Free Press

Ford și Chevy V8, Toyota 2JZ, Subaru EJ257 și chiar motoare Ferrari au reușit să ia locul lui Subaru FA20 în mai mult de o mână de platforme BRZ, WRX, FR-S și 86. Indiferent dacă locul de desfășurare este Formula D, Pike’s Peak, Time Attack sau chiar o pistă de tragere, soluția preferată a fost să se schimbe FA20 în loc să i se dea o șansă de a-și dovedi valoarea. Popularitatea schimbării motorului în 86 i-a făcut pe mulți să presupună că FA20 nu este o platformă de motor viabilă pentru obiective de peste 500 de cai putere. Așadar, este FA20 o cauză pierdută? Într-un singur cuvânt, „nu.”

Text de Michael Ferrara // Fotografii de Joe Singleton

DSPORT Issue #187

It’s a Keeper

Rezultatele inițiale ale programului de dezvoltare a motorului FA20 în curs de desfășurare al Clubului DSPORT constituie un argument puternic pentru a opri schimbul. Cum sună peste 560 de cai putere la roată la 6.500 RPM și peste 475 ft-lbs de cuplu la 5.750RPM de la un FA20 de 2,1 litri turboalimentat cu pompa E85 cu manierele unui motor de serie? Acesta este doar începutul, deoarece Club DSPORT va forța și mai mult motorul de 2,1 litri și, în același timp, va iniția testele pe FA20 de 2,25 litri, care va avea capacități suplimentare de ieșire și de gestionare a puterii. Pentru a înțelege pe deplin procesul de dezvoltare a motorului Club DSPORT, este necesar să înțelegem mai întâi FA20 în forma sa „așa cum a fost livrat”.

Mulți cred în mod eronat că versiunile BRZ și WRX ale FA20 sunt similare, cu excepția raportului de compresie și a prezenței unui turbocompresor. În realitate, diferențele sunt vaste, inclusiv în ceea ce privește blocul, capetele, pistoanele, tijele, supapele, arborii cu came și pompele de ulei. Majoritatea pieselor nu sunt interschimbabile.

D’s și F’s

Înainte de a clasifica FA20 în forma sa de serie, este important să înțelegem că există două versiuni foarte diferite ale motorului. FA20D (adesea denumit simplu FA20) este versiunea cu aspirație naturală de 200 de cai putere la volan care se găsește la BRZ, FR-S și 86; în timp ce FA20F (denumit greșit FA20T, deoarece este turboalimentat) oferă aproape 270 de cai putere la volan. Mulți oameni presupun că singura diferență dintre cele două motoare este reprezentată de rapoartele de compresie și de prezența unui turbocompresor. De fapt, există mai multe diferențe decât asemănări între aceste două motoare. Blocurile, capetele, pistoanele, tijele, supapele și colectoarele de admisie sunt unice pentru fiecare platformă. Deși acest lucru crește în mod evident costurile de producție, îi permite lui Subaru să optimizeze fiecare motor pentru utilizarea sa specifică.

Capacele WRX dispun de orificii mici de mare viteză pentru a reduce decalajul turbo și a îmbunătăți răspunsul. Capetele cilindrilor BRZ au orificii mai mari, cu debit mai mare, bazate pe supape mai mari. Acesta este unul dintre motivele pentru care motorul WRX atinge puterea maximă la un turație mai mică.

FA20D Brief

Subaru a proiectat FA20D pentru a fi un motor de 2,0 litri extrem de eficient, cu randamente volumetrice, mecanice și termice excepționale. La roți, motorul de 2,0 litri livrează aproximativ 170 de cai putere la 6.700RPM, reușind în același timp să scoată un cuplu de aproape 150 ft-lbs. Deși aceste cifre pot să nu pară atât de impresionante în sine, o privire la curba cuplului care oferă aproape 90% din cuplul maxim de la 2.500 la 7.000 rpm este o adevărată realizare. În timp ce această curbă de cuplu este ideală pentru stradă sau pentru circuit, nu are impactul psihologic al unui motor F20C VTEC Honda care are o curbă de cuplu de vârf și scurtă, care nu pornește lucrurile până în partea superioară a tahografului cu LED-uri al lui S2000. Prin urmare, mulți se plâng de faptul că BRZ, FR-S și 86 duc o lipsă severă de putere. În realitate, curba largă și plată a cuplului face pur și simplu să se simtă că îi lipsește puterea.

În timp ce capetele BRZ sunt superioare pentru debit, capetele WRX sunt mai bune pentru eficiența combustiei. Plăcuțele duble de stingere ajută la reducerea detonării. Combinația ideală a camerei de ardere WRX cu orificiile și supapele BRZ este în prezent în lucru la Club DSPORT.

FA20F Brief

În dezvoltarea vărului turbo al FA20D, inginerii Subaru s-au concentrat pe transformarea FA20F într-un motor turbo de 2,0 litri cu caracteristicile de putere ale unui V8 de 4,0 litri. Acest lucru a însemnat să facă ca motorul de 2,0 litri să se comporte ca și cum ar fi de două ori mai mare decât cilindreea sa. Pentru a realiza acest lucru, o prioritate a fost acordată punerii motorului în regim de supraalimentare cât mai rapid posibil. Pe lângă dimensionarea corespunzătoare a turbocompresorului, colectorul de admisie, capetele cilindrilor și chiar supapele de admisie și de evacuare sunt mult mai mici decât la FA20D pentru a menține vitezele de curgere mai mari. Arborele cu came și sincronizarea camei sunt, de asemenea, înclinate pentru răspuns și eficiență la viteze mici. Ca urmare, FA20F livrează puterea maximă la 5.600RPM în loc de 7.000RPM pentru FA20D. Orificiile mici care fac ca FA20F să fie atât de receptiv și eficient la turații mici ale motorului sunt, de asemenea, cele care îi limitează puterea de top.

Clubul DSPORT folosește manșoane din fier dutilic de la LA Sleeve sau Darton Sleeves pentru a mări dimensiunea alezajului FA20 de la 86 la 89mm. Combinația de alezaj de 89mm și cursă de 90mm duce dispeceratul la 2.240cc.

Potriviri comune

Există o serie de tehnologii încorporate în familia de motoare FA20 care le fac o bază bună pentru performanțe înalte. În timp ce o serie de motoare moderne încorporează injecția directă pentru a permite îmbunătățirea performanțelor și a eficienței, injecția D-4S de la Toyota adaugă, pe lângă injecția directă, și injecția convențională prin orificiu. Prin utilizarea injecției prin orificiu, problema formării de depuneri la admisie, care afectează motoarele cu injecție directă, este complet evitată. În plus, sistemul permite pieței de piese de schimb să îmbunătățească cu ușurință injectoarele de port la debite mai mari atunci când este necesar pentru aplicații de putere mai mare.

Iată orificiul de admisie al unui motor VW turbo de 2.0L după doar 14.000 de mile. Deoarece motorul este doar cu injecție directă, nu se injectează niciodată combustibil în orificiul de admisie pentru a menține curățenia orificiului și a supapei de admisie. Ca urmare, se formează aceste depozite masive, care distrug fluxul de aer și afectează performanța.

Un alt punct forte comun în întreaga familie FA20 este rezistența drastic crescută a cilindrilor în comparație cu EJ257. În timp ce distanța dintre alezajele cilindrilor este identică între un motor FA20 și EJ257, diametrul mai mic al alezajului cilindrilor de la FA20 permite pereți mai groși ai cilindrilor. Acești pereți mai groși ar trebui să fie capabili să conțină presiuni mai mari în cilindri înainte de a ceda.

Dezabilități comune

Ambele motoare FA20 dispun de bielete care sunt cea mai slabă verigă pentru o manevrabilitate sporită a puterii. Bielele FA20D par să aibă suficientă rezistență pentru a susține cea mai mare parte a sistemelor de supraalimentare cu șuruburi, cu un reglaj corespunzător. Din nefericire, depășirea a 300 de cai putere la roți sau o reglare care induce o oarecare bătaie poate face ca una dintre aceste tije să treacă rapid prin partea laterală a blocului.

Club DSPORT Referință FAs

Având un personal care a construit peste 500 de EJ257-uri ne face să fim destul de familiarizați cu bunele și relele motoarelor boxer Subaru. În timp ce precizia prelucrării motorului de către Subaru nu este cea mai proastă dintre toți producătorii de echipamente originale, cu siguranță nu este în top. Ca atare, există îmbunătățiri semnificative care pot fi realizate prin creșterea nivelului de precizie a prelucrării.

Buloanele carcasei ARP și șuruburile de cap sunt esențiale pentru creșterea capacităților de gestionare a puterii motorului FA20. Deoarece aceste elemente de fixare măresc sarcinile de strângere, pot apărea distorsiuni suplimentare ale blocului. Alezarea liniei CNC și honuirea cilindrilor cu o placă de torsiune corectează distorsiunile suplimentare.

Toate construcțiile Club DSPORT bazate pe FA20 încep cu un bloc gol FA20 nou-nouț provenit de la Heuberger Subaru din Colorado Springs, Colorado. Din experiența noastră, Heuberger nu poate fi bătut în ceea ce privește prețurile, având articole în stoc și o livrare rapidă și accesibilă. Mai presus de toate, Heuberger sprijină scena prin sponsorizarea evenimentului IDRC din Colorado. Când sosește noul bloc, se efectuează măsurători de aliniere a alezajului principal. Acest proces va determina dacă jumătățile carcasei vor necesita sau nu prelucrare înainte de operațiunea de alezare a liniei.

Aliniere

Un set complet de șuruburi ARP de înaltă performanță pentru carcase sunt strânse la cheie conform specificațiilor înainte de operațiunea de alezare a liniei. Șuruburile de carcasă ARP sunt fabricate dintr-un aliaj de calitate superioară care permite creșterea forței de strângere. Deoarece în prezent nu există pe piață rulmenți cu diametru exterior supradimensionat pentru motoarele FA20, procesul este extrem de anevoios și consumator de timp, deoarece configurarea necesită o aliniere cu o precizie de câteva zecimi de milimetru. Asta înseamnă aproximativ 1/10 din diametrul celui mai subțire fir de păr de pe corpul dumneavoastră. Se folosesc freze speciale PCD pentru a produce un finisaj excepțional odată ce procesul de tăiere este inițiat. Dispozitivul optic de reglare optică a sculelor de la Club DSPORT permite o precizie extremă în setarea sculelor.

Lucrare CNC pe 4 axe

După ce operațiunea de găurire a liniei este finalizată, blocul este dezasamblat și apoi reasamblat cu bara de 2,0000″ la locul ei. Această bară permite ca motorul să fie plasat în centrul de prelucrare a motoarelor cu 4 axe pentru operațiunile de alezare, de compensare, de prelucrare a manșonului, de decapare și de gravură. Blocurile care păstrează alezajul original de 86 mm vor necesita doar operațiunile de decking și gravură paralelă (pentru a identifica blocul ca fiind un motor din seria Club DSPORT Reference). Operațiunea de decapare paralelă asigură faptul că distanța de la linia mediană a arborelui cotit până la puntea blocului este identică pe ambele maluri ale motorului boxer. Această operațiune de alezare în linie și operațiunea de decapare paralelă oferă o geometrie care asigură că distanța dintre piston și punte este identică în fiecare cilindru. La rândul său, raportul de compresie static final pentru fiecare cilindru devine mai consistent. Odată ce prelucrarea CNC este finalizată pe bloc, este timpul pentru honuirea cilindrilor.

Opțiuni de manșonare

Club DSPORT este în proces de evaluare a tuturor ofertelor de manșoane de înaltă performanță disponibile în prezent pentru motorul din seria FA. În trecut, Club DSPORT a avut un succes excelent cu ofertele atât de la Darton Sleeves, cât și de la LA Sleeves pe diferite tipuri de motoare. Pentru motorul din seria FA, Club DSPORT va construi edițiile FA225 cu oricare dintre modelele de manșoane, în funcție de preferințele clientului. Manșoane cu specificații personalizate de la ambii furnizori vor fi, de asemenea, disponibile pentru aplicații speciale.

Suprafața de punte a blocului este prelucrată cu un tăietor PCBN înainte de a fi șlefuită până la un finisaj super neted pentru garniturile de cap MLS. Garniturile de cap OEM sunt folosite la iterațiile FA20 și FA21, în timp ce o garnitură de cap HKS de 90 mm este folosită la motoarele FA225 cu alezaj de 89 mm cu manșon.

Platoul & Șlefuirea cilindrilor profilați cu placă

Pe lângă corectarea poziționării liniei centrale a arborelui cotit în motor și egalizarea înălțimii punților în motor, cea mai mare diferență între un motor Subaru prelucrat din fabrică și un motor de referință Club DSPORT se regăsește la nivelul cilindrilor. În mod ideal, cilindrii motorului (odată asamblați) sunt cât se poate de rotunzi și fără conicitate, având în același timp un finisaj de suprafață ideal pentru a lucra cu pistonul și cu pachetul de segmente al acestuia. Pentru a realiza acest lucru, Club DSPORT a experimentat cu diferite modele de plăci de torsiune (aka placa de honuire) până când a fost finalizat un design care să simuleze cu exactitate efectele de distorsiune produse de înșurubarea capetelor pe bloc. La înșurubarea plăcii de torsiune se folosesc știfturi de cap ARP și fie o garnitură de cap de 90 mm din fabrică (FA20 și FA21), fie una Cosworth (FA225). În condițiile în care cilindrii sunt acum supuși acelorași tensiuni și eforturi care vor fi realizate pe motorul finalizat, cilindrul este rectificat cu ajutorul unui abraziv diamantat special până la o dimensiune finală de 86,05 mm sau 89,00 mm (specificația pentru pistoanele personalizate). Rotunjimea și conicitatea cilindrului sunt menținute sub 0,0004″, în timp ce finisajul suprafeței este egalizat și optimizat în fiecare alezaj prin utilizarea unui profilometru pentru a măsura suprafața. La sfârșitul procesului de honuire, are loc doar o mică debavurare înainte ca blocul să fie spălat cu jet de apă, curățat cu ultrasunete și apoi curățat manual până la o stare gata de asamblare.

După măsurătorile pentru rectitudinea și dimensiunile butucului, fiecare arbore cotit este echilibrat dinamic la mai puțin de 0,25 grame de echilibru.

Asamblu rotativ optimizat

În timp ce Club DSPORT FA20 folosește un arbore cotit standard OEM de 86 mm, atât iterațiile FA21, cât și FA225 de la Club DSPORT folosesc același arbore cotit forjat și nitrurat stroker. Arborele cotit fabricat în Japonia are o cursă de +4 mm (90 mm) și știfturi principale și de tijă clasificate cu precizie. Manivela este complet tratată termic și nitrurată pentru o rezistență superioară, rezistență la oboseală și duritate a suprafeței butucului. Majoritatea motoarelor Club DSPORT din seria FA aflate în prezent pe teren dispun de arbori cotiți care au fost prelucrați cu tratamentul de suprafață Omicron de la Shaftech. Acest proces de hiperfinisare produce o finisare superioară a suprafeței care elimină urmele microscopice de prelucrare și rectificare prezente în mod normal. Deși Club DSPORT nu a efectuat propriile teste ale procesului, alte părți au observat creșteri de putere și reducerea frecării cu procese similare. Fiecare arbore cotit este echilibrat dinamic la mai puțin de 0,25 grame de dezechilibru.

Care și fiecare piston este asortat într-un set de pistoane de dimensiuni și greutăți similare înainte de a fi echilibrat definitiv.

Performanța pistonului

Care motor Club DSPORT Reference-series FA are un design unic al pistonului. Toate cele trei modele de pistoane au fost proiectate de Mahle Motorsports pentru a oferi performanță maximă, fiabilitate și eficiență pentru fiecare versiune de motor. Datorită relației extinse pe care Mahle o are cu furnizorii de echipamente originale, inginerii de proiectare ai companiei Mahle sunt bine versați în crearea unei forme de dom de piston optimizate pentru mediul de injecție directă. Pistoanele au fost, de asemenea, optimizate pentru a fi utilizate cu carburanți E85, deoarece lagărele inelare superioare au fost anodizate dur pentru o rezistență suplimentară și rezistență la microsudare. Decalajele știfturilor și designul fustei, precum și pachetul de inele au fost, de asemenea, selectate în mod special pentru manevrarea la putere mare, prelungirea duratei de viață a motorului și creșterea eficienței. Deși limitele de putere ale pistoanelor nu au fost documentate, modelele computerizate și experiența cu pistoane similare de 86 mm (de exemplu, RB26 și Supra) sugerează că o putere de peste 200 de cai putere pe cilindru ar trebui să fie ușor de atins. Raportul de compresie static va fi cuprins între 10,7-10,8:1 cu capetele BRZ și 10,9-11,0:1 cu capetele cilindrilor WRX. Înainte de instalare, Club DSPORT echilibrează fiecare set de pistoane și știfturi cu o precizie de 0,2 grame.

În fiecare set, capătul mic și capătul mare sunt echilibrate corespunzător și înregistrate în cazul în care va fi nevoie de o înlocuire în viitor.

Bățurile calde

Pentru a face legătura între arborele cotit și piston, motoarele Club DSPORT FA20 Reference Series folosesc bielele de legătură Manley Pro Series I-beam 4340 din comerț, echipate cu șuruburi ARP2000 de 3/8 de inch. Pentru motoarele Club DSPORT FA21 și FA225, se utilizează o tijă de legătură Manley Pro Series I-beam personalizată. Tijele sunt concepute pentru a suporta 250 de cai putere pe cilindru. Înainte de instalare, Club DSPORT echilibrează capătul mic și mare al fiecărei tije cu o precizie de 0,2 grame.

Buclee, asamblare și schițe

După ce toate componentele sunt într-o stare de curățenie gata de asamblare, toate măsurătorile critice sunt înregistrate în timpul asamblării blocului scurt. Acestea includ toate dimensiunile butucului arborelui cotit, jocurile de lagăre, jocul la capătul arborelui cotit, jocul lateral al tijei, distanțele dintre capetele segmentelor de piston, jocul pistonului față de peretele cilindrului, înălțimea pistonului față de punte și cuplul necesar pentru a roti blocul scurt finalizat. În majoritatea cazurilor, rulmenții principali King Racing XPG sunt utilizați cu rulmenți de tijă Clevite. Cu toate acestea, dacă nu se pot obține jocurile de ulei ideale cu această combinație, se pot înlocui rulmenții ACL sau OEM. În cele mai multe cazuri, jocurile sunt setate pentru ulei de vâscozitate SAE 0W-40.

Un sistem complet de supape Supertech, inclusiv supape de admisie din oțel inoxidabil nitrurat negru și supape de evacuare din Inconel, înlocuiește feroneria din fabrică. Arcurile, reținerile, garniturile, etanșările și opritorii Supertech completează sistemul de supape îmbunătățit care este orchestrat de arbori cu came HKS.

Capacele cilindrilor

În timp ce programul pentru blocul scurt este finalizat, programul pentru capetele de cilindri este încă la câteva luni de la finalizare. Testul pe banc de încercare FA21 a prezentat o combinație de arbori cu came HKS cu supape de admisie din inox nitrurat Supertech și supape de evacuare din Inconel. FA225, aflat în prezent în asamblare, va folosi un set de arbori cu came Piper Cams BP285 Ultimate Road cu supape supradimensionate de +1 mm. Camele sunt considerabil mai agresive decât cele HKS și ar trebui să fie mai potrivite pentru cilindreea crescută.

Rezultatele

Recent, am avut ocazia să punem la încercare unul dintre motoarele Club DSPORT Reference Series FA21. După ce motorul de serie s-a predat la puțin peste 400whp în FR-S-ul nostru Project turbo, am decis că acesta ar fi patul de testare perfect pentru noul motor. Anterior, sistemul turbo Full-Race EFR a ajutat FA20 de serie să genereze 412whp la aproximativ 6.900RPM. Cuplul maxim s-a verificat la 332 ft-lbs la 6.000RPM. Supraalimentarea a atins un vârf de aproximativ 15psi în timp ce funcționa cu E85.

Cu motorul Club DSPORT FA21 în loc, ne așteptam să vedem un câștig de cuplu în intervalul 5-10 procente la aceleași niveluri de supraalimentare datorită cilindreei crescute și îmbunătățirilor. La 2.500RPM, înainte de a se face orice amplificare apreciabilă, cuplul s-a îmbunătățit de la 125 ft-lbs la 160 ft-lbs. Aceasta este o creștere semnificativă de 28 de procente. La 3.500 RPM, cuplul s-a îmbunătățit de la 215 ft-lbs la 270 ft-lbs; o creștere de 26 de procente. Prin urmare, FA21 oferă caracteristicile de răspuns ale unui motor de 2,5 litri. Extrapolând aceste date, FA225 poate avea caracteristicile de răspuns ale unui 2,7 litri.

Motor de serie, motor de serie cu kit Full-Race EFR7163 și Club DSPORT FA21 cu Full-Race EFR7163 arată creșterile masive posibile cu un FA20 de 2,1 litri construit corespunzător.

Fără compromisuri. Combinația actuală prezintă o curbă a cuplului de nerefuzat. Cel mai bun lucru este că mai sunt încă multe de realizat odată ce sistemul de alimentare primește o altă rundă de îmbunătățiri.

Rezultatele unei supraalimentări ridicate

Grație puterii crescute și raportului de compresie optimizat pentru inducția forțată, am putut în sfârșit să creștem în siguranță supraalimentarea. Cu supraalimentarea setată la 24psi, FA21 a livrat, și a livrat mult. Curba de putere a atins un vârf de 563whp, dar a avut o formă pe care toate celelalte motoare de 2 litri ar fi invidioase. În comparație cu motorul din fabrică, nu a existat niciun compromis în ceea ce privește performanța oriunde de la 2.000RPM până la noua linie roșie de 7.600RPM. Peste 300 ft-lbs de cuplu este disponibil de la 3.700RPM până când atingeți limitatorul de turație. Adevăratul punct dulce este între 4.800 și 7.000RPM, unde peste 400 lbs-ft de cuplu este disponibil la cerere. Deși aceste cifre sunt impresionante, probabil că există mai multă performanță disponibilă, deoarece pur și simplu am rămas fără capacitatea injectoarelor pentru a susține mai multă putere. Pe baza datelor, EFR 7163 ar trebui să fie capabil să depășească pragul de 600whp la aproximativ 28psi de supraalimentare. După ce vom avea soluția de transmisie, vom pune din nou FR-S-ul turbo pe banc de încercare pentru a-l forța și mai tare.

Fr-S-ul nostru argintiu va servi ca tester intern pentru versiunea FA21 de 2,1 litri a programului Club DSPORT Reference Series. Testerul de 2,3 litri va fi supraalimentat.

Surpriză plăcută

Am dezvoltat și construit motoare RB de 1.400 de cai putere, Hondas din seria B de peste 1.000 de cai putere, 2JZ-uri câștigătoare de campionat și prea multe alte motoare pentru a le mai menționa. În timp ce puterea pur și simplu a celorlalte motoare poate eclipsa cifrele actuale de dezvoltare a seriei FA, nu există niciun motor care să fi depășit previziunile noastre ca FA21 și FA225. Deși suntem încrezători în dezvoltarea până la nivelul de 600 CP, nu știm ce limitări vor fi expuse pe măsură ce vor fi atinse nivelurile de 700, 800, 900 sau 1000 CP. Având în vedere că un FA21 de 550whp sau un FA23 de 600whp ar satisface cerințele a 98 la sută dintre cei mai ambițioși proprietari de WRX sau 86, trebuie să spunem „opriți schimbul”. Dacă aveți nevoie de mai mult, suntem destul de încrezători că ne vom da seama ce este cu adevărat necesar pentru 700-, 800- și poate chiar 1000whp.

.