bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)
TRANSCRIPT
1
100% energi bahan bakar
25% dayaberguna
5% gesekan dan asesoris
30% pendingin
40% gas buang
BAB 12 PRESTASI MESIN
Motor bakar adalah suatu mesin yang mengkonversi energi dari energi kimia yang terkandung pada bahan bakar menjadi energi mekaik pada poros motor bakar. Jadi daya yang berguna yang langsung dimanfaatkan sebagai penggerak adalah daya pada poros. Proses perubahan energi dari mulai proses pembakaran sampai menghasilkan daya pada poros motor bakar melewati beberapa tahapan dan tidak mungkin perubahan energinya 100%. Selalu ada kerugian yang dihasilkan selama proses perubahan, hal ini sesuai dengan hukum termodinamika kedua yaitu "tidak mungkin membuat sebuah mesin yang mengubah semua panas atau energi yang masuk memjadi kerja". Jadi selalu ada "keterbatasan" dan "keefektifitasan" dalam proses perubahan, ukuran inilah yang dinamakan efisiensi.
Kemampuan mesin motor bakar untuk mengubah energi yang masuk yaitu bahan bakar sehingga menghasilkan daya berguna disebut kemampuan mesin atau prestasi mesin. Gambar 12.1 menggambarkan proses perubahan energi bahan bakar.
Gambar 12.1 Keseimbangan energi pada motor bakar
2
Berdasarkan gambar 12.2 terlihat jelas bahwa tidak mungkin mengubah semua energi bahan bakar menjadi daya berguna. Daya berguna hanya sebesar 25%, yang artinya mesin hanya mampu menghasilkan 25% daya berguna yang dapat dipakai sebagai penggerak dari 100% bahan bakar. Energi yang lainnya dipakai untuk menggerakkan asesoris atau peralatan bantu, kerugian gesekan dan sebagian terbuang ke lingkungan sebagai panas gas buang dan melalui air pendingin. Jika digambar dengan hukum termodinamika dua adalah sebagai berikut :
Qmasuk
Sumber panas T tinggi,ruang silinder motor, proses pembakaran [100%]
mesin motor bakar
Wpositif = kerja mekanik [25%]- putaran poros engkol motor
Qke luar
lingkungan
- gas buang melalui kenalpot mesin motor bakar [40%]- melalui air pendingin [30%]- gesekan komponen mesin dan daya asesoris [5%]
Temperatur rendah
Gambar 12.2 Diagram proses konversi energi pada motor bakar
VC TMAd
L
TMB
s l
a
3
A. Propertis Geometri SilinderBahan bakar dibakar di dalam silinder untuk menghasilkan energi.
Jadi silinder adalah komponen utama sebagai tempat proses pembakaran.
Gambar 12.3 Propertis geometri silinder motor bakar
2 Busi untuk mesin Otto2 Penginjeksi bahan bakar pada mesin Diesel
katup
Titik Mati Atas[TMA]
ruang bakar
panjang langkahdinding silinder
Titik mati bawah[TMB]
Piston/torak
Batang torak
Crank shaftatau poros engkol
TMA0o
4
270 90o
180o
TMB
Gambar 12.4 Geometri silinder
katup masuk katup buang
TMA
langkah
TMB
5
Gambar 12.3 dan 12.4 di atas adalah propertis dari geometri silinder motor bakar. Adapun definisi dari masing-masing propertis atau komponen adalah:
[1] Silinder, adalah bagian yang memindahkan panas ke tenaga mekanik dengan menggunakan piston atau torak yang bergerak bolak balik di dalam silinder. Gerakan piston akan bersinggungan dengan dinding silinder.[2] Kepala silinder, terdiri dari ruang bakar (Vc), lubang-lubang untukbusi atau nosel injeksi dan makanik katup (hisap dan buang)[3] Diameter silinder (d ), adalah ukuran melebar dari silinder.[4] Panjang langkah (L), adalah jarak terjauh piston bergerak di dalam silinder, atau jarak gerakan piston dari Titik Mati Bawah (TMB) ke Titik Mati Atas ( TMA)[5] Poros engkol dan batang torak, adalah komponen pengubah gerak bolak balik piston menjadi gerak putar atau rotasi[6] Sudut engkol adalah sudut perputaran poros engkol pada langkah tertentu, satu putaran penuh adalah 3600.
Gambar 12.5 Langkah mesin
2
6
TM A
TMB
volume langkah Vd volume ruang bakar Vc
Gambar 12.6 Volume langkah dan volume ruang bakar
A.1. Volume langkah dan volume ruang bakar
Volume langkah adalah volume ketika torak bergerak dari TMA ke TMB, disebut juga volume displacement dari mesin. Volume mesin satu silinder dihitung dengan rumus:
V D
Ld 4
Volume langkah dengan jumlah silinder N adalah:
V D4 xLxN
Volume ruang bakar atau clearance volume adalah VcA.2. Perbandingan kompresi (compression ratio)
Perbandingan kompresi (r) adalah menunjukkan seberapa banyak campuran bahan bakar dan udara yang masuk silinder pada langkah hisap, dan yang dimampatkan pada langkah kompresi. Perbandingannya adalah antara volume langkah dan ruang bakar (Vd +Vc) yaitu pada posisi piston di TMB, dengan volume ruang bakar (Vc) yaitu pada posisi piston di TMA, dapat dirumuskan dengan persamaan:
2
7
r volume silinder pada posisi piston di TMB volume
V V
r d c
Vc
silinder
pada posisi piston di TMA
Dari rumus efisiensi termal dapat dilihat bahwa dengan menaikkan rasio kompresi akan menaikkan efisiensi, dengan kata lain tekanan pembakaran bertambah dan mesin akan menghasilkan daya berguna yang lebih besar. Akan tetapi, kenaikan tekanan pembakaran di dalam silinder dibarengi dengan kenaikan temperatur pembakaran dan ini menyebabkan pembakaran awal, peristiwa tersebut dengan knocking dan meyebabkan daya mesin turun.
Pada mesin diesel rasio kompresi lebih tinggi dibanding dengan mesin bensin. Rasio kompresi semakin tinggi pada mesin diesel dibarengi dengan kenaikan efisiensi. Kenaikan rasio kompresi akan menaikkan tekanan pembakaran, kondisi ini akan memerlukan material yang kuat sehingga dapat menahan tekanan dengan temperatur tinggi. Material yang mempuyai kualitas tinggi harus dibuat dengan teknologi tinggi dan harganya mahal, sehingga secara keseluruhan menjadi tidak efektif.
A.3. Kecepatan piston rata-rata
Piston atau torak bergerak bolak balik (reciprocating) di dalam silinder dari TMA ke TMB dan dari TMB ke TMA. Kecepatan pergerakan piston dapat dihitung dengan mengambil harga rata ratanya yaitu:
U p 2xLxn
dengan Up = adalah kecepatan piston rata-rata (m/s) n = putaran mesin rotasi per waktu (rpm)L = panjang langkah atau stroke
B. Torsi dan Daya MesinTorsi adalah ukuran kemampuan mesin untuk melakukan kerja, jadi
torsi adalah suatu energi. Besaran torsi adalah besaran turunan yang biasa digunakan untuk menghitung energi yang dihasilkan dari benda yang berputar pada porosnya. Adapun perumusan dari torsi adalah sebagai berikut. Apabila suatu benda berputar dan mempunyai besar gaya sentrifugal sebesar F, benda berputar pada porosnya dengan jari- jari sebesar b, maka torsinya adalah:
T Fxb (N.m)
dengan T = Torsi benda berputar (N.m)F = gaya sentrifugal dari benda yang berputar (N)b = jarak benda ke pusat rotasi (m)
Fb
-F
b
StatorRotor
gaya F
nbeban w
8
Karena adanya torsi inilah yang menyebabkan benda berputar terhadap porosnya, dan benda akan berhenti apabila ada usaha melawan torsi dengan besar sama dengan arah yang berlawanan.
Gambar 12.7 Skema pengukuran torsi
Pada motor bakar untuk mengetahui daya poros harus diketahui dulu torsinya. Pengukuran torsi pada poros motor bakar menggunakan alat yang dinamakan Dinamometer. Prinsip kerja dari alat ini adalah dengan memberi beban yang berlawanan terhadap arah putaran sampai putaran mendekati o rpm. Beban ini nilainya sama dengan torsi poros. Gambar 12.8 menunjukkan prinsip dasar dari dinamometer.
Gambar 12.8 Skema dinamometer
Dari gambar di atas dapat dilihat pengukuran torsi pada poros (rotor) dengan prisip pengereman dengan stator yang dikenai beban
9
sebesar w. Mesin dinyalakan kemudian pada poros disambungkan dengan dinamometer. Untuk megukur torsi mesin pada poros mesin diberi rem yang disambungkan dengan w pengereman atau pembebanan. Pembebanan diteruskan sampai poros mesin hampir berhenti berputar. Beban maksimum yang terbaca adalah gaya pengereman yang besarnya sama dengan gaya putar poros mesin F. Dari definisi disebutkan bahwa perkalian antara gaya dengan jaraknnya adalah sebuah torsi, dengan difinisi tersebut Torsi pada poros dapat diketahui dengan rumus:
T wxb (Nm)
dengan T = torsi mesin (Nm) w = beban (kg)b = jarak pembebanan dengan pusat putaran
Pada mesin sebenarnya, pembebanan terjadi pada komponen- komponen mesin sendiri yaitu asesoris mesin (pompa air, pompa pelumas, kipas radiator), generator listrik (pengisian aki, listrik penerangan, penyalan busi), gesekan mesin dan komponen lainnya.
Dari perhitungan torsi di atas dapat diketahui jumlah energi yang dihasikan mesin pada poros. Jumlah energi yang dihasikan mesin setiap waktunya disebut dengan daya mesin. Kalau energi yang diukur pada poros mesin dayanya disebut daya poros.
C. Perhitungan Daya MesinPada motor bakar, daya dihasilkan dari proses pembakaran di
dalam silinder dan biasanya disebut dengan daya indikator. Daya tersebut dikenakan pada torak yang bekerja bolak-balik di dalam silinder mesin. Jadi di dalam silinder mesin, terjadi perubahan energi dari energi kimia bahan bakar dengan proses pembakaran menjadi energi mekanik pada torak.
Daya indikator merupakan sumber tenaga per satuan waktu operasi mesin untuk mengatasi semua beban mesin. Mesin selama bekerja mempunyai komponen-komponen yang saling berkaitan satu dengan lainnya membentuk kesatuan yang kompak. Komponen-komponen mesin juga merupakan beban yang harus diatasi daya indikator. Sebagai contoh pompa air untuk sistem pendingin, pompa pelumas untuk sistem pelumasan, kipas radiator, dan lain lain, komponen ini biasa disebut asesoris mesin. Asesoris ini dianggap parasit bagi mesin karena mengambil daya dari daya indikator.
Disamping komponen-komponen mesin yang menjadi beban, kerugian karena gesekan antar komponen pada mesin juga merupakan parasit bagi mesin, dengan alasan yang sama dengan asesoris mesin yaitu mengambil daya indikator. Seperti pada Gambar 12.1 terlihat bahwa
10
daya untuk meggerakkan asesoris dan untuk mengatasi gesekan sekitar 5% bagian.
Untuk lebih mudah memahami, di bawah ini ditunjukkan perumusan dari masing masing daya. Satuan daya menggunakan HP(horse power).
N e
N i N
N a
( HP)
dengan Ne = daya efektif atau daya poros ( HP)Ni = daya indikator ( HP)Ng = kerugian daya gesek ( HP)Na = kerugian daya asesoris ( HP)
C.1. Daya indikatorSeperti telah diuraikan di atas, daya indikator adalah daya yang
dihasilkan di dalam silinder pada proses pembakaran. Untuk menghitung daya indikator, perlu ditentukan terlebih dahulu tekanan indikator rata-rata yang dihasilkan dari proses pembakaran satu siklus kerja.
C.1.1 Diagram indikator
Cara memperoleh siklus kerja dari suatu mesin adalah dengan menggunakan sebuah motor atau mesin uji yang dipasang seperangkat alat untuk mencatat setiap kondisi kerja mesin pada semua langkah. Dengan mesin uji tersebut dapat dihasilkan diagram indikator satu siklus kerja. Pada gambar berikut adalah mesin uji yang digunakan untuk menggambarkan diagram indikator satu siklus kerja mesin, jenis mekanis dan jenis elektrik. Gambar diagram indikator adalah sebuah grafik hubungan p dan V, jadi setiap tekanan pada kedudukan tertentu dari piston dapat diketahui.
Cara kerja mesin uji adalah sebagai berikut.[A] Mesin uji elektrik. Mesin uji bekerja dengan sinyal digital. Alat pendeteksi tekanan (pressure transduser) dipasang pada ruang silinder, alat pendeteksi volume (inductive pick up) dipasang pada piringan yang terpasang pada bagian bawah silinder terhubung dengan poros engkol. Masing masing alat pendeteksi memberikan respon dari setiap kondisi yang diukur, kemudian respon tersebut diubah dalam bentuk sinyal listrik yang akan diperkuat di unit amplifier dan trigger. Sinyal-sinyal digital di tampilkan pada layar osiloskop dalam bentuk grafik hubungan sudut poros engkol dan tekanan silinder [Gambar 12.9]
g
Gambar
tranduser tekanan
saluran 1 oskiloskop
amplifayer dantrigger
perekam
skala
saluran 2sensor induktansi
piringan yangdipasang pada porosengkol
11
Gambar 12.9 Mesin uji elektrik
[B] Mesin uji mekanis. Mesin uji mekanis terdiri dari dua perangkat [Gambar 12.10]. Perangkat pertama adalah mesin otto dan yang kedua adalah perangkat mekanisme pencatat. Proses pembakaran pada tekanan dan volume tertentu di dalam silinder mesin otto. Pada silinder dibuat lubang sebagai tempat saluran pipa yang akan mendeteksi perubahan tekanan di dalam silinder selama siklus kerja mesin. Pipa tersebut terhubung dengan silinder pada perangkat kedua yang terdiri dari piston, batang piston dan tuas pencatat atau indikator scriber. Pada tuas pencatat ujungnya akan bersinggungan dengan drum kertas. Res pon volume setiap kondisi piston dideteksi dengan menggunakan mekanisme tuas yang dipasang pada piston, kemudian disambungkan dengan kabel yang dihubungkan drum kertas. Setiap pergerakan piston akan memutar drum. Jadi pada saat mesin mulai bekerja tekanan di dalam silinder mulai berubah sehingga tuas pencatat mulai bergerak, karena kedudukan piston juga berubah menyebabkan tuas pada piston juga berubah posisinya, seterusnya drum berputar karena ditarik dengan kabel dari tuas piston.
penggambarindikator
batang piston
drum
batang pegaspistonpengatur
pulipengatur
kertas cetak indikator
senar
loop dan hook
lengan ayun
12
Gambar 12.10 Mesin uji mekanisDiagram indikator yang dihasilkan mesin uji mekanis
menggambarkan kondisi tekanan pada setiap kedudukan piston di dalam silinder [Gambar 12.11]. Sehingga secara sederhana diagram indikator dapat digambarkan sebagai berikut.
Throttle penuh
PenyalaanKatup buangterbuka
TMA TMB
13
Gambar 12.11 Diagram indikator mesin uji mekanik
Dari diagram indikator di atas terlihat satu siklus kerja dari mesin otto. Siklus ini menggambarkan kondisi aktual dari mesin di dalam silinder. Tekanan hisap dan buang terlihat berbeda, proses pembakaran juga tidak pada volume konstan, pembuangan gas sisa juga tidak pada volume konstan.
Diagram indikator yang dihasilkan mesin uji elektrik menggambarkan kondisi tekanan pada setiap kedudukan piston di dalam silinder. Sehingga secara sederhana diagram indikator dapat digambarkan sebagai berikut.
Teka
nan,
Pembakaran
Masuk Buang
Kompresi ekspansi
14
Gambar 12.12 Diagram indikator mesin uji elektrik
Diagram di atas merupakan hubungan antara tekanan di dalam silinder dengan sudut engkol pada mesin. Dengan menggunakan grafik ini dapat dianalisis setiap langkah kerja mesin, yaitu mulai hisap (intake), kompresi (compression), pembakaran (combustion), tenaga (expansion), dan buang (exhaust). Tekanan pembakaran pada piston yaitu pada sumbu tegak menggambarkan kondisi aktual perubahan tekanan selama mesin bekerja
C.1.2. Kerja indikatorKerja indikator adalah kerja pada piston karena perubahan tekanan
dan volume selama siklus kerja mesin. Adapun kerja indikator persiklusnya dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut:
Wi pdv atau disederhanakan menjadi
Wi pxv
dengan p = tekanan di dalam silinder (atm)v = beda volume karena pergerakan piston
Gambar 12.13 adalah digram p-V dari mesin otto. Daerah A adalah kerja indikator positif pada langkah kompresi dan tenaga, sedangkan pada daerah B adalah kerja negatif pemompaan langkah hisap dan buang. Adapun jumlah total dari kedua daerah kerja terebut adalah kerja indikator total, dirumuskan dengan persamaan:
Wnet= WA-WB
katup buangterbuka
penyalaan A
TMA TMB
15
Widikatortotal Windikator Wpemompaan
Vd
Gambar 12.13 Diagram indikator mesin otto
Teka
nan,
16
Gambar 12.14 Kerja indikator total
Kerja indikator total [Gambar 12.14] adalah kerja yang akan diteruskan torak ke poros engkol. Kerja indikator akan selalu berubah menyesuaikan dengan jumlah campuran bahan bakar udara yang dihisap oleh mesin. Pada kondisi putaran rendah kerja indikator kecil, kerja indikator paling besar apabila mesin mencapai efisiensi maksimum.
Harga dari Wpemompaan yaitu kerja yang dibutuhkan pada langkah hisap dan buang akan selalu berharga negatif pada mesin standar, dimana udara masuk ke silinder pada langkah hisap, karena di ruang silinder tekanannya lebih rendah. Jadi diusahakan Wpemompaan serendah mungkin untuk menghasilkan Wnet indikator yang besar.
Pada mesin mesin yang dipasang supercharger [Gambar 12.15] atau turbocharger [Gambar 12.16] Wpemompaan berharga positif karena udara dipaksa masuk pompa sehingga garis langkah hisap di atas langkah buang. Jadi kerja indikator total adalah Wnet indikator = Windikator + Wpemompaan. Jadi dapat dikatakan mesin yang dipasang supercharger atau turbocharhger mempunyai Wnet indikator yang lebih besar dibandingkan dengan mesin yang standar (Wnet indikator superchager > Wnet indikator) . Diagram indikator untuk mesin yang dipasang superchager atau turbocharger dapat dilihat pada Gambar 12.18
Udara masuk
17
Gambar 12.15 Supercharger pada motor bakar
Udara masuk
Aftercooler kompresor
Saluran buang
Turbin
Udara ke luartekanan lebih tinggi
Udara masuk
gas buang ke luar
gas buang masuk turbin
18
Gambar 12.16 Prinsip turbocharger pada motor bakar
aliran udaraterkompresi
silinder mesin
pendinginkompresor sudu turbin
udaramasuksudu kompresor
pembuangangas sisa
saluran gas buang darimesin
19
Gambar 12.17 Instalasi turbocharger pada motor-bakar
WA~WB
Wnet~0
PenyalaanKatup buangTerbuka B
TMA TMBVolume spesifik, v
Wnet= WA+WB
TMA TMBVolume spesifik, v
20
A
Gambar 12.18 Perubahan diagram indikator dengan supercharging
Teka
nan,
Te
kana
n,
21
C.1.3. Tekanan indikator rata-rataTekanan rata-rata atau Mean Effective Pressure (MEP) adalah
suatu konsep untuk mencari harga tekanan tertentu konstan yang apabila mendorong piston sepanjang langkahnya dapat menghasilkan kerja persiklus Wnet 2 yang sama dengan siklus yang dianalisis Wnet 1. Pada gambar adalah grafik kerja indikator netto denga MEP nya.
Tekanan rata-rata dirumuskan sebagai berikut:
P kerja persiklus ratarata volum
elangkah to rak
Pratarata
W nett,2
Vd
jadi Wnet ,2Pratarata
xVd
Luasan Wnet adalah segi empat dengan lebar tekanan rata-rata (MEP)dan panjang Vd (VTMA - VTMB), maka untuk mencari luasannya:
Wnet = panjang x lebar = Vd X MEP = (VTMA - VTMB) X MEP
3P
Prata-rata (MEP)
Wnet 1D
2
C
4
Vc A
Wnet 21
Vd Bv
TMA TMB
22
Gambar 12.19 Diagram tekanan rata-rata
IMEPWnet,i =(VTMA - VTMB) X MEP
A
IMEPB
Wnet,i = Prata -rata,i X VdPrata-rata,i
VdTMA TMB
23
Jadi Prata-rata adalah suatu garis tekanan konstan, dimana pada posisi tersebut luas diagram p -v yang dibatasi oleh A-B-C-D sama dengan luasan bidang 1-2-3-4. Wnet 1 adalah identik dengan Wnet 2
Gambar 12.20 Diagram indikator rata-rata
24
Gambar 12.20 di atas adalah diagram indikator hubungan tekanan dan volume. Dari diagram tersebut dapat diketahui kerja indikator netto Wnet,i dari siklus. Untuk mengetahui kerja indikator netto, dihitung terlebih dahulu tekanan efektif indiaktor rata-rata atau Indicated Mean Effective Pressure (IMEP) dari siklus, adapun caranya adalah sebagi berikut. Dari diagram indikator yang dihasilkan dari mesin uji, baca skala tekanan dan skala langkah toraknya.
2 Skala langkah torak adalah 1 mm = X m2 Skala volume langkah adalah 1 mm = AX m3
2 Skala tekanan adalah 1 mm = Y N/m2
2 Skala kerja adalah 1 mm2 = Y.AX N.m
Apabila diketahu luasan kerja indikator adalah C mm2, maka kerja indikator persiklus = C.Y.AX N.m, sehingga tekanan indikatornya dapat dihitung dengan rumus:
kerja indikator persiklus
Pratarata,i
volume
langkah to rak
Pratarata,i
Pratarata,i
CxYxAX 2
Vd
CxYxAX 2
AxLCxYxX 2
N/m2
N/m2
2
jadi
Pratarata,i L
N/m
dengan L = panjang langkah torak cm
Tekanan indikator rata-rata yang diperoleh dari perhitungan di atas dapat digunakan untuk menghitung daya indikator. Dari rumus a dapat diperoleh perhitungan sebagai berikut:
Kerja indikatorpersiklus Pratarata,i
xvolumelangkah to rak
Wnet ,i
Pratarata,i xVd
dengan Prata-rata, i = tekanan indikator rata-rata
Daya adalah kerja perwaktunya N = W/t (1/t adalah rotasi per waktu atau
25
n ), maka daya indikator dapat dihitung dengan persamaan:
Ni Wnet ,i xn Nm/s
dengan n = putaran mesin (rpm)
Untuk mesin multisilinder untuk 4 langkah atau 2 langkah, rumus umum untuk menghitung daya indikator adalah:
26
N i Pratarata,i xVd xnxaxz Nm/s
dengan n = putaran mesin (rpm)a = jumlah siklus perputaran
= 1 untuk 2 langkah dan 1/2 untuk 4 langkah z = jumlah silinder
C.2. Daya poros atau daya efektif
Daya poros adalah daya efektif pada poros yang akan digunakan untuk mengatasi beban kendaraan. Daya poros diperoleh dari pengukuran torsi pada poros yang dikalikan dengan kecepatan sudut putarnya atau dapat dituliskan dengan persamaan sebagai berikut:
Ne
TxNm/s
Tx2n2Txn
dengan Ne = Daya poros Nm/s ( Watt) T = Torsi Nm = Kecepatan sudut putar
Dari perumusan di atas, untuk menghitung daya poros (brake power) Ne harus diketahui terlebih dahulu torsi T dan putaran n mesinnya. Torsi diukur langsung dengan alat dinamometer dan putaran mesin diukur dengan tachometer.
C.3. Kerugian daya gesekDaya gesek adalah energi persatuan waktu dari mesin yang
harus diberikan untuk mengatasi tahanan dari komponen-komponen mesin yang bersinggungan. Besarnya daya gesek dapat dihitung dengan mengurangi daya indikator dengan daya poros, perhitungan ini dengan asumsi daya asesoris diabaikan. Perumusannya adalah:
N e
N i
N
Na
apabila diasumsikan Na = 0 maka,
N g N i N e
Perhitungan daya gesek dengan cara ini cukup bagus untuk skala laboratorium.
D. Efisiensi MesinEfisiensi mesin menggambarkan tingkat efektifitas mesin bekerja.
Secara alamiah setiap proses memerlukan energi, menghasilkan kerja untuk melakukan proses, kemudian ada energi yang harus dibuang. Seperti manusia yang harus makan untuk melakukan aktivitas kerja,
g
27
selanjutnya secara alamiah harus ada yang dibuang. Apabila proses ini tidak berjalan semestinya, manusia dinyatakan dalam keadaan sakit dan tidak dapat melakukan kerja. Dalam kondisi ini seandainya manusia adalah mesin maka manusia dalam keadaan rusak.
Konsep efisiensi menjelaskan bahwa perbandingan antar energi berguna dengan energi yang masuk secara alamiah tidak pernah mencapai 100%. Pada motor bakar ada beberapa definisi dari efisiensi yang menggambarkan kondisi efektivitas mesin bekerja, yaitu:
1. Efisiensi termal2. Efisiensi termal indikator3. Efisiensi termal efektif4. Efisiensi mekanik5. Efisiensi volumetrik
D.1 Efisiensi termalEfisiensi termal adalah konsep dasar dari efisiensi siklus ideal yang
didefinisikan perbandingan antara energi yang berguna dengan energi yang masuk. Energi berguna adalah pengurangan antara energi masuk dengan energi terbuang. Jadi efisiensi termal dirumuskan dengan persamaan :
Energi berguna Energi masuk
D.2. Efisiensi termal indikatorEfisiensi termal indikator adalah efisiesi termal dari siklus aktual
diagram indikator. Energi berguna dari diagram indikator adalah kerja indikator dan energi masuknya adalah energi dari proses pembakaran perkilogramnya. Perumusannya adalah sebgai berikut:
Energi berguna daya indikator i
i
EnergiNi
Qm
masuk laju energi
kalor masuk
per kg
Karena efisiensi termal indikator adalah pada siklus aktual maka fluidanya adalah bahan bakar dengan udara, sehingga perhitungan energi adalah sebagai berikut:
Qm
G f
N i
xQc
i
28
Qm
i
e
29
N ii
G f xQc
P xV xnxaxz ratarata,i d
G f xQc
dengan Ni
Qm
G f
Qc
= Daya indikator (watt)
= laju kalor masuk per kg bahan bakar ( kcal/kg.jam)
= laju bahan bakar yang digunakan (kg/jam)= Nilai kalor bahan bakar per kcal/kg
D.3. Efisiensi termal efektif
Efisiensi termal efektif adalah perbandingan daya poros atau daya efektif dengan laju kalor masuknya. Perumusannya adalah sebagai berikut:
daya poros Ne
e laju energi
N e
kalor masuk
per kg
Qm
e
G f
xQc
P xV xnxaxz ratarata,e d
G f xQc
D.4. Efisiensi mekanik
Semua beban mesin diatasi dengan sumber energi dari proses pembakaran yang menghasilkan energi mekanik. Energi mekanik yang terukur pada diagram indikator adalah kerja indikator. Kerja indikator persatuan waktu inilah yang akan ditransfer mejadi kerja poros per satuan waktu. Adapun besarnya nilai efektivitas dari transfer daya indikator menjadi daya poros adalah efisiensi mekanis. Jadi efisiensi mekanis adalah perbandingan antara daya poros dengan daya indikator dan dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut:
N e
m N i
v
G
30
ApabilaNe
e Qm
N idan i
QmN
apabila dua persamaan tersebut disubstitusikan pada e
m N
menjadi e
m
i
, jadi jelas bahwa daya poros yang dihasilkan dari dayai
indikator harus dikalikan dengan efisiensi mekaniknya.
D.5. Efisiensi volumetrik
e mxi
Udara yang dihisap masuk silinder selalu banyak mengalami hambatan aliran sehingga aliran udara banyak kehilangan energi, disamping itu udara hisap juga menyerap panas dari saluran hisap terutama pada ujung saluran hisap yang ada katup masuknya. Karena menyerap panas temperatur udara menjadi naik dan menyebabkan massa jenis turun tetapi menaikkan nilai viskositasnya. Dengan kondisi tersebut udara lebih sulit mengalir dengan massa per satuan volumenya juga berkurang. Untuk mendefinisikan jumlah udara yang masuk ke ruang silinder dirumuskan ukuran keefektifan aliran udaran masuk yaitu efisiensi volumetri. Perumusannya adalah sebagai berikut:
Gav
jumlah udara masuk kedalam silinder aktual kg/jam
Gaijumlah
udara masuk kedalam silinder ideal(kg/j am)
G
a
Gai
aai
dengan massa jenis udara (kg/m3)
Hubungan efisiensi volumetrik dengan tekanan rata-rata efektif adalah:
Peratarata e . v . f .Qc .ai .0,0427 kg/cm
dengan f = perbandingan bahan bakar udara
G jumlah bahan bakar yang digunakan kg/jam f f
jumlaha
udara yang digunakan
kg/jam
dari perumusan di atas terlihat bahwa tekanan efektif rata-rata bergantung dari nilai dari v .
2
31
E. Laju Pemakaian Bahan Bakar SpesifikLaju pemakaian bahan bakar spesifik atau spesific fuel consumtion
(SFC) adalah jumlah bahan bakar (kg) per waktunya untuk menghasikan daya sebesar 1 Hp. Jadi SFC adalah ukuran ekonomi pemakaian bahan bakar. Perhitungan untuk mngetahui SFC adalah:
G
SFC f
e N e
Nee
G f xQc
Nee xQc
G f
1e
xQc
G f
Ne
SFC
F. Perhitungan Performasi Motor Bakar Torak Soal1. Sebuah mesin bensin 4 tak 6 silinder diujikan untuk mengetahui daya indikatornya, volume langkah 1000 cm3, putaran mesin diuji pada 2000 rpm, dari hasil pengujian didapatkan tekanan rata-rata indikator 10 kg/cm2
berapakah daya indikatornya ?
Jawab.
Diketahui
n = 2500 (rpm) = 2500/60 rps a = 1/2 untuk 4 langkahz = 6 silinder Vd = 1000 cm3
Pi = 10 kg/cm2
P xV xnxaxN rata rata , i d z mkg/si
60x100
N
Pratarata,i
xVd xnxax z Hp [ 1 Hp 75 kgm/s]i
60x100x75
32
N 10 x 1000 x 2500 x 0,5 x 6 166,67 Hpi450000
33
2. Mesin kendaran motor satu silinder jenis 2 tak dengan volume langkah250 cm3 disiapkan untuk perlombaan, untuk keperluan tersebut, ahli mekanik melakukan pengujian untuk mengetahui daya indikator dari mesin yang sudah dimodifikasi pada putaran 2300 rpm. Apabila diketahui tekanan indikator rata-rata adalah 5 kg/cm2, berapa daya indikatornya ?.
Jawab :
Diketahui :
n = 2300 (rpm) = 2300/60 rps a = 1 untuk 2 langkahz = 1 silinder Vd= 250 cm3
Pi = 5 kg/cm2
P xV xnxaxN rata rata , i d z mkg/si 60x100
N 5 x 250 x 2300 x 1 x 1 = 63,9 Hpi 60x100x75
3. Apabila soal pada nomor 2 diaplikasikan pada motor 4 tak, berapakah daya indikatornya ?. Jika dibandingkan aplikasi pada motor 2 tak, besar manakah daya indikator ?
Jawab :P xV xnxax
N rata rata , i d z mkg/si 60x100
N 5x250x2300x0,5x1
= 31,95 Hp [a =0,5 4 tak]i 60x100x75
Jawaban no 2 dan 3, terlihat daya indikator untuk kondisi mesin yang sama, mesin 2 tak mempunyai nilai yang lebih besar yaitu sebesar dua kalinya.
4. Dari soal no.1, sebagi tambahan pengujian, mesin tersebut kemudian dimasukan ke dinamometer untuk diketahui nilai torsinya. Dari pengujian dihasilkan data yaitu pada putaran 2500 rpm, torsi yang terbaca 35 kgm, hitunglah berapa besar daya efektif, efisiensi mekanik dan hitung daya geseknya
Jawab. : Diketahui:
Dari data soal no1 diketahui Ni = 166,67 Hp Torsi pada n = 2500 rpm sebesar 35 kg.m
Daya efektifnya adalah Ne 2Txn
34
Untuk 2500 rpm = 2500/60 rps
T = 35 kgm
Ne 2Txn35x 2500
Ne 2
60x75
122,1Hp
Daya gesek dapat dihitung dengan menggunakan perumusan :
N g N i N e
Ng = 166,67 Hp-122,1 Hp
Ng = 44,6 Hp
Efisensi mekanik sebesar :N
e
m N i
N em
i
122,1166,67
x100% 73,25%
5. Apabila pada soal no.4 jumlah bahan bakar dan nilai kalornya tercatat
sebesar G f 30 kg/jam dan Qc = 10000 kcal/kg, hitunglah efisiensiindikatornya dan efektifnya. Buktikan bahwa juga SFC efektifnya!
Jawab
Diketahui:
e
mxi
! dan hitung
G f 30 kg/jam =30/3600 kg/s
Qc = 10000 kcal/kg, 1 kcal = 427 kg.m1 Hp 75 kg.m/s
Dari data soal no.1 dan no.4 diperoleh
N 10 x 1000 x 2500 x 0,5 x 6 166,67 Hpi 45000035x 2500
Ne 2 60x75
122,1Hp
Besar efisiensi indikatornya adalah:
N
35
Nii ;
Qm
Nii
Qm
166,67x7530 / 3600x10000x427
x100% 35,1%
Besar efisiensi efektifnya adalah:Ne
e ;Qm
Ne
e
Qm
122,1x75
30 / 3600x10000x427
x100% 25,7%
Efisiensi efektif dapat dihitung dengan perumusan:e mxi ;e m xi 0,7325x0,351x100% 25,7%
SFC adalah
GSFC f
e N
SFC
e
3600 x 75 0,246 kg / jam
e10000x0,257x427 hp
Apabila SG (Spesific Grafity) bensin adalah 0,75 pemakaian dalam volume bahan-bakar per jam setiap Hp nya adalah:
SG =0,75 jadi bensin 750kg / m3
m
;V m
0,246
0,000328 m3
V 750V =0,000328 m3 = 0,328 dm3 = 0,328 liter ; jadi SFC = 0,328 liter/jam.Hp
Rangkuman :
1. Proses perubahan energi dari mulai proses pembakaran sampai menghasilkan daya pada poros motor bakar melewati beberapa tahapan dan tidak mungkin perubahan energinya 100%. Selalu ada kerugian yang dihasikan dari selama proses perubahan, hal ini sesuai dengan hukum termodinamika kedua yaitu "tidak
36
mungkin membuat sebuah mesin yang mengubah semua panas atau energi yang masuk memjadi kerja".
2. Apabila suatu benda berputar dan mempunyai besar gaya sentrifugal sebesar F, benda berpuar pada porosnya dengan jari jari sebar b, dengan data tersebut torsinya adalah
3. Daya indikator adalah merupakan sumber tenaga persatuan waktu operasi mesin untuk mengatasi semua beban mesin. Untuk lebih mudah pemahaman di bawah ini dalah perumusan dari masing masing daya. Satuan daya menggunakan HP( hourse power )
N e
N i
N
N a
( HP)
4. Daya poros diperoleh dari pengukuran torsi pada poros yang dikalikan dengan kecepatan sudut putarnya atau dapat dituliskan dengan persamaan sebagai berikut ;
Ne
TxNm/s
5. Daya gesek adalah merupakan energi persatuan waktu dari mesin yang harus diberikan untuk mengatasi tahanan dari komponen-komponen mesin yang bersinggungan
N e
N i
N
Na
6. Efisiensi termal dirumuskan dengan persamaan :
Energi berguna Energi masuk
7. Efisiensi termal indikator adalah efisiesi termal dari siklus aktual diagram
indikator i
Energi
berguna
daya indikator
Energi masuk laju energi
kalor masuk
per kg
8. Efisiensi termal efektif adalah perbandingan daya poros atau daya efektif dengan laju kalor masuknya
daya poros Ne
e laju energi
kalor masuk
per kg
Qm
g
g
37
9. Jadi efisiensi mekanis adalah perbandingan antara daya poros dengan daya indikator dan dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut.
N e
m N i
38
10. Untuk mendefinisikan jumlah udara yang masuk ke ruang silinder dirumuskan ukuran keefektifan aliaran udaran masuk yaitu efisiensi volumteri.
Gav
jumlah udara masuk kedalam silinder aktual kg/jam
Gaijumlah
udara masuk kedalam silinder ideal(kg/j am)
11. Laju pemakaian bahan bakar spesifik atau spesific fuel consumtion (SFC) adalah jumlah bahan bakar (kg) per waktunya
untuk menghasikan daya sebesar 1 Hp. GSFC f
e N e
Soal :1. Untuk menaikkan kemampuan mesin kendaran bermotor, seorang ahli mekanik kendaran bermotor melakukan modifikasi mesin sehingga diharapkan unjuk kerja mesin naik terutama dayanya. Ahli mekanik tersebut membawa sepeda motornya ke laboratorium uji. Dari pengujian diperoleh data-data sebagai berikut. Tekanan indikator rata-rata 8 kg/cm2, pada putaran 2400 rpm besar torsinya 40 kg.m. Konsumsi bahan bakarnya 25 kg/jam dengan nilai kalor 1500 kcal/kg. Adapun data kendaran bermotornya adalah mesin 4 tak, satu silinder, dengan volume langkah 100 cm2. Hitunglah efisiseni efektifnya ! dan berapa SFC ?.
2. Seorang pemilik kendaran bermotor berniat untuk memasang AC (80 Hp) pada mobil sedannya, sebelum melakukan pemasangan, si pemilik sedan membawa mobilnya ke sebuah bengkel untuk diuji dayanya. Dari hasil uji diperoleh data sebagai berikut. Torsi maksimum 150 kg.mtercapai pada putaran 3000 rpm. Data-data sedannya adalah : Mesin 4 tak 8 silinder, volume langkah 1500 cm3, tekanan indikator rata-rata 15 kg/cm2. Batas minimum efisiensi efektif adalah 10% mobil sedan masih bekerja normal. Periksa apakah dengan pemasangan AC mobil sedanmasih dapat bekerja normal. !!
39
5
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Mesin Diesel
Salah satu penggerak mula yang banyak dipakai adalah mesin kalor, yaitu mesin
yang menggunakan energi termal untuk melakukan kerja mekanik atau yang mengubah
energi termal menjadi energi mekanik. Energi itu sendiri dapat diperoleh dengan proses
pembakaran, proses fisi bahan bakar nuklir atau proses-proses yang lain. Ditinjau dari
cara memperoleh energi termal ini, mesin kalor dibagi menjadi dua golongan yaitu
mesin pembakaran luar dan mesin pembakaran dalam.
Pada mesin pembakaran luar proses pembakaran terjadi di luar mesin dimana
energi termal dari gas hasil pembakaran dipindah ke fluida kerja mesin melalui
beberapa dinding pemisah. Sedangkan pada mesin pembakaran dalam atau dikenal
dengan motor bakar, proses pembakaran terjadi di dalam motor bakar itu sendiri
sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja. Motor
diesel disebut juga motor bakar atau mesin pembakaran dalam karena pengubahan
tenaga kimia bahan bakar menjadi tenaga mekanik dilaksanakan di dalam mesin itu
sendiri. Di dalam motor diesel terdapat torak yang mempergunakan beberapa silinder
yang di dalamnya terdapat torak yang bergerak bolak-balik (translasi). Di dalam silinder
itu terjadi pembakaran antara bahan bakar solar dengan oksigen yang berasal dari udara.
Gas yang dihasilkan oleh proses pembakaran mampu menggerakkan torak yang
dihubungkan dengan poros engkol oleh batang penggerak. Gerak tranlasi yang terjadi
pada torak menyebabkan gerak rotasi pada poros engkol dan sebaliknya gerak rotasi
tersebut mengakibatkan gerak bolak-balik torak [Ref.3].
Konsep pembakaran pada motor diesel adalah melalui proses penyalaan kompresi
udara pada tekanan tinggi. Pembakaran ini dapat terjadi karena udara dikompresi pada
ruangan dengan perbandingan kompresi jauh lebih besar daripada motor bensin (7-12),
yaitu antara (14-22). akibatnya udara akan mempunyai tekanan dan temperatur melebihi
suhu dan tekanan penyalaan bahan bakar.
6
Hal ini berbeda untuk percikan pengapian mesin seperti mesin bensin yang
menggunakan busi untuk menyalakan campuran bahan bakar udara. Mesin dan siklus
termodinamika keduanya dikembangkan oleh Rudolph Diesel pada tahun 1892.
2.1.1 Siklus Diesel (Tekanan Tetap)
Siklus diesel adalah siklus teoritis untuk compression-ignition engine atau mesin
diesel. Perbedaan antara siklus diesel dan Otto adalah penambahan panas pada tekanan
tetap. Karena alasan ini siklus Diesel kadang disebut siklus tekanan tetap. Dalam
diagram P-v, siklus diesel dapat digambarkan seperti berikut:
Gambar 2.1 Siklus Diesel Diagram P-v [Ref.7]
Proses dari siklus tersebut yaitu:
6-1 = Langkah Hisap pada P = c (isobarik)
1-2 = Langkah Kompresi, P bertambah, Q = c (isentropik / reversibel adiabatik)
2-3 = Pembakaran, pada tekanan tetap (isobarik)
3-4 = Langkah Kerja P bertambah, V = c (isentropik / reversibel adiabatik)
4-5 = Pengeluaran Kalor sisa pada V = c (isokhorik)
5-6 = Langkah Buang pada P = c
7
Motor diesel empat langkah bekerja bila melakukan empat kali gerakan (dua kali
putaran engkol) menghasilkan satu kali kerja. Secara skematis prinsip kerja motor diesel
empat langkah dapat dijelaskan sebagai berikut:
1. Langkah hisap
Pada langkah ini katup masuk membuka dan katup buang tertutup. Udara
mengalir ke dalam silinder.
2. Langkah kompresi
Pada langkah ini kedua katup menutup, piston bergerak dari titik TBM ke
TMA menekan udara yang ada dalam silinder. 5ᵒ setelah mencapai TMA,
bahan bakar diinjeksikan.
3. Langkah ekspansi
Karena injeksi bahan bakar kedalam silinder yang bertemperatur tinggi, bahan
bakar terbakar dan berekspansi menekan piston untuk melakukan kerja sampai
piston mencapai TMB. Kedua katup tertutup pada langkah ini.
4. Langkah buang
Ketika piston hampir mencapai TMB, katub buang terbuka, katub masuk tetap
tertutup. Ketika piston bergerak menuju TMA sisa pembakaran terbuang
keluar ruang bakar. Akhir langkah ini adalah ketika piston mencapai TMA.
Siklus kemudian berulang lagi [Ref.3].
Gambar 2.2 Siklus Motor Diesel 4 langkah [Ref.6]
8
2.1.2 Siklus Aktual Motor Diesel`
Dalam siklus diesel, kerugian-kerugian lebih rendah daripada yang terjadi pada
siklus otto. Kerugian utama adalah karena pembakaran tidak sempurna dan penyebab
utama perbedaan antara siklus teoritis dan siklus mesin diesel. Dalam siklus teoritis
pembakaran diharapkan selesai pada akhir pembakaran tekanan tetap, tetapi aktualnya
after burning berlanjut sampai setengah langkah ekspansi. Perbandingan efisiensi antara
siklus aktual dan teoritis adalah sekitar 0,85.
Gambar 2.3 Siklus Aktual Motor Diesel 4 Langkah [Ref.4]
2.1.3 Karakteristik Bahan Bakar Mesin Diesel
Karakteristik bahan bakar mesin diesel yaitu:
a. Volatilitas (Penguapan)
Penguapan adalah sifat kecenderungan bahan bakar untuk berubah fasa menjadi uap.
Tekanan uap yang tinggi dan titik didih yang rendah menandakan tingginya
penguapan. Makin rendah suhu ini berarti makin tinggi penguapannya.
b. Titik Nyala
Titik nyala adalah titik temperatur terendah dimana bahan bakar dapat menimbulkan
uap yang dapat terbakar ketika disinggungkan dengan percikan atau nyala api. Nilai
titik nyala berbanding terbalik dengan penguapan.
c. Viskositas
Viskositas menunjukkan resistensi fluida terhadap aliran. Semakin tinggi viskositas
9
bahan bakar, semakin sulit bahan bakar itu diinjeksikan. Peningkatan viskositas juga
berpengaruh secara langsung terhadap kemampuan bahan bakar tersebut bercampur
dengan udara.
d. Kadar Sulfur
Kadar sulfur dalam bahan bakar diesel yang berlebihan dapat menyebabkan
terjadinya keausan pada bagian-bagian mesin. Hal ini terjadi karena adanya partikel-
partikel padat yang terbentuk ketika terjadi pembakaran.
e. Kadar Air
Kandungan air yang terkandung dalam bahan bakar dapat membentuk kristal yang
dapat menyumbat aliran bahan bakar.
f. Kadar Abu
Kadar abu menyatakan banyaknya jumlah logam yang terkandung dalam bahan
bakar. Tingginya konsentrasi dapat menyebabkan penyumbatan pada injeksi,
penimbunan sisa pembakaran.
g. Kadar Residu Karbon
Kadar residu karbon menunjukkan kadar fraksi hidrokarbon yang mempunyai titik
didih lebih tinggi dari bahan bakar, sehingga karbon tertinggal setelah penguapan
dan pembakaran bahan bakar.
h. Titik Tuang
Titik tuang adalah titik temperatur terendah dimana bahan bakar mulai membeku dan
terbentuk kristal-kristal parafin yang dapat menyumbat saluran bahan bakar.
i. Kadar Karbon
Kadar karbon menunjukkan banyaknya jumlah karbon yang terdapat dalam bahan
bakar.
j. Kadar Hidrogen
Kadar hidrogen menunjukkan banyaknya jumlah hidrogen yang terdapat dalam
bahan bakar.
k. Angka Setana
Angka setana menunjukkan kemampuan bahan bakar untuk menyala sendiri (auto
ignition). Semakin cepat suatu bahan bakar mesin diesel terbakar setelah diinjeksikan
ke dalam ruang bakar, semakin tinggi angka setana bahan bakr tersebut. Angka
setana bahan bakar adalah persen volume dari setana dalam campuran setana dan
10
alfa-metil-naftalen yang mempunyai mutu penyalaan yang sama dengan bahan bakar
yang diuji. Bilangan setana 48 berarti bahan bakar setara dengan campuran yang
terdiri atas 48% setana dan 52% alfa-metil-naftalen.
l. Nilai Kalor
Nilai kalor menunjukkan energi kalor yang dikandung dalam setiap satuan massa
bahan bakar. Semakin tinggi nilai kalor suatu bahan bakar, semakin besar energi
yang dikandung bahan bakar tersebut persatuan massa.
m. Massa Jenis
Massa jenis menunjukkan besarnya perbandingan antara massa dari suatu bahan
bakar dengan volumenya [Ref.3].
11
Tabel 2.1 Spesifikasi minyak solar sesuai Surat Keputusan Dirjen Migas
3675 K/24/DJM/2006
No. Karakteristik Unit
Batasan Metode Uji
MIN MAX ASTM IP
1 Angka Setana 45 – D-613
2 Indek Setana 48 – D-4737
3 Berat jenis pada 15 °C kg/m3 815 870 D-1298
4 Viskositas pada 40 °C mm2/s 2 5 D-445
5 Kandungan Sulfur % m/m – 0.35 D-1552
6 Distilasi : T95 °C – 370 D-86
7 Titik Nyala °C 60 – D-93
8 Titik Tuang °C – 18 D-97
9 Karbon Residu merit – Kelas I D-4530
10 Kandungan Air mg/kg – 500 D-1744
11 Biological Grouth –
12 Kandungan FAME % v/v – 10
13 Kandungan Metanol dan Etanol % v/v Tak Terdeteksi D-4815
14 Korosi Bilah Tembaga Merit – Kelas I D-130
15 Kandungan Abu % m/m – 0.01 D-482
16 Kandungan Sedimen % m/m – 0.01 D-473
17 Bilangan Asam Kuat mgKOH/gr – 0 D-664
18 Bilangan Asam Total mgKOH/gr – 0.6 D-664
19 Partikulat mg/l – – D-2276
20 Penampilan Visual – Jernih dan terang
21 Warna No. ASTM – 3 D-1500
12
2.2 Teori Pembakaran
Pada motor bakar, proses pembakaran merupakan reaksi kimia yang berlangsung
sangat cepat antara bahan bakar dengan oksigen yang menimbulkan panas sehingga
mengakibatkan tekanan dan temperatur gas yang tinggi. Kebutuhan oksigen untuk
pembakaran diperoleh dari udara yang memerlukan campuran antara oksigen dan
nitrogen, serta beberapa gas lain dengan persentase yang relatif kecil dan dapat
diabaikan. Reaksi kimia antara bahan bakar dan oksigen yang diperoleh dari udara akan
menghasilkan produk hasil pembakaran yang komposisinya tergantung dari kualitas
pembakaran yang terjadi. Dalam pembakaran proses yang terjadi adalah oksidasi
dengan reaksi sebagai berikut:
Gambar 2.4 Proses Pembakaran Mesin Diesel [Ref.5]
Pembakaran di atas dikatakan sempurna bila campuran bahan bakar dan oksigen
(dari udara) mempunyai perbandingan yang tepat, hingga tidak diperoleh sisa. Bila
oksigen terlalu banyak, dikatakan campuran “lean” (kurus), pembakaran ini
menghasilkan api oksidasi. Sebaliknya, bila bahan bakarnya terlalu banyak (atau tidak
cukup oksigen), dikatakan campuran “rich” (kaya), pembakaran ini menghasilkan api
reduksi.
Dalam pembakaran, ada pengertian udara primer yaitu udara yang dicampurkan
dengan bahan bakar di dalam burner (sebelum pembakaran) dan udara sekunder yaitu
udara yang dimasukkan dalam ruang pembakaran setelah burner, melalui ruang sekitar
ujung burner atau melalui tempat lain pada dinding dapur.
Berat massa bahan yang masuk ruang pembakaran = berat massa bahan yang
keluar.
13
Gambar 2.5 Skema Sistem Penyaluran Bahan Bakar sampai Menjadi Gas Buang
(a + b) = (c + d + e)
a = berat bahan kering + air (kelembaban).
b = berat udara + uap air yang terkandung dalam udara.
Air dalam d dan e = (air yang terkandung dalam bahan bakar) + (air dari
kelembaban udara) + (air yang terbentuk dari reaksi pembakaran).
Supaya dihasilkan pembakaran yang baik, maka diperlukan syarat-syarat sebagai
berikut:
1. Jumlah udara yang sesuai
2. Temperatur yang sesuai dengan penyalaan bahan bahan bakar
3. Waktu pembakaran yang cukup
4. Kerapatan yang cukup untuk merambatkan api dalam silinder.
5. Reaksi pembakaran baik bahan bakar solar maupun bahan bakar metanol
merupakan reaksi oksidasi antara senyawa hidrokarbon dengan oksigen sehingga
dihasilkan produk berupa karbon dioksida, uap air, oksida nitrogen atau produk
lainnya tergantung pada kualitas pembakaran.
Reaksi pembakaran stoikiometri solar (C18 H23):
CaHb + (a+b/4)(O2+3,773N2) = aCO2 + (b/2)H2O + 3,773(a+b/4)N2
C12H23 + (12+23/4)(O2+3,773N2) = 12CO2 + (23/2)H2O + 3,773(12+23/4)N2
C12H23 + (17,75)(O2+3,773N2) = 12CO2 + 11,5H2O + 3,773(17,75)N2
14
Perbandingan nilai mol
C12H23 + (17,75)(O2+3,773N2) = 12CO2 + 11,5H2O + 3,773(17,75)N2
1.C12H23 + (17,75.O2 + 66,97.N2) = 12.CO2 + 11,5.H2O + 66,97.N2
Relatif massa =
1.C12H23 + (17,75.O2 + 66,97.N2) = 12.CO2 + 11,5.H2O + 66,97.N2
1{(12x12)+(1x23)} + {(17.75x32)+(66,97x28)} = 12(44) + 11,5(18) + 66,97(28)
167 + 2443,16 = 2610,16
Per unit massa =
1 + 14,6 = 15,6
Hasil stokiometrik (A/F)s = 14,6 dan (F/A)s = 0,0689
Produk pembakaran campuran udara-bahan bakar dapat dibedakan menjadi:
1. Pembakaran sempurna (pembakaran ideal)
Setiap pembakaran sempurna menghasilkan karbon dioksida dan air. Peristiwa
ini hanya dapat berlangsung dengan perbandingan udara-bahan bakar
stoikiometris dan waktu pembakaran yang cukup bagi proses ini.
2. Pembakaran tak sempurna
Peristiwa ini terjadi bila tidak tersedia cukup oksigen. Produk pembakaran ini
adalah hidrokarbon tak terbakar dan bila sebagian hidrokarbon terbakar maka
aldehide, ketone, asam karbosiklis dan sebagian karbon monoksida menjadi
polutan dalan gas buang.
3. Pembakaran dengan udara berlebihan
Pada kondisi temperatur tinggi nitrogen dan oksigen dari udara pembakaran
akan bereaksi dan akan membentuk oksida nitrogen (NO dan NO2).
Disamping itu produk yang dihasilkan dari proses pembakaran dapat berupa
oksida timah, oksida hologenida, oksida sulfur, serta emisi evaporatif seperti
hidrokarbon ringan yang teremisi dari sistem bahan bakar.
15
2.3 Hidrodinamika Magnet
Penggunaan magnet ditujukan untuk menghemat bahan bakar dikarenakan di
dalam ring magnet terjadi proses magnetisasi. Proses magnetisasi diperlukan agar bahan
bakar lebih mudah mengikat oksigen selama proses pembakaran dan mengurangi
produk unburned hydrocarbon hasil proses pembakaran bahan bakar. Hal ini
disebabkan ukuran struktur molekul bahan bakar akan berubah menjadi ikatan yang
lebih kecil akibat magnetisasi (Gambar 2.6). Ukuran molekul yang lebih kecil ini secara
langsung akan berakibat pada semakin mudahnya proses pembakaran dalam ruang
bakar. Dengan kata lain proses magnetisasi pada bahan bakar akan membuat
pembakaran lebih sempurna [Ref.20].
Gambar 2.6 Proses Ionisasi Gaya Magnet
2.4 Ring Magnetik
Ring Magnetik adalah sebuah sebuah tabung yang mengandung potensi medan
magnet dengan masing-masing kutub N (utara) S (selatan). Komponennya berupa
tabung Stainlees Steel yang memiliki Inlet dan Outlet.
Coulomb menemukan adanya medan gaya magnet yang dihasilkan diantara dua
kutub berbeda. Kemudian teori berkembang lebih ke arah molekuler dimana pada tahun
1982 Webber dan dikembangkan oleh Ewing mengemukakan teori bahwa ”molekul
suatu zat benda, telah mengandung potensi magnet dengan masing-masing kutub N
(utara) dan S (selatan)”. Pada keadaan tidak termagnetisasi, molekul kecil magnet
berada dalam bentuk tidak beraturan. Dan jika dipengaruhi medan magnet pada
partikelnya, maka molekul tersebut mempunyai gaya magnet untuk bergerak dan
menyesuaikan kutub magnet dengan induksi magnet yang diberikan [Ref.20].
16
Gambar 2.7 Ring Magnetik
2.4.1 Prinsip Kerja
Ring magnetik terdiri dari magnet yang mempunyai kutub utara dan selatan yang
berguna untuk mengikat molekul - molekul yang tidak beraturan yang terkandung pada
bahan bakar, sehingga molekul - molekul yang telah melewati medan magnet
mempunyai susunan yang beraturan sehingga bisa dikatakan pembakaran menjadi
sempurna [Ref 20].
ρ௨ = − డᇱ
+ ݒߩ ൬ డజ +
డజೕ� ൰ ൨ + డ + ܨ
௧ డ డೕ� డೕ� ஜ ೕ�
Dimana: �ᇱ = � − ߩ ቀߞ − ଶ ቁ డݒ�
Dan, � = + ଵ
B2
ଶஜ ρ
ଷ
� ᇱ = −
డ
డ
+డೕ�
൬ డజ +డೕ�
డజ ೕ�
డ൰ ൨ + ( ) i + ܨ
keterangan:
v = viskositas geser P = tekanan total
ζ = viskositas total ρ = densitas bahan bakar
B = medan magnet
Penggunaan ring magnetik dalam proses penghematan bahan bakar bertujuan
untuk mengurangi kadar timbal dan sulfur yang berlebih di dalam bahan bakar.
Proses magnetisasi ini akan membuat pembakaran lebih sempurna. Visualisasi proses
ionisasi dapat digambarkan di bawah :
17
( a )
( b )
Gambar 2.8 ( a ) Prinsip Kerja Ring Magnetik dan ( b ) Mekanisme Kerja Magnet
Pada saat melalui medan magnet, kekuatan magnetisasi didalam magnet
portable menyebabkan terpecahnya ikatan karbon dalam bahan bakar menjadi
bagian-bagian kecil ikatan ion. Ion positif akan tertarik oleh kutub negatif magnet
sedangkan untuk ion negatif akan tertarik oleh kutub positif magnet sehingga ion
positif dan ion negatif akan mengalir secara teratur setelah melewati medan magnet.
Ikatan kecil dan beraturan inilah yang menyebabkan mudahnya oksigen bereaksi
dengan bahan bakar pada proses pembakaran. Efeknya bahan bakar akan lebih
mudah terbakar didalam ruang bakar.
2.5 Parameter Prestasi Mesin
Pada umumnya performa / prestasi suatu mesin bisa diketahui dengan membaca
laporan spesifikasi mesin dari produsen pembuat mesin tersebut. Dari laporan
spesifikasi tersebut dapat diketahui daya, torsi, dan konsumsi bahan bakar spesifik dari
mesin tersebut. Parameter itulah yang menjadi pedoman praktis prestasi sebuah mesin.
Secara umum daya berbanding lurus dengan luas piston sedang torsi berbanding
lurus dengan volume langkah. Parameter tersebut relatif penting digunakan pada mesin
18
yang berkemampuan kerja dengan variasi kecepatan operasi dan tingkat pembebanan.
Daya maksimum didefinisikan sebagai kemampuan maksimum yang bisa dihasilkan
oleh suatu mesin. Adapun torsi poros pada kecepatan tertentu mengindikasikan
kemampuan untuk memperoleh aliran udara (dan juga bahan bakar) yang tinggi ke
dalam mesin pada kecepatan tersebut. Sementara suatu mesin dioperasikan pada waktu
yang cukup lama, maka konsumsi bahan bakar serta efisiensi mesinnya menjadi suatu
hal yang sangat penting.
2.5.1 Torsi dan Daya Pengereman
Dinamometer digunakan untuk mengukur torsi sebuah mesin. Pada dasarnya ada
tiga jenis alat ukur daya atau torsi, yaitu dinamometer penggerak, dinamometer trasmisi,
dan dinamometer absorbsi. Dinamometer penggerak digunakan untuk mengukur
beberapa peralatan seperti turbin dan pompa serta memberikan energi untuk
menggerakkan peralatan yang akan diukur. Dinamometer transmisi adalah peralatan
pasif yang ditempatkan di lokasi tertentu. Dinamometer absorbsi mengubah energi
mekanik sebagai torsi yang diukur, sehingga sangat berguna untuk mengukur daya atau
torsi yang dihasilkan sumber daya seperti motor bakar atau motor motor listrik.
Pada pengujian digunakan dinamometer hidraulik yang termasuk dinamometer
jenis absorbsi. Dinamometer hidraulik adalah dinamometer yang menggunakan sistem
hidrolis atau fluida untuk menyerap mesin. Fluida yang digunakan biasanya air, dimana
air berfungsi sebagai media pendingin dan media gesek perantara. Dinamometer
hidraulik ini memiliki dua komponen penting yaitu sudu gerak (rotor) dan sudu tetap
(stator). Rotor terhubung dengan poros dari mesin yang akan diukur, dimana putaran
dari mesin tersebut memutar rotor dinamometer. Rotor akan mendorong air di dalam
dinamometer, sehingga air akan terlempar menghasilkan tahanan terhadap putaran
mesin dan menghasilkan panas. Aliran air secara kontinyu melalui rumahan (casing)
sangat penting untuk menurunkan temperatur dan juga untuk melumasi seal pada poros.
Sedangkan stator terletak berhadapan dengan rotor dan terhubung tetap pada casing.
Pada casing dipasang lengan, dimana pada ujung lengan terdapat alat ukur pembebanan
(load cell) sehingga torsi yang terjadi dapat diukur. Load cell adalah sebuah transducer
gaya yang bekerja berdasarkan prinsip deformasi sebuah material akibat adanya
tegangan mekanis yang bekerja.
19
Pada saat dinamometer ini dijalankan, mesin dihidupkan dan putaran mesin diatur
pada putaran tertentu. Air masuk kedalam casing melalui selang dari penampungan air
sehingga rongga antara rotor dan stator selalu terisi air. Air berfungsi sebagai media
gesek perantara dan sebagai pendingin karena proses yang terjadi menimbulkan panas.
Air yang keluar dari dinamometer tidak diperbolehkan melebihi 800C, jika sudah
mendekati temperatur tersebut dibuka katup keluar yang lebih besar. Suplai air harus
bersih, dingin, dan konstan yang dapat diperoleh dari pompa. Keuntungan dinamometer
hidraulik adalah:
1. Tidak membutuhkan instalasi yang permanen
2. Mudah dipindahkan dari satu mesin ke mesin yang lain
3. Mudah dioperasikan oleh satu orang
4. Dapat bekerja pada mesin yang besar atau memiliki kecepatan putar yang tinggi.
Kedudukan alat ukur harus menunjukkan angka nol (dinamometer dalam keadaan
seimbang) pada waktu berhenti dan pada waktu air mengalir masuk stator tetapi mesin
belum bekerja. Pengukuran kecepatan putar poros perlu dilakukan untuk mendapatkan
perhitungan daya dan juga untuk menghindari kelebihan kecepatan putar yang dapat
mengakibatkan kerusakan pada dinamometer.
Torsi yang dihasilkan mesin adalah :
T = F x b (2.1)
dimana dalam satuan SI:
T = torsi ( Nm)
F = gaya penyeimbangan (N)
b = jarak lengan torsi (m)
Gambar 2.9 Prinsip Kerja Dinamometer [Ref.4]
Adapun daya yang dihasilkan mesin atau diserap oleh dinamometer adalah hasil
perkalian dari torsi dan kecepatan sudut.
�
20
P = 2ߨ 60 10 ݔݔݔݔݔݔݔݔݔݔݔݔݔݔ ݔ � ଷ (2.2)
dimana dalam satuan SI:
P = daya (kW)
T = torsi ( Nm)
N = putaran kerja (rpm)
Sebagai catatan, torsi adalah ukuran dari kemampuan sebuah mesin melakukan
kerja sedangkan daya adalah angka dari kerja telah dilakukan. Besarnya daya mesin
yang diukur seperti dengan didiskripsikan di atas dinamakan dengan brake power (Pb).
Daya disini adalah daya yang dihasilkan oleh mesin untuk mengatasi beban, dalam
kasus ini adalah sebuah rem [Ref.4].
2.5.2 Tekanan Efektif Rata-Rata
Unjuk kerja mesin relatif yang diukur, dapat diperoleh dari perbandingan kerja per
siklus dengan perpindahan volume silinder per siklus. Parameter ini merupakan gaya
per satuan luas dan dinamakan mean effective pressure (mep).
Kerja per siklus = P
(2.3)
Tekanan efektif rata-rata juga dapat dinyatakan dengan torsi.
bmep = ݔ ݔ 6,28 )2.4(
dimana dalam satuan SI:
nR = jumlah putaran engkol untuk setiap langkah kerja
2 ( untuk siklus 4 langkah)
1 ( untuk siklus 2 langkah)
bmep = tekanan efektik rata-rata (kPa)
Vd = volume silinder / displacement volume (dm3)
Brake mean effective pressure (bmep) didefinisikan sebagai tekanan konstan teoritik
yang dapat dibayangkan terjadi pada setiap langkah kerja dari mesin untuk
ಲ
21
menghasilkan output daya yang sama dengan brake horsepower-BHP (effective
horsepower). BHP itu sendiri didefinisikan sebagai jumlah daya yang terdapat pada
poros, sedangkan indicated horsepower / IHP didefinisikan sebagai daya yang
dikonsumsi oleh motor [Ref.4].
2.5.3 Rasio Ekuivalen (ϕ)Setelah diketahui aliran massa bahan bakar (ṁƒ), dalam pengujian mesin,
pengukuran juga dilakukan terhadap laju aliran massa udara (ṁa). Perbandingan antara
keduanya berguna untuk mengetahui kondisi operasi mesin [Ref.4]. Air / Fuel Ratio =
Fuel/ Air Ratio =
dimana dalam satuan SI:
(2.5)
(2.6)
ṁa = laju aliran massa udara ( kg/jam)
ṁƒ = laju aliran massa bahan bakar ( kg/jam )
ϕ = Rasio ekuivalen Untuk rasio ekuivalen (ϕ) :ቀಷቁ ೕ�ೖೠ�ϕ =
ಲ
ቀಷቁ ೞ
(2.7)
Rasio ekuivalen ini memberikan parameter informasi yang berguna untuk menetapkan
komposisi campuran udara-bahan bakar yang baik.
Jika : ϕ > 1 = maka campuran itu kaya akan bahan bakarϕ = 1 = campuran stokiometri
ϕ < 1 = maka campuran itu miskin akan bahan bakarJangkauan pengoperasian normal untuk mesin dengan bahan bakar diesel yaitu 18
A/F 70 (0,014 F/A 0,056).