-
Prinsip Kerja Motor dan Pengapian
PRINSIP KERJA MOTOR
DAN PENGAPIAN
KOMPETENSI
1. Menjelaskan prinsip kerja motor 2 tak dan motor 4 tak. 2.
Menjelaskan proses pembakaran pada motor bensin 3. Menjelaskan
dampak saat pengapian yang tidak tepat terhadap kerja
mesin 4. Menggambarkan urutan pengapian pada motor 4 tak dalam
diagram
pembakaran 5. Menjelaskan perlunya pengajuan saat pengapian pada
putaran
tinggi 6. Menjelaskan prinsip merubah tegangan 12 menjadi
tegangan tinggi
1
-
Prinsip Kerja Motor dan Pengapian
A. KLASIFIKASI MOTOR Motor bakar dapat diklasifikasikan menjadi
dua kelompok, yaitu:
1. Motor pembakaran luar (Exsternal Combustion Engine), yaitu
motor yang pembakarannya diluar mesin. Contoh : mesin uap, turbin
uap dan lain-lain.
2. Motor pembakaran dalam (Internal Combustion Engine), yaitu
motor yang proses pembakaran berada di dalam mesin itu sendiri.
Contoh : Motor diesel, motor bensin, motor wankel dan
lain-lain.
Gambar 1. Macam motor bakar
Sedangkan motor pembakaran dalam dapat diklasifikasikan: 1.
Berdasarkan aplikasinya
Motor penggerak mobil, truk, lokomotif, pesawat ringan, kapal,
penggerak serbaguna dan pembangkit listrik.
2. Berdasarkan dasar disain mesinnya : a. Gerak bolak-balik
dengan susunan silinder In-line, V, rotary
dan berlawanan b. Gerak putar seperti motor Wankel.
3. Berdasarkan siklus kerjanya : Motor 4 tak dan motor 2 tak
2
-
Prinsip Kerja Motor dan Pengapian
3
4. Berdasarkan katup dan disain lubang katup a. Susunan katup:
model I, L, H, F b. Jumlah katup : Single Valve (Tiap silinder
katup In maupun
Ex adalah satu), Multi Valve (Tiap silinder katup In maupun Ex
lebih dari satu)
c. Mekanik katup : OHV (Over Head Valve), OHC (Over Head Cam
Shaft), DOHC (Double Over Head Cam Shaft).
5. Berdasarkan bahan bakarnya : Bensin, solar, LPG (Liquit
Petroleum Gas), alchohol, hydrogen.
6. Berdasarkan metode mencampurnya : Karburator, injeksi pada
saluran masuk, injeksi ke dalam silinder.
7. Berdasarkan metode pengapian: Percikan busi (motor bensin),
tekanan kompresi ( motor diesel).
8. Berdasarkan disain ruang bakar: Ruang bakar langsung: Ruang
bakar tak langsung:
9. Berdasarkan metode kontrolnya : Throttling yaitu mengatur
jumlah campuran udara dan bahan bakar dengan throttle, hanya
mengatur aliran bahan bakar, kombinasi
10. Berdasarkan sistem pendinginnya: Pendinginan air dan
pendinginan udara
B. MOTOR 4 TAK Motor 4 tak merupakan motor yang satu siklus
kerjanya diperlukan 4 langkah gerakan piston atau 2 putaran engkol.
Empat langkah piston tersebut adalah:
1. Langkah Hisap 2. Langkah Kompresi 3. Langkah Usaha 4. Langkah
Buang
Siklus motor 4 tak ini ditemukan oleh seorang insiyur Jerman,
yaitu Nikolas A. Otto pada tahun 1876, untuk mengenang jasanya maka
motor 4 tak sering disebut motor Otto. Proses kerja motor 4 tak
tersebut adalah sebagai berikut: 1. Langkah Hisap Piston bergerak
dari TMA (Titik Mati Atas) menuju TMB (Titik Mati Bawah). Posisi
katup hisap terbuka dan katup buang tertutup. Akibat gerakan piston
volume didalam silinder membesar sehingga tekanan
-
Prinsip Kerja Motor dan Pengapian
turun. Turunnya tekanan di dalam silinder menyebabkan adanya
perbedaan tekanan diluar silinder dengan didalam silinder sehingga
campuran bahan bakar terhisap masuk ke dalam silinder.
Langkah Hisap Langkah kompresi
Gambar 2 . Langkah Hisap dan langkah kompresi
2. Langkah Kompresi Piston bergerak dari TMB menuju TMA. Posisi
katup hisap dan katup buang tertutup. Gerakan piston menyebabkan
volume didalam silinder mengecil memampatkan/ mengkopresi campuran
bahan bakar didalam silinder sehingga tekanan dan temperature naik.
3. Langkah Usaha
Gambar 4. Langkah Usaha
Beberapa saat sebelum TMA, busi memercikkan api sehingga
membakar campuran bahan bakar. Terbakarnya campuran bahan bakar
menyebabkan temperatur dan tekanan didalam silinder naik. Tekanan
mendorong piston dari TMA menuju TMB, melalui batang piston gaya
tekan piston digunakan untuk memutar poros engkol, pada poros
engkol digunakan untuk memutar beban.
4
-
Prinsip Kerja Motor dan Pengapian
4. Langkah Buang
Gambar 5. Langkah Buang
Piston bergerak dari TMB menuju TMA. Posisi katup hisap tertutup
dan katup buang terbuka. Gerakan piston menyebabkan piston mendoron
gas buang ke luar menuju knalpot melalui katup buang.
Setela langkah buang maka motor melakukan langkah hisap,
kompresi, usaha dan buang, demikian seterusnya sehingga selama ada
proses pembakaran maka motor berputar terus. Siklus kerja motor 4
tak dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar 6. Siklus kerja motor 4 tak
5
-
Prinsip Kerja Motor dan Pengapian
C. MOTOR 2 TAK Motor 2 tak merupakan motor yang satu siklus
kerjanya diperlukan 2 langkah gerakan piston atau 1 putaran engkol.
Dalam 2 langkah piston di atas piston atau di dalam silinder
terdapat proses pemasukan campuran bahan bakar, kompresi, usaha dan
buang. Sedangkan di bawah piston atau didalam bak engkol terdapat
dua proses yaitu menghisap campuran bahan bakar dari karburator dan
proses memompa campuran ke dalam silinder. Pada motor 2 tak proses
pemasukan campuran bahan bakar ke dalam silinder bersamaan dengan
proses pembuangan, proses ini lebih popular dengan istilah proses
pembilasan, yaitu proses pemasukan gas baru dan mendorong gas buang
agar gas buang. Tujuan pembilasan yaitu gas dibuang didalam
silinder dapat terbuang dengan sempurna. Sedangkan istilah proses
pemasukan diguna untuk proses masuknya campuran ke dalam ruang
engkol (crankcase). Cara kerja motor 2 tak dapat digambarkan
sebagai berikut: 1.Pemasukan dan kompresi Saat piston bergerak dari
TMB menuju TMA, maka didalam silinder terjadi proses kompresi,
proses ini dimulai saat lubang bilas dan buang tertutup piston,
gerakan piston menyebabkan campuran bahan bakar yang masuk
dikompresi sehingga tekanan dan temperatur naik.
Gambar 7. Proses pemasukan dan kompresi
6
-
Prinsip Kerja Motor dan Pengapian
Dibawah piston terjadi proses pemasukan campuran bahan bakar.
Saat piston bergerak ke TMA, maka ruang bak engkol membesar
sehinggga tekanan turun Turunnya tekanan di dalam bak engkol
menyebabkan adanya perbedaan tekanan di luar bak engkol dengan di
dalam bak engkol sehingga campuran bahan bakar terhisap masuk ke
bak engkol dengan membuka katup harmonika (reed valve). 2. Proses
Usaha dan kompresi di bak engkol
Gambar 8. Proses usaha dan kompresi di bak engkol
Beberapa saat sebelum TMA, busi memercikkan api sehingga
membakar campuran bahan bakar. Terbakarnya campuran bahan bakar
menyebabkan temperatur dan tekanan didalam silinder naik. Tekanan
mendorong piston dari TMA menuju TMB, melalui batang piston gaya
tekan piston digunakan untuk memutar poros engkol, pada poros
engkol digunakan untuk memutar beban. Proses di bawah piston saat
piston bergerak dari TMA ke TMB menyebabkan ruang engkol mengecil
sehingga tekanan naik, naiknya tekanan menyebabkan reed valve
menutup, proses pemasukan campuran terhenti piston digunakan untuk
memutar poros engkol, pada poros engkol digunakan untuk memutar
beban. Proses di bawah piston saat piston
7
-
Prinsip Kerja Motor dan Pengapian
bergerak dari TMA ke TMB menyebabkan ruang engkol mengecil
sehingga tekanan naik, naiknya tekanan menyebabkan reed valve
menutup, proses pemasukan campuran terhenti. 3. Proses Buang
Gambar. 9 Proses buang
Beberapa derajat langkah usaha, lubang buang terbuka sehingga
gas buang mengalir ke luar melalui saluran buang ke knalpot.
Sementara itu tekanan dibawah piston semakin besar akibat ruang
engkol yang semakin mengecil. 4. Proses Pembilas
Gambar 10. Proses pembilasan
8
-
Prinsip Kerja Motor dan Pengapian
Saat piston semakin mendekati TMB tekanan di bak engkol semakin
besar, sementara itu lubang bilas terbuka, sehingga campuran bahan
bakar dari bak engkol mengalir ke dalam silinder untuk mengisi
silider dengan gas baru dan mendorong gas buang ke luar sehingga
silinder benar-benar bersih dari gas buang. D. Proses Pembakaran
Proses pembakaran pada motor bensin dapat digambarkan sebagai
berikut:
Gambar 11. Proses pembakaran
Beberapa derajat sebelum TMA akhir kompresi busi memercikkan
api,. percikan api pada busi akan membakar daerah sekeliling busi
(1). Campuran bahan bakar yang terbakar akan bergerak menjauh
dari
9
-
Prinsip Kerja Motor dan Pengapian
busi, dan membakar campuran bahan bakar yang lain sehingga
tekanan dan temperature naik (2),, puncak tekanan hasil pembakaran
(3) terjadi 10-15 setelah TMA. Pada titik (4) merupakan akhir
proses pembakaran. E. Saat Pengapian Saat pengapian merupakan waktu
terjadinya percikan api pada busi. Saat pengapian yang tepat (Za)
akan menghasilkan tekanan hasil pembakaran yang optimal. Pengapian
yang terlalu mundur(Zc) menyebabkan tekanan maksimal hasil
pembakaran terjadi melewati 108 sampai 15 8 sesudah TMA, sehingga
tekanan tidak efektif lagi, tenaga yang dihasilkan lemah.
Sebaliknya pengapian yang terlalu maju (Zb) menyebabkan tekanan
maksimal hasil pembakaran terjadi kurang dari 108 sampai 158
sesudah TMA, tekanan tersebut menghambat gerak piston saat
kompresi, piston bergetar sehingga menimbulkan suara ketukan dan
temperatur tinggi.
Gambar 12. Pengaruh timing pengapian terhadap tekanan dan
temperatur mesin
F. Pengajuan Saat Pengapian Waktu yang diperlukan proses
pembakaran dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya: beban
mesin, temperatur mesin, kompresi, campuran bahan bakar, nilai
oktan bahan bakar, bentuk ruang bakar, penempatan busi, maupun
kuatnya percikan api busi.
10
-
Prinsip Kerja Motor dan Pengapian
11
Saat putaran mesin tinggi waktu yang tersedia untuk membakar
campuran bahan bakar semakin terbatas oleh karena itu pada putaran
tinggi saat pengapian harus dimajukan, hal ini untuk menjaga agar
tekanan maksimal hasil pembakaran tetap terjadi pada titik yang
optimal yaitu 108 sampai 15 8 sesudah TMA. Contoh suatu mesin
dirancang saat pengapiannya 88 sebelum TMA pada putaran 600 rpm,
dengan saat pengapian tersebut diharapkan tekanan maksimal
pembakaran terjadi 108 setelah TMA. Dari data tersebut berarti
tekanan maksimal terjadi setelah = 88 + 108 = 188 setelah saat
pengapian, atau perlu waktu: t = 60 : 360 n = (60 x 18) : (360 x
600 )= 0,005 detik Dengan asumsi waktu yang dibutuhkan untuk
pembakaran tetap, maka bila saat pengapian tidak dimajukan maka
tekanan maksimal hasil pembakatan akan mundur. Misalnya dari contoh
di atas putaran mesin naik menjadi 1200 rpm, maka yang diperlukan
untuk waktu pembakaran 0,005 detik adalah:
= (360n x t ) / 60 = (360 x 1200 x 0,005) : 60 = 36 8
Tekanan maksimal hasil pembakaran adalah 368 - 88 = 288 sesudah
TMA, dengan tekanan yang terlalu mundur tersebut tenaga mesin
menjadi lemah akibat tekanan terjadi pada volume silinder sudah
terlalu besar. Agar tekanan maksimal tetap terjadi pada 108 setelah
TMA maka saat pengapian harus diajukan menjadi :
- 108 = 368 108 = 268 sebelum TMA.
Mekanisme pengajuan saat pengapian ada 2 macam, yaitu:
centrifugal advancer dan vacuum advancer. Kedua sistem pengajuan
tersebut saling melengkapi satu dengan yang lain sehingga diperoleh
saat pengajuan yang paling tepat. Hubungan putaran mesin dan
pengajuan saat pengapian dapat digambarkan sebagai berikut
-
Prinsip Kerja Motor dan Pengapian
Gambar 13. Hubungan putaran mesin dengan
pengajuan saat pengapian
G. Urutan Pengapian (Firing Order) Pada motor multi silinder
proses pembakaran tiap silinder tidak terjadi bersamaan melainkan
bergantian secara berurutan dengan selisih waktu pembakaran : a.
Motor 4 tak adalah 720 dibagi jumlah silider, misal motor 4
silider maka selisih waktu pembakaran adalah 720/4 = 180 . b.
Motor 2 tak adalah 360 dibagi jumlah silinder, misal motor 4
silider maka selisih waktu pembakaran adalah 360/4 = 90 . Urutan
proses pembakaran atau sering disebut FO (Firing Order), merupakan
urutan percikan api busi guna membakar campuran bahan bakar. Proses
pembakaran terjadi saat akhir langkah kompresi sehingga urutan
percikan api harus diberikan sesuai dengan urutan siklus kerja pada
tiap silinder. Dengan demikian FO sangat erat kaitannya dengan
desain motor, oleh karena itu dalam pemasangan kabel busi kita
harus mengetahui FO mesin tersebut. Contoh motor 4 tak, 4 silinder
mempunyai FO : 1 3 4 2 , urutan proses pembakaran dapat digambarkan
sebagai berikut:
12
-
Prinsip Kerja Motor dan Pengapian
Percikan api busi Silinder Proses
1 Hisap Kompresi Usaha Buang
3 Buang Hisap Kompresi Usaha
4 Usaha Buang Hisap Kompresi
2 Kompresi Usaha Buang Hisap
0 180 360 540 720
Gambar 14. Diagram urutan pembakaran motor 4 tak, 4 silinder
Kesalahan FO menyebabkan kesalahan memberi api pada busi
sehingga tidak ada pembakaran pada silinder bersangkutan. Contoh
motor 4 tak, 4 silinder mempunyai FO : 1 3 4 2 , Karena salah
asumsi arah putaran motor maka FO menjadi 1 2 - 4 - 3, kesalahaan
ini menyebabkan silinder 2 dan 3 terbalik.
Silinder Proses
13
1 Hisap Kompresi Usaha Buang
3 Buang Hisap Kompresi Usaha 4 Usaha Buang Hisap Kompresi 2
Kompresi Usaha Buang Hisap
0 180 360 540 720
Gambar 13 Dampak kesalahan FO pada motor Percikan api pada
silinder 2 terjadi pada saat akhir langkah buang (530 bila saat
pengapian 10 sebelum TMA ) akibatnya tidak terjadi proses
pembakaran pada silinder 2, demikian juga silinder 3 yaitu percikan
api pada busi terjadi pada akhir langkah buang (170 bila saat
pengapian10 sebelum TMA). Saat akhir langkah buang, katup hisap
mulai terbuka karena adanya overlaping katup, kondisi tersebut
menyebabkan munculnya ledakan di karburator bila salah pemasangan
FO, terutama bila saat pengapian terlalu mundur atau mendekati TMA
dan mesin pincang karena hanya 2 silinder yang bekerja.
-
Prinsip Kerja Motor dan Pengapian
Gambar 16. Diagram pembakaran mesin V-8
H. Prinsip Terjadinya Percikan Api Sistem pengapian merupakan
sistem yang berfungsi untuk menghasilkan percikan api yang kuat
pada celah busi, guna memulai proses pembakaran campuran bahan
bakar dengan udara di dalam ruang bakar, mengatur saat pengapian
(saat perciakan api pada busi) dengan tepat dan saat pengapian
sesuai dengan putaran dan beban mesin
Gambar 17. Petir menghasilkan percikan api
14
-
Prinsip Kerja Motor dan Pengapian
Ilustrasi bagaimana percikan api dapat dihasilkan dapat dilihat
dari gejala alam, yaitu terjadinya petir. Petir menyambar pohon
atau rumah menyebabkan rumah terbakar. Petir terjadi akibat
perpindahan electron pada awan dengan tanah yang mempunyai
perbedaan potensial yang tinggi, sehingga mampu melewati tahanan
udara yang sangat besar.
Gambar 18. Hubungan celah busi dengan tegangan yang
diperlukan
Untuk menghasilkan percikan api pada pada celah busi diperlukan
tegangan yang sangat tinggi. Hubungan celah busi dengan tegangan
yang dibutuhkan dapat dilihat pada gambar di atas. Dari gambar
tersebut dapat dilihat bahwa untuk celah busi 0,6 mm diperlukan
tegangan minimal 10.000 Volt atau 10 kV. Sedangkan untuk celah 0,8
mm) diperlukan tegangan minimal 15.000 Volt atau 15 kV. Sumber
energi listrik yang digunakan pada sistem kelistrikan otomotif
dengan tegangan 12 Volt, padahal busi memerlukan tegangan yang
sangat tinggi, untuk merubah tegangan 12 V menjadi tegangan tinggi
diperlukan Step-Up Trafo, pada sistim pengapian s ep-up trafo
adalah koil pengapian (ignition coil).
t
15
-
Prinsip Kerja Motor dan Pengapian
Gambar 19. Prinsip induksi Saat kontak ON maka arus listrik
mengalir ke primer, inti koil menjadi magnet. Saat kontak OFF, arus
listrik mengalir ke primer koil terhenti, kemagnetan hilang, maka
terjadi induksi pada skunder koil yang ditunjukkan pada voltmeter.
Besar induksi tergantung dari: E = N . d /dt
E = tegangan induksi .. Volt N = jumlah gulungan d = jumlah
perubahan garis gaya magnet Weber dt = perubahan waktu .. detik
I. Pembangkitan Pulsa Dari prinsip induksi di atas menunjukkan
untuk menghasilkan induksi pada koil pengapian diperlukan aliran
listrik berbentuk pulsa. Berdasarkan teknik pembangkitan pulsanya
maka sistem pengapian dapat dikelompokkan menjadi:
16
-
Prinsip Kerja Motor dan Pengapian
1. Sistem Pengapian Konvensional Sistem pengapian konvensional
merupakan sistem pengapian yang metode pembangkitan pulsa
menggunakan platina (contac breaker). Pemasangan platina secara
seri antara koil pengapian dengan massa.
Gambar 20. Pembangkitan pulsa pengapian konvensional
Saat platina menutup (ON) maka arus listrik megalir pada
kumparan primer. Saat platina terbuka (OFF), maka arus primer koil
terputus, dan terjadi induksi tegangan tinggi pada sekunder koil.
Hubung putus platina dilakukan oleh poros nok.
2. Sistem pengapian Semi Elektronik Sistem pengapian semi
elektronik merupakan sistem pengapian yang menggunakan tambahan
komponen elektronik berupa transistor sebagai saklar elektrik.
Kerja transistor dikontrol oleh platina. Karena platina hanya
mengendalikan transistor maka arus yang lewat platina menjadi kecil
dan kontak platina menjadi awet.
17
-
Prinsip Kerja Motor dan Pengapian
Gambar 20. Pembangkitan pulsa pengapian semi elektronik Saat
platina menutup (ON) maka transistor juga ON, dan saat platina
terbuka (OFF) maka transistor juga OFF. Jadi pulsa platina sama
dengan pulsa transistor, perbedaan terletak pada besar arus yang
mengalir. Arus yang melalui platina harus melalui R3, sehingga arus
yang mengalir menjadi kecil, platina menjadi awet. 3. Sistem
Pengapian Elektronik
Gambar 21. Pembangkitan pulsa pada sistem pengapian
elektronik
menggunakan signal generator
18
-
Prinsip Kerja Motor dan Pengapian
19
Sistem pengapian elektronik merupakan sistem pengapian tidak
menggunakan platina (contactlees ignition). Sebagai ganti kontak
platina digunakan photo transistor, inframerah atau signal
generator. Sistem pengapian elektronik dikelompokkan menjadi 2
yaitu sistem pengapian Transistor (Igniter) dan sistem pengapian
CDI (Capastor Discharge Ignition). Sistem pengapian elektronik pada
saat ini yang paling banyak digunakan karena perawatan lebih mudah
karena tidak memerlukan penyetelan, induksi sekunder koil
tegangannya sangat tinggi sehingga percikan api kuat, hemat bahan
bakar, emisi gas buang rendah dan performa mesin sangat baik.
J. Rangkuman Ditinjau dari suklus kerjanya, motor bensin dibagi
menjadi dua yaitu motor 2 tak dan motor 4 tak. Motor 2 tak yaitu
motor yang satu siklus kerjanya membutukan 2 langkah piston
sedangkan motor 4 tak yaitu motor yang satu siklus kerjanya
membutukan 4 langkah piston. Motor bensin memerlukan percikan api
busi untuk memulai proses pembakaran, percikan api harus terjadi
pada saat yang tepat agar diperoleh tekanan hasil pembakaran yang
paling optimal. Untuk menghasilkan percikan api busi diperlukan
sistem yang menghasilkan tegangan tinggi, yaitu pengapian. Terdapat
3 model sistem pengapian yaitu: sistem pengapian konvensional, semi
elektronik dan elektronik. J. Evaluasi 1. Jelaskan prinsip kerja
motor 2 tak dan motor 4 tak. 2. Jelaskan proses pembakaran pada
motor bensin 3. Bagaimana dampak saat pengapian yang tidak tepat
terhadap kerja
mesin ?. 4. Gambarkan urutan pengapian pada motor 4 tak, 4
silinder bila
diketahui FO: 1-2-4-3. 5. Mengapa saat putaran tinggi saat
pengapian perlu diajukan? 5. Bagaimana prinsip merubah tegangan 12
menjadi tegangan tinggi. 6. Jelaskan prinsip pembangkitan pulsa
pada pengapian konvensional,
semi elektronik dan elektronik.