ENERGI YANG DIKONSUMSI MOBIL F1

Oleh: Roy Daroyni

Untuk menghasilkan power yang begitu besar tentu mesin F1 harus banyak mengonsumsi energy. Pada kenyataannya, energy yang terkonsumsi bukan hanya besar karena besarnya kebutuhan energy untuk ngebut tetapi energy yang terbuang pun tak kalah banyaknya, bahkan jauh lebih besar dari pada energi yang termanfaatkan. Bahan bakar sebanyak 50 liter dihabiskan tidak lebih dari 15 lap saja, atau sekitar 70 km jika panjang sirkuitnya 4,5 km. Ke mana sajakah energi itu hilang?

            Dalam konversi energi, biasanya besarnya energi yang dikonversi selalu sejalan dengan besarnya energi yang terbuang. Dengan kata lain, semakin tinggi output power yang diharapkan, semakin kecil pulalah efisiensi mesinnya. Mesin mobil F1, seperti halnya mesin mobil biasa, memiliki 3 jenis efisiensi, dibawah ini akan dibahas masing-masing jenis efisiensi.

Efisiensi panas (thermal) adalah efisiensi pembakaran bahan bakar. Pembakaran ini adalah cara mengubah energi potensial yang sebelumnya terkandung dalam bahan bakar menjadi energi panas dan tekanan yang akhirnya mendorong sistem piston maju mundur dan akhirnya menggerakkan mobil.

Pada mobil biasa, besarnya efisiensi panas (thermal)  ini adalah sekitar 35% saja, atau dengan kata lain hanya 35% dari energi yang terkandung dalam bahan bakar yang bisa dimanfaatkan untuk memutar mesin. Mobil F1 punya efisiensi panas yang lebih kecil karena tingginya rpm yang dihasilkannya. Putaran mesin yang tinggi akan menghasilkan panas yang juga tinggi dan tentu saja panas tersebut harus dibuang untuk mencegah kerusakan material mesin dan komponen-komponen di sekitarnya. Membuang panas sebetulnya adalah membuang energi karena panas adalah energi.

Efisiensi panas juga sebanding dengan rasio kompresi. Mobil-mobil modern biasanya mendesain mesinnya dengan rasio kompresi yang tinggi agar efisiensi panasnya juga tinggi. Mesin F1 justru memiliki rasio kompresi yang relatif rendah agar mampu menghasilkan rpm yang tinggi. Rasio kompresi yang relatif rendah ini membuat efisien thermal mesin F1 lebih rendah lagi.

Rendahnya efisiensi thermal  juga bisa disebabkan oleh tidak terbakarnya sebagian bahan bakar. Mesin F1 mempunyai kecendrungan yang besar akan hal ini sebab RPM-nya yang tinggi membuat durasi pembakaran yang amat singkat. Padahal “prosesi” yang harus dilalui dengan bahan bakar sebelum terbakar cukup banyak. Dimulai dengan pencampuran dengan udara, lalu penempatan (kompresi), dan kemudian oleh busi.

Karena tingginya rpm, sema proses pra-pembakaran diatas harus dilakukan dengan cara sesingkat-singkatnya. Salah satu cara mengurangi kerugian ini adalah mendesain saluran masuk udara (intake manifold dan runner) sedemikian rupa bentuknnya sehingga udara yang masuk ke dalam silinder mempunyai gerakan berpusar (swirl). Efek swirling ini penting karena meningkatkan kecepatan udara untuk bercampur dengan bahan bakar.

Efsiensi mekanis adalah perbandingan power yang tersalur ke roda terhadap power  yang dihasilkan oleh pembakaran. Power yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar di atas, tidak sepenuhnya tersalur ke roda karena dalam perjalanannya mengalami kerugian-kerugian mekanis yang disebabkan oleh adanya gesekan-gesekan.

Dimulai dari piston yang menggesek dinding silinder, lalu gesekan pada connecting-rod atau batang yang menghubungkan piston dengan poros engkol (crankshaft). Poros engkol sendiri pun punya gesekan pada dudukan bearing-nya. Setelah itu, power juga berkurang akibat gesekan pada kopling dan kemudian ada pula gesekan pada kontak antara gigi-gigi pada roda-gigi di girboks.

Gesekan-gesekan itu semua menghasilkan panas dan itu artinya sama dengan membuang energi. Efisiensi mekanis mobil F1 amat rendah karena banyak factor. Pertama banyaknya jumlah silinder (10 silinder, 8 silinder dan sekarang 6 silinder) membuat gesekan dengan silinder con-rod dan crankshaft menjadi banyak pula. Kedua, dengan rpm mesin yang tinggi berarti juga terjadi gesekan yang lebih dalam durasi waktu tertentu. Ketiga Girboks dengan tujuh tingkat percepatan juga menghasilkan lebih banyak gesekan pada girboks.

Efisiensi mekanis dapat ditingkatkan dengan pemakaian oli yang berkualitas. Oli yang baik akan melumasi dua permukaan yang saling bergesekan sehingga gesekan tidak menimbulkan panas yang berlebihan dan kedua permukaan bisa terlindungi dari aus yang tidak terkontrol.

Efisiensi volumetrik adalah parameter yang membandingkan massa udara actual yang terhisap ke dalam silinder terhadap massa udara teoritis yang semestinya dapat terhisap. Logikanya, semakin banyak udara yang dapat dihisap oleh mesin, semakin banyak pula jumlah bahan bakar yang dapat di injeksikan sehingga power yang dihasilkan juga meningkat. Namun, menghisap bukanlah pekerjaan yang mudah dan selalu lebih sulit daripada meniup karena kecilnya perbedaan tekanan yang ada.

Massa udara teoritis yang dimaksud adalah massa udara yang mirip dengan volume mesin pada suatu temperature tertentu. Contoh, secara teoritis, pada temperature 150⁰C, setiap perubahan volume total mesin F1 adalah 2400 cc dan terbagi pada 8 silinder, tiap silinder mestinya mampu menghisap udara seberat 0,348 gram tiap dua kali putaran poros.

Pada kenyataannya, massa udara yang terhisap tidaklah sebanyak itu karena udara banyak sekali mengalami kerugian tekanan (pressure loss) dalam perjalanannya menuju silinder. Pertama, udara mengalami gesekan pada dinding saluran masuk, lalu bergesekan lagi dengan lubang katup yang sempit. Semakin sempit katup masuk semakin besar pressure loss.

Hambatan lain adalah pendeknya massa bukaan katup yang amat singkat (hanya sekitar 10 milidetik pada rpm maksimum) padahal udara (seberapa pun ringannya) juga mempunyai inersia yang membuatnya membutuhkan waktu untuk masuk ke silinder. Masalah lain adalah panasnya temperature di dalam ruang mesin. Sifat udara yang mudah memuai membuatnya mengalami penurunan massa jenis yang signifikan setiap kenaikan temperature.

Efisiensi volumetric bisa ditingkatkan dengan beberapa cara, seperti pemanfaatan turbocharger untuk menempatkan udara dan pemakaian intercooler untuk mendinginkan udara sebelum masuk ke dalam silinder. Namun sayang, kedua cara diatas dilarang FIA. Satu-satunya cara yang dapat di manfaatkan oleh para insinyur F1 adalah dengan memperbesar katup isap sehingga udara dapat masuk ke dalam silinder dengan lebih mudah.

Dengan rendahnya ketiga  jenis efisiensi di atas, mesin F1 sesungguhnya adalah “mesin pembuang energi”. Energi yang termanfaatkan menjadi kecepatan mobil tidak lebih dari 20% dari energi total yang terkandung dalam bahan bakar. Kerugian ini masih ditambah dengan kerugian aerodinamika saat mobil melaju kencang. Pada kecepatan tinggi, hanya 2/3 dari power mesin yang bisa dimanfaatkan untuk menambah laju mobil. Sepertiga sisanya adalah power untuk mengatasi hambatan angina yang bisa lebih dari 600 kgf ata lebih dari bobot total mobil itu sendiri. 

Dengan semakin pedulinya industri otomotif akan isu lingkungan, terutama penghematan penggunaan bahan bakar fosil, isu pemborosan bahan bakar ini menjadi perhatian serius.  FIA  telah bertindak untuk membatasi konsumsi bahan bakar dengan mulai melakukan sosialisasi mengenai pemangkasan volume mesin serta pemakaian energi secara hibrida pada regulasi teknik terhadap mobil F1 dimusim 2014.

Sekian.

Sumber : Majalah F1 Racing Edisi Februari 2013 pada halaman 94-95.