Efisiensi Volumetrik mesin dan performa di jalan raya.

Posted on Updated on

 

kawasaki-ninja300-2013-f

Ninja 300

Bagi Bro pembaca yang hobi utak-atik atau modifikasi engine mungkin paling menyenangkan apa bila engine mobil atau motor kita performanya menjadi bertambah. Power dan torsi meningkat dari sebelumnya atau lebih besar dari kemampuan keadaan standard. Akselerasi akan cepat dan mencapai top speed lebih tinggi lagi.
Seperti apa kira-kira parameter dan komponen engine yang perlu diperhatikan supaya performa bisa lebih istimewa?
Engine displacement (cc & cu in), bore x stroke, ukuran klep, ukuran karburator (cfm), durasi dan lift camshaft,  merupakan beberapa parameter engine yang menentukan performa. Parameter lain yang lebih detail seperti, cylinder head airflow (cfm), con-rod to stroke ratio, bore to stroke ratio, diameter dan panjang intake manifold, valve angle dll.
Parameter seperti con-rod to stroke ratio, bore to stroke ratio pada engine yang kita miliki mungkin tidak berubah, tetap pada dimensi ukuran awalnya. Artinya kita ngak bisa merubah bore to stroke ratio tanpa merubah panjang stroke crankshaft dan panjang con-rod.
Cylinder head sangat penting menciptakan airflow maksimum. Bagian cylinder head paling kritis ialah pada saat transisi dari port intake melewati belokan menuju klep dan valve seat kemudian masuk ke silinder. Dengan memiliki bentuk saluran intake/exhaust minimum hambatan akan efektif menyalurkan udara dan bbm secara cepat. Dengan itu cylinder head mempengaruhi efisiensi volumetrik (VE)
Plenum dan runner intake manifold adalah bagian integral dengan sistim induksi engine. Dimana peranannya harus tepat dengan karakteristik air flow yang dibutuhkan oleh camshaft dan cylinder head. Intake manifold memnuhi kebutuhan engine akan membantu mencapai torsi dan power maksimum pada rpm yang di inginkan dibandingkan intake manifold yang tidak tepat ukuran diameter maupun panjangnya.
Intake manifold dirancang untuk rpm tinggi akan kurang efektif pada putaran rendah. Untuk engine balap diperlukan runner yang pendek. Sebaliknya untuk jalan raya membutuhkan torsi pada putaran rendah dan tengah akan lebih tepat dengan runner lebih panjang.

skunk-intake

Intake manifold plenum & runners menentukan powerband mesin

Panjang runner dan plenum intake manifold diperhitungkan berdasarkan durasi camshaft di rpm yang di inginkan. Tujuannya supaya gerak resonansi udara dan bbm yang seperti pegas didalam plenum dan runner bisa tepat mencapai klep intake setiap kali klep intake membuka. Ketika klep intake menutup pada akhir langkah isi (intake stroke) udara / bbm yang masuk ke silinder membentur klep intake mengakibatkan berbalik arah dalam kecepatan tinggi kembali ke plenum. Di dalam plenum udara/bbm bergerak seperti pegas atau ber resonansi dan membangun tekanan (pressure). Plenum bertindak sebagai ruang resonansi. Ketika klep intake membuka maka udara/bbm tersebut masuk ke silinder sangat cepat. VE makin meningkat dengan bertambahnya tekanan di dalam silinder. Tapi hal itu hanya efektif tepat pada saat rpm maksimum yang telah di rencanakan oleh engineer misalnya 10000 rpm. Di atas 10000 rpm atau dibawah nya kecepatan atau velocity airflow tidak mencapai maksimum.
Di dalam intake manifold terjadi tekanan akibat efek resonansi. Prinsip kerja intake manifold dipengaruhi oleh hukum resonansi Helmholtz. Intake manifold memberi efek terhadap naik atau turunnya Kurva VE dan Kurva torsi.

Hemlholzt Resonance

Plenum resonator

 

Kita batasi saja kendaraan yang digunakan untuk di jalan raya bukan untuk kompetisi di sirkuit. Dengan itu mobil atau motor kita akan masih tetap layak atau nyaman digunakan di jalan (streetable engine). Engine yang sudah spek balap pastinya tidak akan cocok dikendarai di jalanan begitu ramai lalu-lintas banyak stop n go. Power delivery ekstrim dan torsi maksimum maupun powerband bergeser ke putaran lebih tinggi. Sebaliknya tendangan torsi di putaran rendah dan tengah menjadi lemah kurang daya dorong.

Honda k20-2200cc-280-whpw

Honda K20 2200cc all motor race engine 280 wheel Horsepower (KMOD Performance)

Seperti mesin Honda K20 stroke up 2200cc dengan kompresi statik piston mencapai 15.5 : 1, camshaft high profile durasi dan valve lift tinggi dan banyak overlap. Revving mencapai 10000 rpm pastinya mobil tidak akan nyaman dipakai pergi macet-macetan ke mall. Engine balap seperti ini sangat happy digeber sampai putaran ekstrim dan itu memang habitatnya. Sebaliknya engine akan batuk-batuk kalau jalan memakai rpm yang rendah.
Motor Ninja 250 2013 dengan power 32 hp di crankshaft putaran 11000 rpm, torsi maks 21 Nm di 10000rpm, dengan BSFC value 0.45 secara teori memiliki efisiensi volumetrik (VE) sebesar 81%, muncul di putaran maksimum 11000 rpm.
Untuk mengetahui berapakah VE sebenarnya kendaraan yg kita miliki perlu mendapat data volume airflow, temperatur udara dan kepadatan udara (air density) di dalam intake yang dibaca oleh mass air flow sensor (MAS) terletak di airbox atau throttle body. Cara lain ialah dengan hitungan teoritikal diatas dengan rumus. Meskipun ngak tepat hanya untuk estimasi aja
Power dan torsi di putaran itu sebenarnya Ninja 250 sudah hampir pada batas kenyamanan motor untuk pemakaian jalan raya (streetable). Bila menggeser torsi ke putaran makin ke atas melalui penggantian camshaft akan memberi efek daya dorong di putaran bawah dan tengah jadi lemah. Rider harus slip kopling dan revving kalau ingin akselerasi cepat dari posisi stop.
Penggantian camshaft sebaiknya di ikuti perubahan exhaust system yang minimum hambatan atau free flow, melepas catalytic converter dan memasang piggyback. Memakai piggyback memudahkan seting air fuel ratio (AFR) lebih presisi, mengatur kurva waktu pengapian (ignition timing) dan rev limiter bisa di atur lebih tinggi lagi. Atau pilihan tetap menggunakan ECU orisinil nya tapi telah di program ulang atau istilahnya di remapped atau reflashed. 

FULL SYSTEM KAWASAKI NINJA 300 EXHAUST

Ninja 250

Exhaust standard biasanya ditujukan untuk meredam suara kebisingan engine ke level decibel yang nyaman juga menekan emisi dari gas hasil pembakaran dengan menggunakan catalytic converter. Hanya saja semua itu memberi kontribusi terhadap kurang lancarnya gas hasil pembakaran dan shock wave yang keluar dari silinder supaya cepat pula keluar dari knalpot.
Hambatan siknifikan exhaust standard yang tidak free flow adalah terjadinya backpressure dimana merugikan mencuri power output bersamaan meningkatnya radiasi panas dari exhaust. Backpressure terjadi akibat shock wave kecepatan tinggi dari silinder berbenturan dengan catalytic converter dan berbalik menabrak gas low pressure yang mengikuti dibelakangnya. 
Dengan melepas catalytic converter, mengganti canister knalpot dan memasang piggyback power engine bisa sedikit bertambah lagi dan dapat memberi efek mengurangi panas dari exhaust. Meskipun melepas cataytic converter akan menaikan kandungan hydrocarbon tentunya melanggar peraturan emisi yang berlaku.
Naiknya power engine melalui modifikasi minor artinya bertambah pula VE pada rpm yang tidak berbeda dari standard. Misalkan naik menjadi 3 hp di kisaran 11000 rpm maka VE engine secara teori menjadi 88% dari VE standard 81%.
Bagaimana kalau ingin menaikkan power lebih dari 3 hp misalkan 5 atau 7 hp?
Bisa aja misalkan dengan melakukan sedikit porting pada cylinder head. Menyempurnakan bagian pada saluran yang kira-kira menghambat kelancaran airflow seperti : pada area cross sectional, radius belokan di atas valve seat. Kemudian 3 atau 4 angle valve job yaitu menambah sudut dudukan klep (valve seats) dimana berpengaruh terhadap pola dan kecepatan airflow melewati klep intake ketika posisi open.
Pro engine tuner sudah faham kira-kira seberapa banyak porting harus dilakukan. Karena apabila ukuran port jadi terlalu besar dan banyak bagian dibuang maka efek yang muncul justru kontra produktif yaitu power makin berkurang akibat airflow tidak mampu cepat masuk ke silinder pada putaran maksimum. Berarti HP besar tidak akan tercapai.

power-commander-v

Dynojet Power Commander 5

Cara selanjutnya adalah menaikan rasio kompresi statik piston dan mengganti camshaft dengan profil yang lebih radikal. Biasanya engine motor sport seperti Ninja 250 dari pabrik sudah di rancang untuk menghasilkan power se-efektif dan se-efisien mungkin pada putaran untuk performa jalan raya. Dengan mengganti profil camshaft lebih radikal maka akan merubah karakteristik engine. Power dan torsi maksimum akan muncul atau bergeser pada rpm yang lebih tinggi lagi dari standard. Durasi, valve lift dan overlap camshaft yang lebih besar memerlukan pasokan udara jadi bertambah banyak. Artinya diameter saluran intake dan exhaust (port) cylinder head juga harus membantu airflow bergerak lebih cepat lagi pada rpm tinggi untuk mengisi silinder. Demikian pula diameter dan panjang intake manifold, velocity stacks, size throttle body, panjang dan size header termasuk kolektornya. Itu dimaksud supaya engine tidak tercekik (choked) kekurangan atau defisit volume airflow pada putaran maksimum. Tanpa head porting dan juga tidak di ikuti dengan perubahan pada komponen-komponen tersebut maka penggantian camshaft ke spek lebih tinggi akan menjadi tidak bermanfaat. Camshaft balap bekerja pada putaran 9000-11000 rpm dipasangkan ke engine motor standard dengan powerband 5000-8500 rpm yang terjadi justru kehilangan tenaga.
Camshaft balap dengan durasi klep intake posisi open yang panjang perlu kompresi statik lebih tinggi. Kapan klep intake menutup setelah titik mati bawah (BDC) menentukan rasio kompresi dinamik. Semakin lama terbuka makin mengurangi kompresi dinamik dimana mempengaruhi efisiensi pembakaran pada putaran rendah. Pembakaran tidak stabil torsi jadi lemah kurang daya dorong. Kompresi dinamik secara aktual adalah kapasitas (displacement) atau swept volume engine ketika klep intake menutup. Hal itu ditentukan oleh angka durasi camshaft yang dipakai. Menaikan kompresi dinamis melalui tambahan pada kompresi statik. Caranya bisa melalui piston kompresi tinggi, cylinder gasket lebih tipis atau slep cylinder head.
Compression ratio (CR) memperkuat efisiensi pembakaran yang berhubungan terhadap torsi dan HP. Menambah respon throttle dan konsumsi bbm. Tersedianya pasokan bbm oktan tinggi, engine modern mengutamakan performa dan efisiensi akan memiliki CR yang tinggi  juga.
Tapi tingginya CR pada titik tertentu akan mengundang detonasi yang merusak mesin dan mencederai HP. Jadi engine builder pro akan memperhatikan berapa CR yang tepat dihubungkan dengan faktor berdasarkan rancangan ruang bakar (combustion chamber) dan angka oktan yang dipakai nantinya.
Dengan spek camshaft radikal tingkat kenyamanan berkendara di jalan raya menjadi berubah. Motor atau mobil kita tidak efisien lagi jalan pada rpm rendah. Konsumsi bbm semakin boros, kadar emisi meningkat dan temperatur mesin akan juga naik.

Ninja ex250-high-lift-race-camshaft-spear-enterprises

High lift race camshaft Ninja 250/EX250 (spear enterprises)

Misalkan Bro memutuskan juga memodifikasi engine secara radikal yaitu karakter yang racy, power dan torsi maksimum bergeser ke putaran tinggi. Jalan lainnya untuk kompensasi kurangnya dorongan torsi pada putaran rendah dan tengah adalah melalui penggantian sprocket belakang. Naikkan misalkan 2 atau 3 mata dari 42 menjadi 44 atau 45. Perubahan tersebut akan sedikit mengungkit tarikan rpm rendah.
Menaikan kapasitas CC dengan jalan bore up atau stroke up adalah cara efektif menambah power dan torsi maksimum tanpa banyak merubah atau menggeser powerband engine ke rpm lebih tinggi. Menambah kubikasi misalkan dari kapasitas 249cc menjadi 325cc. Ada istilah “no replacement for displacement”. Engine displacement yang lebih besar torsi dan power akan ikut bertambah. Tapi jangan dilupakan perubahan CC itu tetap memerlukan perubahan juga pada parameter dan komponen engine lainnya. Hanya cara ini merubah hitungan efisiensi volumetrik orisinil sebelumnya.
Untuk merealisasikan motor atau mobil kita menjadi sebuah kendaraan super dengan spek balap itu mudah saja. Tergantung budget yang tersedia dan paling penting engine dibangun oleh profesional tuner berpengalaman supaya hasilnya sukses memuaskan seperti yang direncanakan. Kalau kita hitung performa engine secara teori itu lebih mudah tapi implementasikan nya akan berbeda cerita.
Bagi yang suka hitung menghitung dapat menggunakan rumus-rumus yang tersedia untuk mencari ukuran klep ideal, diameter dan panjang intake manifold, airflow yang dibutuhkan dan hasil akhir VE nya. Setelah di hitung kemudian kita bisa bayangkan secara teori berapa kira-kira potensi power dan torsinya. Dan hasil hitungan secara teori tersebut akan membuat kita merasa senang walaupun secara aktual belum tentu cocok untuk pemakaian jalan raya sehari-hari.
Menjadikan VE engine 100% adalah mungkin tapi kembali lagi apakah engine spek balap akan membuat nyaman ketika kita gunakan di jalan raya?.
VE 85-90% bisa jadi angka yang sudah terlalu banyak.
Perlu di fahami bahwa VE bukan sebagai tolak ukur setiap kali membangun engine performa tinggi. VE adalah cara untuk mengetahui seberapa efektif volume airflow yang sanggup dihirup berbanding kapasitas statik silinder. Engine tuner akan menanyakan kepada pemilik kendaraan seperti apa ia ingin karakteristik engine nantinya bukan berapa VE yang dia mau. Karakteristik apakah transient torque muncul di putaran bawah atau powerband pada putaran tengah-atas seperti engine balap. Setelah engine selesai dan siap revving baru kemudian di cari tahu berapa VE yang dihasilkan.
Rumus mudah mencari panjang runner dari David Vizard misalkan ingin fabrikasi plenum/runner mesin mobil sendiri. Peraturannya selalu mulai dari panjang 17.8 cm jarak antara ruang plenum (plenum chamber) dan klep intake. Kemudian panjang runner tambahkan 4.3 cm tiap berkurang 1000 rpm. Misalkan torsi puncak pada putaran 4000 rpm atau berkurang 6000 rpm, maka panjang runner menjadi = 17.8 cm + (6 x 4.3 cm) = 43.6 cm.
Juga untuk mencari diameter runner : 
SQRT [ (target rpm for peak torque x Displacement x VE)/ 3330 ]
SQRT = square root/ akar quadrat.
VE = Volumetric Efficiency in %
Displacement in Liters
Demikian pembahasan sederhana kali ini wassalam dan Salam sejahtera.
Iklan

2 thoughts on “Efisiensi Volumetrik mesin dan performa di jalan raya.

    wong deso said:
    November 11, 2015 pukul 8:02 am

    oke… Ane jadi penasaran tentang induksi om… Bukannya gas induksi bisa dimanfaatkan? Misal pd rx king, ditampung ditabung yeis, kok pd 4tak malah ‘dibuang’ lewat ais?

    Suka

    ArenaSepedaMotor responded:
    November 11, 2015 pukul 9:19 am

    gas buang hasil induksi bisa dimanfaatkan pak.yaitu untuk mesin yg memakai sistim induksi bertekanan (forced induction) atau turbocharger. gas buang di manfaatkan utk memutar turbin dan menghirup volume udara yg lebih besar ke dalam silinder. efeknya menambah power mesin dan VE.

    kalau AIS menciptakan ke vakuman dari induksi intake stroke mesin. utk menarik udara bersih dari air box yg kemudian dimasukan ke saluran exhaust. supaya dapat bereaksi kembali dg menurunkan kadar CO nya. .klau gak salah cara kerja AIS di mesin 2 tak juga seperti itu

    Suka

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s