modul konversi energi.docx

8/15/2019 MODUL KONVERSI ENERGI.docx

1/168

MODUL KONVERSI ENERGI

Sumber : http://faudhi-otomotiv.blogspot.com/2009/03/modul-7.html

Modul I

SOAL PRE TEST

MODUL I.

Petunjuk :

Kerjakan semua soal pretest ini sebagai syarat untuk mempelajari modul I

1. Jelaskan pengertian energi dan hukum kekekalan energi ?

2. Dari hukum kekekalan energi diketahui bahwa energi dari bentuk pemunculan yang satu dapat

dirubah menjadi bentuk yang lain. Berikan beberapa contohnya dan jelaskan prosesnya ?

3. Jelaskan pengertian dan satuan beberapa istilah berikut ini :

a. Gaya

b.

energi

c. daya

d. Massa

e. Berat

4. Jelaskan proses konversi energi pada motor bakar ?

5. Apa yang dimaksud dengan motor bakar ?

6. Bagaimana proses untuk menghasilkan energi pada motor bakar ?

7. Jelaskan bagaimana penerapan hukum kekekalan energi pada proses kerja motor bakar ?


2/168

8. Jelaskan pengertian effisiensi dan mengapa efisiensi sebuah mesin sangat penting ?

Keterangan:

Soal pretest ini berguna untuk mengukur tingkat pemahaman awal para mahasiswa sebelummempelajari modul I.

MODUL I. DASAR-DASAR KONVERSI ENERGI

Tujuan Instruksional khusus (TIK) :

Setelah mempelajari bab ini mahasiswa diharapkan dapat :

1. Menjelaskan pengertian energi dan hukum kekekalan energi

2. Menyebutkan pengklasifikasian energi dan jenis-jenisnya dan perhitungannya.

3. Menjelaskan pengertian gaya, energi, daya, massa dan berat dan satuannya

4. Menjelaskan proses dasar konversi energi pada motor bakar

5. Menjelaskan pengertian motor bakar, jenis dan prosesnya serta beberapa istilah yang berhubungan dengannya.

6. Menjelaskan pengertian effisiensi dan perhitungannya.

1.1. PENDAHULUAN

Aspek dasar dari konsep energi adalah kelestarian energi sebagaimana disebutkan dalam hukum

pertama Termodinamika, yaitu bahwa energi suatu sistem yang tertutup adalah konstan.

Contohnya apabila ada 2 buah benda yang bergerak saling betabrakan dan kemudian kedua

benda tersebut berhenti, maka benda tersebut akan kehilangan energi kinetiknya, namun

sesungguhnya energi tersebut tidak hilang, tapi telah di konversikan menjadi energi yang

berbentuk peningkatan suhu kedua benda tersebut.


3/168

Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa Energi dapat diubah bentuknya tetapi jumlahnya

tetap pada setiap saat dalam suatu proses perubahan tersebut, hal ini mengandung pengertian

bahwa bila suatu jumlah energi dalam suatu bentuk pemunculan tertentu dihilangkan, maka suatu

jumlah energi yang sama akan timbul dalam suatu bentuk yang lain atau bahkan lebih. Energi

tersebut dapat dirubah menjadi energi mekanis oleh suatu sistem pengkonversian energi untuk

menghasilkan suatu usaha yang berguna.

Energi mekanis adalah salah satu bentuk energi yang lebih diingini karena energi ini dapat

dikonversi menjadi energi panas dengan efisiensi 100 persen dan juga dapat dikonversi menjadi

energi listrik dengan efisiensi konversi yang sangat tinggi. Pada dasarnya energi mekanis adalah

hasil konversi energi panas atau konversi langsung energi listrik. Konversi energi panas ke

energi mekanis biasanya berlangsung pada beberapa jenis mesin kalor (heat engine) yang bekerja

berdasarkan siklus mesin kalor thermodinamika dengan efisiensi konversi yang terbatas.

Konversi energi listrik ke mekanis biasanya terjadi sebagai hasil interaksi medan magmit di

dalam motor listrik.

1.2. PENGERTIAN ENERGI

Energi dapat secara luas didefinisikan sebagai kemampuan untuk menghasilkan atau

kapasitas untuk menghasilkan suatu pengaruh. Secara lebih spesifik dapat diartikan sebagai

sesuatu yang dalam sistem tertentu dapat diubah menjadi usaha/kerja. Artinya kalau energi

tersebut bekerja pada suatu sistem, misalkan gaya dorong pesawat terbang, maka gaya tersebut

akan mendorong pesawat terbang tersebut untuk melakukan kerja mekanis.


4/168

Gambar 1.1. Proses terjadinya kerja mekanis

Dalam gambar tersebut sebuah pesawat terbang didorong oleh gaya F sehingga berpindah sejauh

S, searah dengan arah gaya F, sehingga gaya F telah melakukan kerja mekanis sebesar F (gaya) x

S (jarak) pada pesawat tersebut..

1.3. KLASIFIKASI ENERGI

Energi dapat diklasifikasikan untuk keperluan-keperluan thermodinamika teknik sebagai berikut

:

I. Energi tersimpan;

yang tergolong sebagai energi tersimpan adalah sebagai berikut :

1. Energi Potensial, yaitu : energi yang dipunyai oleh benda karena letaknya diukur relatif

vertical terhadap suatu bidang dasar sembarang yang disebut datum. Besarnya energi

potensial adalah : berat x tinggi; Ep = m . g. h

2. Energi Kinetis, yaitu : Energi yang dipunyai oleh benda karena kecepatannya. Besarnya energi

kinetis adalah :

atau

3. Energi dalam (U), yaitu : energi yang dipunyai oleh benda karena aktifitas dan konsfigurasi

dari molekul-molekulnya.


5/168

4. Energi aliran, yaitu : energi yang dipunyai oleh suatu benda yang mengalir dalam suatu tabung

karena adanya kerja oleh fluida yang menyebabkan fluida itu mengalir dalam suatu bidang

sembarangan; energi aliran : tekanan x volume spesifik.

5. Energi kimia, yaitu : energi yang dipunyai oleh benda karena struktur atomnya, ini dibuktikan

oleh adanya energi yang dihasilkan oleh suatu reaksi kimia.

6. Energi atom, yaitu : energi yang terikat di dalam partikel-partikel pada inti atom, terbukti

dengan terjadinya pengaturan tataletak partikel di dalam inti atom. Hubungan antara

penurunan massa selama reaksi inti atom dan energi yang dilepaskan dirumuskan oleh Albert

Einstein sebagai berikut : E = m . c2

Dimana : E = Energi yang ditimbulkan

M = penurunan massa

C = kecepatan cahaya; 2,9999 x 1010

cm/detik.

II. Energi yang dialirkan (energi in transaction);

Pembagiannya sebagai berikut ini :

1. Panas (Q), yaitu energi yang mengalir dari satu benda ke benda yang lain karena perbedaan

suhu. Jumlah panas dinyatakan sebagai hasil perjkalian massa bahan dengan kapasitas panas

dan perubahan suhu; atau Q = w ∫ cd T

2. Kerja (W), yaitu energi yang dihasilkan oleh suatu gaya yang bergerak pada suatu jarak

tertentu; W = ∫ F dx.

1.4. SATUAN ENERGI

Satuan gaya Dalam SI adalah Newton; yang didefenisikan sebagai berikut :

1 Newton = besarnya gaya yang bekerja pada benda bermassa 1 kg massa, dan menimbulkan

percepatan gerakan sebesar 1 m/det2.

Defenisi tersebut di dasarkan pada hukum Newton yang


6/168

terkenal dan sangat mendasar yaitu : Gaya = Massa x Percepatan. Jadi 1 Newton = 1 kg (massa)

x 1 m/det2.

Sebetulnya bobot suatu benda itu adalah besarnya gaya tarik bumi (gravitasi) yang bekerja pada

sebuah benda dan menimbulkan percepatan (jika benda tersebut jatuh) sebesar g m/det2.

Sehingga Bobot = m x g, bila diketahui massa suatu benda 1 kg massa, maka bobotnya adalah =

1 kg x g (gaya gravitasi) = g Newton. Jadi sesungguhnya bobot sebuah benda adalah tergantung

pada besarnya gaya gravitasi (g). Yang tetap adalah massanya, sedangkan harga g disebabkan

oleh gaya tarik bumi sebagai akibat tarikan massa bumi. Seandainya benda tersebut dibawa ke

bulan, maka massanya tetap tapi beratnya akan berubah tergantung pada gaya gravitasi di bulan.

Satuan energi dalam SI adalah Joule (J); tapi beberapa satuan lainnya juga dipakai seperti :

electronvolt (ev), kalori (kal), britis thermal unit (BTU), dll. Daya merupakan laju pemakaian

energi seperti joele per detik (J/detik), satuannya adalah watt (W) dengan kelipatannya yang

umum dipergunakan adalah kilowatt (KW), megawatt (MW), giga watt (GW), dst.

1.5. PROSES KONVERSI ENERGI

Suatu energi itu dapat diubah atau dikonversi menjadi suatu kerja mekanis oleh suatu system

yang disebut sistem konversi energi. Hukum yang sangat terkenal dan mendasar pada proses

konversi energi ialah Hukum kekekalan energi (Law of the Conservation of Energi). Hukum ini

menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan, hanya dapat diubah

bentuknya dari satu bentuk ke bentuk yang lain tetapi jumlahnya pada setiap saat dalam proses

perubahan tersebut adalah tetap.

Salah satu sistem Konversi Energi yang paling banyak penggunaannya adalah motor

bakar, yang menggunakan silinder, torak dan engkol untuk mengubah gerakan torak yang

bergerak secara translasi (bolak-balik) menjadi gerakan rotasi (putar) pada poros engkol. Proses

konversi energi pada motor bakar memanfaatkan energi panas yang dibebaskan dari bahan bakar

(cair) seperti bensin, minyak diesel, kerosin dsb, dengan cara pembakaran sehingga

menghasilkan gas yang akan mendorong piston untuk menggerakkan poros engkol.


7/168

Proses konversi energi pada motor bakar untuk mengubah gerakan translasi rotasi melalui batang

torak dan poros engkol ditunjukkan pada gambar 1 – 1 di bawah ini.

Gambar 1-1. Proses konversi energi pada motor bakar torak.

Pada gambar 2-1, didalam ruangan antara silinder dan torak terdapat suatu gas hasil, pembakaran

bahan bakar + udara, torak (piston) melalui batang soker memutar poros engkol untuk

menggerakkan beban. Menurut Hukum Boyle, tekanan gas akan naik sampai tekanan gas dapat

mengatasi gaya gesekan beban B terhadap landasan, serta gesekan lainnya, sehingga torak dapat

bergerak memutar poros engkol untuk menggerakkan beban. Gaya (F) yang dibutuhkan adalah:

tekanan (P) x luas Torak/Silinder (A), sehingga gas telah membuat usaha mekanis sebesar Gaya

(F) x jarak perpindahan benda (S). Dalam proses tersebut telah terjadi suatu proses konversi

energi panas menjadi energi gerak. Untuk mengembalikan torak ke posisi yang semula, maka gas perlu menyusut volumenya dan ini berarti bahwa gas harus didinginkan.

Secara skematik proses Konversi Energi yang berlangsung secara terus menerus dapat terlihat

pada gambar 1 - 2. Dalam gambar tersebut Q1 merupakan arus energi masuk (panas), Q2 arus

energi yang keluar dari sistem (pendinginan) melalui pembuangan gas hasil pembakaran, dan W


8/168

adalah arus energi yang keluar yang dimanfaatkan untuk menggerakkan beban. Q2 adalah

pembuangan energi yang ternyata harus ada, bagaimana pun kecilnya, supaya sistem dapat

bekerja secara terus-menerus. Hal ini merupakan hukum umum yaitu : “Tidak mungkin energi

yang dimasukkan (Q1), seluruhnya (100 % ) dapat diubah menjadi kerja (W)”. Setelah Q2

dikeluarkan agar volume gas menyusut supaya memungkinkan torak kembali ke posisi semula,

maka gas didalam silinder telah melakukan satu siklus kerja, proses ini dapat dimulai lagi dan

seterusnya.

1.6. MOTOR BAKAR TORAK

Motor bakar pada umumnya dikenal sebagai mesin pembakaran dalam, dimana proses

pembakaran berlangsung di dalam motor bakar itu sendiri sehingga gas pembakaran (tenaga

termis) yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja dan mengubahnya menjadi kerja

mekanik. Tenaga termis dihasilkan dari pembakaran bahan bakar di dalam silinder, sehingga gas

pembakaran menjadi bertemperatur tinggi yang menyebabkan tekanan tinggi di dalam silinder.

Gas ini berekspansi untuk melakukan kerja mekanik.

Motor bakar torak menggunakan beberapa selinder yang didalamnya berisi torak yang bergerak

translasi (bolak-balik). Di dalam selinder akan terjadi pembakaran antara bahan bakar dengan

oksigen dari udara. Gas hasil pembakaran akan menggerakkan torak yang dihubungkan dengan batang penghubung dengan poros engkol. Gerak translasi torak di dalam selinder akan

menyebabkan gerak rotasi pada poros engkol, dan juga sebaliknya gerak rotasi pada poros

engkol akan menimbulkan gerak translasi pada torak.

Motor bakar torak terbagi menjadi 2 jenis utama yaitu : motor bensin (Otto) dan motor diesel.

Perbedaan yang utama terletak pada sistem penyalaannya. Pada motor bensin bahan bakar

dinyalakan dengan menggunakan loncatan api listrik diantara elektroda busi, sehingga

dinamakan Spark Ignition Engines. Sedangkan pada motor diesel proses pembakaran terjadi

dengan proses penyalaan sendiri karena bahan bakar disemprotkan ke dalam selinder yang berisi

udara bertemperatur dan bertekanan tinggi sehingga terbakar sendiri oleh udara yang

mengandung sekitar 21 % volume O2 setelah temperatur campuran tesebut melampaui


9/168

temperatur nyala bahan bakar. Berdasarkan proses pembakarannya, maka disebut Compression

Ignition Engines.

Torak adalah bagian mesin yang sangat kritis, karena dikenai gas yang bertekanan dan

bertemperatur tinggi serta melakukan gerak translasi dengan kecepatan yang sangat tinggi. Torak

meneruskan gaya gas pembakaran yang temperaturnya dapat mencapai 25000C kepada poros

engkol, maka torak harus memenuhi persyaratan, antara lain : kekuatan static dan dinamik yang

tinggi, ringan, gesekan kecil dan tidak mudah rusak, serta dapat bergerak secara leluasa di dalam

selinder dengan suaian yang sekecil-kecilnya.

Ada beberapa defenisi istilah yang digunakan pada motor bakar, antara lain adalah :

Panjang engkol, yaitu : jarak antara pena engkol dan leher poros.

Langkah torak, yaitu : Gerakan torak antara titik mati atas (TMA) dan titik mati bawah (TMB),

atau panjang langkah torak = 2 x panjang engkol.

Isi langkah torak, yaitu : Volume (isi) di dalam silinder antara titik mati atas (TMA) dengan

titik mati bawah (TMB), atau isi langkah torak sama dengan luas lingkaran torak x panjang

langkah torak. Dapat dinyatakan denga rumus : Vs = x d2 x s.

Ket. Rumus : Vs = isi langkah torak

d = diameter torak

s = panjang langkah torak

Ruang bakar atau ruang kompresi, yaitu : ruang antara titik mati atas (TMB) torak dengan tutup

silinder.

Volume silinder, yaitu : ruang di dalam silinder antara tutup silinder dengan titik mati bawah

(TMB) torak, atau Isi silinder = isi langkah torak + ruang bakar.


10/168

Perbandingan kompresi atau bilangan kompresi, yaitu : perbandingan antara isi silinder dengan

ruang bakar atau ruang kompresi. Hal ini dapat dinyatakan dengan rumus :

Perbandingan kompresi =

Atau ε =

Ket. Rumus : ε = perbandingan kompresi atau bilangan kompresi

Vs = isi langkah torak

Vv = isi ruang bakar (volume silinder)

Bilangan kompresi efektif, yaitu : perbandingan isi silinder antara permulaan kompresi dengan

permulaan pembakaran.

1.7. EFISIENSI

Pada proses konversi energi, energi yang keluar dari poros adalah energi berguna (output),

sedangkan energi yang masuk kedalam sistem dinamakan input. Sedangkan selisih antara energi

yang masuk dan energi yang keluar adalah energi tak berguna (kerugian), maka yang dimaksud

dengan efisiensi adalah :

Efisiensi = x 100 %

Sudah tentu kita selalu menginginkan harga Efisiensi yang besar untuk setiap sistem tetapi

dapat dibuktikan bahwa harga itu selalu kurang dari 100%. Misalnya : sebuah mesin yang

berputar tanpa dihubungkan dengan beban apapun sehingga porosnya hanya berputar bebas, Ini

berarti mesin tersebut mempunyai output = 0, tetapi untuk menjalankan mesin perlu diberikan

input positif berupa bahan bakar. Jadi selisih antara Input dengan output disebut kerugian, karena

outputnya = 0 maka Inputnya dipakai untuk mengatasi kerugian-kerugian mesin tersebut.


11/168

CONTOH-CONTOH SOAL

Contoh soal 1-1.

Sebuah benda mempunyai berat 100 Kg yang diletakkan pada ketinggian 95 meter dari suatu

bidang datar. Energi apakah yang dimiliki oleh benda tersebut dan berapa harganya ?

Jawab :

Benda tersebut mempunyai energi potensial, besarnya adalah :

Ep = 100 kg. x 95 m = 950 kg.m.

Contoh soal 1-2.

Sebuah mobil gerobak mempunyai berat 10 ton berjalan dengan kecepatan 50 mil per jam pada

ketinggian sejajar permukaan laut. Energi macam apa yang dipunyai mobil tersebut dan berapa

besarnya ?

Jawab :

Mobil tersebut mempunyai energi kinetis, besarnya adalah :

- Berat mobil = 10 ton x 2000 =20.000 lb.

- Kecepatan mobil = 50 x 5280 x = 73,3 ft/dt

- Maka; Ek = = 1.670.000 ft.lb.

Contoh soal 1-3.


12/168

Sebuah pesawat terbang berada pada ketinggian 10.000 ft dengan kecepatan 250 mil/jam, berat

pesawat itu adalah 4000 lb. Tentukan berapa energi total yang dipunyainya yang dihitung dari

permukaan laut ?

Jawaban :

- Kecepatan pesawat = 250 x 5280 x = 367 ft/dt

- Berat pesawat = 4000 lb

-

Energi kinetis (Ek) = = 8.370.000 ft.lb.

- Energi potensial (Ep) = 4000 lb x 10.000 ft = 40.000.000 ft.lb.

- Maka energi total adalah (E total) = Ek + Ep = 48.370.000 ft.lb.

Contoh soal 1-4.

Air pada suhu 200oF pada tekanan 800 psia mengalir melalui suatu pipa dengan kecepatan 100

ft/det. Pipa berada pada ketinggian 250 ft di atas bidang datum. Bila energi dalam air besarnya

132.000 ft-lb/lb dan volume spesifik 0,0166 ft3/lb. Tentukan berapa energi total satu poun (lb) air

?

Jawab :

- Energi potensial (Ep) = 1 lb x 250 ft = 250 lb.ft

- Energi kinetis (Ek) = = 155 ft.lb

- Energi dalam (U) = 132.000 ft-lb/lb

- Energi aliran = 800 lb/in2

x 144 in2/ft

2x 0,0166 ft

3/lb =1920 ft-lb/lb.


13/168

- Energi total = Ep + Ek + U + Ea = 134325 ft-lb/lb.

Contoh soal 1-5.

Sebuah motor bakar bensin mengeluarkan daya output sebesar 10 Pk dalam 1 jam, denganmenghabiskan bahan bakar sebanyak 4.2 lb/jam. Bila bahan bakar tersebut mempunyai nilai

pemanasan sebesar 20.000 Btu/lb. Tentukan berapakah efisiensi panas motor tersebut ?

Jawab :

- Output setiap jam kerja = 10 pk /jam x 2545 Btu/pk-jam = 25.450 Btu.

- Panas yang diberikan setiap jam = 4.2 lb x 20.000 Btu/lb = 84.000 Btu.

- Efisiensi panas = η = x 100 % = 30,3 %.

Contoh soal 1-6.

Percepatan gravitasi di permukaan planet Mars adalah 3.74 m/det2, bila seorang astronot dari

planet bumi yang mempunyai massa 75 kg hendak ke planet Mars, berapa berat orang tersebut

ketika sudah berada di planet Mars dan ketika masih di bumi ?

Jawab :

Baratnya di planet Mars adalah gaya yang dikerjakan oleh gravitasi planet Mars padanya,

F = m . gmars

= 75 kg . 3,74 m/det2

= 280,5 N

sedangkan ketika di bumi beratnya adalah :

F = m . g bumi

= 75 kg . 9.81 m/det2


14/168

= 735.75 N

RANGKUMAN

Energi dapat didefinisikan dalam arti yang luas sebagai kemampuan untuk menghasilkan atau

kapasitas untuk menghasilkan suatu pengaruh. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa

Energi dapat diubah bentuknya tetapi jumlahnya tetap pada setiap saat dalam suatu proses

perubahan tersebut, yaitu bila suatu jumlah energi dalam suatu bentuk pemunculan tertentu

dihilangkan, maka suatu jumlah energi yang sama akan timbul dalam suatu bentuk yang lain atau

bahkan lebih yang dapat dirubah menjadi energi mekanis oleh suatu sistem pengkonversian

energi untuk menghasilkan suatu usaha yang berguna.

Suatu energi itu dapat diubah atau dikonversi menjadi suatu kerja mekanis oleh suatu

system yang disebut sistem konversi energi. Proses konversi energi pada motor bakar

memanfaatkan energi panas yang dibebaskan dari bahan bakar (cair) seperti bensin, minyak

diesel, kerosin dsb, dengan cara pembakaran sehingga menghasilkan gas yang akan mendorong

piston untuk menggerakkan poros engkol. Motor bakar pada umumnya dikenal sebagai mesin

pembakaran dalam, dimana proses pembakaran berlangsung di dalam motor bakar itu sendiri

sehingga gas pembakaran (tenaga termis) yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja

dan mengubahnya menjadi kerja mekanik. Tenaga termis dihasilkan dari pembakaran bahan

bakar di dalam silinder, sehingga gas pembakaran menjadi bertemperatur tinggi yang

menyebabkan tekanan tinggi di dalam silinder. Gas ini berekspansi untuk melakukan kerja

mekanik.

SOAL POST TEST MODUL I

1. Jelaskan pengertian energi dan hukum kekekalan energi ? Berikan beberapa contohnya

2. Jelaskan pengertian dan satuan beberapa istilah berikut ini :

a. Gaya

b. energi

c. daya


15/168

d. Massa

e. Berat

3. Jelaskan proses konversi energi pada motor bakar ?

4. Apa yang dimaksud dengan motor bakar ? Bagaimana proses untuk menghasilkan energi pada

motor bakar ?

5. Jelaskan bagaimana penerapan hukum kekekalan energi pada proses kerja motor bakar ?

6. Jelaskan pengertian effisiensi dan mengapa efisiensi sebuah mesin sangat penting ?

7. Sebuah truk mempunyai berat 7500 kg membawa muatan seberat 10 ton berjalan dengan

kecepatan 50 mil per jam pada ketinggian sejajar permukaan laut. Tentukan berapa energi

kinetic yang dipunyai oleh truk tersebut ?

8. Sebuah pesawat terbang komersial mempunyai kecepatan 300 mil/jam terbang pada ketinggian

11500 ft, berat pesawat itu adalah 5000 lb. Tentukan berapa energi kinetic dan energi

potensial pesawat tersebut dihitung dari permukaan laut ?

9. Air yang mengalir melalui suatu pipa mempunyai kecepatan 125 ft/det pada suhu 250oF

dengan tekanan 950 psia. Pipa berada pada ketinggian 275 ft dari permukaan tanah. Bila

energi dalam air besarnya 132.000 ft-lb/lb dan volume spesifik 0,0166 ft3/lb. Tentukan :

Energi kinetic (Ek)

Energi Potensial (Ep)

Energi dalam

Energi aliran

10. Sebuah motor diesel pembangkit generator mampu mengeluarkan daya output sebesar 100 Pk

dalam 1 jam, dengan menghabiskan bahan bakar sebanyak 40 lb/jam. Bila bahan bakar

tersebut mempunyai nilai pemanasan sebesar 20.000 Btu/lb. Tentukan berapakah efisiensi

panas motor tersebut ?


16/168

BAHAN BACAAN

1. Michael M. Abbott, Darmadi Kusno, dkk. TIORI DAN SOAL TERMODINAMIKA,

Erlangga, 1994. Bab I

2. Archie W. Culp, Jr, Darwin Sitompul, Prinsip-prinsip konversi energi, Erlangga,1989. Bab I.

3. Cecil F Warner, Moerdjijarto Pratomo, Dasar-Dasar Thermodinamika Untuk Insiyur, Balai

Pustaka, 1985. Bab I

Modul 2

SOAL PRE TEST

MODUL 2.

Petunjuk :


1. Mengapa motor bensin dinamakan dengan Spark Ignition Engine dan siapa penemunya ?

2. Sebutkan proses kerja motor bensin empat langkah ? kemudian jelaskan masing-masinglangkahnya ?

3. Hitunglah besarnya volume silinder dari sebuah motor bensin 4 langkah bila diameter

silindernya 60 mm ?

4. Secara prinsip, apakah perbedaan antara motor otto dengan motor diesel yang anda ketahui ?

5. Jelaskan apa yang dimaksud dengan perbandingan kompresi pada sebuah motor bensin ?

6. Bagaimana hubungan antara perbandingan kompresi dengan efisiensi dan kinerja sebuah

motor bensin ?

7. Jelaskan pengaruh dari campuran yang miskin dan campuran yang kaya terhadap kinerja motor

?


17/168

8. Sebutkan proses motor bensin dua langkah ? kemudian jelaskan masing-masing langkahnya ?

9. Apa yang terjadi pada langkah pembilasan pada motor bensin dua langkah ? Jelaskan cara

kerja pembilasan ruang engkol ?

10. Sebutkan keuntungan dan kerugian motor bensin dua langkah ?

Keterangan:

Soal pretest ini berguna untuk mengukur tingkat pemahaman awal para mahasiswa sebelum

mempelajari modul 2.

MODUL 2. MOTOR BAKAR BENSIN


Setelah mempelajari bab ini anda mahasiswa diharapkan dapat :.

1. Menjelaskan sejarah dan ciri-ciri Motor Bensin

2. Menyebutkan pengertian motor bensin 4 langkah dan proses kerjanya

3. Menjelaskan tentang proses yang terjadi pada saat langkah isap, kompresi, ekspansi (kerja) dan

buang pada motor bensin 4 langkah.

4. Dapat menghitung volume silinder dan perbandingan kompresi.

5. Menyebutkan keuntungan dan kerugian motor bensin 4 langkah

6. Menjelaskan tentang mekanisme kerja katup

7. Menjelaskan tentang siklus Otto udara standar (diagram P – V) dan dapat melakukan

perhitungan kerja serta effisiensi siklus.


18/168

8. Menjelaskan ciri-ciri dan prinsip kerja motor bensin 2 langkah : (langkah isap, kompresi, kerja

dan buang)

9. Menjeaskan diagram P – V motor bensin 2 langkah dan dapat membedakannya dengan motor

bensin 4 langkah.

10. Menjelaskan fungsi dan jenis-jenis pembilasan pada motor bensin 2 langkah; serta diagram

pembukaan katup.

2.1. PENDAHULUAN

Motor bensin merupakan perkembangan dan perbaikan mesin yang sejak semula dikenal sebagai

motor otto. Motor tersebut dilengkapi dengan busi dan karburator, dimana busi menghasilkanloncatan api listrik yang menyalakan campuran bahan bakar dan udara segar, sehingga motor

bensin cenderung dinamakan Spark Ignition Engine. Motor bensin merupakan mesin

pembakaran dalam, dimana proses pembakaran berlangsung di dalam motor bakar itu sendiri

sehingga gas pembakaran (tenaga termis) yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja

yang diubahnya menjadi kerja mekanik. Tenaga termis dihasilkan dari pembakaran campuran

bahan bakar dan udara di dalam silinder, sehingga menghasilkan gas pembakaran yang

bertemperatur dan bertekanan tinggi, kemudian gas tersebut berekspansi untuk melakukan kerja

mekanik pada torak.

Torak akan bergerak secara translasi (bolak-balik) akibat dorongan gas hasil pembakaran

tersebut sehingga menyebabkan gerak rotasi pada poros engkol, dan juga sebaliknya gerak rotasi

pada poros engkol akan menimbulkan gerak translasi pada torak. Berdasarkan jumlah langkah

torak untuk menghasilkan suatu usaha, maka motor bensinr terbagi kedalam 2 kelompok utama

yaitu : motor empat langkah dan motor dua langkah. Motor bensin ditemukan sejak tahun 1876

oleh seorang berkebangsaan Jerman bernama Nikolas Otto, pada saat itu ia berhasil menciptakan

motor gas bersiklus empat langkah, yang pada saat ini digunakan sebagai prinsip kerja motor

bensin. Motor bakar torak pada umumnya lebih sederhana, lebih kompak, lebih ringan dan

temperatur seluruh bagian mesinnya jauh lebih rendah daripada temperatur gas pembakaran

sehingga bisa lebih effisien dibandingkan dengan mesin penggerak mula lainnya. Sehingga

penggunaan motor bakar di bidang transportasi sangat menguntungkan. Gambar 2 – 1 di bawah


19/168

ini menunjukkan mesin sebuah motor bensin yang utuh, sehingga kelihatannya hanya kumpulan

metal, pipa dan kawat. Namun bila di bongkar akan ditemukan suatu proses yang sangat

komplek.

Gambar 2 – 1.

Mesin Motor Bensin

2.2. MOTOR BENSIN EMPAT LANGKAH (EMPAT – TAK)

Motor empat langkah (4 tak) ialah motor yang mengalami 4 kali gerakan turun naik piston atau 2

kali putaran poros engkol untuk menghasilkan satu kali langkah usaha atau terjadi satu kali

pengapian. Maka pada tiap-tiap 2 kali putaran poros engkol akan melakukan 1 kali langkah kerja.

Perubahan tekanan selama proses kerja terjadi dalam ruang di atas torak. Bila torak (piston)

berada di TMB (titik terendah yang dapat dicapai piston), volume ruang bakar adalah yang

terbesar yaitu isi langkah torak + volume ruang bakar. Sedangkan bila torak berda di TMA (titik tertinggi yang dapat dicapai oleh piston) volume ruang bakar adalah yang terkecil.

Out put motor bensin dikontrol oleh membuka dan menutupnya throttle valve dengan cara

mengontrol banyaknya campuran bahan bakar dan udara yang masuk ke dalam ruang bakar,

prosesnya dapat ditunjukkan pada gambar 2 – 2 di bawah ini :


20/168

(Busi)

Gambar 2-2.

Proses pengontrolan outputmotor

bensin

2.3. Prinsip Kerja Motor bensin 4 Langkah (Empat – Tak)

Proses kerja suatu motor bensin empat langkah umum mempunyai urutan kerja sebagai seperti

dibawah ini dimana berlangsung secara berurutan ditunjukkan gambar 2-3.

1. Pengisian silinder dengan udara murni atau dengan campuran antara bahan bakar dan udara

yang disebut langkah Isap (intake stroke)

2. Proses pembakaran bahan bakar tersebut di dalam silinder yang disebut langkah kompresi

(Compression stroke)

3. Proses ekspansi dari gas hasil pembakaran untuk melakukan kerja yang disebut Langkah

ekspansi (Combustion / power stroke)


21/168

4.

Proses pembuangan gas bekas hasil pembakaran yang disebut Langkah pembuangan (exhaust

stroke)

Gambar 2-3 : Proses kerja motor bensin empat langkah

Ke empat langkah tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut :

1. Langkah Isap ((intake stroke)

Langkah isap dimulai pergerakan piston dari TMA ke TMB seperti ditunjukkan gambar 2 – 4.

Katup isap terbuka dan katup buang tertutup yang diatur oleh mekanisme katup, pada saat itu

campuran bahan bakar + udara yang berupa kabut dari karburator masuk ke ruang bakar

(silinder) melalui katup isap, pada saat langkah isap poros engkol berputar 180o.

Katup isapnya sudah terbuka sebelum TMA, untuk menghasilkan lubang isap yang luas

bila dalam silinder telah terjadi kehampaan akibat gerakan torak ke bawah tersebut. Campuran

udara dan bahan bakar yang baru di isap isiannya tidak pernah mencapai 100%, hal ini

disebabkan oleh tahanan aliran yang dialami oleh campuran baru tersebut, sehingga tekanan


22/168

selama pengisian selalu berada dibawah 100 kPa efektif. Pada frekuensi putar yang lebih tinggi,

tekanan tersebut akan semakin rendah, sehingga peningkatan daya yang diberikan tidak dapat

sebanding dengan frekuensi putarnya (efisiensi volumetri).

Gambar 2 – 4

Langkah Isap (intake stroke)

Isi langkah pada saat langkah isap ditunjukkan pada gambar 2 – 5 dibawah ini, dan dapatdihitung dengan persamaan :

Vs=

..................................... 2.1

Dimana :


23/168

D = Diameter silinder (mm)

S = Panjang langkah toral (mm)

Gambar 2.5. Dimensi silinder

2. Langkah kompresi (pemampatan)

Langkah kompresi dimulai pada saat piston bergerak dari TMB

ke TMA seperti ditunjukkan gambar 2 – 6. Pada saat itu katup isap dan katup buang tetutup,

akibatnya bahan bakar yang telah ada di dalam silinder termampatkan, pada saat beberapa derajat

(± 10o) sebelum mencapai TMA busi memercikkan bunga api listrik sehingga terjadi

pembakaran/ledakan.

Gambar 2.6.

Langkah kompresi (pemampatan)

Secara teoritis pemampatan dimulai pada saat torak menuju ke TMA, pada saat itu ke dua

buah katup diharapkan telah tertutup dengan baik sehingga campuran bahan bakar dan udara

akan dikompresikan pada saat langkah ini berlangsung yang menyebabkan tekanan dan


24/168

temperatur campuran tersebut meningkat. Kadang-kadang pemampatan dapat terjadi lebih awal

yaitu bila tekanan berada diatas 100 kPa yang disebabkan oleh gerak aliran campuran.

Makin kecil ruang bakar terhadap ruang langkah torak, maka akan semakin besar tekanan

pemampatannya. Hal ini sangat tergantung pada perbandingan pemampatan yang disebut dengan

perbandingan kompresi, yang merupakan perbandingan antara 2 macam volume, yakni :

1. Volume diatas piston pada saat kedudukan piston di TMB.

2. Volume diatas piston pada saat kedudukan piston di TMB.

Perbandingan pemampatan (dinyatakan dengan symbol ε) ini dalam bentuk rumus menjadi:

ε = atau ε = 1 + atau ε – 1 = …………………… 2.2

Ket. Rumus : Vs = Volume langkah torak

Vc = Volume ruang bakar

Untuk mendapatkan tekanan akhir kompresi yang tinggi dengan tanpa mengurangi

ekpansinya, maka harus mempertinggi perbandingan pemampatan (perbandingan kompresi).

Biasanya dengan nilai perbandingan pemampatan yang tinggi, maka akan dapat menghasilkan

tekanan akhir pemampatan yang lebih tinggi pula, sehingga mengakibatkan peningkatan suhu

akhir pemampatan. Dalam hal ini perlu juga diperhatikan jenis gas apa dimampatkan karena gas

yang satu memperlihatkan penambahan suhu lebih tinggi dibanding dengan jenis gas yang lain,

selama proses pemampatan. Besarnya efisiensi (teoritis) motor diesel adalah lebih tinggi

dibanding dengan motor bensin, karena perbandingan pemampatannya ternyata lebih tinggi.


25/168

Gambar 2.7. Perbandingan kompresi

berdasarkan efisiensi thermal (kalor spesifik

konstan)

3. Langkah kerja (ekspansi)

Pada saat terjadi langkah kerja ke dua katup tertutup, piston

bergerak dari TMA ke TMB. Sesaat sebelum mencapai titik mati atas, pembakaran berlangsung

dengan ledakan, sehingga tekanan dan temperatur gas pembakaran naik. Pada saat itu torak

mencapai titik mati atas dan akibat tekanan gas yang tinggi akan mendorong torak ke bawah.

Oleh karena isi silinder membesar, maka gas hasil pembakaran akan berekspansi yaitu tekanan

dan temperaturnya menurun. Pada saat ekspansi, torak melakukakn kerja mekanik menggerakkan

poros engkol (gambar 2-8).


26/168

Gambar 2.8.

Langkah kerja (ekspansi)

Penghentian pembakaran gas sebaiknya terjadi pada TMA atau sedikit sesudahnya. Ini

disebabkan oleh pengembangan gas terbesar akibat suhu tertinggi harus terjadi pada volume

terkecil sehingga torak mendapatkan tekanan terbesar. Ekspansi terjadi diatas torak selama

terjadi langkah kerja. Dengan demikian tekanan dan suhu akan menurun.

Bila pengapiannya disetel terlalu dini, maka tekanannya cepat meningkat sebagai akibat

pembakaran yang terlalu dini, padahal pemampatan masih berlansung. Toraknya akan direm

dengan kuat sebelum TMA, yang sangat merugikan kerjanya. Sedangkan bila pembakarannyadibuat terlambat yaitu bila torak, masih dalam pembakaran, sudah menuju ke TMB, maka

tekanan akan sangat menurun disebabkan oleh ruang silinder yang tidak membesar. Disamping

itu gas yang masih terbakar akan ikut meninggalkan katup buangnya, mengakibatkan suhu pada

katup terlalu tinggi.

Bila campuran gasnya terlalu miskin, maka terbakarnya gas menjadi sangat lambat sekali,

akibatnya gas masih dalam keadaan terbakar pada awal langkah isap, hal ini dapat

mengakibatkan pukulan balik di dalam karburator yang dapat menimbulkan kebakaran. Sebelum

torak mencapai TMA, tergantung pada diagram katupnya, katup buang akan terbuka. Suhu

beserta tekanan akan menurun, sehingga toraknya selama langkah buang sedikit sekali

mengalami hambatan.

4. Langkah buang


27/168

Pada saat langkah buang piston bergerak dari TMB ke TMA seperti

ditunjukkan gambar 2 – 9. Poros engkol menggerkkan torak ke titik mati atas (TMA), sehingga

isi silinder akan berkurang. Pada saat terjadi langkah buang katup masuk tertutup, sementara

katup buang terbuka sehingga torak dapat mengalirkan gas pembuangan ke luar silinder.

Selanjutnya poros engkol berputar 180o

untuk memulai kembali langkah isap untuk

menghasilkan usaha pada 4 langkah berikutnya. Tidak semua gas bekas dapat dikeluarkan,

namun hal ini dapat diatasi bila ruang bakar yang kecil dengan perbandingan pemampatan yang

besar.

Gambar 2.9.

Langkah buang

2.4. SIKLUS MESIN 4 LANGKAH (4 TAK)

Proses kerja pada motor bensin 4 tak akan membentuk suatu siklus yang akan terus

berulang-ulang seperti yang ditunjukkan gambar 2-10. Sekali terjadi pengapian yang

menghasilkan langkah usaha, poros engkol akan terus berputar sampai pada langkah usaha berikutnya, hal ini karena pengaruh roda gila (fly wheel). Siklus ini akan berulang secara terus

menerus sehingga mesin akan berjalan dengan tenaga yang dihasilkan sendiri,


28/168

Gambar 2-10.

Siklus Motor 4 tak.

2.5. KEUNTUNGAN DAN KERUGIAN MOTOR BENSIN 4 TAK

Motor bensin 4 tak mempunyai keuntungan dan kekurangaanya bila dibandingkan dengan

motor 2 tak atau lainnya, sebagai berikut :

2.5.1. Keuntungan :

1. Hemat pemakaian bahan bakar dan kerugian gas bunag kecil.

2. Cara kerja terbagi dengan baik diantara langkah-langkah, sehingga semua bagian

memungkinkan bekerja dengan ideal.

3. Motor bekerja dengan lembit pada putaran rendah.

4. Tidak terdapat kesalahan pembakaran (misfiring) seperti pada motor 2 tak.

2.5.2. Kerugian :

1. Katup-katupnya digerakkan secara mekanik sehingga bertambahnya bagian-bagian dan

memperbesar suara mesin.

2.

Jumlah ledakan kecil sehingga diperlukan silinder yang banyak agar mesin dapat bekerja

dengan lembut.

2.6. MEKANISME KATUP


29/168

Untuk memperoleh output mesin yang optimal, maka diperlukan sebanyak mungkin

campuran bahan bakar dan udara yang dihisap ke dalam silinder, demikian pula gas bekas yang

dikeluarkan. Campuran bahan bakar dan udara serta inersia gas pembakaran dipertimbangkan

dalam menentukan lamanya katup terbuka secara maksimal. Seperti yang ditunjukkan pada

gambar 2 -11. Katup mulai membuka sebelum langkah isap (sebelum TMA) dan menutup

setelah TMB (mulai langkah kompresi). Katup buang membuka sebelum mencapai langkah

buang dan menutup setelah TMA (setelah memasuki langkah isap. Saat membuka dan menutup

katup disebut saat kerja katup (valve timing).

Gambar 2.11. Diagram Kerja Katup ( Valve timing Diagram)

2.7. SIKLUS OTTO UDARA STANDAR

Siklus Otto merupakan siklus motor bakar yang banyak digunakan untuk motor bakar

dengan bahan bakar bensin, ditunjukkan pada gambar 2 – 12. Ada beberapa proses yang

berlangsung pada siklus Otto ini seperti pada gambar diatas yaitu:


30/168

1. Proses 0 - 1 yaitu pembukaan katup isap dan pengisapan campuran udara bahan bakar ke

dalam silinder.

2. Proses 1 - 2 yaitu proses kompresi yang berlangsung secara isentropic (adiabatic reversible)

dimana seluruh katup isap dan katup buang dalam keadaan tertutup. Udara dan bahan bakar

dimampatkan, dimana temperature dan tekanan pada tingkat 2 lebih tinggi dari tingkat 1.

3. Proses 2 - 3 yaitu proses pembakaran yang berlangsung secara isovolumetrik (volume

konstan). Pada proses ini terjadi pengapian campuran bahan bakar dan udara oleh busi.

Kalor dipindahkan ke system yang mengakibatkan peningkatan temperature, tekanan dan

entropi. Jumlah perpindahan kalor ke system adalah :

Q2-3 = m . cv . (T3 – T2) ……………………………………………………. 2.3.

Dimana : m : massa (kg)

cv : Kalor spesifik volume konstan (J/kg-mol K)

T : Temperatur.

4. Proses 3 - 4 yaitu proses ekspansi yang

berlangsung secara isentropic. Dimana gas hasil pembakaran berekspansi secara isentropic

dan juga disebut langkah kerja dimana tekanan dan temperature akan menurun. Hingga

akhir proses ekspansi, katup isap dan buang tetap tertutup.


31/168

Gambar 2.12. Siklus Otto Motor Bakar Bensin Ideal dan actual.

5. Proses 4 - 1 yaitu proses pembukaan katup buang yang berlangsung secara isovolumetrik

(volume konstan). Kalor dipindahkan dari system pada volume konstan, akibat interaksi

kalor antara system dan reservoir yang bertemperatur rendah mengakibatkan penurunan

temperature, tekanan dan entropi. Jumlah kalor yang dipindahkan dari system adalah :

Q4-1 = m . cv . (T4 – T1) ……………………………………………………… 2.4.

Effesiensi termal siklus otto adalah :

= ………………………… 2.5

Volume dan temperature akhir proses kompresi dan ekspansi di berikan oleh hubungan

isentropic berikut :

………………………………………………….. 2.6


32/168

sehingga perumusan efisiensi menjadi :

η term = 1 - = 1 - (konstan) ………………………… 2.7

6. Proses 1 - 0 yaitu proses pengeluaran gas hasil pembakaran dari dalam silinder secara isobaric

(tekanan konstan).

CONTOH SOAL 2-1 :

Siklus otto udara standart memiliki perbandingan kompresi 8. Pada awal kompresi

temperaturnya ialah 300 K dan tekanan 100 kPa. Jika tempetaur maksimum siklus ini adalah

1200 K, maka tentukan :

kalor yang dipasok per kg udara

kerja netto yang dilakukan per kg udara

efisiensi termal siklus ini.

Penyelesaian :

Temperatur pada tingkat 2 dan 4 ditentukan dari hubungan proses isentropic dengan

perbandingan kalor spesifik ( )= 1.4.

atau T2 = (300 K) (8)0.4

= 689,2 K

dan

atau T4 = (1200 K) (1/8)0.4

= 522,3 K


33/168

(a). Untuk temperature rata-rata (1200 + 689,2)/2 = 944,6, nilai spesifik pada volume konstan cv

= 0.754 kJ/kg k. Kalor yang dipasok per kg udara (sepanjang proses 2-3) sama dengan

perubahan energi dalam sehingga :

(b). Kerja yang dilakukan per kg udara dilakukan oleh :

W net = - q 4-1 – q 2-3

Selama proses pembuangan kalor, cv = 0,7165 kJ/kg K, sehingga :

q 4-1 = cv (T1 – T4) = (0,7165 kJ/kg K) [ (300 – 522,3) K ] = - 159,3 kJ/kg

Oleh sebab itu :

W net = 159,3 – 385,1 = - 25,8 kJ/kg

(c). Effisiensi thermal sama dengan :

atau 58,6 persen

2.8 MOTOR BENSIN 2 LANGKAH (DUA – TAK)


34/168

Motor dua-langkah bekerja dengan siklus

dua kali jumlah siklus motor 4 langkah untuk putaran yang sama. Karena itu pada putaran poros

dan ukuran serta jumlah silinder yang sama, motor dua langkah dapat menghasilkan daya dua

kali daya motor empat langkah dengan tekanan efektif rata-rata yang sama Dengan demikiankonstruksinya menjadi lebih kompak dan juga lebih sederhana kerana beberapa bagian mesin

yang bergerak dapat ditiadakan, seperti yang terlihat pada gambar 2.13.

Gambar 2.13.

Skematik motor bensin 2 langkah.

2.8.1. Prinsip Kerja Motor Dua – Tak

Pada umumnya motor dua langkah tidak mempunyai katup pada kepala silinder.

Pemasukan dan pengeluaran campuaran dan gas bekas berlangsung melalui lubang-lubang pada

dinding silinder. Lubang-lubang ini dibuka dan ditutup oleh torak sendiri. Motor dua-langkah

melengkapi siklusnya dalam dua gerakan torak (TMB – TMA – TMB) atau dalam satu putaran


35/168

poros engkol. Langkah buang dan langkah isap terjadi pada saat torak berada di sekitar TMB.

Proses pemasukan udara atau campuran bahan bakar – udara ke dalam silinder tidak dilakukan

oleh gerakan isap dari torak seperti pada motor empat-langkah, melainkan oleh pompa pembilas.

Proses kerja motor bensin dua-tak dapat diterangkan dengan meninjau apa yang terjadi selama

satu putaran dalam ruang silinder di atas torak atau ruang bakar, dan di bawah torak dalam ruang

poros engkol.

Di atas torak atau ruang bakar terjadi langkah kerja dan langkah kompresi yaitu :

1. Langkah kerja

Pada titik-mati atas dari torak, pembakaran telah berlangsung (Gambar 2 - 14 A) dan

tekanan gas mendorong torak ke bawah (gambar 2 - 14 B). Segera setelah sisi atas torak

mencapai lubang pembuangan, langkah kerja efektif berakhir (Gambar 2 - 14 C). Sebagian besar

gas bekas menghilang melalui lubang pembuangan (Gambar 2 - 14 D). Selanjutnya lubang

pembilas membuka; campuran baru mengalir masuk silinder dan mendesak sisa gas bekas ke

lubang pembuangan.

A B C D

Gambar 2 – 14. Skematik langkah kerja motor bensin 2 langkah


36/168

2. Langkah Kompresi

Silinder diisi kembali untuk proses kerja berikutnya (gambar 2-15 A). Pembilasan dan

pengisian silinder berakhir diwaktu torak, pada langkah naik, menutup lubang pembilas (Gambar

2-15 B). Setelah lubang pembuangan juga menutup, kompresi mulai berlangsung (Gambar 2-15

C). Pada atau hampir pada titik mati atas langkah torak pembakaran dilaksanakan dan proses

kerja berulang kembali. Setelah torak menutup lubang pembilas, ruang engkol tertutup dan

didalam terjadi vakum atau tekanan hampa. Pada saat sisi bawah membuka lubang masuk

sejumlah campuran baru mengalir ke dalam ruang engkol (Gambar 2-15 D)

A B C D

Gambar 2 – 15. Skematik langkah Kompresi motor bensin 2 langkah

2.8.2. SIKLUS DAN DIAGRAM P – V MOTOR DUA LANGKAH

Diagran P – V motor bensin dua langkah dapat ditunjukkan pada gambar 2-16 dengan

urutan proses sebagai berikut :

1. Kompresi mulai pada saat titik 1 setelah penutupan lubang pembuangan; garis 1 -2 adalah

garis kompresi.


37/168

2. Pada saat mencapai titik 2, campuran terbakar dengan ledakan dan tekanan naik hingga titik 3;

garis 2 – 3 adalah garis pembakaran.

3. Setelah pembakaran gas berekspansi dan melakukan kerja mekanik; garis ekspansi

digambarkan dengan garis 3 – 4.

4. Titik 4 adalah permulaan pembuangan; gas bekas mengalir ke udara luar yang digambarkan

dengan garis 4 – 5.

5. Titik 5 adalah permulaan pembilasan. Campuran baru mengalir ke dalam sillinder dan

mendesak sisa gas bekas ke lubang pembuangan. Tekanan dalam silinder hampir sama

dengan tekanan atmosfer. Pembilasan dan pengisian silinder digambarkan dengan garis 5-6-

5, pada saat ini lubang pembuangan juga tertutup.

Lalu setelah itu prosesnya berulang

kembali. Luas bidang diagram yang diarsir merupakan kerja teoritis yang dihasilkan tiap proses

kerja yang diumpamakan dengan suatu skala tertentu.

Gambar 2.16.

Diagram P-V motor bensi 2 tak.


38/168

Diagram P – V

aktual berdasarkan pergerakan piston ditunjukkan pada gambar 2 – 16 dibawah ini :

Gambar 2-17

Diagram P – V aktual

Vs posisi piston

2.8.3. KEUNTUNGAN DAN KERUGIAN MOTOR BENSIN 2 TAK

Keuntungan :

1. Karena pada umumnya tidak menggunakan katup, maka bagian mesin menjadi sedikit,

kesukaran yang timbul berkurang dan sehingga lebih murah dan sederhana.

2.

Pemakaiaan oli mesin lebih lama

3. Tarikan dan akselerasi spontan

4. Menghasilkan kerja kerja dua kali lipat daripada yang dihasilkan motor empat-tak dengan

ukuran sama dan kecepatan putar yang sama.


39/168

Kerugian :

1. Pembuagan gas bekas kurang sempurna dan kesulitan untuk mempertinggi kecepatan,

sebagian campuran baru keluar bersama dengan gas bekas.

2. Sukar bekerja pada putaran rendah dan kemungkinan terjadi flash back ke karburator.

3. Cenderung mengalami panas yang berlebihan (overheating).

4. Pengotoran silinder oleh pembakaran campuran bensin-minyak udara

2.9. PEMBILASAN

Pembilasan ialah proses membersihkan silinder dari gas buang dan peng isian silinder

dengan udara atau campuran bahan bakar- udara segar. Pada motor dua langkah, langkah

pembuangan terjadi ketika gas buang didesak ke luar dari dalam silinder melalui lubang buang

oleh campuran bahan bakar – udara baru yang dimasukkan ke dalam silinder melalui saluran

pembilas dari ruang poros engkol. Sudah barang tentu sebagian udara atau campuran bahan

bakar – udara segar akan ikut keluar dari dalam silinder bersama-sama dengan gas buang. Pada

motor bensin dua-langkah hal tersebut merupakan kerugian karena bahan bakar terbuang

percuma, sehingga tidak efektif untuk digunakakan. Proses pembilasan ditunjukkan pada gambar 2-18.

Volume ruang poros engkol pada motor bensin dua langkah sangat mempengaruhi proses

pengisian silinder. Hal ini disebabkan oleh tekanan yang terjadi di dalam ruang poros engkol.

Bila volumenya besar, maka campuran yang dapat di isap sedikit karena tekanan yang dicapai

kecil. Pada saat piston bergerak ke bawah, bila pencapaian tekanan agak kecil, maka kecepatan

bilas menjadi sangat buruk. Dengan demikian pengisian silinder akan memburuk, apalagi pada

frekwensi putaran piston yang sangat tinggi, sehingga akan menggangu kinerja motor.


40/168

Gambar 2-18.

Pembilasan pada motor

bensin dua langkah

Keterangan Gbr.

Kedudukan torak Di dalam ruang poros engkol (karter) Didalam silinder

TMA Isapan Pengapian

Torak ke atas Kompresi sebelumnya Kerja

TMB Aliran ke atas Pembilasan

Torak ke bawak Tekanan kurang Kompresi

2.9.1 Jenis-jenis pembilasan


41/168

Ada beberapa jenis proses pembilasan, diantaranya adalah: pembilasan tukik, pembilasan

tukik-balik, Pembilasan konstruksi torak-berhadapan, pembilasan menggunaan katup,

pembilasan-ruang engkol, pembilasan dengan pompa sentrifugal. Adapun salah satunya akan

dibahas disini yaitu pembilasan-ruang engkol.

1. Pembilasan Ruang Engkol.

Konstruksi motor dua langkah dengan pembilasan ruang engkol adalah paling sederhana,

seperti terlihat pada gambar 2-14 diatas. Udara pembilas yang ada di dalam ruang engkol ditekan

oleh torak setiap kali torak itu bergerak dari TMA ke TMB . Pada suatu saat torak akan

membuka lubang buang. Karena pada saat itu tekanan gas buang lebih besar daripada tekanan

udara atmosfer, gas buang akan keluar dari silinder. Sementara itu torak berangsur-angsur

membuka lubang isap dan mengalirkan udara, atau campuran bahan bakar - udara segar dari

ruang engkol ke dalam silinder melalui lubang tersebut. Sementara itu volume ruang engkol

bertambah besar sehingga tekanannya turun lebih rendah daripada tekanan udara atmosfer. Maka

terisaplah udara atau campuran bahan-bakar segar, masuk ke dalam ruang engkol melalui lubang

pada dinding silinder di bawah torak yang pada waktu tersebut dalam keadaan tidak tertutup oleh

torak. Selama itu terdapat hubungan antara saluran isap dengan engkol (torak berada di sebelah

atas lubang isap). Proses pengisapan udara atau campuran bahan-bakar segar ke dalam ruang

engkol akan berhenti setelah lubang isap tertutup kembali oleh dinding torak, yaitu pada waktu

torak bergerak kembali dari TMA ke TMB.

Pada umumnya pembilasan-ruang engkol hanya digunakan pada motor bensin berukuran

kecil saja. Bahan bakarnya (bensin) dicampur dengan minyak pelumas dengan perbandingan

volume di sekitar 20 : 1. Maksudnya agar supaya campuran itu sekaligus berfungsi sebagai

pelumas poros engkol dan dinding silinder. Sudah barang tentu gas pembakaran tak dapat

diharapkan bersih, suatu hal yang kurang menguntungkan.

2.10. DIAGRAM PEMBUKAAN LUBANG


42/168

Diagram

pembuakaan lubang motor bensin dua langkah ditunjukkan pada gambar 2.15.. Lubang

pembuangan terbuka 120 – 130 derajat-engkol tiap proses kerja. Untuk lubang pembilas 110

derajat engkol dan untuk lubang masuk 110 – 120 derajat engkol.

Gambar 2.19 .

Diagram pembukaan Lubang motor

bensin 2 langkah

Contoh Soal 2.2.

Perbandingan kompresi siklus Otto udara standard sebesar 8. Pada awal langkah kompresi

tekanan sebesar 0.1 Mpa dan temepratur 15°C, kalor dipindahkan ke siklus udara sebanyak 1800

kJ/kg udara. Tentukan

a. Tekanan dan temperatur akhir tiap proses siklus

b. Efisiensi termal

c. Tekanan efektif rata-rata


43/168

Penyelesaian :

Awal kompresi:

Akhir kompresi :

Awal ekspansi :

p3 = p2 = 1.838 Mpa

q3 = cv (T3 – T2) = 1800 kJ/kg

Akhir ekspansi :

Kalor dibuang

qr = cv (T1 – T4) = 0.7165 (288 – 1380) = -782.3 kJ/kg

Efisiensi termal adalah :


44/168

; dengan cara lain :

RANGKUMAN

Motor empat langkah (4 tak) ialah motor yang mengalami 4 kali gerakan turun naik piston atau 2

kali putaran poros engkol untuk menghasilkan satu kali langkah usaha atau terjadi satu kali

pengapian. Maka pada tiap-tiap 2 kali putaran poros engkol akan melakukan 1 kali langkah kerja.

Proses kerja dalam suatu motor bensin empat langkah adalah langkah isap, kompresi, kerja

(ekspansi) dan buang.

Motor bensin 4 tak mempunyai keuntungan dan kekurangaanya bila dibandingkan

dengan motor 2 tak atau lainnya, sebagai berikut ; keuntungan : hemat pemakaian bahan bakar

dan kerugian gas buang kecil; cara kerja terbagi dengan baik diantara langkah-langkah, sehingga

semua bagian memungkinkan bekerja dengan ideal; motor bekerja dengan lembit pada putaran

rendah; tidak terdapat kesalahan pembakaran (misfiring) seperti pada motor 2 tak. Sedangkan

kerugiannya adalah : katup-katupnya digerakkan secara mekanik sehingga bertambahnya bagian-

bagian dan memperbesar suara mesin; jumlah ledakan kecil sehingga diperlukan silinder yang

banyak agar mesin dapat bekerja dengan lembut.

Motor dua-langkah bekerja dengan siklus dua kali jumlah siklus motor 4 langkah untuk

putaran yang sama. Karena itu pada putaran poros dan ukuran serta jumlah silinder yang sama,

motor dua langkah dapat menghasilkan daya dua kali daya motor empat langkah dengan tekanan

efektif rata-rata yang sama. Pada umumnya motor dua langkah tidak mempunyai katup pada

kepala silinder. Pemasukan dan pengeluaran campuaran dan gas bekas berlangsung melalui

lubang-lubang pada dinding silinder. Lubang-lubang ini dibuka dan ditutup oleh torak sendiri.

Langkah buang dan langkah isap terjadi pada saat torak berada di sekitar TMB. Proses

pemasukan udara atau campuran bahan bakar – udara ke dalam silinder tidak dilakukan oleh

gerakan isap dari torak seperti pada motor empat-langkah, melainkan oleh pompa pembilas.


45/168

Keuntungan motor 2 tak adalah :karena pada umumnya tidak menggunakan katup, maka bagian

mesin menjadi sedikit, kesukaran yang timbul berkurang dan sehingga lebih murah dan

sederhana; pemakaiaan oli mesin lebih lama; tarikan dan akselerasi spontan; menghasilkan kerja

kerja dua kali lipat daripada yang dihasilkan motor empat-tak dengan ukuran sama dan

kecepatan putar yang sama. Sedangkan kerugiannya adalah : pembuagan gas bekas kurang

sempurna dan kesulitan untuk mempertinggi kecepatan, sebagian campuran baru keluar bersama

dengan gas bekas; sukar bekerja pada putaran rendah dan kemungkinan terjadi flash back ke

karburator; cenderung mengalami panas yang berlebihan (overheating); pengotoran silinder oleh

pembakaran campuran bensin-minyak udara.

SOAL POST TEST

MODUL 2.

1. Siapa penemu motor bensin dan mengapa motor bensin dinamakan dengan Spark Ignition

Engine ?

2. Jelaskan pengertian motor bensin empat langkah ? Kemudian jelaskan proses yang terjadi pada

masing-masing langkahnya ?

3. Gambarkan diagram P – V berdasarkan prinsip kerja tersebut ?

4. Hitunglah besarnya volume langkah dari sebuah motor, bila diketahui panjang langkahnya 50

mm, diameter silinder 60 mm, jumlah silinder 4 buah ?

5. Sebutkan ciri-ciri motor bensin 4 langkah ?

6. Jelaskan keuntungan dan kerugian motor bensin 4 langkah ?

7.

Jelaskan diagram kerja katup (mekanisme katup) pada motor bensin 4 langkah ?

8. Gambarkan siklus otto ? kemudian jelaskan proses yang terjadi pada siklus otto ?

9. Perbandingan kompresi Siklus Otto sebesar 8.8 . Udara awal kompresi pada 295 K dan kalor

yang dimasukkan sebesar 2650 kJ/kg. Berapakah temperatur saat akhir kompresi, awal


46/168

ekspansi, dan akhir ekspansi? Berapa pulakah kerja bersih per kg dan efisiensi termal

siklus?

10. Bila sebuah motor bensin diketahui volume langkahnya 2400 cm3, volume ruang kompresi 50

cm3 dan jumlah silindernya 6 buah, tentukan perbandingan kompresinya ?

11. Jelaskan hubungan antara bilangan kompresi dengan effisiensi pada motor bensin ?

12. Jelaskan pengaruh dari campuran yang miskin dan campuran yang kaya terhadap kinerja

motor ?

13. Jelaskan proses kerja motor bensin dua langkah ? gambarkan diagram P – V berdasarkan

prinsip kerja tersebut ?

14. Apa yang terjadi pada langkah pembilasan pada motor bensin dua langkah ? kemudian

jelaskan salah satu jenis pembilasan yang paling banyak dipakai ?

15. Sebutkan keuntungan dan kerugian motor bensin dua langkah ?

BAHAN BACAAN

1. BPM. Arends, H. Barenschot. Motor Bensin, Terjemahan Umar Sukrisno, Erlangga, Jakarta, 1980.

2. L.A. de Bruijn, L. Muilwijk, MOTOR BAKAR, Bhratara karya aksara, Jakarta, 1985.

3. Arismunandar, wiranto, Penggerak Mula Motor Bakar, ITB Bandung, 1988.

4. Archie W. Culp, Jr, Darwin Sitoruk, Prinsip-prinsip konversi energi, Erlangga,1989.

5. Michel A. Saad, Thermodinamika : prinsip dan aplikasi, PT. Prenhallindo, Jakarta. 2000.

6. Ir. Sudarman, MT, Siklus Daya Termal, UMM Press, Malang, 2001.

Modul 3

SOAL PRE TEST

MODUL 3.


47/168

Petunjuk :


1. Jelaskan proses penyalaan (ignition) pada motor bensin ?

2. Bagaimana cara arus tegangan tinggi dibangkitkan untuk menghasilkan loncatan bunga api untuk

menyalakan campuran bahan bakar – udara ?

3. Jelaskan fungsi busi yang dipakai pada motor bensin ? kemudian jelaskan perbedaan antara busi

panas dan busi dingin ?

4. Jelaskan proses terjadinya pembakaran bahan bakar dalam silinder pada motor bensin ?

5. Apa yang dimaksud dengan detonasi, dan mengapa terjadinya detonasi ?

6. Jelaskan sistem bahan bakar pada motor bensin ?

7. Mengapa pendinginan itu diperlukan pada mobil atau motor serta bagian mana yang perlu di

dinginkan ?

8. Apa yang dimaksud dengan daya indicator dan daya efektif ?

9. Bagaimana proses terjadinya daya pada sebuah mesin ?

10. Jelaskan tiga kemungkinan untuk meningkatkan daya motor ?

Keterangan:

Soal pretest ini berguna untuk mengukur tingkat pemahaman awal para mahasiswa sebelum

mempelajari modul 3.

MODUL 3. MOTOR BAKAR BENSIN II



48/168

Setelah mempelajari bab ini anda mahasiswa diharapkan dapat :.

1. Menjelaskan proses penyalaan (ignition) dan bagian-bagiannya pada motor bensin

2. Menjelaskan proses terjadinya pembakaran di dalam silinder dan permasalannya pada motor bensin

3. Menjelaskan sistem bahan bakar motor bensin dan komponen-komponennya

4. Menjelaskan fungsi sistem pendingin dan siklusnya serta jenis-jenis media pendingin.

5. Dapat menyebutkan perbedaan antara daya indikator dan daya efektif serta proses untuk

menghasilkannya.

6. Menjelaskan tentang perbedaan daya yang dihasilkan oleh motor bensin 2 tak dengan motor bensin 4

tak.

7. Melakukan perhitungan daya indikator dan daya efektif motor bensin 2 tak dan motor bensin 4 tak

8. Menjelaskan cara mempertinggi daya motor serta metode-metode yang dapat dilakukan untuk

maksud tersebut.

3.1. PENYALAAN (IGNITION)

Campuran gas dalam ruang bakar motor bensin dibakar dengan bunga api yang meloncat antara dua

elektroda sebuah busi. Ujung kedua elektroda tersebut saling berhadapan, yang dipisahkan oleh sebuah

ruang sela selebar ± 0,5 mm. Arus listrik tegangan tinggi dapat meloncat antara elektroda, membentuk

bunga api yang biru. Tegangan listrik yang dipergunakan biasanya sekitar 10.000 volt, arus rata. Bila di

udara tegangan 5.000 Volt sudah dapat menimbulkan bunga api, namun di lingkungan yang bertekanan

tinggi, untuk membangkitkan bunga api memerlukan tegangan yang lebih tinggi.

Arus listrik tegangan tinggi tersebut dibangkitkan melalui sebuah coil, yang merupakan sebuah

transformator khusus yang sanggup men-transformir tegangan 6 atau 12 Volt menjadi 10.000 Volt atau

lebih. Makin besar ruang sela antara elektroda, makin besar pula tegangan yang diperlukan untuk

terjadinya loncatan bunga api. Untuk membangkitkan loncatan bunga api listrik antara kedua elektroda


49/168

busi diperlukan perbedaan tegangan yang cukup besar. Besarnya tegangan yang perlu dibangkitkan

tergantung pada beberapa faktor berikut:

1. Perbandingan campuran bahan bakar – udara.

2. Kepadatan campuran bahan bakar – udara.

3. Jarak antara kedua elektroda serta bentuk elektroda.

4. Jumlah molekul campuran yang terdapat di antara kedua elektroda dan

5. Temperatur campuran dan kondisi operasi yang lain.

Skematik sistem penyalaan ditunjukkan pada gambar 3 – 1 Di bawah ini yang menghasilkan arus

listrik dengan voltase yang sangat tinggi untuk di transmisi ke busi melalui kawat ignition. Arus listrik

pada tahap pertama mengalir ke distributor untuk di transmisi ke masing-masing busi tergantung dari

berapa jumlah busi dalam waktu yang berbeda-beda antara satu busi dengan busi yang lain.

Gambar 3 – 1. Skematik sistem penyalaan (Ignition system)


50/168

Untuk menyalakan campuran bahan bakar – udara yang miskin diperlukan perbedaan tegangan yang

relatif lebih besar bila dibandingkan untuk menyalakan campuran yang kaya. Sistem penyalaan pada

kebanyakan motor bensin dapat memberikan energi penyalaan sebesar 20 mJ. Makin padat campuran

bahan bakar – udara makin tinggi tegangan yang diperlukan untuk jarak elektroda yang sama. Karena itu

diperlukan tegangan yang lebih tinggi bagi motor dengan perbandingan kompresi yang lebih besar.

Intensitas loncatan api listrik juga ditentukan oleh jarak antara kedua elektroda busi. Makin besar

jarak elektroda busi makin besar pula perbedaan tegangan yang diperlukan untuk memperoleh

intensitas api listrik yang sama. Jumlah minimum molekul yang harus ada di antara kedua elektroda

pada waktu terjadi loncatan listrik sangat menentukan apakah penyalaan dapat berlangsung sebaik-

baiknya. Karena jumlah molekul sangat tergantung pada perbandingan campuran, jumlah gas sisa,

temperatur, dan kondisi operasi yang lain, yang selalu berubah-ubah. Maka, dengan memperbesar jarak

elektroda kita harapkan jumlah minimum itu dapat dicapai walaupun keadaan operasinya berubah-

ubah.

Jarak elektroda yang optimum adalah antara 0,5 – 0,8 mm. Selain itu letak busi didalam ruang bakar juga

penting. Loncatan bunga api listrik tidak boleh terjadi di tempat lain kecuali di antara kedua elektroda

busi. Supaya campuran bahan bakar – udara mudah terbakar di antara kedua elektroda, tempat yang

terbaik untuk busi ialah dekat kepada katup isap. Namun bila ditinjau dari kemungkinan terjadinya

detonasi, sebaliknya busi ditempatkan pada bagian yang terpanas, misalnya dekat kepada kepada katup

buang, maka posisi busi diletakkan diantara keduanya.

3.1.1. BUSI

Busi dalam motor bakar harus memenuhi persyaratan yang tinggi. Elektrodanya harus tahan panas dan

korosi, dan bahan isolasinya harus tahan tekanan tinggi serta mudah menyalurkan panas dari elektroda

ke badan mesin, dengan tetap berfungsi sebagai isolator. Gambar 3-2 memperlihatkan kontruksi sebuah

busi. Kedua elektroda dipisahkan oleh isolator listrik agar loncatan listrik hanya terjadi di antara ujung

elektroda saja. Bahan isolator itu haruslah memiliki tahanan listrik yang tinggi, tidak rapuh terhadap

kejutan mekanik dan termal, merupakan konduktor panas yang baik serta tidak bereaksi kimia dengan

gas pembakaran, banyak digunakan keramik dan mika serta isolator dari aluminium dan oksida silicon.


51/168

Gambar 3. 2. Kontruksi Busi dan Kedudukan Busi pada

Mesin

(1) Bagian Ulir (2) Lokasi, (3) Paduan Nikel (4) Paduan

Alumina, (5) Bagian Kosong (berisi tahanan), (6)

Perapat, (7) Paking datar atau kerucut, (8) Celah

elektroda.

Karena selalu dipasang pada dinding ruang bakar, busi itu menjadi panas setelah mesin berjalan

cukup lama. Maka busi harus dibuat dari bahan yang tahan temperatur tinggi supaya jangan sampai

cepat rusak, dan jangan menjadi terlalu panas, sehingga mengganggu proses pembakaran. Elektrodanya

harus dibuat dari logam yang selain tahan temperatur tinggi, juga mempunyai konduktivitas yang baik

serta tahan erosi dan korosi, misalnya logam campuran kromium-barium atau campuran logam platinum

dengan tungsten atau iridium.

Busi hendaknya didinginkan dengan baik untuk mencegah penyalaan campuran bahan bakar –

udara sebelum waktunya. Akan tetapi apabila isolator listrik dan elektroda terlalu dingin mudahlah

terjadi kerak yang mengisi ruang sela keduu elektroda yang menghambat terjadinya loncatan listrik.

Namun jika terlalu panas isolator listrik itu cepat rusak; atau membangkitkan penyalaan sebelum

waktunya (prematur), yaitu sebelum terjadi loncatan listrik antara kedua elektroda busi.


52/168

Berdasarkan hal diatas, busi dapat dibagi dalam dua kelompok besar yaitu busi dingin dan busi

panas diperlihatkan pada gambar 3 - 2. . Kedudukannya pada sebuah mesin menentukan busi mana

yang cocok untuk dipergunakan. Untuk mesin dengan tekanan efektif rata-rata dan putaran serta daya

tinggi sebaiknya dipergunakan busi dingin untuk mencegah penyalaan prematur dan panas mudah

keluar. Sedangkan untuk operasi ringan lebih cocok digunakan busi panas untuk menjamin temperatur

busi yang cukup tinggi sehingga semua kotoran yang menempel pada isolator dapat terbakar. Busi yang

cocok harus ditentukan dalam praktek meskipun sebuah busi modern mempunyai daerah kerja yang

cukup luas.

Gambar 3 – 2.

Busi dingin dan busi panas

3.2. PEMBAKARAN

Pembakaran adalah persenyawaan kimia yang cepat dari unsur-unsur dalam bahan bakar dengan

oksigen dari udara. Hasil dari reaksi ini adalah panas, dan pada umumnya juga muncul api; skematik

proses pembakaran tersebut ditunjukkan pada gambar 3 – 4 di bawah ini. Temperatur nyala atau titik

nyala adalah temperatur terendah suatu bahan bakar cair, dimana uap yang dihasilkan dapat

dinyalakan. Temperature bakar atau titik bakar adalah temperature terendah, dimana terjadinya

penguapan bahan bakar cair yang begitu cepat sehingga proses pembakaran dapat terus berlangsung

atau temperature terendah yang dapat menyebabkan gas yang terbentuk dapat menyala dengan

sendirinya tanpa perantaraan cetus api.


53/168

Gambar 3.4.

Proses terjadinya

pembakaran

Pada motor bensin, pembakaran diawali dengan loncatan api busi pada akhir langkah

pemampatan. Pada keadaan biasa, ada dua tahapan pembakaran yaitu bagian yang tidak terbakar dan

bagian yang terbakar, keduanya di batasi oleh api pembakaran. Pembakaran yang normal dan teratur

lamanya kira-kira tiga milidetik (0.003 detik) yang menghasilkan tekanan yang teratur di dalam ruang

bakar di atas piston. Bila suhu gas yang belum terbakar menjadi terlalu tinggi yang dikarenakan sesuatu

hal, maka gas tersebut dapat terbakar dengan sendirinya dalam waktu yang sangat singkat kira 1/10 –

1/50 milidetik. Akibatnya tekanan di dalam ruang bakar menjadi tidak teratur sehingga terjadi gangguan

keseimbangan.

Campuran bahan bakar – udara di dalam silinder motor bensin harus sesuai dengan syarat busi

diatas, yaitu jangan terbakar sendiri. Ketika busi mengeluarkan api listrik, yaitu pada saat beberapa

derajat engkol sebelum torak mencapai TMA, campuran bahan bakar – udara di sekitar itulah yang

mula-mula terbakar. Kemudian nyala api merambat ke segala arah dengan kecepatan tinggi (25 – 50

m/detik), menyalakan campuran yang dilaluinya sehingga tekanan gas didalam silinder naik, sesuai

dengan jumlah bahan bakar yang terbakar.

Sementara itu campuran dibagian yang terjauh dari busi masih menunggu giliran untuk terbakar.

Akan tetapi ada kemungkinan bagian campuran tersebut, temperaturnya dapat melampaui temperatur


54/168

penyalaan sendiri sehingga akan terbakar dengan cepatnya (meledak) karena terdesak oleh penekanan

torak maupun oleh gerakan nyala api pembakaran yang merambat dengan cepat. Proses terbakar

sendiri dari bagian campuran tesebut dinamai denotasi. Gambar 3 - 5 menunjukkan peristiwa denotasi

di dalam silinder motor bensin.

Gambar 3 - 5

Peristiwa Detonasi dalam silinder

Tekanan didalam silinder tersebut dapat mencapai 130-200 kg/cm2, dengan frekuensi getaran

yang tinggi. Denotasi yang cukup berat menimbulkan suara gemelatik seperti bunyi pukulan palu pada

dinding logam. Bunyi tersebut jelas terdengar pada mesin mobil atau sepeda motor. Akan tetapi pada

mesin pesawat terbang jarang terdengar karena terkalahkan oleh bunyi gas pembakaran yang keluar

dari mesin dan bunyi baling-baling.

Denotasi yang berulang-ulang dalam waktu yang cukup lama dapat merusak bagian ruang bakar,

terutama bagian tepi dari kepala torak tempat detonasi terjadi. Disamping itu detonasi mengakibatkan

bagian ruang bakar (misalnya busi atau kerak yang ada) sangat tinggi temperaturnya, sehingga dapat

menyalakan campuran bahan bakar – udara sebelum waktunya (pranyala). Pranyala ini serupa dengan

penyalaan yang terlalu dini. Sehingga dapat mengurangi daya dan efisiensi mesin, sedangkan tekanan

maksimum gas pembakaran pun akan bertambah tinggi. Karena itu, detonasi yang dahsyat tidak

dikehendaki dan harus dicegah. Seluruh campuran bahan bakar – udara harus dinyalakan oleh nyala api

yang berasal dari busi. Berikut adalah beberapa cara yang bisa untuk mencegah detonasi:


55/168

1 Mengurangi tekanan dan temperatur bahan bakar – udara yang masuk ke dalam silinder

2 Mengurangai perbandingan kompresi

3 Memperlambat saat penyalaan

4 Memperkaya yaitu menaikkan perbandingan campuran bahan bakar –udara atau mempermiskin yaitu

menurunkan campuran perbandingan campuran bahan bakar –udara dari suatu harga perbandingan

campuran yang sangat mudah berdetonasi,misal F = 0,08.

5 Menaikkan kecepatan torak ( atau putaran poros engkol) untuk memperoleh arus turbulen pada

campuran di dalam silinder yang mempercepat rambatan nyala api.

6 Memperkecil diameter torak untuk memperpendek jarak yang ditempuh oleh nyala api dari busi ke

bagian yang terjauh. Hal ini bisa juga dicapai jika dipergunakan busi lebih dari satu.

7 Membuat konstruksi ruang bakar demikian rupa sehingga bagian yang ter jauh dari busi mendapat

pendinginan yang lebih baik. Caranya ialah dengan memperbesar perbandingan antara luas

permukaan dan volume sehingga diperoleh ruang yang sempit. Apabila detonasi itu terjadi juga,

hanyalah dalam bagian yang kecil (jumlahnya) sehingga tidak membahayakan.

3.3. SISTEM BAHAN BAKAR

Didalam 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; disini hanya

dibicarakan bagaimana bahan bakar dimasukkan di dalam arus udara yang mengalir di dalam saluran

isap sebelum masuk kedalam silinder. Skema sistem penyaluran bahan bakar torak yang

mempergunakan karburator ditunjukkan pada gambar 3.6.

Pompa bahan bakar (biasanya jenis positive displacement) mengalirkan bahan bakar dari tangkibahan bakar ke karburator untuk memenuhi jumlah bahan bakar yang harus tersedia di dalam

karburator seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.7. Pompa ini terutama dipakai apabila letak tangki

lebih rendah daripada karburator.


56/168

Gambar 3.6. Skematik sistem Bahan Bakar Motor Bensin

Gambar 3.7.

Pompa bahan bakar

Untuk membersihkan bahan bakar dari kotoran yang dapat mengganggu aliran atau menyumbat

saluran bahan bakar, terutama saluran di dalam karburator, dipergunakan saringan. Sebelum masuk ke

dalam silinder, udara mengalir melalui karburator yang mengatur pemasukan, pencampuran, dan

pengabutan bahan bakar ke dalam arus udara sehingga diperoleh perbandingan campuran yang sesuai

dengan keadaan beban dan kecepatan poros engkol.


57/168

Penyempurnaan percampuran bahan bakar – udara tersebut berlangsung, baik didalam saluran

isap maupun di dalam silinder sebelum campuran itu terbakar. Campuran itu haruslah homogen serta

perbandingannya sama untuk setiap silinder. Campuran yang kaya diperlukan dalam keadaan tanpa

beban dan beban penuh, sedangkan campuran yang miskin dalam keadaan operasi normal.

3.3.1. KARBURATOR.

Karburator

pada motor bensin berfungsi untuk mencampur bahan bakar bensin yang cair dengan udara

pembakaran, sehingga terbentuk suatu campuran yang dapat dibakar. Suatu karburator sederhanaseperti yang ditunjukkan pada gambar 3 - 8 berkerja dengan cara sebagai berikut : pada saat langkah

isap, udara dari luar mengalir melalui saluran isap ke dalam ruang silinder dengan kecepatan tertentu.

Pada saat melalui pengabut, kecepatan aliran udara yang masuk meningkat namun tekanannya

menurun hingga ± 0,96 bar. Pada saat itu tekanan udara di dalam pelampung ± 1 bar, sehingga akibat

perbedaan tekanan sebesar ± 0,04 bar, maka suatu pancaran bensin yang halus akan menyemprot dari

mulut perecik ke dalam udara yang sedang mengalir. Dengan demikian akan menghasilkan suatu

campuran antara bensin dengan udara yang di isap ke dalam ruang bakar pada saat langkah isap.

Banyaknya minyak bensin di dalam ruang pelampung di atur oleh pelampung, yang membuka atau

menutup katup jarum pada saluran masuknya

Gambar 3.8.

Karburator sederhana


58/168

Dalam pemakaian karburator tersebut, kadar campuran bensin dan udara akan bertambah bila beban

ikut bertambah dan akan berkurang bila beban berkurang. Untuk mendapatkan hasil kerja yang

maksimal dengan pemakaian bahan bakar yang sekecil mungkin, maka diperlukan suatu oerbandingan

campuran yang tetap. Hal ini dapat dilakukan dengan cara pada karburator digunakan lebih dari satu

perecik bensin, sehingga perbandingan campuran bahan bakar – udara dapat selalu dipertahankan.

3.4. PENDINGINAN

Gas pembakaran di dalam silinder dapat mencapai temperatur ± 2500 0C, karena proses pembakaran

yang terjadi berulang-ulang di dalam silinder, maka dinding silinder, kepala silinder, torak, katup dan

beberapa bagian yang lain menjadi panas. Karena itulah bagian tersebut mendapat pendinginan yang

cukup agar temperaturnya tetap berada dalam batas yang di izinkan sesuai dengan kekuatan material

dan kondisi operasi yang baik.

Bila dipandang dari segi pemanfaatan energi panas hasil pembakaran, maka proses pendinginan itu

merupakan suatu kerugian energi. Hal ini disebabkan hanya 25 – 40 % energi pembakaran yang diubah

menjadi energi mekanik, sebanyak 20 – 25 % diserap oleh fluida pendingin, dan 40 – 50 % terbuang

bersama gas buang. Namun pendinginan juga merupakan suatu kebutuhan yang utama bagi sebuah

mesin agar mesin tersebut dapat bekerja maksimal. Bagian-bagian motor yang perlu mendapat

pendinginan adalah:

1. Kepala silinder dan pelapis silinder.

2. Torak, ruang katup pembuangan dan saluan pembuangan pada motor daya menengah dan daya

besar.


59/168

Gambar. 3 – 9. Blok silinder dan bagian-bagian yang perlu didinginkan pada mobil.

Radiator merupakan suatu alat untuk menyalurkan panas yang diserap oleh bahan pendingin dari motorkembali pada udara luar ditunjukkan pada gambar 3 – 10. Dengan demikian suhu bahan pendingin di

dalam radiator akan menurun, sedangkan udara disekitarnya akan meningkatkan suhunya. Panas yang

dapat diserap oleh bahan pendingin pada suatu motor tergantung dari

1. Jumlah bahan pendingin yang dialirkan (m3/h)

2. Kepadatan bahan pendingin

3. Peningkatan suhu dari air pendingin di dalam motor.

4. Panas jenis dari bahan pendingin.


60/168

Gambar 3 – 10.

Radiator dan komponen

pendingin lainnya.

Skematik proses pendinginan pada motor dapat ditunjukkan pada gambar 3 – 11 dibawah ini yang

menjelaskan posisi dari komponen sistem pendingin.

Gambar 3 – 11.

Skematik Sistem pendingin pada

mobil

3.4.1. BAHAN PENDINGIN DAN CARA PENDINGINAN

Berdasarkan fluida pendingin yang digunakan, motor bakar dapat dibedakan menjadi motor bakar

dengan pendingin air dan motor bakar dengan pendingin udara. Bahan-bahan pendingin yang banyak

dipakai adalah:

1. UDARA


61/168

Udara adalah bahan pendingin yang buruk oleh karena 1 kg udara, atau kira-kira 0,77 m3

udara dari 1013

m bar hanya dapat menerima 1 kJ tiap derajat C. Panas jenis udara adalah ± 1 kJ/kg 0C. Oleh karena itu,

bahan pendingin ini hanya dapat dipergunakan bila:

Udara tersedia dalam jumlah besar

Jumlah panas yang harus dikeluarkan terbatas, seperti pada motor yang berdaya kecil.

Pendinginan udara dipakai pada motor pesawat terbang, motor sepeda, motor kenderaan, dan motor

stasoner berukuran kecil, dengan menggunakan kipas suatu pompa angin rotasi atau ventalitor seperti

pada gambar 3.12.. Pada semua motor dengan pendingin udara silinder-silinder diperlengkapi dengan

rusuk-rusuk pendingin. Rusuk-rusuk pendingin ini memperbesar luas yang dapat menyerahkan panas

udara pendingin.

Gambar 3-12.

Sistem pendinginan dengan udara

pada sepeda motor

1. AIR

Air adalah bahan pendingin yang paling baik, oleh karena air dapat menerima 4,2 kJ panas tiap kg 0C.

Selain itu jumlah air yang mengalir di sekitar silinder dan sebagainya dapat lebih kecil dari jumlah udara;


62/168

dimana 1 kg udara mempunyai isi sebesar 0,77 m3, sedangkan isi 1 kg air adalah 0,001 m

3. Bila untuk

mendorong air pendingin ke dinding yang harus didinginkan dilakukan dengan memakai pompa, maka

disebut sirkulasi buatan atau sirkulasi paksa. Konstruksi sistem pendinginan dengan sirkulasi paksa dapat

dilihat pada Gambar 3-13 yang merupakan suatu bagan sistem pendinginan pada motor kendaraan

bermotor. Pompa air pendingin dengan kipas angin digerakkan bersamaan dengan tali kipas bentuk V

dari poros engkol.

Gambar 3-13. Sistem sirkulasi pendinginan air.

Pompa air pendingin menerima air pendingin dari radiator dan mendesak air ini melalui saluran-saluran

pendingin ke sekitar silinder kerja. Pada saat air mengalir melalui saluran itu air menerima panas dari

dinding silinder. Air pendingin yang telah menjadi panas selanjutnya mengalir ke radiator. Radiator

berguna untuk mendinginkan kembali air pendingin tersebut. Sirkulasi air pendingin pada motor yang

panas ditunjukkan terlebih dahulu silinder didinginkan dengan air bertemperatur rendah. Dengan

demikian, kenaikan temperatur silinder secara cepat dapat dicegah.

Lebih cepat dinding silinder mencapai temperatur kerja, lebih berkurang keausan silinder dan torak. Jika

terdapat perbedaan temperatur yang besar antara dinding silinder dan air pendingin, bisa terjadi

tegangan-tegangan panas. Untuk menghindarkan kesukaran ini katup termostat ditempatkan dalam

saluran buang ke radiator dan kadang-kadang dipasang suatu katup hubung singkat dalam saluran

hubung singkat.


63/168

Termostat adalah suatu bejana berbentuk ubub yang sebagian diisi dengan bahan cair yang pada

pemanasan, tekanan uap jenuhnya naik dengan cepat. Pada motor yang dingin tekanan uapnya turun

dan gaya pegas ubub menarik katup thermostat sehingga tertutup. Bila sekarang motor dijalankan,

maka air pendingin langsung mengalir kembali ke bagian isap dari pompa oleh karena katup termostat

tertutup dan katup hubung singkat membuka. Dengan cara ini sebagian kecil air pendingin beredar

melalui saluran pendingin yang tidak didinginkan kembali. Oleh karena itu, temperatur naik dengan

cepat. Juga tekanan uap dalam ubub naik dan katup termostat membuka. Oleh pemegasan, katup

hubung singkat menutup dan pompa air pendingin mengalirkan air pendingin melalui radiator.

Termostat memegang peranan utama untuk menaikkan suhu mesin secara cepat serta

mempetahankannya tetap konstan; kontruksinya ditunjukkan oleh gambar 3 – 14. Pada temperatur

rendah, radiator tertutup sehingga air pendingn dari dalam mesin tidak bisa menagalir ke radiator

sehingga mesin akan cepat mencapai suhu normal operasi. Namun bila suhu mesin mencapai 180 – 195

F (atau 82 – 91 C) maka termostat akan mulai membuka, dan pada saat suhu mesin mencapai 200 – 218

F (atau 93 – 103 C) termostat akan membuku secara penuh, sehingga air pendingin dari mesin akan

mengalir ke radiator untuk pendinginan.

Gambar 3-14.

Posisi termostat

3. Minyak


64/168

Minyak lumas biasa dapat juga dipergunakan untuk pendinginan. Akan tetapi, minyak hanya dapat

menerima 1,7 kJ tiap kg tiap 0C sehingga dibandingkan dengan air, harus lebih banyak minyak beredar

untuk mengeluarkan jumlah panas yang sama

3.5. DAYA MOTOR

Daya motor adalah besarnya kerja motor selama waktu tertentu, dengan satuan watt atau

kilowatt. Untuk menghitung besarnya daya, kita harus mengetahui tekanan rata-rata dalam silinder

selama langkah kerja (gambar 3.15). Besarnya tekanan rata-rata motor bensin empat-langkah adalah

sekitar 6-9 MPa. Sementara untuk motor diesel empat-langkah adalah sekitar 5-8 MPa. Daya indicator

adalah daya yang dihasilkan oleh pembakaran di dalam silinder. Sedangkan daya efektif adalah Daya

efektif adalah pengertian yang dipakai untuk menyatakan daya yang keluar dari poros mesin, yang

diukur dengan alat dynamo rem.

Gambar 3.15.

Langkah kerja motor bensin 4 tak


65/168

Untuk menghitung gaya yang bekerja pada piston, tekanan rata-rata dalam selinder harus

dikalikan dengan luas piston yaitu :(Pi x A). Gaya tersebut dinyatakan dalam Newton, bila tekanan

dinyatakan dengan pascal dan luasnya dalam m2. Mengingat bahwa dayanya ditentukan dalam N.m/s

(J/s = Watt). Maka gaya tadi masih harus dikalikan dengan panjang langkah piston dalam meter dan

frekuensi putarnya. Dengan demikian, rumus untuk daya menjadi:

Pi = pi . A . s . n ………………………………………………………………. (3.1)

Pada motor empat-langkah, tiap dua kali putaran poros engkol terjadi sekali langkah kerja. Maka

rumus untuk motor empat langkah adalah

Pi = ……………………………………………………………. (3.2)

Untuk motor dua langkah tiap putaran satu kali kerja rumusnya menjadi

Pi = ………………………………………………………… (3.3)

Keterangan rumus :

Pi = Daya indicator dalam watt

Pi = Tekanan rata-rata indicator dalam paskal (N/m2)

A = Luas piston dalam m2

s = Langkah piston dalam m

n = Frekuensi putar dlam hertz (Hz)

ηm = Efisiensi

Daya yang dihitung dengan cara demikian adalah daya indicator karena didasarkan atas tekanan

rata-rata untuk mendapatkan daya efektif, maka daya indicator masih harus dikalikan dengan efisiensi

mekanisnya


66/168

Pe = ηm . P. ………………………………………………………………… (3.4)

Sehingga tekanan efektif rata-rata menjadi :

Pe = η

mx p

i ……�

modul konversi energi.docx

Documents