Setela​h 166 Tahun, Mesin Pembakaran Masih Memiliki Potensi yang Belum Dimanfaatkan

Salah satu penemuan terbesar zaman kita adalah penemuan mesin pembakaran dalam, yang memainkan peran penting dalam pengembangan industrialisasi dan, pada gilirannya, peradaban manusia.

Mesin‑mesin ini pertama kali ditemukan pada abad ke‑19, meskipun ilmuwan dan insinyur mulai berkontribusi pada pengembangannya satu dekade sebelum periode tersebut dimulai.

Turbin gas dikembangkan pada tahun 1791, dan mesin gas dipatenkan beberapa tahun setelah itu. Paten untuk mesin pembakaran dalam, yang juga merupakan yang pertama menggunakan bahan bakar cair, diajukan pada tahun 1794, dan sebelum abad berakhir, mesin ICE Amerika pertama dibangun.

Sementara mobil pertama yang menggunakan ICE dibuat pada tahun 1862, mesin pembakaran modern pertama tidak muncul sampai lebih dari satu dekade kemudian, pada tahun 1876. Pada tahun 1885, Gottlieb Daimler dan Wilhelm Maybach menyempurnakan desain tersebut dan menemukan ICE praktis pertama serta karburator.

Sekarang, bagaimana sebenarnya mesin pembakaran bekerja? Nah, pada dasarnya, pembakaran adalah proses kimia di mana energi dilepaskan dari pembakaran campuran bahan bakar dan udara. Mesin pembakaran dalam (ICE) sebagian mengubah energi ini menjadi kerja mekanik.

Ketika campuran bahan bakar dan udara dibakar, ribuan ledakan kecil yang terkontrol terjadi, yang merupakan pembakaran.

Pada ICE, penyalaan bahan bakar dan pembakaran keduanya terjadi di dalam mesin, yang terdiri dari silinder tetap dan piston yang bergerak. Pembakaran menyebabkan ekspansi gas serta pelepasan panas, yang mendorong piston naik dan turun. Hal ini, pada gilirannya, memutar poros engkol melalui sistem roda gigi dalam powertrain, menggerakkan roda kendaraan ke depan.

Ada dua jenis mesin pembakaran dalam: mesin bensin dengan pengapian percik dan mesin diesel dengan pengapian kompresi, dengan perbedaannya terletak pada cara bahan bakar disuplai dan dinyalakan.

Mesin Pembakaran Menguasai Namun Menghadapi Tantangan

Sekarang, lebih dari satu setengah abad setelah penemuannya, lebih dari satu miliar mesin pembakaran dalam (ICE) masih beroperasi di jalanan di seluruh dunia saat ini.

Sementara itu, pasar mesin pembakaran global saat ini bernilai sekitar $200 miliar dan diperkirakan akan tumbuh dengan CAGR 9,2% serta mencapai $300 miliar pada tahun 2033, didorong oleh meningkatnya permintaan kendaraan di pasar berkembang dan kemajuan teknologi dalam desain mesin.

Namun, tantangan terbesar bagi mesin pembakaran adalah kebangkitan kendaraan listrik (EV) dan regulasi emisi yang lebih ketat.

Namun sementara EV kini menjadi lebih umum, menyumbang sekitar 18% dari semua penjualan mobil baru secara global, naik dari hanya 2% pada 2018, EV tetap menjadi persentase yang sangat kecil dari total kendaraan mesin pembakaran di jalan. Dengan perkiraan pangsa pasar 3‑5%, dari setiap 100 kendaraan mesin pembakaran, hanya setiap kendaraan ketiga atau kelima yang merupakan EV.

Tren EV yang berkembang didorong oleh meningkatnya permintaan mesin, yang menyebabkan penipisan bahan bakar fosil serta peningkatan polusi secara dramatis di seluruh dunia.

Karena bensin dan diesel menjadi bahan bakar paling dominan di sektor otomotif, polusi lingkungan terus menjadi perhatian utama pada mesin pembakaran. Emisi utama dari mesin ini adalah hidrokarbon yang tidak terbakar, karbon monoksida, oksida nitrogen, dan partikel materi.

Hal ini menyebabkan risiko kesehatan yang parah dan pemanasan global, sehingga negara‑negara di seluruh dunia mulai menerapkan regulasi ketat untuk mengatasi emisi dari sektor otomotif. Hal ini telah mendorong insinyur dan peneliti otomotif untuk bereksperimen dengan berbagai teknologi mesin serta bahan bakar terbarukan dan lebih ramah lingkungan.

Dengan beberapa negara bahkan menerapkan larangan total pada mesin pembakaran dalam, peneliti juga mengembangkan mesin ini untuk meningkatkan kinerjanya dan mengurangi dampak lingkungan.

Meningkatkan Efisiensi Mesin Pembakaran dengan Mengubah Panas Terbuang menjadi Energi

Mesin pembakaran dalam menghasilkan energi yang kuat, tetapi tidak semua energi yang dihasilkan dimanfaatkan. Faktanya, hanya sekitar 25% hingga 30% dari energi kimia yang diubah menjadi daya yang dapat digunakan.

Sebagian besar disimpan dalam bahan bakar yang hilang sebagai panas melalui sistem knalpot dan pendinginan mesin. Namun, ada cara untuk memanfaatkan semua energi yang hilang, dan para ilmuwan sedang mencari solusi untuk menggunakannya secara produktif.

A studi yang dipublikasikan¹ tahun ini di ACS Applied Materials (AMAT ) & Interfaces telah menunjukkan bagaimana panas knalpot dapat diubah menjadi listrik, menyediakan sumber energi berkelanjutan.

Dengan pendanaan dari Office of Naval Research, Program Dana Inovasi Cepat Angkatan Darat, dan National Science Foundation Industry, peneliti dari Departemen Teknik Mesin Universitas Pennsylvania State telah mempersembahkan prototipe sistem generator termoelektrik.

Generator termoelektrik (TEG) dapat mengurangi konsumsi bahan bakar serta emisi karbon dioksida (CO2). Ketidakefisienan bahan bakar merupakan kontributor utama emisi gas rumah kaca (GHG) dan menekankan kebutuhan akan sistem pemulihan panas limbah inovatif seperti TEG.

Sistem TEG pemulihan panas ini memanfaatkan bahan semikonduktor untuk mengubah panas menjadi listrik.

Diciptakan lebih dari dua ratus tahun yang lalu, sistem TEG dapat digunakan dalam perangkat elektronik, perangkat medis, dan dirgantara. Sistem ini tidak memiliki bagian bergerak atau produk sampingan kimia, memungkinkan mereka beroperasi secara senyap dan tetap ramah lingkungan. Mereka juga tahan lama, tidak memerlukan perawatan yang tidak perlu, dan cocok untuk integrasi ke dalam perangkat massal dan fleksibel.

Menurut penelitian:

“Pemanfaatan energi termal untuk objek bergerak berkecepatan tinggi sangat menjanjikan dalam menyediakan sumber energi yang efisien dan berkelanjutan untuk meningkatkan kemampuan operasional dan daya tahan.”

Cara kerja teknologi termoelektrik (TE) adalah dengan memanfaatkan perbedaan suhu antara sumber panas dan suhu lingkungan. Hal ini memungkinkan teknologi TE menyediakan pasokan daya yang konstan untuk sistem tersebut, mengurangi ketergantungan pada baterai tradisional sekaligus memperpanjang waktu operasi.

Meskipun menjanjikan, desain banyak perangkat termoelektrik saat ini kompleks dan berat, sehingga memerlukan lebih banyak air pendingin untuk menjaga perbedaan suhu yang diperlukan. Namun, seperti yang dicatat dalam penelitian, riset desain sistem TEG terintegrasi masih jauh tertinggal dibandingkan pengembangan material.

Jadi, dipandu oleh Wenjie Li dan Bed Poudel, peneliti Penn State membangun sistem TEG kompak untuk memulihkan energi termal. Sistem TEG ini dapat secara efisien mengubah panas limbah knalpot tidak hanya dari mobil tetapi juga kendaraan berkecepatan tinggi lainnya seperti tanpa awak kendaraan udara tak berawak atau drone dan helikopter menjadi energi.

TEG baru ini menggunakan bismut‑telurid sebagai semikonduktornya. Bi2Te3 adalah bubuk abu‑abu yang terbuat dari bismut dan telurid serta memiliki kinerja termoelektrik suhu rendah yang sangat baik.

Selain itu, penelitian menggunakan penukar panas pelat‑fin segitiga, mirip dengan yang digunakan dalam pendingin udara, untuk menangkap panas dari pipa knalpot kendaraan seperti gas buang mesin.

Sebuah heatsink juga ditambahkan untuk mengatur suhu. Potongan silinder dengan sirip trapesium memanjang ini secara signifikan meningkatkan perbedaan suhu, yang berdampak langsung pada output listrik sistem TEG.

Heatsink ini dirancang untuk menyebarkan panas melalui konveksi paksa, tetapi tim lebih mengoptimalkan desain menggunakan simulasi analisis elemen hingga (FEA) untuk meningkatkan gradien suhu dan daya output listrik.

Dengan itu, prototipe TEG tim tersebut mencapai daya output sebesar 40 Watt pada gradien suhu 190 derajat Celsius dengan modul TE berbasis bismut‑telurid. Daya sebesar itu cukup untuk menyalakan sebuah lampu.

Secara khusus, hasil penelitian menunjukkan bahwa kondisi aliran udara tinggi yang ada di pipa knalpot meningkatkan efisiensi dan meningkatkan output listrik sistem.

Tim menguji sistem TEG dalam simulasi yang meniru lingkungan berkecepatan tinggi, dan sistem tersebut menunjukkan fleksibilitas yang besar. Sistem panas limbah mereka menghasilkan hingga 56 W untuk kecepatan knalpot seperti mobil, yang setara dengan lima baterai lithium‑ion (Li) 18650. Angka ini naik hingga 146 W untuk kecepatan knalpot serupa helikopter, yang setara dengan 12 baterai Li‑ion 18650.

Baterai Li‑ion 18650 menawarkan manfaat kapasitas besar, umur panjang, tegangan tinggi, dan kinerja keamanan tinggi. Mereka paling umum digunakan dalam perangkat elektronik, EV, dan perangkat penyimpanan energi.

Menurut peneliti, sistem TEG dalam studi terbaru dapat diintegrasikan langsung ke saluran knalpot saat ini dan menghilangkan kebutuhan akan sistem pendinginan tambahan.

Para peneliti lebih lanjut percaya bahwa pekerjaan ini dapat membuka pintu bagi integrasi praktis perangkat termoelektrik ke dalam kendaraan berkecepatan tinggi di tengah meningkatnya permintaan solusi energi bersih.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana kendaraan hidrogen kembali populer.

Mesin Pembakaran Terus Berkembang

Pemulihan panas knalpot dari mesin pembakaran sebenarnya telah menarik minat yang meningkat dalam meningkatkan efisiensi dan mengurangi konsumsi bahan bakar. Upaya ini membantu mengurangi polusi lingkungan dan pemanasan global.

Selain TEG, siklus bottoming, perangkat turbo‑kompounding listrik (ETC), penyerapan uap, mesin Stirling (SE), dan generator termo‑akustik (TAG) digunakan untuk memanen panas dari sistem knalpot otomotif dan industri.

Generator termoelektrik, bagaimanapun, paling banyak diadopsi sebagai teknologi andal, kompak, dan solid‑state, yang dapat mengubah panas langsung menjadi listrik tanpa gerakan mekanik. Mereka juga ringan dan bebas getaran, tanpa batasan orientasi dan tanpa emisi.

Selain metode efisiensi bahan bakar ini, mesin pembakaran juga mengalami kemajuan lain untuk meningkatkan kinerja, efisiensi, dan keberlanjutan lingkungan.

Hal ini mencakup injeksi bahan bakar langsung, sebuah teknologi yang mengirimkan bahan bakar langsung ke ruang bakar, sehingga memungkinkan kontrol presisi atas campuran bahan bakar‑udara. Turbocharger, sementara itu, memampatkan udara masuk, memungkinkan mesin yang lebih kecil menghasilkan daya yang sebanding dengan mesin yang lebih besar.

Pengembangan menarik adalah kombinasi mesin pembakaran dalam dengan motor listrik, yang menghasilkan sistem hibrida. Powertrain hibrida menawarkan fleksibilitas untuk menggunakan tenaga listrik pada kecepatan rendah dan mesin pembakaran untuk kecepatan lebih tinggi.

Dipimpin oleh merek seperti Honda, Hyundai, Lexus, BYD, dan Porsche, kendaraan hibrida telah mendapatkan banyak perhatian di seluruh dunia, namun mereka masih menghadapi tantangan berupa biaya lebih tinggi dan daya lebih rendah dibandingkan mobil tradisional.

Pengembangan lain terlihat pada bahan bakar yang menggerakkan kendaraan mesin pembakaran dalam. Eksplorasi bahan bakar alternatif seperti etanol, gas alam, propana, dan biodiesel bertujuan mengurangi dampak lingkungan mesin pembakaran dengan menurunkan emisi GHG dan mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil.

Di antara bahan bakar alternatif ini, hidrogen khususnya menarik banyak perhatian dari peneliti dan perusahaan yang ingin menyelamatkan mesin pembakaran.

Salah satu molekul paling sederhana, hidrogen dalam bentuk gas, memiliki kepadatan energi yang sangat rendah kecuali pada tekanan sangat tinggi dan/atau suhu sangat rendah, dan bahkan begitu, kepadatan energinya jauh lebih rendah dibandingkan kebanyakan bahan bakar cair lainnya. Hal ini menyebabkan masalah penyimpanan bahan bakar. Selain itu, ia menghasilkan emisi nitrogen oksida (NOx) yang lebih tinggi.

Namun keunggulan hidrogen terletak pada kecepatan pembakarannya, yang sangat tinggi, jauh lebih tinggi daripada bensin. Selain itu, sifat nol karbon hidrogen ketika dibakar dengan oksigen menjadikannya bahan bakar alternatif yang menarik. Hal ini menjadi alasan mengapa mesin pembakaran dalam berbasis hidrogen dan sel bahan bakar hidrogen mendapatkan banyak perhatian.

Kedua jenis kendaraan ini menggunakan hidrogen. Pada ICEV, hidrogen dibakar mirip dengan bensin, sementara kendaraan sel bahan bakar hidrogen (FCEV) menggunakan hidrogen dalam sebuah perangkat untuk menghasilkan listrik.

Tahun lalu, peneliti dari University of Alberta memperkenalkan paduan aluminium‑nikel baru untuk merevolusi mesin pembakaran hidrogen. Paduan AlCrTiVNi5 menawarkan stabilitas tinggi dalam kondisi panas ekstrem, ekspansi termal rendah, dan daya tahan superior, menjadikannya ideal untuk menahan suhu ekstrem pembakaran hidrogen.

Toyota juga mengungkapkan beberapa prototipe ICE tahun lalu yang dapat berjalan dengan hidrogen selain bensin dan bahan bakar lainnya.

Memimpin Pendekatan Baru pada Mesin Pembakaran

Saat ini, mesin pembakaran menghadapi tekanan yang meningkat dari EV dan regulasi emisi, namun meskipun begitu, mereka terus mendominasi sektor transportasi. Hal ini terutama disebabkan oleh infrastruktur yang mapan dan ketersediaan yang luas, namun tidak hanya itu. Perusahaan juga membuat kemajuan signifikan dalam mengatasi masalah utama emisi.

Sebagai contoh, Cummins (CMI ) dan Ford Motor (F ) berinvestasi dalam teknologi mesin pembakaran hidrogen, sementara ClearSign Technologies Corporation (CLIR ) telah menciptakan Duplex Burner Architecture untuk meningkatkan efisiensi energi dan memenuhi standar emisi yang ketat.

Jadi, mari kita lihat lebih dalam potensi investasi dari inovator yang masih mengembangkan pendekatan baru pada mesin pembakaran dan membantu mesin ini berkembang.

1. Westport Fuel Systems Inc. (WPRT ) (NASDAQ: WPRT)

Sebagai pemasok terkemuka sistem bahan bakar alternatif canggih, Westport Fuel Systems beroperasi melalui beberapa segmen, termasuk Light-Duty, High-Pressure Controls & Systems, Cespira, Heavy-Duty OEM, dan Corporate. 

Dengan kapitalisasi pasar $72,5 juta, saham Westport saat ini diperdagangkan pada $4,70, naik 27,93% YTD. EPS (TTM)nya adalah -1,57, dan rasio P/E (TTM) adalah -2,91.

Perusahaan melaporkan pendapatan sebesar $66,2 juta pada Q3 2024, yang merupakan penurunan 14% dibandingkan kuartal yang sama tahun lalu. Pendapatan didorong oleh transisi aset Heavy‑Duty OEM ke Cespira, sebuah joint venture antara Volvo Group dan Westport. 

Dengan joint venture ini, Westport Fuel Systems dan Volvo Group bertujuan mengembangkan, mempromosikan, dan mempercepat komersialisasi teknologi HPDI. Hal ini akan membantu mereka fokus pada kemajuan solusi transportasi terjangkau dan berkelanjutan menggunakan mesin pembakaran dalam yang beroperasi dengan bahan bakar terbarukan, untuk saat ini, dan hidrogen di masa depan.

Secara khusus, joint venture diperkirakan akan memberikan dampak signifikan pada aplikasi heavy‑duty jarak jauh dan off‑road global. Mesin pembakaran dalam berbasis HPDI, kata CTO Volvo Lars Stenqvist, diyakini “memainkan peran penting dalam upaya dekarbonisasi global di transportasi komersial.”

Selama kuartal ketiga, kerugian bersih perusahaan sebesar $3,9 juta, dan kas serta setara kas pada akhir kuartal tersebut sebesar $33,3 juta.

“Kami tetap yakin akan peran yang akan dimainkan oleh bahan bakar alternatif dalam mendorong keberlanjutan di masa depan ruang aplikasi transportasi dan industri.”

– CEO Dan Sceli

Saat membicarakan hidrogen, dia mencatat perlambatan dalam pengembangan infrastruktur global, yang pada gilirannya memengaruhi adopsi aplikasi otomotif dan industri yang didukung oleh hidrogen. Menurut Dan:

“Keberhasilan pasar ini bergantung pada pemasangan infrastruktur dan produksi hidrogen bersih, keduanya masih lambat terwujud.”

Meskipun demikian, perusahaan tetap percaya bahwa hidrogen sebagai bahan bakar akan tetap dominan namun mengharapkan adopsi globalnya sebagai sumber bahan bakar bersih akan menjadi proses bertahap, bukan segera.

Sementara itu, Westport akan terus menyediakan berbagai bahan bakar alternatif rendah karbon yang terjangkau seperti propana, gas alam, gas alam terbarukan, dan hidrogen.

“Kami mendorong kinerja yang lebih bersih dengan menangani regulasi emisi yang lebih rendah melalui aplikasi praktis menggunakan inovasi yang tersedia saat ini.”

– Dan

Kesimpulan 

Mesin pembakaran adalah tempat revolusi mobilitas dimulai. Namun, mesin tersebut hanya beroperasi dengan efisiensi sekitar 40% sementara memiliki dampak negatif yang signifikan terhadap lingkungan akibat penggunaan bahan bakar fosil. Sektor transportasi sebenarnya merupakan sumber emisi gas rumah kaca terbesar kedua secara global. 

Hal ini telah mendorong dunia beralih ke alternatif yang lebih hijau seperti kendaraan listrik. Namun ini bukan akhir cerita; bahkan mesin pembakaran pun berkembang untuk menyesuaikan diri dengan lingkungan yang berubah, menunjukkan potensi yang belum dimanfaatkan meskipun telah lebih dari satu abad.

Terobosan seperti generator termoelektrik (TEG) untuk pemulihan panas limbah, powertrain hibrida, dan bahan bakar alternatif seperti hidrogen saat ini mendorong transformasi ini. Dengan penelitian dan inovasi yang berkelanjutan, mesin pembakaran siap menjadi lebih efisien dan ramah lingkungan. Dan seiring dunia mengadopsi teknologi yang lebih bersih, mereka tidak hanya akan hidup berdampingan dengan EV tetapi bahkan dapat berkontribusi secara signifikan pada masa depan yang lebih berkelanjutan.

Klik di sini untuk daftar 5 mesin pembakaran hidrogen teratas yang akan memecahkan pola.