Sepeda motor konvensional, mesin: empat langkah dan dua langkah, isi silinder dan rasio kompresi, pendinginan udara dan cairan, katup dan celah katup, pelumasan dan oli, dan tanda keausan

Laundry sebuah rumah sakit memakai tiga sepeda motor bebek untuk mengantar linen bersih ke gedung rawat inap. Motor yang paling tua, bermesin empat langkah satu silinder berpendingin udara, makin lemah di jalan landai menuju gedung parkir dan setiap pagi berasap putih selama beberapa menit setelah dihidupkan. Pengantarnya juga harus menambah oli hampir setiap minggu. Kepala teknisi diminta memberi pendapat sebelum motor dikirim ke bengkel: soal oli, katup, atau ring torak?

Teknisi memulai dari pengamatan yang murah. Sebagian asap itu tipis dan hilang setelah mesin panas; sisanya putih kebiruan, berbau oli terbakar, dan paling tebal setelah motor diparkir semalam. Oli yang berkurang tanpa tetesan di lantai berarti oli terbakar di ruang bakar, dan tenaga yang turun perlahan menunjuk kompresi yang bocor. Di bengkel, tekanan kompresi terbaca di bawah batas manual dan naik jelas setelah sedikit oli diteteskan ke silinder: ring dan dinding silinder aus, dan seal tangkai katup ikut mengeras. Bab ini menjelaskan mesin sepeda motor sampai teknisi armada dapat membaca gejala seperti ini, menghitung angka dasarnya, dan tahu kapan pekerjaan diserahkan ke bengkel.

Batas pembahasan

Bab ini membahas mesin bensin sepeda motor dari sisi teknisi armada: empat langkah dan dua langkah, isi silinder dan rasio kompresi, pendinginan, katup dan celah katup, pelumasan dan oli, tanda keausan, dan prinsip uji kompresi. Siklus empat langkah secara umum, siklus Otto, rumus rasio kompresi, daya, torsi, dan perbandingan udara dan bahan bakar ada di Bab 3 tentang mesin pembakaran dalam dan tidak diulang. Bahan bakar dan pengapian ada di Bab 4 untuk dasar umum dan di Bab 12 untuk sepeda motor; kopling basah yang terendam oli mesin di Bab 13 tentang penggerak sepeda motor; viskositas dan kelas ISO VG di Bab 8 · Mekanikal & Mekatronika tentang pelumasan; pemuaian logam di Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal; sirip dan konveksi di Bab 24 · Fisika tentang perpindahan panas; tutup radiator bertekanan dan kode kekentalan oli di Bab 20 tentang pendinginan dan pelumasan mobil; jadwal servis di Bab 15 tentang perawatan berkala sepeda motor.

Celah katup, batas kompresi, jenis dan banyaknya oli, perbandingan oli dua langkah, dan selang servis khas setiap mesin dan diambil dari manual pabrik; angka di contoh dan latihan bab ini bukan angka mesin tertentu.

Empat langkah dan dua langkah

Langkah (stroke) adalah jarak yang ditempuh torak dari satu titik mati ke titik mati lain. Titik mati atas (top dead centre) adalah posisi torak yang paling dekat dengan kepala silinder. Mesin empat langkah memerlukan dua putaran poros engkol untuk satu siklus isap, kompresi, usaha, dan buang, seperti di Bab 3 tentang mesin pembakaran dalam. Sepeda motor armada umumnya bermesin satu silinder dengan katup isap dan buang bertangkai yang digerakkan poros nok.

Mesin dua langkah (two-stroke engine) adalah mesin yang menyelesaikan satu siklus dalam satu putaran poros engkol, sehingga setiap putaran memiliki satu langkah usaha. Mesin ini tidak memiliki katup bertangkai; tepi torak membuka dan menutup lubang di dinding silinder. Saat torak naik, campuran di atasnya dimampatkan dan campuran baru terisap ke bak engkol, sering lewat katup buluh. Saat torak turun sesudah penyalaan, torak membuka lubang buang lebih dulu, lalu lubang bilas, dan campuran yang dimampatkan di bak engkol mengalir ke silinder.

Pembilasan (scavenging) adalah proses campuran segar mendorong gas buang keluar dari silinder selama lubang bilas dan lubang buang terbuka bersamaan. Sebagian campuran segar ikut lolos ke knalpot, sebab utama mesin dua langkah lebih boros dan lebih kotor gas buangnya, seperti dicatat Bab 3 tentang mesin pembakaran dalam. Karena bak engkol dilalui campuran, oli tidak dapat disimpan di sana: oli dicampur ke bensin dengan perbandingan dari manual atau disuntikkan pompa terpisah, lalu ikut terbakar, sehingga asap kebiruan tipis normal pada mesin ini. Oli yang dipakai adalah oli khusus dua langkah menurut klasifikasi pabrik oli.

Menurut pemberitaan, standar emisi Euro 3 berlaku untuk sepeda motor tipe baru di Indonesia sejak 1 Agustus 2013 (pemberitaan lain menyebut pertengahan 2015), dan pemberitaan tahun 2018 menyebut belum jelas kapan Indonesia beranjak dari Euro 3; status terbarunya belum dapat dipastikan dari sumber resmi per 18 Oktober 2026. Emisi hidrokarbon yang tinggi menyulitkan mesin dua langkah memenuhi standar seperti itu, tetapi mesin ini masih dijumpai pada motor tua dan pemotong rumput.

Isi silinder, langkah, dan rasio kompresi

Isi silinder (engine displacement) adalah volume yang disapu torak dalam satu langkah, dijumlahkan untuk semua silinder, dan biasanya dinyatakan dalam sentimeter kubik atau "cc":

$$V_d = \frac{\pi}{4}\, D^2\, L\, z$$

dengan $V_d$ dalam cm³ bila diameter silinder $D$ dan langkah $L$ ditulis dalam cm, dan $z$ jumlah silinder. Satu cm³ sama dengan satu mililiter. Angka "cc" di dokumen kendaraan adalah hasil rumus ini yang dibulatkan.

Kecepatan torak rata-rata (mean piston speed) adalah jarak rata-rata yang ditempuh torak setiap detik:

$$c_m = 2\, L\, n$$

dengan $c_m$ dalam m/s, $L$ dalam m, dan $n$ putaran per detik. Keausan ring dan dinding silinder bertambah dengan kecepatan torak, sehingga motor yang selalu dipacu aus lebih cepat.

Rasio kompresi dihitung dengan rumus Bab 3 tentang mesin pembakaran dalam dari isi satu silinder dan volume ruang bakar $V_c$, yaitu volume di atas torak di titik mati atas; bengkel mengukur $V_c$ dengan mengisinya memakai cairan dari buret. Rentang rasio kompresi yang disukai adalah 6 sampai 10, dan batas atasnya pada mesin penyalaan busi dibatasi suhu penyalaan sendiri bahan bakar untuk menghindari ketukan. Rentang itu rentang buku teks; banyak mesin sepeda motor modern berpendingin cairan memakai rasio di atas 10.

Korek silinder adalah pekerjaan memperbesar diameter silinder dari ukuran aslinya. Silinder yang dikorek memakai torak ukuran lebih, sehingga isi silinder dan rasio kompresi naik (Contoh 1). Kerak karbon memperkecil $V_c$ dan menaikkan rasio, sehingga mesin tua yang berkerak lebih mudah berketuk (Contoh 2); kepala silinder yang dipapas menaikkan rasio dan paking yang lebih tebal menurunkannya. Isi silinder motor dinas yang tercatat di dokumen kendaraan tidak diubah tanpa keputusan pemilik.

Pendinginan udara dan cairan

Panas di dinding dan kepala silinder, bagian dari neraca energi di Bab 3 tentang mesin pembakaran dalam, harus dibuang supaya oli tidak rusak, torak tidak memuai berlebih, dan ketukan tidak muncul.

Sirip pendingin (cooling fin) adalah lempeng tipis yang dicor menyatu dengan silinder atau kepala silinder untuk memperluas permukaan yang melepas panas ke udara. Motor bebek mendapat aliran udara dari gerak motor; skuter yang mesinnya tertutup bodi memakai kipas di rotor magnet dan selubung plastik yang mengarahkan udara ke sirip. Rancangan sirip memperhitungkan faktor efektivitas atau efisiensi sirip, karena ujung sirip lebih dingin dari pangkalnya. Sirip dan koefisien konveksi dibahas di Bab 24 · Fisika tentang perpindahan panas, dengan bentuk sederhana:

$$\dot{Q} = h\, A_{\text{ef}}\, \Delta T$$

dengan $\dot{Q}$ laju panas dalam W, $h$ koefisien konveksi dalam W/(m²·K), $A_{\text{ef}}$ luas efektif sirip dan dinding dalam m², dan $\Delta T$ beda suhu permukaan dan udara dalam K. Serat linen, lumpur, dan kantong plastik di sirip mengurangi $A_{\text{ef}}$; selubung skuter yang retak atau hilang menurunkan $h$. Mesin lalu bekerja lebih panas pada beban yang sama (Contoh 5).

Mesin berpendingin cairan memakai pompa air, radiator, termostat, tutup bertekanan, dan kipas listrik; sebagian termostat sistem pendingin berjenis puputan. Suhu silinder yang lebih merata memungkinkan celah komponen lebih kecil dan rasio kompresi lebih tinggi. Antibeku di kebanyakan radiator adalah campuran volume sama etilena glikol dan air dengan sedikit aditif pencegah korosi, dan glikol menurunkan titik beku sekaligus menaikkan titik didih. Di Indonesia, gunanya adalah titik didih yang lebih tinggi dan perlindungan dari karat; air sumur sebagai pengganti meninggalkan kerak. Tutup bertekanan dan titik didihnya dihitung di Bab 20 tentang pendinginan dan pelumasan mobil.

Mekanisme katup dan celah katup

Poros nok mesin empat langkah berputar setengah kali putaran poros engkol dan digerakkan rantai keteng. Bagian-bagiannya adalah roda gigi poros nok, pengangkat katup yang juga disebut penumbuk atau pengikut nok, pegas katup berupa kawat ulir yang berubah panjang dengan melentur dan memuntir, dudukan katup tempat katup bertumpu, dan penahan katup yang membatasi angkat katup. Pada mesin satu poros nok, celah disetel dengan sekrup dan mur pengunci di ujung pengungkit; pada mesin dua poros nok dengan penumbuk mangkuk, celah diatur dengan mengganti keping penyetel; sebagian mesin memakai penyetel hidraulik yang tidak perlu disetel.

Celah katup (valve clearance) adalah jarak kecil yang sengaja disisakan di antara ujung tangkai katup dan pengungkit atau penumbuk saat katup tertutup dan mesin dingin. Celah ini menampung pemuaian. Katup buang menjadi jauh lebih panas dari kepala silinder; tangkai baja memanjang, sedangkan kepala silinder aluminium memuai dengan koefisien lain, seperti di Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal. Hasil bersihnya bergantung pada rancangan, sehingga pabrik menetapkan celah dingin dari pengujian (Contoh 4).

Akibat celah yang salah:

1. Terlalu sempit: saat panas katup tidak menutup rapat. Kompresi bocor, mesin susah hidup dan kehilangan tenaga, dan katup buang dapat terbakar karena panasnya tidak lagi mengalir ke dudukan.
2. Terlalu lebar: ketukan logam ringan yang teratur, angkat dan lama buka katup berkurang, dan ujung tangkai serta nok lebih cepat aus.

Pada banyak mesin, katup yang perlahan tertanam ke dudukannya membuat celah mengecil, sehingga gejalanya diam-diam: bunyi hilang, lalu mesin susah hidup saat panas. Celah diperiksa saat mesin dingin dengan torak di titik mati atas langkah kompresi, memakai pengukur celah; nilai katup isap dan buang sering berbeda dan diambil dari manual. Rantai keteng yang mulur berbunyi gemerincing sesaat setelah mesin dingin dihidupkan, dan penegang yang macet mempercepat kerusakan.

Pelumasan bak basah dan oli sepeda motor

Pelumasan bak basah (wet sump lubrication) adalah sistem pelumasan yang menyimpan oli di bak oli di bawah bak engkol, lalu memompanya ke bantalan, poros nok, dan dinding silinder sebelum oli kembali ke bak. Bak oli diikat di bagian bawah bak engkol, bak engkol terdiri atas bagian bawah blok silinder dan bak oli, dan batang ukur oli masuk ke bak oli. Cara membaca batang ukur dan posisi motor saat membaca diatur manual.

Pada motor bertransmisi manual dan motor bebek, satu oli melumasi mesin, gearbox, dan kopling basah. Standar JASO T903 membedakan kelas MA untuk sepeda motor berkopling basah dan kelas MB untuk skuter bertransmisi otomatis; oli MB memakai pengubah gesek sehingga tidak cocok untuk kopling basah, dan MA2 lebih ketat dari MA dalam uji gesek. Oli mobil yang "sama kentalnya" dapat mengandung pengubah gesek dan membuat kopling basah selip, seperti dihitung di Bab 13 tentang penggerak sepeda motor. Skuter bertransmisi variabel kontinu umumnya memisahkan oli mesin dari oli roda gigi akhir, dan kopling sentrifugalnya kering.

Viskositas (viscosity) adalah ukuran hambatan cairan untuk mengalir. Viskositas turun bila suhu naik, dan viskositas oli motor sekitar 50 sampai 500 mPa·s pada 25 °C dibanding 0,890 mPa·s untuk air. Rezim pelumasan ada di Bab 8 · Mekanikal & Mekatronika tentang pelumasan dan kode kekentalan oli mesin di Bab 20 tentang pendinginan dan pelumasan mobil; pilihannya mengikuti manual. Minyak pelumas SAE 10 di bak engkol pada sebuah soal mekanika fluida berberat jenis 0,88, angka yang berguna untuk mencatat oli tambahan dengan menimbang (Contoh 3).

Tanda keausan dan warna asap

Asap adalah partikel karbon yang melayang dalam gas buang, sedangkan kabut adalah partikel cair melayang yang terbentuk dari pengembunan uap. Pembakaran bensin menghasilkan uap air; saat knalpot masih dingin, uap itu mengembun menjadi kabut putih yang hilang setelah knalpot panas. Yang dicurigai adalah asap yang tetap ada setelah mesin panas atau yang berbau.

Pola silang hasil hon membantu dudukan ring baru. Silinder yang aus kehilangan pola itu dan mengilap, sehingga ring baru tidak duduk dengan baik. Tanda keausan lain yang dapat dicatat teknisi:

1. Oli berkurang tanpa tetesan, dicatat dengan volume yang ditambahkan dan angka odometer.
2. Hembusan dari ventilasi bak engkol atau oli di kotak saringan udara, tanda gas pembakaran lolos melewati ring.
3. Tenaga turun dan susah hidup, terutama saat mesin panas.
4. Bunyi: ketukan ringan teratur dari celah katup lebar, gemerincing rantai keteng saat dingin, dan ketukan berat yang berubah dengan beban dari bantalan poros engkol atau pena torak.
5. Serbuk logam di oli atau saringan oli saat ganti oli.

Uji kompresi dan uji bocor sebagai prinsip

Uji kompresi (compression test) adalah pengukuran tekanan tertinggi di dalam silinder ketika mesin diputar starter dengan busi dilepas dan katup gas terbuka penuh. Prinsipnya, dengan urutan rinci dari manual: mesin pada suhu yang diminta manual, aliran bensin dan pengapian diamankan supaya bensin tidak menyembur dari lubang busi, pengukur dipasang rapat, mesin diputar sampai jarum berhenti naik, dan angkanya dicatat. Hasil dibandingkan dengan batas di manual, tidak dengan motor lain dan tidak dengan hitungan: pemampatan ideal memberi angka jauh lebih tinggi dari yang terbaca (Contoh 6), karena katup isap menutup sesudah torak mulai naik, putaran starter rendah, panas mengalir ke dinding, dan ada kebocoran kecil.

Dua langkah lanjutan membedakan sumber kebocoran:

1. Uji basah: beberapa mililiter oli dimasukkan lewat lubang busi lalu uji diulang. Oli menutup celah ring untuk sementara; bila tekanan naik jelas, kebocoran terutama lewat ring dan dinding silinder, dan bila hampir tetap, kebocoran ada di katup atau paking kepala silinder.
2. Uji bocor silinder: dengan torak di titik mati atas langkah kompresi, udara bertekanan dimasukkan dan bengkel mendengarkan ke mana udara keluar: saluran isap berarti katup isap, knalpot katup buang, lubang pengisian oli ring torak, dan gelembung di radiator paking kepala silinder.

Celah katup yang terlalu sempit juga memberi kompresi rendah, sehingga celah diperiksa lebih dulu sebelum silinder dibongkar.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, bukan nilai mesin tertentu; angka resmi setiap mesin diambil dari manual pabriknya.

Contoh 1: silinder dikorek. Mesin satu silinder berdiameter 50,0 mm dan berlangkah 55,6 mm mempunyai $V_d = 0{,}7854 \times 5{,}00^2 \times 5{,}56 = 109{,}2$ cm³; dengan volume ruang bakar 11,5 cm³, rumus Bab 3 memberi $r = (109{,}2 + 11{,}5)/11{,}5 = 10{,}5$. Diameter menjadi 50,5 mm dengan torak ukuran lebih. $V_d = 0{,}7854 \times 5{,}05^2 \times 5{,}56 = 111{,}4$ cm³, naik 2,0 persen, dan bila $V_c$ tetap, $r = (111{,}4 + 11{,}5)/11{,}5 = 10{,}7$. Isi silinder sudah berbeda dari dokumen kendaraan.

Contoh 2: kerak karbon. Pada mesin Contoh 1 sebelum dikorek, kerak mengurangi $V_c$ sebanyak 1,0 cm³. $r = (109{,}2 + 10{,}5)/10{,}5 = 11{,}4$, hampir satu angka lebih tinggi, sehingga mesin lebih peka terhadap bensin beroktan rendah.

Contoh 3: oli yang hilang. Isi oli 0,8 L dan pengantar menambah 0,15 L setiap minggu, yaitu 18,75 persen isi per minggu. Bila batas bawah di manual 0,6 L, oli sudah di bawah batas dalam $0{,}2/0{,}15 = 1{,}3$ minggu tanpa penambahan. Dengan berat jenis 0,88, oli 0,15 L bermassa 132 g, sehingga penambahan dapat dicatat dengan timbangan.

Contoh 4: pemuaian di mekanisme katup. Tangkai katup buang baja 90 mm rata-rata 200 K lebih panas dari saat disetel. Dengan koefisien muai baja $12 \times 10^{-6}$/K dari Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal, $\Delta L = 12 \times 10^{-6} \times 90 \times 200 = 0{,}216$ mm. Kepala silinder aluminium setinggi 50 mm yang 100 K lebih panas memuai $23 \times 10^{-6} \times 50 \times 100 = 0{,}115$ mm dan sebagian mengimbangi. Selisih sekitar 0,1 mm ini hanya ilustrasi orde besaran; arah dan besar bersihnya bergantung rancangan, sehingga celah dingin diambil dari manual.

Contoh 5: sirip tersumbat. Dengan $h = 60$ W/(m²·K), $A_{\text{ef}} = 0{,}25$ m², dan $\Delta T = 100$ K, $\dot{Q} = 60 \times 0{,}25 \times 100 = 1.500$ W. Bila serat dan lumpur membuat luas efektif tinggal 70 persen, panas yang sama hanya terbuang bila $\Delta T = 100/0{,}7 = 143$ K: permukaan silinder sekitar 43 K lebih panas.

Contoh 6: membaca uji kompresi. Batas bawah di manual 9,0 bar, bukan nilai mesin tertentu. Uji kering memberi 7,0 bar, yaitu 78 persen batas, dan uji basah 8,6 bar, naik 1,6 bar atau 23 persen: kebocoran terutama lewat ring dan dinding silinder, seperti di kasus pembuka. Pemampatan ideal tanpa rugi pada rasio kompresi $r = 10{,}5$ dari Contoh 1 memberi $1{,}013 \times 10{,}5^{1{,}4} = 27$ bar, angka yang tidak pernah terbaca di pengukur.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan, jangan pakai motor untuk mengantar, dan serahkan ke bengkel berwenang atau penyelia bila:

1. Asap putih tebal tetap keluar setelah mesin panas, cairan pendingin berkurang, atau oli tampak seperti susu.
2. Lampu tekanan oli atau lampu suhu menyala, atau oli di bawah batas bawah dan terus berkurang.
3. Terdengar ketukan berat logam yang berubah dengan beban atau putaran.
4. Pemeriksaan memerlukan pembukaan tutup kepala silinder, penyetelan celah katup, uji bocor silinder, atau angka yang hanya ada di manual, sedangkan teknisi tidak berwenang atau tidak memiliki manual dan alatnya.
5. Mesin, knalpot, atau radiator masih panas dan akan disentuh atau dibuka; tunggu dingin dan ikuti Bab 8 · Keselamatan tentang permukaan panas.
6. Mesin akan dihidupkan di ruang tertutup tanpa pembuangan gas buang, karena gas buang mengandung karbon monoksida, seperti peringatan di Bab 3 tentang mesin pembakaran dalam.
7. Bensin menetes atau menyembur saat busi dilepas untuk uji kompresi.
8. Ada rencana mengorek silinder atau memapas kepala silinder motor dinas tanpa keputusan pemilik kendaraan.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 3 memberi siklus, rumus rasio kompresi, dan neraca energi; Bab 4 dan Bab 12 bahan bakar dan pengapian; Bab 13 kopling basah; Bab 8 · Mekanikal & Mekatronika pelumasan; Bab 11 · Fisika pemuaian; Bab 24 · Fisika sirip; Bab 20 cairan pendingin dan kode oli; Bab 15 servis berkala; dan Bab 8 · Keselamatan permukaan panas.

Latihan dan pembahasan

Referensi