Mesin pembakaran internal adalah keajaiban teknik yang telah mengalami penyesuaian selama lebih dari satu abad. Produsen mobil masih berusaha mencapai sedikit peningkatan efisiensi dan mengurangi emisi pada setiap model tahun baru. Hasilnya? Sebuah mesin yang sangat rumit namun ternyata dapat diandalkan.
Sementara panduan lain menguraikan pompa bahan bakar, loop pendingin, poros bubungan, turbocharger, dan rasio roda gigi, keajaiban sesungguhnya terjadi pada sistem pengapian. Di sinilah bahan bakar dan udara akhirnya bertemu.
Kita akan melihat cara kerja sistem ini, dimulai dengan konsep penting tentang waktu percikan. Kemudian kita akan membedah perangkat keras yang menciptakan busi, koil, distributor. Terakhir, kita akan melihat pergeseran modern menuju sistem solid-state yang sepenuhnya menghilangkan distributor.
Menguasai Timing Sistem Pengapian
Sistem pengapian mesin Anda harus sinkron secara sempurna dengan semua hal lain yang terjadi di dalam blok. Tujuannya sederhana: menyalakan bahan bakar pada waktu milidetik yang memungkinkan gas yang mengembang melakukan pekerjaan semaksimal mungkin. Tembakkannya terlalu dini atau terlambat dan Anda kehilangan kekuatan. Anda juga membuang-buang gas dan mencemari lebih banyak lagi.
Ketika campuran bahan bakar-udara terbakar di dalam silinder, suhunya melonjak. Bahan bakar cair berubah menjadi gas buang. Perubahan fasa ini menyebabkan tekanan meroket sehingga memaksa piston turun.
Untuk mendapatkan torsi maksimum, Anda perlu memaksimalkan tekanan tersebut selama langkah tenaga. Tekanan yang lebih tinggi berarti efisiensi yang lebih baik. Efisiensi yang lebih baik berarti Anda lebih jarang berhenti di pompa bensin. Waktu percikan adalah tuas yang mengendalikan semua ini.
Ada kelambatan. Dari saat percikan api melonjak hingga campuran bahan bakar-udara terbakar sepenuhnya dan tekanan mencapai puncaknya, waktu berlalu. Jika Anda menyalakan percikan api saat piston mencapai puncak langkah kompresinya, piston sudah mulai bergerak ke bawah sebelum tekanan mencapai maksimal. Anda melewatkan jendelanya.
Untuk mendapatkan hasil maksimal dari setiap tetes bahan bakar, percikan api harus menyala sebelum piston mencapai puncak langkah kompresi. Pada saat piston mulai turun ke langkah tenaga, tekanan sudah cukup tinggi untuk mendorongnya ke bawah dengan kuat.
Fisika Kerja
Mari kita lihat perhitungan matematika dalam sebuah silinder:
- Gaya sama dengan Tekanan dikali Luas piston
- Jarak sama dengan panjang Stroke
Jadi, usaha = tekanan dikali luas piston dikali panjang langkah.
Panjang langkah dan area piston adalah perangkat keras tetap. Anda tidak dapat mengubahnya tanpa membangun kembali mesinnya. Satu-satunya variabel yang Anda miliki untuk memaksimalkan pekerjaan adalah tekanan. Itu membawa kita kembali ke waktu.
Anda dapat memajukan pengaturan waktu atau memperlambat, bergantung pada kebutuhan mesin.
Waktu yang dibutuhkan bahan bakar untuk terbakar kira-kira sama. Namun saat RPM mesin naik, piston bergerak lebih cepat. Artinya percikannya harus terjadi lebih awal. Inilah spark advance : putaran mesin yang lebih cepat memerlukan pengapian lebih awal.
Namun kekuasaan bukanlah satu-satunya tujuan. Terkadang kita perlu meminimalkan emisi. Jika Anda tidak berusaha mencapai tenaga maksimal, Anda dapat memperlambat waktunya. Memindahkan percikan api lebih dekat ke bagian atas langkah kompresi akan menurunkan tekanan dan suhu silinder maksimum. Suhu yang lebih rendah berarti lebih sedikit nitrogen oksida (NOx), yang merupakan polutan yang diatur. Perlambatan waktu juga dapat menghentikan ketukan mesin. Banyak mobil modern dengan sensor ketukan melakukan ini secara otomatis untuk melindungi mesin.
Selanjutnya, kita melihat komponen-komponen yang sebenarnya menghasilkan percikan api.
Busi
Bagaimana Tegangan Tinggi Menyalakan Blok Mesin
Teorinya sederhana. Kenyataannya brutal.
Busi memaksa listrik mengalir melintasi celah kecil. Pikirkan kilat. Tapi Anda membutuhkan tekanan gila-gilaan untuk mendorong busur itu. Tegangan yang dibutuhkan berkisar antara 40.000 dan 100.000 volt.
Itu bukan salah ketik.
Steker memerlukan jalan raya khusus dan terisolasi agar arus tegangan tinggi dapat mengalir ke elektroda. Setelah mencapai kesenjangan? Itu melompat. Kemudian dialirkan langsung ke blok mesin untuk di-ground-kan.
Namun menuju ke sana adalah bagian yang sulit.
Komponen tersebut harus bertahan terhadap panas dan tekanan ekstrim di dalam ruang bakar. Ia juga harus menghilangkan endapan dari bahan tambahan bahan bakar. Jika kotoran menumpuk di steker, busur akan gagal. Dan jika busurnya gagal, mobil tidak bisa berjalan.
Bagaimana Kisaran Panas dan Insulator Keramik Mengontrol Kinerja Busi
Keajaiban di dalam busi bukan hanya tentang celahnya. Dimulai dengan sisipan keramik. Komponen ini melakukan pekerjaan berat dengan mengisolasi tegangan tinggi yang mengalir melalui elektroda. Tanpanya, muatan listrik tersebut akan mengalir ke mana pun ia bisa menemukan jalur ke tanah, kemungkinan besar akan mengalami korsleting sebelum mencapai ruang bakar. Tujuannya? Percikan tepat di ujung yang penting.
Namun ada manfaat sekunder di sini. Keramik juga membantu membakar endapan. Anda mungkin berasumsi keramik hanyalah penghalang, namun sifat termalnya adalah bagian dari proses pembersihan. Keramik merupakan konduktor panas yang buruk. Alih-alih membiarkan panas keluar dengan cepat, panas malah memerangkapnya di dalam steker selama pengoperasian. Panas yang tertahan ini memang disengaja.
Tidak semua mesin memerlukan strategi termal yang sama. Beberapa memerlukan hot plug. Ini dirancang dengan hidung keramik yang memiliki luas permukaan lebih kecil yang menyentuh cangkang logam. Lebih sedikit kontak berarti lebih sedikit perpindahan panas dari steker. Hasilnya? Steker menjadi lebih panas. Energi panas ekstra itulah yang membakar penumpukan karbon dan pengotoran sebelum menyebabkan kebakaran.
Di sisi lain, mesin berperforma tinggi atau beban berat sering kali memerlukan steker dingin. Ini menampilkan sisipan keramik dengan area kontak lebih besar dengan bagian logam. Lebih banyak luas permukaan berarti panas keluar lebih cepat. Steker bekerja lebih dingin, mencegah penyalaan awal dalam situasi di mana panas ekstrem dapat merusak mesin.
Pilihan antara colokan panas dan dingin bukan soal kualitas; ini tentang mencocokkan kisaran panas busi dengan keluaran termal spesifik mesin.
Itu tergantung pada geometri. Hidung isolator yang lebih kecil menahan panas. Hidung isolator yang lebih besar mengeluarkannya. Perancang mesin memilih keseimbangan yang tepat berdasarkan rasio kompresi, aliran udara, dan kapasitas pendinginan. Jika Anda salah, maka Anda akan mengotori busi atau melelehkan elektroda. Sisipan keramik bukan hanya isolator. Itu adalah pengatur suhu.
Koil pengapian tampak sederhana. Itu hanya trafo tegangan tinggi. Di dalamnya, Anda memiliki kumparan primer kawat. Terbungkus rapat di sekelilingnya adalah kumparan sekunder. Perbedaannya? Putaran sekunder memiliki putaran ratusan kali lebih banyak.
Arus mengalir dari baterai, langsung ke belitan primer. Cukup sederhana.
Namun keajaiban terjadi ketika Anda memutus sirkuit.
Pada mesin lama, titik pemutus menangani pemotongan. Sistem modern menggunakan elektronik solid-state. Apa pun hasilnya, hasilnya sama. Arus ke kumparan primer terputus. Tiba-tiba.
Medan magnet di sekitar primer langsung runtuh. Medan yang runtuh itu mengalir melalui kumparan sekunder. Ini menginduksi arus pada belitan sekunder. Arus yang sangat besar. Kita berbicara tentang 100.000 volt.
Tegangan tersebut mengalir keluar dari kumparan melalui kawat yang sangat terisolasi. Langsung menuju distributor.
Peran Distributor
Distributor melakukan pekerjaan berat dari sana. Tugas utamanya adalah menyalurkan pulsa tegangan tinggi ke silinder kanan pada saat yang tepat.
Ini ditangani oleh cap dan rotor.
Kumparan terhubung ke rotor. Rotor berputar di dalam tutupnya. Di dalam tutupnya terdapat kontak logam—satu untuk setiap silinder. Saat rotor berputar, ujungnya melewati setiap kontak.
Tidak ada kontak fisik. Pulsa tegangan tinggi melintasi celah kecil antara rotor dan kontak stasioner. Kemudian ia melompat ke kabel busi. Akhirnya, ia mengenai busi untuk silinder yang benar.
Inilah sebabnya mengapa Anda mengganti tutup dan rotor selama penyetelan. Busur yang terus-menerus memakan mereka hidup-hidup. Mereka lelah. Begitu juga dengan kabel busi. Insulasinya menurun seiring waktu.
Insulasi yang rusak menyebabkan masalah mesin yang misterius. Salah tembak. Pemalasan yang kasar. Hal-hal yang tampak acak sampai Anda menelusuri jalur tegangan tinggi.
Dalam desain distributor yang lebih tua, bagian bawah melakukan lebih dari sekedar menyalurkan listrik. Ia juga mengatur arus ke koil itu sendiri. Sisi dasar kumparan terhubung langsung ke titik pemutus. Ketika titik-titik tersebut terbuka, sirkuit primer terputus. Kumparan terisi daya. Poinnya sudah dekat. Siklus itu berulang.
Keterbatasan Mekanik Poin
Di dalam distributor, sebuah cam sederhana berputar. Ini mendorong tuas yang terpasang pada titik kontak. Saat lobus bubungan mengangkat tuas, titik-titiknya terbuka. Hal ini memutus sambungan ground sirkuit utama. Medan magnet di kumparan langsung runtuh. Keruntuhan tersebut menciptakan lonjakan tegangan tinggi yang dikirim ke busi.
Namun kendali waktu adalah saat sistem mekanis menemui hambatan. Poinnya bergantung pada gerakan vakum atau gerakan sentrifugal. Kemajuan vakum merespons beban mesin. Kemajuan sentrifugal bereaksi terhadap kecepatan mesin. Keduanya mencoba mengoptimalkan waktu percikan secara dinamis. Tapi itu hanyalah perkiraan kasar. Mereka tidak dapat menjelaskan setiap variabel yang dihadapi mesin.
Itulah sebabnya sebagian besar mobil modern mengabaikan poin sama sekali. Presisi lebih penting daripada kesederhanaan mekanis.
Mengapa Titik Pengapian Elektronik Diganti
Mesin modern menggunakan sensor untuk melacak posisi piston dengan tepat. Datanya langsung masuk ke engine control unit (ECU). ECU tidak menebak. Ini menghitung waktu percikan yang ideal berdasarkan ribuan masukan. Kemudian memicu transistor. Transistor membuka dan menutup rangkaian ke kumparan. Tidak ada bagian yang bergerak di distributor yang aus. Tidak ada poin untuk dibakar atau diadu. Hanya kontrol digital murni.
Pergeseran ini bukan hanya soal keandalan. Ini tentang efisiensi. Dan kepatuhan emisi. Sistem mekanis tidak dapat memenuhi tuntutan mesin yang dikendalikan komputer.
Langkah Berikutnya: Pengapian Tanpa Distributor
Lalu apa yang terjadi setelah distributor yang dikelola ECU? Evolusi berikutnya menghilangkan distributor sama sekali. Kita akan melihat sistem pengapian tanpa distributor di bagian berikutnya.
Sistem pengapian tanpa distributor mengubah permainan pemeliharaan. Anda tidak memerlukan tune-up untuk 100.000 mil pertama. Itu bukanlah klaim pemasaran. Ini adalah kenyataan mekanis.
Perbedaannya terletak pada cara percikan itu tercipta. Pada mobil tua, distributor secara mekanis menyalurkan listrik bertegangan tinggi ke setiap silinder. Itu gagal. Itu sudah usang. Hal itu menyebabkan sakit kepala. Sistem modern membuang distributor sepenuhnya. Mereka mengandalkan unit kontrol mesin (ECU) untuk mengatur setiap mikrodetik percikan api.
Cara Kerja Pengaturan Waktu Percikan yang Dikendalikan ECU
ECU tidak hanya menebak-nebak. Ini menghitung. Ia menggunakan data dari sensor untuk menentukan momen yang tepat untuk menyalakan steker. Di sinilah peran kumparan.
Dalam pengaturan koil-on-plug atau percikan limbah, fungsi koil serupa dengan koil yang lebih besar dan terletak di pusat di masa lalu, tetapi dengan perbedaan utama dalam kontrol. ECU mengontrol transistor. Transistor ini memutus sisi dasar rangkaian pengapian. Ketika rangkaian putus, medan magnet pada kumparan akan runtuh. Keruntuhan ini menghasilkan percikan tegangan tinggi.
Pengaturan ini memberi ECU kendali penuh atas waktu percikan. Komputer dapat mengatur waktu berdasarkan beban, suhu, sensor ketukan, dan kondisi berkendara. Itu dinamis. Ini tepat sekali.
Mengapa Anda Dapat Mengabaikan Tune-Up
Peralihan ke pengapian elektronik bukan hanya soal kenyamanan. Ini tentang umur panjang.
Tidak ada distributor yang rusak. Titik mekanis dan kondensor hilang. Tidak ada kabel busi tegangan tinggi yang mengalirkan listrik ke ruang mesin. Kabel-kabel ini rusak seiring berjalannya waktu, kehilangan isolasi dan menyebabkan misfire. Tanpa mereka, tidak banyak yang bisa dirusak.
Hasilnya adalah sistem yang hampir tidak memerlukan pemeliharaan selama dekade pertama kepemilikan. Anda mengganti busi saat pabrikan mengatakan demikian, tetapi sistem pengapiannya sendiri? Itu berhasil.
Keunggulan Presisi
Mengapa ini penting? Dua kata: efisiensi dan kekuatan.
Sistem lama mempunyai kurva waktu yang tetap atau terbatas secara mekanis. Sistem modern dapat mengoptimalkan pembakaran secara real-time. Hal ini menyebabkan penghematan bahan bakar yang lebih baik. Hal ini menyebabkan emisi yang lebih rendah. Ini juga menghasilkan lebih banyak tenaga dari perpindahan yang sama.
Sistem pengapian elektronik memiliki umur yang lebih panjang karena tidak memiliki bagian yang bergerak. Lebih sedikit bagian yang bergerak berarti lebih sedikit kegagalan. Mereka juga menawarkan penghematan bahan bakar yang lebih baik dan lebih sedikit gas buang dibandingkan pendahulunya.
Memahami Lanskap Pengapian
Kalau melihat sejarah penyalaannya, memang tidak ada garis lurus. Ada empat tipe utama:
- Pengapian titik pemutus konvensional.
- Pengapian energi tinggi (elektronik).
- Pengapian tanpa distributor (percikan api sisa).
- Pengapian koil-on-plug.
Tujuan utama dari sistem pengapian apa pun tetap sama. Ini menciptakan percikan listrik di ruang bakar mesin. Percikan ini menyulut campuran bahan bakar dan udara. Tanpanya, mesin hanyalah sebuah balok logam yang berat.
Sistem pengapian otomotif adalah sistem yang menyalakan bahan bakar dan udara untuk menghidupkan mesin mobil Anda. Inilah yang “menghidupkan” kendaraan Anda dan membuatnya berjalan. Sistem pengapian elektronik hanyalah evolusi dari proses ini, menggunakan sirkuit elektronik alih-alih pemicu mekanis untuk mencapai kinerja yang lebih baik.
Lebih lanjut tentang Mekanika Mesin
- Cara Kerja Mesin Mobil
- Pojok Kuis: Kuis Mesin
-
Cara Kerja Sistem Injeksi Bahan Bakar
