PENGARUH DIAMETER INTAKE VALVE TERHADAP UNJUK KERJA MOTOR BENSIN EMPAT LANGKAH Surya Irawan, Slamet Wahyudi, Lilis Yuliati Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Jalan MT. Haryono 167, Malang 65145, Indonesia E-mail:
[email protected] Abstrak Memperbesar diameter intake valve akan meningkatkan performa pada motor bakar 4 langkah, karena perbesaran diameter tersebut menyebabkan jumlah campuran (bahan bakar dan udara) yang masuk ke silinder akan bertambah sehingga akan meningkatkan efisiensi volumetriknya. Variabel bebasnya adalah diameter intake valve (diameter 25, 26, dan 28). Variabel terikatnya adalah torsi (T), daya efektif (Ne), konsumsi bahan bakar spesifik efektif (SFCe), serta kandungan CO dan HC dalam gas buang. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pengujian menggunakan intake valve dengan diameter 26 mm dan 28 mm mempengaruhi unjuk kerja mesin. Torsi tertinggi dihasilkan intake valve dengan diameter 28 mm sebesar 0,993 kg.m pada putaran 4000 rpm. Daya tertinggi dihasilkan intake valve dengan diameter 28 mm sebesar 7,119 HP pada putaran 6000 rpm. Konsumsi bahan bakar spesifik terendah dihasilkan intake valve dengan diameter 26 mm sebesar 0,0722 kg/HP.jam pada putaran 5000 rpm. Kandungan gas HC terendah dihasilkan intake valve diameter 26 mm sebesar 98 ppm vol, serta kandungan gas CO pada emisi gas buang terendah dihasilkan intake valve diameter 25 mm (standard) sebesar 0,023% vol. Dalam penelitian ini penggunaan intake valve diameter 28 mm yang terbaik dalam torsi dan daya. Kata Kunci : Intake valve, unjuk kerja, motor 4 langkah. mencapainya. Dalam kenyataannya pabrikan motor baru masih belum maksimal dalam menghasilkan tenaga dari mesin sehingga kenyamanan dalam berkendara kurang maksimal terutama di medan yang sulit dan tanjakan di daerah pegunungan yang memerlukan torsi dan daya yang besar dari motor bakar itu sendiri. Upaya untuk mengatasi kurangnya daya atau tenaga pada motor bakar 4 langkah salah satunya dengan memodifikasi dimensi intake valve dengan diameter lebih besar dari ukuran standar yang bertujuan untuk meningkatkan efisiensi volumetrik. Efisiensi volumetrik adalah banyaknya volume muatan udara segar dibanding dengan volume
Pendahuluan Motor bakar torak merupakan mesin konversi energi yang banyak digunakan dewasa ini. Perkembangan teknologi di bidang otomotif semakin pesat, sehingga menuntut industri permesinan untuk berfikir melakukan modifikasi dalam segala hal dengan tujuan meningkatkan unjuk kerja dari mesin. Perkembangan motor bensin umumnya dititik beratkan pada daya yang dihasilkan, peningkatan efisiensi, kandungan emisi gas buang, penurunan konsumsi bahan bakar serta kenyamanan dalam pemakaiannya. Berawal dari pemikiran tersebut, telah dilakukan berbagai macam cara untuk 1
2
langkah. Efisiensi volumetrik motor standar aktualnya tidak mencapai 100%, tetapi hanya berkisar antara 65% sampai dengan 85%. Semakin besar efisiensi volumetrik akan semakin besar daya dan torsi mesin yang dihasilkan. Penelitian mengenai modifikasi valve telah dilakukan diantaranya oleh Poernomo (2011), yang meneliti mengenai, pengaruh ukuran intake dan exhaust valve terhadap kinerja motor bakar. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penggunaan intake dan exhaust valve Suzuki Shogun mampu meningkatkan daya 10,4% dan torsi 2,29% serta pengunaan intake dan exhaust valve Honda Sonic mampu meningkatkan daya 75,4% dan 163,3%. Karakteristik unjuk kerja suatu motor bakar torak dinyatakan dalam beberapa parameter dalam diantaranya adalah torsi, daya efektif, konsumsi bahan bakar spesifik dan kandungan gas HC dan CO pada emisi gas buang. Berikut ditampilkan rumus-rumus dari beberapa parameter yang digunakan menentukan unjuk kerja motor bakar torak sebagai berikut : Torsi adalah momen putar yang dihasilkan oleh poros. T= F.L Dengan : T = torsi yang dihasilkan (kg.m) F = besar beban pada timbangan (kg) L = panjang lengan dinamometer (m) Daya efektif adalah daya yang dihasilkan poros engkol untuk menggerakkan beban.
= .
Ne =
.
= ,
. 2. . 60
(HP)
( .
/ )
Dengan Ne = daya efektif (HP) = kecepatan anguler poros engkol (rad/s) n = putaran poros engkol (rpm)
Komsumsi bahan bakar spesifik efektif (SFCe) adalah banyaknya bahan bakar yang diperlukan untuk menghasilkan daya efektif 1 HP selama 1 Jam. SFCe = Dengan SFCe = FC
konsumsi bahan bakar spesifik efektif (kg/PS.jam)
= penggunaan bahan bakar tiap jam (kg/jam)
Penelitian yang saya lakukan berbeda dengan penelitian yang dilakukan Poernomo (2011). Pada penelitian Poernomo (2011) unjuk kerja yang diteliti hanyalah torsi dan daya sedangkan pada penelitian ini akan diteliti torsi, daya, konsumsi bahan bakar dan kadar CO dan HC dalam gas buang METODE PENELITIAN Bahan utama dalam penelitian ini adalah intake valve berdiameter 25, 26, dan 28 mm. Alat-alat yang digunakan pada penilitian adalah sepeda motor Shogun 110 cc, dynamometer prony brake, Tachometer, Gas analyzer, Barometer, stopwatch dan gelas ukur. Sebelum melakukan penelitian, dipelukan persiapan. Persiapan meliputi penyiapan bahan bakar didalam gelas ukur,
3
Gambar 1 Keterangan 1. 2. 3. 4.
Gelas ukur bahan bakar Katup gelas ukur bahan bakar Karburator Intake manifold
5. 6. 7. 8. 9.
Tachometer Ruang Bakar Knalpot Gas Analyzer Dynamometer Prony Brak
HASIL DAN PEMBAHASAN Torsi 1 0,95 0,9
Torsi (kg.m)
pemasangan tachometer pada ujung busi, perakitan peralatan dynamometer prony brake, pemasangan gas analyzer pada saluran buang Penilitian pertama dilakukan pada mesin dengan intake valve standar. Mesin distart, kemudian rpm dinaikan perlahan sampai 1000 rpm. Setelah mencapai putaran 1000 rpm, emisi gas buang diukur dengan gas analyzer dan pemakaian 10 ml bahan bakar untuk berapa detik. Pada saat yang sama data lain yang dicatat adalah gaya pengereman mengunakan dynamometer prony brake. Putaran mesin dinaikkan sampai putaran 6000 rpm dengan kenaikan putaran sebesar 1000 rpm. Pada putaran-putaran tersebut tersebut data dicatat seperti pada putaran 1000 rpm. Penelitian berikutnya dilakukan terhadap motor yang sama tetapi intake valve telah dimodifikasi dengan variasi diameter intake valve 26 mm dan 28 mm. Instalasi penelitian yang digunakan dapat dilihat pada gambar 1:
0,85
Intake Valve Standard
0,8
Intake Valve 26 mm
0,75
Intake Valve 28 mm
0,7 0,65 0,6 900 2000 3100 4200 5300 6400
Putaran (rpm)
Gambar 2 Grafik hubungan antara putara poros dengan torsi pada variasi intake valve Pada gambar diatas dapat dilihat bahwa dengan bertambahnya putaran maka torsi yang terjadi akan semakin meningkat. MenurutSusilo (2011), hal ini dikarenakan semakin bertambah putaran maka semakin banyak langkah kerja yang terjadi pada satuan waktu yang sama, hal ini mengakibatkan jumlah bahan bakar dan udara yang masuk dalam silinder lebih banyak sehingga torsi yang dihasilkan semakin meningkat. Pada grafik diatas torsi terbesar terjadi pada putaran 4000 rpm, lalu mengalami penurunan torsi pada putaran selanjutnya. Hal ini terjadi karena pada putaran tinggi proses buka tutup katup yang terjadi terlalu cepat yang mengakibatkan pengisian silinder tidak optimal, sehingga menurunkan
4
torsinya. Selain karena mekanisme buka tutup katup, penurunan torsi juga disebabkan oleh daya mekanis yang hilang akibat gesekan antara piston dengan dinding silinder semakin besar dan menjadi faktor dominan menurunnya torsi pada putaran tinggi. Pada gambar 2 torsi tertinggi terjadi pada penggunaan diameter intake valve 28 mm pada putaran 4000 rpm dan diameter intake valve 26 mm pada putaran 2000 rpm menghasilkan torsi terkecil dari intake valve standar. Dari ketiga variasi tersebut, penggunaan intake valve berdiameter 28 mm menghasilkan torsi terbesar. Hal ini disebabkan karena dengan diameter intake valve yang semakin besar maka aliran udara dan bahan bakar yang masuk kedalam silinder semakin banyak sehingga efisiensi volumetriknya semakin besar. Dengan semakin banyaknya campuran bahan bakar dan udara yang terbakar, maka tekanan gas hasil pembakaran yang dihasilkan meningkat sehingga torsi yang dihasilkan semakin besar. Daya Efektif 7,8 6,8
Daya Efektif (PS)
5,8 4,8 Intake Valve Standard
3,8
Intake Valve 26 mm
2,8
Intake Valve 28 mm
1,8 0,8 900 2000 3100 4200 5300 6400 Putaran (rpm)
Gambar 3 Grafik hubungan antara putaran poros dengan Daya Efektif
Pada gambar 3 dapat dilihat bahwa semakin tinggi putaran maka daya efektif yang dihasilkan semakin tinggi. Tetapi setelah mencapai titik maksimum, daya efektif yang dihasilkan mengalami penurunan seiring dengan naiknya putaran. Hal ini terjadi karena daya efektif dihasilkan dari perkalian antara torsi (T) dengan putaran poros mesin (n) sesuai dengan persamaan berikut. Ne = T .
=
. . . .
=
.
,
Pada putaran yang semakin tinggi, terjadi kenaikan daya efektif sampai titik maksimum dikarenakan dari rumusan dapat dilihat bahwa daya efektif berbanding lurus dengan putaran. Selain itu kenaikan daya efektif dikarenakan dengan bertambahnya putaran maka semakin banyak langkah kerja yang dialami pada satuan waktu yang sama yang mengakibatkan jumlah bahan bakar dan udara yang masuk silinder lebih banyak sehingga dalam proses pembakaran menghasilkan torsi yang semakin besar. Akan tetapi setelah kenaikannya mencapai titik maksimum, daya efektif mengalami penurunan pada putaran tinggi dikarenakan kenaikan putaran tidak dapat mengimbangi penurunan torsi yang terjadi. Penurunan torsi pada putaran tinggi dikarenakan pembukaan dan penutupan katup terlalu cepat yang mengakibatkan pengisian silinder tidak sempurna sehingga efisiensi volumetriknya menurun. Selain itu penurunan torsi akibat adanya daya mekanis yang hilang akibat gesekan antara torak dengan dinding silinder semakin besar dan menjadi faktor dominan menurunnya daya efektif pada putaran tinggi.
5
Pada gambar 3 menunjukan bahwa pengunakan intake valve diameter 26 dan 28 mm mempengaruhi daya efektif yang dihasilkan. Daya efektif mengalami kenaikan pada pengunaan diameter 26 dan 28 mm dibandinggkan dengan penggunaan intake valve standar. Hal ini dikarenakan penggunaan intake valve diameter yang lebih besar akan memperlancar aliran bahan bakar dan udara yang masuk kedalam silinder sehingga pengisian silinder meningkat. Pada pengunaan intake valve diameter 28 mm pada putaran 6000 rpm belum mengalami penurunan daya efektif dikarenakan penggunaan intake valve diameter 28 mm dapat mengalirkan bahan bakar dan udara secara maksimal sehingga pengisian silinder sempurna yang mengakibatkan daya efektif yang dihasilkan masih besar. Pada gambar 3 menunjukkan bahwa penggunaan intake valve berdiameter 28 mm pada putaran 6000 rpm menghasilkan daya efektif terbesar. Sedangkan daya efektif yang dihasilkan intake valve berdiameter 26 mm pada putaran 2000 rpm lebih kecil dari intake valve standar. Spesific Fuel Comsumption effective 0,19 0,17
intake valve standard
SFCe
0,15 0,13 =
intake valve 26 mm
0,11
intake valve 28 mm
0,09 0,07 900 2000 3100 4200 5300 6400 Putaran (rpm)
Gambar 4 Grafik hubungan antara putaran poros dengan Spesific Fuel
Comsumption effective pada variasi intake valve Dari gambar 4 dapat dilihat bahwa pada putaran awal konsumsi bahan bakar spesifik efektif sangat tinggi. Hal ini dikarenakan pada putaran awal diperlukan daya besar digunakan untuk menggerakkan awal mesin. Seiring dengan meningkatnya putaran konsumsi bahan bakar spesifik efektif mengalami penurunan mencapai titik minimum. Hal ini dikarenakan pengisian silinder sesuai dengan kebutuhan silinder sehingga terjadi pembakaran sempurna yang menghasilkan daya efektif yang maksimal. Kemudian konsumsi bahan bakar spesifik efektif akan mengalami peningkatan seiring dengan naiknya putaran. Peningkatan konsumsi bahan bakar spesifik efektif terjadi dikarenakan dengan putaran semakin tinggi, maka siklus yang terjadi dalam satu satuan waktu semakin banyak sehingga jumlah bahan bakar yang dihisap oleh silinder juga semakin banyak. Hal ini sesuai dengan persamaan. SFCe =
[Kg.
.
]
Dari persamaan tersebut terlihat bahwa konsumsi bahan bakar spesifik efektif (SFCe) berbanding lurus dengan konsumsi bahan bakar (Fc), dan berbanding terbalik dengan daya efektif (Ne). Dengan meningkatnya Fc dan menurunnya Ne akibat putaran yang meningkat, maka SFCe cenderung meningkat. Pada gambar 4 dapat dilihat pemakaian intake valve dengan diameter 26 mm dan 28 mm konsumsi bahan bakar spesifik efektif lebih boros dibandingkan intake valve standar. Penggunaan konsumsi bahan bakar spesifik efektif tertinggi pada
6
Kandungan gas HC pada gas buang 670
HC (ppm Vol)
550
430
intake valve standar
310
intake valve 26 mm intake valve 28
190
70 900 2000 3100 4200 5300 6400
Puturan (rpm)
Gambar 5 Grafik hubungan antara putaran poros dengan kandungan gas HC pada emisi gas buang Pada gambar 5 hubungan putaran dengan emisi gas HC menunjukkan kecenderungan bahwa semakin tinggi putaran maka emisi gas HC mengalami penurunan sampai putaran tertentu, kemudian mengalami kenaikan seiring bertambahnya putaran. Menurut Sukidjo (2011) penurunan HC dikarenakan pada saat putaran semakin tinggi suhu mesin semakin tinggi, sehingga proses atomisasi menjadi lebih baik. Oleh karena itu emisi gas HC yang dihasilkan semakin menurun. Akan tetapi setelah melewati putaran tertentu emisi gas HC naik lagi. Hal ini disebabkan semakin tinggi putaran, menghasilkan
campuran kaya bahan bakar sehingga banyak bahan bakar yang tidak terbakar dan menghasilkan emisi gas HC yang keluar melalui saluran pembuangan. Sedangkan penggunaan variasi intake valve dengan diameter 26 mm dan 28 mm memiliki kecenderungan kadar emisi gas HC yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan mengunakan intake valve standar. Hal ini dikarenakan pengunaan intake valve diameter 26 mm dan 28 mm meningkatkan efisiensi volumetrik yang mengakibatkan bahan bakar yang masuk kedalam silinder lebih banyak sehingga ada sebagian bahan bakar yang tidak terbakar dikerenakan proses kompresinya yang kurang maksimal. Hanya pada intake valve 26 mm pada putaran 3000-5000 rpm yang nilai kandungan gas HC dibawah pengunaan intake valve standar. Kandungan gas CO pada emisi gas buang 2,5
2
CO ( % vol)
penggunaan intake valve 28 mm sebesar 0,186 kg/HP.jam pada putaran 1000 rpm. Sedangkan pengunaan konsumsi bakar bakar spesifik efektif paling sedikit dibandingkan intake valve standar, terjadi pada intake valve berdiameter 26 mm sebesar 0,072 kg/HP.jam pada putaran 2000 rpm.
1,5
intake valve standar 1
intake valve 26 mm intake valve 28 mm
0,5
0 900
2000
3100
4200
5300
6400
Putaran (rpm)
Gambar 6 Grafik hubungan antara putaran poros dengan kandungan gas CO pada emisi gas buang
7
. Dari gambar 6 hubungan putaran dengan emisi gas CO menunjukkan bahwa semakin tinggi putaran, kadar emisi gas CO yang dihasilkan meningkat. Hal ini disebabkan karena pada putaran tinggi, kandungan gas O2 dalam proses pengabutan bahan bakar kurang sehingga dalam proses pembakarannya ada sebagian bahan bakar yang tidak terbakar sempurna, sehingga emisi gas CO yang dihasilkan semakin meningkat. Pada pengujian emisi gas CO tertinggi adalah pada pengunaan intake valve 28 mm pada putaran 6000 rpm sebesar 2,23% vol. Hal ini disebabkan karena pada putaran tersebut konsumsi bahan bakar sangat tinggi sehingga proses kompresinya kurang maksimal yang mengakibatkan pembakaran kurang sempurna dan menghasilkan emisi gas CO yang tinggi. Sedangkan penggunaan emisi gas CO terendah adalah pada penggunaan intake valve standar pada putaran 1000 rpm sebesar 0,023% vol. Hal ini disebabkan karena campuran bahan bakar dan udara segar sesuai dengan kebutuhan yang mengakibatkan pembakaran yang terjadi sempurna, sehingga gas yang banyak dihasilkan adalah gas CO2. KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian, analisa dan pembahasan yang telah dilakukan tentang pengaruh diameter intake valve terhadap unjuk kerja motor bakar empat langkah adalah sebagai berikut Torsi terbesar dihasilkan oleh mesin dengan penggunaan intake valve 28 mm, yaitu sebesar 0,9928 kg.m pada putaran 4000 rpm. Daya efektif terbesar dihasilkan oleh mesin dengan penggunaan
intake valve 28 mm, yaitu sebesar 7,199 PS pada putaran 6000 rpm. Konsumsi bahan bakar spesifik efektif terkecil dihasilkan oleh mesin dengan penggunaan intake valve 26 mm, yaitu sebesar 0,072 kg.PS1.jam1 pada putaran 2000 rpm. Emisi gas CO yang terendah dihasilkan oleh mesin dengan penggunaan intake valve 25 mm, yaitu sebesar 0,023 % vol pada putaran 1000 rpm. Emisi gas HC yang terendah dihasilkan oleh mesin dengan penggunaan intake valve 26 mm, yaitu sebesar 98 ppm vol gas buang pada putaran 5000 rpm Daftar Pustaka Arismunanadar, Wiranto. 2003. Penggerak Mula Motor Bakar Torak. Bandung: Ganesha ITB. http://akukha.blogspotcom/2010/06/p emahaman-mesin-bensin.html PetrovskyN .1968 .Marine Internal Combustion Engines; Mir Publisher Moscow. Poernomo, Yohanes. 2011. Pengaruh Modifikasi Dimensi Katup Intake dan Exhaust pada Sepeda Motor Honda Supra X untuk Keperluan Drag Race. Forum Teknik, Jilid 5, No 4, (http://dewey.petra.ac.id/jiunk pe_dg_20142.html, diakses 20 Januari 2011). Pulkrabek, Wilard, W. 1997. Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine. New Jersey: Prentice Hall. Soenarto. 1985. Motor serba guna. Jakarta : P2LPTK.
8
Sukidjo. 2008. Pengaruh Durasi Camshaft terhadap Konsumsi Bahan Bakar, Emisi Gas Buang, Torsi dan Daya mesin pada Mesin Bensin, Forum Teknik, Jilid 32, No.3, (http://jurnal.pdii.lipi.go.id/ind ex.php/search.html, diakses 3 September 2008).
