Apa yang Terjadi di Dalam Mesin Empat Langkah dalam Satu Detik?
Bagikan Halaman Ini
Dalam mesin empat langkah, satu detik adalah rangkaian mekanis yang padat: piston melakukan puluhan kali putaran penuh bolak-balik antara titik mati atas dan bawah, katup membuka dan menutup dengan waktu yang sempurna, dan pembakaran hanya menghasilkan kerja satu kali setiap dua putaran poros engkol. Hisap, kompresi, usaha, dan buang: setiap satu dari empat langkah ini sesuai dengan tepat 180 derajat poros engkol, dan semakin tinggi putaran mesin bekerja, semakin sempit satu langkah terjepit ke dalam pecahan detik yang kecil.
Sorotan
- Satu siklus lengkap 720°, atau dua putaran poros engkol; setiap langkah memakan 180°.
- Usaha hanya dihasilkan pada satu dari empat langkah: ada satu langkah usaha setiap 2 putaran.
- Busi biasanya memulai percikan sekitar 20° sudut engkol sebelum titik mati atas.
- Mesin pembakaran dalam hanya mengubah rata-rata 40-45% energi yang diberikan menjadi kerja mekanis.
- Pada mesin industri, kecepatan rata-rata piston dibatasi sekitar 10 m/s.
Cara Kerja Mesin Empat Langkah: Empat Langkah di Dalam Silinder
Semuanya dimulai dengan definisi "langkah": langkah adalah satu putaran penuh piston di sepanjang silinder ke arah mana pun. Ketika piston berada di posisi paling atas, ia berada di titik mati atas (TMA), dan ketika di posisi paling bawah, ia berada di titik mati bawah (TMB). Siklus empat langkah membentang di antara dua titik ini selama empat langkah dan dua putaran penuh poros engkol. Gerakan linear piston memutar poros engkol melalui batang penghubung; poros engkol berputar 720 derajat untuk seluruh empat langkah.
Peran katup dalam siklus ini sangat krusial. Katup hisap dan buang dikendalikan oleh poros nok (camshaft) yang berputar setengah kecepatan poros engkol. Rasio setengah kecepatan ini bukan kebetulan, melainkan keharusan: karena peristiwa katup harus terkunci pada sudut engkol, poros nok mengikuti setiap siklus dengan setengah putaran poros engkol.
1. Hisap: Menarik udara ke dalam dengan vakum parsial
Ketika piston mulai bergerak turun dari titik mati atas, katup hisap terbuka. Turunnya piston memperbesar volume silinder dan menciptakan vakum parsial di dalamnya, yaitu tekanan negatif. Perbedaan tekanan ini menarik campuran udara-bahan bakar ke dalam silinder. Langkah hisap adalah turunnya piston sepenuhnya dari TMA ke TMB dan mencakup 180 derajat pertama siklus.
2. Kompresi: Memadatkan energi
Di titik mati bawah, katup hisap menutup dan kompresi dimulai. Sekarang kedua katup tertutup; piston naik dan memampatkan campuran udara-bahan bakar ke dalam volume sempit ruang bakar. Kompresi memiliki dua fungsi: memungkinkan uap bahan bakar menguap lebih banyak dan melepaskan lebih banyak energi saat penyalaan. Energi yang dihabiskan untuk memampatkan hanya sekitar seperempat energi yang dihasilkan dalam pembakaran; artinya, investasinya menguntungkan.
Mengukur rasio kompresi adalah salah satu cara tercepat untuk memahami karakter mesin. Rentang umum pada mesin bensin adalah antara 6:1 dan 10:1; semakin tinggi rasio, semakin tinggi efisiensinya, tetapi risiko penyalaan mandiri bensin, yaitu ketukan (knocking), juga meningkat. Karena itu, angka oktan bensin adalah ukuran ketahanan terhadap penyalaan secara spontan: oktan yang lebih tinggi memungkinkan rasio kompresi yang lebih tinggi.
3. Usaha: Satu-satunya saat dalam siklus yang menghasilkan tenaga
Menjelang akhir langkah kompresi, sekitar 20 derajat sudut poros engkol sebelum titik mati atas, busi memicu percikan api. Mengapa bukan tepat di puncak? Karena muka api butuh waktu untuk merambat di sepanjang ruang bakar; percikan dipicu lebih awal agar puncak tekanan terjadi tepat saat piston berada di puncak sehingga menghasilkan dorongan. Campuran yang terbakar mendorong piston menuju TMA, menghasilkan kerja mekanis yang memutar poros engkol. Sepanjang seluruh siklus, hanya saat inilah yang menghasilkan tenaga; berapa pun jumlah silindernya, setiap motor empat langkah mendapatkan satu langkah usaha setiap 720 derajat. Rahasia kelancaran kerja motor multi-silinder adalah penyatuan langkah-langkah usaha ini di poros engkol.
4. Buang: Mengosongkan ruang bakar
Ketika piston mencapai titik mati bawah, klep buang terbuka dan dalam 180 derajat terakhir siklus, piston bergerak naik membuang gas sisa keluar melalui port buang. Saat titik mati atas tercapai, silinder sudah bersih, klep masuk siap terbuka kembali, dan siklus dimulai dari awal. Setiap pengisian silinder berarti siklus dua putaran dimulai kembali.
Seberapa Lama Satu Langkah Saat Putaran Meningkat?
Jawaban pertanyaan ini ditemukan dengan aritmetika murni. Karena satu siklus kerja berlangsung selama dua putaran engkol, putaran motor secara langsung menentukan durasi satu langkah. Sebagai contoh, pada 1.000 rpm motor melakukan sekitar 16,7 putaran per detik; satu siklus penuh berlangsung sekitar 60 milidetik, artinya satu langkah hanya 15 milidetik. Pada 6.000 rpm terdapat 100 putaran per detik dan setiap langkah, termasuk langkah usaha, turun menjadi sekitar 2,5 milidetik. Pembakaran, gerakan klep, dan aliran gas semuanya harus terorganisir pada skala ini.
Batas atas putaran juga ditentukan oleh fisika. Kecepatan rata-rata piston adalah fungsi dari langkah dan putaran; pada motor industri, kecepatan ini dibatasi sekitar 10 m/s agar pelumasan dinding silinder tidak rusak. Pada putaran tinggi, dua masalah tipikal muncul: jika pegas klep tidak mampu mengikuti, terjadilah "floating valve" dan kontak piston-klep dapat merusak motor secara serius. Selain itu, getaran ring piston dapat menyebabkan hilangnya tekanan silinder dan tenaga. Singkatnya, batas seberapa kecil pecahan detik yang dapat dipadatkan dalam satu langkah ditentukan oleh kekuatan material dan pelumasan.
Bensin atau Diesel: Siklus yang Sama, Penyalaan Berbeda
Langkah-langkah siklus empat langkah sama pada kedua motor; perbedaannya terletak pada metode penyalaan yang memulai langkah usaha. Motor bensin menggunakan penyalaan percikan: busi menyalakan campuran yang telah dikompresi. Sedangkan diesel menggunakan penyalaan kompresi; panas tinggi akibat kompresi menyalakan bahan bakar diesel secara sendiri di bawah tekanan di dalam motor, sehingga busi tidak diperlukan. Kecenderungan penyalaan diesel didefinisikan melalui angka setana (cetane); bekerja dengan logika yang berlawanan dengan oktan rating bensin. Karena volatilitas diesel yang rendah, metode yang paling umum untuk menghidupkan mesin di cuaca dingin adalah penggunaan busi pijar.
| Ciri | Mesin Bensin | Mesin Diesel |
|---|---|---|
| Pengapian | Pengapian percikan (busi) | Pengapian kompresi (panas kompresi) |
| Siklus | Siklus Otto | Siklus Diesel |
| Ukuran ketahanan bahan bakar | Oktan rating | Setana (cetane) rating |
| Rasio kompresi | Umumnya 6:1 – 10:1 | Tinggi, sesuai untuk pengapian panas kompresi |
| Karakter putaran | Bekerja pada putaran lebih tinggi | Bekerja pada putaran lebih rendah; bahan bakar terbakar lebih lambat |
Bahan bakar diesel yang terbakar lebih lambat daripada bensin menjelaskan mengapa mesin diesel bekerja pada putaran yang lebih rendah; putaran rendah juga mengurangi keausan mesin. Karena itu, perbedaan karakter kedua mesin bersumber dari kecepatan pembakaran bahan bakarnya, bukan dari siklusnya sendiri.
Bagaimana Teknologi Modern Menyempurnakan 720 Derajat Ini?
Siklus dasar tidak berubah sejak 1876; yang berubah adalah seberapa efisien setiap bagian 180 derajat dimanfaatkan. Tiga kontribusi modern menonjol.
Pengaturan waktu katup variabel (VVT)
Poros cam tetap mengoptimalkan peristiwa katup pada hanya satu rentang putaran. Sementara pengaturan waktu katup variabel menyesuaikan waktu peristiwa pengangkatan katup secara real-time sesuai putaran mesin, sehingga memberikan distribusi tenaga optimal dan akselerasi yang lebih halus. Pengelolaan campuran udara-bahan bakar yang lebih baik meningkatkan efisiensi pembakaran; peningkatan ekonomi bahan bakar hingga 5% telah terukur pada kondisi beban parsial.
Injeksi langsung (GDI)
Pada injeksi langsung yang digunakan di banyak mesin bensin empat tak masa kini, nosel injektor menjulur ke ruang bakar dan bensin disemprotkan ke silinder dengan tekanan sangat tinggi sepanjang langkah kompresi saat piston berada di titik atas. Artinya, bahan bakar tidak lagi diserahkan pada langkah hisap, melainkan pada bagian siklus yang paling kritis, dengan presisi milimeter.
Turbocharger: Mencuri tenaga dari langkah buang
Turbocharger adalah perangkat turbin dua bagian berputar tinggi yang berada di jalur keluar gas buang: satu sisi diberi makan oleh aliran gas buang, sisi lain mengompresi udara hisap. Langkah buang sebagian besar membawa energi yang terbuang percuma; karena turbo bekerja dengan tekanan tersebut, ia bekerja lebih efisien dan memaksa lebih banyak udara ke silinder sehingga setiap langkah tenaga menghasilkan lebih banyak tenaga. Dalam sebuah studi dengan turbocharger variabel, tenaga keluaran ditingkatkan sebesar 165% dibandingkan tipe aspirasi alami. Keterbatasan desain yang dikenal adalah turbo lag: tenaga tidak datang seketika, diperlukan kenaikan putaran dan tekanan; saat idle dan kecepatan rendah-menengah, mesin hampir bekerja seperti aspirasi alami.
Batas Efisiensi dan Sekilas Sejarah
Sebuah mesin pembakaran dalam hanya dapat mengubah rata-rata 40-45% energi yang diberikan menjadi kerja mekanik; mesin siklus Otto yang paling efisien bekerja pada efisiensi termal sekitar 30% dan panas sisanya hilang melalui gesekan serta aksesori. Bahkan, mesin dapat sengaja dibangun sedikit lebih tidak efisien demi kontrol emisi seperti konverter katalitik. Sementara itu, siklus Atkinson menghadirkan efisiensi dengan mengorbankan kerapatan dayaan dan digunakan dalam penerapan hibrida modern; banyak mesin modern mencapai ekonomi ini dengan pengaturan waktu katup tidak konvensional untuk menghasilkan efek kompresi pendek dan langkah tenaga panjang.
Sejarahnya juga mengajarkan banyak hal: Otto, saat menguji mesin Lenoir pada 1861, menyadari pengaruh kompresi terhadap efisiensi; pada 1876, Otto dan Langen menciptakan mesin pembakaran dalam sukses pertama yang mengompresi campuran bahan bakar sebelum pembakaran. Pada 1883, Daimler dan Maybach membuat mesin Otto kecepatan tinggi pertama, dan pada 1885 Daimler menghasilkan Reitwagen, kendaraan bermesin pembakaran dalam pertama di dunia; pada 1886, Karl Benz mengembangkan kendaraannya yang bermesin empat langkah dan dianggap sebagai mobil pertama. Mesin diesel adalah penyempurnaan teknis dari siklus Otto 1876: Rudolf Diesel menciptakan mesinnya yang sukses pada 1893. Kini desain empat langkah adalah arsitektur mesin pembakaran dalam paling umum untuk kendaraan darat, dalam rentang yang membentang dari mobil hingga truk, dari kereta diesel hingga pesawat ringan dan sepeda motor.
Kesimpulan: Empat Potongan 180 Derajat
Seluruh fisika mesin empat langkah dapat diringkas menjadi empat potongan yang terbagi dalam satu putaran 720 derajat poros engkol: pengisian dengan vakum, kompresi dalam ruang tertutup, pembakaran yang menghasilkan tenaga sekali sekaligus, dan pembuangan. Teknologi seperti pengaturan waktu katup, injeksi, dan turbo semuanya melayani tujuan yang sama; menghasilkan efisiensi lebih besar dari setiap milidetik potongan-potongan ini. Setelah dasar ini jelas, sisa teknologi mesin, dari rasio kompresi hingga turbo lag, menjadi jauh lebih mudah dipahami.