Kurniawan, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 3  (Juli 2020) Hal. 143-148
Analisis Pengaruh Perubahan Ukuran Cam Lobe Lift terhadap Performa pada Mesin Otto Empat Langkah
Nicholas Kurniawan a , Arka D. Soewono b *, Isdaryanto Iskandar a
a Mahasiswa Program Studi S1 Teknik Mesin Universitas Katolik Indonesia Atma Jaya
Jl. Raya Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan-Banten, Indonesia, 15320
b Dosen Tetap Program Studi S1 Teknik Mesin Universitas Katolik Indonesia Atma Jaya
Jl. Raya Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan-Banten, Indonesia, 15320
*Email : arka.atmajaya@gmail.com

## 1.   Pendahuluan
Dalam kendaraan bermesin siklus Otto, jumlah udara dan bensin yang masuk ke dalam ruang bakar adalah hal yang penting. Udara masuk melalui filter udara dan mengalir melalui saluran intake , sedangkan bensin akan diinjeksi oleh fuel injector pada daerah sebelum katup intake . Pada langkah hisap, katup intake akan terbuka. Kemudian udara dan bensin akan terhisap masuk ke dalam ruang bakar dengan jumlah dan rasio tertentu.
Pergerakan katup intake terjadi karena adanya dorongan oleh cam lobe yang berputar pada porosnya, yaitu camshaft . Pergerakan katup intake terjadi secara sinkron dengan pergerakan piston dari TMA ke TMB karena komponen-komponen ini terhubung secara mekanis.
Kemampuan suatu mesin untuk menghisap udara di sekitarnya disebut sebagai efisiensi volumetris. Pada kendaraan mesin Otto empat langkah, efisiensi volumetris selalu menurun ketika putaran mesin meningkat. Pada putaran mesin yang rendah,  gerakan  membuka  dan  menutup  dari  katup intake masih  dapat  diikuti  oleh  udara  sehingga  udara  masih  dapat masuk ke ruang bakar semaksimal mungkin. Namun, pada putaran mesin tinggi, gerakan dari katup dan piston menjadi terlalu cepat sampai tidak memberikan waktu yang cukup kepada udara untuk mengalir semaksimal mungkin agar dapat masuk  ke  ruang  bakar.  Hal  ini  mengakibatkan  jumlah  udara  yang  masuk  ke  ruang  bakar  menjadi  jauh  lebih  sedikit daripada jumlah udara yang seharusnya dapat masuk ke ruang bakar, sehingga efisiensi volumetrisnya menurun.
Salah satu upaya yang dapat dilakukan untuk meningkatkan efisiensi volumetris pada putaran mesin tinggi adalah dengan mengganti camshaft dengan cam lobe yang memiliki lift lebih besar dari standar. Ukuran lift yang lebih besar dapat mendorong katup intake lebih jauh dan membuat bukaannya semakin besar sehingga udara lebih mudah mengalir. Jika udara lebih mudah mengalir, jumlah udara yang dapat masuk ke dalam ruang bakar ketika putaran mesin tinggi akan semakin  banyak,  sehingga  membantu  meningkatkan  efisiensi  volumetrisnya.  Peningkatan  efisiensi  volumetris  ini diharapkan dapat meningkatkan daya dan torsi pada putaran mesin tinggi.

## Abstract
The modification of cam lobe lift value was studied to observe its effects on the volumetric efficiency and  performance  of  a  4-stroke  Otto  engine  with  a  displacement  of  150  cc . The  testing  was  done  by comparing the standard cam lobe with 7,36 mm lift and two other cam lobes with a higher lift, which is 8,24 mm and 8,53 mm. ANSYS software was used as a method to acquires the volumetric efficiency value, while a  dynamometer  was  used  to  measures  the  performance . From  the  calculation  and  testing  that  has  been done, the usage of both modification cam lobes increase the volumetric efficiency and performance of the engine. Compared with the standard cam, the cam with 8,53 mm lift result  in an increase of volumetric efficiency from 78,51% to 84,1% and performance from 15,36 WHP to 15,76 WHP at 9000 rpm .
Keywords : Cam lobe, volumetric efficiency, performance, power, torque.

## Abstrak
Perubahan ukuran lift pada cam lobe dipelajari untuk melihat pengaruhnya terhadap nilai efisiensi volumetris  dan  performa  pada  mesin  Otto  empat  langkah  satu  silinder  berkapasitas  150  cc.  Pengujian dilakukan  dengan  membandingkan  cam  standar  sebesar  7,36  mm  dengan  cam  yang  memiliki  lift  lebih tinggi,  yaitu  8,24  mm  dan  8,53  mm.  Pengujian  dilakukan  dengan  software  ANSYS  untuk  mendapatkan efisiensi  volumetris,  sedangkan  performa  diukur  menggunakan  dinamometer.  Dari  perhitungan  dan pengujian, kedua cam modifikasi yang digunakan berhasil meningkatkan efisiensi volumetris dan performa dari mesin. Cam dengan lift 8,53 mm meningkatkan efisiensi volumetris dari 78,51% menjadi 84,1% dan performa dari 15,36 WHP ke 15,76 WHP pada 9000 rpm jika dibandingkan dengan cam standar.
Kata kunci: Cam lobe, efisiensi volumetris, performa, daya, torsi.
Kurniawan, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 3  (Juli 2020) Hal. 143-148

## 2.   Metode Penelitian
Pada penelitian ini, mesin motor yang digunakan adalah mesin motor Honda dengan tipe K56. Mesin ini merupakan mesin Otto empat langkah satu silinder berkapasitas 150 cc. Untuk spesifikasi lengkapnya dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1 . Spesifikasi mesin K56.
Pada penelitian ini, cam lobe yang digunakan harus cam lobe buatan khusus yang hanya berbeda lift -nya saja dari cam lobe standar, sedangkan parameter lainnya seperti diameter, timing open , timing close dan overlap harus tetap sama. Hal ini dilakukan  supaya hasil penelitian tetap  valid. Hasil  penelitian  yang ada hanya dipengaruhi oleh perubahan lift pada cam lobe . Spesifikasi cam lobe yang digunakan dapat diperhatikan pada Tabel 2.
Tabel 2. Spesifikasi cam lobe standar dan modifikasi.
Pengukuran  performa  dilakukan  dengan  dinamometer Dynojet 250i. Pada  setiap  pengujian,  hanya cam  lobe saja yang  diubah.  Untuk  parameter  lainnya  seperti  keadaan  lingkungan  sekitar,  suhu,  tekanan,  oktan  bahan  bakar,  dan parameter  ECU,  diusahakan  dan  dipertahankan  agar  tidak  berubah  banyak.  Hal  ini  bertujuan  agar  satu-satunya  yang memengaruhi hasil ukur hanya berasal dari perubahan cam lobe . Pengujian dilakukan pada hari yang sama dengan selang waktu antarpercobaan sekitar satu jam.
Pengujian efisiensi volumetris dilakukan dengan menggunakan software ANSYS. Penggunaan ANSYS diperlukan untuk pengujian air flow karena pengujian dengan alat seperti flowbench tidak memungkinkan. Titik pengujian yang ingin diperhitungkan  ada  pada  daerah  setelah  katup intake .  Hal  tersebut  tidak  dapat  dilakukan  oleh flowbench . Penggunaan ANSYS lebih fleksibel karena titik perhitungan dapat dilakukan di mana saja. Untuk parameter yang digunakan dalam simulasi  ANSYS  dapat  dilihat  pada  Tabel  3.  Untuk  menyederhanakan  geometri  yang  digunakan  pada  ANSYS,  maka digunakan nilai valve lift , yang memiliki faktor pengali dari nilai lobe lift karena rocker arm [1] . Volume akan dihitung ketika volume ruang bakar berada pada nilai maksimal, yaitu ketika piston di posisi titik mati bawah (TMB) [2] .
Tabel 3. Parameter simulasi ANSYS.
Kurniawan, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 3  (Juli 2020) Hal. 143-148
Setelah mendapatkan nilai flow rate , maka akan dihitung nilai efisiensi volumetrisnya menggunakan Persamaan 1.
𝜂 𝑣 = 𝑉𝑡ℎ 𝑉𝐼𝑉𝐶 (1) Dengan: 𝜂 𝑣 : efisiensi volumetris [%] 𝑉 𝑡ℎ : volume udara riil yang terhisap 𝑉 𝐼𝑉𝐶 : volume udara teoritis yang seharusnya dapat terhisap

## 3.  Hasil dan Pembahasan
Dari hasil pengujian menggunakan software simulasi ANSYS, didapatkan nilai volume flow rate pada setiap bukaan maksimum valve lift tertentu, yaitu dengan pengaturan valve lift 10,3 mm, 11,54 mm, dan 11,94. Simulasi dijalankan pada putaran mesin 9000 rpm. Dapat diperhatikan bahwa nilai valve lift yang digunakan berbeda dengan nilai lobe lift yang biasanya disebutkan. Hal ini dikarenakan software ANSYS yang hanya memiliki input berupa valve lift , dan nyatanya mesin motor yang digunakan untuk uji coba memiliki rocker arm dengan rasio 1,4:1, sehingga besar valve lift adalah 1,4 kali lebih besar daripada lobe lift . Pada Tabel 4, dapat diperhatikan bahwa pada percobaan pertama, lobe lift standar sebesar 7,36 mm memberikan nilai flow rate sebesar 18,6 CFM. Lalu pada percobaan selanjutnya dengan lobe lift 8,24 mm, dihasilkan flow rate sebesar 19,75 CFM yang artinya meningkat sebesar 6% dari percobaan pertama. Kemudian pada percobaan ketiga dengan lobe lift 8,53 mm, dihasilkan flow rate sebesar 19,92 CFM yang artinya meningkat sebesar 0,8% dari percobaan kedua.
Tabel 4. Besar Nilai Volume Flow Rate pada Ukuran Lobe Lift Tertentu
Peningkatan flow  rate ini  dapat  dilihat  pada  Gambar  1.  Besar flow  rate didekat  katup intake terlihat  meningkat sedikit.  Hal  ini  dikarenakan  katup in yang  mampu  membuka  lebih  jauh.  Bukan  saja  hanya  meningkatkan flow  rate , modifikasi ini nampaknya juga mengubah pola pergerakan swirl yang terjadi di dalam ruang bakar. Pola swirl ini cukup berpengaruh dalam hal performa sebab semakin besar tingkat swirl akan membuat bahan bakar dan udara dapat bercampur lebih merata, menghasilkan pembakaran yang lebih sempurna.
Gambar 1. Hasil simulasi flow rate dengan cam lobe 7,36 mm, 8,24 mm, dan 8,53 mm
Peningkatan flow rate ini menunjukan adanya kenaikan efisiensi volumetris ketika menggunakan cam lobe dengan lobe lift yang lebih besar, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 5.
Tabel 5. Data Efisiensi Volumetris pada Ukuran Lobe Lift Tertentu
Secara teoritis, penggunaan cam lobe dengan lobe lift yang lebih besar dapat membuat udara lebih mudah masuk dan  efisiensi  volumetris  akan  terus  bertambah.  Ditambah  lagi  adanya  semburan  bahan  bakar  yang  lebih  banyak  yang diberikan oleh. Dengan meningkatnya efisiensi volumetris dari sebuah mesin, maka performa mesin tersebut seharusnya ikut meningkat. Namun, jika pengujian terus dilakukan dengan ukuran lobe lift lebih besar lagi, maka kemampuan injeksi dari injektor bahan bakar juga perlu diperhatikan. Injektor tersebut belum tentu mampu menyemprotkan jumlah bahan bakar  yang  cukup  agar  rasio  bensin  dan  udara  sesuai  AFR  pada  ECU.  Jika  udara  terlalu  banyak  dan  bensin  yang
Kurniawan, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 3  (Juli 2020) Hal. 143-148
diinjeksikan tidak cukup, mesin akan masuk ke dalam mode yang terlalu lean . Hal ini dapat memberi efek buruk kepada mesin. Salah satunya adalah suhu pembakaran di atas batas normal.
Dari hasil pengujian menggunakan dinamometer, didapatkan grafik yang menunjukan hubungan antara daya dan torsi terhadap putaran mesin dengan cam lobe yang memiliki lobe lift tertentu, yaitu 7,36 mm, 8,24 mm, dan 8,53 mm. Pertama, grafik “hubungan antara daya dan torsi terhadap putaran mesin” akan diamati secara terpisah berdasarkan perbedaan ukuran lobe lift . Pada Gambar 2(a), dapat dilihat bahwa penggunaan cam lobe yang memiliki lobe lift sebesar 7,36  mm  (“STANDART_7”)  menghasilkan  daya  maksimal  sebesar  15,36  WHP  pada  8950  rpm  dan  torsi  maksimal sebesar 9,96 lb.ft atau 13,5 Nm pada 7030 rpm. Pada pengujian kedua, penggunaan ukuran lobe lift yang lebih besar, yaitu  8,24  mm  (“LIFT1_18”),  dapat  memberikan  peningkatan  daya  maksimal  sebesar  0,31  WHP,  sehingga  daya maksimalnya menjadi 15,67 WHP pada 9020 rpm dan torsi maksimal tetap 9,96 lb.ft atau 13,5 Nm pada 7590 rpm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2(b). Pada pengujian ketiga, penggunaan ukuran lobe lift yang lebih besar dari pengujian kedua, yaitu 8,53 mm (“LIFT2_25”), memberikan peningkatan daya maksimal sebesar 0,09 WHP dari pengujian kedua atau 0,40 WHP dari pengujian pertama, dan torsi maksimal sebesar 0,06 Nm dari pengujian pertama dan kedua, sehingga nilai dari daya maksimalnya adalah 15,76 WHP pada 9010 rpm dan torsi maksimal sebesar 10 lb.ft atau 13,56 Nm pada 7500 rpm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2(c).
Gambar 2. Grafik hubungan antara daya dan torsi terhadap putaran mesin dengan cam lobe tertentu.
Tiga pengujian menggunakan dinamometer ini telah membenarkan hipotesis yang menyatakan bahwa peningkatan efisiensi volumetris dari pembesaran ukuran lobe lift dapat meningkatkan performa pada mesin motor yang digunakan dalam uji coba ini.
Peningkatan performa juga dipengaruhi oleh  sistem  kerja closed loop dari ECU. Ketika  udara  yang  masuk lebih banyak, sensor oksigen pada bagian exhaust akan mendeteksi adanya kelebihan udara. Data tersebut akan dibaca oleh ECU, kemudian ECU akan mencoba menyeimbangkan campuran yang baru agar rasio campuran tersebut kembali sama seperti nilai AFR yang disimpan dalam ECU, yaitu dengan menyemburkan lebih banyak bahan bakar.
Pada pengujian ini, yang paling berpengaruh terhadap perubahan ukuran lobe lift ini ada pada putaran tinggi. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 3, di mana pada putaran mesin menengah (7000-8000 rpm) selisih performa tidak terlalu banyak terlihat. Namun ketika mulai memasuki putaran mesin tinggi (di atas 8000 rpm), fungsi dari penggunaan lobe lift yang lebih besar baru terlihat. Lobe lift berukuran 8,53 mm menghasilkan tenaga yang lebih besar dibandingkan dengan lobe lift standar pada putaran mesin yang sama sampai mencapai limiter .
Pada  putaran  mesin  rendah  (4500-7000  rpm),  terlihat  bahwa  hal  yang  terjadi  justru  adalah  kebalikannya. Penggunaan cam lobe dengan lobe  lift 8,53  mm  menghasilkan  performa  yang  lebih  rendah  dari cam  lobe standar. Fenomena ini sebenarnya memang sudah diprediksi akan terjadi dan dapat disebabkan oleh beberapa hal. Pertama adalah ketika suatu suku cadang dalam bagian mesin diganti dengan suku cadang yang lebih dioptimasi untuk putaran mesin tertentu,  maka pasti ada bagian atau range putaran  mesin  yang dikorbankan. Seperti contohnya penggunaan cam lobe yang lebih besar untuk mengoptimasi performa pada putaran mesin tinggi, maka performa pada putaran mesin rendah akan  dikorbankan.  Kedua  adalah  pengaturan  AFR  yang  tidak  sesuai.  Sebenarnya,  jika  AFR  disesuaikan,  maka kemungkinan besar masalah ini dapat terselesaikan, tetapi memang sengaja tidak dilakukan agar tidak menambah variabel yang memengaruhi perubahan nilai efisiensi volumetris dan performa mesin.
Gambar 3. Grafik gabungan hubungan antara daya dan torsi terhadap putaran mesin dengan cam lobe tertentu.
Dalam sistem motor pembakaran dalam, jika dilihat dari sisi kimianya, dua senyawa yang paling berpengaruh untuk menghasilkan  daya  dalam  proses  pembakaran  adalah  oksigen  dan  bahan  bakar.  Dari  peningkatan  efisiensi  volumetris tersebut, jumlah oksigen adalah faktor yang paling berpengaruh dalam peningkatan performa motor [4].  Ketika jumlah udara yang dihisap lebih banyak, artinya jumlah oksigen yang terhisap dan masuk ke dalam ruang pembakaran juga lebih banyak.  Jumlah  oksigen  yang  lebih  banyak  akan  meningkatkan  laju  pembakaran  dan  mempersingkat ignition  delay sehingga proses yang dibutuhkan dari sejak busi memercikan api sampai proses pembakaran selesai menjadi lebih cepat [5] . Selain itu, suhu pembakaran akan meningkatkan nilai specific heat ratio dari siklus pembakaran [4] . Peningkatan specific heat ratio akan meningkatkan laju konversi dari energi panas menjadi energi gerak. Lalu, berdasarkan rumus efisiensi termal, peningkatan dari specific heat ratio juga akan meningkatkan nilai dari efisiensi termal itu sendiri [6] . Karena brake power dipengaruhi juga oleh efisiensi termal, maka peningkatan dari efisiensi termal akan meningkatkan brake power [7,
8] . Karena Brake Power meningkat, maka Work Power atau Work Horsepower (WHP) juga ikut meningkat. Hal inilah yang menyebabkan peningkatan dari efisiensi volumetris dapat meningkatkan nilai WHP.
Selain itu, ketika udara yang masuk ke dalam ruang bakar lebih banyak dari keadaan standar,  artinya mesin akan mengompresi volume udara  yang lebih banyak dalam volume ruang bakar  yang  sama,  sehingga tekanan pembakaran akan  membesar  juga.  Dalam  keadaan  ini,  temperatur  kerja  dari  mesin  tentunya  akan  meningkat.  Tetapi  peningkatan tersebut belum sampai ke tahap di mana panasnya akan berbahaya bagi mesin. Selain temperatur, gaya yang dihasilkan dari ledakan pada langkah kerja juga akan meningkat sebab jumlah partikel yang dikompresi awalnya lebih banyak juga. Peningkatan gaya ini akan meningkatkan torsi dan daya pada mesin.

## 4.   Kesimpulan
Dari hasil percobaan dan analisis  yang telah dilakukan,  maka didapatkan kesimpulan bahwa perubahan ukuran lift pada cam  lobe dapat  berpengaruh  kepada  nilai  efisiensi  volumetris  dan  performa  pada  mesin  Otto  empat  langkah berkapasitas 150 cc, terutama pada saat putaran mesin tinggi. Peningkatan ukuran lift pada cam lobe dari 7,36 mm ke 8,53 mm pada mesin Otto empat langkah satu silinder ini meningkatkan efisiensi volumetris dari 78,51% ke 84,1% dan daya dari 15,36 WHP ke 15,76 WHP.
Peningkatan ukuran lift dari 7,36 mm ke 8,24 mm memberikan pengaruh yang lebih signifikan daripada peningkatan dari  8,24  mm  ke  8,53  mm  karena  peningkatannya  memang  tidak  bersifat  linear.  Ada  beberapa  faktor  yang  dapat membatasi seperti kemampuan mekanis dari mesin dan profil dari saluran intake udara.

## Ucapan Terima kasih
Penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada Bapak Isdryanto Iskandar, M.Sc.  dan Bapak Arka Soewono, Ph. D. yang memberikan bimbingan dalam menganalisis pengaruh perubahan cam lobe lift terhadap perfoma pada mesin Otto empat langkah.

## Daftar Pustaka
[1]  Husain S.M., Sheikh, S., 2013, Rocker Arm: - A Review , International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology , vol. 2(4), hal. 1120-1126.
[2]  Pesic, R., Taranović, D., Petković, S., et al., 2013, Aspects of Volumetric Efficiency Measurement for Reciprocating Engines , Thermal Science , vol. 17(1), hal. 35-48. [3]  Autobiz Tech Tips, 2012, Torque and Power , IE: Autobiz
[4]  Baskar,  P.,  dan  Senthilkumar,  A.,  2015, Effects  of  Oxygen  Enriched  Combustion  on  Pollution  and  Performance Characteristics of a Diesel Engine , Engineering Science and Technology, an International Journal , vol. 9(2016), hal. 438-443.
Kurniawan, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 3  (Juli 2020) Hal. 143-148
[5]  Jeevahan, J., Poovannan A., et al., 2017, Effect of Intake Air Oxygen Enrichment for Improving Engine Performance and Emissions control in Diesel Engine , International Journal of Ambient Energy , vol. 40(1), hal. 96-100.
[6]  Papagiannakis, R., Rakopoulos, D.C., dan Rakopoulos, C.D., 2018, Evaluation of the Air Oxygen Enrichment Effects on  Commbustion  and  Emissions  of  Natural  Gas/Diesel  Dual-Fuel  Engines  at  Various  Loads  and  Pilot  Fuel Quantities , Energies , vol. 11(11), hal. 3028.
[7]  Rajkumar, K.,  dan Govindarajan P., 2011, Impact of Oxygen Enriched Combustion on the Performance of a Single Cylinder Diesel Engine , Front Energy , vol. 5(4), hal. 398-403.
[8]  Rajkumar, K., dan Govindarajan P., 2010, Experimental Investigation of Oxygen Enriched Air Intake on Combustion Parameters of a Single Cylinder Diesel Engine , International Journal of Engineering Science and Technology , vol. 2(8), hal. 3621-3627.