Mesin-Mesin Aneh yang Terjebak di Pinggiran Kemajuan

Mesin Wankel, mesin Stirling, dan berbagai jenis unit tenaga turbo tidak pernah masuk ke arus utama otomotif. Sejumlah perusahaan ternama — dari Mazda hingga GM, dari Mercedes hingga Volvo — mengerjakan teknologi ini selama beberapa dekade. Perusahaan-perusahaan kecil dan penemu perorangan pun tak menyerah. Namun ternyata, setiap desain alternatif menyimpan jauh lebih banyak jebakan daripada yang diperkirakan semula. Bukan berarti pengembangan unit tenaga non-konvensional mustahil dilakukan. Para penggemar terus mendorong berbagai gagasan ke depan, dan di sini kita menjelajahi beberapa konsep mesin paling eksotis yang pernah dibangun.

Mesin Siklus-Terpisah: Dua Silinder, Satu Langkah Tenaga

Sejumlah perancang mesin menyimpulkan bahwa kombinasi klasik silinder, piston, batang penghubung, dan poros engkol telah membuktikan dirinya selama lebih dari satu abad — dan bahwa meningkatkan mesin pembakaran dalam hanya memerlukan penyesuaian pada aspek-aspek tertentu, bukan menciptakan ulang dari awal. Contoh pertama dalam daftar kita adalah mesin yang dikembangkan oleh perusahaan asal Amerika Serikat, Scuderi Group, yang mempertahankan langkah klasik isap, kompresi, tenaga, dan buang — tetapi membaginya ke dalam dua silinder terpisah:

• Silinder dingin (kompresor) — menangani langkah isap dan kompresi
• Silinder panas (kerja) — menangani langkah tenaga dan buang

Saat gas mengembang di silinder kerja, langkah isap berlangsung di silinder dingin (kompresor). Ketika silinder kerja membuang gas, silinder kompresor mengompresi. Di akhir langkah kompresi, kedua piston mendekati titik mati atas masing-masing, campuran bahan bakar mengalir melalui saluran bypass dari silinder dingin ke silinder panas dan dinyalakan. Siklus terpisah ini — pada dasarnya siklus Otto yang dimodifikasi — dipatenkan pada tahun 2006, dan pada tahun 2009 Scuderi Group membangun prototipe perdana Scuderi Split Cycle Engine.

Silinder kompresor dan silinder kerja dapat memiliki diameter dan langkah piston yang berbeda, sehingga memungkinkan penyesuaian parameter mesin secara fleksibel — berfungsi sebagai analog dari siklus Miller dengan ekspansi gas tambahan. Tambahkan cabang berkatup dan tabung bertekanan tinggi pada saluran antar silinder, dan mesin ini dapat memulihkan energi saat pengereman serta melepaskannya saat akselerasi. Namun, selama beberapa tahun terakhir, kegiatan Scuderi Group hanya sebatas prototipe dan pameran dagang. Peningkatan efisiensi nyata belum berhasil membenarkan kerumitan desain ini.

Perusahaan asal Kroasia, Paut Motor, juga beralih ke siklus kerja terpisah. Desain mereka yang berjajar menarik perhatian karena beberapa alasan:

• Jumlah komponen bergerak yang jauh lebih sedikit dibanding mesin konvensional
• Kerugian gesekan yang lebih rendah
• Kebisingan operasional yang berkurang
• Dimensi kompak: 500×440×440 mm dengan kapasitas 7 liter
• Bobot sekitar 135 kg — kira-kira setengah dari mesin konvensional dengan kapasitas yang sama

Ketiadaan oli di bak mesin memang memerlukan tangki pelumas eksternal, tetapi para penemunya menganggap ini sebagai kompromi yang dapat diterima. Beberapa prototipe telah dibangun, meski daya keluaran akhir tidak pernah ditentukan secara resmi. Prototipe terakhir dirakit pada tahun 2011, dan proyek ini sejak saat itu terhenti.

Mesin Dua-Langkah Bonner: Kompleksitas Maksimum, Ambisi Besar

Mesin dua-langkah Bonner (dinamai dari sponsornya, Bonner Motor) ditemukan pada tahun 2006 di Amerika Serikat oleh Walter Schmid dan mendorong kompleksitas mekanis ke tingkat yang lebih jauh. Seperti Paut Motor, silindernya disusun dalam konfigurasi-X, dan poros engkol melakukan gerak planet melalui sistem roda gigi. Fitur-fitur utamanya meliputi:

• Katup di dasar silinder dan katup gulungan berputar di badan motor untuk distribusi gas
• Piston luar yang dapat bergeser sedikit di bawah tekanan oli untuk menghasilkan rasio kompresi variabel
• Rasio tenaga-terhadap-berat yang tinggi sebagai target desain utama

Secara teori, mesin Bonner tampak menjanjikan. Namun dalam praktiknya, tidak ada berita berarti yang muncul dari proyek ini selama bertahun-tahun — tampaknya proyek ini belum memenuhi ekspektasi.

Mesin Aksial: Silinder Tersusun Seperti Revolver

Para penemu lain mempertahankan siklus kerja mesin pembakaran dalam tetapi merancang ulang tata letak fisik komponennya. Mesin aksial, yang telah ada selama lebih dari satu abad, adalah contoh utamanya. Desainnya bervariasi dalam detail, namun berbagi prinsip yang sama: silinder disusun seperti peluru dalam drum revolver, koaksial dengan poros keluaran. Berbagai mekanisme — seperti pin miring dan mesin cuci lancip — mengubah gerak bolak-balik piston menjadi rotasi poros.

Proyek Duke Engines dari Selandia Baru adalah salah satu variannya yang menonjol: mesin aksial empat-langkah lima silinder berkapasitas 3 liter. Dibandingkan dengan mesin konvensional berkapasitas sama, unit Duke menawarkan:

• Bobot 19% lebih ringan
• Kemasan 36% lebih kompak
• Potensi aplikasi serbaguna di sektor otomotif, kelautan, dan penerbangan

Janji-janji ambisius dibuat tentang adopsinya yang luas — namun impian menaklukkan dunia tetaplah sekadar mimpi.

Mesin RadMax dari perusahaan Kanada Reg Technologies membawa konsep aksial lebih jauh lagi. Alih-alih silinder diskrit, selusin kompartemen dibentuk di dalam drum bersama menggunakan bilah-bilah tipis. Pelat yang dipasang di slot rotor bergerak di sepanjangnya saat rotor berputar, dan permukaan melengkung di ujung drum menentukan lintasan bilah serta mengontrol pertukaran gas. Karakteristik menonjolnya:

• Kompatibel dengan berbagai jenis bahan bakar, meskipun diesel menjadi fokus awal
• Prototipe tahun 2003 berukuran hanya 152 mm baik diameter maupun panjangnya, namun menghasilkan 42 tenaga kuda — jauh lebih besar dari mesin konvensional berukuran setara
• Prototipe-prototipe selanjutnya dilaporkan mencapai 127 tk dan 380 tk

Meski angka-angka ini menjanjikan, seluruh aktivitas RadMax tampaknya masih berada di tahap eksperimental.

Mesin Toroidal: Ketika Silinder Berubah Menjadi Donat

Mesin VGT (Variable Geometry Toroidal Engine) dari perusahaan Kanada VGT Technologies yang kini sudah bubar adalah contoh lain di mana teori mengungguli praktik. Pertama kali diuji pada tahun 2005, mesin ini menggantikan silinder konvensional dengan toroid — ruang berbentuk donat — di dalamnya berputar rotor dengan sepasang piston yang terpasang.

Sebuah cakram distribusi tipis dengan celah untuk piston berputar melintasi toroid melalui penggerak sabuk, membatasi campuran bahan bakar-udara selama kompresi dan langkah tenaga. Pada tahun 2009, pengusaha asal Amerika Serikat Gary Kelley dan Rick Ivas secara independen mengembangkan mesin toroidal yang sangat mirip dengan desain Kanada tersebut. Perkiraan mereka menyebutkan bahwa toroid berdiameter setengah meter akan menghasilkan:

• 230 tenaga kuda
• Sekitar 1.000 N·m torsi
• Semua itu hanya pada 1.050 rpm

Perusahaan mereka, Garric Engines, kini hanya menampilkan pesan singkat di situsnya: “Terima kasih atas minat Anda. Halaman ini mungkin akan diperbarui di masa mendatang.”

Mesin Nutasi: Cakram Berputar Menggantikan Piston

Nasib yang sedikit lebih menjanjikan mungkin menanti mesin nutasi yang ditemukan oleh orang Amerika Leonard Meyer pada tahun 2006 — setidaknya beberapa salinan yang berfungsi telah dibangun. Nama ini berasal dari bahasa Latin nutatio (mengangguk atau bergoyang). Desain Meyer membentuk empat ruang kerja bervolume variabel antara badan motor dan sebuah cakram yang bernutasi (bergoyang) ke kiri dan kanan, berfungsi sebagai piston. Cakram tersebut dibelah setengah sepanjang diameternya dan dimasukkan ke poros keluaran berbentuk-Z, dengan saluran dan katup di badan yang mengatur pertukaran gas.

Prototipe dibangun oleh Baker Engineering dan perusahaan afiliasinya Kinetic BEI, dengan hasil yang mengesankan:

• Satu cakram 102 mm: 7 tk
• Dua cakram 203 mm: 120 tk
• Dimensi mesin dua-cakram: panjang 500 mm, diameter 300 mm, kapasitas 3,8 liter
• Rasio tenaga-terhadap-berat: 2,5–3 tk/kg vs. 1–2 tk/kg untuk mesin naturally aspirated produksi massal

Keluaran spesifik per liter kurang mengesankan, tetapi kerapatan tenaganya patut diperhatikan. Baker dan Kinetic tampaknya terus menyempurnakan desain ini, meskipun aktivitas di situs web mereka masih terbatas.

LiquidPiston: Mesin Wankel yang Dibalik

Konsep mesin rotari terus memikat para inovator, seolah-olah meninggalkan susunan piston-dan-silinder yang familiar dengan sendirinya menjanjikan performa lebih baik. Nikolay Shkolnik, seorang insinyur mantan Soviet yang pindah ke Amerika Serikat, dan putranya Alexander mengembangkan mesin yang menyerupai mesin Wankel yang dibalik. Sebuah rotor berbentuk kacang tanah berputar di dalam ruang segitiga — geometri dasar yang sama dengan Wankel — namun yang krusial, segel-segel dipasang tetap pada dinding ruang, bukan pada rotor.

Keluarga Shkolnik mendirikan LiquidPiston untuk mengembangkan konsep ini, menarik pendanaan bersama dari DARPA untuk potensi penggunaan di:

• Pesawat ringan dan drone
• Generator daya portabel
• Sistem penggerak kendaraan hybrid

Prototipe berukuran 23 cm³ sudah mencapai efisiensi termal 20% — angka yang mengesankan untuk kelas kapasitas tersebut. Tim kini menargetkan prototipe diesel berbobot sekitar 13 kg yang menghasilkan 40 tk, dengan proyeksi efisiensi termal yang meningkat hingga 45%.

Mesin Piston Ayun: Menjadi Kotak

Mesin terakhir dalam ulasan kita membuktikan bahwa daya tarik unit yang datar dan kompak memang nyata — dan bahwa rotor bukan satu-satunya jalan untuk mencapainya. Mesin piston ayun milik Pivotal Engineering cukup mengubah bentuk piston tradisional menjadi persegi, membuat silinder berbentuk persegi panjang jika dilihat dari atas. Desain dua-langkah ini telah ada selama beberapa tahun, di mana sejumlah prototipe telah menggerakkan baik sepeda motor maupun pesawat terbang.

Perusahaan ini terutama menyasar aplikasi penerbangan, dan desainnya menawarkan beberapa keunggulan nyata:

• Rasio keluaran-terhadap-berat dan keluaran-terhadap-ukuran yang tinggi
• Potensi induksi paksa yang sangat baik, dimungkinkan oleh saluran pendingin cairan yang melewati sumbu tetap piston — sesuatu yang sulit dilakukan dalam arsitektur mesin konvensional
• Bentuk datar, karena rotor persegi dapat dibuat sangat tipis

Konsep Mesin Eksotis Lain yang Perlu Diketahui

Ada banyak desain mesin eksotis yang luar biasa di luar yang telah dibahas di sini. Beberapa yang layak disebut:

• Mesin Wankel 12-rotor — membawa konsep rotari Mazda ke tingkat ekstrem
• Mesin katup-selongsong Knight — desain berusia seabad yang sempat bersaing dengan katup poppet
• Mesin piston berlawanan — dua piston berbagi satu silinder, tanpa kepala silinder
• Mesin rasio kompresi variabel — memungkinkan penyesuaian kompresi secara real-time untuk mengoptimalkan efisiensi di berbagai kondisi beban
• Mesin lima-langkah — menambahkan silinder ekspansi khusus untuk mengekstrak lebih banyak kerja dari gas pembakaran
• Mesin bilah rotari — di mana komponen rotor bergerak seperti bilah gunting yang menyatu dan memisah

Mengapa Mesin Alternatif Tidak Mencapai Produksi Massal?

Bahkan sekilas survei terhadap desain mesin pembakaran dalam non-konvensional mengungkapkan pola yang mencolok: puluhan gagasan cerdas, sangat sedikit kendaraan produksi. Hambatan yang berulang pun konsisten:

• Keausan segel — desain rotari sering gagal akibat degradasi segel apeks dari waktu ke waktu
• Beban mekanis bergantian — konsep bilah rotari mengalami kelelahan material pada sambungan bilah-ke-poros
• Kompleksitas manufaktur — geometri eksotis mahal dan sulit diproduksi dalam skala besar
• Keandalan dan ketahanan — mesin non-konvensional jarang menandingi rekam jejak ketahanan mesin piston tradisional yang telah disempurnakan selama 100+ tahun

Alasan kedua mengapa mesin alternatif sulit berkembang adalah bahwa teknologi mesin pembakaran dalam konvensional tidak berdiam diri. Mesin bensin terbaru yang menggunakan siklus Miller mencapai efisiensi termal hingga 40% bahkan tanpa turbocharging — angka yang luar biasa, mengingat kebanyakan mesin bensin hanya mampu 20–30%, dan mesin diesel 30–40% (dengan diesel laut besar mencapai hingga 50%).

Yang terpenting, alternatif global terhadap mesin pembakaran dalam sudah tiba: motor listrik dan unit tenaga sel bahan bakar. Jika para penemu di balik keingintahuan eksotis ini tidak segera menyelesaikan tantangan teknis mereka, mereka mungkin akan mendapati tidak ada lagi pasar yang menanti — kendaraan listrik sudah lebih dulu menguasai jalan.

Ini adalah terjemahan. Anda dapat membaca artikel aslinya di sini: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html