Setelah pembakaran, energi kimia yang terkandung dalam bahan bakar diubah menjadi energi termal. Energi termal dalam bentuk gas panas yang memberikan tekanan pada piston menyebabkan pergerakannya. Dengan cara ini, energi termal diubah menjadi energi mekanik. Konversi dari energi termal ke energi mekanik tidak efisien. Hanya sebagian dari energi termal yang diubah menjadi energi mekanik. Energi termal yang tidak terpakai menyebabkan kenaikan suhu.
Pada suhu tinggi, viskositas pelumas berkurang. Perubahan viskositas ini mendekonstruksi lapisan pelumas, sehingga mungkin terjadi kontak langsung antara bagian logam yang dapat menyebabkan kerusakan. Energi termal berlebih yang tersisa dipindahkan ke bagian-bagian mesin yang berdekatan, seperti piston, liner, silinder, dan kepala silinder. Panas dapat terakumulasi di bagian-bagian ini, sehingga menyebabkan kenaikan suhu yang terus-menerus. Hal ini dapat menyebabkan deformasi pada bagian seperti piston dan liner. Akibatnya, piston dapat terjepit dan mesin dapat berhenti bekerja.
Suhu tinggi juga menyebabkan stres berlebihan pada bagian-bagian, mengurangi umur mereka. Sebagian panas dapat dibawa oleh oli pelumas dan sebagian dapat hilang ke lingkungan melalui radiasi. Namun, panas yang diambil oleh oli pelumas dan yang hilang ke lingkungan hanya sekitar 12% dari total panas yang disuplai. Sebagian panas dibawa oleh gas buang, yang mungkin mencapai sekitar 30% dalam kasus mesin empat langkah. Konversi yang berguna menjadi energi mekanik adalah sekitar 28%. Oleh karena itu, sekitar 30% panas yang tidak terpakai tetap berada di dalam mesin. Untuk menghindari akumulasi panas ini di berbagai bagian, sangat penting untuk menghilangkannya secara efisien dan terus-menerus. Untuk mencapai hal ini, sistem pendingin mesin digunakan.
Transfer panas terjadi dari suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah. Selama langkah hisap, campuran baru masuk ke silinder pada suhu yang lebih rendah. Suhu di dalam silinder tinggi akibat gas buang yang keluar. Dalam kasus mesin empat langkah tertentu, suhu dapat turun menjadi di bawah 500 K dari lebih dari 1000 K. Selama langkah kompresi, suhu mulai meningkat. Selama pembakaran, terjadi kenaikan suhu yang mendadak dan dapat mencapai nilai sekitar 2000 K. Selama ekspansi, energi termal diubah menjadi energi mekanik, yang menyebabkan penurunan suhu menjadi sekitar 1200 K. Gas keluar selama langkah buang pada suhu sekitar 1200 K. Panas yang tertahan di dalam silinder paling mempengaruhi bagian-bagian seperti liner, piston, cincin, dan kepala silinder. Kepala silinder memiliki saluran masuk, saluran buang, dan katup, sehingga bagian-bagian ini juga terpengaruh.
SISTEM PENDINGIN
Panas yang tetap tidak terpakai dalam mesin berdampak negatif pada kinerjanya. Oleh karena itu, sangat penting untuk mendinginkan panas ini dengan baik. Untuk mencapai ini, sistem pendingin disediakan dalam mesin. Sistem pendingin dapat menggunakan air/coolant atau udara untuk tujuan pendinginan.
SISTEM PENDINGIN DENGAN AIR/COOLANT
Ini adalah sistem pendingin yang lama dan dapat diandalkan. Dalam beberapa tahun terakhir, senyawa kimia yang umumnya dikenal sebagai coolant telah menggantikan air. Air atau coolant diputar di sekitar silinder untuk menyerap panas. Panas diambil oleh air atau coolant saat bergerak dan digantikan oleh air atau coolant yang segar. Air atau coolant diarahkan melalui radiator. Panas yang diserap oleh air atau coolant dipindahkan ke atmosfer, dan air atau coolant kembali ke suhu atmosfer. Air atau coolant yang telah didinginkan dikirim kembali ke mesin untuk menyerap panas lagi. Siklus ini diulang terus-menerus dengan air atau coolant yang secara terus-menerus mengambil panas dari bagian mesin. Sistem ini dirancang sedemikian rupa sehingga dapat menjaga suhu bagian mesin dalam batas yang diperbolehkan.
Komponen sistem dijelaskan di bawah ini.
1. Coolant
Air telah lama digunakan sebagai coolant. Tingkat penguapannya yang tinggi, terutama di musim panas, memerlukan pengisian radiator yang sering. Dalam beberapa tahun terakhir, senyawa kimia telah diperkenalkan sebagai coolant. Salah satu senyawa yang digunakan adalah coolant berbasis etilena glikol. Senyawa ini juga berfungsi sebagai agen anti-beku. Ketika senyawa ini dicampur dengan air (dalam rasio 2:1), campuran tersebut memiliki titik didih yang lebih tinggi (113°C) dan titik beku yang lebih rendah (–69°C). Umumnya, campuran 50:50 digunakan karena memberikan hasil terbaik. Senyawa anti-beku tidak boleh kurang dari 44%. Jika terjadi, bagian mesin dapat tererosi. Korosi dapat merusak komponen sistem pendingin secara serius. Selain itu, jika air tidak dicampurkan, senyawa ini dapat menyebabkan kerusakan serius pada bagian mesin karena panas yang dihasilkan sangat besar.
2. Tangki Ekspansi
Tangki ini menampung coolant yang melewati tutup tekanan saat mesin dalam keadaan panas. Ketika mesin mencapai suhu yang lebih tinggi, coolant mengembang dan menyebabkan pelepasan tutup tekanan. Coolant kemudian mengalir ke tangki ekspansi. Ketika mesin dihentikan, suhunya berkurang dan coolant dari tangki ekspansi ditarik kembali ke dalam sistem pendingin.
3. Pompa
Fungsi pompa adalah untuk mengalirkan coolant melalui sistem pendingin. Pompa ini adalah pompa sentrifugal. Untuk menjalankan pompa, digunakan output dari mesin. Poros engkol terhubung ke pompa melalui pulley dan sabuk v. Pompa ini memiliki impeller di salah satu ujung poros. Poros dipasang dalam rumah pompa. Bantalan disediakan untuk dukungan dan pergerakan yang lancar. Di ujung poros yang lain, terdapat pulley yang menghubungkan pompa ke poros engkol melalui sabuk. Segel yang tepat disediakan untuk mencegah kebocoran.
4. Radiator
Ini adalah jenis penukar panas aliran-silang. Radiator memiliki sejumlah tabung dan sirip yang terbuka terhadap udara atmosfer. Tujuan sirip-sirip ini adalah untuk menyediakan area paparan maksimum untuk pelepasan panas yang cepat. Efisiensi radiator bergantung pada desain dasarnya, jumlah cairan pendingin yang melewatinya, dan suhu udara sekitar. Namun, efisiensi radiator sebaiknya tidak terlalu tinggi. Penting untuk menjaga suhu mesin tetap tinggi. Hal ini mengurangi hidrokarbon dalam knalpot. Untuk tujuan ini, suhu cairan pendingin dijaga tetap tinggi. Suhu cairan pendingin dinaikkan dengan tutup radiator bertekanan tinggi dan dengan menjaga ukuran radiator tetap kecil. Radiator umumnya merupakan jenis penukar panas aliran-silang. Aliran cairan pendingin bergerak ke bawah dan aliran udara bergerak dalam arah tegak lurus melintasi cairan pendingin.
Radiator dilengkapi dengan plug di bagian bawah untuk menguras cairan pendingin. Setelah cairan pendingin mencapai akhir masa pakainya dan menjadi tidak efektif, cairan tersebut harus diganti dengan cairan pendingin yang baru. Cairan pendingin baru ditambahkan melalui tutup radiator. Terkadang, disediakan tangki pemulihan yang menyediakan cairan pendingin baru.
5. Tutup Tekanan
Titik didih suatu zat dapat dinaikkan dengan meningkatkan tekanan. Sangat diinginkan agar titik didih cairan pendingin dinaikkan. Untuk mencapai hal ini, tutup tekanan digunakan untuk menutupi radiator. Tutup ini dilengkapi dengan ventilasi dan pegas tekanan. Ketika tekanan dalam radiator melampaui batas yang diizinkan, tekanan dilepaskan melalui ventilasi ini ke tangki pemulihan. Pada masa lalu, radiator biasanya menggunakan tutup tipe tekanan konstan atau tutup tipe ventilasi tekanan. Tutup tipe tekanan konstan dilengkapi dengan segel atau katup yang awalnya tetap tertutup. Ketika cairan pendingin menjadi panas dan tekanan yang diizinkan tercapai, katup tersebut akan terbuka. Jenis tutup lain yang digunakan pada masa lalu adalah tipe ventilasi tekanan. Tutup ini memiliki katup yang dibuka oleh beban. Ketika tekanan mulai naik, beban bergerak dan menutup katup. Ketika tekanan melebihi batas yang diizinkan, tutup akan terbuka dan tekanan berlebih dilepaskan.
Pada kendaraan modern, digunakan tutup tipe sistem tertutup. Tutup ini selalu menjaga radiator penuh dengan cairan pendingin. Ketika tekanan melampaui batas yang diizinkan, cairan pendingin dilepaskan ke tangki pemulihan. Jika jumlah cairan pendingin berkurang, cairan tersebut akan ditarik dari tangki pemulihan. Cairan pendingin hanya diperiksa dan ditambahkan melalui tangki pemulihan. Tutup-tutup ini dilengkapi dengan pengaman yang tidak memungkinkan cairan pendingin panas untuk menyembur keluar. Pertama, tekanan dilepaskan, dan kemudian barulah tutup dapat dibuka. Penting agar tidak terjadi kebocoran ketika tekanan berada di bawah batas minimum. Selain itu, tutup harus terbuka saat tekanan melebihi batas maksimum. Tutup tipe sistem tertutup ditunjukkan pada Gambar 6.5.
6. Selang
Radiator dan mesin harus dihubungkan melalui selang agar cairan pendingin dapat mengalir dari mesin ke radiator. Biasanya, terdapat dua selang pemanas dan satu selang radiator atas serta satu selang radiator bawah. Dalam beberapa sistem, juga disediakan selang by-pass. Selang-selang ini terbuat dari karet butil. Selang-selang ini diperkuat dengan kawat untuk memberikan kekuatan. Selang-selang ini juga dilengkapi dengan lekukan ekspansi. Selang atas terkena cairan pendingin pada suhu tertinggi. Selain itu, selang ini menyerap getaran maksimum dan terpapar pada kondisi kerja yang paling berat.
Selang-selang akan mengalami kerusakan dari dalam, dan potongan-potongan karet akan terkumpul di inti radiator dan menyebabkan penyumbatan. Selang-selang menjadi keras atau lembek menjelang akhir masa pakainya. Selang-selang ini dijepit pada saluran keluar dan masuk radiator, pompa, dan pemanas. Beberapa jenis penjepit yang digunakan adalah tipe roda gigi cacing, tipe pegas, atau tipe kawat ganda.
7. Termostat
Termostat terdiri dari pelet lilin dan logam bubuk. Pelet-pelet ini ditempatkan dalam cangkir tembaga dengan piston. Pelet akan mengembang seiring dengan kenaikan suhu. Hal ini menyebabkan pergerakan piston ke luar yang kemudian membuka katup termostat. Pelet dapat mendeteksi perubahan suhu dan membuka serta menutup katup sesuai kebutuhan untuk mengontrol aliran cairan pendingin dan suhunya. Aliran cairan pendingin juga dapat diperlambat.
Termostat umumnya terletak di bagian atas depan mesin. Pelet terkena cairan pendingin panas dan bagian atasnya ditutupi oleh rumah pelindung. Termostat menyebabkan mesin menjadi cepat hangat. Hal ini penting untuk menghindari kondensasi di ruang bakar. Kondensasi yang terjadi di ruang bakar menyebabkan pembentukan lumpur di ruang engkol. Agar mesin bekerja secara efisien, cairan pendingin dijaga di atas suhu tertentu. Termostat menjaga cairan pendingin di atas suhu ini. Mesin-mesin dilengkapi dengan katup by-pass yang menutup setelah pemanasan selesai. Hal ini menyebabkan aliran cairan pendingin menuju radiator. Gambar di bawah menunjukkan detail konstruksi dari sebuah termostat.
8. Penggerak Sabuk
Penggerak sabuk digunakan untuk mengoperasikan pompa air, kompresor, dan alternator. Umumnya, sabuk ini adalah sabuk-V. Karena fleksibilitasnya, sabuk ini cenderung menyerap guncangan. Panas berdampak buruk pada sabuk. Panas dihasilkan ketika sabuk mulai selip. Selip pada sabuk dapat terjadi karena kelonggarannya dan permukaan pulley yang berminyak.
9. Kipas
Sistem pendingin pada dasarnya berfungsi untuk menghilangkan panas dari mesin dan melepaskannya. Untuk tujuan ini, sirkulasi udara diperlukan. Ketika kendaraan bergerak dengan kecepatan tinggi, udara mengalir melalui radiator dan cukup untuk melepaskan panas. Namun, pada kecepatan rendah atau ketika kendaraan dalam keadaan diam, udara harus disediakan melalui kipas. Ukuran kipas, sudut bilah, dan jumlah bilah bergantung pada kebutuhan udara. Kipas terkadang bisa berjumlah dua, tergantung pada kebutuhan pendinginan. Kipas-kipas ini dilindungi dan ditempatkan sedikit menjauh dari radiator. Kipas tersebut diimbangi dengan baik dan umumnya terbuat dari baja. Namun, saat ini bahan sintetis seperti nilon dan fiberglass juga digunakan. Kipas menggunakan keluaran dari mesin untuk beroperasi. Sebagai alternatif, kipas juga dapat dijalankan dengan baterai. Kipas dapat dimatikan secara otomatis ketika suhu cairan pendingin rendah dan panas yang harus dilepaskan sedikit. Hal ini dimungkinkan melalui sensor yang dapat mendeteksi suhu cairan pendingin. Desain kipas telah ditingkatkan dengan menggunakan bilah fleksibel. Bilah-bilah ini akan menekuk dan sudutnya berkurang seiring dengan peningkatan kecepatan kipas.
10. Water Jacket
Blok silinder dan kepala silinder pada mesin dilengkapi dengan ruang kosong yang berfungsi sebagai water jacket. Blok silinder mengelilingi silinder-silinder mesin dan kepala silinder melindungi bagian paling atas silinder tempat ruang pembakaran berada. Bagian-bagian ini paling terpengaruh oleh panas yang tidak terpakai. Water jacket dilengkapi dengan saluran masuk dan keluar agar air dapat masuk. Setelah bergerak melalui water jacket dan mengambil panas yang tidak terpakai, air keluar melalui saluran keluar.
Sistem pendingin yang mewakili water jacket, radiator, kipas, dan komponen lainnya ditunjukkan pada Gambar di bawah.
Indikator Suhu
Sangat penting bahwa suhu mesin diatur dengan bantuan sistem pendingin. Sama pentingnya bagi pengemudi untuk terus mendapatkan informasi mengenai suhu mesin, suhu cairan pendingin, dan sebagainya. Informasi ini disediakan pada dasbor dengan bantuan sensor yang terletak di berbagai bagian. Informasi ini juga dikirim ke sistem kontrol mesin untuk tindakan korektif.
Pendingin Oli
Kendaraan dengan sistem transmisi otomatis menghasilkan cairan transmisi pada suhu tinggi. Suhu cairan ini diturunkan dengan melewatkannya melalui radiator tertutup yang terletak di dalam tangki cairan pendingin. Cairan transmisi kemudian disirkulasikan kembali setelah suhunya diturunkan.
Sistem Pendingin Udara
Udara digunakan sebagai media pendingin dalam sistem jenis ini. Mesin dibiarkan terbuka terhadap udara atmosfer. Udara yang bergerak di atas mesin akan membawa panas. Untuk membuat pelepasan panas lebih efektif, area perpindahan panas diperbesar. Hal ini dilakukan dengan menyediakan sirip-sirip pada permukaan luar dinding silinder (Gambar 6.12). Sirip-sirip tersebut dipasang tegak lurus terhadap sumbu silinder. Mesin-mesin kecil, terutama yang digunakan pada sepeda motor, menggunakan pendingin udara. Selain itu, mesin yang digunakan pada traktor juga menggunakan pendingin udara. Sangat sedikit mobil yang menggunakan mesin berpendingin udara.
Referensi: Automobile Engineering, Sudhir Kumar Saxena
