Siklus 4 Langkah Engine Diesel Alat Berat: Intake, Compression, Power, dan Exhaust

Daftar Isi

 Siklus empat langkah merupakan dasar utama cara kerja engine diesel pada alat berat. Setiap tenaga yang digunakan untuk menggerakkan excavator, bulldozer, dump truck, wheel loader, motor grader, dan berbagai unit pertambangan berasal dari proses pembakaran yang berlangsung secara berulang di dalam cylinder.

Dalam satu siklus pembakaran, piston menjalankan empat langkah, yaitu intake, compression, power, dan exhaust. Untuk menyelesaikan keempat langkah tersebut, crankshaft berputar sebanyak dua kali atau 720 derajat, sedangkan camshaft berputar satu kali atau 360 derajat.

Pemahaman mengenai siklus ini sangat penting bagi mekanik. Gejala seperti engine sulit hidup, asap putih, asap hitam, misfiring, tenaga rendah, blow-by tinggi, dan exhaust temperature tidak seimbang dapat dianalisis dengan memahami apa yang seharusnya terjadi pada setiap langkah.

Pembahasan dasar mengenai seluruh sistem engine dapat dibaca pada artikel Cara Kerja Engine Diesel Alat Berat.

Apa yang Dimaksud dengan Siklus 4 Langkah Engine Diesel?

Siklus empat langkah adalah rangkaian proses masuknya udara, pemampatan udara, pembakaran bahan bakar, pembentukan tenaga, dan pembuangan gas sisa dari dalam cylinder.

Keempat langkah tersebut adalah:

1. Intake stroke atau langkah hisap.
2. Compression stroke atau langkah kompresi.
3. Power stroke atau langkah usaha.
4. Exhaust stroke atau langkah buang.

Pada engine diesel, bahan bakar tidak dinyalakan menggunakan spark plug. Udara terlebih dahulu dikompresi hingga tekanan dan temperaturnya meningkat. Bahan bakar kemudian diinjeksikan ke dalam udara panas tersebut sehingga terjadi compression ignition.

Istilah Dasar yang Harus Dipahami

Top Dead Center

Top dead center atau TDC adalah posisi piston paling atas di dalam cylinder. Dalam bahasa Indonesia, posisi ini sering disebut titik mati atas.

Piston berada di sekitar TDC pada dua kondisi berbeda:

• Akhir compression stroke sebelum pembakaran.
• Akhir exhaust stroke sebelum intake stroke dimulai.

Karena itu, posisi piston di TDC saja belum cukup untuk menentukan posisi firing. Mekanik juga harus memastikan posisi camshaft dan kondisi valve.

Bottom Dead Center

Bottom dead center atau BDC adalah posisi piston paling bawah di dalam cylinder. Posisi ini sering disebut titik mati bawah.

Piston mencapai BDC pada:

• Akhir intake stroke.
• Akhir power stroke.

Crankshaft

Crankshaft mengubah gerakan naik-turun piston menjadi gerakan berputar. Dalam satu siklus empat langkah, crankshaft berputar sebanyak dua kali.

Camshaft

Camshaft mengatur waktu pembukaan dan penutupan intake valve serta exhaust valve. Karena satu siklus pembakaran membutuhkan dua putaran crankshaft, camshaft pada engine empat langkah berputar dengan kecepatan setengah dari crankshaft.

Combustion Chamber

Combustion chamber merupakan ruang tempat udara dikompresi dan bahan bakar dibakar. Bentuk combustion chamber dapat berada pada piston crown, cylinder head, atau kombinasi keduanya, bergantung pada desain engine.

Ringkasan Siklus 4 Langkah Engine Diesel

Langkah	Gerakan Piston	Intake Valve	Exhaust Valve	Proses Utama
Intake	TDC menuju BDC	Terbuka	Tertutup	Udara masuk ke cylinder
Compression	BDC menuju TDC	Tertutup	Tertutup	Udara dikompresi
Power	TDC menuju BDC	Tertutup	Tertutup	Pembakaran mendorong piston
Exhaust	BDC menuju TDC	Tertutup	Terbuka	Gas pembakaran dikeluarkan

Catatan: Tabel tersebut menunjukkan kondisi dasar secara teoritis. Pada engine sebenarnya, valve dapat mulai membuka sebelum piston mencapai dead center dan menutup setelah piston melewati dead center. Pengaturan ini disebut valve timing.

1. Intake Stroke atau Langkah Hisap

Intake stroke dimulai ketika piston bergerak dari top dead center menuju bottom dead center.

Pada langkah ini:

• Intake valve terbuka.
• Exhaust valve tertutup.
• Piston bergerak turun.
• Volume cylinder bertambah.
• Tekanan di dalam cylinder menjadi lebih rendah daripada tekanan pada intake manifold.
• Udara masuk ke dalam cylinder.

Berbeda dengan sebagian gasoline engine, material utama yang masuk ke cylinder diesel saat intake stroke adalah udara. Jumlah bahan bakar baru ditentukan dan diinjeksikan mendekati akhir compression stroke.

Aliran Udara pada Intake Stroke

Pada heavy-duty diesel engine turbocharged, udara biasanya melewati jalur berikut:

Udara luar → precleaner → air filter → turbocharger compressor → aftercooler → intake manifold → intake valve → cylinder

Precleaner memisahkan debu berukuran besar. Air filter menyaring partikel yang lebih kecil. Turbocharger memampatkan udara, sedangkan aftercooler menurunkan temperatur udara setelah proses pemampatan.

Udara yang lebih dingin memiliki density lebih tinggi. Artinya, massa udara yang masuk ke cylinder dapat ditingkatkan tanpa harus memperbesar volume cylinder.

Apa yang Terjadi Jika Udara Masuk Tidak Mencukupi?

Intake restriction atau kebocoran pada charge-air system dapat mengurangi massa udara yang masuk. Akibatnya, jumlah oxygen yang tersedia untuk pembakaran menjadi tidak mencukupi.

Gejala yang dapat muncul antara lain:

• Asap hitam.
• Engine kurang tenaga.
• Respons engine lambat.
• Boost pressure rendah.
• Exhaust temperature tinggi.
• Konsumsi bahan bakar meningkat.
• Turbocharger bekerja tidak normal.

Komponen yang Perlu Diperiksa

• Precleaner.
• Primary dan secondary air filter.
• Air restriction indicator.
• Intake hose dan clamp.
• Turbocharger compressor wheel.
• Charge-air piping.
• Aftercooler.
• Intake manifold.
• Intake valve dan valve clearance.
• Boost pressure sensor.

2. Compression Stroke atau Langkah Kompresi

Setelah piston mencapai bottom dead center, intake valve menutup. Piston kemudian bergerak naik menuju top dead center.

Pada langkah ini:

• Intake valve tertutup.
• Exhaust valve tertutup.
• Udara terperangkap di dalam cylinder.
• Volume ruang di atas piston semakin kecil.
• Tekanan udara meningkat.
• Temperatur udara meningkat.

Tujuan utama compression stroke adalah menciptakan temperatur udara yang cukup tinggi untuk memulai pembakaran ketika bahan bakar diinjeksikan.

Mengapa Compression Ratio Engine Diesel Tinggi?

Engine diesel membutuhkan compression ratio tinggi karena pembakaran mengandalkan panas hasil kompresi. Jika compression pressure terlalu rendah, temperatur udara pada akhir compression stroke juga menjadi lebih rendah.

Kondisi tersebut dapat menyebabkan bahan bakar terlambat terbakar, hanya terbakar sebagian, atau tidak terbakar sama sekali.

Penyebab Compression Pressure Rendah

• Piston ring aus, patah, atau macet.
• Cylinder liner aus atau tergores.
• Piston rusak.
• Intake valve bocor.
• Exhaust valve bocor.
• Valve seat rusak.
• Valve clearance terlalu kecil.
• Cylinder head gasket bocor.
• Cylinder head retak.
• Valve timing tidak sesuai.
• Cranking speed terlalu rendah.

Gejala Compression Rendah

• Engine sulit hidup, terutama saat dingin.
• Cranking berlangsung lama.
• Asap putih saat starting.
• Misfiring.
• Idle tidak stabil.
• Tenaga engine rendah.
• Fuel consumption meningkat.
• Blow-by tinggi.
• Engine oil consumption meningkat.

Pengujian yang Dapat Dilakukan

• Compression pressure test.
• Relative compression test.
• Cylinder leakage test.
• Cranking speed measurement.
• Blow-by measurement.
• Valve clearance inspection.
• Borescope inspection.

Hasil pengujian harus dibandingkan dengan specification manual untuk model engine yang diperiksa. Jangan menggunakan satu batas compression pressure untuk semua jenis engine.

3. Power Stroke atau Langkah Usaha

Power stroke merupakan langkah yang menghasilkan tenaga engine.

Menjelang piston mencapai top dead center pada akhir compression stroke, injector menyemprotkan bahan bakar bertekanan tinggi ke dalam combustion chamber.

Bahan bakar harus diatomisasi menjadi droplet yang sangat kecil agar dapat bercampur dengan udara panas secara cepat dan merata.

Urutan Terjadinya Pembakaran

1. Udara selesai dikompresi.
2. Injector mulai menyemprotkan bahan bakar.
3. Bahan bakar mengalami atomisasi.
4. Bahan bakar bercampur dengan udara panas.
5. Terjadi ignition delay singkat.
6. Bahan bakar mulai terbakar.
7. Tekanan cylinder meningkat.
8. Gas pembakaran mengembang.
9. Piston terdorong menuju bottom dead center.
10. Connecting rod memutar crankshaft.

Power stroke adalah satu-satunya langkah yang secara langsung menghasilkan tenaga. Intake, compression, dan exhaust stroke tetap membutuhkan energi untuk menggerakkan piston. Energi tersebut diperoleh dari flywheel dan power stroke cylinder lain.

Faktor yang Menentukan Kualitas Pembakaran

• Jumlah udara.
• Jumlah bahan bakar.
• Fuel injection pressure.
• Injection timing.
• Injector spray pattern.
• Compression pressure.
• Fuel quality.
• Fuel cetane quality.
• Engine operating temperature.
• Atomisasi dan distribusi bahan bakar.

Pilot, Main, dan Post Injection

Pada engine elektronik modern, satu siklus pembakaran dapat memiliki lebih dari satu injection event.

Pilot injection menyemprotkan sedikit bahan bakar sebelum main injection. Tujuannya dapat mencakup mengurangi combustion noise dan mengendalikan kenaikan tekanan cylinder.

Main injection memasukkan sebagian besar bahan bakar yang digunakan untuk menghasilkan tenaga.

Post injection dilakukan setelah main injection pada kondisi tertentu. Strategi ini dapat digunakan untuk membantu pengaturan exhaust temperature atau aftertreatment system.

Gangguan yang Dapat Terjadi pada Power Stroke

• Injector tersumbat.
• Injector leaking.
• Spray pattern tidak normal.
• Fuel pressure rendah.
• Fuel pressure terlalu tinggi.
• Injection timing terlalu maju.
• Injection timing terlambat.
• Fuel contamination.
• Udara masuk ke fuel system.
• Compression pressure rendah.
• Wiring injector bermasalah.
• ECM tidak mengirimkan injector command.

Gejala Pembakaran Tidak Normal

• Asap hitam.
• Asap putih.
• Diesel knocking.
• Misfiring.
• Engine hunting.
• Tenaga engine rendah.
• Exhaust temperature tidak seimbang.
• Fuel consumption tinggi.
• Engine sulit hidup.

4. Exhaust Stroke atau Langkah Buang

Setelah power stroke selesai dan piston mendekati bottom dead center, exhaust valve mulai terbuka. Piston kemudian bergerak naik menuju top dead center dan mendorong gas hasil pembakaran keluar dari cylinder.

Pada langkah ini:

• Exhaust valve terbuka.
• Intake valve tertutup pada sebagian besar langkah.
• Piston bergerak dari BDC menuju TDC.
• Gas hasil pembakaran keluar menuju exhaust manifold.

Aliran Gas Exhaust

Pada engine turbocharged, gas exhaust biasanya mengalir melalui:

Exhaust valve → exhaust port → exhaust manifold → turbocharger turbine → aftertreatment atau muffler → exhaust pipe

Energi gas exhaust digunakan untuk memutar turbine wheel pada turbocharger. Turbine wheel terhubung dengan compressor wheel melalui shaft sehingga compressor dapat memampatkan udara masuk.

Dampak Exhaust Restriction

Jika jalur exhaust tersumbat, tekanan balik atau exhaust back pressure meningkat. Piston membutuhkan tenaga lebih besar untuk mendorong gas keluar dari cylinder.

Exhaust restriction dapat menyebabkan:

• Engine kurang tenaga.
• Respons engine lambat.
• Exhaust temperature tinggi.
• Boost tidak normal.
• Fuel consumption meningkat.
• Engine derate.
• Regeneration terlalu sering pada engine tertentu.

Komponen yang Perlu Diperiksa

• Exhaust valve.
• Exhaust manifold.
• Turbocharger turbine.
• Exhaust pipe.
• Muffler.
• Diesel oxidation catalyst.
• Diesel particulate filter.
• Exhaust temperature sensor.
• Differential pressure sensor.

Hubungan Piston, Crankshaft, dan Camshaft

Dalam satu siklus empat langkah:

• Piston bergerak turun saat intake.
• Piston bergerak naik saat compression.
• Piston bergerak turun saat power.
• Piston bergerak naik saat exhaust.
• Crankshaft berputar dua kali.
• Camshaft berputar satu kali.

Hubungan putaran tersebut harus dipertahankan secara tepat oleh timing gear, timing chain, atau mekanisme timing lainnya.

Jika timing gear bergeser atau pemasangannya tidak sesuai, valve dapat membuka pada waktu yang salah. Kondisi tersebut dapat menyebabkan low compression, sulit starting, tenaga rendah, asap, suara abnormal, bahkan benturan antara piston dan valve pada desain tertentu.

Apa Itu Valve Timing?

Dalam penjelasan sederhana, intake valve dianggap terbuka tepat ketika intake stroke dimulai dan menutup tepat ketika compression stroke dimulai. Namun, kondisi sebenarnya lebih kompleks.

Valve dapat:

• Mulai terbuka sebelum piston mencapai dead center.
• Tetap terbuka setelah piston melewati dead center.
• Mulai menutup sebelum langkah berikutnya selesai.

Pengaturan waktu tersebut dilakukan untuk membantu pengisian udara dan pembuangan gas yang lebih efektif pada berbagai engine speed.

Intake Valve Opening

Intake valve dapat mulai terbuka menjelang akhir exhaust stroke agar aliran udara mulai terbentuk sebelum piston bergerak turun pada intake stroke.

Intake Valve Closing

Intake valve dapat tetap terbuka beberapa saat setelah piston melewati BDC karena udara di dalam intake manifold masih memiliki momentum aliran.

Exhaust Valve Opening

Exhaust valve dapat mulai terbuka sebelum piston mencapai BDC pada akhir power stroke. Tekanan cylinder yang masih tinggi membantu mendorong sebagian gas keluar.

Exhaust Valve Closing

Exhaust valve dapat tetap terbuka beberapa saat setelah piston melewati TDC agar sisa gas exhaust dapat keluar dengan lebih baik.

Apa Itu Valve Overlap?

Valve overlap adalah kondisi ketika intake valve dan exhaust valve sama-sama terbuka dalam waktu singkat di sekitar akhir exhaust stroke dan awal intake stroke.

Tujuan valve overlap adalah membantu proses scavenging, yaitu mengeluarkan sisa gas pembakaran dan memulai masuknya udara baru.

Besarnya valve overlap berbeda untuk setiap desain engine. Karena itu, pemeriksaan valve timing harus menggunakan specification manual dan timing procedure dari produsen.

Firing Order pada Engine Multi-Cylinder

Engine alat berat biasanya memiliki lebih dari satu cylinder. Power stroke pada setiap cylinder tidak terjadi secara bersamaan, tetapi diatur berdasarkan firing order.

Tujuan firing order antara lain:

• Membuat putaran engine lebih halus.
• Mendistribusikan beban pada crankshaft.
• Mengurangi getaran.
• Menjaga keseimbangan pembakaran.
• Membantu engine menghasilkan torque secara berkelanjutan.

Firing order berbeda-beda berdasarkan jumlah cylinder dan desain engine. Jangan menentukan firing order hanya berdasarkan asumsi umum.

Hubungan Siklus Pembakaran dengan Warna Asap

Warna Asap	Hubungan dengan Siklus Pembakaran	Kemungkinan Penyebab
Hitam	Bahan bakar terbakar dengan udara tidak mencukupi	Air restriction, boost rendah, fuel berlebihan, overload
Putih	Bahan bakar tidak terbakar atau terlambat terbakar	Compression rendah, injector, timing, engine terlalu dingin
Biru	Oli ikut terbakar di combustion chamber	Piston ring, liner, valve seal, turbocharger
Abu-abu	Pembakaran tidak stabil atau terdapat campuran kontaminan	Injector, fuel quality, oil consumption, timing

Hubungan Siklus 4 Langkah dengan Gejala Kerusakan

Gejala	Langkah yang Berkaitan	Pemeriksaan Awal
Asap hitam	Intake dan power	Air filter, boost, injector, engine load
Asap putih saat starting	Compression dan power	Compression, injector, timing, cranking speed
Blow-by tinggi	Compression dan power	Piston ring, liner, piston
Engine kurang tenaga	Semua langkah	Air, fuel, compression, exhaust restriction
Exhaust temperature tinggi	Power dan exhaust	Fuel delivery, boost, overload, exhaust restriction
Misfiring satu cylinder	Compression dan power	Injector, compression, valve, wiring
Backfire dari intake	Intake dan compression	Valve timing, intake valve, valve clearance
Engine sulit hidup	Compression dan power	Cranking speed, compression, fuel pressure, timing

Cara Mengidentifikasi Cylinder yang Bermasalah

Periksa Fault Code

Periksa active dan logged diagnostic code menggunakan monitor unit atau diagnostic tool. Fault code dapat menunjukkan gangguan injector circuit, fuel pressure, crankshaft sensor, camshaft sensor, boost pressure, atau temperatur.

Bandingkan Exhaust Temperature

Temperatur exhaust setiap cylinder dapat dibandingkan menggunakan infrared thermometer atau data sensor jika tersedia.

Cylinder dengan temperatur jauh lebih rendah dapat mengalami:

• Injector tidak bekerja.
• Fuel delivery rendah.
• Compression rendah.
• Misfiring.

Cylinder dengan temperatur terlalu tinggi dapat mengalami overfueling, injector leaking, pembakaran terlambat, atau beban tidak seimbang.

Lakukan Cylinder Cut-Out Test

Cylinder cut-out test menonaktifkan injector satu per satu dan mengamati perubahan engine speed atau performa.

Jika satu cylinder dinonaktifkan tetapi hampir tidak terjadi perubahan, cylinder tersebut kemungkinan sudah tidak memberikan kontribusi tenaga yang normal.

Lakukan Relative Compression Test

Relative compression test membandingkan kontribusi compression masing-masing cylinder berdasarkan perubahan cranking speed atau electrical current starter.

Jika ditemukan ketidakseimbangan, diagnosis dapat dilanjutkan dengan compression pressure test, leakage test, borescope inspection, atau pemeriksaan valve train.

Urutan Pemeriksaan Siklus Pembakaran

1. Konfirmasi gejala dan kondisi terjadinya kerusakan.
2. Periksa active serta logged fault code.
3. Periksa cranking speed.
4. Periksa fuel level dan kualitas bahan bakar.
5. Periksa water separator dan fuel filter.
6. Periksa air filter dan intake restriction.
7. Periksa kebocoran intake serta charge-air system.
8. Periksa fuel supply pressure dan rail pressure.
9. Periksa boost pressure.
10. Bandingkan exhaust temperature setiap cylinder.
11. Lakukan cylinder cut-out test.
12. Lakukan relative compression test.
13. Periksa blow-by.
14. Periksa valve clearance.
15. Periksa valve timing dan kondisi timing gear.
16. Lakukan pemeriksaan internal hanya jika data mendukung.

Kesalahan yang Sering Dilakukan Mekanik

Menganggap Semua Asap Putih Disebabkan Injector

Asap putih dapat disebabkan oleh compression rendah, cranking speed rendah, engine terlalu dingin, injection timing terlambat, atau coolant yang masuk ke combustion chamber.

Langsung Membongkar Cylinder Head

Pembongkaran tidak seharusnya menjadi langkah pertama. Periksa fault code, fuel pressure, compression balance, exhaust temperature, dan valve clearance terlebih dahulu.

Mengabaikan Cranking Speed

Cranking speed terlalu rendah dapat membuat compression temperature tidak mencukupi meskipun kondisi piston ring dan liner masih baik.

Menganggap Engine Drop Selalu Disebabkan Pembakaran

Pada excavator, engine drop dapat disebabkan hydraulic pump menyerap horsepower terlalu besar. Performa engine dan hydraulic pump harus dianalisis bersamaan.

Tidak Menggunakan Specification Manual

Valve clearance, compression pressure, fuel pressure, boost pressure, exhaust temperature, dan timing mark berbeda untuk setiap engine.

FAQ Siklus 4 Langkah Engine Diesel

Berapa kali crankshaft berputar dalam satu siklus engine diesel empat langkah?

Crankshaft berputar dua kali atau 720 derajat untuk menyelesaikan intake, compression, power, dan exhaust stroke.

Berapa kali camshaft berputar dalam satu siklus?

Camshaft berputar satu kali atau 360 derajat dalam satu siklus. Kecepatan camshaft adalah setengah dari kecepatan crankshaft pada engine empat langkah.

Pada langkah apa bahan bakar diinjeksikan?

Bahan bakar mulai diinjeksikan mendekati akhir compression stroke, sebelum piston mencapai top dead center sesuai injection timing engine.

Pada langkah apa tenaga dihasilkan?

Tenaga secara langsung dihasilkan pada power stroke ketika tekanan pembakaran mendorong piston dari TDC menuju BDC.

Apakah intake valve terbuka selama seluruh intake stroke?

Tidak selalu. Pada engine sebenarnya, intake valve dapat mulai terbuka sebelum TDC dan menutup setelah BDC berdasarkan valve timing.

Apa yang terjadi jika intake valve bocor?

Udara dapat bocor kembali menuju intake manifold selama compression stroke sehingga compression pressure menurun dan engine sulit hidup atau kurang tenaga.

Apa yang terjadi jika exhaust valve bocor?

Tekanan compression dan pembakaran dapat bocor menuju exhaust port. Gejalanya dapat berupa sulit starting, tenaga rendah, misfiring, dan exhaust temperature tidak normal.

Mengapa engine diesel tidak menggunakan spark plug?

Engine diesel menggunakan compression ignition. Udara dikompresi hingga panas, kemudian bahan bakar diinjeksikan dan terbakar di dalam udara panas tersebut.

Apakah satu cylinder melakukan power stroke pada setiap putaran crankshaft?

Tidak. Pada engine empat langkah, satu cylinder melakukan satu power stroke untuk setiap dua putaran crankshaft.

Apa hubungan firing order dengan siklus empat langkah?

Firing order menentukan urutan cylinder yang melakukan power stroke agar torque engine lebih merata dan getaran dapat dikendalikan.

Kesimpulan

Siklus empat langkah engine diesel terdiri atas intake, compression, power, dan exhaust. Keempat langkah tersebut berlangsung dalam dua putaran crankshaft dan satu putaran camshaft.

Pada intake stroke, udara masuk ke cylinder. Pada compression stroke, udara dikompresi hingga tekanan dan temperaturnya meningkat. Mendekati akhir compression stroke, bahan bakar diinjeksikan dan terbakar. Tekanan pembakaran kemudian mendorong piston selama power stroke. Setelah itu, gas hasil pembakaran dikeluarkan pada exhaust stroke.

Setiap langkah bergantung pada kondisi air system, valve train, piston, liner, fuel system, turbocharger, exhaust system, dan electronic control.

Dengan memahami apa yang seharusnya terjadi pada setiap langkah, mekanik dapat menghubungkan gejala dengan kemungkinan penyebab secara lebih sistematis. Diagnosis dapat dilakukan berdasarkan data, bukan hanya berdasarkan perkiraan atau kebiasaan mengganti komponen.