Efisiensi volumetrik mesin = torsi dan horsepower

Honda F20 engine (Honda builder’s hanbook)

Assalamu’alaikum wR wB
Bro Pembaca kalau bicara horsepower ataupun torsi maka didalam benak saya yang awam ini adalah dari besarnya kubikasi atau engine displacement. Semakin besar CC semakin besar power dan torsi dihasilkan.

Tentu benar dengan adanya frasa “no replacement for displacement”. Tapi beberapa faktor lain juga berpengaruh terhadap performa engine. Seperti yang kita sudah fahami engine tidak lain seperti sebuah pompa udara. Sederhana nya udara dihirup oleh seher (piston) masuk melalui karburator/throttle body untuk bercampur dengan bensin dan menuju ke dalam silinder via klep intake. Terjadilah ledakan di ruang bakar dimana energi panas berupa gas hasil pembakaran yang memuai dan bertekanan tinggi mendorong piston bergerak ke arah bawah. Semakin besar cylinder pressure terbangun sejak api pertama kali dinyalakan (ignite) sebelum TDC semakin kuat ledakan (combustion pressure) memuncak pada 12-14 atau 20 derajat rotasi crankshaft setelah melewati TDC. Hal tersebut menentukan volumetric efficiency (VE) yang diciptakan engine.

Engine motor dengan volume statik 600cc mampu secara aktual menghirup (ingest) volume udara sebesar 600cc pada satu kali kerja cycle engine 4-tak yaitu dua kali revolusi crankshaft 720 derajat, maka engine tersebut mempunyai VE 100%. Karena adanya faktor friksi dan beban lain yang menjadi parasit memberatkan engine, VE umumnya tidak mencapai 100%.

Mercedes-Ilmor V10 cylinder 3000cc (motorsport)

Engine DOHC standard normally aspirated (NA) biasa nya mempunyai VE antara 75%-85%. Engine yang telah dimodifikasi untuk balap mencapai 90 sampai 100% lebih. Engine Formula one normally aspirated di era V10 cylinder 3000cc dan V8 2400cc katanya bisa menghasilkan VE sampai 140%! luarbiasa. Seperti tim Mclaren menggunakan mesin Mercedes-Ilmor power lebih dari 930 hp pada range putaran 19000 rpm!.

Piston F1 engine sangat tipis dengan satu ring kompresi dan satu ring oli. Struktur connnecting-rod sangat kokoh.

Engine volumetric efficiency nv = udara aktual yg masuk ke silinder (cc) : volume statik silinder (cc) x 100

Udara aktual yang masuk ke silinder dipengaruhi oleh :

* Engine RPM 

* Tekanan atmosfir

* Temperatur udara yang menentukan air density

* Rasio kompresi piston

* Geometry dari klep intake/exhaust, valve lift, size dan valve timing.

Meningkatkan VE artinya mempercepat masa aliran udara atau airflow masuk ke dalam silinder sesuai dengan rpm yang direncanakan. Misalkan mobil balap pasang camshaft dengan profil agresif membangun power band pada putaran 7000 – 9500 rpm. Supaya target itu tercapai komponen engine lainnya juga harus sanggup mendukung airflow mengisi pada putaran tersebut, seperti :

* saluran (port) masuk dan keluar (intake/exhaust) cylinder head.

* klep intake/exhaust.  

* Jarak dari ujung intake tract ke klep intake.

* Size venturi throttle body.

* Panjang velocity stacks. Beroperasi pada rpm tinggi perlu velocity yang pendek.

* Diameter pipa header, pipa kolektor dan tabung (cansiter) knalpot.

Intake/exhaust port dansize klep in/ex adalah bagian dari pekerjaan porting cylinder head. Keahlian seorang engine builder ditentukan pula melalui seberapa ampuh cylinder head yang dia hasilkan.

VE engine dapat pula di tingkatkan melalui sistim induksi bertekanan (force induction) seperti turbocharger dan supercharger. Dengan sistim induksi dimungkinkan VE bertambah lebih dari 50% dari standard. Sebagai contoh engine mobil rally grup B yang sudah diskontinu karena terlalu membahayakan keselamatan pengendara, navigator dan juga penonton. Engine turbocharger mobil rally grup B Audi Sport Quattro 5 silinder dengan kapasitas 2133cc menghasilkan 590 hp pada tekanan atau boost 17.1 psi. Lainnya yang fenomenal adalah engine mobil F1 BMW M13 4 silinder 1499cc era tahun 80 an mencapai 1400 hp! dengan tekanan turbo sebesar 5.5 bar atau sekitar 73.5 psi. Power sebesar itu di set untuk sesi kualifikasi. Tapi bahasan kali ini sebatas pada mesin normal aspirated saja.

BMW M13 1499cc 4 cyl turbocharged 1200-1400 hp (gtspirit)

Meningkatkan volumetric efficiency VE yaitu dengan cara menambah kuantitas volume udara yang masuk ke silinder, biasanya pro engine tuner mulai pada bagian port intake/exhaust dan klep intake/exhaust cylinder head. Kemudian penggantian camshaft dengan angka durasi, valve lift dan overlap lebih dari standard. Profil camshaft menentukan kapan klep intake/exhaust membuka dan menutup. Durasi representasikan berapa lama klep intake/exhaust dalam posisi terbuka juga berapa jauh bukaan (valve lift) klep intake dan exhaut terangkat dari dudukan klep atau valve seatnya. Faktor tersebut banyak mempengaruhi karakteristik power delivery dan volumetric effiency.

Intake dan exhaust port cylinder head seperti pada area cross sectional dan radius belokan di atas valve seat menjadi sorotan dikoreksi. Diameter atau luas pada bagian itu harus mampu membuat airflow bergerak cepat pada rpm yang di inginkan. Engine tuner akan memperbesar luas nya apabila ternyata kurang.

Cylinder head standard biasanya ada bagian kasar akibat proses casting yang mempengaruhi airflow. Untuk mereduksinya dilakukan grinding supaya dinding port menjadi halus, sekalian juga di polish.

Cut angle valve seat di tambah lagi misalkan 30-45-60 derajat atau lebih untuk optimalkan airflow melewati area itu pada saat klep intake posisi open. Kecepatan airflow konstan maka kepadatan udara (air density) tetap stabil. Dengan tradisionil single angle akan menciptakan turbulensi ketika klep membuka tentunya mempengaruhi kelancaran airflow masuk ke dalam silinder. Klep dengan single angle tidak akan efektif meningkatkan VE engine. Semakin banyak angle dudukan klep airflow semakin bagus. Silinder head paling menentukan nafas engine untuk menghasilkan power dan torsi. Engine dengan keterbatasan intake/exhaust port tidak akan mencapai VE maksimum.

valve & valve seat 3 angle valve job (v8wizard)

Perubahan pada intake/exhaust port cylinder head tentunya disesuaikan dengan peruntukan engine nantinya. Apakah modifikasi untuk balapan atau untuk performa pemakaian di jalan raya (street performance). Kedua engine itu memerlukan letak powerband pada rpm yang berlainan. Para engine tuner berpengalaman sudah mempunyai log book terhadap modifikasi cylinder head yang menentukan hal seperti :

* Seberapa banyak porting dilakukan pada intake/exhaust port berdasarkan kebutuhan.

* Berapa ukuran klep intake-exhaust dan valve lift sesuai dengan rencana rpm beroperasi. 

Engine motor 1000cc untuk balap biasanya torsi maksimum dan horsepower di optimalkan oleh engine tuner muncul pada rpm tinggi, misalkan  di 11000-12000 rpm. Sedangkan mesin untuk pemakaian street performance ditentukan letak torsi dan HP maksimum pada kisaran 7000-10000 rpm. Karena pada range putaran tersebut dianggap paling sesuai untuk situasi pemakaian di jalan raya (street use). Memanfaatkan dorongan torsi pada putaran bawah dan menengah memerlukan diameter intake/exhaust port yang tidak terlalu besar agar airflow bergerak cepat kedalam silinder. Sebaliknya kalau diameter port terlalu besar mengakibatkan aliran udara menjadi lambat tentunya memberi efek negatif terhadap masa airflow jadi tidak maksimum. Power dan torsi dihasilkan jadi kurang berdaya artinya engine tidak mencapai VE optimal sesuai dengan rpm yang di inginkan.

Profil camshaft sangat menentukan karakteristik engine dengan itu cylinder head yang sudah di modifikasi melalui proses porting oleh tuner untuk pemakaian balap tidak akan efektif atau cocok lagi apa bila camshaft yang digunakan mempunyai profil bukan untuk balap. Karena airflow dihasilkan melalui saluran intake/exhaust silinder head tersebut pasti tidak akan tepat memenuhi seperti dibutuhkan silinder  pada putaran seharusnya.

Motor Honda CBR1000RR standard camshaft intake durasi 244 derajat, klep open 21 derajat sebelum TMA close 43 derajat setelah TMB, max lift 9.3 mm. Camshaft exhaust durasi 235 derajat, klep open 41 derajat sebelum TMB close 14 derajat setelah TMA, max lift 8.4 mm. Jika camshaft diganti dengan profil untuk race merk Webcam dengan durasi intake 248 derajat dan exhaust 240 derajat. Max lift klep intake 9.6 mm, max lift klep exhaust 8.89 mm, engine akan lebih semangat menghasilkan max torsi dan power di putaran tinggi. Untuk memenuhi kebutuhan airflow lebih besar oleh camshaft tersebut maka melakukan cylinder head porting dan 3 – 5 angle valve job adalah hal yang tidak boleh dikesampingkan selain juga menaikkan rasio kompresi statik piston.

Panjang velocity stack di throttle body menentukan torque delivery mesin (hayabusa.org)

Hal lainnya adalah dengan menggunakan klep intake-exhaust dan stang piston (con -rod) berbahan titanium. Dengan materi lebih ringan memungkinkan engine berputar atau revving lebih cepat dan lebih tinggi lagi karena berkurangnya masa mesin bergerak resiprokal (engine reciprocating mass). Dengan bertambahnya rpm otomatis mendongkrak horsepower sampai pada rpm tertentu yang direncanakan oleh tuner nya.

Besarnya valve area (luas klep) intake dan exhaust baiknya menciptakan torsi dan power terbesar tepat pada putaran yang di inginkan. Itu terkait beberapa faktor :

* Semakin besar size klep makin banyak airflow dihirup engine pada putaran tinggi, membawa HP lebih digdaya. Tapi engine perlu waktu untuk mengisi silinder, artinya torsi pada putaran bawah jadi lemah.

* Besarnya klep intake perlu diperhatikan batasnya jangan sampai terlalu dekat dengan dinding silinder yang merusak pola airflow ketika klep posisi open. Juga jarak antara klep disisakan untuk valve seat.

* Makin kecil size klep semakin kuat torsi dan HP pada putaran rendah-tengah. Disebabkan kecepatan airflow sudah tinggi.

* Exhaust valve yang besar akan mempercepat gas hasil pembakaran keluar dan segera di isi oleh campuran udara/bbm dari intake di putaran tinggi.

* Exhaust valve area terlalu besar akan mengambil potensi intake valve area. Biasanya engine performa tinggi memiliki exhaust valve area sebesar 80% dari intake valve area.

High revving engine B16B inline 4 cylinder 1595cc TWIN CAM dengan bore 81 mm x stroke 77  mm, intake valve 33 mm, exhaust valve  28 mm. Engine B16B jadi sumber tenaga mendorong mobil Honda Civic sanggup menyemburkan power 185 PS @8200 rpm, torsi 181.4 Nm @7500 rpm. Profil camshaft yang agresif dan besarnya ukuran in/ex valve area yang disediakan, menjadikan engine senang di genjot naik ke putaran tinggi

Besarnya diameter karburator atau throttle body, velocity stacks, diameter dan panjang intake manifold runner juga diameter dan panjang header maupun bentuk canister knalpot menyumbang faktor VE. Engine pada prinsipnya bekerja satu paket dimana part dan komponen lainnya saling mendukung.

semoga berguna..