Diesel soot oxidation by nitrogen dioxide, oxygen and water under engine exhaust conditions: Kinetics data related to the reaction mechanism

Experimental studies on diesel soot oxidation under a wide range of conditions relevant for modern diesel engine exhaust and continuously regenerating particle trap were performed. Hence, reactivity tests were carried out in a fixed bed reactor for various temperatures and different concentrations of oxygen, NO2 and water (300–600 °C, 0–10% O2, 0–600 ppm NO2, 0–10% H2O). The soot oxidation rate was determined by measuring the concentration of CO and CO2 product gases. The parametric study shows that the overall oxidation process can be described by three parallel reactions: a direct C–NO2 reaction, a direct C–O2 reaction and a cooperative C–NO2–O2 reaction. C–NO2 and C–NO2–O2 are the main reactions for soot oxidation between 300 and 450 °C. Water vapour acts as a catalyst on the direct C–NO2 reaction. This catalytic effect decreases with the increase of temperature until 450 °C. Above 450 °C, the direct C–O2 reaction contributes to the global soot oxidation rate. Water vapour has also a catalytic effect on the direct C–O2 reaction between 450 °C and 600 °C. Above 600 °C, the direct C–O2 reaction is the only main reaction for soot oxidation. Taking into account the established reaction mechanism, a one-dimensional model of soot oxidation was proposed. The roles of NO2, O2 and H2O were considered and the kinetic constants were obtained. The suggested kinetic model may be useful for simulating the behaviour of a diesel particulate filter system during the regeneration process.

RésuméUne étude expérimentale sur l’oxydation des suies diesel a été menée dans des conditions opératoires proches du fonctionnement des échappements Diesel et de la régénération continue des filtres à particules. Les tests de réactivité ont été effectués dans un réacteur à lit fixe pour différentes températures et concentrations d’oxygène, de NO2 et de vapeur d’eau (300–600 °C, 0–10 % O2, 0–600 ppm NO2, 0–10 % H2O). La vitesse d’oxydation des suies a été déterminée à partir des concentrations des espèces CO et de CO2 formées. L’étude paramétrique montre que l’oxydation des suies par un mélange gazeux contenant NO2, O2 et H2O peut être décrite par trois réactions d’oxydation distinctes : une réaction directe C–NO2, une réaction directe C–O2 et une réaction coopérative C–NO2–O2. Les réactions C–NO2 et C–NO2–O2 sont les principales réactions d’oxydation des suies se déroulant entre 300 et 450 °C. La vapeur d’eau agit comme un catalyseur sur la réaction directe C–NO2. Cet effet catalytique diminue avec l’augmentation de la température jusqu’à 450 °C. Au-dessus de 450 °C, la réaction directe C–O2 contribue à la vitesse globale d’oxydation des suies. La vapeur d’eau exerce également un effet catalytique sur la réaction directe C–O2 pour des températures comprises entre 450 °C et 600 °C. À partir de 600°C, la réaction directe C–O2 est la seule réaction responsable de l’oxydation des suies. À partir du mécanisme réactionnel obtenu, un modèle monodimensionnel de l’oxydation des suies a été établi. Les rôles de NO2, O2 et H2O ont été pris en compte et les constantes cinétiques ont été obtenues. Le modèle cinétique établi peut être utile pour simuler le comportement d’un système de filtre à particules diesel pendant le processus de régénération.