Kenapa panas di mesin harus dibuang dan bagaimana caranya

Advance Thermofluid : Kenapa panas di mesin harus dibuang dan bagaimana caranya

Hukum Termodinamika menjadi teori wajib pada kendaraan yang menggunakan prinsip pembakaran. Melalui pembakaran, kalor dapat dihasilkan untuk menggerakkan kendaraan. Namun aktualnya tidak semua kalor yang dihasilkan dalam pembakaran ditransfer menjadi kerja. Berikut salah satu contoh distribusi energi yang dihasilkan oleh energi setelah pembakaran yang ditandai oleh kalor.

Distribusi Energi Mesin

Jika dilihat dari grafik distribusi diatas, tidak semua energi dari hasil pembakaran diberikan menjadi energi gerak, pada contoh diatas hanya sekitar 25%, untuk couple pompa 4% (pompa water jacket, pompa oli, pompa bahan bakar, kipas radiator), gesekan antar penghubung yang berinteraksi 7%, gas buang 20%, pendinginan 20%, ketidak efektifan pembakaran dan irevisibelitas sebesar 24%.
Grafik diatas menunjukkan 25% kalor diserap oleh sistem pendingin. Nilai yang cukup besar dan wajib dibuang untuk menghindari overheat. Overheat erat kaitannya dengan keterbatasan ketahanan dari material mesin, material akan berubah sifatnya dari segi mechanical properties sebagai fungsi dari temperatur, dengan kata lain hal terburuk yang dapat terjadi ketika temperatur terlalu tinggi yaitu material menjadi meleleh, karena pada mesin tidak semua komponen yang berjumlah ratusan terbuat dari material yang sama, apabila hal ini terjadi maka kejadian fatal dapat mangancam keselamatan.

Memang pada dasarnya secara termodinamik pada proses pembakaran W = Q1-Q2, dimana Q1 adalah kalor hasil pembakaran, Q2 adalah kalor buang, dan W adalah kerja sistem. Apabila panas dari mesin tidak dimanfaatkan sehingga Q2 menjadi terjebak didalam mesin, maka temperatur lingkungan disekitar menjadi lebih tinggi. Dalam kaitannya ilmu perpindahan kalor bahwa Q sebanding dengan nilai ∆T, dimana temperatur dari sistem dikurangi temperatur lingkungan. Ketika temperatur lingkungan menjadi tinggi maka untuk membuang kalor dengan jumlah yang sama membuat temperatur sistem menjadi tinggi.

Dapat diketahui bahwa temperatur yang dibuang dalam hal ini Q2, apabila kejadian ini terus menerus membuat temperatur sistem dalam hal ini adalah mesin dapat naik terus menerus seiring dengan naiknya temperatur lingkungan. Dan ketika hal ini terjadi maka overheat mesin tidak dapat dihindari lagi. Selain itu, ketika temperatur mesin naik, dapat dimungkinkan terjadi auto-ignition karena parameter thermodinamik dari bahan bakar. Apabila auto ignition terjadi maka hasil pembakaran dapat terganggu dan tidak maksimal, maksudnya pembakaran tidak sempurna sehingga terdapat gas buang yang berbahaya lebih banyak serta energi yang tidak optimal. Hal ini lah menjadi alasan kenapa kalor dari mesin harus dibuang menjadi cooling dalam contoh diatas sebesar 20%.

Dalam pembuangan kalor mesin seperti dijelaskan pada gambar diatas terdapat beberapa cara yaitu cooling dan exhaust, pada kalor di exhaust erat kaitannya dengan hasil pembakaran. Sehingga apabila kita ingin mengurangi kalor bungan di exhaust maka komposisi dari air fuel ratio harus dijaga. Kemajuan teknologi telah mendorong secara elektronik dengan menggunakan sensor mendistribusi udara dan bahan bakar rasio sesuai kebutuhan. Apabila dilihat gambar dibawah, pembakaran sangat sempurna ketika hasil CO₂ membesar. Ketika CO₂ besar maka kalor yang dihasilkan menjadi maksimal dengan kata lain, energi atau kalor yang dibuang menjadi berkurang. Teknologi tersebut yang sedang trend di kendaraan beroda empat adalah Electric Fuel Injection (EFI) yang di kontrol di Elektrik Control Unit (ECU). Namun pendekatan membuang kalor secara komposisi udara dan bahan bakar dapat dibilang pasif artinya metode ini bersifat dinamik tergantung beban (idle, high speed,dll)

Air Fuel Ratio Mesin

Kemudian cara yang awam begitu familiar adalah melalui pendinginan. Pada salah satu kendaraan distribusi energinya menunjukkan bahwa sebesar 20 % diserap sebagai cooling system. Cooling system dapat dibedakan menjadi 2 jenis yaitu yang pertama melalui sistem oli yang berfungsi salah satunya mendinginkan bagian yang bergesekan, kemudian sistem water jacket yang terdiri dari thermostat, pompa, dan radiator.

Kalor diserap secara konstan besaran karena fluida dijaga sebelum memasuk temperatur saturasi, dengan kata lain penyerapan kalor yang ditandai oleh temperatur dapat dibilang dari temperatur normal sampai 90^oC-an. Ketika melewati batasan temperatur tersebut maka thermostat akan membuka dan fluida disirkulasi menggunakan pompa centrifugal yang akan didinginkan melalui konveksi paksa dan fin-fin pada radiator. Sehingga penting menjaga performa thermostat agar dapat berfungsi sesuai temperatur yang diinginkan dan menjaga coil dan fin pada radiator agar terhindar kerak yang dapat mengganggu perpendahan kalor saat kalor dari fluida dibuang dilingkungan.

Sumber