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Les V8 Ford et Chevrolet, les 2JZ Toyota, les EJ257 Subaru et même les moteurs Ferrari ont réussi à prendre la place du FA20 Subaru dans plus d’une poignée de plateformes BRZ, WRX, FR-S et 86. Que ce soit en Formule D, à Pike’s Peak, en course contre la montre ou même sur la piste de dragster, la solution la plus courante a été de remplacer le FA20 au lieu de lui donner une chance de faire ses preuves. La popularité des échanges de moteurs sur la 86 a amené beaucoup de gens à penser que le FA20 n’est pas une plateforme moteur viable pour des objectifs de plus de 500 chevaux. Alors, le FA20 est-il une cause perdue ? En un mot, « non ».

Texte de Michael Ferrara // Photos de Joe Singleton

DSPORT Issue #187

It’s a Keeper

Les premiers résultats du programme de développement continu du moteur FA20 du Club DSPORT constituent un argument fort pour arrêter le swap. Que pensez-vous de la puissance de plus de 560 chevaux à 6 500 tr/min et du couple de plus de 475 lb-pi à 5 750 tr/min d’un FA20 de 2,1 litres turbocompressé à la pompe E85 avec les manières d’un moteur de série ? Ce n’est qu’un début, car Club DSPORT va pousser plus loin le 2,1 litres tout en commençant les essais de son FA20 de 2,25 litres qui aura une puissance et des capacités de traitement de la puissance supplémentaires. Pour bien comprendre le processus de développement du moteur de Club DSPORT, il faut d’abord comprendre le FA20 dans sa forme  » telle que livrée « .

Beaucoup croient à tort que les versions BRZ et WRX du FA20 sont similaires à l’exception du taux de compression et de la présence d’un turbocompresseur. En réalité, les différences sont vastes, y compris le bloc, les têtes, les pistons, les tiges, les soupapes, les arbres à cames et les pompes à huile. La plupart des pièces ne seront pas interchangeables.

D et F

Avant de classer le FA20 dans sa forme brute, il est important de comprendre qu’il existe deux versions très différentes du moteur. Le FA20D (souvent appelé simplement FA20) est la version atmosphérique de 200 chevaux au volant que l’on trouve dans les BRZ, FR-S et 86 ; tandis que le FA20F (appelé à tort FA20T, car il est turbocompressé) délivre près de 270 chevaux au volant. Beaucoup de gens pensent que les seules différences entre les deux moteurs sont les taux de compression et la présence d’un turbocompresseur. En fait, il y a plus de différences que de similitudes entre ces deux moteurs. Les blocs, têtes, pistons, tiges, soupapes et collecteurs d’admission sont uniques à chaque plate-forme. Bien que cela augmente évidemment les coûts de production, cela permet à Subaru d’optimiser chaque moteur pour son utilisation spécifique.

Les culasses du WRX comportent de petits orifices à haute vélocité pour réduire le décalage du turbo et améliorer la réponse. Les culasses de la BRZ ont des orifices plus grands et à débit plus élevé, basés sur des soupapes plus grandes. C’est l’une des raisons pour lesquelles le moteur WRX atteint sa puissance maximale à un régime inférieur.

FA20D Brief

Subaru a conçu le FA20D pour être un 2,0 litres extrêmement efficace avec des rendements volumétrique, mécanique et thermique exceptionnels. Aux roues, le 2,0 litres délivre environ 170 chevaux à 6 700 tr/min tout en parvenant à produire un couple de près de 150 lb-pi. Si ces chiffres ne semblent pas très impressionnants en soi, un coup d’œil à la courbe de couple qui délivre près de 90 % du couple maximal entre 2 500 et 7 000 tr/min est un véritable exploit. Bien que cette courbe de couple soit idéale pour la rue ou la piste, elle n’a pas l’impact psychologique d’un moteur Honda F20C VTEC dont la courbe de couple est courte et maximale et qui ne se met en marche qu’à partir de la limite supérieure du tachymètre à DEL de la S2000. C’est pourquoi beaucoup se plaignent que les BRZ, FR-S et 86 manquent cruellement de puissance. En réalité, la courbe de couple large et plate donne simplement l’impression de manquer de puissance.

Si les culasses de la BRZ sont supérieures pour le débit, celles de la WRX le sont pour l’efficacité de la combustion. Les tampons de trempe jumelés aident à réduire la détonation. La combinaison idéale de la chambre de combustion de la WRX avec les orifices et les soupapes de la BRZ est actuellement en cours de réalisation au Club DSPORT.

FA20F Brief

En développant le cousin turbocompressé du FA20D, les ingénieurs de Subaru se sont attachés à faire du FA20F un 2,0 litres turbocompressé avec les caractéristiques de sortie d’un V8 de 4,0 litres. Cela signifiait que le 2,0 litres devait se comporter comme s’il avait deux fois sa cylindrée. Pour ce faire, la priorité a été donnée à la montée en puissance du moteur le plus rapidement possible. En plus de dimensionner le turbocompresseur en conséquence, le collecteur d’admission, les culasses et même les soupapes d’admission et d’échappement sont beaucoup plus petits que ceux du FA20D afin de maintenir des vitesses d’écoulement plus élevées. Les arbres à cames et le calage des cames sont également orientés vers la réponse et l’efficacité à bas régime. En conséquence, le FA20F délivre sa puissance maximale à 5 600 tr/min au lieu des 7 000 tr/min du FA20D. Les petits orifices qui rendent le FA20F si réactif et efficace à bas régime sont aussi ce qui limite sa puissance à haut régime.

Club DSPORT utilise des manchons en fer ductile de LA Sleeve ou Darton Sleeves pour augmenter l’alésage du FA20 de 86 à 89mm. La combinaison de l’alésage de 89mm et de la course de 90mm porte la dispersion à 2 240cc.

Forces communes

Il y a un certain nombre de technologies incorporées dans la famille de moteurs FA20 qui en font une bonne base pour la haute performance. Alors qu’un certain nombre de moteurs modernes intègrent l’injection directe pour permettre des améliorations de performance et d’efficacité, l’injection D-4S de Toyota ajoute l’injection portuaire conventionnelle en plus de l’injection directe. En utilisant l’injection par port, le problème de la formation de dépôts à l’admission qui affecte les moteurs à injection directe est complètement évité. En outre, le système permet au marché secondaire de mettre facilement à niveau les injecteurs de port à des débits plus élevés lorsque cela est nécessaire pour des applications plus puissantes.

Voici le port d’admission d’un moteur VW 2,0L turbocompressé après seulement 14 000 miles. Comme le moteur est uniquement à injection directe, il n’y a jamais de carburant injecté dans l’orifice d’admission pour garder l’orifice et la soupape d’admission propres. En conséquence, ces dépôts massifs se forment, tuant le flux d’air et affectant les performances.

Une autre force commune à toute la famille FA20 est la résistance des cylindres drastiquement accrue par rapport à l’EJ257. Alors que l’espacement des alésages de cylindre est identique entre un moteur FA20 et un moteur EJ257, le diamètre d’alésage de cylindre plus petit du FA20 permet des parois de cylindre plus épaisses. Ces parois plus épaisses devraient être en mesure de contenir des pressions de cylindre plus élevées avant la défaillance.

Faiblesses communes

Les deux moteurs FA20 comportent des bielles qui sont le maillon le plus faible pour augmenter la tenue en puissance. Les bielles du FA20D semblent avoir suffisamment de force pour supporter l’essentiel des systèmes de suralimentation boulonnés avec un réglage approprié. Malheureusement, aller au-delà de 300 chevaux aux roues ou avoir un réglage qui induit un certain cognement peut rapidement mettre une de ces tiges à travers le côté du bloc.

Club DSPORT Référence FAs

Avec un personnel qui a construit plus de 500 EJ257s, nous sommes assez familiers avec le bon et le mauvais avec les moteurs boxer Subaru. Si la précision de l’usinage du moteur par Subaru n’est pas la pire de tous les équipementiers, elle n’est certainement pas au top. En tant que tel, il y a des améliorations significatives à réaliser en augmentant le niveau de précision de l’usinage.

Les boulons de carter et les boulons de culasse de l’ARP sont essentiels pour augmenter les capacités de tenue en puissance du moteur FA20. Comme ces fixations augmentent les charges de serrage, des déformations supplémentaires du bloc peuvent se produire. L’alésage de ligne CNC et le rodage de cylindre avec une plaque de couple corrigent la distorsion supplémentaire.

Toutes les constructions basées sur le FA20 du Club DSPORT commencent avec un bloc nu FA20 tout neuf provenant de Heuberger Subaru de Colorado Springs, Colorado. Selon notre expérience, Heuberger ne peut pas être battu en termes de prix, d’avoir des articles en stock et d’expédition abordable et rapide. Mieux encore, Heuberger soutient la scène en parrainant l’événement de l’IDRC au Colorado. Lorsque le nouveau bloc arrive, des mesures de l’alignement de l’alésage principal sont effectuées. Ce processus déterminera si les moitiés de carter devront être usinées ou non avant l’opération d’alésage en ligne.

Mise en alignement

Un jeu complet de boulons de carter ARP haute performance est serré au couple selon les spécifications avant l’opération d’alésage en ligne. Les boulons de carter ARP sont fabriqués à partir d’un alliage de qualité supérieure qui permet d’augmenter la force de serrage. Étant donné qu’il n’existe pas actuellement de coussinets de diamètre extérieur surdimensionné sur le marché des pièces de rechange pour les moteurs FA20, le processus est extrêmement fastidieux et long, car le réglage nécessite un alignement à quelques dix millièmes de pouce près. Cela représente environ 1/10 du diamètre du plus fin des cheveux de votre corps. Des fraises PCD spéciales sont utilisées pour produire une finition exceptionnelle une fois le processus de découpe lancé. Le régleur d’outils optique du Club DSPORT permet une extrême précision dans le réglage de l’outillage.

Usinage CNC 4 axes

Une fois l’opération d’alésage des lignes terminée, le bloc est démonté puis remonté avec la barre de 2,0000″ en place. Cette barre permet de placer le moteur dans le centre d’usinage de moteurs à 4 axes pour les opérations d’alésage, de dégagement, d’usinage des manchons, de platelage et de gravure. Les blocs conservant l’alésage d’origine de 86 mm ne nécessiteront que les opérations d’usinage parallèle et de gravure (pour identifier le bloc comme un moteur de la série Club DSPORT Reference). L’opération de mise en parallèle des plateaux garantit que la distance entre l’axe du vilebrequin et le plateau du bloc est identique sur les deux rangées du moteur boxer. Cette opération d’alésage en ligne et d’étagement parallèle fournit une géométrie qui garantit que le jeu entre le piston et le plateau est identique dans chaque cylindre. En retour, le taux de compression statique final de chaque cylindre devient plus cohérent. Une fois l’usinage CNC terminé sur le bloc, il est temps de procéder au rodage des cylindres.

Options de manchons

Club DSPORT est en train d’évaluer toutes les offres de manchons haute performance actuellement disponibles pour le moteur FA-series. Dans le passé, le Club DSPORT a eu un excellent succès avec les offres de Darton Sleeves et de LA Sleeves sur différents types de moteurs. Pour le moteur de la série FA, Club DSPORT construira les éditions FA225 avec l’un ou l’autre des modèles de manchons, selon la préférence du client. Des manchons sur mesure des deux fournisseurs seront également disponibles pour des applications spéciales.

La surface du pont du bloc est usinée avec une fraise PCBN avant d’être rodée pour obtenir une finition super lisse pour les joints de culasse MLS. Les joints de culasse OEM sont utilisés sur les itérations FA20 et FA21 tandis qu’un joint de culasse HKS de 90 mm est utilisé sur les moteurs FA225 à alésage de 89 mm manchonnés.

Plateau & Honage des cylindres profilés avec plaque

En plus de la correction du placement de l’axe du vilebrequin dans le moteur et de l’égalisation des hauteurs de plateau dans le moteur, la plus grande différence entre un moteur Subaru usiné en usine et un moteur de référence Club DSPORT se trouve dans les cylindres. Idéalement, les cylindres du moteur (une fois assemblés) sont aussi ronds et sans conicité que possible, tout en présentant une finition de surface idéale pour travailler avec le piston et ses segments. Pour y parvenir, Club DSPORT a expérimenté différents modèles de plaques de torsion (aussi appelées plaques de rodage) jusqu’à ce qu’une conception soit finalisée pour simuler exactement les effets de distorsion du boulonnage des culasses sur le bloc. Des goujons de culasse ARP et un joint de culasse d’usine (FA20 et FA21) ou Cosworth 90mm (FA225) sont utilisés pour boulonner la plaque de torsion en place. Les cylindres étant maintenant soumis aux mêmes contraintes et déformations que celles qui se produiront sur le moteur terminé, le cylindre est rodé à l’aide d’un abrasif diamanté spécial jusqu’à une dimension finale de 86,05 mm ou 89,00 mm (la spécification pour les pistons personnalisés). La rondeur et la conicité du cylindre sont maintenues à moins de 0,0004″ tandis que la finition de surface est égalisée et optimisée dans chaque alésage en utilisant un profilomètre pour mesurer la surface. À la fin du processus de rodage, seule une petite quantité d’ébarbage a lieu avant que le bloc ne soit lavé au jet, nettoyé par ultrasons, puis nettoyé à la main jusqu’à un état prêt à assembler.

Après les mesures de rectitude et de dimensions des tourillons, chaque vilebrequin est équilibré dynamiquement à moins de 0,25 gramme d’équilibre.

Ensemble rotatif optimisé

Alors que le Club DSPORT FA20 utilise un vilebrequin OEM standard de 86 mm, les itérations FA21 et FA225 du Club DSPORT utilisent le même vilebrequin stroker forgé et nitruré. Le vilebrequin fabriqué au Japon présente une course de +4 mm (90 mm) et des axes principaux et de tige calibrés avec précision. Le vilebrequin est entièrement traité thermiquement et nitruré pour une solidité supérieure, une résistance à la fatigue et une dureté de la surface du tourillon. La plupart des moteurs de la série FA du Club DSPORT actuellement en service sont équipés de vilebrequins qui ont été traités avec le traitement de surface Omicron de Shaftech. Ce procédé d’hyperfinition produit une finition de surface supérieure qui élimine les marques microscopiques d’usinage et de rectification normalement présentes. Bien que le Club DSPORT n’ait pas effectué ses propres tests sur ce procédé, d’autres parties ont constaté des gains de puissance et une réduction de la friction avec des procédés similaires. Chaque vilebrequin est équilibré dynamiquement à moins de 0,25 gramme de déséquilibre.

Chaque piston et chaque piston est apparié dans un ensemble de pistons de même dimension et de même poids avant d’être équilibré définitivement.

Piston Performance

Chaque moteur Club DSPORT Reference-series FA a une conception de piston unique. Les trois conceptions de piston ont été conçues par Mahle Motorsports pour offrir des performances, une fiabilité et une efficacité maximales pour chaque version de moteur. Grâce aux relations approfondies que Mahle entretient avec les équipementiers, les ingénieurs de Mahle savent comment créer une forme de dôme de piston optimisée pour l’environnement d’injection directe. Les pistons ont également été optimisés pour une utilisation avec les carburants E85, les segments supérieurs ayant été anodisés dur pour plus de solidité et de résistance aux microsoudures. Les décalages des axes et la conception de la jupe, ainsi que l’ensemble des segments, ont également été sélectionnés spécifiquement pour une gestion de la puissance élevée, une durée de vie prolongée du moteur et une efficacité accrue. Bien que les limites de puissance des pistons n’aient pas été documentées, les modèles informatiques et l’expérience avec des pistons de 86 mm similaires (par exemple RB26 et Supra) suggèrent qu’une puissance de plus de 200 chevaux par cylindre devrait être facilement réalisable. Le taux de compression statique sera compris entre 10,7 et 10,8:1 avec les culasses BRZ et entre 10,9 et 11,0:1 avec les culasses WRX. Avant l’installation, Club DSPORT équilibre chaque ensemble de pistons et d’axes à 0,2 gramme près.

Chaque petit bout et gros bout est équilibré de manière appariée dans chaque ensemble et enregistré au cas où un remplacement serait nécessaire à l’avenir.

Bielles

Pour réaliser la liaison entre le vilebrequin et le piston, les moteurs Club DSPORT FA20 Reference Series utilisent les bielles Manley Pro Series I-beam 4340 disponibles dans le commerce, équipées de boulons de bielle ARP2000 de 3/8 de pouce. Pour les moteurs Club DSPORT FA21 et FA225, une bielle Manley Pro Series I-beam personnalisée est utilisée. Les bielles sont conçues pour supporter une puissance de 250 chevaux par cylindre. Avant l’installation, Club DSPORT équilibre la petite et la grosse extrémité de chaque bielle à 0,2 gramme près.

Les roulements, l’assemblage et les plans

Une fois que tous les composants sont dans un état de propreté prêt à assembler, toutes les mesures critiques sont enregistrées pendant l’assemblage du bloc court. Il s’agit notamment de toutes les dimensions des tourillons de vilebrequin, des jeux de roulement, du jeu en bout de vilebrequin, du jeu côté tige, des jeux en bout de segments de piston, du jeu entre le piston et la paroi du cylindre, de la hauteur entre le piston et le pont et du couple nécessaire pour faire tourner le bloc court terminé. Dans la plupart des cas, les roulements principaux XPG de King Racing sont utilisés avec des roulements de bielle Clevite. Cependant, si les jeux d’huile idéaux ne peuvent être obtenus avec cette combinaison, des roulements ACL ou OEM peuvent être substitués. Dans la plupart des cas, les dégagements sont réglés pour une huile de viscosité SAE 0W-40.

Une commande de soupapes complète Supertech comprenant des soupapes d’admission en acier inoxydable nitruré noir et des soupapes d’échappement en Inconel remplace le matériel d’origine. Les ressorts, les dispositifs de retenue, les joints et les gardiens Supertech complètent la commande de soupape améliorée qui est orchestrée par les arbres à cames HKS.

Les culasses

Alors que le programme du bloc court est terminé, le programme des culasses est encore à quelques mois de son achèvement. Le test sur banc d’essai du FA21 comportait une combinaison d’arbres à cames HKS avec des soupapes d’admission en acier inoxydable nitruré Supertech et des soupapes d’échappement en Inconel. Le FA225 actuellement en cours d’assemblage utilisera un jeu d’arbres à cames Piper Cams BP285 Ultimate Road avec des soupapes surdimensionnées de 1 mm. Les cames sont considérablement plus agressives que celles de HKS et devraient être mieux adaptées à l’augmentation de la cylindrée.

Les résultats

Récemment, nous avons eu l’occasion de mettre à l’épreuve l’un des moteurs FA21 de la série Reference du Club DSPORT. Après que le moteur stock ait rendu l’âme à un peu plus de 400whp dans notre Project turbo FR-S, nous avons décidé que ce serait le banc d’essai parfait pour le nouveau moteur. Auparavant, le système de turbo EFR Full-Race a aidé le FA20 de série à générer 412whp à environ 6 900RPM. Le couple maximum était de 332 ft-lbs à 6,000RPM. La pression de suralimentation a atteint un pic à environ 15psi en fonctionnant avec du E85.

Avec le moteur Club DSPORT FA21 en place, nous nous attendions à voir un gain de couple dans la plage de 5 à 10 pour cent aux mêmes niveaux de suralimentation en raison de l’augmentation de la cylindrée et des améliorations. À 2 500 tr/min, avant toute augmentation sensible de la puissance, le couple est passé de 125 à 160 livres-pieds. Il s’agit d’une augmentation significative de 28 %. À 3 500 tours/minute, le couple passe de 215 à 270 livres-pieds, soit une augmentation de 26 %. Ainsi, le FA21 offre les caractéristiques de réponse d’un 2,5 litres. En extrapolant ces données, le FA225 peut avoir les caractéristiques de réponse d’un 2,7 litres.

Le moteur stock, le moteur stock avec le kit Full-Race EFR7163 et le Club DSPORT FA21 avec Full-Race EFR7163 montrent les gains massifs possibles avec un FA20 2,1 litres correctement construit.

Pas de compromis. La combinaison actuelle montre une courbe de couple à mourir pour. Le meilleur de tous, il y a encore plus à réaliser une fois que le système de carburant reçoit une autre série d’améliorations.

Résultats de la suralimentation

Grâce à la gestion de la puissance accrue et au taux de compression optimisé pour l’induction forcée, nous avons enfin pu augmenter la suralimentation en toute sécurité. Avec le boost réglé à 24psi, le FA21 a livré, et livré gros. La courbe de puissance a culminé à 563whp mais avait une forme que tous les autres moteurs 2 litres pourraient envier. Par rapport au moteur d’origine, il n’y a eu aucun compromis en termes de performances entre 2 000 tr/min et la nouvelle ligne rouge de 7 600 tr/min. Plus de 300 pieds-livres de couple sont disponibles à partir de 3 700 tr/min jusqu’à ce que vous atteigniez le limiteur de régime. Le véritable point fort se situe entre 4 800 et 7 000 tr/min, où plus de 400 lb-pi de couple sont disponibles à la demande. Bien que ces chiffres soient impressionnants, il est probable que d’autres performances soient disponibles, car nous avons simplement manqué de capacité d’injection pour supporter plus de puissance. Sur la base des données, l’EFR 7163 devrait être capable de dépasser la marque des 600whp à environ 28psi de boost. Une fois que nous aurons mis en place notre solution de transmission, nous remettrons notre FR-S turbo sur le banc d’essai pour la pousser davantage.

Notre FR-S argentée servira de testeur interne pour la version FA21 2,1 litres du programme Club DSPORT Reference Series. Le testeur de 2,3 litres sera suralimenté.

Plaisamment surpris

Nous avons développé et construit des moteurs RB de 1 400whp, des Honda de série B de 1 000+whp, des 2JZ gagnants de championnats et trop d’autres moteurs pour les mentionner. Bien que la puissance pure des autres moteurs puisse éclipser les chiffres de développement actuels de la série FA, aucun moteur n’a dépassé nos prédictions comme le FA21 et le FA225. Alors que nous sommes confiants dans le développement jusqu’au niveau de 600 chevaux, nous ne savons pas quelles limites seront exposées lorsque les niveaux de 700, 800, 900 ou 1000 chevaux seront atteints. Considérant qu’un FA21 de 550whp ou un FA23 de 600whp répondrait aux demandes de 98 pour cent des propriétaires de WRX ou de 86 les plus ambitieux, nous devons dire, « arrêtez le swap ». Si vous avez besoin de plus, nous sommes assez confiants que nous trouverons ce qui est vraiment nécessaire pour 700-, 800- et peut-être même 1000whp.