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Ford e Chevy V8s, Toyota 2JZs, Subaru EJ257s e até motores Ferrari conseguiram substituir a Subaru FA20 em mais de um punhado de plataformas BRZ, WRX, FR-S e 86. Quer o local seja Fórmula D, Pike’s Peak, Time Attack ou mesmo a pista de arrasto; a solução tem sido trocar a FA20 em vez de lhe dar uma oportunidade de se provar merecedora. A popularidade das trocas de motores para o 86 tem muitos a assumir que a FA20 não é uma plataforma de motores viável para alvos de mais de 500whp. Então, a FA20 é uma causa perdida? Em uma palavra, “no.”

Texto de Michael Ferrara // Fotos de Joe Singleton

DSPORT Edição #187

É um Keeper

Resultados iniciais do programa de desenvolvimento do motor FA20 do Club DSPORT em andamento fazem um forte argumento para parar a troca. Como é que mais de 560 cavalos de roda a 6.500 RPM e mais de 475 pés-lbs de torque a 5.750RPM de um FA20 turboalimentado de 2,1 litros na bomba E85 com as maneiras de um motor de stock? Isso é apenas o começo, já que o Club DSPORT estará empurrando a FA20 de 2,1 litros com mais força e ao mesmo tempo iniciando os testes em sua FA20 de 2,25 litros que terá saída adicional e capacidade de movimentação de potência. Para compreender completamente o processo de desenvolvimento do motor do Club DSPORT, é necessário primeiro compreender a FA20 na sua forma “as-delivered”.

Muito equivocadamente acredita que as versões BRZ e WRX da FA20 são semelhantes, com excepção da taxa de compressão e da presença de um turboalimentador. Na realidade, as diferenças são vastas, incluindo o bloco, cabeças, pistões, hastes, válvulas, eixos de cames e bombas de óleo. A maioria das peças não trocará.

D’s e F’s

Antes de classificar o FA20 em sua forma de estoque, é importante entender que existem duas versões muito diferentes do motor. A FA20D (muitas vezes referida simplesmente como FA20) é a versão de 200 cavalos de rodas volantes naturalmente-aspirada encontrada na BRZ, FR-S e 86; enquanto a FA20F (erroneamente referida como FA20T, uma vez que é turboalimentada) fornece quase 270 cavalos de rodas volantes. Muitas pessoas assumem que a única diferença entre os dois motores são as taxas de compressão e a presença de um turboalimentador. Na verdade, há mais diferenças do que semelhanças entre esses dois motores. Os blocos, cabeçotes, pistões, hastes, válvulas e coletores de admissão são exclusivos para cada plataforma. Embora isto obviamente aumente os custos de produção, permite à Subaru otimizar cada motor para seu uso específico.

WRX cabeçotes apresentam pequenas portas de alta velocidade para reduzir o atraso do turbo e melhorar a resposta. Os cabeçotes BRZ possuem orifícios maiores e de maior vazão, baseados em válvulas maiores. Esta é uma das razões pelas quais o motor WRX faz potência de pico a uma RPM inferior.

FA20D Brief

Subaru engineered the FA20D para ser um extremamente eficiente 2.0 litros com excepcionais eficiências volumétricas, mecânicas e térmicas. Nas rodas, o 2.0 litros fornece cerca de 170 cavalos de potência a 6.700RPM enquanto consegue arrancar quase 150 pés-lbs de torque. Embora estes números possam não parecer tão impressionantes por si só, um olhar sobre a curva de torque que fornece quase 90 por cento do torque de pico de 2.500 a 7.000 RPM é um feito e tanto. Embora esta curva de binário seja ideal para a rua ou para a pista, não tem o impacto psicológico de um motor F20C VTEC Honda que tem uma curva de binário curta e de pico que não faz com que as coisas avancem até aos limites superiores do tacógrafo LED do S2000. Por isso, muitos reclamam que o BRZ, o FR-S e o 86 têm uma grande falta de potência. Na realidade, a curva de torque ampla e plana simplesmente faz com que pareça faltar potência.

Embora as cabeças BRZ sejam superiores para o fluxo, as cabeças WRX são melhores para a eficiência de combustão. As almofadas de arrefecimento duplo ajudam a reduzir a detonação. A combinação ideal da câmara de combustão WRX com as portas e válvulas BRZ está atualmente em trabalho no Club DSPORT.

FA20F Brief

No desenvolvimento do primo turboalimentado da FA20D, os engenheiros da Subaru focaram em fazer da FA20F um turboalimentado de 2.0 litros com as características de saída de um V8 de 4.0 litros. Isto significava fazer com que o 2.0 litros se comportasse como se tivesse o dobro do seu deslocamento. Para conseguir isso, foi dada prioridade a colocar o motor em boost o mais rápido possível. Além de dimensionar o turboalimentador de acordo, o coletor de admissão, os cabeçotes e até as válvulas de admissão e escape são muito menores do que o FA20D para manter as velocidades de fluxo mais altas. Eixos de comando de válvulas e comando de válvulas também são inclinados para resposta e baixa eficiência de velocidade. Como resultado, o FA20F fornece sua potência de pico a 5.600RPM em vez dos 7.000RPM para o FA20D. As pequenas portas que tornam a FA20F tão ágil e eficaz a baixas velocidades são também o que limita a sua potência de topo.

Club DSPORT utiliza mangas de ferro dúctil da manga LA Sleeve ou Darton Sleeves para aumentar o diâmetro de perfuração da FA20 de 86 para 89mm. A combinação de furo de 89mm e curso de 90mm leva a dispacement a 2.240cc.

Forças Comuns

Existem várias tecnologias incorporadas na família de motores FA20 que os tornam uma boa base para um alto desempenho. Enquanto vários motores modernos estão incorporando a injeção direta para permitir melhorias de desempenho e eficiência, a injeção D-4S da Toyota adiciona a injeção convencional por porta, além da injeção direta. Ao utilizar a injecção de combustível a bombordo, o problema com a formação de depósitos de admissão que atormentam os motores de injecção directa é completamente evitado. Além disso, o sistema permite que o mercado de reposição atualize facilmente os injetores de porta para taxas de fluxo mais altas quando necessário para aplicações de maior potência.

Aqui está a porta de admissão de um motor VW turboalimentado de 2.0L após apenas 14.000 milhas. Como o motor é apenas de injecção directa, nunca há qualquer combustível injectado na porta de admissão para manter a porta e a válvula de admissão limpas. Como resultado, esses depósitos maciços se formam, matando o fluxo de ar e afetando o desempenho.

Outra força comum em toda a família FA20 é o aumento drástico da resistência do cilindro em comparação com o EJ257. Enquanto o espaçamento do diâmetro do cilindro é idêntico entre os motores FA20 e EJ257, o diâmetro do cilindro menor do FA20 permite paredes mais grossas do cilindro. Estas paredes mais espessas devem ser capazes de conter pressões mais elevadas do cilindro antes da falha.

Fraqueza comum

Bambos os motores FA20 apresentam bielas que são o elo mais fraco para o aumento da potência. As hastes FA20D parecem ter força suficiente para suportar a maior parte dos sistemas de sobrealimentação aparafusados com afinação adequada. Infelizmente, ir além dos 300 cavalos de potência nas rodas ou ter uma afinação que induza alguma batida pode rapidamente colocar uma destas hastes através da lateral do bloco.

Club DSPORT Reference FAs

Having a staff that’s built over 500 EJ257s faz-nos bastante familiarizados com o bom e o mau dos motores Subaru boxer. Embora a precisão da usinagem do motor Subaru não seja a pior de qualquer OEM, definitivamente não está no topo. Como tal, há melhorias significativas a serem realizadas aumentando o nível de precisão com a usinagem.

ARP os parafusos da caixa e os parafusos de cabeça são fundamentais para aumentar a capacidade de manipulação de potência do motor FA20. Como estes fixadores aumentam as cargas de aperto, pode ocorrer distorção adicional no bloco. A perfuração da linha CNC e a afiação do cilindro com uma placa de torque corrigem a distorção adicional.

Todos os blocos FA20 baseados no Club DSPORT FA20 começam com um bloco nu FA20 novinho em folha, proveniente da Heuberger Subaru de Colorado Springs, Colorado. Em nossa experiência, Heuberger não pode ser superada em termos de preços, tendo itens em estoque e de preço acessível e rápido envio. Melhor de tudo, a Heuberger apoia a cena através do patrocínio do evento do IDRC no Colorado. Quando o novo bloco chega, as medidas do alinhamento do furo principal são realizadas. Este processo irá determinar se as metades do case requerem ou não usinagem antes da operação de furação da linha.

Linhamento

Um conjunto completo de parafusos do case ARP de alta performance são torcidos de acordo com as especificações antes da operação de furação da linha. Os parafusos da caixa de ARP são feitos de uma liga de alta qualidade que permite o aumento da força de aperto. Como atualmente não há rolamentos de diâmetro externo superdimensionados para o mercado de reposição para os motores FA20, o processo é extremamente tedioso e demorado, já que o ajuste requer um alinhamento dentro de alguns milésimos de polegada. Isso é cerca de 1/10 do diâmetro do pêlo mais fino da sua carroceria. Os cortadores especiais de PCD são usados para produzir um acabamento excepcional, uma vez iniciado o processo de corte. O conjunto de ferramentas ópticas do Club DSPORT permite uma precisão extrema no ajuste da ferramenta.

CNC 4-eixos Usinagem

A partir do momento em que a operação de furação da linha estiver completa, o bloco é desmontado e depois remontado com a barra de 2,0000″ no lugar. Esta barra permite que o motor seja colocado no centro da máquina do motor de 4 eixos para operações de furação, desobstrução, usinagem de mangas, decks e gravuras. Os blocos que mantêm o furo original de 86mm só necessitam das operações paralelas de perfuração e gravação (para identificar o bloco como um motor Club DSPORT série de referência). A operação de decks paralelos assegura que a distância da linha central da cambota até ao convés do bloco seja idêntica em ambas as margens do motor do boxer. Esta operação de perfuração em linha e a operação de plataforma paralela proporcionam uma geometria que assegura que a distância entre o pistão e o convés é idêntica em todos os cilindros. Por sua vez, a taxa de compressão estática final para cada cilindro torna-se mais consistente. Uma vez terminada a usinagem CNC no bloco, é hora de afiar os cilindros.

Opções de manga

Club DSPORT está em processo de avaliação de todas as ofertas de mangas de alto desempenho atualmente disponíveis para o motor da série FA. No passado, o Club DSPORT teve excelente sucesso com ofertas de mangas Darton Sleeves e LA Sleeves em vários tipos de motores. Para o motor da série FA, o Club DSPORT irá construir as edições FA225 com um design de mangas baseado na preferência do cliente. As mangas personalizadas de ambos os fornecedores também estarão disponíveis para aplicações especiais.

A superfície do bloco é usinada com um cortador PCBN antes de ser lapidada com um acabamento super liso para as juntas do cabeçote MLS. As juntas do cabeçote OEM são usadas nas iterações FA20 e FA21, enquanto uma junta do cabeçote HKS de 90mm é usada nos motores FA225 com furo de 89mm com mangas.

Plateau & Honra do Cilindro Perfilado com Placa

Além da correcção da colocação da linha de centro do virabrequim no motor e da equalização das alturas da plataforma no motor, a maior diferença entre um motor Subaru maquinado de fábrica e um motor de referência Club DSPORT pode ser encontrada nos cilindros. Idealmente, os cilindros do motor (uma vez montados) são o mais redondos e sem conicidade possível, ao mesmo tempo em que oferecem um acabamento de superfície ideal para trabalhar com o pistão e o pacote de anéis do pistão. Para conseguir isso, o Club DSPORT experimentou com diferentes designs de placas de torque (também conhecido como placa de afiação) até que fosse finalizado um design que simulasse exatamente os efeitos de distorção das cabeças aparafusadas ao bloco. Para aparafusar a placa de torque no lugar, são utilizados pinos de cabeça ARP e uma junta de fábrica (FA20 e FA21) ou Cosworth de 90mm (FA225). Com os cilindros agora sujeitos às mesmas tensões e deformações que serão realizadas no motor completo, o cilindro é polido com um abrasivo diamantado especial até uma dimensão final de 86,05mm ou 89,00mm (a especificação para os pistões personalizados). A circularidade e a conicidade do cilindro é mantida abaixo de 0,0004″ enquanto o acabamento superficial é equalizado e otimizado em cada furo, usando um profilômetro para medir a superfície. No final do processo de polimento, apenas uma pequena quantidade de rebarbamento é realizada antes do bloco ser lavado por jato, limpo por ultra-som e depois limpo à mão em estado pronto para montagem.

Após as medidas de retilinidade e dimensões do virabrequim, cada virabrequim é dinamicamente balanceado a menos de 0,25 gramas de balanceamento.

Montagem rotativa otimizada

Embora o Club DSPORT FA20 utilize um virabrequim OEM padrão de 86mm, tanto as iterações FA21 como FA225 do Club DSPORT utilizam o mesmo virabrequim forjado e não forjado. O virabrequim fabricado no Japão possui um curso de +4mm (90mm) e pinos principais e de haste com grau de precisão. A manivela é totalmente tratada com calor e nitretada para uma resistência superior, resistência à fadiga e dureza da superfície do moente. A maioria dos motores Club DSPORT FA-series atualmente no campo apresentam virabrequins que foram processados com o tratamento de superfície Omicron da Shaftech. Este processo de hiperacabamento produz um acabamento superficial superior que elimina as marcas microscópicas de usinagem e retificação normalmente presentes. Embora o Club DSPORT não tenha realizado seus próprios testes do processo, outras partes têm visto ganhos de potência e redução de atrito com processos similares. Cada virabrequim é balanceado dinamicamente para menos de 0,25 gramas de desequilíbrio.

Cada pistão é igualado em um conjunto de pistões de dimensões e pesos semelhantes antes de ser balanceado final.

Rendimento do pistão

Cada motor DSPORT Club da série de referência FA tem um design de pistão único. Todos os três designs de pistão foram concebidos pela Mahle Motorsports para proporcionar o máximo desempenho, fiabilidade e eficiência para cada versão de motor. Graças à extensa relação de fornecedores OEM da Mahle, os seus engenheiros de design são bem versados na criação de um formato de cúpula de pistão optimizado para o ambiente de injecção directa. Os pistões também foram optimizados para utilização com combustíveis E85, uma vez que as terras do anel superior foram anodizadas para maior resistência e resistência à micro-soldagem. Os pinos e o design da saia, assim como o pacote de anéis também foram selecionados especificamente para o manuseio de alta potência, maior vida útil do motor e maior eficiência. Embora os limites de potência dos pistões não tenham sido documentados, modelos de computador e experiência com pistões de 86 mm (ou seja, RB26 e Supra) sugerem que a potência dos pistões com mais de 200 cavalos por cilindro deve ser facilmente atingida. A taxa de compressão estática estará entre 10,7 para 10,8:1 com cabeçotes BRZ e 10,9 para 11,0:1 com cabeçotes WRX. Antes da instalação, o Club DSPORT equilibra cada conjunto de pistão e pino a 0,2 gramas.

Cada extremidade pequena e cada extremidade grande é equilibrada em cada conjunto e registada no caso de ser necessária uma substituição no futuro.

Hot Hastes

Para fazer a ligação entre o virabrequim e o pistão, os motores Club DSPORT FA20 Reference Series utilizam as hastes de ligação Manley Pro Série I, de 3/8 polegadas, equipadas com parafusos de haste ARP2000. Para os motores Club DSPORT FA21 e FA225, é utilizada uma biela personalizada Manley Pro Série I. As hastes são projetadas para suportar 250 cavalos de potência por cilindro. Antes da instalação, o Club DSPORT equilibra as extremidades pequena e grande de cada haste até 0,2 gramas.

Bearings, Assembly and Blueprinting

Após todos os componentes estarem num estado de limpeza pronto a montar, todas as medições críticas são registadas durante a montagem do bloco curto. Estas incluem todas as dimensões do virabrequim, folgas do mancal, folga da extremidade do virabrequim, folga lateral da haste, folgas da extremidade do anel do pistão, folga da parede do pistão para o cilindro, altura do pistão para o convés e torque necessário para girar o bloco curto completo. Na maioria dos casos, os rolamentos principais King Racing XPG são utilizados com rolamentos de haste Clevite. Entretanto, se a folga ideal de óleo não puder ser alcançada com esta combinação, os rolamentos ACL ou OEM podem ser substituídos. Na maioria dos casos, as folgas são configuradas para óleo de viscosidade SAE 0W-40.

Um trem de válvulas Supertech completo incluindo válvulas de admissão em aço inoxidável nitretado preto e válvulas de escape Inconel substituem as ferragens de fábrica. As molas, retentores, vedantes e guarnições Supertech completam o trem de válvulas atualizado que é orquestrado pelos eixos de comando HKS.

As cabeças dos cilindros

Embora o programa de bloco curto esteja concluído, o programa de cabeça do cilindro ainda está a alguns meses da conclusão. O teste FA21 dyno apresentou uma combinação de eixos de comando HKS com válvulas de admissão de nitreto inoxidável Supertech e válvulas de escape Inconel. O FA225 atualmente em montagem utilizará um conjunto de cames Piper Cams BP285 Ultimate Road com válvulas de tamanho superior a +1mm. Os cames são consideravelmente mais agressivos que os cames HKS e devem ser mais adequados para o aumento do deslocamento.

Os resultados

Recentemente, tivemos a oportunidade de testar um dos motores Club DSPORT Reference Series FA21. Após o motor de stock ter-se rendido a pouco mais de 400whp no nosso Projecto turbo FR-S, decidimos que este seria o banco de ensaios perfeito para o novo motor. Anteriormente, o sistema de turbo Full-Race EFR ajudou o stock FA20 a gerar 412whp a cerca de 6.900RPM. O torque de pico foi verificado a 332 pés-lbs a 6.000RPM. O pico de impulso foi de aproximadamente 15psi enquanto funcionava em E85.

Com o motor Club DSPORT FA21 no lugar, esperávamos ver um ganho de torque na faixa de 5 a 10% nos mesmos níveis de impulso, devido ao aumento do deslocamento e melhorias. A 2.500RPM antes de qualquer reforço apreciável ser feito, o torque melhorou de 125 pés-lbs para 160 pés-lbs. Isso é um aumento significativo de 28 por cento. A 3.500 RPM, o torque melhorou de 215 ft-lbs para 270 ft-lbs; um aumento de 26 por cento. Portanto, o FA21 está fornecendo as características de resposta de um 2,5 litros. Extrapolando esses dados, o FA225 pode ter as características de resposta de um motor de 2,7 litros.

Motor de stock, motor de stock com o kit Full-Race EFR7163 e o Club DSPORT FA21 com o Full-Race EFR7163 mostram os ganhos massivos possíveis com um FA20.

Sem compromissos. A combinação atual mostra uma curva de torque para morrer. O melhor de tudo é que ainda há mais a ser realizado uma vez que o sistema de combustível receba outra rodada de upgrades.

Resultados de alto impulso

Pelas vantagens do aumento da potência e da taxa de compressão otimizada por indução forçada, podemos finalmente aumentar com segurança o impulso. Com o reforço definido para 24psi, o FA21 foi entregue, e entregue em grande. A curva de potência atingiu o pico de 563whp, mas tinha uma forma que todos os outros motores de 2 litros iriam invejar. Em comparação com o motor de fábrica, não houve comprometimento no desempenho, desde 2.000RPM até o novo redline de 7.600RPM. Mais de 300 pés-lbs de torque está disponível a partir de 3.700RPM até atingir o limitador de rotação. O verdadeiro ponto doce está entre 4.800 e 7.000RPM onde mais de 400 lbs-ft de torque está disponível sob demanda. Embora estes números sejam impressionantes, é provável que haja mais desempenho disponível, pois simplesmente ficamos sem capacidade de injecção para suportar mais potência. Com base nos dados, o EFR 7163 deve ser capaz de obter mais da marca de 600whp a cerca de 28psi de impulso. Assim que tivermos a nossa solução de transmissão no lugar, vamos colocar o nosso turbo FR-S de volta no dyno para o empurrar com mais força.

O nosso FR-S prateado vai servir como nosso testador interno para a versão FA21 de 2.1 litros do programa Club DSPORT Reference Series. O testador de 2.3 litros será supercharged.

Pleasantly Surprised

Nós desenvolvemos e construímos motores 1.400whp RB, 1.000+whp Hondas série B, campeões 2JZs e muitos outros motores para mencionar. Enquanto a pura potência dos outros motores pode eclipsar os números de desenvolvimento atuais da série FA, não há motor que tenha excedido nossas previsões como o FA21 e FA225. Embora estejamos confiantes no desenvolvimento até ao nível de 600whp, não sabemos quais as limitações que serão expostas quando os níveis de 700-, 800-, 900- ou 1000whp forem atingidos. Considerando que uma FA21 de 550whp ou FA23 de 600whp atenderia as exigências de 98 por cento do proprietário mais ambicioso da WRX ou 86, precisamos dizer, “pare a troca”. Se você precisar de mais, estamos bastante confiantes de que vamos descobrir o que é realmente necessário para 700-, 800- e talvez até 1000whp.