Mesin 5-Langkah

Berbagai perusahaan rekayasa mesin berusaha membuat sumber penggerak dengan efisien kerja makin tinggi. Targetnya, irit konsumsi bahan bakar dan ramah lingkungan.

Berbagai cara pun dilakukan. Paling populer dan sudah bisa dimanfaatkan saat ini adalah membuat mobil hibrida: mengawinkan motor bakar dengan motor listrik.

Mesin 5-langkah, 3 silinder Ilmor yang mampu menghasilkan tenaga 130 PS.

Kendati demikian, terutama untuk motor bakar, perusahaan rekayasa terus mengembangkan mesin yang makin efisien. Salah satu yang banyak dibicarakan para ahli teknik dan dipublikasi media otomotif adalah mesin bensin 5-langkah yang dikembangkan oleh Ilmor, Inggris.

Juga dijelaskan, mesin ini dikembangkan dari konsep lima langkah yang ditemukan oleh Gerhard Schmitz.

Reputasi Ilmor memang tidak diragukan lagi. Perusahaan yang sebagian sahamnya dimiliki Mercedes-Benz dan diandalkan sebagai pemasok mesin tim F1 McLaren-Mercedes juga tak henti-hentinya memublikasikan mesin 5-langkah hasil pengembangannya.

Bahkan, mesin ini juga diikutkan pada berbagai pameran agar publik memahami cara kerjanya. Maklum, selama ini mesin yang digunakan secara umum adalah 4 dan 2 langkah.

Prototipe mesin Ilmor 5-langkah yang dipamerkan ke publik.

Kinerja
Setelah mendapatkan perhatian dari media otomotif sejak Mei lalu, minggu pertama Agustus, Ilmor kembali merilis hasil terbaru dari pengembangan mesin 5-langkah tersebut. Dikatakan, kinerja mesin 3 silinder, 700 cc plus turbocharger, kemampuannya luar biasa: tenaga 130 PS dan torsi 165 Nm.

Tanpa memberikan detail, pada putaran berapa tenaga dan torsi tersebut diperoleh, Ilmor malah mengatakan, bila dikembangkan lebih lanjut, terutama bagian katup dan komponen pendukung lainnya, tenaga yang dihasilkan bisa mencapai 150 PS. Hebat!

Cara kerja
Konstruksi mesin sama dengan mesin 4-langkah konvensional. Ada katup dan penggerak katup (poros kem) di kepala silinder, double overhead camshaft (DOHC).

Konfigurasi 3-slinder merupakan bagian langsung dari siklus kerja 5 langkah mesin ini. Silinder tengah, diameternya lebih besar dibandingkan dengan dua lainnya yang berada di sampingnya. Proses kerjanya juga berbeda. Silinder tengah dan pinggir saling berhubungan dengan saluran buang dan isapnya.

Mesin 5-langkah Ilmor dilihat dari sisi lain.

Dua silinder pinggir berdiameter sama, melakukan proses kerja 4-langkah konvensional. Adapun silinder tengah bekerja dengan siklus 2-langkah. Silinder pinggir bertekanan tekanan tinggi (high pressure). Sebaliknya, silinder tengah bertekanan rendah (low pressure).

Silinder pinggir secara bergantian menyalurkan gas buangnya ke silinder tengah atau tekanan rendah. Di silinder tengah, gas buang tersebut dibakar lagi dengan siklus kerja dua langkah.

Dengan konfigurasi tersebut, cara menggerakkan katup silinder tekanan tinggi dan rendah berbeda.

Nokken as atau poros kem silinder tengah memiliki putaran yang sama dengan poros engkol (crankshaft). Adapun pada silinder tekanan tinggi, nokken as berputar setengah poros engkol.

Cukup menarik, pada silinder tekanan rendah, perbandingan kompresi dan ekspansi bisa berubah. Dengan cara ini, bisa dipilih perbandingan optimum.

Seefisien diesel
Konsep 5-langkah bekerja dengan perbandingan kompresi tinggi seperti mesin diesel. Karena itu, efisiensi kerjanya sama dengan mesin diesel mutakhir, common rail. Keunggulannya, emisi NOx lebih rendah.

Sebenarnya bila diteliti, konsep dasarnya mirip dengan siklus Atkinson yang digunakan Toyota pada Prius. Dalam hal ini, Toyota lebih unggul dari proses pembuatan mesin karena tetap memanfaatkan teknologi konvensional dan VVT-i.

Kehebatan mesin Ilmor, kendati kapasitasnya 700 cc, kemampuan menghasilkan tenaga sama dengan mesin 1,8 liter 4-langkah. Konsumsi bahan bakar minimum, brake specific fuel consumption (BSFC) lebih baik dari 215 g/kWh. Mesin ini menggunakan injeksi langsung, plus turbocharger.

Selain efisien, ukuran mesin 5-langkah Ilmor juga ringkas.

Ilmor berharap, mesin ini digunakan pada mobil hibrida, baik yang bekerja secara seri, paralel, atau kombinasi. Sekarang, mesin tersebut akan diujicobakan langsung pada mobil. Ilmor pun gencar mencari mitra OEM sebagai pemasok mesin.

Di lain hal, pengamat teknologi mesin menilai, konstruksi mesin 5-langkah Ilmor ini cukup sederhana. Pasalnya, jumlah silinder dan katup lebih sedikit. Silinder tengah, dengan ekspansi lebih besar, kerugian gesek internalnya lebih rendah. Begitu juga kerugian panasnya. Tinggi efisiensi, jadi lebih baik kerjanya.

sumber : http://otomotif.kompas.com/read/xml/2009/08/21/13242048/mesin.5-langkah.700.cc.130.ps

Continous Variable Valve Lift (CVVL)

The earliest variable valve lift systems like Honda VTEC vary valve lift by switching between slow and fast cams at a threshold point. Such discrete mechanism not only creates a step in the power curve (which is perceived as “unrefined”) but its breathing is also a compromise. An ideal variable valve lift (VVL) system should be capable of varying valve lift continuously according to rev, i.e., the higher the rpm, the higher lift is required. Compare with a fixed valve lift compromised for mid-range rev, VVL enhances power at high rev by supplying the engine more air to breath. At low rpm, its reduced valve lift speeds up the air flow, improving air / fuel mixture thus translate to better fuel economy and cleaner emission. Moreover, car makers can make use of CVVL to regulate engine output, thus eliminate the need of throttle butterfly and reduced so called “pumping loss” (See more info in our Green Technology section).

Example: BMW Valvetronic

Debuted in BMW 316ti Compact in 2001, Valvetronic was the first continuous variable valve lift mechanism made into production. Instead of enhancing power, the goal of Valvetronic was to reduce fuel consumption. According to the position of throttle pedal, it regulates engine output by varying the depth of valve lift. This mean conventional throttle butterfly can be disabled thus reduces pumping loss. Overall, BMW achieved 10% reduction in fuel consumption with Valvetronic.

Compare with a conventional engine, Valvetronic adds an electric motor, an eccentric shaft and at each intake valve an intermediate rocker arm. The intake camshaft acts on the intermediate rocker arms through roller bearings. When the driver calls for more power, the electric motor turns the eccentric shaft, which pushes the intermediate rocker arms and in turn pushes the valve to open deeper. You can understand its theory easily by reading the illustrations below.

Although Valvetronic is effective to reduce fuel consumption at part-load, it does not benefit top end power at all, because its additional components result in additional friction and inertia, thus limit the engine’s revvability. This is why BMW has never applied Valvetronic to its high-performance M-power engines. Another disadvantage is its size, which occupies a lot of space above the cylinder head.

Advantage:	Reduce fuel consumption
Disadvantage:	Large size, additional friction and inertia thus not suitable to high-revving engines
Who use it ?	BMW inline-4, inline-6, V8 and V12

---

Example: Nissan VVEL

Nissan introduced its Variable Valve Event and Lift (VVEL) in 2007 as the world's second CVVL system. The first application was on the VQ37VHR V6 engine of Skyline Coupe (Infiniti G37). Compare with Valvetronic, Nissan's system is more compact, involve less parts and less energy loss, therefore it is suitable to high-performance engines.

Though saying VVEL employs less parts, it is still a complicated design and not easy to understand. The above diagrams show its internal construction, which doesn't look like conventional valve gears at all. The VVEL does not use conventional intake camshaft. Each valve is actuated by a cam which is pivoted on - but not fixed to - the camshaft. While conventional cams rotate about the camshaft, the cam in VVEL swings up and down reciprocatingly, this is why it does not need a symmetric profile. Its movement is driven by the camshaft via a series of components, i.e. eccentric cam (which is fixed at the camshaft), link A, rocker arm and link B. Isn't it very complicated ? The following animation will help you understand how it operate:

Low Lift	High Lift

How does VVEL vary valve lift ? This is implemented by the eccentric control shaft inside the rocker arm. By rotating the eccentric control shaft, the position of rocker arm is shifted, changing the geometry of Link A and B, then the swing angle of cam. The swing angle of cam determines the degree of valve lift, as you can see from the above diagrams.

Nissan said VVEL saves 10% fuel at light load due to the reduced role of throttle butterfly (it does not eliminate throttle completely), but it did not specify how much gain in horsepower. The VQ37VHR produces 8 percent more horsepower than its predecessor, the non-VVEL VQ35HR. Taking its increased displacement and compression ratio into account, VVEL seems to contribute little to top end power. This is because its benefit in breathing efficiency is largely cancelled out by the additional friction of VVEL components. However, the VQ37VHR engine can rev up to 7500 rpm, proving that VVEL does not compromise top end performance like BMW Valvetronic.

Advantage:	Enhanced power at high rev. Save fuel by eliminating throttle butterfly.
Disadvantage:	Mechanism still complicated, bulky and expensive.
Who use it ?	Nissan VQ37VHR V6

---

Example: Toyota Valvematic

Toyota joined the CVVL club in 2008 with its Valvematic technology. Compare with BMW Valvetronic and Nissan VVEL, Valvematic seems better in many aspects: its construction is relatively simple; It is compact and does not increase the height of cylinder head; Most importantly, it adds little inertia and friction, thus does not compromise top end power. Toyota claims it improves 10% in power output while reduces 5-10% fuel consumption in regular driving.

Valvematic employs an intermediate shaft (blue part in top left picture) to achieve continuous variable valve lift. The intermediate shaft has an actuating member for each cylinder. Each actuating member is made of two finger followers laminating a roller bearing member (top right picture). The finger followers can rotate in relation to the roller member by means of internal gear threads and an electric motor attached to the end of the intermediate shaft. Note that the gear threads of roller member and finger followers are in opposite direction. This mean when the shaft swivels, the roller member and finger followers will move in opposite direction, moving either apart or closer together. In this way, the axle angle between them can be varied infinitely by the electric motor.

Now see the picture below. The intake valve is actuated by camshaft via intermediate shaft. More precisely speaking, the camshaft acts on the roller member of intermediate shaft, transferring the movement to both finger followers, then towards the roller rocker arms and eventually to the intake valves.

As you can see from the picture above, when the finger follower is set at narrow angle in relation to the roller member, it results in low valve lift. When the angle of finger follower is increased (picture below), the valve lift is also increased. In this way, Valvematic can vary valve lift by adjusting the angle of finger followers. In the first 2.0-liter Valvematic engine, lift can vary from 0.97mm to 11mm. The former saves the need of throttle butterfly thus reduce fuel consumption in part load. The high lift enables stronger top end power. Take the 2.0-liter Valvematic engine as example again, it produces a maximum 158 horsepower, up from 143 hp of the regular dual-VVT-i version.

Advantage:	Increased power, reduced fuel consumption, compact size.
Disadvantage:	-
Who use it ?	Toyota 1.6 / 1.8 / 2.0 Valvematic engines

sunber : http://www.autozine.org/technical_school/engine/vvt_5.html

MOBIL MASA KINI DITUNTUT MAKIN IRIT

DUAPULUH lima tahun silam, perkembangan otomotif tidak secepat saat ini. Segala sesuatunya waktu itu, seolah berjalan biasa tanpa adanya gejolak yang memaksa orang berupaya mengefisiensikan sumber daya alam.

SERING kita jumpai pada saat itu, mobil-mobil dengan tingkat konsumsi bahan bakarnya boros: satu liter hanya untuk tiga kilometer. Anehnya, orang tak ambil pusing dan menganggap kejadian seperti itu biasa saja, karena harga bensin waktu itu boleh dikatakan masih murah.

Mesin-mesin yang "doyan bensin" waktu itu, di antaranya adalah truk General Motor Company (GMC) dan Chevrolet buatan Amerika Serikat, begitu laku keras. Biar boros bensin, tak masalah! Ditambah lagi, kondisi jalan saat itu yang banyak belum beraspal, membutuhkan mesin kuat yang bisa memberi tenaga spontan seperti truk-truk di atas.

Namun keadaan seperti itu berbalik 180 derajat pada saat ini, setelah harga bahan bakar (BB) melonjak dan persediaan minyak bumi juga kian menipis. Teknologi mesin pun serta merta dipaksa untuk adu irit, seiring dengan itu masyarakat yang sudah terbiasa dimanja berbagai fasilitas pun terus menuntut agar mobil baru semakin hari semakin irit.

Ahli-ahli teknologi mesin pun menjawab: boleh-boleh saja mesin semakin irit, namun toh tetap harus bertenaga. Maka, dapat kita saksikan bagaimana industri mesin otomotif berpacu dengan teknologi baru, dan sekaligus mengalami perkembangan yang cukup mengesankan. Belum lagi ditambah faktor jalanan raya yang semakin hari semakin mulus.

Tuntutan akan mobil yang irit BB namun bertenaga besar pun semakin menjadi kenyataan. Truk-truk besar, yang tadinya menggunakan bensin, saat ini lebih banyak memakai bahan bakar solar yang lebih murah, namun lebih efisien dan menghasilkan tenaga besar.

Perubahan ini terjadi begitu cepat. Tidak jarang terjadi, dalam waktu relatif singkat, sudah bermunculan teknologi baru untuk meningkatkan kinerja mesin. Kalau dahulu banyak mesin dengan RPM rendah yang ditandai dengan conrod yang panjang (stang sekher), maka sekarang mobil menggunakan mesin dengan stang sekher yang pendek, yang memungkinkan mesin berputar pada RPM tinggi.

Hasilnya, tenaga mesin meningkat akan tetapi lebih irit BB. Mesin-mesin masa kini secara fisik tampaknya kecil, akan tetapi dalam kinerja ternyata menghasilkan tenaga yang begitu besar.

Sistem pemasukan

Kalau diteliti lebih lanjut, tampak bahwa upaya atau konsentrasi para ahli teknologi mesin tersebut diarahkan pada sistem pemasukan bahan bakar. Komponen di bagian ini direkayasa sedemikian rupa sehingga BB yang biasanya 25% energi panas untuk menggerakkan mesin, dapat ditingkatkan.

Umpamanya, mubasirnya 34% yang dibuang lewat knalpot, 32% diisap kembali oleh sistem pendinginan mesin, dan lainnya sebesar 9% dapat dikurangi. Jumlah lubang klep diperbanyak, memang diperlukan untuk mempercepat pemasukan BB dan udara. Mekanisme penggerap klep juga banyak mengalami rekayasa.

Kita menjadi terbiasa mendengar mesin dengan 16 klep (valve) untuk 4 silinder maupun 24 klep untuk 6 silinder. Kemudian diikuti dengan mesin yang menggunakan cam shaft (noker as) lebih dari satu, nama populernya DOHC (Double Overhead Cam shaft) atau twincam. Semakin hari, semakin banyak mesin yang menggunakan sistem ini.

Toyota, belum lama ini memperkenalkan mekanisme penggerak klep, khususnya pada cam shaft. Teknologi baru untuk mengatur buka dan tutupnya klep pemasukan bahan bakar, bisa dikategorikan sebagai suatu kemajuan teknologi mesin otomotif yang sangat berarti.

Teknologi penggerak klep - yang diberi nama Variable Timing-Intelligent (VVT-i) ini akan menambah tenaga mesin lebih besar, namun pemakaian BB tetap ekonomis. Mesin yang memiliki twin cam, yang terdiri dari satu cam untuk menggerakkan klep pemasukan bahan bakar, dan cam yang lain untuk pembuangan gas bekas pembakaran, bekerjanya tidak "beraturan". Berbeda dengan mesin-mesin DOHC yang konvensional.

Cam shaft yang menggerakkan klep pemasukan BB, direkayasa agar bisa bergerak variabel dibandingkan dengan gerakan cam shaft pembuangan gas bekas yang konstan. Cam shaft yang satu ini, saat menekan pembukaan klep, bekerjanya tergantung RPM mesin. Ia sebentar lebih cepat, sebentar bisa lebih lambat antara 30 derajat sampai 60 derajat, disesuaikan dengan tingkat RPM dan beban mesin.

Dengan cara ini, mesin pada RPM tinggi, klep pemasukan bahan bakar akan membuka lebih dini atau lebih cepat sehingga jumlah BB mendapat kesempatan lebih banyak masuk ke ruang bakar/silinder. Sebaliknya pada saat RPM rendah, klep masukannya membukanya diperlambat sehingga jumlah BB yang masuk tidak banyak. Dengan cara ini mesin mobil menjadi sangat efisien dan ekonomis.

Perkembangan mesin pada saat ini mengharuskan, mesin yang ekonomis dalam penggunaan BB tetapi tenaga mesin tetap besar. Sering kali, sepertinya mustahil hal itu dilakukan, walau pada kenyataannya berhasil menjadi kenyataan.

Corolla DX, misalnya, dengan mesin 1300 cc dan dibebani pendingin (AC), penggunaan BB lebih boros bila dibandingkan dengan Great Corolla "cucu"nya, yang menggunakan mesin dengan isi silinder 1600 cc yang diberi beban AC, serta power steering.

Sudah lebih irit dengan mesin yang lebih besar, 1600 cc, Great Corolla lebih bertenaga pula bila dibandingkan dengan DX. Desain pun lebih maju, walau mobil tampak kecil tetapi ruangan di dalamnya terasa longgar.

Di samping kedua hal di atas, mesin modern saat ini juga dituntut memenuhi persyaratan ramah lingkungan, tak merusak lingkungan. Artinya, gas buang sisa pembakaran mesin tidak mengandung CO dan NOx yang tinggi.

Dengan mengurangi inefisiensi panas yang dibuang lewat knalpot dari hasil pembakaran mesin, maka gas-gas beracun yang dibuang ke alam bebas juga menjadi lebih kecil persentase volumenya. Mobil yang dilengkapi dengan VVT-i ini, pembakarannya bisa optimal.

Selain menghemat pemakaian bensin, mesin ini juga ramah lingkungan karena CO gas buangnya bisa mencapai 0,20% volume. Oli mesin juga terhindar dari kontaminasi akibat sisa bahan bakar yang mengalir ke karter. Oli mesin bisa digunakan sampai 10.000 km, karena BB nyaris terbakar habis, tidak menyisakan sisa oksidasi kimiawi yang masuk ke karter oli.

Kilas balik

Mula-mula di tahun 1991, Toyota memperkenalkan mekanisme VVT pada mesin sport tipe 4A-GE untuk menambah momen dan tenaga. Pada mekanisme mesin yang menggunakan VVT, memungkinkan katup intake membuka dan menutup dalam dua langkah, sesuai dengan RPM/ putaran mesin.

Artinya, pada saat RPM rendah atau beban mobil kecil, maka salah satu katup pemasukan BB akan tertutup secara hidrolik. Gerakan pada VVT hanya sampai dengan membuka dan menutup tidak variabel.

Sedangkan mekanisme VVT-i dapat dikatakan sebagai penyempurnaan dari mekanisme VVT, di mana klep pemasukan BB bukan hanya bisa bergerak membuka dan menutup, akan tetapi juga membuka dan menutupnya klep tersebut dapat dipercepat atau diperlambat.

Dengan cara ini, akurasi pemasukan BB sehubungan dengan putaran mesin serta beban pada mesin bisa terlaksana dengan sangat tepat. Dengan berubah-ubahnya saat membuka dan menutupnya katup intake, sesuai dengan kondisi (RPM mesin), maka VVT-i memberikan keuntungan momen dan tenaga yang besar serta ekonomis BB, dan menurunkan kadar Nitrogen

Oksida (NOx) dan hidrokarbon.

Bentuk yang simpel dari VVT-i menjadikan mesin tangguh luar biasa, serta mudah untuk disesuaikan dengan desain mesin yang sudah ada. Suatu saat, desain ini bisa digunakan pada mesin apa saja. Toyota merencanakan VVT-i bisa pertama digunakan untuk mesin model baru yang akan diperkenalkan dalam tahun-tahun mendatang ini. Dari hasil tes, diperoleh data, ekonomis bahan bakar 6% dan menaikkan momen 10% pada putaran rendah dan sedang.

Rancang bangun

VVT-i terdiri dari tiga komponen utama. (1) Electronic Control Unit (ECU), yaitu sebuah perangkat komputer mini yang menentukan posisi optimum membuka atau menutupnya katup intake sesuai dengan kondisi (RPM mesin). Selain itu, ECU yang bekerja berdasarkan sensor-sensor tersebut mengatur jumlah BB yang diperlukan dan mengatur saat pengapian busi yang akurat.

(2) Oil Control Valve (Oct) bertugas mengontrol tekanan oli berdasarkan instruksi dari ECU. Sejumlah oli akan disalurkan ke pully yang di dalamnya terdiri dari beberapa roda gigi. Oli tersebut diperlukan untuk mempercepat atau melambatkan cam shaft.

(3) VVT-i Pulley bertugas mengatur (cepat atau lambat) membuka dan menutupnya katup intake berdasarkan tekanan oli.

Untuk memasangkan teknologi VVT-i tidak diperlukan pompa oli tambahan,

sebab tekanan oli dari pompa oli dari mesinnya sendiri sudah cukup. Pada saat pully VVT bekerja, piston dengan spline helical yang ada pada pully akan ditekan oleh oli, kemudian menggerakkan poros cam shaft sesuai dengan kondisi (RPM mesin).

Dengan cara ini, pengajuan klep sekitar 30-60 derajat crankshaft. Atau dengan kata lain, pada RPM rendah sampai medium, perubahannya sebesar 30 derajat. Sedangkan pada RPM tinggi bisa berubah sampai 60 derajat. Produk ini sangat respon, dan perubahan sudutnya sangat lembut, sehingga gerakan mobil mulus, tidak tersendat-sendat.

Pada mesin-mesin yang tidak dilengkapi dengan VVT-i, pada RPM tinggi akan terjadi klep overlap (saat katup intake dan exhaust membuka bisa secara bersama-sama). Dengan menggunakan VVT-i saat pembukaan katup bisa terkontrol terus, sesuai dengan putaran/beban mesin. Karena putaran cam shaft bisa diatur, diundurkan (diperlambat).

Pada mesin konvensional, saat pedal gas ditekan penuh, masuknya partikel BB dan udara tidak bisa penuh. Hal ini tentunya akan mengurangi suplai BB serta udara ke ruang bakar yang berakibat tenaga mesin berkurang.

Perbedaannya dengan mesin yang dilengkapi VVT, pada saat overlap atau pengajuan pembukaan katup intake sebagian gas buang akan kembali ke ruang bakar. Dan ini tentunya mengurangi kinerja mesin. Pada saat putaran idling, pembakaran akan stabil karena tidak terjadi overlap yang besar. Selama beban berat, kondisi seperti ini membutuhkan momen dan tenaga yang besar sehingga katup intake harus memberi masukan yang optimum (terus-menerus dan mencukupi) sesuai RP mesin.

Mesin yang dilengkapi VVT-i baik kecepatan rendah maupun medium semua terkontrol, pada RPM rendah dan sedang terbukanya katup intake juga semakin maju, tetapi belum full. Dan pada putaran tinggi, terbukanya katup intake semakin maju lagi. Dan hal ini akan menambah tenaga mesin. * (Martin Teiseran, ahli mekanik)

Foto

Ist

1. LUGAS - Penampilan fisik mesin yang menggunakan teknologi VVT-i,selain lugas, sederhana, juga tidak semrawut. Tidak tampak karburator, karena mesin tersebut menggunakan sistem injeksi bahan bakar, dankabel-kabel busi juga tertata tersembunyi.

2. VV-i - Mesin dengan teknologi VVT-i, dalam keadaan sudah dipasangkanpada mobil Toyota tipe Crown Royal Series.

sumber : http://www.bengkelgratis.com/component/option,com_myblog/show,MOBIL-MASA-KINI-DITUNTUT-MAKIN-IRIT-.html/Itemid,27/