bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

90
1 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.

Upload: argi-prasetio

Post on 16-Apr-2017

403 views

Category:

Automotive


12 download

TRANSCRIPT

Page 1: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 2: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 3: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 4: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 5: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 6: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 7: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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)

Page 8: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 9: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 10: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 11: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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.

Page 12: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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.

Page 13: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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,

Page 14: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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:

Page 15: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

Wnet= WA-WB

katup buangterbuka

penyalaan A

TMA TMB

15

Widikatortotal Windikator Wpemompaan

Vd

Gambar 12.13 Diagram indikator mesin otto

Teka

nan,

Page 16: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 17: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

Udara masuk

17

Gambar 12.15 Supercharger pada motor bakar

Page 18: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 19: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

aliran udaraterkompresi

silinder mesin

pendinginkompresor sudu turbin

udaramasuksudu kompresor

pembuangangas sisa

saluran gas buang darimesin

19

Gambar 12.17 Instalasi turbocharger pada motor-bakar

Page 20: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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,

Page 21: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 22: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

22

Gambar 12.19 Diagram tekanan rata-rata

Page 23: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 24: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 25: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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:

Page 26: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 27: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 28: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

28

Qm

Page 29: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 30: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 31: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 32: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

32

N 10 x 1000 x 2500 x 0,5 x 6 166,67 Hpi450000

Page 33: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 34: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 35: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 36: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 37: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

37

9. Jadi efisiensi mekanis adalah perbandingan antara daya poros dengan daya indikator dan dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut.

N e

m N i

Page 38: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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. !!

Page 39: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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.

Page 40: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 41: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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]

Page 42: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 43: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 44: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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].

Page 45: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 46: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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.

Page 47: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 48: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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.

Page 49: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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].

Page 50: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

� ᇱ = −

+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 :

Page 51: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 52: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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.

Page 53: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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.

Page 54: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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

Page 55: Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

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 =

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).