Free Press

Ford en Chevy V8’s, Toyota 2JZ’s, Subaru EJ257’s en zelfs Ferrari motoren zijn er in geslaagd om de plaats van de Subaru FA20 in te nemen in meer dan een handvol BRZ, WRX, FR-S en 86 platforms. Of het nu gaat om Formule D, Pike’s Peak, Time Attack of zelfs de dragstrip, de oplossing is altijd geweest om de FA20 te vervangen in plaats van hem de kans te geven zich waardig te bewijzen. De populariteit van het omwisselen van motoren in de 86 heeft velen doen veronderstellen dat de FA20 geen levensvatbaar motorplatform is voor plus-500pk doelen. Dus is de FA20 een verloren zaak? In één woord, “nee.”

Tekst door Michael Ferrara // Foto’s door Joe Singleton

DSPORT Issue #187

It’s a Keeper

De eerste resultaten van Club DSPORT’s lopende FA20 motorontwikkelingsprogramma vormen een sterk argument om de ruil te stoppen. Hoe klinkt meer dan 560 wiel pk bij 6.500 RPM en meer dan 475 ft-lbs koppel bij 5.750RPM van een turbo 2.1-liter FA20 op pomp E85 met de manieren van een standaard motor? Dat is nog maar het begin, want Club DSPORT zal de 2.1-liter nog verder opvoeren, terwijl ze ook beginnen met het testen van hun 2.25-liter FA20, die nog meer vermogen zal leveren en nog beter met vermogen overweg zal kunnen. Om het ontwikkelingsproces van de motor van Club DSPORT volledig te begrijpen, is het noodzakelijk om eerst de FA20 te begrijpen in zijn “zoals-geleverd” vorm.

Velen denken ten onrechte dat de BRZ- en WRX-versies van de FA20 vergelijkbaar zijn, met uitzondering van de compressieverhouding en de aanwezigheid van een turbocharger. In werkelijkheid zijn er grote verschillen, waaronder het blok, de koppen, zuigers, stangen, kleppen, nokkenassen en oliepompen. De meeste onderdelen zijn niet uitwisselbaar.

D’s en F’s

Voordat we de FA20 in zijn standaard vorm beoordelen, is het belangrijk om te begrijpen dat er twee zeer verschillende versies van de motor zijn. De FA20D (vaak simpelweg FA20 genoemd) is de versie met 200 vliegwielpK die in de BRZ, FR-S en 86 te vinden is, terwijl de FA20F (ten onrechte FA20T genoemd, omdat hij van een turbo is voorzien) bijna 270 vliegwielpK levert. Veel mensen gaan ervan uit dat het enige verschil tussen de twee motoren de compressieverhoudingen en de aanwezigheid van een turbocharger zijn. In feite zijn er meer verschillen dan gelijkenissen tussen deze twee motoren. De blokken, koppen, zuigers, stangen, kleppen en inlaatspruitstukken zijn uniek voor elk platform. Hoewel dit uiteraard de productiekosten verhoogt, stelt het Subaru in staat om elke motor te optimaliseren voor zijn specifieke gebruik.

WRX koppen hebben kleine high velocity poorten om turbogat te verminderen en de respons te verbeteren. BRZ cilinderkoppen hebben grotere, beter stromende poorten, gebaseerd op grotere kleppen. Dit is een van de redenen waarom de WRX motor piekvermogen maakt bij een lager toerental.

FA20D Brief

Subaru ontwierp de FA20D als een uiterst efficiënte 2.0-liter met uitzonderlijke volumetrische, mechanische en thermische efficiëntie. Aan de wielen, levert de 2.0-liter ruwweg 170 paardekracht bij 6.700RPM terwijl het erin slaagt om bijna 150 ft-lbs van torsie uit te zwengelen. Hoewel deze cijfers op zich misschien niet zo indrukwekkend lijken, is een blik op de koppelcurve die bijna 90 procent van het piekkoppel levert van 2.500 tot 7.000 t/min, een hele prestatie. Hoewel deze koppelcurve ideaal is voor de straat of het circuit, heeft hij niet de psychologische impact van een F20C VTEC Honda-motor die een piekerige en korte koppelcurve heeft die pas op gang komt in de bovenste regionen van de LED-tachograaf van de S2000. Vandaar dat velen klagen dat de BRZ, FR-S en 86 een ernstig gebrek aan vermogen hebben. In werkelijkheid geeft de brede en vlakke koppelkromme gewoon het gevoel dat het vermogen ontbreekt.

De BRZ-koppen zijn superieur op het gebied van flow, maar de WRX-koppen zijn beter op het gebied van verbrandingsefficiëntie. De dubbele quench pads helpen detonatie te verminderen. Aan de ideale combinatie van de WRX-verbrandingskamer met BRZ-poorten en -kleppen wordt momenteel gewerkt in Club DSPORT.

FA20F Brief

Bij de ontwikkeling van het turbogeblazen neefje van de FA20D hebben de Subaru-ingenieurs zich erop gericht om van de FA20F een 2,0-liter met turbo te maken met de uitvoereigenschappen van een 4,0-liter V8. Dit betekende dat de 2.0-liter zich moest gedragen alsof hij twee keer zijn cilinderinhoud had. Om dit te bereiken, werd prioriteit gegeven aan het zo snel mogelijk opvoeren van de motor. Naast de dimensionering van de turbolader zijn ook het inlaatspruitstuk, de cilinderkoppen en zelfs de in- en uitlaatkleppen veel kleiner dan bij de FA20D om de stroomsnelheden hoger te houden. Nokkenassen en nokkenastiming zijn ook aangepast voor een betere respons en een lager toerental. Als gevolg daarvan levert de FA20F zijn piekvermogen bij 5.600 toeren per minuut in plaats van 7.000 toeren per minuut voor de FA20D. De kleine-poorten die de FA20F zo responsief en effectief bij lage toerentallen zijn ook wat te beperken zijn top-end power.

Club DSPORT maakt gebruik van plichtsgetrouw ijzer mouwen van LA Sleeve of Darton Sleeves aan de FA20 boring te verhogen van 86 tot 89mm. De combinatie van 89mm boring en 90mm slag brengt de cilinderinhoud op 2.240cc.

Common Strengths

Er zijn een aantal technologieën verwerkt in de FA20 familie van motoren die ze een goede basis voor high-performance maken. Terwijl een aantal moderne motoren directe injectie hebben om de prestaties en efficiency te verbeteren, voegt Toyota’s D-4S injectie conventionele poortinjectie toe aan de directe injectie. Door gebruik te maken van brandstofinspuiting via de poort wordt het probleem van de vorming van inlaatafzettingen, dat motoren met directe inspuiting teistert, volledig vermeden. Bovendien maakt het systeem het voor de aftermarket mogelijk om de injectoren gemakkelijk te upgraden naar een hoger debiet wanneer dat nodig is voor toepassingen met een hoger vermogen.

Hier ziet u de inlaatpoort van een 2.0L VW-motor met turbo na slechts 14.000 mijl. Aangezien de motor alleen met directe injectie werkt, wordt er nooit brandstof in de inlaatpoort gespoten om de poort en inlaatklep schoon te houden. Als gevolg daarvan, vormen deze massale afzettingen, het doden van de luchtstroom en het beïnvloeden van de prestaties.

Een andere gemeenschappelijke kracht in de FA20 familie is de drastisch toegenomen cilindersterkte in vergelijking met de EJ257. Hoewel de afstand tussen de cilinderboringen bij een FA20-motor en een EJ257-motor identiek is, maakt de kleinere cilinderboringdiameter van de FA20 dikkere cilinderwanden mogelijk. Deze dikkere wanden zouden in staat moeten zijn om een hogere cilinderdruk te weerstaan voordat ze het begeven.

Gemeenschappelijke zwakte

Beide FA20-motoren hebben drijfstangen die de zwakste schakel vormen voor een betere vermogensafgifte. De FA20D-stangen lijken voldoende sterk te zijn om het grootste deel van bout-op-superchargersystemen met de juiste afstelling te ondersteunen. Helaas, meer dan 300 pk aan de wielen of een afstelling die wat klop veroorzaakt kan snel een van deze stangen door de zijkant van het blok.

Club DSPORT Referentie FA’s

Het hebben van een staf die heeft gebouwd meer dan 500 EJ257’s maakt ons vrij vertrouwd met de goede en slechte met Subaru boxer motoren. Terwijl de precisie van het machinaal bewerken van de motor van Subaru niet het slechtst van om het even welke OEM is, is het absoluut niet bij de bovenkant. Er zijn dan ook significante verbeteringen te realiseren door het niveau van precisie bij de bewerking te verhogen.

ARP-behuizingsbouten en kopbouten zijn de sleutel tot het vergroten van het vermogen van de FA20-motor. Aangezien deze bevestigingsmiddelen klemmen belasting verhogen extra vervorming aan het blok kan optreden. CNC lijnboren en cilinder honen met een torsieplaat corrigeren de extra vervorming.

Alle Club DSPORT FA20 gebaseerde bouwt begint met een gloednieuwe FA20 kaal blok afkomstig van Heuberger Subaru van Colorado Springs, Colorado. In onze ervaring, kan Heuberger niet worden geslagen in termen van prijsstelling, het hebben van punten in voorraad en betaalbare, snelle verzending. Het beste van alles is dat Heuberger de scene steunt door het sponsoren van het IDRC Colorado evenement. Wanneer het nieuwe blok aankomt, worden metingen van de hoofdboring uitlijning uitgevoerd. Dit proces zal bepalen of de behuizing helften zal moeten worden bewerkt voor de lijn boring operatie.

Getting Aligned

Een volledige set van ARP high-performance case bouten worden aangehaald om spec vóór de lijn kotteren operatie. De ARP-behuizingsbouten worden gemaakt van een legering van hogere kwaliteit die het mogelijk maakt de klemkracht te verhogen. Aangezien er momenteel geen overmaatse lagers met buitendiameter voor de FA20 motoren op de markt zijn, is het proces uiterst moeizaam en tijdrovend, aangezien de opstelling een uitlijning binnen een paar tienduizendsten van een duim vereist. Dat is ongeveer 1/10 van de diameter van de dunste haar op je lichaam. Speciale PCD frezen worden gebruikt om een uitzonderlijke afwerking te produceren zodra het snijproces is gestart. Club DSPORT’s optische tool setter zorgt voor extreme precisie bij het instellen van de tooling.

CNC 4-assis Machining

Als de line-boring operatie is voltooid, het blok wordt gedemonteerd en vervolgens weer gemonteerd met de 2,0000 “bar op zijn plaats. Met deze staaf kan de motor in het 4-assige motormachinecentrum worden geplaatst voor het boren, klaren, hulsbewerking, decking en graveerbewerkingen. Blokken met de originele 86mm boring hebben alleen de parallelle bewerking van het dek en de gravure nodig (om het blok te identificeren als een Club DSPORT Reference serie motor). De parallelle kotterbewerking zorgt ervoor dat de afstand van de middellijn van de krukas tot het dek van het blok identiek is op beide banken van de boxermotor. Deze lijnboring en parallelle vlakkering zorgen voor een geometrie die ervoor zorgt dat de zuiger-dekspeling in elke cilinder identiek is. Daardoor wordt de uiteindelijke statische compressieverhouding voor elke cilinder consistenter. Zodra de CNC-bewerking van het blok is voltooid, is het tijd voor het honen van de cilinders.

Sleeving Options

Club DSPORT is bezig met het evalueren van alle momenteel beschikbare high-performance sleeve-aanbiedingen voor de FA-serie motor. In het verleden heeft Club DSPORT uitstekend succes gehad met het aanbod van zowel Darton Sleeves als LA Sleeves op verschillende typen motoren. Voor de FA-serie motor, zal Club DSPORT de FA225 edities bouwen met een van beide sleeve-ontwerpen op basis van de voorkeur van de klant. Custom-spec sleeves van beide leveranciers zullen ook beschikbaar worden gesteld voor speciale toepassingen.

Het dek oppervlak van het blok wordt bewerkt met een PCBN frees voordat het wordt gelept tot een super gladde afwerking voor de MLS koppakkingen. OEM koppakkingen worden gebruikt op de FA20 en FA21 iteraties, terwijl een HKS 90mm koppakking wordt gebruikt op de sleeved 89mm boring FA225 motoren.

Plateau & Geprofileerde Cilinder Honing met Plaat

Naast de correctie van de plaatsing van de krukas middellijn in de motor en het gelijk maken van de dekhoogtes in de motor, is het grootste verschil tussen een fabrieksmatig bewerkte Subaru motor en een Club DSPORT referentie motor terug te vinden in de cilinders. Idealiter zijn de cilinders van de motor (eenmaal geassembleerd) zo rond en taps mogelijk, terwijl ze een ideale oppervlakte afwerking hebben om samen te werken met de zuiger en de zuigerveerpakketten. Om dit te bereiken heeft Club DSPORT geëxperimenteerd met verschillende torsieplaatontwerpen (ook wel hoonplaat genoemd) totdat een ontwerp was gevonden dat exact de vervormingseffecten simuleerde van het vastschroeven van de koppen aan het blok. ARP kopbouten en ofwel een fabriek (FA20 en FA21) of Cosworth 90mm koppakking (FA225) wordt gebruikt bij het vastbouten van de torsieplaat op zijn plaats. Met de cilinders nu onderworpen aan dezelfde spanningen en spanningen die zullen worden gerealiseerd op de voltooide motor, wordt de cilinder gehoond met behulp van een speciaal diamant slijpmiddel tot een uiteindelijke afmeting van 86,05 mm of 89,00 mm (de spec voor de aangepaste zuigers). De rondheid en de conus van de cilinder worden onder de 0,0004″ gehouden, terwijl de oppervlakteafwerking in elke boring wordt geëgaliseerd en geoptimaliseerd met behulp van een profilometer om het oppervlak te meten. Aan het einde van het hoonproces vindt slechts een kleine ontbraming plaats voordat het blok wordt gewassen met een straalbuis, ultrasoon gereinigd en vervolgens met de hand gereinigd tot een klaar om te monteren staat.

Na de metingen voor rechtheid en dagbladafmetingen, wordt elke krukas dynamisch gebalanceerd tot minder dan 0,25 gram balans.

Optimized Rotating Assembly

Want de Club DSPORT FA20 maakt gebruik van een standaard 86mm OEM krukas, zowel de FA21 en FA225 iteraties van Club DSPORT gebruik van dezelfde gesmede-en-nitrided stroker krukas. De made-in-Japan krukas is voorzien van een +4mm slag (90mm) en precisie-gesorteerde hoofd-en stangpennen. De krukas is volledig warmtebehandeld en genitreerd voor superieure sterkte, vermoeidheid-bestendigheid en journal-oppervlak hardheid. De meeste van de Club DSPORT FA-serie motoren die momenteel in het veld zijn voorzien van krukassen die zijn verwerkt met Shaftech’s Omicron oppervlaktebehandeling. Dit hyperfinishing proces produceert een superieure oppervlakte-afwerking die de microscopische bewerking en slijpen markeringen normaal aanwezig elimineert. Hoewel Club DSPORT geen eigen tests van het proces heeft uitgevoerd, hebben andere partijen vermogenswinst en wrijvingsvermindering gezien met soortgelijke processen. Elke krukas is dynamisch uitgebalanceerd tot minder dan 0,25 gram onbalans.

Elke en elke zuiger is afgestemd in een set van gelijke afmetingen en gewicht zuigers voordat ze definitief worden uitgebalanceerd.

Prestaties zuigers

Elke motor uit de Club DSPORT Reference-serie FA heeft een uniek zuigerontwerp. Alle drie de zuigerontwerpen zijn door Mahle Motorsports ontworpen om topprestaties, betrouwbaarheid en efficiëntie te leveren voor elke motorversie. Dankzij Mahle’s uitgebreide relatie met OEM-leveranciers zijn de ontwerpers goed thuis in het creëren van een zuigervorm die geoptimaliseerd is voor de directe injectie-omgeving. De zuigers zijn ook geoptimaliseerd voor gebruik met E85-brandstoffen, omdat de bovenste zuigerveren hard geanodiseerd zijn voor extra sterkte en weerstand tegen microlassen. De pen offsets, het ontwerp van de rok en het ring pakket zijn ook specifiek geselecteerd voor een hoog vermogen, een langere levensduur van de motor en een hogere efficiëntie. Hoewel de vermogensgrenzen van de zuigers niet zijn gedocumenteerd, suggereren computermodellen en ervaring met soortgelijke 86mm zuigers (d.w.z. RB26 en Supra) dat vermogensgrenzen van meer dan 200 pk per cilinder gemakkelijk haalbaar moeten zijn. Statische compressieverhouding zal tussen 10,7-10,8:1 met BRZ hoofden en 10,9-11,0:1 met WRX cilinderkoppen. Voor de installatie, Club DSPORT balanceert elke zuiger en pen set tot binnen 0.2 gram.

Elk klein uiteinde en groot uiteinde wordt afgestemd gebalanceerd in elke set en geregistreerd voor het geval een vervanging ooit nodig is in de toekomst.

Drijfstangen

Om de verbinding tussen de krukas en de zuiger te maken, gebruiken de Club DSPORT FA20 Reference Series motoren de uit voorraad leverbare Manley Pro Series I-beam 4340 drijfstangen voorzien van 3/8-inch ARP2000 drijfstangbouten. Voor de Club DSPORT FA21 en FA225 motoren wordt een aangepaste Manley Pro Series I-beam drijfstang gebruikt. De stangen zijn ontworpen om 250 pk per cilinder te ondersteunen. Vóór de installatie balanceert Club DSPORT het kleine en grote uiteinde van elke drijfstang tot op 0,2 gram nauwkeurig.

Lagers, assemblage en blauwdrukken

Wanneer alle componenten zich in een staat van reinheid bevinden die klaar is voor assemblage, worden alle kritische metingen geregistreerd tijdens de assemblage van het shortblock. Deze omvatten alle krukas journal afmetingen, lager speling, krukas eind spelen, stang kant speling, zuigerveer eind tussenruimtes, zuiger-to-cilinder wand speling, zuiger-to-deck hoogte en koppel vereist om de voltooide korte blok draaien. In de meeste gevallen worden King Racing XPG hoofdlagers gebruikt met Clevite stanglagers. Echter, als de ideale olie speling niet kan worden bereikt met deze combinatie, kunnen ACL of OEM lagers worden vervangen. In de meeste gevallen, zijn de spelingen ingesteld voor SAE 0W-40 viscositeit olie.

Een complete Supertech valvetrain inclusief zwart genitreerd roestvrij staal inlaat en Inconel uitlaatkleppen vervangen de fabriekshardware. Supertech veren, keerringen, afdichtingen en houders voltooien de opgewaardeerde kleppenlijn die wordt georkestreerd door HKS nokkenassen.

De cilinderkoppen

Terwijl het korte blok programma is voltooid, de cilinderkop programma is nog een paar maanden van voltooiing. De FA21 dyno test bestond uit een combinatie van HKS nokkenassen met Supertech nitride roestvrij inlaatkleppen en Inconel uitlaatkleppen. De FA225 die momenteel in elkaar gezet wordt, zal gebruik maken van een Piper Cams BP285 Ultimate Road nokkenas set met +1mm overmaatse kleppen. De nokkenassen zijn aanzienlijk agressiever dan de HKS nokkenassen en zouden beter geschikt moeten zijn voor de grotere cilinderinhoud.

De Resultaten

Onlangs hadden we de gelegenheid om een van de Club DSPORT Reference Series FA21 motoren op de proef te stellen. Nadat de standaard motor had ingeleverd bij iets meer dan 400pk in onze Project turbo FR-S, besloten we dat dit het perfecte testbed zou zijn voor de nieuwe motor. Eerder hielp het Full-Race EFR-turbosysteem de standaard FA20 412 pk te genereren bij ongeveer 6.900 toeren. Het koppel piekte op 332 ft-lbs bij 6,000RPM. Boost piekte op ongeveer 15psi tijdens het draaien op E85.

Met de Club DSPORT FA21 motor op zijn plaats, verwachtten we een koppel winst in de 5-tot-10 procent bereik bij dezelfde boost niveaus als gevolg van de toegenomen cilinderinhoud en verbeteringen te zien. Bij 2.500 RPM, voordat er enige merkbare boost wordt gegeven, is het koppel verbeterd van 125 ft-lbs naar 160 ft-lbs. Dat is een aanzienlijke stijging van 28 procent. Bij 3.500 RPM, koppel verbeterd van 215 ft-lbs tot 270 ft-lbs; een 26 procent stijging. De FA21 levert dus de respons van een 2.5-liter. Als we die gegevens extrapoleren, kan de FA225 de respons van een 2.7-liter hebben.

Stock motor, stock motor met Full-Race EFR7163 kit en Club DSPORT FA21 met Full-Race EFR7163 laten de enorme winst zien die mogelijk is met een goed gebouwde 2.1 liter FA20.

Geen compromissen. De huidige combinatie toont een koppelcurve om voor te sterven. En het mooiste van alles is dat er nog meer te realiseren is zodra het brandstofsysteem een nieuwe ronde van upgrades krijgt.

High Boost Results

Dankzij het toegenomen vermogen en de geoptimaliseerde compressie ratio, konden we eindelijk veilig de boost verhogen. Met de boost ingesteld op 24psi, de FA21 leverde, en leverde groot. De vermogenskromme piekte op 563pk maar had een vorm waar alle andere 2-liter motoren jaloers op zouden zijn. Vergeleken met de fabrieksmotor was er geen compromis in de prestaties van 2.000 toeren tot de nieuwe 7.600 toeren redline. Meer dan 300 ft-lbs koppel is beschikbaar vanaf 3.700 toeren tot je de toerenbegrenzer raakt. De echte sweet spot ligt tussen 4.800 en 7.000 toeren per minuut, waar meer dan 400 Nm koppel beschikbaar is op verzoek. Hoewel deze cijfers indrukwekkend zijn, zijn er waarschijnlijk meer prestaties beschikbaar omdat we gewoon geen injectorcapaciteit meer hadden om meer vermogen te leveren. Gebaseerd op de data, zou de EFR 7163 in staat moeten zijn om over de 600whp te komen bij ongeveer 28psi boost. Zodra we onze transmissie oplossing op zijn plaats hebben, krijgen we onze turbo FR-S terug op de dyno om hem harder te duwen.

Onze Silver FR-S zal dienen als onze in-house tester voor de 2.1-liter FA21 versie van het Club DSPORT Reference Series programma. De 2.3-liter tester zal supercharged zijn.

Pleasantly Surprised

We hebben 1.400pk RB motoren ontwikkeld en gebouwd, 1.000+whp B-serie Hondas, kampioenschap-winnende 2JZs en te veel andere motoren om op te noemen. Hoewel het pure vermogen van de andere motoren de huidige FA-serie ontwikkelingscijfers kan overschaduwen, is er geen motor die onze voorspellingen heeft overtroffen zoals de FA21 en FA225. Terwijl we vertrouwen hebben in de ontwikkeling tot het 600pk-niveau, weten we niet welke beperkingen zullen worden blootgelegd als de 700-, 800-, 900- of 1000pk-niveaus worden bereikt. Gezien het feit dat een 550pk FA21 of 600whp FA23 zou voldoen aan de eisen van 98-percent van de meest ambitieuze WRX of 86 eigenaar, moeten we zeggen, “stop de swap.” Als je meer nodig hebt, zijn we vrij zeker dat we zullen uitzoeken wat er echt nodig is voor 700-, 800- en misschien zelfs 1000whp.