Mobil Non-Konvensional Efisiensi Tinggi Bermesin Pembakaran Luar

Mobil memakai satu jenis bakar bakar, bensin atau solar (mesin Diesel) sudah biasa kita temui, tapi mobil dengan kemampuan memakai beragam bahan bakar (lebih dari 5 jenis bahan bakar, misalnya berbagai jenis bensin dan solar, minyak tanah, LPG, alkohol dan sebagainya) masih menjadi impian. Namun, bukan berarti ilmuwan di bidang otomotif tanpa usaha mewujudkannya. Sudah banyak ilmuwan yang mencoba cara lain untuk menghasilkan mesin berkemampuan memakai multi bahan bakar ini. Trend mobil dengan mesin pembakaran masih menjadi primadona sampai saat ini karena harga mobil listrik dengan baterai yang masih sangat mahal dan belum terlalu ekonomis. 

Sebagaimana kita ketahui, mobil umumnya memakai mesin piston pembakaran dalam (Internal Combustion Engine/ICE), yaitu mesin bensin (mesin Otto) dan mesin Diesel dengan bahan bakar bensin dan solar. Pengembangan mesin pembakaran dalam ini pun telah mencapai tahap yang sangat menakjubkan dalam bidang teknik permesinan, namun terkadang untuk menaikan tingkat efisiensi yang sangat sedikit membutuhkan teknologi yang begitu komplek/rumit dan sangat mahal. Apakah pengembangan mesin pembakaran dalam ini telah mencapai titik jenuhnya? 

Hal ini sama seperti pada masa peralihan mesin pesawat terbang tempo dulu era 1940-an, di mana pengembangan mesin piston pesawat terbang telah mencapai titik jenuhnya, dengan teknologi yang teramat rumit hanya menghasilkan peningkatan efisiensi dan daya yang sangat minim, justru penambahan bobot yang cukup signifikan. Akhirnya mesin piston ini pun mulai tersingkir dan digantikan mesin turbin gas yang relatif masih dalam awal pengembangan, namun dengan banyak keuntungan dan daya yang relatif besar untuk bobot yang minimal dibanding mesin piston dengan daya yang sama. 

Mesin pembakaran luar (External Combustion Engine/ECE) merupakan pilihan yang sesuai untuk mobil. Proses pembakaran pada ECE sangat mudah dikontrol, lebih efisien dan sangat rendah polusi. Mesin pun akan lebih tahan lama, karena proses pembakaran tidak terjadi di dalam komponen mesin. Namun kelemahan utama ECE yang belum sepenuhnya terpecahkan sampai saat ini adalah respon yang lambat saat akselerasi/perubahan kecepatan spontan dan bobot yang berat karena membutuhkan komponen yang lebih besar, khususnya untuk sistem pemanas dan sistem pendinginannya, serta biaya produksi dan harga jual yang relative tinggi. Hal ini bisa juga menjadi tantangan bagi ilmuwan di Indonesia untuk mencari solusi terbaik dari masalah ini. Siapa tahu ada ilmuwan Indonesia yang bisa membuat terobosan dari permasalahan ECE ini dan bisa menyumbangkan karya bagi bidang ilmu pengetahuan teknik dunia. ICE dan ECE terdiri berbagai tipe mesin, tulisan ini hanya membatasi pada jenis mesin piston saja. 

Pertama-tama kita akan menela'ah dahulu bagaimana mesin piston konvensional pembakaran dalam tipe 4 langkah bekerja. Secara singkat prosesnya adalah langkah hisap (udara dihisap masuk mesin), langkah kompresi, langkah tenaga/pembakaran dan langkah buang, secara detail bisa dipelajari dari referensi lain. Semua proses ini berlangsung di dalam mesin secara kontinyu dan berulang, yaitu pada bagian silinder dengan ruang bakar yang bisa berubah volumenya akibat gerakan piston.

Proses yang terjadi akan terjadi secara singkat dan biasanya akan sangat sulit mengontrol seluruh prosesnya untuk mendapatkan efisiensi yang tinggi. Gas buang akibat proses tersebut pun umumnya menghasilkan gas polutan yang sangat tinggi dan berbahaya. Selain itu pun, banyak energi panas yang tidak termanfaatkan maksimal untuk menghasilkan energi mekanik berguna penggerak mobil. Ini terbukti dengan panas yang relatif masih tinggi pada saluran gas buang/knalpot. Maka muncullah energi recovery dengan penambahan turbocharger (blower/kompresor untuk meningkatkan massa udara yang digerakan dari energi sisa gas buang ini) ataupun turbo-compound (mengubah energi panas gas buang menjadi energi mekanik).

[caption caption="Mesin pembakaran dalam 4 langkah (sumber: Mechanicstips)"][/caption]

 

[caption caption="Sistem gabungan turbocharger dan turbocompound dari Voith Turbo untuk truck Daimler (sumber: Voith Turbo Jerman)"]

[/caption] 

Mesin bakar piston bensin konvensional 4 langkah akan semakin meningkat efisiensinya bila rasio kompresi semakin besar. Namun pada kenyataannya hal ini akan dibatasi oleh denotasi yang akan terjadi. Mesin Diesel pun secara teori akan lebih rendah efisiensinya daripada mesin bensin, namun karena dapat bekerja pada rasio kompresi yang relatif tinggi, maka mesin Diesel ini akan menjadi lebih efisien dan lebih irit BBM daripada mesin bensin. Pembakaran pada ruang bakar pada kedua tipe mesin ini sangat sulit dikontrol, walaupun kita bisa mengatur besaran pedal gas secara bebas dan lembut, namun pada kenyataannya pembakaran yang terjadi pada ruang bakar cenderung untuk tidak stabil. Hal inilah yang menjadikan mesin pembakaran dalam menjadi rentan terhadap kerusakan dan ketidaknormalan proses pembakarannya, serta harus memakai spesifikasi BBM yang sesuai. 

Berbeda dengan ECE, proses pembakaran akan terjadi di luar mesin, pada suatu alat pemanas khusus (heater). Proses pembakaran ini pun sangat mudah dikontrol, karena terjadi pada tekanan konstan (isobar) dan dapat berlangsung secara kontinyu/terus-menerus, bukan periodik seperti mesin piston pembakaran dalam (ICE). Gas buang yang dihasilkan pun sangat rendah polusi dan lebih fleksibel dalam pemakaian berbagai jenis bahan bakar, mulai dari bahan bakar cair, padat dan gas, bahkan dari panas matahari. Para ilmuwan telah mencoba 2 jenis mesin ECE ini untuk mobil, yaitu mesin uap dan mesin Stirling.

 

Mesin Uap Piston

Secara sederhana proses mesin piston uap adalah pemanasan air sampai suhu dan tekanan tinggi menjadi uap kering pada heater, kemudian tekanan uap ini digunakan untuk mendorong piston dan menghasilkan energi mekanis. Sisa uap dari piston kemudian didinginkan kembali pada kondensor. Proses pun berulang kembali. Namun, pada aplikasi mobil ini, masalah seperti yang disebutkan sebelumnya belum sepenuhnya terpecahkan.

[caption caption="Skema sederhana mesin uap piston (sumber: National Taiwan Normal University)"]

[/caption]

 

[caption caption="Mesin uap piston GM SE101 (sumber: Popular Science July 1969)"]

[/caption]

 

[caption caption="Mobil Pontiac Grand Prix dengan mesin uap GM SE101 (sumber: Popular Science July 1969)"]

[/caption]

 

[caption caption="Mobil Chevelle dengan mesin uap piston Besler V4 SE124 (sumber: Popular Science July 1969)"]

[/caption]

 

Mesin Stirling Piston

Mesin Stirling merupakan mesin yang sangat efisien secara teori. Proses mesin ini secara sederhana adalah langkah kompresi pada suhu tetap dengan pendinginan (isothermal), Pemanasan pada volume tetap (isochoric), langkah expansi/tenaga pada suhu tetap (isothermal) dan langkah pendinginan (pelepasan panas) volume tetap (isochoric). Seluruh proses ini berlangsung secara terus-menerus dan berulang. Secara umum ada 3 jenis mesin Stirling, yaitu: alpha, beta dan gamma. Untuk mencapai daya yang besar maka mesin Stirling biasanya memakai udara ringan (seperti Hydrogen) dengan tekanan tinggi (untuk mendapatkan massa udara yang besar) dan dalam siklus yang tertutup.    

 

[caption caption="Siklus Stirling ideal (sumber: people.ok.ubc.ca)"]

[/caption]

 

[caption caption="Mesin Stirling V4X35 pada Ford Taurus 1974 (sumber: Ford)"]

[/caption]

 

[caption caption="Bus DAF dengan mesin Stirling Philips (sumber: Popular Science June 1971)"]

[/caption]

 

[caption caption="Mesin Stirling Philips pada bus DAF Belanda (sumber: Popular Science June 1971)"]

[/caption]

 

Energy Recovery

Kelebihan utama mesin pembakaran luar adalah energy recovery, yaitu memakai suatu regenerator untuk mengkonversi energy panas menjadi energy yang berguna. Bila pada mesin konvensional energy panas akan dilepaskan ke alam bebas melalui gas buang, maka pada mesin pembakaran luar energy panas ini dimanfaatkan kembali untuk memanaskan fluida kerja (udara). Efisiensi mesin pun akan meningkat drastis.

[caption caption="Contoh regenerator pada mesin Stirling (sumber: superengine.de)"]

[/caption]

 

Tantangan untuk para ilmuwan

Pengembangan mesin pembakaran luar ini masih terbuka lebar dan perlu adanya terobosan baru untuk mencari solusi masalah-masalah di atas sehingga mesin pembakaran luar dengan efisiensi tinggi ini bisa ekonomis untuk diproduksi. Terutama masalah biaya produksi, bobot dan respon lambat ketika akselerasi ataupun perubahan kecepatan secara spontan. Rasio kompresi mesin Stirling juga merupakan masalah pelik yang belum terpecahkan sampai saat ini. Di mana semakin tinggi rasio kompresi maka akan semakin efisien, namun di lain pihak mesin pembakaran ini juga membutuhkan luas permukaan yang luas (akan menambah volume ruang pemanasan) untuk memudahkan perpindahan panas.

Salah satu pemecahan lain adalah menggunakan mesin pembakaran luar untuk menggerakan generator listrik pada mobil hybrid, di mana mesin akan dapat bekerja pada putaran konstan. Namun hal ini masih terkendala pada biaya produksi yang masih mahal.

 

[caption caption="Dean Kamen (penemu Segway) dengan mobil hybrid bermesin Stirling (sumber: Popular Mechanic Agustus 2013)"]

[/caption]