surging pada turbo ardiansyah ab

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 Training Material & Publication

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 buston i

HeatG ener i aton

Ai Expansi r onCara 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. 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

Pr essur G ener i e aton

Pi on M ovem ent st

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 Training Material & Publication

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 Training Material & Publication

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 Training Material & Publication

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 Training Material & Publication

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 Training Material & Publication

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 1/10002/1000 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 Training Material & Publication

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 7007000 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 1620 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 parts1. 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 1015% dari total berat kendaraan. Dimana 1520% 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 Training Material & Publication

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 3040 microns (0.030.04mm) 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 Training Material & Publication

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 Training Material & Publication

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 Training Material & Publication

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 Training Material & Publication

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 Training Material & Publication

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 Head1. 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 Training Material & Publication

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 Training Material & Publication

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 Training Material & Publication

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 7585. 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 Training Material & Publication

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 Training Material & Publication

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 System1. 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 Training Material & Publication

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 Training Material & Publication

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 fr

surging pada turbo ardiansyah ab

Documents