bab 4 siklus operasi.doc

Politeknik Negeri Malang

Bagian 4: Siklus Operasi

Pendahuluan

Prinsip dasar dari sebuah mesin adalah membakar fuel untuk menghasilkan Power. Proses mengkonversi energi kimia yang terdapat dalam fuel menjadi energi mekanik yang digunakan untuk menggerakkan kendaraan atau mesin. Dalam rangka membakar fuel seefisien mungkin udara dan fuel harus dicampur dalam jumlah yang benar , dikompresi untuk menaikan campuran menuju temperatur dimana udara fuel dan fuel akan terbakar dan kemudian menyulut campuran dan melepaskan energi dari fuel. Proses ini memerlukan siklus operasi yang diulang pada kecepatan tinggi untuk menghasilkan output energi yang kontinyu. Ada dua siklus operasi utama yang disebut dengan siklus dua langkah dan siklus empat langkah. Karena dua tipe fuel utama yang digunakan dalam mesin yaitu bensin dan diesel/solar, maka terdapat siklus dua atau empat langkah baik untuk mesin bensin maupun mesin solar. Pada bagian ini akan memperkenalkan kepada anda siklus tersebut dan menjelaskan bagaiman mereka bekerja.

Kata stroke/langkah berarti satu gerakan piston dari bagian atas silinder menuju bagian bawah atau dari bagian bawah menuju ke bagian atas. Dalam satu putaran sebuah crankshaft masing-masing piston akan bergerak melalui dua langkah. Ini berarti bahwa siklus dua langkah adalah dimana siklus diselesaikan dalam satu putaran pada crankshaft dan siklus empat langkah adalah dimana siklus diselesaikan dalam dua putaran pada crankshaft.

Internal combustion engine(Mesin Bakar Internal)

Semua mesin yang ditemukan dalam kendaraan atau mesin adalah mesin bakar internal. Mereka dinamakan mesin bakar internal karena mereka membakar fuel di dalam mesin. Pada permulaan pengembangan mesin terdapat keduanya mesin bakar internal dan eksternal. Sekarang mereka semua adalah mesin bakar internal . Baik mesin diesel maupun mesin bensin adalah mesin bakar internal.

'Combustion' berarti 'membakar' dan fuel dan udara dibakar dalam sebuah mesin dalam ruang pembakaran. Karena pembakaran ini mengambil tempat dalam ruangan yang sempit dibawah tekanan yang tinggi maka banyak energi panas yang diciptakan. Energi panas ini menekan piston bergerak dengan cepat menurunkan silinder. Karena piston dihubungkan ke crankshaft dengan connecting rod, maka crankshaft berputar kapanpun piston menurunkan silinder .

Pembakaran fuel dan udara pada masing-masing silinder memerlukan empat event/peristiwa. Peristiwa tersebut adalah :

1. Intake : Silinder harus mengisi dengan udara atau campuran udara dan fuel.

Engine Diktat Kuliah 46Ref: document.doc


2. Compression: Udara atau campuran udara dan fuel dikompresi oleh piston dalam ruangan diantara cylinder head dan piston. Ketika kompresi ini terjadi , tekanan dan temperatur udara atau campuran udara dan fuel bertambah dengan cepat.

3. Power: Udara atau campuran udara dan fuel yang terkompresi harus disulut. Pengapian ini menyebabkan piston bergerak dengan cepat didalam silinder. Gerakan piston ini dinamakan 'Power stroke'. Power stroke diciptakan setiap kali piston dipaksa bergerak didalam silinder dikarenakan proses pembakaran. Power stroke inilah yang memberikan energi mekanik pada crankshaft.

4. Exhaust: gas buang yang dihasilkan oleh pembakaran harus dihilangkan dari masing-masing silinder. Ini biasanya terjadi mendekati akhir dari Power stroke ketika Exhaust valves membuka dan setiap gas didalam silinder dikeluarkan.

Sebagaimana disebutkan di atas gerakan piston dalam sebuah silinder dinamakan 'stroke/langkah'. Dalam beberapa mesin dua langkah piston diperlukan untuk memperoleh energi yang dapat digunakan atau 'Power stroke', di dalam mesin lain ini memerlukan empat langkah.

Catatan berikut menjelaskan perbedaan dalam mesin disesel dan besin dua langkah dan empat langkah.

Siklus empat langkah (Four stroke cycle)

Definisi dasar dari siklus empat langkah adalah memerlukan empat langkah atau dua putaran dari sebuah mesin untuk menyelesaikan proses inlet, Compression, Power dan Exhaust. Untuk masing-masing silinder crankshaft harus berputar dua kali untuk menciptakan sebuah Power stroke.

Pada tahun 1866 Ilmuwan Jerman, Dr Otto mengembangkan mesin dengan empat siklus operasi yang sejak saat itu telah digunakan baik untuk mesin bensin maupun mesin diesel.

Siklus Mesin bensin dan Mesin Diesel Empat Langkah

Dalam kebanyakan mesin empat langkah(four-stroke engines), valve mengontrol aliran gas masuk(inlet) dan gas buang. Dalam setiap silinder dari mesin siklus empat langkah , masing-masing peristiwa yang diperlukan untuk pembakaran disediakan oleh satu stroke piston. Sehingga mesin empat langkah memerlukan dua putaran crankshaft untuk mencapai pembakaran. Diawali dengan piston berada pada bagian atas dari inlet stroke, urutan peristiwanya adalah sebagai berikut :

1. Piston bergerak menjauh dari cylinder head dengan Intake valves membuka. Peristiwa ini disebut 'Intake stroke'.

2. Intake valves menutup sesaat setelah akhir dari Intake stroke. Piston sekarang bergerak kembali menuju cylinder head dan mengkompresi udara atau campuran udara dan fuel yang terperangkap. Peristiwa ini disebut 'Compression stroke'.



3. Ketika Piston mendekati cylinder head Udara atau Campuran udara dan fuel yang terkompresi disulut. Piston kemudian bergerak dengan cepat menjahui dari cylinder head, menekan terhadap crankshaft melalui connecting rod memberikan energi mekanik pada crankshaft. Peristiwa ini disebut 'Power stroke'.

4. Mendekati akhir dari stroke tersebut Exhaust valve membuka. Piston, sekali lagi bergerak menuju cylinder head, mengeluarkan gas buang. Pengeluaran gas buang dibantu oleh ekspansi mereka dikarenakan sisa panas dari pembakaran dan Intake udara segar untuk siklus berikutnya.

5. Piston bergerak menurunkan silinder pada inlet stroke serta head dan siklus memulai lagi.

Dalam mesin empat langkah , empat peristiwa Intake, Compression, Power dan Exhaust dicapai dalam masing-masing silinder dengan empat langkah piston, yang memerlukan dua putaran crankshaft.

Empat siklus operasi pada dasarnya sama baik pada mesin bensin maupun mesin diesel . Perbedaannya hanyalah pada mesin bensin fuel disulut oleh bunga api dari busi sedangkan pada mesin diesel fuel disulut oleh campuran udara dan fuel yang berada pada temperatur yang tinggi sehingga mencapai titik penyulutan sendiri. Catatan : Titik penyulutan sendiri(self-ignition point) adalah temperatur dimana fuel akan terbakar dengan sendirinya tanpa memerlukan api atau bunga api yang menyebabkan terbakar. Demikian juga pada mesin bensin dengan karburator (alat untuk mencapur udara dan fuel) , Udara dan fuel masuk melalui inlet valve dan fuel disemprotkan kedalam silinder melalui sebuah injector (alat untuk menyemprot fuel ke dalam ruang pembakaran pada tekanan tinggi).

Mesin bensin sering disebut sebagai spark ignition engine karena spark/bunga api digunakan untuk menyulut fuel dan memulai pembakaran. Mesin diesel sering disebut sebagai Compression ignition engine karena temperatur tinggi yang diciptakan selama kompresi menyulut fuel dan memulai pembakaran.

Kebanyakan mesin bensin sekarang mempunyai injector yang menyemprotkan fuel ke dalam inlet manifold atau kedalam ruang pembakaran , akan tetapi ini tidaklah benar-benar mempengaruhi penjelasan tentang siklus mesin bensin empat langkah karena campuran udara dan fuel tetap disulut oleh bunga api/spark dan bukan penyulutan sendiri.

Pada halaman berikut , siklus empat langkah untuk mesin bensin dan mesin diesel akan dilihat secara lebih detail.

Perbandingan antara Mesin Bensin dan Mesin Diesel Empat langkah

Komponen-komponen pada mesin bensin empat langkah dan mesin diesel empat langkah pada prinsipnya sama. Terdapat sebuah silinder, piston, connecting rod, crankshaft, inlet valve dan Exhaust valve. Perbedaannya adalah bahwa mesin bensin empat langkah mempunyai busi(spark plug) sedangkan mesin diesel empat langkah mempunyai injector.



1 Spark plug 4 Inlet valve 7 Connecting rod

2 Injector 5 Cylinder

3 Exhaust valve 6 Piston

Gambar 34: Mesin Bensin dan Mesin Diesel Empat Langkah


3

4

1 2

5

6

7


Siklus mesin bensin empat langkah

Inlet Stroke

Piston Inlet valve Exhaust valve Spark plug

Bergerak turun

Buka

Campuran udara dan fuel

memasuki silinder

menutup _

Ketika piston bergerak menjauh dari bagian atas silinder inlet valve membuka dan gerakan turun piston menciptakan area bertekanan rendah yang mengambil campuran udara dan fuel ke dalam silinder.

Campuran udara dan fuel akan terus diambil sampai piston mencapai bagian bawah silinder.

Compression Stroke


Bergerak ke atas

Menutup Menutup _

Pada posisi bawah dari inlet stroke piston berbalik dan memulai kembali menaikkan silinder. Ketika piston bergerak ke atas silinder inlet valve menutup dan campuran udara dan fuel dikompresi. Dengan kedua Valve ditutup , maka campuran udara dan fuel terperangkap di dalam silinder. Proses kompresi menyebabkan campuran udara dan fuel menjadi sangat panas.



Power stroke


Bergerak turun

Menutup Menutup Menyulut saat posisi atas

stroke

Ketika piston mencapai posisi atas dari Compression stroke Busi/spark plug memercikan api dan menciptakan bunga api yang menyulut campuran udara dan fuel. Udara dan fuel mengembang dengan kenaikan temperatur yang disebabkan oleh pembakaran fuel. Pengembangan ini menyebabkan tekanan yang sangat tinggi di dalam silinder yang kemudian menekan piston turun pada Power stroke dan memutar crankshaft melalui connecting rod.

Exhaust Stroke


Bergerak ke atas

Menutup Membuka -

Ketika piston mencapai posisi bawah pada Power stroke dia kembali dan memulai lagi menaikkan silinder pada Exhaust stroke. Exhaust valve membuka dan ketika piston bergerak menaikkan silinder gas buang didorong keluar menuju sistem pembuangan(Exhaust system). Ketika piston mencapai posisi atas dari silinder , empat siklus telah diselesaikan dan piston memulai kembali turun pada saat inlet stroke.



Siklus Mesin Diesel Empat Langkah

Inlet Stroke

Piston Inlet valve Exhaust valve Injector

Bergerak turun

Membuka

Campuran udara

memasuki silinder

Menutup _

Ketika piston bergerak menjauh dari bagian atas silinder inlet valve membuka dan gerakan turun piston menciptakan area bertekanan rendah yang mengambil udara bersih ke dalam silinder.

Udara bersih akan terus diambil sampai piston mencapai bagian bawah silinder.

Compression Stroke

Piston Inlet valve Exhaust valve

Injector

Bergerak naik

Menutup Menutup _

Pada posisi bawah dari inlet stroke piston kembali dan memulai lagi menaikkan silinder. Ketika piston bergerak ke atas silinder inlet valve menutup dan campuran udara dan fuel dikompresi. Dengan kedua Valve ditutup , maka campuran udara dan fuel terperangkap di dalam silinder. Proses kompresi menyebabkan campuran udara dan fuel menjadi sangat panas. Rasio kompresi(Compression ratio) pada mesin diesel lebih tinggi daripada mesin bensin sehingga temperatur udara cukup tinggi menyebabkan terbakarnya fuel seketika ketika diinjeksikan ke dalam ruang pembakaran.



Power stroke


Bergerak turun

Menutup Menutup Fuel disemprotkan

ke dalam ruang pembakaran

Ketika piston mendekati posisi atas dari Compression stroke injector dioperasikan untuk menyemprotkan butiran kabut dari fuel kedalam ruang pembakaran . Semprotan fuel ini bercampur dengan udara dan mulai terbakar. Udara dan fuel mengembang dengan kenaikan temperatur yang disebabkan oleh pembakaran fuel. Pengembangan ini menciptakan tekanan yang sangat tinggi di dalam silinder yang kemudian menekan piston turun pada Power stroke dan memutar crankshaft melalui connecting rod.

Exhaust Stroke


Bergerak ke atas

Menutup Membuka _

Ketika piston mencapai posisi bawah pada Power stroke dia kembali dan memulai lagi menaikkan silinder pada Exhaust stroke. Exhaust valve membuka dan ketika piston bergerak menaikkan silinder gas buang didorong keluar menuju sistem pembuangan(Exhaust system). Ketika piston mencapai posisi atas dari silinder , empat siklus telah diselesaikan dan piston memulai kembali turun pada saat inlet stroke.



Siklus Dua Langkah

Definisi dasar dari siklus dua langkah adalah bahwa siklus ini mangambil dua langkah atau satu putaran pada sebuah mesin untuk menyelesaikan proses inlet, Compression, Power dan Exhaust. Untuk masing-masing silinder crankshaft harus berputar hanya sekali untuk menciptakan sebuah Power stroke.

Salah satu kerugian dari siklus empat langkah adalah bahwa terdapat tiga langkah/ stroke yang tidak menghasilkan power apapun dan hanya satu saja yang menghasilkan. Flywheel harus menjaga mesin tetap hidup selama tiga idle stroke sampai Power stroke berikutnya. Pada tahun 1881 Ilmuwan Skotlandia namanya Dugald Clerk mengembangkan sebuah mesin dimana siklus induction, Compression, Power dan Exhaust diselesaikan hanya dalam dua langkah. Hal ini berarti bahwa hanya terdapat satu langkah yang tidak menghasilkan power apapun untuk setiap stroke yang dilakukannya. Pada tahun 1891 Joseph Day memodifikasi desain dasar dan siklus dua langkah yang modern telah dikembangkannya.

Siklus Mesin Bensin dan Mesin Diesel Dua langkah

Terdapat dua metode pencapaian siklus dua langkah yang berbeda pada mesin bensin dan mesin diesel. Pada mesin bensin tidak terdapat valve dan port dalam cylinder block untuk mengontrol perpindahan gas inlet dan gas buang. Dalam mesin diesel dua siklus pada umumnya terdapat dua port didalam silinder untuk udara inlet dan Exhaust valve untuk mengontrol aliran gas buang. Terdapat banyak variasi pada dua metode dasar tersebut dalam pencapaian siklus dua langkah, Akan tetapi, Karena mereka paling banyak digunakan , maka berikut ini ada satu yang akan kita bahas.

Dalam setiap silinder dari mesin siklus dua langkah, masing-masing peristiwa yang diperlukan untuk pembakaran disediakan satu stroke/langkah piston. Sehingga, Mesin dua langkah memerlukan satu putaran crankshaft untuk mencapai pembakaran. Dimulai dengan piston menggerakkan silinder ke atas , urutan kejadiannya adalah sebagai berikut :

1. Piston menggerakkan silinder ke atas dan mengkompresi udara atau campuran udara/fuel. Ini disebut Compression stroke.

2. Ketika piston mendekati posisi atas stroke , Udara atau Campuran udara dan fuel yang terkompresi disulut. Piston kemudian bergerak dengan cepat menjahui dari cylinder head, menekan terhadap crankshaft melalui connecting rod memberikan energi mekanik pada crankshaft. Peristiwa ini disebut 'Power stroke'.

3. Ketika piston mendekati posisi bawah stroke , Kedua saluran inlet dan saluran buang terbuka memudahkan gas buang lepas dan gas inlet memasuki silinder. Baik inlet dan Exhaust terjadi ketika piston berada pada posisi bawah silinder dan tidak diperlukan stroke dari piston. Inilah dimana siklus dua langkah mampu mengeluarkan power dengan hanya dua stroke dari piston.

4. Piston kemudian menggerakkan silinder ke atas dan saluran inlet dan Exhaust tertutup dan piston terus bergerak ke atas mengkompresi udara atau campuran udara/fuel lagi.



Dalam mesin dua langkah , empat peristiwa Intake, Compression, Power dan Exhaust dicapai pada masing-masing silinder dengan dua stroke piston , yang memerlukan satu putaran crankshaft.

Pada halaman berikut ini siklus dua langkah untuk mesin bensin dan mesin diesel akan dilihat secara detail.

Mesin Bensin Dua Langkah

1 Spark plug 4 Transfer port 7 Carburettor

2 Cylinder 5 Inlet port 8 Connecting rod

3 Exhaust port 6 Piston 9 Crankshaft

Gambar 35: Penampang mesin dua langkah


1

2

34

5

7

6

8

9


Sebelum kita melihat pada siklus mesin bensin dua langkah, Kita perlu melihat konstruksi dari Mesin dua langkah (stroke) karena mesin ini tidak mempunyai valve apapun dan sedikit berbeda dari mesin bensin empat langkah(lihat Gambar 35). Mesin mempunyai busi/spark plug (1) yang menciptakan bunga api listrik melintasi celah kecil untuk menyulut campuran udara dan fuel. Cylinder (2) sering mempunyai sirip padanya agar panas dapat lepas ke udara karena kebanyakan mesin dua langkah adalah pendinginan udara. Exhaust port (3) Dimana gas buang dilewatkan ke sistim Exhaust.

Transfer port (4) digunakan untuk mentransfer campuran udara dan fuel dari crankcase ke silinder. Pada kebanyakan mesin dua langkah , oli ditambahkan ke fuel untuk melumasi part yang bergerak pada sebuah mesin. Inlet port (5) mengijinkan fuel memasuki crankcase ketika piston berada pada posisi atas stroke. Piston (6) menggerakkan silinder naik dan turun untuk memompa gas inlet dan Exhaust mengelilingi silinder dan mentrasmisikan Power ke connecting rod. Beberapa mesin dua langkah mempunyai deflektor pada bagian atas piston untuk mengarahkan campuran udara dan fuel menuju bagian atas silinder menjauh dari Exhaust port. Carburettor (7) mencampur udara dan fuel dalam jumlah yang tepat untuk menjadikan campuran yang mudah sekali terbakar. Connecting rod (8) mentransmisikan Power dari piston menuju ke crankshaft. Piston dan connecting rod menggerakkan silinder naik dan turun dengan apa yang disebut gerakan resiprokasi/(bolak-balik). Crankshaft (9) yang mengkonversi gerakan bolak-balik menjadi gerakan rotari/putar dan mentransmisikan power ke transmisi.



Siklus Mesin Bensin Dua Langkah

Compression Stroke

Piston Inlet port Exhaust port

Transfer port

Bergerak naik

Menutup Menutup Menutup

Ketika piston menaikkan silinder , ini mengkompresi campuran udara dan fuel. Pada saat yang sama tercipta area bertekanan rendah di bawah piston. Dengan menggerakkan silinder ke atas , piston sedang menciptakan volume yang lebih besar yang tidak dapat diisi dengan udara karena semua port ditutup. Ini menghasilkan sebuah area bertekanan rendah. Area bertekanan rendah tersebut akan digunakan untuk mengambil campuran udara dan fuel ke dalam crankcase ketika inlet port di buka.



Peristiwa Power stroke dan Inlet


Transfer port

Moving down

Open Closed Closed

Pada posisi atas stroke , campuran udara dan oli dikompresi kedalam ruangan yang sangat kecil dan mencapai temperatur tinggi. Busi/ spark plug menghasilkan api dan menyulut campuran udara dan fuel. Udara dan fuel mengembang karena kenaikan temperatur yang disebabkan oleh pembakaran fuel. Pengembangan ini menciptakan tekanan yang sangat tinggi dalam silinder dan mendorong piston turun pada Power stroke dan memutar crankshaft melalui connecting rod. Pada saat yang sama piston mencapai bagian atas silinder, skirt piston membuka inlet port dan campuran udara dan fuel ditarik menuju crankcase.

Peristiwa Exhaust dan transfer


Transfer port

Pada posisi bawah stroke

membuka membuka membuka

Ketika piston menggerakkan silinder turun pada Power stroke , inlet port tertutup dan mengkompresi campuran udara dan fuel dalam crankcase. Pada posisi bawah dari Power stroke baik Exhaust dan transfer ports terbuka. Tekanan dalam crankcase memaksa campuran udara segar dan fuel naik ke transfer port dan menuju silinder. Exhaust masih keadaan bertekanan lepas melalui Exhaust port. Campuran udara dan fuel yang datang juga membantu mendorong gas buang keluar dari Exhaust port.



Mesin Diesel Dua Langkah

Sebelum kita melihat pada siklus mesin diesel dua langkah , kita perlu melihat pada konstruksi dari mesin diesel dua langkah karena ada sedikit perbedaan dari mesin bensin dua langkah (lihat Gambar 36). Mesin mempunyai dua atau lebih Exhaust valves (1) tiap silinder untuk memudahkan lepasnya gas buang. Sebuah injector (2) yang menyemprot butiran kecil dari fuel ke dalam silinder pada tekanan tinggi. Blower (3) memaksa udara ke dalam silinder untuk mengisi silinder udara segar dan mendorong gas buang keluar dari silinder. Catatan : blower adalah seperangkat dua rotor yang dikendalikan dari mesin dan bertindak sebagai pompa. Air box(boks udara) (4) yang mengelilingi silinder untuk mensuplai volume udara yang besar sesuai yang diperlukan. Inlet ports (5) yang dicetak ke dalam cylinder liner dan memberikan jalan masuk bagi udara segar. Piston (6) mentransmisikan Power yang dikembangkan dalam silinder ke connecting rod. Connecting rod (7) mentransmisikan Power dari piston ke crankshaft.

Direproduksi seijin Deere & Company, Moline, Illinois, USA. Semua hak cipta dilindungi undang-undang.

1 Exhaust valves 4 Air box 7 Connecting rod

2 Injector 5 Inlet ports

3 Blower 6 Piston

Gambar 36: Mesin Diesel dua langkah


1 2

43

5

6

7


Siklus Mesin Diesel Dua Langkah

Compression Stroke

Piston Inlet port Exhaust valves

Injector

Bergerak ke atas

Menutup Menutup _

Ketika piston menaikan silinder, inlet ports menutup dan menghentikan setiap udara lebih yang memasuki silinder. Exhaust valves juga menutup , menghentikan setiap gas yang meninggalkan silinder. Pergerakan piston menaikkan silinder mengkompresi udara ke dalam volume yang kecil dan menaikan temperatur udara.

Power stroke

Piston Inlet port Exhaust valves

Injector

Bergerak turun

Menutup Menutup Menyemprot fuel ke dalam

silinder

Pada posisi atas dari stroke , campuran udara dan fuel dikompresi kedalam ruangan yang sangat kecil dan mencapai temperatur yang tinggi . Injector menyemprotkan butiran-butiran fuel yang halus ke dalam silinder dan campuran udara dan fuel mulai terbakar. Udara dan fuel mengembang karena kenaikan temperatur yang disebabkan oleh pembakaran fuel. Pengembangan ini menciptakan tekanan yang sangat tinggi dalam silinder yang mendorong piston turun pada Power stroke dan memutar crankshaft melalui connecting rod.



Kejadian Exhaust dan inlet

Piston Inlet port Exhaust port Injector

Pada posisi bawah

dari stroke

membuka membuka _

Ketika piston menggerakkan silinder ke bawah pada Power stroke. Ini membuka inlet ports dalam silinder dan pada saat yang sama Exhaust valves membuka. Udara bertekanan dari blower memasuki silinder dan mendorong gas buang keluar melalui Exhaust valves. Karena hanya udara yang memasuki siinder , tidak menjadi masalah berapapun banyaknya yang melalui Exhaust valves. Metode ini untuk memastikan bahwa kebanyakan gas buang meninggalkan silinder sebelum piston bergerak ke atas pada Compression stroke.


bab 4 siklus operasi.doc

Documents