Contropressione
Il fluido scorre attraverso un tubo a causa della differenza di pressione tra le due estremità di una tubazione. Il fluido scorre dall’estremità ad alta pressione all’estremità a bassa pressione. Consideriamo due sistemi come mostrato nella figura seguente. Il flusso in ogni caso è causato da una differenza di pressione tra P1 e P2. Il tubo 2 ha alcune ostruzioni (resti di saldatura, un riduttore, cambiamenti di area, curve strette, ecc.) che creeranno una caduta di pressione con conseguente minor scarico e una ridotta velocità di flusso.
La perdita di pressione o caduta di pressione è stata originariamente considerata come il risultato di una pressione esercitata in direzione opposta dalle ostruzioni, annullando o riducendo così la pressione applicata. Questa è l’origine del termine contropressione.
Un esempio comune di contropressione è quella causata dal sistema di scarico (costituito da collettore di scarico, convertitore catalitico, marmitta e tubi di collegamento) di un motore a quattro tempi automobilistico, che ha un effetto negativo sul rendimento del motore, con conseguente diminuzione della potenza erogata che deve essere compensata dall’aumento del consumo di carburante.
In un motore a due tempi a pistoni, invece, la situazione è più complicata, a causa della necessità di evitare che la miscela di aria e carburante incombusti passi attraverso i cilindri nello scarico. Durante la fase di scarico del ciclo, la contropressione è ancora più indesiderabile che in un motore a quattro tempi, poiché c’è meno tempo disponibile per lo scarico e la mancanza di azione di pompaggio da parte del pistone per forzare lo scarico fuori dal cilindro. Tuttavia, poiché la porta di scarico rimane necessariamente aperta per un certo tempo dopo che la pulizia è stata completata, la miscela incombusta può seguire lo scarico fuori dal cilindro, sprecando carburante e aumentando l’inquinamento. Questo può essere evitato solo se la pressione alla porta di scarico è maggiore di quella nel cilindro.
Queste esigenze contrastanti sono conciliate costruendo il tubo di scarico con sezioni coniche divergenti e convergenti per creare riflessioni di onde di pressione che risalgono il tubo e si presentano alla porta di scarico. La porta di scarico si apre quando c’è ancora una pressione significativa nel cilindro, che guida il flusso iniziale di scarico. Mentre l’onda di pressione dell’impulso di gas di scarico viaggia lungo il tubo, incontra una sezione conica divergente; questo fa sì che un’onda di pressione negativa venga riflessa su per il tubo, che arriva alla porta di scarico verso la fine della fase di scarico, quando la pressione del cilindro è scesa a un livello basso, e aiuta ad attirare il gas di scarico rimanente fuori dal cilindro. Più avanti lungo il tubo di scarico, l’onda di pressione di scarico incontra una sezione conica convergente, e questa riflette un’onda di pressione positiva che risale il tubo. Quest’onda è programmata per arrivare alla porta di scarico dopo che la pulizia è stata completata, “tappando” così la porta di scarico per prevenire la fuoriuscita della carica fresca, e può anche spingere indietro nel cilindro qualsiasi carica che è già fuoriuscita.
Siccome la tempistica di questo processo è determinata principalmente dalla geometria del sistema di scarico, che è estremamente difficile da rendere variabile, la tempistica corretta e quindi l’efficienza ottimale del motore può essere raggiunta tipicamente solo su una piccola parte della gamma di velocità operative del motore.
Per una descrizione estremamente dettagliata di questi fenomeni vedi Design and Simulation of Two-Stroke Engines (1996), del Prof. Gordon Blair della Queen’s University Belfast, pub. SAE International, ISBN 978-1-56091-685-7.
Si veda la descrizione estremamente dettagliata di questi fenomeni.