Principio de funcionamiento del GPF: filtración y regeneración
El principio básico de funcionamiento del filtro de partículas de gasolina (GPF) es muy similar al del filtro de partículas diésel (DPF), y ambos implican un proceso de filtración física y regeneración.
1. Mecanismo de filtración
El GPF adopta un sustrato cerámico en forma de panal con canales tapados alternativamente, lo que obliga a que los gases de escape fluyan a través de las paredes porosas. Las partículas se capturan dentro o sobre la superficie de estas paredes mediante mecanismos como difusión, interceptación e impactación inercial. La eficiencia de filtración es extremadamente alta y la eficiencia de filtración del número de partículas supera el 90%.
2. Mecanismo de regeneración
La regeneración también es esencial para el funcionamiento continuo del GPF. Afortunadamente, las condiciones de funcionamiento de los motores de gasolina favorecen naturalmente la regeneración del GPF.
Ventaja principal: alta temperatura y entorno químico
Los motores de gasolina suelen funcionar cerca del catalizador de tres vías, donde las temperaturas de escape son más altas y la carga del motor fluctúa significativamente, lo que facilita alcanzar las temperaturas de regeneración. Lo más importante es que los motores de gasolina funcionan cerca de la relación estequiométrica aire–combustible, lo que significa que en el escape coexisten tanto gases reductores (CO, HC, H₂) como gases oxidantes (O₂, NOx).
Tipos y esquemas de integración de catalizadores GPF
Los catalizadores GPF no son materiales completamente nuevos, pero están estrechamente integrados con los convertidores catalíticos de tres vías existentes. Hay tres esquemas principales de integración:
1. GPF recubierto
Esta es actualmente la solución más convencional y clásica.
Estructura: Dentro de las paredes porosas del sustrato GPF, se aplica un recubrimiento de catalizador de tres vías (TWC). La composición del recubrimiento es idéntica a la de un TWC convencional: platino (Pt), rodio (Rh) y paladio (Pd) sirven como componentes activos, mientras que alúmina (Al₂O₃), ceria (CeO₂) y zirconia (ZrO₂) se utilizan como materiales de capa de lavado.
Principio de funcionamiento:
（1）Purificación de gas: Funciona como un catalizador en miniatura “de cuatro vías” y continúa purificando CO, HC y NOx a medida que el escape pasa a través de la pared.
（2）Promoción de la regeneración:
Regeneración activa: cuando se necesita regeneración, la ECU del motor enriquece brevemente la mezcla aire–combustible, produciendo gases de escape ricos en CO y HC. Estos gases se oxidan en la superficie del catalizador GPF, liberando un calor significativo que eleva rápidamente la temperatura interna del GPF por encima de 600°C para quemar el hollín acumulado.
Regeneración pasiva: En condiciones de funcionamiento estequiométrico normal, el NO₂ y el O₂ en el escape también pueden oxidar continuamente parte del hollín atrapado con la ayuda del catalizador.
2. GPF sin recubrimiento
Estructura: El sustrato GPF no lleva revestimiento catalítico y sirve únicamente como filtro de partículas.
Configuración: Este tipo de GPF normalmente se instala como un componente separado aguas abajo del catalizador de tres vías convencional.
Principio de funcionamiento: Gaseous pollutants are treated by the upstream TWC, while the GPF focuses solely on trapping particulate matter. Regeneration depends on the high exhaust temperature generated by the TWC or on active engine control strategies to raise the exhaust temperature.
Aplicación: Ofrece un costo menor pero tiene un rendimiento de regeneración y una eficiencia de purificación de gases relativamente inferiores en comparación con los diseños recubiertos.
3. Convertidor catalítico de cuatro vías
Se trata de un concepto altamente integrado que combina las funciones de un TWC y un GPF en una sola unidad.
Estructura: El sustrato GPF se coloca en una posición de acoplamiento cercano y se recubre con una alta carga de material catalizador de tres vías.
Objetivo: Lograr la purificación simultánea de CO, HC, NOx y partículas dentro de un solo componente.
Desafío: Esta configuración impone requisitos muy altos sobre la estabilidad térmica del catalizador y el rendimiento de apagado, lo que resulta en una mayor complejidad técnica y un mayor costo.
Reacciones químicas clave de los catalizadores GPF
Para los sistemas GPF recubiertos, las reacciones químicas se pueden dividir en dos categorías principales:
1. Reacciones catalíticas estándar de tres vías (en condiciones estequiométricas):
2CO O₂ → 2CO₂
HC O₂ → CO₂ H₂O
2NOx → N₂ xO₂
2. Reacciones que promueven la regeneración:
Oxidación del hollín:
CO₂ → CO₂ (Oxidación directa)
C 2NO₂ → CO₂ 2NO (Oxidación vía NO₂ — la vía principal para la regeneración pasiva)
Reacciones exotérmicas (para regeneración activa):
2CO O₂ → 2CO₂ (Exothermic)
HC O₂ → CO₂ H₂O (Exothermic)
El calor liberado por estas reacciones aumenta directamente la temperatura del sustrato GPF, permitiendo la combustión y regeneración del hollín.
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