北极星发动机

    如果不是经济危机和日渐严重的环境问题,我相信“大排量”应当至今仍然是美国汽车产品的关键词。而“V8”,则一定是伴随美国的大排量发动机出现频次最高的字符。美国人对V8发动机的青睐曾造就了一批颇具代表性的大排量发动机产品,通用旗下的“北极星”系列发动机便是其中的一员。

● “内忧外患”,承担突围使命

    北极星发动机是通用90度夹角型发动机中技术最先进的代表,其地位并不亚于通用独立的LS系列发动机。说起北极星发动机的起源,还要从上个世纪的七八十年代开始说起。

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『V8-6-4发动机(L62)虽然理念和技术先进,但是由于受到当时技术水平的限制
所以在稳定性和可靠性上都有明显的问题』

    凯迪拉克在八十年代初推出了数款当时技术先进的发动机,1981年推出的具备可变排量技术的V8-6-4发动机(L62)和随后在1982年推出的4.1L V8发动机HT4100(代号LT8)发动机,最后都因为当时的有限的技术水平导致了产品可靠性和稳定性的问题,导致品牌的声誉受损,凯迪拉克需要一款能够重振品牌气势的先进发动机,而且,要可靠。

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『NorthstarSystem北极星系统包括动力、自适应悬架、转向系统、制动以及
牵引力控制系统于一身,而Northstar北极星发动机是其中的核心』

    到80年代后期,德系高端品牌和新兴的日系高端品牌开始在豪华车市场瓜分份额,通用需要拿出更具竞争力的产品与宝马、奔驰及初来乍到的雷克萨斯英菲尼迪较量,于是他们一口气拿出了Allante、改款的Eldorado和Seville STS三款车型的开发计划,并且推出了集动力、转向、悬架、制动和牵引力控制等等系统于一体的“northstar system”北极星系统的概念,其中最重要的核心就是北极星V8发动机

    而与此同时,通用的竞争对手福特竟然也在开发类似的发动机,并且“捷足先登”,在1991年将模块化发动机的首个产品--16气门顶置凸轮轴的4.6L V8发动机装在了林肯第二代的城市之光(Town car)上,能够输出190马力(英制马力,以下均为英制)/142千瓦,366牛·米的动力,这似乎让凯迪拉克一下子陷入了被动。 

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『Northstar北极星发动机

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『首款搭载北极星发动机的车型--凯迪拉克Allante』

    但是通用的北极星并没有让福特风光太久,第一款北极星发动机于1992年中随着凯迪拉克Allante(当时叫做1993款)一道正式亮相,同时Allane还搭载了前面提到过的“北极星系统”,包括自适应悬架牵引力控制系统和防抱死制动系统。

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『双顶置凸轮轴、全铝缸体等特点让北极星发动机一下子领先了福特一大截』

    这台代号L37的北极星发动机用于前横置前驱平台,它是全美第一台双顶置凸轮轴的全铝V8发动机,使用了铝合金缸体(铸铁缸套)及铸铝活塞,每缸四气门,并使用正时链条。这台发动机曲轴箱和缸体设计是一大特色,它将常规发动机的主轴承盖(见下图)直接集成到了气缸体底部,使发动机的结构大大简化,有利于提高整体强度并减小了发动机高度、降低了重心。 

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『传统发动机主轴承盖位置』

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『北极星发动机的主轴承盖位置』

    L37的缸径及活塞行程分别为93毫米及84毫米,短行程的设定体现了其线性输出和偏向高功率发动机定位,倾向高功率输出。最早这台发动机的设计功率是290马力,但在Allante上,这台L37拿出了295马力(220千瓦)/5600rpm的峰值功率,在4400rpm时便可达到393牛·米的峰值扭矩,直接把当时两阀的福特4.6L V8发动机甩在身后(当然,这是暂时的,后来福特在93年也推出了DOHC双顶置凸轮轴的四气门发动机)。

    这一次,凯迪拉克没有忘记在“可靠性”上面做文章,他们为北极星的点火系统设计了两种工作模式,除了正常的点火控制模式外,当传感器或ECM发动机控制模块发生故障时,发动机会以固定的提前点火角工作,以保证发动机能够工作。

    当冷却液泄漏或冷却系统故障时,这台发动机的应急模式--Limp Home(直译为跛行回家)便会启动,这套系统介入时,发动机会关闭一列气缸,整个发动机完全依靠“风冷”行驶,依靠铝合金缸体的散热优势和润滑系统保持发动机处在安全温度内。据悉这套系统能够在没有冷却液冷却的情况下让发动机安全地继续行驶100英里(160公里)。

    更有意思的是,在凯迪拉克的Seville(STS车型前身) , DeVille(DTS车型前身)以及Eldorado三款车型上,竟然使用了水冷发电机,冷却效率得到了保障,但是这却让发散热的管路变得更加复杂,并且增加了冷却液泄露的风险。2001年之后,水冷发电机便被普通的风冷式发电机代替。

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『左侧为电子节气门  右侧为发动机管理控制模块』

    2006年,这个年份对于北极星发动机而言是个重要的时间节点,北极星在这一年完成了一次技术上的进化。在这一年,所有的北极星4.6L V8发动机都开始使用电子节气门。同年,新一代的E67发动机管理模块也开始搭载在北极星发动机上,到2007年,所有的北极星发动机都已经将发动机管理模块升级至E67。

    也是在这一年,为了改善车辆的排放并提高可靠性,通用将北极星的燃油系统升级为“returnless”燃油系统,即现在使用已经比较广泛的无回流燃油系统,这种燃油系统没有从发动机回流到油箱的燃油管路,避免了燃油在系统中的反复回流。同时,已经使用在纵置北极星V8发动机上(LH2和LC3)的博世EV14喷油器也开始应用在L37和LD8这两款横置的北极星发动机上。

    北极星发动机的亮相确实让凯迪拉克再次赢得了众人的掌声,除了前面提到的技术特点外,后续的北极星发动机还陆续应用了VVT可变正时气门技术、独立点火线圈等在当时属于领先或主流的发动机技术,得到了消费者的认可和业界的肯定。1995至1997年,北极星V8发动机连续三年被评选为“沃德十佳发动机”(Ward's 10 Best Engines),其实力可见一斑。

● 北极星V8发动机的进化和繁衍--最常规的L37、LD8以及纵置的LH2

    在很多介绍里,我们都会看到这样的描述“北极星,凯迪拉克最先进的发动机”。而似乎很少有人说北极星是通用最先进的发动机。确实,北极星发动机在相当长的一段时期里一直是凯迪拉克的专属发动机,所以大多数人一提到北极星,只会想到“凯迪拉克”。时至今日,所有匹配过北极星发动机的二十余款车型当中仅有三到四款来自通用旗下的其他品牌,而凯迪拉克的车型所占比例接近86%。

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    到2010年停产为止,北极星V8发动机共有五种不同的型号,他们分别是L37、LD8、LH2、L47以及机械增压的LC3。其中使用最广泛的是L37、LD8和LH2发动机,L47及增压发动机LC3我们将在下面单独列出介绍。

    L37 北极星的“原始天尊”

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    L37发动机正是北极星系列发动机的原始型号,也就是上文所提到的那台发动机发动机的动力输出倾向于高响应、高功率输出,在1996至2004年间的凯迪拉克DeVille(DTS前身)以及Seville(STS前身)车型上,L37的动力输出达到了300马力(224千瓦)/400牛·米。L37发动机从2000年开始,将压缩比从10.3:1降至10:1,以实现更好的油品适应性。

    之后,2005年,在新的SAE马力评级标准下,L37的动力数据变成了290马力(216千瓦)和386牛·米。从2006年小幅调整后至今,L37的动力数据便一直维持在292马力(218千瓦)/390牛·米的水平,峰值功率扭矩的输出转速也分别从最开始的5600rpm和4400rpm分别上升至6300rpm和4500rpm。2008年开始,L37开始搭载在别克的Lucerne车型上。

    LD8 侧重低扭的衍生发动机

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『LD8发动机

    1994年推出的LD8发动机与L37是完完全全的手足关系,完全相同的技术和结构,与后期L37相同的10:1的压缩比......只是二者的调校风格有所不同,相对于高响应、高功率输出取向的L37而言,工程师们通过凸轮型线的重新设计使LD8拥有了更优秀的低扭表现,大多数LD8的动力数据为275马力(205千瓦)/407牛·米,峰值扭矩的输出转速提前到了4000rpm。1998年后,凯迪拉克为LD8发动机升级了新的液压悬置系统,使车辆变得更加稳定和舒适。

    LH2 更先进的纵置北极星

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    LH2发动机于2004年推出,是一台是面向纵置后驱及全驱平台的北极星发动机,应用于凯迪拉克SRX(第一代)、STS以及XLR三款车型。LH2标志着北极星发动机的一个新时代,这不仅是因为它是北极星的第一款纵置发动机,而是因为在LH2上,新的发动机管理模块、电子节气门、VVT可变正时气门技术、活塞裙聚合物涂层等等这些技术带来了一个更加先进的“北极星”。而横置的L37/LD8从始至终都未能配备VVT技术。

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    得益于10.5:1的压缩比和进排气可变正时气门技术的应用,LH2的最大功率达到了320马力(230千瓦)的水平,较L37提升了5%以上。其峰值扭矩也水涨船高达到了427牛·米。

● 北极星V8发动机的进化和繁衍--生僻的L47和强悍的LC3

    L47 昙花一现的国际赛事生涯

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『奥兹莫比尔(OlDSmobile)的Aurora车型上使用的L47发动机

    L47发动机是在北极星4.6V8发动机的基础上缩缸(缸径从93mm缩至87mm,行程不变)并进行局部的优化设计衍生出来的产品,搭载在奥兹莫比尔(OlDSmobile)的Aurora车型上。原版发动机的动力为250马力/353牛·米,这台L47是唯一一台从未搭载到凯迪拉克量产车型上的北极星发动机,也许是因为出处,也许是因为它和凯迪拉克车型没有联系,所以很多地方在提到北极星发动机的时候,都没有涉及这台L47。

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『2000年的Cadillac Northstar LMP』

    然后,我们回到当年的凯迪拉克。北极星的成功让自信满满的凯迪拉克开始考虑是否要在时隔50年之后重回勒芒24小时耐力赛。大多数人似乎都有这种趁热打铁的想法,于是,Cadillac Northstar LMP(注:LMP=Le Mans Prototype)就这么诞生了。

    2000年,项目启动,通用基于Riley & Scott的MKIIIs底盘开始了Cadillac Northstar LMP车辆的研发。动力方面,通用首先从一台印地赛车使用的650匹(485千瓦)4.0L发动机着手,这台发动机正是L47。

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『2002年,对发动机再次升级且换用全新底盘的Northstar LMP02进步明显』

    凯迪拉克对这台发动机进行了针对性的改造,装上了两颗IHI的涡轮,从第一款车型LMP00到2001年的新款LMP01,凯迪拉克的成绩一直在循序渐进的进步着。2002年,在全新底盘的LMP02车型上,这台发动机又被换上了GARRETT的涡轮增压器,并且与X-trac变速箱匹配,在勒芒LMP 900组别比赛和美国勒芒系列赛中都有不少可圈可点的表现。但是很遗憾,通用在2002年底宣布凯迪拉克的项目取消,北极星发动机与这类世界赛事的缘分也就此打住。

    Supercharged LC3 最强北极星

凯迪拉克 凯迪拉克(进口) 凯迪拉克XLR 2006款 XLR-V

机械增压的4.4升北极星发动机是量产北极星中最强也是最先进的型号』

    在量产版的北极星发动机阵营当中,性能最为强悍的便是这台同时作为06款STS-V及06款XLR-V车型心脏的LC3发动机了。这台发动机可以说是LH2发动机的同门,用于纵置车型平台,工程师们将原先北极星V8的缸径从93mm减少至91mm,使发动机的排量降到了4.4升,并将压缩比降至9:1。

凯迪拉克 凯迪拉克(进口) 凯迪拉克XLR 2006款 XLR-V

『LC3搭载在STS-V及XLR-V上』

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『EATON的M122机械增压器,右侧为机械增压器转子组』

    在EATON M122机械增压器的加持下,这台LC3在凯迪拉克STS-V车型上拿出了469马力(350千瓦) /6400rpm及595 N·m/3900rpm峰值扭矩,而XLR-V的动力数据稍低,为443马力和561牛·米,对应的峰值输出转速相同。

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活塞喷雾冷却技术也是当时的LC3独有的』

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『LC3优化了缸体设计,并采用3层气缸垫』

    这台发动机并不是对LH2简单升级和缩缸而来的产物,为了提升强度,工程师们重新打造了孔洞更少的缸体,并采用了新的3层气缸垫以改善密封效果,除了进排气连续可变正时气门技术、单缸独立点火线圈之外,还用上了活塞喷雾冷却这类当时在先进发动机上常见的技术。

● 北极星血统并不只有“V8”---概念版的XV12和六缸的LX5

    一直以来,在很多人的印象里,“北极星”都是清一色的V8发动机,其实,在北极星的家族中,却有两位不是V8却又不得不提的亲戚。

    XV12 美好的大排量抵不过排放和经济性法规

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『 2001年,XV12发动机概念车Cien一道亮相』

    2001年亮相的Cien概念车不仅造型惊艳四座,其搭载的Northstar XV12概念发动机也同样引人注目。这7.5L的概念发动机是排量最大的一台北极星,也是唯一的一台12缸北极星发动机,全铝发动机、这台概念发动机上,展现了很多当时先进的理念,缸内直喷,碳纤维复合进气歧管以及可变排量技术等。其中可变排量技术可以根据发动机的负载工况关闭相应数量的气缸,使发动机以更经济的状态运行,气缸开闭可做到无缝切换。

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    这台XV12发动机拥有750马力的最大功率扭矩输出也达到了610牛·米,本来被外界看好,认为很有可能出现在通用的凯雷德车型上,但是这款12缸的发动机最终也未能量产。如果当时这台发动机能够落地,我们今天的主题就应该是12缸北极星的故事了。XV12展示的可变排量技术后来在通用的其他系列发动机上开花结果,凯雷德混合动力车的V8发动机便运用了这一技术,只是和Northstar没有瓜葛了。

    LX5 来自奥兹莫比尔的V6远房亲戚

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    这台于1999年发布的LX5 V6发动机隶属奥兹莫比尔,乍看之下似乎与北极星没有什么瓜葛,但是只要稍微看一下它的资料我们就能知道,这台发动机却是基于我们前面提到过的L47 V8发动机开发和设计的。而L47的来历就不需要我重复了吧。所以,工程师们把这款发动机叫做ShortNorth,而车迷们对它还有一个“ShortStar”的昵称。

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『LX5搭载在奥兹莫比尔(OlDSmobile)的第二代Aurora车型上』

    不过,严格来说,虽然有着相同的90度气缸夹角,但是LX5并不是在L47的结构上简单去掉两个气缸做出来的,它是一款全新设计的发动机,缸径和行程分别是89.5mm和92mm,排量3.5L(3.473L),双顶置凸轮轴、每缸四气门并使用正时链条。它的峰值功率为215马力(160千瓦)/5600rpm,峰值扭矩312牛·米/4400rpm。这是通用旗下第一款采用无分时点火系统(独立点火线圈)的发动机。这台发动机在1999和2000年连续两届获得沃德十佳发动机的称号。不过,由于这款发动机制造成本较高,并且仅匹配奥兹莫比尔的车型,所以最终也随着奥兹莫比尔品牌的陨落一同消亡了。

小结:

    2010年7月,北极星系列发动机停产。对于很多人来说,大排量发动机的阵营里又少了一个明星。面对日益严格的排放和燃油消耗法规,这台曾经先进的、承载着凯迪拉克品牌竞争力并帮助凯迪拉克复兴的发动机如今已经渐渐有些力不从心。

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    作为美系发动机的一名典型代表,北极星从最开始、以及一直以来为我们带来的那种线性而澎湃的动力感受,是永远无法被那些高增压版本的中小排量发动机所取代的。在世界向着高效中小排量发动机和新能源动力前进的过程中,北极星留在了道路上,矗立成一座地标,供人们瞻仰和回忆。

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