Cara kerja mesin empat langkah

Apa yang ditunjukkan model ini

Mesin mobil pada 3000 rpm menyalakan tiap silinder 25 kali per detik, terlalu cepat untuk diikuti mata. Model ini memperlambat mesin sampai Anda bisa mengikuti tiap langkah, lalu membiarkan Anda mengubahnya: silinder lebih banyak, diesel sebagai ganti bensin, timing katup yang lain, katup gas yang lebih tertutup.

Silinder 1 digambar lengkap dan dibelah dua tepat di tengah supaya bagian dalamnya terlihat. Permukaan merah adalah bidang potong blok, kepala silinder, dan bak oli. Semua yang bergerak ditampilkan utuh: piston dan ringnya, batang piston, poros engkol dengan bobot penyeimbangnya, dua katup dengan pegasnya, dua poros nok, sabuk timing, dan roda gila. Di sekelilingnya ada bagian-bagian yang membuat mesin tetap hidup: mantel air, paking kepala silinder, bantalan utama, pompa oli, katup gas, injektor, dan konverter katalitik. Totalnya ada 24 bagian bernama di daftar Bagian.

Ukurannya diambil dari satu silinder mesin empat silinder dua liter yang umum: diameter silinder 86 mm, langkah 86 mm, dan perbandingan kompresi 10 banding 1. Satu silinder menyapu 499,6 sentimeter kubik, dan empat silinder menjadi 1998 cc. Panel angka di sudut menunjukkan sudut poros engkol, langkah yang sedang dijalani silinder 1, volume gas di atas piston, dan tekanan silinder hasil hitungan model, dengan diagram tekanan-volume dan grafik torsi di bawahnya.

Mengapa satu siklus butuh dua putaran poros engkol

Mesin empat langkah memerlukan empat gerakan piston, berarti dua putaran penuh poros engkol, untuk menyelesaikan satu siklus. Menurut kebiasaan, siklus diukur dalam derajat poros engkol dari 0° sampai 720°, dimulai saat piston berada di titik tertinggi geraknya, yang disebut titik mati atas.

1. Isap (0° sampai 180°). Katup isap terbuka dan piston bergerak turun. Ruang di atasnya membesar, tekanan turun sedikit di bawah tekanan udara luar, dan campuran udara dan bahan bakar mengalir masuk lewat saluran isap. Dalam model, ini aliran titik-titik biru.
2. Kompresi (180° sampai 360°). Kedua katup tertutup. Piston naik dan memampatkan campuran ke dalam sepersepuluh volume yang diisinya di bawah. Pemampatan memanaskan campuran dan menaikkan tekanannya, sehingga pembakaran berikutnya jauh lebih efektif. Titik-titik berubah ungu saat makin rapat.
3. Usaha (360° sampai 540°). Sesaat sebelum puncak, busi memercik. Muka api menyebar dari busi dalam beberapa perseribu detik, tekanan naik berlipat-lipat dan mendorong piston ke bawah. Hanya pada langkah ini gas melakukan kerja pada piston. Lihat setengah bola oranye membesar dari busi.
4. Buang (540° sampai 720°). Katup buang membuka menjelang dasar, sisa tekanan menyembur keluar, dan piston yang naik mendorong sisa gas pembakaran ke saluran buang. Titik-titik abu-abu keluar di kanan.

Lalu katup isap membuka lagi dan siklus berulang. Satu silinder memberi satu langkah usaha setiap dua putaran: pada 3000 rpm itu berarti 25 langkah usaha per detik, masing-masing hanya berlangsung 10 milidetik.

Apa fungsi tiap bagian

Piston dan ring. Piston adalah mangkuk aluminium ringan yang meluncur di lubang silinder dengan celah hanya beberapa perseratus milimeter. Tiga ring di alur dekat bagian atas bertugas merapatkan: dua ring atas menahan tekanan gas, dan ring paling bawah mengikis oli dari dinding silinder. Pena piston baja berdiameter 21 mm menghubungkannya ke batang piston.

Batang piston dan poros engkol. Batang piston menghubungkan pena piston ke pena engkol yang berjarak 43 mm dari sumbu poros engkol. Saat poros engkol berputar, pena engkol membentuk lingkaran dan piston bergerak 86 mm, dua kali jari-jari engkol. Lengan berat di seberang pena adalah bobot penyeimbang yang mengimbangi massa yang berputar. Poros engkol berputar di dalam bantalan utama: cangkang tipis berlapis logam lunak. Saat mesin hidup, jurnalnya mengambang di atas lapisan oli dan tidak pernah menyentuhnya.

Roda gila. Tiga dari setiap empat langkah mengambil energi, bukan memberi. Roda gila adalah cakram berat yang menyimpan energi selama langkah usaha dan mengembalikannya pada langkah lainnya, sehingga poros engkol terus berputar.

Katup, pegas, dan poros nok. Tiap katup adalah komponen baja berbentuk jamur yang ditahan tertutup oleh pegas. Sebuah nok pada poros nok mendorongnya terbuka melalui pengikut berbentuk mangkuk yang disebut tappet mangkuk. Bentuk nok menentukan kapan katup membuka, seberapa jauh, dan berapa lama. Dalam model ini tiap katup terangkat 9,2 mm, dan bentuk nok digambar dari kurva angkat yang sama yang menggerakkan katup.

Sabuk timing. Poros engkol memutar poros nok lewat sabuk bergigi. Gir poros engkol punya 21 gigi dan tiap puli poros nok 42 gigi, jadi poros nok berputar tepat sekali untuk setiap dua putaran poros engkol. Tiap katup membuka sekali per siklus, dan satu siklus butuh dua putaran poros engkol, jadi perbandingannya tidak mungkin lain.

Pendinginan dan pelumasan. Nyalakan "Pendingin dan oli". Cairan pendingin (biru) naik di mantel air di samping lubang silinder, melewati atas ruang bakar, dan membawa panas ke radiator. Paking kepala silinder, lembaran baja tipis berlapis, memisahkan gas, cairan pendingin, dan oli di tempat kepala silinder bertemu blok. Oli (kuning tua) diisap oleh pompa oli dari bak lewat saringan dan dikirim ke bantalan utama, lalu mengalir turun kembali.

Katup gas dan injektor. Pada mesin bensin, katup gas adalah katup kupu-kupu di saluran isap. Menutupnya menurunkan tekanan udara yang masuk, dan begitulah pengemudi meminta tenaga lebih kecil. Injektor saluran menyemprotkan bahan bakar ke punggung katup isap yang tertutup, dan Anda bisa melihat semprotan singkat tepat sebelum katup isap membuka.

Satu silinder atau delapan

Geser penggeser "Silinder". Silinder tambahan digambar transparan pada poros engkol yang sama, dan silinder itu benar-benar mengikuti lengan engkol dan urutan pengapiannya sendiri.

Satu silinder memberi satu dorongan setiap dua putaran, sehingga torsi pada poros engkol berayun keras: sangat positif pada langkah usaha, sedikit negatif saat piston memampatkan muatan berikutnya. Grafik torsi di panel angka memplot total torsi gas selama dua putaran, dengan garis putus-putus di nilai rata-rata. Angka di kanan atas adalah ayunan, yaitu selisih torsi tertinggi dan terendah dibagi rata-rata.

Ayunan dihitung dari kurva tekanan model dengan gaya gas saja. Kelembaman piston tidak dimasukkan, padahal itu sangat berpengaruh pada putaran tinggi dan menjadi alasan para insinyur memperhatikan keseimbangan selain selang pengapian. Mesin segaris empat, misalnya, menyala dengan selang rata tetapi tetap bergetar naik-turun dua kali tiap putaran, karena pistonnya tidak bergerak mengikuti gelombang sinus sempurna. Itulah sebabnya banyak mesin empat silinder yang lebih besar memakai poros penyeimbang.

Panel Kontrol punya diagram batang ayunan untuk tiap susunan. Ketuk sebuah batang untuk langsung pindah ke susunan itu.

Bensin atau diesel

Nyalakan "Diesel". Tiga hal berubah dalam model.

Pertama, kepala piston naik 4,5 mm, sehingga ruang di atas piston saat di puncak menyusut dari 55,5 cc menjadi 29,4 cc. Perbandingan kompresi berubah dari 10:1 menjadi 18:1. Kedua, tidak ada busi. Udara saja dimampatkan begitu kuat sampai mencapai beberapa ratus derajat, cukup panas untuk menyalakan solar begitu disemprotkan. Ketiga, injektor pindah ke tengah kepala silinder dan menyemprot langsung ke silinder sekitar 10° sebelum puncak. Bahan bakar terbakar sambil masuk, sehingga pembakaran dimulai lebih lembut daripada percikan pada bensin dan berlangsung lebih lama.

Mesin diesel tidak punya pelat katup gas dalam arti biasa. Mesin ini selalu mengisap satu silinder penuh udara dan mengatur tenaga dengan menyuntikkan bahan bakar lebih banyak atau lebih sedikit. Dalam model, penggeser katup gas mengubah jumlah bahan bakar pada mode diesel dan tekanan isap pada mode bensin. Perbedaan ini salah satu alasan diesel membuang lebih sedikit energi pada beban sebagian: mesin bensin yang berjalan santai harus mengisap muatannya lewat katup gas yang hampir tertutup, dan memompa udara lewat penyempitan itu memakan kerja.

Seberapa efisien mesin ini bisa?

Siklus ideal mesin bensin adalah siklus Otto: kompresi dan ekspansi tanpa kehilangan panas, dan semua panas ditambahkan sekaligus di puncak. Efisiensinya hanya bergantung pada perbandingan kompresi r dan rasio kapasitas panas gas γ:

η = 1 − 1 / r^(γ−1)

Dengan udara (γ = 1,4) dan r = 10, hasilnya 60,2 %. Pada 14:1, perbandingan mesin bensin SKYACTIV-G buatan Mazda di luar Amerika Serikat, angkanya naik menjadi 65,2 %. Siklus diesel ideal menambahkan panas sepanjang sebagian langkah, bukan sekaligus; dengan r = 18 dan rasio pancung 2, hasilnya 63,2 %. Kompresi yang lebih tinggi adalah keunggulan utama diesel. Mesin bensin tidak bisa jauh melampaui 10 sampai 14:1, karena campuran yang panas akan meledak sendiri sebelum percikan, yang disebut knocking.

Baris "Efisiensi ideal" di panel angka memakai rumus ini. Laboratorium di panel Kontrol juga menunjukkan efisiensi model: kerja dalam siklus tekanan model dibagi panas yang dilepaskan di dalamnya. Dengan pengaturan bawaan, angkanya sekitar 48 % untuk bensin dan sekitar 51 % untuk diesel, lalu turun ke 36 % untuk bensin pada seperempat bukaan katup gas sementara diesel tetap di dekat 50 %. Mesin sungguhan kehilangan lebih banyak: panas mengalir ke dinding, pembakaran tidak seketika, dan gesekan serta pompa oli dan air ikut mengambil bagian. Dalam pemakaian sehari-hari, Departemen Energi Amerika Serikat memperkirakan hanya sekitar 12 sampai 30 % energi dalam bahan bakar mobil konvensional yang akhirnya menggerakkan mobil di jalan, tergantung jenis perjalanannya.

Timing katup yang bisa digeser

Kalau katup membuka dan menutup tepat di titik mati atas dan bawah, mesin akan sulit bernapas pada putaran tinggi, karena gas punya massa dan butuh waktu untuk mulai bergerak dan berhenti. Mesin sungguhan membuka katup lebih awal dan menutupnya lebih lambat. Model ini dimulai dengan angka yang umum:

Menutup katup isap terlambat membiarkan kolom udara yang bergerak terus menerobos ke dalam silinder setelah piston mulai naik lagi. Membuka katup buang lebih awal membiarkan tekanan tinggi lepas sebelum piston harus mendorong melawannya. Di sekitar titik mati atas pada akhir langkah buang, kedua katup sedikit terbuka bersamaan selama 20°; overlap katup ini membuat gas buang yang keluar membantu menarik muatan segar.

Lingkaran di panel Kontrol adalah diagram timing katup. Titik mati atas ada di atas dan satu putaran lingkaran sama dengan satu putaran poros engkol. Busur biru adalah waktu katup isap terbuka dan busur abu-abu untuk katup buang. Geser salah satu busur mengelilingi lingkaran, atau pakai tombol di bawahnya. Inilah yang dilakukan pengubah fase nok pada mesin sungguhan: memutar poros nok beberapa derajat terhadap pulinya, sehingga katup membuka dan menutup lebih awal atau lebih lambat sementara lama bukanya tetap sama. Poros nok di model 3D ikut berputar sesuai pengaturan Anda.

Tiga angka berubah saat Anda menggeser. Overlap adalah baji berarsir di bagian atas. Perbandingan kompresi efektif adalah volume saat katup isap menutup dibagi volume terkecil, jadi menutup katup isap lebih lambat menurunkannya. Mesin yang dirancang untuk siklus Atkinson atau Miller sengaja melakukan ini, agar bisa memakai perbandingan ekspansi tinggi tanpa knocking. Efisiensi model mengikuti siklus tekanan: membuka katup buang lebih awal membuang tekanan yang sebenarnya masih bisa mendorong piston, sehingga efisiensi turun.

Katup gas, putaran, torsi, dan tenaga

Grafik kedua di laboratorium memplot torsi dan tenaga terhadap putaran mesin. Garis hitam adalah torsi pada bukaan katup gas yang Anda pilih dan garis oranye tenaganya. Garis putus abu-abu menunjukkan katup gas terbuka penuh. Garis titik-titik adalah beban mirip beban jalan yang naik seiring kecepatan, dan titik merah berada di tempat torsi mesin bertemu beban. Itulah putaran tempat mesin akan menetap. Tutup katup gas dan titiknya meluncur ke putaran yang lebih rendah, begitulah pengemudi mengendalikan mobil.

Torsi berasal dari kerja siklus model: satu silinder yang melakukan 625 joule kerja gas per siklus memberi 625 / 4π ≈ 50 newton meter rata-rata selama dua putaran. Pernapasan mesin berubah menurut putaran (paling baik di sekitar putaran menengah yang bergeser mengikuti timing katup) dan gesekan naik seiring putaran, sehingga torsi memuncak di tengah dan tenaga terus naik sampai mendekati batas atas. Tenaga adalah torsi kali kecepatan sudut: P = T × 2πN / 60. Semua kurva ini adalah nilai model untuk menunjukkan bentuk, bukan lembar hasil dinamometer.

Dua langkah, bukan empat

Nyalakan "Bandingkan dua langkah". Gambar silinder dua langkah pada poros engkol yang sama muncul di panggung. Silinder ini tidak punya katup. Piston sendiri membuka lubang buang dan lubang bilas di dinding silinder dekat dasar geraknya. Muatan segar, yang sudah sedikit dimampatkan di bak engkol di bawah piston, menyerbu masuk lewat lubang bilas dan mendorong gas sisa pembakaran keluar lewat lubang buang. Jadi setiap langkah turun adalah langkah usaha, dan mesin menyala sekali tiap putaran.

Garis oranye di grafik torsi adalah torsi mesin dua langkah. Mesin ini menyala dua kali lebih sering, tetapi dalam model tiap siklusnya menghasilkan kerja lebih kecil (sekitar setengah), karena lubang-lubangnya terbuka selama sebagian besar langkah dan sebagian muatan segar lolos langsung ke lubang buang. Bahan bakar yang hilang itulah sebabnya mesin dua langkah kecil ringan dan sederhana tetapi kotor, dan sebabnya sebagian besar kendaraan jalan raya beralih ke empat langkah. Mesin diesel dua langkah besar dan lambat di kapal mengatasi masalah ini dengan blower dan katup buang, dan termasuk mesin paling efisien yang pernah dibuat.

Mesin sungguhan

Katalog mesin menyetel susunan, bahan bakar, dan ukuran silinder model sesuai mesin sungguhan. Silinder digambar dengan ukuran yang tepat, kecuali yang terbesar, yang diperkecil dan diberi keterangan. Perbandingan kompresi dan tekanan tetap nilai model.

Tenaga hanya dicantumkan bila satu angka untuk versi yang disebut sudah dipastikan. Beberapa mesin ini dijual dengan lebih dari satu tingkat tenaga.

Angka-angkanya, dihitung

Membaca diagram tekanan-volume

Grafik kecil di panel angka memplot tekanan silinder terhadap volume selama poros engkol berputar. Sumbu tegaknya logaritmik agar tekanan isap yang rendah dan puncak pembakaran yang tinggi sama-sama muat di satu grafik. Luas yang dikelilingi lengkung sebanding dengan kerja yang dilakukan gas pada piston dalam satu siklus. Tutup katup gas dan lihat lengkungnya mengecil dan garis bawahnya turun di bawah tekanan atmosfer: lengkung kecil terbalik di bagian bawah adalah kerja pemompaan.

Tekanan di sini adalah model yang disederhanakan, bukan hasil pengukuran. Kompresi dan ekspansi mengikuti hubungan politropik pVⁿ = konstan dengan n = 1,32, dan pelepasan panas mengikuti kurva pembakaran berbentuk S yang mulus, mulai saat percikan dan berlangsung 55 derajat poros engkol, sehingga muncul puncak sekitar 51 bar pada 20° setelah titik mati atas dengan katup gas terbuka penuh.

Membersihkan gas buang

Membakar bensin di udara menyisakan tiga polutan utama: karbon monoksida, hidrokarbon yang tidak terbakar, dan nitrogen oksida. Konverter katalitik di pipa knalpot adalah sarang lebah keramik berlapis platina, paladium, dan rodium. Pada mobil bensin, ini katalis tiga arah: mengoksidasi karbon monoksida dan hidrokarbon menjadi karbon dioksida dan air, serta mereduksi nitrogen oksida menjadi nitrogen. Katalis ini hanya bisa melakukan ketiganya sekaligus bila mesin bekerja sangat dekat dengan campuran yang tepat secara kimia, itulah sebabnya mesin bensin punya sensor oksigen di saluran buang. Diesel bekerja dengan udara berlebih, jadi memakai katalis oksidasi, filter partikulat untuk jelaga, dan sistem terpisah untuk nitrogen oksida.

Dari mana mesin empat langkah berasal

Mesin pembakaran dalam yang mengisap campuran dan menyalakannya tanpa memampatkannya lebih dulu sudah dibuat pada tahun 1860-an, tetapi efisiensinya rendah. Pada tahun 1876 Nicolaus Otto di Jerman membuat mesin praktis pertama yang memampatkan muatannya sebelum dinyalakan, dengan siklus empat langkah yang ditampilkan di sini. Karena itu siklus bensin empat langkah ideal masih disebut siklus Otto. Pada tahun 1890-an Rudolf Diesel mengembangkan mesin yang menyalakan bahan bakarnya hanya dengan kompresi.

Dari kerja gas ke kilowatt: contoh hitungan

Model memberi setiap silinder sekitar 625 joule kerja gas per siklus pada beban penuh. Semua yang berikut berasal dari satu angka itu, dan langkah yang sama berlaku untuk mesin apa pun yang lembar datanya bisa Anda baca.

1. Kerja per siklus untuk empat silinder. 4 × 625 J = 2500 J.
2. Torsi rata-rata. Satu siklus adalah dua putaran, yaitu 4π radian, sehingga T = 2500 ÷ 4π ≈ 199 N·m. Ini rata-rata sepanjang siklus. Grafik torsi di panel naik turun di sekitarnya.
3. Daya pada 3000 rpm. P = 2πNT / 60 = 2π × 3000 × 199 / 60 ≈ 62,5 kW. Cara pintas memberi hasil yang sama: 2500 J per siklus × 25 siklus per detik = 62.500 W.
4. Tekanan efektif rata-rata. Bagi kerja per siklus dengan volume sapuan: 2500 J ÷ 1,998 liter = 1,25 megapascal, sekitar 12,5 bar. Ini tekanan tetap yang, bila bekerja pada piston sepanjang langkah usaha, menghasilkan kerja yang sama. Dengan ini mesin berukuran beda bisa dibandingkan, karena tidak bergantung pada kapasitas mesin.
5. Daya per liter. 62,5 kW ÷ 1,998 L ≈ 31 kW per liter.

Di sini model menjaga torsi tetap demi kesederhanaan. Pada mesin sungguhan torsi berubah menurut putaran, jadi daya pada 6000 rpm tidak persis dua kali lipat. Contoh ini menunjukkan rantai satuannya: joule per siklus menjadi newton-meter, dan newton-meter dikali radian per detik menjadi watt.

Katalog mesin memperlihatkan seberapa jauh daya per liter bisa berbeda. Dari daya nominal pada tabel di atas, diesel Toyota 1GD-FTV memberi 130 kW dari 2755 cc, sekitar 47 kW per liter. Volkswagen EA888 2.0 TSI memberi 162 kW dari 1984 cc, sekitar 82 kW per liter, dan Honda K20C1 menghasilkan 228 kW dari 1996 cc, sekitar 114 kW per liter. Itu nilai nominal pada satu putaran untuk satu versi, dan mesin turbo mencapainya dengan memaksa lebih banyak udara ke silinder yang sama, bukan dengan diameter lebih besar atau langkah lebih panjang.

Perbandingan kompresi, ketukan, dan bahan bakar

Rumus efisiensi η = 1 − 1/r^(γ−1) menghargai perbandingan kompresi yang lebih tinggi, tetapi hasilnya makin kecil. Dengan γ = 1,4:

Dari 8 ke 10 ada tambahan 3,7 poin persentase. Dari 12 ke 14 hanya 2,2. Kurvanya mendatar, sehingga setiap tambahan kompresi memberi lebih sedikit.

Mesin sungguhan juga jauh di bawah angka ini. Gas dalam mesin bukan udara dengan γ = 1,4: campuran yang terbakar punya rasio kapasitas kalor yang lebih kecil, dan dengan γ = 1,3 rumus yang sama hanya memberi 49,9 % pada 10:1. Nilai model pada pengaturan awal, sekitar 48 %, berada di rentang yang sama. Kehilangan panas ke dinding dan gesekan menurunkan angka nyata lebih jauh lagi, paling baik sekitar 30 sampai 40 % pada mesin produksi.

Yang menahan mesin bensin untuk sekadar menaikkan perbandingan adalah ketukan. Angka oktan mengukur kemampuan bahan bakar menahan ketukan, yaitu sebagian campuran terkompresi menyala sebelum api sampai ke sana. Perbandingan yang lebih tinggi membuat gas sisa lebih panas dan rapat, sehingga perlu bahan bakar yang tahan menyala sendiri. Karena itu buku manual menyebut oktan mana yang harus diisi: mesinnya dirancang untuk itu. Mesin yang lebih baru bisa memundurkan pengapian bila mendeteksi ketukan, yang melindungi mesin tetapi mengurangi tenaga dan menambah konsumsi. Diesel dalam model menghindari masalah ini dengan hanya memampatkan udara dan menyemprotkan bahan bakar sesudahnya.

Salah paham yang umum

«Mesin meledak di setiap langkah.» Hanya satu dari empat langkah yang memberi kerja pada piston. Pada mesin satu silinder, tiga langkah lainnya mengambil energi dari roda gila. Naikkan penggeser «Silinder» dan perhatikan urutan pengapian: pada delapan silinder, langkah usaha datang setiap 90°, sehingga tampak terus-menerus.

«Torsi dan daya itu sama.» Torsi adalah gaya puntir pada poros engkol. Daya adalah torsi dikali kecepatan putar. Mesin bisa punya torsi tertinggi pada putaran menengah dan daya tertinggi pada putaran yang jauh lebih tinggi, itulah yang ditunjukkan dua kurva di grafik putaran.

«Silinder lebih banyak selalu berarti daya lebih besar.» Daya bergantung pada udara yang bisa dibakar mesin per detik: kapasitas, putaran, dan seberapa banyak udara dijejalkan ke tiap silinder. Mesin tiga silinder turbo kecil dalam daftar bisa mengalahkan mesin lebih besar tanpa turbo. Silinder lebih banyak terutama membuat torsi lebih halus dan memungkinkan silinder lebih kecil, seperti terlihat di kolom ayunan.

«Menutup katup gas membuat kerja yang sama dengan bahan bakar lebih sedikit.» Udara yang masuk ke silinder berkurang, dan bahan bakar disesuaikan. Harganya adalah kerja pemompaan: piston harus menyedot udara melewati katup yang hampir tertutup. Lingkaran kecil terbalik pada grafik tekanan-volume adalah kerugian itu.

«Oktan lebih tinggi berarti tenaga lebih besar.» Angka oktan menyatakan ketahanan terhadap ketukan, bukan energi yang dikandung bahan bakar. Mesin yang tidak mengetuk dengan tingkat lebih rendah tidak mendapat apa-apa dari yang lebih tinggi, dan yang berlaku adalah rekomendasi pabrikan.

Coba di layar

• Periksa contoh hitungan. Pilih empat silinder dan bensin pada beban penuh. Garis putus-putus pada grafik torsi adalah torsi rata-rata, dan grafik putaran di laboratorium menggambar daya yang sesuai. Bandingkan bentuknya dengan langkah di atas.
• Bandingkan lingkarannya. Nyalakan dan matikan «Diesel» lalu bandingkan lingkaran tekanan-volume, perbandingan kompresi, dan baris «Efisiensi ideal». Perbandingannya berubah dari 10:1 menjadi 18:1.
• Amati kompresi efektif. Pada lingkaran waktu katup, seret busur masuk lebih lambat dan baca «Kompresi efektif» serta efisiensi model saat berubah.
• Lihat kerugian pemompaan. Turunkan katup gas pada bensin dan lihat lingkaran terbalik kecil di dasar grafik tekanan-volume serta efisiensi model, yang turun ke sekitar 36 % pada seperempat katup gas.
• Bandingkan mesin berukuran beda. Pilih dua entri dari katalog mesin, misalnya Honda GX160 dan GM LS3, lalu bandingkan gambar silinder dan cc per silinder pada catatan di bawah daftar.

Tiga puluh mesin, dari 1876 hingga kapal peti kemas

Katalog di tab Kontrol kini berisi tiga puluh mesin. Anda dapat mencari namanya atau menyaring mesin sebelum 1950, mobil, sepeda motor, mesin kecil, truk, balap, dan kapal, serta penyalaan percikan atau diesel. Pilihan mengatur susunan, bahan bakar, dan ukuran silinder, sehingga gambar membesar dari silinder pemotong rumput hingga kapal.

Dua mesin perlu catatan. Model menggambar V6 bersudut 60°, sedangkan mesin Formula 1 adalah V6 bersudut 90°: susunannya mendekati, tetapi tidak persis. Diameter silinder kapal 960 mm, lebih dari sebelas kali diameter model. Karena itu, panggung menggambarnya sebesar dua kali model dan memberi keterangan; angka tetap memakai ukuran sebenarnya. Dokumen Wärtsilä tidak mencetak efisiensi dalam persen. Nilainya dihitung dari konsumsi: 171 gram bahan bakar per kilowatt-jam dengan energi 42,7 MJ per kilogram memberi 3.600 ÷ (0,171 × 42.700) = 49,3 %. Mesin kapal ini dua langkah, sehingga memilihnya juga membuka perbandingan dua langkah.

Silinder besar tidak bisa berputar sama cepat. Batasnya adalah kecepatan gerak piston, sehingga model menjaga kecepatan piston rata-rata saat silinder diperbesar. Pada ukuran model, 7.000 rpm dengan langkah 86 mm menghasilkan 20,1 m/s. Memperbesar 15 kali, seperti kapal, hanya memungkinkan sekitar 300 rpm pada kecepatan piston yang sama. Mesin kapal asli berputar pada 102 rpm karena langkahnya 2,6 kali diameternya, menghasilkan kecepatan rata-rata 8,5 m/s sesuai tabel Wärtsilä.

Putaran sebenarnya, lalu gerak lambat

Tombol “Jalankan pada 3.000 rpm” menunjukkan hal yang biasanya disembunyikan model. Pada 3.000 rpm, engkol berputar 50 kali per detik, setiap silinder menyala 25 kali per detik, dan satu langkah berlangsung 10 perseribu detik. Pada layar 60 Hz, engkol berpindah 300 derajat antara dua bingkai: komponen tampak tersentak atau berputar terbalik. Itulah efek stroboskopik yang juga membuat roda film tampak berputar salah arah. Setelah tiga detik, model melambat selama 3,5 detik hingga 6 rpm. Setiap langkah mudah diikuti lagi dan pita menampilkan langkah silinder 1. Dengan Suara menyala, dentuman menyatu menjadi dengung pada putaran penuh lalu terpisah lagi saat melambat.

Kompresi, ketukan, dan katup masuk yang terlambat menutup

Penggeser kompresi mengubah perbandingan bensin dari 6:1 hingga 15:1. Perbandingan lebih tinggi meningkatkan efisiensi model (47,6 % pada 10:1), karena gas mengembang lebih jauh setelah terbakar. Namun campuran yang belum terbakar juga dimampatkan lebih kuat. Jika ujung muatan cukup panas dan rapat, ia menyala sendiri sebelum api busi mencapainya dan kedua gelombang tekanan bertumbukan. Itulah ketukan: bunyi logam, tekanan puncak tinggi, dan piston rusak pada mesin asli.

Ketukan bergantung pada bahan bakar, suhu, bentuk ruang bakar, dan waktu penyalaan. Model memakai aturan sederhana yang dinyatakan di layar: ketukan terjadi bila tekanan akhir kompresi melewati 20,5 bar. Pada waktu katup awal, batas itu dekat 11:1 (20,2 bar, tanpa ketukan); 12:1 mencapai 22,7 bar dan mengetuk.

Ada jalan keluar. Bila katup masuk menutup lebih lambat, sebagian muatan terdorong kembali ke saluran masuk sebelum katup menutup. Kompresi sebenarnya lebih kecil daripada yang disiratkan perbandingan geometris. Dengan saluran masuk 40° lebih lambat, 13,5:1 berakhir pada 17,9 bar, di bawah batas, dan efisiensi model naik ke 50,9 %. Ekspansi tetap memakai seluruh 13,5:1. Inilah gagasan siklus Atkinson dan Miller: kompresi pendek dan ekspansi panjang. Toyota 2ZR-FXE pada Prius memakainya; Mazda dan Toyota menyebut perbandingan 13 dan 14 banding 1 pada mesin bensin barunya.

Turbo dan kembalinya ketukan

Pengisi turbo muncul di samping pipa buang saat dipasang. Gas buang memutar turbin; kompresor pada poros yang sama mendorong udara ke saluran masuk. Lebih banyak udara memungkinkan lebih banyak bahan bakar dibakar, sehingga kapasitas yang sama memberi daya lebih besar. Departemen Energi Amerika Serikat menjelaskan turbo sebagai kompresor yang memasukkan udara tambahan ke silinder sehingga lebih banyak bahan bakar dapat disemprotkan, dan menyebut penghematan hingga 8 % bila turbo dipadukan dengan mesin lebih kecil.

Penggeser tekanan tambahan menaikkan tekanan di atas udara luar. Pada model satu silinder, 0,9 bar menaikkan daya puncak dari 19,1 kW ke 29,4 kW. Harganya adalah ketukan: tekanan akhir kompresi naik bersama tekanan tambahan, sehingga 0,6 bar pada 10:1 sudah mencapai 29,1 bar. Mesin bensin turbo asli memakai perbandingan lebih rendah, penutupan masuk lebih lambat, pendinginan udara masuk, dan injeksi langsung. Pada model, 0,9 bar bebas ketukan pada 8:1 dengan penutupan masuk 40° lebih lambat (18,1 bar). Diesel tidak memiliki batas itu karena bahan bakarnya baru disemprotkan saat harus terbakar.

Tantangan di panggung

Daftar Tantangan di tab Kontrol, juga dapat dibuka lewat lencana panggung, memeriksa pekerjaan langsung pada model. Ada sebelas: menaikkan daya puncak sedikitnya 5 % dengan waktu nok (pengaturan terbaik yang diperiksa, masuk 15° lebih awal dan buang 30° lebih lambat, memberi 10,7 %), mencapai 13:1 tanpa ketukan, menyebut urutan penyalaan V8, melihat diesel unggul pada beban sebagian (50,7 % melawan 43,6 % pada setengah gas), mencari susunan terhalus, menjalankan putaran sebenarnya, membandingkan dua dan empat langkah, mencari mesin paling efisien dan tertua dalam katalog, mencapai 0,8 bar tanpa ketukan, dan membuka semua tampilan dekat. Tanda selesai tetap ada saat kembali.

“Saat ini” dan “rata-rata” pada pembacaan

Pembacaan mencampur dua jenis angka, masing-masing diberi label. Torsi gas “saat ini” adalah gaya putar gas pada engkol di sudut itu. Nilainya berubah dari negatif saat kompresi menjadi ratusan newton-meter sesaat setelah percikan: mengalikannya dengan putaran mesin tidak menghasilkan daya yang masuk akal. Torsi, putaran, dan daya berlabel “rata-rata” saling cocok: rata-rata satu siklus penuh setelah gesekan dan pertukaran gas, pada putaran keseimbangan dengan beban. Kalikan torsi itu dengan kecepatan dalam radian per detik untuk mendapat daya di baris yang sama.

Tampilan dekat

Tombol mendekati satu komponen dan menahan engkol pada saat penting: pena engkol pada 90°, nok masuk pada angkatan penuh, kedua katup terbuka di sekitar titik mati atas, piston pada langkah kompresi, percikan tepat sebelum puncak, injektor diesel pada awal penyemprotan, dan turbo. “Bongkar” memisahkan komponen cor dari komponen bergerak agar piston, batang penghubung, dan engkol terlihat bekerja sendiri.