DSPORT den samme smedede og nitriderede stroker-krumtapaksel. Krumtapakslen, der er fremstillet i Japan, har en +4 mm slaglængde (90 mm) og præcisionsklassificerede hoved- og stangstifter. Krumtappen er fuldt varmebehandlet og nitreret for at opnå overlegen styrke, udmattelsesmodstand og hårdhed af journaloverfladen. De fleste af de motorer i Club DSPORT FA-serien, der i øjeblikket er i drift, har krumtapaksler, der er blevet behandlet med Shaftechs Omicron-overfladebehandling. Denne hyperfinishing-proces giver en overlegen overfladefinish, der eliminerer de mikroskopiske bearbejdnings- og slibemærker, der normalt er til stede. Selv om Club DSPORT ikke har foretaget sine egne test af processen, har andre parter set effektforbedringer og friktion reduktion med lignende processer. Hver krumtapaksel er dynamisk afbalanceret til mindre end 0,25 gram ubalance.

Hver eneste stempel er matchet i et sæt stempler med samme dimension og vægt, før de bliver endeligt afbalanceret.

Stempelydelse

Hver Club DSPORT Reference-serie FA-motor i FA-serien har et unikt stempeldesign. Alle tre stempelkonstruktioner er blevet udviklet af Mahle Motorsports for at levere maksimal ydelse, pålidelighed og effektivitet for hver motorversion. Takket være Mahle’s omfattende forbindelser med OEM-leverandører er dets designingeniører velbevandret i at skabe en stempelkuppelform, der er optimeret til direkte indsprøjtningsmiljøet. Stemplerne er også blevet optimeret til brug med E85-brændstoffer, da de øverste ringfødder er blevet hårdt anodiseret for at opnå ekstra styrke og modstandsdygtighed over for mikrosvejsning. Pin-offsets og skirtdesign samt ringpakken er også blevet udvalgt specifikt med henblik på håndtering af høj effekt, forlænget motorlevetid og øget effektivitet. Selv om stemplerne ikke er blevet dokumenteret med hensyn til deres maksimale effekt, tyder computermodeller og erfaringer med lignende 86 mm stempler (f.eks. RB26 og Supra) på, at det er let at opnå en effekt på over 200 hestekræfter pr. cylinder. Det statiske kompressionsforhold vil ligge mellem 10,7-10,8:1 med BRZ-hoveder og 10,9-11,0:1 med WRX-cylinderhoveder. Inden montering afbalancerer Club DSPORT hvert stempel- og stiftsæt med en nøjagtighed på 0,2 gram.

Hver lille ende og stor ende er matchet afbalanceret i hvert sæt og registreret i tilfælde af, at der nogensinde er behov for udskiftning i fremtiden.

Spiralstænger

For at skabe forbindelsen mellem krumtapakslen og stemplet bruger Club DSPORT FA20 Reference Series-motorerne Manley Pro Series I-beam 4340-piralstænger, der er monteret med 3/8-tommer ARP2000-stangbolte. Til Club DSPORT FA21- og FA225-motorerne anvendes en specialfremstillet Manley Pro Series I-bjælke-privatstang. Stængerne er konstrueret til at kunne klare 250 hestekræfter pr. cylinder. Før montering afbalancerer Club DSPORT hver stangs lille og store ende med en nøjagtighed på 0,2 gram.

Lagre, samling og blåtryk

Når alle komponenterne er i en renhedstilstand, der er klar til samling, registreres alle kritiske målinger under samlingen af shortblokken. Det drejer sig bl.a. om alle krumtapakseldimensioner, lejeafstande, krumtapakselevnespil, stangsidespil, stempelringeafstande, afstand mellem stempel og cylindervæg, højde mellem stempel og dæk og det drejningsmoment, der kræves for at dreje den færdige shortblock. I de fleste tilfælde anvendes King Racing XPG-hovedlejerne sammen med Clevite-stanglejerne. Hvis den ideelle olieafstand ikke kan opnås med denne kombination, kan ACL- eller OEM-lejerne dog erstattes af andre lejer. I de fleste tilfælde er clearances indstillet til SAE 0W-40 viskositetsolie.

Et komplet Supertech ventiltræk, herunder indsugningsventiler i sort nitreret rustfrit stål og udstødningsventiler i Inconel, erstatter fabrikkens hardware. Supertech-fjedre, -hylstre, -tætninger og -holdere fuldender det opgraderede ventiltrin, der er orkestreret af HKS-nokkeaksler.

Cylinderhovederne

Mens programmet for den korte blok er afsluttet, er cylinderhovedprogrammet stadig et par måneder fra at være færdigt. FA21-dynotesten omfattede en kombination af HKS-nokkeaksler med Supertech nitrid rustfri indsugningsventiler af nitrid og udstødningsventiler af Inconel. FA225, der i øjeblikket er ved at blive samlet, vil blive udstyret med et Piper Cams BP285 Ultimate Road-nokkeaksel-sæt med +1 mm overdimensionerede ventiler. Nockerne er betydeligt mere aggressive end HKS-nokerne og skulle være bedre egnet til den øgede slagvolumen.

Resultaterne

For nylig fik vi mulighed for at sætte en af Club DSPORT Reference Series FA21-motorerne på prøve. Efter at lagermotoren overgav sig med lidt over 400whp i vores Project turbo FR-S, besluttede vi, at dette ville være den perfekte testbænk for den nye motor. Tidligere hjalp Full-Race EFR-turbosystemet den originale FA20 med at generere 412whp ved ca. 6.900RPM. Det maksimale drejningsmoment lå på 332 ft-lbs ved 6.000 omdrejninger pr. minut. Boost toppede ved ca. 15psi under kørsel på E85.

Med Club DSPORT FA21-motoren på plads forventede vi at se en momentforøgelse på 5-10 % ved samme boost-niveau på grund af den øgede slagvolumen og de forbedringer. Ved 2.500RPM før nogen nævneværdig boost bliver lavet, blev drejningsmomentet forbedret fra 125 ft-lbs til 160 ft-lbs. Det er en betydelig stigning på 28 procent. Ved 3.500 RPM blev drejningsmomentet forbedret fra 215 ft-lbs til 270 ft-lbs; en stigning på 26 %. FA21 leverer således responsegenskaber som en 2,5-liters motor. Hvis man ekstrapolerer disse data, kan FA225 have responsegenskaberne for en 2,7-liters.

Stock-motor, stock-motor med Full-Race EFR7163-kit og Club DSPORT FA21 med Full-Race EFR7163 viser de massive gevinster, der er mulige med en korrekt opbygget 2,1-liters FA20.

Ingen kompromiser. Den nuværende kombination viser en drejningsmomentkurve til at dø for. Det bedste af det hele er, at der stadig er mere at realisere, når brændstofsystemet får endnu en runde af opgraderinger.

Resultater ved høj boost

Takket være den øgede effekthåndtering og det tvangsindføringsoptimerede kompressionsforhold kunne vi endelig øge boostet uden fare. Med boostet indstillet til 24 psi leverede FA21’eren, og den leverede stort. Effektkurven toppede ved 563whp, men havde en form, som alle de andre 2-liters motorer ville misunde. Sammenlignet med fabriksmotoren var der ingen kompromittering af ydelsen fra 2.000 omdrejninger pr. minut til den nye rødgrænse på 7.600 omdrejninger pr. minut. Der er et drejningsmoment på over 300 ft-lbs til rådighed fra 3.700RPM til, indtil du rammer omdrejningsbegrænseren. Det virkelige sweet spot er mellem 4.800 og 7.000 omdrejninger pr. minut, hvor der er over 400 lbs-pund-pund drejningsmoment til rådighed efter behov. Selv om disse tal er imponerende, er der sandsynligvis mere ydelse til rådighed, da vi simpelthen løb tør for injektorkapacitet til at understøtte mere kraft. Baseret på dataene skulle EFR 7163 være i stand til at komme over 600whp-mærket ved ca. 28psi boost. Når vi får vores transmissionsløsning på plads, får vi vores turbo-FR-S tilbage på dynoen for at presse den hårdere.

Vores Silver FR-S vil fungere som vores interne tester for den 2,1-liters FA21-version af Club DSPORT Reference Series-programmet. Den 2,3-liters tester vil være supercharged.

Pleasantly Surpriseed

Vi har udviklet og bygget RB-motorer med 1.400 hk, B-serie Hondas med 1.000+ hk, 2JZ-motorer, der har vundet mesterskaber, og for mange andre motorer til at nævne. Selv om de andre motorers rene effekt kan overgå de nuværende tal for FA-seriens udvikling, er der ingen motor, der har overgået vores forudsigelser som FA21 og FA225. Selv om vi har tillid til udviklingen op til 600whp-niveauet, ved vi ikke, hvilke begrænsninger der vil blive afsløret, når 700-, 800-, 900- eller 1000whp-niveauet nås. I betragtning af at en 550whp FA21 eller 600whp FA23 ville opfylde kravene for 98 procent af den mest ambitiøse WRX- eller 86-ejer, er vi nødt til at sige: “stop swapet”. Hvis du har brug for mere, er vi ret sikre på, at vi kan finde ud af, hvad der virkelig er nødvendigt for 700-, 800- og måske endda 1000whp.