En busca de las máximas prestaciones en un motor de pistones

La sorpresa es quizá una de las primeras reacciones que manifestamos a la hora de toparnos con nuevos inventos, pero muchas veces no llegamos a conocer realmente el tiempo de investigación necesario para llegar a ese fantástico resultado. Algo así, debió de sentir la gente en 1876 al ver el primer motor a gas de Deutz AG, diseñado por Nikolaus Otto. Este motor no era el primer diseño relativo a esta tecnología, Lenoir o el padre Barsanti habían comenzado sus desarrollos a principios de dicho siglo, pero si se trataba del primer motor a gas capaz de comprimir la mezcla en el cilindro.

La compresión aparecía de esta forma en el nuevo ciclo termodinámico de 4 tiempos que lleva el nombre de su principal inventor. Este nuevo concepto se hizo imprescindible en todos los motores de combustión interna que fueron patentándose en el mercado, incluido en el motor de Benz para su triciclo.

Cabe por tanto pensar que antes del gran invento del señor Otto, que pasó a los anales de la historia de la termodinámica por culpa de Gottlieb Daimler, el gas de trabajo mezclado con aire combustionaba en un cilindro de doble efecto a presión atmosférica. El consumo de dichos motores a gas era muy elevado ya que la expansión del pistón no aprovechaba casi nada la entalpía de la mezcla.

En 1863 Lenoir aplicó su motor a un triciclo creando un automóvil del tipo que se ve en la foto.

Uno de los intentos por tratar de conseguir una compresión del gas de trabajo fue el Ready Engine de George Brayton. El motor usaba un cilindro específico para la compresión, un depósito presurizado intermedio y un cilindro de potencia, donde se realizaba el encendido de la mezcla y la expansión del pistón. La combustión, gracias al depósito, se producía de forma isóbara siguiendo un ciclo termodinámico similar al que posteriormente fue utilizado en las turbinas de gas a mediados del siglo XX. Este motor, al realizar la compresión externamente al cilindro de potencia, ha pasado a la historia en 1872 como el primer motor sobrealimentado mediante un compresor volumétrico.

Los motores Brayton llegaron a ser equipados en los nuevos automóviles estadounidenses Selden, pero no tuvieron un gran recorrido comercial en favor de los propulsores a gas de 4 tiempos gestados por Otto en 1876. La evolución del nuevo corazón de los carros de caballos seguiría su curso mejorando el encendido y la deflagración centrada en el PMS gracias a Karl Benz y Robert Bosch, pero sobre todo Gottlieb Daimler. Tras el diseño del primer motor Daimler a gas capaz de comprimir cerca del límite de picado, el ingeniero de Cannstatt se percató de que el aumento de la presión en la admisión permitía al motor otorgar mayor potencia y por tanto ser de menor tamaño. De esta forma, Gottlieb Daimler implementó en 1885 un compresor volumétrico Roots a la entrada del cilindro.

Motor Brayton modificado por Dugald Clerk con cilindro de bombeo, el de la izquierda, que permite incrementar la compresión en el gas antes de entrar en el cilindro de potencia, el de la derecha.

Este aumento de rendimiento energético, al trabajar el motor cerca del límite de picado, no solo incrementó la energía transmitida a los pistones, sino la temperatura del proceso y consecuentemente la entalpía de los gases a la salida. Esto significó que de nuevo gran parte de la energía era disipada en forma de temperatura y presión por el escape, y el ingeniero Luis Renault se percató de ello patentando en 1902 un ventilador que de alguna forma pudiera ser movido por la energía de los gases de escape.

Renault no llegó a implementar esta patente en sus voittures, pero Alfred Büchi en 1905 desde el mundo de la aviación llegó a patentar, y fabricar en 1915, una turbina axial impulsada por el escape de un motor de pistones y un compresor axial montado en un eje común a la turbina que permitía comprimir la admisión antes de entrar al motor. De esta forma, se conseguía mantener el rendimiento volumétrico a gran altura, debido al incremento del caudal de aire de admisión, contrarrestando así la pérdida de presión atmosférica. Este es considerado el primer motor sobrealimentado mediante un turbocompresor.

Patente de turbocompresor registrada por Alfred Büchi en 1905 para ser implementado en un motor radial de aviación. Como puede verse tanto la turbina como el compresor son axiales y los rotores comparten un mismo eje que transmite el par de la turbina al compresor.

Esta nueva tecnología del suizo Büchi fue utilizada en los años 20 con excelentes resultados en propulsión marina, pero en ninguno de los casos llegaba a implementarse en el automóvil debido al enorme espacio requerido para alojar la turbina y compresor axiales, así como por el régimen variable al que trabajan los motores de automóvil frente a los de aviación.

Con todo esto, avanzando el siglo XX, el automóvil sería testigo de la implementación de dos modelos de sobrealimentación, los cuales supondrán una fuerte rivalidad que se vivirá especialmente en los años 80. Pero antes de llegar a ahí, veamos un poco como funcionan estas dos tecnologías junto con sus ventajas frente a frente.

Principio de funcionamiento de la sobrealimentación

El primer concepto que tiene uno en mente cuando le hablan de compresión es una jeringuilla con el dedo puesto en el extremo de salida y haciendo fuerza en el vástago. Esta compresión tan primaria se basa en los postulados de Boyle Mariotte, donde un gas ideal reduce su volumen y aumenta su presión a temperatura constante. Este principio puesto en práctica a nivel industrial se ha intentado conseguir mediante el empleo de compresores volumétricos y dinámicos.

Los volumétricos pueden ser a su vez de dos tipos, bien los que obtienen la compresión mediante un proceso alternativo como es el caso de los típicos compresores de aire que pueden contar con varias etapas, o bien la compresión se obtiene mediante un proceso rotativo. Destacando entre estos últimos a los de paletas, los de tornillo, los de tipo Scroll, los de anillo líquido y los más usados en automoción, los Roots.

Clasificación de los compresores según su diseño.

Si se realiza un análisis termodinámico a toda esta variedad se llega a la conclusión de que sus etapas de compresión son similares describiendo procesos politrópicos, excepto en el caso del Roots. Este tipo de procesos se aleja de los postulados ideales de Mariotte, ya que el fluido de trabajo pasa a una gran velocidad por el compresor no dando tiempo a igualar la temperatura del entorno con la del gas comprimido. En nuestra querida jeringuilla comprimimos el aire ambiente a una velocidad lentísima y con una fuerza ridícula. Es decir, ese supuesto tan ideal se ve inalcanzable necesitando de infinitos compresores en serie que permitan seguir la curva isoterma durante el proceso de compresión.

A su vez, dada la alta velocidad del flujo se puede considerar un proceso cuasiadiabático, al no haber tiempo para poder intercambiar calor con el entorno. Consecuentemente, la curva que describe la compresión se encontrará entre la curva isoterma con coeficiente politrópico igual a uno y la curva adiabática reversible o isentrópica. De esta forma se puede definir un rendimiento isotermo, parámetro fundamental a la hora de elegir un compresor, que cuanto cuanto mayor sea menor será el área encerrada por el ciclo y por tanto menor el trabajo a aportar para comprimir el gas.

A la izquierda se muestra la representación en un diagrama p-V de las diferentes curvas politrópicas en una compresión en función del coeficiente politrópico. Gracias a dicho gráfico podemos ver que el área más pequeña entre P1, 1, punta de flecha y P2 es descrito por la curva isoterma. Lo que se busca en un compresor volumétrico es reducir al mínimo ese área limitada por una curva politrópica con coeficiente mayor que 1, de esta forma será menor el par a aportar al compresor por parte del motor. En el gráfico de la derecha se puede ver en la parte inferior los valores de presión del compresor y en el eje vertical en una escala se obtiene la temperatura y en la otra el par aportado al compresor en Kg*m. De nuevo se puede ver fácilmente como la compresión isoterma demanda un menor par, para un mismo aumento de presión del compresor, que una compresión adiabática.

Si se analiza por otra parte el comportamiento de las turbomáquinas, las diferentes categorías según sus aspectos mecánicos ya fueron tratadas en el artículo de turbinas de gas. En esta ocasión se va a tratar únicamente el campo de las turbinas centrípetas y compresores centrífugos. El motivo de esta elección entre las turbomáquinas en el campo del automóvil yace en la imposibilidad de los compresores y turbinas axiales para variar su punto de trabajo de forma rápida. Esto en los motores de aviación con turbocompresores axiales no es un problema, debido a que el funcionamiento del motor no está sometido a fuertes variaciones del flujo de trabajo.

Realizando de nuevo un análisis termodinámico, tal y como se ha hecho con los volumétricos, se llega a procesos que también son politrópicos, aunque en este caso la compresión se realiza con coeficientes politrópicos superiores a γ, consiguiendo acercarse a saltos isentrópicos en lugar de isotermos. Es decir, el rendimiento isentrópico es el parámetro fundamental de elección de un compresor centrífugo. En el caso de la turbina centrípeta, el proceso es idéntico pero visto como una expansión en lugar de una compresión. El par aportado en el eje central del rodete de la turbina es transmitido en el otro extremo al rodete del compresor. Esto implica que el salto entálpico de los gases de escape en la turbina sea igual al del compresor, pero con mayor caudal en la turbina implicando esto un aumento en sus dimensiones.

A la izquierda el diagrama p-V muy similar al utilizado con compresores volumétricos, pero esta vez se incluyen politrópicas con coeficientes superiores a γ, esto implica que las compresiones son adiabáticas pero con generación de entropía en el sistema. Esta última apreciación se puede ver fácilmente en el diagrama h-s de la derecha donde la entropía crece en lugar de disminuir en las politrópicas descritas por los compresores centrífugos. Las consecuencias de este fenómeno son un mayor aumento de la temperatura en el proceso respecto a un compresor volumétrico, así como un mayor área y por tanto par a aplicar por parte de la turbina.

En lo que respecta al aspecto mecánico de los compresores volumétricos, como se ha mencionado, han sido muy diferentes en sus planteamientos. El compresor de émbolos es en esencia un motor de pistones con funcionamiento invertido y sin ninguna combustión en el proceso. En el caso de los compresores de tornillo un eje principal contiene una polea que recibe par del cigüeñal. Gracias a dos ruedas dentadas el movimiento es transferido de dicho eje al eje complementario, pudiéndose así ejecutar el proceso de compresión en el que el gas a presión atmosférica entra por un extremo del compresor y sale por el extremo opuesto a mayor presión.

A la izquierda un compresor de tornillo seccionado donde pueden verse los engranajes que transmiten el movimiento del eje macho al hembra, mientras que la recepción del par se realiza por la parte trasera en el eje macho. A la derecha una foto de los dos ejes y una clara muestra de la efectividad de este compresor al anular los espacios perjudiciales. Los filetes de ambos ejes se van estrechando conforme el fluido llega al otro extremo logrando de esta forma dotar al compresor de compresión interna.

Los compresores de paletas cuentan con un rotor movido por un eje conectado con el cigüeñal del motor y formado por diversas acanaladuras en las que se encuentran unas paletas que se desplazan sobre el eje de dichas ranuras. El conjunto se encuentra a su vez encerrado en una carcasa cuyo centro geométrico no coincide con el del rotor, de forma que al girar este el espacio libre con la carcasa se va estrechando con el giro. El gas que entra por la zona de mayor sección empieza a ser troceado por las paletas en cachos más pequeños que al girar el rotor son conducidos a las zonas más estrechas antes descritas, consiguiendo así mayor presión para salir por el conducto de salida.

A la derecha una imagen de un compresor de paletas seccionado donde se puede ver la excentricidad del rotor respecto del estator. A la izquierda una imagen de un rotor con las paletas en sus respectivas ranuras, el eje que sobresale detrás es el que transmite el par necesario para la compresión.

Los compresores de tipo Scroll están formados por dos dobles semielipses donde una de ellas se desplaza circularmente respecto de la otra que está fija. El eje de la parte móvil recibe el par del motor a través de poleas o engranajes. La ventaja de este sistema yace en el bajo volumen perjudicial que permite aumentar el rendimiento volumétrico a la par que reduce las vibraciones frente al resto de compresores. Gracias a su diseño tan compacto y eficiencia el par aportado por el motor para la compresión se reduce notablemente. Los problemas aparecen en la fabricación de las espirales ya que se requieren tolerancias muy ajustadas con formas bastante complejas para un torno sin control numérico.

A la derecha una imagen de despiece en simulación donde se pueden ver los dos ejes que posibilitan el desplazamiento circular de una de las dobles semielipses mediante el uso de levas excéntricas. Ambos ejes van unidos por una correa colocada después de la polea que recibe el par del motor. A su vez van colocados en la carcasa que contiene la doble semielipse que se desplaza y se puede ver en la fotografía izquierda.

Finalmente, los compresores Roots poseen elementos mecánicos muy similares a los de tornillo, así como reciben y transmiten la fuerza en los dos ejes de igual forma. La diferencia yace en la forma de los lóbulos de ambos ejes y en que la compresión del gas de entrada se realiza gracias al empuje del lóbulo por parte del gas de descarga. Es decir, estos compresores carecen de compresión interna y se requiere mayor energía para poder comprimir dando lugar a un peor rendimiento isotermo. A pesar de ello es el tipo de volumétrico más utilizado en automoción, en detrimento del de tornillo, ya que permite alcanzar mejores compresiones desde bajo régimen de giro del motor uniformando la curva de par motor. De esta forma, la potencia extra aportada por los compresores que cuentan con compresión interna se obtiene a altas revoluciones.

A la derecha imagenes de los ejes de un compresor Roots con dos y tres lóbulos, el resto de componentes mecánicos es muy similar a los de un compresor de tornillo. La principal diferencia con respecto al resto de volumétricos yace en que el fluido de descarga ha de comprimir al fluido de entrada dado que no posee compresión interna. Este fenómeno incrementa el par demandado para comprimir tal y como se puede ver en el diagrama p-V de la izquierda que muestra una compresión no politrópica. El incremento de temperatura en el proceso sería también mayor que en el resto de los volumétricos y alcanzaría incrementos similares a los de un compresor centrífugo. 

Ventajas y desventajas de los distintos tipos de sobrealimentación

Tras haber analizado de forma superficial los distintos tipos de sobrealimentación, es evidente que la mayor de las virtudes se encuentra en la posibilidad de aumentar la presión del gas en la admisión. Así se posibilita un incremento del rendimiento volumétrico que permite desplazar el diagrama termodinámico del motor hacia arriba de forma que la fase de admisión del ciclo pasa a colocarse por encima de la presión atmosférica no siendo este área negativa.

En ambas fotos se puede observar, en un diagrama p-V, el desplazamiento hacia arriba de todo el ciclo Otto (a la izquierda) y Diesel (a la derecha) al introducir la sobrealimentación a un motor atmosférico. Gracias a este proceso también se invierte el área encerrado por la admisión y el escape pasando a ser dos tiempos del ciclo que también aportan energía en lugar de consumirla del sistema. La línea discontinua en los diagramas muestra la presión atmosférica.

Aunque esta ventaja resulte escueta, hemos de tener en consideración que a raíz de esto se pueden sacar muchas otras ventajas. Para empezar, se puede disminuir la cilindrada del motor para alcanzar el mismo régimen de potencia que si fuese atmosférico. De esta forma se reduce el peso del grupo propulsor, la cantidad de material utilizado, el precio del automóvil y sobre todo el consumo de combustible.

Otra gran ventaja está en los motores de encendido por compresión (MEC), ya que estos requieren elevadas relaciones de compresión para conseguir autoinflamar la mezcla y la sobrealimentación permite incrementar el par motor, punto débil de este tipo de motores. De hecho, los primeros compresores Roots que se diseñaron para motores de combustión interna fueron empleados en motores diésel de 2 tiempos. En automoción principalmente gracias a los turbocompresores, los MEC pudieron disminuir su tamaño y peso a la par que mejoraban sus bajas prestaciones.

A la izquierda el diagrama de par motor de un Mercedes-Benz 300E w124 de 1985 de gasolina frente a la curva de par de un Mercedes-Benz 300D w124 de 1985 de gasoil. Ambos motores son de nuevo diseño por la marca con 6 cilindros en línea, inyección de combustible y sin sobrealimentar. Es evidente que el 300E consigue un mejor resultado de par en cualquier régimen respecto al 300D, esto se cumple siempre en toda comparativa de cualquier motor de gasolina atmosférico frente a un diesel atmosférico coetáneo e idéntico en cilindrada y número de cilindros. Gracias a la sobrealimentación en los turbodiesel este aspecto cambia y consigue mejorar los resultados frente a un motor de gasolina equivalente y atmosférico, tal y como puede observarse en la fotografía derecha. Si se sobrealimentase también el gasolina, el turbodiesel sería el que menos par y potencia tendría en la comparativa.

Por otra parte, no todo son ventajas y esta vez nunca mejor dicho…Aunque la sobrealimentación permita incrementar los resultados de par y potencia de un motor atmosférico, estos beneficios solo se pueden conseguir en situaciones concretas de conducción. Los compresores volumétricos consiguen salir mejor parados en este campo, ya que consiguen unos niveles de compresión mucho mayores que los turbocompresores en su zona de trabajo óptimo. En el caso de los Roots se aporta compresión al ralentí dotando al motor de potencia cuasiinstantánea. Los compresores de tornillo y de paletas aportan par a alto régimen, zona en la cual el Roots empieza a tener más pérdidas.

Los turbocompresores por su parte están en tierra de nadie y dependen mucho del diámetro de los rodetes del compresor y turbina, dando un rango de trabajo relacionado con la energía en forma de presión y temperatura que posean los gases de escape, y no en función de un rango de rpm del motor como falsamente se ha hecho creer a la gente. Si el diámetro de los rodetes es pequeño dicho turbo podrá soplar a baja carga y si es grande soplará a alta carga, provocando un retraso de la entrada de dicha compresión al motor, esto es lo que es conocido como turbo-lag.

En este gráfico de par motor se puede observar el cambio brusco del par motor en un motor turbodiesel. El turbo está dimensionado para aportar el par máximo en un régimen del motor entre más o menos las 2000 y 3000rpm, siempre que el gas de escape tenga suficiente carga energética como para permitir realizar el salto entálpico. Este motor en frio a 2865rpm describe la curva de par de abajo no la de arriba...

Otras de las desventajas muy serias que tienen lugar al implementar turbocompresores en motores de encendido provocado aparece al aumentar cada vez más el régimen y el grado de carga de los gases de escape, llevando al turbo a soplar a mayor presión. Este fenómeno de aumento de la presión de soplado puede inducir un aumento de la temperatura en la admisión, ya que las compresiones adiabáticas siempre llevan consigo un aumento de la entropía y por tanto la temperatura sube mucho más de lo que sube la presión. Esto no solo reduce la eficiencia termodinámica del motor, sino que calienta la culata e induce una autodetonación incipiente, esto es lo que se conoce como picado del motor.

A la izquierda se pueden ver los efectos que ocasiona el picado de biela en las cabezas de los pistones generando microperforaciones que pueden incluso oxidar el pistón al levantarse el tratamiento superficial al que se somete el material. A la derecha dos cojinetes de biela que han sufrido las fuertes vibraciones de la autodetonación en el cilindro.

En el caso de los motores de encendido por compresión el picado no es un fenómeno tan plausible dado que lo que se busca precisamente es la autoinflamación. Sin embargo, una bajada del régimen de giro del motor, mientras el grado de carga de los gases de escape es alto, provoca mezclas muy ricas de gasoil que llevan a crear humo negro en el escape con alta concentración de partículas. Esto obliga a coordinar electrónicamente la presión del compresor con la inyección de combustible.

Finalmente, una desventaja que aparece en la sobrealimentación es la temperatura que ya ha sido mencionada anteriormente. Esto es un grave problema especialmente en motores de encendido provocado, por la alta temperatura de los gases de escape, exigiendo materiales de alta resistencia a la fluencia en todas las piezas de la turbina, del eje, de los rodamientos de este y siendo necesario lubricar la zona incluso en algunos casos con su propio cárter. Por otra parte, la temperatura se incrementa en todas las compresiones adiabáticas y en especial en las turbomáquinas donde el salto entálpico es mayor si cabe, este aspecto reduce el rendimiento termodinámico del motor.

Este diagrama p-V-T muestra como todos los procesos politrópicos que se han mencionado anteriormente aumentan la temperatura en mayor proporción incluso que la presión. Los diagramas p-V anteriormente utilizados son la proyección de este diagrama ternario, que se puede ver en los dos ejes de detrás.

Los primeros pasos de la sobrealimentación en automoción

Conocido el funcionamiento y función de la sobrealimentación, las marcas han intentado a lo largo de la historia mejorar los inconvenientes de dichos sistemas. En primer lugar, se ha de decir que la implementación de los turbocompresores en el automóvil vino muy ligada al avance en los diseños de turbinas de gas para aviación después de la 2ª guerra mundial. Esto supuso que toda la sobrealimentación anterior a dicha contienda bélica fuese monopolizada por los compresores volumétricos.

Como se mencionó anteriormente, el primer compresor volumétrico fue de pistones en 1872, pero es evidente el peso y las dimensiones que este requiere reduciendo mucho las expectativas de que esta tecnología prosperase, como fue el caso. En lo que concierne al compresor Roots, este fue el siguiente en ser utilizado, en motores de combustión interna de Daimler en 1885, habiendo sido traída la idea de un alto horno. A partir de aquí la implementación de compresores Roots en automoción fue descartada, ya que las carreras que estaban gestándose en aquel momento no precisaban de altas prestaciones debido al mal estado de los caminos, haciendo que las velocidades medias fueran más bien ridículas.

Sería ya en el siglo XX, cuando tras las copas Gordon-Bennett en Europa y las Vanderbilt en EEUU los circuitos pasaron de realizarse entre ciudades a realizarse en circuitos cerrados. Este cambio supuso una revolución en el mundo de la competición de principios de siglo que permitió empezar a pensar en records de velocidad de forma más extendida. Esto dio pie a mejoras en prestaciones de los automóviles de carreras con el aumento de la cilindrada del motor, el cambio de la posición de las válvulas y los motores multiválvulas. Los volumétricos seguían sin tener cabida aún.

Cartel publicitario de Mercedes en el que la marca muestra su éxito en la copa Gordon-Bennett de 1903 en Irlanda. Esta victoria supuso que la copa se celebrase en el II Reich en 1904, pero la victoria ese año no fue para los alemanes, sino para los franceses con un Richard-Brasier.

Todo cambió en los años 20, cuando varias marcas casi al unísono empezaron a mostrar interés por estos sistemas de compresión tras la limitación de las cilindradas en competición. La primera marca en implementar un volumétrico en competición fue Fiat con el 805 en 1923. La idea tuvo tan buen resultado, que rápidamente otros constructores copiaron la idea, dejando a Fiat sin tiempo para obtener éxitos destacables.

A la izquierda se puede observar una representación esquemática del accionamiento del Roots utilizado por Fiat en el motor 406 v12 en el que destacan las culatas de flujo cruzado, algo muy raro de ver en motores de carburación pero necesario según el diseño de esta sobrealimentación. A la derecha una sección del mismo motor en la que se puede ver el Roots en la parte inferior con aletas de refrigeración en la carcasa para reducir la temperatura.

Una de las marcas que copió a Fiat con gran éxito fue Alfa Romeo, marca de referencia en esa década con pilotos como Enzo Ferrari. El nuevo P2 diseñado por el gran Vittorio Jano convirtió al constructor en campeón del mundo del recién inaugurado Campeonato Mundial de Automóviles de 1925. El motor de 8 cilindros en línea de casi 2 litros de cilindrada contaba con un compresor Roots que dotaba al automóvil de 175 caballos en las últimas versiones, alcanzando los 195 Km/h en el campeonato de 1925.

Alfa Romeo P2 diseñado por Vittorio Jano con el mismo esquema de colocación de la sobrealimentación que el Fiat 805.

La clave de este éxito yacía en el extra de potencia que dotaba al motor la sobrealimentación, pero hay más…A pesar de tener algo menos de cilindrada venció al también sobrealimentado Duesenberg Eight Speedway 122, ya que contaba con un intercooler a la salida del Roots, en la parte baja del motor, reduciendo así la temperatura de admisión e incrementando el rendimiento del motor. Cierto es que la suspensión, el reparto de pesos, la destreza del conductor y el destino en las carreras también es importante, pero ese tipo de aspectos también marcan la diferencia y más aún cuando las marcas francesas Bugatti y Delage se negaban a sobrealimentar sus motores en 1925. Al año siguiente Bugatti gana el mundial con el Type 35 gracias a un compresor Roots.

La realidad es que esa reticencia por parte de los constructores franceses a la sobrealimentación era extrapolable a otras marcas como Bentley, que veían en esta modernidad más desventajas que ventajas. Consideraban también que una reducción de la cilindrada reducía el empaque y clase del coche. Tal fue el cataclismo en la marca británica que uno de sus mejores pilotos, Tim Birkin, optó por romper relaciones con Bentley Motors al negarse la compañía a sobrealimentar el 4.5 litros. Como resultado, Birkin montó un taller en Hertfordshire para colocar compresores Roots a estos coches bajo el nombre de Bentley Blower. El volumétrico fue colocado por delante del radiador y unido directamente al cigüeñal dotando al coche de una tendencia subviradora.

Bentley Blower 4.5 litros que fue modificado por parte de Tim Birkin para colocar el Roots que se puede ver en la foto. Esta sobrealimentación incrementó el peso por delante del eje delantero provocando un aumento del caracter subvirador del vehículo.

Referente a este último aspecto, otra de las marcas que apostaron por los compresores Roots fue Mercedes debido a la influencia del ingeniero Ferdinand Porsche proveniente de Austro-Daimler. Son muy conocidos los logros en competición de la recién creada Mercedes-Benz durante los años 30 con los SSK y SSKL gracias a Porsche, pero desde mi opinión el mayor éxito fue al romper con la estigmatización de que un coche de paseo y de la alta sociedad pudiese equipar sobrealimentación. Cierto es que Duesenberg o Cord en EEUU consiguieron esta gesta también, pero en Europa la clase alta era más conservadora y reacia a los cambios. La serie 500/540/580K de 1934 carrozada por Friedrich Geiger logró parapetar a la marca a un éxito abrumador entre la aristocracia europea y hasta el propio Hitler contó con limusinas 770K de 230 caballos y compresor Roots.

Evidentemente no todo eran flores…los nuevos Mercedes-Benz contaban con una carrocería muy pesada y sus motores de 8 cilindros en línea de hasta 5.8 litros necesitaban del compresor en cuestas pronunciadas para poder empujar el vehículo. El compresor, según el manual de usuario, solo estaba pensado para subir fuertes rampas y ayudar en el arranque. El Roots contaba con un depósito de gasolina adicional que al vaciarse no podía rellenarse con el depósito principal. A su vez, el volumétrico actuaba únicamente cuando el conductor pisaba a fondo el acelerador.

Mercedes-Benz 500K con los dos conductos laterales del escape que denotan la utilización de un compresor Roots. Los SSK y SSKL otorgaron éxitos a la marca en varias competiciones pero la popularidad de la sobrealimentación entre la alta sociedad fue gracias a estas berlinas.

En esta primera etapa de análisis de los volumétricos, se ha de decir que no todos los sistemas de sobrealimentación utilizaban compresores Roots. La marca americana Duesenberg también sacó al mercado berlinas y coches de competición con un sistema de compresión bastante raro mediante el empleo de un compresor centrífugo cuyo rodete era movido por el cigüeñal. Este sistema fue muy utilizado por la compañía en sus berlinas.

Duesenberg J-557 de 1935 con compresor centrífugo que puede verse en la imagen de la derecha. Este compresor era movido directamente por el cigüeñal a través de un eje, cuya carcasa protectora de color verde puede verse en la imagen. A los lados del compresor se encuentan los dos carburadores con sus filtros de aire. A pesar de utilizarse este tipo de sobrealimentación en otros modelos de la marca, finalmente se impuso el uso del compresor Roots gracias a su aporte de par a bajo régimen.

Por otro lado, la marca británica MG llegó a registrar records de velocidad en los años 30 con su gama Magic Midget contando con compresores de paletas para lograr mejorar el rendimiento volumétrico de sus pequeños motores. El compresor iba colocado delante del radiador y comprimía el aire de entrada para después introducirlo en el carburador. Este tipo de disposición es conocida como soplado.

MG EX127 de 1933 basado en el MG K3 Magnette que contaba con un compresor de paletas Powerplus. A diferencia del K3, el EX127 montaba la sobrealimentación después del carburador tal y como puede verse en la foto de la izquierda. A la derecha un plano esquemático de una bomba de paletas empleada por MG.

Sin embargo, la colocación del compresor solía ser siempre después del carburador en la mayoría de los casos. Esto es, que el volumétrico comprimía mezcla no aire, este tipo de sobrealimentación es conocida como aspiración. Esta apreciación carece de importancia en estas décadas, dado que los vehículos eran conducidos por pilotos de carreras y los coches de calle que llegaron a equipar volumétricos servían para ayudar al motor en situaciones de demanda de alto par como subir una cuesta. Cuando en la segunda mitad del siglo XX se popularice el uso del turbo entre los utilitarios esta apreciación cobrará vital importancia y será tratada en detalle en el siguiente artículo de análisis de la sobrealimentación después de la 2ª Guerra Mundial.

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El nacimiento de una nueva propulsión para el automóvil

El destacable impacto tecnológico y social que supuso la 2ª Revolución Industrial no habría sido posible sin el desarrollo de los motores de combustión interna alternativos. Estas máquinas fueron perfeccionándose con celeridad hasta la llegada de la Gran Guerra, momento en el cual todo el material bélico se encontraba propulsado por estos motores de pistones y por máquinas de vapor. Sin embargo, en el campo de la aviación se sabía que para vencer récords de velocidad el diseño de la hélice no se podía perfeccionar más y por tanto el campo de investigación habría de centrarse en la mejora de los motores de pistones.

En los años 20 se conocía el pésimo rendimiento termodinámico del ciclo Otto y las pérdidas mecánicas que implicaba el motor de pistones, pero no se conseguía encontrar una solución para aviación que permitiese mejorarlo. Era necesario recurrir a otro concepto de propulsión que rompiese con la utilización de émbolos y la patente de 1791 de John Barber fue el foco de atención. La máquina de este jefe de una mina de carbón se basaba en el calentamiento de un gas, generado a partir de la combustión de madera, carbón o petróleo; que movía las aspas de una rueda de paletas.

Croquis de la patente de John Barber de 1791. Se pueden observar dos bulbos al lado izquierdo donde se producía la combustión y los gases quemados pasaban por conductos superiores hasta llegar a mover las paletas de la rueda inferior del dibujo. Esta rueda transmitía a su vez el movimiento a ejes situados a mayor altura mendiante engranajes y un sistema de contrapesos que permitía regular el caudal de gas que pasaba a la rueda de paletas.

Aquella máquina de finales del siglo XVIII no pudo llevarse a la práctica por la falta de tecnología, pero la Europa entreguerras del siglo XX sí contaba con máquinas de fabricación y materiales que posibilitaban la puesta en práctica de esta idea. Así, durante la 2ª guerra mundial, en 1941 se montó en Hungría la primera turbina de gas en una aeronave bimotor con turbohélice. El deseo de conseguir cazas y armamento que alcanzasen altas velocidades, por parte de los Ejércitos del Aire de los miembros del Eje y Aliados llevó a marcas como BMW, Daimler-Benz, General Electric o Rover a diseñar aeroturbinas con gran celeridad, para sustituir los motores de pistones en aviación. A pesar de ello, ninguno de estos proyectos de investigación acabó antes de 1945 y su normalización en el mundo aeronáutico tuvo lugar tras la contienda bélica.

Primera avioneta bimotor con dos turbohélices. Esta aeronave Varga RMI-1 X/H de origen húngaro contaba con dos turbinas de gas cuyo eje estaba directamente unido a una hélice.

Gracias a este gran avance tecnológico de la 2ª guerra mundial la aviación pudo abrir la puerta a un nuevo mundo en el que los turborreactores y los aerofan empezaron a utilizarse en vuelos comerciales permitiendo acortar los viajes y popularizar el uso del avión como medio de transporte intercontinental. La carrera aeroespacial en la Guerra Fría también fue clave para el avance tecnológico de los motores a reacción.

Con estos resultados brillantes y tan esperanzadores es lógico pensar que este nuevo tipo de propulsión podría tener cabida en el mundo ferroviario y marítimo. De hecho, la primera locomotora de tracción turbina de gas de la que se tienen registros es de 1942, en Suiza y estuvo en servicio hasta 1952. Durante los años 50 otras empresas llegaron a probar locomotoras que alcanzaban casi los 300 Km/h, como la perteneciente a los Ferrocarriles Centrales de Nueva York. La industria naval obtuvo también buenos resultados para buques de gran tonelaje, es el caso de petroleros ingleses que contaban con turbinas British Thomson Houston. Por tanto, en los años 50 este tipo de propulsión se veía el futuro del transporte para sustituir al motor de pistones y el automóvil también iba a ser un medio más con el que experimentar.

Primera locomotora tracción turbina de gas remolcando a un convoy de coches. La SBB-CFF-FFS Am 4/6 1101 contaba con una turbina de gas cuyo eje aportaba la potencia a un generador que suministraba corriente eléctrica a los motores de los bogies de tracción del tren.

Principio de funcionamiento de una turbina de gas

Antes de entrar a analizar el paso de las turbinas de gas por el automóvil, es preferible comentar a grandes rasgos el funcionamiento de una turbina de gas, ya que es una tecnología muy desconocida en el mundo automovilístico.

Las turbinas son máquinas de flujo continuo que producen trabajo mecánico a partir de un sistema de álabes con formas diversas. Se pueden clasificar en distintos grupos en función de sus componentes y flujo de trabajo, en el caso del automóvil las turbinas utilizadas han sido de gas. Esto es que el flujo de trabajo es un gas generado por una combustión de un combustible y aire. A su vez dentro de las turbinas de gas se pueden distinguir dos tipos de turbinas, las que liberan la potencia a chorro y que se denominan turborreactores o las que liberan la potencia a un eje. En el caso del automóvil las turbinas utilizadas propulsan un eje motriz, pero en algunas ocasiones se ha utilizado también un escape con tobera convergente para aprovechar esa energía del gas aún más y dotar de mayor empuje al vehículo.

Representación gráfica comparativa entre una turbina que aporta la potencia a chorro y una turbina que aporta la potencia en el eje de la hélice. El turboventilador o aerofan no es de nuestro interés en este análisis, pero constituye un hibrido entre ambas tecnologías en el que se pretende reducir el consumo de los turborreactores para los aviones comerciales.

A diferencia del motor de pistones el ciclo termodinámico de una turbina de gas es más sencillo, ya que cuenta con un compresor inicial encargado de comprimir el aire de entrada mediante un proceso adiabático, siendo imposible conseguir una compresión sin aumento de la entropía. A continuación, el aire comprimido a alta temperatura se introduce en una cámara de combustión donde se inyecta el combustible y se produce la combustión de la mezcla. Durante esta etapa se genera un fuerte aumento de la temperatura, a presión constante, que lleva a un aumento de la entalpía de la mezcla. Al salir el gas de combustión de la cámara es dirigido a la turbina, donde se expansiona siguiendo un proceso adiabático, siendo de nuevo imposible evitar la generación entrópica. Tras esta expansión el gas recupera un valor de presión más cercano a la presión atmosférica y es aquí donde las toberas de las turbinas, que aportan potencia a chorro, cobran vital importancia al aprovechar al máximo dicha diferencia de presión con la atmósfera. El ciclo termodinámico que resulta recibe el nombre de ciclo Brayton.

Diagrama teórico T-s o h-s, ya que los valores de entalpía en un gas cuasiideal implican valores de temperatura directamente proporcionales haciendo que ambos diagramas sean idénticos. En negro se puede observar el ciclo Brayton con compresiones y expansiones isentrópicas, así como en azul se representa el ciclo ideal con la turbina y el compresor asumidos adiabáticos. El paso de 1 a 2 representa el salto del compresor, de 2 a 3 se representa la isóbara seguida durante la combustión, de 3 a 4 la expansión de la turbina y finalmente de 4 a 1 se muestra el cierre del ciclo entre el escape y la admisión a presión atmosférica.

A nivel constructivo las turbinas y compresores cuentan con uno o varios grupos de compresión o expansión denominados escalonamientos. El escalonamiento cuenta a su vez con un estator seguido de un rotor en el caso de las turbinas y viceversa en el caso de los compresores. En función de la forma de dichos escalonamientos se pueden clasificar en dos grandes grupos, los axiales que cuentan con álabes unidos a una corona fija en el caso de los estatores y unidos a una corona atravesada por un eje en el caso de los rotores. El otro grupo está formado por las turbinas centrípetas y compresores centrífugos cuya geometría es más compacta con los álabes formando parte de una pieza troncocónica denominada rodete para constituir el rotor y otra pieza fija con álabes, que pueden ser de geometría variable, denominada estator.

Del grupo de turbomáquinas axiales se distinguen las turbinas de gas y de vapor utilizadas en centrales térmicas y de ciclo combinado siendo el diseño de las turbinas de gas normalmente de tipo Heavy Duty o industriales donde el eje de la turbina, que mueve el compresor, es el eje de potencia de la máquina. Por otra parte, las turbinas de gas provenientes de la aviación son denominadas aeroderivadas, en ellas el eje de la turbina y compresor no es el que otorga potencia, es otra turbina la que si contiene el eje de potencia y está por tanto aislada del compresor. A su vez si la turbina de gas aporta potencia a chorro es denominada motor a reacción o turborreactor y no es utilizada industrialmente para producir energía eléctrica como es lógico pensar.

Turbina Heavy Duty en la foto izquierda, en la que se puede apreciar la inexistencia de un grupo extra de turbina de potencia y la gran cantidad de escalonamientos necesarios para realizar la compresión. En la foto derecha se puede observar una turbina de gas aeroderivada, con un grupo de potencia cuyo eje va separado del eje del grupo principal que mantiene girando al compresor.

Por otro lado, las turbinas centrípetas y compresores centrífugos son denominados turbocompresores y se han utilizado en muchas ocasiones con motores de pistones para mejorar su rendimiento y eficiencia. Son de mucho menor tamaño y aportan por tanto menor potencia que las máquinas axiales, aunque en algunas aplicaciones industriales esto no se cumple.

Representación seccionada de la voluta de una turbina centrípeta de un grupo turbocompresor con geometría variable en los álabes del estator. Por otra parte, se puede ver también la forma del rodete con los álabes del rotor.

Tras una breve clasificación de las turbomáquinas, en este caso nos vamos a centrar en las turbinas de gas axiales que aportan la potencia en un eje. Las turbomáquinas normalmente utilizadas en el mundo de la automoción cuentan con un grupo de potencia que tiene una turbina libre o motriz, cuyo eje de potencia no está conectado al eje de la turbina principal, manteniendo girando esta última al compresor con un eje común. A su vez el compresor axial, al requerir muchos escalonamientos y por tanto espacio, es desestimado en favor de un diseño centrífugo con una turbina principal axial, excepto en el caso de la turbina de Rover que también sería centrípeta.

Algunas de las turbinas utilizadas en automoción fueron de tipo Heavy Duty, pero este diseño acarrea problemas dado que las aceleraciones del vehículo se resienten al tener que transmitirse el par a la transmisión del vehículo y al compresor con el mismo eje. Esto implica que al engranar la primera velocidad el par resistente a vencer por dicho eje es muy alto y el compresor puede incluso entrar en zona de bombeo. Cuando el conductor acelera en un coche con turbina aeroderivada las inercias son bajas ya que únicamente tiene que incrementarse el par en el eje de potencia no en el del compresor. A su vez, se puede prescindir de embrague y en el arranque se mantiene el ralentí constante en la turbina principal, mientras la turbina libre empieza a recibir el par resistente de la transmisión.

Con todo esto tenemos una base del funcionamiento y del tipo de turbina de gas implementada en el automóvil. Sin embargo, al igual que ocurre en los motores de pistones se trata de conseguir la mayor eficiencia posible para reducir de esta forma el consumo. Por ello, las turbinas empezaron a contar pronto con sistemas regenerativos que permitían calentar el aire comprimido aprovechando la alta temperatura del gas de escape de la turbina tras su expansión. El diseño de estos regeneradores es muy diverso y depende de cada fabricante. En lo que respecta a la cámara de combustión, esta cuenta con un sistema que permite generar un colchón de aire alrededor del centro donde se inyecta el combustible y la combustión arranca gracias a la chispa generada por una bujía que se retrae y protege en una carcasa cerrada cuando no se requiere de encendido.

A la izquierda, un diagrama de bloques de una turbina de gas Heavy Duty con ciclo regenerativo. A la derecha, el T-s o h-s teórico del ciclo Brayton en el que las etapas 2 a 3 y 5 a 6 corresponden con el salto de temperatura del intercambiador de calor.

Primeros pasos de las turbinas de gas en el automóvil

Ya en 1928, Fritz von Opel sorprendió al mundo con un automóvil de carreras propulsado por 24 cohetes de combustible sólido alcanzando 238 Km/h. Esto supuso un punto de inicio para multitud de aficionados en los lagos salados de EEUU tratando de romper records de velocidad empleando ese tipo de tecnología y turbinas de gas de aeronaves tras la 2ª guerra mundial. Sin embargo, ninguna marca de automóviles se sumergió en este campo, hasta que Rover en 1950 presentó su JET 1 alcanzando una velocidad máxima de 244 km/h.

Para esta marca británica este paso no fue difícil, al contar con cierta experiencia desarrollando turbinas de aviación, hasta que hubo de pasar toda su tecnología a Rolls-Royce por requerimiento del gobierno británico. Tras dicho acontecimiento otras marcas americanas y europeas empezaron a mostrar al público nuevos automóviles propulsados por turbinas de gas.

Fotografía del Opel RAK-2 propulsado por 24 cohetes de combustible sólido en 1928, llegando a alcanzar los 238 Km/h

Las ventajas con las que contaba esta tecnología eran muy convincentes. La alta potencia, nulas vibraciones, fácil arranque en frío, inexistencia de múltiples piezas mecánicas como los árboles de levas, sistema de encendido con una única bujía, bajo precio del combustible y el replis frente a los motores de émbolos resultaron claves para considerar a esta propulsión el futuro del automóvil. Sin embargo, la necesidad de materiales de alta calidad, las altas temperaturas y las elevadas revoluciones de giro, que provocaban un fuerte sonido al ralentí; supusieron un obstáculo para la salida al mercado de estos automóviles.

Cada marca supo dar un enfoque diferenciador respecto a las demás con el diseño de las carrocerías y de la tecnología de turbina con la que contaban. Fabricantes como Plymouth recurrieron a modificar el escape del vehículo para aprovechar aún más el gas de escape creando un efecto de empuje. Otras aprovechando la separación de la turbina principal y la libre optaron por eliminar el embrague, simplificando de esta forma el sistema de transmisión. Una de las empresas que más publicidad supo sacar de esta tecnología fue General Motors.

Los Firebird de General Motors

Eran los años 50 y el estilo de vida americana después de la guerra parecía no tener límite. Las grandes empresas del automóvil sacan al mercado vehículos de enormes dimensiones y equipamiento apabullantes, que al año siguiente eran sustituidos por otros modelos totalmente distintos. General Motors era una de las tres grandes y pretendía mostrar el futuro del automóvil a través de las turbinas de gas y los vehículos de conducción autónoma.

El Firebird I de 1953 sería el primero de una serie que contaba con un diseño muy similar al de una nave espacial y albergaba en su posición trasera una enorme turbina de gas con tobera convergente incluida. Gracias a dicha tobera los gases de escape dotaban aún de más empuje al vehículo para alcanzar velocidades subsónicas. El mundo de la aviación ya contaba por aquel entonces con diseños convergente-divergentes para romper la barrera del sonido.

A la derecha, se puede observar la trasera del Firebird I con los frenos aerodinámicos abiertos y la enorme tobera central para ganar empuje en el vehículo a parte de la tracción a las ruedas traseras. A la izquierda, se muestra la carrocería del vehículo que solo permitía una cabina para el conductor.

A parte del mencionado empuje, la turbina de 370 caballos aportaba tracción al eje trasero y no contaba con regeneradores. El Firebird fue probado en Arizona alcanzándose velocidades no superiores a 160 Km/h debido a fallos en la transmisión. Otro de los aspectos cuestionados fue el reducido espacio de la cabina y el fuselaje que estaba fabricado en plástico reforzado con vidrio. En verdad, no era una mala elección para un vehículo diseñado únicamente para mostrar la viabilidad de estos vehículos a la par que para dar publicidad a GM.

En 1956, este vehículo es sucedido por el Firebird II en el que la cabina ya iba dotada de más espacio para 4 personas. El diseño de la carrocería sigue siendo de líneas aeroespaciales como su antecesor, pero cuenta con mayor anchura y una carrocería de aluminio. Las ventanillas, las puertas y las ventilaciones se movían eléctricamente. En la parte trasera, dos depósitos en forma de gota de agua iban colgados detrás de las ruedas traseras, albergando 10 galones de combustible cada uno.

A la derecha, la parte trasera del Firebird II que ya abandona la tobera de escape convergente de su antecesor. A la izquierda, el peculiar frontal del coche que además contaba con un habitáculo más amplio para albergar a 4 personas en su interior.

En la parte delantera se pueden observar dos entradas de aire protegidas por unas aletas y dos conos centrales que aportan al coche un frontal algo extraterrestre. La turbina pasa ahora a encontrarse en posición delantera con transeje central trasero para propulsar las ruedas traseras. El escape de gases es conducido por el chasis hasta detrás de la cabina.

La nueva turbina de gas de 200 caballos cuenta con un intercambiador de calor que posibilita aprovechar la alta temperatura de los gases para precalentar la entrada a la turbina principal. Con este sistema se conseguía una eficiencia regenerativa del 80%. Este conjunto estaba diseñado en acero inoxidable para evitar la corrosión y rotaba respecto a su centro mediante un sistema de engranajes que le permitían conectarse al eje de la turbina principal. Para arrancar la turbina de gas se recurría a un motor eléctrico que hacía girar el regenerador, y por tanto la turbina principal, a 4000rpm y se desconectaba a 15.000rpm.

En 1959, llegaría el Firebird III con un diseño menos rupturista que sus antecesores, pero con dos plazas independientes cuya puerta se abría de forma automática. Este nuevo automóvil contaba con asistencias para la conducción, frenos antibloqueo, aire acondicionado y un joystick para dirigir el vehículo. Era tal el despliegue tecnológico que se requería de un motor de gasolina de 10 caballos para su correcto funcionamiento, a parte de la turbina de gas de 225 caballos similar a la del Firebird II.

A la derecha, una fotografía de la turbina de gas del Firebird III donde se puede apreciar cada una de sus partes. A la izquierda, se puede ver el frontal del nuevo prototipo con un diseño menos rupturista para 1959.

La llegada de los años 60 supuso el final del proyecto Firebird con el prototipo número IV de 1964 que fue desguazado por GM. El legado de estas aeronaves sobre ruedas ha perdurado incluso en el cine con películas como Motorama en la que se trataba de escenificar como sería el futuro con automóviles autónomos y tecnología aeronáutica. Al mismo tiempo esto dotó de una gran fuente de publicidad gratuita a General Motors.

Fotografía de la cabina de pasajeros del Firebird III, en la parte izquierda del quicio de la apertura de dicha cápsula de cristal hay un sensor que permite abrir la cápsula de forma automática

El boom de los años 50

En EEUU otras marcas siguieron los pasos de General Motors y cabe una breve mención a la turbina diseñada por Ford Motor Company. Su diseño era más complejo que el de las turbinas de sus rivales norteamericanos, pero era más compacta y de alta presión dotando a la turbina de 300 caballos. Contaba con dos compresores y un regenerador. El objetivo de Ford con esta turbina era poder construir una serie de 20 mil automóviles con el nombre de Galaxie, pero el coste de fabricación imposibilitó el proyecto. Otra marca americana que se sumergió en esta tecnología fue Chrysler Corporation, pero este caso merece especial atención y será tratado posteriormente.

Turbina de gas Ford 704 en la que se puede observar su enorme complejidad. El aire entraba previamente por la parte inferior a un compresor centrífugo de baja presión, posteriormente era introducido en un intercooler a través de una válvula estranguladora. Tras el refrigerador intermedio, el aire pasaba al compresor de alta presión, después entraba en la primera cámara de combustión y se expansionaba en la turbina de alta que hacía girar el compresor de alta. El gas posteriormente entraba a una nueva cámara de combustión de donde partía a la turbina libre y finalmente pasaba por la turbina de baja presión que hacía girar al compresor de baja presión. Los gases de escape al salir de esta última turbina pasaban por el regenerador, precalentando el aire que provenía del compresor de alta.

Analizando el viejo continente, la situación financiera tras la 2ª guerra mundial era preocupante sobre todo para países del Eje. Esto llevó a Reino Unido a tomar la delantera con el Rover JET 1 mencionado anteriormente y al mayor fabricante de automóviles europeo, FIAT. En lo que concierne a estos últimos, destaca el interés de Dante Giacosa en 1954 por sacar un prototipo de automóvil con turbina de gas.

Turbina de gas de FIAT de configuración Heavy Duty con tres cámaras de combustión y dos compresores centrífugos. Es importante destacar la existencia de un único eje que transmite el par motor a las ruedas traseras por un sistema de engranes al lado izquierdo, es decir en esta turbina no existe un grupo de potencia con una turbina libre. Gracias a esta combinación se facilitaba la colocación de la tobera convergente derecha, pero implicaba problemas en el arranque haciendo que el compresor pudiera entrar en zona de bombeo, motivo por el cual posee dos escalonamientos.

El chasis del FIAT derivó del V8 Sport y la carrocería bastante aerodinámica corrió a cuenta del ingeniero Rapi. El coche contaba con una turbina de gas Heavy Duty de 3 cámaras de combustión, un compresor centrífugo de 2 escalonamientos y una turbina de 3 escalonamientos, así como de una tobera convergente para aumentar el empuje del vehículo. Debido a los costes de fabricación y el consumo de 3 cámaras de combustión, FIAT no desarrolló modelos de calle ni de competición, pero si creó en los años 70 una turbina de gas para propulsar vehículos pesados.

Publicidad del Fiat 8001 Turbina, cuya carrocería fue diseñada por el ingeniero Fabio Luigi Rapi.

Desde la Francia de la posguerra, en 1954, Renault logró records de velocidad con su Etoile Filant llegando a 192 Km/h impresionando a su piloto, Juan Manuel Fangio. El vehículo contaba con una turbina Turbomeca, una empresa francesa de turbinas, y los instrumentos de control más importantes eran el cuentarrevoluciones, el velocímetro y el termómetro indicador a la entrada a la turbina principal. Ese mismo año desde Reino Unido, Austin también decidió diseñar una turbina para el Austin Sheerline con una potencia de 125 caballos.

A la izquierda, el Etoile Filant de Renault. A la derecha, la turbina de gas utilizada por Austin de tipo Heavy Duty sin tobera convergente para el escape. El compresor centrífugo se sitúa en el centro, a la derecha se encuentran los escalonamientos de la turbina y a la izquierda se encuentra la caja de cambios con tres ejes.

Muchas otras marcas se lanzaron a motorizar camiones y autobuses mediante turbinas de Boeing o Power Jets. Los años 50 fueron de esta forma el apogeo de las turbinas de gas en todos los medios de transporte. Sin embargo, el alto coste de fabricación y el escaso desarrollo de una tecnología recién nacida llevaron al fracaso a todos los proyectos mencionados y para la entrada de la década de los años 60 solo la aviación y marcas como Rover y Chrysler veían futuro a esta tecnología.

Rover, la primera en experimentar con turbinas en automóviles

Como ya se mencionó anteriormente, durante la 2ª guerra mundial Rover construyó la planta motriz de los primeros cazas ingleses a reacción, los Meteor. Con la posguerra el desarrollo de motores de aviación pasó a Rolls-Royce y por su parte Rover aprovechó sus años de investigación en turbinas tratando de introducirlas en el mundo del automóvil. En 1950 Rover presentó el primer automóvil de turbina fabricado por una empresa de automóviles en Silverstone con el nombre de Whizzer Jet 1.

Portada de la revista Road and Track con una fotografía del primer automóvil de turbina fabricado por una marca de automóviles, el Rover Whizzer Jet 1.

A este automóvil le siguió el T-3 en 1956 cerrando así la etapa de apogeo de las turbinas de gas en el automóvil de los años 50. Sin embargo, la investigación de Rover con las turbinas no se quedó ahí y continuaron durante los años 60 tratando de fabricar modelos deportivos que permitiesen marcar records de velocidad como una década antes había conseguido el Jet 1.

El diseño de la carrocería y el chasis del Rover-BRM fueron claves para la colocación de turbinas experimentales. Gracias al acuerdo de Rover con la Organización Owen aparecieron en 1963 coches de competición que llegaron a alcanzar en Le Mans más de 173 km/h de media. En 1965, modificando el propulsor del vehículo y con una nueva carrocería, vuelven a las 24 horas de Le Mans terminando con una media de 195 Km/h.

Rover-BRM con un diseño aerodinámico que le permitió alcanzar records de velocidad en Le Mans a principios de los años 60.

La nueva turbina que propulsaba el vehículo contenía innovaciones como el uso de una turbina principal centrípeta en lugar de axial para suministrar par al compresor centrífugo. Este nuevo propulsor 2S/150/R contaba con dos regeneradores construidos con la forma de dos grandes discos de vidrio-cerámica enrollados como la chapa de un cortallamas, formando un panal por el que circulaba el gas caliente. El método de fabricación de esta especie de panal garantizaba una mayor dureza y un coeficiente de dilatación nulo. El regenerador giraba a 16.000 rpm mientras que el turbocompresor funcionaba a 65.000 rpm y la turbina libre a 39.000 rpm en máxima potencia. El piñón al que iba conectada la turbina libre poseía una reducción de 23.09:1.

Turbina de gas seccionada del Rover-BRM en la que se puede observar la compactación del compresor centrífugo y su turbina principal centrípeta. Por otro lado, otro eje está conectado a la turbina de potencia al lado izquierdo del grupo turbocompresor.

Paralelamente a esta incursión de Rover en el mundo de la competición, se elaboró un prototipo cuyo propósito se alejaba del mundo de las carreras y de la propaganda al más puro estilo de los Firebird de GM. El vehículo estaba basado en un Rover P6 destinado al segmento de berlinas de lujo al que se le había extraído el motor de pistones y se le había colocado una turbina de gas de la marca. Esta contaba con dos regeneradores capaces de reducir el consumo, la puesta en marcha se realizaba en 12 segundos facilitando de esta forma la correcta combustión del combustible en la cámara y dotando al vehículo posteriormente de un 0 a 100 Km/h en tan solo 8 segundos. La velocidad máxima de este prototipo era de 185 Km/h y la turbina alcanzaba las 65.000 rpm de régimen máximo.

Rover P6 con turbina de gas que alcanzaba una aceleración destacable al alcanzar los 100 Km/h en tan solo 8 segundos.

Este prototipo nos permite ver un intento de Rover para sacar modelos de automóviles con turbinas que puedan ser usados fuera del mundo de las carreras, esto es en el día a día. El proyecto a finales de los años 60 no tuvo más recorrido y, junto con los de competición, Rover cesó este proyecto. No obstante, la idea de llevar este nuevo tipo de automóvil a las calles parecía posible para Rover y aunque no pudo dedicarle mucha investigación, otra marca con más recursos si pudo. Empezamos así la aventura de Chrysler con las turbinas.

Chrysler, la marca que quiso hacer popular al coche de turbina

Durante los años 50, EEUU contaba con tres grandes del automóvil, Ford Motor Company, General Motors y Chrysler. A pesar de ese dominio de la industria del transporte muchas otras marcas luchaban por sobrevivir ofreciendo innovaciones en un mercado americano en el que los excesos estaban a la orden del día. Muchas marcas como Packard o Hudson sufrieron esa feroz competencia de la posguerra, pero había una entre las tres grandes que casi siempre estaba en bancarrota y de una u otra forma se salvaba del abismo.

Chrysler es popularmente conocida, junto con Oldsmobile y Duesenberg, como una de las marcas americanas más innovadoras de la historia. Múltiples soluciones adoptadas en automoción son gracias a esta marca, como el diseño del primer automóvil en un túnel de viento. Siempre que se encontraba en periodos de bonanza económica empezaba a dar rienda suelta sin frenos a sus equipos de investigación sacando al mercado automóviles muy adelantados a su época. El público no estaba preparado para semejantes avances y esto llevaba nuevamente a la marca a la bancarrota. Era el ciclo continuo de una montaña rusa que en varias ocasiones hubo de rescatar el gobierno.

Una vez presentada la cultura de dicha empresa, es lógico pensar que al hacerse popular en los años 50 la propulsión mediante turbinas en todos los medios de transporte, Chrysler iba a intentar sacar partida a esa idea. Más si cabe teniendo en cuenta que contaba con una época financiera brillante. Las primeras pruebas realizadas por la compañía tuvieron lugar con un Plymouth Belvedere en 1954 cubriendo un trayecto de Nueva York a Los Ángeles.

Los Plymouth Beldevere fueron, en varias de sus generaciones, las primeras de las "mulas" utilizadas por Chrysler Corporation para realizar pruebas de sus turbinas de gas recorriendo EEUU de este a oeste.

La conclusión que se saca de dicho trayecto es que, a diferencia del resto de marcas, la primera prueba oficial no se realiza en un circuito para conseguir un récord de velocidad. Se trata de una prueba de resistencia a velocidades de un turismo de calle y en tráfico de ciudad. Por tanto, el objetivo de Chrysler desde el minuto uno era popularizar el automóvil con turbina. A su vez, se pudieron extraer numerosos defectos de este primer propulsor que carecía de regenerador.

Uno de los mayores problemas fue como adaptar la turbina a un rango de potencia variable para reducir el consumo en el tráfico metropolitano, recurriéndose a una corona de álabes variables en el estator del escalonamiento de la turbina libre. En lo que respecta a la instalación de un regenerador, se experimentó con hasta 275 formas y disposiciones diferentes que optimizasen el rendimiento regenerativo y consecuentemente el consumo.

Las turbinas fueron mejorando sus diseños y rendimientos en varias generaciones. La más disruptiva fue quizá la cuarta versión denominada A-831-2 porque ya contaba con dos regeneradores y 130 caballos. La colocación de los regeneradores lateralmente posibilitaba la compactación del grupo propulsor simplificando el recorrido del aire y por tanto incrementando el rendimiento. El régimen a potencia máxima era de 45.700 rpm girando los intercambiadores de calor a 22 rpm. En lo que respecta a las temperaturas, destaca el salto que existe entre la entrada y la salida del regenerador de casi 400ºC gracias al diseño de panal similar al de Rover, pero con acero inoxidable en lugar de material vidrio-cerámico.

Turbina de gas A-831-2 de Chrysler en la que destaca la presencia del estator seguido al rodete del compresor centrífugo. Los dos regeneradores giran respecto a su centro gracias a las multiplicaciones del par del eje del compresor en el lado izquierdo.

El piñón del eje de la turbina motriz permitía por su parte cambiar el régimen de 39.000 rpm a 3.600 rpm para de esta forma entrar a la caja de cambios automática. Los álabes de la turbina eran directrices y permitían cambiar el régimen de dicho eje incluso pudiendo ayudar en retenciones, con ángulos de ataque negativos en los álabes del estator.

Con el gran paso que supuso esta cuarta versión, Chrysler estaba dispuesta a dar el salto encargando a Ghia el diseño de una carrocería rupturista a la par que continuista con las tendencias de finales de los años 50. Tomando la base de diseño del Ford Thunderbird, diseñado por Elwood Engel, se perfila el nuevo coupé de Chrysler para competir contra el susodicho Ford y el Chevrolet Corvette. Las formas del nuevo coupé eran tan similares a las del Ford que acabó apelándose como “Englebird”, pero la clave estaba debajo del capó albergando este la última evolución de las turbinas de la marca.

Chrysler Turbine en el New York World´s Fair de 1964, su estética lateral recuerda a la del Ford Thunderbird.

La idea de sacar al mercado de forma directa este tipo de vehículo estuvo sobre la mesa desde el principio, pero Chrysler quiso primero promocionar en 1962 este automóvil por todo el mundo. Se fabricaron así 5 modelos, de los cuales uno de ellos vino a España gracias a los hermanos Barreiros. Las experiencias en África dejaron grandes momentos jocosos como la utilización de bebidas alcohólicas como combustible y a su vez permitieron aflorar problemas como las vibraciones de los neumáticos. Estas resultaron estar relacionadas con la inusual suavidad del motor de turbina, que hacía aflorar ruidos no percibidos hasta entonces y hoy día un verdadero problema en coches eléctricos.

De esta forma se recaudaron fondos suficientes con publicidad, al estilo GM con los Firebird, para fabricar el vehículo en una corta tirada que permitiese posteriormente a un selecto grupo de personas probar este vehículo en el día a día. Así, se presentó al mercado en 1963 el Chrysler Turbine, ya de forma oficial, y se fabricaron 50 modelos que pasaron a formar parte de un estudio de mercado en el que familias de todos los estados de EEUU adquirían este vehículo firmando una cláusula de responsabilidades y sobre todo el compromiso de devolución del modelo en 1966.

Tarjeta de asistencia para los usuarios del programa de Chrysler en el que se mostraba los puntos de atención al cliente en los distintos estados del país.

Todos los Turbine eran de capota rígida, con servofreno de aire sobre aceite y dirección asistida. Los coches contaban con un nuevo sistema de suspensión independiente con muelle helicoidal en cada rueda delantera, evitándose así el sistema de barras de torsión longitudinales de los Chrysler de los años 50. La suspensión trasera utilizaba ballestas como el resto de modelos de la compañía y las cuatro ruedas estaban equipadas con frenos de tambor.

En el interior destacaba la consola central traida de la década de los años 70 a 1963, el cuadro de instrumentos contaba con un cuentarrevoluciones de hasta 46.000 rpm, el pirómetro que marcaba la temperatura de entrada a la turbina principal y el manómetro de aceite brillaba por su ausencia, dado que no requiere de aceite este tipo de propulsión. Los detalles de aluminio pulido y el cuero a juego con la pintura exterior, bronce de turbina, daban al vehículo un toque muy elegante.

Interior del Chrysler Turbine donde se puede apreciar la consola central de un diseño adelantado a su época.

Gracias a este programa piloto, Chrysler pudo identificar distintos problemas, como el mal funcionamiento del motor de arranque a grandes altitudes o​ el poco cuidado de la gente de esperar un tiempo al arrancar hasta que la turbina girase por sí misma y realizar así combustiones óptimas del combustible…Tiempo de espera que deberíamos aplicarnos todos también en el motor de pistones...Sin embargo, los motores de turbina eran más duraderos en comparación con los motores de pistón y sumándose a las ventajas ya conocidas, muchos participantes alegaron un funcionamiento suave y sin vibraciones, mantenimiento reducido y facilidad de arranque en temperaturas bajo cero. Por otro lado, una de las desventajas de este modo de propulsión era el enorme ruido al ralenti, pero la gente acabó adorándolo al recordar al de un avión. De hecho, al 60% de los conductores que participaron en el programa de usuarios les encantó el sonido y desagradó a entorno el 20%.

Por otra parte, se descubrió que la gasolina con plomo no era un buen combustible por las erosiones que dejaba el plomo en las turbinas de forma que se prohibió el uso de dicho combustible pasándose al aceite usado de cocinar, al gasoil o incluso a bebidas alcohólicas, gracias a la versatilidad de combustibles que permitía usar.

 Publicidad de Chrysler en la que se ensalza la reducción de emisiones del Turbine frente a un motor de pistones.

En abril de 1966, el proyecto llegó a su fin y Chrysler despojó los 50 Turbine a cada familia independientemente de si el coche llegase a producirse en serie o no. Muchas familias habían recorrido más de un millón de millas e incluso el país entero con él y era un miembro más de la familia. A pesar de las negativas de los propietarios y tras no encontrarse 50 museos interesados en el vehículo, 46 Turbine fueron desguazados, quemados y prensados en una escena muy dolorosa para dichas familias. Los 9 restantes acabaron en museos de EEUU.

Dos Chrysler Turbine listos para ser prensados en un desguace del sur de Detroit.

Aunque los Turbine nunca llegaron a producirse en serie, se continuó con el desarrollo de turbinas de automóviles, ya que los gases de escape de las turbinas contienen menos partículas e hidrocarburos sin quemar, al ser la combustión más perfecta, que en un motor de pistones. En 1971 incluso se continuó desarrollando un motor de turbina con fondos de la Administración Nacional de Control de la Contaminación del Aire. El desarrollo de turbinas de Chrysler continuó hasta mediados de la década de 1970 con versiones que se instalaron en el Dodge Aspen o en el Chrysler LeBaron.​

Chrysler LeBaron Turbine de 1977 que contaba con la séptima y última generación de las turbinas de gas de la compañía.

La llegada de la crisis del Yom Kipur con la elevación del precio del combustible fue un duro mazazo para todas las marcas, pero en especial para aquellas que se encontraban a punto de revolucionar el mundo del automóvil como era el caso de Comotor. Con la 2ª crisis del petróleo, la séptima y última generación fueron suspendidas en 1979 tras la decisión de Lee Iacocca como nuevo presidente de la Chrysler Corporation de reducir costes y solicitar así al gobierno de Reagan un préstamo para rescatar la marca, el cual implicaba la introducción de economías de escala. A partir de entonces la marca se centraría en los modelos K de Iacocca y los nuevos Dodge Caravan y Viper para así arrebatar el liderazgo del mercado a las marcas niponas en EEUU.

Lee Iacocca con un Chrysler modelo K, padre del Ford Mustang y partícipe en la creación del concepto del Ford Fiesta. Tras su paso por la Ford Motor Company pasó a ser el presidente de la Chrysler Corporation salvando a la compañía con su exitoso modelo K , el Dodge Viper y el Plymouth Voyager.

Volviendo a los Turbine, uno de esos 9 modelos fue vendido a un particular que se lo revendió al coleccionista Jay Leno. En 2012 el famoso presentador de TV subió un video de su Turbine en YouTube, mostrándose en perfecto orden de marcha, así como todos sus accesorios. Por desgracia en 2021 un regenerador echó a arder y terminó destrozando uno de los escalonamientos de la turbina. Gracias a Jay Leno y a la empresa de turbinas Williams International se ha conseguido reconstruir dicho regenerador con diseños por ordenador contando con ingenieros casi centenarios que formaron parte del equipo de Chrysler en aquel momento y jóvenes ingenieros que se han formado gracias a este proyecto.

Tubina A-831-2 del Chrysler Turbine acompañada por algunos de los ingenieros de la empresa que formaron parte del proyecto.

Es esperanzador ver como en EEUU aún se protege este legado no ya por el automóvil sino por la repercusión que implicó a nivel tecnológico. La historia del Chrysler Turbine se encuentra hoy día en la biblioteca del Congreso, quedando así protegida por el Estado como un bien de interés nacional. 

Cierto es que no se han cubierto todas las turbinas de gas que se han montado en el automóvil, se han quedado algunas en el tintero de Chevrolet, por ejemplo. En el siglo XXI se ha intentado por parte de GM volver a sacar prototipos propulsados por turbinas, pero de nuevo sin la voluntad de llevar esta tecnología a los turismos del día a día. Para acabar, me gustaría lanzar una pregunta...¿Si no hubiese tenido lugar el conflicto árabe-israelí el motor Wankel de Comotor y el Chrysler Turbine habrían sustituido al motor de pistones? Yo creo que sí, la ingeniería hubiese avanzado por una línea de conocimiento diferente, pero claro lo que cambia el mundo, y a las personas, es el poder y no el conocimiento…

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