Requisiti di tenuta più elevati nella produzione automobilistica

Una ragione per la crescente importanza delle prove di tenuta nell'ingegneria automobilistica sono i requisiti derivanti dall'obiettivo di ridurre le emissioni dai serbatoi e dalle linee di carburante. Anche gli scambiatori di calore per i sistemi di ricircolo dei gas di scarico per la riduzione degli ossidi di azoto devono essere testati per le perdite durante la produzione. Allo stesso modo, i nuovi refrigeranti che non sono dannosi per il clima ma sono altamente infiammabili, come l'R1234yf, comportano requisiti di tenuta più elevati. La tenuta stagna dei componenti gioca anche un ruolo importante nelle tecnologie per aumentare l'efficienza dei motori a combustione, che si tratti dell'intercooler per i motori turbo o dei sistemi di iniezione del carburante. I moderni sistemi diesel common-rail, per esempio, devono essere a prova di perdite a pressioni fino a 3000 bar. Naturalmente, la garanzia di qualità si estende anche ai componenti che sono direttamente rilevanti per la sicurezza, come i booster dei freni o i generatori di gas degli airbag. La ragione dei milioni di richiami di airbag che sono in corso da diversi anni: Nessuna umidità dell'aria può penetrare nei generatori di gas pirotecnici durante il loro ciclo di vita.

Esempio 1: scambiatore di calore
Il problema di testare raffreddatori e scambiatori di calore è da un lato la loro sensibilità alla temperatura legata alla funzione e dall'altro la loro complessa geometria. I risultati di un test a bagno d'acqua stanno e cadono comunque con l'attenzione del tester umano. Se, inoltre, una complessa struttura a costole del pezzo di prova fa sì che le bolle d'acqua possano uscire da una perdita ma non possano salire perché sono bloccate tra le costole, la prova del bagno d'acqua è ovviamente vana. Anche i test delle perdite di carico raggiungono i loro limiti nel contesto degli scambiatori di calore. I tassi di perdita più piccoli che possono essere idealmente determinati da una prova di caduta di pressione sono dell'ordine di 10-3 mbar∙l/s. Ma anche i più piccoli cambiamenti di temperatura possono portare a perdite. Ma anche i più piccoli cambiamenti di temperatura alterano le differenze di pressione che possono essere misurate. Questo perché se la temperatura sale durante il test, le perdite non vengono rilevate; se la temperatura scende, il test di caduta di pressione rileva le perdite fantasma. Un esempio: Se la temperatura in un pezzo di prova con 3 litri di volume e 2,5 bar di pressione dell'aria aumenta solo di 0,1 gradi durante un intervallo di misurazione di 20 secondi, questo aumenta la pressione interna a 2,50085 bar. Questo significa che qualsiasi tasso di perdita sembrerà essere 0,13 mbar∙l/s (=^ 8 sccm) meno di quanto sia in realtà. La differenza di temperatura di 0,1 °C provoca quindi un errore di misurazione nella prova di caduta di pressione che è cento volte maggiore del tasso di perdita limite del metodo.

Per essere in grado di testare in modo affidabile gli scambiatori di calore e i raffreddatori oggi, vengono utilizzati metodi di prova con gas. I gas di prova utilizzati sono di solito elio o il gas di formazione disponibile in commercio, una miscela non infiammabile di 5 % di idrogeno e 95 % di azoto. I fornitori automobilistici di tutto il mondo eseguono già più di 800 milioni di prove di tenuta sui sistemi di scambiatori di calore ogni anno - dai raffreddatori dell'olio motore e del ricircolo dei gas di scarico ai radiatori. Specialmente per le parti di piccole e medie dimensioni che devono essere testate solo contro possibili perdite di olio o acqua, si raccomanda il test nella camera di accumulazione semplice ed economica. Si tratta di misurare quanto gas di prova fuoriesce dal radiatore dell'olio, dell'acqua o dell'aria di sovralimentazione e si accumula nella camera di accumulazione in un intervallo di tempo specifico. In pratica, i test in elicottero nella camera di accumulazione determinano tassi di perdita fino a 1∙10-4 mbar∙l/s. In questo modo, l'impermeabilità all'acqua (tassi di perdita inferiori a 10-2 mbar∙l/s) e all'olio (tassi di perdita inferiori a 10-3 mbar∙l/s) può essere garantita.

Esempio 2: il condizionatore d'aria
I cambiamenti nel campo dei sistemi di condizionamento dell'aria usati nelle automobili stanno anche rendendo più severi i requisiti di tenuta. Questo perché i gas fluorurati a effetto serra altamente dannosi per il clima, come l'R134a, stanno per essere eliminati per sempre. A partire da gennaio 2017, nessuna auto di nuova produzione nell'UE potrà utilizzare l'R134a come refrigerante nei loro sistemi di aria condizionata. Tuttavia, le soluzioni alternative come il refrigerante R1234yf sono infiammabili anche a basse temperature e possono reagire per formare acido fluoridrico altamente corrosivo quando sono esposte al calore. Poiché l'R1234yf è più costoso dell'R134a, ai produttori piace anche calcolare con una riserva inferiore di refrigerante per il loro sistema, il che aumenta anche i requisiti di tenuta stagna. L'R1234yf è attualmente favorito dai produttori di automobili in Asia e negli Stati Uniti, mentre l'anidride carbonica (CO2) è un'alternativa popolare tra i produttori di automobili tedeschi. Tuttavia, la CO2 pone dei requisiti tecnici speciali a un sistema di condizionamento dell'aria, perché viene utilizzata a una pressione d'esercizio significativamente più alta, fino a 120 bar. In ogni caso, i requisiti di tenuta dei sistemi di condizionamento dell'aria e dei loro componenti sono in aumento. La vecchia regola empirica di 5 g di R134a, che può perdere per anno e punto di connessione, è obsoleta a causa dei nuovi refrigeranti.

Una perdita di refrigerante di 5 g/a corrisponde a un tasso di perdita di elio di 4∙10-5 mbar∙l/s. Attualmente, la maggior parte dei componenti dell'aria condizionata - che si tratti di evaporatori, condensatori o valvole di carica - sono ancora testati contro tassi di perdita nell'ordine di 10-4 a 10-5 mbar∙l/s. Per i tubi dell'aria condizionata, per esempio, viene utilizzato un test dell'elio nella camera a vuoto. Il test dell'elio nella camera a vuoto ad alta densità misura quanto elio sfugge dal pezzo in prova nel vuoto della camera attraverso una perdita. Rispetto al test nella camera di accumulo semplice, il test nella camera a vuoto complessa ha il vantaggio di tempi di ciclo più brevi. Anche la sensibilità è maggiore - in condizioni ottimali, tassi di perdita fino a 1∙10-12 mbar∙l/s possono essere determinati con il metodo del vuoto.

Anche se i costruttori di automobili si aspettano che il fornitore effettui un controllo di qualità e una verifica delle perdite, una prova di tenuta è ancora necessaria dopo l'installazione dell'impianto di climatizzazione nei tre o sei punti di collegamento dell'impianto di climatizzazione che il costruttore di automobili ha installato lui stesso. I costruttori di automobili si preoccupano quindi di mantenere il numero di tali giunti il più basso possibile, soprattutto perché questi punti sono di difficile accesso, soprattutto nel caso di veicoli più costosi con rivestimenti più elaborati verso l'interno. La prova di tenuta dei giunti viene poi solitamente effettuata durante l'assemblaggio finale con un rilevatore di perdite sniffer. In passato, si usava l'elio o il gas di formazione come gas di prova, ma oggi i rilevatori di perdite sniffer spesso rilevano direttamente i rispettivi refrigeranti misurando le tracce di perdite di R134a, R1234yf o CO2.

Esempio 3: componenti del carburante e sistemi di iniezione
In generale, i sistemi di carburante, i serbatoi e le linee di carburante sono soggetti a requisiti di tenuta sempre più rigorosi. Uno dei motivi di questa situazione sono i severi regolamenti statunitensi e soprattutto californiani per la prevenzione delle emissioni di idrocarburi. Questo rende problematico anche l'uso di plastiche permeabili. I serbatoi e le linee di carburante sono quindi testati oggi da molti produttori contro tassi di perdita da 10-4 a 10-6 mbar∙l/s - il che rende necessaria una prova di tenuta integrale con test ga-ses. Per le parti più piccole come gli iniettori di carburante o i serbatoi delle moto, il test dell'elio nella camera di accumulo è una buona scelta. Tuttavia, poiché il limite di rilevamento del metodo di accumulo dipende dal volume libero della camera di prova, i pezzi molto grandi vengono testati con il metodo del vuoto.

Gli iniettori e le pompe a benzina, per esempio, sono testati con elio nella camera di accumulo contro tassi di perdita nell'intervallo da 10-4 a 10-5 mbar∙l/s. Ma i moderni sistemi d'iniezione common-rail hanno spesso requisiti di perdita ancora più elevati a causa delle pressioni particolarmente elevate a cui vengono fatti funzionare - i tassi di perdita limite qui vanno fino a 10-6 mbar∙l/s.

Esempio 4: Airbag
È ben noto: Problemi di qualità con i generatori di gas degli airbag hanno recentemente portato a diversi - e interminabili - richiami di veicoli. Oggi, se i fornitori vogliono escludere la possibilità che l'umidità penetri nei generatori di gas pirotecnici, di solito testano contro un tasso di perdita di 10-6 mbar∙l/s. Spesso, un metodo speciale di gas di prova viene utilizzato per questo scopo. Spesso si usa un metodo speciale di gas di prova per questo scopo: il cosiddetto bombardamento. Nel metodo di bombardamento, il detonatore viene prima sottoposto a una sovrapressione di elio in una camera di pressione, in modo che il gas di prova penetri attraverso eventuali perdite all'interno del pezzo di prova. Il detonatore è poi posto in una camera a vuoto. Dopo l'evacuazione della camera a vuoto, l'elio che è penetrato nella parte in prova può uscire nella camera ed essere misurato lì dagli spettrometri di massa. I requisiti di tenuta per i generatori di gas freddo per gli airbag sono un po' più alti che per i generatori pirotecnici. Di solito contengono una miscela elio-argon. Affinché questa miscela di gas possa gonfiare l'airbag quando viene rilasciato, è sotto un'alta pressione che deve essere mantenuta per almeno dieci anni - alcuni produttori calcolano anche più di 15 anni. La tenuta dei generatori di gas freddo viene quindi testata anche nella camera a vuoto, spesso con un tasso di perdita di 10-7 mbar∙l/s. Qui, naturalmente, il contenuto di elio della miscela elio-argon in fuga può essere rilevato direttamente, senza la deviazione attraverso il bombardamento.

I metodi dei gas di prova rimangono indispensabili
Che si tratti della riduzione delle emissioni, dell'aumento dell'efficienza dei motori a combustione o della sicurezza dei veicoli, ci sono molte ragioni per la crescente importanza delle prove di tenuta nell'ingegneria automobilistica. Per i fornitori e i costruttori di veicoli, non c'è modo di aggirare i moderni metodi basati sui gas di prova. Le unità del futuro non cambieranno questo in modo decisivo. Le prove di tenuta sono anche necessarie in tutte le fasi della produzione di batterie per veicoli EV/HEV. Ogni singola cella di batteria - che viene poi assemblata in moduli di batteria e poi in pacchi di batterie - deve essere protetta in modo affidabile contro l'ingresso di aria e umidità. Per questo motivo, le singole celle della batteria sono già testate contro tassi di perdita limite da 10-5 a 10-6 mbar∙l/s nella camera a vuoto. In questo modo, la prova di tenuta con i gas di prova per la produzione automobilistica rimane probabilmente
continuerà ad essere indispensabile in futuro.