Mobil konvensional, pendinginan dan pelumasan mesin: radiator, termostat, pompa air, cairan pendingin dan tutup bertekanan, oli dan kekentalan, tekanan oli, dan diagnosis panas berlebih

Sebuah hotel di daerah wisata berbukit memakai minibus bensin untuk menjemput tamu dari bandara. Suatu sore, dengan enam penumpang dan AC penuh, minibus terjebak macet di jalan menanjak menuju hotel, dan jarum suhu naik mendekati merah. Sopir menepi, membuka tutup radiator ketika mesin masih panas, dan cairan menyembur; tangannya melepuh ringan. Ia lalu mengisi radiator dengan air sumur dari warung terdekat. Seminggu kemudian, lampu tekanan oli berkedip ketika minibus diam di lobi dengan mesin panas.

Ketiga kejadian berhubungan dengan dua tugas yang sama: membuang panas mesin dan menjaga lapisan oli di bantalan. Bab ini menjelaskan jalur panas dari ruang bakar ke udara, mengapa cairan pendingin bukan air biasa, mengapa tutup radiator bertekanan, arti angka kekentalan oli dan lampu tekanan oli, dan urutan diagnosis panas berlebih.

Batas pembahasan

Bab ini membahas sistem pendingin cair dan sistem pelumasan mesin mobil bensin dan diesel dari sisi teknisi armada. Neraca energi mesin ada di Bab 3; perpindahan panas dan penukar panas di Bab 24 · Fisika dan Bab 7 · Fluida & Termal; rezim pelumasan dan kelas ISO VG di Bab 8 · Mekanikal & Mekatronika; viskositas dinamis dan kinematik di Bab 4 · Fluida & Termal; segel mekanis di Bab 9 · Mekanikal & Mekatronika; pendinginan motor dan inverter kendaraan listrik di Bab 8 dan Bab 23; mesin sepeda motor di Bab 11; dan penanganan bahan kimia di Bab 6 · Keselamatan. Air pendingin menara di Bab 10 · Utilitas adalah sistem lain. Membongkar mesin, pompa, atau kepala silinder tidak dibahas.

Suhu buka termostat, tekanan tutup radiator, tekanan oli minimum, dan kelas oli untuk mesin tertentu adalah data pabrik dan tidak diberi angka umum; angka di contoh dan latihan bab ini bukan angka mesin tertentu.

Neraca panas dan jalur pendinginan

Bab 3 tentang mesin pembakaran dalam menjelaskan bahwa dari energi bahan bakar, kira-kira sepertiga menjadi kerja poros pada kondisi terbaik, sekitar sepertiga keluar lewat gas buang, dan sisanya ke air pendingin, oli, dan sekitar. Mesin bensin mobil modern berefisiensi sekitar 30 persen. Panas yang masuk ke cairan pendingin harus dibuang ke udara dengan laju yang sama; bila tidak, suhu naik terus.

Cairan menyerap panas di jaket air blok dan kepala silinder, didorong pompa air, melewati termostat, lalu melepaskan panas di radiator ke udara yang ditarik kipas atau didorong laju kendaraan. Laju kalor yang dibawa cairan:

$$\dot{Q} = \dot{m}\,c_p\,\Delta T$$

dengan $\dot{Q}$ laju kalor dalam kW, $\dot{m}$ laju massa cairan dalam kg/s, $c_p$ kalor jenis cairan dalam kJ/(kg·K), dan $\Delta T$ selisih suhu masuk dan keluar radiator dalam K, seperti di Bab 8 tentang motor traksi dan inverter.

Radiator (radiator) adalah penukar panas cairan ke udara yang terdiri atas tabung berisi cairan pendingin dan sirip tipis yang dilalui udara. Prinsip penukar panas di Bab 24 · Fisika dan Bab 7 · Fluida & Termal berlaku: kalor yang dilepas sebanding dengan luas, koefisien perpindahan panas, dan selisih suhu cairan dan udara. Sebuah soal rancangan radiator mobil memakai suhu udara masuk 37,88 °C pada 80 km/jam. Angka itu data soal, tetapi mengingatkan bahwa udara yang masuk radiator dapat lebih panas daripada udara sekitar, terutama saat macet di belakang kendaraan lain. Saat merayap di tanjakan, mesin bekerja berat, laju kendaraan tidak lagi mendorong udara, dan kipas menjadi satu-satunya penggerak udara (Contoh 2).

Termostat, pompa air, dan kipas

Termostat (thermostat) adalah katup peka suhu yang menahan cairan di dalam mesin sampai suhu kerjanya tercapai, lalu membuka jalur ke radiator. Sebagian termostat sistem pendingin berjenis puputan. Termostat mobil modern umumnya berisi lilin yang memuai dan mendorong katup, dan sebagian dipanaskan listrik serta dikendalikan pengendali mesin. Suhu bukanya biasanya dicap di badannya dan berbeda antarmesin. Termostat macet tertutup membuat mesin cepat panas berlebih; termostat macet terbuka membuat mesin lama dingin, boros, dan cepat aus, seperti di Bab 3 tentang mesin pembakaran dalam.

Pompa air (water pump) adalah pompa sentrifugal yang mengalirkan cairan pendingin melalui mesin dan radiator, digerakkan sabuk atau rantai, dan pada sebagian mesin baru digerakkan motor listrik. Tetesan dari lubang pembuangan di badan pompa menandai segel mekanisnya aus, seperti segel mekanis pompa di Bab 9 · Mekanikal & Mekatronika. Sabuk yang kendur menurunkan aliran dan sering mencicit.

Kipas radiator listrik dikendalikan sensor suhu atau pengendali mesin, dan biasanya juga menyala ketika AC dinyalakan. Kipas yang mati paling terasa saat mobil diam atau macet, karena pada kecepatan jalan raya udara didorong laju kendaraan. Kipas listrik dapat berputar sendiri walau kunci dicabut, jadi tangan dan kabel dijauhkan dari kipas. Sirip radiator dan kondensor AC yang tersumbat debu, serangga, atau serat dari area bongkar muat menurunkan aliran udara dengan cara yang sama.

Cairan pendingin: glikol, titik beku, dan titik didih

Cairan pendingin (coolant) adalah campuran air dan glikol dengan zat penghambat korosi yang membawa panas dari mesin ke radiator. Antibeku di kebanyakan radiator mobil adalah campuran etilena glikol dan air dengan volume sama, dengan sedikit aditif pencegah korosi. Garam ionik tidak dipakai sebagai antibeku radiator karena mempercepat korosi logam, sehingga dipakai senyawa kovalen seperti etilena atau propilena glikol; glikol tidak hanya menurunkan titik beku tetapi juga menaikkan titik didih, sehingga berguna di musim dingin maupun panas. Bagi Indonesia, kenaikan titik didih dan perlindungan korosi itulah alasannya.

Untuk larutan ideal:

$$\Delta T_f = K_f\,m \qquad \Delta T_b = K_b\,m$$

dengan $\Delta T_f$ penurunan titik beku dan $\Delta T_b$ kenaikan titik didih dalam °C, $m$ molalitas dalam mol zat terlarut per kilogram air, dan untuk air $K_f = 1{,}86$ °C/m dan $K_b = 0{,}512$ °C/m. Larutan 2,22 kg etilena glikol dalam 2,00 kg air, kira-kira 2 L glikol dan 2 L air, adalah larutan 17,9 molal dengan titik didih ideal 109,2 °C.

Lembar data seorang pemasok untuk campuran 50/50 menyebut titik beku sekitar −37 °C dan titik didih sekitar 106 °C pada tekanan atmosfer; angka lain yang beredar sekitar −34 sampai −36 °C dan sekitar 108 °C, sebagian karena beda dasar persen volume dan persen massa. Larutan sepekat itu tidak ideal, jadi angka pabrik cairan yang dipakai.

Hal praktis:

1. Jenis penghambat korosi berbeda antarproduk, dan mencampur jenis yang berbeda dapat menurunkan perlindungan; ikuti spesifikasi pabrik kendaraan.
2. Pengencer memakai air suling atau air bebas mineral. Air sumur membawa mineral yang mengendap di saluran sempit, dan menambah air saja menurunkan titik didih dan kadar penghambat korosi (Contoh 3).
3. Etilena glikol beracun bila tertelan; tumpahan dibersihkan, cairan bekas dikumpulkan sebagai limbah kimia, dan wadah diberi label, seperti di Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi.

Tutup radiator bertekanan dan bahaya membuka saat panas

Titik didih (boiling point) adalah suhu ketika tekanan uap kesetimbangan cairan sama dengan tekanan di atas cairan, dan titik didih normal adalah titik didih pada 1 atm atau 101,3 kPa. Menaikkan tekanan sistem berarti menaikkan titik didih. Tutup radiator bertekanan (pressure cap) adalah tutup berpegas dengan katup tekanan yang menahan sistem pendingin di atas tekanan atmosfer dan katup vakum yang membiarkan cairan kembali dari tangki ekspansi saat dingin. Tekanan bukanya dicap pada tutup dan khas pabrik.

Hubungan tekanan uap dan suhu dinyatakan persamaan Clausius-Clapeyron:

$$\ln\frac{P_2}{P_1} = \frac{\Delta H_\text{vap}}{R}\left(\frac{1}{T_1} - \frac{1}{T_2}\right)$$

dengan $P$ tekanan mutlak dalam kPa, $T$ suhu dalam K, $R = 8{,}314$ J/(mol·K), dan $\Delta H_\text{vap}$ entalpi penguapan, untuk air pada titik didihnya 40,67 kJ/mol. Air murni di bawah tutup 100 kPa di atas atmosfer, angka contoh karena tekanan sebenarnya dicap di tutup, mendidih sekitar 120,6 °C. Glikol menaikkannya lagi, tetapi bab ini tidak memberi angka untuk campuran bertekanan.

Di sinilah bahayanya. Cairan pada 110 sampai 120 °C di sistem bertekanan tidak mendidih, tetapi bila tutup dibuka, tekanan turun ke atmosfer dan sebagian cairan langsung menjadi uap yang menyemburkan campuran mendidih ke muka dan tangan (Contoh 4). Tutup radiator dan tutup tangki ekspansi bertekanan hanya dibuka setelah mesin dingin. Tutup dengan pegas lemah atau seal retak membuat sistem tidak bertekanan, sehingga cairan mendidih lebih awal dan hilang lewat tangki ekspansi.

Oli mesin: kekentalan, kelas SAE, dan kategori API

Viskositas (viscosity) adalah ukuran hambatan cairan untuk mengalir. Oli motor mengalir lebih lambat daripada air atau bensin, dan viskositas turun saat suhu naik karena molekul lebih mudah mengatasi gaya antarmolekul. Pada 25 °C, viskositas air 0,890 mPa·s, etilena glikol 16,1 mPa·s, dan oli motor sekitar 50 sampai 500 mPa·s, sehingga oli motor 56 sampai 560 kali lebih kental daripada air. Viskositas kinematik dibahas di Bab 4 · Fluida & Termal, dan rezim pelumasan serta kelas ISO VG oli industri di Bab 8 · Mekanikal & Mekatronika.

Oli mesin harus cukup encer untuk segera sampai ke bantalan saat start dan cukup kental untuk menahan lapisan pada suhu kerja. Kelas kekentalan SAE (SAE viscosity grade) adalah penggolongan oli mesin menurut standar SAE J300 berdasarkan sifat alir pada suhu dingin dan kekentalan pada suhu kerja. Pokok penggolongannya:

1. Angka dengan huruf W, misalnya 5W, ditentukan oleh suhu terdingin ketika oli masih lulus uji simulator engkol dingin dan uji kemampuan pompa.
2. Angka tanpa W, misalnya 30, ditentukan oleh viskositas kinematik pada 100 °C dan viskositas minimum pada suhu dan laju geser tinggi pada 150 °C.
3. Oli multigrade seperti 5W-30 harus memenuhi kedua kriteria.

Angka batas tiap kelas berbeda antarrevisi J300, jadi tabelnya tidak dimuat, dan viskositas kinematik sebuah oli dibandingkan dengan lembar data oli dan revisi J300 yang berlaku. Oli 5W-30 dan 10W-30 sama-sama kelas 30 pada suhu kerja; bedanya pada perilaku saat dingin.

Kategori kinerja API (API service category) adalah penggolongan mutu oli mesin oleh lembaga perminyakan Amerika Serikat berdasarkan serangkaian uji mesin dan uji laboratorium. Kategori ini terpisah dari kelas kekentalan. Kategori oli mesin bensin terbaru, API SQ, bersama ILSAC GF-7A dan GF-7B mulai dilisensikan 31 Maret 2025, menggantikan API SP dengan perbaikan efisiensi bahan bakar dan perlindungan terhadap pra-penyalaan kecepatan rendah, dan kompatibel mundur. Kategori oli diesel tidak dibahas. Kelas, kategori, dan selang ganti untuk mesin tertentu diambil dari manual pabrik; oli yang lebih kental dari anjuran tidak otomatis lebih melindungi, karena lebih lambat sampai ke bantalan saat start.

Tekanan oli dan lampu peringatan

Bak engkol terdiri atas bagian bawah blok silinder dan bak oli. Dari bak oli, pompa oli mengisap lewat saringan kasar, mendorong oli melewati saringan oli ke bantalan poros engkol dan bagian lain, lalu oli kembali ke bak. Tekanan timbul karena aliran pompa dihambat celah bantalan, dan katup pelepas membatasi tekanan tertinggi. Tekanan turun bila oli kurang, terlalu encer karena panas atau tercampur bahan bakar, saringan tersumbat, pompa aus, atau celah bantalan membesar.

Lampu tekanan oli dinyalakan sakelar tekanan yang menutup pada tekanan sangat rendah. Lampu itu bukan penunjuk ketinggian oli; saat menyala, mesin sudah hampir kehilangan pelumasan, dan mesin dimatikan secepatnya dengan aman. Lampu yang berkedip hanya saat mesin panas dan diam, seperti di kasus pembuka, menunjuk tekanan di batas sakelar: oli encer atau rusak setelah panas berlebih, ketinggian oli kurang, atau keausan. Tekanan sebenarnya diukur dengan pengukur mekanis di lubang sakelar dan dibandingkan dengan batas pabrik pada putaran dan suhu tertentu.

Sebuah laporan lapangan memberi contoh gejala: tekanan oli normalnya stabil 40 psi tetapi turun ke 20 sampai 25 psi ketika bunyi ketukan muncul. Tekanan yang turun bersama bunyi dari bagian bawah mesin menunjuk bantalan aus; angka itu khas satu mesin, bukan patokan (Contoh 5). Oli yang terlalu panas menjadi encer dan teroksidasi, jadi mesin yang pernah panas berlebih diperiksa olinya sebelum dipakai lagi.

Diagnosis panas berlebih dan kebocoran

Urutan berikut bergerak dari yang mudah dan aman ke yang memerlukan alat:

1. Catat kondisinya: macet atau jalan cepat, tanjakan, AC, muatan, suhu udara, dan apakah suhu naik pelan atau mendadak.
2. Dengan mesin dingin, periksa ketinggian, warna, dan bau cairan, serta bekas rembesan di selang, klem, radiator, pompa air, dan di bawah mobil.
3. Periksa kipas pada suhu kerja dan saat AC dinyalakan.
4. Periksa sirip radiator dan kondensor dari kotoran, dan sabuk pompa.
5. Periksa termostat: selang atas radiator yang tetap dingin saat mesin sudah panas menunjuk termostat tidak membuka.
6. Uji tekanan sistem dengan pompa uji pada tekanan tutup, dan uji tutupnya.
7. Bila cairan hilang tanpa bocor luar, uji gas pembakaran dalam cairan.

Jarum suhu dapat menipu ketika cairan sangat kurang: sensornya berada di kantong uap dan membaca rendah walau mesin terlalu panas.

Uji gas pembakaran (combustion leak test) adalah pengujian dengan cairan penguji yang berubah warna bila gas dari ruang bakar masuk ke sistem pendingin. Sebuah laporan lapangan menyebut hasil negatif, cairan penguji tetap biru, pada mesin yang tidak pernah panas berlebih; hasil seperti itu menyingkirkan satu dugaan, bukan memastikan mesin sehat. Tanda kebocoran internal lain: asap putih berbau manis, gelembung terus-menerus di tangki ekspansi, atau oli yang tampak seperti susu. Mesin pembuat es memakai sakelar pengaman yang membuka bila terjadi panas berlebih; mesin mobil tidak selalu mematikan diri, jadi sopirlah yang harus berhenti ketika peringatan suhu muncul.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: panas ke cairan pendingin. Saat menanjak dengan muatan penuh, mesin minibus membakar bahan bakar dengan daya 90 kW. Bila sekitar 30 persen masuk ke cairan, $\dot{Q} = 27$ kW. Dengan $c_p$ campuran 3,6 kJ/(kg·K) seperti di Bab 8 tentang motor traksi dan selisih suhu radiator 8 K, $\dot{m} = 27/(3{,}6 \times 8) = 0{,}94$ kg/s; dengan massa jenis sekitar 1,07 kg/L, sekitar 0,88 L/s atau 53 L/menit. Bila aliran pompa turun separuh, selisih suhu menjadi dua kali, 16 K.

Contoh 2: radiator dan kipas. Sebagai model sederhana, radiator melepas $\dot{Q} = UA\,(T_\text{cair} - T_\text{udara})$ dengan $UA$ dalam kW/K. Dengan kipas menyala dan $UA = 0{,}42$ kW/K, 27 kW dari Contoh 1 dilepas ketika cairan $30 + 27/0{,}42 = 94$ °C untuk udara masuk 30 °C. Di belakang kendaraan lain, udara masuk 45 °C, dan suhu kesetimbangan menjadi $45 + 27/0{,}42 = 109$ °C. Bila kipas mati dan $UA$ turun ke 0,15 kW/K, diperlukan $30 + 27/0{,}15 = 210$ °C, jadi cairan mendidih sebelum panasnya terbuang.

Contoh 3: cairan yang diencerkan air sumur. Misalkan sistem kini berisi 1 L glikol dan 3 L air. Dengan massa jenis glikol sekitar 1,11 kg/L yang tersirat dari larutan 2,22 kg glikol, kira-kira 2 L, di bagian cairan pendingin, glikol $1.110/62{,}07 = 17{,}9$ mol dalam 3,00 kg air, molalitas 5,96 m. Secara ideal $\Delta T_b = 0{,}512 \times 5{,}96 = 3{,}1$ °C, titik didih sekitar 103 °C pada 1 atm, sekitar 6 °C lebih rendah daripada campuran 50/50 dalam model yang sama, dan kadar penghambat korosi ikut turun separuh.

Contoh 4: membuka tutup saat panas. Sistem berisi sekitar 6 kg cairan pada 115 °C. Dengan air sebagai model, bila tekanan turun ke 1 atm, kalor lebih di atas 100 °C sebesar $4{,}18 \times 15 = 62{,}7$ J/g, dengan kalor jenis air 4,18 J/(g·°C), menguapkan sebagian cairan. Kalor penguapan $40.670/18{,}02 = 2.257$ J/g, sehingga sekitar $62{,}7/2.257 = 2{,}8$ persen cairan, sekitar 0,17 kg atau 9,25 mol, menjadi uap seketika. Pada 100 °C dan 1 atm, volumenya sekitar $9{,}25 \times 30{,}6 = 283$ L, hampir 50 kali volume cairan di sistem, dan uap itu mendorong cairan mendidih keluar lewat leher radiator.

Contoh 5: tekanan oli dari laporan lapangan. Laporan lapangan menyebut 40 psi turun ke 20 sampai 25 psi saat ketukan muncul. Dengan 1 psi = 6,895 kPa, itu 276 kPa turun ke 138 sampai 172 kPa, penurunan 38 sampai 50 persen. Penurunan sebesar itu pada putaran dan suhu yang sama bukan variasi biasa. Untuk armada, tekanan dengan pengukur mekanis dicatat pada putaran diam dan satu putaran tertentu ketika mesin sehat, sebagai pembanding.

Contoh 6: uji tekanan sistem. Sistem yang dingin dipompa ke tekanan tutup, misalnya 100 kPa, lalu dibiarkan 15 menit. Tekanan turun ke 60 kPa, sekitar 2,7 kPa per menit, tanpa tetesan di luar. Berikutnya diperiksa pemanas kabin bila ada dan bagian di balik dasbor, lalu cairan diuji gas pembakaran. Hasil positif atau oli seperti susu menunjuk kebocoran internal yang ditangani bengkel.

Kondisi berhenti

Hentikan kendaraan atau pekerjaan dan serahkan kepada bengkel berwenang bila:

1. Jarum suhu di zona merah, lampu suhu menyala, atau uap keluar dari ruang mesin; menepi dengan aman, matikan mesin bila suhu tidak turun, dan jangan membuka tutup bertekanan sampai dingin.
2. Lampu tekanan oli menyala atau berkedip saat mesin hidup; mesin tidak dijalankan lagi sampai penyebabnya diketahui.
3. Ada bunyi ketukan dari bagian bawah mesin, terutama bersama tekanan oli yang turun.
4. Oli tampak seperti susu, asap putih tebal berbau manis, atau gelembung terus-menerus di tangki ekspansi.
5. Mesin pernah panas berlebih berat; kepala silinder, paking, dan oli diperiksa bengkel sebelum dipakai lagi.
6. Cairan pendingin tertelan, mengenai mata, atau tumpah banyak; ikuti lembar data keselamatan dan Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 3 memberi neraca energi mesin, Bab 24 · Fisika dan Bab 7 · Fluida & Termal penukar panas, Bab 8 · Mekanikal & Mekatronika dan Bab 4 · Fluida & Termal pelumasan dan viskositas, Bab 9 · Mekanikal & Mekatronika segel pompa, dan Bab 8 serta Bab 23 pendinginan penggerak dan baterai kendaraan listrik. Bab 11 membahas pendinginan dan oli sepeda motor, Bab 19 kelistrikan 12 volt, termasuk relai kipas, dan Bab 21 emisi dan diagnosis mobil.

Latihan dan pembahasan

Referensi