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Ford e Chevy V8, Toyota 2JZ, Subaru EJ257 e persino motori Ferrari sono riusciti a prendere il posto del Subaru FA20 in più di una manciata di piattaforme BRZ, WRX, FR-S e 86. Che la sede sia la Formula D, Pike’s Peak, Time Attack o anche il dragstrip; la soluzione è stata quella di sostituire il FA20 invece di dargli la possibilità di dimostrarsi degno. La popolarità degli scambi di motori nell’86 ha fatto supporre a molti che l’FA20 non è una piattaforma di motori praticabile per obiettivi più-500whp. Quindi l’FA20 è una causa persa? In una parola, “no.”

Testo di Michael Ferrara // Foto di Joe Singleton

DSPORT Issue #187

It’s a Keeper

I risultati iniziali del programma di sviluppo del motore FA20 del Club DSPORT costituiscono un forte argomento per fermare lo scambio. Come suona oltre 560 cavalli a 6.500 RPM e oltre 475 ft-lbs di coppia a 5.750RPM da un 2.1 litri FA20 turbo su pompa E85 con le maniere di un motore stock? Questo è solo l’inizio, come Club DSPORT sarà spingere il 2.1-litro più difficile, mentre anche iniziando i test sul suo 2.25-litro FA20 che avrà ulteriori capacità di uscita e di gestione della potenza. Per comprendere appieno il processo di sviluppo del motore del Club DSPORT, è necessario prima capire il FA20 nella sua forma “come consegnato”.

Molti credono erroneamente che le versioni BRZ e WRX del FA20 siano simili ad eccezione del rapporto di compressione e la presenza di un turbocompressore. In realtà, le differenze sono enormi e comprendono il blocco, le teste, i pistoni, le aste, le valvole, gli alberi a camme e le pompe dell’olio. La maggior parte delle parti non saranno intercambiabili.

D e F

Prima di classificare il FA20 nella sua forma stock, è importante capire che ci sono due versioni molto diverse del motore. Il FA20D (spesso indicato semplicemente come FA20) è la versione aspirata naturalmente da 200 cavalli che si trova nella BRZ, FR-S e 86; mentre il FA20F (erroneamente indicato come FA20T, poiché è turbo) eroga quasi 270 cavalli. Molte persone presumono che l’unica differenza tra i due motori siano i rapporti di compressione e la presenza di un turbocompressore. In realtà, ci sono più differenze che somiglianze tra questi due motori. I blocchi, le teste, i pistoni, le aste, le valvole e i collettori di aspirazione sono unici per ogni piattaforma. Mentre questo ovviamente aumenta i costi di produzione, permette Subaru per ottimizzare ogni motore per il suo uso specifico.

WRX teste dispongono di piccole porte ad alta velocità per ridurre il turbo lag e migliorare la risposta. Le teste dei cilindri BRZ hanno porte più grandi e di maggiore portata basate su valvole più grandi. Questo è uno dei motivi per cui il motore WRX raggiunge il picco di potenza a un numero di giri inferiore.

FA20D Brief

Subaru ha progettato il FA20D per essere un 2.0 litri estremamente efficiente con un’eccezionale efficienza volumetrica, meccanica e termica. Alle ruote, il 2.0 litri eroga circa 170 cavalli a 6.700 giri/min, mentre riesce a tirare fuori quasi 150 libbre di coppia. Mentre questi numeri non può sembrare tutto ciò che impressionante da soli, uno sguardo alla curva di coppia che offre quasi il 90 per cento della coppia di picco da 2.500 a 7.000 RPM è un bel risultato. Mentre questa curva di coppia è ideale per la strada o la pista, non ha l’impatto psicologico di un motore F20C VTEC Honda che ha una curva di coppia peaky e breve che non ottiene le cose andando fino a raggiungere superiore del tacho LED della S2000. Quindi, molti si lamentano che la BRZ, la FR-S e la 86 mancano gravemente di potenza. In realtà, la curva di coppia ampia e piatta fa semplicemente sentire la mancanza di potenza.

Mentre le teste della BRZ sono superiori per il flusso, quelle della WRX sono migliori per l’efficienza della combustione. I doppi cuscinetti di spegnimento aiutano a ridurre la detonazione. La combinazione ideale della camera di combustione della WRX con le porte e le valvole della BRZ è attualmente in lavorazione al Club DSPORT.

FA20F Brief

Nello sviluppo del cugino turbo del FA20D, gli ingegneri Subaru si sono concentrati sul rendere il FA20F un 2.0 litri turbo con le caratteristiche di uscita di un 4.0 litri V8. Questo significava far sì che il 2.0 litri si comportasse come se fosse il doppio della sua cilindrata. Per fare questo, una priorità è stata data al fatto di portare il motore in spinta il più rapidamente possibile. Oltre a dimensionare il turbocompressore di conseguenza, il collettore di aspirazione, le teste dei cilindri e anche le valvole di aspirazione e di scarico sono molto più piccole del FA20D per mantenere le velocità di flusso più alte. Anche gli alberi a camme e la fasatura delle camme sono stati modificati per la risposta e l’efficienza a bassa velocità. Come risultato, la FA20F eroga la sua potenza di picco a 5.600 giri al minuto invece dei 7.000 giri del FA20D. Le piccole porte che rendono la FA20F così reattiva ed efficace ai bassi regimi sono anche ciò che limita la sua potenza di punta.

Club DSPORT usa manicotti in ferro dutile da LA Sleeve o Darton Sleeves per aumentare la dimensione dell’alesaggio della FA20 da 86 a 89mm. La combinazione di 89mm di alesaggio e 90mm di corsa porta la cilindrata a 2.240cc.

Punti di forza comuni

Ci sono diverse tecnologie incorporate nella famiglia di motori FA20 che li rendono una buona base per le alte prestazioni. Mentre un certo numero di motori moderni incorpora l’iniezione diretta per consentire miglioramenti di prestazioni ed efficienza, l’iniezione D-4S di Toyota aggiunge l’iniezione convenzionale port oltre all’iniezione diretta. Utilizzando l’iniezione portuale, il problema della formazione di depositi in aspirazione che affligge i motori a iniezione diretta è completamente evitato. Inoltre, il sistema permette all’aftermarket di aggiornare facilmente gli iniettori portuali a portate più elevate quando è necessario per applicazioni di maggiore potenza.

Questa è la porta di aspirazione di un motore 2.0L turbo VW dopo appena 14.000 miglia. Poiché il motore è solo a iniezione diretta, non c’è mai alcun carburante iniettato nella porta di aspirazione per mantenere pulite la porta e la valvola di aspirazione. Di conseguenza, questi depositi massicci si formano, uccidendo il flusso d’aria e influenzando le prestazioni.

Un altro punto di forza comune a tutta la famiglia FA20 è la resistenza dei cilindri drasticamente aumentata rispetto alla EJ257. Mentre la distanza tra gli alesaggi dei cilindri è identica tra i motori FA20 e EJ257, il diametro più piccolo dell’alesaggio del cilindro FA20 permette di avere pareti del cilindro più spesse. Queste pareti più spesse dovrebbero essere in grado di contenere pressioni più elevate nei cilindri prima di rompersi.

Debolezza comune

Entrambi i motori FA20 hanno le bielle che sono l’anello più debole per una maggiore gestione della potenza. Le bielle del FA20D sembrano avere abbastanza forza per sostenere la maggior parte dei sistemi di sovralimentazione imbullonati con una messa a punto adeguata. Sfortunatamente, andare oltre i 300 cavalli alle ruote o avere una messa a punto che induce qualche botta può rapidamente mettere una di queste bielle attraverso il lato del blocco.

Club DSPORT Riferimento FAs

Avere uno staff che ha costruito oltre 500 EJ257 ci rende abbastanza familiare con il bene e il male con i motori boxer Subaru. Mentre la precisione della lavorazione del motore Subaru non è la peggiore di qualsiasi OEM, non è sicuramente al top. Come tale, ci sono miglioramenti significativi da realizzare aumentando il livello di precisione con la lavorazione.

I bulloni del carter e i bulloni della testa sono fondamentali per aumentare le capacità di gestione della potenza del motore FA20. Dal momento che questi elementi di fissaggio aumentano i carichi di serraggio, può verificarsi un’ulteriore distorsione del blocco. L’alesaggio delle linee CNC e la levigatura dei cilindri con una piastra di torsione correggono la distorsione aggiuntiva.

Tutte le costruzioni basate sul Club DSPORT FA20 iniziano con un blocco FA20 nuovo di zecca fornito da Heuberger Subaru di Colorado Springs, Colorado. Nella nostra esperienza, Heuberger non può essere battuto in termini di prezzi, avendo articoli in magazzino e spedizione conveniente e veloce. Meglio di tutto, Heuberger supporta la scena attraverso la sponsorizzazione dell’evento IDRC del Colorado. Quando il nuovo blocco arriva, vengono effettuate le misurazioni dell’allineamento dell’alesaggio principale. Questo processo determinerà se le metà della cassa richiederanno o meno una lavorazione prima dell’operazione di alesatura.

Allineamenti

Una serie completa di bulloni ARP ad alte prestazioni viene serrata secondo le specifiche prima dell’operazione di alesatura. I bulloni ARP sono fatti di una lega di qualità superiore che permette di aumentare la forza di serraggio. Dato che attualmente non ci sono cuscinetti aftermarket di diametro esterno maggiorato per i motori FA20, il processo è estremamente noioso e richiede tempo, poiché la messa a punto richiede un allineamento entro un paio di decimi di millesimo di pollice. Questo è circa 1/10 del diametro del pelo più sottile del vostro corpo. Vengono utilizzate speciali frese PCD per produrre una finitura eccezionale una volta iniziato il processo di taglio. Il tool setter ottico del Club DSPORT permette un’estrema precisione nell’impostazione degli utensili.

Lavorazione CNC a 4 assi

Una volta completata l’operazione di line-boring, il blocco viene smontato e poi riassemblato con la barra da 2,0000″ in posizione. Questa barra permette di posizionare il motore nel centro macchine a 4 assi per le operazioni di alesatura, spianatura, lavorazione dei manicotti, decking e incisione. I blocchi che mantengono l’alesaggio originale di 86mm richiederanno solo le operazioni di decking parallelo e di incisione (per identificare il blocco come un motore Club DSPORT serie Reference). L’operazione di decking parallelo assicura che la distanza dalla linea centrale dell’albero motore al ponte del blocco sia identica su entrambe le bancate del motore boxer. Questa operazione di alesaggio e di impalcato parallelo fornisce una geometria che assicura che il gioco tra pistone e ponte sia identico in ogni cilindro. A sua volta, il rapporto di compressione statico finale per ogni cilindro diventa più coerente. Una volta che la lavorazione CNC è completata sul blocco, è il momento della levigatura dei cilindri.

Opzioni di manicotto

Club DSPORT sta valutando tutte le offerte di manicotto ad alte prestazioni attualmente disponibili per il motore della serie FA. In passato, il Club DSPORT ha avuto ottimi risultati con le offerte di Darton Sleeves e LA Sleeves su vari tipi di motori. Per il motore della serie FA, Club DSPORT costruirà le edizioni FA225 con entrambi i tipi di manicotti in base alle preferenze del cliente. Saranno disponibili anche manicotti personalizzati di entrambi i fornitori per applicazioni speciali.

La superficie del ponte del blocco è lavorata con una fresa PCBN prima di essere lappata per ottenere una finitura super liscia per le guarnizioni della testa MLS. Le guarnizioni di testa OEM sono usate sulle iterazioni FA20 e FA21 mentre una guarnizione di testa HKS 90mm è usata sui motori FA225 con alesaggio 89mm.

Plateau & Profilatura dei cilindri con piastra

Oltre alla correzione del posizionamento della linea centrale dell’albero motore nel motore e l’equalizzazione delle altezze dei ponti nel motore, la più grande differenza tra un motore Subaru lavorato in fabbrica e un motore di riferimento Club DSPORT si trova nei cilindri. Idealmente, i cilindri del motore (una volta assemblati) sono il più possibile rotondi e privi di conicità, con una finitura superficiale ideale per lavorare con il pistone e il suo pacchetto di anelli. Per ottenere questo, il Club DSPORT ha sperimentato diversi disegni di piastre di torsione (alias piastre di levigatura) finché non è stato finalizzato un disegno che simulava esattamente gli effetti di distorsione dell’avvitamento delle teste al blocco. I perni della testa ARP e una guarnizione di testa di fabbrica (FA20 e FA21) o Cosworth da 90 mm (FA225) sono usati quando si avvita la piastra di torsione in posizione. Con i cilindri ora sottoposti alle stesse sollecitazioni e sforzi che si realizzeranno sul motore completato, il cilindro viene levigato usando uno speciale abrasivo diamantato a una dimensione finale di 86,05mm o 89,00mm (le specifiche per i pistoni personalizzati). La rotondità e la conicità del cilindro sono mantenute al di sotto di 0,0004″ mentre la finitura superficiale è equalizzata e ottimizzata in ogni alesaggio usando un profilometro per misurare la superficie. Alla fine del processo di levigatura, solo una piccola quantità di sbavatura ha luogo prima che il blocco sia lavato a getto, pulito ad ultrasuoni e poi a mano fino ad uno stato pronto per il montaggio.

Dopo le misure per la rettilineità e le dimensioni del perno, ogni albero motore è bilanciato dinamicamente a meno di 0,25 grammi di equilibrio.

Assemblaggio rotante ottimizzato

Mentre il Club DSPORT FA20 usa un albero motore standard OEM da 86mm, entrambe le iterazioni FA21 e FA225 del Club DSPORT utilizzano lo stesso albero motore stroker forgiato e nitrurato. L’albero a gomito made-in-Japan ha una corsa di +4 mm (90 mm) e perni di biella e di testa graduati con precisione. La manovella è completamente trattata termicamente e nitrurata per una forza superiore, resistenza alla fatica e durezza della superficie del perno. La maggior parte dei motori Club DSPORT serie FA attualmente sul campo sono dotati di alberi motore che sono stati trattati con il trattamento superficiale Omicron di Shaftech. Questo processo di iperfinitura produce una finitura superficiale superiore che elimina i microscopici segni di lavorazione e rettifica normalmente presenti. Anche se il Club DSPORT non ha condotto i propri test sul processo, altre parti hanno visto guadagni di potenza e riduzione dell’attrito con processi simili. Ogni albero motore è bilanciato dinamicamente a meno di 0,25 grammi di squilibrio.

Ogni pistone è abbinato in un set di pistoni di dimensioni e peso simili prima di essere bilanciato definitivamente.

Prestazioni dei pistoni

Ogni motore Club DSPORT Reference-series FA ha un design unico del pistone. Tutti e tre i disegni dei pistoni sono stati progettati da Mahle Motorsports per fornire prestazioni di punta, affidabilità ed efficienza per ogni versione del motore. Grazie alla vasta relazione di Mahle con i fornitori OEM, i suoi ingegneri progettisti sono ben esperti nella creazione di una forma della cupola del pistone ottimizzata per l’ambiente di iniezione diretta. I pistoni sono stati anche ottimizzati per l’uso con i carburanti E85, in quanto le piste dell’anello superiore sono state anodizzate dure per una maggiore forza e resistenza alle microsaldature. Gli offset dei perni e il design delle gonne, così come il pacchetto di anelli sono stati selezionati specificamente per una gestione ad alta potenza, una maggiore durata del motore e una maggiore efficienza. Mentre i limiti di gestione della potenza dei pistoni non sono stati documentati, i modelli al computer e l’esperienza con pistoni simili da 86 mm (cioè RB26 e Supra) suggeriscono che la gestione della potenza di oltre 200 cavalli per cilindro dovrebbe essere facilmente raggiungibile. Il rapporto di compressione statico sarà tra 10,7-10,8:1 con le teste BRZ e 10,9-11,0:1 con le teste WRX. Prima dell’installazione, Club DSPORT bilancia ogni pistone e set di pin all’interno di 0,2 grammi.

Ogni estremità piccola e grande è abbinato bilanciato in ogni set e registrato nel caso in cui una sostituzione è mai necessaria in futuro.

Bacchette

Per fare il collegamento tra l’albero motore e il pistone, i motori Club DSPORT FA20 Reference Series usano le bielle Manley Pro Series I-beam 4340, già pronte all’uso, con bulloni ARP2000 da 3/8 di pollice. Per i motori Club DSPORT FA21 e FA225, viene usata una biella personalizzata Manley Pro Series I-beam. Le bielle sono progettate per sostenere 250 cavalli per cilindro. Prima dell’installazione, il Club DSPORT bilancia le estremità piccola e grande di ogni asta entro 0,2 grammi.

Cuscinetti, Assemblaggio e Blueprinting

Una volta che tutti i componenti sono in uno stato di pulizia pronto all’assemblaggio, tutte le misure critiche sono registrate durante l’assemblaggio del blocco corto. Queste includono tutte le dimensioni dei perni dell’albero a gomito, le distanze dei cuscinetti, il gioco dell’albero a gomito, il gioco laterale dell’asta, le distanze delle fasce elastiche, la distanza tra le pareti del pistone e del cilindro, l’altezza del pistone dal ponte e la coppia richiesta per ruotare il blocco corto completato. Nella maggior parte dei casi, i cuscinetti principali King Racing XPG sono usati con i cuscinetti a stelo Clevite. Tuttavia, se non è possibile ottenere le distanze ideali dall’olio con questa combinazione, i cuscinetti ACL o OEM possono essere sostituiti. Nella maggior parte dei casi, le distanze sono impostate per olio di viscosità SAE 0W-40.

Una trasmissione completa Supertech che comprende valvole di aspirazione in acciaio inossidabile nitrurato nero e valvole di scarico Inconel che sostituiscono l’hardware di fabbrica. Le molle, i fermi, le guarnizioni e le tenute Supertech completano il gruppo valvole aggiornato che è orchestrato dagli alberi a camme HKS.

Le teste dei cilindri

Mentre il programma del blocco corto è completato, il programma della testa dei cilindri è ancora un paio di mesi dal completamento. Il test al dyno della FA21 ha visto una combinazione di alberi a camme HKS con valvole di aspirazione in nitruro inossidabile Supertech e valvole di scarico Inconel. Il FA225 attualmente in fase di assemblaggio utilizzerà un set di alberi a camme Piper Cams BP285 Ultimate Road con valvole sovradimensionate di 1 mm. Le camme sono considerevolmente più aggressive di quelle HKS e dovrebbero essere più adatte per la cilindrata aumentata.

I risultati

Di recente, abbiamo avuto l’opportunità di mettere alla prova uno dei motori FA21 del Club DSPORT Reference Series. Dopo che il motore stock si è arreso a poco più di 400whp nel nostro Progetto turbo FR-S, abbiamo deciso che questo sarebbe stato il banco di prova perfetto per il nuovo motore. In precedenza, il sistema turbo Full-Race EFR ha aiutato il FA20 stock a generare 412whp a circa 6.900RPM. La coppia di picco è stata registrata a 332 ft-lbs a 6.000 giri/min. Boost ha raggiunto un picco di circa 15psi durante l’esecuzione su E85.

Con il motore Club DSPORT FA21 sul posto, ci aspettavamo di vedere un guadagno di coppia nella gamma di 5-10 per cento agli stessi livelli di spinta a causa della maggiore cilindrata e miglioramenti. A 2.500 giri al minuto prima di qualsiasi spinta apprezzabile è stato fatto, coppia migliorata da 125 ft-lbs a 160 ft-lbs. Questo è un significativo aumento del 28%. A 3.500 RPM, la coppia è migliorata da 215 ft-lbs a 270 ft-lbs; un aumento del 26%. Quindi, il FA21 sta fornendo le caratteristiche di risposta di un 2,5 litri. Estrapolando questi dati, la FA225 può avere le caratteristiche di risposta di un 2,7 litri.

Motore stock, motore stock con kit Full-Race EFR7163 e Club DSPORT FA21 con Full-Race EFR7163 mostrano gli enormi guadagni possibili con un 2,1 litri FA20 correttamente costruito.

Nessun compromesso. La combinazione attuale mostra una curva di coppia da morire. La cosa migliore è che c’è ancora di più da realizzare una volta che il sistema di alimentazione riceve un altro giro di aggiornamenti.

Risultati ad alta pressione

Grazie alla maggiore gestione della potenza e al rapporto di compressione ottimizzato a induzione forzata, abbiamo potuto finalmente aumentare in modo sicuro la spinta. Con la spinta impostata a 24psi, l’FA21 ha fornito, e ha fornito grande. La curva di potenza ha raggiunto un picco di 563 cv, ma aveva una forma che tutti gli altri motori da 2 litri ci avrebbero invidiato. Rispetto al motore di fabbrica, non c’era alcun compromesso nelle prestazioni ovunque da 2.000 giri al minuto al nuovo limite di 7.600 giri. Oltre 300 ft-lbs di coppia è disponibile da 3.700RPM fino a quando si colpisce il limitatore di giri. Il vero punto dolce è tra 4,800 e 7,000RPM dove oltre 400 lbs-ft di coppia è disponibile su richiesta. Mentre questi numeri sono impressionanti, c’è probabilmente più prestazioni disponibili come abbiamo semplicemente esaurito la capacità dell’iniettore per supportare più potenza. Sulla base dei dati, l’EFR 7163 dovrebbe essere in grado di ottenere oltre il marchio 600whp a circa 28psi di spinta. Una volta che avremo la nostra soluzione di trasmissione a posto, riporteremo la nostra FR-S turbo sul dyno per spingerla più forte.

La nostra FR-S argento servirà come nostro tester interno per la versione 2.1 litri FA21 del programma Club DSPORT Reference Series. Il tester da 2,3 litri sarà sovralimentato.

Piacevolmente sorpreso

Abbiamo sviluppato e costruito motori RB da 1.400whp, Honda di serie B da 1.000+whp, 2JZ vincenti e troppi altri motori da menzionare. Mentre l’uscita di potenza pura degli altri motori può eclissare gli attuali numeri di sviluppo della serie FA, non c’è nessun motore che ha superato le nostre previsioni come l’FA21 e l’FA225. Mentre siamo fiduciosi nello sviluppo fino al livello di 600whp, non sappiamo quali limiti saranno esposti quando si raggiungeranno i livelli di 700, 800, 900 o 1000whp. Considerando che un FA21 da 550whp o un FA23 da 600whp soddisferebbe le richieste del 98% dei proprietari di WRX o 86 più ambiziosi, dobbiamo dire: “fermate lo scambio”. Se avete bisogno di più, siamo abbastanza fiduciosi che capiremo cosa è veramente necessario per 700-, 800- e forse anche 1000whp.