PRINSIP KERJA MOTOR
DAN PENGAPIAN
A. KLASIFIKASI MOTOR
Motor bakar dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok, yaitu:
1. Motor pembakaran luar (Exsternal Combustion Engine), yaitu motor yang pembakarannya diluar mesin.
Contoh : mesin uap, turbin uap dan lain-lain.
2. Motor pembakaran dalam (Internal Combustion Engine), yaitu motor yang proses pembakaran berada di dalam mesin itu sendiri.
Contoh : Motor diesel, motor bensin, motor wankel dan lain-lain.
Macam-macam Motor Bakar
Sedangkan motor pembakaran dalam dapat diklasifikasikan:
1. Berdasarkan aplikasinya
Motor penggerak mobil, truk, lokomotif, pesawat ringan, kapal, penggerak serbaguna dan pembangkit listrik.
2. Berdasarkan dasar disain mesinnya :
a. Gerak bolak-balik dengan susunan silinder In-line, V, rotary dan berlawanan
b. Gerak putar seperti motor Wankel.
3. Berdasarkan siklus kerjanya :
Motor 4 tak dan motor 2 tak
4. Berdasarkan katup dan disain lubang katup
a. Susunan katup: model I, L, H, F
b. Jumlah katup : Single Valve (Tiap silinder katup In maupun Ex adalah satu), Multi Valve (Tiap silinder katup In maupun Ex lebih dari satu)
c. Mekanik katup : OHV (Over Head Valve), OHC (Over Head Cam Shaft), DOHC (Double Over Head Cam Shaft).
Mekanisme Katup
5. Berdasarkan bahan bakarnya :
Bensin, solar, LPG (Liquit Petroleum Gas), alchohol, hydrogen.
6. Berdasarkan metode mencampurnya :
Karburator, injeksi pada saluran masuk, injeksi ke dalam silinder.
7. Berdasarkan metode pengapian:
Percikan busi (motor bensin), tekanan kompresi ( motor diesel).
8. Berdasarkan disain ruang bakar:
Ruang bakar langsung:
Ruang bakar tak langsung:
9. Berdasarkan metode kontrolnya :
Throttling yaitu mengatur jumlah campuran udara dan bahan bakar dengan throttle, hanya mengatur aliran bahan bakar, kombinasi
10. Berdasarkan sistem pendinginnya:
Pendinginan air dan pendinginan udara
B. MOTOR 4 TAK
Motor 4 tak merupakan motor yang satu siklus kerjanya diperlukan 4 langkah gerakan piston atau 2 putaran engkol. Empat langkah piston tersebut adalah:
1. Langkah Hisap
2. Langkah Kompresi
3. Langkah Usaha
4. Langkah Buang
Siklus motor 4 tak ini ditemukan oleh seorang insiyur Jerman, yaitu Nikolas A. Otto pada tahun 1876, untuk mengenang jasanya maka motor 4 tak sering disebut motor Otto.
Proses kerja motor 4 tak tersebut adalah sebagai berikut:
1. Langkah Hisap
Piston bergerak dari TMA (Titik Mati Atas) menuju TMB (Titik Mati Bawah). Posisi katup hisap terbuka dan katup buang tertutup. Akibat gerakan piston volume didalam silinder membesar sehingga tekanan turun. Turunnya tekanan di dalam silinder menyebabkan adanya perbedaan tekanan diluar silinder dengan didalam silinder sehingga campuran bahan bakar terhisap masuk ke dalam silinder.
Langkah Hisap
2. Langkah Kompresi
Piston bergerak dari TMB menuju TMA. Posisi katup hisap dan katup buang tertutup. Gerakan piston menyebabkan volume didalam silinder mengecil memampatkan/ mengkopresi campuran bahan bakar didalam silinder sehingga tekanan dan temperature naik.
Langkah Kompresi
3. Langkah Usaha
Beberapa saat sebelum TMA, busi memercikkan api sehingga membakar campuran bahan bakar. Terbakarnya campuran bahan bakar menyebabkan temperatur dan tekanan didalam silinder naik. Tekanan mendorong piston dari TMA menuju TMB, melalui batang piston gaya tekan piston digunakan untuk memutar poros engkol, pada poros engkol digunakan untuk memutar beban.
Langkah Usaha
4. Langkah Buang
Piston bergerak dari TMB menuju TMA. Posisi katup hisap tertutup dan katup buang terbuka. Gerakan piston menyebabkan piston mendoron gas buang ke luar menuju knalpot melalui katup buang.
Langkah Buang
Setela langkah buang maka motor melakukan langkah hisap, kompresi, usaha dan buang, demikian seterusnya sehingga selama ada proses pembakaran maka motor berputar terus. Siklus kerja motor 4 tak dapat digambarkan sebagai berikut:
Siklus Kerja Motor 4 Tak
C. MOTOR 2 TAK
Motor 2 tak merupakan motor yang satu siklus kerjanya diperlukan 2 langkah gerakan piston atau 1 putaran engkol. Dalam 2 langkah piston di atas piston atau di dalam silinder terdapat proses pemasukan campuran bahan bakar, kompresi, usaha dan buang. Sedangkan di bawah piston atau didalam bak engkol terdapat dua proses yaitu menghisap campuran bahan bakar dari karburator dan proses memompa campuran ke dalam silinder.
Pada motor 2 tak proses pemasukan campuran bahan bakar ke dalam silinder bersamaan dengan proses pembuangan, proses ini lebih popular dengan istilah proses pembilasan, yaitu proses pemasukan gas baru dan mendorong gas buang agar gas buang. Tujuan pembilasan yaitu gas dibuang didalam silinder dapat terbuang dengan sempurna. Sedangkan istilah proses pemasukan diguna untuk proses masuknya campuran ke dalam ruang engkol (crankcase).
Cara kerja motor 2 tak dapat digambarkan sebagai berikut:
1.Pemasukan dan kompresi
Saat piston bergerak dari TMB menuju TMA, maka didalam silinder terjadi proses kompresi, proses ini dimulai saat lubang bilas dan buang tertutup piston, gerakan piston menyebabkan campuran bahan bakar yang masuk dikompresi sehingga tekanan dan temperatur naik.
Proses Pemasukan dan Kompresi
Dibawah piston terjadi proses pemasukan campuran bahan bakar. Saat piston bergerak ke TMA, maka ruang bak engkol membesar sehinggga tekanan turun
Turunnya tekanan di dalam bak engkol menyebabkan adanya perbedaan tekanan di luar bak engkol dengan di dalam bak engkol sehingga campuran bahan bakar terhisap masuk ke bak engkol dengan membuka katup harmonika (reed valve).
2. Proses Usaha dan kompresi di bak engkol
Proses Usaha dan kompresi di Bak Engkol
Beberapa saat sebelum TMA, busi memercikkan api sehingga membakar campuran bahan bakar. Terbakarnya campuran bahan bakar menyebabkan temperatur dan tekanan didalam silinder naik. Tekanan mendorong piston dari TMA menuju TMB, melalui batang piston gaya tekan piston digunakan untuk memutar poros engkol, pada poros engkol digunakan untuk memutar beban. Proses di bawah piston saat piston bergerak dari TMA ke TMB menyebabkan ruang engkol mengecil sehingga tekanan naik, naiknya tekanan menyebabkan reed valve menutup, proses pemasukan campuran terhenti
piston digunakan untuk memutar poros engkol, pada poros engkol digunakan untuk memutar beban. Proses di bawah piston saat piston bergerak dari TMA ke TMB menyebabkan ruang engkol mengecil sehingga tekanan naik, naiknya tekanan menyebabkan reed valve menutup, proses pemasukan campuran terhenti.
3. Proses Buang
Beberapa derajat langkah usaha, lubang buang terbuka sehingga gas buang mengalir ke luar melalui saluran buang ke knalpot. Sementara itu tekanan dibawah piston semakin besar akibat ruang engkol yang semakin mengecil.
Proses Buang
4. Proses Pembilas
Saat piston semakin mendekati TMB tekanan di bak engkol semakin besar, sementara itu lubang bilas terbuka, sehingga campuran bahan bakar dari bak engkol mengalir ke dalam silinder untuk mengisi silider dengan gas baru dan mendorong gas buang ke luar sehingga silinder benar-benar bersih dari gas buang.
Proses Pembilasan
D. Proses Pembakaran
Proses pembakaran pada motor bensin dapat digambarkan sebagai berikut:
Proses Pembakaran
Beberapa derajat sebelum TMA akhir kompresi busi memercikkan api,. percikan api pada busi akan membakar daerah sekeliling busi (1). Campuran bahan bakar yang terbakar akan bergerak menjauh dari busi, dan membakar campuran bahan bakar yang lain sehingga tekanan dan temperature naik (2),, puncak tekanan hasil pembakaran (3) terjadi 10-15 º setelah TMA. Pada titik (4) merupakan akhir proses pembakaran.
E. Saat Pengapian
Saat pengapian merupakan waktu terjadinya percikan api pada busi. Saat pengapian yang tepat (Za) akan menghasilkan tekanan hasil pembakaran yang optimal. Pengapian yang terlalu mundur(Zc) menyebabkan tekanan maksimal hasil pembakaran terjadi melewati 108 sampai 15 8 sesudah TMA, sehingga tekanan tidak efektif lagi, tenaga yang dihasilkan lemah. Sebaliknya pengapian yang terlalu maju (Zb) menyebabkan tekanan maksimal hasil pembakaran terjadi kurang dari 108 sampai 158 sesudah TMA, tekanan tersebut menghambat gerak piston saat kompresi, piston bergetar sehingga menimbulkan suara ketukan dan temperatur tinggi.
Pengaruh timing pengapian terhadap tekanan dan temperatur mesin
F. Pengajuan Saat Pengapian
Waktu yang diperlukan proses pembakaran dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya: beban mesin, temperatur mesin, kompresi, campuran bahan bakar, nilai oktan bahan bakar, bentuk ruang bakar, penempatan busi, maupun kuatnya percikan api busi. Saat putaran mesin tinggi waktu yang tersedia untuk membakar campuran bahan bakar semakin terbatas oleh karena itu pada putaran tinggi saat pengapian harus dimajukan, hal ini untuk menjaga agar tekanan maksimal hasil pembakaran tetap terjadi pada titik yang optimal yaitu 108 sampai 15 8 sesudah TMA.
Contoh suatu mesin dirancang saat pengapiannya 88 sebelum TMA pada putaran 600 rpm, dengan saat pengapian tersebut diharapkan tekanan maksimal pembakaran terjadi 108 setelah TMA. Dari data tersebut berarti tekanan maksimal terjadi setelah β = 88 + 108 = 188 setelah saat pengapian, atau perlu waktu:
t = 60 β : 360 n = (60 x 18) : (360 x 600 )= 0,005 detik
Dengan asumsi waktu yang dibutuhkan untuk pembakaran tetap, maka bila saat pengapian tidak dimajukan maka tekanan maksimal hasil pembakatan akan mundur. Misalnya dari contoh di atas putaran mesin naik menjadi 1200 rpm, maka β yang diperlukan untuk waktu pembakaran 0,005 detik adalah:
β = (360n x t ) / 60 = (360 x 1200 x 0,005) : 60 = 36 8
Tekanan maksimal hasil pembakaran adalah 368 - 88 = 288 sesudah TMA, dengan tekanan yang terlalu mundur tersebut tenaga mesin menjadi lemah akibat tekanan terjadi pada volume silinder sudah terlalu besar. Agar tekanan maksimal tetap terjadi pada 108 setelah TMA maka saat pengapian harus diajukan menjadi :
β - 108 = 368 –108 = 268 sebelum TMA.
Mekanisme pengajuan saat pengapian ada 2 macam, yaitu: centrifugal advancer dan vacuum advancer. Kedua sistem pengajuan tersebut saling melengkapi satu dengan yang lain sehingga diperoleh saat pengajuan yang paling tepat. Hubungan putaran mesin dan pengajuan saat pengapian dapat digambarkan sebagai berikut
Hubungan putaran mesin dengan pengajuan saat pengapian
G. Urutan Pengapian (Firing Order)
Pada motor multi silinder proses pembakaran tiap silinder tidak terjadi bersamaan melainkan bergantian secara berurutan dengan selisih waktu pembakaran :
a. Motor 4 tak adalah 720° dibagi jumlah silider, misal motor 4 silider maka selisih waktu pembakaran adalah 720/4 = 180° .
b. Motor 2 tak adalah 360° dibagi jumlah silinder, misal motor 4 silider maka selisih waktu pembakaran adalah 360/4 = 90° .
Urutan proses pembakaran atau sering disebut FO (Firing Order), merupakan urutan percikan api busi guna membakar campuran bahan bakar. Proses pembakaran terjadi saat akhir langkah kompresi sehingga urutan percikan api harus diberikan sesuai dengan urutan siklus kerja pada tiap silinder. Dengan demikian FO sangat erat kaitannya dengan desain motor, oleh karena itu dalam pemasangan kabel busi kita harus mengetahui FO mesin tersebut. Contoh motor 4 tak, 4 silinder mempunyai FO : 1 – 3 – 4 – 2 , urutan proses pembakaran dapat digambarkan sebagai berikut:
Diagram urutan pembakaran motor 4 tak, 4 silinder
Kesalahan FO menyebabkan kesalahan memberi api pada busi sehingga tidak ada pembakaran pada silinder bersangkutan. Contoh motor 4 tak, 4 silinder mempunyai FO : 1 – 3 – 4 – 2 , Karena salah asumsi arah putaran motor maka FO menjadi 1 – 2 - 4 - 3, kesalahaan ini menyebabkan silinder 2 dan 3 terbalik.
Dampak kesalahan FO pada motor
Percikan api pada silinder 2 terjadi pada saat akhir langkah buang (530° bila saat pengapian 10° sebelum TMA ) akibatnya tidak terjadi proses pembakaran pada silinder 2, demikian juga silinder 3 yaitu percikan api pada busi terjadi pada akhir langkah buang (170° bila saat pengapian10° sebelum TMA). Saat akhir langkah buang, katup hisap mulai terbuka karena adanya overlaping katup, kondisi tersebut menyebabkan munculnya ledakan di karburator bila salah pemasangan FO, terutama bila saat pengapian terlalu mundur atau mendekati TMA dan mesin pincang karena hanya 2 silinder yang bekerja.
Diagram pembakaran mesin V-8
H. Prinsip Terjadinya Percikan Api
Sistem pengapian merupakan sistem yang berfungsi untuk menghasilkan percikan api yang kuat pada celah busi, guna memulai proses pembakaran campuran bahan bakar dengan udara di dalam ruang bakar, mengatur saat pengapian (saat perciakan api pada busi) dengan tepat dan saat pengapian sesuai dengan putaran dan beban mesin
Petir menghasilkan percikan api
Ilustrasi bagaimana percikan api dapat dihasilkan dapat dilihat dari gejala alam, yaitu terjadinya petir. Petir menyambar pohon atau rumah menyebabkan rumah terbakar. Petir terjadi akibat perpindahan electron pada awan dengan tanah yang mempunyai perbedaan potensial yang tinggi, sehingga mampu melewati tahanan udara yang sangat besar.
Hubungan celah busi dengan tegangan yang diperlukan
Untuk menghasilkan percikan api pada pada celah busi diperlukan tegangan yang sangat tinggi. Hubungan celah busi dengan tegangan yang dibutuhkan dapat dilihat pada gambar di atas. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa untuk celah busi 0,6 mm diperlukan tegangan minimal 10.000 Volt atau 10 kV. Sedangkan untuk celah 0,8 mm) diperlukan tegangan minimal 15.000 Volt atau 15 kV.
Sumber energi listrik yang digunakan pada sistem kelistrikan otomotif dengan tegangan 12 Volt, padahal busi memerlukan tegangan yang sangat tinggi, untuk merubah tegangan 12 V menjadi tegangan tinggi diperlukan Step-Up Trafo, pada sistim pengapian sep-up trafo adalah koil pengapian (ignition coil).
Proses Induksi
Saat kontak ON maka arus listrik mengalir ke primer, inti koil menjadi magnet. Saat kontak OFF, arus listrik mengalir ke primer koil terhenti, kemagnetan hilang, maka terjadi induksi pada skunder koil yang ditunjukkan pada voltmeter. Besar induksi tergantung dari:
E = N . d Ø/dt
Keterangan:
E = tegangan induksi (Volt)
N = jumlah gulungan
d Ø = jumlah perubahan garis gaya magnet (Weber)
dt = perubahan waktu (detik)
I. Pembangkitan Pulsa
Dari prinsip induksi di atas menunjukkan untuk menghasilkan induksi pada koil pengapian diperlukan aliran listrik berbentuk pulsa. Berdasarkan teknik pembangkitan pulsanya maka sistem pengapian dapat dikelompokkan menjadi:
1. Sistem Pengapian Konvensional
Sistem pengapian konvensional merupakan sistem pengapian yang metode pembangkitan pulsa menggunakan platina (contac breaker). Pemasangan platina secara seri antara koil pengapian dengan massa.
Pembangkitan pulsa pengapian konvensional
Saat platina menutup (ON) maka arus listrik megalir pada kumparan primer. Saat platina terbuka (OFF), maka arus primer koil terputus, dan terjadi induksi tegangan tinggi pada sekunder koil. Hubung putus platina dilakukan oleh poros nok.
2. Sistem pengapian Semi Elektronik
Sistem pengapian semi elektronik merupakan sistem pengapian yang menggunakan tambahan komponen elektronik berupa transistor sebagai saklar elektrik. Kerja transistor dikontrol oleh platina. Karena platina hanya mengendalikan transistor maka arus yang lewat platina menjadi kecil dan kontak platina menjadi awet.
Pembangkitan Pulsa Pengapian Semi Elektronik
Saat platina menutup (ON) maka transistor juga ON, dan saat platina terbuka (OFF) maka transistor juga OFF. Jadi pulsa platina sama dengan pulsa transistor, perbedaan terletak pada besar arus yang mengalir. Arus yang melalui platina harus melalui R3, sehingga arus yang mengalir menjadi kecil, platina menjadi awet.
3. Sistem Pengapian Elektronik
Pembangkitan pulsa pada sistem pengapian elektronik menggunakan signal generator
Sistem pengapian elektronik merupakan sistem pengapian tidak menggunakan platina (contactlees ignition). Sebagai ganti kontak platina digunakan photo transistor, inframerah atau signal generator. Sistem pengapian elektronik dikelompokkan menjadi 2 yaitu sistem pengapian Transistor (Igniter) dan sistem pengapian CDI (Capastor Discharge Ignition).
Sistem pengapian elektronik pada saat ini yang paling banyak digunakan karena perawatan lebih mudah karena tidak memerlukan penyetelan, induksi sekunder koil tegangannya sangat tinggi sehingga percikan api kuat, hemat bahan bakar, emisi gas buang rendah dan performa mesin sangat baik.
J. Rangkuman
Ditinjau dari suklus kerjanya, motor bensin dibagi menjadi dua yaitu motor 2 tak dan motor 4 tak. Motor 2 tak yaitu motor yang satu siklus kerjanya membutukan 2 langkah piston sedangkan motor 4 tak yaitu motor yang satu siklus kerjanya membutukan 4 langkah piston.
Motor bensin memerlukan percikan api busi untuk memulai proses pembakaran, percikan api harus terjadi pada saat yang tepat agar diperoleh tekanan hasil pembakaran yang paling optimal. Untuk menghasilkan percikan api busi diperlukan sistem yang menghasilkan tegangan tinggi, yaitu pengapian.
Terdapat 3 model sistem pengapian yaitu: sistem pengapian konvensional, semi elektronik dan elektronik.
K. Evaluasi
1. Jelaskan prinsip kerja motor 2 tak dan motor 4 tak.
2. Jelaskan proses pembakaran pada motor bensin
3. Bagaimana dampak saat pengapian yang tidak tepat terhadap kerja mesin ?.
4. Gambarkan urutan pengapian pada motor 4 tak, 4 silinder bila diketahui FO: 1-2-4-3.
5. Mengapa saat putaran tinggi saat pengapian perlu diajukan?
5. Bagaimana prinsip merubah tegangan 12 menjadi tegangan tinggi.
6. Jelaskan prinsip pembangkitan pulsa pada pengapian konvensional, semi elektronik dan elektronik.
