Mengapa mesin 'Free Piston' dapat memberi daya pada hibrida plug-in Anda berikutnya

Ketika kita memikirkan teknologi otomotif masa depan, kita biasanya memikirkan bahan bakar alternatif, baik itu hidrogen atau tenaga listrik dari baterai futuristik. Ternyata, masa depan mungkin merupakan bentuk baru dari pembakaran internal: mesin ‘piston bebas’.

Teknologi ini secara radikal membentuk kembali mesin, menggantikan poros engkol yang biasanya mentransfer tenaga dari piston dengan ruang kompresi dan impeler turbo. Mesin piston bebas mempunyai potensi peningkatan efisiensi yang signifikan. Mesin piston bebas prototipe sudah 50 hingga 60 persen lebih efisien dibandingkan mesin apa pun yang diproduksi saat ini – dan terdapat potensi lebih banyak lagi.

Bagaimana cara kerjanya?

Piston bebas memiliki sebagian besar komponen yang sama seperti mesin pembakaran internal lainnya. Perbedaan utamanya adalah cara menangkap kekuatan pembakaran.

Pada mesin standar, bahan bakar dan udara disuntikkan ke ruang kompresi dan dinyalakan. Pembakaran ini menekan piston yang terhubung ke poros engkol. Pada mobil, energi dari putaran poros engkol dialirkan melalui transmisi dan keluar ke roda penggerak.

Pada mesin piston bebas, pembakaran terjadi dengan cara yang sama, namun tidak ada poros engkol. Sepintas lalu, ini tampak gila, karena piston dibiarkan berputar-putar di dalam silindernya. Tapi ini sebenarnya sebuah pukulan – ya, saya bermaksud mengatakan itu – yang jenius. Dengan melawan dua silinder secara horizontal dan meledakkannya secara bersamaan, piston menekan udara di antara keduanya. Udara ini disalurkan melalui kompresor yang sangat mirip turbocharger.

Meskipun secara teknis dimungkinkan untuk menggerakkan poros langsung dari turbin ini, dalam praktiknya turbin ini dimanfaatkan sebaik-baiknya untuk menggerakkan generator listrik.

Ide untuk mesin seperti itu telah ada sejak tahun 1807, namun tantangan untuk membuat piston menyala dan menyala adalah hal yang sulit bergerak secara bersamaan telah menghalangi para desainer untuk memanfaatkan sepenuhnya mesin piston bebas… hingga saat ini.

Keuntungannya

Jadi, dengan tantangan-tantangan tersebut, mengapa repot-repot? Ya, itu semua berkaitan dengan efisiensi. Dalam mesin pembakaran internal standar, banyak tenaga yang hilang dalam bentuk panas dan getaran. Mesin bensin modern hanya dapat mengubah 18 hingga 25 persen energi potensial bahan bakar yang dibakar menjadi energi yang dapat digunakan. Mesin bensin yang paling efisien untuk sementara dapat mencapai 35 persen, namun itupun hanya dalam kondisi ideal.

Kurangnya poros engkol pada sistem piston bebas berarti tidak ada perubahan momentum konstan yang menimbulkan getaran dan gesekan yang mengganggu efisiensi. Keunggulan ini telah terlihat selama dua abad, namun dengan ketepatan teknologi modern, ada keunggulan lain: rasio kompresi yang bervariasi.

Dengan poros engkol seukuran ruang bakar, maka panjang gerak piston tetap. Dalam mesin piston bebas eksperimental modern, ukuran ruang dan panjang langkah tenaga dapat divariasikan dengan cepat, berubah dari revolusi ke revolusi, dengan unit manajemen mesin menyesuaikan ukuran ruang bakar dengan udara bahan bakar yang ideal campuran.

Selain itu, variabilitas ini memungkinkan mesin piston bebas bekerja dengan bahan bakar apa pun, mulai dari hidrogen hingga gas alam. Faktanya, saya tidak akan terkejut jika salah satu mesin ini dijalankan dengan scotch malt tunggal.

Semua kualitas ini menjadikan mesin piston bebas ideal sebagai generator onboard, yang perannya dapat merevolusi desain powertrain.

Serius, kapan saya bisa mendapatkannya?

Sejauh ini, dua prototipe mesin piston bebas sedang dalam pengerjaan. Yang pertama, tidak mengherankan, datang dari ilmuwan/penyihir gelap Jerman di German Aerospace Center (DLR).

Prototipe mereka, yang diberi nama “Freikolbenlineargenerator,” yang saya tidak yakin bisa menjadi bukti apakah orang Jerman punya selera humor atau tidak, masih dalam tahap awal pengembangan. Meski demikian, ia menjanjikan performa yang hanya dapat diimpikan oleh para insinyur powertrain lainnya.

Generator Freikolbenlinear menggunakan silinder yang saling berhadapan. Orientasi piston ini memungkinkannya menjadi lebih kompak daripada mesin piston bebas pada umumnya. Ini membuatnya sempurna untuk digunakan sebagai range extender.

Misalnya saja Chevy Volt. Ia memiliki baterai dan mampu bekerja hanya dengan listrik. Namun ketika baterainya habis, ia memiliki mesin bensin 1,4 liter yang dapat mengisi ulang baterainya dan mendorong mobil itu sendiri hingga mencapai kecepatan di atas 65 mph. Ini bekerja dengan baik, tapi sayangnya mesin gas berkapasitas kecil pun berukuran besar, berat, dan mahal.

Generator Freikolbenlinear dapat melakukan pekerjaan yang sama, namun cukup kecil untuk dipasang di bawah lantai mobil, sehingga menghemat ruang untuk benda lain seperti kangkung, misalnya.

Tapi mesin ajaib yang dibuat oleh ilmuwan gila Teutonik masih jauh dari produksi sebenarnya, bukan?

Ya, Toyota juga ikut serta. Musim panas ini, pembuat mobil besar Jepang mengumumkan mesin piston gratis atau 'generator linier' miliknya sendiri. Versi Toyota menggunakan satu silinder, bukan sepasang silinder berlawanan, dan mampu menghasilkan efisiensi termal 42 persen dalam pengoperasian konstan kondisi. Hal ini lebih baik daripada kemampuan mesin produksi mana pun – bahkan untuk sesaat, dalam kondisi optimal.

Mesin Toyota akan mampu menghasilkan 15 tenaga kuda dari paket berukuran delapan inci dan panjang dua kaki. Dua di antaranya mungkin lebih dari cukup untuk mengisi ulang baterai pada kendaraan modern dengan jangkauan lebih luas dengan ruang besar dan penghematan energi. Teknologi Jerman memang luar biasa, tapi mesin Toyota bisa saja ada di Prius dalam waktu dekat.

Kesimpulan

Listrik murni – atau mungkin hidrogen – hampir pasti masih merupakan sumber energi jangka panjang untuk mobil di masa depan. Namun, tidak satu pun dari teknologi tersebut yang siap. Listrik sudah dekat, namun masih terlalu mahal bagi sebagian besar konsumen Amerika, belum lagi miliaran konsumen Tiongkok dan India yang mendambakan kepemilikan mobil.

Mesin piston bebas mungkin merupakan teknologi jembatan penting yang secara dramatis dapat meningkatkan efisiensi pembakaran internal. Bahan-bahan tersebut mungkin juga memiliki umur yang lebih panjang dibandingkan bentuk pembakaran internal tradisional, berkat kemampuannya untuk membakar hampir semua hal yang mudah terbakar… Saya melihat Anda, kain berminyak.

Jika raksasa industri seperti Toyota memutuskan untuk mendukung teknologi ini, teknologi tersebut mungkin akan segera diproduksi pada mobil. Mari berharap.

Rekomendasi Editor

• Mercedes-AMG C63 berikutnya mungkin membuang V8 untuk tenaga hybrid empat silinder