makalah motor bakar.pdf
TRANSCRIPT
DASAR TEORI
1. Klasifikasi Motor Bakar
Motor bakar dapat diklasifikasikan menjadi 2 (dua) macam.
Adapun pengklasifikasian motor bakar adalah sebagai berikut:
a. Berdasar Sistem Pembakarannya
a). Mesin bakar dalam
Pada mesin pembakaran dalam fluida kerja yang dihasilkan
pada mesin itu sendiri, sehingga gas hasil pembakaran
yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida.
Contoh : mesin pembakaran dalam yaitu motor bakar torak
misalnya motor 2 tak dan motor 4 tak.
b). Mesin bakar luar
Pada mesin pembakaran luar fluida kerja yang dihasilkan
terdapat di luar mesin tersebut. Energi thermal dan gas
hasil pembakaran dipindahkan ke dalam mesin melalui
beberapa dinding pemisah.
Hal-hal yang dimiliki pada mesin pembakaran luar yaitu :
a. Dapat memakai semua bentuk bahan bakar.
b. Dapat memakai bahan bakar bermutu rendah.
c. Cocok untuk melayani beban-beban besar dalam
satu poros.
d. Lebih cocok dipakai untuk daya tinggi.
Contoh : mesin pembakaran luar yaitu pesawat tenaga uap,
pelaksanaan pembakaran bahan bakar dilakukan
diluar mesin.
b. Berdasar Sistem Penyalaan
a). Motor bensin
Motor bensin dapat juga disebut sebagai motor otto. Motor
tersebut dilengkapi dengan busi dan karburator. Busi
menghasilkan loncatan bunga api listrik yang membakar
campuran bahan bakar dan udara karena motor ini
cenderung disebut spark ignition engine. Pembakaran
bahan bakar dengan udara ini menghasilkan daya. Di dalam
siklus otto (siklus ideal) pembakaran tersebut dimisalkan
sebagai pemasukan panas pada volume konstanta.
b). Motor diesel
Motor diesel adalah motor bakar torak yang berbeda
dengan motor bensin. Proses penyalaannya bukan
menggunakan loncatan bunga api listrik. Pada waktu torak
hampir mencapai titik TMA bahan bakar disemprotkan ke
dalam ruang bakar. Terjadilah pembakaran pada ruang
bakar pada saat udara udara dalam silinder sudah
bertemperatur tinggi. Persyaratan ini dapat terpenuhi
apabila perbandingan kompresi yang digunakan cukup
tinggi, yaitu berkisar 12-25. (Wiranto Arismunandar, 1988:
89)
1.2. Prinsip Kerja Motor Bakar Torak
Berdasarkan prinsipnya, terdapat 2 (dua) prinsip kerja motor
bakar torak, yaitu : 4 (empat) langkah dan 2 (dua) langkah. Adapun
prinsip kerja motor bakar 4 (empat) langkah dan 2 (dua) langkah
adalah sebagai berikut:
1.2.1. Prinsip Kerja Motor Bakar 4 (empat) Langkah
Motor bakar 4 (empat) langkah adalah bila 1 (satu) kali
proses pembakaran bahan bakar memerlukan 4 (empat) langkah
gerakan piston dan 2 (dua) kali putaran poros engkol. Siklus
motor bakar 4 (empat) langkah adalah sebagai berikut :
a). Langkah Hisap
Proses yang terjadi pada langkah isap adalah :
1. Torak bergerak dari TMA ke TMB.
2. Katup masuk terbuka, katup buang tertutup.
3. Campuran bahan bakar dengan udara yang telah
tercampur di dalam karburator, masuk kedalam silinder
melalui katup masuk.
4. Saat torak berada di TMB katup masuk akan
tertutup.
b). Langkah Kompresi
Proses yang terjadi pada langkah kompresi adalah :
1. Torak bergerak dari TMB keTMA.
2. Katub masuk dan katup buang kedua-duanya
tertutup sehingga gas yang telah dihisap tidak keluar
pada waktu di tekan oleh torak yang mengakibatkan
tekanan gas akan naik.
3. Beberapa saat sebelum torak mencapai TMA busi
mengeluarkan bunga api listrik.
4. Gas bahan bakar yang telah mencapai tekanan tinggi
terbakar.
5. Akibat pembakaran bahan bakar, tekanannya akan
naik menjadi kira-kira tiga kali lipat.
c). Langkah Kerja / Ekspansi
Proses yang terjadi pada langkah Kerja (ekspansi) adalah :
1. Saat ini kedua katup masih dalam keadaan tertutup.
2. Gas terbakar dengan tekanan yang tinggi akan
mengembang kemudian menekan torak turun ke bawah
dari TMA ke TMB.
3. Tenaga ini disalurkan melalui batang penggerak,
selanjutnya oleh poros engkol diubah menjadi gerak
berputar.
d). Langkah Buang
Proses yang terjadi pada langkah buang adalah :
1. Katup buang terbuka, katup masuk tertutup.
2. Torak bergerak dari TMB ke TMA..
3. Gas hasil sisa pembakaran akan terdorong oleh torak
ke luar melalui katup buang.
Kerja motor bakar 4 (empat) langkah dapat dilihat pada
(gambar 2.3.) berikut :
Gambar 1.1. Prinsip kerja motor 4 (empat) langkah
(Wiranto Arismunandar, 2002)
1.2.1. Motor Bensin 2 (dua) Langkah
Motor bensin 2 (dua) langkah adalah mesin yang proses
pembakarannya setiap siklus terdiri dari 2 (dua) langkah piston
atau 1 (satu) kali putaran poros engkol. Piston yang bergerak
naik dari titik mati bawah ke titik mati atas menyebabkan
saluran bilas dan saluran buang akan tertutup. Dalam hal ini gas
yang berada dalam ruang pembakaran dikompresikan.
Sementara itu gas yang baru masuk ke ruang engkol, beberapa
derajat sebelum piston mencapai titik mati atas, busi akan
meloncatkan bunga api sehingga akan terjadi pembakaran
bahan bakar. Prinsip kerja dari motor 2 (dua) langkah tersebut
adalah sebagai berikut :
a). Langkah Pengisapan
Proses yang terjadi pada langkah isap adalah :
1. Torak bergerak dari TMA ke TMB
2. Pada saat saluran bilas masih tertutup torak, di
dalam bak mesin terjadi kompresi terhadap campuran
bensin dengan udara.
3. Diatas torak, gas sisa pembakaran dari hasil pembakaran
sebelumnya sudah mulai terbuang keluar melalui saluran
buang.
4. Saat saluran bilas sudah terbuka, campuran bensin
dengan udara mengalir melalui saluran bilas terus masuk
kedalam ruang bakar.
b). Langkah Kompresi
Proses yang terjadi pada langkah kompresi adalah :
a. Torak bergerak dari TMB ke TMA.
b. Rongga bilas dan rongga buang tertutup, terjadi
langkah kompresi dan setelah mencapai tekanan tinggi
busi memercikan bunga api listrik untuk membakar
campuran bensin dengan udara.
c. Pada saat yang bersamaan, di bawah (di dalam
bak mesin) bahan bakar yang baru masuk kedalam bak
mesin melalui saluran masuk.
c). Langkah Kerja / Ekspansi
Proses yang terjadi pada langkah Kerja (ekspansi) adalah :
1. Torak kembali dari TMA ke TMB akibat adanya tekanan
besar yang terjadi pada waktu pembakaran bahan bakar.
1. Saat itu torak turun sambil mengkompresi bahan
bakar baru di dalam bak mesin.
d). Langkah Buang
Proses yang terjadi pada langkah buang adalah :
1. Menjelang torak mencapai TMB, saluran buang
terbuka dan gas sisa pembakaran mengalir terbuang
keluar.
2. Pada saat yang sama bahan bakar baru, masuk
kedalam ruang bahan bakar melalui rongga bilas.
3. Setelah mencapai TMB kembali, torak mencapai
TMB untuk mengadakan langkah sebagai pengulangan
dari yang dijelaskan sebelumnya.
Kerja motor bakar 2 (dua) langkah dapat dilihat pada (gambar
2.4.) berikut :
Gambar 1. 2. Prinsip kerja motor 2 (dua) langkah
(Arends BPM; H Berenschot, 1980)
1.3 Sistem Penyalaan pada Motor Bensin
Untuk membangkitkan loncatan listrik antara kedua
elektroda busi diperlukan perbedaan tegangan yang cukup besar,
besarnya tergantung dari beberapa factor berikut :
Perbandingan campuran bahan bakar udara
Kepadatan campuran bahan bakar udara
Jarak antara kedua elektroda serta bentuk elektroda
Jumlah melekul campuran yang terdapat diantara kedua alektroda
Temperatur campuran dan kondisi operasi yang lain
Perbandingan ampuran bahan bakar – udara dapat berkisar antara
0,06 – 0,12 untuk menyalakan campuran bahan bakar udara yang
miskin diperlukan perbedaan tegangan yang relative besar dari pada
untuk campuran yang kaya. Berikut adalah diagram hubungan antara
bahan bakar-udara dengan tegangan.
Gambar 1.3. Hubungan antara perbandingan bahan
bakar-udara dengan tegangan yang diperlukan busi
(Wiranto Arismunandar, 2002)
Pada umumnya disediakan tegangan yang lebih besar untuk
menjamin agar terjadi loncatan bunga api listrik di dalam segala
keadaan misalnya, antara 10000 – 20000 volt. Hal ini engingat juga
akan kondisi yang berubah sebagai akibat keausan mesin yang tidak
dapat di hindari. Makin padat campuran bahan bakar – udara makin
tinggi tegangan yang diperlukanya untuk jarak electrode yang sama.
Karena itu diperlukan tegangan yang leih tinggi bagi motor dengan
kompresi yang lebih besar terutama apabila tekanan campuran yang
masuk silinder itu tinggi dan loncatan listrik ditentukan pada waktu
torak berada lebih dekat pada TMA. Makin besar jarak elektroda busi
makin besar pula perbedaan tegangan yang diperlukan untuk
memperoleh intensitas bunga api listrik yang sama. Jumlah minimum
yang harus ada diantara kedua elektroda pada waktu terjadi loncatan
listrik sangat menentukan apakah penyalaan dapat berlangsung
sebaik baiknya. Karena jumlah melekul banyak bergantung pada
perbandingan campuran, jumlah gas tersisa, temperature, dan
kondisi operasi lain, jelas jumlah tersebut dapat berubah ubah.
Dengan memperbesar jarak elektroda diharapkan jumlah minimum iti
dapat tercapai walaupun keadaan operasinya berubah ubah akan
tetapi , jarak electrode tegangan yang terlalu tinggi tidak
menguntungkan. Tegangan yang tinggi memerlukan kabel listrik
yang diisolasi secara cermat sehingga harganya mahal. Intensitas
bunga api listrik juga ditentukan oleh jarak antara kedua elektroda
busi. Jarak elektroda optimum adalah antara 0,6 – 0,8 mm. selain itu
penentuan tempat busi diruang bakar juga penting. Loncatan bunga
api listrik tidak boleh terjadi ditempat lain kecuali diantara kedua
electrode busi. Supaya selalu dapat campuran bahan bakar udara
yang mudah terbakar diantara kedua electrode , tempat yang terbaik
untuk busi adalah dekat kepada katup isap. Akan tetapi dari
kemungkinan terjadinya detonasi , sebaiknya busi ditempatkan pada
bagian yang terpanas misalnya dekat pada katup buang.
1.3.1. Sistem Penyalaan Baterai
Sitem penyalaan konvensional terdiri dari sebuah baterai
sebagai sumber energi listrik, kontak penyalaan, kumparan
penyalaan, tahanan (tidak perlu selalu diperlukan), distributor
(didalamnya terdapat pemutus arus, kam, kondensor, rotor dan alat
pengatur saat penyalaan ) busi, serta kabel kabel tegangan tinggi
dan rendah.
Gambar 1.4. Sistem penyalaan baterai
(Wiranto Arismunandar, 2002)
Kumparan penyalaan terdiri dari dua bagian yaitu kumparan
primer dan kumparan sekunder. Kumparan primer mengandung
kurang lebih 100 sampai 180 lilitan (Np) kawat tembaga halus:
kumparan sekunder mengandung kurang lebih 18000 lilitan (Ns)
kawat tembaga yang berdiameter lebih kecil. Pada umumnya
Ns/Np berkisar antara 100 sampai 130 tetapi dapat juga antara
200-250 jika dipergunakan transistor sebagai pengganti pemutus
arus (dengan Np yang lebih kecil). Tahanan R mengatur arus
primer agar jangan naik terlalu tinggi. Ada kala dipasang
tahanan yang peka terhadap perubahan temperature yaitu yang
bertambah besar jika temperature naik. Gunanya untuk
mencegah arus primer yang terlalu besar pada putaran rendah
yaitu pada waktu titik kontak penutup arus menutup dalam
waktu yang relatif lama.
a) Cara kerja sistem penyalaan
Pada waktu saat start kontak penyalaan dalam keadaan
tertutup sedangkan kam dan rotor berputar sesuai putaran
mesin. Pada waktu pemutus arus menutup arus listrik dari
baterai mengalir melalui kumparan primer P dan
membangkitkan medan magnet. Medan magnet ini
memotong kumparan primer dan dan menginduksi back emf,
yang menentang arus listrik baterai sehingga memperlambat
kenaikan kekuatan medan magnet itu sendiri. Dengan
demikian arus primer dan kekuatan medan magnet yang
maksimum sangat bergantung pada lamanya pemutus arus
pada keaadaan tertutup jadi bergantung pada kecepatan
kontur kam. Pada waktu kontur membuka karna adanya
kondensor arus primer akan segera terputus , kekuatan
medan magnet pun akan segera menurun disusul oleh arus
primer, yang semula melalui kontak pemutus arus mengalir
menuju kondensor. Dengan demikian muatan listrik
kondensor bertambah (CE) tetapi segera menurun kembali
(EF). Terjadilah arus bolak balik didalam kumparan sekunder
(CFGH dan seterusnya) yang mengubah energy magnet
menjadi energy listrik dalam kumparan sekunder. Timbul
pula tegangan yang sangat tinggi (antara 10.000 – 20.000
volt). Sementara itu kabel kumparan sekunder oleh rotor
disambungkan dengan kabel busi. Seandainya tidak ada
kondensor / kondensor rusak maka pada waktu pemutus
arus terbuka , arus primer tidak dapa tdiputuskan dengan
cepat akibatnya loncatan listrik terjadi antara kedua
electrode busi. Campuran bahan bakar udara pun tidak
berhasil dinyalakan.
1.3.2Sistem Bahan Bakar
Di dalam motor bensin selalu kita harapkan bahan bakar dan
udara itu sudah bercampur dengan baik sebelum dinyalakan oleh
busi. Banyak cara memperoleh campuran yang baik itu salah
satunya dengan karburator. Berikut skema penyaluran bahan bakar
dengan karburator.
Gambar 1.5. Skema suatu sistem penyaluran bahan bakar
(Wiranto Arismunandar, 2002)
Bahan bakar dari tangki penampungan dipompa kan menuju
karburator melewati filter (saringan) , ketika torak melakukan
langkah isap udara atmosfer terhisap melewati saringan dan
melewati venturi sehingga kecepatan naik dan tekanan turun
menyebabkan bahan bakar pada penampungan karburator terhisap
dan bercampur dengan udara atmosfir mengalir masuk kesilender
tempat pembakaran.
Gambar 1.6. Katup gas dalam keadaan tertutup tanpa
beban
(Wiranto Arismunandar, 2002)
Keterangan :
1. Udara atmosfir
2. Saluran bahan bakar tanpa beban
3. Pelampung
4. Bahan bakar masuk dari tangki
5. Campuran bahan bakar – udara melalui saluran isap
6. Saluran ventilasi tanpa beban
7. Saluran udara tanpa beban
8. Skrup pengatur tanpa beban
9. Saluran campuran tanpa benban
10. Cadangan tanpa beban
11. Orifis pengatur tanpa beban
12. Nosel tanpa beban
13. Katup gas
Gambar 1.7. Katup gas terbuka penuh
(Wiranto Arismunandar, 2002)
Keterangan :
1. Udara atmosfir
2. Tabung tekan
3. Pelampung
4. Bahan bakar masuk
5. Orifis pengatur bahan bakar
6. Campuran bahan bakar – udara melalui saluran isap
7. Nosel
8. Venturi
9. Katup gas
Gambar 1.8. Perbandingan bahan bakar udara dengan
pembukaan katup gas
(Wirannto Arismunandar, 2002
Dari grafik diatas dapat disimpulkan bahwa campuran yang kaya
diperlukan dalam keadaan tanpa beban dan beban penuh.
Campuran miskin diperlukan ketika normal operasi, campuran
berkisar 0,06 – 0,12.
1.4 Sistem Bahan Bakar Motor Disel
Ada tiga sistem penyaluran bahan bakar yang sering dipakai
yaitu :
1. Sistem pompa pribadi
2. Sistem pompa distribusi
3. Sistem akumulator
a. Sistem pompa pribadi
Gambar 1.9. Skema sistem pompa pribadi
(Wirannto Arismunandar, 2002
Sistem pompa pribadi menggunakan satu pompa tekanan tinggi
untuk stiap silindernya, jadi setiap penyemprot dilayani oleh satu
pompa tekanan tinggi. Pompa ini adalah pompa plunyer yang
dilengkapi dangan peralatan pengatur kapasitas daya yang
diperlukan untuk menggerakkan pompa diambil dari daya yang
dihasilkan oleh mesin itu sendiri. Kekurangan dari sistem ini
konstruksi rumit, dan harganya lebih mahal, dan perawatan lebih
susah.
b. Sistem pompa distribusi
Gambar 1.10. Skema sistem pompa distribusi
(Wirannto Arismunandar, 2002
Sistem pompa distribusi menggunakan satu pompa tekanan tinggi
dan mengalirkanya masuk dalam distributor, distributor adalah
alat untuk membagi bahan bakar kedalam setiap penyemprot
sesuai dengan urutan yang telah ditentukan. Jadi fungsinya
ekivalen dengan fungsi distributor pada motor bensin. Pompa
tekanan tinggi pada sistem distributor dilengkapi dengan alat
pengatur kapasitas. Kekurangan dari sistem ini kerja pompa lebih
berat ketika harus melayani silinder dalam jumlah banyak dan
tekanan pompa tidak konstan karena sesuai dengan putaran
mesin.
c. Sistem pompa akumulator
Gambar 1.11. Skema sistem pompa akumulator
(Wirannto Arismunandar, 2002
Sistem pompa akumulator menggunakan satu pompa tekanan
tinggi dan mengalirkanya masuk dalam akumulator, yang
dilengkapi dengan katup pengatur tekanan sehingga tekanan
bahan bakar dalam akumulator dapat konstan. Apabila tekanan
tersebut lebih besar dari yang ditentukan, katup pengatur akan
terbuka dan bahan bakar akan mengalir kembali pada pipa hisap
dari pompa tekanan tinggi. Dari akumulator bahan bakar mengalir
ke dalam alat pengatur kapasitas, baru kemudin ke penyemprot
lalu masuk kedalam silinder sesuai dengan urutan yang
ditetepkan. Kekurangan dari sistem ini kerja pompa lebih berat
ketika harus melayani silinder dalam jumlah banyak akan tetapi
tekanan pompa konstan karena dilengkapi dengan pengatur
tekanan, harga lebih murah dan konstruksi lebih mudah sehingga
biaya perawatan murah.
1.4.1Penyemprot bahan bakar
Penyemprot bahan bakar ke dalam silinder dilakukan dengan
mempergunakan sebuah alat yang dinamai penyemprot bahan
bakar. Disamping peralatan lain yang diperlukan, bahan bakar
yang disemprotkan itu harus habis terbakar sesuai dengan
prestasi yang diharapkan . dapat dikatakan fungsi penyemprotan
bahan bakar adalah :
1. Memasukan bahan bakar kedalam silinder sesuai dengan
kebutuhan
2. Mengabutkan bahan bakar sesuai dengan derajat pengabutan
yang diminta
3. Mendistribusikan bahan bakar untuk memperoleh
pembakaran yang sempurna dalam waktu yang ditentukan
Tekanan udara didalam silinder sangat tinggi (35-50 atm)ketika
bahan bakar disemprotkan. Dengan sendirinya tekanan
penyemprotan haruslah lebih tinggi dari tekanan udara tersebut.
Kelebihan tekanan juga diperlukan untuk memperoleh kecepatan
penyemprotan(kecepatan bahan bakar keluar dari penyemprot)
tertentu, yaitu sesuai dengan derajat pengabutan yang diinginkan.
Berikut adalah gambar penyemprot bahan bakar.
Gambar 1.12. Nosel katup jarum
(Wirannto Arismunandar, 2002
Keterangan:
1. Saluran bahan bakar masuk
2. Gaya pegas
3. Katup
4. Ruang tekan
Parameter Prestasi Mesin.
Pada umumnya performance atau prestasi mesin bisa diketahui
membaca dan menganalisis parameter yang ditulis dalam sebuah laporan
atau media lain. Biasanya kita akan mengetahui daya, torsi, dan bahan
bakar spesifik dari mesin tersebut. Parameter itulah yang menjadi
pedoman praktis prestasi sebuah mesin.
Parameter prestasi mesin dapat dilihat dari berbagai hal diantara yang
terdapat dalam diagram sebagai berikut :
Gambar . Diagram Alir Prestasi Mesin
Secara umum daya berbanding lurus dengan luas piston sedang torsi
berbanding lurus dengan volume langkah. Parameter tersebut relatif
penting digunakan pada mesin 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 kedalam mesin pada kecepatan tersebut.
Parameter Prestasi Mesin
Torsi
Daya
Laju Konsumsi Bahan Bakar
Konsumsi Bahan Bakar Spesifik
Efisiensi Bahan Bakar
Sementara suatu mesin dioperasikan pada waktu yang cukup lama, maka
konsumsi bahan bakar suatu efisiensi mesinnya menjadi suatu hal yang
dirasa sangat penting. (Heywood, 1988 : 823).
Gambar . Pengetesan Prestasi Mesin
Untuk memperoleh daya maksimum dari suatu operasi hendaknya
komposisi gas pembakaran dari silinder (komposisi gas hasil pembakaran)
dibuat seideal mungkin, sehingga tekanan gas hasil pembakaran bisa
maksimal menekan torak dan mengurangi terjadinya detonasi. Komposisi
bahan bakar dan udara dalam silinder akan menentukan kualitas
pembakaran dan akan berpengaruh terhadap performance mesin dan
emisi gas buang.
Sebagaimana telah kita ketahui sebagai bahan bakar motor bensin
terutama yang mengandung unsur-unsur karbon dan hidrogen yang
dikenal dengan 3 (tiga) teori mengenai pembakaran hidrogen tersebut.
1. Hidrokarbon terbakar bersama-sama dengan oksigen
sebelum karbon bergabung dengan oksigen.
2. Karbon terbakar lebih dahulu daripada hidrogen.
3. Senyawa hidrokarbon terlebih dahulu bergabung
dengan oksigen dan membentuk senyawa (hidrolisasi) yang kemudian
dipecah secara terbakar.
Dalam sebuah mesin terjadi beberapa tingkatan pembakaran yang
digambarkan dalam sebuah grafik dengan hubungan antara tekanan dan
perjalanan engkol. Berikut adalah gambar dari grafik tingkatan
pembakaran :
Gambar . Tingkat pembakaran dalam sebuah mesin
(Maleev.V.L, 1995 : 160)
Proses atau tingkatan pembakaran dalam sebuah mesin terbagi menjadi
empat tingkat atau periode yang terpisah. Periode-periode tersebut
adalah :
1. Keterlambatan pembakaran (Delay Periode)
Periode pertama dimulai dari titik 1 yaitu mulai disemprotkannya
bahan bakar sampai masuk kedalam silinder, dan berakhir pada titik 2.
Perjalanan ini sesuai dengan perjalanan engkal sudut a. Selama
periode ini berlangsung tidak terdapat kenaikan tekanan melebihi
kompresi udara yang dihasilkan oleh torak. Dan bahan bakar masuk
terus menerus melalui nosel.
2. Pembakaran cepat
Pada titik 2 terdapat sejumlah bahan bakar dalam ruang bakar,
yang dipecah halus dan sebagian menguap kemudian siap untuk
dilakukan pembakaran. Ketika bahan bakar dinyalakan yaitu pada titik
2, akan menyala dengan cepat yang mengakibatkan kenaikan tekanan
mendadak sampai pada titik 3 tercapai. Periode ini sesuai dengan
perjalanan sudut engkol b. yang membentuk tingkat kedua.
3. Pembakaran Terkendali
Setelah titik 3, bahan bakar yang belum terbakar dan bahan bakar
yang masih, tetap disemprotkan (diinjeksikan) pada kecepatan yang
tergantung pada kecepatan penginjeksian, serta jumlah distribusi
oksigen yang masih ada dalam udara pengisian. Periode inilah yang
disebut dengan periode terkendali atau disebut juga pembakaran
sedikit demi sedikit yang akan berakhir pada titik 4 dengan
berhentinya injeksi. Selama tingkat ini tekanan dapat naik, konstan
ataupun turun. Periode ini sesuai dengan pejalanan engkol sudut c,
dimana sudut c tergantung pada beban yang dibawa beban mesin,
semakain besar bebannya semakin besar c.
4. Pembakaran pasca (after burning)
Bahan bakar sisa dalam silinder ketika penginjeksian berhenti dan
akhirnya terbakar. Pada pembakaran pasca tidak terlihat pada
diagram, dikarenakan pemunduran torak mengakibatkan turunnya
tekanan meskipun panas ditimbulkan oleh pembakaran bagian akhir
bahan bakar.
Dalam pembakaran hidrokarbon yang biasa tidak akan terjadi gejala
apabila memungkinkan untuk proses hidrolisasi. Hal ini hanya akan terjadi
bila pencampuran pendahuluan antara bahan bakar dengan udara
mempunyai waktu yang cukup sehingga memungkinkan masuknya
oksigen ke dalam molekul hidrokarbon.
Gambar . kurva dampak perbandingan campuran terhadap prestasi motor
(prestasi dengan campuran yang bervariasi dari ½ beban pada kecepatan
menengah).
Kurva diatas menunjukan hubungan antara pemakaian bahan bakar dengan
kinerja (performance) yang dihasilkan pada berbagai perbandingan
campuran. kurva menunjukan bahwa pada beban menengah perbandingan
campuran sekitar 16:1. Pada beban maksimum perbandingan campuran (12-
13):1. Disini seluruh udara dipergunakan untuk pembakaran, dan jumlah
udara yang masuk akan bertambah bila suhunya turun akibat penguapan
dan bensin suhu gas bekas serta panas spesifik akan naik demikian juga
pemisahan thermal lebih kecil bila campuran 15:1.
Gambar . Perbandingan campuran yang dibuuhkan motor
Kurva diatas memperlihatkan karburator yang dibuat untuk mengatur agar
dapat campuran udara bahan bakar yang gemuk pada beban ringan, dan
campuran khusus untuk beban menengah serta campuran gemuk pada
beban maksimum, yang disesuaikan dengan pembukaan katup throttle atau
percepatan gerakan.
Gambar . Diagram kalau pengapian terlalu cepat atau terlambat
Diagram diatas memperlihatkan keadaan ini secara visual. Grafik 1-2-A-B-C
adalah penyalaan yang terlambat dan grafik 1-A-B-B’-B-C adalah penyalaan
yang terlalu cepat. Dalam hal terakhir tekanan dan suhu menjadi tinggi
antara B dan B’, jadi kehilangan panas dan gesekan menjadi lebih besar dari
biasanya.
Unjuk Kerja Motor Bakar
Pada motor bakar torak, daya yang berguna adalah daya poros, karena daya
poros itulah yang mengerakkan beban. Daya poros itu sendiri dibangkitkan
oleh daya indikator yang merupakan daya gas pembakaran yang
menggerakkan torak.
Daya poros yang berputar ditimbulkan oleh bahan bakar yang dibakar dalam
silinder yang selanjutnya torak akan menggerakkan semua mekanisme pada
motor bakar. Unjuk kerja motor bakar tergantung dari daya poros yang
dapat ditimbulkan.
Unjuk kerja ini biasanya dinyatakan dalam daya kuda (PS) atau KW
persatuan isi langkah.
Isi langkah Vi = penampang silinder x langkah (m3)
Efisiensi volumetric ηv =jumlah udara yang dihisap dalam satu siklus :
jumlah udara yang diisikan dalam silinder Vi pada kondisi atmosfer.
Jumlah udara = )()(273
273293,1 kgV
maltekanannor
tekanan
Ct io××
+×
Dari formula diatas dapat dilihat kalau suhunya lebih rendah, maka
tekanan udara yang masuk lebih besar dan jumlah udara yang akan
dihisap lebih besar pula. Sebagai hasil akan dapat dihasilkan daya yang
lebih besar pula karena sejumlah bahan bakar akan dapat terbakar
dengan baik (Soenarto & Furuhama 1995).
Karena itu dalam merancang motor bakar torak, terutama motor
diesel, hendaklah diusahakan agar tekanan maksimum dapat dibatasi
apabila perbandingan kompresinya hendak dipertinggi.
a. Volume Silinder
Volume silinder antara TMA dan TMB disebut volume langkah
torak (V1). Sedangkan volume antara TMA dan kepala silinder (tutup
silinder) disebut volume sisa (Vs). Volume total (Vt) ialah isi ruang
antara torak ketika ia berada di TMB ampai tutup silinder.
Vt =V1+Vs ………………..(1)
Volume langkah mempunyai satuan yang tergantung pada
satuan diameter silinder (D) dan panjang langlah torak (L) biasanya
mempunyai satuan centimetercubic (cc) atau cubic inch (cu.in).
V1 = luas lingkaran x panjang langkah
V1 = π r2 x L
V1 = LD ×
2
2
1π
Dengan demikian besaran dan ukuran motor bakar menurut
volume silinder tergantung dari banyaknya silinder yang digunakan
dan besarnya volume silinder (Kiyuku & Murdhana 1998).
b. Perbandingan Kompresi
Hasil bagi volume total dengan volume sisa disebut sebagai
perbandingan kompresi
ss
s
V
V
V
VVC 11 1+=
+= ………….(2)
Dimana :
V1 = volume langkah torak
Vs = volume sisa
Jadi, bila suatu motor mempunyai volume total 56 cu.in dan
volume sisa 7 cu.in, maka perbandingan kompresinya adalah :
87
56 ==C
Hal diatas menunjukkan bahwa selama langkah kompresi,
muatan yang ada diatas torak dimampatkan 8 kali lipat dari volume
terakhirnya. Makin tinggi perbandingan kompresi, maka makin
tinggi tekanannya dan temperatur akhir kompresi. (Kiyuku &
Murdhana, 1998).
Perbandingan kompresi tidak dapat dinaikan tanpa batas, karena
motor pembakaran yang menggunakan busi akan timbul suara
menggelitik kalau perbandingan kompresinya terlalu tinggi
(Soenarta & Furuhama, 1995).
Torsi dan Daya Poros
Dinamometer biasanya digunakan untuk mengukur torsi
sebuah mesin. Adapun mesin yang akan diukur torsinya tersebut
diletakkan pada sebuah testbed dan poros keluaran mesin
dihubungkan dengan rotor dinamometer. Prinsip kerja dari
dinamometer dapat dilihat pada gambar 2.6. Rotor dihubungkan
secara elektromagnetik, hidrolis, atau dengan gesekan mekanis
terhadap stator yang ditumpu oleh bantalan yang mempunyai
gesekan kecil. Torsi yang dihasilkan oleh stator ketika rotor tersebut
berputar diukur dengan cara menyeimbangkan stator dengan alat
pemberat, pegas, atau pneumatik.
Hambatan ini akan menimbulkan torsi (T), sehingga nilai daya (P)
dapat ditentukan sebagai berikut :
)(60000
..2kW
TnP
π= ……………............................................(3)
Dimana :
n = putaran mesin (rpm)
T = torsi (Nm)
Torak yang didorong oleh gas membuat usaha. Baik tekanan
maupun suhunya akan turun waktu gas berekspansi. Energi panas
diubah menjadi usaha mekanis. Konsumsi energi panas ditunjukkan
langsung oleh turunnya suhu. Kalau toraknya tidak mendapatkan
hambatan dan tidak menghasilkan usaha gas tidak akan berubah
meskipun tekanannya turun.
Tekanan Efektif Rata-rata (BMEP)
Besar nilai P1 merupakan tekanan efektif rata-rata indikator
(indicator mean effective pressure : IMEP).
Nilai P1, dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan
sebagai berikut :
s
i
V
WP =1 ……………………………….................................(4)
Dengan menggunakan nilai Pi dapat memudahkan perhitungan
besar usaha indikator Wi pada tekanan konstan selam torak pada
langkah ekspansi. Pada mesin 4 langkah besar nilai Pi terjadi setiap
2 putaran, sehingga besar nilai Ni indikator dapat ditentukan
dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :
Dengan satuan Si ( m3, kPa dan rps)
Ni =V1.P1.n/2 (kW)………………….................................................(5)
Dimana :
V1= volume langkah (m3)
Pi = tekanan efektif rata-rata indicator (kPa)
n = putaran mesin (rpm)
Pada mesin 2 langkah besar nilai Pi dihasilkan pada tiap putaran,
maka secara teoritis nilai Ni akan menjadi dua kali lebih besar jika
dibandingkan pada persamaan 4, tetapi pada umumnya besar nilai
Pi pada mesin 2 langkah lebih kecil dibandingkan dengan 4 langkah.
Nilai Ni disebut sebagai keluaran indikator yang menyatakan
keluaran, disebabkan oleh adanya tekanan pada torak.
Daya yang dapat dimanfaatkan untuk memutar mesin disebut
sebagai keluaran efektif (brake mean out put) nilai Ne dapat
dirumuskan sebagai berikut :
Ne = V1. N. BMEP. 2 (kW)……………………………(6)
Besar keluaran efektif dapat diukur dengan menggunakan
sebuah dynamometer. Nilai BMEP adalah merupakan tekanan
efektif rata-rata (brake mean effective pressure). Besar nilai Ne
yang ditentukan oleh produk dari volume langkah V1, kecepatan
putaran n dan BMEP yang berhubungan dengan tekanan gas rata-
rata merupakan keluaran suatu pembakaran yang bermanfaat.
BMEP adalah besar nilai yang menunjukkan daya mesin tiap satuan
volume silinder pada putaran tertentu dan tidak tergantung dari
ukuran motor bakar. (Soenarta &Furuhama, 1995).
Besar nilai BMEP dapat dirumuskan dengan persamaan sebagai
berikut :
nV
ZPBMEP
d .
..60= ……………………................................(7)
Dimana :
P = daya (kW)
N = putaran mesin (rpm)
Vd= volume langkah total silinder (m3)
Z = sistem siklus (4 langkah =2, 2 langkah =1)
Efisiensi Thermis
Perbandingan antara energi yang dihasilkan dan energi yang
dimasukkan pada proses pembakaran bahan bakar disebut efisiensi
thermis rem (brake thermal efficiency) dan ditentukan sebagai
berikut :
(%)100.
860 ×=hSFCbtη ……………..................................(8)
Dimana :
H = nilai kalor untuk bahan bakar premium = 10500 kcal/kg.
Minyak gas = 10400 kcal/kg.
SFC = konsumsi bahan bakar spesifik
Nilai kalor mempunyai hubungan dengan berat jenis. Pada
umumnya semakin tinggi berat jenis maka semakin rendah nilai
kalornya (Kiyaku & Murdhana, 1998).
Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)
Konsumsi bahan bakar spesifik (SFC) ditentukan dalam g/PSh
atau g/kWh dan lebih umum digunakan dari pada ηbt. Besar nilai
SFC adalah kebalikan dari pada ηbt. Penggunaan bahan bakar dalam
gram per jam Ne dapat ditentukan dengan persamaan sebagai
berikut :
[ ]kWhkgP
mSFC f /= ………………….............................(9)
Dimana :
SFC = konsunsi bahan bakar spesifik (kg/kWh)
P = daya mesin (kW)
Sedang nilai mf dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut:
bbf t
bm ρ⋅⋅=
1000
3600…………………………………….(10)
Dimana :
b = volume 3 buret (cc)
t = waktu (detik)
ρbb = berat jenis bahan bakar (kg/l)
mf = adalah penggunaan bahan bakar per jam pada kondisi
tertentu (Nakoela Soenarta &Dr. Shoichi
Furuhama,1995)
Gambar . Prestasi motor bensin 2-langkah dan 4-langkah
Studi Banding Performansi Motor Disel Isuzu 4 JA-1 Injeksi Langsung Sistim Force Induction Dengan dan Tanpa Intercooler Studi Banding Performansi Motor Disel Isuzu 4JA-1 Injeksi Langsung Sistim Force Induction Dengan dan Tanpa Intercooler
Kinerja suatu motor pembakaran dalam pada umumnya dipengaruhi
oleh beberapa parameter, diantaranya kapasitas silinder dan nisbah
kompresi. Semakin besar kapasitas silinder, semakin besar keluaran daya
dihasilkan oleh motor. Salah satu upaya meningkatkan kinerja motor yang
dapat dilakukan tanpa mengubah dimensi fisik dari motor adalah
menggunakan sistim induksi paksa (force induction).
Induksi paksa merupakan suatu sistim mekanik untuk mendorong lebih
banyak udara ke dalam silinder dengan tekanan diatas tekanan atmosfir
melalui proses pemampatan udara masukan. Proses pemampatan udara
dapat dilakukan melalui sistim supercharging yang digerakkan oleh
mekanisme roda gigi atau sabuk yang dihubungkan ke puli poros engkol
motor, atau melalui sistim turbocharging yang memanfaatkan energi dari
gas buang. Karena adanya proses pemampatan udara sebelum masuk ke
dalam silinder, maka kepadatan udara masuk semakin meningkat serta
jumlah oksigen yang digunakan untuk berkangsungnya proses pembakaran
juga meningkat dibanding metode konvensional yang hanya menarik udara
segar ke dalam silinder [3]. Dengan meningkatnya kuantitas oksigen yang
masuk ke dalam silinder, lebih banyak bahan bakar yang dapat terbakar
dengan sempurna, sehingga meningkatkan efisiensi volumetrik dan semakin
banyak energy pembakaran yang dapat dikonversi menjadi kerja mekanik
[6].
Permasalahan yang timbul pada saat mengadopsi sistim induksi paksa
adalah meningkatnya temperatur udara masukan yang mengiringi proses
pemampatan udara, sehingga tekanan di dalam silinder pada awal langkah
kompresi menjadi lebih tinggi. Peningkatan temperatur udara masukan ini
akan berdampak pada peningkatan temperatur dan tekanan di dalam
silinder pada siklus selanjutnya, sehingga katup, silinder dan kepala torak
menjadi terlalu panas dan motor menjadi overheating. Karena alasan ini,
beberapa motor yang mengadopsi sistim induksi paksa harus menurunkan
nisbah kompresinya.
Menurunkan nisbah kompresi, ternyata juga menimbulkan
permasalahan lain, yaitu menurunnya efisiensi termal motor, sehingga
meningkatkan konsumsi bahan bakar spesifik [7], suatu kondisi yang sangat
tidak diharapkan dalam mengatasi kelangkaan dan mahalnya harga bahan
bakar, serta permasalahan yang berkaitan dengan pencemaran udara.
Untuk mengatasi permasalahan dalam mengadopsi sistim induksi
paksa pada motor pembakaran dalam, tanpa menurunkan nisbah kompresi
yang harus mengorbankan efisiensi termal, digunakan suatu penukar kalor
yang disebut dengan intercooler guna menurunkan temperatur udara
termampatkan sebelum masuk ke dalam silinder.
Dasar Teori
Daya keluaran yang dihasilkan motor sebanding dengan kecepatan rotasi
dan kuantitas udara yang dapat dimampatkan di dalam silinder. Dengan
asumsi kecepatan rotasi motor konstan, satu-satunya upaya untuk dapat
meningkatkan daya motor adalah dengan meningkatkan kuantitas udara
yang masuk ke dalam silinder [3].
Berdasarkan persamaan gas ideal,
RTmPV u= (1)
Jika RV konstan, dimana R = konstanta gas universal, maka massa
udara, um yang masuk silinder berbanding lurus dengan tekanan dan
berbanding terbalik dengan temperatur absolutnya.
Massa udara yang masuk silinder = volume yang dipindahkan (swept
volume) oleh piston, V × kerapatan udara.
uu Vm ρ×= (2)
Dari persamaan (1) dan (2), diperoleh
T
P
Ru
1=ρ (3)
Jika 1
11 RT
Pu =ρ dan
2
22 RT
Pu =ρ , kemudian 111 ,, TPuρ dan 222 ,, TPuρ
berturut-turut adalah kondisi-kondisi kerapatan, tekanan dan temperatur
awal (keadaan 1) dan akhir (keadaan 2), maka
Nisbah kerapatan = 11
22
1
2
RTP
RTP
u
u =ρρ
, atau
2
1
1
2
1
2
T
T
P
P
u
u =ρρ
(4)
Ini berarti, bahwa dengan meningkatkan 2P (tekanan akhir) serta
menurunkan 2T (temperatur akhir), akan dihasilkan peningkatan kerapatan
( 12 uu ρρ > ).
Secara matematis, dalam kondisi ideal, kuantitas udara yang masuk ke
dalam silinder, ium , dengan kerapatan udara ideal, iu ,ρ serta kondisi
masukan (P, T) pada N Rpm, dinyatakan dengan [1]:
j a mk gNzVm iudiu /6 021
,, ×××××= ρ (5)
dimana =z jumlah langkah per siklus.
Dengan cara yang sama, pada kondisi aktual, jumlah udara yang
masuk kedalam silinder dinyatakan dengan:
j a mk gNzVm audau /6 021
,, ×××××= ρ (6)
Nisbah antara jumlah udara yang masuk pada kondisi aktual terhadap
jumlah udara yang masuk secara ideal disebut dengan efisiensi volumetris,
Vη .
iu
auv m
m
,
,
=η (7)
Persamaan ini menunjukkan bahwa untuk meningkatkan efisiensi
volumetris dengan kata lain meningkatkan derajat pengisian silinder dapat
dilakukan dengan meningkatkan kerapatan udara aktual di dalam silinder
melalui pemampatan udara masukan.
Hubungan antara efisiensi volumetrik dengan daya, torsi dan tekanan
efektif purata (mean effective pressure, mep) motor dinyatakan melalui
persamaan berikut [4]:
( )2
, AFQNVP iuHVdvf ρηη
= (8)
( )πρηη
τ4
, AFQV iuHVdvf= (9)
( )AFQmep iuHVvf ,ρηη= (10)
dimana ( )AF = nisbah bahan bakar/udara; =HVQ nilai kalor pembakaran
atas bahan bakar; =fη efisiensi pembakaran dan =dV volume langkah.
Sistim induksi paksa, baik dengan menggunakan supercharger
maupun turbocharger, masing-masing memiliki keuntungan dan kerugian.
Supercharger mampu beroperasi mulai pada putaran idle karena digerakkan
secara langsung mengikuti putaran poros engkol motor. Turbocharger tidak
beroperasi pada putaran idle karena opeasionalnya memanfaatkan tekanan
limbah gas buang untuk menggerakkan turbin kompresornya. Dengan
pertimbangan kemampuannya untuk beroperasi pada putaran rendah dalam
percobaan ini digunakan sistim supercharging [2].
Dalam percobaan ini, digunakan supercharger tipe sliding vane dengan
nisbah tekanan maksimum 1,5:1 atau boost pressure 0,5 bar. Untuk
meningkatkan nisbah tekanan, diameter puli supercharger dapat diperkecil,
sehingga putarannya semakin tinggi dan dihasilkan tekanan dorong yang
lebih besar.
Akibat sampingan yang tidak dapat dihindari dari aplikasi sistim
induksi paksa adalah meningkatnya temperatur udara karena proses
pemampatan, sehingga menurunkan kerapatan udara yang masuk ke dalam
silinder dan kuantitas oksigen yang masuk silinder lebih rendah. Untuk
mengurangi akibat sampingan yang merugikan ini, ditambahkan perangkat
penukar kalor yang dikenal dengan intercooler ke dalam sistim. Intercooler
ditempatkan diantara keluaran supercharger dan saluran hisap motor.
Skema dari sistim beserta instalasi fluida pendinginnya ditunjukkan dalam
Gambar 1.
Gambar 1. Skema sistim induksi paksa beserta instalasi fluida
pendinginnya
Supercharger (S) digerakkan dengan memanfaatkan putaran poros engkol
motor (M) melalui mekanisme puli yang dihubungkan dengan puli poros
engkol motor melalui sabuk (belt). Intercooler udara ke air (I), digunakan
untuk mendinginkan kembali udara yang dimampatkan supercharger
sehingga temperatur udara termampatkan yang masuk ke silinder menjadi
lebih rendah. Sebagai fluida pendingin digunakan campuran air + ethylene
glycol, disirkulasikan oleh pompa air (P) yang beroperasi memanfaatkan
putaran poros engkol motor ke radiator ekstra (RE). Dalam percobaan ini,
digunakan intercooler tipe tabung tubular udara ke air (Gambar 2).
Gambar 2. Intercooler tipe tabung tubular.
Uji prestasi motor dilakukan dengan menggunakan dinamometer rem
air (water brake dynamometer) pada bangku uji.
Daya keluaran poros motor ke dinamometer dinyatakan dengan:
WattRFN
P60
2π= (11)
dimana: P = daya motor (Watt atau BHp), F = pembebanan dinamometer
(Newton), dan R = 0,9549 m = panjang lengan dinamometer. Atau secara
langsung dinyatakan dengan pembacaan terkalibrasi dinamometer:
HpFN
KwattFN
P746010000
== (12)
Torsi motor dinyatakan dengan:
meterNewtonRF −×=τ (13)
Konsumsi bahan bakar spesifik (specific fuel consumption, sfc), yang
menyatakan kuantitas bahan bakar yang dikonsumsi untuk menghasilkan
daya 1 hp selama 1 jam dinyatakan dengan:
( )jamhpKgtP
msfc bb −
××
= /3600
(14)
dimana P = daya (Hp), =bbm massa bahan bakar yang dikonsumsi (kg) dan
=t waktu yang dibutuhkan untuk mengkonsumsi kgmbb bahan bakar.
Efisiensi termal, thη , dinyatakan dengan efisiensi pemanfaatan kalor
dari bahan bakar untuk menghasilkan kerja mekanik. Efisiensi termal
dinyatakan dengan
HVth Qsfc ×
= 67,641η (15)
dimana sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (kg/Hp-jam), =HVQ Nilai kalor
pembakaran (kkal/kg) yang dihitung dari persamaan:
APIQHV °+= 4016610 Btu/lb (16)
Karena 1 Btu = 1054 J; 1 kal = 4,184 J, dan 1 lb = 0,4536 kg, maka:
kgkal
kg
lb
J
kal
Btu
J
lb
Btu
0963,555
4536,0
1
186,4
1
1
10541
=
×××
Persamaan (16) dapat dituliskan ulang dengan:
( ) kgkkalAPIQHV /4016610555,0 °+= (16a)
=°API ( ) 5,13160
5,141 −°FSG
(16b)
dimana SG = specific gravity bahan bakar pada 60°F. Untuk solar = 815
kg/m3.
Dari persamaan (16a) dan (16b):
kgkkal
QHV
1,6303
5,131815
5,1414016610555,0
=
−+=
(17)
Gambar 5. Kurva temperatur pengisian Vs Putaran.
Gambar 6. Kurva tekanan pengisian Vs putaran.
2030405060708090100110120130
1400
1800
2200
2600
3000
Temperatur (C)
Putaran (RPM)
Temperatur pengisian Vs Putaran
T-kon T-spch T-spch+Int
Gambar 7. Kurva Daya Vs Putaran
Gambar 8. Kurva Torsi Vs Putaran
Gambar 9. Kurva konsumsi bahan bakar spesifik Vs putaran.
Gambar 10. Kurva efisiensi termal Vs putaran.
Hasil dan Pembahasan
Pada Gambar 5 dan 6 ditunjukkan pola yang berbeda antara temperatur
dan tekanan udara yang masuk ke dalam silinder. Temperatur udara yang
masuk ke dalam silinder cenderung lebih rendah pada putaran tinggi
(Gambar 5), sedangkan tekanan cenderung semakin meningkat (Gambar 6).
Peningkatan temperatur pada putaran lebih rendah disebabkan karena
meningkatnya friksi internal dengan bertambahnya beban pada motor.
Peningkatan tekanan yang terjadi pada putaran lebih tinggi disebabkan
karena meningkatnya kecepatan pergerakan piston di dalam silinder.
Temperatur udara rata-rata meningkat sebesar 89,86% (dalam kisaran
antara 70°C sampai dengan 120°) dengan penambahan supercharger pada
sistim. Hal ini terutama disebabkan karena meningkatnya tumbukan antar
molekul udara yang merupakan bagian dari proses pemampatan udara.
Dengan menambahkan intercooler ke dalam sistim peningkatan temperatur
akibat proses pemampatan dapat ditekan menjadi 43,37%, atau terjadi
penurunan temperatur udara termampatkan sebesar 46,49%.
Terjadi peningkatan tekanan udara rata-rata sebesar 40,01% akibat
proses pemampatan udara melalui supercharger. Dengan adanya
penambahan intercooler ke dalam sistim, sehingga terjadi penurunan
temperatur udara termampatkan, maka peningkatan tekanan keluaran
supercharger turun menjadi 36,55%, atau terjadi penurunan tekanan
sebesar 3,46%.
Karena kerugian tekanan akibat pendinginan udara melalui intercooler
yang terjadi relatif kecil (3,46%) dibandingkan penurunan temperaturnya
(46,49%), maka terjadi peningkatan nisbah kerapatan udara termampatkan
dengan adanya penambahan intercooler. Hal ini dapat diartikan bahwa
disamping terjadi peningkatan massa udara (karena proses pemampatan
dengan supercharger), juga terjadi peningkatan kerapatan udara (karena
proses pendinginan udara termampatkan oleh intercooler). Dengan
meningkatnya massa dan kerapatan udara, semakin banyak jumlah oksigen
yang dapat dimanfaatkan untuk melangsungkan proses pembakaran di
dalam ruang bakar.
Pada kurva daya dan torsi Vs putaran (Gambar 7 dan 8) ditunjukkan
terjadi peningkatan daya dan torsi rata-rata pada berbagai tingkat
kecepatan masing-masing sebesar 10,06% dengan menambahkan
supercharger pada sistim. Jika temperatur udara yang masuk kedalam
silinder setelah proses pemampatan diturunkan dengan menambahkan
intercooler pada sistim, daya dan torsi rata-rata pada berbagai tingkat
kecepatan dapat ditingkatkan lagi, masing-masing sebesar 19,46% dan
19,02%. Berdasarkan persamaan gas ideal (persamaan 1) yang menyatakan
bahwa massa udara berbanding lurus dengan tekanan dan berbanding
terbalik dengan temperaturnya, maka dengan meningkatkan tekanan udara
masukan, massa udara yang masuk akan semakin besar dan pada gilirannya
akan meningkatkan kuantitas oksigen yang dapat dimanfaatkan untuk
melakukan proses pembakaran menjelang akhir langkah kompresi. Pada sisi
lain, dengan meningkatkan tekanan udara masukan serta menurunkan
temperatur udara termampatkan melalui perangkat intercooler akan
semakin meningkatkan kerapatan udara masukan, dan pada gilirannya akan
semakin meningkatkan derajat pengisian silinder (efisiensi volumetrik).
Dengan asumsi variabel-variabel lain pada persamaan 8 dan 9 konstan,
meningkatnya efisiensi volumetrik motor akan menghasilkan peningkatan
daya kuda rem (bhp) dan torsi pada motor. Disamping itu dengan
memampatkan udara yang masuk ke dalam silinder, periode persiapan
pembakaran akan dipersingkat.
Pada kurva konsumsi bahan bakar spesifik Vs putaran (Gambar 9),
ditunjukkan terjadi penurunan konsumsi bahan bakar spesifik rata-rata
sebesar 12,79% dengan penambahan supercharger. Jika temperatur
keluaran supercharger diturunkan dengan perangkat intercooler, konsumsi
bahan bakar spesifik rata-rata turun sebesar 19,43%. Hal ini terjadi karena
dengan meningkatnya massa dan kerapatan udara yang masuk ke dalam
silinder, semakin banyak oksigen yang dapat bereaksi dengan bahan bakar
untuk berlangsungnya proses pembakaran sehingga pembakaran dapat
berlangsung jauh lebih efisien. Kondisi ini mampu mereduksi produk
hidrokarbon yang tak terbakar pada gas buang, sebagai biang borosnya
konsumsi bahan bakar.
Pada Gambar 10 ditunjukan bahwa dengan memampatkan udara
masukan ke dalam silinder terjadi peningkatan efisiensi termal sebesar
14,86% dengan penambahan supercharger. Jika intercooler ditambahkan
pada sistim, efisiensi termal dapat ditingkatkan lagi menjadi 23,03%.
Efisiensi termal berbanding terbalik terhadap konsumsi bahan bakar spesifik
(persamaan 15). Ini berarti bahwa semakin rendah konsumsi bahan bakar
spesifik, semakin tinggi efisiensi termalnya. Peningkatan efisiensi termal ini
terjadi karena semakin banyak oksigen yang dapat bereaksi dengan bahan
bakar karena adanya proses pemampatan udara sebelum masuk ke dalam
silinder.
Kesimpulan percobaan diatas
• Hasil rancang bangun intercooler serta instalasi sistim pendinginnya
cukup efektif untuk menurunkan temperatur udara termampatkan
sehingga mampu meningkatkan kinerja motor yang menggunakan
sistim force induction.
• Penggunaan supercharger tanpa intercooler, meningkatkan
temperatur udara rata-rata sebesar 89,86% walaupun dihasilkan
peningkatan tekanan udara masuk rata-rata 40,01%
• Dengan penambahan intercooler, peningkatan temperatur udara rata-
rata dapat ditekan menjadi 43,37%. Walaupun tekanan udara hasil
pemampatan turun menjadi 36,55%, tetapi masih cukup efektif untuk
meningkatkan kinerja motor secara keseluruhan.
• Tanpa intercooler, rata-rata terjadi peningkatan daya keluaran poros,
torsi dan efisiensi termal masing-masing sebesar 10,06%, 10,06% dan
14,86%, sedangkan penurunan rata-rata konsumsi bahan bakar
spesifik sebesar 12,79%.
• Dengan penambahan intercooler, rata-rata terjadi peningkatan daya
keluaran poros, torsi dan efisiensi termal masing-masing sebesar
19,46%, 19,02% dan 23,03%, sedangkan penurunan rata-rata
konsumsi bahan bakar spesifik sebesar 19,43%.
Motor bakar terbagi menjadi 2 (dua) jenis utama, yaitu motor diesel
dan motor bensin. Perbedaan umum terletak pada sistem penyalaan.
Penyalaan pada motor bensin dinyalakan oleh loncatan bunga api listrik
yang dipercikan oleh busi atau juga sering disebut juga spark ignition
engine. Sedangkan pada motor diesel penyalaan terjadi karena kompresi
yang tinggi di dalam silinder kemudian bahan bakar disemprotkan oleh
nozzle atau juga sering disebut juga Compression Ignition Engine.
Proses Pembakaran
Secara umum pembakaran didefinisikan sebagai reaksi kimia atau
reaksi persenyawaan bahan bakar oksigen (O2) sebagai oksidan dengan
temperaturnya lebih besar dari titik nyala. Mekanisme pembakarannya
sangat dipengaruhi oleh keadaan dari keseluruhan proses pembakaran
dimana atom-atom dari komponen yang dapat bereaksi dengan oksigen
yang dapat membentuk produk yang berupa gas.
Untuk memperoleh daya maksimum dari suatu operasi hendaknya
komposisi gas pembakaran dari silinder (komposisi gas hasil pembakaran)
dibuat seideal mungkin, sehingga tekanan gas hasil pembakaran bisa
maksimal menekan torak dan mengurangi terjadinya detonasi. Komposisi
bahan bakar dan udara dalam silinder akan menentukan kualitas
pembakaran dan akan berpengaruh terhadap performance mesin dan
emisi gas buang. Sebagaimana telah diketahui bahwa bahan bakar bensin
mengandung unsur-unsur karbon dan hidrogen.
Terdapat 3 (tiga) teori mengenai pembakaran hidrogen tersebut
yaitu :
b. Hidrokarbon terbakar bersama-sama dengan oksigen
sebelum karbon bergabung dengan oksigen.
c. Karbon terbakar lebih dahulu daripada hidrogen.
d. Senyawa hidrokarbon terlebih dahulu bergabung dengan
oksigen dan membentuk senyawa (hidrolisasi) yang kemudian
dipecah secara terbakar. (Yaswaki, K, 1994).
Dalam sebuah mesin terjadi beberapa tingkatan pembakaran yang
digambarkan dalam sebuah grafik dengan hubungan antara tekanan dan
perjalanan engkol. Berikut adalah gambar dari grafik tingkatan
pembakaran
Proses atau tingkatan pembakaran dalam sebuah mesin terbagi menjadi
empat tingkat atau periode yang terpisah. Periode-periode tersebut
adalah :
1. Keterlambatan pembakaran (Delay Periode)
Periode pertama dimulai dari titik 1 yaitu mulai disemprotkannya
bahan bakar sampai masuk kedalam silinder, dan berakhir pada titik 2.
perjalanan ini sesuai dengan perjalanan engkal sudut a. Selama
periode ini berlangsung tidak terdapat kenaikan tekanan yang melebihi
kompresi udara yang dihasilkan oleh torak, dan selanjutnya bahan
bakar masuk terus menerus melalui nosel.
2. Pembakaran cepat
Pada titik 2 terdapat sejumlah bahan bakar dalam ruang bakar,
yang dipecah halus dan sebagian menguap kemudian siap untuk
dilakukan pembakaran. Ketika bahan bakar dinyalakan yaitu pada titik
2, akan menyala dengan cepat yang mengakibatkan kenaikan tekanan
mendadak sampai pada titik 3 tercapai. Periode ini sesuai dengan
perjalanan sudut engkol b. yang membentuk tingkat kedua.
3. Pembakaran Terkendali
Setelah titik 3, bahan bakar yang belum terbakar dan bahan
bakar yang masih tetap disemprotkan (diinjeksikan) terbakar pada
kecepatan yang tergantung pada kecepatan penginjeksian serta
jumlah distribusi oksigen yang masih ada dalam udara pengisian.
Periode inilah yang disebut dengan periode terkendali atau disebut
juga pembakaran sedikit demi sedikit yang akan berakhir pada titik 4
dengan berhentinya injeksi. Selama tingkat ini tekanan dapat naik,
konstan ataupun turun. Periode ini sesuai dengan pejalanan engkol
sudut c, dimana sudut c tergantung pada beban yang dibawa beban
mesin, semakain besar bebannya semakin besar c.
4. Pembakaran pasca (after burning)
Bahan bakar sisa dalam silinder ketika penginjeksian berhenti
dan akhirnya terbakar. Pada pembakaran pasca tidak terlihat pada
diagram, dikarenakan pemunduran torak mengakibatkan turunnya
tekanan meskipun panas panas ditimbulkan oleh pembakaran bagian
akhir bahan bakar.
Dalam pembakaran hidrokarbon yang biasa tidak akan terjadi gejala
apabila memungkinkan untuk proses hidrolisasi. Hal ini hanya akan terjadi
bila pencampuran pendahuluan antara bahan bakar dengan udara
mempunyai waktu yang cukup sehingga memungkinkan masuknya
oksigen ke dalam molekul hidrokarbon. (Yaswaki. K, 1994)
Bila oksigen dan hidrokarbon tidak bercampur dengan baik maka
terjadi proses cracking dimana akan menimbulkan asap. Pembakaran
semacam ini disebut pembakaran tidak sempurna.
Ada 2 (dua) kemungkinan yang terjadi pada pembakaran mesin
berbensin, yaitu: Pembakaran yang terjadi pada motor bensin terdapat 2
(dua) kemungkinan yang terjadi yaitu :
a. Pembakaran normal
Pembakaran normal terjadi bila bahan bakar dapat terbakar
seluruhnya pada saat dan keadaan yang dikehendaki. Mekanisme
pembakaran normal dalam motor bensin dimulai pada saat terjadinya
loncatan bunga api pada busi, kemudian api membakar gas bakar
yang berada disekitarnya sehingga semua partikelnya terbakar habis.
Didalam pembakaran normal, pembagian nyala api terjadi merata
diseluruh bagian. Pada keadaan yang sebenarnya pembakaran
bersifat komplek, yang mana berlangsung pada beberapa phase.
Dengan timbulnya energi panas, maka tekanan dan temperatur naik
secara mendadak, sehingga piston terdorong menuju TMB.
Pembakaran normal pada motor bensin dapat ditunjukkan pada
gambar grafik dibawah sebagai berikut :
Gambar 2.6. Pembakaran campuran udara-bensin dan perubahan tekanan didalam silinder (New Traning Manual, PT. Toyota Astra Motor, 1996)
Gambar grafik diatas dengan jelas memperlihatkan hubungan
antara tekanan dan sudut engkol, mulai dari penyalaan sampai akhir
pembakaran. Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa beberapa derajat
sebelum piston mencapai TMA, busi memberikan percikan bunga api
sehingga mulai terjadi pembakaran, sedangkan lonjakan tekanan dan
temperatur mulai point 2, sesaat sebelum piston mencapai TMA, dan
pembakaran point 3 sesaat sesudah piston mencapai TMA.
b. Pembakaran tidak normal
Pembakaran tidak normal terjadi bila bahan bakar tidak ikut
terbakar atau tidak terbakar bersamaan pada saat dan keadaan yang
dikehendaki. Pembakaran tidak normal dapat menimbulkan detonasi
(knocking) yang memungkinkan timbulnya gangguan dan kesulitan-
kesulitan pada motor bakar bensin. Fenomena-fenomena yang
menyertai pembakaran tidak sempurna, diantaranya :
1. Detonasi
Seperti telah diterangkan sebelumnya, pada peristiwa
pembakaran normal api menyebar keseluruh bagian ruang bakar
dengan kecepatan konstan dan busi berfungsi sebagai pusat
penyebaran. Dalam hal ini gas baru yang belum terbakar
terdesak oleh gas yang sudah terbakar, sehingga tekanan dan
suhunya naik sampai mencapai keadaan hampir terbakar. Jika
pada saat ini gas tadi terbakar dengan sendirinya, maka akan
timbul ledakan (detonasi) yang menghasilkan gelombang
kejutan berupa suara ketukan (knocking noise)
2. Hal-hal yang menyebabkan terjadinya Detonasi
Pada lapisan yang telah terbakar akan berekspansi. Pada
kondisi lapisan yang tidak homogen, lapisan gas tadi akan
mendesak lapisan gas lain yang belum terbakar, sehingga
tekanan dan suhunya naik. Bersamaan dengan adanya radiasi
dari ujung lidah api, lapisan gas yang terdesak akan terbakar
tiba-tiba. Peristiwa ini akan menimbulkan letupan
mengakibatkan terjadinya gelombang tekanan yang kemudian
menumbuk piston dan dinding silinder sehingga terdengarlah
suara ketukan (knocking) yaitu yang disebut dengan detonasi.
Hal-hal yang menyebabkan terjadinya detonasi antara lain
sebagai berikut :
a) Perbandingan kompresi yang tinggi, tekanan kompresi,
suhu pemanasan campuran dan suhu silinder yang
tinggi.
b) Masa pengapian yang cepat.
c) Putaran mesin rendah dan penyebaran api lambat.
d) Penempatan busi dan konstruksi ruang bakar tidak tepat,
serta jarak penyebaran api terlampau jauh.
Proses terjadinya detonasi dapat ditunjukkan pada (gambar 2.7)
dibawah :
Gambar 2.7. Proses terjadinya detonasi
Gambar diatas menjelaskan bahwa detonasi (knocking) terjadi
karena bahan bakar terbakar sebelum waktunya. Hal ini terjadi
pada saat piston belum mencapai posisi pembakaran, tetapi
bahan bakar telah terbakar lebih dahulu.
Kesetabilan kimia dan kebersihan bahan bakar
Kestabilan kimia bahan bakar sangat penting, karena berkaitan
dengan kebersihan bahan bakar yang selanjutnya berpengaruh terhadap
sistem pembakaran dan sistem saluran. Pada temperatur tinggi, bahan
bakar sering terjadi polimer yang berupa endap(an)-endapan gum (getah)
ini berpengaruh kurang baik terhadap sitem saluran misalnya pada katup-
katup dan saluran bahan bakar
Bahan bakar yang mengalami perubahan kimia, menyebabkan
gangguan pada proses pembakaran. Pada bahan bakar juga sering
terdapat saluran/senyawa yang menyebabkan korosi, senyawa ini antara
lain : senyawa belerang, nitrogen, oksigen, dan lain-lain , kandungan
tersebut pada gas solin harus diperkecil untuk mengurangi korosi, korosi
dari senyawa tersebut dapat terjadi pada dinding silinder, katup, busi,
dan lainya, hal inilah yang menyebabkan awal kerusakan pada
mesin.mbakaran, tetapi bahan bakar telah terbakar lebih dahulu.