גזי פליטה הם תוצאה של תהליכים כימיים המתרחשים בתוך המנוע. הבנת התהליכים תורמת להבנה של פעולת המנוע ושל אפשרויות השיפור שלו. נתחיל מהיסודות.
הגדרות:
יסוד: חומר שאי אפשר לפרקו לחומרים אחרים בדרכים כימיות.
תרכובת: חומר המורכב משני יסודות או יותר. באמצעים כימיים ניתן לפרקו ליסודות המרכיבים אותו. לתרכובת יכולות להיות תכונות שונות לגמרי מאלה של היסודות המרכיבים אותה. לדוגמה, מלח שולחן הוא תרכובת של נתרן וכלור, שניהם חומרים רעילים.
אטום: החלקיק הקטן ביותר של היסוד. במרכז האטום (הגרעין) יש פרוטון אחד או יותר. מספר הפרוטונים קובע את מהות היסוד. לפרוטון מטען חשמלי חיובי. כמעט לכל היסודות יש באטומים שלהם גם נויטרונים. הנויטרון הוא חלקיק שהמסה שלו שווה לזו של פרוטון, אבל אין לו מטען חשמלי. מסביב לגרעין מתרוצצות שכבות של אלקטרונים. האלקטרון הוא חלקיק קטן הרבה יותר מהפרוטון ונושא איתו מטען חשמלי שלילי.
מולקולה: התחברות של מספר אטומים.
חמצון: התרכבות של חומר עם חמצן.
בעירה: חמצון מהיר של חומר דליק תוך כדי פליטת חום רב.
נקודת ההתלקחות: הטמפרטורה שבה החומר הדָליק ניצת. לכל חומר נקודת התלקחות שונה. אין צורך בניצוץ כדי לייצר התלקחות.

הכימיה של הבעירה

מנוע הבעירה הפנימית משתמש באוויר מהאטמוספרה ובבנזין. הדלק מורכב מפחמן מימני, ובתהליך השריפה משחרר את האנרגיה האצורה בו. מסך כל האנרגיה אשר משתחררת בתהליך, רק כ-20% משמשים להנעת הרכב. 80 האחוזים הנותרים הולכים לאיבוד בגלל חיכוך, קירור, מקדם גרר או הנעת אביזרים.
המנועים המודרניים יעילים הרבה יותר מהמנועים משנות ה-60 וה-70, שנים שבהן מהנדסי הרכב החלו להידרש לנושא של בקרות הפליטה של המזהמים. באופן כללי, ככל שהמנוע יעיל יותר הוא פולט פחות מזהמים. אף על פי כן, עם ההתייעלות של כלי הרכב המודרניים, תקנות זיהום האוויר ממשיכות להחמיר. הטכנולוגיה שנדרשה כדי לעמוד בתקנים המחמירים הובילה למערכות בקרה בחוג סגור שכה נפוצות כיום. יחד עם יתרונות הטכנולוגיה עלו הדרישות בתחזוקה, באבחון ובתיקון.

תהליך הבעירה

כדי להבין איך לאבחן ולתקן תקלות במערכת, תחילה יש להבין איך המערכת פועלת. במקרה שלנו - איך עובדת הכימיה של תהליך הבעירה המתרחש במנוע.
הדלק הנשרף במנוע מכיל כימיקלים רבים, אולם הוא מורכב בעיקר מפחמן מימני שמכונה גם HC. פחמן מימני הוא כימיקל המורכב מאטומים של מימן ומאטומים של פחמן המחוברים יחד. ישנם סוגים רבים של פחמן מימני בדלק, הנבדלים זה מזה במספר האטומים ובצורת החיבור שלהם.
בתוך המנוע, הפחמן המימני שבדלק לא יבער אם לא יבוא במגע עם אוויר. זאת הנקודה שבה מתחילה הכימיה של תהליך הבעירה. אוויר מורכב מ-21% חמצן בערך, כ-78% חנקן ומכמויות קטנות של גזים אחרים.

המימן הפחמני שנמצא בדלק מגיב רק במגע עם החמצן שנמצא באטמוספרה במהלך תהליך הבעירה. בתהליך זה נוצרים אדי מים ופחמן דו-חמצני, שיוצרים את התהליך הרצוי של חום ולחץ בחלל הצילינדר. לרוע המזל, בתנאים מסוימים שבהם עובד המנוע, החנקן מגיע יחד עם החמצן ויוצר תחמוצות חנקן שונות - מזהם אוויר קטלני.
ליחס בין מספר פרודות הדלק ובין מספר פרודות האוויר יש תפקיד חשוב בקביעת יעילות הבעירה. יחס אידיאלי של אוויר ודלק מבחינת זיהום אוויר, תצרוכת דלק וביצועי 
מנוע טובים, הוא בסביבות 1:14.7. יחס זה מכונה יחס סטויכיומטרי, והוא היחס שאליו שואפת להגיע מערכת הבקרה של המנוע. כאשר יחס התערובת עשיר, תצרוכת הדלק תיפגע ורמת הזיהום תגדל. כאשר יחס התערובת עני, ייפגעו הביצועים ורמת הזיהום תגדל.

בעירה בתנאים אידיאליים

כאשר המנוע תקין ותנאי התערובת מושלמים יתרחשו התהליכים הבאים:
* המימן הפחמני יגיב עם החמצן ויחד הם יהפכו לאדי מים ולפחמן דו-חמצני.
* חנקן יעבור דרך המנוע בלי להיות מעורב בתהליך ולא יעבור שינוי.
למעשה, רק מרכיבים שאינם מזיקים יחזרו אל האטמוספרה. למרות שהמנועים המודרניים יעילים הרבה יותר מהמנועים הקודמים, הם עדיין מייצרים מספר גזים מזיקים.

מחזור הבעירה במנוע ארבע פעימות

במהלך פעימת היניקה, הפרש הלחצים גורם לאוויר ולדלק לנוע אל הצילינדר. מערכת הזרקת הדלק מחשבת ומזריקה את הכמות המדויקת של דלק כדי להגיע ליחס הרצוי. כאשר הבוכנה עולה בפעימת הדחיסה, מתחוללת בתוך הצילינדר עליית לחץ מהירה הגורמת לתערובת להתחמם. סיווג האוקטן של הדלק ימנע התלקחות ספונטנית שתגרום לצלצולים. תערובת חמה זו מוכנה כעת לפיצוץ לקראת ההגעה לנקודה המתה העליונה.
מעט לפני ההגעה לנקודה המתה העליונה מדליק המצת את התערובת בתא השריפה ויוצר חזית להבה שמתחילה להתפשט דרך התערובת. במהלך השריפה, החמצן והמימן הפחמני מגיבים זה לזה ויוצרים חום ולחץ נוספים. באופן אידיאלי, שיא הלחץ נוצר כאשר הבוכנה נמצאת 12-8 מעלות אחרי הנקודה המתה העליונה, כדי לייצר את מרב הלחץ על הבוכנה ומשם להעבירו לגל הארכובה. אם התערובת ותזמון ההצתה מדויקים, תוצרי הבעירה יכילו בעיקר אדי מים ודו-תחמוצת הפחמן.
אחרי שהתערובת נשרפה והבוכנה הגיעה לנקודה המתה התחתונה, מתחילה פעימת הפליטה ושסתום הפליטה נפתח תוך כדי שהבוכנה עולה. אדי המים, דו-תחמוצת הפחמן, חנקן וכמות מסוימת של מזהמים נפלטים דרך מערכת הפליטה.

גזי פליטה רעילים

כפי שהוזכר לעיל, אפילו המנועים המודרניים ביותר ובעלי הטכנולוגיה המתקדמת ביותר לא מושלמים. הם עדיין מייצרים כמות מסוימת של גזי פליטה מזיקים. מספר מצבים מונעים בעירה מושלמת וגורמים להתרחשותן של תגובות כימיות בלתי רצויות. להלן דוגמאות לפליטות מזיקות ולצדן הסבר לגורמים להן.
פליטת מימן פחמני HC: מימן פחמני הוא בפשטות דלק שלא נשרף. כאשר אין בעירה כלל, למשל במקרה של החטאת בעירה, כמויות גדולות של מימן פחמני נפלטות מהמנוע. כמות קטנה של מימן פחמני נוצרת במנוע הבנזין בגלל מבנהו. תהליך נורמלי המכונה "כיבוי בקיר" (WALL QUENCHING) מתרחש כאשר חזית הלהבה החמה מגיעה אל קירות הצילינדר הקרים יחסית. תהליך הקירור הזה מכבה את הבעירה לפני שכל הדלק מספיק להישרף, ומותיר כמות קטנה של מימן פחמני הנפלט מהמנוע.
גורם נוסף לפליטת המימן הפחמני מיוחס למשקעי דלק ו-HC בתא השריפה. בגלל שמשקעים אלו נקבוביים, מימן פחמני נכנס לתוכם במהלך הדחיסה. דלק זה אינו נשרף טוב במהלך הבעירה ומשתחרר בפליטה כאשר הוא לא שרוף לחלוטין.
הסיבה השכיחה ביותר לעלייה בפליטת המימן הפחמני היא החטאת בעירה, המתרחשת עקב בעיית הצתה, אספקת דלק או יניקת אוויר. בהתאם לחומרה של החטאת הבעירה, רמת הפליטה תעלה. לדוגמה, החטאת בעירה כתוצאה מפלג מקוּצר תגרום לעלייה דרמטית בפליטת המימן הפחמני. מצד שני, החטאת בעירה כתוצאה מתערובת ענייה תגרום לעלייה קטנה ביותר ברמת הפליטה.
כמות מוגדלת של מימן פחמני יכולה להיות מושפעת גם מטמפרטורה של התערובת הנכנסת לתא השריפה. טמפרטורות נמוכות באופן מוגזם יגרמו לאמולסיה לא הומוגנית, ומכאן לבעירה חלקית.
פליטת פחמן חד-חמצני: פחמן חד-חמצני (CO) הוא תוצר של בעירה לא מושלמת, והוא בעקרון דלק שרוף למחצה. אם התערובת של האוויר/דלק חסרה חמצן במהלך הבעירה, היא לא תישרף לחלוטין. כאשר הבעירה מתרחשת בחוסר חמצן, אין מספיק חמצן כדי להפוך את כל אטומי הפחמן לדו-תחמוצת הפחמן. כאשר אטומי הפחמן מתלכדים רק עם אטום חמצן אחד, הם הופכים ל-CO.
בעירה בחוסר חמצן מתרחשת כאשר יחס התערובת עשיר. ישנם מספר מצבי עבודה במנוע אשר בהם היחס הוא כזה במכוון. לדוגמה, בזמן התנעה וחימום, בעת פעולה באקלים קר ובעת העשרת כוח, למשל בתאוצה. לכן טבעי הוא שבתנאים כאלה תהיה פליטת פחמן חד-חמצני מוגברת. סיבות נוספות לפליטה מוגברת של פחמן חד-חמצני הן מזרקים דולפים, לחץ דלק גבוה, חוג סגור לא תקין, טעינת יתר וכדומה.
כאשר המנוע נמצא בטמפרטורת עבודה ובסל"ד סרק או שיוט, מעט מאוד CO מיוצר, אם בכלל, מאחר שיש מספיק חמצן בבעירה שיתרכב עם אטומי הפחמן. דבק זה יוצר רמות גבוהות של פליטת דו-תחמוצת הפחמן, שהיא תוצר משני של בעירה יעילה.
פליטת תחמוצות חנקן: לחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה במהלך הבעירה עלולים לגרום לתגובה כימית שתיצור התחמצנות של אטומי החנקן. למרות שיש מספר צורות של פליטת מזהמים על בסיס תחמוצות חנקן NO(x), תחמוצות חנקן מסוג NO הן הרוב, כ-98% מכל פליטת ה-NO(x) המיוצר במנוע.
באופן כללי, הכמות הגדולה ביותר של תחמוצות חנקן מיוצרת בתנאים של עומס בינוני עד גבוה, כאשר לחצי הבעירה וטמפרטורת הבעירה נמצאים בשיאם. עם זאת, כמות קטנה של תחמוצות חנקן עלולה להיות מיוצרת גם בשיוט ובעומס נמוך. סיבות נפוצות לעודף תחמוצות חנקן הן תקלה בפעולת ה-EGR, תערובת לא תקינה, טמפרטורה גבוהה של אוויר יניקה, מנוע חם מדי, קידום הצתה מוגזם וכדומה.

השפעות של תערובת אוויר דלק על גזי פליטה

כפי שניתן לראות בגרף CO+HC+NO(x), רמות ה-HC וה-CO נמוכות ביחס תערובת אידיאלי או ביחס קרוב לזה. הדבר מחזק את הצורך לשמור על יחס תערובת מדויק. מצד שני, פליטת ה-NO(x) גבוהה מאוד בתערובת מעט ענייה יותר. היחס ההפוך הזה בעייתי כאשר מנסים לשלוט בכמות המזהמים הנפלטת מהרכב. יחס מורכב זה הוא דוגמה מצוינת לבעייתיות של צמצום פליטת המזהמים ממנועי בנזין.

ניתוח של פליטת המזהמים

בנוסף על גזי הפליטה הרעילים - CO, HC ו-NO(x) - ישנם שני גזים שאינם רעילים. באמצעות ניתוחם במכשיר ארבעה גזים או במכשיר חמישה גזים ניתן לקבל תמונה מדויקת ושלמה יותר של הבעירה במנוע הרכב. הגזים האלה הם דו-תחמוצת הפחמן וחמצן.
דו-תחמוצת הפחמן: פחמן דו-חמצני, ובשמו המדעי CO₂, הוא תוצר לוואי רצוי של תהליך הבעירה התקין. הוא נוצר כאשר פחמן מהדלק מתחמצן במלואו בזמן השריפה. ככלל, ככל שרמת ה-CO₂ גבוהה יותר, הבעירה יעילה יותר. מכאן, שיחס אוויר/דלק לקוי, MISFIRE, או בעיה מכנית במנוע, יגרמו לירידה ברמת ה-CO₂.
הערה: בבעירה אידיאלית נוצרות כמויות גדולות של CO₂ ושל H₂O (אדי מים).
חמצן: הימצאות חמצן בבעירה היא אינדיקציה טובה לבעירה בתערובת ענייה, מכיוון שכמות החמצן עולה בזמן בעירה בתערובת ענייה. באופן כללי, חמצן (O₂) הוא ההפך מפחמן חד-חמצני. הווה אומר, חמצן מעיד על תערובת ענייה בעוד שפחמן חד-חמצני מעיד על תערובת עשירה. תערובת ענייה של אוויר/דלק ובעיות של החטאת בעירה (MISFIRE) גורמות בדרך כלל לערך גבוה של חמצן בפליטה מהמנוע.

גזים אחרים הנפלטים מהמנוע

ישנם מספר גזים נוספים הנפלטים מהמנוע, המשפיעים על הבעירה ואינם נמדדים במכשירי בדיקה של מוסכים: אדי מים H₂O, דו תחמוצת הגופרית SO₂, מימן HO וחלקיקי פחמן C.
דו-תחמוצת הגופרית (SO₂) נוצרת לעתים במהלך הבעירה ונובעת מכמות הגופרית הקטנה שמצויה בדלק. בתהליך ההמרה הקטליטית, לאחר בעירה בתנאים מסוימים, נוצרת התחמצנות נוספת שיוצרת SO₃ - גז אשר יוצר תגובה כימית עם המים ומתרכב איתם. התרכובת מכונה H₂SO₄ או חומצה גופרתית. לבסוף, כאשר נוצרת תגובה בין הגופרית למימן, נוצר גז מימן-גופרתי. תהליך זה מייצר ריח חריף של ביצה סרוחה. חלקיקי פחמן C מופיעים בתור עשן שחור, בדרך כלל במנועים שנוסעים בתערובת עשירה.