Mekanisme Katup

Mekanisme katup adalah suatu mekanisme pengaturan proses pembukaan dan penutupan katup pada saluran masuk dan buang motor bakar. Mekanisme tersebut berfungsi untuk membuka dan menutup katup isap dan katup buang yang sesuai dengan firing order suatu silinder dan proses pengerjaannya, yang memasukkan campuran bahan bakar dan udara serta mengeluarkan gas buang sisa pembakaran.

Sebelum lebih jauh mendalami mekanisme pembukaan dan penutupan katup isap dan buang pada motor bakar, kita harus mengenal dahulu bagaimana kinerja katup isap dan katup buang dalam ruang pembakaran. Untuk itu kita harus mengenal kinerja motor bakar, yang pada tulisan ini saya wakili dengan motor bakar empat langkah. Saya tidak membedakan apakah motor bakar ini termasuk dalam SIE atau CIE.

Motor Bakar Empat Langkah

Untuk menghasilkan satu langkah kerja pada sebuah motor bakar empat langkah, membutuhkan siklus empat langkah gerakan piston atau dua langkah putaran crankshaft yang sempurna. Siklus empat langkah ini dikenal sebagai siklus otto, yang ditemukan oleh Nikolaus August Otto pada tahun 1867. Empat langkah tersebut terdiri dari :

1. Langkah Isap, adalah langkah piston dari TMA (Titik Mati Atas) dimana katup buang tertutup dan katup isap terbuka, dan piston begerak menuju TMB (Titik Mati Bawah) sehingga dapat menghisap campuran bahan bakar dan udara ke dalam ruang pembakaran melalui katup isap.
2. Langkah Kompresi, adalah langkah piston menekan campuran bahan bakar dan udara dengan bergerak dari TMB ke TMA, dimana katup isap dan katup buang sama – sama dalam posisi tertutup. Sehingga campuran bahan bakar dan udara tadi terkompresi. Kompresi tersebut membuat tekanan di dalam ruang pembakaran menjadi tinggi. Sesaat piston mendekati TMA, busi memancarkan percikan api untuk membakar campuran bahan bakar dan udara yang terkompresi tadi. Sehingga terjadilah ledakan di dalam ruang pembakaran.
3. Langkah Ekspansi, adalah langkah piston yang bergerak turun dari TMA ke TMB akibat terdorong oleh ledakan di dalam ruang pembakaran tersebut dan memaksa crankshaft berputar. Posisi katup isap dan buang masih sama – sama tertutup. Langkah inilah yang dapat menghasilkan tenaga dan mesin dapat bekerja.
4. Langkah Buang, adalah langkah dimana piston bergerak ke atas dari TMB ke TMA, dimana katup isap tertutup dan katup buang terbuka. Sehingga piston dapat membuang sisa pembakaran. Pada saat piston mencapai TMA maka katup buang tertutup dan katup isap terbuka sehingga siklus empat langkah dapat dimulai kembali.

 

Gambar 1 Siklus Empat Langkah

Kinerja Mekanisme Katup

            Sebenarnya bagaimana mekanisme yang dapat membuat katup isap dan katup buang dapat bergerak membuka dan menutup saluran masuk dan buang pada ruang pembakaran? Untuk menjawab pertanyaan tersebut dapat kita lihat ilustrasi dibawah ini.

Gambar 2 Mekanisme Kinerja Katup Isap dan Katup Buang

Katup isap dan katup buang dapat bergerak membuka dan menutup saluran masuk dan buang dikarenakan adanya dorongan nok dari mekanisme cam pada suatu camshaft. Gambar camshaft berikut dapat memperjelas maksud tulisan saya.

Gambar 3 Camshaft

Camshaft adalah sebuah poros yang memiliki beberapa nok yang menonjol tetapi dengan arah tonjolan nok yang berbeda – beda untuk katup isap dan katup buangnya. Adanya tonjolan nok itulah yang dapat menekan katup isap dan katup buang sehingga katup isap dan katup buang dapat membuka dan menutup saluran masuk dan buang pada ruang pembakaran.

Seiring dengan putaran camshaft dan arah tonjolan nok yang berbeda untuk tiap katup isap dan buang, maka dorongan dari nok pertama misalnya,  menekan katup isap sehingga dapat membuka saluran masuk pada ruang bakar. Demikian juga nok yang selanjutnya akan mendorong katup buang untuk membuka saluran buang pada ruang bakar.

Tentu saja hal ini seiring pula dengan gerakan naik dan turunnya piston dari TMA menuju TMB dan TMB menuju TMA sehingga langkah tersebut dapat membuat campuran bahan bakar dan udara terhisap masuk ke dalam ruang pembakaran dan membuang sisa pembakaran melalui saluran buang. Hal ini sesuai dengan siklus empat langkah seperti yang dijelaskan diatas. Karena arah tonjolan nok berbeda – beda untuk tiap katup isap dan buang maka putaran camshaft tersebut memberikan dorongan yang berbeda tergantung arah nok saat menekan katup yang mana sehingga siklus empat langkah diatas dapat berjalan seiring dengan putaran camshaft.

Lalu ada pertanyaan yang timbul berikutnya bagaimana camshaft dapat berputar? Untuk menjawab pertanyaan tersebut diatas maka ada beberapa hal lagi yang perlu kita ketahui juga. Mekanisme dari camshaft yang menekan katup isap dan buang serta hubungannya dengan putaran crankshaft biasanya disebut dengan valve train mechanism. Valve train mechanism adalah suatu mekanisme yang menghubungkan katup isap dan katup buang dengan gerakan piston, katup isap dan katup buang dengan camshaft, hubungan camshaft dengan crankshaft serta hubungan crankshaft dengan piston yang dihubungkan melalui connecting rod.

Untuk mengetahui secara detail valve train mechanism, ada baiknya jika kita dapat memotong sebagian mesin kita agar kita dapat melihat lebih jelas dan seksama bagaimana hubungan keseluruhan mekanisme katup tersebut. Namun melalui ilustrasi berikut ini mungkin dapat membantu kita lebih memahami bagaimana mekanisme-nya tanpa harus melakukan pemotongan terhadap mesin kita.

Gambar 4 Motor Bakar Empat Langkah

            Dari ilustrasi diatas dapat kita lihat bahwa camshaft dapat berputar akibat putaran dari crankshaft yang dihubungkan melalui suatu belt yang biasanya disebut timing belt. Namun bukan hanya belt saja yang menghubungkan antara crankshaft dengan camshaft. Jenis penghubung lainnya adalah rantai atau biasa disebut timing chain, dan juga roda gigi yang disebut timing gear.

            Untuk timing belt, belt tersebut tidak dapat langsung memutar camshaft maupun crankshaft. Belt tersebut memerlukan sprocket yang memiliki gerigi yang sesuai dengan jenis gerigi belt pada timing belt tersebut. Hal ini ditujukan untuk menghindari adanya backlash pada putaran camshaft. Karena jika terjadi hal tersebut maka waktu pembukaan katup isap dan penutupan katup buang menjadi terlambat yang dapat mengakibatkan waktu dengan peledakan busi menjadi tidak sesuai. Tentu hal ini dapat mengakibatkan pembakaran pada ruang bakar menjadi tidak sempurna.

Untuk mekanisme dengan menggunakan model timing belt dapat dilihat lebih sederhana dengan ilustrasi berikut ini.

Gambar 5 Mekanisme dengan Timing Belt

Pada ilustrasi diatas juga menjelaskan kepada kita bahwa putaran crankshaft tersebut juga menyebabkan gerakan piston naik dan turun. Antara piston dan crankshaft tersebut dihubungkan dengan adanya connecting rod. Sehingga gerakan naik turun piston tersebut akan sesuai dengan pembukaan dan penutupan katup isap dan katup buang pada ruang bakar. Kekurangan dari mekanisme katup model timing belt adalah belt dapat putus jika karetnya menjadi keras. Namun kelebihan dari timing belt lebih halus dan tidak memerlukan pelumasan.

 Selanjutnya dapat kita lihat model mekanisme yang lain, yaitu model Timing Gear melalui ilustrasi berikut.

Gambar 6 Mekanisme dengan Timing Gear

Sama dengan mekanisme dengan model timing belt, pada mekanisme dengan model timing gear ini juga menghubungkan putaran crankshaft dan camshaft. Namun melalui mekanisme roda gigi. Kekurangan dari model ini adalah model ini lebih berisik namun lebih kuat.

Berikutnya adalah ilustrasi sederhana mekanisme timing chain.

Gambar 7 Mekanisme dengan Timing Chain

Pada mekanisme dengan model timing chain, crankshaft dihubungkan dengan camshaft melalui sprocket dan rantai. Kelebihan dari mekanisme ini juga lebih kuat dari belt namun juga sedikit berisik walaupun tidak seberisik model timing gear. Tetap memerlukan pelumasan.

Untuk memulai gerakan crankshaft pada awalnya adalah dengan adanya starter motor yang memutar flywheel (starter motor hanyalah penggerak awal flywheel pada crankshaft). Flywheel tersebut berputar memutarkan crankshaft. Crankshaft berputar menggerakkan piston dari TMA ke TMB. Sementara itu crankshaft melalui timing belt juga memutar camshaft. Camshaft dengan tonjolan nok mendorong katup isap. Seiring dengan turunnya piston dan terbukanya katup isap maka akan menghisap campuran bahan bakar dan udara. Sesuai siklus empat langkah maka akan terjadi ledakan, yang membuat crankshaft terdorong berputar. Begitu selanjutnya sehingga motor bakar dapat menyala.