Prinsip kerja mesin IC (Internal Combustion) terdiri dari siklus termodinamika yang terlibat untuk menghasilkan tenaga dan proses termodinamika seperti hisap, kompresi, ekspansi penambahan panas dan pelepasan panas. Dalam postingan ini, kita akan mempelajari prinsip operasi dari empat langkah dan dua langkah baik dari mesin bensin (mesin pengapian busi) maupun mesin diesel (mesin pengapian kompresi).
Mesin Pengapian Busi Empat Langkah
Kerja dari keempat langkah dari mesin pengapian busi ditunjukkan pada Gambar 1. Di mesin ini, siklus operasi diselesaikan dalam empat langkah piston atau dua putaran poros engkol.
Gambar 1. Proses Empat Langkah dari Mesin Pengapian Busi (Mesin Bensin)
Selama empat langkah, ada lima proses yang harus diselesaikan, yaitu hisap, kompresi, pembakaran, ekspansi dan pembuangan. Setiap langkah terdiri dari putaran 180° poros engkol dan karenanya menjadi empat siklus stroke diselesaikan dalam dua putaran poros engkol. Diagram tekanan-volume (P – V diagram) diagram ditunjukkan pada Gambar 2.
Keempat langkah tersebut adalah:
Suction Stroke/Langkah Hisap (0 - 1): Dimulai saat piston berada di TDC (Top Death Center atau Titik Mati Atas (TMA) dan akan bergerak ke bawah, katup masuk terbuka dan katup buang ditutup seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Karena hisap tercipta oleh gerakan piston menuju BDC (Below Death Center/Titik Mati Atas (TMA)), campuran udara-bahan bakar masuk ke dalam silinder. Langkah hisap berakhir saat piston mencapai BDC.
Langkah Kompresi (1–2): Pada akhir langkah isap, katup masuk ditutup dan piston bergerak ke arah TDC. Pada langkah ini, kedua katup masuk dan keluar tertutup; kompresi campuran udara-bahan bakar yang terisi di dalam silinder dimulai dari BDC dan berakhir di TDC seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b. Di akhir kompresi dan pada volume konstan (2–3) (lihat gambar 2), percikan dimulai pada busi dan segera terjadi pembakaran campuran udara-bahan bakar terkompresi. Tekanan dan suhu dinaikkan hingga batas maksimum.
Power Stroke/Langkah Tenaga (3–4): Tekanan tinggi yang timbul akibat pembakaran bahan bakar memaksa piston menuju BDC. Tenaga tersebut ditransfer ke poros engkol. Tekanan dan suhu menurun selama langkah tersebut. Pada langkah ini, kedua katup ditutup seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1c.
Gambar 2. Diagram P-V Untuk Siklus Otto atau Siklus Bensin
Exhaust Stroke/Langkah Pembuangan (4–1): Pada akhir langkah ekspansi atau langkah daya, katup buang terbuka dan katup masuk tetap tertutup seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1d. Piston bergerak menuju TMA dan gas buang dipaksa untuk melarikan diri ke atmosfer melalui katup buang
Mesin Pengapian Kompresi Empat Langkah
Mesin pengapian kompresi empat langkah (CI) sangat mirip dengan pengapian busi empat langkah mesin sebagaimana yang ditunjukkan pada Gambar 3, tetapi beroperasi pada rasio kompresi yang jauh lebih tinggi. Kompresinya rasio mesin SI bervariasi dari 6 hingga 10 sedangkan pada mesin CI berkisar antara 16 hingga 20. Selama langkah hisap, udara dihisap sendiri di dalam silinder dan kemudian dikompresi secukupnya untuk meningkatkan suhu yang sama dengan suhu penyalaan sendiri bahan bakar yang diinjeksikan pada akhir kompresi pada tekanan konstan. Di mesin ini, pompa bahan bakar dan injektor digunakan untuk menginjeksikan bahan bakar pada tekanan tinggi. Sistem pengapian mesin CI sama sekali berbeda dari mesin SI karena tidak diperlukan busi dan karburator .
Urutan operasi mesin CI dapat dijelaskan sebagai berikut:
Langkah hisap: Dalam langkah ini, piston bergerak dari TDC ke BDC dan udara dihisap sendiri karena kondsisi vakum dibuat di dalam silinder oleh gerakan piston. Selama suction, katub hisap (inlet valve) terbuka dan katup buang tetap tertutup seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a. Pada diagram P – V yang ideal, suction ditunjukkan oleh garis lurus dari 0 ke 1 sebagaimana yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Langkah kompresi: Kedua katup tertutup selama langkah kompresi dan udara dikompresi ke dalam volume clearance oleh gerakan piston dari BDC ke TDC seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b. Pada diagram P – V itu ditunjukkan oleh proses 1–2 pada Gambar 4. Pada akhir langkah kompresi pada tekanan konstan, bahan bakar diinjeksikan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c. Karena tekanan dan suhu tinggi, bahan bakar mulai menyala secara otomatis saat suhu udara dinaikkan ke titik nyala bahan bakar. Proses penambahan panas ditunjukkan oleh garis 2–3 pada diagram P – V.
Langkah ekspansi atau tenaga: Injeksi bahan bakar dimulai hampir di akhir langkah kompresi. Laju injeksi sedemikian rupa sehingga pembakaran mempertahankan tekanan konstan meskipun demikian gerakan piston pada langkah ekspansinya meningkatkan volume. Panas diasumsikan telah ditambahkan pada tekanan konstan. Setelah injeksi bahan bakar selesai, produk pembakaran berekspansi (mengembang). Kedua katup tetap tertutup selama langkah ekspansi seperti ditunjukkan pada Gambar 3d. Proses ekspansi ditunjukkan oleh 3–4 pada diagram P – V.
Gambar 3. Siklus termodinamika 4 Langkah dalam Mesin Pengapian Kompresi (Mesin Diesel)
Gambar 4. Diagram P-V Untuk Siklus Diesel
Langkah buang: Katup buang terbuka dan katup masuk ditutup selama langkah. Pergerakan piston dari BDC ke TDC mendorong hasil pembakaran dan dibuang ke atmosfer melalui katup buang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3e. Proses pembuangan ditunjukkan oleh garis 4–5 pada diagram P – V.
Mesin Pengapian Busi Dua Langkah
Pada mesin SI empat tak, ada satu langkah tenaga dalam dua putaran poros engkol dan dua langkah piston, yaitu, hisap dan buang yang tidak produktif. Jika kedua langkah non produktif ini bisa jadi dilayani oleh pengaturan alternatif apalagi tanpa adanya pergerakan piston maka akan ada satu langkah tenaga untuk setiap putaran poros engkol. Pada mesin seperti itu, keluaran tenaga bisa dua kali lipat, secara teoritis, untuk kecepatan sama dibandingkan dengan mesin empat tak. Berdasarkan konsep ini, D. Clark (1878) mengembangkan mesin dua tak.
Pada mesin ini, proses pengisian dilakukan dengan kompresi muatan di bak mesin (baca crankcase) atau dengan blower. Induksi muatan terkompresi mendorong produk bahan bakar yang terbakar melalui knalpot pembuangan. Oleh karena itu, tidak diperlukan gerakan piston untuk proses hisap dan pembuangan. Dua langkah cukup untuk menyelesaikan siklus, satu untuk mengompresi muatan baru dan lainnya untuk ekspansi atau langkah tenaga. Gambar 5 menunjukkan bentuk mesin scavenged karter yang paling sederhana. Yang ideal dan Diagram indikator aktual ditunjukkan pada Gambar 6.
Muatan diinduksi ke bak mesin melalui katup masuk pegas saat tekanan di bak mesin berkurang karena gerakan ke atas piston selama langkah kompresi. Setelah kompresi dan pengapian, ekspansi terjadi dengan cara biasa. Selama ekspansi muatan di bak mesin dikompresi. Mendekati ujung piston langkah ekspansi membuka penutup knalpot buang dan tekanan silinder turun ke tekanan atmosfir saat produk pembakaran meninggalkan silinder.
Gambar 5. Siklus 2 Langkah dari Mesin Pengapian Busi
Gambar 6. Diagram P-V Untuk 2 langkah mesin pengapian busi
Gerakan lebih lanjut dari piston membuka port transfer, memungkinkan muatan yang sedikit dikompresi masuk bak mesin untuk masuk ke silinder mesin.
Bagian atas piston biasanya memiliki proyeksi untuk membelokkan muatan baru ke arah atas silinder sebelum mengalir ke port knalpot. Hal ini melayani tujuan ganda — memulung produk pembakaran di bagian atas silinder dan mencegah muatan baru mengalir langsung ke knalpot. Sasaran yang sama dapat dicapai tanpa deflektor piston dengan pembentukan yang tepat pelabuhan transfer. Selama gerakan piston ke atas dari BDC, port transfer ditutup terlebih dahulu dan kemudian port pembuangan ditutup ketika kompresi muatan dimulai dan siklus diulang dengan cara yang sama.
Mesin CI Dua Langkah
Cara kerja mesin CI dua langkah sangat mirip dengan mesin SI dua langkah. Perbedaan utamanya adalah bahwa dalam mesin CI udara supercharged digunakan melalui port inlet dan sebagai ganti port exhaust port katup digunakan. Udara bertekanan diinduksi melalui lubang masuk yang mengeluarkan pembakaran gas melalui katup buang selama langkah ekspansi. Katup masuk dan buang ditutup selama Pada langkah kompresi, piston bergerak dari BDC ke TDC. Di akhir kompresi, bahan bakar diinjeksikan di dalam silinder dan menyala dan piston dipaksa untuk berpindah dari TDC ke BDC. Proses yang sama diulangi lagi dan lagi. Model potongan mesin CI dua langkah ditunjukkan pada Gambar 7 dan pukulan kerja ditunjukkan pada Gambar 8
Perbandingan Antara Mesin Empat dan Dua Langkah
Mesin empat tak Mesin dua tak
Dalam Mesin 4 Langkah Siklus termodinamika diselesaikan dalam empat siklus langkah piston dan dua putaran poros engkol. Dengan demikian, satu langkah daya diperoleh dalam dua putaran poros engkol. Adapun dalam 2 langkah, Siklus termodinamika selesai di dua langkah piston dan satu putaran dari poros engkol. Jadi, satu langkah daya diperoleh dalam satu putaran poros engkol.
Dalam Mesin 4 Langkah momen belok tidak begitu seragam selama keempat langkah dan karenanya roda gila yang lebih berat sangat dibutuhkan. Adapun dalam 2 langkah, Secara komparatif, momen belok lebih seragam dan karenanya flywheel yang lebih ringan dapat digunakan.
Dalam Mesin 4 Langkah Tenaga yang dihasilkan untuk ukuran mesin yang sama kurang dari dua langkah karena satu langkah tenaga dalam dua putaran poros engkol. Atau untuk output tenaga yang sama dibutuhkan mesin lebih berat
dan lebih besar. Adapun dalam 2 langkah Tenaga yang dihasilkan untuk mesin berukuran sama lebih dari mesin empat tak karena satu langkah tenaga di setiap putaran crankshaft.
4. Dibutuhkan pendinginan dan pelumasan yang lebih rendah karena
satu pukulan kekuatan dalam dua putaran dan karenanya
lebih sedikit keausan yang terjadi.
4. Dibutuhkan pendinginan dan pelumasan yang lebih besar
ke satu pukulan kekuatan di setiap revolusi dan
karenanya lebih banyak keausan terjadi.
5. Terdiri dari katup dan penggerak katup
mekanisme seperti cam, camshaft, rocker arm,
pegas, katup dan lembaran katup.
5. Memiliki port di tempat katup.
6. Ini memiliki efisiensi volumetrik yang lebih tinggi sebagai waktu
tersedia untuk induksi biaya lebih.
6. Efisiensi volumetrik lebih rendah karena lebih rendah
waktu yang tersedia untuk induksi.
7. Ini memiliki efisiensi termal yang lebih tinggi karena selesai
pembakaran bahan bakar.
7. Ini memiliki efisiensi termal yang lebih rendah karena parsial
pemborosan bahan bakar melalui port knalpot dan
pembakaran tidak sempurna.
1. Ini didasarkan pada siklus Otto atau volume konstan
penambahan panas dan siklus penolakan.
1. Ini didasarkan pada siklus diesel atau tekanan konstan
penambahan panas dan panas volume konstan
siklus penolakan.
2. Suhu penyalaan sendiri yang tinggi dan mudah menguap
bahan bakar, bensin digunakan.
2. Bahan bakar bertemperatur sendiri yang relatif rendah volatil dan rendah, digunakan solar.
3. Campuran gas dari bahan bakar dan udara diinduksi
selama langkah hisap. Karburator diperlukan
untuk menyediakan campuran.
3. Bahan bakar diinjeksikan pada tekanan tinggi di akhir
langkah kompresi. Pompa bahan bakar dan injektor
unit digunakan.
4. Throttle mengontrol jumlah campuran bahan bakar-udara
diperkenalkan.
4. Jumlah bahan bakar diatur dalam pompa. Udara
kuantitas tidak terkontrol. Ada kualitas
kontrol.
5. Untuk pembakaran muatan, itu membutuhkan
sistem pengapian dengan stark plug in combustion
ruang.
5. Penyalaan otomatis terjadi karena suhu tinggi
udara yang dihasilkan dari kompresi tinggi.
6. Rasio kompresi berkisar antara 6 sampai 10. 6. Rasio kompresi berkisar antara 16 sampai 20.
7. Karena bobotnya yang ringan dan homogen
pembakaran, mereka adalah mesin berkecepatan tinggi.
7. Karena bobotnya yang berat dan heterogen
pembakaran, mereka relatif rendah
mesin kecepatan.
8. Ini memiliki efisiensi termal yang lebih rendah karena lebih rendah
rasio kompresi tetapi memberikan lebih banyak tenaga untuk
rasio kompresi yang sama.
8. Ini memiliki efisiensi termal yang lebih tinggi karena tinggi
rasio kompresi dan memberikan daya yang lebih rendah
untuk rasio kompresi yang sama.
1. Dalam siklus Otto, panas ditambahkan dan ditolak pada
volume konstan.
1. Dalam siklus diesel, panas ditambahkan secara konstan
tekanan dan panas dibuang secara konstan
volume.
2. Untuk rasio kompresi yang sama, siklus Otto lebih
efisien dibandingkan dengan siklus diesel.
2. Rasio kompresi siklus diesel lebih banyak
daripada siklus Otto.
3. Siklus Otto digunakan dalam mesin S.I. 3. Siklus diesel digunakan pada mesin CI.
Referensi: Basic Mechanical Engineering, Pravin Kumar
WordPress.com
