MODERN ENGINE TECHNOLOGY

Pembaruan Konstruksi Mesin

Tujuan utama pembaruan mesin untuk mendapatkan efisiensi thermis yang lebih baik sehingga pembakaran di dalam ruang bakar mesin makin mendekati sempurna.

Tuntutan-tuntutan yang hendak dicapai melalui pembaruan, sebagai berikut:

1. Tenaga lebih maksimal;

2. Pemakaian bahan bakar lebih hemat;

3. pengendalian lebih mudah;

4. Jangka waktu perawatan lebih lama;

5. Gas buang yang dihasilkan lebih rendah.

Efisiensi thermis pembakaran pada mesin sangat bergantung pada kriteria berikut ini:

1. Perbandingan campuran udara dan bahan bakar;

2. Proses pembakaran;

3. Konstruksi mesin.

Konstruksi mesin mempengaruhi kerja pembakaran dan otomatis mempengaruhi gas buang. Oleh karena itu, konstruksi mesin dirancang sedemikian rupa agar memenuhi tingkat kinerja optimal dan juga mempertimbangkan hasil emisi. Perubahan konstruksi mempengaruhi efisiensi thermis pembakaran, sekaligus meningkatkan kualitas gas buang.

Perbandingan Kompresi (Compression Ratio)

Perbandingan kompresi menentukan efisiensi thermis mesin. Dalam batas-batas tertentu, perbandingan tekanan kompresi yang tinggi meningkatkan kinerja pembakaran mesin sehingga secara otomatis pemakaian bahan bakar lebih hemat dan emisi gas buang menjadi lebih rendah. Namun, tekanan kompresi tinggi cenderung mengakibatkan masalah ngelitik-knocking dan menghasilkan emisi tinggi, yang disebabkan oleh kenaikan suhu dalam ruang bakar. Hal ini menyebabkan reaksi pembakaran lebih awal sehingga campuran bahan bakar dan udara terbakar dengan sendirinya sebelum busi mengeluarkan percikan api. Kecenderungan itu bisa diatasi dengan penggunaan bahan bakar yang mempunyai bilangan oktan tinggi dan bentuk ruang bakar yang lebih baik.

Jika tekanan kompresi tinggi, suhu pembakaran dan ruang bakar menjadi lebih tinggi. Akibatnya, pembakaran menghasilkan emisi NOx yang tinggi. Mesin bensin modern mempunyai perbandingan kompresi antara 1:9 hingga 1:11. Dengan perbandingan kompresi 1:9, pemakaian bensin premium (oktan rendah) masih dimungkinkan. Namun, jika perbandingan kompresi sudah melebihi angka tersebut, penggunakan bensin dengan bilangan oktan tinggi menjadi satu keharusan sehingga mesin detonasi (knocking) yang berlebihan dapat dihindarkan.

Ruang Bakar

Bentuk ruang bakar juga mempengaruhi kerja pembakaran dan emisi yang dikeluarkan, terutama HC. Ruang bakar yang berbentuk rumit dan terlalu luas cenderung membuat campuran udara-bensin tidak terbakar dengan sempurna. Ruang bakar ideal yang berbentuk sederhana, dan volume tidak terlalu besar sehingga bensin-udara dapat berputar masuk ke ruang bakar dan bercampur lebih homogen.

Mesin dengan tingkat efisiensi thermis yang baik biasanya menggunakan teknologi empat katup pada setiap silinder, sehingga dihasilkan bentuk ruang bakar yang ideal. Sementara busi sebagai pencetus bunga api berada di tengah-tengah ruang bakar. Penempatan busi yang demikian menghasilkan gas buang yang lebih bersih, karena campuran bensin-udara dapat terbakar lebih merata dan sempurna. Pada mesin dengan teknologi empat katup, pemasukan campuran udara-bensin dilakukan dengan lebih baik karena hambatan pemasukan pada katup masuk menjadi lebih kecil.

Mekanisme Katup

Saluran masuk (intake manifold) dirancang mempunyai panjang leher yang sama. Hal ini menghasilkan pemasukan udara pada setiap silinder sebanding sehingga pembakaran menjadi lebih stabil. Masalah overlapping (katup masuk dan keluar membuka bersama) dapat dikurangi dengan pemanfaatan teknologi, misalnya VANOS – VITEC - VVTi

Pada sistem tersebut, pembukaan katup dibantu dengan kontrol elektronik mekanis. Hal ini menghasilkan efisiensi volumetrik yang lebih baik sehingga emisi (HC) gas buang dan daya yang dihasilkan juga menjadi lebih baik.

Saluran Intake

Saluran masuk dibuat lebih baik untuk memperbaiki aliran (turbulen) dan menghasilkan pencampuran yang lebih homogen. Tahanan udara diperkecil dengan bentuk lebih pendek dan permukaan lebih halus sehingga pemasukan campuran menjadi lebih lancar. Panjang saluran dibuat sama pada tiap silindernya sehingga pasokan campuran ke tiap silinder lebih merata.

Demikian juga pengaruh kebisingan dari aliran udara dikurangi dengan menggunakan resonator.

Pembaruan Sistem dalam Mesin

Pembakaran yang sempurna membutuhkan campuran udara-bensin yang ideal, yaitu 14,7:1. Perbandingan udara-bensin tersebut biasa disebut (lambda). Nilai yang ideal tidak bisa dipertahankan dalam setiap kondisi operasional mesin yang dinamis. Namun, dapat diusahakan mendekati nilai ideal dengan menerapkan sistem kontrol bahan bakar yang ketat.

Sistem Injeksi Bahan Bakar

Sistem injeksi digunakan untuk mengganti karburator. Sistem ini dirancang untuk mendapatkan nilai yang mendekati ideal pada setiap kondisi mesin. Berbeda dengan metode pencampuran pada karburator, sistem ini menginjeksikan bahan bakar langsung di intake manifold dekat dengan katup isap.

Nilai yang ideal dapat dicapai sistem ini dengan cara mengukur secara tepat jumlah udara yang masuk ke dalam intake manifold dengan memperhatikan kondisi suhu mesin, putaran mesin, suhu udara masuk, sehingga jumlah bahan bakar yang dibutuhkan dapat diinjeksikan dengan tepat. Bensin diinjeksikan oleh masing-masing injektor pada setiap silinder sehingga didapatkan campuran yang homogen dan merata di setiap silinder. Lama penyemprotan bahan bakar oleh injektor diatur oleh unit pengontrol yang biasa disebut Electronic Control Unit (ECU).

Sistem injeksi ini didukung oleh sistem bahan bakar yang mampu menyediakan bahan bakar dengan tekanan konstan antara 35 bar. Untuk mendapatkan tekanan tinggi digunakan pompa dengan daya tinggi, sedangkan untuk menjaga agar tekanan stabil digunakan fuel pressure regulator.

Bahan bakar diinjeksikan dengan atom yang sudah terpecah-pecah dan dalam jumlah yang sudah tepat sesuai dengan jumlah udara yang masuk ke dalam intake manifold. Ketika bensin diinjeksikan langsung bercampur dengan udara di intake manifold, selanjutnya bercampur homogen ketika masuk ke dalam ruang silinder dengan membentuk turbulensi udara. Campuran yang sudah homogen lebih mudah terbakar oleh percikan api busi.

Sistem Aliran Udara

Sistem aliran udara berfungsi untuk menyalurkan udara dari luar silinder ke dalam ruang bakar mesin. Udara yang masuk bercampur dengan bensin dalam karburator, selanjutnya campuran tersebut masuk ke dalam ruang bakar. Pada mesin EFI, udara disemprot dengan bensin di dalam intake manifold di dekat katup masuk sehingga ketika masuk ke dalam ruang bakar, udara dan bahan bakar sudah tercampur homogen.

Pembaruan sistem ini di antaranya dilakukan dengan membuat saluran udara untuk setiap silinder dengan panjang yang sama (lubang intake sama panjang). Dengan demikian, campuran udara-bensin untuk setiap silinder menjadi seimbang dan putaran mesin menjadi lebih stabil.

Selain itu, jumlah katup masuk diperbanyak untuk menambah jumlah dan mempercepat aliran udara yang masuk ke ruang bakar. Hal ini menghasilkan jumlah campuran udara-bensin yang lebih besar dan lebih homogen sehingga mesin lebih bertenaga dan pembakaran lebih sempurna.

Sistem aliran udara dilengkapi dengan sensor elektronik yang berfungsi untuk mengukur jumlah aliran dan suhu udara yang mengalir ke silinder. Dengan cara ini, campuran menjadi lebih ideal dan lebih baik pada setiap kondisi putaran dan beban mesin. Pembaruan lainnya, yaitu throttle valve, dilengkapi dengan potensiometer dan berfungsi untuk menginformasikan kondisi beban mesin. Data tersebut di kirim ke Electronic Control Unit (ECU) untuk diolah dan menghasilkan output berupa perintah membuka atau menutup pada injektor.

Sistem udara juga dilengkapi dengan auxiliary air device atau alat penambah udara yang berfungsi memberikan udara tambahan pada saat idling atau pengurangan kecepatan dan bekerja berdasar perintah ECU. Alat tersebut mengalami perubahan nama dan sekarang lebih dikenal sebagai idle speed control.

Sistem Pengapian Elektronik

Karakteristik pengapian yang stabil menghasilkan proses pengapian yang baik pada waktu putaran mesin rendah ataupun putaran tinggi. Untuk mendapatkan karakteristik yang baik, perlu diterapkan sistem yang stabil dan komponen pendukung yang stabil pula, misalnya busi, kabel busi, koil pengapian, dan komponen pemutus arus yang andal.

Sistem pengapian mengalami pembaruan terus-menerus. Saat ini, ada tiga jenis sistem pengapian yang digunakan pada kendaraan, yaitu sistem konvensional dengan platina, sistem transistor dengan contact less dan sistem Dirict Ignition dengan distributor less.

Semua sistem di atas dirancang untuk menghasilkan energi pengapian yang besar. Sistem tersebut harus menghasilkan tegangan tinggi (maksimal) dalam waktu singkat/bisa memberikan penyalaan pada waktu 1,5 ms. Apabila kondisi tersebut tercapai, proses pembakaran terjadi dengan sempurna sehingga emisi gas buang yang dihasilkan semakin rendah dan tenaga yang dihasilkan makin besar.

Penggunaan Katalitik Konverter

Dengan penerapan sistem-sistem berikut, emisi gas buang motor bensin ataupun diesel dapat diturunkan, seperti:

1. Electronic engine managemen (sistem injeksi bahan bakar elektronik, pengapian elektronik, dan transmisi otomatis elektronic);

2. Pembaruan konstruksi mesin multikatup, dan pengaturan timing katup

3. penggunaan bahan bakar tanpa timbal.

Dengan bahan bakar tanpa timbal dimungkinkan pula penggunaan katalitik konverter yang dipasang pada saluran gas buang. Pemakaian katalisator menurunkan emisi gas buang kendaraan hingga tingkat paling rendah, misalnya CO = 0,2% dan HC = 100 ppm. Ketika emisi gas buang melewati katalitik konverter yang terbuat dari bahan khusus, terjadi reaksi kimia yang mengubah emisi HC, CO dan NOx menjadi CO2, H2O dan N2.

Hingga saat ini, three way katalisator merupakan alat yang paling efektif untuk menurunkan emisi gas buang: penerapannya menggunakan oksigen sensor yang mengatur perbandingan campuran udara-bensin = 0,999–1. Berikut ini gambaran tentang kombinasi dari kedua komponen tersebut.

Kandungan timah hitam di dalam bensin dapat merusak fungsi katalisator dan sensor O2, karena timbal melapisi permukaan katalisator dan menghambat padas serta menyumbat saluran dalam katalisator Timbal juga menutupi permukaan sensor O2 sehingga mengganggu pengukuran jumlah O2 yang masih terkandung dalam dalam gas buang.

Sensor oksigen yang biasa disebut sensor lambda () ditempatkan sebelum katalisator di dalam pipa pengeluaran gas buang (exhaust manifold). Reaksi antara oksigen dan elemen dalam sensor membangkitkan tegangan dalam bentuk sinyal dan dikirimkan ke ECU.

Prinsip kerja sensor oksigen sebagai berikut. Tegangan listrik yang dibangkitkan oleh sensor berubah sesuai dengan tingkat konsentrasi oksigen yang terdapat dalam saluran gas buang. Pada saat terjadi perbandingan campuran kaya, sensor oksigen mengirimkan tegangan ke ECU sebesar 8001000 mVolt, tetapi tegangan yang diterima oleh ECU sudah berkurang sampai dengan 100mV. Pada saat perbandingan campuran kurus ( > 1), selanjutnya akan dapat mengatur perbandingan campuran yang mendekati ideal.

Pengontrolan seperti itu disebut pengontrolan lambda tertutup dan hasilnya berupa emisi CO, HC dan NOx yang rendah karena campuran bensin dan udara terjaga pada lambda antara 0,98–1,02. Teknologi three way katalisator tiga dan pengontrolan lambda tertutup saat ini digunakan oleh pabrik-pabrik mobil yang sebagian besar dipasok untuk negara maju yang peraturan emisinya sangat ketat, misalnya Amerika Serikat, Uni Eropa, Jepang, dan Singapura, dan sebagian kendaraan dengan teknologi tersebut sudah beredar di Indonesia.

Sumber