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Los V8 de Ford y Chevy, los 2JZ de Toyota, los EJ257 de Subaru e incluso los motores de Ferrari han conseguido ocupar el lugar del FA20 de Subaru en más de un puñado de plataformas BRZ, WRX, FR-S y 86. Ya sea en la Fórmula D, en Pike’s Peak, en el Time Attack o incluso en la pista de carreras, la solución ha sido cambiar el FA20 en lugar de darle la oportunidad de demostrar su valía. La popularidad de los cambios de motor en el 86 hace que muchos asuman que el FA20 no es una plataforma de motor viable para objetivos de más de 500 CV. Entonces, ¿es el FA20 una causa perdida? En una palabra, «no».

Texto de Michael Ferrara // Fotos de Joe Singleton

DSPORT Edición #187

Es un Guardián

Los primeros resultados del programa de desarrollo de motores FA20 del Club DSPORT son un fuerte argumento para detener el intercambio. ¿Cómo suenan más de 560 caballos de potencia a 6.500 RPM y más de 475 pies-libras de par a 5.750 RPM de un FA20 de 2,1 litros turboalimentado con bomba de E85 con los modales de un motor de serie? Esto es sólo el principio, ya que el Club DSPORT va a forzar más el motor de 2,1 litros y a la vez va a iniciar las pruebas de su FA20 de 2,25 litros, que tendrá una potencia adicional. Para comprender plenamente el proceso de desarrollo del motor del Club DSPORT, es necesario entender primero el FA20 en su forma «tal como se entrega».

Muchos creen erróneamente que las versiones BRZ y WRX del FA20 son similares con la excepción de la relación de compresión y la presencia de un turbocompresor. En realidad, las diferencias son enormes, incluyendo el bloque, las cabezas, los pistones, las varillas, las válvulas, los árboles de levas y las bombas de aceite. La mayoría de las piezas no se intercambian.

D y F

Antes de clasificar el FA20 en su forma original, es importante entender que hay dos versiones muy diferentes del motor. El FA20D (a menudo denominado simplemente FA20) es la versión con aspiración natural de 200 CV que se encuentra en el BRZ, el FR-S y el 86; mientras que el FA20F (erróneamente denominado FA20T, ya que está turboalimentado) ofrece casi 270 CV. Mucha gente asume que la única diferencia entre los dos motores son las relaciones de compresión y la presencia de un turbocompresor. En realidad, hay más diferencias que similitudes entre estos dos motores. Los bloques, las culatas, los pistones, las bielas, las válvulas y los colectores de admisión son exclusivos de cada plataforma. Aunque esto obviamente eleva los costes de producción, permite a Subaru optimizar cada motor para su uso específico.

Las culatas del BRX cuentan con pequeños puertos de alta velocidad para reducir el retraso del turbo y mejorar la respuesta. Las culatas del BRZ tienen puertos más grandes y de mayor flujo basados en válvulas más grandes. Esta es una de las razones por las que el motor del WRX alcanza su máxima potencia a un régimen más bajo.

Resumen del FA20D

Subaru ha diseñado el FA20D para que sea un 2.0 litros extremadamente eficiente, con una eficacia volumétrica, mecánica y térmica excepcional. En las ruedas, el 2.0 litros ofrece aproximadamente 170 caballos de potencia a 6.700 RPM, mientras que logra arrancar casi 150 pies-libra de par. Aunque estas cifras no parezcan tan impresionantes por sí solas, un vistazo a la curva de par que ofrece casi el 90 por ciento del par máximo de 2.500 a 7.000 RPM es todo un logro. Aunque esta curva de par es ideal para la calle o la pista, no tiene el impacto psicológico de un motor Honda F20C VTEC que tiene una curva de par máxima y corta que no pone las cosas en marcha hasta la parte superior del tacómetro LED del S2000. De ahí que muchos se quejen de que el BRZ, el FR-S y el 86 carecen gravemente de potencia. En realidad, la curva de par amplia y plana simplemente hace que parezca que le falta potencia.

Si bien las culatas del BRZ son superiores en cuanto a flujo, las del WRX son mejores en cuanto a eficiencia de la combustión. Las almohadillas dobles de enfriamiento ayudan a reducir la detonación. La combinación ideal de la cámara de combustión del WRX con los puertos y las válvulas del BRZ está actualmente en fase de trabajo en el Club DSPORT.

Resumen del FA20F

Al desarrollar el primo turboalimentado del FA20D, los ingenieros de Subaru se centraron en hacer del FA20F un 2.0 litros turboalimentado con las características de salida de un V8 de 4.0 litros. Esto significaba hacer que el 2.0 litros se comportara como si tuviera el doble de su cilindrada. Para lograrlo, se dio prioridad a conseguir que el motor entrara en aceleración lo más rápidamente posible. Además de dimensionar el turbocompresor en consecuencia, el colector de admisión, las culatas e incluso las válvulas de admisión y escape son mucho más pequeñas que en el FA20D para mantener las velocidades de flujo más altas. Los árboles de levas y la sincronización de las levas también están sesgados para mejorar la respuesta y la eficiencia a baja velocidad. Como resultado, el FA20F entrega su potencia máxima a 5.600RPM en lugar de las 7.000RPM del FA20D. Los puertos pequeños que hacen que el FA20F sea tan sensible y eficaz a bajas velocidades del motor son también los que limitan su potencia máxima.

Club DSPORT utiliza manguitos de hierro dúctil de LA Sleeve o Darton Sleeves para aumentar el tamaño del diámetro del FA20 de 86 a 89mm. La combinación de 89mm de diámetro y 90mm de carrera lleva la cilindrada a 2.240cc.

Fuerzas comunes

Hay una serie de tecnologías incorporadas en la familia de motores FA20 que los convierten en una buena base para el alto rendimiento. Mientras que varios motores modernos incorporan la inyección directa para permitir mejoras de rendimiento y eficiencia, la inyección D-4S de Toyota añade la inyección de puerto convencional además de la inyección directa. Al emplear la inyección de combustible en puerto, se evita por completo el problema de la formación de depósitos en la admisión que afecta a los motores de inyección directa. Además, el sistema permite que el mercado de posventa actualice fácilmente los inyectores de puerto a caudales más altos cuando sea necesario para aplicaciones de mayor potencia.

Aquí está el puerto de admisión de un motor VW 2.0L turboalimentado después de sólo 14.000 millas. Como el motor es de inyección directa, nunca se inyecta combustible en el puerto de admisión para mantener el puerto y la válvula de admisión limpios. Como resultado, estos depósitos masivos se forman, matando el flujo de aire y afectando el rendimiento.

Otro punto fuerte común a toda la familia FA20 es el aumento drástico de la resistencia del cilindro en comparación con el EJ257. Aunque la distancia entre los orificios de los cilindros es idéntica entre los motores FA20 y EJ257, el menor diámetro de los orificios de los cilindros del FA20 permite que las paredes de los cilindros sean más gruesas. Estas paredes más gruesas deberían ser capaces de contener mayores presiones de los cilindros antes de fallar.

Debilidad común

Ambos motores FA20 cuentan con bielas que son el eslabón más débil para un mayor manejo de la potencia. Las bielas del FA20D parecen tener suficiente fuerza para soportar la mayor parte de los sistemas de sobrealimentación atornillados con una puesta a punto adecuada. Desafortunadamente, ir más allá de 300 caballos de fuerza en las ruedas o tener una sintonía que induce algunos golpes puede poner rápidamente una de estas varillas a través del lado del bloque.

Club DSPORT Referencia FAs

Tener un personal que ha construido más de 500 EJ257s nos hace bastante familiar con lo bueno y lo malo con los motores bóxer Subaru. Mientras que la precisión del mecanizado de Subaru del motor no es el peor de cualquier OEM, es definitivamente no en la parte superior. Como tal, hay mejoras significativas que se pueden realizar mediante el aumento del nivel de precisión con el mecanizado.

Los pernos de la caja ARP y los pernos de la cabeza son clave para aumentar la capacidad de manejo de potencia del motor FA20. Dado que estas fijaciones aumentan las cargas de sujeción, puede producirse una distorsión adicional en el bloque. El taladrado de la línea CNC y el bruñido del cilindro con una placa de torsión corrigen la distorsión adicional.

Todas las construcciones basadas en el FA20 del Club DSPORT comienzan con un bloque desnudo FA20 nuevo que se obtiene de Heuberger Subaru de Colorado Springs, Colorado. En nuestra experiencia, Heuberger no puede ser vencido en términos de precios, tener artículos en stock y asequible, el envío rápido. Lo mejor de todo es que Heuberger apoya la escena a través del patrocinio del evento del IDRC en Colorado. Cuando llega el nuevo bloque, se realizan mediciones de la alineación del orificio principal. Este proceso determinará si las mitades de la caja necesitarán o no ser mecanizadas antes de la operación de taladrado en línea.

Consiguiendo la alineación

Un juego completo de tornillos de caja de alto rendimiento ARP se aprieta según las especificaciones antes de la operación de taladrado en línea. Los tornillos de caja ARP están fabricados con una aleación de mayor calidad que permite aumentar la fuerza de apriete. Dado que actualmente no hay cojinetes de diámetro exterior sobredimensionados en el mercado para los motores FA20, el proceso es extremadamente tedioso y requiere mucho tiempo, ya que la configuración requiere una alineación dentro de un par de diez milésimas de pulgada. Eso es aproximadamente 1/10 del diámetro del pelo más fino de tu cuerpo. Una vez iniciado el proceso de corte, se utilizan cortadores especiales de PCD para producir un acabado excepcional. El ajustador óptico de herramientas del Club DSPORT permite una precisión extrema en el ajuste de las herramientas.

Mecanizado CNC en 4 ejes

Una vez finalizada la operación de perforación de líneas, el bloque se desmonta y se vuelve a montar con la barra de 2,0000″ en su lugar. Esta barra permite colocar el motor en el centro de mecanizado de motores de 4 ejes para las operaciones de mandrinado, desbarbado, mecanizado de manguitos, decapado y grabado. Los bloques que mantienen el diámetro original de 86 mm sólo necesitarán las operaciones de decking paralelo y grabado (para identificar el bloque como un motor de la serie Club DSPORT Reference). La operación de entalladura paralela garantiza que la distancia desde la línea central del cigüeñal hasta la cubierta del bloque sea idéntica en ambas bancadas del motor bóxer. Esta operación de mandrinado en línea y la operación de cubierta paralela proporcionan una geometría que garantiza que la holgura entre el pistón y la cubierta sea idéntica en todos los cilindros. A su vez, la relación de compresión estática final de cada cilindro es más consistente. Una vez que se ha completado el mecanizado CNC en el bloque, es el momento de bruñir los cilindros.

Opciones de manguitos

El Club DSPORT está en proceso de evaluar todas las ofertas de manguitos de alto rendimiento disponibles actualmente para el motor de la serie FA. En el pasado, el Club DSPORT ha tenido un excelente éxito con las ofertas de Darton Sleeves y LA Sleeves en varios tipos de motores. Para el motor de la serie FA, el Club DSPORT construirá las ediciones FA225 con cualquiera de los dos diseños de manguitos según la preferencia del cliente. Los manguitos personalizados de ambos proveedores también estarán disponibles para aplicaciones especiales.

La superficie de la cubierta del bloque se mecaniza con un cortador de PCBN antes de ser lapeado para obtener un acabado súper suave para las juntas de culata MLS. Las juntas de culata OEM se utilizan en las iteraciones FA20 y FA21, mientras que una junta de culata HKS de 90 mm se utiliza en los motores FA225 de 89 mm de diámetro.

Meseta & Bruñido de cilindros perfilado con placa

Además de la corrección de la colocación de la línea central del cigüeñal en el motor y la igualación de las alturas de la cubierta en el motor, la mayor diferencia entre un motor Subaru mecanizado de fábrica y un motor de referencia Club DSPORT se encuentra en los cilindros. Lo ideal es que los cilindros del motor (una vez ensamblados) sean lo más redondos y sin conicidad posible, a la vez que presenten un acabado superficial ideal para trabajar con el pistón y el paquete de segmentos del mismo. Para lograr esto, el Club DSPORT experimentó con diferentes diseños de placa de torsión (también conocida como placa de bruñido) hasta que se finalizó un diseño que simulaba exactamente los efectos de distorsión de atornillar las cabezas al bloque. Al atornillar la placa de torsión se utilizan pernos de culata ARP y una junta de culata de fábrica (FA20 y FA21) o Cosworth de 90 mm (FA225). Ahora que los cilindros están sometidos a las mismas tensiones y presiones que se producirán en el motor terminado, el cilindro se bruñe utilizando un abrasivo especial de diamante hasta alcanzar una dimensión final de 86,05 mm u 89,00 mm (la especificación para los pistones personalizados). La redondez y conicidad del cilindro se mantiene por debajo de 0,0004″, mientras que el acabado de la superficie se iguala y optimiza en cada orificio utilizando un perfilómetro para medir la superficie. Al final del proceso de bruñido, sólo se realiza una pequeña cantidad de desbarbado antes de que el bloque se lave a chorro, se limpie con ultrasonidos y, a continuación, se limpie a mano hasta dejarlo listo para el montaje.

Después de las mediciones de rectitud y dimensiones del gorrón, cada cigüeñal se equilibra dinámicamente a menos de 0,25 gramos de equilibrio.

Conjunto giratorio optimizado

Mientras que el Club DSPORT FA20 utiliza un cigüeñal OEM estándar de 86mm, las iteraciones FA21 y FA225 del Club DSPORT utilizan el mismo cigüeñal stroker forjado y nitrurado. El cigüeñal, fabricado en Japón, tiene una carrera de +4 mm (90 mm) y los bulones de la biela y la culata son de precisión. El cigüeñal está totalmente tratado térmicamente y nitrurado para obtener una mayor fuerza, resistencia a la fatiga y dureza de la superficie del muñón. La mayoría de los motores de la serie FA del Club DSPORT que se encuentran actualmente en el campo cuentan con cigüeñales que han sido procesados con el tratamiento superficial Omicron de Shaftech. Este proceso de hiperacabado produce un acabado superficial superior que elimina las marcas microscópicas de mecanizado y rectificado normalmente presentes. Aunque el Club DSPORT no ha realizado sus propias pruebas del proceso, otras partes han observado ganancias de potencia y reducción de la fricción con procesos similares. Cada cigüeñal se equilibra dinámicamente a menos de 0,25 gramos de desequilibrio.

Todos y cada uno de los pistones se emparejan en un conjunto de pistones de dimensiones y pesos similares antes de ser equilibrados definitivamente.

Rendimiento de los pistones

Cada motor Club DSPORT Reference-series FA tiene un diseño de pistón único. Los tres diseños de pistón han sido diseñados por Mahle Motorsports para ofrecer el máximo rendimiento, fiabilidad y eficiencia para cada versión del motor. Gracias a la amplia relación de Mahle con los proveedores OEM, sus ingenieros de diseño están bien versados en la creación de una forma de cúpula de pistón optimizada para el entorno de inyección directa. Los pistones también se han optimizado para su uso con combustibles E85, ya que los segmentos superiores se han anodizado con dureza para aumentar la fuerza y la resistencia a la microsoldadura. Los desplazamientos de los bulones y el diseño de la falda, así como el conjunto de segmentos, también se han seleccionado específicamente para el manejo de la alta potencia, la prolongación de la vida del motor y el aumento de la eficiencia. Aunque no se han documentado los límites de potencia de los pistones, los modelos informáticos y la experiencia con pistones similares de 86 mm (es decir, el RB26 y el Supra) sugieren que se puede alcanzar fácilmente una potencia superior a los 200 CV por cilindro. La relación de compresión estática estará entre 10,7 y 10,8:1 con las culatas del BRZ y entre 10,9 y 11,0:1 con las del WRX. Antes de la instalación, Club DSPORT equilibra cada conjunto de pistones y pasadores con una precisión de 0,2 gramos.

Cada extremo pequeño y cada extremo grande se equilibra en cada conjunto y se registra en caso de que se necesite una sustitución en el futuro.

Barras de conexión

Para realizar la conexión entre el cigüeñal y el pistón, los motores de la serie de referencia Club DSPORT FA20 utilizan las bielas Manley Pro Series I-beam 4340, disponibles en el mercado, equipadas con pernos de biela ARP2000 de 3/8 pulgadas. Para los motores Club DSPORT FA21 y FA225, se utiliza una biela Manley Pro Series I-beam personalizada. Las bielas están diseñadas para soportar 250 caballos de potencia por cilindro. Antes de la instalación, el Club DSPORT equilibra el extremo pequeño y grande de cada biela con una precisión de 0,2 gramos.

Rodamientos, montaje y planos

Una vez que todos los componentes están en un estado de limpieza listo para el montaje, se registran todas las mediciones críticas durante el montaje del bloque corto. Éstas incluyen todas las dimensiones del gorrón del cigüeñal, las holguras de los cojinetes, la holgura del extremo del cigüeñal, la holgura del extremo del anillo del pistón, la holgura de la pared del pistón al cilindro, la altura del pistón a la cubierta y el par de torsión necesario para girar el bloque corto terminado. En la mayoría de los casos, los cojinetes de bancada King Racing XPG se utilizan con los cojinetes de biela Clevite. Sin embargo, si no se pueden conseguir las holguras ideales con esta combinación, se pueden sustituir por cojinetes ACL u OEM. En la mayoría de los casos, las holguras están configuradas para aceite de viscosidad SAE 0W-40.

Un completo tren de válvulas Supertech que incluye válvulas de admisión de acero inoxidable nitrurado en negro y válvulas de escape de Inconel sustituyen al hardware de fábrica. Los resortes, retenedores, juntas y guardas Supertech completan el tren de válvulas actualizado que está orquestado por los árboles de levas HKS.

Las culatas

Mientras que el programa del bloque corto se ha completado, el programa de las culatas todavía está a un par de meses de su finalización. La prueba de banco de potencia del FA21 contó con una combinación de árboles de levas HKS con válvulas de admisión de nitruro inoxidable Supertech y válvulas de escape Inconel. El FA225, actualmente en montaje, utilizará un juego de árboles de levas Piper Cams BP285 Ultimate Road con válvulas sobredimensionadas de +1mm. Las levas son considerablemente más agresivas que las de HKS y deberían ser más adecuadas para el aumento de la cilindrada.

Los resultados

Recientemente, tuvimos la oportunidad de poner a prueba uno de los motores FA21 de la serie de referencia del Club DSPORT. Después de que el motor de stock se rindió a poco más de 400whp en nuestro Proyecto turbo FR-S, decidimos que este sería el banco de pruebas perfecto para el nuevo motor. Anteriormente, el sistema de turbo EFR de competición completa ayudó al FA20 de serie a generar 412 CV a unas 6.900 RPM. El par máximo fue de 332 pies-libra a 6.000 RPM. El pico de potencia fue de aproximadamente 15 psi mientras se ejecuta en E85.

Con el motor FA21 del Club DSPORT en su lugar, esperábamos ver una ganancia de par en el rango de 5 a 10 por ciento en los mismos niveles de impulso debido al aumento de la cilindrada y las mejoras. A 2.500 RPM, antes de cualquier impulso apreciable, el par motor mejoró de 125 pies-libras a 160 pies-libras. Eso es un aumento significativo del 28%. A 3.500 RPM, el par motor mejoró de 215 ft-lbs a 270 ft-lbs; un aumento del 26%. Por lo tanto, el FA21 está ofreciendo las características de respuesta de un 2,5 litros. Extrapolando esos datos, el FA225 puede tener las características de respuesta de un 2,7 litros.

Motor de serie, motor de serie con kit Full-Race EFR7163 y Club DSPORT FA21 con Full-Race EFR7163 muestran las enormes ganancias posibles con un FA20 de 2,1 litros correctamente construido.

Sin compromisos. La combinación actual muestra una curva de par para morir. Lo mejor de todo es que todavía hay más por realizar una vez que el sistema de combustible recibe otra ronda de actualizaciones.

Resultados de la sobrealimentación

Gracias al aumento de la potencia y a la relación de compresión optimizada para la inducción forzada, finalmente pudimos aumentar la sobrealimentación con seguridad. Con la sobrealimentación ajustada a 24 psi, el FA21 rindió, y rindió a lo grande. La curva de potencia alcanzó un máximo de 563 CV, pero tenía una forma que todos los demás motores de 2 litros envidiarían. En comparación con el motor de fábrica, no había ningún compromiso en el rendimiento en cualquier lugar de 2.000RPM a la nueva línea roja de 7.600RPM. Más de 300 ft-lbs de par motor están disponibles desde las 3.700RPM hasta que se alcanza el límite de revoluciones. El verdadero punto dulce está entre las 4.800 y las 7.000 RPM, donde hay más de 400 lbs-pie de par disponibles bajo demanda. Aunque estas cifras son impresionantes, es probable que haya más rendimiento disponible, ya que simplemente nos quedamos sin capacidad de inyectores para soportar más potencia. Basándonos en los datos, el EFR 7163 debería ser capaz de superar la marca de los 600 CV a unos 28 psi de potencia. Una vez que tengamos nuestra solución de transmisión en su lugar, vamos a conseguir nuestro turbo FR-S de nuevo en el banco de pruebas para empujar más duro.

Nuestro Silver FR-S servirá como nuestro probador interno para la versión FA21 de 2,1 litros del programa de la serie de referencia del Club DSPORT. El probador de 2,3 litros estará sobrealimentado.

Alegremente sorprendido

Hemos desarrollado y construido motores RB de 1.400 CV, Hondas de la serie B de más de 1.000 CV, 2JZ ganadores de campeonatos y demasiados otros motores para mencionarlos. Aunque la potencia de los otros motores puede eclipsar las cifras actuales de desarrollo de la serie FA, no hay ningún motor que haya superado nuestras previsiones como el FA21 y el FA225. Aunque confiamos en el desarrollo hasta el nivel de 600 CV, no sabemos qué limitaciones quedarán al descubierto cuando se alcancen los niveles de 700, 800, 900 o 1000 CV. Teniendo en cuenta que un FA21 de 550cv o un FA23 de 600cv satisfaría las demandas del 98% de los propietarios de WRX u 86 más ambiciosos, tenemos que decir «basta de intercambios». Si necesita más, estamos bastante seguros de que vamos a averiguar lo que realmente se necesita para 700-, 800- y tal vez incluso 1000whp.