tram e trasporto pubblico a Roma

Sistemi di trazione

Trazione termo-elettrica sistema Pieper

L'auto ibrida è veramente un'invenzione di oggi?

 

Dettagli costruttivi dal brevetto Pieper, 1909.

Nella maggior parte dei casi le "invenzioni" che riprendono sistemi o concetti già in passato tentati e risultati, per qualche motivo, inapplicabili, danno esito scarso, se non fallimentare e molti esempi ne abbiamo avuto, a cominciare dall'infelice Stream (Ansaldo, 1998) per finire agli innumerevoli tram senza fili, tram senza rotaie, tram senza tram, ecc.; ma non sempre e qui vogliamo narrare proprio di uno di questi casi felici, le auto ibride che derivano direttamente da un'idea dei primi anni del Novecento.

Primi anni del secolo XX: il motore a combustione interna, benchè inventato una cinquantina di anni prima da Barsanti e Matteucci, solo dagli anni Ottanta del secolo precedente è entrato nell'uso industriale e già molti tentativi sono in corso per adattarlo alla trazione; il motore rivela interessanti doti, ma anche molte limitazioni, tra le quali la più indisponente è la ristretta gamma dei parametri di funzionamento nella quale è utilizzabile con un buon rendimento: in particolare la coppia motrice e la potenza fornita sull'asse motore raggiungono valori convenienti solo in limitate fasce di velocità, spesso nemmeno coincidenti. Ciò è mostrato, ad esempio, nella figura sottostante che si riferisce ad un motore Daimler da 18 HP a quattro cilindri del 1907, destinato a funzionare tra 250 e 1400 g/m: la coppia massima di poco più di 16 Kgm si ha tra 300 e 600 g/m, mentre la potenza massima di circa 18 HP si ottiene solo tra 1000 e 1200 g/m. Accoppiando direttamente il motore alle ruote motrici, ben difficilmente si otterrebbe un risultato soddisfacente: è probabile che il rotabile non riuscirebbe nemmeno ad avviarsi.

Ecco quindi la necessità di inserire tra motore e ruote motrici un convertitore di coppia, ossia un dispositivo che ricevendo dal motore la potenza motrice ad una velocità conveniente, ad es. 1000 g/m nell'esempio precedente, la possa trasferire alle ruote motrici ad una velocità più ridotta con una coppia maggiore, ad es. a 280 g/m e 50 Kgm. Il primo convertitore di coppia utilizzato fu quello di più immediata applicazione, una coppia di ingranaggi; anzi di coppie di ingranaggi se ne provvidero più d'una per adattare il rotabile a varie situazioni, giungendo così all'usuale cambio di velocità meccanico.

Ma dal punto di vista costruttivo la situazione era tutt'altro che soddisfacente: occorreva anche un giunto svincolabile per poter inserire un qualsiasi rapporto di trasmissione, ossia per passare da una coppia di ingranaggi ad un'altra, giunto che avrebbe avuto anche la funzione di permettere l'avvio del rotabile da fermo; per ottenere la necessaria gradualità di funzionamento si utilizzò un giunto ad attrito, la frizione.

Anche se per più decenni a venire cambio e frizione sarebbero stati gli elementi base della gran maggioranza di rotabili con motore a combustione interna. già allora c'era chi pensava a sostituirli con mezzi diversi dalla semplice trasmissione meccanica, orientandosi su due possibili soluzioni, le trasmissioni idrauliche e quelle elettriche: scartate le prime per eccessive complicazioni costruttive, molti guardavano a soluzioni a mezzo dell'elettricità e del magnetismo, elementi sui quali regnava però una certa nebbia dovuta alla generale ignoranza o all'errata interpretazione di alcune leggi della fisica.

In quest'ordine di idee si collocano molte proposte di trasmissioni elettromagnetiche basate sul seguente semplicissimo principio: sostituiamo cambio e frizione con una macchina elettrica di tipo reversibile accoppiata ad una batteria di accumulatori. La macchina sarebbe stata una di quelle che al momento si chiamavano dinamo e che si intendeva utilizzare indifferentemente come motore e come generatore: come motore avrebbe dovuto incrementare la coppia motrice del motore termico in alcune fasi di funzionamento quali l'avvio e la marcia in salita, prelevando corrente dall'accumulatore, mentre in altre fasi, marcia per inerzia e in discesa, funzionando da generatore avrebbe ricaricato l'accumulatore esercitando nel contempo, se necessario, anche un'azione frenate elettrodinamica.

E' facile immaginare che, stante la tecnologia dell'epoca, l'invenzione avrebbe avuto scarse possibilità di avere successo: il principio di reversibilità delle dinamo, anche se fisicamente corretto, non era di facile applicazione e quanto agli accumulatori, questi si presentavano come cassette contenenti liquidi e altri oggetti, pesanti e inadatti al montaggio sui rotabili e di scarso rendimento elettrico. Ciò nonostante, qualche applicazione dell'idea si ebbe, anche se con molte limitazioni, specialmente su rotabili ferroviari, lo stato delle strade di allora e le pendenza che le stesse spesso presentavano sconsigliando gli audaci inventori a cimentarsi nella trazione stradale.

La trasmissione Pieper

Il principio sopra descritto fu applicato, verso il 1904, da una nota fabbrica belga, gli Anciens Etablissements Pieper di Herstal in Belgio, alla propulsione di automotrici ferroviarie, forse perchè l'applicazione alla trazione stradale presentava al momento problemi forse più ardui da risolvere.

Henri Pieper (1840-1898), nato da modesta famiglia tedesca a Soest in Westfalia, emigrato in Belgio alla fine del 1859, nel 1866 avviò a Liegi una fabbrica di armi da fuoco che divenne in breve una delle maggiori imprese del settore nel continente; oltre alle armi tradizionali sperimentò anche, invero con scarso successo, armi ad azionamento elettromagnetico. Il Pieper dette alla sua invenzione il nome di traction en recuperation et tamponnage, ossia trazione a recupero e in tampone, per la caratteristica di avere l'accumulatore che si collega alla dinamo in fase di ricarica e al motore in fase di trazione.


Henri Pieper.

Sull'albero A del motore a combustione interna M dotato dell'usuale volano V è calettato il rotore di una macchina a corrente continua E eccitata in derivazione, costruita in modo da poter funzionare da motore o da generatore a seconda della velocità attuale di marcia (nel seguito la chiameremo motogeneratrice, non trovando un termine migliore), collegata ad un accumulatore B attraverso il regolatore H; tramite il giunto a frizione a comando elettromagnetico G, l'albero può essere prolungato alla coppia conica D che, eventualmente con un differenziale (caso di un rotabile per strada ordinaria), aziona l'assale delle ruote motrici; il giunto G permette anche il disinnesto e la frenatura dell'albero condotto e quindi del rotabile. Il regolatore è costituito da un attuatore elettromagnetico differenziale H che aziona una valvola a farfalla posta sull'aspirazione del motore termico; in fase di carica della batteria gli avvolgimenti 1 e 2 hanno azione concordante e la valvola a farfalla si sposta verso la chiusura; in fase di scarica, viceversa, l'azione discordante di 1 e 2 sposta la farfalla verso l'apertura. Il punto di funzionamento del regolatore, ossia la velocità del rotabile in corrispondenza dei quali varia la posizione della valvola a farfalla è determinato, per ogni valore della corrente di eccitazione della motogeneratrice, dall'azione, regolabile, di una molla antagonista.

Il motore termico impiegato dal Pieper per la sua invenzione è un motore a due tempi e come tale dotato di distribuzione senza valvole, qui del tipo detto a foderi, nel quale tra pistone e superficie interna del cilindro scorre una camicia intermedia, detta appunto fodero, che con luci opportunamente disposte in relazione ad altre analoghe presenti sul cilindro provvede all'esecuzione delle varie fasi del ciclo. Nell'applicazione del Pieper, i foderi possono ruotare di un certo angolo sull'asse longitudinale predisponendo il motore alla marcia nei due sensi di moto con due diverse serie di luci; la rotazione dei foderi è comandata da una "elettrocalamita", che oggi chiameremmo attuatore elettromagnetico. Sembra anche che il Pieper avesse eliminato il magnete di accensione, sostituendolo con due distinti circuiti a bobine di induzione, uno per ogni senso di marcia, facenti capo a due candele distinte per cilindro. L'unica applicazione industriale della distribuzione a foderi sembra essere stata il motore Knight ideato nei primi anni del secolo dall'americano Charles Yale Knight (1868-1940); nel 1910 il brevetto passò alla Mercedes e fu utilizzato fino al 1924 circa su alcune autovetture commerciali.


Motore Pieper.
F, fodero; L, luci di alimentazione e scarico; C, albero di distribuzione e biellette di comando foderi; K, candele di accensione.

I comandi per la condotta del rotabile sono:

La condotta del rotabile si svolge nelle seguenti fasi.

  1. Avviamento del motore termico. Si svincola il giunto G; si porta R in prima posizione dando la massima eccitazione alla motogeneratrice, che si avvia come motore e trascina il motore termico, che si avvia anch'esso; il regolatore H, nel quale le due bobine sono ora alimentate in modo discordante, comanda la massima apertura della farfalla e il motore termico aumenta di velocità.
  2. Avviamento e regime del rotabile. Chiudendo il giunto G il rotabile si pone in moto; con l'aumento della velocità si arriva al punto in cui si inverte il funzionamento della motogeneratrice, che inizia ad agire come dinamo, caricando la batteria; il regolatore H, con le bobine ora alimentate in modo concordante, tende a chiudere la farfalla, riducendo la velocità del rotabile. Se il sistema è stato ben progettato si giunge ad una posizione di equilibrio, caratterizzata da una ben definita posizione della farfalla alla quale corrisponde una velocità stabile del motore termico e quindi del rotabile e della corrente erogata dalla motogeneratrice; la posizione del reostato R definisce il punto di funzionamento del sistema e, in definitiva, la velocità di regime che si vuole tenere.
  3. Variazione della resistenza al moto. Se durante la marcia aumenta la resistenza al moto del rotabile per es. per una salita, la velocità del motore termico di riduce, riducendosi anche la corrente erogata dalla motogeneratrice: il regolatore troverà un'altra posizione di equilibrio, aprendo ulteriormente la farfalla, ancora arrivando ad una nuova posizione di regime; il funzionamento inverso, con una progressiva chiusura della farfalla, si ha per riduzione della resistenza al moto.
  4. Rallentamento e arresto del rotabile. Per rallentare la marcia si agisce sul reostato R aumentando l'eccitazione della motogeneratrice funzionante da dinamo; per il completo arresto si svincola il giunto e si azionano i freni usuali; il motore termico può restare in moto al minimo o essere arrestato riportando R in posizione neutra con interruzione dei circuiti interessanti la motogeneratrice e la batteria.
  5. Inversione di marcia. Si ottiene con l'inversione del senso di rotazione del motore termico, ottenuta come sopra indicato.

Automotrici a recupero totale

Il sistema descritto si presenta poco conveniente nei tracciati che presentano lunghe tratte in pendenza: nella marcia in discesa il motore termico, stabilmente collegato al motore-generatore, è costantemente trascinato in rotazione; ciò, se da un lato contribuisce alla frenatura di trattenimento, d'altro lato riduce la carica passata all'accumulatore. In una successiva versione del rotabile il Pieper introdusse quindi un secondo innesto a frizione, sempre a comando elettromagnetico, tra motore termico e motogeneratrice, per poter recuperare, almeno secondo le sue idee, tutta l'energia disponibile in discesa, passandola come carica alla batteria. Non è noto se questa variante, che l'inventore chiamò abbastanza ottimisticamente a recupero totale, abbia realmente dato i risultati sperati.

Alcune considerazioni; applicazioni

Il sistema avrà un limitato impiego a causa di due fattori: esige una regolazione accurata nel collegamento tra accumulatore e motogeneratrice attraverso il regolatore automatico e difetta di elasticità: infatti il regolatore va tarato, come sopra indicato, in funzione delle caratteristiche del tracciato della linea e, se tarato per un determinato percorso, difficilmente potrà mantenere la stessa taratura per una linea diversa ad es. per pendenza e lunghezza dei percorsi. Ha poi l'inconveniente di basare il suo funzionamento sull'accumulatore che è uno dei componenti meno stabili dell'industria elettrica: un accumulatore inizialmente debolmente carico riduce l'accelerazione del rotabile nel raggiungere il regime dopo l'avviamento, mentre un accumulatore al termine della carica non potrà assorbire la corrente che la motogeneratrice potrebbe fornire in fase di recupero.

Inoltre, a causa dell'accoppiamento diretto tra motore termico e assi motori, senza possibilità di variare il rapporto di trasmissione, il giunto a frizione deve essere in grado di trasmettere una coppia elevata, ben maggiore che nel caso si disponesse dell'usuale cambio di velocità e di conseguenza la corrente assorbita dal giunto, fornita naturalmente dalla batteria che non è detto si trovi sempre in carica, sarà notevole.

Il giunto è costituito da un disco 5, solidale in rotazione all'albero condotto 4, che può scorrere, se attratto dall'elettromagnete a flusso assiale 1 solidale all'albero motore 3; un secondo elettromagnete 2, fisso, permette di frenare il disco. Quest'ultimo deve naturalmente essere in materiale ferromagnetico, ma anche dotato di guarnizioni di attrito, il che comporta un circuito magnetico di riluttanza elevata. L'inventore non ci dice niente sulla corrente necessaria alle bobine, che deve essere fornita dall'accumulatore che non è detto si trovi in carica, ma un valore di 20-25 A è certamente da prevedere.


Giunto elettromagnetico.

Una prima automotrice Pieper circolò sulla rete delle Ferrovie Vicinali in Belgio nel 1908: si trattò di un rotabile a due assi, del peso da 9 a 10 tonn., con motore termico trasversale da 40-50 HP e motogeneratrice azionante gli assi a mezzo di catene di trasmissione; era in grado di trainare un rimorchio da 10 tonn. a 30 km/h; a questa prima vettura fecero seguito altre otto automotrici a due assi. Successivamente furono costruite delle automotrici a quattro assi di maggiore capacità, con trasmissione ad alberi cardanici agli assi esterni dei carrelli del tipo maximum traction; potevano marciare a 30-35 km/h trainando fino a due vetture rimorchiate a 25-30 km/h; furono costruite 11 automotrici destinate alle Ferrovie Vicinali e tre ulteriori che, con leggere differenze, fecero servizio in Francia. Anche per le automotrici a recupero totale troviamo un modello a due assi radiali con trasmissione ad ingranaggi conici agli assi motori ed uno a carrelli.


Automotrici Pieper.

Il Pieper prevedeva l'impiego della sua invenzione anche per veicolie da strada ordinaria: non sappiamo quanto successo abbiano avuto queste auto ibride ante litteram...


Autovettura Pieper due posti e telaio per veicolo da trasporto.
La motogeneratrice e il giunto elettromagnetico sono montati sotto il telaio della vettura;
le ruote motrici sono azionate da un albero cardanico; l'accumulatore dovrebbe trovarsi sotto i sedili.

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Fonti.
L. Pahin - La traction thermo-électrique a récupération (système Henri Pieper), su La lumière électrique, 21 agosto 1908.
- La traction électrique par automotrices indépendentes; automotrices thermo-électriques, su La nature, 23 aprile 1921.
R. Martin - Traction électrique. Automotrices pétroléo-électriques à transmission mixte et à récuperation système Pieper, Paris 1920.
Transmissions électro-mecanique, automotrice Pieper, moteur da 90 ch. su Bulletin de la Societè d'encouragement pour l'industrie nationale, 1924.
La traction électro-thermique, su La Nature, 3 luglio 1925.


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rev. B+ 04/11/18