Perché il raffreddamento è così importante nell’industria automotive?
Nel mondo frenetico di oggi, ogni azienda è alla ricerca di soluzioni per migliorare sostenibilità, prestazioni e quantità di dati che può raccogliere, così da ottenere il massimo da un motore, una trasmissione o un sistema di raffreddamento.
Oggi approfondiremo l’importanza del raffreddamento nelle auto di tutti i giorni, nelle auto stradali ad alte prestazioni e persino nelle auto da corsa, suddividendo il tema in due macro-aree: la prima è la performance e la seconda l’efficienza.
Quando parliamo di performance, il fattore principale è la temperatura. Per ottenere le massime prestazioni da un motore, più cavalli, ecc., la temperatura deve essere bilanciata e il sistema di raffreddamento deve mantenere esattamente quel valore senza sacrificare un altro elemento chiave: l’efficienza.
L’efficienza gioca un ruolo centrale in tutto questo ambito perché i produttori OEM devono calcolare in ogni istante del processo di raffreddamento la quantità di liquido necessaria per ottenere buoni consumi, ottime prestazioni e così via.
Inoltre, oggi i governi applicano sempre più regolamenti e sanzioni, quindi le auto diventano più complesse per essere più pulite e mantenere il perfetto equilibrio tra potenza e inquinamento.
Allo stesso tempo, la tecnologia evolve ogni giorno più rapidamente e le aziende iniziano a sviluppare sensori high-tech per rispettare tutte le normative relative all’anidride carbonica e ai livelli di inquinamento urbano causati dalle auto.
Tipi di raffreddamento nell’industria automotive
1. Raffreddamento ad aria.
Partendo dalla tecnica più comune e più datata, il raffreddamento ad aria è piuttosto semplice ma oggi non è molto efficiente, perché fatica a garantire uniformità termica. I motori raffreddati ad aria si basano sul trasferimento di calore diretto dai componenti del motore all’aria ambiente; il flusso d’aria (naturale o forzato da una ventola) rimuove il calore tramite convezione. Usato soprattutto nelle auto d’epoca.
2. Raffreddamento a liquido
Tra le tecniche più diffuse, in un sistema raffreddato a liquido un refrigerante circola attraverso canali interni nel basamento motore e nella testata, assorbendo calore dalle superfici metalliche. Il refrigerante riscaldato viene quindi convogliato nel radiatore, dove scorre in tubi sottili circondati da alette. L’aria che attraversa il radiatore rimuove il calore dal refrigerante, che viene poi ricircolato nel motore.
Il sistema trasferisce continuamente calore dal motore all’aria, ma indirettamente tramite il mezzo liquido.
3. Raffreddamento dell’olio
Il raffreddamento dell’olio utilizza l’olio motore stesso come vettore termico. Mentre l’olio circola nel motore, assorbe calore da parti in movimento come pistoni, bronzine e albero motore. L’olio caldo può poi passare attraverso un radiatore dell’olio, dove trasferisce calore all’aria oppure al refrigerante del motore. Questo aiuta a ridurre la temperatura di componenti interni critici mantenendo una corretta lubrificazione.
4. Intercooling
Nei motori turbocompressi, l’aria in ingresso viene compressa e la sua temperatura aumenta. Un intercooler raffredda quest’aria compressa prima che entri nel motore. L’aria calda attraversa l’intercooler, dove il calore viene rimosso dall’aria ambiente (aria-aria) o da un circuito a liquido (aria-acqua). Abbassando la temperatura dell’aria, questa diventa più densa, consentendo più ossigeno in camera di combustione e migliorando efficienza e potenza.
5. Raffreddamento della batteria
I sistemi di raffreddamento della batteria gestiscono la temperatura delle celle rimuovendo il calore in eccesso durante carica e scarica. Nei sistemi raffreddati a liquido, il refrigerante scorre in canali o piastre a stretto contatto con le celle della batteria, assorbendo calore e trasportandolo verso uno scambiatore di calore. L’obiettivo è mantenere tutte le celle in un intervallo di temperatura ristretto e uniforme per estendere la vita della batteria.
Componenti chiave
· Piastre/canali di raffreddamento – a contatto con le celle della batteria
· Circuito del refrigerante (o condotti aria) – rimuove calore dalla batteria
· Pompa elettrica – fa circolare il refrigerante
· Chiller (collegato all’A/C) – consente raffreddamento attivo sotto la temperatura ambiente
· Sensori di temperatura – monitorano ogni modulo/gruppo di celle
· Unità di controllo termico (logica ECU)
Criticità nel raffreddamento
La sfida più grande che i costruttori affrontano oggi in tema di raffreddamento è gestire carichi termici crescenti in sistemi sempre più complessi senza sacrificare efficienza, sicurezza o affidabilità.
Il motivo è semplice da capire: a causa dei nuovi regolamenti e limiti imposti dai governi, i costruttori stanno riducendo le cilindrate con motori turbocompressi, che generano maggiore stress termico, e stanno complicando i sistemi di emissioni, che aggiungono ulteriori fonti di calore.
Efficienza è un problema anche perché sistemi troppo complessi tendono a consumare sempre più energia.
Sicurezza può essere compromessa da un incendio della batteria EV o dal surriscaldamento del motore
Affidabilità: aspettative più basse a causa di molti cicli termici e pressione
Regolamenti da rispettare perché il raffreddamento influisce direttamente su consumi, emissioni e tempi di warm-up
Un solo sistema non è più sufficiente: molte tipologie di raffreddamento nella stessa auto e diversi fluidi che raffreddano parti differenti del veicolo.
Tutto questo porta a un conflitto ingegneristico fondamentale: serve più capacità di raffreddamento, ma non ci si può permettere più energia, spazio, costi o complessità.
È qui che Allengra interviene con una soluzione semplice ma estremamente efficace: un misuratore di portata a ultrasuoni versatile.
Come funziona?
Un misuratore di portata a ultrasuoni utilizza onde ultrasonore (suoni a frequenza molto elevata) per misurare il flusso di un liquido senza contatto meccanico diretto. A differenza dei misuratori tradizionali, funziona secondo il principio del “time of flight”, misurando il tempo impiegato dai segnali ultrasonori a viaggiare tra i sensori per determinare la velocità del fluido.
In che modo questo misuratore di portata può risolvere tutte le principali criticità che il settore automotive affronta oggi?
1. Performance. In termini di performance, il misuratore sa esattamente quanta quantità di refrigerante serve e può ottimizzare il metodo di raffreddamento in base al compito. Temperatura stabile, maggiore efficienza e minori consumi energetici.
2. Sicurezza. La rilevazione precoce dei guasti può prevenire il surriscaldamento grazie alla rilevazione di bolle di gas, alla temperatura integrata e al rilevamento di portate anomale. Il sistema può entrare in limp mode o spegnersi correttamente e in sicurezza.
3. Affidabilità. Con accuratezza ±2% e un ampio range (9 L/h – 60.000 L/h), può rilevare degrado, depositi nel radiatore nel tempo, calo delle prestazioni della pompa e invecchiamento del fluido. Invece di riparare o sostituire un componente del sistema di raffreddamento, il nostro misuratore anticipa il problema prima che si verifichi.
4. EV & Batteries. Nelle batterie è richiesto un flusso costante e uniforme; piccole differenze possono influire sulla durata della batteria. Il misuratore aiuta con compensazione automatica (dipendente dal glicole) per uniformità termica e sincronizzazione temperatura + portata per prevenire il degrado delle celle.
5. Controllo della qualità del liquido. La funzione di monitoraggio della concentrazione di glicole è un grande vantaggio: bassi livelli di glicole aumentano il rischio di congelamento e livelli elevati riducono il trasferimento di calore. Con la misurazione automatica, il sistema si auto-compensa e mantiene prestazioni ottimali.
Il nostro misuratore di portata a ultrasuoni trasforma un sistema di raffreddamento “passivo” in uno intelligente, controllato in tempo reale, basato su ingegneria di grande precisione.
Allengra è un’azienda di sviluppo e possiamo personalizzare i componenti per integrarli su auto di serie. Collaborando con gli Original Equipment Manufacturers (OEMs), siamo in grado di soddisfare standard elevati e creare un intero ecosistema attorno ai nostri sensori di precisione, sfruttando la nostra competenza nella tecnologia Time Of Flight per offrire una soluzione affidabile senza parti in movimento.
L’assenza di parti in movimento significa maggiore affidabilità, precisione, durata e un design modificabile per soddisfare i requisiti di qualsiasi costruttore.
Perché un’azienda dovrebbe beneficiare dell’uso di misuratori di portata a ultrasuoni come ALSONIC?
Innanzitutto, il sistema di raffreddamento dell’auto trarrebbe grande beneficio dall’uso del nostro misuratore perché fornisce informazioni che normalmente non si hanno:
· Come il fluido scorre realmente nel sistema.
· La qualità del fluido
· Ritardi
· Oscillazioni
Non solo la temperatura.
Nella maggior parte dei sistemi di raffreddamento, gli ingegneri si affidano a sensori di temperatura e talvolta di pressione, ma questi mostrano solo l’effetto (cioè qualcosa si sta scaldando), non la causa. Con un misuratore di portata si vede direttamente se c’è flusso insufficiente, ostruzioni o distribuzione non uniforme, rendendo la diagnosi molto più rapida e accurata.
Diventa inoltre molto più facile valutare quanto bene il refrigerante sia distribuito nel sistema. Le architetture moderne spesso hanno più rami e, anche se la portata totale è corretta, alcune aree possono essere comunque raffreddate poco. La misura della portata aiuta a identificare questi squilibri, che non sempre sono visibili dai soli dati di temperatura, perché le temperature tendono a equalizzarsi e possono nascondere problemi localizzati.
È anche essenziale per calibrare i moderni sistemi a controllo elettronico. Nelle auto di oggi, incluse quelle di grande serie, pompe dell’acqua e valvole sono controllate via software. Per calibrarle correttamente, bisogna sapere esattamente quale portata risulta per ogni comando. Senza questa informazione, le regolazioni sono meno precise e possono portare a consumi energetici inutili o a un raffreddamento insufficiente.
Risparmiare tempo è un altro grande vantaggio, perché il misuratore può rilevare problemi precoci durante i test. Ad esempio, se entra aria nel circuito o un radiatore inizia a intasarsi, la portata cambia immediatamente, ancora prima che la temperatura salga in modo pericoloso. Questo consente agli ingegneri di identificare in anticipo il degrado dei componenti, senza aspettare un guasto importante.
Infine, la misura della portata offre un quadro più chiaro di come componenti come le pompe si comportino realmente in condizioni reali. Invece di basarsi solo su dati teorici, gli ingegneri possono vedere quanta portata viene effettivamente erogata in diversi scenari operativi, come le prestazioni cambiano nel tempo e se il sistema sta operando in modo efficiente.
In conclusione, il nostro misuratore aggiunge una dimensione completamente nuova ai test. Invece di sapere solo “quanto sono calde le cose”, aiuta gli ingegneri a capire più facilmente come il calore venga effettivamente trasportato nel sistema.
Per massimizzare efficienza e problem-solving, è necessario comprendere cosa entra nel sistema di raffreddamento dell’auto, ad esempio l’aria. Qui possiamo includere anche un altro componente chiave dell’auto, più precisamente un Air Intake Flow Meter.
Come funziona?
Questo tipo specifico di misuratore è uno strumento ad alta precisione che utilizza onde sonore anziché parti meccaniche o fili riscaldati per misurare l’aria. Poiché non contiene parti in movimento, è estremamente durevole e resistente all’aria “sporca” spesso presente nelle aspirazioni automotive e industriali.
Come può aiutare il sistema di raffreddamento dell’auto?
1. Efficienza nei motori turbo ad alta pressione.
Come accennato, i moderni motori “downsized” utilizzano turbocompressori ad alta pressione per ottenere più potenza da cilindrate ridotte. La capacità del nostro strumento di misurare da 0,3 a 270 m³/h consente di tracciare l’aria sia al minimo sia a pieno carico con turbo boost. Inoltre, con una resistenza fino a 10 bar, non si creperà né perderà sotto le pressioni intense tipiche di macchinari heavy-duty o di auto ad alte prestazioni.
2. Sviluppo & calibrazione più rapidi.
Gli ingegneri automotive passano anni a “mappare” i motori, cioè a dire al computer come reagire a diverse condizioni dell’aria. Invece di installare un sensore di temperatura separato, un sensore di pressione separato e un misuratore di portata separato, potrebbero usare questa unità all-in-one. Inoltre, il nostro air intake flow meter semplifica il cablaggio e riduce il numero di potenziali punti di guasto nel veicolo, abbassando i costi di garanzia per i produttori.
3. Conformità alle emissioni in tempo reale.
Standard globali sulle emissioni più severi (come Euro 7) richiedono auto “pulite” non solo in laboratorio, ma anche nel mondo reale. Il cuore del dispositivo misura la velocità effettiva dell’aria. Inviando impulsi ultrasonori a monte e a valle, determina in tempo reale la portata volumetrica precisa, senza essere influenzato da usura meccanica o densità dell’aria. Per convertire questo volume in portata massica, i sensori integrati PT1000 e di pressione in ceramica calcolano la densità dell’aria usando la Legge dei gas ideali. Combinando la velocità ultrasonora con i dati di pressione e temperatura, il veicolo può calcolare il numero esatto di molecole di ossigeno che entrano nel sistema. Questo consente alla ECU di regolare immediatamente la taratura in base ai cambiamenti di altitudine (pressione) o di temperatura ambiente, mantenendo basse le emissioni sia che l’auto si trovi sulle Alpi sia nel deserto del Sahara.
