SEBERAPA EFISIEN MESIN F1 BERNAFAS ?

Oleh :  Roy Daroyni

Mesin mobil bernafas ? Tentu saja. Seperti halnya manusia, semua bentuk konversi energy selalu diperoleh dari proses pembakaran makanan atau bahan bakar yang melibatkan oksigen dari proses pernafasan. Bagaimana mesin F1 mendapatkan oksigennya ? Dan seberapa efisien mesin F1 bernafas ? Berikut Penjelasannya.

Mesin F1 menghisap udara dengan cara menggerakkan pistonnya kebawah pada langkah isap (katup isap terbuka). Kemudian udara segar akan terisap ke dalam silender setelah sebelumnya masuk melalui saluran masuk yang disebut intake-runner. Gerbang pertama bagi udara untuk masuk ke mesin adalah melalui lubang diatas helm pebalap. Lubang ini sengaja diposisikan di bagian paling atas dari mobil untuk membuat udara yang masuk sebisa mungkin bebas dari polusi gas buang kendaraan di depannya dan debu-debu sirkuit.

Jika suatu mesin mampu menghisap udara lebih banyak, maka semakin efisien pernafasannya. Karena itu, di antara insinyur mesin dikenal satu parameter untuk menunjukkan efisiensi pernafasan mesin yang disebut dengan Efisiensi Volumetrik. Parameter ini membandingkan massa udara yang secara actual diisap oleh mesin dengan parameter acuan (referensi) yaitu massa udara yang semestinya bisa di isap oleh mesin. Makin tinggi efisiensi volumetrik, tentu makin baik karena tenaga mesin meningkat. Sebab makin banyak udara masuk, maka airflowmeter yang memonitor laju udara akan melaporkan ini pada komputer mesin, dan selanjutnya komputer memerintahkan system injeksi bahan bakar untuk menyemprotkan bensin lebih banyak sesuai kenaikan laju udara. Jika besarnya efisiensi volumetrik suatu mesin sama dengan satu, maka itu artinya mesin yang bersangkutan telah bernafas dengan sempurna.

Massa udara referensi dihitung pada temperature normal udara (dalam fisika biasanya disebut sebagai room temperature) dan tekanan normal udara luar (yang biasa disebut sebagai 1 atmosphere). Massa udara yang menjadi referensi adalah 1,16 kg/m³. Ini artinya, jika volume mesin F1 saat ini adalah 2400 cc dengan 8 silender, maka tiap silender mestinya mampu menghisap udara sebanyak 0,348 gram tiap siklusnya. Jika, mesin berputar secepat 18.000 rpm, maka mesin F1 semestinya mampu menghisap udara sebanyak 417 gram setiap detiknya.

Pada kenyataanya, massa udara yang terisap oleh mesin F1, jauh lebih sedikit daripada jumlah itu karena udara banyak sekali mengalami kehilangan tekanan (pressure loss) dalam perjalanannya menuju silinder. Pertama, udara mengalami gesekan pada dinding saluran masuk (intake-runner), lalu bergesekan lagi dengan katup bukaan gas (throttle-valve), dan setelah itu masih juga bergesekan dengan lubang katup isap yang sempit. 

Hambatan lain adalah durasi bukaan katup isap yang amat sangat singkat yaitu hanya sekitar 10 millisecond atau 1/1000 detik pada rpm maksimum (18.000 rpm). Padahal udara, walau sangat ringan, tetap saja mempunyai massa-inersia yang membuatnya membutuhkan waktu untuk masuk ke silinder. Akibatnya, semakin tinggi putaran mesin efisiensi volumetric juga akan jauh menurun.

Masalah lain adalah panasnya temperature di dalam ruang mesin. Kita tahu bahwa udara gampang sekali memuai pada setiap kenaikan temperature. Artinya semakin panas temperature, maka massa jenis udara akan turun secara signifikan sehingga semakin sedikit pula udara yang masuk kedalam silinder

Dengan banyaknya hambatan yang ada maka kehilangan tekanan yang terjadi menjadi amat besar sehingga sebenarnya mesin F1 bernafas dengan amat tidak efisien jika dibandingkan dengan mesin pada umumnya.

Namun demikian, berberapa hal telah diupayakan oleh para insinyur F1 dalam meningkatkan efisiensi pernafasan ini walaupun beberapa upaya lain telah dilarang oleh FIA

Usaha yang tidak, atau belum, dilarang FIA adalah meniadakan intake-manifold. Berbeda dengan mesin biasa yang dipakai oleh mobil jalan raya, mesin F1 mempunyai jumlah throttle-valve yang sama dengan jumah silindernya karena mesin F1 tidak mempunyai intake-manifold. Jadi tiap silinder mempunyai saluran udara masuk (intake-runner) masing-masing secara secara individual dengan throttle-valve di masing-masing intake runner. Kondisi  ini membuat saluran udara yang akan masuk ke silinder lebih mempunyai “jalan” yang lebar karena tidak harus melalui “jalanan sempit” berupa intake manifold. Keuntungan lain dari tidak adanya intake-manifold adalah bukaan throttle  di tiap silinder bisa dibuat tidak seragam untuk membatasi power mesin. Pembatasan ini berguna saat traction-control bekerja dan memberikan sinyal kepada computer bahwa grip ban hilang akibat kelebihan power.

Beberapa upaya peningkatan efisiensi pernafasan lain yang telah dilarang FIA adalah : Memberikan tekanan (kompresi) pada udara masuk, lebih dikenal orang dengan turbocharger atau supercharger. Dengan turbocharger atau supercharger, efisiensi volumetric yang didapat bisa lebih daripada 100% karena udara ditekan dan dipaksa masuk. Ini berarti tidak ada power mesin yang terbuang untuk menghisap udara. Sayangnya turbocharger dan supercharger telah dilarang FIA sejak musim 1989, tetapi akan diperbolehkan lagi di musim 2014.

            Mendinginkan temperature udara sebelum masuk ke silinder. Usaha ini dapat dilakukan dengan memasang berat extracharger (mesin penukar gas) sebelum udara masuk pada intake-runner atau juga bisa dengan cara meninjeksikan air (water) pada silinder. Namun kedua kemungkinan itu tidak mungkin dilakukan karena dilarang oleh FIA.

            Membuat katup isap sebesar mungkin. Upaya ini telah dibatasi oleh FIA dengan cara membatasi silinder mesin yang dilakukan FIA sejak awal musim 2006. Sebetulnya tujuan utama pembatasan diameter silinder adalah pembatasan rpm mesin, namun ternyata dampaknya juga menghilangkan salah satu upaya peningkatan efisiensi pernafasan mesin.        Dengan keterbatasan-keterbatasan di atas, mesin F1 yang performanya sudah luar biasa itu, ternyata bernafas dengan amat tidak efisien. Bisa dibayangkan andaikan turbocharger tidak dilarang FIA, power mesin dapat dipastikan akan melambung jauh karena mesin F1 sesungguhnya sangat membutuhkan “bantuan pernafasan” lebih daripada kebutuhan mesin biasa.

           

Sumber : Majalah F1 Racing Edisi Juli 2012 pada halaman 94-95