Il problema della filtrazione dell’aria negli autoveicoli.

Introduzione

Il sistema di filtrazione dell’aria nell’abitacolo delle autovetture è stato introdotto all’inizio degli anni ’90, onde evitare l’ostruzione dell’evaporatore dovuta all’accumulo di polveri e di altri inquinanti e alla loro miscela con il vapore acqueo.

I primi filtri erano fatti di fibre di vetro e la loro unica funzione era quella di ostacolare le particelle dell’aria a diametro maggiore.

Il filtro era posto davanti all’evaporatore in un punto in cui fosse facile da sostituire; il modulo di riscaldamento e ventilazione dell’aria condizionata (HVAC) però non era stato progettato considerando la presenza del filtro stesso. Dopo questa prima generazione di moduli HVAC, caratterizzati da sistemi di filtrazione dell’aria molto semplici, grazie ad una maggiore sensibilità presente sul mercato, il filtro è stato modificato in un componente più complesso con alta prestazione in termini di efficienza di filtrazione delle più piccole particelle di pulviscolo e, con l’introduzione del filtro combinato, anche degli inquinanti gassosi.

L’aumento ancora maggiore della diffusione dei sistemi di condizionamento automatici ha promosso l’introduzione di sensori per la qualità dell’aria. Questi dispositivi permettono la rivelazione dei gas riducenti o ossidanti (CO, HC, NO_x) e, tramite uno speciale algoritmo, il controllo del ricircolo.

 

Breve scenario di mercato.

Il tempo trascorso dalle persone sulle autovetture e sugli altri mezzi di trasporto su strada è in continuo aumento e l’ambiente dove essi si muovono è piuttosto inquinato. L’autista di una macchina è sottoposto, in un contesto urbano, ad una esposizione significativa al normale inquinamento da traffico che va aggiunto agli inquinanti comuni, quali pollini, o altre sostanze allergeniche o patogene, o anche microrganismi.Oltre a queste considerazioni, la letteratura mostra che l’abitacolo delle autovetture può agire come una sorta di accumulatore di inquinamento: il grado di inquinanti all’interno del mezzo di trasporto può perciò essere maggiore di quello esterno; (figura 1).

L’opinione pubblica e i mezzi d’informazione stanno dando sempre maggiore attenzione ai bisogni ambientali; negli ultimi anni sono state molto spesso menzionate le particelle di inquinanti note con il nome di PM10 (particelle dell’aria con diametro inferiore ai 10 mm) e i loro effetti sulla salute umana. Una prima conseguenza di quest’aumento di sensibilità è che i maggiori produttori di apparecchi domestici hanno messo sul mercato purificatori dell’aria per applicazioni private.Tutti questi fattori hanno contribuito all’aumento dell’importanza della filtrazione dell’aria dell’abitacolo e al controllo della qualità dell’aria stessa. Entro l’anno 2005 è previsto all’incirca il raddoppio delle dimensioni del mercato dei filtri dell’aria per le autovetture. Il mercato all’ingrosso supererà i 650 milioni di dollari, mentre la vendita al dettaglio supererà 1 billione di dollari.

Uno dei maggiori produttori di filtri stima che nel 2005 fino all’80% delle auto vendute negli Stati Uniti avranno filtri dell’aria installati come accessorio standard. Persino al giorno d’oggi molti valutano che il numero di nuove auto vendute in tale paese e dotate di sistema di filtrazione raggiunga il 50%.

I possessori di autovetture, sia negli Stati Uniti che in Europa sono, per la maggior parte, all’oscuro del fatto che le loro auto siano dotate di sistemi di filtrazione dell’aria e che i filtri vadano regolarmente sostituiti. L’intervallo consigliato per la loro sostituzione è di circa 300.000 Km; stanno comunque aumentando le raccomandazioni a questo proposito da parte dei negozi di riparazione.

 

Il prodotto attuale.

Il filtro dell’aria dell’abitacolo è normalmente posto davanti agli scambiatori di calore.  Due sono gli schemi maggiormente diffusi: nel primo tipo il filtro può intercettare sia l’aria fresca che quella di ricircolo, nel secondo tipo purifica solo l’aria fresca. Fra i due è normalmente preferito il primo. Il filtro è normalmente integrato nell’unità HVAC in una posizione che facilita la sua sostituzione.

I filtri di particelle possono avere forme molto differenti ma sono normalmente costituiti da un pannello pieghettato, fatto in tessuto nontessuto o in carta. In alcuni casi i più avanzati sistemi di condizionamento dell’aria (tipo Lancie Thesis) adottano un filtro combinato: uno strato di carboni attivi è aggiunto al mezzo di filtrazione delle particelle per assorbire gli inquinanti gassosi, in modo da ridurre anche i problemi legati all’olfatto.

Il filtro dell’abitacolo è normalmente caratterizzato dalla caduta di pressione e dall’efficienza di filtrazione delle particelle. I filtri combinati sono caratterizzati anche dall’efficienza di filtrazione verso alcune sostanze (es. N-butano), solitamente rappresentative degli inquinanti gassosi.

La caratterizzazione dei filtri è fatta seguendo lo standard DIN-71460.

La figura 2 illustra una tipica curva di caduta di pressione di un filtro nuovo; un filtro è considerato vecchio quando la caduta di pressione supera di 3 volte quella del modello nuovo. L’efficienza di filtrazione di un filtro comune è piuttosto alta per un’ampia gamma di diametri di particelle.La velocità dell’aria influenza l’efficienza: maggiore è la velocità e minore è l’efficienza.

La figura 3 illustra le curve ottenute dal Centro Ricerche Fiat utilizzando una concentrazione reale di particelle su di un nuovo filtro

Questo comportamento va tenuto in considerazione durante la selezione del filtro; il punto medio a cui lavora il sistema di condizionamento dell’aria corrisponde al flusso medio di aria e  quindi alla velocità media dell’aria sul filtro, identificando così l’efficienza di filtrazione media di un certo materiale.

L’efficienza di filtrazione riferita agli inquinanti gassosi mostra un comportamento simile agli inquinanti solidi.

 

Un semplice modello per selezionare il filtro più appropriato.

Poichè i dati di efficienza di filtrazione normalmente considerati (rapporto tra la concentrazione di inquinante prima e dopo il passaggio attraverso il filtro) vanno bene come considerazioni di laboratorio ma non rappresentano la reale condizione di lavoro, il Centro Ricerche Fiat ha sviluppato un modello dinamico in grado di valutare in modo realistico l’efficienza di un sistema di purificazione nel corso di un ciclo standard (es. NEDC), in condizioni costanti o in condizioni di temperatura esterna e di concentrazione di inquinanti variabili.

Il modello è stato organizzato in moduli indipendenti: ciascun modulo rappresenta una specifica funzione del sistema. Il veicolo è semplicemente rappresentato dalle equazioni di base dei componenti meccanici, mentre l’abitacolo è rappresentato tramite un modello costante a due tempi.

La funzione dell’autovettura è definita in termini di profilo di velocità, temperatura, umidità relativa, tempo di esposizione al sole e concentrazione di inquinamento dell’aria. Al momento si considera solo l’inquinamento dovuto a sostanze sottoforma di particelle, la prossima versione includerà anche l’inquinamento a sostanze gassose.

I moduli che costituiscono il modello sono i seguenti:

-         Veicolo

-         Abitacolo

-         Unità HVAC (riscaldamento, ventilazione e aria condizionata)

-         Sistema di filtrazione o di purificazione

La figura 4 illustra una elaborazione tipica.  Il risultato più evidente è che lo stesso filtro, accoppiato con tre diversi sistemi di Controllo Climatico, garantisce prestazioni molto diverse, in termini di concentrazione media di inquinanti nell’abitacolo. Questo differente comportamento è principalmente dovuto al fatto che l’efficienza del filtro cambia con la velocità dell’aria e che nella modalità “aria fresca” il rinnovo dell’aria è troppo elevato, se paragonato con l’efficienza di filtrazione a una via.

Ne deriva che la tecnologia di filtrazione più idonea va definita in base al modo di operare scelto per il condizionamento dell’aria e in base alle altre caratteristiche  del controllo climatico.

 

Conclusioni

I sistemi di filtrazione dell’aria dell’abitacolo rappresentano una funzione emergente. Il mercato attuale è in crescita grazie alla diffusione dell’aria condizionata e alla maggiore sensibilità della clientela alle questioni collegate alla salute.I dispositivi presenti sul mercato sono costituiti da un filtro fatto di tessuto-nontessuto o di carta e, in alcuni casi, viene aggiunto uno strato di carboni attivi per ridurre l’effetto di odori sgradevoli.L’efficacia del filtro è piuttosto buona (>90%) in termini di riduzione delle sostanze particolate di dimensioni maggiori; per quanto riguarda invece le particelle minori, con diametro inferiore ai 5 mm, l’efficienza di filtrazione varia dal 30 al 70%, in base al diametro stesso e alla velocità dell’aria.