GPF nelle auto a benzina: il fratello silenzioso del DPF del diesel

Il GPF è un sistema di filtrazione che cattura il fumo fine e le particelle emesse dallo scarico dei motori a benzina impedendone la fuoriuscita; è la versione adattata al motore a benzina del filtro antiparticolato diesel (DPF) e, con la normativa Euro 6d, è diventato di fatto un equipaggiamento standard sui veicoli benzina a iniezione diretta. Pur non essendo così conosciuto come il DPF del mondo diesel, oggi lavora silenziosamente nella maggior parte dei veicoli benzina turbo venduti.

Perché il GPF è diventato necessario: il problema delle particelle dell'iniezione diretta

I motori a benzina sono passati, dopo decenni di architetture a iniezione che nebulizzavano il carburante nei collettori di aspirazione, all'iniezione diretta (GDI), che invia il carburante pressurizzato direttamente all'interno del cilindro. La ragione è semplice: risparmio di carburante e vantaggi in termini di CO₂. Ma ogni scelta ingegneristica ha un prezzo. Il tempo a disposizione del carburante per mescolarsi prima della combustione si riduce, si formano zone localmente ricche e questo produce un numero elevato di particelle fini, cioè fuliggine di classe PM2.5. Un risultato ironico ma misurabile: i nuovi motori a benzina a iniezione diretta erano arrivati a competere con i diesel moderni per quanto riguarda le emissioni di particelle.

I regolatori non hanno lasciato passare la questione senza misurarla. In Europa la famiglia Euro 6, in Cina la China 6 hanno introdotto per la prima volta un limite al numero di particelle per lo scarico benzina. Il limite definito con Euro 6c, in condizioni di certificazione, è di per chilometro 6×10¹¹ particelle; mentre il limite di massa è 0,0045 g/km. Non era possibile rispettare questo limite numerico con un convertitore catalitico, perché il convertitore lavora sui gas, non sulle particelle solide. La soluzione è stata trasferire la tecnologia di filtrazione a flusso attraverso parete, già collaudata nel mondo diesel, allo scarico benzina. Così nacque il GPF.

Come funziona il GPF: la tecnologia a flusso attraverso parete ereditata dal DPF

All'interno del GPF c'è una struttura a nido d'ape in ceramica con le estremità tappate alternativamente. Mentre il gas attraversa le pareti, le particelle restano all'interno; questo processo si chiama filtrazione a flusso attraverso parete. Le particelle aderiscono alla parete con tre meccanismi: le particelle più grandi collidono contro la parete nella direzione del flusso (impatto), quelle di medie dimensioni strisciano sulla superficie della parete (intercettazione) e le più piccole vengono catturate diffondendosi verso la parete tramite moto molecolare. I tre meccanismi lavorano insieme e sono identici a quelli del DPF.

La differenza inizia da materiale e microstruttura. Il GPF è prodotto interamente in cordierite ceramica e la struttura delle pareti è nettamente più porosa rispetto al DPF. Questo ha due conseguenze: i gas passano più facilmente, quindi la contropressione è più bassa, e il filtro è più leggero. Poiché lo scarico benzina trasporta già molte meno particelle carboniose rispetto allo scarico diesel, questa porosità è possibile senza compromettere l'efficienza di filtrazione. I filtri sono inoltre progettati con una resistenza allo shock termico tale da sopportare temperature superiori a 1100 °C e permettere un rapido riscaldamento con il freddo. L'intervallo di particelle mirato è PM2.5 e inferiore; cioè proprio quella frazione fine respirabile predominante nello scarico benzina.

Differenze tra GPF e DPF: tabella comparativa

Questa è la domanda che gli automobilisti si pongono più spesso: "È un grattacapo come il DPF?" Bisogna rispondere non con rassicurazioni generiche, ma con le differenze misurabili tra i due sistemi. Il motore diesel, per principio di funzionamento, produce molto più fumo del motore benzina; per questo il DPF deve gestire cicli di rigenerazione più frequenti e più aggressivi. Nel GPF il carico è basso, quindi anche la necessità di intervento è bassa.

L'ampio intervallo nella riga dell'efficienza non è un caso. Il GPF diventa più efficiente man mano che, con l'aumentare dei chilometri, si accumula un leggero strato di cenere sulle pareti; il valore superiore al 95% indicato per il filtro nuovo e la fascia del 60-80% definita come media dell'intera vita utile sono il risultato di punti di misurazione diversi, non una contraddizione.

Rigenerazione: come si pulisce il GPF?

La combustione della fuliggine accumulata nel filtro, ossia la rigenerazione, nel GPF avviene principalmente per via passiva. Durante il taglio dell'alimentazione del carburante in decelerazione (deceleration fuel cut-off), ad esempio quando si rilascia l'acceleratore, l'ossigeno entra nello scarico; quando la temperatura supera circa 600 °C la fuliggine si ossida e brucia spontaneamente. I cicli di rigenerazione attiva regolare come nel diesel sono rari nel benzina, poiché arricchire deliberatamente la miscela per forzare la temperatura rischia di aumentare le emissioni di NOx.

Tuttavia la ECU non resta passiva. I sensori di pressione monitorano il differenziale di pressione sul filtro; in condizioni di bassa velocità viene applicato un leggero ritardo dell'accensione (spark retard) in modo che la temperatura dello scarico aumenti di circa 50 °C aumentabile. Quindi non è un pulsante di avvertenza che attiva la rigenerazione, ma la gestione stessa del motore. Il problema nasce da un utilizzo che non dà mai modo al meccanismo di funzionare: un profilo composto da viaggi brevi di dieci-quindici minuti in cui il motore non raggiunge mai la temperatura di esercizio fa accumulare più velocemente di quanto la rigenerazione possa eliminare. Anche a bassa velocità, con il motore caldo e con una regola di percorrenza di media distanza dove si può viaggiare ad almeno 80 km/h circa, si creano le condizioni sufficienti affinché il filtro si protegga da solo.

Ostruzione, sintomi di guasto e diagnosi

Che il GPF si ostruisca meno del DPF non significa che non si ostruirà mai. Le auto oxidative percorrono meno chilometri e i motori a benzina producono meno fuliggine; questi due motivi fanno del GPF un componente in pratica poco problematico. Esistono però scenari in cui l'accumulo prevale sulla rigenerazione: veicoli utilizzati solo per brevi distanze, il profilo urbano stop-and-go che non permette al motore di scaldarsi correttamente e dati errati di origine sensoristica come un sensore di pressione degli scarichi difettoso.

I sintomi sono simili a quelli del DPF:

• Spia di avvertenza del filtro antiparticolato o del sistema di emissione sul cruscotto.
• Una netta riduzione delle prestazioni legata all'elevata contropressione.
• Nei casi avanzati, l'attivazione della protezione del motore da parte della ECU, ovvero la modalità limp.
• Codici relativi al circuito di pressione differenziale nello strumento diagnostico, ad esempio P2452.

In caso di una vera ostruzione, la soluzione più efficace è smontare il filtro e pulirlo con metodi professionali; rimuovere il GPF invece è una strada che confligge sia con la normativa sulle emissioni sia con la validità dell'ispezione tecnica, e sebbene sia discussa nel mondo del tuning, non è un'opzione legale.

Olio, carburante e ispezione in un veicolo con GPF: cosa deve sapere l'autista

Perché la scelta dell'olio deve essere a bassa cenere (low SAPS)

Una parte dell'olio motore penetra nella camera di combustione e, come prodotto della combustione, la cenere si accumula sulle pareti del filtro. Questa cenere non può essere bruciata con la rigenerazione; occupa permanentemente spazio nel filtro. Per questo nei veicoli con GPF sono indispensabili oli con basso contenuto di ceneri solfatate, cioè con formula a basso contenuto SAPS. Gli oli a basso contenuto SAPS erano da tempo associati ai diesel con DPF; il GPF ha trasferito questo requisito ai motori a benzina. L'attuale specifica per oli ILSAC GF-7 ha abbassato il limite massimo di ceneri solfatate in massa a 0,9% migliorando la compatibilità con il GPF. Il risultato pratico è semplice: non uscire dall'olio omologato a basso contenuto di cenere definito dal produttore è l'assicurazione più economica per la lunga durata del filtro.

Impatto sul consumo di carburante e sulle prestazioni

Come ogni componente aggiuntivo dello scarico, anche il GPF crea una certa contropressione; ciò può ridurre leggermente l'efficienza del motore e aumentare i consumi. Con il tempo l'accumulo di fuliggine e cenere aumenta la contropressione; e ogni ciclo di rigenerazione aumenta temporaneamente i consumi. Nell'uso urbano la rigenerazione si attiva più frequentemente, il che significa che questo effetto sarà un po' più marcato nel traffico intenso. Non è una penalità fatale, ma è una voce di costo da conoscere.

Il GPF viene testato nell'ispezione dello scarico?

Per la GPF non esiste una voce di ispezione separata; durante l'ispezione le emissioni di scarico vengono misurate secondo i limiti generali. Tuttavia, un veicolo con filtro difettoso, rimosso o gravemente intasato potrebbe non superare l'ispezione, poiché influirebbe sui valori delle emissioni e sul test CO. Lasciare il filtro nel sistema e mantenerlo in salute è quindi non solo una necessità ambientale, ma anche amministrativa.

Dopo Euro 6d: dove sta andando il GPF nel mondo?

Euro 6d e il relativo test RDE (emissioni nella guida reale) hanno reso possibile misurare i limiti del numero di particelle ora fuori dal laboratorio, su strada. La risposta dei costruttori a questo esame di certificazione è stata il GPF; entro il 2018 la maggior parte dei motori a benzina e tutti i motori ad iniezione diretta erano equipaggiati con questo filtro per la conformità agli standard Euro 6. Dall parte del Nord America il quadro procede diversamente: non esiste un limite federale per il numero di particelle, ma lo standard PM basato sulla massa rende il GPF inevitabile e i filtri si stanno già diffondendo nel mercato nordamericano; si ritiene che anche le regolamentazioni amministrative siano in arrivo.

In definitiva, il GPF non è un componente rimasto all'ombra del DPF che svolge lo stesso lavoro; è una versione alleggerita secondo le condizioni specifiche dello scarico a benzina, e quindi molto meno problematica nell'uso quotidiano. Olio corretto, motore regolarmente scaldato e ogni tanto un lungo viaggio; come ingegneria, sono queste e basta le tre cose che il sistema chiede.

Fonti

• Che cos'è un filtro antiparticolato a benzina (GPF)?
• Filtri antiparticolato a benzina - DieselNet
• Rigenerazione del GPF - Diagnostica, test e riparazione con fiducia
• Impatto dei filtri antiparticolato a benzina sul consumo di carburante
• Filtro antiparticolato a benzina (GPF) - Sintesi tecnica AECC
• Filtro antiparticolato a benzina - una panoramica
• Filtro antiparticolato diesel vs filtro antiparticolato a benzina
• L'olio motore giusto per i veicoli dotati di GPF
• Filtri antiparticolato a benzina
• Emissioni di particelle di un veicolo a benzina Euro 6d-Temp
• Filtri antiparticolato a benzina
• Rispondere a tre domande sui filtri antiparticolato a benzina
• Filtro GPF - come funziona, problemi comuni, manutenzione
• Filtro GPF: cos'è e come mantenerlo
• Tutto quello che devi sapere sul GPF