6447-15562-1-pb

Jurnal e-Dinamis, Volume 5, No.1 Juni 2013 ISSN 2338-1035

29

PERFORMANSI MESIN SEPEDA MOTOR SATU SILINDER

BERBAHAN BAKAR PREMIUM DAN PERTAMAX PLUS DENGAN

MODIFIKASI RASIO KOMPRESI

Robertus Simanungkalit1,Tulus B. Sitorus2 1,2, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 Medan Indonesia Email:[email protected]

ABSTRAK

Pengujian secara langsung adalah cara paling efektif untuk mengetahui performa sebuah mesin, dalam hal ini mesin otto empat langkah berkapasitas 109,1 cc diuji menggunakan hidrolik dinamometer. Pada penelitian ini digunakan bahan bakar premium dan pertamax plus. Rasio kompresi mesin dimodifikasi menjadi 11:1 agar mendapat data perbandingan sebelum dan setelah modifikasi rasio kompresi. Effisiensi terbaik dari mesin diperoleh pada saat sebelum modifikasi rasio kompresi pada kecepatan 30 km/jam beban 60 kg menggunakan bahan bakar premium dimana konsumsi bahan bakar spesifik 224,28 gr/kWh dan effisiensi termalnya mencapai 37,27%.

Kata kunci : Performansi, Mesin Otto, Modifikasi Rasio Kompresi,Premium dan Pertamax Plus

1. Pendahuluan Motor bakar adalah adalah salah

satu jenis dari mesin kalor, yaitu mesin yang mengubah energi termal untuk melakukan kerja mekanik atau mengubah energi kimia bahan bakar menjadi energi mekanis. Energi termal tersebut diperoleh dari hasil proses pembakaran bahan bakar di dalam mesin itu sendiri.

Kompresi pada mesin merupakan perbandingan tekanan udara berbanding bahan bakar. Dalam pengertian yang lebih luas, rasio kompresi adalah perbandingan volume ruang bakar saat piston di titik mati bawah (TMB) dengan volume ruang bakar saat titik mati atas (TMA). Semakin besar perbandingan rasio kompresi maka pada saat piston berada di titik mati atas (TMA) akan memiliki tekanan dan suhu yang semakin besar pula.

Bahan bakar memegang peranan penting dalam motor bakar, nilai kalor yang terkandung didalamnya adalah nilai yang menyatakan jumlah energi panas maksimum yang dibebaskan oleh suatu bahan bakar melalui reaksi pembakaran sempurna

persatuan massa atau volume bahan bakar tersebut.

Dewasa ini banyak sekali masalah yang timbul diakibatkan oleh cadangan bahan bakar minyak yang terbatas dan harganya yang semakin melambung, oleh karena itu belakangan ini juga sangat marak dilakukan riset dan penelitian dan kegiatan kegiatan yang berhubungan dengan penghematan bahan bakar. Salah satu kegiatan yang mengundang banyak orang untuk melakukan penghematan adalah Shell Eco-marathon, dimana kegiatan ini merupakan reguler tahunan yang menantang tim mahasiswa dari seluruh dunia untuk merancang dan membangun kendaraan yang paling hemat energi untuk bersaing dengan kendaraan tim lain, dimana pemenangnya adalah kendaraan yang dapat bergerak dengan jarak terjauh dengan menggunakan bahan bakar atau energi paling sedikit.

Penggunaan bahan bakar juga sangat variatif, pada kesempatan ini dalam perancangannya mesin MESIN USU memilih untuk menggunakan bahan bakar gasoline. Karena


30

penggunaan bahan bakar gasoline yang umum di indonesia adalah premium yang bernilai RON 88 sedangkan pada kompetisi Shell Eco-marathon Asia adalah RON 95 dan di Indonesia lebih dikenal dengan nama pertamax plus. Dengan demikian perlu diadakannya pengujian performansi untuk membandingkan hasil dari kedua bahan bakar tersebut.

2. Tinjauan Pustaka Motor bakar adalah adalah salah satu jenis dari mesin kalor, yaitu mesin yang mengubah energi termal untuk melakukan kerja mekanik atau mengubah energi kimia bahan bakar menjadi energi mekanis[1]. Energi termal tersebut diperoleh dari hasil proses pembakaran bahan bakar di dalam mesin itu sendiri. Cara memperoleh energi termal tersebut dari hasil proses pembakaran bahan bakar di dalam mesin itu sendiri.

Motor diesel adalah jenis khusus dari mesin pembakaran dalam. Karakteristik utama pada mesin diesel yang membedakannya dari motor bakar yang lain terletak pada metode pembakaran bahan bakarnya[2].

Cara kerja mesin diesel ini adalah udara masuk ke dalam ruang bakar mesin diesel dan dikompresi oleh piston yang merapat, jauh lebih tinggi dari rasio kompresi dari mesin otto. Beberapa saat sebelum piston pada posisi Titik Mati Atas (TMA) atau BTDC (Before Top Dead Center), bahan bakar diesel diijeksikan ke ruang bakar dalam tekanan tinggi melalui nosel supaya bercampur dengan udara panas yang bertekanan tinggi. Hasil pencampuran ini menyala dan membakar dengan cepat, ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran mengembang dengan cepat, mendorong piston ke bawah dan menghasilkan tenaga linear. Siklus diesel (ideal) pembakaran tersebut dimisalkan dengan pemasukan panas pada tekanan konstan. Proses kerja motor diesel terdiri dari 4 langkah sebagai berikut[3]: a). Langkah Hisap

Piston bergerak dari TMA (titik mati atas) ke TMB (titik mati bawah), katup masuk terbuka. Udara murni terhisap masuk ke dalam selinder akibat terjadinya kevakuman dalam ruang silinder karena terjadi pembesaran volume ruang di atas torak (gerak dari TMA ke TMB).

b). Langkah Kompresi

Poros engkol terus berputar, piston bergerak dari TMB ke TMA, kedua katup tertutup. Udara murni yang terhisap tadi terkompresi dalam ruang bakar. Karena terkompresi suhu dan tekanan udara tersebut naik hingga mencapai 35 atm dengan temperatur 500 - 800 (pada perbandingan kompresi 20 : 1).

c). Langkah Usaha

Poros engkol masih terus berputar, beberapa derajat sebelum torak mencapai TMA di akhir langkah kompresi, bahan bahar diinjeksikan ke dalam ruang bakar. Karena suhu udara kompresi yang tinggi terjadilah pembakaran yang menghasilkan tekanan eksplosif yang mendorong piston bergerak dari TMA ke TMB. Kedua katup masih dalam keadaan tertutup. Gaya dorong ke bawah diteruskan oleh batang piston ke poros engkol untuk dirubah menjadi gerak rotasi. Langkah usaha ini berhenti ketika katup buang mulai membuka beberapa derajat sebelum torak mencapai TMB. d). Langkah Buang

Poros engkol masih terus berputar, piston bergerak dari TMB ke TMA, katup buang terbuka. Gas sisa hasil pembekaran terdorong keluar dari ruang bakar (ruang silinder di atas torak) menuju udara luar melalui katup buang yang terbuka. Karena gas sisa tersebut masih bertekanan tinggi.

Mesin otto adalah sebuah tipe mesin pembakaran dalam yang menggunakan nyala busi untuk proses pembakaran, dirancang untuk menggunakan bahan bakar gasoline atau yang sejenis.

Mesin otto berbeda dengan mesin diesel dalam metode pencampuran bahan bakar dengan


31

udara, dan mesin otto selalu menggunakan penyalaan busi untuk proses pembakaran. Pada mesin diesel, hanya udara yang dikompresikan dalam ruang bakar dan dengan sendirinya udara tersebut terpanaskan, bahan bakar diinjeksikan ke dalam ruang bakar di akhir langkah kompresi untuk bercampur dengan udara yang sangat panas, pada saat kombinasi antara jumlah udara, jumlah bahan bakar, dan temperatur dalam kondisi tepat maka campuran udara dan bakar tersebut akan terbakar dengan sendirinya. Siklus otto (ideal) pembakaran tersebut dimisalkan dengan pemasukan panas pada volume konstan.

Mesin empat langkah adalah mesin pembakaran dalam yang dalam satu siklus pembakaran terjadi empat langkah piston. Empat langkah tersebut meliputi, langkah hisap (pemasukan), kompresi, tenaga dan langkah buang yang secara keseluruhan memerlukan dua putaran poros engkol (crankshaft) per satu siklus pada mesin otto[4].

1. Langkah Hisap Dalam langkah ini, campuran

bahan bakar dan udara di hisap ke dalam ruang bakar, Katup hisap membuka sedangkan katup buang tertutup. Waktu torak bergerak dari titik mati atas (TMA) ke titik mati bawah (TMB), menyebabkan ruang silinder menjadi vakum dan menyebabkan masuknya campuran udara dan bahan bakar ke dalam silinder yang disebabkan adanya tekanan udara luar.

2. Langkah Kompresi Dalam langkah ini, campuran

udara dan bahan bakar dikompresikan. Katup hisap dan katup buang tertutup. Waktu torak naik dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA), campuran yang dihisap tadi dikompresikan. Akibatnya tekanan dan temperaturnya akan naik, sehingga akan mudah terbakar. Saat inilah percikan api dari busi terjadi. Poros engkol berputar satu kali ketika torak mencapai titk mati atas (TMA).

3. Langkah Usaha

Dalam langkah ini, mesin menghasilkan tenaga dimana gerak translasi piston diubah menjadi gerak rotasi oleh poros engkol dan selanjutnya akan menggerakkan kendaraan. Saat torak mencapai titik mati atas (TMA) pada saat langkah kompresi, busi memberikan loncatan bunga api pada campuran udara dan bahan bakar yang telah dikompresikan. Dengan adanya pembakaran, kekuatan dari tekanan gas pembakaran yang tinggi mendorong torak ke bawah. Usaha ini yang menjadi tenaga mesin.

4. Langkah Buang Dalam langkah ini, gas yang

sudah terbakar, akan dibuang ke luar silinder. Katup buang membuka sedangkan katup hisap tertutup.Waktu torak bergerak dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA), mendorong gas bekas keluar dari silinder. Pada saat akhir langkah buang dan awal langkah hisap kedua katup akan membuka sedikit (valve overlap) yang berfungsi sebagai langkah pembilasan (campuran udara dan bahan bakar baru mendorong gas sisa hasil pembakaran). Ketika torak mencapai TMA, akan mulai bergerak lagi untuk persiapan langkah berikutnya, yaitu langkah hisap. Poros engkol telah melakukan 2 putaran penuh dalam satu siklus yang terdiri dari empat langkah yaitu, 1 langkah hisap, 1 langkah kompresi, 1 langkah usaha, 1 langkah buang yang merupakan dasar kerja dari pada mesin empat langkah.

Kompresi pada mesin merupakan perbandingan tekanan udara berbanding bahan bakar. Dalam pengertian yang lebih luas, rasio kompresi adalah perbandingan volume ruang bakar saat piston di titik mati bawah (TMB) dengan volume ruang bakar saat titik mati atas (TMA). Semakin besar perbandingan rasio kompresi maka pada saat piston berada di titik mati atas (TMA) akan memiliki tekanan dan suhu yang semakin besar pula. Rasio kompresi adalah suatu angka yang menyatakan perbandingan volume antara volume total silinder dengan volume ruang bakar nya.


32

Volume total adalah penjumlahan dari volume silinder dan volume ruang bakar. Torsi dan Daya Torsi yang dihasilkan suatu mesin dapat diukur dengan menggunakan dinamometer yang dikopel dengan poros output mesin. Oleh karena sifat dinamometer yang bertindak seolah-olah seperti sebuah rem dalam sebuah mesin, maka daya yang dihasilkan poros output ini sering juga disebut dengan brake power. Torsi didefinisikan sebagai gaya yang bekerja pada jarak momen dan memiliki satuan N-m atau lbf-ft[5]. Daya didefinisikan sebagai usaha dari mesin per satuan waktu.

W = ..................................(2.1)

Dimana :

= Dayaporos(kW) =N Putaran mesin (rpm)

= Torsi (Nm)

Perbandingan Udara Bahan Bakar (AFR) Air-Fuel Ratio adalah parameter yang digunakan untuk mendeskripsikan rasio campuran udara dengan bahan bakar:

= =

....................(2.2)

= .! .........................(2.3)

= "#$..............................(2.4)

%= &'(()*()$+' .....................(2.5)

, =(-*(.(. ..............................(2.6) Dimana : % = Massa udara (kg/siklus) % = Laju aliran udara ke mesin (kg/sec) = Massa bahan bakar (kg/siklus) = Laju aliran bahan bakar ke mesin (kg/sec)

/0 = Jumlah silinder / = Putaran mesin (rpm) 1 = 2 (rev/sec) untuk 4 langkah dan 1 (rev/sec) untuk 2 langkah 23= Tekanan udara masuk silinder (85-90 kPa) 45 = Volume displacement (m3) 40 = Volume clearence (m3) = Konstanta gas ideal (0,287 kJ/kg.K) 63 = Temperatur udara masuk silinder (333 K) , = 8 11 untuk mesin pengapian busi (Spark Ignition Engine) modern = 12 24 untuk mesin pengapian kompresi (Compression Ignition Engine). Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)

Konsumsi bahan bakar spesifik didefinisikan dengan :

780 = / ......................(2.7) Dimana: 780 = Konsumsi bahan bakar spesifik /

Specific Fuel Consumption (gm/kWh)

= Laju aliran bahan bakar ke mesin = Daya poros (kW) Efisiensi Mesin Waktu yang diperlukan untuk proses pembakaran suatu siklus mesin sangatlah singkat dan pada umumnya tidak semua bahan bakar habis terbakar oleh oksigen atau bahkan temperatur sekitar tidak mendukung reaksi kimia yang terjadi.

Kemungkinan terburuk sebahagian kecil molekul bahan bakar tidak bereaksi dan terbawa ke aliran pembuangan (exhaust). Effisiensi

pembakaran : menerangkan seberapa banyak bahan bakar yang bereaksi dan terbakar. : memiliki nilai yang berkisar dari 0.95 sampai 0.98 ketika mesin bekerja. Untuk satu siklus mesin pada satu silinder, panas yang ditambahkan adalah :

;3! = ;


33

;=! = ; = ;3!? = ;=!? = : :? ...(2.10)

Dimana:

= Daya poros = massa bahan bakar = Laju aliran bahan bakar ke ruang bakar ;


34

3. Sepeda motor diuji dengan variasi bahan bakar, beban dan kecepatan untuk mendapatkan data putaran mesin sebagai berikut: Tabel 1. Format pengujian kecepatan terhadap putaran dengan variasi bahan bakar premium dan pertamax plus

4. Pengujian perbandingan udara dan

bahan bakar kendaraan sesuai dengan putaran mesin yang sudah didapatkan dari pengujian sebelumnya dengan variasi bahan bakar premium dan pertamax plus.

5. Mesin dibuka dan dipasang pada alat uji torsi untuk melakukan pengujian torsi

6. Alat uji torsi diseimbangkan dengan pemberian beban sebesar 2692 gram

7. Torsi diukur dengan variasi rpm yang sudah didapatkan dengan variasi bahan bakar premium dan pertamax plus.

8. Mesin dibuka dan rasio kompresi dimodifikasi menjadi 11:1, kemudian prosedur pengambilan data diulang kembali dari awal.

9. Semua data dicatat dan dianalisis 10. Selesai

4. Hasil dan Pembahasan Hasil pengujian uji kinerja mesin otto

ini dilakukan secara langsung dengan menggunakan variasi bahan bakar premium (RON 88) dan pertamax-plus (RON 95), beban pengemudi,putaran mesin dan kecepatan kendaraan untuk mendapat data-data dibawah ini:

Torsi

Gambar 1. Grafik Torsi vs putaran mesin

Dari grafik diatas dapat dilihat

besarnya torsi untuk masing-masing pengujian sebelum dan setelah modifikasi rasio kompresi. Untuk bahan bakar premium (RON 88) sebelum modifikasi rasio kompresi, torsi terendah yaitu sebesar 6,4 Nm dan torsi tertinggi sebesar 8,6 Nm. Untuk bahan bakar premium (RON 88) setelah modifikasi rasio kompresi, torsi terendah yaitu sebesar 5,1 Nm dan torsi tertinggi sebesar 8,6 Nm.

Untuk bahan bakar pertamax plus (RON 95) sebelum modifikasi rasio kompresi, torsi terendah terjadi pada yaitu sebesar 5,3 Nm dan torsi tertinggi terjadi pada kecepatan sebesar 8,2 Nm. Untuk bahan bakar pertamax plus (RON 95) setelah modifikasi rasio kompresi, torsi terendah yaitu sebesar 5,3 Nm dan torsi tertinggi sebesar 8,6 Nm. Daya

Gambar 2. Grafik daya vs putaran mesin


35

Dari grafik diatas dapat dilihat besarnya daya untuk masing-masing pengujian sebelum dan setelah modifikasi rasio kompresi. Untuk bahan bakar premium (RON 88) sebelum modifikasi rasio kompresi, daya terkecil yaitu sebesar 1,45 kW dan daya terbesar sebesar 5,51 kW. Untuk bahan bakar premium (RON 88) setelah modifikasi rasio kompresi, daya terkecil yaitu sebesar 1,07 kW dan daya terbesar adalah 5,37 kW.

Untuk bahan bakar pertamax plus (RON 95) sebelum modifikasi rasio kompresi, daya terkecil yaitu sebesar 1,18 kW dan daya terbesar sebesar 5,24 kW. Untuk bahan bakar pertamax plus (RON 95) setelah modifikasi rasio kompresi, daya terkecil yaitu sebesar 1,16 kW dan daya terkecil sebesar 5,47 kW.

Perbandingan Udara dengan Bahan Bakar (AFR)

Gambar 3. Grafik AFR vs putaran mesin

Dari grafik diatas dapat dilihat besarnya AFR untuk masing-masing pengujian sebelum dan setelah modifikasi rasio kompresi. Untuk bahan bakar premium (RON 88) sebelum modifikasi rasio kompresi, AFR terkecil yaitu sebesar 13,1 dan AFR terbesar yaitu sebesar 21,6. Untuk bahan bakar premium (RON 88) setelah modifikasi rasio kompresi, AFR terkecil yaitu sebesar 14,1 dan AFR terbesar yaitu sebesar 22,5.

Untuk bahan bakar pertamax plus (RON 95) sebelum modifikasi rasio kompresi, AFR terkecil yaitu sebesar 12 dan AFR terbesar yaitu sebesar 19. Untuk bahan bakar pertamax plus (RON 95) setelah modifikasi rasio kompresi, AFR terkecil yaitu sebesar 13 dan AFR terbesar adalah 20,5.

Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)

Gambar 4. Grafik SFC vs putaran mesin

Dari grafik diatas dapat dilihat besarnya SFC (Specific Fuel Consumption) untuk masing-masing pengujian sebelum dan setelah modifikasi rasio kompresi. Untuk bahan bakar premium (RON 88) sebelum modifikasi rasio kompresi, SFC terkecil yaitu sebesar 224,28 gr/kWh dan SFC terbesar yaitu sebesar 285,36 gr/kWh. Untuk bahan bakar premium (RON 88) setelah modifikasi rasio kompresi, SFC terkecil yaitu sebesar 249,75 gr/kWh dan SFC terbesar yaitu sebesar 284,67 gr/kWh.

Untuk bahan bakar pertamax plus (RON 95) sebelum modifikasi rasio kompresi, SFC terkecil yaitu sebesar 268,11 gr/kWh dan SFC terbesar yaitu sebesar 330,84 gr/kWh. Untuk bahan bakar pertamax plus (RON 95) setelah modifikasi rasio kompresi, SFC terkecil yaitu sebesar 261,01 gr/kWh dan SFC terbesar yaitu sebesar 290,31 gr/kWh.

Effisiensi Termal

Gambar 5. Grafik effisiensi termal vs putaran mesin

Dari tabel dan grafik tersebut dapat dilihat besarnya efisiensi termal untuk masing-masing pengujian sebelum dan sesudah modifikasi rasio kompresi. Untuk bahan bakar premium (RON 88) sebelum modifikasi rasio kompresi, efisiensi termal terkecil yaitu sebesar 29,29% dan efisiensi


36

termal terbesar yaitu sebesar 36,96%. Untuk bahan bakar premium (RON 88) setelah modifikasi rasio kompresi, efisiensi termal terkecil yaitu sebesar 29,34% dan efisiensi termal terbesar yaitu sebesar 33,47%.

Untuk bahan bakar pertamax plus (RON 95) sebelum modifikasi rasio kompresi, efisiensi termal terkecil yaitu sebesar 25,27% dan efisiensi termal terbesar yaitu sebesar 31,18%. Untuk bahan bakar pertamax plus (RON 95) setelah modifikasi rasio kompresi, efisiensi termal terkecil yaitu sebesar 28,79% dan efisiensi termal terbesar yaitu sebesar 32,03%. 5. Kesimpulan dan Saran

Dari hasil pengujian dan analisis data, adapun kesimpulan yang dihasilkan dari pengujian ini adalah : Pada mesin sepeda motor satu silinder berbahan bakar premium, torsi mengalami penurunan sebesar 11,05% setelah modifikasi rasio kompresi, sedangkan torsi dan daya akan mengalami peningkatan sebesar 3,09 ketika menggunakan bahan bakar pertamax plus setelah modifikasi rasio kompresi.Perbandingan udara bahan bakar (AFR) untuk bahan bakar premium mengalami peningkatan sebesar 7,03% setelah modifikasi rasio kompresi, AFR juga mengalami peningkatan sebesar 6,57% ketika menggunakan bahan bakar pertamax plus setelah modifikasi rasio kompresi Konsumsi bahan bakar spesifik (SFC) untuk bahan bakar premium mengalami penurunan sebesar 2,52% setelah modifikasi rasio kompresi, SFC juga mengalami penurunan sebesar 11,13% ketika menggunakan bahan bakar pertamax plus setelah modifikasi rasio kompresi.Effisiensi termal untuk untuk bahan bakar premium mengalami penurunan sebesar 3,10% setelah modifikasi rasio kompresi, sedangkan effisiensi termal mengalami peningkatan sebesar 10,81% ketika menggunakan bahan bakar premium setelah modifikasi rasio kompresi. Untuk pengujian selanjutnya, nilai kalor bahan bakar perlu di uji untuk hasil yang lebih

baik dan akurat.

Pada pengujian selanjutnya, setiap alat ukur yang

dipakai untuk pengujian adalah alat ukur yang

terbaru dan sesuai agar mendapat hasil yang

lebih baik dan akurat.

Harapannya pengujian ini dapat dilanjutkan dan

didalami untuk mendapatkan performansi terbaik

dari mesin MESIN USU kedepannya.

Daftar Pustaka

1. Heywood. John B. 1998. Internal Combustion Engines Fundamental. New York.

2. http://otomotif-1978.blogspot.com/2010/10/cara-kerja-motor-bensin-dan-diesel.html

3. http://bendut.blogspot.com/2010/01/siklus-kerja-mesin-diesel-4-langkah.html

4. http://bendut.blogspot.com/2010/01/siklus-kerja-mesin-otto-4-langkah.html

5. http://dosen.narotama.ac.id/wp-content/uploads/2013/01/metode-

pengukuran-momen-dan-daya. 6. Holman, J.P. 1984. Experimental

Methods for Engineers. McGraw-Hill Book, Inc.

6447-15562-1-pb

Documents