VIENIDMY Masuk Mulai latihan

Beranda › Materi › Perawatan Otomotif (Tokutei 2)

Struktur dan Kinerja Mesin

Perawatan Otomotif (Tokutei 2) · 自動車整備分野(2号) · Disusun oleh Tokutei Pass berdasarkan materi resmi; tidak disalin kata per kata.

Indikator Kinerja Mesin (Tekanan Efektif Rata-Rata, Daya Poros, Efisiensi Termal, Kerugian)

Saat membandingkan kinerja mesin, 'Tekanan Efektif Rata-Rata' adalah nilai kerja 1 siklus dibagi volume langkah (kapasitas mesin), yang digunakan untuk membandingkan kinerja mesin dengan kapasitas atau cara kerja yang berbeda.

Laju kerja yang dilakukan gas pembakaran di dalam silinder terhadap piston disebut 'Daya Indikasi', sedangkan tenaga aktual yang dapat diambil dari poros engkol ke luar disebut 'Daya Bersih (Net Power)' atau 'Daya Poros (Shaft Output)'.

Selisih antara daya indikasi dikurangi daya poros adalah 'Kerugian Mekanis'. Kerugian mekanis terdiri atas 'kerugian gesekan' pada piston, ring piston, dan bantalan, 'kerugian penggerak alat bantu' seperti pompa air, pompa oli, dan alternator, serta 'kerugian pemompaan' hisap-buang.

Sebaliknya, panas pembakaran bahan bakar yang terbuang tanpa menjadi kerja disebut 'Kerugian Panas (Heat Loss)', meliputi 'kerugian pendinginan' ke air pendingin dan dinding silinder serta 'kerugian gas buang' bersama gas buang bersuhu tinggi; jangan tertukar dengan kerugian mekanis.

Selain itu, 'Efisiensi Termal Teoretis' adalah perbandingan antara jumlah panas yang dapat diubah menjadi kerja dalam siklus teoretis terhadap jumlah panas yang disuplai; semakin tinggi rasio kompresi, semakin tinggi pula efisiensi termal teoretisnya.

Poin penting


  • Tekanan Efektif Rata-Rata = Kerja 1 siklus ÷ Volume langkah (dipakai untuk membandingkan mesin yang berbeda kapasitas atau cara kerja).

  • Tenaga aktual dari poros engkol disebut 'Daya Bersih (Daya Poros)', dan Efisiensi Mekanis = Daya Poros ÷ Daya Indikasi.

  • Kerugian gesekan piston/bantalan serta kerugian penggerak pompa air dan alternator termasuk 'Kerugian Mekanis', bukan 'Kerugian Panas'.

  • Contoh: Mesin dengan kerja 1 siklus 1.800J dan volume langkah 0,0015m³ (1.500cm³) → Tekanan efektif rata-rata = 1.800 ÷ 0,0015 = 1.200.000Pa = 1,2MPa

  • Contoh: Mesin dengan daya indikasi 100kW dan kerugian mekanis 15kW → Daya poros (daya bersih) = 100 − 15 = 85kW, efisiensi mekanis = 85 ÷ 100 × 100 = 85%
KosakataArti
tekanan efektif rata-rata
daya bersih (daya poros)
kerugian mekanis dan kerugian panas
efisiensi termal teoretis

Bentuk Ruang Bakar dan Fungsi Squish Area

Ruang bakar mesin bensin banyak mengadopsi tipe 'ruang bakar atap (Pentroof)' atau 'setengah bola (Hemispherical)' yang menempatkan katup hisap dan buang secara miring guna memperkecil rasio luas permukaan terhadap volume (rasio S/V).

Celah sempit yang terbentuk antara sisi bawah kepala silinder dan tepi puncak piston disebut 'Squish Area'; menjelang titik mati atas pada akhir langkah kompresi, campuran udara-bahan bakar ditekan menyembur kuat ke tengah ruang bakar.

Pusaran (vorteks squish) yang timbul saat itu meningkatkan kecepatan rambat api pada akhir langkah kompresi hingga langkah pembakaran, sehingga mempersingkat waktu pembakaran dan mencegah pembakaran tidak normal (knocking).

Semakin 'kecil' ketebalan (celah) squish area, semakin tinggi (cepat) kecepatan aliran pusaran campuran udara-bahan bakar. Selain itu, 'squish area miring' memudahkan aliran udara masuk dari saluran hisap berkat bentuk miringnya dan menghasilkan pusaran yang kuat.

Poin penting


  • Semakin 'kecil' ketebalan (celah) squish area, semakin cepat kecepatan aliran pusarannya.

  • Pusaran meningkatkan kecepatan rambat api dan 'mempersingkat' waktu pembakaran untuk mencegah knocking (bekerja pada akhir kompresi hingga pembakaran, bukan langkah hisap).

  • Squish area miring membuat aliran udara dari saluran hisap lebih lancar dan menghasilkan pusaran yang kuat.
KosakataArti
area squish (celah penyembur campuran)
squish area miring
kecepatan rambat api
ruang bakar tipe pentroof (atap)

Struktur dan Material Piston serta Ring Piston, dan Fenomena Scuffing

Dengan memperhitungkan pemuaian panas, piston paduan aluminium pada suhu ruang dibuat berbentuk oval (diameter arah pena piston sedikit lebih kecil daripada arah gaya samping/thrust) serta meruncing (taper) lebih kecil di bagian kepala.

Di antara ring piston, 'ring kompresi' memiliki dua fungsi: menjaga kerapatan gas antara dinding silinder dan piston, serta menyalurkan sebagian besar panas yang diterima piston akibat pembakaran ke dinding silinder.

Ring kompresi tipe muka tirus ('Taper-face') memiliki sudut pada sisi luarnya sehingga cepat menyesuaikan diri dan mengikis oli dengan baik, umumnya dipasang sebagai 'ring kedua (Second ring)'. Sementara itu, 'ring oli (tipe kombinasi)' umumnya dibuat dari 'baja karbon (baja)', bukan besi cor khusus.

Fenomena terputusnya lapisan film oli pada dinding silinder sehingga ring piston dan dinding silinder bersentuhan langsung lalu menimbulkan luka gores akibat panas lokal disebut 'fenomena Scuffing'.

Pada putaran tinggi, getaran vertikal ring piston di dalam alurnya yang menyebabkan hilangnya kerapatan gas disebut 'fenomena Flutter (ring fluttering)', yang memicu boros oli dan penurunan tenaga mesin.

Struktur dan Material Piston serta Ring Piston, dan Fenomena Scuffing

Poin penting


  • Ring kompresi memiliki 2 peran: 'menjaga kerapatan gas' dan 'menyalurkan panas piston ke dinding silinder'.

  • Tipe taper-face umumnya digunakan pada ring kedua, sedangkan ring oli umumnya dibuat dari 'baja karbon' (pernyataan besi cor khusus adalah salah).

  • Fenomena scuffing adalah kondisi terputusnya film oli pada dinding silinder sehingga ring dan dinding silinder bergesekan langsung dan menimbulkan luka gores.
KosakataArti
ring kompresi dan ring oli
ring tipe muka tirus (Taper-face)
fenomena scuffing (luka gores akibat putusnya film oli)
fenomena flutter (getaran ring pada putaran tinggi)

Bantalan Batang Torak (Crush Height, Spread, Material) dan Torsional Damper

Pada 'bantalan batang torak (conrod bearing)' belah dua di ujung besar batang torak dibuat tonjolan sedikit lebih panjang dari setengah lingkaran yang disebut 'Crush Height', agar punggung bantalan menempel rapat pada lubang rumah bantalan guna memperlancar hantaran panas dan mencegah bantalan ikut berputar.

Jika crush height 'terlalu besar', bantalan akan melengkung saat dipasang sehingga menerima beban lokal yang memicu kelelahan dini dan kerusakan; sebaliknya jika 'terlalu kecil', daya tempel dan pelepasan panas memburuk serta bantalan dapat ikut berputar.

Sementara itu, 'Spread (regangan/bentangan)' pada bantalan adalah pembuatan diameter luar bantalan sedikit lebih lebar daripada diameter lubang sebelum dipasang, guna mencegah kedua ujung bantalan melengkung masuk ke arah dalam saat ditekan waktu perakitan.

Untuk material bantalan, 'Tri-metal (logam 3 lapis)' menyinter paduan tembaga dengan 20%–30% timbal (logam Kelmet) di atas punggung baja lalu dilapisi paduan timbal-timah (atau timbal-indium). Pada bantalan paduan aluminium, tipe berkadar timah (Sn) tinggi memiliki muai panas lebih besar sehingga celah olinya (oil clearance) dibuat lebih besar.

'Torsional damper (peredam getaran puntir)' yang dipasang di ujung depan poros engkol memanfaatkan karet elastis untuk menyerap 'getaran puntir (torsional vibration)' poros engkol guna mencegah patah akibat resonansi.

Poin penting


  • Crush height 'terlalu besar' menyebabkan lengkungan dan beban lokal; 'terlalu kecil' menyebabkan kontak buruk, pendinginan buruk, dan bantalan berputar.

  • 'Spread' mencegah ujung bantalan melengkung ke dalam saat dipasang; bantalan paduan aluminium berkadar timah tinggi memerlukan celah oli lebih besar.

  • Torsional damper berfungsi menyerap 'getaran puntir' poros engkol (bukan getaran arah aksial).
KosakataArti
crush height (tinggi tonjolan) dan spread (regangan)
bantalan tri-metal (tiga lapis / logam Kelmet)
bantalan paduan aluminium
torsional damper (peredam getaran puntir)

Valve Timing, Valve Overlap, Urutan Pengapian, dan Perhitungan Sudut Putar Poros Engkol

Pada mesin 4 langkah, untuk memanfaatkan efek kelembaman aliran gas demi meningkatkan efisiensi pengisian, katup hisap dibuka sebelum TMA langkah buang dan ditutup setelah TMB langkah hisap, sedangkan katup buang dibuka sebelum TMB langkah usaha dan ditutup setelah TMA langkah buang.

Oleh karena itu, di sekitar TMA pada akhir langkah buang terdapat periode ketika katup hisap dan katup buang sama-sama terbuka secara bersamaan, yang disebut 'Valve Overlap (tumpang tindih katup)'.

Pada mesin 4 langkah 4 silinder segaris dengan urutan pengapian '1―3―4―2', keempat silinder menyelesaikan 1 siklus dalam 720° (2 putaran poros engkol), sehingga setiap putaran 180° silinder berikutnya mencapai TMA kompresi sesuai urutan '1 → 3 → 4 → 2'.

Selain itu, pasangan 'silinder 1 & 4' serta 'silinder 2 & 3' bergerak bersamaan (beda fase 360°): ketika salah satu berada di 'TMA kompresi', silinder pasangannya pasti berada di 'TMA overlap'.

Dari posisi suatu silinder di TMA kompresi (0°), jika poros engkol diputar 360° maka silinder itu sendiri berpindah ke 'TMA overlap', dan jika diputar 540° (180° + 360°) maka silinder berikutnya dalam urutan pengapian akan berada di 'TMA overlap'.

Valve Timing, Valve Overlap, Urutan Pengapian, dan Perhitungan Sudut Putar Poros Engkol

Poin penting


  • Urutan pengapian '1―3―4―2': Setiap 180° silinder berikutnya mencapai TMA kompresi; silinder pasangan (1–4, 2–3) selalu berkebalikan antara TMA kompresi dan TMA overlap.

  • Putaran 360° menukar TMA kompresi dan TMA overlap pada silinder yang sama; putaran 540° menempatkan silinder berikutnya (180° setelahnya) ke TMA overlap.

  • Contoh: Urutan pengapian 1―3―4―2, dari Silinder 4 di TMA kompresi diputar 540° → Pada 180° Silinder 2 mencapai TMA kompresi, ditambah 360° lagi (total 540°) 'Silinder 2' berada di TMA overlap (TMA kompresi adalah Silinder 3)

  • Contoh: Urutan pengapian 1―3―4―2, dari Silinder 1 di TMA kompresi diputar 180° → Silinder berikutnya yaitu Silinder 3 mencapai TMA kompresi, sedangkan pasangannya yaitu 'Silinder 2' berada di TMA overlap
KosakataArti
waktu buka-tutup katup (Valve timing)
tumpang tindih katup (Valve overlap)
TMA kompresi dan TMA overlap
urutan pengapian (1―3―4―2)

Mekanisme VVT Hidraulik dan Supercharger (Turbocharger & Roots Supercharger)

Mekanisme Variable Valve Timing (VVT) tipe hidraulik pada sisi poros nok hisap dikendalikan dengan memberikan tekanan oli ke 'valve timing controller' yang dipasang pada bagian sproket (puli) timing di ujung depan poros nok.

Mekanisme ini mempertahankan sudut kerja katup (durasi bukaan cam) tetap 'konstan' sembari mengubah fase poros nok terhadap poros engkol untuk memajukan (advance) atau memundurkan (retard) waktu buka-tutup katup hisap.

Pada beban dan putaran menengah, waktu katup 'dimajukan' agar katup hisap membuka lebih awal sehingga overlap bertambah untuk meningkatkan efek EGR internal dan efisiensi volumetrik. Saat idle overlap ditiadakan agar stabil, dan pada putaran tinggi waktu katup 'dimundurkan' agar penutupan katup hisap lebih lambat memanfaatkan inersia udara masuk.

Di antara perangkat induksi paksa, 'Turbocharger' memanfaatkan energi gas buang untuk memutar turbin; roda kompresor dan roda turbin terhubung pada satu poros sehingga berputar dengan 'kecepatan yang sama'. Ukurannya ringkas dan ringan namun rentan mengalami jeda respons (turbo lag) pada putaran rendah.

Pada 'Roots supercharger 2 daun (2-lobe)' yang digerakkan langsung oleh mesin, dua rotor berbentuk angka delapan berputar dan menghasilkan total '4 kali' hisap dan tekan setiap 1 putaran rotor. Saat tekanan boost mencapai nilai standar, katup air bypass membuka untuk mengalirkan sebagian tekanan kembali ke sisi hisap.

Mekanisme VVT Hidraulik dan Supercharger (Turbocharger & Roots Supercharger)

Poin penting


  • VVT hidraulik menempatkan controller di ujung depan poros nok dan mengubah fase cam dengan sudut kerja tetap (saat dimajukan: katup hisap buka lebih cepat dan overlap bertambah).

  • Roda kompresor dan roda turbin turbocharger berputar sama cepat, serta menggunakan katup wastegate untuk mengatur tekanan boost.

  • Roots supercharger 2 daun melakukan '4 kali' hisap-tekan per 1 putaran rotor dan mengatur tekanan boost dengan katup air bypass.
KosakataArti
mekanisme waktu katup variabel (VVT)
pengontrol waktu katup (Valve timing controller)
turbocharger dan katup wastegate
supercharger Roots 2 daun dan katup air bypass

Karakteristik Gas Buang Bensin, Katalis 3 Arah, dan Diesel (Common Rail, DPF, Urea SCR)

Pada pembakaran normal mesin bensin, nitrogen (N₂) dan oksigen (O₂) di udara bereaksi dengan hidrokarbon (HC) bensin sehingga sebagian besar gas buang menjadi CO₂ dan air (H₂O) yang tidak berbahaya, namun tetap timbul sedikit gas berbahaya CO, HC, dan NOx (nitrogen oksida).

Gas NOx terbentuk semakin banyak saat suhu gas pembakaran 'semakin tinggi' dengan adanya kelebihan oksigen (puncaknya pada campuran sedikit lebih kurus dari rasio stoikiometri 14,7:1, sekitar 15,5:1). Sebaliknya, pada daerah campuran 'lebih kaya (pekat)', suhu pembakaran turun dan oksigen kurang sehingga NOx berkurang tetapi CO dan HC meningkat.

'Katalis tiga arah (Three-way catalyst)' bekerja paling efektif di sekitar 'rasio udara-bahan bakar teoretis (14,7:1)' untuk mengoksidasi CO & HC sekaligus mereduksi NOx. Selain itu, 'sistem EGR (resirkulasi gas buang)' mengembalikan sebagian gas buang inert ke saluran hisap guna menurunkan suhu pembakaran maksimum dan menekan NOx.

Sistem injeksi bahan bakar 'Common rail' pada mesin diesel menyimpan bahan bakar bertekanan tinggi di dalam rel bersama dan ECU mengendalikan injektor untuk melakukan 'injeksi pilot (pra-injeksi)' sebelum injeksi utama guna mempersingkat keterlambatan nyala, meredam suara ketukan, dan menurunkan NOx.

Perangkat pengolah gas buang diesel meliputi 'DPF' yang menangkap dan membakar habis partikel jelaga (PM), serta 'sistem SCR urea' yang menyemprotkan cairan urea ke pipa knalpot sehingga amonia (NH₃) hasil hidrolisis mereduksi NOx menjadi nitrogen (N₂) dan air (H₂O).

Poin penting


  • NOx dihasilkan semakin banyak saat suhu pembakaran 'semakin tinggi'; pada campuran lebih kaya dari stoikiometri, NOx turun sedangkan CO dan HC naik.

  • Katalis 3 arah memurnikan CO, HC, dan NOx secara bersamaan di sekitar 'rasio stoikiometri (14,7:1)'; EGR menurunkan suhu bakar untuk menekan NOx.

  • Injeksi pilot pada Common rail mempersingkat tunda nyala, DPF menangkap dan membakar PM, serta SCR urea mereduksi NOx dengan amonia.
KosakataArti
rasio udara-bahan bakar teoretis dan katalis 3 arah
sistem resirkulasi gas buang (EGR)
sistem Common rail dan injeksi pilot
filter partikulat diesel (DPF) dan sistem SCR urea

Poin yang Sering Keluar dalam Ujian & Cara Mengingat

Jebakan yang sering keluar: 'Gesekan piston + penggerak pompa air/alternator = Kerugian mekanis (bukan kerugian panas)', 'Crush height bantalan batang torak yang terlalu besar menyebabkan lengkungan dan beban lokal (bukan terlalu kecil)', serta 'Material ring oli adalah baja karbon (besi cor khusus adalah salah)'.

Untuk soal sudut putar urutan pengapian '1―3―4―2', ingat aturan: 'Setiap 180° maju ke silinder berikutnya sesuai 1→3→4→2, dan setiap 360° TMA kompresi bertukar menjadi TMA overlap'. Jadi putaran 540° (= 180° + 360°) dari Silinder 4 di TMA kompresi akan membawa silinder berikutnya yaitu 'Silinder 2' ke TMA overlap!

Pastikan juga hafal: 'NOx meningkat saat suhu pembakaran TINGGI (rendah adalah salah)', 'Supercharger Roots 2 daun melakukan 4 kali hisap-buang tiap 1 putaran rotor (1 kali adalah salah)', dan 'VVT mengubah fase cam dengan sudut kerja tetap'.

Poin penting


  • Tekanan efektif rata-rata = Kerja 1 siklus ÷ Volume langkah / Gesekan & penggerak alat bantu adalah 'Kerugian Mekanis'.

  • Crush height terlalu besar = melengkung & beban lokal / Spread = mencegah ujung melengkung ke dalam / Ring oli = Baja karbon.

  • Squish area: Celah semakin kecil maka aliran pusaran semakin cepat, mempersingkat waktu bakar untuk mencegah knocking.

  • Putaran 540° pada 1―3―4―2: Silinder 4 dari TMA kompresi diputar 540° membuat Silinder 2 berada di TMA overlap.

  • NOx naik saat suhu bakar tinggi / Roots 2 daun = 4 kali buang per putaran / Torsional damper menyerap 'getaran puntir'.
KosakataArti
kerugian mekanis dan kerugian panas
crush height bantalan batang torak
titik mati atas overlap
supercharger tipe Roots 2 daun

Struktur & Kinerja Mesin

Latihan soal bab ini di aplikasi

Referensi resmi

💬

Zalo