Locomotiva Diesel Idraulica: Funzionamento e Storia
La trazione diesel arrivò in ferrovia per motivi che nulla avevano a che fare coi costi di gestione, anche perché si diffusero inizialmente negli Stati Uniti.
Era l’inizio degli anni Quaranta quando le mastodontiche locomotive articolate tipo Mallet “Big-Boy” viaggiavano da una costa all’altra del Nuovo Mondo, 541 tonnellate di peso, 4000 di capacità di traino e 6400 CV di potenza massima. Era lo stato dell’arte delle caffettiere dell’epoca e nessuno fu in grado di costruirne di più grandi.
Nel frattempo la trazione a vapore, sopravvissuta molto più a lungo che nel Vecchio Continente, cominciava a dimostrare i suoi limiti; fra questi, il fatto di… mancare di coppia ai bassi: la massima potenza di una locomotiva a vapore viene sviluppata ad una certa velocità e quindi le partenze sono il punto debole.
Poi c’è tutto il resto: fumo, condensa ecc.ecc.
A New York vietarono la circolazione all’interno del tessuto urbano alle locomotive a vapore, non tanto perché a qualcuno importasse qualcosa dell’inquinamento ma perché la fuliggine non era cosa gradita.
Fu allora che elettrificarono il corridoio Boston-New York-Washington dove sfrecciavano le mastodontiche GG1, un’operazione costosa che rimase un caso praticamente isolato oltreoceano; serviva una forma di propulsione più pulita e veloce, ma anche versatile, flessibile.
Una locomotiva che, possibilmente, non richiedesse mezza giornata per accendersi e raffreddarsi e qualcuno che rabboccasse il focolare di notte.
In vari paesi europei, come vi abbiamo raccontato nell’articolo delle littorine, erano stati fatti esperimenti realizzando piccole automotrici endotermiche, con motori di derivazione automobilistica inizialmente a benzina, dimostrando che la forma più comoda per trasportare l’energia era (ed è ancora) quella liquida.
Ma il Diesel era una tecnologia giovane.
Pesava, costava ed era complicata; all’inizio riscosse successo solo sulle navi, dove il peso era un problema fino a un certo punto.
Il primo salto di qualità fu il passaggio dall’iniezione pneumatica a quella meccanica, con la diffusione delle prime pompe in linea.
Verso l’inizio degli anni Trenta la potenza specifica dei motori scese gradualmente da 45 a 10 kg/CV e tutto cambiò.
Agli americani non parve vero.
L’Italia, data la sua dipendenza energetica dal resto del mondo, era interessata anche al lato economico della faccenda e quindi fiutò l’affare.
Dopo il secondo conflitto mondiale, visto il successo delle littorine (che rimanevano però materiale leggero per linee passeggeri poco trafficate) e frettolosa di pensionare le locomotive a vapore, iniziò a chiedere in giro se qualcuno aveva voglia di fabbricare macchine Diesel pesanti per il traino di carrozze passeggeri tradizionali o di treni merci.
Entrambe avevano esperienza coi motori Diesel e costruirono le rispettive versioni di diversi gruppi di littorine.
Il compito era tutt’altro che scontato.
In Italia le principali direttrici erano già tutte elettrificate e quindi non servivano locomotive particolarmente grosse e potenti, come ad esempio le Class 55 Deltic inglesi.
Serviva piuttosto una macchina agile e leggera in grado di procedere con disinvoltura nei peggiori raccordi stretti e sull’armamento più indecente possibile.
Insomma non occorreva un Concorde, o un 747, ma un ATR72 (col kit per le piste sterrate).
Se riguardo alla motorizzazione le idee erano più o meno chiare, altrettanto non si può dire della trasmissione.
Anzi, in un’epoca in cui era ancora tutto da inventare, era l’incognita maggiore nella progettazione di una locomotiva.
Un motore endotermico alternativo deve stare acceso a un regime minimo e la curva di coppia è sfavorevole, tantopiù per motori di grande cilindrata per i quali la potenza massima si ottiene a circa 1500 giri.
Lo scarsissimo attrito fra ruote e rotaie richiede di dosare accuratamente la coppia in fase di partenza per muovere centinaia di tonnellate senza strappi e pattinamenti: niente gioca a favore.
Tipologie di Trasmissioni
Esistono diverse tipologie di trasmissioni utilizzate nelle locomotive diesel, ognuna con i propri vantaggi e svantaggi:
- Meccanica: Ha un rendimento molto elevato ma anche diverse componenti sottoposte ad attrito, essendo simile a una trasmissione automobilistica, come frizione, sincronizzatori… Quasi sempre cambio e frizione sono comandati per via idraulica o pneumatica complicandone alquanto il comando. A volte si rende necessario un giunto idraulico per ammortizzare gli avviamenti. È dunque stata utilizzata solo su materiale leggero, come la lunga dinastia delle littorine Fiat, e su piccole locomotive da manovra (come le sogliole Badoni).
- Idrostatica (o idrodinamica o idromeccanica, a seconda di com’è realizzata): è quella delle tre con rendimento inferiore, ma è molto più adatta di quella meccanica a sopportare carichi impegnativi e ha una massa tutto sommato contenuta. Per questo è stata adottata oltre che su convogli leggeri (come la versione diesel dei Minuetto) anche su locomotive da treno (su tutte le V200 tedesche: in Germania questo tipo di trasmissione è molto diffusa).
- Elettrica: è a mani basse quella più diffusa. Il motore termico muove un generatore che alimenta i motori di trazione, elettrici. È l’unica veramente adatta a carichi impegnativi, ha un rendimento accettabile, è mediamente affidabile ed è anche piuttosto flessibile. Per esempio, alcune locomotive merci elettriche moderne montano un piccolo generatore (chiamato modulo last mile) per muoversi negli scali non elettrificati, risparmiando l’uso di una locomotiva da manovra. Si parla in quel caso di locomotiva bimodale.
Ebbene, negli anni ’50 questi ragionamenti non erano così scontati e le FS decisero di sperimentare.
- D341: una preserie di una ventina di locomotive a trasmissione elettrica pesanti solamente 67 t, potenze nell’ordine del migliaio di kW.
- D461: questa, invece, è la più pesante locomotiva italiana mai costruita; infatti fu pensata per essere venduta all’estero. Peccato che non ne abbiano venduta mezza e che l’unico prototipo circolò per qualche anno in testa a pesanti treni rapidi, presentando qualche noia meccanica. È l’unica Diesel italiana a sei assi, necessari per spalmare sulle rotaie il suo dolce peso di 93 tonnellate. Vi dò una splendida notizia: l'hanno conservata.
Come spesso accade, gli ultimi due progetti, quelli più ambiziosi e visionari, rimasero esemplari unici e vinse la semplicità.
Alla fine le D.341 si dimostrarono superiori in tutto: prestazioni, rendimento, affidabilità.
Alcune di queste erano provviste di una caldaia a gasolio per far funzionare il riscaldamento nelle vecchie carrozze nate per le locomotive a vapore (dalle quali invece veniva spillato direttamente dalla caldaia); probabilmente consumava più del motore.
Quando nel 1991 le FS decisero di disfarsi di queste macchine, anziché rottamarle tutte ne vendettero parecchie ad imprese ferroviarie private (TFT ne aveva in esercizio un paio fino a due anni fa, in una tinta molto “giacca a vento anni ’80”, e sporadicamente le utilizza ancora) o ad aziende che lavorano nelle costruzioni ferroviarie.
In quest’ultimo caso servono a trainare i mezzi da cantiere e i rimorchi con i materiali, certamente un impiego meno gravoso come chilometri e caratteristiche del servizio, con il risultato che se ne vedono ancora in giro, dipinte con sgargianti tinte antinfortunistiche al posto dell’elegante verde-castano di serie, che sgobbano per i binari in perfetta forma.
Le D.341.1041 e .1063 sono state costruite dalla Aerfer, parte del gruppo Alfa Romeo.
Non si può dire altrettanto delle 342, le quali, è bene notarlo, sono un gruppo di macchine abbastanza eterogeneo poiché prodotte da aziende diverse con diverse motorizzazioni; non risulta che ne siano rimaste in circolazione dopo il 1990.
La strada è spianata e arriva il momento di fare le cose fatte bene: nasce il progetto delle cosiddette “Diesel unificate”.
Vale a dire delle macchine standardizzate, universali, multiruolo, costruite su un unico disegno che le FS potevano assegnare a qualsiasi costruttore privato avesse voglia di produrle e quindi permettendo la compatibilità dei ricambi tra macchine diverse; non importava quale fosse il costruttore, se Breda, Fiat, o Ansaldo.
Disegnarono quindi due macchine molto simili, dall’estetica accattivante e che si distinguevano immediatamente dalle 341 per l’assenza delle porte di intercomunicazione sulle testate, a tutto vantaggio del comfort in cabina.
Erano nate le nuove D.343 e D.345.
La Locomotiva Ansaldo D.2311: Un Prototipo Pionieristico
Non conoscevo la storia delle prime motrici diesel italiana: ne ho scoperto parte (la locomotiva Ansaldo D.2311) leggendo il bellissimo libro “La trazione diesel delle FS” di Marini e Ianotta, il cui acquisto mi era stato suggerito da Gigi Voltan.
Mi ha molto incuriosito, e mi sono quindi messo (come al solito) a fare ricerche in Internet, e come spesso accade qualcosa sono riuscito a trovare.
Vedremo quindi qui la storia di interessanti motrici, alcune delle quali sembrano essere l’anello di congiunzione tra le locomotive a vapore e quelle endotermiche.
Asportati forno e caldaia (che fu restituita alle FS come ricambio per motrici consorelle), della locomotiva si mantennero telaio, rodiggio e biellismi.
Questi ultimi erano spinti dall’aria compressa satura di vapore prodotto da una piccola caldaia: l’aria veniva prodotta da un compressore a due stadi rotativo Winterthur azionato da un motore Diesel da 330 HP, e i gas di scarico di quest’ultimo era previsto collaborassero scaldando ulteriormente l’aria compressa (anche se in pratica questo passaggio fu omesso).
I meccanismi usati per la trazione erano poi gli stessi delle locomotive a vapore.
Ma perché ricorrere a una trasmissione pneumatica?
Il problema era che non si riusciva ad accoppiare direttamente il motore diesel agli organi di trazione come si fa con le automobili a causa della elevata potenza erogata da un grosso diesel.
Lo si poteva fare su automotrici che, come un bus o un camion, dovevano muovere solo se stesse e il proprio carico, e al massimo una rimorchiata.
A parte la trasmissione pneumatica, che ebbe il pregio di permettere le sperimentazioni iniziali, ma che alla lunga non avrebbe avuto successo, le soluzioni possibili erano dunque quelle che troviamo sulle motrici moderne: quella diesel-elettrica e quella diesel-idraulica.
Ha il vantaggio di essere assai semplice, ma all’epoca una soluzione di questo tipo rischiava di essere molto pesante, e quindi inapplicabile alle ferrovie.
Era invece probabilmente di limitata potenza, e quindi a trasmissione meccanica, un’altra motrice termica della quale sappiamo pochissimo: la Laviosa T4.
Nel dopoguerra, i miglioramenti tecnici sia dei motori diesel che di quelli elettrici avrebbero reso la trazione diesel-elettrica conveniente.
La trasmissione idraulica è affidata a convertitori di coppia e giunti di trasmissione a fluido: sostanzialmente il motore diesel mette in movimento delle giranti alettate (dette primarie) che fanno circolare un fluido incompressibile, il quale a sua volta aziona delle giranti alettate collegate alle ruote motrici.
Si tratta quindi di una sorta di propagazione meccanica (o meglio, fluidodinamica) del movimento, concettualmente non dissimile da una trasmissione ad ingranaggi ma più semplice di quest’ultima, e soprattutto ad azionamento più progressivo.
Sostanzialmente può ricordare il funzionamento di un mulino ad acqua, nel quale il moto di un fluido viene usato per azionare una ruota.
Il problema della interconnessione diretta (meccanica) del motore endotermico agli organi di trasmissione sta proprio nella mancanza di progressività iniziale, ovvero nella scarsa coppia fornita allo spunto.
Basti pensare a quel che accade alzando troppo velocemente la frizione quando si guida una macchina: il motore non ce la fa e si spegne, ed una delle più classiche difficoltà dei patentandi è proprio imparare a dosare la frizione con dolcezza.
Se poi la partenza è in salita, le cose sono ancor più delicate!
I tecnici dunque cercarono di percorrere anche un’altra strada: usare una trasmissione meccanica, ma dare “un aiutino” in partenza.
Ricordate lo Zecchino d’oro? “Dai, dai, dai, degli una spinta…”
Come fare?
Il principio seguito era di immettere dell’aria compressa nei cilindri del motore, mettendo così in moto il convoglio.
Una volta raggiunta una sufficiente velocità (pochi Km/h erano sufficienti) si iniziava a iniettare il carburante e il motore iniziava a svolgere il suo compito.
L’iniezione d’aria compressa però provocava un forte raffreddamento delle pareti dei cilindri, con conseguente difficoltà nell’inizio del funzionamento a combustione.
A partire dal 1919 se ne iniziò ad occupare Ansaldo: erano tempi in cui le aziende italiane facevano della sana ricerca industriale…
Preso atto delle difficoltà generate dall’iniezione di aria compressa nei cilindri decisero di basarsi sullo stesso principio, disaccoppiando però il meccanismo.
Sostanzialmente si pensò di mantenere un meccanismo di distribuzione analogo a quello delle locomotive a vapore, azionandolo ad aria compressa solo per il tempo necessario per “dare una spinta” iniziale, muovendo il convoglio.
A quel punto si accendeva il motore diesel che poteva eseguire senza difficoltà la sua funzione.
Durante la marcia era possibile usare (ad esempio in discesa, o nei rallentamenti) l’energia cinetica per ricomprimere l’aria nel bombolone così da averne sempre scorta sufficiente per la delicata fase di avvio.
Su questi principi Ansaldo aveva progettato un’intera famiglia di motrici per una vasta gamma di esigenze.
Quella realizzata, la D.2311, era intermedia ed era la più eclettica, essendo destinata a servizi misti sulle linee principali.
Lunga 14,2 m fuori respingenti, aveva una massa totale di 84 tonnellate in servizio, di cui 45 di peso aderente.
Per confronto, una locomotiva a vapore Gr 740, più o meno coeva (fu costruita fino al 1922) sviluppava 980 HP, raggiungeva i 65 Km/h, aveva una massa in servizio di 66 t (56 t aderenti) ed era lunga 18.075 incluso il tender a tre assi.
Sempre per confronto, i primi prototipi della E.626, costruiti negli stessi anni, fornivano ben 1810 HP , erano omologati per i 95 Km/h in versione passeggeri e 50 Km/h in versione merci (E.625), erano lunghi 14,95 m e pesavano 84,5 t (completamente aderenti).
Erano previste altre tre macchine, con potenze e prestazioni assai eterogenee.
La più piccola era la D.1302 e sarebbe stata destinata al traffico viaggiatori su linee secondarie.
Lunga 12 m, aveva una massa totale di 49,5 tonnellate, di cui 40,5 di peso aderente.
La D.1413 era concepita per i servizi merci sulle linee principali, quindi con grande potenza (2200 HP) ma bassa velocità massima (55 Km/h).
con una massa di 100 tonnellate di cui 75 aderenti.
Con quei numeri avrebbero fatto concorrenza alle E.625!
Per finire, la macchina più grande e veloce avrebbe dovuto essere la D.1511: con i suoi 16,8 m, massa di 94 t in servizio di cui 66 t aderenti e una potenza di 1850 HP avrebbe dovuto raggiungere i 100 Km/h.
Andrebbe confrontata con la Gr 690 che sviluppava 1380 HP, aveva massa di 87,2 t di cui 54 t aderenti, velocità massima di 130 Km/h ed era lunga 22.75 m, tender incluso.
Come abbiamo detto, solo l’eclettica D.2311 venne realizzata: il prototipo fu la D.2311.001.
La sperimentazione si svolse tra il 19 marzo e il 3 maggio 1928 tra Genova Sampierdarena e Albenga, effettuando una dozzina di corse, in alcuni casi con la sola macchina, in altri trainando dei treni reali, per una massa trainata che arrivò fino a 568 tonnellate.
Durante la sperimentazione procedeva accoppiata con una locomotiva trifase di scorta, ma non ebbe mai bisogno di ausilio.
Le FS mostrarono interesse, e la sperimentazione venne estesa, ma vi fu un sfavorevole congiuntura.
Durante una serie di prove sulla Roma-Firenze si verificò un grave incidente nei pressi di Chiusi, nel quale il prototipo venne pesantemente danneggiato.
Nel frattempo era giunta la crisi economica, così la macchina non fu ricostruita e gli altri progetti rimasero nel cassetto.
Sarebbero allora passati molti anni prima che la trazione diesel si riproponesse in Italia, fino a dopo la grande tempesta della seconda guerra mondiale.
Locomotive Diesel Idrauliche: Esempi e Caratteristiche
Le vecchie D.342 appartengono a una delle tante fasi sperimentali delle Fs.
Entrate in servizio nel febbraio 1958, costituirono le prime locomotive diesel da treno azionate da un motore Diesel con cambio idromeccanico.
La trasmissione idraulica, sempre completata da organi meccanici (invertitori, riduttori ed eventuali cambi), si ha quando il motore termico è collegato a un convertitore di coppia motrice, il quale, attraverso un'apposita trasmissione, conferisce il moto alle ruote della locomotiva.
Realizzate in 18 unità dalla Ansaldo e in tre prototipi (due OM e uno Breda), le D.342 furono destinate alla trazione di treni viaggiatori locali e diretti di medio tonnellaggio - con qualche incursione nel servizio merci - sulle linee secondarie in sostituzione delle locomotive a vapore.
Per circa 30 anni, esse furono assai attive in Puglia, in Piemonte, in Sardegna, nella valle del Cadore e soprattutto in Toscana, sui binari intorno a Siena, dove poi conclusero la loro carriera.
Considerazioni Finali
La storia delle locomotive diesel idrauliche è ricca di sperimentazioni e innovazioni.
Ogni tipo di trasmissione presenta vantaggi e svantaggi specifici, e la scelta dipende dalle esigenze operative e dalle caratteristiche del servizio.
Le locomotive diesel idrauliche hanno giocato un ruolo importante nello sviluppo del trasporto ferroviario, contribuendo alla modernizzazione e all'efficienza del sistema.
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