Free Press

Ford i Chevy V8, Toyota 2JZs, Subaru EJ257s, a nawet silniki Ferrari zdołały zająć miejsce Subaru FA20 w więcej niż kilku BRZ, WRX, FR-S i 86 platformach. Bez względu na to, czy miejscem wyścigu jest Formuła D, Pike’s Peak, Time Attack czy nawet dragstrip, najlepszym rozwiązaniem jest wymiana silnika FA20, zamiast dać mu szansę na udowodnienie swojej wartości. Popularność wymiany silnika w modelu 86 sprawia, że wielu zakłada, że FA20 nie jest realną platformą silnikową do osiągania mocy powyżej 500 KM. Czy więc FA20 to stracona sprawa? Jednym słowem, „nie.”

Text by Michael Ferrara // Photos by Joe Singleton

DSPORT Issue #187

It’s a Keeper

Wstępne wyniki programu rozwoju silnika FA20 prowadzonego przez Club DSPORT są mocnym argumentem za tym, aby zaprzestać wymiany. Jak brzmi ponad 560 koni mechanicznych przy 6,500 obr/min i ponad 475 funtów momentu obrotowego przy 5,750 obr/min z turbodoładowanego 2.1-litrowego FA20 na paliwie E85 z manierami silnika fabrycznego? To dopiero początek, ponieważ Club DSPORT będzie jeszcze mocniej naciskał na 2,1 litra, jednocześnie rozpoczynając testy 2,25-litrowego FA20, który będzie miał dodatkową moc i możliwości przenoszenia mocy. Aby w pełni zrozumieć proces rozwoju silnika Club DSPORT, konieczne jest najpierw zrozumienie FA20 w jego „dostarczonej” formie.

Wielu błędnie uważa, że wersje BRZ i WRX silnika FA20 są podobne, z wyjątkiem stopnia sprężania i obecności turbosprężarki. W rzeczywistości różnice są ogromne i obejmują blok, głowice, tłoki, pręty, zawory, wałki rozrządu i pompy oleju. Większość części nie będzie się wymieniać.

D’s and F’s

Przed oceną FA20 w jego podstawowej formie, ważne jest, aby zrozumieć, że istnieją dwie bardzo różne wersje tego silnika. FA20D (często nazywany po prostu FA20) to wolnossąca wersja o mocy 200 koni mechanicznych, którą można znaleźć w BRZ, FR-S i 86; natomiast FA20F (błędnie nazywany FA20T, ponieważ jest turbodoładowany) dostarcza prawie 270 koni mechanicznych. Wiele osób zakłada, że jedyną różnicą pomiędzy tymi dwoma silnikami są stopnie sprężania i obecność turbosprężarki. W rzeczywistości, jest więcej różnic niż podobieństw pomiędzy tymi dwoma silnikami. Bloki, głowice, tłoki, pręty, zawory i kolektory dolotowe są unikalne dla każdej platformy. Podczas gdy to oczywiście podnosi koszty produkcji, pozwala Subaru zoptymalizować każdy silnik pod kątem jego specyficznego zastosowania.

GłowiceWRX posiadają małe porty wysokiej prędkości, aby zmniejszyć opóźnienie turbo i poprawić reakcję. Głowice cylindrów BRZ mają większe, bardziej przepływowe porty oparte na większych zaworach. Jest to jeden z powodów, dla których silnik WRX osiąga moc szczytową przy niższych obrotach.

FA20D Brief

Subaru zaprojektowało FA20D jako niezwykle wydajny 2,0-litrowy silnik o wyjątkowej sprawności objętościowej, mechanicznej i termicznej. Na kołach, 2.0-litrowy dostarcza około 170 koni mechanicznych przy 6,700RPM, podczas gdy udaje się wykręcić prawie 150 ft-lbs momentu obrotowego. Podczas gdy te liczby mogą nie wydawać się imponujące same w sobie, spojrzenie na krzywą momentu obrotowego, która dostarcza prawie 90 procent szczytowego momentu obrotowego od 2500 do 7000 obr/min jest sporym osiągnięciem. Podczas gdy ta krzywa momentu obrotowego jest idealna na ulicę lub tor, nie ma ona takiego psychologicznego wpływu jak silnik Hondy F20C VTEC, który ma szczytową i krótką krzywą momentu obrotowego, która zaczyna się rozkręcać dopiero w górnym zakresie LED-owego tachometru S2000. Dlatego też wielu narzeka, że BRZ, FR-S i 86 cierpią na brak mocy. W rzeczywistości szeroka i płaska krzywa momentu obrotowego sprawia, że po prostu czuć, że brakuje im mocy.

Podczas gdy głowice BRZ są lepsze pod względem przepływu, głowice WRX są lepsze pod względem wydajności spalania. Podwójne podkładki gaszące pomagają ograniczyć detonację. Idealne połączenie komory spalania WRX z portami i zaworami BRZ jest obecnie w trakcie prac w Club DSPORT.

FA20F Brief

Przy opracowywaniu turbodoładowanego kuzyna FA20D, inżynierowie Subaru skupili się na uczynieniu z FA20F turbodoładowanego 2,0-litrowego silnika o charakterystyce wyjściowej 4,0-litrowego V8. Oznaczało to, że 2.0-litrowy silnik zachowywał się tak, jakby miał dwa razy większą pojemność skokową. Aby to osiągnąć, priorytetem było jak najszybsze zwiększenie mocy silnika. Oprócz odpowiedniego dobrania rozmiaru turbosprężarki, kolektor dolotowy, głowice cylindrów, a nawet zawory dolotowe i wydechowe są znacznie mniejsze niż w FA20D, aby utrzymać wyższe prędkości przepływu. Wałki rozrządu i fazy rozrządu są również dostosowane do reakcji i wydajności przy niskich prędkościach obrotowych. W rezultacie, FA20F osiąga swoją moc szczytową przy 5,600 obr/min zamiast 7,000 obr/min jak w przypadku FA20D. Małe porty, które sprawiają, że FA20F jest tak responsywny i efektywny przy niskich prędkościach obrotowych silnika, są również tym, co ogranicza jego moc szczytową.

Club DSPORT używa tulei z żeliwa od LA Sleeve lub Darton Sleeves, aby zwiększyć rozmiar otworu FA20 z 86 do 89mm. Kombinacja 89mm otworu i 90mm skoku daje pojemność 2,240cc.

Wspólne mocne strony

W rodzinie silników FA20 zastosowano wiele technologii, które sprawiają, że są one dobrym fundamentem dla wysokich osiągów. Podczas gdy wiele nowoczesnych silników wyposażonych jest w bezpośredni wtrysk paliwa, który pozwala na poprawę osiągów i wydajności, wtrysk D-4S Toyoty dodaje konwencjonalny wtrysk paliwa do wtrysku bezpośredniego. Dzięki zastosowaniu wtrysku paliwa przez port, całkowicie uniknięto problemu tworzenia się osadów w układzie dolotowym, który nęka silniki z wtryskiem bezpośrednim. Ponadto, system pozwala na rynku wtórnym łatwo zmodernizować wtryskiwacze portowe do wyższych wartości przepływu, gdy jest to potrzebne do zastosowań o wyższej mocy.

Tutaj port wlotowy 2,0L turbodoładowanego silnika VW po przejechaniu zaledwie 14 000 mil. Ponieważ silnik ma tylko bezpośredni wtrysk paliwa, nigdy nie jest ono wtryskiwane do portu wlotowego, aby utrzymać port i zawór wlotowy w czystości. W rezultacie tworzą się masywne osady, które utrudniają przepływ powietrza i wpływają na osiągi.

Innym wspólnym atutem rodziny FA20 jest drastycznie zwiększona wytrzymałość cylindrów w porównaniu z EJ257. Podczas gdy rozstaw otworów cylindrowych jest identyczny w silnikach FA20 i EJ257, mniejsza średnica otworu cylindra w FA20 pozwala na zastosowanie grubszych ścian cylindra. Te grubsze ściany powinny być w stanie pomieścić wyższe ciśnienie w cylindrze przed awarią.

Wspólna słabość

Oba silniki FA20 posiadają korbowody, które są najsłabszym ogniwem do zwiększonej obsługi mocy. Wydaje się, że korbowody FA20D mają wystarczającą wytrzymałość, aby wytrzymać większość systemów doładowania przykręcanych śrubami przy odpowiednim dostrojeniu. Niestety, przekroczenie 300 koni mechanicznych na kołach lub tuning, który wywołuje stuki, może szybko przełożyć jeden z tych prętów przez bok bloku.

Club DSPORT Reference FAs

Mając załogę, która zbudowała ponad 500 EJ257s, jesteśmy dość dobrze zaznajomieni z dobrymi i złymi stronami silników bokser Subaru. Podczas gdy precyzja obróbki mechanicznej silnika Subaru nie jest najgorsza wśród wszystkich producentów OEM, to zdecydowanie nie jest na szczycie. Jako takie, istnieją znaczące ulepszenia, które można osiągnąć poprzez zwiększenie poziomu precyzji obróbki.

Śruby obudowy i śruby głowicy są kluczowe dla zwiększenia możliwości przenoszenia mocy przez silnik FA20. Ponieważ te elementy złączne zwiększają obciążenia zaciskowe, mogą wystąpić dodatkowe odkształcenia bloku. Wytaczanie liniowe CNC i honowanie cylindra z płytą dynamometryczną koryguje dodatkowe zniekształcenia.

Wszystkie konstrukcje oparte na Club DSPORT FA20 zaczynają się od nowego bloku FA20 pochodzącego z Heuberger Subaru z Colorado Springs, Colorado. Z naszego doświadczenia wynika, że Heuberger nie ma sobie równych, jeśli chodzi o ceny, dostępność elementów na magazynie i przystępną, szybką wysyłkę. Co najlepsze, Heuberger wspiera scenę poprzez sponsorowanie zawodów IDRC w Colorado. Kiedy nowy blok dociera na miejsce, przeprowadzane są pomiary osiowania otworu głównego. Ten proces określi, czy połówki obudowy będą wymagały obróbki przed wytaczaniem linii.

Wyrównywanie

Pełny zestaw wysokowydajnych śrub ARP jest dokręcany do specyfikacji przed wytaczaniem linii. Śruby ARP są wykonane z wyższej jakości stopu, który pozwala na zwiększenie siły docisku. Ponieważ obecnie nie ma na rynku wtórnym łożysk o nadwymiarowej średnicy zewnętrznej do silników FA20, proces ten jest niezwykle żmudny i czasochłonny, ponieważ ustawienie wymaga osiowania z dokładnością do kilku dziesięciotysięcznych części cala. To jest około 1/10 średnicy najcieńszego włosa na twoim ciele. Specjalne frezy PCD są używane do uzyskania wyjątkowego wykończenia po rozpoczęciu procesu cięcia. Optyczny ustawiacz narzędzi Club DSPORT pozwala na ekstremalną precyzję w ustawianiu narzędzi.

Obróbka 4-osiowa CNC

Po zakończeniu operacji wiercenia linii, blok jest demontowany, a następnie ponownie montowany z prętem 2,0000″ na miejscu. Ten pręt pozwala na umieszczenie silnika w 4-osiowym centrum obróbczym do wytaczania, wykańczania, obróbki tulei, odtłuszczania i grawerowania. Bloki z zachowaniem oryginalnego otworu 86mm będą wymagały jedynie operacji równoległego dekowania i grawerowania (w celu identyfikacji bloku jako silnika serii Club DSPORT Reference). Operacja równoległego dekielkowania zapewnia, że odległość od linii środkowej wału korbowego do pokładu bloku jest identyczna na obu brzegach silnika typu boxer. Operacja wytaczania liniowego i równoległego odlewania zapewnia geometrię, która gwarantuje, że prześwit tłok-pokład jest identyczny w każdym cylindrze. Z kolei, końcowy statyczny stopień sprężania dla każdego cylindra staje się bardziej spójny. Po zakończeniu obróbki CNC na bloku, nadszedł czas na honowanie cylindrów.

Opcje tulei

Club DSPORT jest w trakcie oceny wszystkich dostępnych obecnie wysokiej klasy tulei do silnika serii FA. W przeszłości, Club DSPORT odniósł wspaniały sukces z ofertą zarówno Darton Sleeves jak i LA Sleeves w różnych typach silników. Dla silników serii FA, Club DSPORT będzie budował edycje FA225 z dowolną konstrukcją tulei, w zależności od preferencji klienta. Niestandardowe tuleje od obu dostawców będą również dostępne do specjalnych zastosowań.

Powierzchnia bloku jest obrabiana frezem PCBN przed docieraniem do super gładkiego wykończenia dla uszczelek głowicy MLS. Uszczelki głowicy OEM są stosowane w wersjach FA20 i FA21, podczas gdy uszczelka głowicy HKS 90 mm jest stosowana w silnikach FA225 z otworem 89 mm.

Plateau & Profilowane honowanie cylindra z płytką

Oprócz korekty położenia osi wału korbowego w silniku i wyrównania wysokości pokładu w silniku, największą różnicę pomiędzy fabrycznie obrobionym silnikiem Subaru a silnikiem referencyjnym Club DSPORT można znaleźć w cylindrach. Idealnie, cylindry silnika (po złożeniu) są tak okrągłe i pozbawione stożków, jak to tylko możliwe, a jednocześnie mają idealne wykończenie powierzchni, aby współpracować z tłokiem i pakietem pierścieni. Aby to osiągnąć, Club DSPORT eksperymentował z różnymi konstrukcjami płyt dynamometrycznych (aka honownic), aż do uzyskania projektu, który dokładnie symulował efekty odkształceń podczas przykręcania głowic do bloku. Śruby ARP do głowic oraz fabryczna (FA20 i FA21) lub Cosworth 90mm uszczelka głowicy (FA225) są używane podczas przykręcania płyty dynamometrycznej. Po poddaniu cylindrów tym samym naprężeniom i odkształceniom, które będą występować w gotowym silniku, cylinder jest honowany przy użyciu specjalnego diamentowego materiału ściernego do ostatecznego wymiaru 86,05 mm lub 89,00 mm (specyfikacja dla niestandardowych tłoków). Okrągłość cylindra i stożkowatość jest utrzymywana na poziomie poniżej 0,0004″, podczas gdy wykończenie powierzchni jest wyrównywane i optymalizowane w każdym otworze za pomocą profilometru do pomiaru powierzchni. Pod koniec procesu honowania, tylko niewielka ilość gratowania ma miejsce przed blok jest myty strumieniowo, czyszczony ultradźwiękowo, a następnie czyszczony ręcznie do stanu gotowości do montażu.

Po pomiarach prostoliniowości i wymiarów czopów, każdy wał korbowy jest dynamicznie wyważany do mniej niż 0,25 grama równowagi.

Zoptymalizowany zespół obrotowy

Podczas gdy Club DSPORT FA20 używa standardowego 86mm wału korbowego OEM, obie wersje FA21 i FA225 od Club DSPORT używają tego samego kutego i azotowanego wału korbowego typu stroker. Wał korbowy made-in-Japan posiada skok +4mm (90mm) oraz precyzyjnie szlifowane sworznie główne i sworznie prętów. Korba jest w pełni obrobiona cieplnie i azotowana, co zapewnia doskonałą wytrzymałość, odporność na zmęczenie materiału i twardość powierzchni czopu. Większość silników Club DSPORT serii FA, które są obecnie w użyciu, posiada wały korbowe, które zostały poddane obróbce powierzchniowej Omicron firmy Shaftech. Ten hiper-wykończeniowy proces daje doskonałe wykończenie powierzchni, które eliminuje mikroskopijne ślady obróbki i szlifowania, które normalnie występują. Chociaż Club DSPORT nie przeprowadził własnych testów tego procesu, inne firmy zaobserwowały wzrost mocy i redukcję tarcia przy zastosowaniu podobnych procesów. Każdy wał korbowy jest dynamicznie wyważany z niewyważeniem mniejszym niż 0,25 grama.

Każdy tłok jest dopasowywany w zestawie tłoków o podobnych wymiarach i wadze przed ostatecznym wyważeniem.

Osiągi tłoków

Każdy silnik Club DSPORT Reference-series FA posiada unikalną konstrukcję tłoka. Wszystkie trzy konstrukcje tłoków zostały opracowane przez Mahle Motorsports, aby zapewnić najwyższą wydajność, niezawodność i efektywność dla każdej wersji silnika. Dzięki szerokim relacjom Mahle z dostawcami OEM, jej inżynierowie projektanci są dobrze zorientowani w tworzeniu kształtu kopuły tłoka zoptymalizowanego dla środowiska bezpośredniego wtrysku. Tłoki zostały również zoptymalizowane do pracy z paliwami E85, ponieważ górne pierścienie zostały poddane twardej anodyzacji w celu uzyskania dodatkowej wytrzymałości i odporności na mikrospawanie. Przesunięcia sworzni i konstrukcja denka, jak również pakiet pierścieni zostały również dobrane specjalnie do przenoszenia dużej mocy, wydłużenia żywotności silnika i zwiększenia wydajności. Podczas gdy limity mocy tłoków nie zostały udokumentowane, modele komputerowe i doświadczenie z podobnymi tłokami 86 mm (np. RB26 i Supra) sugerują, że moc w zakresie ponad 200 KM na cylinder powinna być łatwo osiągalna. Statyczny stopień sprężania będzie wynosił od 10,7 do 10,8:1 dla głowic BRZ i 10,9 do 11,0:1 dla głowic WRX. Przed montażem, Club DSPORT wyważa każdy zestaw tłoków i sworzni z dokładnością do 0,2 grama.

Każdy mały i duży koniec jest wyważany w każdym zestawie i zapisywany na wypadek konieczności wymiany w przyszłości.

Poręcze

Do połączenia wału korbowego z tłokiem, silniki serii referencyjnej Club DSPORT FA20 używają standardowych korbowodów Manley Pro Series I-beam 4340 wyposażonych w 3/8-calowe śruby ARP2000. W silnikach Club DSPORT FA21 i FA225, zastosowano niestandardowe korbowody Manley Pro Series I-beam. Drążki są zaprojektowane do pracy z mocą 250 KM na cylinder. Przed montażem, Club DSPORT wyważa mały i duży koniec każdego korbowodu z dokładnością do 0,2 grama.

Łożyska, montaż i projektowanie

Gdy wszystkie komponenty są gotowe do montażu w stanie czystym, wszystkie krytyczne pomiary są rejestrowane podczas montażu shortblocka. Obejmują one wszystkie wymiary czopów wału korbowego, luzy łożyskowe, luz końcowy wału korbowego, luz po stronie tłoczyska, szczeliny między pierścieniami tłokowymi, prześwit między tłokiem a ścianą cylindra, wysokość tłok-pokład i moment obrotowy wymagany do obrócenia ukończonego bloku. W większości przypadków, łożyska główne King Racing XPG są używane z łożyskami prętów Clevite. Jednakże, jeśli idealne luzy olejowe nie mogą być osiągnięte przy takiej kombinacji, można zastąpić je łożyskami ACL lub OEM. W większości przypadków, prześwity są ustawione dla oleju o lepkości SAE 0W-40.

Kompletny układ zaworów Supertech, w tym czarne azotowane zawory wlotowe ze stali nierdzewnej i zawory wylotowe z Inconelu zastępują fabryczny osprzęt. Sprężyny, pierścienie ustalające, uszczelki i przytrzymywacze Supertech uzupełniają zmodernizowany układ zaworów, który jest sterowany przez wałki rozrządu HKS.

Głowice cylindrów

Podczas gdy program krótkiego bloku został ukończony, program głowic cylindrów jest jeszcze kilka miesięcy przed ukończeniem. W teście dynamicznym FA21 zastosowano kombinację wałków rozrządu HKS z nierdzewnymi azotkowymi zaworami dolotowymi Supertech i zaworami wydechowymi Inconel. W montowanym obecnie FA225 zastosowany zostanie zestaw wałków rozrządu Piper Cams BP285 Ultimate Road z nadwymiarowymi zaworami +1 mm. Krzywki te są znacznie bardziej agresywne niż krzywki HKS i powinny być lepiej dostosowane do zwiększonej pojemności skokowej.

Wyniki

Ostatnio mieliśmy okazję przetestować jeden z silników Club DSPORT Reference Series FA21. Po tym jak silnik fabryczny poddał się przy mocy nieco ponad 400 KM w naszym FR-S z silnikiem turbo, zdecydowaliśmy, że będzie to idealne miejsce do przetestowania nowego silnika. Poprzednio, system turbo Full-Race EFR pomógł seryjnemu FA20 wygenerować 412 KM przy około 6900 obr/min. Szczytowy moment obrotowy wynosił 332 ft-lbs przy 6,000RPM. Wartość szczytowa doładowania wyniosła około 15psi podczas jazdy na paliwie E85.

Po zamontowaniu silnika Club DSPORT FA21, spodziewaliśmy się zobaczyć przyrost momentu obrotowego w zakresie od 5 do 10 procent przy tych samych poziomach doładowania, ze względu na zwiększoną objętość skokową i ulepszenia. Przy 2,500RPM przed jakimkolwiek odczuwalnym doładowaniem, moment obrotowy wzrósł z 125 ft-lbs do 160 ft-lbs. To znaczący, 28-procentowy wzrost. Przy 3,500 RPM moment obrotowy wzrósł z 215 ft-lbs do 270 ft-lbs, co stanowi 26-procentowy wzrost. Wynika z tego, że FA21 zapewnia charakterystykę reakcji 2,5 litra. Ekstrapolując te dane, FA225 może mieć charakterystykę reakcji 2,7-litrowego silnika.

Silnik stockowy, silnik stockowy z zestawem Full-Race EFR7163 oraz Club DSPORT FA21 z zestawem Full-Race EFR7163 pokazują ogromne zyski możliwe do osiągnięcia z prawidłowo zbudowanym 2,1-litrowym FA20.

Bez kompromisów. Obecna kombinacja pokazuje krzywą momentu obrotowego, za którą można umrzeć. Najlepsze jest to, że wciąż można osiągnąć więcej, gdy układ paliwowy zostanie poddany kolejnym modernizacjom.

Wyniki wysokiego doładowania

Dzięki zwiększonej mocy i zoptymalizowanemu stopniowi sprężania, mogliśmy wreszcie bezpiecznie zwiększyć doładowanie. Z doładowaniem ustawionym na 24psi, FA21 dostarczył i to bardzo dużo. Krzywa mocy osiągnęła szczyt przy 563 KM, ale miała kształt, którego pozazdrościłyby wszystkie inne 2-litrowe silniki. W porównaniu do silnika fabrycznego, nie było żadnego kompromisu w osiągach od 2000 obr/min do nowej linii 7,600 obr/min. Ponad 300 ft-lbs momentu obrotowego jest dostępne od 3,700RPM aż do ograniczenia obrotów. Prawdziwy punkt jest pomiędzy 4,800 a 7,000RPM, gdzie ponad 400 funtów-funtów momentu obrotowego jest dostępne na żądanie. Chociaż liczby te są imponujące, prawdopodobnie jest jeszcze więcej osiągów, ponieważ po prostu zabrakło nam pojemności wtryskiwaczy, aby uzyskać większą moc. Bazując na tych danych, EFR 7163 powinien być w stanie przekroczyć granicę 600 KM przy około 28 psi doładowania. Gdy tylko wprowadzimy nasze rozwiązanie w zakresie przekładni, zabierzemy naszego FR-S z turbo z powrotem na hamownię, aby jeszcze bardziej go podkręcić.

Nasz srebrny FR-S będzie służył jako nasz wewnętrzny tester dla 2,1-litrowej wersji FA21 programu Club DSPORT Reference Series. Tester o pojemności 2,3 litra będzie doładowany.

Przyjemnie Zaskoczony

Określiliśmy i zbudowaliśmy silniki RB o mocy 1400 KM, Hondy serii B o mocy 1000+ KM, mistrzowskie 2JZ i zbyt wiele innych silników, by je wymienić. Podczas gdy sama moc innych silników może przyćmić obecne wyniki rozwoju serii FA, nie ma silnika, który przekroczyłby nasze prognozy tak jak FA21 i FA225. Podczas gdy jesteśmy pewni rozwoju do poziomu 600 KM, nie wiemy jakie ograniczenia zostaną ujawnione po osiągnięciu poziomów 700, 800, 900 i 1000 KM. Biorąc pod uwagę, że FA21 o mocy 550 KM lub FA23 o mocy 600 KM spełniłby wymagania 98% najbardziej ambitnych właścicieli WRX lub 86, musimy powiedzieć „stop swapowi”. Jeśli potrzebujesz więcej, jesteśmy całkiem pewni, że dowiemy się, co jest naprawdę potrzebne do osiągnięcia 700-, 800-, a może nawet 1000whp.

.