[Spark Ignition Engine] Apa Yang Terjadi di Dalam Mesin Motor Kita ?????

Assalamu’alaikum wR wB, dan salam sejahtera buat kita semua.

Semoga kita semua selamat di perjalanan sampai tempat tujuan.

Alkhamdulillah, setelah melewati kesibukan yg sangat, ane masih diberi kesempatan oleh Allah SWT untuk menuliskan sedikit hasil penelitian ane mengenai proses pembakaran di dalam ruang bakar beserta efek2 yg ditimbulkannya.

Bro semua, sering diulas baik di blog, forum dll,  motor si-A kenceng topspeed nya maut, tapi torsinya kurang di rpm rendah. Ada lagi yg bilang motor si-B akselerasinya maut, tapi kalo di jalan lurus dan panjang kalah terus. Kedua kasus tersebut tidak lain dikarenakan desain engine yang yg memeng diperuntukan pada kondisi yang sedikit berbeda. Yang satu lebih cocok  untuk jalan ke luar kota, yang satunya nyaman untuk di dalam kota. Sesungguhnya desain engine/mesin yg bagaimana sih yang menyebabkan perbedaan tersebut. Nyok kita obrolin bareng2..

Kerja mesin 4-tak pada umumnya mengikuti siklus oto, sebagai mana yg sudah bro semua ketahui, yaitu mesin yang satu siklus powernya melakukan 4 langkah/tak; yaitu hisap-tekan-bakar/kerja-buang. Kira gambarnya kayak gini.

Masing2 langkah oleh para insinyur berusaha untuk terus dioptimasi, misalnya :

Langkah hisap : pada lngkah ini piston bergerak ke bawah, sementara klep-in terbuka dan klep-ex tertutup, campuran bbm+udara dihisap masuk ke ruang bakar. Optimasi yang bisa dilakukan pada langkah ini adalah :

–          Disain porting dan klep-in yg menghasilkan efisiensi volumetric maksimum

–          Desain kepala piston yg menghasilkan swirl sehingga campuran lebih homogen

–          Peningkatan kualitas system pengabutan, mulai dari karburator – port injector – direct injector

–          Pencampuran dengan sedikit gas-buang yg disebut EGR (Exhaust Gas Recirculation)

–          Pengembalian gas blow-by dari crankcase mesin ke saluran intake

–          Penambahan gas H2, kabut air atau nitro oksida dll

Langkah Tekan/kompresi : piston bergerak naik, sementara semua klep tertutup rapat.  Yang bisa dioptimasi pada langkah ini adalah:

–          Menghindari kebocoran kompresi baik yg melalui ring piston maupun klep

–          Desain ruang bakar sedemikian rupa sehingga kompresi bisa setinggi mungkin, tanpa mengakibatkan knocking (tentunya dengan memperhatikan aspek yg lain yaitu nilai oktan bbm, titik pengapian dll)

–          Memperkecil koefisien gesek antara ring piston-piston dengan dinding silinder

Langkah pembakaran-ekspansi/kerja : langkah ini sebenarnya diawali oleh letikkan busi yang terjadi sebelum piston mencapai TMA (titik mati atas), kemudian berlanjut dengan terbentuknya plasma disekitar busi yang mulai membakar campuran bbm+udara. Proses pembakaran ini menghasilkan tekanan dan panas sehingga mendorong piston ke bawah, inilah yg disebut sebagai kerja dari mesin. Yang bisa dioptimasi pada langkah ini adalah “Penentuan titik pengapian yg optimum”. Meskipun Cuma satu ini saja yg bisa dioptimasi, tapi untuk melakukan itu bukan perkara mudah. Sampai2 harus melibatkan banyak sensor dan mikrokontroler dengan kemampuan yg sangat tinggi.

Langkah buang : pada langkah ini piston bergerak ke atas sementara klep-ex terbuka dan klep-in tertutup. Gas sisa pembakaran terdorong keluar melalui klep-ex menuju knalpot. Pada langkah ini yg bisa dioptimasi adalah :

–          Posisi buka klep ex yang fleksibel, yang pada putaran rendah mampu menahan campuran bbm+udara keluar bablas ke knalpot. Dan pada putaran tinggi mampu membantu menghisap campuran bbm+udara masuk

–          Kostruksi knalpot yang mampu mengoptimalkan efisiensi volumetric

Siklus mesin 4tak di atas menggambarkan peristiwa perubahan2 baik volume, tekanan dan suhu di ruang bakar, yang kemudian dapat diringkas dalam diagram P-V.

Pada gambar di atas langkah yang special adalah panah yang berwarna oranye (warnanya juga special), yaitu langkah pembakaran (combustion). Nah langkah inilah yang paling menentukan seberapa besar kinerja mesin yg akan dihasilkan. Untuk memahami ini semua, kita mulai saja dari awal, yaitu dari penyebab itu semua yaitu pergerakan piston sebagai penghasil tekanan motorik dan pembakaran sebagai penghasil tekanan akibat pembakaran.

Yang mana

Gerakan piston yang naik turun mengakibatkan perubahan volume, sehingga volume dapat dituliskan sebgai fungsi pergerakan piston. Sementara naik turunnya piston disebabkan oleh perputaran crankshaft. Jadi dapat disimpulkan bahwa volume di ruang bakar merupakan fungsi dari gerakan putar crankshaft yang diwakili oleh sudut putar (teta) (pers 1) :

Yang mana

Kalo digambar kira2 jadinya seperti gambar di bawah ini.

Selain merubah volume, gerakan piston juga merubah tekanan, yang mana perubahan tekanan ditentukan oleh perubahan volume dan panas yang dilepaskan dari proses pembakaran, kalo dituliskan dalam persamaan matematika, perubahan tekanan dalam ruang bakar seperti ini  [hasil penurunan persamaan hukum thermodinamik 1]: (pers 2)

diperoleh dengan menurunkan pers 1 terhadap teta, dan  diperoleh dengan menggunakan fungsi Wiebe untuk memperoleh banyaknya massa bensin+udara yang terbakar (MFB/Mass Fraction Burned). Tekanan hasil pembakaran dapat dilihat pada gambar di bawah ini

Grafik warna merah menunjukkan tekanan dalam silinder karena pergerakan piston, sedangkan yg berwarna biru adalah tekanan akibat pergerakan piston ditambah dengan tekanan akibat pembakaran. Tekanan inilah (warna biru) yg mengakibatkan motor/mobil bisa jalan, bahkan ngebut.

Sementara ini dulu, bro2 semua. Pada artikel berikutnya akan kita diskusikan bagaimana pembakaran tersebut berlangsung, dan bagaimana menyatakannya dalam persamaan matematika beserta grafiknya. Ok bro, selamat ber-pusing2-ria.

Kepada suhu2 yg lebih faham, mohon koreksi dan sarannya, wassalamu;alikum wR wB.