Двигатели General Motors Northstar: История и Эволюция

Введение

Семейство высокопроизводительных 90° V-образных двигателей, производимых General Motors.

Двигатель Northstar – это семейство высокопроизводительных 90° V-образных двигателей, выпускаемых General Motors с 1993 по 2011 год. Считающийся самым технически сложным двигателем GM, оригинальная конструкция V8 с двумя верхними распредвалами, четырьмя клапанами на цилиндр, алюминиевым блоком и алюминиевой головкой блока цилиндров была разработана Oldsmobile R&D, но наиболее тесно связана с серией Northstar от Cadillac. В базовой комплектации двигатель имел рабочий объем, а дальнейшее развитие семейства привело к созданию продольных и наддувных версий. Варианты использовались в Oldsmobile (под названиями Aurora L47 V8 и "Shortstar" LX5 V6), а также в нескольких топовых моделях Pontiac и Buick 2000-х годов. Northstar System был зарегистрированным товарным знаком Cadillac для пакета функций повышения производительности, представленного в середине 1992 года, который объединял автоматическую коробку передач 4T80E, интервал обслуживания в 100 000 миль, подвеску, реагирующую на дорожные условия, усилитель руля с переменным усилием и дисковые тормоза на все четыре колеса с высокопроизводительными двигателями Northstar, обладающими высокой мощностью и крутящим моментом. GM прекратила производство Northstar в 2011 году. Последними автомобилями, оснащенными этим двигателем, стали Cadillac DTS, Buick Lucerne и Cadillac STS, сошедшие с конвейера в 2011 году. Он был заменен двигателем GM LS с малым блоком OHV, используемым в новых моделях Cadillac V8, таких как CTS V, что ознаменовало возвращение к более простой и надежной конструкции с толкателями. Эти двигатели LS V8 были единственными V8 двигателями, используемыми Cadillac в течение следующих восьми лет, пока в 2018 году не был представлен совершенно новый Blackwing V8 в Cadillac CT6 V. Эксклюзивная разработка Cadillac, он был снят с производства всего через два года, в начале 2020 года.

Развитие и особенности

GM начала разработку того, что в итоге стало конструкцией Northstar в отделе исследований и разработок Oldsmobile примерно в 1984 году, предвидя появление передовых двигателей V8 с двумя верхними распредвалами от европейских и японских конкурентов в конце десятилетия. В то время Cadillac использовал алюминиевый V8 с верхним расположением клапанов (OHV) HT, который GM поспешно запустил в производство, поскольку стандарты CAFE на 1982 год не позволяли использовать V8 6.4 1981 года. В то время корпоративная политика GM заключалась в том, чтобы не перекладывать налог на автомобили с высоким расходом топлива на потребителя. Cadillac разрабатывал новые модели, которые, как они надеялись, смогут конкурировать с лучшими автомобилями класса люкс от BMW, Mercedes-Benz и азиатских конкурентов, таких как Lexus, Acura и Infiniti. GM составил обширный список функций, которые должны были быть включены в Allanté, а также обновил Eldorado и Seville STS, включая сложные технологии рулевого управления, торможения и подвески, а также двигатель, эксклюзивный для "Cadillac", который требовали дилеры подразделения. Эта группа функций стала известна как система Northstar. В ее основе лежал высокотехнологичный V8 с характеристиками и изысканностью, чтобы конкурировать с постоянно растущим списком импортных конкурентов. Northstar имел блок V8 из литого алюминия под углом 90° с расстоянием между цилиндрами, разделенным на верхнюю и нижнюю части. Нижняя часть коленчатого вала поддерживала коленчатый вал без обычных крышек основных подшипников. Под ним находится масляная галерея, образованная масляной пластиной с интегрированной силиконовой прокладкой. Типичная замена масла требовала около литров масла. GM указал чугунные гильзы цилиндров, а литые алюминиевые поршни включали зазор клапанов. Northstar – это двигатель с интерференцией: клапаны могут удариться о поршни при потере фаз газораспределения. Он имеет бронзовые втулки поршневых пальцев и свободно плавающие поршневые пальцы. GM использовал литые алюминиевые головки блока цилиндров с 4 клапанами на цилиндр. В головках использовались два верхних распредвала, приводимые в движение через "не требующий обслуживания" корпус цепи привода распредвала. Распредвалы действуют непосредственно на гидравлические толкатели на концах клапанов и питаются смазочным каналом, просверленным вдоль головки блока цилиндров. Впускные клапаны наклонены на 25°, а выпускные клапаны наклонены на 7° с центрально расположенными платиновыми свечами зажигания. Крышки распредвалов изготовлены из магния для легкости и шумоподавления. Последовательный впрыск топлива осуществлялся через восемь термопластичных трубок. Зажигание было без распределителя, с системой "waste spark". Модуль управления силовым агрегатом (PCM) контролировал моменты зажигания и впрыска топлива, а также точки переключения для новой четырехступенчатой трансмиссии GM 4T80 с поперечным расположением. Все двигатели этого семейства имеют одинаковый шаблон колокола Northstar. Одной из заметных особенностей, рекламировавшихся в то время, был безопасный режим "limp home", который позволял двигателю продолжать работать в течение ограниченного времени без охлаждающей жидкости. Подавая топливо только в один ряд цилиндров, двигатель "охлаждал" неактивный ряд. Эта техника, в сочетании с полностью алюминиевой конструкцией и большим объемом масла, позволяет двигателю поддерживать безопасную температуру, позволяя автомобилю с Northstar проехать без охлаждающей жидкости около 161 км без повреждений. Еще одной необычной особенностью некоторых автомобилей с большим количеством электроники, оснащенных Northstar, таких как Seville, DeVille и Eldorado, является жидкостно-охлаждаемый генератор. Хотя это и предназначалось для продления срока службы генератора, GM вернулся к традиционной системе воздушного охлаждения в 2001 году, чтобы устранить потенциальные точки утечки и лишние трубки. Более поздние разработки включали прямое зажигание от катушек, роликовые толкатели и систему изменения фаз газораспределения, которая может изменять впуск до 40° и выпуск до 50°. VVT был разработан для продольной версии LH2 и не использовался на двигателях с поперечным расположением и передним приводом из-за конструктивных ограничений.

GM initiated what ultimately became the Northstar's design at Oldsmobile R&D some time in 1984 in anticipation of the advanced dual overhead cam V8 engines to be introduced by European and Japanese competitors later in the decade. At that time, Cadillac was using the aluminum HT Overhead Valve (OHV) V8 which GM pushed hastily into production because the CAFE standards for 1982 would preempt using 1981's V8 6 4. At the time it was GM's corporate policy not to pass the gas guzzler tax on to the consumer. Cadillac was developing new models which they hoped would compete against the best luxury cars from BMW, Mercedes Benz, and Asian rivals like Lexus, Acura, and Infiniti. GM developed a laundry list of items to be included in the Allanté and updated Eldorado and Seville STS, including sophisticated steering, braking, and suspension technologies, and an engine exclusive to "Cadillac" the Division's dealers were clamoring for. This group of features became known as the Northstar System. Central to it was a high tech V8 with the performance and sophistication to compete with an ever expanding list of imported challengers. Capable of producing out of its displacement, the Northstar featured a cast aluminum 90° V8 block with bore spacing split into unitary upper and lower halves. The lower crankcase assembly supported the crankshaft without conventional main bearing caps. An oil manifold plate with an integrated silicone gasket forms the oil gallery under this. A typical oil change used of oil. GM specified cast iron cylinder liners and the cast aluminum pistons included valve clearance. Northstar is an interference engine: the valves will strike the pistons if they lose timing. It has bronze piston pin bushings and free floating piston pins. GM used cast aluminum cylinder heads featuring 4 valves per cylinder. The heads used dual overhead cams driven through the "maintenance free" cam drive chain case. The cams act directly on hydraulic lifters on the ends of the valves and are fed with a lubrication passage drilled through the cylinder head lengthwise. The intake valves are inclined at 25°, while the exhaust valves are canted to 7° with center mounted platinum tipped spark plugs. The cam covers are magnesium for light weight and sound damping. Sequential fuel injection was delivered via eight thermoplastic tubes. Ignition was distributorless, with a waste spark setup. The powertrain control module (PCM) controlled spark and fuel injection timing as well as the shift points for the new four speed, transverse GM 4T80 transmission. All engines of this family share the same Northstar bellhousing pattern. One notable feature advertised at the time was the "limp home" fail safe mode, which allowed the engine to continue running for a limited time without any coolant. Supplying fuel to only one cylinder bank in turn, the engine would "air cool" the inactive bank. This technique, combined with its all aluminum construction and large oil capacity, allows the engine to maintain safe temperatures, allowing a Northstar equipped car to be driven with no coolant for about 100 mile (161 km) without damage. Another unusual feature of some heavily electronic laden Northstar equipped cars such as the Seville, DeVille, and Eldorado is a liquid cooled alternator. Although this was intended to prolong alternator life, GM reverted to a traditional air cooled setup for 2001 to eliminate potential leak points and extraneous tubing. Later developments included direct coil on plug ignition, roller lifters, and variable valve timing, which can vary intake by up to 40° and the exhaust by up to 50°. VVT was devised for the longitudinal LH2 version, and was not used on the transverse front wheel drive engines due to packaging considerations.

Серия "Северная звезда"

Двигатель был представлен в середине 1992 года в Cadillac Allanté 1993 года выпуска; в 1996 году Northstar стал стандартным двигателем для всех моделей Cadillac, за исключением Fleetwood, но в настоящее время постепенно выводится из всего модельного ряда Cadillac. Двигатель Northstar использовался во всех Cadillac, оснащенных Northstar, в то время как Deville Concours, Eldorado ETC, Seville STS, а в 2000 году – Deville DTS, были оснащены этой версией. Оригинальный Allanté Northstar также представил систему Northstar, которая включала в себя систему контроля тяги, адаптивную подвеску и антиблокировочную систему тормозов. Ранние двигатели Northstar требовали бензин премиум-класса для безопасной работы. Northstar продавался исключительно под этим названием компанией Cadillac более десяти лет, прежде чем был представлен в Pontiac Bonneville 2004 и 2005 годов и Buick Lucerne 2006 года. Однако вариант L47 V8 Northstar использовался в Oldsmobile Aurora, 3.5-литровый LX5 V6 – в Oldsmobile Intrigue и Oldsmobile Shelby Series 1. Вариант двигателя LH2 получил кованый стальной коленчатый вал в октябре 2003 года. Варианты LD8 и L37 получили кованый коленчатый вал для 2006 модельного года. Компания Cadillac планировала представить V12 Northstar в этом десятилетии, вероятно, для использования в Escalade, но экономические факторы и новые стандарты CAFE похоронили эту идею. Большинство двигателей Northstar развивают мощность, достигающую в версии LC3 с наддувом. Двигатели были модернизированы в 2000 году с системой зажигания "катушка на свече" и роликовым толкателем клапанов для повышения экономичности и снижения выбросов. Хотя мощность не изменилась, это обновление сделало использование премиального топлива лишь рекомендуемым, а не обязательным. Все двигатели Northstar, кроме наддувных, имели рабочий объем с диаметром цилиндра и ходом поршня. Для улучшения герметизации головки блока цилиндров между цилиндрами, наддувная версия имеет уменьшенный диаметр цилиндра до, что дает общий рабочий объем. Считается, что блок способен к увеличению рабочего объема до 5,4 л, однако такой двигатель так и не был произведен. Northstar входил в список "10 лучших двигателей" по версии Ward's в 1995, 1996 и 1997 годах. 4,6-литровый двигатель V8, устанавливаемый на модели с 1995 по 2005 год, печально известен своей ненадежностью из-за конструктивного недостатка, связанного с использованием болтов, затягиваемых с определенным моментом, в головке блока цилиндров. По сути, эти болты при установке растягиваются за пределы своей упругости, что в конечном итоге приводит к увеличению износа и усталости болта и сокращению срока его службы. Высокая нагрузка двигателя в конечном итоге приводила к ослаблению и раскручиванию этих болтов в резьбе, нарушению герметичности и, как следствие, прогоранию головки блока цилиндров.

The engine was introduced in mid 1992 in the 1993 Cadillac Allanté; in 1996 the Northstar became the standard engine on all Cadillacs except the Fleetwood, but is now phased out of all Cadillac models. The Northstar engine was used on all Northstar equipped Cadillacs while the Deville Concours, Eldorado ETC, Seville STS, and in 2000 the Deville DTS, were fitted with the version. The original Northstar Allanté also introduced the Northstar System which included traction control, adaptive suspension, and antilock brakes. Early Northstar required premium grade gasoline to run safely. The Northstar was sold exclusively by that name by Cadillac for over a decade before being introduced in the 2004 2005 Pontiac Bonneville and 2006 Buick Lucerne. However, the L47 V8 Northstar variant was used in the Oldsmobile Aurora the 3.5L LX5 V6 in the Oldsmobile Intrigue and Oldsmobile Shelby Series 1. The LH2 engine variant received a forged steel crankshaft in October 2003. The LD8 and L37 variants received a forged crankshaft for the 2006 model year. Cadillac had planned to introduce a V12 Northstar this decade, likely for use in the Escalade, but economics and new CAFE standards killed the idea. Most Northstar engines produce , with power reaching as high as in the supercharged LC3. The engines were revised for 2000 with coil on plug ignition and roller follower valvegear for improved fuel economy and reduced emissions. Though power output did not change, this update made premium fuel merely recommended, rather than required. All but the supercharged Northstars displaced with a bore and stroke. For better head gasket sealing between cylinders, the supercharged version is de bored to for a total displacement of The block is believed to be capable of expansion up to 5.4 L, though no such engine has been produced. The Northstar was on the Ward's 10 Best Engines list for 1995, 1996, and 1997. The 4.6L V8 engine found in models from 1995 2005 were notorious for failure due to a design flaw involving the use of torque to yield bolts in the head gasket. Essentially, these type of bolts are stretched beyond their elasticity upon installation, ultimately increasing wear and fatigue on the bolt and decreasing its service life. The high load of the engine would eventually cause these bolts to weaken and loosen in their threads, rupturing the seal and in turn blowing the head gasket.