Principio de funcionamiento del GPF: filtración y regeneración
El principio de funcionamiento del filtro de partículas de gasolina (GPF) es similar al del filtro de partículas diésel (DPF) e implica procesos de filtración física y regeneración.
- Mecanismo de filtración
El GPF utiliza un sustrato cerámico tipo panal con canales alternadamente sellados, lo que obliga a los gases de escape a atravesar las paredes porosas. Las partículas quedan retenidas dentro o sobre la superficie de estas paredes mediante mecanismos como difusión, interceptación e impactación inercial.
La eficiencia de filtración es elevada, con una eficiencia de filtración del número de partículas superior al 90%.
- Mecanismo de regeneración
La regeneración es esencial para el funcionamiento continuo del GPF. Las condiciones de operación de los motores de gasolina favorecen naturalmente este proceso.
Los motores de gasolina suelen operar cerca del catalizador de tres vías, donde las temperaturas de escape son relativamente altas y la carga del motor fluctúa con frecuencia, lo que facilita alcanzar la temperatura de regeneración. Además, el funcionamiento cercano a la relación estequiométrica aire-combustible permite la coexistencia de gases reductores (CO, HC, H₂) y oxidantes (O₂, NOx) en el escape.
Tipos y esquemas de integración de catalizadores GPF
Los catalizadores GPF están estrechamente integrados con los convertidores catalíticos de tres vías (TWC). Existen tres configuraciones principales:
- GPF con washcoat catalítico
Es la solución más utilizada.
Estructura: en las paredes porosas del sustrato GPF se aplica un washcoat catalítico de tres vías (TWC). Este washcoat contiene platino (Pt), paladio (Pd) y rodio (Rh) como componentes activos, junto con materiales de soporte como alúmina (Al₂O₃), ceria (CeO₂) y zirconia (ZrO₂).
Principio de funcionamiento:
- Purificación de gases: actúa como un sistema catalítico integrado que reduce CO, HC y NOx cuando los gases atraviesan las paredes del sustrato.
- Promoción de la regeneración:
Regeneración activa: cuando se requiere regeneración, la unidad de control del motor (ECU) enriquece temporalmente la mezcla aire-combustible, generando gases de escape ricos en CO y HC. Estos se oxidan sobre la superficie catalítica, liberando calor que eleva la temperatura del GPF por encima de 600 ℃ y permite la combustión del hollín acumulado.
Regeneración pasiva: en condiciones estequiométricas normales, el O₂ y el NO₂ presentes en el escape pueden oxidar continuamente parte del hollín atrapado con ayuda del catalizador.
- GPF sin washcoat
Estructura: el sustrato GPF no incorpora material catalítico y funciona únicamente como filtro de partículas.
Configuración: normalmente se instala como componente independiente aguas abajo del catalizador TWC.
Principio de funcionamiento: los contaminantes gaseosos son tratados por el TWC aguas arriba, mientras que el GPF se centra en la captura de partículas. La regeneración depende de la temperatura del escape o de estrategias activas de control del motor.
Aplicación: menor costo, pero con menor eficiencia de regeneración y purificación de gases en comparación con los sistemas con washcoat.
- Convertidor catalítico de cuatro vías
Concepto altamente integrado que combina las funciones de un TWC y un GPF en una sola unidad.
Estructura: el sustrato GPF se instala en posición cercana al motor y se recubre con una alta carga de catalizador de tres vías.
Objetivo: lograr la purificación simultánea de CO, HC, NOx y partículas.
Desafío: requiere alta estabilidad térmica del catalizador y rápida activación catalítica, lo que aumenta la complejidad técnica y el costo.
Reacciones químicas clave de los catalizadores GPF
Para los sistemas GPF con washcoat, las reacciones principales incluyen:
- Reacciones catalíticas de tres vías (condiciones estequiométricas)
2CO + O₂ → 2CO₂
CxHy + O₂ → CO₂ + H₂O
2NO → N₂ + O₂
- Reacciones que favorecen la regeneración
Oxidación del hollín:
C + O₂ → CO₂
C + 2NO₂ → CO₂ + 2NO
Reacciones exotérmicas (regeneración activa):
2CO + O₂ → 2CO₂
CxHy + O₂ → CO₂ + H₂O
El calor liberado en estas reacciones aumenta la temperatura del sustrato GPF, permitiendo la combustión y regeneración del hollín.
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