Prinsip kerja motor Piston

 Memahami  konsep dasar prinsip  kerja piston engine

Pendahuluan

Sebelum mendalami prinsif kerja piston engine, penulis akan memaparkan terlebih dahulu mengenai kelompok dan kategori engine yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari baik untuk keperluan rumah tangga, pabrikasi, kendaraan untuk di darat , laut, maupun udara.

Engine itu sendiri mengandung pengertian powerplant atau motor penggerak, sebagai sumber tenaga untuk menggerakkan suatu sistem dan komponennya, yang merubah dari suatu sumber energi ke energi mekanik atau gerak, baik gerak translasi maupun rotasi.

Untuk memahami kelompok dan kategori engine/motor penggerak, perhatikan bagan di bawah ini : !

Dari diagram kelompok engine/motor penggerak di atas, untuk bagian yang ditebalkan merupakan bagian alur diagram yang menjelaskan tentang piston engine. Piston engine banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari, terutama untuk motor penggerak kendaraan baik kendaraan darat seperti : motor, mobil ; kendaraan air seperti : boat, kapal, dan kendaraan udara seperti : pesawat udara.

Piston engine yang digunakan secara general di pesawat udara spesifikasinya 4 langkah ( four stroke) bensin (gasoline), berdasarkan alasan-alasan teknis bahwa motor 4 langkah lebih banyak menguntungkan dibandingkan dengan spesifikasi 2 langkah dan diesel.

Sedangkan piston engine spesifikasi 2 langkah banyak digunakan di pesawat udara katagori aeromodelling, mengingat konstruksinya lebih ringan dan lebih mudah dalam perawatannya. 

Adapun untuk piston engine spesifikasi diesel 4 langkah secara umum digunakan di  kendaraan darat , alat-alat berat serta di dunia industry. Walaupun demikian  pada era sekarang seiring dengan perkembangan teknologi, ada industri pesawat udara yang sudah menerapkan penggunaan piston engine diesel 4 langkah pada pesawat udara tersebut, yang masih kategori light aircraft.

PRINSIP KERJA MOTOR PISTON 4 LANGKAH (FOUR STROKE)

Prinsif kerja motor piston 4 langkah adalah : dalam 1 kali proses pembakaran atau usaha, terdiri dari 4 langkah piston ,menghasilkan 2 putaran poros engkol (crankshaft), dalam hal ini penulis membuat rumusan untuk mempermudah ingatan yaitu 1: 4 : 2 .

4 langkah piston yang dimaksud secara berurutan adalah :

Langkah isap (suction)

Langkah tekan/kompresi (compression)

Langkah kerja/usaha (expansion work)

Langkah buang 

Gambar.2 Bagian-bagian motor piston 4 langkah

Dengan demikian , dalam prinsif kerja motor piston 4 langkah, dalam setiap langkah piston terjadi 1 proses secara bergantian secara kontinu.

Agar Anda lebih memahami prinsip kerja motor 4 langkah (four stroke), perhatikan ilustrasi di bawah ini !

Gambar.3 Ilustrasi prinsif kerja motor 4 langkah

PRINSIP KERJA MOTOR PISTON 2 LANGKAH (TWO STROKE)

Prinsif kerja motor piston 2 langkah adalah : dalam 1 kali proses pembakaran atau usaha, terdiri dari 2 langkah piston ,menghasilkan 1 putaran poros engkol (crankshaft), dalam hal ini penulis membuat rumusan untuk mempermudah ingatan yaitu 1: 2 : 1 .

2 langkah piston yang dimaksud secara berurutan adalah :

Saat langkah isap (suction), berbarengan piston bergerak menuju TMA /TDC  melakukan kompresi (compression) kemudian proses pembakaran

Setelah pembakaran terjadi ekspansi gas sehingga terjadi Langkah kerja/usaha, piston bergerak menuju TMB/BDC sehingga terjadi proses pembuangan gas melalui exhaust port, dan campuran bahan bakar di ruang silinder akan masuk ke ruang bakar siap menunggu di kompresi.

Dengan demikian dalam prinsif kerja motor piston 2 langkah, dalam satu gerakkan piston ada dua proses yang terjadi yang waktunya relatif bersamaan

Gambar.4 Bagian-bagian motor 2 langkah

Agar Anda lebih memahami prinsip kerja motor 2 langkah (two stroke), perhatikan ilustrasi di bawah ini !

Gambar. 5 Prinsif kerja motor 2 langkah

Saat Langkah pembilasan yaitu saat gas yang sudah dibakar dibuang melalui exhaust port, dalam waktu berbarengan campuran bahan bakar yang ada di ruang silinder masuk ke ruang bakar, maka kemungkinan terjadi ada sebagian campuran bahan bakar yang belum dibakar, ikut terbuang bersama gas hasil pembakaran ke exhaust port. Inilah kerugian yang terjadi dalam proses kerja motor 2 langkah yang dikenal dengan rugi pembilasan.

Kejadian rugi pembilasan tersebut, merupakan salah satu yang mengakibatkan motor 2 langkah lebih boros dibandingkan dengan motor 4 langkah.

Perhitungan Thrust Untuk Piston Engine Pada Pesawat Udara

Cara menghitung volume silinder tempat langkah piston dan perbandingan kompresi

Sebelum belajar menghitung gaya dorong (thrust) baling-baling pada piston engine, mari kita coba memahami terlebih dahulu mengenai volume langkah piston serta perbandingan kompresi. Jika Anda membeli sebuah kendaraan baik sepeda motor , mobil atau pesawat terbang, orang-orang sering bertanya berapa CC mesinnya?. Kita akan menjawab misalnya untuk motor ada yang 70 CC, 110 CC, 125 CC, 250 CC sampai dengan 1000 CC. Kalau untuk mobil ada yang 1000 CC, 1300 CC, 1500 CC, 2000 CC, 2200 CC, 2500 CC dan mungkin lebih besar lagi untuk mobil-mobil super car. Sebenarnya CC itu singkatan dari apa?

“CC” adalah singkatan dari Centimeter Cubic, sebagai kapasitas mesin yang didapat dari Volume Silinder, sebagai ruangan tempat piston bergerak atau volume Langkah piston (piston displacement). Volume silinder tersebut merupakan salah satu acuan dasar perhitungan perbandingan kompresi.

Silahkan perhatikan gambar di bawah ini !

Gambar 6. Volume silinder, ruang bakar dan perbandingan kompresi

Cara menghitung volume silinder Langkah piston (piston displacement)

Untuk mengukur volume silinder tempat Langkah piston, kita harus mengukur Langkah piston dari Bottom Dead Center (BDC) atau Titik Mati Bawah (TMB) sampai dengan Top Dead Center (TDC) atau Titik Mati Atas(TMA). Kemudian jika jumlah silindernya lebih dari satu, maka harus dikalikan dengan jumlah silinder, sehingga akan diketahui jumlah total volume silindernya.

Data-data yang diperlukan untuk menghitung volume silinder antara lain : diameter silinder, Panjang Langkah piston.

Rumus yang digunakan sama dengan menghitung volume tabung yaitu :

V = Π x r2 x t  atau V = 1/4 Π x D2 x L x N

Keterangan :

V : Volume silinder (volume langkah piston)

π : Phi yang memiliki nilai (3,14159) atau 22/7

D : Diameter silinder

L : Langkah piston

N : Jumlah silinder

Contoh menghitung volume silinder (volume langkah piston) :

Diketahui : -    Jumlah silinder 1

Diameter silinder 10 cm

Langkah piston 8 cm

Π = 3,14159

          Ditanyakan : Berapa kapasitas volume silinder tersebut?

          Jawab : 

                       V = 1/4 Π x D2 x L x N

   V = 0,25 x 3,14159 x 102 (cm2)  x 8 (cm) x 1

   V = 628,318 cm3

     Volume silinder (volume Langkah piston) adalah 

                        628,318 cm3(centimeter cubic) atau

                        628,318 CC

Cara menghitung perbandingan kompresi

Perbandingan kompresi menunjukkan berapa perbandingan tekanan saat campuran udara dan bahan bakar saat Langkah hisap, dengan pada saat ditekan saat Langkah kompresi. Dengan kata lain perbandingan antara volume langkah piston (V2)  ditambah volume ruang bakar (V1) (pada saat piston di TMB) dengan volume ruang bakar (V1)(pada saat piston di TMA).

yaitu:

Perbandingan kompresi =(V1+V2)/V1 : 1

Untuk mencari volume silinder untuk Langkah piston, di uraian sebelumnya sudah diberi contoh bagaimana cara menghitung kapasitas volumenya. Sedangkan untuk menghitung volume ruang bakar, ada sedikit lebih unik , mengingat ruang dan bentuk ruang pembakaran tidak simetris dan tidak beraturan, maka harus model konversi menggunakan media lain, contoh memberikan fluida pada ruang pembakaran tersebut secara penuh dan merata, kemudian fluida tersebut dipindahkan ke gelas ukur untuk menghitung volumenya. Hasil pengukuran volume fluida tersebut secara tidak langsung menyatakan ukuran volume ruang bakar silinder.

Pada umumnya fabrikan memberikan informasi tentang volume Langkah piston dan perbandigan kompresinya.

Secara umum perbandingan kompresi pada motor bensin antara 8 : 1 sampai 11 : 1, kemudian pada motor diesel 16 : 1 sampai 20 : 1

Contoh cara menghitung perbandingan kompresi :

Sebuah motor Ninja 4 tak dalam STNK tertulis kapasitas mesinnya sebesar 249 cc, diketahui volume ruang bakarnya adalah 20,5 cc. Tentukan perbandingan kompresi dalam motor tersebut !!

Diketahui :

V1 = 20,5 cc

V2 = 249 cc

Perbandingan kompresinya yaitu =(V1+V2)/V1 : 1

(20,5+249)/20,5 : 1

269.5 / 20.5 : 1

13,14 : 1

Jadi perbandingan kompresi motor tersebut adalah 13,14 : 1.

B. Cara Menghitung gaya dorong propeller pada piston engine

Untuk pesawat udara yang menggunakan piston engine, agar terjadi gaya dorong sehingga pesawat udara tersebut dapat bergerak dan terbang, maka piston engine tersebut harus dilengkapi dengan propeller atau baling-baling. Jadi propeller tersebutlah , yang merubah energi output piston engine yang berupa energi mekanik putar menjadi gaya dorong atau thrust.

Didalam dunia penerbangan sebagai pelopor penerbangan pertama yang menerapan piston engine untuk penggerak pesawat terbangnya adalah Wright bersaudara (Orville Wright dan Wilbour Wright) dengan memakai pesawat terbang yang dibuat sendiri dan bertenaga motor piston (torak) , Penerbangannya yang ketiga dapat mencapai 59 detik, di kota Kitty Hawk

Amerika Serikat, pada tahun 1903 .Setelah peristiwa ini, motor piston (torak) mulai dikembangkan dan telah dicapai kemajuan-kemajuan sampai era sekarang ini

Untuk menghitung gaya dorong atau thrust engine pada sebuah pesawat terbang secara umum menggunakan  rumus aerodinamika seperti tersebut di bawah ini.

         T=D = Cdx,1/2  xV2xS

         T =   gaya dorong (thrust)

         D =  hambatan udara (drag)

         Cd =  koefisien hambatan

                 (coefficient of drag)

         P =   kepadatan udara (air

                density)

        V =  kecepatan terbang

                (velocity)

        S = luas bidang sayap yang

                mempunyai pengaruh

Untuk pesawat yang menggunakan piston engine dan propeller, daya motor atau engine diukur dalam Brake Horse Power (BHP). Thrust yang dihasilkan oleh propeller atau baling-baling , dapat dihitung dengan rumus :

T baling-baling   =      x 

T baling-baling   =   gaya dorong oleh baling-baling

BHP = daya motor yang efektif ( brake horse power)

V      = kecepatan terbang (velocity)

    = efisiensi kerja baling baling (propeller efficiency)

                    

Tanpa memperhatikan pengaruh dari efisiensi kerja dan koefisien hambatan, rumus pertama dan kedua menunjukkan bahwa pada kecepatan terbang mendekati kecepatan suara, daya motor yang dibutuhkan akan bertambah sebanding dengan kenaikan kecepatan terbang pangkat tiga ( V3).

BHP=

BHP=  Cd x ½ x ρ x V 2 x S x V

                          ηb

BHP= Cd x ½ x ρ x V 3 x S

                         ηb

Karena itu misalkan kecepatan terbang dari pesawat (V) dinaikkan dari 200km/ jam menjadi 400 km/jam (berarti dua kali), maka daya motor harus dinaikkan 2 pangkat tiga atau delapan kali lebih besar. Misalkan daya motor untuk 200 km/jam adalah 2000 TK, maka pada kecepatan terbang 400 km/jam dibutuhkan daya motor sebesar 8 x 2000 TK = 16.000 TK. Jadi, bila sebelumnya dibutuhkan dua buah motor yang bertenaga masing-masing 1000 TK, sekarang dibutuhkan 16 buah motor yang berdaya masing-masing 1000 TK. Ini berarti untuk pesawat yang berukuran sedang (30 s.d 40 penumpang), dengan kecepatan terbang 400 km/jam, berat pesawat tersebut harus jauh lebih besar daripada kemampuan pesawatnya sendiri untuk mengangkut perlengkapannya. Selain itu, untuk memakai mo¬tor dengan alat peralatan yang banyak, juga dibutuhkan konstruksi pesawat yang semakin kuat dan berat, yang berarti harus menambah lagi besarnya daya mo¬tor.

Dengan demikian jelaslah bahwa pemakaian motor torak pada pesawat-pesawat terbang dengan kecepatan yang tinggi, ditinjau dari beratnya saja, sudah tidak menguntungkan sehingga tidak dapat dilaksanakan. Oleh karena itu untuk menaikkan kecepatan terbang, kemudian dibuat motor jet (pancar gas). Gaya dorong dapat dihasilkan dengan baling-baling (turboprop) atau tanpa baling-baling (turbo jet). Dengan motor jet dapat dihasilkan gaya dorong-yang besar dengan berat motor yang lebih ringan. Konstruksinya dapat dibuat dengan aerodinamik yang lebih baik sehingga tahanan udara juga dapat dikurangi. Getaran yang ditimbulkan oleh motor turbin juga lebilh kecil bila dibandingkan dengan motor torak sehingga konstruksi pesawatnya dapat lebih ringan dan dapat bertahan lebih lama.

Lalu lintas pesawat sipil dengan memakai motor pancar gas dimulai sejak kira-kira 1956. Walaupun demikian pesawat dengan daya motor piston masih tetap dipakai pada kebutuhan-kebutuhan tertentu, misalnya pesawat latih ringan, helikopter, dan pesawat pesawat jarak pendek.

Motor piston menghasilkan daya mekanis untuk memutar baling-baling, dan baling-baling dipergunakan untuk mendapatkan gaya dorong (thrust).

Dengan garis tengah baling-baling yang besar dan putaran yang tinggi, massa udara dipindahkan ke belakang baling-baling. Maka dengan gaya yang sama tetapi berlawanan arah, udara mendorong baling-baling berikut pesawatnya ber-gerak maju. Jadi gaya dorong merupakan resultan dari gaya tekan udara pada sekeliling bidang (luas) baling-baling yang sedang berputar.

Dapat ditarik kesimpulan baliwa motor torak mengubah tenaga panas menjadi tenaga mekanis, memutar baling-baling, dan baling-baling mengubah te¬naga mekanis menjadi gaya dorong terhadap pesawat terbang.

Pada pesawat terbang dengan motor pancar gas atau roket, pada waktu gas ke luar dari motor, diperoleh-kecepatan yang tinggi. Mekanisme yang meng-gerakkan motor pun yang mendorong maju sudah terdapat di dalamnya. Dapat ditarik kesimpulan bahwa motor pancar gas adalah motor yang tenaganya berasal dari panas hasil pembakaran bahan bakar yang diubah menjadi tenaga kenetik (gerak) dari pancaran gas yang mengalirke luar.

Reaksi yang ditimbulkan oleh gas yang mengalir ke luar ini dimanfaatkan menjadi gaya dorong pesawat terbang.

Patut dicatat di dalam sejarah kemajuan teknologi penerbangan yakni sejak Wright bersaudara berhasil terbang yang pertama kali pada tahun 1903 dengan kecepatan rendah sekarang kecepatan terbang pesawat terbang sudah melebihi Mach 3.

Perusahaan-perusahaan penerbangan komersial sudah mengoperasikan pesawatnya dengan kecepatan 600 mil/jam (=965,6 km/jam). Yang terakhir ialah transpor supersonik yang dirancang oleh Rusia (TU—144), dan rancangan bersama Inggris-Perancis (Concorde) telah beroperasi sejak tahun 1976.