Konfigurasi Mesin: Mesin Segaris, Berbentuk-V, dan Datar

Pada awal abad ke-20, ketika rekayasa otomotif berkembang pesat, mesin 10 liter bisa berupa unit satu silinder atau, misalnya, mesin segaris delapan silinder. Pada masa itu, tidak ada yang mempermasalahkan mesin segaris enam silinder berkapasitas 23 liter atau mesin pesawat radial tujuh silinder yang dipasang ke dalam mobil.

Seiring berkembangnya produksi massal dan meningkatnya tekanan biaya, segalanya mulai tertata. Mesin satu silinder menjadi peninggalan masa lalu. Saat ini, rata-rata perpindahan silinder pada mesin mobil konvensional berkisar antara 300 hingga 600 sentimeter kubik, dengan output spesifik mulai dari sekitar 35 hp/l pada mesin diesel beraspirasi alami hingga 100 hp/l pada mesin bensin berperforma tinggi. Inilah kisaran ideal untuk produksi massal — keluar dari rentang ini tidak lagi ekonomis.

Lantas, seperti apa lanskap mesin modern saat ini? Secara umum:

• Mesin 100 hp biasanya memiliki empat silinder
• Mesin 200 hp umumnya menggunakan empat, lima, atau enam silinder
• Mesin 300 hp lazimnya menggunakan delapan silinder

Namun, bagaimana sebenarnya silinder-silinder tersebut dapat disusun? Pilihan tata letak apa saja yang dimiliki para insinyur dalam merancang mesin multi-silinder? Mari kita bahas satu per satu.

Mesin Segaris: Sederhana namun Semakin Tidak Praktis

Pertanyaan utama bagi setiap perancang mesin adalah bagaimana menyederhanakan desain — menjaga biaya produksi tetap rendah dan perawatan tetap mudah. Dalam hal ini, mesin segaris (inline) menjadi pilihan terbaik. Silinder disusun dalam satu baris, dan menambah kapasitas semudah menambahkan lebih banyak silinder.

Berikut rincian varian mesin segaris dalam praktiknya:

• Mesin dua dan tiga silinder relatif jarang ditemukan di mobil, meski format dua silinder mulai bangkit kembali berkat injeksi bahan bakar dan turbocharger canggih — mesin dua silinder turbocharged 85 hp pada Fiat 500 menjadi contoh utamanya.
• Mesin segaris empat silinder adalah tulang punggung dunia mobil penumpang, mencakup perpindahan dari 1,0 hingga 2,4 liter.
• Mesin segaris lima silinder merupakan perkembangan yang lebih baru. Mercedes-Benz menjadi pionir mesin diesel lima silinder pada tahun 1974 (300D pada platform W123), diikuti oleh mesin bensin dua liter lima silinder dari Audi dua tahun kemudian, lalu Volvo dan Fiat bergabung pada akhir tahun 1980-an.
• Mesin segaris enam silinder, yang lama menjadi favorit di Eropa karena kehalusannya, semakin jarang ditemukan. Saudaranya yang lebih panjang, mesin segaris delapan silinder, praktis sudah ditinggalkan sejak tahun 1930-an.

Alasan tren ini cukup jelas: semakin banyak silinder yang ditambahkan, semakin panjang mesinnya — dan ini menimbulkan masalah penempatan yang serius. Memasang mesin segaris enam silinder secara melintang ke dalam ruang mesin penggerak roda depan, misalnya, hanya berhasil dilakukan dalam segelintir kasus: Austin Maxi 2200 (yang mengharuskan kotak gigi ditempatkan di bawah mesin) dan Volvo S80 dengan kotak gigi yang sangat kompak.

Mesin Berbentuk-V dan Datar: Kompak namun Kompleks

Lalu, bagaimana cara mempersingkat mesin segaris? Solusi elegan: belah menjadi dua bagian, letakkan keduanya berdampingan, dan gerakkan satu poros engkol dengan keduanya. Itulah inti dari mesin V.

Konfigurasi mesin V yang paling umum menggunakan sudut antarbank sebesar 60° atau 90°. Perlebar sudut tersebut hingga 180° — silinder saling berlawanan arah — dan Anda mendapatkan mesin datar, yang juga dikenal sebagai mesin boxer (dari sini muncul sebutan B2, B4, B6).

Dibandingkan dengan mesin segaris, terdapat sejumlah kompromi yang signifikan:

• Dua kepala silinder — masing-masing dengan gasket dan manifold tersendiri
• Lebih banyak camshaft dan susunan penggerak katup yang lebih kompleks
• Lebar yang lebih besar (terutama untuk mesin datar), yang membatasi lokasi pemasangan
• Biaya produksi lebih tinggi dan perawatan yang lebih rumit

Karena kelemahan-kelemahan ini, mesin datar hanya digunakan oleh segelintir produsen — Porsche dan Subaru menjadi yang paling menonjol saat ini.

Bagaimana jika membuat mesin V lebih kompak dengan memperkecil sudut di bawah 60°? Hal ini pernah dilakukan — Lancia Fulvia dari tahun 1970-an menggunakan mesin V4 dengan sudut hanya 23°. Namun ada kendalanya: semakin kecil sudutnya, semakin sulit mesin tersebut diseimbangkan. Inilah yang membawa kita ke salah satu tantangan paling krusial dalam desain mesin.

Getaran Mesin: Gaya, Torsi, dan Cara Mengatasinya

Tidak ada mesin pembakaran dalam bertorak yang sepenuhnya bebas dari getaran — itu sudah menjadi sifat bawaannya. Namun mengelola getaran sangatlah penting, bukan sekadar demi kenyamanan penumpang. Getaran tak seimbang yang parah dapat secara fisik merusak komponen mesin, dengan segala konsekuensi fatal yang timbul akibat suku cadang yang terlepas pada kecepatan tinggi.

Dari mana sumber getaran mesin? Ada tiga sumber utama:

• Interval pengapian yang tidak merata — pada beberapa konfigurasi mesin, langkah tenaga tidak terjadi pada interval yang benar-benar sama, sehingga menimbulkan riak torsi. Flywheel yang lebih berat dapat membantu memeratakannya.
• Gaya inersia piston — saat piston berakselerasi ke atas dan melambat di titik teratas langkahnya (dan sebaliknya di bagian bawah), piston menghasilkan gaya inersia yang serupa dengan yang Anda rasakan saat mobil mengerem atau berakselerasi.
• Geometri batang penghubung — batang penghubung tidak bergerak dalam garis lurus, dan gerakan piston bukan sinusoid sempurna, yang menghasilkan komponen gaya tambahan pada kelipatan kecepatan poros engkol.

Gaya inersia orde tinggi ini umumnya dapat diabaikan — kecuali untuk gaya orde kedua, yang bekerja pada dua kali frekuensi poros engkol dan selalu harus diperhitungkan. Ketika gaya inersia pada silinder yang berdekatan bekerja dalam arah berlawanan pada jarak tertentu satu sama lain, gaya-gaya tersebut juga menghasilkan pasangan torsi, menambah lapisan kerumitan tersendiri.

Para insinyur memiliki dua alat utama untuk melawan gaya-gaya ini:

• Pilih konfigurasi yang secara inheren seimbang — atur silinder dan pin poros engkol agar gaya dan torsi saling meniadakan secara alami.
• Tambahkan poros penyeimbang — poros sekunder dengan bobot penyeimbang yang berputar berlawanan arah dengan poros engkol, menghasilkan gaya yang sama besar dan berlawanan arah. Ini menambah biaya dan kerumitan mekanis, namun dapat sepenuhnya menetralkan mode getaran yang bermasalah.

Dari semua tata letak mesin umum, hanya dua yang secara teoritis seimbang sempurna: mesin segaris enam silinder dan mesin datar enam silinder. Inilah tepatnya mengapa BMW dan Porsche sangat mempertahankan konfigurasi ini — dan mengapa produsen lain enggan meninggalkannya meski menghadapi tantangan penempatan.

Keseimbangan Mesin Berdasarkan Konfigurasi: Panduan Praktis

Mari kita lihat bagaimana setiap konfigurasi mesin utama bekerja di dunia nyata dalam hal getaran dan keseimbangan.

Mesin segaris dua silinder (pena engkol ke arah yang sama) berperilaku serupa dengan mesin satu silinder dalam hal keseimbangan — kedua piston naik dan turun sefase. Oka buatan Rusia menggunakan dua poros penyeimbang yang berputar berlawanan arah untuk mengatasi gaya inersia orde pertama, tetapi gaya orde kedua dibiarkan tidak terkontrol. Menambahkan dua poros penyeimbang lagi akan sangat tidak praktis untuk mobil kecil dan terjangkau seperti itu. Banyak mesin dua silinder — seperti Fiat 500 orisinal tahun 1957 dan Tata Nano asal India — beroperasi tanpa poros penyeimbang sama sekali, mengandalkan dudukan mesin yang fleksibel untuk menyerap getaran. Murah, sederhana, dan dapat diterima untuk aplikasi kelas bawah.

Mesin dua silinder dengan pena engkol di 180° (piston bergerak berlawanan fase) menawarkan keseimbangan primer yang lebih baik, tetapi hanya dapat mencapai interval pengapian merata dalam bentuk dua langkah — seperti yang digunakan pada DKW sebelum Perang Dunia II dan penerusnya, Trabant buatan Jerman Timur.

Mesin V-twin kini hampir sepenuhnya bertahan di sepeda motor — Harley-Davidson dan para penirunya dari Jepang menjadi contoh yang paling jelas. NAMI-1 praktis menjadi satu-satunya mobil yang pernah menggunakan tata letak ini. Bobot penyeimbang pada poros engkol dapat membawanya mendekati keseimbangan penuh, namun interval pengapian yang merata tetap tidak dapat dicapai.

Mesin tiga silinder memiliki keseimbangan yang lebih buruk dibandingkan mesin segaris empat silinder. Produsen seperti Subaru dan Daihatsu memasang poros penyeimbang sebagai standar; keputusan Opel untuk tidak memasangnya pada mesin Ecotec tiga silinder untuk generasi kedua Corsa memang menghemat biaya, tetapi membuat mobil tersebut mendapat reputasi kasar dari pers otomotif Jerman setelah debutnya pada tahun 1996 — digambarkan sebagai “sama sekali tidak mungkin dikendarai di kota dengan mode bervariasi.”

Mesin segaris empat silinder — tata letak paling umum di dunia — memiliki gaya inersia orde kedua bebas yang hanya dapat dinetralisir oleh poros penyeimbang yang berputar dua kali kecepatan poros engkol. Untuk menghilangkan torsi yang dihasilkan, diperlukan poros kedua yang berputar berlawanan. Memang mahal — namun Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat, dan merek-merek dalam Volkswagen Group semuanya pernah menggunakan sistem ini ketika kehalusan operasi menjadi prioritas.

Mesin datar empat silinder sedikit lebih baik dibandingkan padanan segaris mereka — hanya tersisa pasangan torsi orde kedua, yang cenderung membuat mesin berputar mengelilingi sumbu vertikalnya. Meski begitu, mesin Beetle berpendingin udara maupun unit boxer Subaru telah beroperasi tanpa poros penyeimbang selama beberapa dekade.

Mesin segaris lima silinder memiliki gaya inersia primer yang terkompensasi, namun menderita torsi lentur bergulir yang terus-menerus melewati blok mesin — menuntut struktur yang sangat kaku. Mercedes-Benz, Audi, dan Volvo mengatasi ini melalui dudukan mesin yang disempurnakan dan bobot penyeimbang (seperti pada 2.5 TFSI supercharged di Audi TT RS), sementara para insinyur Fiat melangkah lebih jauh dengan menggunakan poros penyeimbang penuh.

Satu catatan menarik: hampir semua mesin lima silinder pada dasarnya adalah mesin empat silinder dengan satu silinder tambahan yang dipasangkan. Pendekatan modular ini memungkinkan penggunaan bersama piston, batang penghubung, dan komponen penggerak katup — hanya blok, kepala silinder, dan poros engkol (dengan pin pada interval 72°) yang perlu diganti.

Mesin V6 yang menggantikan mesin segaris enam silinder memiliki karakteristik keseimbangan yang sama dengan mesin tiga silinder — dengan kata lain, tidak ideal. Mercedes-Benz V6 pertama (M112, dengan tiga katup per silinder) mengatasi ini dengan poros penyeimbang yang dipasang di lembah antara kedua bank silinder. Mesin enam silinder tiga liter milik Grup PSA menempatkannya di kepala silinder. Produsen lain memilih pengaturan pin engkol yang cermat — seperti yang terlihat pada Audi V6 — untuk meminimalkan getaran tanpa kerumitan tambahan. Mesin V6 dengan sudut antarbank 90° menambah masalah lain: interval pengapian yang secara inheren tidak merata, yang hanya dapat diperhalus sebagian oleh flywheel berbobot.

Mesin V8 dengan sudut bank 90° dan pin poros engkol pada dua bidang yang saling tegak lurus memiliki keseimbangan yang sangat baik. Interval pengapian yang merata dapat dicapai, dan hanya tersisa dua pasangan torsi residual — yang mudah diatasi dengan bobot penyeimbang pada jurnal ujung poros engkol. Inilah sebagian besar alasan mengapa para insinyur Amerika begitu antusias merangkul mesin V8: mereka memang tidak mentoleransi getaran.

Mesin V4 sangat jarang dan kini hampir punah dari mobil. Ford V4 Eropa (yang digunakan pada Taunus, Capri, dan Saab 96) serta V4 unik dari Zaporozhets keduanya memerlukan poros penyeimbang untuk pasangan torsi orde pertama. Kompaktabilitas dan biaya menjadi faktor pendorong — keseimbangan menjadi prioritas kedua.

Mesin V10 memiliki karakteristik keseimbangan yang sama dengan mesin segaris lima silinder. Hal itu tidak menghalangi para perancang mesin Formula 1, Dodge Viper, maupun Dodge RAM untuk menggunakannya — ketika Anda membutuhkan tenaga, Anda cukup mengelola getarannya.

Adapun tata letak yang lebih eksotis: mesin datar delapan silinder (seperti yang digunakan pada mobil balap Porsche 917) pada dasarnya adalah dua mesin datar empat silinder pada satu poros engkol bersama, sementara mesin V12 dan datar dua belas silinder mereduksi menjadi dua mesin segaris enam silinder — yang menjelaskan kehalusannya yang luar biasa.

VR6, VR5, dan Mesin W: Mahakarya Pengemasan ala Volkswagen

Kita sempat menyinggung mesin V bersudut sempit seperti Lancia Fulvia sebelumnya. Selama beberapa dekade, mesin jenis ini dihindari — lebih sulit diseimbangkan dibandingkan tata letak 60° atau 90°, sementara keuntungan pengemasannya tidak sepadan dengan kerumitannya. Kemudian prioritas bergeser.

Dua perkembangan mengubah segalanya:

• Dudukan mesin hidrolik mulai tersedia secara luas, yang secara dramatis meredam transmisi getaran terlepas dari keseimbangan teoritis mesin.
• Ruang di bawah kap mesin semakin sempit, menjadikan kompaktabilitas sebagai nilai premium. Siapa yang menyangka sebuah hatchback sederhana menyembunyikan mesin enam silinder 2,8 liter? Volkswagen berhasil mewujudkannya.

Volkswagen VR6 — singkatan “VR” dari V-Reihen (V-segaris) — mengambil konsep sudut sempit lebih jauh dari yang pernah dilakukan Lancia, menggunakan sudut hanya 15° antara kedua bank silinder. Hasilnya begitu kompak sehingga secara efektif berfungsi sebagai mesin segaris yang digeser, dan yang mengejutkan, mesin ini menggunakan satu kepala silinder untuk kedua bank. Mesin enam silinder 2,8 liter yang muat di tempat yang tidak bisa diisi oleh V6 konvensional — pertama kali diperkenalkan pada Volkswagen Golf generasi ketiga.

Dari situ, para insinyur Volkswagen mengembangkan konsep ini lebih jauh:

• VR5 hadir sebagai VR6 dengan satu silinder yang dihilangkan.
• W8 menggabungkan dua unit VR yang diperpendek (empat silinder masing-masing) pada satu poros engkol — dipasang pada sedan Passat kelas atas.
• W12 debut pada tahun 1998 di konsep W12 Roadster: dua mesin VR6 yang disatukan pada sudut 72° pada satu poros engkol.
• W16 — dengan empat turbocharger — menggerakkan Bugatti Veyron hingga 431 km/jam, menjadikannya aplikasi produksi paling ekstrem dari arsitektur ini.

Mengapa tata letak ini tidak ada sebelumnya? Desain berbantuan komputer modern memungkinkannya. Mengoptimalkan sudut antarbank, posisi pin engkol, urutan pengapian, dan karakteristik keseimbangan pada geometri sekompleks itu nyaris mustahil tanpa kekuatan komputasi yang baru tersedia sejak tahun 1990-an. Poros engkol mesin W12 saja adalah mimpi buruk bagi seorang mekanik — komponen yang hanya masuk akal ketika komputer telah memverifikasi setiap toleransinya.

Apa yang Benar-Benar Penting dalam Desain Mesin di Dunia Nyata

Jika ada satu pelajaran dari semua ini, itu adalah bahwa keseimbangan teoritis jarang menjadi faktor penentu ketika seorang insinyur memilih tata letak mesin. Prioritas nyata adalah:

• Pengemasan — apakah mesin muat di ruang mesin?
• Bobot dan kepadatan tenaga — rasio terbaik untuk aplikasi yang dimaksud?
• Biaya produksi — apakah komponen dapat digunakan bersama di seluruh lini model?
• Modularitas — semakin banyak produsen membangun seluruh keluarga mesin dari arsitektur piston dan bore yang sama, mulai dari unit ekonomis tiga silinder hingga mesin unggulan dua belas silinder

Lini mesin Mercedes-Benz saat ini adalah contoh sempurna dari pendekatan modular: satu arsitektur bersama menopang mesin-mesin dengan output tenaga dan jumlah silinder yang sangat berbeda.

Dan mengenai getaran — perlu diingat bahwa keseimbangan teoritis dan aktual adalah dua hal yang sangat berbeda. Bahkan mesin segaris enam silinder yang seimbang sempurna pun akan bergetar jika rakitan poros engkolnya tidak diseimbangkan dengan benar atau jika piston dan batang penghubungnya memiliki selisih bobot yang nyata. Toleransi produksi di dunia nyata dan deformasi komponen di bawah beban berarti tidak ada mesin yang dalam praktiknya sehalus yang disarankan oleh persamaan matematika. Itulah mengapa desain dudukan mesin — cara unit penggerak diisolasi dari sisa mobil — sama pentingnya dengan tata letak mesin itu sendiri. Bahkan terkadang lebih penting.

Ini adalah terjemahan. Anda dapat membaca artikel aslinya di sini: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html