Engine Principles. Prinsip Dasar Engine. 1 Training Material & Publication

Engine Principles

Prinsip Dasar Engine

1

Training Material & Publication

Engine Principles

Bab 1. Apakah Mesin itu? 1. Apakah Mesin itu ? 2. Jenis – jenis Mesin 3. Tata Letak Engine 4. Expansive force & Inertia Force 5. Mesin Reciprocal 6. Langkah Exhaust & Intake 7. Langkah Compression & Combustion 8. Struktur Mesin 9. Diesel Engine 10. Internal Combustion & Motor 11. Lean Burn Engine Bab 2. Cylinder block dan Moving parts 1. Cylinder Block 2. Cylinder Liner 3. Water Jacket 4. Piston 5. Piston Ring 6. Connecting Rod 7. Crankshaft 8. Crank Case 9. Journal Bearing 10. Flywheel 11. Balance shaft, Balans untuk gaya inertial kedua Bab 3. Cylinder Head 1. Cylinder Head 2. Cam & Camshaft 3. Penggerak Camshaft 4. Intake & Exhaust Valve 5. Sistim penggerak Valve 6. Valve Timing 7. Variable Valve Timing 8. Kerusakan Valve 9. Overrun & Red Zone Bab 4. Sistim Intake 1. Menambah efisiensi volume 2. Efek Intake Inertia & Pulsation 3. Sistim Intake Variable 4. Sistim Intake 5. Throttle Valve & Manifold

2


Engine Principles Bab 5. Sistim Exhaust 1. Exhaust System 2. Efek Exhaust Inertia & Pulsation 3. Komponen Exhaust Gas 4. Perbandingan Air-Fuel & Komponen Exhaust 5. Sistim Exhaust Purification 6. Sirkulasi Blow-by Gas Bab 6. Charger 1. Jenis – jenis Charger 2. Turbocharger 3. Tekanan Boost & perbandingan Compression 4. Turbo Lag 5. Sistim Supercharging & Heat 6. Supercharger Bab 7. Sistim Pelumasan 1. Standar Engine Oil 2. Metode pelumasan 3. Komponen sistim pelumasan 4. Engine Oil Bab 8. Sistim Pendingin 1. Sistim Pendingin 2. Radiator 3. Pendinginan pada Cylinder Head 4. Over Heat Bab 9. Sistim Bahan Bakar 1. Carburetor 2. Sistim Injeksi Bahan Bakar Manual 3. Sistim Injeksi Bahan Bakar Elektrik 4. Sistim Suplai Bahan Bakar Bab 10. Sistim Pengapian 1. Garis besar tipe pengapian 2. Tipe Pengapian Full Transistor 3.3333333 Tipe Pengapian Distributor-less 4. Spark Plug Bab 11. Combustion and Combustion Chamber 1. Proses Combustion 2. A/F ratio & Flame Velocity 3. Waktu Pengapian 4. Swirl Effect 3


Engine Principles 5. Knocking 6. Combustion yang tidak normal 7. Bentuk Combustion Chamber 8. Intake-Exhaust Valve & Combustion Chamber 9. Piston & Combustion Chamber Bab 12. Performa, Konsumsi Bahan Bakar, Noise, and Vibration 1. Performa 2. Arti dari Output 3. Metode Tenaga 4. Torque 5. Tambahan Tenaga 6. S/B ratio & Output 7. Rasio Kompresi & Output 8. Menambah Output dengan rpm tinggi 9. Krakter Transient & Response 10. Cylinder Array & Performa 11. Rasio konsumsi bahan bakar 12. Output & Efisiensi Bahan Bakar 13. Efisiensi Bahan Bakar pada kendaraan 14. Vibration pada Engine 15. Noise pada Engine

4


Engine Principles

Bagian 1. Apakah yang dimaksud dengan Mesin ? 1. Apakah yang dimaksud dengan mesin ? Pada buku ini akan dijelaskan mengenai mesin mobil, terutama mesin bensin. Apa yang dimaksud dengan engine atau mesin, definisi engine sampai saat ini juga masih membingungkan dan masih diperdebatkan. Namun konsep dasar engine adalah “ suatu benda yang bisa menggerakan sesuatu dengan cara menghasilkan tenaga yang didapat dari alam seperti api, angin atau benda elektrik menjadi energi mekanis secara terus menerus “. Ada banyak jenis engine dan bekerja dengan cara yang berbeda. Berdasarkan pernyataan diatas kita dapat mendefinisikan gasoline engine sebagai tempat pebakaran, atau dengan kata lain engine adalah suatu benda yang dapat merubah panas dari hasil proses pembakaran menjadi gaya mekanis yang digunakan untuk menggerakan kendaraan. Bagaimanakah energi panas berubah menjadi energi mekanis ? sebagai contoh, botol atau pot yang dipanaskan maka tutupnya akan bergerak dan menimbulkan suara bising. Panas didapat dari gas atau energi listrik yang memanaskan air sehingga membuat air mendidih dan uapnya mendorong tutup botol atau pot keatas.

1


Engine Principles

Yang penting adalah gaya dorong tidak bearasal dari energi panas, tetapi dari udara panas atau penguapan akibat pemanasan. Maka dari itu, dibutuhkan media untuk mengubah asal energi didapat. Media ini adalah cairan dalam terminologi teknis. Cairan yang bekerja pada gasoline engine adalah udara masuk yang diambil bersama dengan gasoline kedalam engine dan kemudian terbakar dan keluar.

Fuel

Com bustion

HeatG eneration

AirExpansion

Pressure G eneration

Cara kerja perubahan proses bahan bakar ke energi mekanis akan dijelaskan sebagai berikut. Pada proses ini, yang mengalami perubahan adalah udara. Jika udara tidak mengalami perubahan maka perubahan energi juga tidak akan terjadi.

Piston M ovem ent

Bayangkan perubahan yang terjadi pada gaya mekanis menjadi gaya panas. Pada kendaraan, contoh yang paling gampang adalah pada pengereman. Dasarnya, panas yang terjadi berasal dari gesekan antara 2 material. Kita dapat menghangatkan tangan kita dengan menggesekannya satu dengan yang lainnya, maka perpindahan gaya (gesekan) dapat dengan mudah berubah menjadi gaya panas (menghangatkan tangan). Dalam hal ini tidak terjadi perubahan bentuk, melainkan perubahan gaya secara langsung menjadi panas. Pada dasarnya ketika energi panas diteruskan menjadi energi mekanis, maka akan dibutuhkan perubahan kerja dengan menggunakan media untuk

2


Engine Principles memindahkan energi, sehingga akan banyak pula energi yang hilang. Oleh karena itulah yang menjadi fakto utama pada engine adalah berapa banyak energi panas dapat dirubah menjadi energi mekanis 2. Jenis jenis mesin Mesin terdiri dari beberapa macam, mesin dapat dikelompokkan berdasarkan pada jumlah cylinder, susunan cylinder, cara pemasangan dan yang lainnya. Seperti anda katahui, mesin dapat menghasilkan gaya putar dengan cara menggerakan piston pada cylinder bergantian sehingga kekuatan yang ditimbulkan tergantung pada banyaknya cylinder.

Karena itu maka mesin diklasifikasikan berdasarkan banyaknya cylinder. Pada kendaraan penumpang diklasifikasikan menjadi kendaraan bercylinder 2, 3, 4, 5, 6, 8, and 12. Besarnya volume tergantung dari jumlah cylinders. Berdasarkan pada susunan cylindernya, ada tiga jenis yaitu jenis In-line dengan arah cylinder yang berurutan, jenis V type dengan blok cylindernya berbentuk V (V-Shape) dan jenis Horizontal dimana cylindernya disusun secara horizontal dan berlawanan satu sama yang lainnya. Berdasarkan cara pemasangannya di modil, mesin engine digolongkan menjadi dua jenis yang pertama adalah jenis lengthwise dan breadthwise. Pada saat penyusunan engine searah dengan panjang kendaraan disebut jenis lengthwise, dan ketika pemasangannya searah dengan lebar kendaraan disebut jenis breadthwise.

Breadthwise type

Lengthwise type

Sebagai contih pada kendaraan jenis FR letak engine terdapat pada bagian depan kendaraan dan mengendalikan roda belakang menggunakan jenis engine lengthwise. Alasannya adalah propeller shaftt yang memindahkan driving force ke roda belakang berputar melalui bawah lantai. Pada kendaraan jenis FF, yang hampir dipakai pada kendaraan kecil, menggunakan 3


Engine Principles mesin yang berada pada posisi depan dan mengendalikan roda depan, jenis mesin yang dipakai adalah breadthwise karena perputaran axis engine harus parallel dengan perputaran axis roda. Pada kendaraan jenis FF mempunyai cylinder 6 buah, jika dipasang pada posisi melebar, maka kendaraan juga akan lebar. Karena itu digunakan mesin dengan jenis V Engine. Untuk mendapatkan design yang terbaik maka mesin harus mengkombinasikan antara besarnya CC (displacement volume), jenis kendaraan, jenis susunan engine dan jenis pemasangan engine.

3. Tata letak mesin Engine Layout & Vehicle Features

FF : Front Engine Front Drive FR : Front Engine Rear Drive MR : Midship Engine Rear Drive RR : Rear Engine Rear Drive Sangat memungkinkan sekali jika mesin dipasang dibagian depan kendaraan. Akan tetapi, tidak semua kendaraan mesinnya dipasang di depan. Di tahun 1770, awalnya mobil yang dibuat pada saat itui yaitu mobil uap Cugnot mesinnya ditempatkan di ujung depan body kendaraan. Kemudian pada tahun 1885, untuk pertama kalinya ditemukan mobil menggunakan gasoline engine, dimana engine pada mobil Daimler ini terletak dibawah tempat duduk dan di depan roda belakang.

4


Engine Principles

Dalam sejarah, banyak sekali dilakukan penelitian untuk menemukan kondisi terbaik dimanakah engine mesti diletakan. Pada tahaun 1891, di Prancis terdapat mobil berjenis FR (front engine rear drive). Jenis FR adalah jenis kendaraan yang letak engine berada pada bagian depan kendaraan dan mengendalikan roda belakang. Setelah itu, jenis ini menjadi acuan standar tata letak engine. Hingga kini, kebanyakan kendaraan penumpang besar dan kendaraan sport menggunakan jenis ini. Karakter utama kendaran jenis FR adalah ruang cabin terletak pada bagian belakang, pengontrolan pengendaliannya terletak pada roda depan dan daya dorongnya dilakukan oleh roda belakang sehingga pengoperasian dan daya angkutnya terbagi sama pada bagian depan dan belakang, performa laju kendaraan akan seimbang, penumpang lebih nyaman begitu juga dengan getaran dan kebisingannya lebih sedikit dibanding dengan jenis yang lain. Tata letak pada hampir semua kendaraan kecil, telah dikembangkan oleh dua perusahaan besar selama kurang lebih seratus tahun. Yang pertama adalah Volkswagen pada tahun 1936 menggunakan engine yang terletak pada bagian belakang kendaraan dan mengontrol roda belakang. Setelah perang dunia kedua, jenis ini menjadi rancangan dunia nomor satu untuk jenis kendaraan penumpang dengan letak engine pada bagian belakang kendaraan dan mengontrol roda belakang (RR). Yang kedua adalah Mini of England pada tahun 1959. Mini menggunakan jenis front engine dan front drive (FF), tipe engine breadthwise pada bagian depan untuk mengontrol roda depan. Pada saat ini, jenis ini dipakai pada kendaraan kecil seperti sedan ukuran menengah. Pada jenis mobil FF, engine dan alat pengendalian berada dibagian depan kendaraan sehingga seharusnya tidak cocok untuk kendaraan yang titik beratnya berada pada bagian depan. Kekurangan dari jenis ini adalah pengendaliannya yang agak susah, kelebihannya mempunyai ruang dan bagasi yang cukup luas dan mempunyai kemanan yang lebih baik dibandingkan dengan jenis yang lainnya. Oleh karena itu, jenis ini cocok jika dipakai untuk

5


Engine Principles mobil jenis utility car. Sedangan jenis midship engine dan rear drive (MR) lebih mengutamakan performa dibanding dengan kenyamanan penumpangnya sehingga banyak diaplikasikan untuk sports cars. Disebut jenis Midship karena letak engine didepan roda belakang. Jika bagian utama engine terletak di bagian belakang maka disebut rear engine type. 4. Gaya Expansive dan Inertia Hampir seluruh mesin bensin komersial adalah Recipro-engines, kecuali jenis rotary engine yang mempunyai cara kerja yang berbeda. Kata “Recipro” berasal dari “Reciprocating”. Yaitu perpindahan mekanis secara bolak balik sehingga Recipro-engine adalah suatu alat yang digunakan untuk merubah gerakan reciprocal menjadi gerakan rotational dengan menggunakan crank pada alat yang mempunyai bentuk prominence dan depression.

Pada potongan gambar Recipro-engine terlihat bahwa piston reciprocal bergerak pada cylinder di bagian atas dan terdapat crankshaft pada bagian bawah, piston dan crankshaft terhubung menggunakan connecting rod. 6


Engine Principles Mesin bensin menggunakan udara sebagai media pengubah untuk mengubahkan energi panas menjadi energi mekanis. Udara akan bercampur dengan kabut bensin di dalam cylinder. Ketika campuran ini terkompresi oleh piston dan terbakar, kemudian gas ledakannya akan menekan piston. Ledakan ini menghasilkan daya dorong yang mandorong piston untuk menjalankan mobil. Pada saat tersebut, selain ada gaya ekpansif juga terdapat gaya inertia yang perlu dipertimbangkan. Gaya inertia ini agak aneh karena tidak dihasilkan dengan sengaja, tetapi mengikuti gerakan bagian engine dengan sendirinya. Sehingga dapat berpengaruh terhadap performa engine atau bisa sebagai sumber munculnya getaran dan noise.

Prinsip kerja pergerakan reciprocal pada piston, yaitu piston mulai bergerak dari posisi berhentinya di posisi langkah paling atas (TMA), akan mencapai kecepatan maksimum pada saat pertengahan langkah, Setelah itu, kecepatan akan berkurang dan berhenti pada titik langkah paling bawah, dan kemudian kembali ke posisi paling atas lagi. Selama melakukan pergerakan ini, gaya inertia akan terbentuk pada saat perubahan kecepatan terjadi. Sebagai contoh, pada saat piston bergerak dari titik atas ke titik tengah, terdapat pertambahan gaya inertia. Setelah itu gaya inertia berkurang saat piston bergerak dari langhak tengah ke titik langkah bawah. Ketika gaya inertia pada piston ini dipantulkan dengan yang lainnya maka, kemungkinan akan terjadi getaran atau noise.

7


Engine Principles 5. Reciprocal Engine

Recipro-Engines dibagi menjadi dua jenis, yaitu jenis 2-langkah (2 Tak) dan 4-langkah (4 tak). Setelah dikembangkan oleh Daimler di Jerman pada tahun 1883, jenis mesin 4-langkah yang dipakai sebagai standar untuk produknya, dan pada tahun 1900 digunakan pada hampir semua merek kendaraan. Prinsip kerja dari reciprocal engine adalah campuran udara dan gasoline diinjeksikan kedalam cylinder, campuran ini akan dibakar menggunakan electric spark untuk meledakannya, gaya pembakaran yang terjadi mendorong piston bergerak secara berulang ulang ( reciprocal ), dan pergerakan ini diubah menjadi gerakan memutar oleh crankshaft. Cara kerja mesin jenis 4-cycle (4 tak) Cara kerjanya sama seperti yang disebutkan diatas. Ketika piston berada pada posisi atas, intake valve membuka. Seiring dengan piston bergerak turun, campuran bahan bakar diinjeksikan kedalam cylinder dan kemudian intake valve is closed [langkah hisap] Selanjutnya , piston akan bergerak keatas untuk mengkompresikan campuran gas tersebut [langkah kompresi]. Kemudian, camporan bahan bakar dan udara yang terkompresi dibakar menggunakan sistim pengapian electrik [langkah pembakaran]. Gas yang terbakar mempunyai tekanan dan temperatur tinggi sehingga akan menekan piston bergerak turun. Pada saat ini, exhaust valve akan membuka untuk membuang gas yang terbakar [Langkah buang]. Langkah tersebut diatas akan terus diulang. Diantara keempat langkah tersebut, hanya pada saat langkah pembakaranlah mesin dapat menghasilkan tenaga. Maka dari itu dibutuhkan tambahan gaya untuk memasukan dan mengeluarkan gas pada langkah hisap dan buang, dan untuk mengkompresikan campuran bahan bakar pada langkah kompresi. Untuk mendapatkan tambahan gaya tersebut maka dipasang flywheel pada crankshaft dengan memanfaatkan gaya inertia untuk menjaga terjadinya gerakan memutar terus menerus.

8


Engine Principles

Jenis engine 2-cycle ( 2 tak ) mempunya dua langkah. Cara kerja engine ini menggunakan empat komponen seperti yang ada pada engine 4-cycle yaitu Kompresi, pembakaran dan pembuangan.

Compression and Expansion

Exhaust and Intake Prinsipnya sebelum dan sesudah piston berada pada titik atas, terjadi langkah compresi dan pembakaran, dan juga sebelum dan sesudah piston mencapai titik bawah ekhaust dan intake

9


Engine Principles bekerja secara bersamaan. Sehingga, dengan dua langkah engine telah selesai melakukan proses kerja dengan sempurna. Jenis engine 4-cycle ( 4 tak ) melakukan langkah pembakaran sekali dalam dua putaran crankshaft, tetapi, pada engine 2-cycle ( 2 tak ) engine melakukan langkah pembakaran pada tiap putaran crankshaft. Maka dari itu, engine dengan jenis 2-cycle ( 2 tak ) mempunyai effisiensi lebih tinggi.

Scavenging Pada engine jenis 2 tak ini tidak mempunyai intake dan exhaust valves sehingga strukturnya simpel dan biayanya murah, sehingga menjadi satu keuntungan.

Exhaust gas dikeluarkan dengan cara memasukan campuran baru saat posisi piston pada titik bawah. Karena itu, beberapa campuran baru yang masuk kedalam intake dan yang belum terbakar akan ikut keluar. Hal ini menyebabkan polusi udara dan konsumsi bahan bakar menjadi lebih banyak. 6. Langkah Exhaust & Intake Pada bab ini akan dejelaskan mengenai mesin jenis engine 4-cycle ( 4 tak ) mesin besin yang banyak dipakai pada saat ini. Untuk lebih dapat memudahkan dalam memahami mesin 4 tak ini, coba perhatikan gambar dibawah ini yang memperlihatkan langkah intake, kompresi, pembakaran dan exhaust. Pada diagram P-V menunjukan proses kerja engine.

10


Engine Principles

Kalau dilihat nampak begitu rumit akan tetapi mudah dipahami jika mempelajarinya.

Indicator diagram diatas adalah sebuah grafik yang terdiri dari sumbu horisontal yang menunjukan tekanan dari chamber dan sumbu vertical adalah volume dari chamber. Pada ujung samping sebelah kiri grafik C dan F, posisi piston pada titik atas cylinder, dan pada ujung samping sebelah kanan yaitu pada grafik G dan H, posisi piston berada pada titik bawah cylinder. Dengan membandingkan antara garis grafik dan 4 tak, garis A-B adalah langkah intake, garis B-C adalah langkah kompresi, garis C-D adalah langkah pembakaran dan garis D-E adalah langkah buang. Pada dasarnya, perputaran langkah adalah dimulai dari langkah intake. Untuk memahami sistim kerja engine, akan lebih mudah jika dimulai dari langkah exhaust. Untuk menghisap udara sebanyak mungkin, engine juga menggunakan gaya dari gas yang keluar dari mesin melalui lubang exhaust. Langkah exhaust digunakan untuk mendorong gas yang terbakar keluar dari ruang bakar dengan menggerakan piston dari posisi titik bawah ke titik atas bersamaan dengan membuka exhaust valve. Pada dasarnya, exhaust valve akan membuka ketika piston berada pada titik bawah. 11


Engine Principles

Exhaust stroke Bagaimanapun juga, sebenarnya, exhaust valve diharapkan membuka sebelum piston mencapai posisi titik bawah. Seperti terlihat pada grafik titik D. Mengingat pada gaya tekan yang berasal dari gas yang terbakar, akan lebih efektif jika membuka valve lebih maju untuk membuang gas yang terbakar. Setelah itu, piston akan mendorong keluar gas tersebut semua sampai langkah pembuangan. Pada langkah hisap, intake valve terbuka, dan piston turun dari posisi titik atas ke posisi titik bawah sehingga campuran bahan bakar dan udara masuk kedalam cylinder melalui lubang intake. Pada saat itu, intake valve seharusnya membuka tepat sebelum piston mencapai titik paling atas seperti pada gambar titik E. Akibatnya, kerja intake menjadi bertambah dikarenakan gas yang terdorong keluar akan menarik gas yang akan masuk.

Langkah Intake Dengan pengertian yang sama, intake valve seharusnya menutup saat piston pada posisi B. Sehingga, tambahan campuran gas masuk kedalam cylinder dengan menggunakan gaya inertia dari gas yang masuk. Untuk memasukan udara kedalam mesin dilakukan dengan memanfaatkan perbedaan tekanan udara. Saat piston turun, tekanan udara pada cylinder lebih rendah dari tekanan diluar cylinder, sehingga udara disekitar intake valve masuk kedalam cylinder. Waktu pembukaan valve berbeda dengan posisi langkah piston hal ini digunakan untuk memasukan tambahan udara jika mungkin. 7. Langkah Compressi dan Pembakaran Pada langkah kompresi, campuran bahan bakar terkompresikan oleh piston, sehingga tekanan akan meningkat dan temperatur tinggi karena adanya tekanan adiabatic. Karena itu, bahan 12


Engine Principles bakar akan menguap karena adanya udara yang terkompresi sehingga panas, dan siap untuk terbakar. Penginjeksian bahan bakar kedalam cylinder dalam bentuk kabut dengan udara menguap menjadi gas karena panas yang berasal dari tekanan adiabatic. Kemudian siap untuk terbakar dengan mudah. Ruang untuk melakukan pembakaran ini disebut combustion chamber.

Alasan mengapa pada saat musin dingin mesin susah untuk dihidupkan adalah karena bahan bakar susah menguap. Untuk mengatasi masalah ini, ada satu cara yaitu dengan mencampurkan lebih banyak bahan bakar dengan udara. Masalah yang lain adalah dibutuhkan panas untuk menguapkan bahan bakar, sehingga temperatur pada ruang bakar menjadi kecil. Akibatnya bahan bakar akan boros. Untuk mencegah agar bahan bakar tidak boros, maka jumlah bahan bakar akan dikurangi. Prinsipnya yaitu meninggikan temperatur pada ruang bakar sehingga mempercepat pembakaran dari pengapian sehingga disebut pembakaran tidak normal. Hal yang terpenting pada langkah hisap hingga langkah kompresi adalah aliran campuran bahan bakar dan udara. Aliran yang terlalu besar tidak baik untuk proses pembakaran. Sekecil apapun partikel dari bahan bakar harus dicampur dengan udara agar tercampur. Karena itu, banyak perusahaan melakukan pencarian dan membuat bentuk dari lubang intake dan aliran dari campuran bahan bakar sehingga kuat dan menjaga campuran tetap sesuai sampai langkah pembakaran sehingga didapatkan efisiensi mesin yang terbaik.

Compression stroke 13


Engine Principles Proses langkah kompresi, piston mencapai titik atas. Ketika piston pada posisi titik C pada gambar, api akan dihasilkan oleh spark plug. Saat yang tepat untuk menghasilkan api adalah menjadi hal yang sangat penting. Campuran bahan bakar tidak semuanya terbakar saat pengapian dimulai terjadi pada saat pembakaran. Dibutuhkan tenggang waktu antara waktu pengapian dan waktu untuk mencapai tekanan maximum pada ruang bakar.

Combustion stroke Waktu pengapian didasarkan dengan mempertimbangakan bahwa pembakaran harus sempurna diantara piston pada titik atas hingga hampir separuh dari ruang bakar. Catatan, kecepatan pembakaran ini sebanding dengan kecepatan putaran mesin sehingga waktu pengapiannya harus disesuaikan dengan kecepatan mesin. Diawal pembakaran, campuran uap bahan bakar terbakar pada waktu yang singkat sehingga tekanan dan temperatur meningkat. Pada saat ini gas yang mengembang akibat pembakaran menekan piston. Gaya tekan ini menghasilkan tenaga yang besar. Diharapkan jarak waktu pembakaran singkat sehingga dapat menghasilkan kekuatan yang besar. Jika jarak pembakarannya terlalu lama, maka tekanan yang dihasilkan dari pebakaran tidak bisa mengendalikan tekanan pada piston tetapi hanya mengikuti piston. Karena itu eficiensi mesin jelak. Waktu pembakaran dipengaruhi oleh aliran campuran tergantung pada bentuk dan ukuran combustion chamber dan komponen campuran dan lain lain.

14


Engine Principles 8. Konstruksi mesin. Kontruksi mesin bensin cukup rumit dimana terdapat bagian untuk melakukan kompresi, lihat gambar disamping bagaimana konstruksi mesin. Mesin serupa dengan bangunan tiga lantai, lantai pertama adalah crank case termasuk crankshaft yang merubah gerakan bolak balik menjadi gerakan memutar. Lantai kedua adalah cylinder block termasuk didalamnya terdapat cylinder yang mana terdapat piston bergerak bolak balik. Bagian ketiga adalah cylinder head. Pada konstruksi ini, komponen yang bergerak pada bagian pertama dan kedua disebut komponen penggerak utama (main moving part). Termasuk didalamnya piston, crankshaft dan connecting rod. Pada bagian ketiga, terdapat valve yang mengontrol intake dan exhaust campuran bahan bakar dan gas buang dan pengoperasiannya diatur oleh camshaft, disebut cylinder head system. Pada cylinder head, terdapat intake manifold yang mengirimkan bensin dan dan udara ke cylinder dan exhaust manifold yang mengeluarkan gas yang terbakar. Ini disebut intake-exhaust system. Manifold berasal dari kata “many” dan “fold”, yang berarti, tersusun oleh banyak material. Pada kenyataannya, terdapat banyak pipa pipa yang mendistribusikan udara dan bahan bakar ke masing masing cylinder atau menggabungkan gas buang dalam satu tempat. Ada juga terdapat fuel system termasuk fuel pump yang mengambil bensin dari tangki bahan bakar dan carburetor atau fuel injector untuk mencampur bahan bakar dengan udara. Lubrication system termasuk oil pump untuk menyuplai oil dengan tujuan mengurangi gesekan dan oil filter untuk menyaring oil. Juga terdapat cooling system termasuk radiator dan water pump untuk menjaga temperatur mesin tetap sesuai. Untuk menghidupkan mesin dibutuhkan tenaga listrik. Ada beberapa komponen kelistrikan (electric devices) termasuk igniting spark plug, alternator yang menghasilkan tegangan listrik dan start motor yang menggerakan mesin pertama kali. Ditambah, komponen pembantu yang lain seperti oil pump untuk power steering air-con compressor dan lainnya.

15


Engine Principles 9. Diesel Engine Mesin diesel mempunyai bentuk yang hampir sama dengan mesin bensin. Perbedaannya adalah pada metode pengapiannya. Pada mesin gasoline pembakaran campuran bahan bakar dilakukan oleh electric spark. Bedanya, pada mesin diesel, bahan bakar diinjeksikan kedalam udara yang terkompresi dan mempunyai temperatur tinggi. Ketika udara dikompress maka udara tersebut akan mengalami peningkatan suhu. Pada mesin bensin campuran bahan bakar yang dikompress adalah 1/10 dari volume.

16


Engine Principles

Pada mesin diesel udara yang dikompresi sekitar 1/20 dari volume untuk meningkatkan temperatur hingga lebih dari 600 derajat celcius, dan menginjeksikan bahan bakar yang bertekanan lebih dari 100 atm pada injection pump selama 1/1000•2/1000 detik. Untuk mesin bensin outputnya dikontrol dengan jumlah campuran bahan bakar yang diinjeksikan. Di lain hal, output dari mesin diesel dapat dikontrol dengan jumlah bahan bakar yang diinjeksikan tanpa mengontrol udara (the fixed amount of the air). Untuk melakukan pembakaran dengan sempurna dilakukan dengan cara meningkatkan temperartur udara, perbandingan compresinya harus naik. Karena itu tenaga expansinya akan meningkat juga. Mesin harus kuat untuk menahan gaya yang bertambah. Tambahannya, kualitas penginjeksian bahan bakar yang baik sangat diperlukan. Kemudian mesin akan lebih berat dan biayanya juga mahal. Dengan alasan seperti tersebut diatas maka mesin diesel kebanyakan digunakan untuk kendaraan penumpang. Pada mesin diesel, dikarenakan volume udara yang dihisap kedalam cylinder jumlahnya tetap, beban yang diberikan ke mesin relatif lebih ringan. Saat bahan bakar yang dibutuhkan saat kecepatan rendah sedikit, fuel harus terbakar dengan sempurna. Bagaimanapun juga, dengan beban yang penuh, mesin diesel akan membutuhkan fuel lebih banyak sehingga jumlah udara kecil, sehingga akan mengeluarkan asap hitam lebih banyak. Pada mesin bensin, pengapian dihasilkan oleh electric spark untuk membakar campuran bahan bakar sehingga waktu pembakarannya sangat pendek. Pada mesin diesel, bahan bakar disemprotkan ke udara yang terkompresi, sehingga dibutuhkan beberapa waktu untuk menguap. Oleh karena itu, kecepatan maksimum mesin relatif lebih rendah dan outputnya juga lebih rendah dari mesin bensin. Dibandingkan dengan mesin bensin, expansion force dan inertia dari komponen penggerak lebih besar sehingga suara yang ditimbulkannyapun lebih bising dan getarannya lebih besar. Keuntungannya mudah dalam perawatan karena tidak mengandung part yang halus seperti yang ada pada sistim pengapian dan juga mempunyai efisiensi bahan bakar yang baik maka dari itu lebih banyak dipakai sebagai kendaraan commercial atau business daripada sebagai kendaraan penumpang. 10. Internal Combustion & Motor Gaya dorong dari mesin 4 tak, merupakan satu pembakaran dalam, berubah tergantung pada RPM (Revolutions Per Minute) dari mesin dibandingkan dengan electric motor atau panas mesin. Sehingga, sangat tidak mungkin untuk menjalankan dengan putaran rendah dari pada 17


Engine Principles nilai RPM tertentu. Karena itu jika dipakai untuk sebuah kendaraan harus dilengkapi dengan clutch dan transmission. Pada mesin 4-Tak, dengan menggunakan 4 langkah, membuat komponen bergerak dengan memakar campuran bahan bakar pada cylinder. Hal ini berbeda dengan electric motor yang digunakan pada electric vehicles yang hanya dapat distart dengan memberikan tenaga listrik. Jika campurannbahan bakar tidak disuplai kedalam cylinder pada kondisi idle, mesin tidk dapat bekarja terus. Untuk itu mesin harus dioperasikan secara terus menerus saat berhenti, juga harus dilengkapi alat yang bisa menyambung dan memisahkan gaya gerak mesin ke roda seperti clutch. Pada dasarnya, kendaraan membutuhkan tenaga yang besar saat start atau accelerated, tetapi saat berjalan pada kecepatan yang tetap, tidak dibutuhkan kekuatan besar. Pada motor, akan duhasilkan tenaga yang kuat saat berputar pada RPM rendah. Dan saat RPM naik, outputnya akan rendah. Karena itu, electric motor dapat diaplikasikan ke mesin pada kendaraan tanpa adanya alat penyambung. Bagaimanapun juga, untuk mesin bensin, tenaga yang dihasilkan tergantung pada RPM mesin. Besarnya RPM terbatas dengan kecepatan tertentu. Sebagai contoh, RPM mesin adalah sekitar 700•7000 RPM, dan RPM untuk mendapatkan maximum power (torque) sekitar 4000 RPM. Jadi ketika kendaraan melaju dengan kecepatan bervariasi, dibutuhkan pengontrol speed dan power dari kendaraan dengan memasukan transmissi diantara engine dan wheels. Pada penglihatan yang sederhana, motor mungkin mesin yang terbaik buat kendaraan. Hal terpenting adalah fuel, sumber tenaga. Gasoline sangat mudah disimpan pada saat mesin bekerja, tetapi sulit bagi motor untuk dapat menyimpan tenaga listrik dengan efektif. Untuk membuat suatu mesin listrik, intinya adalah membuat sebuah battery yang mempunyai eficiensi tinggi untuk pengisian kembali dan perawatan rechargeable battery dengan hasil yang sama. Banyak perusahaan mencoba untuk membuat metode pemeliharaan rechargeable batteries. Meskipun performa dasarnya sudah di buat pada field test, biaya pembuatannya sangat tinggi. Karena itu, diberikan anjuran beberapa pola dan teknologi untuk digunakan. 11. Lean Burn Engine Sistim penyaringan gas buang menggunakan 3way catalysts yang bersifat menjaga air-fuel ratio terhadap valve seimbang untuk melakukan oksidasi dan pengurangan komponen yang berbahaya sekaligus. Untuk itu, penyaringan gas buang akan terbatas, dan jumlah bahan bakar yang digunakan untuk mesin ditentukan oleh kondisi mesin hidup. Karena itu, mesin tidak perlu di kembangkan lagi untuk mendapatkan gaya tenaga lebih besar dengan jumlah bahan bakar yang lebih sedikit.

18


Engine Principles

Sistim pembakaran kurus, dirancang untuk meningkatkan efisiensi dengan penyaringan gas buang yang baik. Untuk meningkatkan efisiensi bahan bakar merupakan satu point yang baik di masa depan. Pembakaran kurus ini merupakan juga satu hal yang menarik bagi masyarakat yang memperhatikan teknologi. Dengan A/F ratio yang tinggi akibat pengurangan gasoline pada campuran, apa yang terjadi dengan tiga komponen yang membahayakan, carbon monoxide, hydrogen carbon, and nitrogen oxide. Kandungan oksigen lebih banyak dari pada bahan bakar, sehingga jumlah carbon monoxide akan lebih sedikit atau kebanyakan carbon monoxide akan berubah menjadi carbon dioxide, gas berbahaya. Hydro carbon juga akan sepenuhnya terbakar dan berubah menjadi carbon dioxide dan air. Sekarang kita fokuskan hanya pada hal terakhir, nitrogen oxide. Jika A/F ratio tinggi, kemudian temperatur akan meningkat karena banyaknya oxygen dan junlah nitrogen oxide akan meningkat. Pada kira kira 16 dari A/F ratio, nitrogen oxide akan dimaksimalkan.Jika A/F ratio lebih tinggi dari 16, kemudian temperatur pembakaran menurun akibatnya torque nya juga ikut turun. Jika A/F ratio melebihi ketinggian maksimum, pembakaran tidak akan stabil, dan torque sangat tidak stabil, akhirnya pembakaran tidak akan terjadi Sebuah perusahaan memfokuskan pada variasi torque berdasarkan pembakaran kurus. Dengan menyesuaikan tekanan pembakaran pada cylinder yang dideteksi melalui combustion pressure sensor, mesin dioperasikan dengan A/F ratio tepat sebelum terjadi variasi torque. Maka dari itu, mereka bisa membuat mesin generasi selanjutnya dengan pembakaran kurus yang mempunyai consumsi bahan bakar rendah dan sedikit nitrogen oxide. Pada sistem tersebut, pembakaran kurus terjadi pada kondisi dimana jalannya rusak dan torquenya rendah. Saat kendaraan diakselerasi pada beban tinggi, pembakaran terjadi sesuai dengan teori A/F ratio dan gas buang disaring menggunakan 3way catalyst. Banyak perusahaan melanjutkan penelitiannya untuk meningkatkan konsumsi bahan bakar dengan memfokuskan pada sistim intake dan ruang bakar dengan rasio 16•20 A/F. Banyak mesin bermunculan yang puas dengan pembakaran ini karena mempunyai sedikit masalah dengan gas buang.

19


Engine Principles

Chapter 2. Cylinder Block & Moving parts 1. Cylinder block

Cylinder block adalah komponen utama pada mesin. Terbuat dari cast iron atau aluminum. Terdiri dari beberapa cylinder dimana terdapat piston yang bergerak naik turun, water jacket untuk sirkulasi air pendingin menajaga temperatur pada cylinder, dan crankshaft terpasang dibawahnya dengan tepat. Lubang cylinder adalah untuk memandu gerak bolak balik dari piston yang menerima dorongan dan tekanan temperatur yang tinggi dari akibat pembakaran campuran bahan bakar, sebagai pendingin cylinder, dan untuk tempat dipasang crankshaft. Sebagai dasar mesin, cylinder harus cukup kuat sebagai penopang semua bagian engine. Untuk kegunaan ini, cylinder biasanya terbiat dari cast iron karena besi mudah diproses dengna cara mekanis dan mempunyai karakter daya tahan yang baik terhadap ware dan corrosion. Akhir akhir ini, malahan pemakaian cast iron, aluminum alloy lebih populer. Aluminum lebih ringan dan memindahkan panas dengan mudah dibandingkan baja karena hal itu maka diputuskan sebagai bahan yang ideal untuk dipakai pada mesin. Tidak mudah untuk menggunakan aluminum pada mesin karena mempunyai koefisien perambatan panas berbeda dengan baja, bahan utama yang lain dan sangat rumit untuk membuat komponen mesin, dan juga biayanya akan lebih mahal daripada menggunakan baja. Sebagai kendaraan penumpang, berat mesin kira kira antara 10•15% dari total berat kendaraan. Dimana 15•20% dari berat mesin dari cylinder block. Sangat penting untuk meringankan mungkin pemeliharaan kekuatannya. Karena itu, struktur tulagng dari cylinder block mempunyai ketebalan berbeda ada bagian yang ketebalannya lebih tebal dari bagian yang lain dimana pada bagian itu merupakan bagian yang mempunyai tekanan lebih besar atau mempunyai kemungkinan terjadinya deformation dan pada sisi lain lebih tipis. Untuk mendesain cylinder block sehubungan dengan hal ini, penganalisaan strukturnya didasarkan pada finite element method dimana mesin dibedakan menjadi triangular atau rectangular cells dan masing masing element dibuat secara bersama sama untuk diperhitungkan dengan numerical analysis menggunakan computer. 20


Engine Principles Di samping block, terdapat water jacket sebagai sirkulasi air pendingin sehingga harus betul betul dibuat presisi karena bentuknya rumit. Untuk mencegah untuk mencegah agar tidak terjadi cracking pada bagian leher botol karena adanya perbedaan ketebalan atau untuk meningkatkan daya tahan terhadap kerusakan panasnya harus dikontrol. 2. Cylinder Liner Bagian dalam pada cylinder block dimana terjadi gesekan dengan piston ditambah dengan pelumas oil diantara keduanya. Karena itu, dibutuhkan bahan yang kuat sehingga tahan terhadap temperatur yang tinggi dan keausan, yang akan merubah bentuk karena adanya rambatan panas tetap pada ukuran toleransi, dan diantara keduanya tidak akan mungkin lengket karena tingginya panas.

Dasarnya, jika bahan pembuat blok adalah baja, part ini dibuat dengan dilapisi cast iron cylinder, sehingga disebut linerless type. Apabila bloknya terbuat dari aluminum alloy, didalam dinding cylinder terdapat liner yang terbuat dari cast iron untuk mencegah keausan pada dinding cylinder. Liner adalah sesuatu yang ditambahkan pada bagian dalam cylinder. Cylinder liner mungkin terbuat bersama dengan cylinder block atau terpisah dan kemudian digabungkan dengan cylinder. Untuk cylinder block dari aluminium, dipakai cast iron. Ini tentunya lebih berat jika dibandingkan dengan aluminum alloy yang mana mempunyai perambatan panas rendah dibanding aluminum. Karena itu pada mesin mobil racing atau efficiencies tinggi, dibuat liner spesial dari silicon alloy dengan karakteristik seperti aluminum atau dipakai special treatment pada permukaan alumunium. Spesial liner ini berharga sangat mahal dan sulit untuk dibuat. Juga, ada beberapa cara untuk membuat linerless cylinder wdengan cylinder blok dari aluminum alloy. Meskipun harganya cukup mahal mesin dapat lebih ringan dan kompak sehingga menjadi hal utama yang dipakai pada mesin dengan performa tinggi. Gap antara cylinder liner dan piston tergantung pada material. Jika linernya cast iron dan pistonnya aluminum alloy, berdasarkan rasio perambatan panas aluminum adalah hampir dua kali lipatnya baja maka gap akan dikurangi pada temperatur mesin tinggi, jadi seharusnya gapnya adalah antara 30•40 microns (0.03•0.04mm) pada suhu kamar. Jika liner dan pistonnya adalah aluminum, gap seharusnya 10 microns karena tidak ada perbedaan perambatan panas pada keduanya. Pada sekeliling cylinder liner dibentuk bagian untuk cooling water, water jacket, untuk menjaga temperature mesin pada temperature tertentu dengan menyerap energi panas yang berasal dari energi pembakaran. 21


Engine Principles

3. Water Jacket Ketika cylinder blok dicetak, pada sekeliling cylinder block diletakan pasir untuk menciptakan space. Space ini disebut water jacket untuk menyirkulasi cooling water untuk menurunkan temperatur cylinder head dan cylinder untuk menjaga temperature kerja. Air bersirkulasi didalam water jacket menuju mesin dari lower outlet radiator mendingainkan air panas. Air mengalir dari lower part pada engine menuju upper part pada engine. Setelah mendinginkan cylinder head, air yang panas keluar dari engine menuju upper inlet port pada radiator. Selama bersirkulasi di dalam water jacket, fungsi utamanya adalah untuk mendinginkan masing masing cylinder rata. Bentuk dari water jacket adalah difokuskan pada metode aliran sehingga bisa melalui seluruh komponen engine secara halus dengan menggunakan air sedikit mungkin. Air yang panas didinginkan didalam radiator dan kemudian kembali ke water jacket lagi. Pada musim dingin, sebagian air panas dialirkan ke radiator yang lain untuk memanaskan cabin.

Pada umumnya, water jacket selalu mengelilingi cylinder. Untuk mengurangi panjangnya alur water jacket sejajar dengan cylinder, wateh jacket dibuat mengelilingi bagian luar cylinder sehingga air tidak masuk kedalam ruang yang berdekatan dengan cylinders. Tipe ini disebut Siamese type. Seperti pada tipe Siamese twins, beberapa bagian jacket sekitar masing masing cylinder menyatu dengan body. Conventional jacket disebut full jacket type.

Untuk mesin yang mempunyai liner, tipenya dibagi menjadi dua berdasarkan bagaimana air berhubungan dengan liner atau tidak. Jika cylinder liner berada di sekitar dinding cylinder block sehingga liner bagian luar tidak dapat disentuh oleh cooling water, disebut dry type liner. Apabila kebanyakan bagian liner berhubungan dengan cooling water secara langsung, disebut wet type liner. Pada tipe wet liner akan mempunyai effisiensi pendinginan lebih baik. Diantara liner dan blok dipasang dipisahkan dengan O-ring untuk mencegah kebocoran cooling water. Di HMC, kebanyakan mesin menggunakan liner dengan tipe dry type liner karena di HMC belum mendapat masalah yang diakibatkan dari panas mesin dan kita khawatir terjadinya kebocoran air pendingin.

22


Engine Principles 4. Piston

Piston bergerak secara bolak balik didalam cylinder menghantarkan gaya dorong kepada connecting rod sebesar 3~4 tons (5 tons for diesel engine) tergantung pembakaran dari campurannya yang mempunyai temperatur 2000• tepat pada langkah pembakaran. Hal pertama yang harus diperhatikan dalam pembuatan piston adalah piston harus terbuat dari bahan yang ringan untuk mangurangi inertia force pada gerakan bolak balik. Selanjutnya adalah harus mempunya ketahanan yang kuat terhadap gaya pembakaran. Dan kemudian, bahan baku piston harus mempunyai perambatan panas yang baik dan bentuknya tidak akan berubah atau rusak karena temperatur tinggi.

Pertama, aluminum atau aluminum alloy dipertimbangkan karena ringan dan kokoh. Kemudian, untuk meningkatkan daya tahan terhadap panas untuk mencegah terjadinya perubahan bentuk, harus mempunyai heat treatment. Bagian atas piston disebut piston head atau mahkota piston. Bagian ini adalah bagian terpenting dalam pembentukan ruang bakar diantara cylinder head. Untuk meningkatkan efisiensi pembakaran dengan membakar campuran bahan bakar seketika, akan lebih baik kalau bentuknya datar. Untuk meningkatkan kompresinya, bagian tengah dibuat terangkat atau ada bagian yang turun tepat dimana valve turun ( membuka ), sehingga intake dan exhaust valve tidak menyentuh piston. Bagian bawah piston adalah piston skirt untuk menstabilkan gerak bolak balik piston. Dibeberapa bagian muka piston skirt terlihat seperti dipotong karena pada saat piston turun bagian ini berfungsi sebagai peanyeimbang berat piston.

23


Engine Principles

Terdapat gap antara piston dan cylinder. Dimana gap ini dipasang piston ring. Saat piston bergerak naik turun, ada bagian skirt mungkin bergesekan dinding cylinder. Untuk mengurangi gesekan ini, bentuknya harus diubah. Lebih pendek skirt noise yang ditimbulkan akibat gesekan dengan piston lebih tidak terdengar dan ringan. Bagaimanapun juga untuk membuat keseimbangan dengan ukuran piston maka skirt nya harus dibentuk. Piston terhubung ke connecting rod menggunakan piston pin. Sehingga, gaya dorong dari pembakaran bertumpu pada pin ini. Piston pin berbentuk bulat memanjang, diameter luarnya sama dari ujung ke ujung, beratnya sama, mempinyai daya tahan yang kuat terhadap sehingga tidak akan bengkok. Bagaimanapun, jika diameter piston pin lebih besar, boss piston pin juga harus besar. Karena itu, kompresi akan tinggi, jarak dari pin piston ke piston head juga panjang sehingga berat mesin juga bertambah. Maka diameter harus di bentuk dengan memperhitungkan keseoimbangannya dengan ukuran piston. 5. Piston Ring Piston ring terbuat dari baja yang melingkari head part piston, adalah untuk mencegah kebocoran gas dengan menutup celah antara piston dan cylinder, mengikis sisa oli pada dinding cylinder sehingga tidak masuk dalam ruang bakar dan untuk mencegah perpindahan panas dari piston ke cylinder. Umumnya, piston ring terdiri dari tiga ring. Dua ring yang dekat dengan piston head disebut compression rings, dan satu ring dekat piston skirt disebut oil ring. Ring paling atas pada compression rings dipakai untuk menutup kebocoran gas, oil ring dipakai untuk menghilangkan lubricant oil, dan ring kedua dari compression rings dipakai untuk membantu menutup gap dan untuk mengontrol ketebalan lubricant oil film.

Beberapa piston hanya mempunyai dua ring, compression ring dan oil ring. Dalam hal ini, ada beberapa aturan mengenai ring piston dihilangkan, tetapi efisiensi bahan bakarnya dapat dinaikan dengan cara mengurangi hilangnya gaya gesek yang ditimbulkan antara piston dan dinding cylinder. Pada beberapa mobil racing dipakai sistim ini untuk memendekan ketinggian piston sehingga mengurangi berat Mesin. Compression ring terbuat dari baja tuang yang berbentuk spiral, dan lapisan atas harus tahan terhadap panas untuk mengurangi gesekan dan meningkatkan pelumasan pada piston. Untuk 24


Engine Principles memasang ring pada alurnya dan untuk memastikan gaya kelenturannya untuk mengkompresikan cylinder, satu bagian ring harus terbuka. Bagian terbuka ini disebut end gap. Gas yang terbakar akan sedikit keluar melalui celah ini. Blow-by gas ini dikembalikan ke ruang bakar. Cekungan ( Alur ) pada piston untuk menempatkan ring piston sedikit lebih lebar dari lebar piston. Saat pidtoon bergerak naik turun, ring berputar untuk mencegah end gap dari ketiga ring sejajar. Jika ring tidak cukup kuat, ring akan bergetar diantara celah ini pada kecepatan mesin tinggi sehingga tidak dapat menutup gas dengan sempurna.

Bagian melintang dari Oil ring mempunyai bentuk huruf “C” dibalik. Minyak pelumas yang dikikis oleh ring di alirkan kedalam piston melalui lubang yang berada pada bagian bawah C-shaped ring. Saat kecepatan engine tinggi, ring tidak dapat mengikis sisa Oil hanya dengan mengandalkan daya kelenturannya, jadi ditambahkan spring yang mengembang untuk untuk menambah daya kompresi ring pada cylinder. 6. Connecting Rod Connecting rod adalah rod untuk menghubungkan Piston dan Crankshaft. Mengubah gerakan bolak balik menjadi gerakan memutar. Connecting rod bergerak secara variasi atau rumit dengan gerakan mengayun yang bersumbu pada piston pin dan bergerak secara linier naik turun. Sehingga untuk mengontrol gaya inersia yang dihasilkan oleh gerakan tersebut maka dipasang balance weight.

dalam satu pergerakan memutar berat yang diberikan oleh connecting rod terhadap inertia force kira - kira 2. Untuk meringankan beban dan getaran pada bearing dilakukan dengan 25


Engine Principles mengurangi inertia force, conecting rod dibuat seringan mungkin. Tetapi, harus mempunyai kekuatan untuk meneruskan gaya dorong dari pembakaran ke crankshaft. Conecting rod terbuat dari baja spesial dengan cara dicetak atau ditempa. Penempaan dilakukan untuk meyakinkan kekuatannya. Untuk mobil racing, dipakai titanium alloy walaupun sangat mahal tapi sangat ringan.

Jenis dari rod ini dibedakan menjadi 2 tipe berdasarkan pada bentuk rod, yaitu I type and H type. Jika kekuatannya sama maka I type lebih ringan dibanding denagan H-type. Karena itu pada umumnya mobil yang ada menggunakan rod I-type. H-type mempunyai struktur yang lebih tahan bengkok terhadap arah pin axisnya. Semakin panjang Connecting rod, lateral vibrasinya semakin kecil. Alasannya adalah, dengan mempertimbangkan gaya yang diberikan ke piston pada gerak memutar crank digolongkan menjadi lateral direction dan longitudinal direction, connecting rod yang panjang dapat mengurangi rasio gaya terhadap lateral direction dibanding dengan connecting rod yang lebih pendek sehingga vibration dan friction juga akan terkurangi. Bagaimanapun juga, jika connecting rod panjang, berat engine lebih berat sehingga tidak disarankan. Umumnya, panjang dari center piston pin ke crank pin, adalah sekitar dua kali panjang stroke.

bagian ujung connecting rod pada piston disebut the small end, dan bagian ujung pada crank pin side disebut big end. Small end terhubung ke piston menggunakan piston pin, dan the big end menempel pada crank pin dengan dilapisi bearing didalammnya.

26


Engine Principles 7. Crankshaft

Crank berarti “bended handle” untuk merubah gerakan reciprocal menjadi gerakan rotational hingga kini. Pada awalnya diceritakan bahwa untuk menghidupkan mesin dilakukan dengan crank. Kemudian dipakai electric motor untuk menghidupkan mesin, hingga tahun 1950an, Pada beberapa kendaraan dipasang crank pada bagian depan engine yang dipakai pada keadaan darurat ketika electrik motor tidak berfungsi.

Crankshaft menghubungkan crank pada masing masing cylinder. Main shaft disebut crank journal dan bagian yang ditambahkan pada big end connecting rod dengan crank disebut crank pin. Disisi lain, bagian yang ditambahkan pada small end pada connecting rod dengan piston disebut piston pin. Connector yang menghubungkan crank journal dan crank pin disebut crank arm. Bagian yang menonjol berbentuk pendulum didepan crank arm disebut counter weight atau the balancing weight.

Alasan mengapa counter weight dipisahkan dari center (root) pada circumferential portion (outer portion) adalah saat berputar pada root part mempunyai gaya inertia yang besar meskipun

27


Engine Principles counter weight mempunyai berat yang sama. Pada gerakan mesin bolak balik, piston mengepres crank journal dengan connecting rod pada setiap langkah bakar. Crankshaft terpengaruh oleh complicated bending dan distorting force. Karena itu, crank journal harus mempunyai cukup kekuatan untuk menahan gaya ini sehingga dibuat menggunakan baja cor atau forging steel. Untuk mesin berperforma tinggi atau mobil racing, banyak dipakai forging steel untuk meyakinkan kekuatannya. Untuk kendaraan commercial atau kendaraan umum, dipakai casting steel karena jika menggunakan forging biayanya lebih mahal. Meskipun casting steel kurang kuat dibanding dengan forging steel, hal ini tidak menjadi sebuah masalah yang kritis karena itu sangat mungkin untuk menciptakan counter weight presisi. Counter weight menjaga keseimbangan berat dari gaya yang ditimbulkan oleh reciprocal movement piston dan dari rotational movement pada crankshaft. Sederhananya adalah untuk menjaga keseimbangan berat dibutuhkan banyak gaya inertia dari piston dan counter weight dengan perbandingan 1:1. Untuk mengurangi berat pada crankshaft, counter weight dibuat sekecil mungkin tetapi masih dalam load range yang ditentukan. 8. Crank Case Crank case adalah part yang melindungi dari mulai cylinder pada cylinder block sampai crankshaft. Pada crank case, terdapat komponen tambahan seperti alternator (the alternative current generator) penghasil tenaga listrik, compressor air conditioner dan oil pump untuk power steering. Dan juga dipasang engine mount brackets untuk menopang engine ke bodi kendaraan. Dikarenakan crank case termasuk komponen pada cylinder block, maka akan selalu terjadi getaran karena gerakan bolak balik dari piston dan juga gerakan memutar dari crankshaft. Karena itu, material untuk membuat crankshaft harus memenuhi standar yang tahan terhadap getaran dan goncangan. Berdasarkan pada luas area yang dilindungi Crank case debagi menjadi 2 yaitu, the half skirt type and the deep skirt type. In the half skirt type, bagian depan crank case melindungi pusat crankshaft. Pada deep skirt type, crank case melindungi hingga bearing cap.

28


Engine Principles

Karena half skirt type mempunyai jangkauan lebih pendek, memungkinkan block lebih ringan. Karena itu, kekuatan penggabungannya akan lebih lemah dibanding dengan jenis deep skirt type, dikarenakan saat dipasang engine bagian yang digabungkan menjadi kecil. Sangat diperlukan dibuat penguat sehingga tidak mudah terjadi getaran. Selain itu, ruang untuk penambahan penguat ini harus sedikit. Untuk melindungi crankshaft hingga cylinder block dan untuk menguatkan block, dibuat alat pendukung yang terbuat dari bearing pada crankshaft di bagian bawah crank case. Berdasarkan alat pendukung ini kita mengenal 2 jenis yaitu ladder frame style dan bearing beam style. Pada bagian bawah cylinder block, juga dipasang oil pan. Sebagai tempat untuk mengambil oli untuk melumasi dan pendinginan. Pan ini terbuat dari lembaran baja press dan dipasang menggunakan rubber packing seperti pada head cover. Oil pan dapat menimbulkan suara bising yang mudah sehingga dibuat dengan lempengan baja yang tahan terhadap getaran. Lembpengan baja ini dibuat dengan memasukan resin plate diantara dua plat baja untuk mencegah getaran. 9. Journal Bearing Bearing dipakai untuk memperhalus putaran pada poros yang berputar dan membantu poros putar. Terdaopat bermacam macam jenis bearing termasuk plain bearing yang menopang poros dengan permukaan yang lebar dan rata, dan bearing yang mensuport poros dan sekelilingnya dengan balls or rollers. Umumnya, untuk crankshaft engine, banyak digunakan plain bearing.

29


Engine Principles

Alasan mengapa jenis roller bearing tidak digunakan pada crankshaft adalah karena beban dapat terkonsentrasi pada bagian yang bersentuhan pada ball atau roller pada satu titik atau garis. Pada plain bearing beban diberikan pada sisi yang yang terlumasi dimana area sentuhannya lebih luas dibanding dengan jenis ball atau roller bearing karena itu plain bearing dapan menopang beban yang lebih besar. Plain bearing juga disebut sliding bearing, shaft bergerak pada bearing dengan pelumasan Oli. Even if the surface of the solid metal body is applied the smoothing surface treatment precisely and carefully, it should have roughness somewhat. Oleh karena itu, saat dua solid bodies bersinggungan dengan cara langsung, akan terjadi keausan. Minyak pelumas diberikan diantara plain bearing dan poros dapat membuat permukaan yang kasar dari kedua solid bodies menjadi lebih halus. Two solid bodies tidak akan bersinggungan secara langsung meskipun jaraknya begitu dekat. Ketebalan oil film, berfungsi sebagai gap diantara bearing, yang akan berubah dikarenakan adanya panas atau beban. Saat gap tersebut terlalu kecil, akan menimbulkan gesekan panas, akan tetapi jika gapnya terlalu besar akan menimbulkan vibrations dan noise. Bearing dibuat dengan cara dipanaskan, mempunyai berat yang ringan dan mempunyai daya tahan terhadap kerusakan seperti copper atau aluminum. Pada permukaannya, dilapisi baja spesial. Pada bearing terdapat lubang dan jalur oli yang mensuplai minyak pelumas untuk melumasi bagian yang bersentuhan antara connecting rod dan crank pin dan antara crankshaft dan crank case. Crank journal, poros crankshaft, terpasang pada bagian bawah cylinder block dengan menggunakan bearing cap dan plain bearing. Untuk jenis serial engine, bearing ini harus dipasang pada sisi bagian depan dan belakang cylinder. Jika 4-cylinder, maka akan terdapat 5 bearings dan jika 6-cylinder, maka akan terdapat 7 bearing, sehingga sering disebut dengan 5-bearing dan 7-bearing. Beberapa jenis engine 4 tak lama mungkin mempunyai struktur 3-bearing. Jenis ini tidak dipakai lagi karena crankshaft akan mudah bengkok dan bergetar.

30


Engine Principles 10. Flywheel

Flywheel dipasang disebelah transmissi pada crankshaft untuk menjaga perputaran tetap halus dengan menggunakan inertia force dan untuk mengurangi kesalahan gaya perputaran. Crankshaft berputar dua kali dalam sekali pembakaran. Pada langkah yang lain, gaya putar majunya dipakai untuk melakukan kompressi, intake dan exhaust. Jika tidak menggunakan flywheel, gaya putaran dari crankshaft akan berkurang pada langkah ini. Oleh karena itu, jika interval antara langkah pembakaran terlalu jauh maka kemungkinan engine akan berhenti. Dikeliling flywheel, dipasang ring gear untuk memutar crankshaft dengan menggunakan gigi pinion gear. Clutch disk dapat menempel pada sisi permukaan flywheel yang rata dengan menggunakan spring untuk meneruskan daya ke transmissi.

31


Engine Principles

Besarnya gaya putar ( torque ) dihitung dengan mengalikan besarnya gaya tersebut dengan jarak antara titik tengah poros ke titik dimana gaya tersebut diaplikasikan. Besarnya gaya tersebut sebanding dengan inertia mass karena itu jika fly wheel besar dan diameter luarnya besar, atau jika bagian luar berat, maka gaya yang ditimbulkan oleh flywheel kemungkinannya akan besar. Pada umumnya mesin, setengah dari berat mesin itu sendiri ada pada fly wheelnya. Karena itu saat mesin berputar pada kecepatan rendah atau saat pada putaran idle, beratnya gaya inertia pada flywheel harus besar untuk memutar mesin secara tetap. Bagaimanapun juga, dengan besarnya gaya inertia pada flywheel, tidak dapat mengubah perputaran engine dengan mudah. Untuk menaikan putaran engine dengan menekan pedal gas akan susah demikian juga halnya saat melakukan engine brake dengan melapaskan pedal gas juga susah. Artinya, respon dari engine jelek sehingga efisiensi bahan bakarnya pun jelek. Pada beberapa mesin menggunakan 30% torque dihasilkan dari engine untuk meningkatkan putaran mesin itu sendiri saat dilakukan akselerasi pada kecepatan rendah. Ukuran dan berat flywheel ditentukan oleh kegunaan kendaraan tersebut, sebagai contoh, Mesin mobil untuk racing digunakan yang berukuran kecil, Untuk fungsi yang umum flywheelnya terbuat dari cast iron, dan untuk kegunaan spesial seperti mobil balap, terbuat dari potongan baja dengan meterial yang mempunyai kekuatan tinggi. 11. Balance shaft, Balancer for the secondary inertial force Piston, Connecting rod dan crank menimbulkan gaya inertia sesuai dengan gerakan bolak balik dan memutar. Untuk alasan ini, jika mesin satu cylinder tidak mempunyai counter weight untuk menyeimbangkan antara inertial force dan berat piston, connecting rod dan crank, akhirnya 32


Engine Principles engine akan mengalami getaran hebat karena unbalancing. Untuk engine dengan 4-cylinder, keempat pistonnya tersambung pada crankshaft dengan memasangkan cylinder pertama dengan keempat dan cylinder kedua dengan ketiga sejajar. Ketika crankshaft berputar, gaya inertianya bergantian sehingga tidak dibutuhkan counter weight. Pada gerakan susunan piston-crank system pada mesin 4-cylinder, gaya inertia tidak akan terjadi kesalahan. Hal ini disebabkan karena susunan pada masing masing piston pada gerakan bolak balik terhubung pada crank yang berputar dengan konecting rod. Sebagai contoh pada setengah putaran crankshaft saat piston bergerak dari posisi atas (TDC, Top Dead Center) ke titik terendah (BDC, Bottom Dead Center), gerakan piston akan maksimum saat mendekati titik paling atas pada satu langkah dibanding dengan saat piston bergerak pada titik tengah. Crank berputar secara tetap sehingga gaya inertia pada masing masing cylinder (the first inertia force) dengan mudah akan berubah. Tetapi tidak demikian dengan gaya inertia pada piston. Sebagai contoh, upper inertia force yang terjadi ketika piston pertama dan keempat bergerak dari titik atas ke titik bawah lebih besar dari gaya inertia bawah saat piston kedua dan ketiga bergerak dari titik bawah ke titik atas.

Dengan mempertimbangkan hubungan ini seperti pada gambar, dengan gaya inertia pada sumbu vertikal dan sudut putar crankshaft pada sumbu horizontal, saat upper inertia force pada piston pertama dan keempat mencapai maksimum, pada lower inertia force piston kedua dan 33


Engine Principles ketiga terjadi nilai minimum, dan berlaku sebaliknya setelah crankshaft 180°. Dari hubungan ini, kita tau bahwa inertia force terjadi dengan perbandingan 2 kali dalam satu putaran crankshaft. Inertia force ini disebut secondary inertia force. Hal ini akan terjadi dengan mudah saat kondisi mesin idle. Pada kendaraan penumpang kecil umumnya dipakai mesin dengan four-cylinder. Untuk menyamankan penumpangnya, balance shaft yang dipakai berbentuk setengah lingkaran yang letaknya diujung masing masing mesin untuk mengurangi getaran yang ditimbulkan secondary inertia force. Balance shaft ini dibentuk agar berputar dengan dua kali kecepatan berlawanan arah dengan crankshaft. Gaya yang ditimbulkan dari balance shaft akan menghilangkan getaran akibat secondary inertia force.

34


Engine Principles

Chapter 3. Cylinder Head 1. Cylinder Head

Cylinder head dipasang diatas cylinder block dengan ditambahkan gasket diantaranya untuk mencegah terjadinya kebocoran dari pembakaran gas. Dasar cylinder head adalah merupakan atap ruang bakar. Karena itu bentuknya juga rumit. Pada bagian atas piston terdapat cekungan bulat untuk pemasukan bahan bakar dan juga untuk pengeluaran gas buang, dan tempat dimana diletakan ignition park sehingga bentuk bagian ini bisa mempengaruhi performa mesin seperti pembakaran campuran bahan bakar. Struktur cylinder head bervariasi tergantung pada jenis mesin. Kebanyakan cylinder head mempunyai struktur sebagai berikut. Pada bagian atas, terdapat valve yang mengatur pemasukan bahan bakar melalui intake port kedalam ruiang bakar dan mengeluarkan gas buang melalui exhaust port. Didalam cylinder head, terdapat water jacket yang mensirkulasi air pendingin dari cylinder block. Ruang bakar adalah bagian palinga pentinga dalam menentukan performa mesin. Sehingga bentuk dan ukurannya pun merupakan sesuatu yang penting pula. Jika ruang bakarnya besar, selang waktu pembakaran capuran bahan bakarpun akan panjang walaupun sudah cukup terkompresi. Sehingga tenaga yang kuat tidak pasti akan diperoleh. Karena itu, sangat penting untuk membuat ukuran ruang bakar yang sesuai. Selain itu, untuk meningkatkan performa pembakarannya maka bentuk ruang bakar permukaannya dibuat setidak rata mungkin. Jika bentuk dari ruang bakar begitu rumit, kemudian panas yang dihasilkan dari pembakaran harus dengan mudah dapat dihilangkan karena permukaan ruang bakar lebih besar dari volumenya. Sehingga tekanan yang diberu\ikan ke pisto lebih rendah. Intake port juga merupakan bagian yang penting karena aliran campuran bahan bakar tergantung pada bentuk dan ukuran intake port ini. Dengan mempertimbangkan arti aliran, 35


Engine Principles semakin halus permukaan bagian dalam akan lebih baik mereduksi hambatan aliran dan bentuk yang lurus adalah yang terbaik. Bagaimanapun betuk dari port tersebut akan membantu memasukan bahan bakar kedalam cylinder akan berbentuk seperti aliran udara untuk dibakar dalam ruang bakar sebaik mungkin. Water jacket akan meredam panas setelah proses pembakaran selesai hingga langkah buang secepat mungkin untuk mencegah naiknya temperatur saat pemasukan campuran bahan bakar selanjutnya. Terutama, pada bagian yang mempunyai kemungkinan terjadi penaikan suhu seperti pada exhaust valve dan spark plug harus didinginkan dahulu untuk menghindari terjadinya masalah karena over heat. Pada cylinder head, terdapat bearing untuk mengendalikan kerja valve termasuk cam shaft. Bearing tersebut dilumasi dan didinginkan dengan minyak pelumas (engine oil). 2. Cam and Camshaft

Cam mengatur kerja valves untuk membuka dan menutup intake port saat memasukan campuran bahan bakar kedalam ruang bakar dan eshaust port untuk mengeluarkan gas buang. Untuk mesin OHC atau DOHC, cam dipasang pada camshaft di bagian tengah pada cylinder head. Camshaft mempunyai cams dengan jumlah yang sama dengan valve untuk intake dan valve untuk exhaust yang mana diatur dengan sudut yang sesuai dengan waktu pembukaan dan penutupan. Untuk mesin 4 tak, ratio pembukaan intake dan exhaust valve kira kira sekali dalam dua kali putaran crankshaft. Karena itu sekali camshaft berputar, crankshaft berputar dua kali. Bagian yang menonjol pada cam disebut cam nose atau cam robe. Ketinggiannya disebut cam lift. “lift” berarti cams untuk mengangkat valve karena itu status pembukaan valve tergantung pada bentuk cam profile. Waktu pembukaan dan penutupan valve di atur oleh sudut pengoperasiannya (operation angle), sudut dari titik awal hingga titik akhir nose.

36


Engine Principles

Saat valve menutup, benturan dengan kedudukannya harus sekecil mungkin, sehingga bentuk cam dibuat seperti bentuk telur. Pada valve selalu terjadi tekanan berasal dari valve spring saat tertutup. Dengan menekan spring menggunakan cam nose, valve akan terbuka. Jika kecepatan cam menjadi cepat untuk memperbesar gaya inertia dari valve, gerakan bolak balik valve akan menjadi tidak seimbang dengan gerakan memutar cam. Kecepatan engine yang maksimum dihasilkan oleh kecepatan membuka dan menutupnya valve. Sehingga bentuk cam menjadi hal yang sangat penting. Cam nose harus dilapisi dengan lapisan yang spesial untuk menambah kekuatan sehingga tahan terhadap gesekan dengan valve lift dan rocker arm yang terpasang pada valve. Untuk melakukan hal ini, camshaft terbuat dari cast iron dan cam nose harus diproses menggunakan proses pendingainan seperti chilling method untuk memperkuat tekstur permukaan, saat dicetak.

Small cam lift

Big cam lift

Ada dua cara dalam mensuplai minyak pelumas kedalam cam journal, cam nose dan camshaft, dari luar dan dalam. Pada metode dari luar, minyak pelumas akan disuplai dari journal. Pada metode dari dalam, pada camshaft terdapat lubang untuk mensuplai minyak pelumas dari bagian tengan journal. Sebagai tambahan, camshaft terbuat dari hollow tube type dan minyak pelumas mungkin disuplai melalui hollow tube. 3. Driving the Camshaft Untuk mesin OHC, crankshaft terletak dibawah cylinder block dan camshaft terletak pada cylinder head, sehingga harus ada chain atau belt untuk meneruskan gerakan memutar crankshaft ke camshaft. Untuk mengendalikan intake and exhaust valves harus diatur dengan tepat disesuaikan dengan putaran crankshaft, untuk beberapa hal pada kendaraan racing car, 37


Engine Principles digunakan gear untuk memindahkan perputaran dengan tepat.

Pada sistim yang menggukanan chain untuk memindahkan perputaran, roda gigi untuk chain disebut sprocket. Adapun yang menempel pada crankshaft disebut crankshaft sprocket, dan the yang lain menempel pada camshaft disebut camshaft sprocket. Pada sistem yang menggunakan chain untuk mengendalikan camshaft, ratio perbandingan jumlah gigi antara crankshaft sprocket dan the camshaft sprocket adalah 1:2. untuk menjaga ketegangan chain, dipasang chain tensioner, dan chain guide dipasang untuk mencegah kekocakan chain saat berputar. Jika metode inin digunakan untuk mesin DOHC, sprocketnya harus berdiameter lebih besar tergantung pada jumlah gear rationya. Karena itu, gap pada camshaft dan gap pada valves

38


Engine Principles untuk intake dan exhaust akan lebih besar. Konsekuensinya, metode ini tidak dipakai pada engine compact type. Untuk mengatasi hal ini dipasang sprocket lainnya diantaranya untuk meneruskan gerakan memutar ke camshaft sprocket. Jenis timing belt yang digunakan adalah belt yang mempunyai permukaan bergigi dan pulley sebagai pengganti chain dan sprocket. Pada jenis ini, sprocket dan pulley terpasang pada ujung camshaft yang mempunyai tanda (timing mark) menandakan waktu membuka dan menutup valve. Sehingga kita menamakan komponen ini “timing”. Pulley yang terpasang pada crankshaft adalah crankshaft timing pulley dan yang terpasang pada camshaft adalah camshaft timing pulley. Sebagaimana pada chain type, pada tipe ini, terdapat direct reduction type dan double reduction type. Meskipun pada mesin OHC dapat memakai long chain untuk mengendalikan camshaft, tetapi metode yang dipakai adalah belt driving method. Alasannya adalah long chain dapat mengakibatkan penyimpangan timing dan suaranya bising, dan pada chain system dibutuhkan alat pelumasan. Bagaimanapun, belt terbuat dari fiber dan rubber sehingga dapat dengan mudah rusak karena minyak dan panas. Karena itu dianjurkan untuk dilakukan penggantian pada setiap kendaraan mencapai 90,000km. 4. Intake and Exhaust Valve

Cylinder head termasuk intake port memasukan campuran bahan bakar kedalam cylinder dan exhaust port mengeluarkan gas yang terbakar. Valves tersebut adalah intake valve dan exhaust valve. Berdasarkan bentuk jamur, kita menyebutnya poppet valve.

Poppet valves terdiri dari valve head dan valve stem. Valve stem mensupport valve guide dan valve spring. Valve terbuka karena penekanan oleh cam nose, dan menutup karena gaya elastis valve spring. 39


Engine Principles Temperatur pembakarannya melebihi 2000•, dan temperatur gas buang yang melewati valve lebih dari 1000•. Karena itu, temperatur exhaust valve melebihi 800• dan pada intake valve melabihi 300•. Sehingga material valve adalah baja yang tahan terhadap panas.

Ukuran valve dilihat dari diameter head portion. Intake valve lebih besar dari pada exhaust valve. Dilihat dari ukuran head portion, jika intake valve adalah 100, exhaust valve kira kira 75•85. Perbedaan ukuran ini adalah untuk menyeimbangkan aliran gas. Intake dilakaukan dengan cara meningkatkan tekanan yang dihasilkan saat piston turun, di pihak lain exhaust dilakukan dengan menggunakan tekanan yang tinggi akibat dari combustion. Untuk menyeimbangkan aliran pada intake dan exhaust, ukuran intake valve lebih besar dibanding exhaust valve. Valve stem dibuat, dengan mempertimbangkan aliran, sehingga intake valve dibuat setipis mungkin untuk mengurangi hambatan aliran dan karena itu juga pada exhaust valve setipis mungkin untuk meneruskan panas dari extrude portion ke stem. Panas dialirkan melalui bagian valve stem • valve guide • cylinder head • cooling water. Pada beberapa engine dengan performa yang tinggi menggunakan hollow stem securing sodium untuk meningkatkan pendinginan pada valve. Bagian lubang yang bersentuhan dengan valve face disebut valve seat. Jika cylinder head terbuat dari casting iron, valve seat mempunyai struktur double. Jika cylinder head terbuat dari aluminum alloy, kemudian seat terbuata dari baja tahan panas. Valve spring selalu menekankan valve menempel pada cam sehingga akan memperhalus gesekan ketika cam nose menakan valve. Kemudian untuk memperbesar campuran intake dan exhaust gas, valve bertambah besar dan pengangkatan cam lebih tinggi demikian juga dengan valve spring juga harus lebih lembut untuk kerja yang cepat. Kemudian, mungkin akan terjadi surging problem dan susah untuk diseimbangkan. 5. Valve Driving System Sebagai valve pengontrol masuk dan keluarnya gas dari Cylinder, akan menyebabkan efek pada performa engine tergantung metodanya. Ada beberapa variasi sistim pengontrolan valve. Yang sudah dibuat antara lain side type valve, OHV, OHC hingga tipe DOHC.

40


Engine Principles

Side valve type Pada side valve type, terpasang di dekat camshaft menekan long valve system untuk membuka dan menutup valve. Mempunyai ruang bakar yang besar dan interval waktu pembakarannyapun lama sehingga output yang dihasilkan tidak besar. Pada waktu sekarang tipe ini tidak lagi digunakan.

OHV (Over head valve) type Pada tipe Over Head Valve (OHV), posisi valve seperti pada side valve type terpasang pada cylinder untuk membuka dan menutup valve menggunakan push rod yang panjang. Bentuk dan strukturnya seperti pada engine yang dipakai saat ini untuk menambah performa.

OHV (Over Head Camshaft) type

41


Engine Principles Setelah itu, tipe OHC (Over Head Camshaft) dibuat. Seperti namanya, lokasi camshaft adalah pada head bagian atas, tepatnya pada bagian tengah cylinder head. Pada tipe OHC, terdapat dua tipe, yang pertama tipe in-line dimana intake valve dan exhaust valve tersusun secara sejajar, dan yang lainnya adalah tipe V-shaped arrange dimana intake valve dan exhaust valve saling berhadapan membentuk seperti huruf V. Kemudian mempunyai efficiensi meningkat dan performa yang tinggi.

DOHC (Double Over Head Camshaft) type Tipe DOHC (Double Over Head Camshaft), yang mana intake valve dan the exhaust valve dikontrol secara terpisah oleh camshaft yang berbeda, saat ini dipakai pada engine dengan performa yang tinggi. Sesuai dengan namanya terdapat dua camshafts pada sistim ini sehingga kita menyebutnya juga dengan twin cam. Pada tipe V-type engine, terdapat dua cylinder head sehingga camshaft harus berjumlah empat.

D irect type

S wing arm type

R ocker arm type

Metoda pengendalian untuk intake dan exhaust valve digolongkan kedalam direct type, yang mana cam mengontrol valve secara langsung, dan rocker arm type, yang mana cam mengontrol valve menggunakan lever. Rocker arm berarti lever yang menghubungkan leverage point dengan cam. Dengan menggunakan lever ini dapat mengontrol valve lebih cepat dibanding dengan cam lift. Pada tipe direct komponen yang dibutuhkan sedikit dan mempunyai kekuatan yang tinggi. Dengan menggunakan tekanan oil untuk hydraulic tappet, valve dapat selalu mengikuti gerakan cam. 6. Valve Timing Valve timing adalah waktu saat membuka dan menutupnya intake dan exhaust valve. Masing 42


Engine Principles masing mengindikasikan kapan valve mulai membuka dan kapan valve mulai menutup standar waktunya diatur oleh sudut putaran crankshaft pada titik piston paling atas atau paling bawah.

Sederhananya adalah, exhaust valve akan membuka ketika piston pada posisi titik bawah. Setelah mengeluarkan gas, ketika piston berada pada titik palinga atas, exhaust valve akan menutup. Pada saat yang bersamaan, intake valve akan membuka untuk mengambil campuran bahan bakar. Saat piston pada titik bawah, intake valve akan menutup. Bagaimanapun ini hanyalah konsep kerja valve saja. Campuran bahan bakar dan gas pembakaran mempunyai berat jenis sehingga alirannya tidak sempurna hanya pada sesaat tetapi membutuhkan jangka waktu tertentu. Selanjutnya valves tidak dapat membuka dan menutup dengan segera juga. Sebagai contoh, intake valve membutuhkan waktu untuk membuka dengan sempurna, dan campuran bahan bakar tidak masuk segera kedalam cylinder tetepi dibutuhkan beberapa saat untuk masuk karena adanya gaya inertia dari aliran. Karena itu, valve seharusnya membuka terlebih dahulu saat piston mencapai titik atas. Saat piston mulai turun, kemudian valve sudah mulai terbuka untuk memasukan campuran bahan bakar kedalam cylinder. Dengan demikia intake membuka sedikit lebih awal, valve akan terbuka dengan sempurna ketika piston mencapai titik bawah, agar campuran bahan bakar yang masuk kedlam cylinder cukup.

43


Engine Principles Intake valve timing Ketika piston melewati titik paling bawah, intake valve tidak menutup sepenuhnya. Hal ini menyebabkan campuran bahan bakar akan masuk lagi kedalam cylinder karena adanya gaya inertia daria liran campuran bahan bakar tersebut. Di akhir langkah pembakaran, exhaust valve akan membuka tepat sebelum piston mencapai titik paling bawah (BDC).

Exhaust valve timing Hal ini bertujuan untuk mengeluarkan gas buang secepat mungkin dengan memanfaatkan gaya balik dalam cylinder. Dengan arti yang sama pada intake valve, meskipun piston melewati titik atas (TDC), valve masih membuka untuk mengeluarkan gas yang terbakar seluruhnya menggunakan gaya inertial pada aliran pembuangan (exhausting flow).

berdasarkan pada proses kerja valva ini, terdapat kesamaan waktu dimana intake valve dan exhaust valve terbuka bersamaan, karena exhaust valve tertutup setelah melawati titik atas (TDC) dan intake valve membuka sebelum mencapai titik atas(TDC). Pada saat ini, dihasilkan gaya vacuum inertia dari gas yang keluar dapat mempercepat masuknya campuran bahan bakar. Periode ini sering disebut dengan valve overlap.

44


Engine Principles

7. Variable Valve Timing

Variable camshaft angle type Sementara terjasi overlapped pada waktu pembukaan intake dan exhaust valve, tingginya efisiensi masuknya bahan bakar akan sama tingginya dengan efisiensi pengeluaran gas buang, dikarenakan putaran engine. Dengan kata lain, saat engine dalam kondisi berputar dengan kecepatan rendah ketika idle, efisiensi mesin mungkin rendah dengan aliran gas yang rendah juga. Khusus pada engine dengan performa yang tinggi mempunyai overlap yang tinggi, pada kecepatan rendah, intake valve akan terbuka lebar sehingga dengan jumlah gas buang yang banyak akan dimasukan kembali kedalam intake port. Karena itu, pembakaran akan tidak sempurna atau tidak stabil. Pada mesin dengan 4-valve, jika terjadi valve overlap jang terlalu besar, kemudian engine akan mengalami ketidak stabilan saat idle dengan mudah. Sehingga, waktu overlap untuk mesin 4-valve seharusnya lebih pendek atau pada beberapa kejadian overlap timenya adalah nol, yaitu ketika intake valve membuka ketika exhaust valve menutup.

45


Engine Principles

Selective camshaft-lobe type Seperti yang sudah kita sebutkan, pengaturan valve adalah berbeda tergantunga pada kecepatan perputaran engine. Karena itu, intake valve seharusnya membuka lebih lambat pada putaran rendah dan agak sedikit awal pada perputaran tinggi. sehingga dipasaqng perangkat tambahan yang dikontrol dengan menggunakan tekanan oli pada intake cam sprocket sehingga saat engine berputar melabihi RPM tertentu camshaft agak berputar sehingga cam akan menekan intake valve lebih awal. Ini yang disebut dengan variable valve timing system. Pada sisytim variable valve timing, tidak terjadi perubahan bentuk pada cam, sehingga valve seharusnnya tetap menutup dengan cepat saan membuka dengan cepat juga. Dengan menutup valve lebih cepat, jumlah campuran bahan bakar yang masukpun berkurang. Karena itu, pengaturan valve timing tidak hanya bergatung pada kecepatan putaran engine tetapi juga tergantung pada beban pada engine. Konsekuensinya, pada sistim camnya termasuk didalamnya terdapat dua jenis cam yaitu yang satu untuk low speed engine dan yang lainnya adalah untuk high speed engine. Untuk low speed cam, valve akan membuka lebih lebih lambat dan menutup lebih awal, dan pembukaannya akan lebih kecil dan campuran yang masuk kedalam ruang bakar akan berkurang sehingga efisiensi bahan bakar akan meningkat. Untuk high speed cam, valve akan membuka lebih awal dan menutup lebih lama dan pembukaannya lebih besar untuk memasukan campuran bahan bakar lebih banyak kedalam ruang bakar sehingga output dari engine akan lebih besar. Sistim ini juga disebut variable valve timing system tetapi pada sistim ini juga mengontrol valve lift juga. Sehingga disebut sebagai sistem yang lebih maju. 8. Malfunction of the Valve valve membuka karena adanya cam tetapi menutup kembali karena spring. Sebetulnya, valve menempel pada dudukan valve karena adanya spring yang akan membuka dengan menekannya menggukanan cam nose. Pada saat itu, gaya untuk memutar camshaft seharusnya sekecil mungkin. Sehingga kelenturan spring lebih baik. Bagaimanapun juga untuk engine yang mempunyai performa tinggi mempunyai ukuran valve atau lift yang besar, spring juga kebih keras dan keseimbangan pada kekuatan spring menjadi hal yang sangat penting. Meskipun tidak terjadi pada pengemudian saat normal, kekerasan spring dengan berat dan ketinggian dan kekauatan valve dapat membuat pengoperasiannya tidak normal, seperti valve 46


Engine Principles loncat (jump), valve memantul (bounce) atau valve mengayun (surge), saat engine berputar melebihi rpm limit. Valve jump adalah gaya inertial valve terlalu besar sehingga cam tidak dapat menekan spring dan kemudian valve loncat ke arah cam nose saat camshaft berputar dengan kecepatan tinggi. Valve dapat kembali pada posisi semula tetapi komponen lainnya seperti cam, rocker arm, valve lifter, dan lain lain akan rusak karena bergesekan satu dengan yang lainnya

Valve bounce adalah valve face letaknya tidak pada valve seat (contacted portion with the valve) tetapi terpantul dari valve seat saat valve ditutup oleh spring. Komponen yang bekerja akan rusak karena pantulan ini. Ketika terjadi peningkatan putaran pada engine, pantulan yang terjadi melebihi rpmlimit. Rpm limit ini disebut sebagai crush speed atau rpm limit engine.

Valve surge adalah getaran yang tidak normal pada spring. Pada natural frequency spring berhubungan dengan elastic timing cam, spring dapat membuat pergerakan yang tinggi karena hasil dari getaran itu sendiri. Saat engine berputar dalam tekanan. Jika terus berlanjut hal ini akan menyebabkan kerusakan. Pengoperasian yang tidak normal ini dapat dengan mudah mengakibatkan valve menjadi berat dan pembukaan valvenya besar. Ketika digunanan engine yang memakai 2-valve OHC, terdapat masalah pada engine. Setelah 4-valve DOHC dipakai, masalah ini sedikit demi sedikit berkurang. Ketika hadir 2-valve system menjadi 4-valve system, wilayah valve akan menjadi besar sehingga intake dan exhaust flow akan lebih halus. Karena itu, pembukaannya pengangkatnya tidak menjadi besar. Selanjutnya, valve menjadi ringan sehingga spring tidak menguat meskipun jika rpm meningkat. 9. Overrun and Red Zone pada tachometer engine, terdapat jarak rpm tertentu bewarna merah sebagai red zone.

47


Engine Principles Sebelumnya red zone terdapat yellow zone.

Rpm pada permulaan red zone adalah merupakan rpm maksimum yang dianjurkan dilihat dari characteristics dan daya tahan pada dynamic komponen termasuk valve dan valve spring dan componen system utama termasuk piston and connecting rod ketika engine beroperasi pada kecepatan maximum dengan maximum output. Untuk mengoperasikan engine melabihi rpm maximum yang dianjurkan disebut putaran overrun atau over-revo. Over-revo mungkin akan terjasi ketika shift down ke kecepatan lebih rendah saat kecepatan tinggi. ketika engine pada kondisi idling, jika rpm terpaksa meningkat, maka akan disebut engine dalam kondisi overrun. Ketika terjadi engine overrun, valve tikad bekerja dengan normal seperti pada valve surge, jump atau bounce. Dalam hal ini, valve dan spring mungkin rusak atau kemungkinan lainnya, piston rusak karena bertumbukan dengan head piston dan valve. Untuk menghindari tumbukan antara piston dan valve, maka dibuat cekngan pada piston. Bagaimanapun juga, jika piston loncat melebihi bagian cekungan tersebut, piston akan bertumbukan dengan valve. Jika kecepatan rata rata gerakan piston melebihi kecepatan normalnya karena overrun, gap antara piston ring dan cylinder akan rusak dan oil film pada bearing piston pin dan crankshaft akan menjadi rusak sehingga temperatur akan meningkat atau beberapa parts akan mengeras karena panas ini. Saat engine bekerja pada kecepatan tinggi, kecepatan pembakarannya pun juga cepat dan temperatur disekitar combustion chamber akan meningkat. Sehingga, masalah ini akan mungkin dengan mudah terjadi, maka dibutuhkan kehati hatian. Dengan overrun, akan dihasilkan peningkatan inertia force diakibatkan abnormal vibration. Part akan rusak atau patah. Rpm maximum yang diperbolehkan adalah antara 300~1300 rpm lebih tinggi dari maximum output rpm. Pada beberapa engine, pada red zone fuel injection akan terputus, untuk menghindari rpm meningkat melebihi maximum rpm dan untuk mencegah dari masalah yang ditimbulkan oleh overrun.

48


Engine Principles

Chapter 4. Intake System 1. Enhance the Volume Efficiency

Tekanan campuran bahan bakar pada akhir langkah intake adalah lebih rendah dibanding dengan tekanan diluar karena terdapat air cleaner dan duct yang menahan aliran. Dan temperatur fuel mixture tinggi karena berhubungan dengan hot valve dan cylinder wall saat dimasukan. Kepadatan udara menjadi rendah saat tekanan menjadi rendah atau temperatur menjadi tinggi. Volumetric efficiency dipakai untuk mengindikasikan kemungkinan masuknya campuran bahan bakar. Untuk mengindikasikan campuran bahan bakar yang masuk kedalam ruang bakar berdasarkan pada besarnya cc sebuah engine, efisiensi volumetricnya dihiting dengan cara membagi besarnya udara yang dimasukan dengan besarnya cc pada temperatur dan tekanan yang sama. Dengan cara lain untuk mengindikasikan efficiency intake stroke, dapat juga dipakai charging efficiency. Yaitu efficiency volume saat temperatur dan tekanan pada kondisi standar (25•, 99kPa). Dalam rangka untuk memperbesar maximum output pada engine, volume efficiency ini seharusnya menjadi setinggi mungkin. Mentode untuk meningkatkan volume efficiency adalah sebagai berikut : • Udara yang msauk kedalam manifold seharusnya mempunyai temperatur yang serendah mungkin. Untuk mesin yang memakai turbocharger, harus dilengkapi dengan intercooler untuk mencegah meningkatnya temperatur udara yang masuk.

49


Engine Principles

• Mengurangi hambatan aliran gas yang masuk dengan menambah jumlah valve, dan memperbesar ukuran dan bending radius duct dan manifold.

• Memperbesar diameter valve dan tinggi pengungkit dan menyeimbangkan timing dengan cepat.

• memilih intake manifold yang panjang pada lower speed , dan memilih yang pendek pada higher speed untuk menggunakan inertia dan pulsation effect dari udara.

50


Engine Principles

• memperbesar tekanan gas intake dengan memasang turbocharger

Hingga saat ini kita mengartikan metode untuk meningkatkan volume efficiency berhubungan dengan intake stroke. Hal ini sangat penting karena untuk mengeluarkan gas buang dengan sempurna pada exhaust stroke untuk meningkatkan volume efficiency. Hal ini sangat mungkin sekali untuk menerapkan metode (2) ~ (4) seperti terlihat diatas untuk intake system sementara (1) dan (5) untuk exhaust system. Sebagai contoh, “hambatan aliran gas masuk” (2) menggunakan “hambatan aliran exhausted gas”, dan “inertia energy udara” (3) menggunakan “exhausting inertia”. Selanjutnya, exhaust interference seharusnya dibuat semininm mungkin. Dengan penambahan turbocharger seharusnya bisa meningkatkan intake resistance. Dengan melakukan tune up pada engine, dapat meningkatkan output dengan efektif, walau sangat susah untuk melakukan tune up engine. 2. Intake Inertia Effect and Pulsation Effect Untuk memasukan udara dengan kepadatan yang tinggi ke mesin, memanfaatkan inertia dari aliran udara disebut inertia effect, dan jika menggunakan characteristics dari longitudinal wave seperti sound wave menurut kepadatan udara disebut pulsation effect. Pada efek inertia, udara yang berkepadatan tinggi masuk kedalam engine dengan memanfaatkan energi inertia dari udara itu sendiri. Hal ini disebut inertia supercharging. Udara yang masuk kedalam engine mempunyai gaya inertia pada alirannya seperti halnya gas dan ini merupakan media untuk meneruskan tekanan gelombang. Udara yang mengalir pada intake manifold secara periodik akah dihentikan oleh valve, sehingga tekanan manifold akan bervariasi tergantung pada perbedaan tekanan antara bagian dengan kepadatan yang tinggi 51


Engine Principles dan rendah.

Valve open (Inhaled air)

Valve close (High density air at valve)

Valve open (Inhaled high density air) Karena itu, akan terbentuk intake inertia effect dan pulsation effect. Saat efek dari variasi tekanan ini terjadi pada putaran langkah intake yang manghasilkan gelombang secara langsung disebut inertia effect. Jika variasi dari tekanannya tidak mengurangi dan kemudian berpengaruh pada putaran selanjutnya disebut pulsation effect. Bagaimanapun juga, tidak ada perbedaan yang berarti diantara keduanya. Disini kita akan mengatakan inertia effect jika inertia dari udara yang mengalir mempengaruhi dan berfungsi sebagai pulsation effect pada pressure wave. Sebagai contoh pertama, ketika intake valve closed ketika fuel mixture masuk kedalam cylinder. Sementara campuran bahan bakar tersebut mempunyai flow inertia, alairan campuran ini di dalam intake manifold tidak dapat berhenti seketika hanya pada saat penutupan valve saja, tetapi bertahan untuk tetap mengalir. karena itu udara yang berada tepat sebelum valve akan tertekan karena tenaga inertia dari intake air. Konsekuensinya, kepadatan udara pada bagian port akan meningkat. Pada saat itu, jika valve membuka, udara yang berkepadatan tinggi ini dapat masuk kedalam cylinder. Inilah yang dimaksud dengan inertia effect.

Valve close (High density air at valve) 52


Engine Principles

Density of following air is low & pressure wave are reflected by surge tank

High density air by reflection of pressure wave is inhaled Jika kepadatan udara didekat port meningkat, kepadatan udara selanjutnya berturut turut akan rendah. Sehingga, pada bagian pembatas terjadi tekanan yang bervariasi sehingga menimbulkan noise. Udara dengan kepadatan yang berbeda ini lewat melalui manifold dengan kecepatan seperti kecepatan suara yang akan terpantul pada ujung manifold, dan kemudian berbalik ke port. Saat kepadatan udara berbalik ke port, jika portnya terbuka, maka udara tersebut dapat terinjeksikan kedalam cylinder. Ini yang dimaksud dengan pulsation effect. Ketika efek tersebut bergabung maka, akan susah sekali untuk dipisahkan satu denga yang lainnya. Namun untuk meningkatkan pengaruhnya, maka diharuskan untuk membuat pressure wave pada manifold untuk membuat udara dengan kepadatan tinggi di dekat port ketika valve membuka. Sehingga diameter dan panjang intake manifold serta bentuk dari intake port harus dikontrol. 3. Variable Intake System

At low speed

53


Engine Principles

At high speed Aliran udara pada intake manifold tidak dapat dideteksi tetapi berubah tergantung pada kecepatan engine. Ketika kepadatan udara yang tinggi mencapai port, maka idealnya kecepatan intake maksimum terjadi tepat sebelum terjadinya penutupan valve, kemudian efek inertia dari intake akan maksimum. Frekuensi getaran udara bergatung pada diameter dan panjang manifold. Jika diameternya sama, maka frekuensi pada manifold yang panjang akan kecil. Hal ini sama juga terjadi pada sound akan mempunyai frekuensi yang rendah jika jarak antara hole dan mouth piece pada perekam besar.

54


Engine Principles Umumnya, panjang manifold sudah diperhitungkan, sehingga pada saat engine berputar pada kecepatan tertentu, intake inertia akan tetap effective. Bagaimanapun juga jika kecepatan perputarannya ini berubah ubah, maka udara yang mempunyai kepadatan rendah akan dapat mencapai port saat valve juga membuka sehingga charging dari udara mungkin akan jelak. Konsekuensinya, metode untuk membuat variasi panjangnya manifold tergantung pada rpm engine. Saat engine berada pada rpm tinggi valve manakah yang membuka dan menutup pada jarak waktu yang sama, manifold yang pendek dipilih untuk membuat perputaran pendek. Sebaliknya, ketika rpm rendah, dipilih long manifold untuk membuat perputarannya panjang. Sehingga, memungkainkan untuk mendapatkan efek intake inertia antara putaran yang berbeda. Karena menggunakan variable intake system, makan disebut juga variable inertia charging system atau variable intake control system. Ada bermacam macam cara untuk mengontrol panjang intak manifold. Utamanya, ada dua cara yang dipakai. Yang pertama adalah menghubungkan bersama kedua manifold yang terpisah. Ketika engine dalam kondisi high speed, arahnya ditentukan masing masing, dan ketika engine pada low speed, dua manifold groups tersambung satu dengan yang lain untuk memanjangkan panjang manifold.

yang lainnya adalah menambahkan bypass pada manifold system yang mana pada kecepatan rendah udara akan melewati bypass, dan bagian bypass menutup untuk mengurangi panjang manifold pada kecepatan tinggi. Pada sistim yang menggunakan cara menghubungkan dua manifold, mungkin akan terjadi resonansi antara manifoldnya. Hal ini berasal dari getaran tekanan dengan frekuensi yang sama pada pemisah manifold. Dalam hal ini, effek pergantian inertia tidak dapat dipakai meskipun pada kecepatan tinggi. Fenomena ini dihambat dengan memperbesar volume 55


Engine Principles pengumpulan yang tersambung pada manifold. saat bunyinya ditimbulkan, pada kecepatan menengah dan rendah, efek dari inertia supercharging menjadi tinggi dan efisiensinya meningkat. hal ini disebut resonance supercharging effect. 4. Intake System Sistim intake mengambil udara untuk dicampur dengan gasoline dan memasukan campuran tersebut kedalam cylinder. umumnya, pada intake sistim terdapat air cleaner untuk menyaring debu dalam udara yang masuk, carburetor mencampur udara dan gasoline, dan intake manifold (atau inlet manifold) memasukan campuran tersebut kedalam cylinder, pada bagian kepala cylinder. Akhir akhir ini banyak digunakan electrical controlled unit untuk menginjeksikan bahan bakar kedalam the intake manifold secara langsung, sehingga konstruksi intake system sangat berubah.

Carburetor intake system

MPI intake system pertama, air inlet port yang terletak didekat cylinder head bergerak kebagian depan grill untuk memasukan udara luar yang bertemperatur rendah dibanding udara pada ruang engine. selama temperatur udaranya rendah, udara akan mempunyai kepadatan yang tinggi, karena itu, jumlah oksigen yang masuk bersama udara jumlahnya lebih banyak. dibanding dengan volume udara pada cmpuran yang sama, udara yang lebih diharapkan adalah yang bertemperatur rendah. sebagai contoh, pada musim summer dengan temperatur 30 saat engine 56


Engine Principles bekerja pada kecepatan rendah seperti pada kondisi jalan sibuk, temperatur mesin seharusnya lebih dari 80 . dalam hal ini, dengan memperhitungkan jumlah oxygen diudara pada ruang engine adalah kurang dari 15% dibanding udara sekitar. udara yang masuk melalui grill depan dimasukan kedalam intak manifold melalui long duct melewati air cleaner, resonance chamber dan throttle body. pada sistim carburetor, didalam carburetor terdapat air celaner tipe dish, tetapi akhir akhir ini, pada pojok ruang engine dipasang air cleaner dengan tipe box. Air cleaner tidak hanya membersihkan udara yang menuju cylinder tetapi juga mengurangi bising yang ditimbulkan akibat pengoerasian intake. elemen air cleaner harus dirawat secara berkala.

The resonance chamber adalah kotak kecil cabang dari duct sebagai alat untuk mengurangi kebisingan pada intake, dan ini disebut juga regenerator chamber atau cabang samping. berdasarkan pada pembukaan dan penutupan valve intake, getaran udara dalam air cleaner box atau duct dapat memperbesar intake noise atau menghalangi pengoperasian intake. menggunakan efek resonansi dengan memasang resonance device, maka getaran ini dapat dihilangkan. 5. Throttle Valve and Manifold

Butterfly type, slide type throttle valve untuk meningkatkan rpm engine, kita menekan pedal akselerasil, dan untuk menurunkannya kita cukup melepaskan pedal tersebut. Pedal akselerasi ini terhubung pada throttle valve dengan menggunakan wire dan linkage, ketika pedal ditekan throttle valve akan membuka untuk memasukan udara kedalam cylinder. karena itu pada carburator atau pada sistim pengontrol fuel injection elektronik secara otomatis akan mengontrol jumlah udara untuk 57


Engine Principles menyuplai bahan bakar sehingga sesuai dengan kondisi pengendaraan. pada sistim carburetor, didalam carburetor itu sendiri dilengkapi dengan throttle valver. pada sistim pengontrol eIektronik, throttle valve teerpasang di bagian tengah throttle body (throttle chamber) terpasang secara terpisah pada intake system dan bersama dengan air flow sensor mendeteksi jumlah aliran udara dan throttle position sensor mengecek status pembukaan.throttle valve. Pada throttle valve type, terdapat butterfly valve yaitu potongan plat berbentuk sayap butterfly terpasang pada poros didalam pipa untuk mengontrol jumlah udara dengan memutar porosnya, dan pada jenis sliding jumlah udara dikontrol oleh lempengan alumunium tanpa ada halangan pada pembukaan throttle valve, khususnya untuk racing engine. Udara yang lewat melalui throttle body dan campuran dengan gasoline yang ada dalam carburetor didistribusikan ke dalam cylinder menggunakan intake manifold. penginjeksian bahan bakar dilakukan sebelum pendistribusian udara pada manifold, atau pada masing masing cylinder sebagai campuran. yang penting adalah intake manifold harus memasukan campuran kedalam cylinder selembut mungkin, sehingga manifod harus mempunyai bagian yang sedikit melengkung dan permukaannya halus. Campuran gas didalam carburetor dimasukan kedalam cylinder dalam bentuk kabut dalam udara. ketika temperturnya rendah seperti sebelum engie hidup, partikel kabut bahan bakar ini menempel pada dinding manifold selM proses pemasukan. karena itu, campuran menjadi kurus sehingga pembakarannya tidak cukup. untuk mengatasi hal ini, dengan memanfaatkan panas dari exhaust manifold atau dari cooling water dari engine, intake manifold harus dipanasi. metode untuk memanaskan intake system menggunakan temperatur ekhaus hanya dipakai untuk jenis engine counter flow type engine yang mana pada kedua intake dan ekhaust manifold dipasang pada sisi engine yang sama. metode untuk memanaskan intake system menggunakan cooling water dipakai pada jenis engine cross flow yang mana manifolds terpasang pada sisi engine secara bersebelahan

58


Engine Principles

Chapter 5. Exhaust System 1. Exhaust System

Dengan membuka exhaust port pada cylinder head, gas pembakaran keluark melalui exhaust manifold, exhaust pipe mengambil gas pembakaran ini dari masing masing cylinder, catalyst converter menyaring gas sisa pembakaran ini dan silencer (muffler) mengurangi suara bising yang ditimbulkan oleh pembakaran. Kompone penting dari system exkaust adalah part yang kecil dan halus. gas buang dari masing masing cylinder are bumped pada exhaust pipe diambil dari masing2 exhaust manifolds. Sehingga, menjadi suatu yang penting untuk mencegah dari hindering masing masing aliran atau untuk meningkatkan effisiensi exhaust menggunakan efek inertia dari exhaust seperti halnya pada efek inertia. bagimanapun juga an sush untuk bisa menyeimbangkan ntara meningkatnya effisiensi exhaust dan meningkatnya performa engine, karena terdapat banyak kelemahan dari engine ke muffler. Exhaust manifold terbuat dari casting iron yang mempunyai daya tahn tinggi terhadap panas, atau dari aluminum alloy. juga dari temperatur gas yang tinggi. sehingga untuk membuatnya dibutuhkan material yang mempnyai daya tahan terhadap panas atau untuk mendinginkan sistim exhaust menggunakan angin.

Catalyst converter dipakai untuk menyaring gas buang. dimana didalamnya dipasang manifold catalyst dekat manifold dan dibawah catalyst pada bawah lantai. penggunaan manifold catalyst lebih efektif karena temperatur exhaust lebih tinggi dibanding dengan sistim yang lain. bagaimanapun juga catalist ini akan mudah rusak karena temperatur yang tinggi sehingga biasanya dipakai dua buah. catalist bagian bawah tidak akan mudah terdegradasi, dan mempunyai performa penyaringan yang tinggi.

59


Engine Principles

Muffler berfungsi untuk mengurangi temperature dan tekanan exhausted gas juga suara pembakaran dan exhausting. Umumnya pada muffler terdapat bagian bagian dinding untuk membuat ruangan dalam kedalam maze path untuk mengalirkan gas buang, sehingga disebut maze type. juga ad yang disebut dengan straight muffler pada jenis ini memakai tagung yangb pada permukaannya terdapat lubang lubang dan didalam tabung terdapat silencer seperti glass wool. Mufler jenis maze lebih efektif meredam bunyi tetapi mempunyai hambatan aliran gas buang lebih besar. pada straight mufler output yang dihasilkan meningkat tetapi suara yang ditibulkan lebih bising. Pada beberapa kejadian, dipasang 2 buah mufler simultaneously dengan menggunakan dua pipa yang terpisah sehingga maze type muffler akan hanya dipakai pada kecepatan rendah saja, dan akan ditambahkan straight type muffler will be additionally yang dipakai pada kecepatan tinggi dan beban berat. 2. Exhaust Inertia Effect and Pulsation Effect

hat terpenting yang bisa mempengaruhi performa exhaust menifold adalah gas buang yang dikeluarkan lebih halus. masalah utama yang mempengaruhi halusnya gas buang adalah exhaust interference . gas pembakaran dari masing masing cylinder, dikeluarkan berdasarkan pada pengaturan ignition. dalam penggabungannya ke manifold, jika sistim exhaust tidak diatur dan digabungkan dengan baik, kemudian exhaust gas yang melalui manifold dapat collided dengam exhaust gas dari cylinder yang lain atau tekanan pada manifold akan meningkat, sehingga gas buang tidak dapat dikeuarkan dengan baik. Gangguan pada Exhaust dapat disebabkan karena panjangnya jarak antara exhaust valves dengan bagian penampungan gas dari cylinder atau sudut dari tempat penampungan ini terhadap arah aliran gas buang tumpul sehingga alirannya tidak baik. dengan bertambahnya 60


Engine Principles jumlah cylinder, akan menyulitkan untuk membuat aliran exhaust lebih baik dengan menggabungkan tambahan jumlah manifold Pada turbo engine dengan 6 cylinder, karena pada exhaust valve pertama tidak bisa menutup sempurna, exhaust valve ke empat membuka, dan dengan tidak menutup sempurnanya exhaust valve kelima, exhaust valve ketiga membuka. jadi jika keenam exhaust manifold mengumpul pada satu pipa, maka, akan terjadi tubrukan gas buang pada sambungan manifold. karena itu, manifold di bagi menjadi dua kelompok ; kelompok pertama termasuk manifold pertama, kedua dan ketiga dan kelompok yang lain termasuk manifold keempat, lima dan enam. masing masing group mempunyai turbo charger sendiri untuk menghilangkan gangguan exhaust dan meningkatan output engine. Efek inertia dan pulsation dipergunakan untuk mengeluarkan sisa gas buang pada ruang bakar. hal yang sama terjadi pada sistim intake saat exhaus valve menutup, kepadatan udara disekitar valve seharusnya berkurang untuk mempercepat pembuangang gas dari ruang bakar dengan efektif. Disaat exhaust valve terbuka, gas pembakaran yang bertekanan tinggi keluar melalui exhaust valve dan gas yang tersisa akan dikeluarkan oleh tekanan kompresi piston selanjutnya pada langkah exhaust dan kemudian exhaust valve menutup. karena itu aliran gas yang keluar mengandung high density portion dan low density portion pada manifold. Seperti pada bagan sebelumnya telah kita jelaskan, bahwa disaat gas yang mengalir berdensity berbeda maka akan terbentuk pressure wave. karena itu perbedaan ini diteruskan selama manifold dengan memakai sound velocity. ini disebut exhaust pulsation. Tepat sebelum exhaust valve menutup, jika memungkinkan kepadatan udara disekitar valve lebih rendah dari bagian lainnya, kemudian mengakibatkan gas yang ada diruang bakar keluar dengan cepat dan campuran bahan bakar masuk kedalam intake melalui intake valve.

3. Component of the Exhaust Gas Exhaust gas yang dibaung ke atmosfer yang berasal dari engine dan fuel system tersusun oleh gas buang dari exhaust pipe, dihembuskan oleh gas dari crank room, dan penguapan gas dari fuel tank karena cuaca panas dan temperatur kerja engine. Pada gas ini terdapat material yang berbahaya terkontaminasi ke atmosphere, sehingga sistim penyaring sangat diperlukan terpasang pada sistim.

terutama, exhaust gas’

61


Engine Principles

Jika pembakarannya sempurna, maka tidak akan terdapat material yang membahayakan dalam gas buang. Fuel, gasoline, terdiri dari hydrocarbon, campuran carbon and hydrogen. pada ruang bakar, bahan bakar berubah menjadi carbon dioxide (CO2) dan air (H2O) dengan menghasilkan energi panas. Pada reaksi kimia yang sesungguhnya, hydrocarbon dan oxygen tidak akan berubah seketika menjadi carbon gas dan Uap air. reaksi kimia ini sangat rumit. sebagai contoh, hydrocarbon akan diuraikan menjadi material yang tidak stabil karena adanya reaksi panas dengan oksigen, atau partikel yang akan saling bereaksi dan sebagainya. diantara beberapa gas yang dihasilkan selama proses ini, carbon monoxide, hydrocarbon gas dan nitrogen oxide adalah material utama yang berbahaya. Carbon monoxide (CO) adalah material yang tidak stabil dengan satu carbon dan satu oxygen sehingga dengan mudah dapat berubah menjadi carbon dioxide, material yang stabil dan berbahaya, jika tambahan oxygen dan panas diberikan panas. jika menghirup carbon monoxide, kemudian akan menangkap oksigen yang dikirimkan bersama dengan hemoglobin didalam darah menjadi carbon dioxide, yang merupakan material yang lebih stabil. Jadi, tubuh kita kekurangan oxygen.

The hydrocarbon gas (Hm Cn : here m, n are integer number) berasal dari bahan bakar yang tidak terbakar atau material lanjutan selama proses pembakaran kimia. Yang berasal dari blow by gas atau penguapan bahan bakar dai fuel tank. Jika gas ini menguap ke atmosphere, kemudian bereaksi dengan oxygen dan hydrogen dan berubah menjadi aldehyde, yaitu material berbahaya yang mempunyai stimulus kuat.

62


Engine Principles The nitrogen oxide (NOx) berasal dari reaksi antara nitrogen (78% dari udara) dan oxygen di udara karena temperatur tinggi 20000 pada ruang bakar. Nitrogen oxide dihasilkan karena terdapat perbedaan mekanisme dengan carbon monoxide atau hydrocarbon gas, perbedaan ini akan meningkatkan ketika carbon monoxide dan hydrocarbon berkurang hingga mendekati pembakaran sempurna. Ketika temperatur pembakaran rendah, nitrogen oxide akan berkurang, sehingga, efficiensi pembakaran menjadi jelek. Sehingga, nitrogen oxide harus diperlakukan( treated ) pada exhaust system. 4. Air-Fuel Ratio and Exhaust Composition

material berbahaya pada exhaust gas dihasilkan dari pembakaran, salah satu reaksi kimia, jumlahnya tergantung pada perbandingan udara dan bahan bakar, misalnya perbandingan antara jumlah udara dan bahan bakar, temperatur pembakaran dan status gas buang. Jika perbandingan udara dan bahan bakar lebih rendah dari theoretical value (Stoichiometric), disebut dengan rich fuel, pembakaran sempurna tidak dapat terjadi, sehingga dihasilkan hydrocarbon gas dan carbon lebih banyak. Sebaliknya, jika perbandingan udara dan bahan bakar lebih tinggi dari theoretical value (Stoichiometric), disebut lean fuel, kemudian bahan bakar akan terbakar dengan sempurna. Jadi, jumlah carbon monoxide dan hydrocarbon gas akan berkurang, dengan demikian, jumlah nitrogen oxide akan bertambah dikerenakan temperatur pembakaran tinggi. khususnya, ketika temperatur melabihi 2000•, nitrogen oxide akan dengan tiba tiba meningkat. Meskipun nitrogen dan oxygen tidak bereaksi pada suhu ruangan, pada temperatur tinggi, akan berubah menjadi nitrogen monoxide dan kemudian berubah lagi menjadi nitrogen dioxide setelah keluar dari exhaust system. Jumlah nitrogen oxide akan meningkat maksimum kira kira 16 kali perbandingan udara – bahan bakar theoretical ratio (14.7). dengan perbandingan lebih rendah 16, jumlah nitrogen oxide akan berkurang karena temperatur pembakaran menurun. Ketika perbandingan udara – bahan bakar melebihi 18 dengan bahan bakar yang kurang, bahan bakar tidak dapat terbakar drngan sempurna sehingga hydrocarbon akan meningkat. Untuk mengurangi material yang berbahaya, adalah dengan memperhatikan perbandingan udara – bahan bakar. Pada beberapa masalah, rasio udara – bahan bakar dapat dikontrol dengan cara memasukan gas pembakaran kedalam campuran, disebut exhaust gas recirculation device (EGR).

63


Engine Principles

Exhaust gas recirculation device disingkat EGR. Yang bertujuan untuk mengembalikan beberapa exhaust gas back ke cylinder. Sehingga, jumlah actual fuel berkurang dan kecepatan pembakarannya pelan, dan kemudian temperatur maksimum pada ruang bakar rendah dan jumlah nitrogen oxide juga akan berkuran. Tetapi, jika jumlah re-circulated exhaust gas terlalu banyak, maka engine output dan fuel efficiency akan jelek, sehingga penting sekali untuk mengonrtrol jumlah EGR. Pada sistim carburetor, jumlah re-circulated exhaust gas dikontrol oleh reverse pressure dari intake manifold. Pada sistim ECM, jumlahnya akan diperhitungkan pada saat kendaraan dalam kondisi optimal dengan memperoleh dan menghitung panas campuran bahan bakar dan air pendingin, kecepatan kendaraan, dan beban. 5. Exhaust Purification System perangkat untuk mengurangi material yang berbahaya dari exhaust gas adalah exhaust oxidation yang membakar carbon monoxide dan carbon dan 3way catalysts mengolah exhaust gas menggunakan reaksi oxidation dan de-oxidation dengan three catalysts untuk carbon monoxide, hydrocarbon, dan nitrogen oxide. Carbon monoxide dan hydrocarbon gas berasal dari pembakaran hydrocarbon dan oxygen yang tidak sempurna, oxidation device mensuplai tambahan udara ke exhaust port membuat oxidation pada pembakaran gas yang tidak sempurna termasuk exhaust gas. Sehingga disebut secondary air device. Pada beberapa sitim, pada bagian tengah exhaust pipe, dipasang oxidation catalyst coveter, vessel termasuk oxidation catalyst yang dipasang untuk mengkonvert carbon monoxide dan hydrocarbon menjadi carbon dioxide dan water, dengan tepat.

64


Engine Principles

Umumnya pada mesin yang dikontrol secara elektronik menggunakan 3way catalysts device. Pada nitrogen oxidation, terdapat nitrogen monoxide yang terdiri dari one nitrogen dan one oxygen, dan nitrogen dioxide terdiri dari one more oxygen. Jika oxygen dibuang dari nitrogen oxidation, misalnya reaksi de-oxidation, kemudian menjadi gas nitrogen. Jika oxygen yang didapat dari reaksi de-oxidation dari oksidasi nitrogendisuplai ke carbon monoxide dan hydrocarbon untuk mengoksidasinya, kemudian tiga gas yang berbahaya dapat di jernihkan. Dari ide ini, aksi kimia manghasilkan reaksi de-oxidation pada nitrogen oxide dan reaksi oxidation pada carbon monoxide dan hydrocarbon dengan mengontrol perbandingan udara – bahan bakar untuk mengeliminasi oxygen dalam combusted gas dengan sempurna. Catalyst adalah material yang mempercepat reaksi kimia tertentu. Catalyst yang dipakai pada penjernihan ini disebut 3way catalysts. There are the pellet type covering a film of platinum and rhodium on the particle alumina and the honey comb type. Theoretical perbandingan udara – bahan bakar adalah untuk mencapai pembakaran sempurna adalah 14.7. karena 3way catalyst tidak akan bekerja dengan baik jika terdapat sisa oxygen sehingga sangat penting untuk menjaga perbandingan udara – bahan bakar dengan teori perbandingan yang berlaku. Untuk melakukannya, dipakai oxygen sensor untuk mendeteksi oxygen. Jika oxygen terdeteksi pada exhaust gas, kemudian komputer akan menghitung jimlah udara yang masuk dan EGR gas untuk menjaga perbandingan bahan bakar terhadap nilai teori yang berlaku. 6. Blow-by Gas Recirculation Device Adalah kebocoran gas menuju crankcase melalui end gap piston ring pada langkah combustion stroke. Termasuk juga penguapan oli mesin. Pada tipe mesin lama atau racing membuang gas ini ke atmosphere. Ketika kita berdiri dekat racing car, kita dapat mecium bau seperti oli yang terbakar yang dihasilkan dari blow-by gas.

65


Engine Principles

komponen dari gas ini adalah terdiri dari gas yang mudah terbakar sebanyak 75 •80% dan gas yang terbakar 20 •25%. Gas ini yang merupakan penyebab utama terjadinya polusi udara, maka seharusnya diterapkan sistim pembakaran yang sempurna dengan mensirkulasi gas ini. Alat ini disebut dengan blow-by gas recirculation device atau positive crankcase ventilation,disingkat PCV. Pada 1• blow-by gas, terdapat 0.04 •0.05g termasuk didalamnya terdapat strong acid moistures, sehingga pada mesin bagian dalam dapat dengan mudah terjadi corrosi dan engine oil dapat dengan mudah teroksidasi. Karena itu, sangat penting untuk menjaga blow-by gas untuk memelihara engine. Jumlah blow-by gas akan meningkat ketika pada cylinder dan crankcase terdapat perbedaan tekanan yang besar. Tekanan didalam crankcase tidak akan berubah banyak meskipun enggine running dengan kecepatan tinggi. Sehingga, ketika engine speed dan load meningkat, blow-by gas juga akan meningkat. Untuk menjaga blow-by gas dilakukan dengan melalui 2 langkah tergantung pada beban engine.

66


Engine Principles

Blow-by gas recirculation device termasuk hoses, yang pertama terhubung diantara rocker cover dan surge tank, yang lainnya terhubung antara rocker cover dan intake duct sebelum throttle body untuk udara bersih. Juga terdapat air passage diantara crankcase dan rocker cover. Ketika engine bekerja, tekanan pada intake manifold selalu bertekanan negative sehingga blow-by gas akan mengalir dari crankcase ke manifold. Blow-by gas ipada intake manifold masuk kedalam cylinder. Dengan menggunakan metode inilah blow-by gas akan diperlakukan.

67


Engine Principles

Chapter 6. Charger 1. Kinds of charger

dasar untuk meningkatkan engine power dan torque adalah bagaimana cara memasukan oxygen lebih banyak kedalam engine.sebagai contoh, if the density and amount of inlet air is high, then the power and torque shall be high

. kemudian dengan mengatur sistim intake dan ruang bakar, sangat memungkinkan sekali untuk menambah pemasukan udara. Salah satu metode yang mungkin untuk dilakukan adalah dengan menambahkan suatu alat untuk mengkompresikan udara dan memasukannya, yang disebut charger. Terdapat beberapa jenis dari charger. Umumnya, adalah jenis Turbocharger yang mana charger dikendalikan dengan menggunakan exhaust turbine, dan jenis Supercharger yang mana pengendaliannya secara mekanik menggunakan driving force beberapa parts (seperti putaran crankshaft).

68


Engine Principles Turbocharger

Supercharger Turbocharger berfungsi sebagai “Turbine driving charger”, yaitu sistim pengompresian udara dengan perputaran compressor yang memutar turbine menggunakan aliran exhaust gas. Dalam hal ini memungkinkan sekali untuk mendapatkan tenaga yang kuat dengan menggunakan alat yang kecil. Akan tetapi, disaat engine berputar pada kecepatan rendah turbin tidak dapat berputar dengan kecepatan tinggi sehingga pengompresian tenaga tidak cukup dan akan terjadi keterlambatan akselerasi.

Karena itu, meskipun pedal gas ditekan tidak akan merespon putaran mesin, ini yang disebut dengan Turbo Lag. Lag disini diartikan waktu keterlambatannya. Pada sistem yang menggunakan pengendalian mekanisme interlocking dengan crankshaft, Supercharger, mechanical supercharger, mempunyai respons yang lebih baik. Walaupun pada kecepatan rendah, efisiensi mesin akan jelek karena akan terjadi peningkatan kebocoran udara melalui celah antara rotor dan housing. Pada saat kecepatan tinggi, akan terjadi peningkatan hilangnya driven force. Untuk menghindarinya, structure sistim supercharger harus dirubah atau Turbocharger dan Supercharger digabungkan dalam sistim yang baru. Mesin yang tidak menggunakan supercharger disebut naturally aspirate engine atau NA engine. 2. Turbocharger

69


Engine Principles

Turbocharger berasal dari kata turbo (turbine) dan charger, terdiri dari turbine dan compressor yang berhubungan secara langsung, sehingga turbine wheel diputar oleh energy dari exhaust gas dan udara yang masuk akan terkompresi oleh putaran turbine wheel. Komponen yang ada pada turbocharger meliputi turbine wheel, compressor wheel dan axis, dan terpasang di dekat exhaust manifolds.

udara yang panas karena kompresi akan didinginkan oleh intercooler dan disuplai ke dalam engine melalui throttle valve. Exhaust gas mengalir melalui turbo charger untuk memutar turbine wheel. Untuk menghindari terjadinya over boosting pada kecepatan tinggi, ketika tekanan boost melabihi tekanan yang ditentukan, waste gate valve (exhaust bypass valve) dari WGT (waste gate turbocharger) akan membuka.

70


Engine Principles Turbine wheel berputar dengan kecepatan 100,000 rpm ~ 160,000 rpm dengan suhu exhaust gas sebesar 900• pada kecepatan tinggi, turbine wheel terbuat dari bahan yang ringan dengan daya tahan terhadap panas yang tinggi seperti ceramics. Semakin kecil dan ringan turbocharger semakin baik untuk mendapatkan respon yang baik dari engine seperti respon terhadap acceleration dan deceleration tetapi powernya akan jelek pada kecepatan tinggi. sebaliknya, semakin besar tubo charger akan diperoleh tenaga yang besar pada kecepatan tinggi tetapi responnya lambat. Sehingga, penting sekali untuk memilih ukuran turbo wheel yang sesuai dengan CC engine. Umumnya, compressor wheel terbuat dari aluminum untuk membuat turbocharger menjadi ringan. Untuk mendukung high speed rotor shaft, banyak dibutuhkan suplai engine oil is ke shaft untuk pelumasan dan pendinginan. Jika engine berhenti dari kecepatan tinggi dengan tiba tiba, turbocharger berputar tanpa oil karena adanya inertia force dari turbocharger itu sendiri hingga berhenti dengan sendirinya. Sehingga rotor shaft akan lengket. Untuk alasan ini maka turbo engine harus berhenti setelah idling. 3. Boost Pressure and Compression Ratio Tekanan udara karena tekanan dari turbocharger disebut Boost pressure. Jika boost pressure meningkat, jumlah udara yang masuk kedalam cylinder juga meningkat dan power output akan meningkat. Akan tetapi, boost pressure tidak dapat meningkat tanpa limit. Apabila boost pressure meningkat, compression ratio aktual juga akan meningkat sehingga knocking akan terjadi pada tekanan compression tinggi. Actual perbandingan compression memperlihatkan bagaimana sesungguhnya udara yang terkompresi masuk kedalam cylinder. Sehingga, boost pressure diatur oleh waste gate valve. Knocking adalah gejala self ignition ketika nyala api merambat setelah ignition pada spark plug, campuran yang belum terbakar akan mudah terbakar dengan sendiri pada kodisi tekanan tinggi karena kompresi yang tinggi. Sehingga, knocking terjadi setinggi actual compression ratio.

71


Engine Principles

berdasarkan pada alasan ini, perbandingan kompressi pada turbo engine secara spesifik lebih kecil jika dibandingkan dengan NA engine. sebagai contoh, jika pada engine engine mempunyai standar perbandingan kompresi 10 diberikan supercharged 1 atm, kemudian jumlah udara akan menjadi dua kali dan actual perbandingan compressionnya akan menjadi 20 dan knocking akan terjadi dengan tiba tiba. umumnya, perbandingan compresi commercial turbo engine diatur lebih rendah dibanding dengan NA engine seimbang dengan power, torque dan fuel efficiency. Knocking dapat dicegah dengan mengontrol ignition timing pada NA engine tetapi pada turbo engine pengontrolan knocking dengan ignition timing akan sulit karena knocking disebabkan oleh boost pressure. Maximum power dan fuel efficiency terjadi tepat sebelum terjadi knocking karena combustion speed lebih cepat pada kondisi ini. dengan mendeteksi noise knocking, ignition timing dapat diatur fully advanced oleh ECM (electronic control modul) hingga knocking terjadi. Sensor untuk mendeteksi shock noise disebut knock sensor

Knock sensor merubah getaran kira kira 7 kHz menjadi electrical signal. dipasang pada cylinder block, signal diolah oleh komputer bersama dengan engine rpm, crank angle, dan jumlah udara yang masuk untuk mengontrol ignition timing untuk menghindari terjadinya knocking

72


Engine Principles 4. Turbo Lag Turbo charger adalah compressor udara untuk menyuplai berapa banyaknya udara. dengan menggunakan negative pressure yang diperoleh ketika piston bergerak turun dn mengalirkan inertia untuk memasukan udara, NA engine dapat memperoleh eficiensi charging hingga 65 95%. pada turbo charger, jumlah charging adalah 1.2 1.5 lebih tinggi dibanding dengan NA engine pada cc yang sama. karena itu, sangat mungkin untuk membuat engine yang lebih kecil dibanding NA engine dengan power dan torque yang sama. .

akan tetapi tetap tedapat kekurangan dan kekurangan ini yang disebug dengan turbo lag. Turbo lag adalah penundaan waktu dari mulai melakukan akselerasi engine hingga mencapai rpm yang sebenarnya. Khususnya, hal ini terjadi ketika kendaraan started, melakukan akselerasi dengan tiba tiba, atau meningkatkan kecepatan dari kecepatan rendah

. Prosesnya adalah; pertama, throttle valve membuka, kemudian jumlah udara meningkat, kemudian pembakaran gas meningkat, dan temperatur gas buang meningkat. setelah itu rpm turbine meningkat karena exhaust gas meningkat, sehingga jumlah udara yang disuplai oleh compressor meningkat. melalui proses ini, jumlah udara yang masuk bertabah lagi. berdasarkan proses ini, akselerasi engine akan mengalami penundaan dari mulai melakukan aksel:erasi hingga mencapai rpm yang sesungguhnya Untuk meminimalkan lag, telah banyak dilakukan penelitian dan pengaturan. sebagai contoh, sebagai metode yang paling simpel, yaitu dengan meningkatkan exhaust speed mendorong turbine wheel. dengan mengurangi diameter nozzle exhaust pipe, untuk meningkatkan exhaust speed dengan cc yang sama, turbo lag dapat diminimalkan. akan tetapi dalam hal ini maximum power nya limit. untuk memasang dua buah turbo kecil sebagai pengganti satu turbo besar, akan memungkinan untuk mengurangi turbo lag. Sebagai contoh, pada mesin dengan 6-cylinder, sebuah turbo dipasang pada masing masing ketiga cylinder. Dengan demikian, memungkinkaan untuk mencegah terjadinya gangguan exhaust juga meningkatkan power. Metode ini disebut tipe twin turbo. Pada tipe yang lainnya yaitu two way twin turbo type juga menggunakan dua buah tubo ,hanya saja satu buah turbo akan dipakai pada low speed untuk menghasilkan respon lebih baik dan turbo yang kedua akan dipakai pada high speed untuk meningkatkan torque.

73


Engine Principles

Hybrid turbo

Contoh yang lain, hybrid turbo type yang mana supercharger dipakai untuk low speed, dan high speed. Pada electronic control engine, VGT (Variable Geometry Turbocharger) dipakai untuk mengurangi turbolag dan untuk menaikan torque engine. Pada VGT dipakai adjustable vanes set, atau nozzles, untuk mengalirkan secara langsung ke turbocharger turbine. pada saat vanes menutup, aliran langsung ke turbine wheel. hal ini memberikan nergi maksimum ke turbine, menyebabkan turbocharger berputar faster. sebaliknya, ketika vanes membuka, aliran ke dalam turbin arahnya lebih radial.

VGT (Variable Geometry Turbocharger)

mengurangi angular momentum aliran kearah wheel, menghasilkan less turbine work dan akhirnya meperlambat turbocharger 5. Supercharging System and Heat

Turbine shaft dari turbocharger menyuplai banyak engine oil untuk mendinginkan dan melumasi. karena itu, engine oil didalam turbo engine lebih cepat rusak daripada NA engine. dengan menambah campuran pada pembakaran di ruang bakar, akan meningkatkan temperatur charging system. 74


Engine Principles

Turbocharger melakukan boosting menggunaka energi exhaust gas, efisiensi boosting akan lebih baik pada temperatur exhaust tinggi. sebagai contoh, dengan mengadopsi material daya tahan panas untuk parts nya seperti exhaust valve dengan natrium dan stainless exhaust manifold, dan membuat supercharger tahan terhadap panas yang tinggi, performanya akan meningkat. udara yang masuk sedapat mungkin bertempertur rendah.karena kepadatan udara akan rendah apabila temperaturnya tinggi, perbadingan kempresi akan menurun ketika temperatur naik, volume dan jumlah oxygen juga akan berkurang. jika udara yang masuk bertemperatur panas, pengompresian campuran pada langkah kompresi bertemperatur tinggi sehingga akan mudah terjadi knocking. sama halnya pada proses charging. Sehingga, efek boosting berkurang karena jumlahnya menaikan temperatur. karena itu, udara yang pnas harus didinginkan menggunakan radiator sebelum mencapai throttle valve. pendingin ini disebut intercooler. Intercooler sendiri terdapat dua jenis, yaitu sistim pendingin udara dan air

Air cooling type

Water cooling type

Air type Intercooler mendinginkan udara yang masuk menggunakan angin yang berasal dari kerja kendaraan. intercooler dipasang didepan radiator. bentu intercooler menyerupai radiator, tapi yang mengalir bukan air tetapi udara yang dikompresikan oleh charger. Water type intercooler mendinginkan udara panas yang terkompresi menggunakan tambahan

75


Engine Principles

pendingin air yang terpisah dari engine cooling water. air memiliki kapasitas panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan udara, sehingga tipe ini akan lebih efektif jika dibandingkan dengan tipe udara, akan tetapi dibutuhkan biaya yang lebin besar untuk pemeliharaan dan parts nya. 6. Supercharger

Supercharger mengendalikan blower dan compressor untuk boost mengunakan engine power. hal ini dapat menghasilkan torque yang besar dan tidak menyebabkan terjadi penundaan respon seperti turbo lag. tetapi supercharge itu sendiri dikendalikan oleh perputaran crankshaft, sehingga akan memanfaatkan tenaga engine. sehingga tenaga maksimum yang dihasilkan lebih rendah dari turbocharger. Ada bermacam jenis supercharger, pada dasarnya, Roots Blower dan Lysholm Compressor. Roots Blower telah dipakai pada mesin kendaraan. pada boost control, pengontrolannya dilakukan oleh computer. akan bekerja saat dibutuhkan output yang tinggi seperti pada saat accelerasi dan berkendara pada kecepatan tinggi

76


Engine Principles

Roots blower

Komponen roots blower adalah untuk mengirimkan udara dari satu sisi ke sisi yang lain dengan cara memutar 2 buah rotor alumunium berbentuk elips dilapisi coated dengan special resin, pada housing berbentuk oval. jika pada boost pressure terjadi over charged, valve membuka untuk mengembalikan beberapa volume charged air

Lysholm compressor

Lysholm compressor sudah dipakai pada industri pertanian tidak pada mesin kendaraan. bentuknya adalah dua buah rotor termasuk didalamnya tiga dan lima screw blades yang dikombinasikan dengan sempurna pada housing yang berbentuk ellips. dikendalikan oleh V belt yang menghubungkan ke engine. Rotor terbuat dari aluminum alloy dilapisi resin berupa teflon. saat berputar, udara disuplai dari Satu sisi di akumulasikan dan di transmit ke sisi yang lainnya sehingga udara tersebut akan terkompresi. konsekwensinya, udara yang masuk terkompresi 2 kali. pada supercharger, roots blower tidak berupa compressor melainkan fan sebagaimana namanya. pada NA engine, yang melakukan air charged adalah adanya negative pressure yang dihasilkan oleh piston yang bergerak turun, tetapi supercharger dilengkapi dengan tambahan alat untuk meningkatkan effisiensi charging dengan mengirimkan udara secara positively. Lysholm compressor adalah compressor sehingga dapat mengirimkan udara yang terkompresi sepeti turbocharger.

77


Engine Principles

Chapter 7. Lubrication System 1. The Role of Engine Oil

Fungsi utama dari engine oil adalah untuk menggerakan dynamic system yang bergerak seperti piston pada cylinder dan crankshaft dengan halus. karena itu oil seharusnya membentuk oil film pada permukaan metal untuk mengurangi gesekan antara permukaan metal, Pada waktu yang bersamaan, engine oil dapat melindungi combusted gas tidak bocor dan masuk ke crankcase, mendinginkan piston dan valve, dan mengurangi getaran dari piston ke crankshaft juga membersihkan engine bagian dalam

sebagai pelumas seperti yang sudah di jelaskan pada bagian Journal Bearing , disini kita akan menjelaskan fungsi lain dari oil. Yang pertama adalah sebagai perekat antara piston ring dan cylinder untuk mencegah terjadinya kebocoran udara yang terkompresi atau combustion air

78


Engine Principles

Oil jet Cylinder head dan kepala piston berhubungan langsung dengan panas akibat pembakaran gas. Cylinder head didinginkan tidak hanya dengan cooling water tetapi juga dengan oil pada dynamic system. panas pada kepala piston diteruskan ke cylinder wall melalui piston ring. juga karena didinginkan oleh semburan dari engine oil.. Fungsi penting lainnya adalah mengurangi shock. Karena gaya yang ditimbulkan oleh pembakaran akan sangat kuat menghasilkan gaya beberapa ton. gaya ini diteruskan dari piston ke piston pin, ke Connecting rod, crank pin dan crankshaft. pada proses tersebut, oil meredam getaran pada piston pin dan crank pin

disamping itu, engine oil dapat menyapu material asing seperti partikel carbon yang dihasilkan dari oli yang terbakar dan partikel baja dari permukaan baja yang aus.

79


Engine Principles

oil juga mencegah engine bagian dalam berkarat diakibatan oleh zat kimia dari akibat pembakaran.

2. Lubrication Method Pada engine lama, metode pelumasan disebut dengan Splash type yang mana pada big end connecting rod akan masuk dan menyemprotkan oil yang tersimpan pada oil pan dibawah connecting rod. Sekarang, minyak pelumas dikirimkan ke bagian bagian yang penting oleh oil pump dan mengumpulkannya ke oil pan. Berdasarkan metode sirkulasinya, terdapat tipe dry-sump dan tipe wet-sump. Sistim pelumas terdiri dari oil pan sebagai penampung oil,oil filter menyaring oil, oil pump mengirim oil ke masing masing bagian. Tipe wet-sump dipakai pada hampir semua kendaraan. Oil pada oil pan disaring dari material asing yang kasar menggunakan oil strainer yang terbuat dari steel meshes dan dikirimkan ke oil filter oleh oil pump untuk menyaring kotoran yang lebih kecil. Didalam Engine blok terdapat oil gallery, sebagai jalur untuk menyalurkan oil ke komponen yang bergerak seperti crankshaft, cylinder head, connecting rod dan cylinder wall.

Wet-sump type

80


Engine Principles

Dry-sump type Oil kembali ke oil pan dari piston, connecting rod, crankshaft dan cylinder head. Ketika kendaraan berbelok atau akselerasi atau berhenti dengan tiba tiba, oil yang terdapat pada oil pan akan terkumpul pada satu sisi sehingga tidak terpompa dengan sempurna. Pada beberapa engine terpasang separator, sebagai pemisah pada oil pan untuk mencegah hal tersebut. Untuk kendaran khusus racing, Scavenging pump mengambil oil dan udara bersamaan, dan dipisahkan oleh separator dan kemudian oil ditampung pada oil tank secara terpisah. Ini disebut dengan dry-sump type. Pada dry-sump pada oil pan tidak terdapat oil, sehingga oil pan lebih tipis. Maka bagian engine yang bawah akan lebih kecil, dan engine di desain mempunyai titik tengah dibawah. Karena itu bentuknya lebih komplek. Hal ini hanya diterapkan pada special case untuk melengkapi opposed engine. Pada beberapa engine yang dilengkapi dengan semi-dry-sump type mempunyai oil pump untuk mengumplkan oil pada oil pan

3. Parts of Lubricant System

Tiga bagian utama lubricant system adalah oil pump, oil filter dan oil cooler untuk mendinginkan heated oil. Ada beberapa cara oil pump untuk mengambil oil dari oil pan. Pada passenger car menggunakan gear pump digabungkan bersama dengan toothed wheel dan tersambung pada crankshaft langsung. Gear pump termasuk driven gear pada pump body dan drive gear terhubung dengan tooth dari driven gear. Ketika drive gear berputar, driven gear juga akan berputar.bagaimanapun juga, titik tengah dari

81


Engine Principles masing masing gear saling menggerakan sehingga oil yang terdapat diantaranya terpompa dari inlet port ke outlet port. Berdasarkan bentuk tooth nya, dibedakan menjadi Involute type, Trochoidal type, dan lainnya.

Gear type oil pump Jumlah oil yang terpompa oleh oil pump adalah sesuai dengan engine rpm. Pada putaran tinggi, oil pressure akan tinggi. Pada temperatur rendah, kadar kekentalannya akan meningkat sehingga tekanannya akan tinggi. Untuk menjaga oil pressure harus dipasang alat tersendiri untuk melakukannya. Ini yang disebut dengan pressure regulator atau relief valve.

Oil filter menyaring oil dari carbon atau partikel metal. Didalam cleaner case dipasang folded filter paper. Ada dua tipe untuk penggantiannya yaitu element type dan catridge type. Pada cartridge type dalam melepas filternya dilakukan bersamaan dengan case nya, pada element type yang dilepas hanya filter element ketika akan dikalukan penggantian. o

Temperatur kerja yang baik untuk oil adalah kira kira 80 . Jika temperaturnya terlalu rendah, akan terjadi gesekan yang tinggi karena adanya high viscosity. Jika temperaturnya terlalu tinggi, tekanan oil akan rendah sehingga kemungkinan untuk melumasi akan menurun dan juga oil pada high performance engine akan lebih mudah memburuk. Sehingga pada engine dengan high performa dipasang oil cooler.

Oil cooler dibedakan menjadi water type dan air type. water type oil cooler menjaga temperatur oil

82


Engine Principles menggunakan engine cooling water, dan air type oil cooler menggunakan angin yang bergerak. Pada air type komponen yang dibutuhkan lebih simpel tetapi efficiensi pendinginannya lebih rendah dibandingkan dengan water type. Pada water type lebih complicated, tetapi eficiensi pendinginannya lebih meyakinkan.

4. Engine Oil Seperti kita ketahui bersama bahwa engine oil bekerja untuk mengurangi wear, mendinginkan piston dan cylinder head, merapatkan gap antara piston dan cylinder, menghilangkan shock, membersihkan engine bagian dalam, mencegah terjadinya knocking dan lain lain. Karekter engine oil yang dibutuhkan adalah sebagai berikut : - Mempunyai viscosity pada working condition yang tepat - Mempunyai performa pelumasan yang baik - Mempunyai daya tahan tinggi terhadap panas dan corrosion - Tidak bergelembung karakter yang paling penting adalah kekentalan. Karena itu engine oil diklasifikasikan menjadi dua aspek yaitu viscosity atau quality. commercial engine oil dijual dalam paket 1RU3DGDEXQJNXVQ\DWHUGDSDWQDPDGDULSHPEXDWQ\D brand name dan oil name dengan tingkat kekentalan dan qualitas

pengklasifikasian berdasar pada kekentalannya, menurut standarisasi dari SAE(Society Automotive Engineers), senakin rendah kekentalannya nilainya akan lebih rendah begitu juga sebaliknya. Auntuk air pendingin ditambahkan hufur “W”. Sebagai contoh untuk pengklasifikasian tersebut nomor 30 dipakai untuk general purpose, dan nomor 20 adalah untuk dipakai pada kondisi winter, pada single grade hanya menggunakan satu nomer saja. Penggolongan yang lainnya seperti 5W – 30 atau 10W – 30 adalah disebut dengan multi grade. Dalam hal ini, dengan membandingkan 5W-30 dengan 10W-30, 5W-30 mempunyai kekentalan lebih rendah daripada 10W-30 pada temperatur rendah, tetapi pada temperatu tinggi kekentalannya lebih tinggi. Umumnya, ketika temperatur meningkat, kekentalan oil akan menurun. Untuk mengindikasikan perubahan kekentalan ini digunakan viscosity index. Jika kekentalannya tidak mudah berubah maka indek kekentalannya tinggi. Kekentalan yang tinggi akan lebih mudah untuk dipakai.

83


Engine Principles Pada penggolongan berdasarkan quality, dipakai standarisasi API(American Petroleum Institute). Untuk gasoline engine, ditandai dengan huruf “S” diikuti oleh huruf yang lain. Untuk diesel engine, ditandai dengan huruf lain yang mengikuti huruf “C”. Sebagai contoh, huruf SD sampai SG sebagai tanda untuk gasoline engine. Jenis dari engine oil dan waktu penggantiannya ditentukan oleh type of engine, driving condition dan ambient temperature, silahkan ikuti petunjuk pada buku manual dengan cermat untuk menentukan engine oil yang tepat. Waktu penggantiannya sekitar 10,000km untuk SD, dan 15,000km untuk SE, dan SF adalah 15,000km untuk gasoline engine berat. Untuk turbo engine, engine oil seharusnya digati setiap 5,000km karena kondisi pemakaiannya sering. Waktu pemeliharaan masing masing engine bervariasi, sesuai dengan buku manual masing masing.

Chapter 8. Cooling System 1. Cooling system Total energi panas pada gasolin engine yang dihasilkan oleh adanya pembakaran campuran bahan bakar, 30% energi panas tersebut akan dirubah menjadi energi kinetik untuk menekan piston, 30% terbuang bersamaan dengan exhaust gas, 30% didinginkan melalui piston dan yang 10% lagi hilang bersama gesekan. Diantara panas tersebut, jika panas yang dialirkan ke dinding combustion chamber tidak dihilangkan secepat mungkin, piston atau cylinder akan mengalami deformasi karena panas ini atau film dari lubricant oil akan rusak. Jika panas ini didinginkan secara berlebihan, banyak energi panas yang diteruskan ke pendingin sehingga heat efficiency akan menurun. Karena itu, cooling system harus dikontrol untuk menjaga temperatur yang tepat sesuai dengan driving situation.

84


Engine Principles

Cooling system untuk vehicle engine diklasifikasikan kedalam water-cooling system dan air-cooling system. Pada air-cooling system kendalanya adalah sulit untuk mendinginkan dengan baik dan bising, sehingga saat ini sistim ini hampir tidak dipakai lagi. Berdasarkan aliran water cooling system, terdapat U-turn flow type mengalir dari satu sisi engine ke sisi yang lainnya, dan cross flow type mengalir dari satu sisi ke sisi yang berlawanan. Berdasarkan arah alirannya dapat diklasifikasikan menjadi longitudinal flowing type mengalir searah dengan arah engine dan lateral flowing type mengalir berlawanan dengan arah engine. Pada water-cooling system, cooling water disirkulasikan oleh water pump dari bagian paling bawah pada water jacket ke radiator. Selama perjalanan, angin yang kencang dapat mendinginkan radiator, tetapi ketika kendaraan berhenti atau pelan, dibutuhkan fan untuk mengalirkan udara. Air yang didinginkan harus dikembalikan ke water jacket oleh pump. Dengan memasang thermostat antara water jacket dan radiator untuk mendeteksi temperatur cooling water, jika cooling water mempunyai temperature terlalu rendah, thermostat memblokir air yang melewatinya. Thermostat yang banyak digunakan adalah wax type yang mana wax terlindungi diantara capsules, dan wax membuka dan menutup valve mengembang o dan mengerut karena panas. Suhu kerja thermostat adalah sekitar 85 .

2. Radiator

85


Engine Principles Dalam hal ini yang dimaksud Radiator adalah body radiating heat, yaitu komponen yang memancarkan panas ke udara. disebut juga radiator, yaitu komponen yang berfungsi untuk pendingin, pada kendaraan juga disebut radiator; disebut heat core. Untuk meningkatkan efficiency radiator, harus dibuat penampang seluas mungkin. Umumnya,radiator terdiri dari radiator core yang dibuat dengan menempelkan bahan metal berbentuk fins disekitar tabung tempat cooling water mengalir dengan cara di las dan dua buah tangki berisi cooling water pada masing masing core. Tangki yang terpasang diatas dan bagian bawah heat core mengalirkan hot water ke tangki atas dan cold water ke tangki bawah menggunakan prinsip convection.

Down flow type

Cross flow type

86


Engine Principles U-turn flow type

Tipe inilah yang paling banyak digunakan dan disebut down flow type. Ada juga cross flow type yang mana tangkinya terletak pada samping kiri dan kanan sehingga bentuk alirannya horizontal. pada cross flow type, ketinggian radiator dapat lebih rendah dan bentuk grill nya dapat diganti dengan bebas. akan tetapi mempunyai flow resistan yang besar. sebagai contoh lainnya, U-turn flow type dimana radiator core tengahnya dibagi menjadi dua bagian diatas dan bawah, dan cooling water mengalir kedalam bagian atas dan kembali melalui core bagian bawah. bahan pembuat tabung tersebut dan juga sirip untuk mendinginkan dengan menggunakan udara adalah dari aluminium. untuk membuat menjadi lebih ringan lebih banyak digunakan fiber glass.

High temperature

Low temperature Radiator dilengkapi dengan radiator cap untkuk mendukung pendinginan air. secara konvensional cap ini hanya sebagai tutup saja sehingga cooling water dapat berhubungan langsung dengan udara luar. sekarang, cap melindungi bagian dalam radiator yang disebut dengan pressurized radiator cap. pada tekanan atmosphere air mendidih pada suhu 100o dan tidak akan naik. Dengan menekan cooling water, tekananya akan naik dan titik didih air akan tinggi sehingga terjadi perbedaan temperatur luar yang besar. sehingga dapat meningkatkan efek pendinginan Pada pressurized radiator cap, dipasang pressure valve dan vacuum valve, ketika cooling water berkisar antara 110- GDQ WHNDQDQ GLGDODP WLQJL PDND SUHVVXUH YDOYH DNan membuka untuk mengeluarkan cooling water, ketika temperature rendah dan juga tekanannya, vacuum valve akan membuka untuk mengalirkan cooling water ke radiator. sehingga tekanan cooling water akan tetap terjaga.

87


Engine Principles 3. Cooling of the Cylinder Head

Bagian dari engine yang paling panas adalah combustion chamber. panas pada cylinder dan cylinder head didinginkan oleh cooling water, piston didinginkan oleh engine oil. Panas ini akan mempengaruhi terhadap temperatur fuel mixture, combustion condition, dan temperature exhaust gas, yang berlanjut pada performa engine. yang paling penting adalah bagaimanakah cara untuk mendinginkan cylinder head. Kebanyakan bagian dari kepala cylinder terbuat dari aluminum alloys karena mempunyai daya hantar panas yang tinggi dan ringan. Temperatur pada intake port hampir sama dengan temperatur udara luar lain halnya dengan gas yang dikeluarkan oleh exhaust port, karena pemasangannya berdekatan, maka perbedaan temperatur ini akan mengakibatkan deformasi sehingga dibutuhkan alat untuk menyeimbangkan suhu menjadi dingin. Cooling water masuk kedalam cylinder head melalui water jacket yang terdapat pada cylinder block, dan mengalir disekitar exhaust port dipanaskan oleh exhaust gas, dan kemudian dikeluarkan melalui intake port. sehingga, perbedaan tekanan disekitar cylinder head, exhaust port dan intake port dapat diminimalkan. hal ini memungkinkan tidak terjadinya perubahan bentuk atau kerusakan pada komponen engine. Temperatur pada masing masing cylinder head dalam satu cylinder sehusnya tidak berbeda jauh. Sehingga temperature masing2 cylinder harus sesama mungkin. Sebagai contoh, jika semua cylinder didinginkan merata dari ujung ke ujung, pada langkah selanjutnya cylinder tidak dapat di dinginkan secara efectiv karena cooling water sudah panas. pada beberapa kasus, cooling water didistribusikan ke masing2 cylinder pada permulaan pendinginan untuk mendinginkan dengan rata. Oil dapat dipakai untuk mendinginkan cylinder head. akan tetapi efek yang bisa dihasilkan hanya 20%, selebihnya dilakukan olehcooling water. 4. Overheat Temperatur air pada engine di tentukan oleh keseimbangan antara panas yang dihasilkan oleh engine dan kapasitas penguapan panas dari radiator. jika pendinginnya tidak mencukupi, akan menyebabkan air pendingin mendidih. konsekuensinya, uap air dapat keluar melalui radiator cap. hal ini disebut dengan overheat. Jika kendaraan melaju pada saat overheat, akan mengakibatkan terjadi penurunan performa, kemudian engine akan berhenti ( macet ). Jika engine pada kondisi normal akan tetapi suhunya bervariasi hal ini menendakan akan terjadi overheat. penyebabnya adalah ; jumlah udara yang melewati radiator terlalu kecil, temperatur udara yang melalui radiator terlalu tinggi, jumlah air pendinginnya tidak mencukupi, dan yang terakhir adalah kerja engine terlalu berat secara terus menerus.

88


Engine Principles Apabila bentuk kendaraan aero atau mempunyai fog lamp yang besar maka angin yang melewatinya akan terhalangi atau saat kendaraan berjalan pada jalan yang beraspal sehingga cover radiator akan menghindar When a car has aero parts or large fog lamp so the wind maka cooling water dapat dengan mudah overheated. pada kejadian lain ketika fan belt tidak kencang atau rusak maka cooling water juga akan mudah over heat karena jumlah udara yang dikirimkan ke radiator berkurang. untuk melakukan tune up turbo engine, jika intercooler yang besar terpasang dimuka radiator, maka akan terjadi overheted juga. Jika pipa air sudah tua sehingga terjadi kebocoran atau belt yang memutar water pump kendor, maka cooling water akan mudah mengalami overheated karena cooling waternya berkurang

89


Engine Principles

Chapter 9. Fuel System 1. Carburetor Pada gasoline engine, carburetor atau ECM dipakai untuk mencampur udara dan bahan bakar. kebanyakan dari engine dengan 4-cylinder menggunkan sistim ECM, hanya beberapa mesin kecil yang menggunakan carburetor.

Carburator fuel system

Electronic fuel system Sistim yang dipakai pada carburetor adalah spraying principle untuk mencampur gasoline dan udara. karena itu pada venturi dibuat lubang untuk menyemprotkan fuel dan aliran udara pada venturi tinggi. Sehingga tekanan pada lubang penyemprotan ful meningkat. Sehingga bahan bakar akan mengikuti aliran udara dalam bentuk kabut dan mencampurnya dengan udara. Peristiwa ini disebut dengan Venturi effect sesuai dengan nama penemunya. Untuk meningkatkan efek ini, venturi dibuat dengan bentuk menyerong mungkin. diameter dalam ini disebut main bore size yang mengindikasikan ukuran carburetor. dengan mendefinisikan diameter venturi yang merupakan ukuran bore utama, jumlah bahan bakar dapat dikontrol berdasarkan pada udara yang mengalir, sehingga perbandingan bahan bakar dan udara dapat dijaga. Pipa untuk mensuplai bahan bakar disebut main jet (fuel spraying hole). dengan memilih jet yang tepat sesuai dengan kondisi pengendaraan, hal ini sangat memungkinkan untuk dapat digunakan dengan rpm

90


Engine Principles yang bervariasi. Ketika engine berputar pada kecepatan rendah seperti saat idle, tekanan pada venturi rendah sehingga tidak disemprotkan bahan bakar tertentu. jika engine secara tiba tiba diakselerasi, jumlah gasolin harus lebih besar dibanding saat normal. jadi untuk mengontrol variasi ini akan tidak mudah. untuk mengatasi masalah ini dirancang beberapa jenis carburetors. khususnya pada motor sports, volume displacement sangat menentukan, carburetor adalah komponen yang penting untuk meningkatkan engine performance. Cara kerja carburetor adalah; pertama, bahan bakar dari fuel tank dimasukan kedalam floating chamber; ketika jumlah gasoline pada float chamber berkurang kemudian pelampung turun dan bahan bakar dari fuel tank ditambahkan. ketika pengendara menekan pedal gas, throttle valve membuka dan aliran udara melewati bagian venturi, sehingga gsoline akan ikut keluar dari main jet. Carburetor mempunyai struktur yang simpel sehingga biayanya lebih murah dan it has fewer defects. Untuk engine modern yang membutuhkan adanya peningkatan emisi, efisiensi bahan bakar dan power output, pemakaian carburetor mempunyai banyak masalah.

2. Mechanical Fuel Injecting Device dasarnya, untuk menginjeksikan sejumlah udara dipengaruhi oleh negative pressure, pada carburetor bahan bakar disuplai dengan cara mekanis, sehingga tidak dapat menjaga perbandingan udara dan bahan bakar secara tetap. dibutuhkan pengontrol untuk menginjeksikan jumlah bahan bakar secara tepat dengan menggunakan predetermined perbandingan air-fuel ratio untuk mencegah dari terbuangnya bahan bakar dengan sia sia atau untuk meningkatkan respon engine. dibuatlah sebuah sistim baru yang mana jumlah udara yang masuk dapat dideteksi secara langsung, dan baha bakar disemprotkan ke intake manifold dengan mengoptimalkan air-fuel ratio menggunakan sistim mechanical. yang disebut dengan K-jetronic diproduksi oleh Bosch. Dibandingkan dengan carburetor, fuel injecting device menginjeksikan bahan bakar lansung ke manifold. sehingga mempunya respon yang baik pada saat start dan pada saat acceleration dan deceleration. Pada sistim ini kemungkinan untuk teradi vapor lock sangat susah dimana alirn bahan bakar akan mengalami gangguan karena adanya penguapan bahan dakar ditengah fuel pipe. tidak membuat icing yang pada carburetor disebut frozen. keunggulan pada K-jetronic adalah dipasangnya circular plate yang disebut sensor plate didepan throttle valve, bahan bakar dikontrol dengan langkah perubahan pembukaan dari plate ini oleh jumlah udara. Ketika throttle valve terbuka, udara menekan sensor plate yang terpasang pada air flow meter. Pada plate ini terpasang tuas yang terhubung suatu alat untuk mengontrol jumlah bahan bakar yang diinjeksikan, dan bahan bakar diinjeksikan ke fuel injecting device dengan memberikan respon ke plate pengoperasian. Sebagai alat untuk menggantikan carburetor, K-jetronic mempunyai reliance yang lebih baik. walaupun pada waktu tertentu menginjeksikan bahan bakar sama seperti carburetor dan mengontrol bahan bakar dengan cara mekanis. sehingga susah untuk bisa mengontrol campuran dengan tepat. Pada beberapa kasus, dengan menerima ECM sebagai bagian dari sistim KE-jetronic dibuat untuk menutupi kelemahannya. akan tetapi selangkah demi selangkah sistim ECM penuh akan menggantikan sistim mekanis, untuk mengatur exhaust gas dan meningkatkan fuel efficiency.

3. Electrical Fuel Injection System Bagian utama pada sistim electrical fuel injecting adalah komponen yang menginjeksikan bahanbakar dengan jumlah yang sesuai untuk menghasikan campuran yang tepat dengan mengukur jumlah udara yang masuk. sistim ini terusun oleh komponen untuk mengukur jumlah udara, komponen yang menginjeksikan bahan bakar, dan komponen untuk mengontrol pengoperasian sistim ini.

91


Engine Principles komponen penginjeksian bahan bakar yang tepat, K-jetronic, penggunaan sensor plate sebagai alat untuk mendeteksi jumlah udara, dan penerus pergerakan sensor ke valve untuk mengontrol suplay bahan bakar. Contrarirly pada electrical fuel injecting system jumlah udara yang diukur oleh air flow sensor dikirimkan ke computer berbentuk electric signal untuk menetukan jumlah bahan bakar yang dihasilkan oleh sensor untuk mengetahui kondisi engine. dengan menggunakan perangkat ini, sangat dimungkinkan sekali bisa mengotrol perbandingan udara dan bahan bakar dengan tepat. bentuk fuel injector berbeda beda tergantung pada pembuatnya dan jenis engine yang memakainya. kecuali air flow sensor, hampir semuanya sama. disini kita akan menjelaskan mengenai mass air flow type menggunakan air flow meter sebagai air flow sensor. Udara yang tersaring oleh air cleaner jumlahnya akan diukur pada air flow meter, dan dimasukan kedalam surge tank (intake collector) melalui throttle body termasuk throttle valve yang terhubung pada pedal gas. kemudian udara ini didistribusikan ke intake manifold untuk masing masing cylinder, dimasukan ke dalam cylinder dan dengan bahan bakar yang diinjeksikan oleh fuel injecting valve (injector) ke manifold atau intake port. Pada saat ini, pengontrolnya akan menentukan jumlah bahan bakar untuk mengoptimalkan driving status dan running condition. pengontrol ini disebut ECM, Electronic Control Module. Driving status adalah electrical signal dari water temperature sensor, intake air temperature sensor, dan throttle position sensor, dan running condition adalah signal dari speed sensor dan signal yang mengindikasikan kondisi udara saat kerja. signals tersebut dikirim ke ECM. dengan menyimpan data berdasar pada kombinasi singnal tersebut dan metode pengontrolan yang mengindikasikan berapa jumlah bahan bakar yang harus di injeksikan sesuai dengan kombinasi tersebut ke Komputer dalam ECM, computer dapat memasukan jumlah bahan bakar berdasarkan pada pengoperasin pedal gas, dari injektor.

4. Fuel Supplying System

Gasoline, fuel, tertampung pada fuel tank dan dikirimkan ke injector setelah terbebas dari debu dan air yang dilakukan oleh filter. Fuel tank terbuat dari baja galvanized sehingga terhindar dari karat juga digunakan plastic tank. untuk menghindari terkumpulnya bahan b akar pada satu sisi dipasang pembatas, disebut separator, dan dipasang level gauge. Fuel pump jenisnya bervariasi, Carburetor menggunakan pompa mekanis, ECM system menggunakan electrical pump dengan motor listrik.

92


Engine Principles

Regulator, pengontrol tekanan, terpasang untuk mengirimkan bahan bakar setelah dikontrol tekanannya sesuai dengan tekanan tertentu.

93


Engine Principles Untuk menginjeksikan bahan bakar digunakan injector. Injector mempunyai needle valve menutup nozzle sehingg katup terbuka oleh arus listrik yang mengalir ke solenoid untuk menginjeksikan bensin. Dalam metode penginjeksian, ada metode single point injection (SPI)menginjeksikan bensin ke titik pertemuan manifold, dan Multi Point Injection (MPI) menginjeksikan bensin ke masing masing manifold pada tiap tiap cylinder. pada sistim SPI injektornya bertempat sama seperti yang dimiliki carburetor, akan tetapi campuran yang dihasilkan lebih efective jika dibandingkan dengan carburetor. Berdasakan pada waktu penginjeksian MPI dapat diklasifikasikan menjadi point injection, group injection dan bank injection. pada masinb masing manifold terdapat injector. Point injection melakukan penginjeksikan pada langkah intake masing masing cylinder tergantung pada putaran engine. Group injection melakukana penginjeksian ke beberapa cylinder yang mempunyai langkah intake sequential Pada point injection tentunya dapat menginjeksikan bahan bakar lebih dengan waktu dan jumlah yang lebih optimal. akan tetapi wiring yang dipakai untuk pengoperasiannya lebih rumit. Sehingga pada beberapa kendaraan komersial lebih banyak menggunakan group injection. sederhananya group injection adalah bank injection. pada angkah intake dan combution saat piston bergerak turun, bahan bakar yang ibutuhkan diinjeksikan setelah dibagi menjadi dua kali balik dan dimasukan kedalam cylinder setelah diambil dari langkah intake. berdasarkan pada susunannya yang sederhana tersebut membuat efisiensi bahan bakar lebih terjamin. sehingga metode ini lebih banyak dipakai pada kendaraan bensin.

94


Engine Principles

Chapter 10. Ignition System 1. Point type Ignition Ignition system adalah sistim untuk membakar campuran bahan bakar yang terkompresi pada ruang bakar memercikan bunga api dengan spark plug. ketika kutup positif dan negatif battery di shortkan akan terjadi percikan. akan tetapi bunga api yang dihasilkan lemah untuk bisa membakar campurn bahan baka dan udara. karena itu voltasinya harus dinaikan hingga lebih dari 10,000- 9,JQLWLRQV\VWHPWHUGLULGDULNRPSRQHQ\DQJEHUIXQJVLXQWXN menaikan tegangan, alat untuk mendistribusikan waktu pengapian dan beberaapa spark plug. Untuk meningkatkan tegangan, dipakai ignition coil, electric inducer. Ignition coil tersusun oleh inti besi (iron core) berbentuk rod, kumparan sekunder terbuat dari kawat tembaga tipis yang digulung 20.000 30.000 yang berdiameter 0.5 -1mm sebanyak . . . lilitan melalui secondary coil. ketika arus mengalir melalui primary coil, inti besi akan menghasilkan elektromagnet. dan ketika arus pada primari coil diputuskan terjadi induksi untuk menaikan tegangan pada secondary coil. Pada distributor terdapat komponen untuk mengontrol aliran arus pada primari coil dan dibagian cam nya terdapat bagian yang menonjol sesuai dengan jumlah cylinder ketika cam ini menekan arm dengan cara berputar, titik yang terpasang didepan arm akan membuka untuk memutus arus pada primary coil (contact breaker). Dan pada distributor juga terdapat komponen untuk mendistribusikan tegangan yang dinaikan pada secondary coil ke masing masing plugs. Pada cam contact breaker, ditambahkan komponen untuk mengontrol ignition timing pada berbagai variasi kecepatan engine untuk mengirimkan tagangan tinggi ke spark plug tepat pada waktunya. Yang terpasang pada ujung cam yang berkecepatan putaran sama, dimana cam berputar ½ putaran rpm engine untuk mencocokan ignition timing dari plug. Tambahan komponen ini akan dijelaskan kemudian pada Ignition Timing secara detail. Setelah itu, high voltage dihasilkan oleh ignition coil dan dikirimkan ke masing masing spark plug melalui Hihg-Tension Cord. Sistim ini disebut dengan contacting atau point type. Jika pengendalian contact breaker menggunakan transistor, disebut full transistor type. Untuk masa yang akan datang dikembangkan sistem penggendalian distributor menggunakan computer pada pengapian distributor-less. 2. Full Transistor type Ignition Pada sistim pengapian point type, untuk memutuskan arusnya digunakan cam, dan tegangan tinggi diinduksikan pada secondary coil ketika arus pada primary coil terputus. Kesamaannya, ketika switch off, percikan kecil yang tidak diinginkan akan terjadi pada kontak point. Sama seperti mechanical inertia, arus listrik mempunyai inertia. Percikan ini dapat dihindari dengan cara memasukan condenser diantara ignition circuit. Selanjutnya, kontak point akan terbakar atau tidak bekerja dengan baik pada kecepatan tinggi. Oleh karena itu, untuk menstabilkan arus pada primary coil, dibuat mekanikal point menggunakan transistor. Dikarenakan transistornya bervariasi, maka metode penerapannyapun berbeda beda. Ketika digunakan sebagai switch, digunakan transistor tipe NPN. Terdiri dari base dengan tipe P semiconductor dan dua tipe N semiconductors pada masing masing sisi, satu sebagai collector, dan yang lainnya emitter. Pada kondisi normal transistor tipe NPN arus dari emitter tidak di teruskan ke collector. Tetapi jika ada arus kecil (base current) di berikan diantara emitter dan base, kemudian terjadi amplified current sebagai imbas dari emitter ke collector. Dengan karakteristik yang demikian itu dapat digunakan sebagai switch. Untuk mendeteksi ignition timing pada cam dan kontact point dalam distributor dipasang signal

95


Engine Principles generator, electrical signal dikirimkan ke igniter termasuk transistor. Kemudian base current dibuat berdasarkan signal generator diberikan ke emitter dan base, dan kemudian amplified current dihasilkan dari emitter ke collector. Menggunakan current amplifying ini, intermittent current diberikan ke primary coil, sehingga tegangan tinggi dapat dihasilkan di secondary coil. Signal generator terdiri dari dengan beberapa bagian yang menonjol sejumlah cylinder, permanent magnet, dan pick-up coil mendeteksi perubahan magnetic flux. Sebagai signal rotor berputar dengan kecepatan 1/2 kecepatan engine speed, bagian yang menonjol melewati gap antara pick-up coil dan permanent magnet berdasarkan pada ignition timing. Magnetic flux yang dihasilkan oleh permanent magnet akan berubah, sehingga aliran induksi arus akan mengalir di coil. Arus ini digunakan sebagai base current dari transistor. Sehingga masalah dari contact breaker dapat diatasi.

3. Distributor-less Ignition

Pada ignition system dengan full transistor, arus pada primary coil berubah karena adanya signal generator dan transistor, ketika arus sekunder dinaikan dan didistribusikan oleh beberapa komponen yang dipakai pada point ignition system. Pada distributor-less ignition system ignition timing dimajukan oleh computer menggunakan electrical signal dari sensor untuk ignition timing, dan ignition dilakukan dengan menggunakan secondary current yang dihasilkan oleh ignition coil yang terpasang didekat ignition coil. Keutamaan dari ignition device ini adalah high-tension cable yang menghubungkan ignition coil – the distributor – the spark plug. Kabel yang dibutuhkan hanya berukuran pendek karena hanya untuk menghubungkan spark plug dan coil yang letaknya berdekatan atau kabel ini tidak dibutuhkan untuk kegunaan yang lainnya, masalah gelombang electromagnetic, pengaruh dari tegangan tinggi high-tension cable atau kesalahan ignition dari electrical resistance cable dapat dihindarkan. Kesimpulannya electrical advance device lebih compact dibandingkan mechanical.

Inductive type crankshaft position sensor 96


Engine Principles

Optical type crankshaft position sensor Sensor untuk menentukan ignition timing, crankshaft position sensor atau camshaft position sensor, tipe pertama terdiri dari timing rotor yang dikendalikan oleh camshaft dan mendeteksi posisi rotor electric. Tipe yang lainnya terdiri dari LED yang terpasang pada rotor blade dikendalikan oleh camshaft dan photo diode untuk menentukan ignition timing. Pada ignition method, terdapat individual ignition method dan bank ignition method.

Individual ignition system

97


Engine Principles

Bank ignition system Individual ignition methode, ignition coil terpasang pada masing masing cylinder untuk membakar secara berantai tergantung pada order yang ditentukan oleh ECM. Pada bank ignition method, terjadi percikan pada dua cylinder pada waktu yang bersamaan dengan satu ignition coil. Ketika itu, satu cylinder berada dalam langkah compression dan cylinder yang lain pada langkah exhaust. Percikan bunga api pada langkah compressi lebih efektiv dipakai, akan tetapi pada langkh buang tidak berarti. Pada metode ini, jumlah transistor dan coil adalah setengahnya jumlah yang ada pada individual ignition method, sehingga biayanya lebih murah. 4. Spark Plug

Spark plug memercikan bunga api untuk membakar campuran bahan bakar yang sudah terkompresi sesuai dengan spark arc karena tegangan tinggi yang dihasilkan dari ignition coil. pertama kali ketika spark plug bersentuhan dengan bahan bakar temperaturnya sama dengan temperatur diuar pada intake stroke, Setelah itu, bersentuhan dengan ekhaust gas lebih dari 2000 dan menghasilkan tegangn tinggi sebesar 20,000V. maka dari itu komponen ini hampir bisa beroperasi disemua kondisi. Spark plug dipakai untuk segala jenis model mesin, dan dibuat dengan standar internasional. jenis nya dibedakan berdasarkan pada ukuran, bentuk, performa dan characteristic (khususnya, karakter panasnya). untuk membedakannya digunakan alpha numerical indicator. untuk mengindikasikan dari pembuat yang berbeda, sehingga dibutuhkan kehati hatian dalam penggantiannya. pada dasarnya, spark plug ukurannya diklasifikasikan kedalam 14mm, 12mm, dan 10mm tergantung pada ukuran baut yang menempel padanya. untuk membuat pembakaran menjadi kompak, lebih baik menggunakan ukuran plug yang keci. akan tetapi, 98


Engine Principles semakin kecil ukurannya semakin mudah terpengaruh panas. sehingga untuk menetukan spark plug yang akan digunakan perlu diketahui terlebih dahulu temperatur engine nya. Selama pengoperasiannya spark plug dipengaruhi oleh temperatur yang bervariasi. yang paing banyak adalah oleh jumlah bahan bakar yang terbaka pada proses pembakaran setiap saat. ketika kecepatan engine tinggi maka temperatur plug juga akan tinggi. walaupun dalam kondisi yang sama, temperaturnya akan ber beda tergantung pada heat range dari plug.

Heat range adalah kemampuan meradiasikan panas oleh busi yang berasal dari chamber. Busi yang akan mudah teradiasi panas, mempuyai heat range yang tinggi. pada racing engine, dipakai busi type dingin karena lebih banyak meradiasikan panas untuk mencegah naiknya temperatur dengan mudah. sebaliknya pada engine yang biasa dipakai unutuk kecepatan rendah dipakai busi type panas dimana busi ini akan sedikit meradiasikan panas, sehingga akan menahan panas untuk mencegah pendinginan dengan mudah. Nilai panas suatu busi ditandai dengan tulisan pada busi itu sendiri. tergantung pada perusahaan pembuatnya. dalam pemakaiannya harus dipilih sesuai dengan standarnya. jika busi yang dipakai tidak sesuai dengan jenis engine nya sebagai contoh jika dipakai untuk temperatur rendah maka akan terjadi kerak karbon pada bagian ujung plug, shingga tidak bisa bekerja. jika untuk temperatur yang sangat tinggi maka campuran bahan bakar akan meledak sebelum ignition, dengan demikiana akan terjadi pre-ignition.

99


Engine Principles

Chapter 11. Combustion and Combustion Chamber 1. Combustion Process

Untuk memperoleh output yang tinggi dan meningkatkan efisiensi bahan bakar, maka hal yang terpenting adalah membakar campuran bahan bakar dan udara tepat dan secepat mungkin sementara proses pembakaran. untuk itu, untuk meningkatan performa engine sama dengan mempelajari hubungan antara combustion dan mempelajari bagaimana untuk meninkatkan efisiensi bahan bakar. pencampuran fuel dan udara dilakukan oleh carburetor dan injector pertama, dimasukan kedalam cilynder melalui intake valve dengan aliran memutar. kemudian dikompresikan oleh piston yang bergerak naik dari BDC (botton dead center). pada saat ini bahan bakar yang berbentuk kabut akan diubah menjadi uap oleh panas dari dinding ruang bakar dan tambahan kopresi, dan aliran yang kuat dari campuran bahan bakar. beberapa bagian berubah menjadi gas yang terbakar. Ketika api diberikan ke gas dengan temperatur tinggi, kemudian diantara lectroda dan busi terbentuk titik api. titik api ini membakar gas yang bertemperatur tinggi karena reaksi gas bahan bakar dan oxygen di udara

. gas yang terbakar ini dengan singkat memanaskan campuran disekitarnya. campuran lainnya disekitar reaksi inti dengan oxygen akan beruhan menjadi gas terbakar yang besar karena panas tersebut. dalam waktu yang singkat, proses ini akan menyebar ke semua campuran sehingga berubah menjadi gas yang terbakar. inilah proses pembakaran campuran bahan 100


Engine Principles bakar. waktu yang di butuhkan untuk melakukan pengapian hanya 2/1000 detik (2 milli seconds: ms), jika temperatur disekitar inti pembakaran rendah atau inti apinya tertiup oleh aliran dari campuran bahan bakar maka campuran tersebut tidak dapat terbakar. peristiwa ini disebut dengan misfire. pada proses pembakaran, perbatasan antara gas yang terbakar dengan gas yang terbakar disebut flame surface. kecepatan meluasnya flame surface disebut flame velocity. Flame velocity sama dengan kecepatan mencampur bahan bakar yang mana kecepatan pembakarannya diengaruhi oleh statistic fuel gas, kecepatan expansion adalah merupaka kecepatan meluasnya gas karena panas pembakaran, dan kecepatan aliran gas. Kecepatan pembakaran berubah ubah tergantung pada perbandingan bahan bakar dan udara berapa banyakkah nilai bahan bakar dan udara paca campuran tersebut. Tetapi perubahan ini sangatlah lambat yaitu hanya beberapa cm per detik, ketika penambahan gas expansion velocity dan flow velocity pada combustion velocity, flame velocity-nya kira kira 15 P SHU detik, meskipun bisa mencapai 30m per detik. Karena itu aliran campuran bahan bakar dinilai sangat penting. 2. Air-fuel ratio and Flame Velocity

Untuk meningkatkan perform engine, flame velocity-nya harus cepat dan jumlah enerbgi panas yang akan dirubah menjadi energi kinetik haruus sebesar mungkin. Flame velocity ditentuksn oleh tiga faktor utama termasuk dsidalamnya combustion velocity, gas expansion velocity, dan mixture flow velocity. untuk membakar campuran bahan bakar dengan cepat harus diusahakan pada kondisi terbaik. Selain berdasarkan pada combustion velocity dan gas expansion velocity, flame velocity juga dipengaruhi oleh mixture ratio antara fuel dan udara dan temperature dan tekanan mixture. Temperature dan tekanan dipengaruhi oleh temperature ruang bakar dan compression ratio. untuk mengetahui temperature dan tekanan sangatlah rumit maka dalam hal ini kita mengasumsikan kondisinya konstan. kita fokuskan pada komponen bahan bakar dan perbandingaan campurannya. Gasoline adalah cairan yang terdiri dari atom karbon sebanyak 4 101

GDODPPDWDUDQWDLGDQ


Engine Principles berbagai macam molecules termasuk atom hydrogen. Jika perbandingan komponennya berubah atau ditambahkan material untuk meningkatkan pembakaran, maka combustion velocity dan gas expansion velocity seharusnya lebih cepat. Yang dimaksud dengan mixing ratio adalah besarnya jumlah campuran fuel dan udara. yang bisa mempengaruhi combustion velocity. sehingga hal ini dipengaruhi oleh tiga komponen yaitu air-fuel ratio (or A/F ratio), excess air ratio, dan equivalency ratio.

Air-fuel ratio adalah nilai dari perhitungan berat udara yang masuk kedalam campuran di bagi dengan berat bahan bakar yang dimasukan kedalam campuran atau disingkat A/F ratio. Ketika udara dan bahan bakar dicampurkan, A/F ratio untuk melakukan pembakaran dengan sempurna secara teori disebut theoretic A/F ratio, untuk bahan bakar secara regular nilainya adalah sekitar 14.7. A/F ratio secara aktual adalah kurang dari theoretic A/F ratio, jumlah gasoline lebih besar dibanding dengan theoretic A/F ratio sehingga diindikasikan (campuran Gemuk) kebalikan dari itu disebut (campuran Kurus Untuk membakar campuran dengan sempurna dan untuk memperoleh flame velocity yang cepat, A/F ratio harus sedikit lebih kecil dari theoretic A/F ratio, yaitu sekitar 13.514. Ini berarti bahwa jika fuel-nya sedikit lebih banyak dari udara, pembakarannya akan sempurna. Combustion velocity mempunyai nilai maximum pada A/F ratio 12.13, dengan jumlah gasoline lebih banyak. Karena itu, pada A/F Ratio 12.13, engine power output akan maximum. Sebaliknya, output akan berkurang. Dari segi konsumsi bahan bakarnya, konsumsi bahan bakarnya akan mencapai minimum kira kira pada A/F ratio 16, pada saat itu, campurannya sedikit kurus sehingga fuel efisiensinya paling baik. Setelah pembakaran, jika oksigen tidak tersisakan maka, gasoline tidak terbakar dengan sempurna. 3. Ignition Timing Ignition timing adalah ketika campuran terbakar, pada saat itu tepat saat spark plung mengeluarkan percikan api. Umumnya, saat yang paling tepat terjadi saat campuran bahan bakar terkompresi dengan penuh, piston mecapai TDC (top dead center). Tetapi, hal ini terlalu lambat. Alasannya adalah combustion velocity dari campuran bahan bakar diubah menjadi gas flow velocity. Saat kecepatan engine meningkat, aliran gas akan lebih cepat dan cepat. Karena itu, flame velocity akan lebih cepat. Sehingga untuk melakukan pengapian saat piston berada pada titik tertinggi menjadi lambat. Saat yang paling tepat adalah saat piston hampir mendekati titik tertinggi, ketika luas flame surface hampir setengah ruang bakar. Ignition timing ditunjukan oleh sudut perputaran crankshaft pada saat piston mencapai TDC. Jika ignition timing diset pada 40 - 30° before TDC, maka combustion chamber mempunyai tekanan maksimum pada 15 - 20° after TDC. Jika ignition timing terlalu awal, maka pembakaran terjasi sebelum piston mencapai titik paling tinggi. Dalam hal ini gaya yang ditimbulkan oleh pembakaran akan menekan piston yang bergerak keatas, sehingga gaya tersebut akan berkurang. Jika ignition timing terlalu lambat, 102


Engine Principles maka gaya dari pembakaran ini akan menekan piston yang bergerak turun. Sehingga gaya dari pembakaran ini tidak bekerja dengan effectiv. Kecepatan flame velocity sama dengan kecepatan engine, maka ignition timing harus disesuaikan dengan engine speed untuk memaksimalkan tekanan ruang bakar pada piston pada posisi TDC. Pengoperasian ini tujuannya untuk memajukan ignition dengan mempertimbangakan sudut perputaran crankshaft, sehingga hal ini disebut advance angle. Sistim yang dipakai untuk memajukan sudut ini adalah secara mechanical dan electrical. Pada mechanical komponen untuk memajukan ignition dipasang diantara distributors untuk meneruskan arus ke spark plug. Dengan mendeteksi kecepatan engine secara mekanik, waktu untuk memberikan pengapian dikontrol berdasarkan pada engine speed untuk memajukan ignition timing pada spark plug. Sebagai contoh, pada vacuum advance angle, untuk memajukan pengapian dilakukan dengan menyeimbangkan tekanan negatif dari komponen ini ke carburetor dengan sebuah pipa memanfaatkan tekanan negatif pada intake port yang akan meningkat sesuai dengan kecepatan engine. Pada Electrical advance angle device engine speed dan negative pressure dideteksi oleh sensor, dan waktu pengapian yang tepat ditentukan oleh computer. 4. Swirl Effect Apabila flame velocity cepat, maka akan banyak energi panas dapat dirubah menjadi energi kinetik. Idealnya, campuran bahan bakar dapat meledak ketika piston baru saja melewati titik paling tinggi untuk meneruskan expansion force dari gas yang terbakar ke piston lebih efektif. Untuk melakukan pembakaran penuh, crankshaft berputar 40-60° putaran. Sehingga keadaan sesungguhnya berbeda dengan keadaan idealnya. Untuk memastikan pembakaran berlangsung cepat, gasoline harus dicampur dengan udara dengan tepat sehingga memungkinkan terjadi reaksi antara hydrogen carbon dan oxygen. Untuk itu, partikel gasoline dari injector harus sekecil mungkin dan mudah menguap. Dan lubang injektor harus menghadap intake valve sehingga partikel gasoline tidak menempel pada dinding intake port. Untuk beberapa engine racing, pada masing masing cylinder dipasang dua injektor. Selain itu, untuk membuat flame velocity cepat, flow velocity dari gas harus cepat. Ketika engine berputar pada kecepatan rendah, flow velocity dari campuran bahan bakar dan udara adalah elemen yang terpenting. Ketika engine berputar pada kecdepatan tinggi, aliran campuran terlalu tinggi, sehingga campurannya baik dan flame velocity cukup cepat. Tetapi, ketika kecepatan engine mulai dikurangi, kecepatan piston turun dengan pelan sehingga flow velocity dari campuran bahan bakar dan udara rendah dan kabut gasoline dalam campuran tidak dapat menguap dengan mudah

103


Engine Principles

.

Karena itu dilakukan beberapa penelitian dan pengembangan arah intake port, untuk mengurangi ukuran intake port dan untuk menggunakan dua intake port yang mana salah satu intake port akan tertutup ketika engine bekerja pada kecepatan rendah, untuk memperoleh campuran fuel dan udara yang cukup. Putaran aliran dibedakan menjadi berputar secara horizontal dan bergulung-gulung secara vertikal. Hal terpenting pada aliran yang bergulung adalah aliran tersebut harus tetap ada pada intake stroke juga harus lebih kuat pada langkah ignition-combustion.

Swirl

Tumble

Sehingga, dibuat gap yang kecil antara bagian terjauh dari plug dan titik mahkota piston yang disebut squish area, untuk menghembuskan campuran ketika piston berada mendekati titik tertinggi. 5. Knocking

104


Engine Principles

Meskipun ini jarang terjadi akhir akhir ini, yaitu ketika engine menimbulkan noise pada saat akselerasi pada beban yang tinggi. Knocking yang khas ini terjadi karena pembakaran yang terjadi tidak berasal dari inti pengapian spark plug dan dari expansion flame surface, tetapi dari pembakaran awal campuran bahan bakar pada ujung bagian yang akhirnya akan terbakar. Karena flame surface adalah sebuah pembatas, yang didalamnya terisi dengan gas yang terbakar dan diluarnya terisi dengan gas yang belum terbakar. Karena itu pembakaran berawal dari flame surface. Sebelum mencapai flame surface, gas yang belum terbakar akan terbakar sendiri karena tekanan dari gas expansion. Gas ini bersama dengan tekanan tinggi dan temperatur tinggi mengetuk cylinder head dan piston, sehingga engine mengalami kerusakan yang berbahaya. Knocking terjadi sekali saja kemudian piston dan cylinder bertemperatur tinggi yang tidak normal, sehingga knocking yang berkelanjutan dapat dengan mudah terjadi kembali. Karena itu knocking terjadi pada ujung combusting chamber, bore akan membesar karena SHORT STROKE dan hal ini mudah terjadi pada engine yang mempunyai jarak penyebaran api yang jauh. Karena itu pada mesin moderen dilengkapi dengan spark plug khususnya center plug, pada tengah ruang bakar atau dengan squish area untuk meningkatkan aliran bahan bakar dengan membuat ujungnya miring

. Akhir akhir ini pada kebanyakan kendaraan tidak terjadi knocking selama pengendaraan lagi. Engine dibuat terhindar dari knocking. Dengan kata lain, terjadi penelitian untuk meningkatkan performa engine dengan menggunakan knocking. Knocking, pada pertama kali ditemukan, terjadi pada kecepatan engine rendah dimana pembakaran yang terjadi ketinggalan dari pembakaran abnormal. Umumnya, terjadi 105


Engine Principles pada saat ignition timing maju ketika perbandingan kompresi meningkat atau flame velocity tinggi. Karena itu, dengan mendeteksi knocking, jika engine bekerja dengan waktu pengapian maju maksimum akan didapatkan pembakaran yang paling sempurna. 6. Abnormal Combustion Semua pembakaran yang berbeda dengan pembakaran normal dimana pembakaran dimulai dari spark plug dan merambat ke seluruh ruang bakar disebut abnormal combustions. Knocking adalah sebagai contoh yang jelas. Selain itu juga masih terdapat beberapa tipe abnormal combustions.. • PRE-IGNITION & POST-IGNITION Arti kata PRE adalah sebelum dan POST adalah sesudah, ignition berarti bahwa pembakaran bisa terjadi karena api yang lain sebelum atau sesudah normal ignition terjadi. PRE-IGNITION terjadi pada langkah compression karena beberapa alasan seperti terdapatnya kerak carbon yang menempel pada plug, dinding ruang bakar, piston atau valves. POST-IGNITION adalah bahan bakar tidak terbakar pada saat normal flame karena misfire, gas yang tidak terbakar ini akan terbakar pada langkah combustion. Kedua duanya sangat mirip dengan knocking, sehingga dapat mempengaruhi komponen disekitarnya. • RUN ON Disebut juga dieseling, peristiwa ini terjadi ketika engine tetap bekerja walaupun ignition switch sudah mati. Sangat mirip dengan PRE-IGNITION, kerak karbon bekerja sebagai inti pengapian. Hal ini umumnya terjadi ketika keadaan kunci off dan overheat pada carburetor engine. Nama ini diambil dari mesin diesel yang melakukan pembakaran tanpa ignition.

• AFTER FIRE Juga disebut dengan AFTER BURN. Terjadi karena gas yang tidak terbakar dengan sempurna meledak pada sistim exhaust dengan menimbulkan suara yang keras. Ketika accelerator diputar membuka atau menutup secapa tiba tiba, sisa bahanbakar dikeluarkan ke ruang bakar dan kemudian campuran bahan bakar yang tidak sempurna terbakar meledak pada catalyst converter atau pada muffler. Hal ini dapat mengakibatkan kerusakan pada exhaust system.

106


Engine Principles

• BACK FIRE Pada saat gas yang terbakar dikeluarkan pada langkah buang, ada beberapa jumlag gas yang kembali. Gas dengan temperatur yang tinggi membakar campuran udara/bahan bakarpada langkah awal intake. Pada beberapa kasus, api dapat mencapai ke air cleaner. Hal ini biasanya terjadi pada sistim carburetor. Beberapa abnormal combustion ini jarang terjadi pada pengendaraan normal, akan tetapi, berhati hatilah dalam memelihara engine. 7. Shape of Combustion Chamber

Berdasarkan pada metode pembakarannya, performa dari mesin akan berbeda. Kemudian, bentuk dari ruang bakar yang manakah yang paling cocok untuk memperoleh performa engine terbaik. Mungkin hal ini benar bahwa faster flame velocity adalah hal terbaik untuk meningkatkan engine output. Dengan gasoline dan A/F ratio yang sama, kita dapat mempertimbangkan lima hal yang mempengaruhi engine power. •Jumlah bahan bakar yang masuk kedalam campuran harus banyak. (semakin banyak bahan bakar semakin panas)

107


Engine Principles • aliran bahan bakar dilakukan sebelum pengapian terjasi. (Lebih cepat lebih baik, akan tetapi kalau terlalu cepat menyebabkan misfire)

• Ignition plug harus dipasang ditengah ruang bkar (untuk memastikan pembakaran bisa berlangsung cepat)

•Tekanan kompresi yang dihasilkan harus setinggi mungkin ( dengan komprresi yang tinggi akan dihasilkan efficiency yang baik )

•Ruang bakar harus berukuran tepat untuk menghindari kehilangan panas. (Untuk memastikan perubahan energi panas menjadi energi kinetik)

108


Engine Principles Pertama kali, perhatikan jumlah campuran bahan bakar yang masuk piont 1, hal ini dirtentukan oleh sudut pemasangan, jumlah, ukuran, bentuk dan ketinggian pengangkatan intake valve. Hal ini akan dijelaskan dalam bagian intake-exhaust secara detail. Pada aliran campuran bahan bakar point 2, disini, point yang terpenting adalah bagaimana campuran bahan bakar dimasukan kedalam cylinder. Meskipun alirannya baik, jika bentuk dari valve bagian dalam dan ujung piston rumit, maka gas tidak akan menyebar dengan halus, sehingga bentuknya harus sesimpel mungkin. Posisi plug pada point 3, adalah ditentukan oleh jumlahnya dan posisi dari intake-exhaust valves. Pada akhir akhir ini banyak digunakan di 4-valve engine, plug idealnya harus dipasang pada tengah combustion chamber. Untuk tekanan kompresi pada point 4, adalah tekanan yang tinggi, pembakaran akan berlangsung cepat karena temperature dan tekanan ruang bakar tinggi tepat sebelum ignition. Akan tetapi jika pembakarannya terlalu cepat, maka pembakarannya tidak normal. Sehingga ruang bakar dapat mengalami kerusakan karena pembakaran yang tidak normal ini sebagai contoh nya knocking. Untuk menjaga panas tidak hilang dengan mudah seperti pada point 5, dengan mempertimbangakan ruang bakar yang besar, panas akan hilang ketika ledakan gas menekan piston dengan tekanan yang tinggi, maka energi panas yang dirubah menjadi energi dorong akan hilang. Dengan volume ruang bakar yang sama, permukaan dalam ruang bakar lebih kecil, panas yang berubah akan lebih tinggi.

Karena itu, perbandingan antara permukaan dan volume ruang bakar disebut S/V ratio, maka perbandingan ini menggambarkan effisiensi pembakaran. S/V ratio yang kecil akan lebih baik untuk mendapatkan combustion efficiency. 8. Intake-Exhaust Valve & Combustion Chamber

untuk memperoleh volume efficiency yang lebih baik, dibutuhkan jumlah udara yang lebih 109


Engine Principles banyak, dan aliran yang masuk atau keluar dibuat sehalus mungkin. Bentuk dan ukuran intake port juga penting sebagaimana sudut pemasangannya, diameter dan jumlah valves harus tepat untuk meningkatkan volume efficiency. Diameter valve yang besar lebih baik. Jika valve terlalu besar, akan berat sehingga akan menimbulkan gaya inertia yang besar saat membuka dan menutup. Karena itu akan menghambat engine berputar dengan kecepatan tinggi. Ukuran valve harus dioptimalkan. Pada 4-valve engine banyak menggunakan dua set intake-exhaust valve daripada 2-valve engine dengan satu set intake-exhaust valve. Three-valve engine dengan dua intake valves dan satu exhaust valve sudah diperkenalkan. Tetapi plug tidak terpasang pada tengah chamber, dan exhaust valve nya terlalu besar sehingga sistim dengan dua intake valve lebih jelak dibanding dengan sistim yang menggunakan 4 valve. Tipe ruang bakar dari 4-valve engine adalah PENT ROOF type dengan cylinder head berbentuk roof dan Poly-spherical type dengan lingkaran yang bertumpuk. Pada masing masing tipe, sepasang intake-exhaust valve saling berhadapan, dan spark plug terletak ditengah. Hal ini memenuhi persyaratan untuk mendapatkan volume efficiency yang baik.

Big valve angle

Small valve angle

Valve inclined angle adalah sudut dari intake-exhaust valve terhadap garis tengah cylinder. Valve angle adalah sudut antara garis tengah dengan masing masing valve. Sudut ini akan mempengaruhi terhadap bentuk ruang bakar, S/V ratio, compression ratio, dan bentuk intake-exhaust ports. Jika valve angle terlalu besar. Maka diameter valve dapat dibuat lebih lebar, dan intake-exhaust gas akan mengalir lebih halus. Tetapi ruang bakar juga harus dibuat besar juga, sehingga kesalahan tekanan kompreai akan berkurang, dan S/V ratio menjadi besar. Pada tipe engine yang baru memiliki ruang bakar yang lebih kompak dengan valve angle lebih kecil dari sebelumnya. Pada five-valve engine terdapat tiga intake valves dan dua exhaust valves untuk performa tinggi dengan memperbesar cross area dari valve dan valve yang lebih ringan. Akan tetapi mempunyai ruang bakar yang rumit sehingga mempunyai S/V ratio yang lebih besar dan mekanisme disekitar valve juga akan lebih rumit. 9. Piston & Combustion Chamber Piston head bersama dengan intake- exhaust valve yang terletak berhadapan pada cylinder head membentuk ruang bakar. Untuk membakar campuran bahan bakar dengan cepat, permukaan didalam rung bakar harus halus sehingga campuran yang dialirkan akan mengalir dengan halus, dan S/V ratio harus sekecil mungkin. Untuk itu kepala piston dibuat datar.

110


Engine Principles

Pada kenyataannya, dengan mempertimbangkan beberapa hal seperti valve angle, cylinder head harus mempunyai bagian yang berbentuk cekung. Karena itu, untuk meningkatkan tekanan kommpresi piston head dibuat menonjol. Selanjutnya jika tekanan kompresinya tinggi maka gap antara cylinder head dan piston head harus dibuat miring sehinggga perlu dibuat cekungan valve lebih besar untuk menghindari valve beroperasi secara tidak normal. Dengan keadaan mekanis yang terbatas ini, banyak dilakukan penelitian untuk mendapatkan pembakaran yang lebih baik. Piston sendiri mempunyai aturan tersendiri untuk memindahkan gaya dorong dari hasil pembakaran ke conecting rod dengan efektif, sehingga pada bagian lain selain piston head dibuat sepresisi mungkin. Gas yang terbakar dibatasi oleh piston ring. Untuk meyakinkan tidak terjadi kebocoran maka gap antara piston dan cylinder dibuat sekecil mungkin. Piston akan didinginkan oleh minyak pelumas dan panas akan dihantarkan melalui piston ring. Koefisien perambatan panas pada aluminium, bahan utama pembuat piston, adalah relatif lebih besar 23 kalinya baja yang mempunyai koefisien perambatan panas kira kira 12~15, yang merupakan bahan utama cylinder. Karena itu sulit untuk mencocokan ukuran piston dengan ukuran cylinder. Sebagai contoh, pada bagian belakang piston head ditambahkan penguat, yang sedikit lebih kecil dibanding dengan skirt part dan diameter piston sejajar sumbu piston pin lebih kecil dari pada diameter piston yang berpotongan dengan sumbu piston pin. Connecting rod memutar crankshaft, piston akan menekan connecting rod dengan arah condong. Karena itu piston mungkin bergetar kebelakang sehingga skirt dari piton akan menghantam dinding cylinder. Peristiwa ini disebut dengan piston slap atau sides knock. Hal ini menyebabkan noise atau kehilangan power karena gesekan. Untuk meminimalkan hal ini titik tengah dari piston pin dibuat offset kira kira 1-2.5mm sepanjang arah putaran connecting rod. Sehingga, tekanan yang menekan piston ke belakang akan berkurang. Hal ini yang dinamakan dengan offset piston.

111


Engine Principles

Chapter 12. Performance, Fuel consumption, Noise, Vibration 1. Required Performances

Bermacam macam performa dibutuhkan oleh engine. Masing masing performa berhubungan secara komplek satu sama lainnya, hal inilah yang akan berpengaruh terhadap kendaraan. Sejalan dengan perjalanan waktu, performa yang lebih penting telah berubah. Bagaimanapun juga output power adalah merupakan salah satu komponen yang terpenting karena tujuan dibuatnya engine adalah untuk mendapatkan power pada kendaraan. Secara konvensional untuk mengoperasikan sebuah engine dibutuhkan bahan bakar. Akhir akhir ini dengan meningkatkan effisiensi engine akan didapatkan juga effisiensi bahan bakar dan output yang dihasilkan lebih baik.

untuk mengembangkan effisiensi pembakaran pada engine adalah difokuskan pada penyaringan exhaust gas. carbon monoxide dan hydrogen carbon adalah bagian dari tiga unsur yang berbahaya yang terkandung dalam exhaust gas mungkin akan hilang jika pembakarannya ideal dan sempurna. Satu unsur selanjutnya yaitu nitrogen oxide adalah juga merupakan masalah yang penting.

112


Engine Principles

dengan mempertimbangkan berat engine adalah 10•15% dari berat keseluruhan kendaraan, dilakukan metode lain untuk dapat mendapatkan output yang lebih baik yaitu dengan membuat engine compact dan ringan. Dengan output yang sama kendaraan yang memiliki engine lebih ringan akan memperoleh pewer yang lebih tinggi. Engine yang ringan dan compact meningkatkan fuel consumption. Juga, untuk memperoleh pengemudian yang baik, kendaraan harus lebih ringan dan mempunyai keseimbangan bearat 50:50 pada bagian depan dan belakang atau sama.

Engine juga harus memenuhi kebutuhan pengendaranya. Sebagai contoh, ketika pengendara menekan pedal gas, jika output yang dihasilkan terlalu tinggi, maka tidak baik untuk keamanannya. Respon untuk bereaksi terhadap tekanan pedal gas berpengaruh besar terhadap drive condition.

karena engine memperoleh tenaga dengan membakar fuel, maka noise dan vibration tidak dapat dihindarkan. Sehingga yang terpenting adalah bagaimana cara untuk mencegah 113


Engine Principles terjadinya noise dan vibration ini diteruskan ke passenger.

selain itu, bagaimana cara memelihara engine juga merupakan satu hal yang penting karena engine adalah merupakan komponen mekanis dari kendaraan 2. What is Output?

Engine adalah alat yang merubah energi panas menjadi energi gerak. Yang dipengaruhi oleh tiga faktor utama yaitu fuel consumption mengindikasikan berapa banyak bahan bakar yang terbakar, torque mengindikasikan berapa banyak tenaga yang dihasilkan dan power yang mengindikasikan berapa banyak kerja yang dihasilkan tiap waktu. Diantara semua itu, fuel consumption adalah salah satu yang mudah untuk diketahui karena sangat mudah untuk diukur pemakaiannya. kemudian, apakah faktor yang lainnya, apakah power ataukah torque ? Seperti yang sudah kita jelaskan berkali kali, prinsip kerja dari gasoline engine adalah gaya ledakan dari pembakaran gasoline dirubah menjadi energi dorong yang mendorong piston untuk memutar crankshaft. Ketika sedang menanjak melelui jalan yang naik, kita menekan pedal gas untuk mendapatkan tenaga yang tinggi. Saat berjalan konstan pada jalan yang datar kita hanya menekan sedikit pedal gas. Karena terhubung dengan throttle valve sebagai pengontrol jumlah udara yang 114


Engine Principles masuk, penekanan pedal gas yang dalam secara langsung akan berpengaruh terhadap besarnya ppembukaan throttle valve. Jumlah fuel injection ditentukan oleh jumlah udara yang masuk. ketika udara yang masuk sedikit karena hanya menekan pedal gas sedikit, maka gasoline yang diinjeksikan juga sedikit.begitu juga sebaliknya. maka dari itu, perbandingan antara jumlah udara dan bahan bakar sudah ditentukan, sehingga pedal gas hanya mengontrol jumlah udara yang masuk. sehinga dengan sedikit menekan pedal gas campuran dan tenaga yang dihasilkan juga kecil, ketika pedal gas tambah ditekan, tenaga mesin akan meningkat karena jumlah campuran bahan bakar juga meningkat. pada dasarnya, performa engine ditentukan oleh tenaga engine. dengan satuannya adalah kg. pada kendaraan, ultimate force adalah tenaga untuk memutarkan roda, dengan satuan nilainya torque, i.e. kg· m, didapat dari perkalian antara tenaga putaran dengan jarak dari titik putaran ke titik dimana putaran tersebut diberikan. Aspek penting lainnya yang mempengaruhi engine performance, berapa banyak kerja yang dihasilkan dalam waktu tertentu . Besarnya kerja yang dihasilkan ini disebut power yang diasumsikan sebagai horse power. 3. Representing Method for Power Pada dasarnya, bagian terpenting dari performa engine adalah output (power). ketika sebuah mesin baru dipasang pada kendaraan maka akan muncul pertanyaan berapakah hose powernya ? hose power ini adalah work efficiency, maka dari itu, besarnya menggambarkan kerja sebuah mesin dalam waktu tertentu, sehingga disebut juga dynamic output (power).

Konsep ini ditemukan oleh James Watts seorang yang merancang steam engine di England. untuk membandingkan dynamic performances dari beberapa steam engines, horse power dipakai untuk memompa air pada pertambangan coal mine, satu horse power adalah 550 ft· lbf/s. dirubah kedalam sistim metrik akan menjadi 75 kg· m/s. ini adalah tenaga untuk mengangkat beban seberat 75kg setinggi 1 m dalam 1 detik. satuan dari Horsepower, ditunjukan dengan HP in abbreviation, atau PS Pferdestarke dari Germany. satuan PS lebih banyak digunkan. dalam satuan sisteim SI, digunakan satuan W (watt), 1 PS kira kira 735.4W. sehingga, 100PS adalah 73.5kW, 100kW adalah 136PS. pada katalog kendaraan, kita menemukan tambahan kata seperti (Net) atau (Gross) didepan satuan PS/rpm. Pada dasarnya ukuran engine output sudah ditentukan ketika engine tersebut dibuat ketika mengukur komponennya, pengukuran output akan berubah tergantung pada saat pengukuran komponennya, dan terjadi penyebaran pengukuran (dispersion). Karena itu, untuk 115


Engine Principles mengindikasikan output, dipakai ukuran Net dan Gross. Nilai Gross value pengukurannya hanya dilakukan pada engine saja, dan nilai Net value pengukurannya dengan menyetel engine terhadap kendaraan. Untuk gasoline engine, nilai ukuran Net value adalah 15% kurang dari Gross value. Jika tidak dibinformasikan maka nilai yang besar adalah nilai Gross. Power adalah fungsi dari waktu. Engine power akan meningkat secara proporsional terhadap rpm karena jumlah kerja dalam tiap waktu meningkat ketika rpm nya tinggi. Bagaimanapun juga ketika engine rpm meningkat, komponen dynamic tidak dapat berjalan melewati nilai tertentu, atau engine tidak dapat memasukan atau mengeluarkan lebih cepat dari nilai limit, atau engine power yang dipakai untuk mengendalikan mesin itu sendiri terbuang dengan percuma jika rpm nya melabihi standarnya. Karena itu engine power mempunyai nilai limit. Yaitu maximum power output. Dalam katalog hal ini diindikasikan dengan rpm thereat. 4. What is Torque?

Torque atau gaya putar yang di aplikasikan pada sesuatu yang berputar seperti bolt, axis rod dan roda. Hal ini tidak hanya tergantung pada gaya yqang diberikan tetapi juga panjang dari lever arm dimana gaya itu diberikan. Dengan definisi, torque adalah sebanding dengan gaya dikalikan leverage; panjang dari titik tengah rotor ke titik dimana gaya diberikan. Pada engine, torque adalah sama dengan gaya yang ditimbulkan oleh gaya piston turun dikalikan jarak dari tengah crank pin ke titik tengah crankshaft. Jadi, besarnya torque untuk engine tertentu di tentukan oleh gaya piston menekan Connecting rod, itulah yang disebut combustion force. Grafik performa dari torque adalah diwakili dengan bagaimana piston menekan crankshaft dengan berapa banyak gaya ketika engine berputar pada rpm tertentu. Dan akhirnya gaya ini akan diteruskan ke roda, gaya impulsive dari sebuah kendaraan akan kecil jika engine torque kecil, gaya impulsive dari kendaraan akan tinggi jika engine torque tinggi. Besarnya gaya ledakan ditentukan oleh berbagai elemen, khususnya, ditentukan oleh jumlah udara yang masuk kedalam cylinder. Dengan jumlah udara yang banyak akan sangat memungkinkan sekali mendapatkan tenaga yang tinggi. Dengan mempertimbangkan hubungan antara jumlah udara yang masuk dan rpm engine, ketika engine berputaran rendah, pergerakan piston juga akan pelan dan jumlah udara yang masuk juga sedikit. Ketika berputar dengan kecepatan tinggi, pergerakan piston akan cepat dan jumlah udara yang masuk akan banyak. Akan tetapi, jika engine berkecepatan terlalu tinggi, maka kemungkinan intake valve menutup sebelum udara belum maduk sepenuhnya kedalam cylinder. Dalam hal ini, jumlah udara yang masuk dalam setiap langkah (volumetric efficiency) akan menurun. Karena itu kurva dari engine 116


Engine Principles torque memuncak. Sebagai contoh, perbandingkan antara engine torque pada rpm 2500 dan rpm 5000 maka akan didapatkan performa yang terbaik pada rpm 2500 akan tetapi tidak baik pada rpm 5000.

Sebaliknya, engine pada rpm 5000 akan mempunyai performa yang baik pada kecepatan tinggi tetapi pada kecepatan rendah performanya jelek. Sehingga karakter dari engine adalah berbeda jika dilihat dari contoh diatas meskipun mempunyai maksimum torque yang sama. 5. To enhance Power Engine power adalah jumlah kerja dalam waktu tertentu. Engine power dapat dinaikan setinggi volume cylinder, combustion force tinggi dan rpm tinggi. Ukuran engine size dapat diketahui dari displacement volume ( CC ). cylinder displacement volume ( cc ) adalah jumlah gas yang dikeluarkan dari cylinder tertentu selama piston bergerak dari BDC to TDC. Total displacement volume ( cc ) adalah jumlah dari volume semua cylinder. Cylinder displacement volume dihitung dengan mengalikan cross sectional area by the stroke of the cylinder. Dengan nilai satuannya adalah cc atau

Ketika jumlah total cc nya lebih besar maka tenaga yang dihasilkan jujga besar. Untuk membandingkan performa engine, dipakai PS/ 36 EHUDUWL EDQ\DNQ\D KRVH SRZHU yangdihasilkan dalam 1 GDUL FF XQWXN NHQGDUDDQ SHQXPSDQJ SDGD GDVDUQ\D PHPSXQ\DL cylinder yang mempunyai PS/ OHELKEHVDUNDUHQDGHQJDQF\OLQGHU\DQJEDQ\DNDNDQGLKDVLONDQ volumetric efficiency lebih tinggi. Akan tetapi dtrukturnya akan lebih komplek dan biayanya mahal.

Gaya tekan pada piston di hitung dengan membagi jumlah kerja per putaran dengan besarnya cc. dengan perhitungan ini, tekanan pada piston adalah tekanan. Akan tetapi tekanan pada piston selalu berubah tergantung pada posisi piston dan langkah. Sehingga untuk perhitungannya dipakai pressure per cycle. Disebut juga effective pressure, tekanan rata rata pada cylinder. Untuk meningkatkan engine power, tiga elemen utama termasuk didalamnya tota cc, effective pressure, dan rpm harus ditingkatkan. Kerja mesin dalamwaktu tertentu harus ditingkatkan dengan meningkatkan rpm. Dengan menentukan total displacement volume dari engine ( cc ), yang berarti juga meningkatkan effective pressure dan mengatasi rpm rendah adalah point utama untuk mengembangkan engine untuk meningkatkan powernya.

117


Engine Principles

Methods for increasing of maximum power Method

Item Increasing compression ratio Increasing combustion pressure High combustion speed

Increasing mean piston effectivepressure

Good shape of combustion chamber High heat efficiency Small Surface/Volumn ratio of combustion chamber Proper ignition timing Proper location of spark plug Place the duct for taking cold air

Low intake air temperature

Heatproof air duct and manifold Duct layout for heat proof Utilize intercooler

Increasing intake pressure

Utilize turbocharger or supercharger Multi valve

Increasing charging efficiency

Increase inner diameter for intake and exhaust Reduce resistance for intake and exhaust

Increase radius of curvature Smooth inner surface Proper capacity of surge tank Reduce back pressure Wide cam nose

Valve system

Increase valve overlap Proper valve timing

Using inertia energy & pulsation

Variable intake system Proper length of manifold Multi valve Multi cylinder

Reduce intake air speed

Short stroke Increase valve diameter Wide cam nose

Increasing rpm limit

Increase valve lift Reduce inertia mass of moving parts Reduce piston mean speed

Light weight of valve system Light weight of main moving parts Double over head camshaft, twine cam Short stroke

118


Engine Principles 6. S/B Ratio & Output

Besarnya displacement volume dari cylinder dihitung dengan mengalikan penampang cylinder dan langkah cylinder. Penampang cylinder dihitung berdasarkan diameter cylinder (Bore). Sehingga yang menjadi faktor utama displacement adalah Bore dan Stroke. Bore dan stroke kemungkinan berbeda pada tiap tiap engine meskipun jumlah cylindernya dan mempunyai cylinder displacement sama. Karena itu pada beberapa engine mempunyai cylinder yang thin dan long, pada engine lain mempunyai cylinder yang fat dan short. Perbandingan antara panjang langkah dan diameter bore disebut perbandingan Stroke/Bore.

Untuk kendaraan penumpang, Stroke/Bore (S/B) ratio adalah sekitar 0.7-1.3. S/B ratio kurang dari 1, stroke lebih kecil dari bore, disebut Short Stroke. S/B ratio lebih dari 1, dimana stroke nya lebih besar dibanding bore disebut Long Stroke. Jika S/B ratio hanya 1, dimana stroke sama dengan diameter bore, disebut Square. Dengan displacement volumeyang sama, engine dengan Short Stroke mempunyai potensi yang besar untuk mencapai power yang tinggi karena dengan bore engine yang besar dapat membuat diameter valve yang besar san dapat membuat rpmengine yang tinggi tanpa meningkatkan kecepatan piston. Yang utama mengenai bore. Jumlah gas akan banyak jika diameter dan jarakpembukaan valve 119


Engine Principles juga besar. Dengan jumlah gas yang besar, hal ini akan memungkinkan sekali untuk mendapatkan tenaga yang besar karena gasoline yang terbakar makin banyak. Selain itu, jika diameter valvenya besar, untuk jumlah gas yang sama, maka jarak pembukaaan valve nya dapat dibuat lebih kecil. Sehingga pergerakan valve akan kecil pada kecepatan tinggi. Bagaimanapun juga, diameter valve yang besar dibutuhkan diameter intake port yang besar pula, intake port engine yang besar tidak dapat mengalirkan gas masuk dengan cepat, pada pembakaran denga kecepatan rendah mungkin akan menurun. Selanjutnya, dengan mempertimbangkan kecepatan piston. Dengan rpm engine yang sama, piston pada tipe long stroke harus mempunyau kecepatan yang sama dengan piston dengan tipe short stroke. Kecepatan piston juga terbatas. Ketika pistonbergerakdenga kecepatan tinggi, lubricant oil mungkintidak dapat bekerjadengan baik, atau inertia force daripiston akan tinggi. Rpm untuk short stroke engine dapat lebih ditingkatkan daripada long stroke engine, jika kecepatan piston pada beberapa engine terbatas. Akhir akhir ini, batas kecepatan rata rata dari piston adalah sekitar 15-22m per detik.

Pada umumnya, untuk engine yang berkecepatan dan output yang tinggi seperti pada kendaraan sport memakai tipe Short Stroke atau tipe S/B ratio Square, mesin untuk kendaraan komersial memakai tipe Long Stroke untuk meningkatkan torque juga speed. 7. Compression Ratio & Output

Pada penjelasan sebelumnya, power dapat ditingkatkan dengan meningkatkan udara yang masuk dan rpm. Juga terdapat satu metode lagi yaitu compression ratio.

120


Engine Principles Ketika piston berada pada TDC, ruang antara piston dan cylinder head termasuk intake-exhaust vlaves adalah merupakan ruang bakar. Compression ratio adalah volume cylinder dibagi dengan volume compression chamber. Cylinder volume adalah total volume dari compression chamber volume dan displacement cylinder. Compression ratio menggambarkan banyaknya campuran yang masuk dan dikompresikan. Compression ratio pada data kendaraan adalah nilai yang diperhitungkan secara teori. Biasanya, antara 9 - 10 untuk gasoline engine normal dan sekitar 12 - 13 untuk racing engine. Pada compression ratio yang tinggi, campuran bahan bakar akan terkompresi dengan kuat. Sehingga temperaturnya akan tinggi san pembakaran akan terjadi dengan waktu yang singkat. Kemudian tekanan dari pembakaran akan tinggi, torque dan power juga akan tinggi. Kemudian, pada langkah combustion, expansion ratio juga tinggi, sehingga exhaust gas tidak bertemperatur terlalu tinggi. Akibatnya fuel efficiency akan baik. Bagaimanapun juga, jika compression ratio terlalu tinggi, pada engine dapat dengan mudah terjadi pembakaran yang tidak normal yang mengakibatkan knocking. Sehingga dibatasi. Knocking berhubungan dengan temperatur campuran, aliran bahan bakar, temperatur dinding ruang bakar juga compression ratio. Sehingga untuk meningkatkan compression ratio harus diikuti dengan cooling system pada masing masing cylinder head yang baik. Selanjutnya, engine harus mempunyai kekuatan dan daya tahan terhadap compression ratio yang tinggi. Engine dengan high performance harus dirancang dengan hati hati. Terdapat compression ratio berdasarkan teori juga aktual. Compression ratio aktual mengindikasikan banyaknya udara masuk yang terkompresi secara aktual. Sebagai contoh, didalam langkah intake, jika udara yang msuk tidak cukup, maka actual compression ratio kurang dari theoretical ratio. Pada turbo engine, jika pada boost tekanannya 1atm, maka actual compression ratio akan lebih besar dua kalinya. Sehingga actual compression ratio adalah merupakan faktor yang penting untuk meningkatkan power. Knocking dipengaruhi oleh actual compression ratio. 8. Increasing power by High rpm (rpm limit) Untuk membuat tenaga yang kuat pada engine, jumlah bahan bakar untuk pembakaran diperbanyak. Meskipun jumlah bahan bakar meningkat, jika jumlah udaranya tidak meningkat maka hal itu tidak akan berarti. Karena itu untuk meningkatkan tenaga yang tinggi pada engine jumlah udaranya harus ditambahkan. Kecepatan aliran udara pada intake port ditentukan oleh jumlah udara yang masuk melalui cross sectional area. Jumlah udara yang masuk akan meningkat dengan meningkatkan rpm engine, sehingga tenaga yang dihasilkan oleh engine sesuai dengan rpm nya. Hambatan pada aliran udara akan meningkat saat alirannya cepat. Dengan memperbesar duct atau volume air cleaner, hambatan aliran udara dapat dikurangi. Tetapi hambatan disekitar valve tidak dapat terkontrol. Sehingga dengan rpm tertentu, tenaga tidak dapat ditingkatkan lagi. Karenaitu untuk mendapatkan high output pada high speed, kecepatan udara yang masuk harus berkurang saat high speed. Untuk mencapai hal itu maka dipakai beberapa metode. 1 Menambah jumlah cylinder ; dengan total displacement volume yang sama, jika jumlah cylinder bertambah, maka diameter cylinder akan berkurang dan kemudian diameter valve juga berkurang. Sehingga flow velocity akan berkurang. 2 Menambah jumlah intake valve: dengan alasan yang sama seperti penjelasan diatas, flow velocity dari udara akan berkurang disekitar intake valve.

121


Engine Principles 3 Memperbesar tinggi pembukaan intake valve dan memperpanjang waktu pembukaannya : waktu pembukaan intake valve kurang lebih 240° selama sudut putaran crankshaft. Pada racing engine, kira kira 280-320°.

4 Mendesain SHORT STROKE: dengan displacement volume yang sama, SHORT STROKE membuat valve lebih besar. Sehingga, lokasi yang terbuka juga lebar dan kemudian kecepatan aliran udara akan menjadi pelan. Jika kecepatan udara yang masuk cukup pelan, engine rpm dapat lebih meningkat untuk membuat powernya lebih meningkat. Jika engine rpm meningkat, engine harus dapat menahan rpm tinggi. Karena itu engine harus lebih kuat untuk mendapatkan rpm yang tinggi. Umumnya, engine harus lebih ringan untuk mengurangi inertia force, dan meningkatkan kekuatan pada body dan parts pada engine. 9. Transient Characteristic & Response

Engine yang bukan merupakan high performance engine akan manghasilkan torque yang besar akan tetapi responnya pelan. Performa acceleration atau respon dari engine dapat dipengaruhi oleh berat kendaraan atau gear ratio. Ketika driving condition berubah, kondisi ditengah tengah sebelum dan sesudah disebut transient atau partial state. Keadaan engine pada saat partial state disebut transient characteristic engine. Transient characteristic adalah dasarnya berhubungan dengan perubahan rpm dan inertia force. Hal penting yang berpengaruh terhadap respon adalah beratnya bagian bagian engine yang berputar dan kemapuan perubahan air/fuel ketila cceleration.

122


Engine Principles Untuk mengurangi inertia force dari komponen yang berputar pada engine, komponen tersebut harus dibuat seringan mungkin. Pada engine jenis fuel injection, intake collector (surge tank) bervolume sama dengan total displacement volume. Ketika pedal accelerasi ditekan untuk membuka throttle valve, kemudian udara tidak bisa masuk kedalam manifold segera karena adanya inertia force udara. Karena itu, gerakan pertama dari engine torque akan ditunda. Untuk mengatasi masalah ini, jika volume dari collector (surge tank) meningkat, maka engine output harus meningkat.

Pada beberapa fuel system, gasoline mungkin tidak mengalir dengan halus karena gasoline di semprotkan dari injector. Dalam hal ini, ketika throttle valve membuka dengan cepat, campurannya akan kurus dan kemudian torque engine akan terlambat. Untuk mengatasinya, dipakai metode yang mana pada injector tertentu jumlahnya meningkat dengan tepat pada saat itu. 10. Cylinder Array & Performance ada tiga metode dalam penyusunan cylinder, in-line type, V-type, dan opposed type. Apakah hubungan antara susunan cylinder tersebut dengan engine performance?

Pada in-line type engine cylinder nya disusun secara sejajar. Dari mulai 2-cylinder type hingga 6-cylinder type. Pada in-line type, susunan cylinder block nya sangan sederhana dan cylinder 123


Engine Principles headnya hanya satu komponen sehingga engine seharusnya lebih ringan dan compact. Type ini banyak dipakai pada commercial car hingga racing car.

Pada in-line type engine, umumnya, jumlah cylindernya adalah 4 buah jika displacement volumenya kurang atau sama dengan 2 -XPODK F\OLQGHU DWDX OHELK MLND GLVSODFHPHQW volumenya lebih dari 2 NXUDQJGDUL SDGDHQJLQHGHQJDQMXPODKF\OLQGHUGLVSODFHPHQW volumenya dari 1 KLQJJa 1.5 GLSDNDL SDGD NHQGDUDDQ FRPPHUFLDO GDQ MLND PHPSXQ\DL displacement volumenya lebih hingga 2 GLSDNDLXQWXNKLJKSHUIRUPDQFHSXUSRVHGFDU(QJLQH dengan displacement volume 2 SDGD XPXPQ\D GLEXDW -cylinder atau 6-cylinder. Pada 6-cylinder engine ruang bakarnya akan lebih kecil dan mudah dibuat SHORT STROKE. Sehingga akan didapatkan output maksimum yang besar.

Pada in-line 6-cylinder jenis engine nya lebih lebar sehingga dibutuhkan biaya yang tinggi. Akan tetapi ukurannya sesuai dengan performanya, dan dapat ditambahkan turbocharger dengan mudah. Sehingga dapat dipakai pada high performance engine. Selain itu, inertia force dari piston-crank sangat seimbang sehingga kelihatan baik dan anti-vibration. Akan tetapi, dalam pemasangannya pada ruang engine tipe FF akan lebih susah maka dari itu biasanya dipasang pada kendaraan tipe FR dengan arah memanjang. Jumlah cylinder 3 atau 5 sudah jarang dipakai pada tipe in-line. Dengan membagi 6-cylinder menjadi dua set yang masing masing terdiri dari 3-cylinder dan menyusunnya secara paralel dan berseberangan, panjangnya akan berkurang hampir setengah dari in-line dengan 6-cylinder disebut V-Type 6-cylinder engine. Karena diameter dari bore nya diperbesar maka akan didapatkan efisiensi intake – exhaust yang tinggi, mudah untuk mendapatkan power yang tinggi. Jika susut pengaturannya 60°, akan kelihatan seperti serial 6-cylinder engine. Dapat dipasang pada kendaraan tipe FF. Sehingga sangat memungkinkan untuk kendaraan dengan tipe FF untuk dirancang menjadi kendaraan dengan performa yang tinggi. V-type engine pada umumnya terdiri dari 6-cylinder. Dengan mengkombinasikan engine dengan 4-cylinder dan 6-cylinder, V8 dan V12 engines dapat dibuat dengan tepat. Pada umumnya terpasang pada kendaraan besar atau sport. Pada V6 engine penggunaannya tidak mudah karena lebih lebar dan berat. Opposed engine adalah sama seperti V-type engine dengan sudut kemiringannya 180°. Bagian pusat dari engine lebih rendah dibanding dengan bagian lain. 11. Fuel Consumption Ratio

Fuel efficiency pada engine ditunjukan dengan fuel consumption rate. Jumlah fuel consumption selama pengendaraan akan berubah tergantung pada keadaannya. Dalam kondisi dengan performa dinamis, dapat diukur dengan memakai dynamometer untuk membandingkan dengan engine yang lain, maka jumlah konsumsi bahan bakarnya akan dapat diketahui. Maka dari itu, fuel consumption rate diketahui dari jumlah fuel consumption per work, dan satuannya adalah g/PS· h. Asumsinya ketika engine berputar dengan kecepatan 3000rpm pada dynamometer, engine outputs 55PS, dan dalam waktu 1 jam dipakai gasoline sebanyak 11kg 124


Engine Principles maka fuel consumption ratenya adalah sekitar 220g/PS· h. Jika ditunjukan menggunakan grafik fuel fuel consumption rate pada kurva engine performance, maka besarnya fuel consumption rate lebih minimum dibandingkan dengan jumlah bahan bakar pada rpm tertentu. Fuel consumption sesungguhnya harus diukur pada pengendaraan yang sesungguhnya pada kendaraan. Pada umunya diindikasikan dalam owners manual fuel consumptionnya rata rata antara 10-15 dan dalam kecepatan rata rata 60km/h. Disini, nilainya tergantung pada kondisi mesin itu sendiri. Untuk mengurangi fuel consumption rate, bahan bakar yang digunakan sedikit mungkindan panas yang diperoleh karena pembakaran dapat dirubah menjadi energi gerak. Sehingga, berhubungan dengan efisiensi panas. Sebagai contoh, campuran bahan bakar harus dibakar dengan temperatur dan tekanan yang tinggi, dengan sempurna dan secepat mungkin. Dan kehilangan panas pada exhaust gas dan dinding cylinder harus dapat dikurangi. Demikian juga dengan mechanical friction harus dikurangi. Untuk menghitung banyaknya panas yang digunakan oleh engine dari gasoline dimana penggolongannya berdasarkan pada element nya disebut heat balance

Untuk mengindikasikan keseimbangan panas ini digunakan heat balance graph. Pada umumnya dipakai untuk mengukur heat balance pada gasoline engine. Panas untuk output, kehilangan panas pada exhaust gas dan kehilangan panas pada cylinder wall adalah 30% secara terpisah, dan 10% untuk yang lainnya. Hingga kini, hampir efisiensi panas pada engine sekitar 35%, karena itu, dalam kondisi fuel consumption rate, kira kira 170g/PS· h. 12. Output & Fuel Efficiency sebagaimana jumlah udara meningkat untuk meningkatkan output engine, jumlah bahan bakar akan meningkat, sehingga efisiensi bahan bakar menurun. Akan tetapi jika campuran bahan bakar dan udara dapat terbakar dengan sempurna untuk meningkatkan heat efficiency maka high fuel efficiency dan juga output yang tinggi akan didapatkan. Ditambah lagi exhaust gas yang dikeluarkan kandungan elemen yang berbahaya juga akan berkurang. Engine heat efficiency adalah perbandingan heat capacity yang dipakai selama engine bekerja. Untuk meningkatkan heat efficiency, expansion gas nya harus sebesar mungkin, pada saat yang bersamaan; energi yang hilang harus sekecil mungkin. Energi yang hilang pada sebuah engine adalah karena cooling loss oleh sistim pendinginan, exhaust loss karena dikeluarkan melalui exhaust gas yang panas, dan intake-exhaust loss (pumping loss) dipakai untuk pengoperasian intake-exhaust. 125


Engine Principles Untuk meningkatkan heat efficiency dengan cara meningkatkan increasing expansion force dari pembakaran gas adalah berhubungan dengan meningkatkan jumlah campuran mixture dan untuk meningkatkan compression ratio. Untuk mengurangi cooling loss, temperature combustion chamber harus ditingkatkan. Dengan mengubah bentuk combustion chamber untuk meningkatkan compression ratio, temperatur ruang bakar akan meningkat pada langkah kompresi demikian juga knocking akan terhindar. Dengan kata lain, metode dengan menggunakan cooling water yang tinggi juga diperhatikan. Untuk mengurangi intake-exhaust loss (pumping loss), tabung intake-exhaust harus lebih pendek dan mempunyai bagian yang bengkok sedikit mungkin. Untuk meningkatkan aliran udara pada valve, diameter dari valve mungkin harus diperbesar atau jumlahnya ditambah. Akan tetapi, dalam hal ini, jika campuran bahan bakar mengalir terlalu pelan, atau jika struktur chamber terlalu rumit, maka heat efficiencinya akan menurun. Karena itu, dalam pembuatannya diperlukan kehati hatian. Sekali lagi, untuk meningkatkan heat efficiency, harus diperhatikan bahwa friction loss akan terjadi ketika piston bergerak. Mechanical energy loss pada saat menggunakan tambahan alat harus dikurangi

13. Fuel Efficiency of Vehicle

Meskipun fuel consumption rate mengindikasikan engine fuel efficiency, nilainya tidak mutlak merupakan fuel efficiency sebuah kendaraan. Dengan engine yang sama, fuel efficienci 126


Engine Principles mungkin berbeda tergantung pada pemasangan mesin itu sendiri apakah dipakai pada kendaraan berat dan besar atau dipasang pada kendaraan ringan dan kecil. Dengan membandingkan satu kasus pada kendaraan dengan small engine mempunyai good fuel efficiency dan pada kasus lain sebuah kendaraan dengan large engine mempunyai bad fuel efficiency tetapi high power, fuel efisiensi yang sesungguhnya akan berubah tergantung driving condition. Sebagai contoh, jika kendaraan biasa dipakai pada kecepatan rendah, maka akan lebih efektif jika displacement volumenya kecil. Jika kendaraan biasa dipakai untuk kecepatan tinggi atau tenaga yang besar maka akan lebih efektif jika enginnya mempunyai displacement volume yang besar. Untuk membandingkan fuel efficiency diantara beberapa engine, dibutuhkan cara yang lebih spesifik. Cara yang lebih spesifik artinya metode dan kondisi pengetesannya lebih spesifik. Ada bermacam cara pengetesan yang dilakukan, antara lain 10-15 mode running fuel consumption, 60km/h steady fuel consumption, FTP 75 mode dan lainnya.

Intuk mengetahui fuel consumption rate, untuk engine saja, dipakai satuan g/PS-h, sedangkan satuan km/ DGDODK XQWXN PHQJLQGLNDVLNDQ EHUDSD MDXK NHQGDUDDQ GDSDW PHQHPSXK MDUDN dengan bahan bakar 1

10-15 mode fuel efficiency adalah diambil dengan membagi jarak yang ditempuh dengan jumlah bahan bakar yang digunakan, kendaraan di test dengan menggunakan dynamometer berdasarkan kondisi perputaran idle PXODLGLDNVHOHUDVL EHUMDODQGHQJDQNHFHSDWDQ konstan GHFHOHUDWLRQ'DKXOXNHFHSDWDQ\DQJGLSDNDLDGDODKNPKWHWDSLXQWXNNHDGDDQ dengan kemacetan seperti sekarang ini sudah tidak cocok lagi. Sekarang kecepatan maksimumnya di set 70km/h, dan ditambahkan 15 mode.

:

:

:

60km/h steady fuel efficiency diambil dengan cara menghitung numlah bahan bakar yang dipakai jika kendaraan berjalan dengan kecepatan tetap 60km/h, dengan penumpang dan bagasi penuh pada kondisi jalan mendatar bebatuan tanpa angin. Pada umumnya, nilai ini diukur pada keadaan yang ideal sesuai dengan pembuatnya sebagai sarak untuk pemerintah. Nilai aktualnya kurang dari nilai yang diperoleh. 14. Vibration of Engine

127


Engine Principles

ada berbagai sumber yang bisa menyebabkan getaran pada engine. Tiga faktor utama adalah pertama, dari pembakaran pada engine, yang lain dari inertia force komponen yang berputar dan gerak pada sistim dinamis seperti piston, connecting rod, crankshaft, dan lainnya. Getaran dari engine besarnya sama dengan tekanan dari pembakaran itu sendiri. dan, engine dengan compression ratio dan performance yang tinggi akan menghasilkan lebih banyak noise. Vibration oleh turbo engine 20~50% lebih noise dibandingkan dengan NA engine. Dalam hal ini, dipakai beberapa komponen utnuk meredam noise, dan dipasang perangkat tambahan pada beberapa bagian untuk mengurangi pengaruh vibration. Selain dari itu, dengan mengubah posisi engine mounting atau mengadopsi vibration absorber dengan menggunakan mounting, vibration tidak dapat diteruskan ke body secara langsung.

Inertia force adalah salah satu penyabab terjadinya vibration. Ketika piston bergerak dari titik atas menuju titik bawah dengan kecepatan yang berbeda. Crankshaft membuat gelombang vibration dan inertia force dari putaran crank pin. Connecting rod membuat inertia force dari gerakan kombinasi naik turun dan berputar. Pada multi cylinder engine, pistons tersambung ke crankshaft, sehingga masing masing inertia akan saling menunda. Hal ini sangatlah rumit dengan jumlah cylinders, susunannya dan waktu pembakaran pada masing masing cylinder. Karena itu, dengan menggunakan counter weight, inertia force dapat diseimbangkan dengan total beratnya. Akan tetapi sangat sulit untuk bisa menyeimbangkan inertia force dengan sempurna. Inertia force akan berkurang ketika komponen dinamis seperti piston dan Connecting rod lebih ringan. Dengan displacement volume yang sama, engine dengan jumlah cylinder lebih banyak akan mempunyai sedikit inertia force karena komponennya lebih kecil dan ringan. Ketika inertia force kecil, kemungkinan terjadinya vibration akan sedikit dan dapat berputar pada kecepatan tinggi dengan kekuatan yang sama. Dengan komponen yang lebih ringan, inertia force pada masing masing komponen akan kecil. Dengan rpm yang sama, kekuatan dari komponen tersebut tidak akan dapat tahan lama. 128


Engine Principles Umumnya, komponen yang kurang kuat lebih ringan dibanding dengan komponen yang lebih kuat. Untuk menciptakan komponen lebih ringan adalah merupakan suatu yang penting untuk meningkatkan performa juga mencegah dari vibration. 15. Noise of Engine

Noises berasal dari noise karena pembakaran dan suara mekanis. Suara yang berasal dari mekanis karena adanya gesekan antar komponen. Ketika engine berputar dengan cepat, noise yang ditimbulkan semakin keras. Ketika pengendara memindahkan kecepatan naik atau turun, pada dasarnya pengendara memilih gear yang tepat dengan engine noise. Sehingga, suara dari engine membantu pengendara dalam pengendaraan. Karena itu suara dari engine harus ada tetapi tidak menimbulkan noise. Mechanical noise terjadi kerena vibration pada cylinder dan cylinder head karena combustion force. Ketika jumlah campuran bahan bakar meningkat atau tekanan pembakaran menjadi tinggi, maka noise akan semakin keras. Seseorang mungkin merasakan pada turbo engine noise yang ditimbulkan lebih kecil dibanding dengan NA engine. Alasannya adalah turbine merendam energy exhaust dan variasi tekanan pembakaran kecil. Mechanical sounds berasal dari gesekan dan tumbukan dynamic parts seperti gear, chain, dan valves. Sebagai contoh, cam menumbuk valve lifter, rocker arm dan camshaft menumbuk valve, valve bertumbukan dengan valve seat dan seterusnya.

Resonansi noise dari vibration lebih besar dibanding dengan mechanical noise langsung. Sehingga, penyebab dari noise karena engine tidak dapat ditemukan dengan pasti. Bagaimanapun, jika terjadi noise maka hal tersebut tidak baik karena beberapa part dari engine bertabrakan satu dengan yang lainnya dan hal ini tidak baik untuk ketahanan komponen. Jika terdeteksi noise yang tidak normal, silakhan check sistimnya secepat mungkin. 129


Engine Principles Jika dibandingkan noise yang ditimbulkan oleh combustion dengan mechanical, pada kecepatan rendah, noise yang ditimbulkan oleh combution lebih keras. Jika rpm nya melebihi 3000rpm, inertial force nya akan lebih besar dan mechanical noise akan besar. Noise dari engine room akan diredam dengan memasang absorbing materials dibawah hood dan didepan dashboard, mengelilingi engine room dan cabin. Bahan yang bisa dipakai untuk meredam noise adalah glass wool, felt dan lainnya.

130


Engine Principles. Prinsip Dasar Engine. 1 Training Material & Publication

Recommend Documents