Образование токсичных веществ - продуктов неполного сгорания и окислов азота в цилиндре двигателя в процессе сго­рания происходит принципиально различными путями. Первая группа токсичных веществ связана с химическими реакциями окисления топлива, протекающими как в предиламенный пе­риод, так и в процессе сгорания-расширения. Вторая группа токсичных веществ образуется при соединении азота и избы­точного кислорода в продуктах сгорания. Реакция образования окислов азота носит термический характер и не связана непо­средственно с реакциями окисления топлива. Поэтому рассмот­рение механизма образования данных токсичных веществ целе­сообразно вести раздельно.

Ограничимся рассмотрением образования продуктов сгора­ния углеводородных топлив. которые в настоящее время являют­ся наиболее распространенными видами топлива для двигателей внутреннего сгорания. Основными токсичными веществами — продуктами неполного сгорания в этом случае являются сажа, окись углерода, углеводороды, альдегиды.

Сажа. При сгорании углеводородных топлив в различных горелках и двигателях внутреннего сгорания в отработавших газах может содержаться твердый углеродный продукт в ди­сперсном состоянии (сажа). Другие твердые углеродистые со­единения (пироуглерод и нитевидный углерод) обычно в отрабо­тавших газах не содержатся, так как образование их проис­ходит на твердых поверхностях [50, 57].

Частица сажи — это агломерат пакетов (кристаллитов), ко­торые, в свою очередь, состоят из набора отдельных сеток (пла­стинок) графитовых шестиугольников. Пакет состоит из двух — пяти пластинок диаметром   17—30 А, средней толщиной 3,55 А [57]. Сажевые частицы могут иметь   диаметр   20—6000 А, но обычно 50—500 А. В частице сажи диаметром 200 А содержится около 1500 пакетов. Кроме углерода сажа содержит 1—3% по массе (т. е. 10—30% по числу атомов) водорода, который мо­жет быть химически или физически связан с углеродом [57].

Образование сажи представляет собой объемный процесс термического разложения (пиролиза) углеводородов в газовой (паровой) фазе в условиях сильного недостатка (отсутствия) окислителя (кислорода).

Реакция пиролиза углеводородов может быть выражена уравнением

C_nH_m<->пС + 0,5mH₂,                                                         (1)

которое не описывает действительного механизма, приводящего к образованию твердого углерода. Существуют различные точки зрения на процесс образования сажи [8, 10, 50, 57].

Наиболее общая схема [57] включает гидрогенизацию, дегидрогенизацию, крекинг (т. е. расщепление молекул), полимеризацию, конденсацию (т. е. присоединение молекул, приводящее к образованию очень больших молекул другого типа).