Mesin balap : torsi dan HP

Posted on Updated on

Honda B engine Jeremy

Monster motor Jeremy’s Honda B series engine DOHC 2600 cc normal aspirated all-motor Drag race. Peak power 260 HP (at the wheel) @7800 rpm, Peak torque 271 Nm (200lb-ft). Redline 8800 rpm. Static compression ratio 16:1. (Honda/Acura engine performance by Mike Kojima)

Engine balap di rancang untuk menciptakan torsi dan HP maksimum. Selagi race yang dilakukan pembalap adalah gaz, pindah gir transmisi (upshift/downshift) dan mengerem se efektif mungkin. Lain dari itu akan jadi kontra-produktif. Gaz atau akselerasi berkaitan erat dengan torsi dan mencapai topspeed tertinggi di lintasan lurus ditentukan oleh besarnya HP. Torsi merupakan sumber potensi dari tenaga putar (twisting force) untuk menggerakkan atau mendorong kendaraan. Torsi adalah ukuran sebenarnya dari kemampuan engine melakukan usaha (work). Horsepower adalah rata-rata usaha itu dilakukan dalam waktu dan jarak tertentu.
Sering Pembaca lihat tulisan di blog seperti juga saya tulis sebelumnya mengenai parameter engine volumetrik efisiensi (VE). Bentuk dari kurva torsi selalu mengikuti kurva volumetrik efisiensi (VE). Torsi puncak adalah titik paling terdekat dengan kurva VE merepresentasikan engine efisiensi paling maksimum. VE engine balap bisa mencapai lebih dari 100% tergantung dari aplikasi dan komponen yang dipakai. Batasan nyaman VE engine kendaraan jalan raya normal aspirated sekitar 65-85%.

Peak Torque & VE

Kurva torsi selalu mengikuti kurva VE dan memuncak di titik yang sama. Di point itu engine efisiensi mencapai maksimum. Dibawah titik torsi puncak efisiensi pembakaran (combustion efficiency) kurang efektif akibat airflow kurang cepat dan juga adanya isue yang muncul terhadap campuran udara/bbm. Di atas torsi puncak bersamaan dengan rpm yang makin kencang kurva torsi dan VE menurun karena kurang lamanya waktu disediakan untuk airflow mengisi cylinder.

Mungkin ada pendapat kalau angka VE bisa di tarik lebih tinggi lagi untuk kendaraan jalan raya. Tapi hal itu bisa memberi konsekwensi karakteristik engine tidak lagi nyaman dikendarai atau streetable untuk kondisi di jalan umum. Berlainan dengan engine balap memang dirancang menghasilkan VE maksimum setinggi mungkin karena total untuk dipakai ngebut di sirkuit lintasan pada rpm tinggi.
Engine builder biasa tuning engine performa tinggi kendaraan untuk jalan raya tidak prioritaskan mencari VE tertinggi dulu melainkan mencari titik torsi dan HP maksimum pada putaran yang masih dalam batasan kenyamanan dikendarai di berbagai situasi. Akan jadi problem jalan menanjak dengan tikungan sempit seperti di puncak kalau dorongan torsi putaran bawah-tengah nya lemah, kendaraan akan seperti merayap ngak bisa meluncur cepat dan gesit. Terpaksa harus terus-menerus dengan gir transmisi satu, bisa-bisa disusul oleh mobil keluarga.
TORSI adalah fungsi dari rata-rata tekanan diterima piston (BMEP) dan ukuran CC (engine displacement) . Dipengaruhi oleh berapa besar cylinder pressure dikembangkan di dalam ruang bakar (combustion chamber) sejak pertama kali api menyala (ignition) sebelum titik mati atas sampai pada saat posisi piston ATDC sekitar 14-20 derajat rotasi crankshaft. Ini ditentukan oleh angka parameter engine yang dipakai, seperti profil camshaft, panjang dan size intake tracts cylinder head, diameter klep in/ex, diameter throttle body, panjang dan diameter pipa header dan lain-lain.
Makin besar tekanan pembakaran (combustion pressure) semakin kuat torsi dihasilkan dan secara langsung mempengaruhi HP. Dengan itu cylinder pressure maksimum juga tercapai di putaran yang sama dengan kurva torsi puncak. Melewati titik torsi maksimum peranan digantikan oleh kurva horsepower yang makin bertambah naik dan memuncak pada rpm lebih tinggi. Power puncak akan menurun menyentuh redline penyebabnya tendangan torsi makin berkurang akibat pasokan airflow mengalami defisit atau sudah tidak lagi mampu mengisi silinder sesuai kebutuhan pada putaran semakin kencang. Engine jadi tercekik (choked) kekurangan airflow.
Pada dasarnya engine tidak memproduksi HP, melainkan menciptakan torsi dari energi panas hasil pembakaran yang menekan permukaan piston ke bawah kemudian memutar crankshaft. Torsi adalah tenaga putar (twisting force) bergerak melingkar dari sumbu (axis), misalnya mengencangkan baut dengan pipa sepanjang 1 feet dan pada ujungnya sebagai titik untuk memutar di berikan tangential force sebesar 30 pound maka torsi sebesar 30 pound-feet (30 pound x 1 feet) telah dikeluarkan memutar baut.
Engine yang punya potensi bagus menurut engine builder adalah memiliki kemampuan memproduksi torsi dalam waktu cepat pada rpm tertentu. Mereka menyebutnya “transient torque”. Pada rentang rpm dimana transient torque berada motor atau mobil sanggup akselerasi secara cepat. Semakin besar transient torque semakin cepat akselerasi.
Semua engine membangun kurva torsi memuncak pada titik tertentu di rentang rpm. Torsi puncak ini merepresentasikan titik paling efisien dicapai engine dalam rentang operasi nya dan selalu berdekatan dengan kurva VE seperti disebutkan diatas.
Karakter torsi yang dibangun engine ditentukan oleh :
  • Displacement atau CC
  • Engine rpm
  • Dinamika dari airflow yang masuk ke ruang bakar
  • Volumetric Efficiency VE 
  • Engine architecture yaitu single cylinder, Inline 2, inline 4, V4, V6, V8 etc.
Torsi puncak engine tercapai dipengaruhi secara dominan oleh ukuran intake/ex port cylinder head disesuaikan dengan displacement CC dan engine rpm. Melalui hitungan presisi pada komponen lainnya engine builder dapat membentuk dan menempatkan kurva torsi memenuhi aplikasi seperti direncanakan. Dengan itu peranan head porting sangat penting dan melalui proses secara presisi oleh engine builder yang punya pengalaman jam terbang banyak.
Size intake/ex port cylinder head yaitu cross-sectional area dan bowl area termasuk size klep in/ex di sesuaikan dengan rencana powerband seperti di inginkan disamping juga faktor besarnya bore piston. Makin besar ukuran kelp intake makin luas valve area dimana mempermudah engine bernafas pada rpm tinggi karena airflow masuk lebih cepat dan banyak.  Tapi dalam proses nya engine perlu waktu lebih lama membangun torsi dan HP. Hanya airflow pada putaran rendah menjadi lambat atau velocity jadi kurang cepat berpengaruh terhadap rendahnya cylinder pressure. Diameter klep intake, durasi atau lamanya klep intake posisi open dan berapa jauh klep intake keluar dari seat (valve lift) menentukan berapa cepat airflow masuk.
Ukuran klep intake yang kecil membuat kecepatan airflow masuk dengan cepat kedalam silinder pada putaran tidak terlalu tinggi. Tapi begitu rpm makin bertambah cepat airflow akan menemui titik kolaps nya, silinder akan mengalami defisit atau tercekik (choked) kekurangan airflow ketika menembus kecepatan suara (speed of sound) yaitu 1236 km/jam. Cylinder pressure jadi berkurang dengan itu memberi efek negatif langsung terhadap torsi dan HP.
Pada bagian exhaust outlet di cylinder head size klep exhaust bisa lebih kecil dan angka valve lift dapat lebih tinggi karena tidak ada problem munculnya air separation atau terpisahnya udara dan juga turbulensi seperti terjadi saat airflow memasuki ruang bakar via klep intake. 
Faktor lain yang pengaruhi airflow adalah valve angle, cross sectional di intake port dan bentuk radius belokan di atas valve seats. Klep yang memiliki sudut radius lebih lebar atau tidak tajam akan menghaluskan aliran udara/bbm ke dalam silinder dan minimalkan turbulensi. High performance engine biasanya punya 3 – 5 valve angle.
Target menempatkan powerband pada rpm seperti di inginkan adalah salah satu langkah pertama engine builder. Mengejar torsi dan HP efektif waktu balapan maka insinyur motogp merancang powerband muncul di rpm tinggi, torsi puncak di 14000 rpm dan power puncak pada putaran 16500 rpm. Jadi misalkan menempatkan VE dan torsi maksimum motogp pada putaran 10000 rpm adalah jelas salah besar. Bisa jadi akan di overlap berkali-kali oleh motor pembalap lain.
Kurva torsi dan VE dipengaruhi juga oleh efisiensi pembakaran (combustion efficiency) di indikasikan secara langsung dengan Brake Specific Fuel Consumption (BSFC).  Ini menjelaskan pemakain bbm dalam pound/kg per HP/kw jam nya. Seberapa efisien engine membakar bbm kemudian merubah menjadi energi. Cylinder head tertentu sanggup menciptakan HP lebih besar dengan sedikit bbm maka hal itu memperlihatkan level efisiensi yang lebih optimal dari cylinder head lainnya. High performance engine dengan cylinder head yang efisien memberi angka BSFC antara 0.450.48. Misalkan dua engine tuner melakukan pekerjaan porting pada cylinder head CBR250RR. Hasil masing-masing belum tentu sama, bisa jadi salah satu cylinder head akan memiliki airflow lebih bagus pada skala cubic feet per minute (CFM) di rpm yang sama dan juga nilai BSFC lebih rendah.
HP mulai terwujud ketika energi panas yang menekan piston memutar crankshaft menjadi torsi itu mulai membuat motor atau mobil bergerak menempuh jarak dalam rentang waktu tertentu. Dari itu diketahui berapa besar hasil kerja (work) melibatkan tenaga (force) dan jarak (distance) tempuh dalam waktu tertentu atau rpm yang diartikan HP. Mesin dynamometer ditujukan untuk mengukur torsi engine yang disalurkan memutar drum dyno kemudian di konversi menjadi HP pada tiap rentang rpm.
Engine balap yang powerful memiliki bore ukuran XXL dan stroke ultra pendek. Engine mampu bernafas dengan lega di rpm tinggi. Potensi itu karena ukuran klep dan port meningkatkan airflow lebih cepat masuk. Area penampang piston yang lebih luas memperbesar combustion pressure. Tapi ada juga kelemahannya bore besar membutuhkan waktu lebih lama bagi api (flame) mengisi ruang bakar. Cenderung malah meredam dan mengurangi temperatur pembakaran (combustion temperature) dan menciptakan lebih sedikit cylinder pressure. Dengan itu rasio kompresi statik piston yang lebih tinggi diperlukan untuk mendorong api secara cepat mengisi ruang bakar dan menjaga combustion pressure dan temperatur di ruang bakar tetap tinggi. Selain itu durasi camshaft yang besar memperlambat klep intake menutup, mempengaruhi kompresi dinamik piston. Artinya memerlukan kompresi statik piston tinggi untuk kompensasi rendahnya kompresi dinamik piston pada low rpm. Ngak aneh kalau race engine diwajibkan memiliki kompresi statik piston tinggi antara 14:1-16:1. Dan jelas faktor itu akan menaikkan cylinder pressure sampai level maksimum.

ducati-superquadro-195hp90ltwinenginee-small

Big bore XXL dan ultra short stroke L-twin engine Ducati 1199 Panigale yang sangat oversquare (superquadro). Dirancang untuk spin naik ke rpm atas dengan nyaman tanpa masalah. Klep intake yang Xtra Large mampu menghirup udara lebih banyak di putaran tinggi .

Bore besar stroke pendek dengan conrod lebih panjang (stroke to conrod ratio) adalah kombinasi paling diminati oleh pro engine builder. Menurut mereka selain big bore short stroke, HP juga datang dari cylinder head, intake manifold dan camshaft. Semua komponen itu menentukan air flow dan VE. Total masa udara dihirup ke dalam silinder x rpm sama dengan HP.
Engine balap jelas tidak sama dengan engine untuk jalan raya yang mana lebih perlu torsi efektif muncul pada putaran rendah-tengah. Torsi dan HP engine balap makin efektif dengan bertambah ringan bobot kendaraan atau power to weight ratio. Torsi maksimum muncul di putaran atas akan tidak jadi problem mengingat rentang operasi rpm digunakan di sirkuit juga tinggi.
Motor sport – tourer Kawasaki Ninja 1000 dan Yamaha YZR-M1 motogp sama-sama engine 1000 cc inline 4 cylinder DOHC 16 valves. Tapi kedua motor menyemburkan torsi puncak pada powerband yang berbeda. Ninja 1000 torsi puncak sebesar 99 Nm pada putaran 7300 rpm sedangkan M1 torsi puncak sekitar 111 Nm pada putaran jauh di atas yaitu 14000 rpm. Torsi maksimum Yamaha M1 motogp tercapai 6700 rpm lebih tinggi dari torsi puncak Ninja 1000. Alasan itu karena mengejar power maksimum sekitar 250 hp yang hanya bisa di raih di rpm sangat tinggi. Misalkan kedua motor sama-sama dibawa nanjak kepuncak dengan banyak tikungan radius sempit pastinya Yamaha M1 akan ketinggalan. Walaupun bobot M1 motogp lebih ringan sekitar 45 kg, transient torque Ninja 1000 muncul efektif pada rentang putaran rendah memberikan keuntungan akselerasi mampu lebih cepat.
Bagi yang  “torque and horspower freak”, “weekend warrior” di jalan raya atau juga trackday bisa aja modifikasi engine supaya lebih responsif dan bertenaga. Tapi baiknya perhatikan parameter engine yang ada bukan asal patokan mencari VE tertinggi. Dan lebih tepat tanyakan ke pro engine tuner jelas sudah punya reputasi dan hasil karya yang telah terbukti on dyno chart.
Besarnya HP ditentukan oleh besarnya jumlah torsi dan rpm. HP = torque x RPM / 5252.
Jadi meskipun torsi maksimum menurun bersamaan naiknya rpm, HP tetap bertambah sampai pada titik dimana kurva torsi benar-benar menurun drastis. Besar HP bisa tetap dipertahankan apabila kurva torsi belum menurun secara cepat. 
Hitungan teori  VE : (9411 x HP x BSFC) /  (Displacement cu in x RPM) atau 3456 x CFM / Displacement (in cu in) x RPM
VE real engine yang tepat hanya bisa di hitung dengan memakai data air density yang dibaca oleh Mass Air Flow sensor (MAF) terletak di air intake kendaraan. Merepresentasikan jumlah Actual Volumetric Flow rate (AVF) yang masuk ke ruang bakar berdasarkan peak torque atau peak power rpm. 
VE = Actual volumetric flow rate (cu feet/minute)  /  Theoretical flow rate (cu feet/minute)
Demikian ringkasannya wassalam dan salam sejahtera.

 

Iklan

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