Camshaft, Kompresi dinamik dan cylinder pressure

Yamaha Formula 1 engine V10 3.0 liter power output 700 hp +. Camshaft dengan banyak overlap, high lift valve dan duration untuk menghasilkan cylinder pressure maksimum di rpm sangat tinggi. Mesin idle di 4000 rpm keatas, dibawah putaran itu tidak akan stabil karena banyaknya overlap. 

Assalamu’alaikum wR wBSeperti sudah kita fahami bahwa camshaft menentukan bagaimana karakter engine beroperasi. Profil camshaft menentukan kapan powerband race engine muncul apakah di rpm pertengahan atau di putaran atas atau untuk engine low-rev yang torquey mulai mendorong dari rpm bawah.

Engine mobil atau motor keluarga untuk jalan raya biasanya di design beroperasi pada rpm endah dan menengah. Misalkan 700 sampai 6000 rpm untuk mobil dan 2500 rpm sampai 7500 rpm untuk motor. Tarikan halus dan kadar emisi dari gas pembakaran terjaga ramah lingkungan sesuai ketentuan regulasi. Untuk motor high performance jalan raya kelas 250cc seperti CBR250R torsi mulai mengisi dari putaran bawah sampai memuncak di 7000 rpm. Ninja 250 atau Yamaha R25 lebih diatas lagi torsinya yaitu di rpm tengah kemudian masuk powerband 10000 rpm. Itu tidak alin karena efek dari perbedaan durasi, valve lift maupun overlap.

Cylinder pressure meledak di dalam ruang bakar (combustion chamber) menciptakan energi panas yang kemudian menekan piston menjadi tenaga putar (twisting force). Ada dua tipe kompresi berhubungan dengan cylinder pressure, kompresi statik dan kompresi dinamik. Kompresi statik yaitu perbandingan rasio volume di ruang bakar pada saat TDC dan volume silinder pada saat BDC. Jadi ukuran bore, stroke, tebal paking head atau cylinder gasket, jarak antara permukaan piston dan cylinder head, volume di cylinder head chamber berhubungan dengan kompresi statik.

Kompresi statik tidak menentukan swept volume aktual pada saat klep intake menutup setelah BDC. Padahal swept volume real memberikan kontribusi terhadap seberapa banyak cylinder pressure yang dihirup oleh engine. Keadaan itu disebut dengan kompresi dinamik ditentukan oleh profil camshaft kapan klep intake menutup. Kompresi statik tidak bisa dirubah kecuali kita menaikan kompresi dengan memapas cylinder head atau mengganti bentuk permukaan piston. Kompresi dinamik dapat dirubah mengikuti profil camshaft yang di dipasangkan ke engine.

Misalkan ada dua engine yang sama bore x stroke dan juga ukuran parameter lainnya kemudian memiliki kompresi statik juga sama pula yaitu 10:1. Keduanya hanya dibedakan dari profil camshaft, satu tanpa overlap dan satu dengan banyak overlap. Klep intake menutup dan membuka kedua engine berbeda mengikuti profil camshaft. 

Fase overlap adalah dimana klep intake mulai open dan klep exhaust yang masih belum menutup pada akhir proses langkah buang atau exhaust stroke dan dimulainya proses intake stroke. 

Engine tanpa overlap atau sedikit overlap dan durasi camshaft yang kecil akan membangun cylinder pressure lebih besar di rpm rendah karena klep intake open misalkan tepat pada posisi piston di TDC dalam proses intake stroke dan close pada posisi piston di BDC untuk memulai proses langkah kompresi (compression stroke). Tapi efektif hanya di rpm rendah dan tengah, tidak ada nya fase overlap atau sedikit overlap memberikan pengaruh terhadap cylinder pressure secara siknifikan yaitu menghasilkan torsi besar pada putaran low-mid. Engine tidak bisa revving naik lebih tinggi lagi menambah torsi dan horsepower dipengaruhi keterbatasan kecepatan (velocity) airflow di rpm atas. Karena memang tidak direncanakan untuk bermain di rpm tinggi mencari topspeed.

Race engine dengan banyak overlap dan angka durasi besar akan kesulitan menciptakan torsi di rpm bawah dan tengah. Besarnya overlap mengurangi vacum di exhaust dan terjadinya gas hasil pembakaran yang masuk ke intake bercampur bersamaan dengan bbm/udara bersih yang akan masuk ke ruang bakar. Kondisi ini kontra produktif karena tidak menghasilkan torsi dan juga menaikan kadar emisi. Cylinder pressure sangat rendah di rpm bawah dan campuran udara/bensin yang berbalik kembali ke intake port mengakibatkan tidak terjadi pembakaran atau misfire didalam cylinder. Tapi begitu rpm bertambah maka kecepatan airflow pun meningkat menaikkan cylinder pressure. Keuntungan dari situasi inilah digunakan pada saat fase overlap dimana campuran udara/bensin yang masuk menjadi sangat cepat mengikuti naiknya revving membersihkan sisa gas pembakaran (scavenging) keluar dengan cepat via exhaust valve ke knalpot. Airflow yang masuk dengan cepat ada inertia nya meskipun piston berhenti dari proses langkah isi atau intake stroke dan berganti melakukan proses compression stroke. Intake valve dibiarkan sedikit lebih lama terbuka setelah BDC untuk memanfaatkan keuntungan dari inertia airflow yang terus mengisi cylinder pressure pada rpm tinggi.

Karakter engine balap motogp dan Formula One V10 3000cc dan V8 2400cc high revving akan kesulitan atau mengalami defisit power pada rpm rendah karena cylinder pressure yang belum optimal mengisi. Perlu waktu sampai putaran engine memungkinkan airflow masuk makin cepat dimana kurva torsi semakin naik dan efisien baru kemudian power output akan menjadi brutal keluar mirip seperti engine turbocharger pada saat turbin mulai spool up revving semakin cepat mengisi silinder.

Honda H22 engine cut view. Saat intake valve closed posisi piston sudah naik beberapa derajat putaran crankshaft dari BDC. Pada point ini swept volume dihitung sebagai kompresi dinamik.

Lobe separation angle (LSA) yang sempit (narrow) akan merubah posisi powerband lebih ke rpm atas, begitu masuk powerband maka kurva power akan naik tajam. Faktor inilah mengapa race camshaft menghasilkan power secara eksplosif pada putaran tinggi. LSA yang lebih lebar akan menghaluskan powerband dan pada rentang rpm yang lebih panjang. Sebaliknya camshaft memiliki sedikit overlap alias minimum scavenging effect maka akan sedikit pula powerband yang muncul. Hanya dorongan torsi secara rata dan smooth di seluruh rentang rpm mulai dari bawah sampai atas seperti engine standard umumnya.

Atas perbedaan itu jelas profil camshaft menentukan kompresi dinamis dan cylinder pressure. Valve intake menutup setelah BDC adalah dimana swept volume mulai efektif menentukan rasio kompresi real engine. Dan piston sudah naik beberapa derajat pada putaran crankshaft dari posisi BDC. Rasio kompresi dinamik selalu lebih kecil dari rasio kompresi statik. Semakin besar overlap dan valve lift camshaft yang digunakan semakin besar pula kompresi statik diperlukan engine untuk kompensasi penurunan kompresi dinamis nya pada waktu berputar di low rpm. Engine balap high revving membutuhkan kompresi statik sangat tinggi antara 14.5:1 sampai 15:1.

Untuk rock crawling diperlukan low-rev high torque engine. Torsi kuat yang mendorong dari rpm rendah ke tengah. Engine dengan stroke panjang (overstroke) dan profil camshaft dengan lobe separation angle (LSA) lebar dan sedikit atau zero overlap. Cylinder pressure di design mengisi mulai dari low rpm dan mencapai efisiensi volumetrik (VE) maksimum putaran engine yang tidak tinggi sekitar 4500-5000 rpm. (JP Magazine)

Untuk mencari kompresi dinamis harus diketahui panjang connecting rod, volume ruang bakar, klep intake menutup setelah BDC dalam derajat putaran crankshaft. Bisa dihitung langsung ke piston di dalam engine bore dengan alat dial indicator atau dengan rumus yang tersedia di website dan buku engine builder.

Dynamic Stroke = Stroke – [sin (90 – inverse sin ((stroke / 2) x sin intake close / conrod)) x conrod] + [conrod + ((stroke / 2) x sin (90 – intake close)) – (stroke / 2)]

Dynamic Compression = 3.14 x Bore x Bore x Dynamic Stroke / 4000

Kawasaki Ninja ZX-10R tahun 2010 dengan spesifikasi : Combustion chamber 21 cc, intake valve close 35 degree ABDC, rod length 106.65 mm, compression ratio 12.9:1,  bore 76 mm x stroke 55 mm, maka kompresi dinamis nya 11 : 1. Terjadi penurunan 1.9 point dari kompresi statik 12.9:1, semoga bermanfaat.