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斯巴鲁BRZ/丰田86上市以来,让人批评最多的是,动力太肉了,根本不能算跑车嘛!而目前市面上各种BRZ/86使用的增压套件也就应运而生了。也有着手研究引擎移植计划,我们经常挂在嘴边的STI红顶神机EJ207或者EJ257,虽然其改装潜力得到了验证,庞大的产量也让这些引擎唾手可得,而且后续可使用的改装资源也是相当丰富。但根据FA20和BRZ/86的设计来看,这两款车要移植EJ系列引擎,无异于要将前副车架重做,工程量巨大,似乎并不是第一选择。在日本拥有特别零部件购买渠道的车主,看中的是和FA20同宗同族的FA20T,新力狮及新森林人的心脏。FA20,FA20T,这两副引擎之间只差了一个字母“T”,留下了不小的想象空间,那么这副FA20T是何方神圣,有何特别,最后也是最关键的是,移植BRZ/86的可行性如何?
首先要聊聊FA20引擎诞生的历程。斯巴鲁在2010年发布了用以取代EJ系列,并决定使用到2030年左右的新世代引擎族群,F系引擎,正如你所猜想的,因为F在字母表是在E后面。F系列的首个衍生机型是FB,排量有1.6、2.0以及2.5,名字顺理成章地叫做FB16、FB20以及FB25,分别对位取代EJ15、EJ20及EJ25。FB引擎的一个显著特征是比起EJ世代长得多的活塞行程,为水平对置引擎油耗较高的问题找对策。而当丰田和斯巴鲁合作制造一辆轻型前置后驱跑车的项目确认之后,对于这款车的要求也就随之成型,前置后驱,利用水平对置引擎长度短重心低的布局优势,高转速,缸内直喷达成燃油经济性和动力输出的平衡。对于斯巴鲁来说,如果单纯地在FB的基础上进行改良,由于引擎一些固有设计上的局限,小修改是达不到要求的。所以工程师干脆以FB系列为蓝本,开发出F系引擎的第二个衍生机型,FA20。
图:FA20是为BRZ/86而专门开发的一副全新引擎,这样的说法一点都不过分。然而对于性能爱好者来说,这副引擎还不够辛辣。
图:前置后驱布局是斯巴鲁的第一次尝试,如果不是丰田的介入,这个项目也许永远都无法进入斯巴鲁的产品目录册。
FA20和FB20之间的差异,比起他们名字之间的差异大得多。正如大家所知道的FA20是以丰田的D-4S“缸内直喷-歧管喷油”结合的供油方式,而FB系列是普通的歧管喷油;此外FB的缸径行程也和FA20不一样。长行程引擎能够更充分地利用混合气燃烧时对活塞的推力,从而改善引擎的热效率,所以FB20缸径84mm而冲程是90mm;相对地为了满足高转速要求,FA的行程缩短至86mm而缸径为86mm,至于86这个数字究竟是巧合还是故意?恐怕只有斯巴鲁的工程师们才知道了。不过86X86并非86专利,本田K20系列、三菱4B11系列也都是相同的缸径冲程数值。此外同样为了满足高转速的强度要求,曲轴轴颈也由FB的48mm加粗到了50mm。为了让FA20能够有更高效的空气吞吐效率,前置节气门和短促的进气道是FA20的一个明显改进,而且进气门也为了能够获得更好的高转呼吸效率而比FB的进气门更大。这样看来,FA系列相较于FB,其实不亚于重新开发。
图:这颗就是FB20引擎,其与EJ相比主要的变化在于行程延长,以及利用AVCS可变气门正时系统,令引擎在特定工况下可以实现类似阿特金森循环,节省燃油。
图:主打运动性和响应性的FA20,很多设计都是专属的。
图:FB引擎拆解图,大家可以留意FB系列的活塞也是大小头偏心的设计,这样可以减轻连杆对汽缸壁的侧推力,也可以让连杆更好地躲过缸体。
这样来说,如果单纯为了本来就是瞄准个性化市场,产销量都不大的小型跑车而重新开发一副引擎,对于斯巴鲁来说值得吗?不是那么简单,因为FA旗下最新发布了另外一副引擎,FA20T!FA20T目前有两个调校,300匹/40.8Kgm使用在力狮B4和力狮旅行版之上,而280/35.7Kgm则服役于森林人。除了力狮版本的引擎前部还有一个引擎脚之外,两个调校版本的硬件部分是一样的,分野只是在调校上,毕竟力狮和森林人的定位和诉求是不一样的。FA20T引擎内部情况不得而知,但目前可以明确的是,FA20T和FA20的引擎缸体设计大体是一样的,但由于FA20T是一副原装便配有涡轮的引擎,两副引擎在很多地方尤其是外部布局有不少差别。
图:这颗就是传说中的FA20T了,藏在下方的涡轮真叫人无法淡定。
图:这是森林人版本的FA20T,可以更完整地看到整颗引擎的布局。
图:力狮版本FA20T在引擎前方还有一个引擎脚。
图:而森林人版本则没有。
图:在机油滤清器下方突起的底座,是高纬度版本专属的机油热交换器,可加速冷车启动暖车的过程。
其实这副引擎的正确名称并非叫做FA20T,而是FA20的DIT版,在此特别说明一下。情况就如GC8V其实是GC8的五代目,VersionV,为了简化称呼才成了GC8V。DIT全称是DirectInjectionTurbo,直喷加涡轮。值得一提的是,这套直喷系统是斯巴鲁自行研发的,和D-4S不同的是,DIT并没有歧管喷油用的喷油嘴,也就是和早期大部分缸内直喷一样只有喷向气缸内部的4支喷油嘴。为喷油嘴提供高压燃油的油泵,安放的位置和FA20相同,而且油泵和高压油管全都由隔音隔热的物料所包裹。如果按照其输出数字来估计,相信这颗高压油泵和喷油嘴的流量比起FA20的D-4S系统要高出不少。
图:隔热棉下就是斯巴鲁自行研发的缸内直喷系统。
图:拨开隔热棉后,油泵与高压油管暴露无遗。
图:加了蓝色的是高压油轨,黄色是进油管,绿色则是喷油嘴的控制线组。
图:从进气歧管侧面可以看到,FA20T并没有进气歧管喷油嘴。
图:这是FA20的进气歧管,可以看到两支安装在歧管的喷油嘴。
和之前EJ系涡轮增压引擎的涡轮摆放位置不同的是,FA20T将涡轮“压”在了引擎的底部。我们可以在水平对置专业户保时捷的涡轮增压引擎上看到相似的涡轮高度,不过保时捷惯用的是并联双涡轮,加之后置引擎横向空间比较广阔,所以将涡轮搁在左右两侧“两翼齐飞”显得很潇洒。而只可能出现在驾驶者前方的FA20T,涡轮的布局就不可能如此洒脱了,斯巴鲁工程师成功地祭出了新颖的“前底置”。涡轮就位于油底壳之前,和引擎的排气孔极为接近。从车底看,排气芭蕉就像是寄居蟹的几条长腿,这样可以改善EJ系列引擎排气歧管过长由散热而损失排气动能的问题,而且引擎位于对称的水平对置引擎的对称轴上,四根进气歧管可以天然地达成等长。完成增压的空气从底部向上“吹”,绕到引擎的后上方,进入中冷器,空气经过顶置中冷器之后,就流入藏在进气歧管下方的节气门。
图:FA20T的涡轮本体。
图:大家可以在这张图看到进气布局,黄色是接空气滤清器的SuctionPipe,褐色是从涡轮压气机吹向中冷器的管路,蓝色的则是内排式进气泄压阀。
图:从引擎底部可以看到涡轮系统的布局,从引擎的排气孔到涡轮废气室的管路相对于EJ系大幅缩减,这让涡轮的工作效率大大提升。
图:排气歧管直径达到了47.5毫米,另一个作为参考的参数是,FA20增压套件中的排气歧管管径为45mm。
力狮、森林人等车型因为有全时四驱的关系,引擎摆放位置在前轮之前,所以进气的布局和EJ系列相同,为后方进气,中冷器也是斯巴鲁标志性的顶置,不过为了优化四个气缸的配气,节气门放在了进气歧管下方的空间内。从涡轮出来的进气管上行的过程中,需要躲开引擎冷却系统的上水管,所以有一个小凹槽,或许会一定程度上影响进气的顺畅度。
图:在进气歧管中间灰色那一层就是与Denso联合开发的TGV涡流发生器,内部是一组类似节气门的阀门,配合不同的引擎负载打开相应角度。
图:节气门藏在进气歧管下方,目测节气门内径不及FA20的70mm大。
图:进入中冷的管道因为引擎布局的缘故有两个凹陷,一定程度影响了进气顺畅度。
目测FA20T的涡轮达到了4号半至5号涡轮的大小,粗略估算它的马力极限在370~400匹左右。涡轮进气侧的A/R值是中规中矩的0.60,属于偏重中段转速的设定。查看涡轮铭牌,我和我的小伙伴都惊呆了,这个由Honeywell代工的涡轮竟然是产自Honeywell位于伟大高端的魔都上海的工厂,MadeinChina,绕一圈之后又回家了。在涡轮本体下方的是一个专为涡轮机油进行冷却的水冷热交换器。机油流入涡轮润滑并带走热量后,会先进入热交换器,部分热量被冷却液带走后,才会回到机油循环中去。这一切都被一个位于底部的厚实的钢制护板保护起来,毕竟涡轮和地面如此接近,而且如此靠前,是有一定的被撞坏的风险的,加上一个护板等于多一重保险吧。
图:由于涡轮和油底壳非常接近,所以被隔热罩裹了起来。涡轮采用时下流行的双循环,即常规的油路再加水冷通路。
图:底部有一块厚度达到1.5mm的钢制护板,加上看上去也很坚固的热交换器,涡轮“双保险”。
图:废气侧叶片。
图:中文铭牌。
图:由于多了一个涡轮,机油循环也要加强,这是由凸轮轴驱动的强化机油泵。
当然,这副FA20T在血统上和FA20一脉相承,而且其性能表现又是如此地让人垂涎,尤其是在斯巴鲁放出BRZ的STI版本将会保留自然进气设定,并且马力“高达”230匹之后。那么将它移植给BRZ/86的难度有多大呢?下面按照笔者的愚见,为大家列举移植时候需要克服的八大问题。
1、引擎脚是否匹配
大家可以从下面这张图清晰地看到BRZ/86的副车架和FA20的位置关系。设计师为了让BRZ/86获得更加平均的前后配重,特意将引擎尽量地往车身中部移动,而取消了前轮传动系统,也方便了工程师完成这一布局。但对于FA20T来说,无论是力狮还是森林人,标配了斯巴鲁的全时四轮驱动系统,所以FA20T引擎的摆放更靠前,因此它们的副车架设计必定和BRZ/86不一样。另外因为曲轴轴心和后轮轴心不在一个水平面上,所以从侧面观察,引擎是倾斜的,那么引擎摆放的前后位置,也影响引擎的倾斜度。退一万步说,假如引擎脚可以完美对应,将一副本来布置靠前的引擎往后靠,会带来诸如转向机、制动总泵、防火墙等部位的干涉吗?
解决方案:需实际安装后,根据实际情况来研究解决办法。
图:FA20系列的引擎脚位于引擎后部,这样在接上变速箱后引擎脚做支点可取得较好的前后比重。
2、引擎高度
这是一个很显而易见的问题。BRZ/86为了引擎可以尽量降低,特意优化了进排气系统的“厚度”和油底壳的深度,令引擎排气及油底壳部分比FB20要矮了19mm。而FA20T的涡轮位于车底,再加上涡轮本体下方的水冷热交换器、钢制护板等,安装在BRZ/86之后,会让车子的离地间隙大幅降低甚至超出日常驾驶所必须的程度吗?一个可以作为参考的事实是,四代目SJ系森林人同时提供搭载FA20T和FB20的型号,所以从引擎互换性来看,FB20的底部厚度或许和FA20T相差无几。另外从上图引申出另一个隐忧,涡轮会和副车架产生干涉吗?此外,斯巴鲁为FB系列以及FA20T的进气歧管加入了TGV(涡流生成阀体),这个可以优化进气效率的结构,令FA20T引擎的进气歧管部分比FA20高了65mm。
解决方案:切割或重制副车架的车头部分,以迁就涡轮摆放;在FA20T的基础上更换FA20的进气歧管。
图:左图是FA20,右图是FA20T,大家可以看到两颗引擎的高度差异,尤其是底部的差异,是移植后能否安心在神州大地上行走的关键点。
图:从这个角度也许更加明确涡轮和引擎本体的关系。
3、排气系统
这个看似是个不大的问题,但由于FA20排气系统设计上的特殊性,这也许是引擎移植的一块硬骨头。FA20的排气系统是从引擎本体的左侧(从车头观察,下同)往后走的,为此BRZ/86的副车架还特意设计了这么一个空间让排气管从副车架与引擎本体之间穿过。而FA20T的涡轮是左吸右排,排气管将会从右侧通向车尾。而FA20的副车架右侧也并没有预留类似的空间,那么FA20T上身BRZ/86之后,该怎么布局呢?绕回左侧,还是修改副车架呢?两种解决方案,处理难度都不小。
解决方案:未知。
图:排气管从图中的左侧穿过副车架,而FA20T则需要从右方穿过,够不够空间呢?
4、供油系统兼容性
正如上面所说,如果要以FA20进气歧管换入FA20T,那么必然要面临的问题是,FA20的进气歧管喷油嘴去留问题。如果按照目前直喷引擎如大众EA113的外挂歧管喷射喷油嘴的改法,FA20的歧管喷油嘴似乎也留下了升级高流量喷油嘴的空间,只不过这就需要有经验的改装者,去把握好外挂喷油嘴和缸内喷油嘴之间的协调问题了,毕竟即便是斯巴鲁/丰田厂方的工程师,也无法解决D-4S两个喷油系统转换时的扭矩下跌问题。
解决方案:以斯巴鲁开发的直喷系统为主供油,FA20的歧管喷油嘴作为辅助喷油之用,为日后马力调升预留供油空间。
5、中冷套件重新设计
更换FA20进气歧管还会衍生出另外一个问题,那就是将FA20T原本的后方进气改为FA20的前方进气,FA20T的顶置中冷系统也只能扔到一边。对于EJ系列涡轮增压引擎的玩家来说,原装前置节气门就是个求之不得的布局优势,可以得到更加顺畅和更短的涡轮管路,不过EJ引擎要节气门前置,就得废掉空调压缩泵。FA20及FA20T由于是电动助力,取消了方向机泵,所以可以和高高在上的“三巨头”说拜拜了,只有发电机和空调压缩机,不过皮带的张紧机构则放在了压缩泵和发电机之间,干扰FA20节气门的移植。改装者构思前置中冷器位置以及管路的走位,可以预见的是,FA20T的前置中冷套件,一定比增压器放在节气门附近的HKS机械增压套件或者Trust涡轮套件拥有更多可行方案。
解决方案:发电机以及皮带张紧机构、空调压缩泵更换为FA20部品,保留前置节气门;自行开发前置中冷套件。
图:FA20T的发电机(绿色)、皮带轮张紧器(黄色)以及空调压缩泵(红色)的布局。
图:再来看看FA20,由于节气门前置的关系,皮带张紧器(黄色)移到了发电机下方,而这一个布局的组合也会连同进气歧管、节气门一同移植到FA20T上。
6、ECU匹配
ECU的限制性,可以说是导致重度动力改装的一个越来越大的障碍,高度整合(引擎本身、防盗、变速箱、空调系统等整合)、越来越“难骗”的闭环控制程序、越来越窄的宽容范围……FA20T移植后,ECU要怎么选择呢?如果用FA20T电脑,那么新进气歧管取消了TGV,加上换用了新节气门,是否会出错呢?而且这也涉及到原车ECU整合了防盗系统,原车的装置恐怕不能接受外来的ECU和引擎。那么留用BRZ/86原来的引擎呢?FA20T是有T的,而且FA20T的喷油嘴作动方式也未必和FA20相同。不过这让我们想到各种BRZ/86改装增压系统,不是也多了个增压器吗?喷油点火不是也要进行修改吗?的确,刘先生的选择也印证了笔者的猜想:留用FA20的原车ECU,然后以外挂电脑或者如ECUTek等原车刷写电脑去根据新硬件进行重写。
解决方案:留用FA20的原车ECU,然后以外挂电脑或者如ECUTek等原车刷写电脑去根据新硬件进行重写。
图:FA20T只有一个ECU,相对地,FA20则多出来一个控制缸内喷油嘴的第二ECU。
7、变速箱匹配
力狮、森林人使用的是自家制的LineartronicCVT新型变速箱,为了对应高输出,在原有变速箱的基础上,经过液力变矩器、钢带强化的新型号,而FA20搭载爱信生产的AZ6型号6速手动变速箱或者TB65系的6速自动变速箱。那么FA20T移植上BRZ/86之后能否和原来的AZ6配合默契呢?斯巴鲁变速箱一贯的通用性都不错,但对于BRZ/86和力狮/森林人之间截然不同的车身布局来说,有个不小的难点,BRZ/86的起动机在引擎的左侧(车头方向看),而FA20T的起动机预留位则是在引擎的右侧(车头方向看)。另外要留意的是AZ6标称承受极限是35Kgm左右,斯巴鲁变速箱一向以高性能车中的脆弱分子、绝不虚标耐受极限著称,对FA20T的耐受性倒是值得观望。
解决方案:(笔者猜想)加工AZ6变速箱狮头位,以安装力狮/森林人之起动电机。
图:这是FA20,红色区域就是留给起动机齿轮的位置。
图:再看回FA20T,起动电机将会安装在图中左侧左上方的位置。而且可以看到在它的右上方已经不可能再在缸体上加工出起动机齿轮的空间了,所以只能在变速箱壳体上做文章。
图:FA20的AZ6手动变速箱组装图,可以看到图中左上方是没有附属部件的,在这里加工并安装FA20T的起动电机似乎并非难事。
8、进气SuctionPipe部分重做
相比较而言,这最后一个难点几乎没有任何难度了,如果以上七个问题都一一解决了,重做一套Suction系统又有何难呢?
解决方案:勤劳勇敢的中国人,无所不能的中国加工重镇东莞,两个因素加起来,这个问题根本不是问题好吗。
相比于光看书光上网的纸上谈兵,车主更倾向于用实际行动来寻找BRZ/86装上FA20T的门道。只能说,相对于EJ系移植来说,FA20T的移植看起来已经简单了不少了。那么什么时候开始呢?相信你也在期待FA20T上身BRZ/86的那一天吧。
图:你看看我,我看看你,斯巴鲁BRZ的躯体和FA20T现在早已是郎情妾意了,就等哪天让它们“完婚”结合在一起了。
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