低速早燃和润滑油自动点火

低速早燃（LSPI）现象在高功率密度(小型化)的发动机内加剧发生，汽车行业对此现象已经研究了十余年时间。但矛盾的是，虽然无法在发动机内消除LSPI现象，但LSPI不可预知的特性使其难以在一个受控的试验发动机内再现。

尽管多种复杂的相互作用已被识别，包括发动机技术、工况条件、燃料和润滑油特性，但是对LSPI的发生机理仍未达成共识。Insight洞察网站之前发表的专栏文章探讨了LSPI的原因和包括清净剂和抗氧化剂在内的添加剂组分的一些影响。在最近举行的UNITI大会上，所涉及的内容略有不同，主要关注于LSPI机制的燃烧部分。为了了解润滑油的潜在作用，已通过一个专门的点火质量测试仪测量了润滑油的自动点火倾向性。

关注燃烧

LSPI是涡轮增压式火花点火的发动机（大部分时间为燃油直接喷射）在高负荷和低转速情况下观察到的一种异常的发动机循环。LSPI分为三步，并都是基于一个特定的燃烧过程。

第一步：燃烧室内“热点”导致早燃

早燃来源还不完全清楚。一些研发小组的工作显示早燃是由液体燃料/润滑油滴造成，而另一些研究小组则指出剥落的固态沉积物是早燃来源。这种早燃现象发生在火花点火之前，但是，其本身不会损坏发动机。

第二步：火焰随后传播。

这一阶段类似于正常燃烧过程中，点火发生之后的火焰传播，并且不会损坏发动机。这里的问题是发生时间不受控制，这导致极端的缸内压力和高温。

第三步：未燃尽的燃料/空气混合物中引发超级爆震。

自动点火与众所周知的爆震非常相似，但由于早期（不受控制的）燃烧且有大量未燃尽的混合物，所以严重程度要高得多。

LSPI分为三个步骤，都基于一个特定的燃烧过程

根据燃烧理论1 ，可以描述发动机内安全的火焰传播与破坏性爆震之间的转换特征。上面复杂的示意图混合了热点特征(取决于燃料/润滑油的自动点火倾向)，燃料的燃烧特性和发动机响应（通过声波耦合）。

上图强调的是描述燃料/机油混合物自动点火倾向特征的必要性。点火质量测量仪（IQT）是一种用于测量柴油和航空燃料自动点火现象的装置，在恰当调整后用来进行此项操作。

点火质量测量仪（IQT）

点火质量测量仪（IQT）用来测量在发动机在LSPI相关条件下的点火绝对延迟时间，并捕捉造成LSPI现象的物理化学耦合假设部分。热点（第一步）由润滑油/燃料混合物的自动点火造成，是测量目标。IQT测量基于ASTM方法(D6890)，需要多次重复测试。

为消除燃油差异的影响，根据自动点火和关键的几种燃料特性，准备了一种汽油的替代品。IQT测量显示润滑油增加可以显著促进自动点火。

清净剂的化学组成

钙和镁清净剂对LSPI的影响已成为润英联研究的对象。钙清净剂已显示出对LSPI有很强的促进作用，而镁清净剂貌似对LSPI几乎没有影响。然而，已观察到不同的钙和镁含量在点火质量测量仪内对气体燃料/油/空气的自动点火没有统计学意义上的重大差别。

过氧化物与机油混合以便将IQT自动点火研究集中在燃烧过程支链和传播链上。过氧化物的添加提高了反应活性，但再次显示其对钙和镁含量不敏感。这些结果似乎表明在气体阶段，钙对机油自动点火的引发或分支化学反应中不起任何作用。

基础油选择

通过IQT测量到的、对自动点火影响最大的是基础油的化学组成。在这个测试中，不同质量的基础油被添加到燃料样品中。

基础油选择对自动点火有着重大影响

IQT测试显示了I类油至IV类油的自动点火倾向性升高。我们还注意到一些V类油配方非常不易自动点火(与纯燃料相比，没有自动点火促进效果)，在调配抗LSPI配方时可对此有所关注。

结论

LSPI是一个极其复杂的现象，包括多种复杂的关联，燃烧只是其中一个要素。然而，许多问题仍未得到解答，特别是为什么钙会对LSPI起到促进作用，而镁却没有。也许通过修正IQT来测量固相的自动点火（固体沉积物是自动点火的催化剂），可能会帮助回答这个问题。

同时，这一实验使我们能够更好地理解基础油在LSPI机制中所起的作用。根据特定的发动机运行条件和LSPI类型，基础油选择可能是抗LSPI润滑油配方中的一个重要因素。

特别感谢本文的合著者，他们是来自普林斯顿大学的：

- Dr Sang Hee Won

- Prof. Frederick Dryer

- Dr Francis Haas

参考文献

1 Combustion theory papers - [Norbert et al. SAE Paper 2013-01-1109] and [Bradley and Kalghatgi, Combust Flame 156, 2307-2318, 2009]

2 Gasoline surrogate [Pera et al Fuel 96, 59-69, 2012].