Katup mesin adalah komponen mekanis yang digunakan dalam mesin pembakaran internal untuk memungkinkan atau membatasi aliran cairan atau gas ke dan dari ruang bakar atau silinder selama operasi mesin. Secara fungsional, mereka melakukan hal yang mirip dengan banyak jenis katup lainnya dalam hal memblokir atau melewatkan aliran, namun, mereka adalah perangkat mekanis murni yang berinteraksi dengan komponen mesin lain seperti lengan ayun untuk membuka dan menutup dalam urutan yang benar dan dengan waktu yang tepat.
Istilah katup mesin juga dapat merujuk pada jenis katup periksa yang digunakan untuk injeksi udara sebagai bagian dari kontrol emisi dan sistem resirkulasi gas buang di kendaraan. Jenis katup mesin ini tidak akan dibahas dalam artikel ini.
Katup mesin yang umum untuk banyak jenis mesin pembakaran, apakah mereka menjalankan bahan bakar seperti bensin, solar, minyak tanah, gas alam (LNG), atau propana (LP). Jenis mesin bervariasi berdasarkan jumlah silinder yang merupakan ruang bakar yang menghasilkan tenaga dari pengapian bahan bakar. Mereka juga bervariasi menurut jenis operasi (2-siklus atau 4-siklus), dan dengan penempatan desain katup di dalam mesin [katup overhead (OHV), cam overhead (OHC), atau katup dalam blok (VIB)] .
Artikel ini akan menjelaskan secara singkat pengoperasian katup mesin pada mesin pembakaran biasa, serta menyajikan informasi tentang jenis katup dan desain serta bahannya. Informasi lebih lanjut tentang jenis katup lainnya dapat ditemukan di panduan terkait kami Memahami Katup.
Nomenklatur Katup Mesin
Sebagian besar katup mesin dirancang sebagai katup gaya kecil karena gerakannya yang naik turun dan memiliki kepala katup profil berbentuk kerucut yang cocok dengan kursi katup mesin untuk menutup aliran cairan atau gas. Mereka juga disebut katup jamur karena bentuk kepala katup yang khas. Gambar 1 menunjukkan nomenklatur untuk elemen yang berbeda dalam katup mesin yang khas.
Diagram yang menunjukkan nomenklatur katup poppet.
Gambar 1 - Nomenklatur untuk katup mesin gaya poppet standar.
Kredit gambar: https://dieselnet.com
Dua elemen utama adalah batang katup dan kepala katup. Kepala berisi fillet yang mengarah ke permukaan dudukan yang dikerjakan pada sudut tertentu agar sesuai dengan pemesinan dudukan katup yang akan cocok. Tempat duduk dari muka katup ke dudukan katup adalah apa yang menyediakan segel untuk katup terhadap tekanan pembakaran.
Batang katup menghubungkan katup ke elemen mekanis di mesin yang mengoperasikan katup dengan menciptakan gaya untuk menggerakkan batang melawan tekanan dudukan yang disediakan oleh pegas katup. Alur penjaga digunakan untuk menahan pegas pada posisinya, dan ujung batang katup berulang kali dihubungi oleh lengan ayun, tappet, atau pengangkat yang menggerakkan katup.
Pengoperasian Mesin
Mesin pembakaran internal empat langkah atau empat langkah menggunakan dua jenis utama katup – katup masuk dan katup buang. Katup masuk dibuka untuk memungkinkan aliran campuran udara/bahan bakar ke dalam silinder mesin sebelum kompresi dan pengapian, sedangkan katup buang terbuka untuk memungkinkan pengusiran gas buang dari proses pembakaran setelah penyalaan terjadi.
Dalam operasi normal, poros engkol di mesin tempat piston terpasang diikat ke poros bubungan sebagai bagian dari susunan rangkaian katup untuk mesin. Gerakan poros engkol mentransfer gerakan ke poros bubungan melalui rantai waktu, sabuk waktu, atau mekanisme roda gigi lainnya. Pengaturan waktu dan keselarasan antara posisi poros engkol (yang menentukan posisi piston di dalam silinder) dan posisi poros bubungan (yang menentukan posisi katup untuk silinder) sangat penting tidak hanya untuk kinerja mesin puncak tetapi juga untuk mencegah gangguan antara piston dan katup di mesin kompresi tinggi.
Dalam siklus intake, piston silinder intake berputar ke bawah saat katup intake terbuka. Gerakan piston menciptakan tekanan negatif yang membantu menarik campuran udara/bahan bakar ke dalam silinder. Tepat setelah piston mencapai posisi terendah di dalam silinder (dikenal sebagai titik mati bawah), katup masuk menutup. Dalam siklus kompresi, katup masuk ditutup untuk menutup silinder saat piston naik di dalam silinder ke posisi tertinggi (dikenal sebagai titik mati atas), yang memampatkan campuran udara/bahan bakar hingga volume kecil. Tindakan kompresi ini berfungsi untuk memberikan tekanan yang lebih tinggi terhadap piston saat bahan bakar dinyalakan serta pemanasan awal campuran untuk membantu pembakaran bahan bakar yang efisien. Dalam siklus daya, campuran udara/bahan bakar dinyalakan yang menciptakan ledakan yang memaksa piston kembali ke posisi terendah dan mentransfer energi kimia yang dilepaskan dengan membakar campuran udara/bahan bakar ke dalam gerakan rotasi poros engkol. Siklus buang membuat piston kembali naik ke atas di dalam silinder sementara katup masuk tetap tertutup dan katup buang sekarang terbuka. Tekanan yang diciptakan oleh piston membantu memaksa gas buang keluar dari silinder melalui katup buang dan masuk ke manifold buang. Terhubung ke manifold buang adalah sistem pembuangan, satu set pipa yang mencakup knalpot untuk mengurangi kebisingan akustik, dan sistem catalytic converter untuk mengelola emisi dari pembakaran mesin. Setelah piston mencapai bagian atas silinder dalam siklus buang, katup buang mulai menutup dan katup masuk mulai terbuka, memulai proses dari awal lagi. Perhatikan bahwa tekanan silinder pada asupan membantu menjaga katup masuk tetap terbuka dan tekanan tinggi dalam siklus kompresi membantu menjaga kedua katup tetap tertutup.
Pada mesin yang memiliki banyak silinder, empat siklus yang sama berulang di masing-masing silinder tetapi berurutan sehingga mesin menghasilkan tenaga yang halus dan meminimalkan kebisingan dan getaran. Urutan gerakan piston, gerakan katup, dan pengapian dicapai melalui desain mekanis yang tepat dan waktu elektrik dari sinyal pengapian ke busi yang menyalakan campuran udara/bahan bakar.
Gerakan Katup Mesin
Gerakan katup-katup mesin digerakkan oleh poros bubungan mesin, yang berisi rangkaian lobus atau bubungan yang berfungsi untuk menciptakan gerak linier katup dari putaran poros bubungan. Jumlah lobus cam pada camshaft sama dengan jumlah katup di mesin. Ketika camshaft berada di kepala silinder, mesin disebut desain overhead cam (OHC); ketika camshaft berada di blok mesin, mesin disebut desain overhead valve (OHV). Terlepas dari desain mesin, gerakan dasar katup mesin terjadi oleh cam yang menunggangi pengangkat atau tappet yang memberikan gaya yang menekan batang katup dan menekan pegas katup, sehingga menghilangkan tegangan pegas yang menahan katup dalam posisi tertutup. Gerakan batang katup ini mengangkat katup dari dudukan di kepala silinder dan membuka katup. Setelah camshaft berputar lebih jauh dan cam lobe bergerak sehingga bagian eksentrik tidak lagi bersentuhan langsung dengan pengangkat atau tappet, tekanan pegas menutup katup saat batang katup bergerak pada bagian sentris dari cam lobe.
Mempertahankan celah katup yang tepat antara batang katup dan lengan ayun atau cam sangat penting untuk pengoperasian katup yang benar. Beberapa jarak bebas minimal diperlukan untuk memungkinkan perluasan bagian logam saat suhu mesin naik selama operasi. Nilai jarak bebas spesifik bervariasi dari mesin ke mesin, dan kegagalan untuk mempertahankan jarak bebas yang tepat dapat memiliki konsekuensi serius terhadap operasi dan kinerja mesin. Jika celah katup terlalu besar, maka katup akan membuka lebih lambat dari optimal dan akan menutup lebih cepat, yang dapat menurunkan kinerja mesin dan meningkatkan kebisingan mesin. Jika celah katup terlalu kecil, katup tidak akan menutup sepenuhnya, yang dapat mengakibatkan hilangnya kompresi. Pengangkat katup hidraulik dapat mengkompensasi sendiri dan dapat menghilangkan kebutuhan untuk penyesuaian jarak bebas katup.
Mesin pembakaran modern dapat menggunakan jumlah katup yang berbeda per silinder tergantung pada desain dan aplikasinya. Mesin yang lebih kecil seperti yang digunakan pada mesin pemotong rumput mungkin hanya memiliki satu katup masuk dan satu katup buang. Mesin kendaraan yang lebih besar seperti mesin 4-, 6- atau 8-silinder dapat menggunakan empat katup per silinder atau kadang-kadang lima.
Bahan Katup Mesin
Katup mesin adalah salah satu komponen dalam mesin pembakaran internal yang sangat tertekan. Kebutuhan akan pengoperasian mesin yang andal menyatakan bahwa katup mesin mampu menunjukkan ketahanan terhadap paparan berulang dan terus menerus terhadap suhu tinggi, tekanan tinggi dari ruang bakar, dan beban mekanis serta tekanan dari dinamika mesin.
Katup masuk pada mesin pembakaran internal mengalami lebih sedikit tekanan termal karena efek pendinginan dari campuran udara/bahan bakar yang masuk yang melewati katup selama siklus masuk. Katup buang, sebaliknya, terkena tingkat tekanan termal yang lebih tinggi dengan berada di jalur gas buang selama siklus buang mesin. Selain itu, fakta bahwa katup buang terbuka selama siklus buang dan tidak bersentuhan dengan kepala silinder berarti massa termal yang lebih kecil dari permukaan pembakaran dan kepala katup memiliki potensi yang lebih besar untuk perubahan suhu yang cepat.
Katup masuk, karena suhu operasinya yang lebih rendah, biasanya terbuat dari bahan seperti krom, nikel, atau baja tungsten. Katup buang suhu yang lebih tinggi dapat menggunakan lebih banyak logam tahan panas seperti nikrom, silikon-kromium, atau paduan kobalt-kromium.
Permukaan katup yang terkena suhu yang lebih tinggi terkadang dibuat lebih tahan lama dengan pengelasan Stellite, yang merupakan paduan kobalt dan kromium, ke permukaan katup.
Jenis bahan lain yang digunakan untuk fabrikasi katup mesin termasuk baja tahan karat, titanium, dan paduan tribaloy.
Selain itu, pelapis dan pelapis permukaan dapat diterapkan untuk meningkatkan sifat mekanik dan karakteristik keausan katup mesin. Contohnya termasuk pelapisan kromium, pelapisan fosfat, pelapisan nitrida, dan penyelesaian putaran.
Jenis Katup Mesin
Selain karakterisasi katup mesin berdasarkan fungsinya (masuk versus buang), ada beberapa jenis katup mesin yang ada berdasarkan desain dan bahannya. Jenis utama katup mesin meliputi:
Katup mesin monometalik
Katup mesin bimetalik
Katup mesin berongga
Katup mesin monometalik, seperti namanya, dibuat dari bahan tunggal yang membentuk batang katup dan kepala katup. Jenis katup mesin ini memberikan ketahanan panas yang tinggi dan menunjukkan kemampuan anti-gesekan yang baik.
Katup mesin bimetal, juga dikenal sebagai katup mesin bimetal, dibuat dengan menggabungkan dua bahan yang berbeda bersama-sama menggunakan proses pengelasan gesekan untuk membuat katup yang memiliki baja austenitik pada kepala katup dan baja martensit untuk batang katup. Sifat masing-masing baja ini memiliki tujuan yang optimal, di mana baja austenitik pada kepala katup memberikan ketahanan suhu tinggi dan ketahanan korosi, dan baja martensit untuk batang katup menawarkan kekuatan tarik tinggi dan ketahanan aus abrasif.
Katup mesin berongga adalah katup bimetal khusus yang berisi rongga berongga yang diisi dengan natrium. Natrium mencair saat suhu katup naik dan disirkulasikan oleh gerakan katup, yang membantu menghilangkan panas dari kepala katup yang lebih panas. Desain berongga memfasilitasi perpindahan panas yang lebih besar melalui batang dibandingkan dengan katup padat karena bahan batang martensit adalah konduktor panas yang lebih baik daripada bahan kepala austenitik. Katup berongga sangat cocok untuk digunakan pada mesin modern yang menghasilkan lebih banyak tenaga dari desain mesin yang lebih kecil dan lebih padat yang memiliki suhu gas buang lebih tinggi yang tidak dapat ditangani oleh katup padat. Temperatur gas buang yang lebih tinggi ini disebabkan oleh beberapa kondisi, antara lain:
Keinginan untuk proses pembakaran tanpa lemak yang mengurangi emisi gas rumah kaca
Desain mesin dengan rasio kompresi yang lebih tinggi dan tekanan pembakaran yang lebih tinggi yang menawarkan efisiensi yang lebih besar
Desain manifold terintegrasi yang mendukung turbocharger untuk performa engine yang lebih baik dari engine yang lebih kecil
Ada beberapa jenis desain katup mesin lainnya. Apa yang disebut katup selongsong terdiri dari tabung atau selongsong yang berada di antara dinding silinder dan piston, dan yang meluncur atau berputar didorong dari poros bubungan seperti halnya katup mesin lainnya. Pergerakan katup selongsong menyebabkan lubang yang dipotong ke dalam selongsong untuk sejajar dengan lubang yang sesuai di dinding silinder pada titik yang berbeda dalam siklus mesin, sehingga berfungsi sebagai katup masuk dan buang mesin sederhana tanpa kerumitan rocker arm dan pengangkat.
Spesifikasi Katup Mesin
Katup mesin tipikal ditentukan oleh parameter yang diuraikan di bawah ini. Perhatikan bahwa data ini dimaksudkan untuk tujuan informasi dan ketahuilah bahwa variasi dalam parameter yang digunakan untuk menentukan katup mesin mungkin ada dari pabrikan ke pabrikan. Dengan memahami spesifikasi, pembeli lebih siap untuk terlibat dalam diskusi tentang kebutuhan spesifik mereka dengan pemasok katup mesin.
