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martedì, 21 Maggio 2024
  • Alla ricerca della particella perduta: il mestiere dei filtri

    L’impianto di aspirazione è dotato di un filtro dell’aria in grado, allo stesso tempo, di far “respirare” il motore e catturare particelle di dimensioni piccolissime. Il filtro dell’olio purifica il lubrificante contaminato dai residui carboniosi e da tutti gli altri inquinanti prodotti dalla combustione e dal consumo degli organi meccanici. Il filtro del gasolio ci salva, non sempre, ma spesso, dagli incauti gestori delle stazioni di rifornimento che ci servono combustibili con quantità percentuali di acqua che non sarebbero tollerate dai moderni common rail. Quando siamo immersi nel traffico il noto filtro antipolline svolge una delle funzioni più importanti per proteggere la salute degli occupanti: blocca le particelle di inquinanti che altrimenti entrerebbero nell’abitacolo. Insomma, all’interno di un prodotto complicato quale è l’automobile, i filtri giocano un ruolo da protagonisti. Non sono tutti uguali e non lavorano nello stesso modo. Vediamo quindi nel dettaglio i tipi più diffusi e analizziamone i contenuti tecnici.


    Filtri aria
    Quello dei filtri aria è un settore molto particolare. È qui infatti che si combatte una guerra commerciale di importanza strategica. Possiamo infatti suddividere questo compartimento in due categorie principali: quello dei filtri di serie e quello dei componenti per alte prestazioni. Nel primo caso una miriade di costruttori, più o meno noti, sono presenti sul mercato e offrono varianti pressoché simili dello stesso elemento. Nel mondo del tuning invece il numero dei nomi è sicuramente inferiore, ma veramente pochi sono quelli che producono filtri di grande qualità.
    Un filtro aria si compone, generalmente, di una parte esterna che svolge la funzione di struttura e che supporta la superficie filtrante vera e propria. Quest’ultima può essere realizzata con materiali sintetici e con derivati della carta. La sua capacità filtrante si scontra con aspetti a volte tenuti poco in considerazione. Innanzitutto il filtro deve essere sufficientemente permeabile da consentire il passaggio della quantità d’aria necessaria, aspetto che peggiora con lo sporcarsi del filtro stesso. A tal proposito si tenga anche presente che se quest’ultimo è troppo sporco può accadere che il motore si trovi a lavorare in condizioni di rapporto stechiometrico non corretto (miscela ricca).
    Al filtro aria è legata una parte della sonorità del motore. Gli elementi che contribuiscono a generare il suono di un motore sono numerosi, ma se si ferma l’attenzione sul sistema di aspirazione il filtro gioca un ruolo importante. Una maggiore permeabilità, infatti, mette in risalto il classico suono di aspirazione assimilabile a una sorta di risucchio.
    Concludiamo l’argomento relativo ai filtri aria ricordando che nella pratica possiamo distinguere diversi tipi di filtri e svariati sistemi di filtraggio. Per quanto riguarda i primi abbiamo quelli a secco (i più diffusi), quelli a umido e quelli a bagno d’olio. I filtri a secco, come abbiamo già anticipato, sono realizzati in genere con una sorta di carta pressata e sono diffusissimi, grazie alla loro praticità, efficacia e semplicità di manutenzione. Quelli a umido, invece, difficilmente li troviamo oggi sulle automobili e possono essere utilizzati, anche in questo caso però raramente, per i motori che equipaggiano le moto. Infine i filtri a bagno d’olio sono costituiti da un elemento che contiene la superficie filtrante in metallo e al di sotto un vano contenente l’olio. In questo caso il processo è più complicato, poiché le particelle di polvere passano dal lubrificante al filtro e quindi di nuovo al lubrificante. Questi filtri però assicurano una maggiore durata con percorsi, tra un cambio e l’altro, che possono anche arrivare ai 100.000km.
    Il discorso in merito ai metodi di filtraggio in parte l’abbiamo appena accennato parlando del tipo di filtro. Per completezza di trattazione ricordiamo comunque che la separazione della polvere dall’aria può essere fatta con elementi in carta o in tessuto, con filtri di acciaio o ancora con reti di tipo metallico.


    Filtri antipolline
    Si tratta di elementi normalmente alloggiati in prossimità delle prese d’aria esterne che costituiscono la sorgente di alimentazione esterna per il sistema di climatizzazione o, più in generale, di aerazione dell’abitacolo. I filtri antipolline delle vetture che si muovono quotidianamente nei grossi e inquinati centri urbani sono investiti da flussi d’aria contaminati che richiedono complicati processi di separazione degli elementi inquinanti. Strutturalmente sono molto simili ai filtri aria, anche se a volte sono dotati di substrati diversi che consentono un’azione di cattura più efficace nei confronti delle particelle dannose per l’uomo. In alcuni casi, ad esempio, possono essere utilizzati i carboni attivi che catturano i vapori di benzina.


    Filtri benzina
    I filtri benzina si sono evoluti in un arco di tempo lunghissimo e sono oggi elementi semplici ma molto efficaci. Il loro compito è quello di bloccare eventuali impurità contenute nel combustibile anche se, rispetto al caso dei filtri gasolio moderni, il problema è di portata inferiore. Sono composti da un contenitore in metallo che al suo interno contiene l’elemento filtrante. Possono essere classificati in filtri con cartuccia intercambiabile (con elemento filtrante generalmente in carta) e filtri a rete (sono normalmente presenti nel gruppo pompa immerso nel serbatoio). Questi ultimi in particolare sono costituiti da un elemento in acciaio o talvolta in materiale sintetico (come ad esempio la poliammide) e vengono utilizzati per eseguire una prima operazione di pulizia laddove il carburante viene prelevato (e cioè nel serbatoio).
    Tra i filtri legati al sistema di alimentazione del carburante un cenno particolare lo meritano le cosiddette trappole per gli HC. Questo problema è molto sentito sui motori a benzina e nasce nel momento in cui il motore viene spento. In questo caso la benzina presente nei collettori e in camera di combustione evapora e risale i collettori di aspirazione fino a raggiungere l’ambiente esterno. Questo problema viene risolto con gli apposito filtri per HC, noti anche come canister, in cui la presenza di carboni attivi intrappola le particella di HC che cercano di fluire verso l’esterno. Quando il motore viene nuovamente messo in moto, il flusso d’aria è tale da rimuovere le particelle di HC accumulate nel canister in modo tale da riportarle nel motore. Un tipico filtro a carboni attivi è in grado di assorbire e rilasciare particelle di HC dal peso minimo di 2 grammi. La durata di questi elementi è pari all’intera vita del motore e, in genere, garantiscono una vita media di 15 anni e una percorrenza di 240.000 chilometri.


    Filtri gasolio
    La buona riuscita di un filtro a gasolio, o meglio una progettazione attenta e un livello di produzione accurato e certificato, è fondamentale affinché questo componente possa soddisfare le esigenze dei moderni impianti di alimentazione a gasolio.
    Su questo argomento è bene precisare che i moderni common rail sono sistemi di iniezione particolarmente efficienti, ma allo stesso tempo molto sofisticati. Le tolleranze di lavorazione con cui i diversi componenti vengono realizzati sono molto strette. La capacità lubrificante del gasolio è invece fondamentale per evitare deterioramenti precoci di questi elementi che patiscono fortemente la presenza di umidità. I filtri del gasolio assumono in quest’ottica un’importanza strategica basilare e a loro è affidata la protezione di un sottosistema del motore particolarmente complicato oltre che vitale. Un filtro del gasolio che non svolge nei dovuti modi il suo compito può compromettere la funzionalità di un impianto di iniezione con conseguenti costi di riparazione e/o sostituzione dei ricambi di portata veramente elevata. È quindi banale dirlo, ma vale la pena ripeterlo, è meglio spendere qualche soldo in più per un filtro gasolio di ottima qualità che cercare il risparmio a tutti i costi.
    Un filtro gasolio nella sua forma più semplice è formato da un contenitore metallico all’interno del quale è alloggiato l’elemento filtrante. Come in parte anticipato poco sopra, lo scopo del filtro del gasolio non è solo quello di ripulire il combustibile da ciò che potrebbe danneggiare l’impianto di iniezione; la vera sfida dei filtri gasolio è la separazione dell’acqua dal gasolio stesso, un’operazione fondamentale che richiede tecnologie di ultimissima generazione. L’acqua presente nel gasolio, se arriva ai componenti dei moderni sistemi di iniezione ne può compromettere seriamente la loro funzionalità a causa della diminuzione del potere lubrificante.
    L’operazione di separazione dell’acqua dal gasolio sfrutta la differente densità esistente tra i due liquidi. L’acqua così separata si raccoglie quindi in un serbatoio al di sotto del filtro. Questo sistema di filtrazione utilizza le proprietà idrorepellenti di alcuni materiali. Quando però le gocce d’acqua sono molto piccole può essere che un sistema del genere fallisca e l’idea di aumentare la superficie idrorepellente non è certo in linea con la volontà di rimpicciolire sempre più i componenti presenti nel vano motore.


    Filtri olio
    Questo tipo di filtro è, al pari di quello della benzina, un componente che oggi beneficia di uno sviluppo che dura ormai da molto tempo. È semplice nella sua struttura, ma il suo apporto in termini di filtrazione è fondamentale per conservare inalterato lo stato di pulizia del lubrificante. L’intrappolamento di particelle all’interno della propria matrice deve però essere tale da non compromettere in maniera sensibile le sue capacità di smaltimento del flusso. In altre parole, la portata del filtro non deve mai scendere sotto certi valori e quindi le perdite di carico che si generano per l’intasamento del filtro stesso non devono mai salire eccessivamente. È un componente che costa relativamente poco e che vale la pena sostituire almeno con la frequenza prescritta dal costruttore. Se si anticipano i tempi di sostituzione sicuramente non è un male per il motore. In ogni caso è un elemento che va rimosso e cambiato tutte le volte che si procede al cambio del lubrificante.
    Un filtro olio nelle sue linee essenziali è costituito da un materiale poroso rinchiuso all’interno di un contenitore provvisto di canalizzazioni per il passaggio del lubrificante. Quest’ultimo è costretto a seguire una via obbligata che lo costringe a passare nelle maglie dell’elemento filtrante che, nei casi più comuni, è realizzato con materiale derivante dalla carta. La dimensione dei pori consente il passaggio di particelle di dimensioni inferiori a quelle dei contaminanti. L’elemento che si occupa di filtrare il lubrificante deve resistere all’aggressione chimica da parte dello stesso e alle sollecitazioni meccaniche di pressione generate all’interno del circuito di lubrificazione (proprio per questo motivo, in generale, l’elemento attivo del filtro è chiuso all’interno di una gabbia di acciaio). Durante l’esercizio il filtro tende a intasarsi e ciò rischia di diminuirne le capacità di portata con ovvie conseguenze negative sulla sua perfetta funzionalità. I filtri più ricercati, e tipicamente quelli utilizzati su motori più prestazionali o su vetture da competizione, utilizzano un elemento filtrante in materiale sintetico.


    Filtri antiparticolato e altro
    Sono filtri comparsi in questi ultimi anni con lo scopo di abbattere le tradizionali emissioni di polveri dei motori a gasolio. Sono un ritrovato tecnologico importante, costoso, che richiede logiche di funzionamento molto precise. Grazie a essi è possibile, con le leggi attuali e con una vettura a gasolio Euro 4, viaggiare anche nelle giornate di blocco totale del traffico. Non sempre però funzionano nel modo migliore.
    Un filtro antiparticolato è generalmente costituito da un elemento attivo in ceramica e acciaio. La separazione del particolato emesso dai motori Diesel avviene molte volte per via elettrostatica (una pratica molto utilizzata sui veicoli industriali). Questi filtri vanno di tanto in tanto rigenerati, ossia puliti. L’operazione viene portata a termine iniettando una surplus di gasolio che procede a bruciare definitivamente il particolato.
    Come noto i motori Diesel si trovano sotto i riflettori anche per un altro importante motivo: le emissioni di ossidi di azoto sensibilmente superiori a quelle dei motori a benzina. Proprio per questo motivo recentemente è stata messa a punto una tecnologia nuova atta a porre un rimedio a tal problema. La riduzione catalitica selettiva, che in lingua inglese è abbreviata con l’acronimo SCR (Selective Catalytic Reduction) è un sistema che prevede l’iniezione allo scarico di una soluzione di urea e acqua. Quando l’urea raggiunge il catalizzatore viene convertita in ammoniaca che a sua volta partecipa alla trasformazione degli ossidi in semplice azoto e acqua, due componenti non inquinanti.
    Sembrerà incredibile, ma anche per una tecnologia di questo tipo è richiesto l’uso di un apposito filtro che sia in grado di proteggere gli elementi che costituiscono l’impianto di iniezione allo scarico. La tecnologia SCR viene offerta oggi da DaimlerChrysler e da Bosch. Nel primo caso di parla di sistema BlueTec nel secondo di Denoxtronic. La soluzione di urea e acqua è invece conosciuta con il nome commerciale di AdBlue.


    Articolo di Roberto Balotto pubblicato su Notiziario Motoristico (febbraio 2007)

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