CHAPTER 1-Part 1

Tipe Mesin dan Karakternya

Share to

  • 3
    Shares

Tipe Mesin dan Karakternya

Daftar Isi

Setelah membaca artikel "Tipe Mesin dan Karakternya" ini, pembaca dapat mengenal sejarah mesin mobil, apa saja yang menjadi faktor peningkat efisiensi mesin, cara kerja mesin mobil dan masih banyak lagi!

1.1 Pengenalan dan Sejarah Singkat

Tujuan mesin pembakaran dalam adalah memroduksi Daya Mekanis yang diperoleh dari Energi Kimia yang terkandung dalam bahan bakar. Pada mesin pembakaran dalam, berbeda dengan mesin pembakaran luar, sebuah energi dihasilkan dengan membakar atau mengoksidasi bahan bakar "di dalam" mesin itu sendiri. Campuran bahan bakar-udara sebelum proses pembakaran (disebut "charge") dan gas-gas hasil pembakaran adalah dua bahan (working fluid) yang menjadi pokok bahasan ilmu permesinan.

Transfer usaha yang akhirnya menghasilkan Daya Mekanis dipengaruhi oleh kedua working fluid tadi dengan komponen mekanis dari sebuah mesin. Karena sebagian besar mobil di Indonesia masih menggunakan bensin dan solar, maka kedua bahasan inilah yang menjadi topik utama.

Banyak mesin kalor (heat engine) sudah beroperasi sejak 200 tahun silam. Pada 150 tahun awal, bahan bakar harus dibakar untuk memanaskan air sehingga menjadi uap dan uap inilah yang kemudian dipakai untuk menghasilkan Daya Mekanis. Sampai pada akhirnya tahun 1860an mesin pembakaran dalam benar-benar berfungsi dengan praktis.

Adalah sebuah penemuan yang cukup sukses pada tahun 1867 oleh Nicolaus A. Otto dan Eugen Langen dimana sebuah mesin mampu meningkatkan tekanan akibat proses pembakaran charge sedemikian hingga mesin ini cukup efisien; efisiensi termis sekitar 11 persen, dibanding pendahulunya. Mesin ini pernah diproduksi sekitar 5000 unit pada jaman itu.

Otto sadar bahwa efisiensi termis 11 persen ini tidaklah bagus, sehingga beliau menciptakan mesin dengan 4 langkah piston (mesin 4 tak) dimana keempat langkah itu berturut-turut adalah: langkah hisap, langkah kompresi, langkah ekspansi atau langkah daya dan langkah buang.

Beliau juga menyarankan penggunaan stratified charge dalam mesin walaupun pada jaman itu sistem demikian masih tergolong tidak praktis. Mesin buatan Otto pertama kali muncul pada tahun 1876. Mesin empat langkah piston ini sangat jauh lebih praktis daripada mesin-mesin pendahulunya. Pada akhir tahun 1890, sekitar 50 ribu unit terjual di Eropa dan Amerika.

Pada tahun 1884, terdapat sebuah paten yang tidak dipublikasi. Paten ini menulis bahwa tahun 1862, Alphone Beau de Rochas juga menemukan dan merangkum prinsip mesin 4 langkah piston. Penemuan paten ini menjadi kontroversi dan orang-orang menganggap Otto adalah plagiat. Di Jerman, penemuan Otto dianggap tidak valid pada jaman itu.

4 Hal yang Mempengaruhi Efisiensi Mesin

Alphone Beau de Rochas mengungkapkan bahwa ada 4 syarat yang bisa meningkatkan efisiensi dari mesin pembakaran dalam, yaitu:
1. Seberapa besar sebuah ruang bakar mesin dengan luas permukaan sekecil mungkin
2. Seberapa cepat mesin itu bekerja
3. Seberapa besar rasio ekspansi
4. Seberapa besar tekanan pada awal langkah ekspansi

Dimana syarat pertama dan kedua berhubungan dengan energi sisa yang terbuang dalam bentuk panas (heat loss). Syarat ketiga menyimpulkan bahwa semakin besar ekspansi dari charge yang sudah dibakar makan semakin besar pula daya yang dihasilkan. Syarat keempat menyimpulkan bahwa semakin besar tekanan awal, maka tekanan pada saat langkah ekspansi juga besar, sehingga daya yang dihasilkan juga besar.

Sangat disayangkan bahwa Alphone Beau de Rochas tidak mengangkat paten ini ke kancah internasional sehingga Otto lah yang kita kenal sebagai penemu mesin pembakaran dalam. Sampai saat ini, tipe mesin dan karakter mesin Otto sangat dikenal sebagai mesin 4 tak.

Penemuan-penemuan lebih hebat terus bermunculan. Pada tahun 1880an beberapa insinyur seperti Dugald Clerk, James Robson, dan Karl Benz telah sukses menghasilkan mesin pembakaran dalam dengan dua langkah piston (mesin 2 tak) dimana langkah buang dan hisap terjadi pada akhir langkah ekspansi dan pada awal langkah kompresi.

James Atkinson dari Inggris juga membuat sebuah mesin dengan langkah ekspansi yang sangat panjang jika dibanding langkah kompresi. Mesin ini memang punya efisiensi tinggi, tetapi sangat rapuh secara konstruksi pada jaman itu. Beliau sangat paham bahwa Efisiensi Termis sangat bergantung pada rasio ekspansi dan sebenarnya juga bergantung pada rasio kompresi. Tetapi, pada jaman itu jika seseorang menaikkan rasio kompresi diatas 4:1, akan ada "ngelitik" (knocking) yang bisa menghancurkan mesin. Pada jaman sekarang, tipe mesin dan karakter mesin, serta prinsip mesin Atkinson sangat jarang ditemui.

Oleh karena itu, penemuan dan penelitian tentang sistem karburator dan sistem penyalaan busi (ignition) sangat diperlukan pada jaman itu, sampai pada akhirnya kedua sistem itu cukup praktis dan muncul mesin bensin pada tahun 1880an.

Pada tahun 1892, seorang bangsa Jerman bernama Rudolf Diesel mematenkan penemuan konsep mesinnya. Konsep yang beliau patenkan adalah mesin yang menggunakan injeksi bahan bakar kedalam udara yang sudah dipanaskan untuk memulai proses ignition. Konsep ini mampu meningkatkan Efisiensi Termis dua kali mesin bensin. Rasio ekspansinya besar, tanpa risiko knocking, itulah kelebihan mesin Diesel ini. Namun, butuh waktu 5 tahun sampai akhirnya mesin Diesel ini bisa beroperasi secara praktis.

Penemuan-penemuan mesin mobil terus berlanjut dari hari ke hari sampai akhirnya muncul sebuah mesin rotari pembakaran dalam. Meskipun setelah bertahun-tahun dilakukan penelitian tentan konsep mesin ini, mesin rotari pertama yang bisa berjalan secara praktis baru muncul pada tahun 1957. Mesin ini berlandaskan ide dari ilmuwan Jerman bernama Felix Wankel.

Bahan Bakar

Selain mesin itu sendiri, bahan bakar pun menjadi topik hangat di kalangan ilmuwan. Mesin-mesin pada jaman awal menggunakan gas untuk dibakar dan pada akhirnya menghasilkan Daya Mekanis. Suatu saat bensin dan beberapa jenis cairan bahan bakar lain yang lebih kecil rantai karbonnya bebas dijual di tahun 1800. Juga, sistem karburator semakin lama semakin canggih sehingga bisa dengan sukses menguapkan cairan bahan bakar sambil mencampur dengan udara.

Pada tahun 1907 sampai 1915 terjadi krisis minyak bumi sampai apa akhirnya William Burton dan rekan-rekannya menciptakan proses thermal cracking (refinery) atau proses kilang minyak. Bensin yang dihasilkan dari proses ini sangat populer di kalangan masyarakat pada saat itu.

Sementara itu bahan bakar lain yang populer di kalangan petani dan orang desa adalah minyak tanah. Minyak tanah digunakan untuk pemanas dan penerang ruangan. Bahkan sistem karburator juga bisa menguapkan minyak tanah.

Zat Aditif

Periode setelah Perang Dunia I menghasilkan sebuah pemahaman luar biasa tentang bagaimana bahan bakar bisa mempengaruhi pembakaran di dalam mesin, terutama efek knocking. Pada tahun 1923 di Amerika, sebuah perusahaan kendaraan bermotor mengumumkan penemuannya yang katanya bisa menghentikan knocking dengan menggunakan zat aditif tertentu.

Angka Oktan - Parameter Kualitas Bensin

Pada tahun 1930an akhir, Eugene Houdry menemukan bahwa bensin yang diproses dengan cara tertentu bisa menghasilkan kualitas tinggi daripada yang dihasilkan dari proses kilang minyak yang disebut sebelumnya. Kualitas bagus ini mampu meminimalkan knocking. Parameter yang menjelaskan seberapa bagus sebuah bensin berkaitan dengan ketahanan terhadap knocking sering dikenal dengan nama Octane Number (Angka Oktan).

Tantangan Baru - Konsumsi Bahan Bakar dan Emisi

Dalam 30 tahun terakhir, ilmuwan dihadapkan dengan tantangan baru di dunia otomotif: bagaimana agar mobil yang dikendarai semakin hemat bahan bakar dan tidak menghasilkan emisi yang membahayakan penduduk.

Kebisingan

Mesin pembakaran dalam juga penyebab utama kebisingan di perkotaan. Ada beberapa sumber kebisingan dari sebuah mesin:
1. Sistem gas buang
2. Sistem hisap udara
3. Sistem pendingin
4. Blok Mesin

Mungkin juga kebisingan ini disebabkan oleh efek aerodinamis mobil, pembakaran dalam mesin, ataupun efek dari suhu charge yang sulit diprediksi. Mulai tahun 1970, pemerintah di negara tertentu mengeluarkan aturan tentang batas kebisingan sebuah mobil. Tidak sedikit pemerintah yang harus mempelajari dahulu tipe mesin dan karakternya sebelum diproduksi masal.

Tahun 2020 ke atas - Mesin Bensin dan Diesel Masih Relevan?

Masuknya mesin listrik di dunia otomotif membuat para ahli resah. Apakah nasib mesin bensin dan diesel cuma sampai di sini? Apakah ilmu transfer panas, mekanika fluida, dinamika piston dan gear, dan tekanan injektor akan mati begitu saja?

Hal demikian TIDAK akan terjadi. Penelitian tentang efisiensi, daya, dan emisi mesin mobil terus diperbincangkan di dunia perkuliahan dan laboratorium. Jurnal-jurnal pendidikan juga masih terus membahas mesin berbahan bakar minyak bumi ini. Banyak hal-hal lain yang membuat mesin lsitrik masih sangat jauh dari kata "maju". Lagipula, tipe mesin dan karakter mobil listrik masih dalam tahap percobaan.

1.2 Klasifikasi Mesin

Ada banyak tipe mesin dan karakternya dan mereka bisa diklasifikasikan berdasarkan:

1. Aplikasi

Mobil, truk, kereta api uap, pesawat kecil, kapal, genset, dan pembangkit listrik

2. Desain Dasar

Mesin piston maju mundur (reciprocating): terbagi lagi menjadi in-line, V, radial, bertolak belakang;
Mesin Rotari.

3. Langkah Piston

Mesin 4 langkah piston (mesin 4 tak): nafas alamiah (chargenya bertekanan atmosfir), supercharged (chargenya sudah sedikit diberi tekanan), dan turbocharged (chargenya diberi tekanan dengan bantuan turbin buang);
Mesin 2 langkah piston (mesin 2 tak): bilas (scavenged), supercharged dan turbocharged

4. Desain dan Lokasi Katup Hisap dan Buang

Katup overhead (atau I-head), katup underhead (atau L-head), katup rotari, katup bilas silang (cross-scavenged), katup bilas lingkar (loop-scavenged), katup bilas tembus (uniflow scavenged)

5. Bahan Bakar

Bensin, diesel, gas alam, LPG, alkohol, hidrogen, campuran dua bahan bakar

6. Metode Persiapan Charge

Mesin dengan sistem karburator, mesin dengan sistem injeksi di manifold hisap, mesin dengan sistem injeksi di dalam ruang bakar

7. Metode Ignition

Percikan busi (spark ignition), pembakaran kompresi (compression ignition)

8. Desain Ruang Bakar

Ruang bakar terbuka, ruang bakar terbagi

9. Metode Pengaturan Beban Charge

Mencekik (throttling) campuran udara-bahan bakar secara bersamaan (sehingga komposisi tetap sama), mencekik hanya bahan bakar, dan mencekik hanya udara

10. Metode Pendinginan

Pendinginan dengan air (water cooled), pendinginan dengan udara (air cooled), pendinginan secara alamiah tanpa air ataupun udara

Tipe Mesin dan Karakternya ini sangat penting karena mereka mengilustrasikan seberapa luasnya desain mesin mobil di dunia ini. Karena begitu luasnya bahasan yang harus dibahas jika ingin mengupas tuntas semuanya, maka hanya dasar-dasar dan desain mesin umum saja yang akan dibahas.

Tabel 1 - Klasifikasi Mesin Reciprocating Berdasarkan Aplikasi

Golongan Jenis Perkiraan Daya Mesin, kW Spark Ignited (SI) / Compression Ignited (CI) Langkah Piston Pendinginan
Kendaraan jalan raya
Sepeda motor bebek, scooter
0.75 - 70
SI
2, 4
Udara
Mobil sedan
15-75
SI
4
Udara, air
Mobil SUV
75-200
SI, CI
4
Air
Mobil Van
120-400
CI
4
Air
Kendaraan bukan jalan raya
Kendaraan di pabrik, bandara, dll
1.5-15
SI
2, 4
Udara, air
Kendaraan pertanian
3-150
SI, CI
2, 4
Udara, air
Kendaraan konstruksi
40-750
CI
2, 4
Air
Kendaraan militer
40-2000
CI
2, 4
Udara, air
Kendaraan rel
Kereta penumpang kecil
150-400
CI
2, 4
Air
Kereta api
400-3000
CI
2, 4
Air
Kendaraan laut
Jetski dan motorboat (mesin outboard)
0.4-75
SI
2
Air
Jetski dan motorboat (mesin inboard)
4-750
SI, CI
4
Air
Kapal perang kecil
30-2200
CI
2, 4
Air
Kapal
3500-22000
CI
2, 4
Air
Kendaraan udara
Pesawat terbang
45-2700
SI
4
Udara
Helikopter
45-1500
SI
4
Udara
Kendaraan ladang
Pomotong rumput
0.7-3
SI
2, 4
Udara
Penyapu salju
2-5
SI
2, 4
Udara
Traktor kecil
2-8
SI
4
Udara
Mesin statis
Pembangkit listrik
35-22000
SI
2, 4
Air

1.3 Siklus Kerja Mesin - Langkah Kerja Piston

Pokok bahasan utama di Bravo Motor Blog adalah mesin reciprocating atau juga dikenal dengan istilah "motor bakar torak".

"Motor bakar torak adalah sebuah mekanisme / alat / mesin yang mengubah energi kimia dari bahan bakar menjadi Daya Mekanis melalui gerakan maju-mundur (reciprocating) piston / torak yang kemudian ditransfer melalui stang seher (connecting rod), mekanisme engkol (crank mechanism), dan akhirnya ke gardan (driving shaft).

Bagaimana piston ini bergerak maju-mundur?

Piston (piston-piston) ini bergerak maju-mundur di dalam ruang bakar. Pada dasarnya terdapat dua jenis siklus kerja motor bakar torak: mesin 4 langkah piston (4 tak) dan mesin 2 langkah piston (2 tak).

Mesin 4 langkah piston,seperti yang diindikasi oleh namanya, memiliki 4 langkah piston dimana keempat langkah itu berturut-turut adalah: langkah hisap (intake), langkah kompresi (compression), langkah ekspansi atau langkah daya (expansion / power / combustion) dan langkah buang (exhaust).

Sedangkan mesin 2 langkah piston langkah buang dan hisap terjadi pada akhir langkah ekspansi dan pada awal langkah kompresi.

Mekanisme engkol terdiri dari poros engkol (crankshaft) yang dibentuk sedemikian hingga agar gaya inersia terus berjalan sehingga gerakan berputar dapat terus terjadi."

Terdapat dua posisi piston yang merupakan pokok bahasan utama, yaitu: Top Dead Center (TDC) dimana piston berada dipuncak ruang bakar (cylinder / combustion chamber) dan Bottom Dead Center (BDC) dimana piston berada di dasar ruang bakar. TDC mengacu pada volume terkecil ruang bakar dan BDC sebaliknya. Volume terkecil ruang bakar (clearance volume) atau volume saat TDC disimbolkan dengan {V}_{c}. Sedangkan, Volume terbuang (displaced volume) {V}_{d} adalah selisih antara volume total {V}_{t} dan {V}_{c}. Perbandingan antara volume total dan volume terkecil {V}_{t}/{V}_{c} disebut dengan rasio kompresi (compression ratio) atau {r}_{c}. Mesin SI biasanya memiliki rasio kompresi sebesar 8 sampai 12 dan mesin CI sebesar 12 sampai 24. Stroke adalah 1 langkah piston sedangkan bore adalah diameter ruang bakar (kurang lebih sama dengan diameter piston).

Gambar 1.3.a - Geometri "Mesin Pembakaran Dalam" Reciprocating (sumber: Internal Combustion Engine Fundamentals)

1. Siklus Kerja Mesin 4 Langkah Piston (Tipe Mesin dan Karakter Mesin 4 Tak)

Seperti yang sudah sedikit diungkapkan di atas, kebanyakan mesin SI beroperasi dengan 4 langkah piston. Setiap ruang bakar (biasanya ada 4 ruang bakar di mobil jalan raya) butuh 4 langkah piston untuk menyelesaikan 1 siklus (4 langkah piston = 2 putaran poros engkol) yang menghasilkan daya. Gambar di bawah ini mengilustrasikan ke-4 langkah ini.

Gambar 1.1.b - Siklus Kerja Mesin 4 Langkah Piston (sumber: Internal Combustion Engine Fundamentals)

a. Langkah Hisap

Dimulai saat piston berada di TDC dan berakhir saat piston berada di BDC dimana pada langkah ini udara bersih (atau di mobil lama udara dan bensin) dihisap ke dalam ruang bakar. Agar masa charge yang masuk lebih banyak (ingat bahwa udara adalah fluida yang bisa dimampatkan), katup hisap harus dibuka sesaat sebelum langkah hisap dimulai dan sesaat sebelum langkah hisap berakhir.

b. Langkah Kompresi

Terjadi ketika katup hisap dan katup buang tertutup, dan charge terkompresi. Pada akhir langkah ini piston berada pada TDC dan volume ruang bakar adalah volume terkecil. Sesaat sebelum piston berada di TDC, terjadi pembakaran yang dimulai oleh percikan api dari busi. Pembakaran ini meningkatkan tekanan charge jauh lebih tinggi lagi.

c. Langkah Ekspansi

Adalah nama lain dari langkah daya. Dimulai dari piston berada di TDC dan berakhir di BDC. Pada saat piston berada di TDC, tekanan tinggi, suhu tinggi dari gas (istilah di sini sudah bukan udara ataupun charge lagi karena sudah terbakar) mendorong piston ke arah BDC yang akhirnya memutar poros engkol. Sesaat sebelum piston sampai di BDC, katup buang terbuka dan gas mulai terbuang ke sistem pembuangan.

d. Langkah Buang

Terjadi ketika piston menuju ke TDC. Di langkah ini gas hasil pembakaran perlahan-lahan menuju sistem pembuangan karena tekanan di ruang bakar jauh lebih tinggi dari tekanan di sistem pembuangan (ingat: zat pada tekanan tinggi selalu bergerak menuju tekanan rendah). Sesaat sebelum piston sampai di TDC, katup hisap terbuka dan siklus dimulai lagi dari awal.

Gambar 1.3.c - Animasi Mesin 4 langkah piston (sumber: HowStuffWorks)

2. Siklus Kerja Mesin 2 Langkah Piston (Tipe Mesin dan Karakter Mesin 2 Tak)

Penjelasan di atas sudah mengupas tuntas tipe mesin dan karakter mesin 4 langkah piston. Seperti yang dijelaskan di sejarah mesin di bagian atas halaman ini, mesin 2 tak diciptakan setelah mesin 4 tak dengan tujuan mengurangi langkah-langkah piston dan dicurigai menimbulkan kerugian mekanis. Mesin 2 langkah piston ini bisa diterapkan di mesin SI maupun CI.

Gambar di bawah menunjukkan konstruksi mesin 2 tak dimana terdapat katup hisap dan buang berada di sepanjang ruang bakar (berbeda dengan katup-katup mesin 4 tak yang biasanya berada di bagian puncak ruang bakar).

Gambar 1.3.d - Animasi Mesin 2 langkah piston (sumber: Quora)

a. Langkah Kompresi

Dimulai dengan tertutupnya katup hisap dan buang, lalu piston mengompresi charge di dalam ruang bakar bersamaan dengan menghisap udara ke dalam rumah engkol (crankcase) yang kemudian berjalan menuju ruang bakar. Udara yang tadinya bersih harus bercanpur dulu dengan oli yang berada di rumah engkol dan itulah mengapa di mesin 2 tak ini gas buangnya sangat kotor. Begitu piston sampai di TDC, pembakaran dimulai.

b. Langkah daya atau langkah ekspansi

Sama seperti yang ada di mesin 4 tak. Langkah daya terjadi ketika piston meluncur dari TDC ke BDC. Gas buang hasil pembakaran terbuang ke sistem buang akibat proses blowdown. Lalu siklus mulai dari dari awal. Kepala piston dan katup-katup mesin 2 tak harus dibentuk sedemikian rupa agar bisa menghambat udara masuk melompat secara langsung ke saluran sistem buang.

Inilah akhir dari Part 1 - Tipe Mesin dan Karakternya. Part 2 akan membahas komponen-komponen mesin yang umum ditemui.

Jangan lupa bagikan artikel "Tipe Mesin dan Karakternya" ini di media sosial kamu ya!​

0 0 vote
Article Rating
Subscribe
Notify of
guest
8 Comments
newest
oldest most voted
Inline Feedbacks
View all comments
Robby
Robby
1 month ago

Keren,, informasinya cukup lengkap dengan isi yang singkat dan jelas.

Peter Jonathan
Peter Jonathan
2 months ago

Mantap, baru kali ini nemu blog yang ngumpas tuntas tentang motor bakar dan aplikasinya

Keep sharing yaa.

Fandi Dwiputra Suprianto
Fandi Dwiputra Suprianto
2 months ago

Info yang sangat bermanfaat buat pecinta otomotif. Plus bisa jadi sumber referensi awal bagi mahasiswa TA

2 months ago

artikel menarik dan informatif lanjutkan boss

Post Terbaru

Tiga Pola Dasar Rotasi Ban

Menggilir posisi ban dengan pola rotasi ban tertentu mampu memperpanjang umur ban mobil dengan demikian menyetir akan lebih aman. Apa saja pola-pola itu?

Baca Lebih »