Mesin 4 tak

Mesin empat tak adalah mesin pembakaran dalam yang dalam satu siklus pembakaran terjadi empat langkah piston. Sekarang ini, mesin pembakaran dalam pada mobil, sepeda motor, truk, pesawat terbang, kapal, alat berat dan sebagainya, umumnya menggunakan siklus empat langkah. Empat langkah tersebut meliputi, langkah hisap (pemasukan), kompresi, tenaga dan langkah buang yang secara keseluruhan memerlukan dua putaran poros engkol (crankshaft) per satu siklus pada mesin bensin atau mesin diesel.

Sejarah

Mesin empat tak, pertama kali dipatenkan oleh Eugenio Barsanti dan Felice Matteucci pada tahun 1854, diikuti dengan prototip pertama pada tahun 1860. Mesin tersebut juga dikonsepkan oleh teknisi Perancis, Alphonse Beau de Rochas pada tahun 1862. Namun teknisi Jerman, Nicolaus Otto yang pertama mengembangkan penggunaan mesin empat tak, oleh sebab itu prinsip emapt langkah pada mesin dikenal dengan siklus Otto dan mesin empat tak dengan busi disebut juga dengan mesin Otto. Siklus Otto terdiri dari kompresi menghasilkan panas, penambahan panas pada volume tetap, ekspansi volume akibat panas dan pembuangan panas pada volume tetap.

Prinsip kerja

Siklus empat langkah pada mesin bensin. Gas masuk berwarna biru dan gas buang berwarna coklat. Dinding silinder berupa tabung pelapis tipis yang dikelilingi air pendingin.

Untuk memahami prinsip kerja, perlu dimengerti istilah baku yang berlaku dalam teknik otomotif :

• TMA (titik mati atas) atau TDC (top dead centre), posisi piston berada pada titik paling atas dalam silinder mesin atau piston berada pada titik paling jauh dari poros engkol (crankshaft).
• TMB (titik mati bawah) atau BDC (bottom dead centre), posisi piston berada pada titik paling bawah dalam silinder mesin atau piston berada pada titik paling dekat dengan poros engkol (crankshaft).

LANGKAH HISAP

Langkah hisap : Bertujuan untuk memasukkan kabut udara – bahan bakar ke dalam silinder.  Sebagaimana tenaga mesin diproduksi tergantung dari jumlah bahan-bakar yang terbakar selama proses pembakaran.

Prosesnya adalah ;

1. Piston bergerak dari Titik Mati Atas (TMA) menuju Titik Mati Bawah (TMB).
2. Klep inlet terbuka, bahan bakar masuk ke silinder
3. Kruk As berputar 180 derajat
4. Noken As berputar 90 derajat
5. Tekanan negatif piston menghisap kabut udara-bahan bakar masuk ke silinder

Four stroke engine adalah sebuah mesin dimana untuk menghasilkan sebuah tenaga memerlukan empat proses langkah naik-turun piston, dua kali rotasi kruk as, dan satu putaran noken as (camshaft).

—————————————————————————————————————————————–

LANGKAH KOMPRESI

Langkah Kompresi

Dimulai saat klep inlet menutup dan piston terdorong ke arah ruang bakar akibat momentum dari kruk as dan flywheel.
Tujuan dari langkah kompresi adalah untuk meningkatkan temperatur sehingga campuran udara-bahan bakar dapat bersenyawa. Rasio kompresi ini juga nantinya berhubungan erat dengan produksi tenaga.
Prosesnya sebagai berikut :

1. Piston bergerak kembali dari TMB ke TMA
2. Klep In menutup, Klep Ex tetap tertutup
3. Bahan Bakar termampatkan ke dalam kubah pembakaran (combustion chamber)
4. Sekitar 15 derajat sebelum TMA , busi mulai menyalakan bunga api dan memulai proses pembakaran
5. Kruk as mencapai satu rotasi penuh (360 derajat)
6. Noken as mencapai 180 derajat

—————————————————————————————————————————————–
LANGKAH TENAGA

Langkah Tenaga

Dimulai ketika campuran udara/bahan-bakar dinyalakan oleh busi. Dengan cepat campuran yang terbakar ini merambat dan terjadilah ledakan yang tertahan oleh dinding kepala silinder sehingga menimbulkan tendangan balik bertekanan tinggi yang mendorong piston turun ke silinder bore. Gerakan linier dari piston ini dirubah menjadi gerak rotasi oleh kruk as. Enersi rotasi diteruskan sebagai momentum menuju flywheel yang bukan hanya menghasilkan tenaga, counter balance weight pada kruk as membantu piston melakukan siklus berikutnya.

Prosesnya sebagai berikut :

1. Ledakan tercipta secara sempurna di ruang bakar
2. Piston terlempar dari TMA menuju TMB
3. Klep inlet menutup penuh, sedangkan menjelang akhir langkah usaha klep buang mulai sedikit terbuka.
4. Terjadi transformasi energi gerak bolak-balik piston menjadi energi rotasi kruk as
5. Putaran Kruk As mencapai 540 derajat
6. Putaran Noken As 270 derajat

—————————————————————————————————————————————–

LANGKAH BUANG

Exhaust stroke

Langkah buang menjadi sangat penting untuk menghasilkan operasi kinerja mesin yang lembut dan efisien. Piston bergerak mendorong gas sisa pembakaran keluar dari silinder menuju pipa knalpot. Proses ini harus dilakukan dengan total, dikarenakan sedikit saja terdapat gas sisa pembakaran yang tercampur bersama pemasukkan gas baru akan mereduksi potensial tenaga yang dihasilkan.

Prosesnya adalah :

1. Counter balance weight pada kruk as memberikan gaya normal untuk menggerakkan piston dari TMB ke TMA
2. Klep Ex terbuka Sempurna, Klep Inlet menutup penuh
3. Gas sisa hasil pembakaran didesak keluar oleh piston melalui port exhaust menuju knalpot
4. Kruk as melakukan 2 rotasi penuh (720 derajat)
5. Noken as menyelesaikan 1 rotasi penuh (360 derajat)

—————————————————————————————————————————————–
FINISHING PENTING — OVERLAPING
Overlap adalah sebuah kondisi dimana kedua klep intake dan out berada dalam possisi sedikit terbuka pada akhir langkah buang hingga awal langkah hisap.

Berfungsi untuk efisiensi kinerja dalam mesin pembakaran dalam. Adanya hambatan dari kinerja mekanis klep dan inersia udara di dalam manifold, maka sangat diperlukan untuk mulai membuka klep masuk sebelum piston mencapai TMA di akhir langkah buang untuk mempersiapkan langkah hisap. Dengan tujuan untuk menyisihkan semua gas sisa pembakaran, klep buang tetap terbuka hingga setelah TMA. Derajat overlaping sangat tergantung dari desain mesin dan seberapa cepat mesin ini ingin bekerja.

manfaat dari proses overlaping :

1. Sebagai pembilasan ruang bakar, piston, silinder dari sisa-sisa pembakaran
2. Pendinginan suhu di ruang bakar
3. Membantu exhasut scavanging (pelepasan gas buang)
4. memaksimalkan proses pemasukkan bahan-bakar

Oke dengan mengenal prinsip dan cara kerja mesin 4 tak, semoga dapat menjadi pegangan awal sebelum merencanakan modifikasi. Mana hal yang penting untuk dimanfaatkan agar proses langkah tenaga bekerja optimal. Tetap sehat… Tetap semangat! Biar bisa modifikasi mesin tiap hari
Quiz : Mengapa bahan bakar tidak cenderung kembali ke karburator saat terjadinya proses overlaping?

Desain

Rasio kompresi

Rasio kompresi adalah perbandingan antara volume langkah piston dibandingkan dengan volume ruang bakar saat piston pada posisi TMA.

SOHC vs DOHC

Single over head camshaft, mesin dengan noken as tunggal di atas silinder. Double over head camshaft, mesin dengan noken as ganda di atas silinder.

Long vs Short stroke

Mesin disebut berkarakter long stroke apabila langkah piston lebih panjang dari diameter piston. Mesin disebut berkarakter short stroke apabila langkah piston lebih pendek dari diameter piston.

Read more »

Mesin 2 Tak

Mesin dua tak adalah mesin pembakaran dalam yang dalam satu siklus pembakaran terjadi dua langkah piston, berbeda dengan putaran empat-tak yang mempunyai empat langkah piston dalam satu siklus pembakaran, meskipun keempat proses (intake, kompresi, tenaga, pembuangan) juga terjadi.
Mesin dua tak juga telah digunakan dalam mesin diesel, terutama rancangan piston berlawanan, kendaraan kecepatan rendah seperti mesin kapal besar, dan mesin V8 untuk truk dan kendaraan berat lainnya.

Animasi cara kerja mesin dua tak.

Prinsip kerja

Untuk memahami prinsip kerja, perlu dimengerti istilah baku yang berlaku dalam teknik otomotif :

• TMA (titik mati atas) atau TDC (top dead centre), posisi piston berada pada titik paling atas dalam silinder mesin atau piston berada pada titik paling jauh dari poros engkol (crankshaft).
• TMB (titik mati bawah) atau BDC (bottom dead centre), posisi piston berada pada titik paling bawah dalam silinder mesin atau piston berada pada titik paling dekat dengan poros engkol (crankshaft).
• Ruang bilas yaitu ruangan dibawah piston dimana terdapat poros engkol (crankshaft), sering disebut dengan bak engkol (crankcase) berfungsi gas hasil campuran udara, bahan bakar dan pelumas bisa tercampur lebih merata.
• Pembilasan (scavenging) yaitu proses pengeluaran gas hasil pembakaran dan proses pemasukan gas untuk pembakaran dalam ruang bakar.

Langkah kesatu

Piston bergerak dari TMA ke TMB.

1. Pada saat piston bergerak dari TMA ke TMB, maka akan menekan ruang bilas yang berada di bawah piston. Semakin jauh piston meninggalkan TMA menuju TMB, tekanan di ruang bilas semakin meningkat.
2. Pada titik tertentu, piston (ring piston) akan melewati lubang pembuangan gas dan lubang pemasukan gas. Posisi masing-masing lubang tergantung dari desain perancang. Umumnya ring piston akan melewati lubang pembuangan terlebih dahulu.
3. Pada saat ring piston melewati lubang pembuangan, gas di dalam ruang bakar keluar melalui lubang pembuangan.
4. Pada saat ring piston melewati lubang pemasukan, gas yang tertekan dalam ruang bilas akan terpompa masuk dalam ruang bakar sekaligus mendorong gas yang ada dalam ruang bakar keluar melalui lubang pembuangan.
5. Piston terus menekan ruang bilas sampai titik TMB, sekaligus memompa gas dalam ruang bilas masuk ke dalam ruang bakar.

Langkah kedua

Piston bergerak dari TMB ke TMA.

1. Pada saat piston bergerak TMB ke TMA, maka akan menghisap gas hasil percampuran udara, bahan bakar dan pelumas masuk ke dalam ruang bilas. Percampuran ini dilakukan oleh karburator atau sistem injeksi. (Lihat pula:Sistem bahan bakar)
2. Saat melewati lubang pemasukan dan lubang pembuangan, piston akan mengkompresi gas yang terjebak dalam ruang bakar.
3. Piston akan terus mengkompresi gas dalam ruang bakar sampai TMA.
4. Beberapa saat sebelum piston sampai di TMA, busi menyala untuk membakar gas dalam ruang bakar. Waktu nyala busi sebelum piston sampai TMA dengan tujuan agar puncak tekanan dalam ruang bakar akibat pembakaran terjadi saat piston mulai bergerak dari TMA ke TMB karena proses pembakaran sendiri memerlukan waktu dari mulai nyala busi sampai gas terbakar dengan sempurna.

Perbedaan desain dengan mesin empat tak

• Pada mesin dua tak, dalam satu kali putaran poros engkol (crankshaft) terjadi satu kali proses pembakaran sedangkan pada mesin empat tak, sekali proses pembakaran terjadi dalam dua kali putaran poros engkol.
• Pada mesin empat tak, memerlukan mekanisme katup (valve mechanism) dalam bekerja dengan fungsi membuka dan menutup lubang pemasukan dan lubang pembuangan, sedangkan pada mesin dua tak, piston dan ring piston berfungsi untuk menbuka dan menutup lubang pemasukan dan lubang pembuangan. Pada awalnya mesin dua tak tidak dilengkapi dengan katup, dalam perkembangannya katup satu arah (one way valve) dipasang antara ruang bilas dengan karburator dengan tujuan :
  1. Agar gas yang sudah masuk dalam ruang bilas tidak kembali ke karburator.
  2. Menjaga tekanan dalam ruang bilas saat piston mengkompresi ruang bilas.
• Lubang pemasukan dan lubang pembuangan pada mesin dua tak terdapat pada dinding silinder, sedangkan pada mesin empat tak terdapat pada kepala silinder (cylinder head). Ini adalah alasan paling utama mesin dua tak menggunakan oli samping.

Lihat pula: Sistem pelumasan

Kelebihan dan kekurangan

Kelebihan mesin dua tak

Dibandingkan mesin empat tak, kelebihan mesin dua tak adalah :

1. Mesin dua tak lebih bertenaga dibandingkan mesin empat tak.
2. Mesin dua tak lebih kecil dan ringan dibandingkan mesin empat tak.
   • Kombinasi kedua kelebihan di atas menjadikan rasio berat terhadap tenaga (power to weight ratio) mesin dua lebih baik dibandingkan mesin empat tak.
3. Mesin dua tak lebih murah biaya produksinya karena konstruksinya yang sederhana.

Meskipun memiliki kelebihan tersebut di atas, jarang digunakan dalam aplikasi kendaraan terutama mobil karena memiliki kekurangan.

Kekurangan mesin dua tak

Kekurangan mesin dua tak dibandingkan mesin empat tak

1. Efisiensi mesin dua tak lebih rendah dibandingkan mesin empat tak.
2. Mesin dua tak memerlukan oli yang dicampur dengan bahan bakar (oli samping/two stroke oil) untuk pelumasan silinder mesin.
   • Kedua hal di atas mengakibatkan biaya operasional mesin dua tak lebih tinggi dibandingkan mesin empat tak.
3. Mesin dua tak menghasilkan polusi udara lebih banyak, polusi terjadi dari pembakaran oli samping dan gas dari ruang bilas yang terlolos masuk langsung ke lubang pembuangan.
4. Pelumasan mesin dua tak tidak sebaik mesin empat tak, mengakibatkan usia suku cadang dalam komponen ruang bakar relatif lebih rendah.

Aplikasi

Mesin dua tak diaplikasikan untuk mesin bensin maupun mesin diesel. Mesin bensin dua tak digunakan paling banyak di mesin kecil, seperti :

• Mesin sepeda motor.
• Mesin pada gergaji (chainsaw).
• Mesin potong rumput.
• Mobil salju.
• Mesin untuk pesawat model, dan sebagainya.

Mesin dua tak yang besar biasanya bertipe mesin diesel, sedangkan mesin dua tak ukuran sedang sangat jarang digunakan.
Karena emisi gas buang sulit untuk memenuhi standar UNECE Euro II, penggunaan mesin dua-tak untuk sepeda motor sudah semakin jarang.

Pengembangan

Penggunaan teknologi injeksi langsung dengan tujuan menurunkan emisi gas buang. (Lihat pula:Sistem pelumasan)

Read more »