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，但对 LSPI 的发生机理仍未达成共识。润滑油与燃烧之间的关联是其中的关键一环：此前行业已探讨过 LSPI 的原因和包括清净剂、抗氧化剂在内的添加剂组分的一些影响，而在专业学术会议上，讨论更侧重于 LSPI 机制的燃烧部分。为理解润滑油的潜在作用，研究团队已通过专门的点火质量测试仪（IQT）测量了润滑油的自动点火倾向性。
一、关注燃烧：LSPI 的三步发生过程
LSPI 是涡轮增压火花点火发动机（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发动机循环。LSPI 分为三步，且都基于一个特定的燃烧过程：
- 第一步：燃烧室内"热点"导致早燃。早燃来源尚不完全清楚——一些研究显示早燃由液体燃料/润滑油滴造成，另一些研究则指出剥落的固态沉积物是早燃来源。这种早燃发生在火花点火之前，但其本身不会损坏发动机。
- 第二步：火焰随后传播。这一阶段类似正常燃烧过程中点火发生后的火焰传播，不会损坏发动机。问题在于发生时间不受控制，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，其严重程度要高得多。
根据燃烧理论，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——它混合了热点特征（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）。因此，描述燃料/机油混合物自动点火倾向特征是必要的。点火质量测量仪（IQT）正是为此而设：它原本用于测量柴油和航空燃料的自动点火现象，经恰当调整后可用于此项操作。
二、点火质量测量仪（IQT）与清净剂化学组成
IQT 用来测量发动机在 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，研究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。
钙、镁清净剂对 LSPI 的影响
钙和镁清净剂对 LSPI 的影响是研究的重点对象：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。
将过氧化物与机油混合，可以把 IQT 自动点火研究集中在燃烧过程的支链和传播链上——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。
三、润滑油选择：基础油对抗 LSPI 的影响
通过 IQT 测量，对自动点火影响最大的是润滑油的化学组成。测试中，不同质量的基础油被添加到燃料样品中。
IQT 测试显示：I 类油至 IV 类油的自动点火倾向性依次升高；同时还注意到，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。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。
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。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润滑油在 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——这正是现代 API SP / ILSAC GF-6 机油在配方设计上重点考量的方向之一。
参考文献
- Combustion theory papers — [Norbert et al. SAE Paper 2013-01-1109] 与 [Bradley and Kalghatgi, Combust Flame 156, 2307-2318, 2009]
- Gasoline surrogate [Pera et al. Fuel 96, 59-69, 2012]