Free Press

Ford och Chevy V8, Toyota 2JZ, Subaru EJ257 och till och med Ferrari-motorer har lyckats ta plats för Subaru FA20 i mer än en handfull BRZ-, WRX-, FR-S- och 86-plattformar. Oavsett om platsen är Formula D, Pike’s Peak, Time Attack eller till och med dragstrip, har den vanligaste lösningen varit att byta ut FA20-motorn i stället för att ge den en chans att bevisa sitt värde. Populariteten av motorbyten i 86:an har fått många att anta att FA20 inte är en gångbar motorplattform för mål på plus 500 hästkrafter. Så är FA20 en förlorad sak? Med ett ord: ”Nej.”

Text av Michael Ferrara // Bilder av Joe Singleton

DSPORT Issue #187

It’s a Keeper

De första resultaten från Club DSPORT:s pågående FA20-motorutvecklingsprogram utgör ett starkt argument för att stoppa bytet. Hur låter över 560 hästkrafter vid 6 500 rpm och över 475 ft-lbs vridmoment vid 5 750 rpm från en turboladdad 2,1-liters FA20 på pump E85 med manér som en stockmotor? Det är bara början, eftersom Club DSPORT kommer att pressa 2,1-litern hårdare och samtidigt inleda testerna av sin 2,25-liters FA20 som kommer att ha ytterligare effekt och krafthanteringsförmåga. För att fullt ut förstå Club DSPORTs motorutvecklingsprocess är det nödvändigt att först förstå FA20 i dess ”levererade” form.

Många tror felaktigt att BRZ- och WRX-versionerna av FA20 är likadana med undantag för kompressionsförhållandet och närvaron av en turboladdare. I verkligheten är skillnaderna stora, bland annat när det gäller block, huvuden, kolvar, stavar, ventiler, kamaxlar och oljepumpar. De flesta delar kommer inte att utbytas.

D:s och F:s

För att betygsätta FA20 i sin standardform är det viktigt att förstå att det finns två mycket olika versioner av motorn. FA20D (ofta kallad FA20) är den naturgasdrivna versionen med 200 hästkrafter som finns i BRZ, FR-S och 86, medan FA20F (felaktigt kallad FA20T, eftersom den är turboladdad) ger nästan 270 hästkrafter. Många antar att den enda skillnaden mellan de två motorerna är kompressionsförhållandena och förekomsten av en turboladdare. I själva verket finns det fler skillnader än likheter mellan dessa två motorer. Block, huvuden, kolvar, stavar, ventiler och insugningsrör är unika för varje plattform. Även om detta naturligtvis höjer produktionskostnaderna gör det det möjligt för Subaru att optimera varje motor för dess specifika användning.

WRX-huvudena har små höghastighetsportar för att minska turbofördröjningen och förbättra responsen. BRZ-cylinderhuvuden har större portar med högre flöde som är baserade på större ventiler. Detta är en av anledningarna till att WRX-motorn ger toppeffekt vid ett lägre varvtal.

FA20D Brief

Subaru har konstruerat FA20D för att vara en extremt effektiv 2,0-litersmotor med exceptionella volymetriska, mekaniska och termiska verkningsgrader. Vid hjulen levererar 2,0-litern ungefär 170 hästkrafter vid 6 700 varv per minut samtidigt som den lyckas ge nästan 150 ft-lbs vridmoment. Även om dessa siffror kanske inte verkar så imponerande i sig själva, är en titt på vridmomentkurvan som levererar nästan 90 procent av det maximala vridmomentet från 2 500 till 7 000 varv per minut en verklig bedrift. Även om denna vridmomentkurva är idealisk för gatan eller banan har den inte den psykologiska effekten av en F20C VTEC Honda-motor som har en toppig och kort vridmomentkurva som inte kommer igång förrän i de övre delarna av S2000:s LED-tacho. Därför klagar många på att BRZ, FR-S och 86 saknar kraft. I själva verket gör den breda och platta vridmomentkurvan helt enkelt att det känns som om den saknar kraft.

Men medan BRZ-huvudena är överlägsna när det gäller flödet är WRX-huvudena bättre när det gäller förbränningseffektiviteten. De dubbla släckningsdynorna hjälper till att minska detonationen. Den idealiska kombinationen av WRX-förbränningskammaren med BRZ-portar och -ventiler är för närvarande under arbete hos Club DSPORT.

FA20F Brief

I utvecklingen av den turboladdade kusinen till FA20D fokuserade Subarus ingenjörer på att göra FA20F till en turboladdad 2,0-liters med effektegenskaperna hos en 4,0-liters V8. Detta innebar att 2,0-litern skulle uppträda som om den hade dubbelt så stort slagvolym. För att åstadkomma detta prioriterade man att få upp motorn i boost så snabbt som möjligt. Förutom att turboladdaren är dimensionerad i enlighet med detta är insugningsröret, cylinderhuvudena och till och med insugnings- och avgasventilerna mycket mindre än i FA20D för att hålla flödeshastigheterna högre. Nockaxlar och nocktidpunkter är också snedställda för att ge bättre respons och effektivitet vid låga varvtal. Som ett resultat av detta levererar FA20F sin toppeffekt vid 5 600 varv per minut i stället för 7 000 varv per minut för FA20D. De små portarna som gör FA20F så lyhörd och effektiv vid låga motorvarvtal är också det som begränsar dess toppeffekt.

Club DSPORT använder dutiljärnhylsor från LA Sleeve eller Darton Sleeves för att öka FA20:s borrstorlek från 86 till 89 mm. Kombinationen av 89 mm borrning och 90 mm slaglängd ger en kapacitet på 2 240 cc.

Gemensamma styrkor

Det finns ett antal tekniker i FA20-motorfamiljen som gör dem till en bra grund för högpresterande motorer. Medan ett antal moderna motorer införlivar direktinsprutning för att möjliggöra prestanda- och effektivitetsförbättringar, lägger Toyotas D-4S-insprutning till konventionell portinsprutning utöver direktinsprutningen. Genom att använda portinsprutning undviker man helt problemet med bildning av insugningsavlagringar som plågar motorer med direktinsprutning. Dessutom gör systemet det möjligt för eftermarknaden att enkelt uppgradera portinjektorerna till högre flödeshastigheter när det behövs för tillämpningar med högre effekt.

Här är insugningsporten i en 2,0L turboladdad VW-motor efter bara 14 000 miles. Eftersom motorn endast har direktinsprutning sprutas aldrig något bränsle in i insugningsöppningen för att hålla öppningen och insugningsventilen rena. Som ett resultat av detta bildas dessa massiva avlagringar som dödar luftflödet och påverkar prestandan.

En annan gemensam styrka i FA20-familjen är den drastiskt ökade cylinderstyrkan jämfört med EJ257. Även om cylinderborrningsavståndet är identiskt mellan FA20- och EJ257-motorer, möjliggör den mindre cylinderborrningsdiametern i FA20-motorn tjockare cylinderväggar. Dessa tjockare väggar bör kunna hålla högre cylindertryck innan de går sönder.

Gemensamma svagheter

Båda FA20-motorerna har kopplingsstänger som är den svagaste länken för ökad effekthantering. FA20D-stängerna verkar ha tillräcklig styrka för att klara huvuddelen av skruvmonterade kompressorsystem med rätt inställning. Tyvärr kan det att gå över 300 hästkrafter vid hjulen eller ha en inställning som inducerar lite knackning snabbt sätta en av dessa stänger genom sidan av blocket.

Club DSPORT Reference FAs

Att ha en personal som har byggt över 500 EJ257 gör att vi är ganska förtrogna med det goda och det dåliga med Subaru boxermotorer. Även om precisionen i Subarus maskinbearbetning av motorn inte är den sämsta av alla OEM-tillverkare är den definitivt inte i topp. Som sådan finns det betydande förbättringar att uppnå genom att öka precisionen i bearbetningen.

ARP-kapselbultar och huvudbultar är nyckeln till att öka FA20-motorns krafthanteringsförmåga. Eftersom dessa fästelement ökar klämbelastningen kan ytterligare distorsion av blocket uppstå. CNC-linjeborrning och cylinderhoning med en vridplatta korrigerar den extra förvrängningen.

Alla Club DSPORT FA20-baserade konstruktioner börjar med ett helt nytt FA20-block från Heuberger Subaru i Colorado Springs, Colorado. Enligt vår erfarenhet kan Heuberger inte överträffas när det gäller pris, lagerhållning och prisvärd, snabb leverans. Det bästa av allt är att Heuberger stöder scenen genom att sponsra IDRC:s evenemang i Colorado. När det nya blocket anländer utförs mätningar av huvudborrningens inriktning. Denna process kommer att avgöra om fallhalvorna kommer att behöva maskinbearbetas innan linjeborrningen.

För att få en justering

En komplett uppsättning ARP högpresterande fallbultar är vridna enligt specifikationerna innan linjeborrningen påbörjas. ARP-bultarna är tillverkade av en legering av högre kvalitet som gör det möjligt att öka klämkraften. Eftersom det för närvarande inte finns några lager med överdimensionerad ytterdiameter på eftermarknaden för FA20-motorer är processen extremt tråkig och tidskrävande, eftersom inställningen kräver en justering med en noggrannhet på ett par tiotusendedelar av en tum. Det är ungefär 1/10 av diametern på det tunnaste håret på din kropp. Speciella PCD-fräsar används för att åstadkomma en exceptionell finish när skärningsprocessen väl har inletts. Club DSPORT:s optiska verktygsinställare möjliggör extrem precision vid inställningen av verktygen.

CNC 4-axlig bearbetning

När linjeborrningen är klar demonteras blocket och monteras sedan ihop igen med 2,0000-tumsstången på plats. Med hjälp av denna stång kan motorn placeras i det 4-axliga motormaskincentret för borrning, rensning, hylsbearbetning, decking och graveringsoperationer. Block som behåller den ursprungliga 86 mm borrningen kommer endast att behöva parallella decking- och graveringsoperationer (för att identifiera blocket som en motor i Club DSPORT Reference-serien). Den parallella avbaningen säkerställer att avståndet från vevaxelns centrumlinje till blockets däck är identiskt på båda sidor av boxermotorn. Denna linjeutborrning och parallella decking ger en geometri som säkerställer att kolv-till-däck-spelet är identiskt i varje cylinder. I sin tur blir det slutliga statiska kompressionsförhållandet för varje cylinder mer konsekvent. När CNC-bearbetningen är klar på blocket är det dags för honsning av cylindrarna.

Möjligheter till hylsor

Club DSPORT håller på att utvärdera alla de för närvarande tillgängliga högpresterande hylsor som erbjuds för FA-seriens motor. Tidigare har Club DSPORT haft stor framgång med erbjudanden från både Darton Sleeves och LA Sleeves på olika typer av motorer. För FA-seriens motor kommer Club DSPORT att bygga FA225-utgåvorna med endera hylsdesignen beroende på kundens önskemål. Specialanpassade hylsor från båda leverantörerna kommer också att göras tillgängliga för specialtillämpningar.

Blockets däcksyta bearbetas med en PCBN-fräs innan den lappas till en superlätt yta för MLS huvudpackningar. OEM-huvudpackningar används på FA20- och FA21-iterationerna medan en HKS 90 mm-huvudpackning används på FA225-motorer med 89 mm borrning.

Plateau & Profilerad cylinderhonning med platta

Förutom korrigeringen av placeringen av vevaxelns centrumlinje i motorn och utjämningen av däckshöjderna i motorn kan den största skillnaden mellan en fabriksbearbetad Subaru-motor och en Club DSPORT-referensmotor hittas i cylindrarna. I idealfallet är motorns cylindrar (när de väl är monterade) så runda och koniska som möjligt, samtidigt som de har en idealisk ytfinish för att fungera med kolven och kolvens ringpaket. För att uppnå detta experimenterade Club DSPORT med olika torque-plattakonstruktioner (även kallad honingplatta) tills en konstruktion som exakt simulerade de distorsionseffekter som uppstår när huvudena bultas fast på blocket färdigställdes. ARP-huvuddubbar och antingen en fabriks- (FA20 och FA21) eller Cosworth 90 mm huvudpackning (FA225) används när momentplattan skruvas på plats. När cylindrarna nu utsätts för samma påfrestningar som kommer att uppstå på den färdiga motorn, slipas cylindern med hjälp av ett speciellt diamantslipmedel till en slutdimension på 86,05 mm eller 89,00 mm (specifikationen för de anpassade kolvarna). Cylinderns rundhet och konicitet hålls på under 0,0004″ medan ytfinishen jämnas ut och optimeras i varje borrning med hjälp av en profilometer för att mäta ytan. I slutet av honningsprocessen sker endast en liten grad av avgradning innan blocket jet- och ultraljudsrengörs och sedan rengörs för hand för att vara redo att monteras.

Efter mätningarna för rakhet och tappdimensioner balanseras varje vevaxel dynamiskt till mindre än 0,25 grams balans.

Optimerad roterande montering

Medans Club DSPORT FA20 använder en standard 86mm OEM-krankaxel, använder både FA21- och FA225-iterationerna från Club DSPORT samma smidda och nitrerade stroker-krankaxel. Den i Japan tillverkade vevaxeln har en slaglängd på +4 mm (90 mm) och precisionssorterade huvud- och stångstift. Veven är helt värmebehandlad och nitrerad för överlägsen styrka, utmattningsbeständighet och hårdhet på journalytan. De flesta av Club DSPORT FA-seriens motorer som för närvarande är i drift har vevaxlar som har behandlats med Shaftechs Omicron-ytbehandling. Denna hyperfinishing-process ger en överlägsen ytfinish som eliminerar de mikroskopiska bearbetnings- och slipmärken som normalt förekommer. Club DSPORT har visserligen inte genomfört några egna tester av processen, men andra parter har sett effektökningar och minskad friktion med liknande processer. Varje vevaxel är dynamiskt balanserad till mindre än 0,25 grams obalans.

Varje kolv matchas i en uppsättning av kolvar med samma dimensioner och vikt innan de slutbalanseras.

Kolvprestanda

Varje Club DSPORT Reference-series FA-motor har en unik kolvkonstruktion. Alla tre kolvkonstruktioner har konstruerats av Mahle Motorsports för att ge topprestanda, tillförlitlighet och effektivitet för varje motorversion. Tack vare Mahle’s omfattande förbindelser med OEM-leverantörer är dess konstruktörer väl förtrogna med att skapa en kolvkupolform som är optimerad för direktinsprutningsmiljön. Kolvarna har också optimerats för användning med E85-bränslen eftersom de övre ringlandningarna har hårdanodiserats för ytterligare styrka och motståndskraft mot mikrosvetsning. Stiftförskjutningar och skirtdesign samt ringpaketet har också valts ut specifikt för hantering av hög effekt, förlängd motorlivslängd och ökad effektivitet. Kolvarnas effektgränser har inte dokumenterats, men datormodeller och erfarenheter från liknande 86 mm-kolvar (t.ex. RB26 och Supra) tyder på att det borde vara lätt att uppnå en effekt på över 200 hästkrafter per cylinder. Det statiska kompressionsförhållandet kommer att ligga mellan 10,7-10,8:1 med BRZ-huvuden och 10,9-11,0:1 med WRX-huvuden. Före installationen balanserar Club DSPORT varje kolv- och stiftuppsättning med en noggrannhet på 0,2 gram.

Varje liten ände och stor ände matchas balanserat i varje uppsättning och registreras ifall ett byte någonsin skulle behövas i framtiden.

Kopplingsstänger

För att skapa förbindelsen mellan vevaxeln och kolven använder Club DSPORT FA20 Reference Series-motorerna Manley Pro Series I-beam 4340-kopplingsstänger i standardutförande som är utrustade med 3/8-tums ARP2000-kopplingsbultar. För Club DSPORT FA21- och FA225-motorerna används en specialanpassad Manley Pro Series I-beam-kopplingsstång. Stängerna är konstruerade för att klara 250 hästkrafter per cylinder. Före installationen balanserar Club DSPORT varje stångs lilla och stora ände med en noggrannhet på 0,2 gram.

Lager, montering och ritning

När alla komponenter är rena och redo att monteras registreras alla kritiska mätningar under monteringen av shortblocket. Dessa omfattar alla dimensioner på vevaxelns kardanledare, lagerspel, vevaxelns slutspel, spalt på stångsidan, kolvringarnas slutspalt, spalt mellan kolv och cylindervägg, höjd mellan kolv och däck samt det vridmoment som krävs för att rotera det färdigställda kortblocket. I de flesta fall används King Racing XPG-huvudlager tillsammans med Clevite-stavlager. Om de ideala oljeavstånden inte kan uppnås med denna kombination kan dock ACL- eller OEM-lager bytas ut. I de flesta fall är clearances inställda för olja med viskositet SAE 0W-40.

En komplett Supertech ventilering inklusive svarta nitrerade inloppsventiler i rostfritt stål och avgasventiler i Inconel ersätter fabrikshårdvaran. Supertech fjädrar, hållare, tätningar och hållare kompletterar det uppgraderade ventilsystemet som orkestreras av HKS kamaxlar.

Cylinderhuvudena

Men medan programmet för det korta blocket är slutfört, är cylinderhuvudprogrammet fortfarande ett par månader från att vara färdigt. FA21-dynotestet innehöll en kombination av HKS kamaxlar med Supertech nitrid rostfria inloppsventiler av nitrid och avgasventiler av Inconel. FA225 som för närvarande monteras kommer att använda en Piper Cams BP285 Ultimate Road kamaxeluppsättning med +1 mm överdimensionerade ventiler. Nockorna är betydligt mer aggressiva än HKS-nockorna och bör vara bättre lämpade för det ökade deplacementet.

Resultaten

När nyligen hade vi möjlighet att sätta en av Club DSPORT Reference Series FA21-motorerna på prov. Efter att stockmotorn kapitulerade vid drygt 400whp i vår Project turbo FR-S bestämde vi oss för att detta skulle vara den perfekta testbädden för den nya motorn. Tidigare har Full-Race EFR-turbosystemet hjälpt den vanliga FA20-motorn att generera 412whp vid cirka 6 900 rpm. Högsta vridmomentet var 332 ft-lbs vid 6 000 rpm. Boost nådde sin topp vid ungefär 15psi vid körning på E85.

Med Club DSPORT FA21-motorn på plats förväntade vi oss att se en vridmomentökning i intervallet 5-10 procent vid samma boostnivåer på grund av det ökade slagvolymen och förbättringarna. Vid 2 500 RPM innan någon märkbar boost görs förbättrades vridmomentet från 125 ft-lbs till 160 ft-lbs. Det är en betydande ökning med 28 procent. Vid 3 500 varv per minut förbättrades vridmomentet från 215 ft-lbs till 270 ft-lbs, en ökning med 26 procent. FA21 levererar alltså responsegenskaperna hos en 2,5-litersmotor. Om man extrapolerar dessa data kan FA225 ha responsegenskaperna hos en 2,7-liters.

Stockmotor, stockmotor med Full-Race EFR7163-kit och Club DSPORT FA21 med Full-Race EFR7163 visar de massiva vinster som är möjliga med en korrekt byggd 2,1-liters FA20.

Inga kompromisser. Den nuvarande kombinationen visar en vridmomentkurva att dö för. Det bästa av allt är att det fortfarande finns mer att förverkliga när bränslesystemet får ytterligare en omgång uppgraderingar.

Resultat för hög boost

Tack vare den ökade effekthanteringen och det tvångsinduktionsoptimerade kompressionsförhållandet kunde vi äntligen öka boostet på ett säkert sätt. Med boostet inställt på 24 psi levererade FA21:an, och levererade stort. Effektkurvan toppade vid 563whp men hade en form som alla andra 2-litersmotorer skulle avundas. Jämfört med fabriksmotorn fanns det ingen kompromiss i prestanda från 2 000 rpm till den nya rödlinjen på 7 600 rpm. Över 300 ft-lbs vridmoment finns tillgängligt från 3 700 rpm till tills du når varvtalsgränsen. Den verkliga höjdpunkten är mellan 4 800 och 7 000 rpm där över 400 lbs-pft vridmoment finns tillgängligt på begäran. Även om dessa siffror är imponerande finns det troligen mer prestanda tillgänglig eftersom vi helt enkelt fick slut på insprutningskapaciteten för att stödja mer kraft. Baserat på data bör EFR 7163 kunna komma över 600whp-gränsen vid cirka 28psi boost. När vi väl har fått vår transmissionslösning på plats kommer vi att få tillbaka vår turbo-FR-S på dynon för att pressa den hårdare.

Vår Silver FR-S kommer att fungera som vår interna testare för den 2,1-liters FA21-versionen av Club DSPORT Reference Series-programmet. Den 2,3-liters testbilen kommer att vara laddad.

Angenämt överraskad

Vi har utvecklat och byggt RB-motorer med 1 400 hästkrafter, Hondas i B-serien med 1 000+ hästkrafter, mästerskapsvinnande 2JZ-motorer och för många andra motorer för att nämna. Även om den rena effekten hos de andra motorerna kan överträffa de nuvarande utvecklingssiffrorna för FA-serien finns det ingen motor som har överträffat våra förutsägelser som FA21 och FA225. Även om vi är övertygade om utvecklingen upp till 600whp-nivån vet vi inte vilka begränsningar som kommer att avslöjas när 700-, 800-, 900- eller 1000whp-nivåerna nås. Med tanke på att en 550whp FA21 eller 600whp FA23 skulle uppfylla kraven för 98 procent av den mest ambitiösa WRX- eller 86-ägaren måste vi säga ”stoppa bytet”. Om du behöver mer är vi ganska övertygade om att vi kommer att räkna ut vad som verkligen behövs för 700-, 800- och kanske till och med 1000whp.