Prese d'Aria nell'Automobile: Funzionamento e Importanza

Con l'arrivo della stagione calda, il sistema di climatizzazione dell'automobile si trasforma da accessorio a componente fondamentale per un'esperienza di guida gradevole e sicura. Spesso si pensa che il climatizzatore "produca" aria fredda. In realtà, il processo è reso possibile da un circuito sigillato all'interno del quale scorre un gas refrigerante, che cambia continuamente stato da liquido a gassoso e viceversa. Questa azione ne aumenta drasticamente la pressione e la temperatura, permettendo al sistema di trasferire efficacemente il calore.

È corretto affermare che il sistema di climatizzazione aumenta il consumo del veicolo. L’aria condizionata prende l’energia necessaria al suo funzionamento dal motore del veicolo, di conseguenza ha un impatto sulle prestazioni e sul consumo del mezzo. In linea generale, quando si utilizza l’aria condizionata, è possibile stimare un consumo aggiuntivo di circa il 10%. Più si consuma e più si alzano le spese di gestione dell’auto, in particolar modo del carburante. Per questo motivo, è di fondamentale importanza usufruirne con moderazione.

Il Cuore del Sistema: Il Ciclo del Refrigerante

Il sistema di climatizzazione è composto da diverse componenti collegate tra loro all’interno di un circuito chiuso in cui circola un refrigerante, che ha la capacità di trasferire in maniera efficiente il calore. Quando questo elemento rinfrescante entra nel compressore, ne aumenta sia la pressione che la temperatura fino a 80 °C. Il compressore è un elemento fondamentale per avere un impianto clima efficiente. La sua funzione è quella di comprimere il gas proveniente dall’evaporatore (a bassa temperatura e a bassa pressione) ed inviarlo al condensatore sempre allo stato gassoso ma ad alta pressione e alta temperatura.

A questo punto, il gas fluisce attraverso il condensatore, dove viene raffreddato e si condensa in liquido. Il refrigerante attraversa poi il filtro e arriva alla valvola di espansione, la cui funzione è quella di far passare il liquido attraverso l’evaporatore per trasformarlo nuovamente in gas e far ripartire il ciclo. Questo tipo di sistema viene considerato efficiente quando il suo refrigerante si trasforma al 100% in liquido quando esce dal condensatore e in gas quando va fuori dall’evaporatore. Se si presentano delle anomalie all’interno di questi processi, potrebbe ridursi drasticamente la destrezza dell’intero sistema nell’abbassare la temperatura interna dell’abitacolo.

È fondamentale che i liquidi non entrino nel compressore perché, non potendo essere compressi, possono seriamente danneggiarlo. Anche una scarsa lubrificazione del compressore, e più in generale di tutti i componenti del sistema di climatizzazione, può arrecare pesanti danni, tra cui il grippaggio del compressore. Il lubrificante dell’impianto di climatizzazione deve inoltre essere chimicamente stabile per mescolarsi con il liquido refrigerante senza il rischio di reazioni chimiche potenzialmente tossiche per gli occupanti della vettura o produzione di sostanze dannose per i componenti dell’impianto.

Comandi e Funzionalità del Climatizzatore

Per un uso ottimale del sistema di climatizzazione, è utile conoscere i principali comandi e le loro funzioni:

• Fiocco di neve (A/C): È il comando principale. La sua attivazione (spesso segnalata da una spia luminosa) innesta la frizione del compressore e avvia il ciclo di raffreddamento.
• Ricircolo dell'aria (auto con freccia circolare): Attivando questa funzione, il sistema smette di prelevare aria dall'esterno e fa ricircolare quella già presente nell'abitacolo. Questo è utile per raffreddare rapidamente l'abitacolo o per impedire l'ingresso di aria esterna inquinata.
• Flusso verso il parabrezza (parabrezza con frecce): Questo comando indirizza tutto il flusso d'aria verso il parabrezza ed è la funzione specifica per lo sbrinamento rapido durante l'inverno.

Consigli per un Utilizzo Efficiente del Climatizzatore

Un utilizzo consapevole del climatizzatore può contribuire a ridurre i consumi e a prolungare la vita dell'impianto:

• Utilizzo graduale: Appena si avvia il sistema, è preferibile impostare una velocità bassa della ventola e aumentarla gradualmente. Questo evita uno sforzo eccessivo e improvviso sul sistema.
• Impostare una temperatura moderata: Non è necessario impostare la temperatura al minimo. Mantenere una differenza di temperatura non eccessiva tra l'interno e l'esterno (circa 5-7°C) è più confortevole e meno dispendioso.
• Disattivazione anticipata: Si può spegnere il sistema di raffreddamento qualche minuto prima di arrivare a destinazione, lasciando attiva solo la ventola. L'aria fredda residua continuerà a circolare, risparmiando carburante.

Manutenzione Preventiva per un Impianto Efficiente

Una corretta manutenzione del climatizzatore della propria auto previene la maggior parte dei problemi e assicura che l'impianto funzioni al meglio delle sue capacità, con benefici anche per la qualità dell'aria e per i consumi di carburante.

• Utilizzo Periodico dell'Impianto: È buona norma accendere il climatizzatore per almeno 10-15 minuti ogni mese, anche durante la stagione invernale. Questo mantiene in circolo il lubrificante e previene l'essiccazione delle guarnizioni.
• Sostituzione del filtro abitacolo (o antipolline): Questo filtro è il polmone del sistema di ventilazione. Trattiene polvere, polline, smog e altre particelle prima che l'aria entri nell'abitacolo. Un filtro sporco e intasato riduce il flusso d'aria, affatica la ventola e può contribuire alla formazione di cattivi odori. La sua sostituzione regolare è fondamentale.
• Pulizia delle prese d'aria esterne: Mantenere pulita la griglia alla base del parabrezza, dove l'aria viene aspirata, è un gesto semplice ma utile per garantire un buon flusso d'aria all'impianto.
• Controllo e ricarica del gas refrigerante: Anche un impianto in perfetta salute può perdere fisiologicamente una piccola percentuale di gas ogni anno (circa il 5-10%). Si consiglia di far controllare la pressione del circuito ogni due anni. Il bisogno di effettuare una ricarica all’aria condizionata dell’auto può insorgere diversi anni dopo l’acquisto del veicolo. In linea generale, la frequenza con cui si rende necessario un refill dipende dalla condizione in cui volge il sistema di climatizzazione, più precisamente dallo stato delle tubature e dei raccordi. È bene tenere presente, infatti, che le vibrazioni generate dalla marcia su carreggiate dissestate possono allentare questi elementi, generando una potenziale perdita di gas refrigerante. Un sibilo potrebbe indicare un livello di gas molto basso.
• Igienizzazione del circuito e dell'evaporatore: Per eliminare i cattivi odori e garantire un'aria salubre, è opportuno eseguire un trattamento di igienizzazione professionale almeno una volta all'anno. È normale che l'evaporatore produca acqua di condensa.
• Controllo generale del sistema: Durante un tagliando o un controllo dedicato, è bene far ispezionare da un tecnico qualificato lo stato di salute generale dell'impianto. La diagnosi dei guasti al climatizzatore auto in officina specializzata avviene mediante strumenti specifici.

Un impianto di climatizzazione ben curato non è solo una questione di benessere a bordo. L’aria condizionata dell’auto ha il “potere” di rendere confortevole l’abitacolo di un veicolo, soprattutto quando arriva l’estate e le temperature esterne superano i 30°C.

Innovazioni nei Compressori: Compressori ad Alta Tensione

Quando si parla di impianto AC auto, il compressore è uno dei componenti a maggior rischio guasto. Un climatizzatore auto che non funziona in modo efficiente finisce per danneggiare il compressore, richiedendone la sostituzione con un ricambio nuovo o con un compressore rigenerato.

Nelle più recenti applicazioni automobilistiche, in particolare nei veicoli ibridi ed elettrici, viene utilizzata la tecnologia "scroll-based" alimentata da un motore elettrico brushless trifase funzionante con correnti ad alta tensione superiori a 200 V in grado di funzionare con coppia elevata. Questi compressori HVAC, ad alta tensione, si differenziano dai compressori tradizionali per una serie di motivi:

• Maggiore potenza e design compatto: Permettono al refrigerante di circolare più efficientemente nel circuito della pompa di calore.
• Alimentazione da motore elettrico: Sono in grado di funzionare con una coppia elevata.
• Tecnologia a coclea: Nella maggior parte delle applicazioni auto viene utilizzata la tecnologia a coclea, in cui la rotazione di alcune spirali va a comprimere il refrigerante.
• Minore numero di parti: Rispetto ai compressori tradizionali con trasmissione a cinghia, sono costituiti da un numero minore di parti, non essendovi la presenza di piastre oscillanti, valvole di regolazione e pistoni.
• Motore elettrico trifase: Generalmente un motore elettrico brushless costituito da un magnete del rotore e da uno statore a bobina. Il motore funziona con correnti ad alta tensione superiori a 200V.
• Modulo inverter di potenza integrato (PIM): Controlla il funzionamento del motore elettrico del compressore. Converte la corrente continua proveniente dalla batteria ad alta tensione del veicolo in corrente alternata per far funzionare il motore elettrico.
• Sicurezza: Molti modelli di compressore presentano due connettori sul gruppo. La presa più grande serve per il collegamento ad alta tensione alla batteria del veicolo. Per motivi di sicurezza, sia la presa che il cablaggio verso la batteria sono di colore arancione acceso, a indicare l’alta tensione.
• Controllo: L’unità di controllo invia i segnali di ingresso al modulo PIM, che li traduce e fa funzionare direttamente il compressore tramite segnali di tensione che controllano il livello di corrente elettrica comandato inviato al motore elettrico. Il livello della corrente elettrica determina la coppia di uscita del compressore.
• Maggiore efficienza: Rispetto a un compressore tradizionale è necessaria meno energia per il funzionamento. Il consumo energetico è ridotto, prolungando la durata della batteria del veicolo.
• Funzionamento indipendente: Il compressore ad alto voltaggio può funzionare anche quando il motore elettrico del veicolo è spento e l’auto non è in movimento, permettendo il mantenimento del comfort anche a veicolo fermo.
• Silenziosità e velocità: Sono più silenziosi e in grado di raggiungere velocità più elevate.

Prese d'Aria del Motore: Cold Air Intake vs. Short Ram Intake

Quando si cercano sistemi di aspirazione dell'aria per il proprio veicolo, probabilmente ci si imbatterà nei sistemi a "aria fredda" (cold air) e "a corto raggio" (short ram). Sono due dei tipi più diffusi di aspirazione dell'aria sul mercato. Sebbene entrambi forniscano aria al motore del proprio veicolo, non sono uguali.

Aspirazione ad Aria Fredda (Cold Air Intake):Un'aspirazione ad aria fredda è un tipo di aspirazione caratterizzata dalla sua posizione. I tradizionali sistemi di aspirazione dell'aria, inclusi la maggior parte di quelli di serie, sono solitamente posizionati all'interno del motore. La temperatura all'interno dei motori, ovviamente, è solitamente più alta della temperatura esterna. Pertanto, i tradizionali sistemi di aspirazione dell'aria forniscono aria più calda al motore. Una presa d'aria fredda, invece, è posizionata all'esterno del motore, spesso in una zona più fresca del vano motore o addirittura sotto il paraurti. Questo permette di prelevare aria più fresca e densa.

Aspirazione a Corto Raggio (Short Ram Intake):Una presa d'aria corta è un tipo di presa d'aria che è all'altezza del suo omonimo presentando un design corto. È simile ad una presa d'aria fredda per il fatto che anche le prese del pistone corto sono posizionate all'esterno del motore.

Differenze Chiave:La differenza principale tra un sistema di aspirazione aria fredda (cold air intake) e uno corto (short intake) è la lunghezza. I sistemi short ram sono più corti dei loro corrispettivi cold air. Entrambi sono composti da un filtro collegato a un tubo. I sistemi di aspirazione dell'aria fredda forniscono aria più fresca al motore rispetto ai sistemi short ram. Essendo più corti, i sistemi short ram sono più vicini al motore. Poiché l'aria genera calore attorno al motore, parte di esso entrerà nel sistema short ram, rendendo l'aria aspirata leggermente più calda rispetto a un cold air intake.

Vantaggi e Svantaggi:I sistemi di aspirazione aria fredda e short ram possono entrambi aumentare le prestazioni del tuo veicolo. Un sistema di aspirazione aria fredda alimenterà il motore con aria fresca e compressa che contiene più ossigeno, favorendo una combustione più efficiente e una maggiore potenza. La maggior parte delle prese d'aria fredda (cold air intakes) sono installate relativamente in basso. Le prese d'aria corte (short ram intakes), d'altra parte, sono meno suscettibili ad acqua e detriti, in quanto la loro posizione più elevata li rende meno esposti.

Prese d'Aria Aerodinamiche: Dal Subsonico al Supersonico

Le prese d'aria non sono solo componenti funzionali dei motori delle automobili, ma rivestono un'importanza cruciale anche nell'ingegneria aeronautica, dove il loro design è dettato da principi aerodinamici complessi e dalle velocità di volo.

Prese d'Aria Subsoniche:La presa dinamica è essenzialmente un condotto dove l'aria fluisce in condizioni stazionarie. Una presa d'aria subsonica è un tipo di presa d'aria molto sfruttato, in quanto tutti i motori a getto (o meglio gli esoreattori) dei velivoli civili e commerciali subsonici hanno prese d'aria di questo tipo, in quanto sono molto leggere ed efficienti in campo subsonico.In condizioni di flusso isoentropico (senza variazione dell'entropia lungo il flusso) e subsonico, ad un incremento d'area corrisponde un rallentamento del flusso e un aumento di pressione statica. Lo studio monodimensionale permette di calcolare la variazione di sezione del condotto della presa, ma non fornisce alcuna informazione sulla lunghezza della presa dinamica stessa. Si desidererà che questa lunghezza sia minima, non solo per ragioni di peso, ma anche perché siano minime le perdite per attrito.Lo studio multidimensionale indica invece che a causa dell'esistenza di uno strato limite (lo strato limite è la zona a contatto con la superficie, dove il flusso è rallentato) in presenza di gradiente di pressione avversa (cioè la pressione aumenta lungo il condotto), bisognerà considerare, per quanto possibile, prese d'aria con gradienti di pressione piccoli, e cioè più lunghe, per evitare i rischi di separazione (cioè il rischio che il flusso d'aria si separi dalla superficie e che si creino depressioni e ricircoli), che in genere viene determinato sperimentalmente. In pratica, se si considera una presa dinamica subsonica di forma troncoconica si è visto da studi sperimentali che l'angolo di semiapertura del cono massimo che può essere considerato è di 10°.In una presa d'aria subsonica, possono verificarsi due scenari se la presa non è dimensionata correttamente:

1. Sottodimensionamento: La presa aspira aria da una sezione più grande perché la velocità è più bassa di quella di progetto.
2. Sovradimensionamento: La velocità è così elevata che il volume d'aria che investe la presa nell'unità di tempo è eccessivo e quindi una parte viene spillata all'esterno.

Prese d'Aria Supersoniche:Anche nel caso di flusso supersonico (tranne che per il caso dello scramjet) la presa dinamica dovrà essere in grado di rallentare l'aria che entra nel motore, dalla velocità di volo (in questo caso supersonica), ad una velocità, subsonica, richiesta dal compressore o dal combustore. Dalle relazioni del flusso quasi-unidimensionale isentropico supersonico, si osserva che il condotto deve essere convergente per poter rallentare il flusso, mentre per un diffusore subsonico ideale deve essere divergente. Perciò, dopo aver rallentato il flusso sino a Mach 1, con un condotto convergente, il rallentamento nel campo subsonico va effettuato con un condotto divergente. La soluzione isentropica per rallentare il flusso da supersonico alla velocità subsonica richiesta dal compressore è quindi un condotto convergente-divergente. Fissato il numero di Mach di volo di progetto è fissata anche la geometria (i rapporti tra le varie sezioni).Si tratta tuttavia di una soluzione solo teorica, utile a fare alcune considerazioni di carattere generale. Il problema è che una presa d'aria siffatta non è realizzabile, in quanto, in ogni caso si genererebbero onde d'urto (onde di compressione non isentropiche generate in flussi supersonici) che farebbero cadere l'ipotesi di isentropicità. Il secondo problema è che per ottenere le condizioni di funzionamento di progetto bisognerà avviare la presa d'aria, operazione che si dimostra difficile già dalla semplice analisi quasi-monodimensionale. Sono state studiate quindi altre possibili configurazioni. Nella pratica infatti non si può fare a meno delle onde d'urto se si vogliono realizzare prese d'aria efficienti in diverse condizioni di volo e che abbiano peso ed ingombro (resistenza esterna) ridotti.

Prese d'Aria Supersoniche ad Onda d'Urto Normale (Presa Pitot):La presa d'aria supersonica ad onda d'urto normale (detta anche presa Pitot) è quella più semplice e leggera. Si tratta di una presa dinamica subsonica che in condizioni di volo supersonico provoca la formazione davanti ad essa di un urto normale (onda d'urto piana). Questa presa dinamica può essere considerata una soluzione accettabile (ed in tal caso è la preferita vista la semplicità) nel campo dei numeri di Mach lievemente supersonici. In realtà, per M < 1,5, le perdite di pressione totale attraverso l'urto restano inferiori al 10% mentre diventano sempre più alte per valori superiori.Nel funzionamento fuori progetto, se la portata richiesta è inferiore a quella di progetto, le perdite di pressione totale resteranno invariate e la presa d'aria potrà spillare (cioè eliminare) la portata in eccesso attraverso un allontanamento verso l'esterno dell'onda d'urto dalla sezione di ingresso ed il flusso a valle, subsonico, si deformerà in modo che sia fornita la giusta portata d'aria. Bisogna invece evitare che la portata richiesta sia maggiore di quella di progetto.

Prese d'Aria Supersoniche ad Onde d'Urto Oblique:Le onde d'urto oblique sono meno intense di quelle normali. Essendo meno intense, le perdite di pressione totale sono di conseguenza minori ed è più conveniente usare più onde d'urto oblique piuttosto che una sola onda d'urto normale. Se si potessero generare infinite onde d'urto oblique, per esempio su una superficie concava, la compressione sarebbe isentropica e quindi con perdite di pressione totale idealmente nulle. Per questa ragione si realizzano prese d'aria ad onde d'urto oblique nel campo delle elevate velocità supersoniche.È interessante osservare che, grazie al fatto che la compressione avviene esternamente, il flusso può adattarsi alle diverse velocità di volo e quindi questa famiglia di prese dinamiche supersoniche non presenta il problema dell'avviamento tipico della presa convergente-divergente.

Prese a Compressione Mista e A Rampa:La presenza di sola compressione esterna può portare a rotazioni troppo elevate del flusso con conseguenti perdite in termini di resistenza interna nella parte subsonica della presa. È possibile allora considerare una presa a compressione mista, in cui parte della decelerazione del flusso supersonico, a valle degli urti obliqui, è conseguita mediante un condotto convergente.La presa d'aria dell'Eagle è stata studiata per favorire un flusso d'aria anche agli angoli d'attacco più elevati, per questo utilizza una presa di tipo "a rampa", cioè ha un pannello orizzontale sporgente atto ad incanalare il flusso ad angoli d'attacco positivi. Un cono ha il vantaggio di generare onde d'urto coniche che, a differenza di quelle piane, generano un flusso supersonico a valle che continua a comprimersi. Per questo, un urto conico genera una compressione più efficiente, perché fa perdere meno energia al flusso. Oltre il pannello orizzontale vi sono due rampe oblique che possono essere inclinate, come tutta la presa del resto, a diversi angoli a seconda della necessità. Queste rampe sono forate per permettere quando necessario lo spillamento di flusso in eccesso, come per esempio all'accensione del motore. All'interno del condotto è montato lateralmente un tubo di Pitot, un tubicino ad L che serve a misurare la velocità di un flusso.

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