Sobrealimentación por ondas de presión, Hyperbar y otros caminos raros
Hasta aquí esta serie ha ido por la carretera principal: el motor que respira solo, el compresor que le mete el aire a la fuerza, el turbo que aprovecha los gases de escape, la guerra contra el lag, las combinaciones de los dos y el intercooler que enfría todo el estropicio. Son los caminos que ganaron, los que hoy llevan debajo del capó casi todos los coches del mundo. Pero a los lados de esa carretera hay cunetas llenas de experimentos, de ideas brillantes que no cuajaron, de inventos que funcionaban pero que la historia dejó atrás por raros, por caros o por llegar tarde. Este es el capítulo de los márgenes. El museo de las herejías de la sobrealimentación.
Y conviene visitarlo, porque en estas cunetas hay algunas de las ideas más ingeniosas que ha parido la ingeniería del motor. No fracasaron por tontas. Fracasaron por adelantadas, por complicadas, o simplemente porque el turbo convencional resultó ser lo bastante bueno como para no necesitar alternativas. Pero cada una de ellas resolvía, a su manera, el mismo problema de siempre: cómo meter más aire en el cilindro. Solo que lo hacían por caminos que a un ingeniero normal le parecerían cosa de locos.
Comprex, el sobrealimentador que funciona con ondas
Empecemos por el más elegante y el más olvidado de todos: el Comprex, un sobrealimentador que no usa ni una bomba que apriete el aire ni una turbina que lo sople, sino algo mucho más sutil: ondas de presión. No ondas suaves como las del sonido que oyes, sino ondas de presión de gran amplitud, que pueden llegar a ser ondas de choque. Lo desarrolló la suiza Brown Boveri —la BBC, que luego sería parte de ABB—, y fue uno de sus ingenieros, Claude Seippel, quien lo bautizó en 1940 (de COMPResión y EXpansión) y firmó la primera patente del invento. Luego la idea se quedó en el cajón: las primeras pruebas sobre motor no convencieron, y no fue hasta 1957 cuando la estadounidense ITE retomó los ensayos en vehículos, ya en colaboración con BBC. Es una de esas ideas que, cuando las entiendes, te hacen levantar una ceja.
La física de debajo es bonita de verdad, y conviene contarla con cuidado porque es fácil liarse. Dentro del Comprex hay un rotor con un montón de celdas abiertas por los dos extremos, como un panal de abeja cilíndrico, que gira movido por una correa del cigüeñal. Por un lado de ese rotor llegan los gases de escape, calientes y a presión. Por el otro, el aire fresco de la admisión. Y aquí está el truco: cuando una celda se asoma a los gases de escape, estos entran de golpe y lanzan por el conducto una onda de presión que avanza por el aire y lo comprime. Ojo a la sutileza, porque aquí casi todo el mundo se equivoca: la onda que comprime el aire corre por delante; la frontera real entre el aire fresco y los gases de escape se queda detrás, avanzando mucho más despacio. No es la onda la que ensucia la admisión. El rotor está sincronizado para que, justo en el instante en que el aire ya está comprimido, la celda descargue ese aire hacia el motor y vuelva a girar antes de que la frontera de gases quemados llegue a colarse. Es un intercambio de energía directo, gas contra gas, sin que medie ninguna pieza que apriete nada: el escape le pasa su presión al aire fresco por contacto, pero el reto de todo el diseño es coordinar los puertos y el giro para descargar el aire comprimido dejando entrar los menos gases quemados posible.
¿Y qué gana con esto? Una cosa que al turbo le cuesta sangre: respuesta inmediata a bajas vueltas. Como el intercambio va a la velocidad del sonido y no depende de que una turbina pesada coja revoluciones, el Comprex empuja casi desde ralentí. En los diésel de los años ochenta, que eran unos zoquetes abajo (pregúntale a cualquiera que tuviera un XUD atmosférico), eso era oro. Un diésel con Comprex tenía un empuje a bajas vueltas que un turbo de la época ni soñaba.
Entonces, ¿por qué no lo lleva tu coche? Por los defectos, que eran tozudos. El primero, que por mucho que afines esa sincronización, siempre se cuela algo de gas quemado en el aire fresco: recirculas una parte de los gases sin querer, una especie de EGR casera que nadie había pedido, y eso ensucia y calienta la carga. En un diésel se perdona bastante —por eso el Comprex vivió casi solo en diésel—, pero en gasolina es un problema serio. El segundo, que el rotor va sincronizado por correa con el motor, y ajustar esa sincronización para que las ondas lleguen en el momento justo en todo el rango de vueltas es endiabladamente delicado. Y el tercero, el de siempre: era caro y complejo de fabricar justo cuando el turbo convencional empezó a volverse bueno, barato y fiable. El Comprex llegó a la meta corriendo, pero el turbo ya estaba allí sentado.
Aun así tuvo su momento de gloria en la calle, aunque entró por la puerta de atrás. Los primeros en fiarse de él fueron los tractores: la finlandesa Valmet lo montó en 1980 en el motor 411CX de su modelo 1203. Funcionaba, pero salía tan caro que la marca no lo repitió en los modelos siguientes. Que nadie se ría de los tractores como banco de pruebas, que de uno de ellos salió el dinero de la Miura, como contamos con Lamborghini Trattori.
En coches, Opel ofreció a partir de 1985 un Senator 2.3 diésel Comprex de 95 CV, solo con cambio manual de cinco marchas y con la placa de Irmscher en vez de la de Opel; se hicieron muy pocos. Peugeot y Mercedes-Benz también lo probaron. El que de verdad cuenta es el Mazda 626 —el Capella en Japón— con el diésel RF de dos litros, que desde 1988 tuvo versión Comprex: 75 CV, frente a los 60 del mismo motor sin sobrealimentar. La cifra que más circula es de 150.000 Mazda diésel con Comprex; Mazda nunca la ha publicado de forma oficial, así que tómala como orden de magnitud. Y hay un detalle que lo explica casi todo: según la documentación técnica alemana del invento, BBC no encontró en Europa los clientes que esperaba, tras su fusión con la sueca ASEA para formar ABB ya no hubo dinero para el proyecto, y el sistema acabó vendido a Mazda. El invento suizo terminó viviendo en Hiroshima.
Hasta la Fórmula 1 lo probó. Ferrari y Brown Boveri firmaron en 1979 un acuerdo de colaboración en exclusiva para llevarlo a las carreras, y en Long Beach 1981, el estreno de su primer turbo, la Scuderia llevó las dos soluciones: el biturbo KKK y el Comprex. El coche con Comprex se llamó primero 126BBC y luego 126CX. En los entrenamientos se le rompió a Gilles Villeneuve la correa que movía el rotor, en un circuito urbano de baches y frenadas que castigaba justo ese punto débil, y le montaron el KKK. El 126CX nunca disputó una carrera.
Y la idea no ha muerto del todo. En agosto de 1996 Greenpeace presentó en Lucerna el SmILE, un Renault Twingo transformado por la casa suiza Wenko con un bicilíndrico de gasolina de 358 cm³ y 55 CV soplado por ondas de presión. Gastaba menos de 3,3 litros a los cien, la mitad que el Twingo de serie. Las fuentes no se ponen de acuerdo en si aquel sobrealimentador era ya un Hyprex o un Comprex adaptado, así que lo dejo en el aire. Lo que vino después sí está claro: la misma casa, ya como Swissauto Wenko, desarrolló el Hyprex, con el rotor movido por un motor eléctrico en vez de por la correa (el nombre mezcla Hybrid y Comprex), y en 2008 lo montó en un Golf V con un motor de un litro que daba 150 CV y 210 Nm a solo 1.250 vueltas. Hubo planes para llevarlo a un Mercedes-AMG A 45 en 2012, pero los problemas de juventud del sistema tumbaron el proyecto. Hoy la ayuda eléctrica al turbo la presume un superdeportivo como el Ferrari F80; los suizos lo intentaron antes con ondas. El concepto del Comprex, como casi todo en esta serie, no se extingue: hiberna.
Hyperbar: ponerle una turbina de reactor al turbo
Del camino elegante pasamos al camino bestia. El Hyperbar es, probablemente, la solución más exagerada que se ha dado jamás al problema del turbo lag, y nació donde nacen las soluciones exageradas: en la industria militar, a la que el consumo y la elegancia le importan menos que el que un tanque de sesenta toneladas se mueva cuando tiene que moverse.
El problema de partida es el de siempre, pero en versión extrema. Un motor diésel de blindado necesita un turbo enorme para dar la potencia que mueve esa mole. Pero un turbo enorme tiene una inercia enorme, y por tanto un lag enorme: le cuesta una eternidad arrancar a soplar. Y un tanque que se queda un segundo largo sin respuesta cuando el conductor pisa a fondo es un tanque muerto. ¿Cómo consigues que un turbo grande pueda girar con brío incluso cuando el motor no le está dando gases suficientes? La respuesta del Hyperbar, que el ingeniero francés Jean Melchior patentó a partir de 1970 con el Estado francés como titular (las patentes van a nombre del delegado ministerial para el Armamento), es de una lógica aplastante: le pones una cámara de combustión propia, como la de un reactor, metida entre el motor y la turbina del turbo, y además un conducto de derivación (un bypass) que lleva parte del aire del compresor directamente a esa cámara y a la turbina, sin pasar por los cilindros del motor.
Ese bypass es la pieza que casi nadie cuenta y que lo cambia todo. Gracias a él, el conjunto compresor-cámara-turbina puede funcionar como una pequeña turbina de gas con vida propia, de la misma familia que la que Fiat metió en un coche en 1954 con el Turbina, independiente del diésel: puede arrancar antes que el motor y girar por su cuenta. Y la cámara no es una hoguera permanente a tope; un regulador le va dosificando el combustible para mantener la presión de soplado por encima de un umbral. Donde más trabaja es en el arranque y a baja carga, justo cuando el escape del motor aún no da para mover la turbina; en cuanto el motor coge carga, los gases del propio motor ya bastan y la cámara baja a un hilo de combustible casi testimonial. Resultado: respuesta inmediata y presiones de sobrealimentación altísimas —del orden de varios bares, de ahí el nombre, «hiper-bar»— con empuje disponible incluso a ralentí. En la práctica es un turbo que no espera a nadie porque, cuando hace falta, se alimenta solo.
¿El precio? Alto, como todo en esta historia, aunque conviene medirlo bien. Quemas combustible extra para mantener el turbo girando, así que pagas un sobreconsumo, pero no es un pozo sin fondo: la penalización se concentra en el arranque y la baja carga y se diluye cuando el motor ya tira por sí mismo. Añades una cámara de combustión completa con su inyección y su encendido, con el calor y la complejidad que eso arrastra. Y todo ese tinglado solo se justifica cuando lo que necesitas es un empuje brutal y constante por encima de cualquier otra consideración. Por eso el Hyperbar vivió donde tenía sentido: en blindados y en barcos rápidos, no en coches. SACM, la casa de Mulhouse que lo industrializó, anunciaba en 1983 un V12 Hyperbar de 1.400 CV a 2.500 vueltas para lanchas patrulleras, y presentó ese mismo año otro de 21 litros y 1.000 kW para guardacostas de 60 toneladas.
Aquí hay una pista española que merece contarse, aunque como inciso y con las cartas boca arriba. El blindado francés de reconocimiento AMX-10 RC, que entró en servicio hacia 1979-1981, se motorizó al principio con un V8 multicombustible sobrealimentado de Hispano-Suiza, el HS 115-2, de unos 250 CV, que a mediados de los ochenta se cambió por un Baudouin. Y Hispano-Suiza, por mucho que su rama de motores militares acabara afincada en Francia, es una marca nacida en Barcelona en 1904, fundada por el ingeniero suizo Marc Birkigt y el empresario catalán Damián Mateu, la misma que puso los V8 de los SPAD de la Primera Guerra Mundial. La sociedad francesa se creó en 1923 con la matriz española dueña del 71% del capital, hasta que el Estado francés tomó el control a finales de los años treinta para la producción de guerra. En 1946 la española vendió su negocio de automoción a ENASA, la casa de Pegaso, y la francesa siguió por su cuenta hasta que la absorbió Snecma en 1968. Cuando se diseñó el HS 115, por tanto, de Barcelona solo le quedaba el apellido. Ahora bien, que aquel motor fuera sobrealimentado no basta para llamarlo Hyperbar: las fuentes lo describen simplemente como sobrealimentado, no me consta que montara la cámara de combustión, y tener un turbo no demuestra la conexión. Así que me quedo con el apellido español como anécdota, y nada más. Donde sí está documentado el Hyperbar de manual es en el carro de combate francés Leclerc, que entró en producción en 1990 (el ejército francés aceptó el primer carro de serie en enero de 1992) con un V8 diésel SACM V8X-1500 de 1.500 CV asistido por una turbina de gas Turbomeca TM 307B integrada: ese grupo hace de sobrealimentador y, además, puede funcionar como grupo auxiliar con el motor principal parado. Un turbo con corazón de reactor, en el sentido más literal.
El soplador que no sobrealimenta
Y queda el caso más tramposo de todos, el que parece sobrealimentación pero no lo es, y que conviene aclarar precisamente porque se confunde una barbaridad: el soplador Roots de los motores diésel de dos tiempos, como los legendarios Detroit Diesel que durante décadas movieron camiones, autobuses y generadores en medio mundo. Detroit Diesel era entonces una división de General Motors, la misma GM que en los cincuenta jugaba con pistones libres, y su Serie 71 de 1938 llevaba un Roots a un costado del bloque, el mismo tipo de soplador que ya desmontamos en el capítulo del compresor volumétrico y que los hot rodders californianos acabaron robando de los excedentes de guerra.
Aquí hay que entender una cosa del ciclo de dos tiempos, y hay que acotar bien de qué dos tiempos hablamos, porque no todos respiran igual. Un motor de cuatro tiempos tiene una carrera entera dedicada a expulsar los gases quemados y otra a aspirar aire fresco: respira solo, por así decir, aunque sea mal. Un dos tiempos no tiene esas carreras de más: hace todo —admisión, compresión, explosión y escape— en una sola vuelta del cigüeñal, en dos carreras del pistón. Los dos tiempos pequeños de gasolina resuelven ese apuro usando el propio cárter como bomba, aprovechando el bajar del pistón para precomprimir la mezcla. Pero el diésel grande de dos tiempos con barrido externo, el de los Detroit Diesel, no hace eso: necesita que alguien le barra los gases quemados y le empuje el aire fresco por la fuerza, en el breve instante en que las lumbreras del cilindro quedan abiertas. Ese es el trabajo del soplador Roots en un Detroit Diesel: su función principal no es apretar la carga para sacar más chicha como en un coche de calle, sino simplemente hacer que el motor pueda respirar, barrer los gases. Sin él, ese diésel ni siquiera arranca. No es un extra de prestaciones: es un órgano vital.
De ahí la confusión eterna. Mucha gente ve ese soplador Roots asomando y piensa «ah, un dos tiempos sobrealimentado». Y ojo, que el aire entra a algo de presión: tiene que entrar a presión, porque sin una diferencia de presión el soplador no movería ni barrería nada. Lo que pasa es que esa presión está al servicio del barrido, no de exprimir potencia por encima de lo atmosférico. Es la diferencia entre un pulmón artificial y un turbo de competición: los dos mueven aire a presión, pero uno te mantiene vivo y el otro te hace correr más. Curiosamente, cuando esos Detroit Diesel querían de verdad más potencia, le añadían encima un turbo convencional al soplador Roots: el Roots para respirar, el turbo para rendir. En la nomenclatura de la casa esos motores llevaban una T en el nombre, y el turbo soplaba directamente a la boca del Roots. Un twincharging por necesidad, no por capricho, décadas antes de que Lancia y Volkswagen pusieran de moda la palabra.
El cementerio de las buenas ideas
Repasando estas cunetas uno saca una conclusión, aunque hay que afinarla y no meter a todos en el mismo saco. El Comprex sobrealimentaba con ondas de presión y respondía desde ralentí, que es justo lo que a todo el mundo le faltaba, y lo mató ser caro y delicado justo cuando el turbo rival se puso barato y fiable: ese sí es un caso de la mejor idea perdiendo por coste. El Hyperbar no está tan muerto como parece: resolvía el lag de raíz dándole al turbo su propio corazón a cambio de más gasto y complejidad, y por eso no cuajó en el coche civil, pero su arquitectura sigue viva ahí donde tiene sentido, en el Leclerc que aún rueda con ella. Y el soplador del dos tiempos ni siquiera competía en esta liga: no fracasó frente a nada, hacía otro trabajo —dejar respirar al motor— y carga injustamente con el malentendido de que «sobrealimenta». Tres destinos distintos, tres causas distintas; sería tramposo contarlos como una sola derrota.
Y aquí va mi pega. Llevamos seis capítulos admirando el ingenio con que la industria resolvió el problema de meter más aire, y este séptimo es el recordatorio de que por cada solución que se impuso hubo otras igual de listas o más que se quedaron en los márgenes. Pero no todas por la misma razón: unas perdieron la batalla del coste y la fiabilidad, otras sobreviven en su nicho militar, y otras nunca estuvieron en esa pelea. Lo que sí es cierto es que, en el coche de calle, el turbo convencional ganó no por ser perfecto —ya hemos visto en toda la serie la cantidad de parches que necesita—, sino por equilibrar mejor que nadie ingenio, coste y durabilidad. Y eso, que suena a derrota del romántico frente al contable, es la ley más cruda de la ingeniería del gran público: la tecnología que se impone no es la más brillante sobre el papel, sino la que un fabricante puede construir cientos de miles de veces sin arruinarse y vender a un cliente que la va a usar quince años sin pensar en ella. Varias de las ideas que visitamos hoy eran demasiado especiales para eso. Y por eso están en el museo, y no debajo de tu capó. Pero oye, da gusto pasear por el museo.
Qué se hace con todo este aire una vez que sabemos meterlo lo cuenta el capítulo 8: downsizing, por qué un motor pequeño turbo gasta menos que uno grande, con el superknock que partía pistones incluido.
Comprueba que sigues vivo.