Pengertian Engine 4 Langkah

Sejarah dan Klasifikasi Engine

Sejak abad XI, orang Eropa telah memanfaatkan energi angin dan air dalam skala besar memakai peralatan kerja atau engine. Engine dianggap bisa mengurangi beban kerja manusia / hewan. Saat itu, mereka tidak memperbesar energi dengan menambah kepadatan (densitas) energi atau menambah kecepatan rotasi. Mereka malah meningkatkan jumlah energi dengan menambah ukuran engine.

Kincir angin di Belanda pada abad XVI merupakan karya monumental yang konstruktif sebagai peralatan konversi energi. Kincir angin dibuat di area dataran rendah. Arus energi dari kincir angin yang dibangkitkan rata-rata mencapai daya 15 kW. Saat ini, daya sebesar 15 kW dengan mudah dapat dihasilkan dari sebuah motor kecil. Munculnya teknologi besi cor dan baja sebagai material pengganti kayu, membuka jalan ke arah peningkatan jumlah energi terbangkitkan, tanpa memperbesar ukuran peralatan konversi energi.

James Watt (1782) mengkonstruksi engine uap yang memiliki kepadatan energi lebih besar dengan ukuran kecil, daripada sebuah kincir angin dengan kapasitas daya yang sama. Akhir abad XIX, distribusi energi listrik meningkat cepat. Meningkatnya laju penyediaan energi listrik membuat elektromotor dipandang sebagai peralatan sumber energi, daripada sebagai peralatan motorik yang melakukan proses pengalihan (transfer) energi.

Saat ini pengertian engine telah meluas hingga engine energi, instalasi heater / cooler, instalasi kimia, instalasi kontrol udara, dsb. Engine dapat mentransfer energi yang diperlukan lewat berbagai cara. Energi dibangkitkan oleh sumber energi dan dialirkan ke beban. Misalnya, kendaraan (mobil, pesawat terbang, kapal, dsb) membutuhkan energi luar untuk menggerakkan kendaraan dan mengatasi hambatan permukaan jalan, udara dan air. Sumber energi dari luar disebut engine. Maka, engine adalah alat yang mampu mengubah sumber energi panas, listrik, air, angin, kimia atau sumber energi lainnya menjadi energi mekanis (mechanical energy).

Engine yang mengubah energi panas (thermal energy) menjadi energi mekanis disebut motor bakar (combustion engine). Energi panas terjadi dari proses pembakaran tiga unsur yaitu bahan bakar, udara dan sumber panas (percikan api / kompresi udara). Energi pembakaran dari siklus kerja diubah oleh konstruksi engine menjadi energi mekanis. Motor bakar diklasifikasikan berdasarkan tempat terjadi proses pembakaran (ruang bakar) dan tempat pengubahan energi panas menjadi energi mekanis, yaitu :

1.         Motor Pembakaran Luar (External Combustion Engine)

Motor pembakaran luar adalah motor bakar dengan tempat terjadi proses pembakaran dan tempat perubahan energi panas dilakukan di luar konstruksi / mekanisme engine, contoh : engine/turbin uap, engine / turbin nuklir. Pada engine uap, energi panas dari gas hasil pembakaran dipindahkan ke fluida kerja engine (uap air) melalui dinding pemisah.

2.         Motor Pembakaran Dalam (Internal Combustion Engine)

Motor pembakaran dalam adalah motor bakar dengan tempat terjadi proses pembakaran dan tempat perubahan energi panas dilakukan di dalam konstruksi / mekanisme engine itu sendiri.

a.    Klasifikasi atas dasar gerakan pengubahan energi panas menjadi energi mekanis (translasi atau rotari), misal : motor turbine, motor piston/reciprocate dan motor wankel/rotary.

b.   Klasifikasi atas dasar terjadinya proses pembakaran melalui percikan api atau kompresi udara,  misal : motor diesel, motor otto, motor gas turbin, engine jet, engine roket, dsb.

c.    Klasifikasi atas dasar banyaknya langkah dalam satu siklus kerja untuk memperoleh satu langkah usaha, misal : motor dua langkah dan motor empat langkah.

d.   Klasifikasi atas dasar konstruksi ruang bakar, misal : open combustion chamber (direct injection), pre-combustion chamber, turbulence combustion chamber, dsb.

e.    Klasifikasi atas dasar jenis aplikasi bahan bakar, misal : motor bensin, motor gas, dsb.

f.     Klasifikasi lainnya atas dasar jumlah silinder, susunan silinder, susunan / mekanisme katup, jenis pendinginan, urutan penyalaan, dsb.

Dari sekian banyak klasifikasi engine energi, jenis turbine engine dan piston engine paling banyak diaplikasikan saat ini. Pada engine turbin gas, fluida kerja (gas) memutar roda turbin bersudu, sehingga tidak ada gerak translasi dan bebas getaran. Sejumlah sudu mengubah momentum fluida kerja yang mengalir di antara sudu tersebut

Engine propulsi gas adalah engine penghasil gaya dorong akibat perubahan momentum gas yang mengalir melalui engine, contoh engine turbojet, ramjet dan roket. Proses kerja dimulai dengan menaikkan suhu gas, dan dialirkan lewat nosel yang berfungsi menaikkan kecepatan maksimum gas. Gas yang mengalir berkecepatan tinggi mulai dinyalakan agar kecepatannya bertambah. Semakin tinggi perbedaan momentum antara gas yang masuk ke dalam dan yang keluar dari engine, semakin besar pula gaya dorong yang dihasilkan.

Motor bakar piston diklasifikasikan menjadi dua jenis utama, yaitu motor Otto dan motor Diesel. Perbedaan utama terletak pada metode penyalaan. Motor Otto dinyalakan oleh loncatan api listrik antara kedua elektroda busi, disebut spark ignition engine. Motor Diesel terjadi proses penyalaan sendiri, disebut compression ignition engine. Udara dalam silinder dimampatkan agar mencapai tekanan dan suhu yang tinggi. Saat akhir kompresi, bahan bakar disemprotkan melalui nosel injektor. Akibat suhu udara hasil kompresi mendekati suhu nyala bahan bakar, maka bahan bakar terbakar dengan sendirinya.

Secara umum, pada saat ini terdapat tiga jenis motor pembakaran yang biasa digunakan pada kendaraan, baik kendaraan besar maupun kecil yaitu :

1. Motor Otto,

Motor ini diciptakan oleh Nikolaus Otto (1832-1891), seorang ilmuwan Jerman yang menemukan siklus Otto pada engine. Motor Otto merupakan engine empat langkah pertama yang efisien. Nikolaus August Otto dilahirkan di Holzhausen, Germany.

2. Motor Diesel,

Motor ini diciptakan oleh Rudolf Christian Karl Diesel (1858-1913), seorang engineer Jerman,

3. Motor Wankel,

Motor ini termasuk golongan Internal combustion engine dengan bahan bakar Gasoline. Motor ini tidak menggunakan piston tetapi menggunakan rotor berbentuk segi tiga. Diciptakan oleh Felix Wankel seorang Engineer Jerman tahun 1950. Motor ini mempunyai noise dan vibrasi yang rendah tetapi konsumsi bahan bakar dan emisi gas yang tinggi. Motor Wankel dapat digunakan pada : trucks, boats, electric generators, golf carts, lawn mowers, snowmobiles, dan motorcycles dan juga aircraft industry.

Konfigurasi Silinder

Pada sebuah engine, semakin banyak jumlah silinder maka akan semakin besar Daya yang dihasilkan. Akan tetapi dengan banyaknya jumlah silinder maka memerlukan tempat yang lebih besar. Untuk itu kadang sebuah engine didesain dengan jumlah silinder banyak tapi ukuran engine tidak terlalu besar. Pada dasarnya ada 2 Jenis konfigurasi silinder yaitu : In-line dan “V”.

In-line engine

Yaitu merupakan konfigurasi engine dimana hanya terdapat sebaris silinder disepanjang crankshaft. Nama “In-line” maksudnya semua silinder terdapat di sepanjang garis tengah engine.

‘V’ engines

Untuk memperkecil konstruksi engine biasanya silinder-silinder pada engine disusun menjadi seperti Huruf “V”. Engine yang mempunyai 4 silinder mempunyai dua silinder pada masing-masing sisinya dan disebut “V4 engine”. 

Istilah-istilah Pada Engine

            Sebelum membahas mengenai siklus engine diesel empat langkah maka sebaiknya disepakati terlebih dahulu beberapa terminology/istilah yang akan banyak digunakan.

·         Top dead center/titik mati atas: Posisi paling atas dari gerakan piston.

·         Bottom dead center/ Titik mati bawah: Posisi paling bawah dari gerakan piston

·         Bore: Diameter combustion chamber (ruang bakar).

·         Stroke: menunjukkan jarak yang ditempuh oleh piston untuk bergerak dari BDC menuju TDC atau sebaliknya.

·         Displacement: Bore Area X Stroke.

·         Friction/gesekan: Friction adalah tahanan yang timbul dari gesekan antara dua permukaan yang saling bergerak relatif satu sama lain. Contoh: Friction yang terjadi antara piston dan dinding liner pada saat piston bergerak ke atas dan ke bawah. Friction menimbulkan panas yang merupakan salah satu penyebab utama keausan dan kerusakan pada komponen.

·         Inertia/kelembaman: Inertia adalah kecenderungan dari suatu benda yang bila diam akan tetap diam atau benda yang bergerak akan tetap bergerak. Engine harus menggunakan tenaga untuk melawan inertia tersebut.  

·         Force/gaya: Force adalah dorongan atau tarikan yang menggerakkan, menghentikan atau merubah gerakan suatu benda. Daya yang ditimbulkan oleh pembakaran pada saat langkah kerja. Semakin besar gaya yang ditimbulkan semakin besar pula tenaga yang dihasilkan.

·         Pressure/tekanan: Tekanan adalah ukuran gaya yang terjadi setiap satuan luas. Sewaktu siklus empat langkah berjalan maka tekanan terjadi di atas piston pada saat langkah kompresi dan langkah tenaga.

Selain istilah-istilah di atas harus diketahui juga nama-nama komponen dasar engine yang membentuk combustion chamber (ruang bakar), yaitu:

Siklus Operasi Engine

Prinsip dasar dari sebuah engine adalah membakar fuel untuk menghasilkan Power. Proses mengkonversi energi kimia yang terdapat dalam fuel menjadi energi mekanik yang digunakan untuk menggerakkan kendaraan atau engine. 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 engine yaitu bensin dan diesel/solar, maka terdapat siklus dua atau empat langkah baik untuk motor bensin maupun motor solar. Pada Bagian ini akan memperkenalkan kepada anda siklus tersebut dan menjelaskan bagaiman mereka bekerja.

Kata stroke/langkah berarti satu gerakan piston  dari TMA menuju TMB atau sebaliknya. 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 (Motor Bakar Internal)

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

'Combustion' berarti 'membakar' dan fuel dan udara dibakar dalam sebuah engine 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.

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 engine dua langkah piston diperlukan diperlukan untuk memperoleh energi yang dapat digunakan atau 'Power stroke', di dalam engine lain ini memerlukan empat langkah.

Catatan berikut menjelaskan perbedaan dalam engine 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 engine untuk menyelesaikan proses inlet, Compression, Power dan Exhaust. Untuk masing-masing silinder masing-masing silinder crankshaft harus berputar dua kali untuk menciptakan sebuah Power stroke.

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

Siklus Motor bensin dan Motor Diesel Empat Langkah

Dalam kebanyakan motor empat langkah(four-stroke engines), valve mengontrol aliran gas masuk(inlet)  dan gas buang. Dalam setiap silinder dari engine siklus empat langkah , masing-masing peristiwa yang diperlukan untuk pembakaran disediakan oleh satu stroke piston. Sehingga engine 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 motor 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 motor bensin maupun motor diesel . Perbedaannya hanyalah pada motor bensin fuel disulut oleh bunga api dari busi sedangkan pada motor 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 motor 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).

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

Kebanyakan motor 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 motor 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 motor bensin dan motor diesel akan dilihat secara lebih mendetail. 

Perbandingan antara Motor Bensin dan Motor Diesel Empat langkah

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