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Raffreddamento dell'aria di sovralimentazione

Qui potete trovare nozioni di base e utili consigli sul tema del raffreddamento dell'aria di sovralimentazione nei veicoli.

I turbocompressori aumentano la quantità di aria di combustione che affluisce nel cilindro. Durante la compressione tuttavia l'aria subisce un processo di riscaldamento che presenta alcuni svantaggi. Per questo motivo tutti gli odierni motori sovralimentati sono dotati di intercooler. In questa pagina potete scoprire il funzionamento del sistema di raffreddamento dell'aria di sovralimentazione e i particolari accorgimenti tecnici adottati dai progettisti per soddisfare le esigenze attuali e future di questo settore. Potete inoltre trovare dei consigli pratici sulla sostituzione dell'intercooler.

Avvertenza importante sulla sicurezza
Le informazioni tecniche e i suggerimenti pratici riportati di seguito sono stati redatti da HELLA per fornire un supporto professionale alle attività svolte in officina. I dati forniti su questo sito Web devono essere utilizzati esclusivamente da personale tecnico specializzato.

 

CIRCUITO DELL'INTERCOOLER: NOZIONI DI BASE

La tendenza ad accrescere la potenza e a ridurre le dimensioni del motore ha portato a un aumento dell'impiego di motori sovralimentati nelle autovetture, in cui la sovralimentazione avviene principalmente con aria raffreddata. La maggiore densità dell'aria di sovralimentazione consente di aumentare la potenza e il rendimento del motore. Assieme al numero dei motori sovralimentati sono aumentati però anche i requisiti del processo di raffreddamento dell'aria di sovralimentazione, a causa della necessità di ridurre costantemente i consumi e le emissioni. Tali requisiti possono essere soddisfatti raffreddando l'aria di sovralimentazione con liquido di raffreddamento anziché con aria. 

 

A causa degli elevati costi di sistema, questa tecnologia era riservata fino ad ora alle autovetture di classe superiore. L'evoluzione tecnica ha permesso di regolare anche il sistema di raffreddamento dell'aria di sovralimentazione, con l'obiettivo di ridurre le emissioni di NOx e di idrocarburi e di aumentare l'efficacia del post-trattamento dei gas di scarico. 

 

Oltre ad accrescere la potenza di raffreddamento, l'intercooler ha il compito di regolare la temperatura dell'aria aspirata dal motore controllando il raffreddamento dell'aria di sovralimentazione. 

 

La regolazione della temperatura si rende necessaria al fine di soddisfare i requisiti sempre più esigenti del post-trattamento dei gas di scarico. In questo processo la temperatura dell'aria di sovralimentazione svolge un ruolo essenziale. Il raffreddamento dell'aria di sovralimentazione con liquido di raffreddamento offre notevoli vantaggi anche nel settore dei veicoli industriali.

 

Tipi:
Raffreddato ad aria e a liquido di raffreddamento; a raffreddamento diretto e indiretto.

 

Compito:
Aumento della potenza del motore grazie alla maggiore densità dell'aria di sovralimentazione (una maggiore quantità di aria comburente significa una percentuale più alta di ossigeno).

 

Caratteristiche:

  • Maggiore potenza di raffreddamento dinamica
  • Migliore rendimento del motore grazie all'aumento della densità dell'aria di sovralimentazione
  • Temperatura di combustione ridotta con conseguente miglioramento dei valori dei gas di scarico
  • Minore percentuale di ossido di azoto da -40 °C a 160 °C
  • Pressione di controllo pari a 20 bar con pressione di rottura di 50 bar

TURBOCOMPRESSORE: NOZIONI DI BASE

La potenza di un motore a combustione interna dipende dalla quantità di carburante combusto. Nei motori a benzina per bruciare completamente 1 kg di carburante sono necessari 14,7 kg di aria. Questo rapporto viene detto "stechiometrico". Un modo efficace per aumentare la potenza dei motori a combustione interna consiste nel sovralimentarli.

Sovralimentazione con turbocompressore
VIDEO SULL'ARGOMENTO

Sostituzione dell'intercooler a seguito di un danno al turbocompressore

Sostituzione dell'intercooler a seguito di un danno al turbocompressore.

 

00:57 min

INTERCOOLER A RAFFREDDAMENTO DIRETTO E INDIRETTO: FUNZIONAMENTO

Nelle autovetture la necessità di fornire una potenza di raffreddamento sempre maggiore si scontra con le crescenti limitazioni di spazio nella parte anteriore del veicolo. Per questo motivo gli intercooler compatti dominano ancora oggi la scena. Una possibile soluzione al problema della ridotta profondità di installazione è quello di ingrandire l'intercooler appiattendolo e ponendolo davanti al radiatore del liquido di raffreddamento, come già avviene nei pesanti veicoli commerciali. Questa soluzione sta prendendo sempre più piede. In molti veicoli essa non è però praticabile, poiché lo spazio necessario è già stato destinato ad altri scopi o è stato sfruttato per soddisfare esigenze diverse (ad esempio per integrare la protezione dei pedoni). Due nuovi sistemi consentono di risolvere questo conflitto tra spazio di ingombro e necessità di potenza: il pre-intercooler e l'intercooler a raffreddamento indiretto.

Intercooler a raffreddamento diretto

Il nuovo pre-intercooler, alimentato con liquido di raffreddamento del circuito del motore, trasferisce una parte del calore dell'aria di sovralimentazione dall'intercooler al radiatore del liquido di raffreddamento. Rimuovendo dall'aria di sovralimentazione l'eccesso di calore dovuto all'aumento di potenza, il pre-intercooler rende superflua la modifica strutturale dell'intercooler a blocchi. Il pre-intercooler, anch'esso un radiatore compatto, si colloca tra il turbocompressore e l'intercooler aria-aria. Consente di aumentare notevolmente la potenza dei sistemi esistenti. L'ingombro di un intercooler aria-acqua è pari al 40-60% di quello di un intercooler aria-aria.

Il secondo modo per risolvere il conflitto tra spazio di ingombro e necessità di potenza consiste nell'uso di un intercooler a raffreddamento indiretto.

Intercooler a raffreddamento indiretto

Nelle autovetture questo sistema di raffreddamento è di solito costituito da un circuito del liquido di raffreddamento autonomo rispetto a quello del raffreddamento del motore. Esso include un radiatore a bassa temperatura e un intercooler aria-acqua. Il calore dell'aria di sovralimentazione viene dapprima trasferito al liquido di raffreddamento e quindi ceduto all'aria ambiente attraverso un radiatore a bassa temperatura. Questo radiatore viene montato nella parte anteriore del veicolo, dove, nei tradizionali sistemi di raffreddamento dell'aria di sovralimentazione, si trovava l'intercooler aria-aria.

Poiché il radiatore a bassa temperatura è molto meno ingombrante di un intercooler aria-aria, si libera dello spazio nella parte anteriore del veicolo. Scompaiono inoltre i voluminosi condotti di sovralimentazione che collegavano frontend e motore. In generale il sistema di condutture della parte anteriore del veicolo subisce una drastica semplificazione, migliorando di conseguenza il flusso dell'aria di raffreddamento nel vano motore.

 

Rispetto al pre-intercooler (raffreddamento diretto), l'intercooler a raffreddamento indiretto presenta i seguenti vantaggi:

  • Caduta di pressione dell'aria di sovralimentazione notevolmente ridotta
  • Migliore dinamica del motore grazie al minor volume di aria di sovralimentazione
  • Maggiore potenza di raffreddamento dinamica
  • Migliore rendimento del motore grazie all'aumento della densità dell'aria di sovralimentazione

REGOLAZIONE DELLA TEMPERATURA DELL'ARIA DURANTE IL PROCESSO DI COMBUSTIONE DEL MOTORE

Dopo un avviamento a freddo e in presenza di temperature esterne molto basse in fase di marcia è consigliabile arrestare l'intercooler. In questo modo il motore e il catalizzatore raggiungono più rapidamente la temperatura di esercizio ottimale, producendo meno emissioni, principalmente idrocarburi (HC), durante la fase di avviamento a freddo. In un intercooler aria-aria ciò è possibile solo applicando un bypass lato sovralimentazione a un costo molto elevato. In un intercooler a raffreddamento indiretto invece la semplice regolazione del volume del liquido di raffreddamento consente non solo di interrompere il raffreddamento dell'aria di sovralimentazione, ma anche di regolarne la temperatura. Collegando il circuito di raffreddamento dell'intercooler a quello di raffreddamento del motore e regolando intelligentemente la portata del liquido di raffreddamento, è possibile utilizzare l'intercooler a raffreddamento indiretto per regolare la temperatura dell'aria di sovralimentazione. Attraverso l'intercooler può infatti passare il liquido di raffreddamento caldo del circuito del motore oppure il liquido di raffreddamento freddo del circuito a bassa temperatura.

 

La regolazione della temperatura dell'aria di sovralimentazione è importante per il post-trattamento dei gas di scarico svolto dal filtro antiparticolato e dai catalizzatori. Entrambi necessitano di una determinata temperatura minima del gas di scarico per garantire un funzionamento ottimale. Nel catalizzatore questa temperatura minima corrisponde a quella della sua temperatura di messa in moto, nel filtro antiparticolato alla temperatura di rigenerazione necessaria per la combustione della fuliggine. Durante il funzionamento del veicolo a carico parziale (circolazione urbana, soste frequenti) queste temperature dei gas di scarico non vengono sempre raggiunte. Anche in questi casi è possibile ridurre le emissioni interrompendo il raffreddamento o persino riscaldando l'aria di sovralimentazione al fine di aumentare la temperatura dei gas di scarico. Il metodo più semplice per realizzare questi obiettivi è quello di installare un intercooler a raffreddamento indiretto.

SOSTITUZIONE DELL'INTERCOOLER: VIDEO

Sostituzione dell'intercooler

Sostituzione dell'intercooler, incluse le operazioni di smontaggio e montaggio.

 

01:27 min

MODERNO DESIGN PER REQUISITI ELEVATI: INFORMAZIONI UTILI

Vantaggi dei nuovi sistemi a confronto

I vantaggi in termini di prestazioni dei nuovi sistemi di raffreddamento diretto e indiretto dell'aria di sovralimentazione risultano evidenti nel confronto con i modelli oggi dominanti, ossia gli intercooler compatti e i più potenti intercooler piatti:

  • Il raffreddamento dell'aria di sovralimentazione migliora notevolmente;
  • l'intercooler a raffreddamento indiretto riduce inoltre significativamente il fenomeno della caduta di pressione dell'aria di sovralimentazione.

Intercooler con caratteristiche di resistenza più elevate

L'aumento dei carichi di pressione e di temperatura a cui sono sottoposti gli intercooler rende necessario lo sviluppo di design alternativi e l'impiego di nuovi materiali per la matrice e i collettori d'aria. Nelle autovetture odierne la temperatura dell'aria di sovralimentazione all'ingresso del radiatore può raggiungere 150 °C, mentre la pressione 2,2 bar. In futuro i valori della temperatura e della pressione sono destinati a salire rispettivamente fino a circa 200 °C e 3 bar. Per sostenere tali valori, i collettori d'aria devono essere costruiti in materiali plastici termoresistenti. In alternativa è possibile realizzare l'intero intercooler, inclusi i collettori d'aria, in alluminio.

 

Nei veicoli commerciali è logico attendersi dei carichi ancora maggiori. A causa della riduzione delle soglie delle emissioni previste dalla norma EURO 5, dagli attuali 200 °C e 3 bar si passerà presumibilmente a 260 °C e 4 bar. Alcune modifiche strutturali agli intercooler potranno diminuire il livello di tensione generato dal carico di compressione in modo tale da consentire di sostenere agevolmente tali sollecitazioni. Ulteriori possibilità di aumento della resistenza vengono offerte dall'intercooler aria-acqua a causa della sua struttura compatta.