Mesin bensin atau
mesin Otto dari
Nikolaus Otto adalah sebuah tipe
mesin pembakaran dalam yang menggunakan nyala busi untuk proses pembakaran, dirancang untuk menggunakan bahan bakar bensin atau yang sejenis.
Mesin bensin berbeda dengan
mesin diesel dalam metode pencampuran bahan bakar dengan udara, dan mesin bensin selalu menggunakan penyalaan busi untuk proses pembakaran.
Pada mesin diesel, hanya udara yang dikompresikan dalam ruang bakar dan
dengan sendirinya udara tersebut terpanaskan, bahan bakar disuntikan ke
dalam ruang bakar di akhir langkah kompresi untuk bercampur dengan udara
yang sangat panas, pada saat kombinasi antara jumlah udara, jumlah
bahan bakar, dan temperatur dalam kondisi tepat maka campuran udara dan
bakar tersebut akan terbakar dengan sendirinya.
Pada mesin bensin, pada umumnya udara dan bahan bakar dicampur sebelum
masuk ke ruang bakar, sebagian kecil mesin bensin modern mengaplikasikan
injeksi bahan bakar langsung ke silinder ruang bakar termasuk mesin
bensin 2 tak untuk mendapatkan emisi gas buang yang ramah lingkungan.
Pencampuran udara dan bahan bakar dilakukan oleh karburator atau sistem
injeksi, keduanya mengalami perkembangan dari sistem manual sampai
dengan penambahan sensor-sensor elektronik. Sistem Injeksi Bahan bakar
di motor otto terjadi diluar silinder, tujuannya untuk mencampur udara
dengan bahan bakar seproporsional mungkin. Hal ini dsebut EFI
Mesin dua tak
Mesin dua tak adalah
mesin pembakaran dalam yang dalam satu siklus pembakaran terjadi dua langkah piston, berbeda dengan
putaran empat-tak
yang mempunyai empat langkah piston dalam satu siklus pembakaran,
meskipun keempat proses (intake, kompresi, tenaga, pembuangan) juga
terjadi.
Mesin dua tak juga telah digunakan dalam
mesin diesel, terutama rancangan
piston berlawanan, kendaraan kecepatan rendah seperti mesin kapal besar, dan mesin
V8 untuk truk dan kendaraan berat lainnya.
Animasi cara kerja mesin dua tak.
Prinsip kerja
Untuk memahami prinsip kerja, perlu dimengerti istilah baku yang berlaku dalam teknik otomotif :
- TMA (titik mati atas) atau TDC (top dead centre), posisi piston
berada pada titik paling atas dalam silinder mesin atau piston berada
pada titik paling jauh dari poros engkol (crankshaft).
- TMB (titik mati bawah) atau BDC (bottom dead centre), posisi piston
berada pada titik paling bawah dalam silinder mesin atau piston berada
pada titik paling dekat dengan poros engkol (crankshaft).
- Ruang bilas yaitu ruangan dibawah piston dimana terdapat poros
engkol (crankshaft), sering disebut dengan bak engkol (crankcase)
berfungsi gas hasil campuran udara, bahan bakar dan pelumas bisa
tercampur lebih merata.
- Pembilasan (scavenging) yaitu proses pengeluaran gas hasil
pembakaran dan proses pemasukan gas untuk pembakaran dalam ruang bakar.
Langkah kesatu
Piston bergerak dari TMA ke TMB.
- Pada saat piston bergerak dari TMA ke TMB, maka akan menekan ruang
bilas yang berada di bawah piston. Semakin jauh piston meninggalkan TMA
menuju TMB, tekanan di ruang bilas semakin meningkat.
- Pada titik tertentu, piston (ring piston) akan melewati lubang
pembuangan gas dan lubang pemasukan gas. Posisi masing-masing lubang
tergantung dari desain perancang. Umumnya ring piston akan melewati
lubang pembuangan terlebih dahulu.
- Pada saat ring piston melewati lubang pembuangan, gas di dalam ruang bakar keluar melalui lubang pembuangan.
- Pada saat ring piston melewati lubang pemasukan, gas yang tertekan
dalam ruang bilas akan terpompa masuk dalam ruang bakar sekaligus
mendorong gas yang ada dalam ruang bakar keluar melalui lubang
pembuangan.
- Piston terus menekan ruang bilas sampai titik TMB, sekaligus memompa gas dalam ruang bilas masuk ke dalam ruang bakar
Langkah kedua
Piston bergerak dari TMB ke TMA.
- Pada saat piston bergerak TMB ke TMA, maka akan menghisap gas hasil
percampuran udara, bahan bakar dan pelumas masuk ke dalam ruang bilas.
Percampuran ini dilakukan oleh karburator atau sistem injeksi.
- Saat melewati lubang pemasukan dan lubang pembuangan, piston akan mengkompresi gas yang terjebak dalam ruang bakar.
- Piston akan terus mengkompresi gas dalam ruang bakar sampai TMA.
- Beberapa saat sebelum piston sampai di TMA, busi menyala untuk
membakar gas dalam ruang bakar. Waktu nyala busi sebelum piston sampai
TMA dengan tujuan agar puncak tekanan dalam ruang bakar akibat
pembakaran terjadi saat piston mulai bergerak dari TMA ke TMB karena
proses pembakaran sendiri memerlukan waktu dari mulai nyala busi sampai
gas terbakar dengan sempurna.
Perbedaan desain dengan mesin empat tak
- Pada mesin dua tak, dalam satu kali putaran poros engkol
(crankshaft) terjadi satu kali proses pembakaran sedangkan pada mesin
empat tak, sekali proses pembakaran terjadi dalam dua kali putaran poros
engkol.
- Pada mesin empat tak, memerlukan mekanisme katup (valve mechanism)
dalam bekerja dengan fungsi membuka dan menutup lubang pemasukan dan
lubang pembuangan, sedangkan pada mesin dua tak, piston dan ring piston
berfungsi untuk menbuka dan menutup lubang pemasukan dan lubang
pembuangan. Pada awalnya mesin dua tak tidak dilengkapi dengan katup,
dalam perkembangannya katup satu arah (one way valve) dipasang antara
ruang bilas dengan karburator dengan tujuan :
- Agar gas yang sudah masuk dalam ruang bilas tidak kembali ke karburator.
- Menjaga tekanan dalam ruang bilas saat piston mengkompresi ruang bilas.
- Lubang pemasukan dan lubang pembuangan pada mesin dua tak terdapat
pada dinding silinder, sedangkan pada mesin empat tak terdapat pada
kepala silinder (cylinder head). Ini adalah alasan paling utama mesin 4
tak menggunakan oli samping.
Kelebihan dan kekurangan
Kelebihan mesin dua tak
Dibandingkan mesin empat tak, kelebihan mesin dua tak adalah :
- Mesin dua tak lebih bertenaga dibandingkan mesin empat tak.
- Mesin dua tak lebih kecil dan ringan dibandingkan mesin empat tak.
- Kombinasi kedua kelebihan di atas menjadikan rasio berat terhadap
tenaga (power to weight ratio) mesin dua lebih baik dibandingkan mesin
empat tak.
- Mesin dua tak lebih murah biaya produksinya karena konstruksinya yang sederhana.
Meskipun memiliki kelebihan tersebut di atas, jarang digunakan dalam
aplikasi kendaraan terutama mobil karena memiliki kekurangan.
Kekurangan mesin dua tak
Kekurangan mesin dua tak dibandingkan mesin empat tak
- Efisiensi mesin dua tak lebih rendah dibandingkan mesin empat tak.
- Mesin dua tak memerlukan oli yang dicampur dengan bahan bakar (oli samping/two stroke oil) untuk pelumasan silinder mesin.
- Kedua hal di atas mengakibatkan biaya operasional mesin dua tak lebih tinggi dibandingkan mesin empat tak.
- Mesin dua tak menghasilkan polusi udara lebih banyak, polusi terjadi
dari pembakaran oli samping dan gas dari ruang bilas yang terlolos
masuk langsung ke lubang pembuangan.
- Pelumasan mesin dua tak tidak sebaik mesin empat tak, mengakibatkan
usia suku cadang dalam komponen ruang bakar relatif lebih rendah.
Aplikasi
Mesin dua tak diaplikasikan untuk mesin bensin maupun mesin diesel.
Mesin bensin dua tak digunakan paling banyak di mesin kecil, seperti :
- Mesin sepeda motor.
- Mesin pada gergaji (chainsaw).
- Mesin potong rumput.
- Mobil salju.
- Mesin untuk pesawat model, dan sebagainya.
Mesin dua tak yang besar biasanya bertipe mesin diesel, sedangkan mesin dua tak ukuran sedang sangat jarang digunakan.
Karena emisi gas buang sulit untuk memenuhi standar UNECE Euro II,
penggunaan mesin dua-tak untuk sepeda motor sudah semakin jarang.
Mesin empat tak adalah mesin pembakaran dalam yang dalam satu
siklus pembakaran terjadi empat langkah piston. Sekarang ini, mesin
pembakaran dalam pada mobil, sepeda motor, truk, pesawat terbang, kapal,
alat berat dan sebagainya, umumnya menggunakan siklus empat langkah.
Empat langkah tersebut meliputi, langkah hisap (pemasukan), kompresi,
tenaga dan langkah buang yang secara keseluruhan memerlukan dua putaran
poros engkol (crankshaft) per satu siklus pada mesin bensin atau mesin
diesel.
Siklus empat langkah pada mesin bensin. Gas masuk berwarna biru dan gas
buang berwarna coklat. Dinding silinder berupa tabung pelapis tipis yang
dikelilingi air pendingin.
|
Prinsip kerja
Untuk memahami prinsip kerja, perlu dimengerti istilah baku yang berlaku dalam teknik otomotif :
- TMA (titik mati atas) atau TDC (top dead centre), posisi piston
berada pada titik paling atas dalam silinder mesin atau piston berada
pada titik paling jauh dari poros engkol (crankshaft).
- TMB (titik mati bawah) atau BDC (bottom dead centre), posisi piston
berada pada titik paling bawah dalam silinder mesin atau piston berada
pada titik paling dekat dengan poros engkol (crankshaft).
Langkah kesatu
Piston bergerak dari TMA ke TMB, posisi katup masuk terbuka dan katup
keluar tertutup, mengakibatkan udara (mesin diesel) atau gas (sebagian
besar mesin bensin) terhisap masuk ke dalam ruang bakar. Proses udara
atau gas sebelum masuk ke ruang bakar, dapat dilihat pada
sistem pemasukan.
Langkah kedua
Piston bergerak dari TMB ke TMA, posisi katup masuk dan keluar
tertutup, mengakibatkan udara atau gas dalam ruang bakar terkompresi.
Beberapa saat sebelum piston sampai pada posisi TMA, waktu penyalaan
(timing ignition) terjadi, pada mesin bensin berupa nyala busi sedangkan
pada mesin diesel berupa semprotan (suntikan) bahan bakar.
Langkah ketiga
Gas yang terbakar dalam ruang bakar akan meningkatkan tekanan dalam
ruang bakar, mengakibatkan piston terdorong dari TMA ke TMB. Langkah ini
adalah proses langkah yang menghasilkan tenaga.
Langkah keempat
Piston bergerak dari TMB ke TMA, posisi katup masuk tertutup dan
katup keluar terbuka, mengakibatkan gas hasil pembakaran terdorong
keluar menuju saluran pembuangan. Proses selanjutnya di saluran
pembuangan dapat dilihat pada
sistem pembuangan.
Desain
Rasio kompresi
Rasio kompresi adalah perbandingan antara volume langkah piston
dibandingkan dengan volume ruang bakar saat piston pada posisi TMA.
SOHC vs DOHC
Single over head camshaft, mesin dengan noken as tunggal di atas
silinder. Double over head camshaft, mesin dengan noken as ganda di atas
silinder.
Long vs Short stroke
Mesin disebut berkarakter long stroke apabila langkah piston lebih
panjang dari diameter piston. Mesin disebut berkarakter short stroke
apabila langkah piston lebih pendek dari diameter piston.
Mesin pembakaran dalam adalah sebuah
mesin yang sumber tenaganya berasal dari pengembangan
gas-gas panas bertekanan tinggi hasil pembakaran campuran
bahan bakar dan
udara, yang berlangsung di dalam ruang tertutup dalam
mesin, yang disebut ruang bakar (combustion chamber).
"Mesin pembakaran dalam" sendiri biasanya merujuk kepada mesin yang
pembakarannya dilakukan secara berselang-seling. Yang termasuk dalam
mesin pembakaran dalam adalah
mesin empat tak dan
mesin dua tak, dan beberapa tipe mesin lainnya, misalnya
mesin enam tak dan juga
mesin wankel. Selain itu,
mesin jet dan beberapa
mesin roket termasuk dalam mesin pembakaran dalam.
Animasi dari cara kerja mesin 2 tak
Mesin pembakaran dalam agak berbeda dengan
mesin pembakaran luar (contohnya
mesin uap dan
mesin Stirling),
karena pada mesin pembakaran luar, energinya tidak disalurkan ke fluida
kerja yang tidak bercampur dengan hasil pembakaran. Fluida kerja ini
dapat berupa udara, air panas, air bertekanan, atau cairan natrium yang
dipanaskan di semacam
boiler.
Sebuah
mesin piston bekerja dengan membakar bahan bakar
hidrokarbon atau
hidrogen untuk menekan sebuah
piston, sedangkan sebuah
mesin jet bekerja dengan panas pembakaran yang mendorong bagian dalam
nozzle dan ruang pembakaran, sehingga mendorong mesin ke depan.
Secara kontras, sebuah
mesin pembakaran luar seperti
mesin uap, bekerja ketika proses pembakaran memanaskan
fluida yang bekerja terpisah, seperti
air atau uap, yang kemudian melakukan kerja.
Mesin jet, kebanyakan
roket dan banyak
turbin gas
termasuk dalam mesin pembakaran dalam, tetapi istilah "mesin pembakaran
dalam" seringkali menuju ke "mesin piston", yang merupakan tipe paling
umum mesin pembakaran dalam.
Mesin pembakaran dalam ditemukan di
Cina, dengan penemuan
kembang api pada
Dinasti Song. Mesin pembakaran dalam resiprokat (mesin piston) ditemukan oleh
Samuel Morey yang menerima
paten pada
1 April
Tipe-tipe mesin pembakaran dalam
Mesin dapat diklasifikasikan dalam banyak macam: siklus mesin yang digunakan,
layout yang dipakai, sumber enerfi, penggunaan mesin, atau dari sistem pendinginnya.
Konfigurasi mesin
Mesin pembakaran dalam dapat dikelompokkan berdasarkan
konfigurasinya.
Layout mesin yang umum adalah:
Mesin piston:
Mesin rotari:
Pembakaran terus-menerus:
Cara kerja
Siklus empat-tak (atau siklus Otto)
1. Masukan
2. Kompresi
3. Pembakaran
4. Pembuangan
Seperti namanya, mesin pembakaran dalam 4 tak mempunyai 4 tahap dasar yang terus diulangi setiap 2 putaran mesin:
(1) Siklus masukan (2) Siklus kompresi (3) Siklus pembakaran (4) Sillus pembuangan
1. Siklus masukan: Siklus yang pertama dari mesin pembakaran dalam
disebut dengan siklus masukan karena pada saat ini, posisi piston
berpindah ke bawah silinder. Membukanya klep menyebabkan perubahan
posisi piston, dan campuran bahan bakar yang sudah diuapkan memasuki
ruang bakar. Di akhir siklus ini, klep masukan tertutup.
2. Siklus kompresi: Di siklus ini, kedua klep tertutup dan pistonnya
kembali bergerak ke atas ke volume minimum, sehingga menekan campuran
bahan bakar. Selagi proses penekanan, tekanan, suhu, dan kepadatan
campuran bahan bakar meningkat.
3. Siklus pembakaran: Ketika pistonnya mencapai volume minimum, lalu
busi akan memantikkan api lalu campuran bahan bakar pun terbakar.
Terbakarnya bahan bakar ini memberikan tenaga pada piston sehingga
piston kembali bergerak ke bawah dan menggerakkan
crankshaft.
4. Siklus pembuangan: Di akhir siklus pembakaran, maka klep buang pun
membuka. Selama siklus ini, pistonnya kembali bergerak ke atas menuju
volume silinder minimum. Ketika klep buangan membuka, maka gas sisa
pembakaran keluar dari silinder. Di akhir siklus ini, klep buangan
menutup, klep masukan kembali membuka, dan siklus ini dimulai dari awal
lagi.
Pembakaran
Semua mesin pembakaran dalam bergantung pada pembakaran dari bahan
bakar kimia, yang biasanya dibakar dengan campuran oksigen dari udara
(memungkinkan juga untuk menginjeksikan
nitrogen oksida,
yang gunanya untuk mendapatkan tenaga tambahan). Proses pembakaran ini
menghasilkan panas dalam jumlah besar, ditambah dengan bahan kimia lain
misalnya
karbon dioksida.
Bahan bakar yang paling umum digunakan saat ini tersusun dari
hidrokarbon yang berasal dari
bahan bakar fosil. Bahan bakar fosil mencakup
bahan bakar diesel,
bensin,
LPG, dan juga
propana. Mesin yang bahan bakarnya menggunakan bensin, mereka juga dapat menggunakan bahan bakar
natural gas atau LPG tanpa perlu banyak perubahan.