Selama Perang Dunia II, para insinyur Nazi membuat beberapa persenjataan udara paling tajam yang pernah ada di dunia. Focke-Wulf Fw 190 bukan sekadar pesawat tempur; untuk sementara waktu, pesawat ini mengungguli apa pun yang bisa diterbangkan Sekutu. Itu cepat. Itu sangat mematikan. Dan itu adalah sebuah masalah.
Untungnya bagi kekuatan Sekutu, para insinyur akhirnya mengayunkan pendulumnya kembali. Mereka tidak menang dengan bom yang lebih cepat atau bom yang lebih cepat. Mereka menang dengan mesin yang belum pernah didengar kebanyakan orang saat ini. Pembangkit listrik yang kokoh dan tidak konvensional menetralisir Luftwaffe. Dengan caranya yang tenang, mesin ini membantu memenangkan perang.
Mesin katup selongsong ini menggerakkan pesawat tempur Inggris yang cepat seperti Hawker Typhoon dan Hawker Tempest. Dengan tenaga kuda yang luar biasa, pesawat-pesawat ini mengendalikan langit. Mereka memberikan dukungan udara untuk pasukan darat. Mereka mengakhiri konflik.
Tapi apa itu mesin katup selongsong? Kenapa namanya aneh sekali? Dan mengapa sebagian besar hilang hari ini?
Cara Kerja Mesin Katup Selongsong
Namanya berasal dari perangkat kerasnya. Selongsong logam berdinding tipis meluncur ke atas dan ke bawah di dalam setiap silinder. Lubang pada selongsong dan lubang pada dinding silinder sejajar dengan interval yang dapat diprediksi. Gerakan ini menyedot udara segar dan mengeluarkan gas buang.
Itu berhasil. Namun pengaturan rumitnya kalah dengan katup tappet yang kita gunakan pada mesin pembakaran internal saat ini. Dalam penerbangan, mesin piston sebagian besar digantikan oleh jet.
Jangan menganggapnya sebagai peninggalan yang tidak berguna dulu.
Setidaknya satu perusahaan sedang mencoba mengembalikan katup selongsong yang terhormat. Ini hadir kembali dengan sentuhan modern. Kami sedang melihat apa yang membuatnya berubah. Mengapa hal itu tidak disukai. Dan mengapa sekarang dipanggil untuk pertarungan yang berbeda.
Teknologi di Balik Kebisingan
Tiba pada puncak Era Industri, mesin katup selongsong tampak seperti penyangga dari novel steampunk. Insinyur modern mengagumi kepintarannya. Mereka juga berdecak karena kompleksitasnya yang tinggi.
Ini adalah hal yang indah setelah Anda memahami bagian-bagiannya. Singsingkan lengan baju Anda. Kita menjadi terpuruk dan kotor.
Mesin ini menentang deskripsi sederhana. Tapi inilah logika dasarnya. Mesin katup selongsong dapat hadir dalam banyak konfigurasi. Salah satu susunannya, mesin katup lengan radial yang digunakan di pesawat, tampak seperti persilangan antara Robot Rock ‘Em Sock’ Em dan penjaga dari The Matrix.
Untuk mendapatkannya, pahami dulu apa yang bukan. Ini bukan mesin katup si kecil. Katup si kecil adalah standar de facto saat ini. Katup berbentuk jamur membuka dan menutup secara berirama di bawah tekanan pegas. Mereka mengendalikan bahan bakar, udara, dan limbah.
Katup selongsong menggunakan selongsong yang dapat digeser dan terkadang berputar. Ini mengontrol berapa banyak udara dan bahan bakar yang diledakkan pada setiap langkah kompresi. Premisnya sama. Nyalakan bahan bakar dan udara. Menggerakan piston. Putar poros engkol.
Pada desain di mana selongsong berputar, lubang yang dipotong sejajar dengan lubang masuk atau keluar. Itu tergantung pada strokenya. Piston bergerak ke atas dan ke bawah di dalam selongsong. Selongsongnya meluncur maju mundur. Roda gigi yang terhubung ke poros engkol menggerakkan gerakan selongsong.
Masih menggaruk-garuk kepala? Berikut langkah-langkahnya.
- Langkah kompresi: Piston mendekati titik mati atas. Semua port ditutup. Busi menyala. Campuran bahan bakar/udara menyala.
- Langkah pembakaran: Pengapian memaksa piston ke bawah. Saat mencapai titik mati bawah, liner bergeser. Bukaan potongannya sejajar dengan lubang pembuangan silinder.
- Langkah buang: Gas buang dikeluarkan. Piston kembali naik. Lubang pembuangan ditutup.
- Langkah masuk: Selongsong diputar ke arah lain. Ini memperlihatkan port pemasukan udara. Piston turun. Itu menarik udara segar. Selongsong digeser untuk menutup lubang masuk. Prosesnya berulang.
Kalikan dengan beberapa silinder. Tambahkan poros engkol. Anda memiliki mesin katup selongsong.
Jika kedengarannya rumit, memang demikian. Salah satu kelemahan utama mesin ini adalah kompleksitasnya. Masuk akal jika Anda melihat proses tersebut beraksi. Lihat video untuk memvisualisasikannya.
Mengapa Efisiensi Volumetrik Penting
Jadi mengapa harus bermain-main dengan mesin yang rumit ini? Mereka terkenal haus akan minyak pelumas. Mereka tidak menyukai kotoran seperti pasir.
Jawabannya adalah efisiensi volumetrik.
Mesin ini jauh lebih baik dibandingkan mesin biasa dalam mengalirkan udara masuk dan keluar dari ruang bakar. Susunan port memberikan karakteristik pusaran yang lebih baik. Itu adalah teknik yang menciptakan turbulensi udara. Campuran udara dan bahan bakar terbakar lebih efisien.
“Sebaliknya, katup selongsong menggunakan selongsong geser yang terkadang berputar untuk mengontrol berapa banyak udara dan bahan bakar yang diledakkan pada setiap langkah kompresi.”
Charles Yale Knight bukan hanya anak petani dari Indiana yang memiliki buku catatan. Dia adalah pria yang membenci kebisingan. Sekitar tahun 1901, dia membeli mobil Knox roda tiga terutama untuk keperluan perjalanan untuk jurnal pertaniannya. Gemerincing mekanis ring piston dan katup si kecil tak tertahankan. Itu merusak kedamaiannya. Jadi, dia melakukan apa yang dilakukan para insinyur saat mereka kesal. Dia membangun mesin yang lebih senyap.
Dengan uang tunai dari pendukung kaya, Knight tidak hanya mengubah desainnya. Dia menemukan kembali rangkaian katup. Pada tahun 1906, ia meluncurkan “Silent Knight” di Chicago Auto Show. Itu adalah mesin 4 silinder dengan 40 tenaga kuda yang menentang status quo.
Tekniknya elegan dalam kesederhanaannya. Sebagian besar mesin pada masa itu menggunakan katup poppet—struktur kecil seperti palu yang dapat dibuka dan ditutup. Suaranya berisik. Mereka rapuh. Mereka memerlukan penyesuaian yang sering. Solusi Knight? Dua selongsong per silinder.
Anggap saja sebagai piston di dalam piston. Selongsong bagian dalam dimasukkan ke dalam selongsong luar. Piston sebenarnya bergerak di dalam selongsong bagian dalam itu. Aliran gas tidak dikendalikan oleh penutup yang terbuka. Itu dikendalikan oleh gerakan fisik lengan baju ini. Hasilnya persis seperti yang dijanjikan namanya: keheningan.
Produsen mobil dalam negeri mengabaikannya. Mengapa? Karena mereka terkunci dalam pembuatan katup si kecil. Infrastruktur, peralatan, keahlian—semuanya mengacu pada cara lama. Silent Knight lebih unggul dalam ketahanan dan pengurangan kebisingan, namun industri ini tidak mau bergeming.
Di Atlantik, ceritanya berbeda.
Penyempurnaan desain menarik perhatian pabrikan Inggris. Daimler di Inggris (perusahaan asli, jauh sebelum merger Mercedes-Benz) mengadopsi teknologi tersebut. Itu bukan hanya hal baru. Itu adalah sebuah pernyataan. Merek lain mengikuti. Willys di AS akhirnya muncul, begitu pula Mercedes-Benz dan Rolls-Royce. Jika Anda menginginkan kemewahan yang tenang di tahun 1910-an dan awal 20-an, Anda membeli mesin Knight.
Namun kemajuan tidak berhenti. Pada tahun 1920-an, arsitektur katup selongsong mulai berkembang. Desain lengan ganda Knight kuat, tapi berat. Kompleks. Mahal untuk mesin.
Masukkan desain lengan tunggal.
Perusahaan seperti Burt-McCollum menyederhanakan mekanismenya. Satu lengan, bukan dua. Lebih ringan. Lebih sedikit gesekan. Lebih murah untuk diproduksi. Bagi produsen pasar massal, kondisi ekonomi tidak dapat disangkal. Desain Knight dikalahkan oleh penerusnya sendiri.
Lalu muncullah sayap.
Produsen mesin seperti Bristol dan Rolls-Royce mengambil konsep katup selongsong yang disempurnakan dan menerapkannya ke dunia penerbangan. Mesin pesawat piston membutuhkan keandalan di ketinggian dan penyaluran tenaga yang lancar. Katup selongsong menawarkan area katup yang besar dibandingkan ukurannya, sehingga memungkinkan pernapasan lebih baik pada RPM tinggi. Mereka tidak mengalami tekanan termal yang sama seperti katup si kecil.
Katup selongsong tidak mati karena ketidakmampuan. Itu diperas oleh efisiensi dan penghematan berat. Namun untuk sesaat, ia mendominasi dunia otomotif kelas atas dan kemudian menaklukkan angkasa.
Mengapa Katup Selongsong Gagal Produksi Massal
Alasan utama hilangnya katup selongsong dari garasi pengemudi rata-rata bukanlah kegagalan teknis
Harry R. Ricardo tidak memerlukan ruang kuliah untuk belajar teknik. Lahir di London pada tahun 1885, pria yang kemudian menjadi Sir Harry Ricardo ini menghabiskan masa kecilnya di bengkel masinis setempat. Dia menyerap mekanika gerak, lalu membawa pulang pengetahuan kasar itu untuk membuat mesinnya sendiri. Melihat ke belakang, Ricardo mengakui bahwa upaya-upaya awal yang gagal itu mengajarkannya lebih banyak tentang manufaktur aktual dibandingkan dengan pendidikan formal mana pun.
Dia tumbuh menjadi orang yang berprestasi dan tidak dapat disembuhkan. Selama Perang Dunia I, ia mengubah mesin tank untuk membantu memecahkan kebuntuan. Dia memelopori sistem peringkat oktan yang masih kita gunakan hingga saat ini untuk menilai kualitas bahan bakar. Namun kontribusinya pada Perang Dunia II bisa dibilang yang paling signifikan secara mekanis.
Solusi Katup Selongsong untuk Dominasi Luftwaffe
Pada tahun 1941, Royal Air Force mengalami pukulan telak. Spitfire Inggris, andalan kekuatan tempur mereka, dikalahkan oleh Focke-Wulf Fw 190 milik Jerman. Pesawat-pesawat Jerman melancarkan serangan darat di ketinggian rendah tanpa mendapat hukuman. Tidak ada yang bisa menangkap mereka. Tidak ada apa-apa, sampai Hawker Typhoon mulai beroperasi pada tahun 1942.
Topan itu sangat mengerikan. Kendaraan ini digerakkan oleh mesin Napier Sabre berkekuatan 2.180 tenaga kuda yang menampilkan desain mesin katup lengan. Ricardo telah berteori pada tahun 1920-an bahwa mesin pesawat dengan katup selongsong dapat menghasilkan rasio kompresi yang lebih tinggi dibandingkan mesin katup tappet yang sebanding, sehingga menghasilkan tenaga kuda yang lebih besar. Dia benar.
Torsi ekstra memberi Typhoon kemampuan untuk tidak hanya menembak jatuh penyelundup Luftwaffe tetapi juga membawa bom. Belakangan dalam perang, Typhoon yang dilengkapi bom dan roket terbukti sangat penting. Mereka mendukung pasukan darat Sekutu ketika jeratan Nazi semakin ketat.
“Sebagai seorang anak, saya selalu terpesona oleh mesin dan gerakan mekanis secara umum, dan yang terpenting, oleh misteri besar tentang bagaimana hal-hal tersebut sebenarnya dibuat…melihat ke belakang, saya pikir saya belajar lebih banyak tentang nilai sebenarnya dari upaya awal dan sangat kasar dalam desain dan manufaktur dibandingkan dari apa pun”
Mengapa Teknologi Sleeve-Valve Penting bagi Pasar Berkembang
Terlepas dari catatan militernya yang patut dicontoh, mesin katup selongsong menghadapi kenyataan pahit. Mesin jet datang. Mereka akan mendominasi penerbangan komersial dan militer pada tahun-tahun pascaperang. Masa keemasan mesin pembakaran internal untuk penerbangan telah berakhir.
Namun warisan itu tidak hilang. Para penggemar mengenang teknologi ini dalam model buatan rumah dan arsip online. Beberapa pesawat model terbang masih menggunakan versi miniaturnya. Dan kini, teknologi tersebut mungkin mengalami kebangkitan kembali di pasar otomotif terbesar dan paling cepat berkembang di dunia.
Apakah Mesin Katup Selongsong Merupakan Jalan Buntu Evolusioner?
Mari kita lihat siklus yang lebih luas. Hollywood mendaur ulang konsep-konsep lama ketika ide-idenya habis. Industri otomotif juga demikian. Mobil listrik menjadi masalah besar sebelum starter listrik membuat pembakaran internal menjadi praktis. Listrik menghilang hingga permasalahan lingkungan menariknya kembali dari kuburnya pada pergantian abad.
Pola yang sama dapat terjadi pada mesin katup selongsong untuk aplikasi otomotif modern.
Pinnacle Technologies yang berbasis di San Carlos, California, bertaruh pada tingginya permintaan akan transportasi bersih dan murah di Asia. Mereka sedang mengembangkan interpretasi modern tentang katup selongsong. Mesin mereka adalah desain empat langkah, penyalaan percikan (SI), dan piston berlawanan.
Pendirinya Monty Cleeves mengklaim mesin yang dipatenkan menghasilkan peningkatan efisiensi 30 hingga 50 persen dibandingkan mesin pembakaran internal saat ini.
“Teknologi mesin ini memberikan penghematan bahan bakar dan emisi CO2 pada hibrida dengan harga yang terjangkau oleh seluruh dunia”
Pinnacle tidak khawatir kendaraan listrik (EV) akan membuat teknologinya segera ketinggalan zaman. Mereka melihat peluang besar di pasar yang berkembang pesat seperti India dan Tiongkok. Negara-negara berkembang ini ingin mengurangi emisi gas rumah kaca sekaligus meningkatkan standar hidup melalui kepemilikan kendaraan bermotor. Kendaraan listrik dan hibrida masih memiliki harga premium yang signifikan.
Katup selongsong Pinnacle yang dirancang ulang berfungsi sebagai “teknologi jembatan”. Ini menawarkan jalan tengah hingga listrik menjadi terjangkau bagi semua orang.
Perusahaan telah mendapatkan modal ventura beberapa juta dolar. Mereka sedang mengejar perjanjian lisensi dengan produsen mobil Asia. Produksi diperkirakan akan dimulai pada tahun 2013. Masih belum diketahui apakah jangka waktu tersebut akan bertahan atau apakah teknologi tersebut telah menemukan tempat permanen dalam rantai pasokan global. Namun janji intinya tetap ada: efisiensi tinggi, biaya rendah, dan desain yang berakar pada wawasan berusia seabad dari seorang anak laki-laki yang suka membongkar mesin.
