Peradaban manusia pada zaman sekarang sangat bergantung pada bahan bakar fosil. Sayangnya bahan bakar ini sangat terbatas keberadaannya. Oleh karena itu, sangatlah penting bagi umat manusia untuk menghemat penggunaannya. Penghematan tersebut dapat dilakukan dari segi transportasi dimana mayoritas alat transportasi yang terjual sekarang terutama mobil masih menggunakan mesin carnot sebagai penggeraknya dan memakai bahan bakar fosil sebagai sumber energinya. Mesin carnot yang dipakai berjenis mesin pembakaran internal yang memakai piston secaran mayoritas. Sayangnya mesin ini hanya memiliki efisiensi sekitar 25%. Artinya 75% energi terbuang baik dalam bentuk panas, suara, gesekan, dan lain-lain[3].

Vokswagen Group adalah perusahaan Jerman yang didirikan oleh German Labour Front pada tahun 1933. Perusahaan ini bergerak dibidang industry otomotif. Belakangan Volkswagen Group telah mengembangkan suatu teknologi terbaru yaitu Budack Cycle dimana kebanyakan mesin pembakaran internal masih menggunakan Otto Cycle. Nama Budack Cycle didapatkan dari salah satu insinyur Volkswagen Group bernama Budack[2] yang telah mengembangkan teknologi ini. Budack Cycle adalah modifikasi dari Atkinson Cycle yang diciptakan oleh insinyur Inggris bernama James Atkinson pada tahun 1882[1].

Untuk mengetahui bagaimana Budack Cycle bekerja, kita harus memahami dulu bagaimana Atkinson Cycle bekerja tapi sebelumnya mari kita bahas dulu bagaimana hubungan antara Atkinson Cycle maupun Budack Cycle dengan efisiensi mesin carnot. Untuk menghitung efisiensi mesin carnot dapat menggunakan rumus µ=1-*100%[3]. Dari rumus tersebut dapat dilihat bahwa semakn rendah kalor gas buang makan semakin tinggi efisiensi yang didapat. Atkinson Cycle bekerja dengan mengurangi suhu/kalor gas buang yaitu dengan cara mengurangi tekanan pada saat piston berada di bottom dead centre pada saat power stroke. Dengan tekanan yang lebih kecil maka suhu bisa lebih rendah sehingga tidak ada tenaga yang terbuang.

James Atkinson melakukan hal ini dengan cara menambah rasio ekspansi agar lebih besar dari rasio kompresi. Rasio kompresi bisa dikurangi dengan cara membuang sedikit udara pada saat intake stroke. Tujuan utama dari Atkinson Cycle adalah membuat tekanan pada saat silinder di bottom dead centre di power stroke sama dengan tekanan di atmosfer sehingga tidak ada energi yang terbuang. Implementasi Atkinson Cycle yang pertama dibuat oleh James Atkinson melalui Differential engine[4] pada tahun 1882 dan Cycle engine pada tahun 1887.

Differential engine yang dibuat oleh Atkinson memakai opposed piston yang memiliki 1 crackshaft. Kedua piston tersambung ke 1 crankshaft. 1 piston memberikan kompresi dan power sementara 1 piston lainnya memberikan exhaust dan exspansi yang lebih[4,5]. Sementara untuk Cycle engine, hanya terdiri dari 1 piston dan 1 crankshaft tetapi crankshaft tersebut dimodifikasi agar dapat mengatur tinggi rendahnya kompresi secara mekanik. Katup Intake dari Cycle engine buatan Atkinson memakai push rod. Dengan dapat diaturnya tinggi rendahnya kompresi, maka Atkinson dapat mengatur agar pada saat intake stroke, udara yang masuk lebih sedikit dan pada saat power stroke, bottom dead centre dari piston bisa lebih rendah dari intake stroke[4,5].

 

Gambar 1. Cycle Engine buatan James Atkinson pada tahun 1887[1]

Dari gambar tersebut, pada saat silinder melakukan intake stroke, bottom dead centre hanya turun sampai ketahap tertentu karena adanya modifikasi di crankshaft. Tetapi apabila silinder melakukan power stroke, bottom dead centre turun sampai ke titik terjauhnya (lebih rendah dari intake stroke) sehingga tekanan dan suhu bisa lebih rendah dari mesin dengan Otto Cycle dengan kapasitas silinder yang sama pada saat intake stroke. Sementara untuk katup intake diatur langsung secara mekanik oleh crankshaft melalui push rod[1].

Atkinson Cycle yang ada pada mobil jaman sekarang, bekerja dengan tetap membiarkan katup intake terbuka sehingga pada saat compression stroke udara terbuang kembali ke intake manifold. Contoh, apabila kapasitas silinder 120cc (dengan rasio kompresi 1:12), maka pada saat compression stroke, katup intake masih terbuka sehingga udara terbuang sebesar 20cc sampai akhirnya menutup lagi. Pada saat udara yang ada di silinder mencapai 100cc (sebagai contoh) baru dimulailah compression stroke sehingga rasio kompresi berubah menjadi 1:10. Dengan perbandingan rasio kompresi 1:10 dan rasio ekspansi 1:12, maka kita masih bisa memanfaatkan kalor yang ada pada silinder pada saat terjadi power stroke.

Atkinson Cycle lebih efisien dari Otto Cycle karena pada saat exhaust stroke, Atkinson Cycle memiliki gas buang yang lebih sedikit daripada Otto Cycle sehingga energi yang dihasilkan di Otto Cycle terbuang sia-sia karena tekanan yang dihasilkan pada saat exhaust stroke lebih besar daripada Atkinson Cycle. Selain itu, dengan lebih rendahnya rasio kompresi di Atkinson Cycle, mesin bisa mengurangi pumping losses. Pumping losses adalah pada saat intake stroke, udara yang tertarik ke dalam piston terhambat baik karena halangan oleh throttle valve maupun oleh silinder lain yang sedang melakukan compression stroke oleh karena itu, dibutuhkan lebih banyak energi pada saat intake stroke. Pada Atkinson Cycle, karena energi yang dibutuhkan untuk compression stroke lebih kecil, maka silinder lain yang sedang melakukan intake stroke tidak kehilangan momen inersia untuk mengambil udara dari luar.

Budack Cycle memiliki kinerja yang secara garis besar sama dengan Atkinson Cycle yaitu dengan mengurangi tekanan dan suhu di exhaust stroke pada saat piston berada di bottom dead centre di power stroke. Perbedaan satu-satunya adalah pada saat intake stroke, katup intake menutup lebih cepat sehingga udara yang masuk kedalam silinder lebih sedikit dari kapasitas silinder. Oleh karena itu, Budack Cycle lebih efisien dari Atkinson Cycle karena di Budack Cycle, piston tidak perlu membuang udara kembali ke intake manifold pada saat compression stroke sehingga tidak ada energi yang terbuang[2].

Kelemahan dari Atkinson Cycle maupun Budack Cycle adalah mereka menghasilkan torsi yang lebih rendah dari Otto Cycle karena pada saat intake, udara yang masuk lebih kecil dari kapasitas silinder oleh karena itu, insinyur menggunakan variable valve timing atau variable valve lift untuk mengatur jumlah udara yang masuk ke silinder. Dengan begitu, mesin bisa berganti mode ke Otto Cycle apabila dibutuhkan torsi yang lebih besar. Biasanya, mesin menggunakan Budack atau Atkinson Cycle pada saat mesin sedang idle. Selain menggunakan Variable Valve Timing maupun Variable Valve Lift, biasanya mesin dengan Atkinson Cycle dipasangkan ke mobil hybrid seperti Toyota Prius karena mobil hybrid memakai motor listrik untuk membantu menghasilkan torsi yang lebih besar.

Kesimpulan yang kita dapat adalah dengan penemuan Budack Cycle oleh Volkswagen Group, mesin pembakaran internal bisa menjadi lebih efisien apalagi dengan kombinasi dengan motor listrik sehingga mobil bisa melaju lebih jauh lagi dibandingkan dengan mesin pembakaran internal biasa dengan Otto Cycle. Apalagi dengan ciptaan terbaru yaitu Algae Fuel[6] sebagai alternatif dari bahan bakar fosil maka mesin pembakaran internal memiliki emisi yang sama bahkan lebih bagus dibandingkan dengan mobil bertenaga listrik.

 

Kontributor : Nugroho Wibowo Kurniawan (ARE Semester 1 2017/2018)

 

Referensi

[1] US Patent(1887) J. Atkinson, “Gas Engine”,  http://www.google.com/patents/US367496 [accessed; December 15, 2017]

[2] Brian Silvestro(September 20, 2017), “Here's How Volkswagen's New Engine Cycle Is Making Its Cars More Efficient”, http://www.roadandtrack.com/car-culture/a12436620/volkswagen-budack-cycle-explained/ [accessed; December 15, 2017]

[3] Dr. Sarma Pisupati, Professor, Department of Energy and Mineral Engineering, College of Earth and Mineral Sciences, The Pennsylvania State University, “The Carnot Efficiency”, https://www.e-education.psu.edu/egee102/node/1942 [accessed; December15, 2017]

[4] Gingery, Vincent. Building the Atkinson Differential Engine. David J. Gingery Publishing, LLC. ISBN 1878087231. US 336505, J. Atkinson, "Gas Engine", issued 1886-02-16 [accessed; December 15, 2017]

[5] US Patent(issued 1886-02-16) J. Atkinson, "Gas Engine", http://www.google.com/patents/US336505, [accessed; 15 December 2017]

[6] Scott, S. A.; Davey, M. P.; Dennis, J. S.; Horst, I.; Howe, C. J.; Lea-Smith, D. J.; Smith, A. G. (2010). "Biodiesel from algae: Challenges and prospects". Current Opinion in Biotechnology. 21 (3): 277–286. PMID 20399634. doi:10.1016/j.copbio.2010.03.005. [accessed; December 15, 2017]