Применение всех известных способов воздействия на процесс смесеобразования и сгорания существенно снижает содержание токсических компонентов в отработавших газах, однако полностью их ликвидировать невозможно. Для того чтобы снизить содержание токсических соединений, применяют дополнительные устройства, нейтрализующие отдельные - компоненты в системе выпуска двигателей. Эти устройства устанавливают вместо глушителей шума, и они одновременно выполняют их функции. При применении таких устройств несколько возрастает сопротивление на выпуске, что приводит к повышению расхода топлива. Имеются два вида таких устройств. Одни из них предназначены для улавливания вредных веществ, другие — для нейтрализации. При оценке эффективности перечисленных устройств, исходят из стремления получить выбросы токсических веществ в допустимых пределах без ущерба для мощности и экономичности двигателя, при минимальном удорожании автомобиля. И тем не менее современные установки для снижения токсичности приводят, как правило, к уменьшению мощности двигателя и увеличению расхода топлива (так, например, на автомобиле «Вольво» с системой дожигания отработавших газов на полифункциональном катализаторе на 100 км пробега расходуется 10,7 л бензина вместо 8,5 л в отсутствие дожигателя).
Термический нейтрализатор представляет собой камеру сгорания, которая размещается в выпускном тракте двигателя для дожигания продуктов неполного сгорания СН и СО. Реакции окисления протекают достаточно быстро при температуре свыше 830°С и при наличии в зоне реакции несвязанного кислорода. Необходимость температуры обеспечивается без подачи дополнительного топлива в результате догорания части СН и СО. В случае необходимости в нейтрализаторы может вводиться дополнительно воздух до 25% от расхода воздуха двигателем.
В каталитических окислительных нейтрализаторах с катализаторами из благородных металлов — платины, платины и палладия, платины и родия — обеспечивается высокая скорость окисления при сравнительно невысоких температурах, значительно меньших, чем в термическом нейтрализаторе. Оксид углерода окисляется в СО2 при 250—300°С, углеводороды и продукты их окисления (в том числе и бензпирен) — при 400—450°С; при этом у выпускных газов почти пропадает неприятный запах. При температуре 580°С сгорает сажа. Для увеличения поверхности контакта с газами катализатор наносится тонким слоем на поверхности носителя из кремнезема или глинозема в виде шариков или на поверхность монолитного носителя с ячейками. В случае использования этилированного бензина активность платины и палладия быстро падает из-за отложений продуктов окисления свинца.
В случае применения термического или окислительного каталитического нейтрализатора выбросы СН и СО удается снизить до установленных норм. Однако концентрация окислов азота изменяется очень мало. Для уменьшения концентрации окислов азота в системах с окислительными нейтрализаторами применяется рециркуляция выпускных газов. С этой целью выпускные газы в количестве до 10% объема свежего заряда отбираются из выпускного трубопровода, охлаждаются и направляются во впускную систему. Степень нейтрализации в такой системе достигает 50% — для окислов азота, 85% — для углеводородов и 90% — для оксида углерода. При использовании системы рециркуляции уменьшаются мощность и КПД двигателя.
Для уменьшения выбросов оксидов азота используют каталитические нейтрализаторы с восстановительной средой. Восстановление оксидов азота становится возможным при достаточно высоком содержании оксида углерода в выпускных газах:

2NO + 2СО -> N2 + 2СО2.

При а< I в выпускных газах содержится водород, поэтому возможна реакция с образованием аммиака:

2NO + 5Н2 -» 2NH3 + 2Н2О.

В каталитическом нейтрализаторе с катализатором из благородных металлов можно снизить до установленных норм выбросы всех трех токсических составляющих — СН, СО и NOx, но лишь при условии, что состав горючей смеси отличается от стехиометрического (при а=1) не более чем на 1%. Такие нейтрализаторы называют трехкомпонентными. Для восстановительной среды применяют нейтрализаторы из медноникелевого сплава без носителя и из платины на носителе. Для окислительных ступеней катализатора используют благородные металлы и окислы переходных металлов.
Каталитические дожигатели должны обеспечить окисление монооксида углерода до диоксида по уравнению

2СО +О2 -> 2СО2,

окисление углеводородов до диоксида углерода и воды по уравнению

СН + 1,5О2 -» СО2 + Н2О,

восстановление оксидов азота до азота и окисление оксида углерода до диоксида углерода по уравнению

2СО + 2NO -> 2СО2 + N2 или разложение оксидов азота на азот и кислород по уравнению

2NO*-» N2+ O2.

В целом при создании таких нейтрализаторов расходуется от 1,5 до 4,0 г драгоценных металлов (платина, палладий, родий и др.).
Для нормальной работы трехкомпонентного нейтрализатора необходима обратная связь между качеством отработавших газов и системой питания двигателя. Такая связь должна поддерживать уровень расхода воздуха примерно 14,6 кг на 1 кг сожженного бензина. При богатой смеси (а<1,0) резко увеличивается неполнота сгорания, а при бедной смеси (а>1,0), как сказано выше, возможно образование аммиака с появлением резкого запаха отработавших газов. Эту связь обеспечивает электронная схема регулирования с помощью так называемого «кислородного» датчика, измеряющего мгновенное содержание свободного кислорода в отработавших газах. Датчик монтируется на корпусе нейтрализатора и имеет слой оксида циркония или титана, покрытого платиной (датчик «Ъ>). Такая электрохимическая ячейка реагирует на атомы кислорода и создает разность потенциалов до одного вольта. Эта разность потенциалов и служит управляющим сигналом, заставляющим электронный модуль изменять подачу топлива в двигатель до тех пор, пока в отработавших газах не останется свободного, то есть не вступившего в химическую реакцию, кислорода. Таким образом, автоматически поддерживается стехиометрический состав рабочей смеси во всех диапазонах нагрузок и частот вращения коленчатого вала двигателя. Такие трехкомпонентные нейтрализаторы при соответствующем финансировании могут производиться в России в количестве, необходимом для оснащения всех выпускаемых в стране автомобилей.
Химический состав бензинов оказывает значительное влияние на общее количество образующихся при сгорании в двигателях токсичных веществ, степень превращения их на катализаторе в нейтрализатор и, следовательно, на состав продуктов сгорания.
Бензин каталитического крекинга, содержащий значительное количество непредельных углеводородов, при сгорании также образует химически активные непредельные соединения, способные быстро окисляться. При этом образуется меньше несгоревших углеводородов (НУ) и больше СО. Наоборот, при сгорании топлив, содержащих повышенное количество менее активных парафиновых или более стабильных ароматических углеводородов, образуется больше НУ.
Чем больше содержание в бензине ароматических углеводородов, тем выше температура сгорания топлива и концентрация NOx в ОГ. Добавление кислородсодержащих соединений, характеризующихся относительно меньшей температурой сгорания, приводит к снижению концентрации NOx в ОГ. Минимальная эффективность катализатора наблюдалась в случае бензинов, содержащих непредельные углеводороды, а максимальная — в случае высокоароматизированных продуктов независимо от типа загрязнений (СО, CnH , NOX). Уровни конверсии углеводородов колеблются в пределах от 82 (продукт риформинга) до более 90% (крекинг-бензин).
Полученные результаты показывают, что химический состав топлива может оказывать существенное влияние на общее количество выбросов как до, так и после каталитического дожита. При работе автомобиля, особенно в холодный период, ОГ в большей степени содержат исходные компоненты топлива.
В ОГ двигателя, работающего на бензине Евросупер при постоянном числе оборотов 3500 мин~' и неизменной мощности, в составе CriHm обнаружено значительное количество метана (25%), легких парафиновых и непредельных углеводородов (55%), а также бензола (4%), других ароматических углеводородов (7%) и небольшое количество диолефинов. Более детальный анализ позволил установить значительное количество легких непредельных углеводородов (этилена, пропилена и ацетилена). После каталитического дожита в ОГ в значительных количествах присутствуют метан и этан.
В табл. приведены данные по концентрации ароматических углеводородов в исходном топливе и в ОГ автомобиля, работающего по циклу испытаний ЕСЕ 15 в режиме с холодным запуском после каталитического дожита. Из табл.  видно, что содержание бензола  в ОГ гораздо выше, чем в исходном топливе. Это, возможно, происходит в результате деалкилирования толуола и высших ароматических углеводородов. Всего в ОГ концентрация ароматических углеводородов составляет 47,1% от всех углеводородов при содержании их в топливе 51%.

Сравнительные данные по содержанию ароматических углеводородов в исходном топливе и в ОГ двигателя

 

 

Соединение	Содержание, % мас.
	в топливе	в ОГ
Бензол	3,3	9,0
Толуол	32,5	31,6
Этилбензол	8,5	6,9
л-Ксилол	6,1	6,8
х-Ксилол	22,9	16,5
о-Ксилол	10,6	8,4
Изопроп ил бензол	0,4	0,2
н-Пропилбензол	1,0	0,6
этилтолуол	5,5	8,6
триметилбензол	2,4	1,6
метил-изопропилбензол	0,2	1,0
триметилбензол	6,7	8,8

 

Когда исходное топливо содержит спирты (метанол, этанол, бутанол) или простые эфиры (МТБЭ), то небольшие количества этих соединений в ОГ обнаруживаются вместе с альдегидами, кетонами и карбоновыми кислотами.
При использовании бензинов, содержащих спирты или эфиры, наблюдаются снижение в ОГ концентрации СО и несгоревших углеводородов и небольшое увеличение концентрации NOx. Это можно отнести за счет небольшого обеднения смеси из-за повышенного содержания кислорода в топливе. Содержание специфических веществ, таких как альдегиды, непревращенные спирты и органические кислоты, в случае топлив, содержащих спирты и эфиры, всегда выше.
Установлено, что существует явная зависимость между концентрацией кислородсодержащих продуктов в ОГ и концентрацией их в исходном бензине. Например, при сгорании топлива, содержащего 3% метанола и 2% трет-бутанола, выделяется больше метанола, формальдегида и муравьиной кислоты, чем при сгорании топлива без добавок. При использовании топлива с примесью 5% этанола и 2% трет-бутанола ОГ в основном содержат этанол, ацетальдегид и уксусную кислоту. В ОГ двигателя, работавшего на бензине, содержащем 10% МТБЭ, присутствуют формальдегид и муравьиная кислота. Однако все эти продукты легко окисляются, поэтому после каталитического дожига они могут отсутствовать в ОГ.
При общей конверсии углеводородов порядка 70—80% после каталитического дожита конверсия легких олефинов (этилен, пропилен), а также ацетилена и бутана была в пределах 60—90%. В то же время дожиг метана и этана происходил в незначительной степени (21 и 19%, соответственно). Таким образом, содержание метана в CnHm в ОГ после катализатора (10— 15%) было выше, чем до него (3—5%). Для двигателей, работающих на природном газе, необходимо использовать эффективные катализаторы окисления метана.
Возможности нейтрализаторов показаны при испытаниях двигателей легковых автомобилей ГАЗ. Двигатели ЗМЗ 4021.10 с искровым зажиганием и двигатель ЗМЗ 4022.10 с форкамерно-факельным зажиганием испытывались по европейскому циклу на беговых барабанах при пробеге 21 тыс. км на бензине А-76.
Двигатель с форкамерно-факельным зажиганием снижает выбросы всех вредных веществ по сравнению с двигателем с искровым зажиганием. Особено эффективной оказалась установка нейтрализатора. Двигатель с форкамерно-факельным зажиганием и с нейтрализатором снижает выбросы оксида углерода в 10 раз, углеводородов — в 6,5 раз, оксида азота — в 3 раза, а содержание бензпирена в ОГ уменьшается в 32 раза по сравнению с двигателем с искровым зажиганием, т. е. массовым двигателем, устанавливаемым на городских такси.
Широкие испытания 91 легкового автомобиля и 45 автобусов проведены в Германии. Регулируемые каталитические нейтрализаторы показали высокую эффективность при эксплуатации автомобилей свыше 150000 км. Окислы азота в ОГ после пробега 100000 км снижались со степенью конвертирования около 80%.
Можно полагать, что в ближайшие годы применение экологически чистых модифицированных бензинов в автомобилях с эффективными каталитическими нейтрализаторами позволит обеспечить минимальное количество токсичных веществ в ОГ.