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En mai 1987, une version à 16 soupapes de la GTi a été lancée. Il s'agit de la première voiture française de série à être équipée d'un moteur 16 soupapes. Une culasse à double échappement et DACT (double arbre à came en tête), basée sur celle de la Peugeot 205 Turbo 16 groupe B, a été montée sur une version améliorée du bloc moteur en alliage 1905 cc XU9 8 soupapes monté sur les BX GTi et Peugeot 205 GTi. Le résultat a été le XU9J4, un moteur de 1,9 L, également monté sur la Peugeot 405 Mi16 phase 1, développant 158 ch (118 kW) et 177 Nm de couple. Plus précisément, il développe la puissance spécifique de 84 ch/litre, ce qui, pour un moteur atmosphérique et à cames fixes, était assez impressionnant à l'époque. Cela a permis de " propulser " la BX à 100 km/h en 7,6 secondes (0-60 mi/h (97 km/h) en 7,4 secondes), puis à 160 km/h en 19,9 secondes. La vitesse maximale est donnée pour 219 km/h. L'ABS était monté de série. Ses jupes latérales le rendaient facilement reconnaissable de tous les autres modèles de BX. En 1990, le lifting de la 16V donne un nouveau souffle à la voiture : nouveaux pare-chocs en fibre de verre, roues peintes gris anthracite, feux arrière fumés et aileron redessiné. Ces changements esthétiques ont rendu la voiture encore plus distinctive des autres BX. Quelques changements plus subtils ont également été apportés à la voiture, les plus notables étant une suspension plus dure et une barre anti-roulis plus épaisse, ce qui a amélioré la maniabilité.
La BX GTI 16 Soupapes se distingue extérieurement de la BX 19 GTI par ses pare-chocs peints couleur caisse (et non teintés dans la masse couleur caisse) avec lame noire sous le pare-chocs avant, ses élargisseurs de bas de caisse et d'ailes arrière spécifiques, ses sigles "16 Soupapes" sur les panneaux de custodes et le volet arrière, et ses jantes en alliage léger avec pneumatiques hautes performances Michelin 195/60 HR 14 montées en série. À l'intérieur, elle reçoit une harmonie générale noire, des sièges redessinés pour améliorer leur maintien, avec réglage de soutien latéral pour le conducteur et garnis d'un velours spécifique, un volant sport à trois branches et un pommeau de levier de vitesses type CX 25 GTI TURBO 2.
La BX 16V s'est révélée plus rapide sur circuit que la Peugeot 405 Mi16, sa concurrente "maison", lors d'un test publié dans le magazine automobile suédois Teknikens Värld. Toujours en Suède, le jeune pilote Magnus Gustafsson a participé avec succès à un rallye avec une BX 16V préparée groupe A. Le moteur développait 215 ch (160 kW) et Gustafsson finit deuxième du Rallye International de Suède en 1993 dans la catégorie A7.
