BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang
Praktikum merupakan salah satu komponen yang penting dalam proses belajar mengajar di perguruan tinggi. Tujuan kegiatan praktikum terutama untuk memberikan pemahaman yang lebih mendalam kepada para mahasiswa terhadap teori yang telah diberikan dalam proses perkuliahan dikelas. Bentuknya biasanya berupa kegiatan di laboratorium dimana para mahasiswa melakukan percobaan untuk mempraktekkan suatu teori atau karakteristik tertentu dari materi kuliah yang telah diberikan. Tujuan kegiatan praktikum berbeda dengan tujuan kegiatan penelitian. Walaupun keduanya sama-sama dilaksanakan di laboratorium. Praktikum bertujuan untuk menerapkan teori yang sudah ada dengan tujuan membantu proses belajar mengajar. Sedangkan penelitian bertujuan untuk mendapatkan teori baru dalam rangka pengembangan ilmu pengetahuan. Dalam program pendidikan perguruan tinggi jenjang akademik dalam rangka mendidik calon sarjana yang menguasai ilmu pengetahuan yang sudah ada serta mampu mengembangkan ilmu pengetahuan. Dalam bidang ilmu teknik mesin, kegiatan praktikum dapat dilaksanakan di laboratorium, karena objek ilmu teknik mesin adalah proses atau fenomena alam dan usaha rekayasanya dalam bentuk mekanisme. Kegiatan ini untuk membentuk manusia dalam melakukan berbagai kegiatan fisik dalam hidupnya. Kegiatan praktikum dapat dilaksanakan dengan menggunakan instalasi percobaan seperti model fisik dari objeknya atau dengan cara simulasi matematik dengan menggunakan software komputer. Praktikum mempunyai peranan penting, terutama untuk membantu memahami teori, proses atau karakteristik dari berbagai fenomena dan hasil rekayasa dalam bentuk rekayasa yang komplek sehingga sulit dipahami apabila hanya diterangkan melalui proses perkuliahan di kelas. Motor bakar atau internal combustion engine engine merupakan hasil rekayasa mekanisme dari proses konversi energi yang sangat luas penggunaanya sampai saat ini, terutama mesin-mesin alat transportasi, mesin-mesin pertanian dan lain lain. Motor bakar yang digunakan sampai sekarang adalah jenis motor bakar torak (reciprocating
1
engine) engine) dan mempunyai dua jenis, yaitu motor bensin (spark ignition engine) engine) dan motor diesel (compression ignition engine). engine).
1.2
Tujuan Praktikum
Adapun tujuan dari praktikum motor bakar adalah : 1. Mendapatkan berbagai karakteristik kinerja ( performance characteristic characteristic ) dari motor bakar melalui kegiatan pengujian di laboratorium motor bakar yang dilakukan oleh mahasiswa yaitu : a. Karakteristik kinerja antara putaran terhadap daya indikatif (Ni), daya efektif, dan daya mekanik. b. Karakteristik kinerja antara putaran terhadap torsi c. Karakteristik kinerja antara putaran terhadap Mean terhadap Mean Effective Pressure (MEP) d. Karakteristik kinerja antara putaran terhadap Spesific Fuel Consumption (SFC) e. Karakteristik kinerja antara putaran terhadap efisiensi (ηi,ηe,ηv) f. Karakteristik kinerja antara putaran terhadap kandungan CO, CO 2, O 2, H 2O dan N2 dalam gas buang. g. Putaran terhadap keseimbangan panas. 2. Evaluasi data karakteristik kinerja tersebut dengan membandingkannya dengan karakteristik kinerja yang bersesuaian yang ada dalam buku referensi. 3. Menggambarkan
diagram
Sankey, Sankey,
yaitu
diagram
yang
menggambarkan
keseimbangan panas yang terjadi pada proses pembakaran pada motor bakar. 4. Mengetahui pembakaran sempurna atau tidak yang ditunjukkan dengan emisi gas buang berupa karbon monoksida.
2
engine) engine) dan mempunyai dua jenis, yaitu motor bensin (spark ignition engine) engine) dan motor diesel (compression ignition engine). engine).
1.2
Tujuan Praktikum
Adapun tujuan dari praktikum motor bakar adalah : 1. Mendapatkan berbagai karakteristik kinerja ( performance characteristic characteristic ) dari motor bakar melalui kegiatan pengujian di laboratorium motor bakar yang dilakukan oleh mahasiswa yaitu : a. Karakteristik kinerja antara putaran terhadap daya indikatif (Ni), daya efektif, dan daya mekanik. b. Karakteristik kinerja antara putaran terhadap torsi c. Karakteristik kinerja antara putaran terhadap Mean terhadap Mean Effective Pressure (MEP) d. Karakteristik kinerja antara putaran terhadap Spesific Fuel Consumption (SFC) e. Karakteristik kinerja antara putaran terhadap efisiensi (ηi,ηe,ηv) f. Karakteristik kinerja antara putaran terhadap kandungan CO, CO 2, O 2, H 2O dan N2 dalam gas buang. g. Putaran terhadap keseimbangan panas. 2. Evaluasi data karakteristik kinerja tersebut dengan membandingkannya dengan karakteristik kinerja yang bersesuaian yang ada dalam buku referensi. 3. Menggambarkan
diagram
Sankey, Sankey,
yaitu
diagram
yang
menggambarkan
keseimbangan panas yang terjadi pada proses pembakaran pada motor bakar. 4. Mengetahui pembakaran sempurna atau tidak yang ditunjukkan dengan emisi gas buang berupa karbon monoksida.
2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1
Pengertian Motor Bakar
Motor bakar adalah mesin kalor atau mesin konversi energi yang mengubah energi kimia menjadi energi mekanik berupa kerja (rotasi) . Pada dasarnya mesin kalor (Heat Engine) dikategorikan Engine) dikategorikan menjadi dua (2), yaitu: a. External Combustion Engine Yaitu mesin yang menghasilkan daya dengan menggunakan peralatan lain untuk menghasilkan media yang dapat digunakan digunakan untuk menimbulkan daya daya seperti turbin uap, dimana uap yang digunakan untuk menghasilkan daya berasal dari proses lain yang terjadi di boiler, di boiler tersebut air dipanaskan sehingga menghasilkan uap (superheated steam) dan kemudian uap ini dikirim ke turbin uap untuk menghasilkan daya. b. Internal Combustion Engine Merupakan mesin yang mendapatkan daya dari proses pembakarannya yang terjadi dalam mesin itu sendiri, hasil pembakaran bahan bakar dan udara digunakan langsung untuk menimbulkan daya. Contohnya mesin yang menggunakan piston seperti gasoline seperti gasoline engine, diesel engine, dan mesin dengan turbin penggerak (turbin gas).
2.1.1. Prinsip Motor Bakar
Motor bakar yang sampai sekarang digunakan adalah jenis motor bakar torak. Motor bakar torak menggunakan beberapa silinder yang didalamnya terdapat torak yang bergerak translasi bolak balik. Di dalam silinder itulah terjadi pembakaran antara bahan bakar dengan oksigen dari udara. Gas pembakaran yang dihasilkan oleh proses tersebut mampu menggerakkan torak yang dihubungkan dengan poros engkol oleh batang penghubung (batang penggerak). Gerak translasi torak tadi mengakibatkan gerak rotasi pada poros engkol dan sebaliknya. Berdasarkan langkah kerjanya, motor bakar torak dibedakan menjadi 2, yaitu motor bakar 4 langkah dan motor bakar 2 langkah.
3
A.
Motor Bakar 4 Langkah Pada motor bakar 4 langkah, setiap 1 siklus kerja memerlukan 4 kali langkah torak atau 2 kali putaran poros engkol, yaitu: a.
Langkah Isap (Suction Stroke) Torak bergerak dari posisi TMA (titik mati atas) ke TMB (titik mati bawah), dengan katup KI (katup isap) terbuka dan katup KB (katup buang) tertutup. Karena gerakan torak tersebut maka campuran udara dengan bahan bakar pada motor bensin atau udara saja pada motor diesel akan terhisap masuk ke dalam ruang bakar.
b.
Langkah Kompresi (Compression Stroke) Torak bergerak dari posisi TMB ke TMA dengan KI dan KB tertutup.Sehingga terjadi proses kompresi yang mengakibatkan tekanan dan temperatur di silinder naik.
c.
Langkah Ekspansi (Expansion Stroke) Sebelum posisi torak mencapai TMA pada langkah kompresi, pada motor bensin busi dinyalakan, atau pada motor diesel bahan bakar disemprotkan ke dalam ruang bakar sehingga terjadi proses pembakaran. Akibatnya tekanan dan temperatur di ruang bakar naik lebih tinggi. Sehingga torak mampu melakukan langkah kerja atau langkah ekspansi. Langkah kerja dimulai dari posisi torak pada TMA dan berakhir pada posisi TMB saat KB mulai terbuka pada langkah buang. Langkah ekspansi pada proses ini sering disebut dengan power stroke atau langkah kerja.
d.
Langkah Buang Torak bergerak dari posisi TMB ke TMA dengan KI tertutup dan KB terbuka. Sehingga gas hasil pembakaran terbuang ke atmosfer. Skema masing masing langkah gerakan torak di dalam silinder motor bakar 4 langkah tersebut ditunjukkan dalam gambar 2.1.
4
Gambar 2.1 Skema Langkah Kerja Motor Bakar 4 Langkah Sumber: Britannica (2013) B.
Motor Bakar 2 Langkah Pada motor bakar 2 langkah, setiap 1 siklus kerja memerlukan 2 kali langkah torak atau 1 kali putaran poros engkol. Motor bakar 2 langkah juga tidak memiliki katup isap (KI) dan katup buang (KB) dan digantikan oleh lubang isap dan lubang buang. Secara teoritis, pada berat dan displacement yang sama, motor bakar 2 langkah menghasilkan daya 2 kali lipat dari daya motor bakar 4 langkah, tetapi pada kenyataannya tidak demikian karena efisiensinya lebih rendah akibat pembuangan gas buang yang tidak komplit dan pembuangan sebagian bahan bakar bersama gas buang akibat penggunaan sistem lubang. Tetapi melihat konstruksinya yang lebih simpel dan murah serta memiliki rasio daya-berat dan daya-volume yang tinggi maka motor bakar 2 langkah cocok untuk sepeda motor dan alat-alat pemotong.
Gambar 2.2 Skema Langkah Kerja Motor Bakar 2 Langkah Sumber: Beamerguide (2010)
5
a)
Langkah Torak dari TMA ke TMB Sebelum torak mencapai TMA, busi dinyalakan pada motor bensin (bahan bakar disemprotkan pada motor diesel) sehingga terjadi proses pembakaran. Karena proses ini, torak terdorong dari TMA menuju TMB. Langkah ini merupakan langkah kerja dari motor bakar 2 langkah. Saat menuju TMB, piston terlebih dahulu membuka lubang buang, sehingga gas sisa pembakaran te rbuang. Setelah itu dengan gerakan piston yang menuju TMB, lubang isap terbuka dan campuran udara bahan bakar pada motor bensin atau udara pada motor diesel akan masuk ke dalam silinder.
b)
Langkah Torak dari TMB ke TMA Setelah torak mencapai TMB maka torak kembali menuju TMA. Dengan gerakan ini, sebagian gas sisa yang belum terbuang akan didorong keluar sepenuhnya yang disebut scarenging . Selain itu, gerakan piston yang turun menuju TMA menyebabkan terjadinya kompresi yang kemudian akan dilanjutkan dengan pembakaran setelah lubang isap tertutup oleh torak.
2.2
Siklus Termodinamika Motor Bakar
Siklus aktual dari proses kerja motor bakar sangat komplek untuk digambarkan, karena itu pada umumnya siklus motor bakar didekati dalam bentuk siklus udara standar (air standard cycle). Dalam air standard cycle fluida kerja menggunakan udara, dan pembakaran bahan bakar diganti dengan pemberian panas dari luar. Pendinginan dilakukan untuk mengembalikan fluida kerja pada kondisi awal. Semua proses pembentuk siklus udara standar dalam motor bakar adalah proses ideal, yaitu proses reversibel internal.
2.2.1 Siklus Otto
Siklus standar udara pada motor bensin disebut Siklus Otto, berasal dari nama penemunya, yaitu Nicholas Otto seorang Jerman pada tahun 1876. Diagram P – V dari Siklus Otto untuk motor bensin dapat dilihat pada gambar.
6
Gambar 2.3 Diagram Siklus Otto Ideal Sumber: Thermodynamics, Cengel, 1994 : 457 Langkah kerja dari Siklus Otto terdiri dari : 1. Langkah kompresi adiabatis reversibel (1-2) 2. Langkah penambahan panas pada volume konstan (2-3) 3. Langkah ekspansi adiabatis reversibel (3-4) 4. Langkah pembuangan panas secara isokhorik (4-1) Dalam siklus udara standar langkah buang (1-0), dan langkah isap (0-1) tidak diperlukan karena fluida kerja udara tetap berada didalam silinder. Apabila tekanan gas dan volume silinder secara bersamaan pada setiap posisi torak dapat diuraikan maka dapat digambarkan siklus aktual motor bensin yang bentuknya seperti ditunjukkan pada gambar.
Gambar 2.4 Siklus Aktual Otto Sumber: Thermodynamics, Cengel, 1994 : 457
7
Langkah siklus motor bensin aktual terdiri dari : 1. Langkah Kompresi 2. Langkah pembakaran bahan bakar dan langkah ekspansi 3. Langkah pembuangan 4. Langkah isap
2.2.2 Siklus Diesel
Pada tahun 1890 di Jerman Rudolph Diesel merencanakan sebuah motor dengan menkompresikan udara sampai mencapai temperatur nyala dari bahan bakar, kemudian bahan bakar diinjeksikan dengan laju penyemprotan sedemikian rupa sehingga dihasilkan proses pembakaran pada tekanan konstan. Penyalaan terhadap bahan bakar diakibatkan oleh satu kompresi dan bukan oleh penyalaan busi seperti halnya motor cetus api (S.I Engine)
Gambar 2.5 Diagram P-V dan T-S siklus diesel Sumber: Thermodynamics, Cengel, 1994 : 464 Langkah siklus ini terdiri dari : 1. Langkah isap (0-1) secara isobarik 2. Langkah kompresi (1-2) secara isentropik 3. Langkah pemasukan kalor (2-3) secara isobarik 4. Langkah kerja (3-4) secara isentropik 5. Langkah pelepasan kalor secara isokhorik (4-1) 6. Langkah buang (1-0) secara isobarik
8
2.2.3
Siklus Trinkler
Siklus trinkler merupakan gabungan antara siklus otto dengan siklus diesel. Pada siklus ini pemasukan kalor sebagian pada volume konstan seperti dalam siklus otto, dan sebagian lagi pada tekanan konstan dalam siklus diesel. Kombinasi demikian merupakan gambaran yang lebih baik pada motor-motor pembakaran dalam modern.
Gambar 2.6 Diagram Siklus Dual Motor Diesel Sumber: Thermodynamics, Cengel, 1994 : 466 Langkah kerja siklus dual motor diesel teoritis terdiri dari : 1.
Langkah kompresi adiabatis reversibel (1-2)
2.
Langkah pemberian panas pada volume konstan (2-X)
3.
Langkah pemberian panas pada tekanan konstan (X-3)
4.
Langkah ekspansi adiabatis reversibel (3-4)
5.
Langkah pembuangan panas (4-1)
2.3
Pengertian Karakteristik Kinerja Motor Bakar
Karakteristik kinerja motor bakar adalah karakteristik atau bentuk – bentuk hubungan
antara
indikator
kerja
sebagai
variabel
terikat
dengan
indikator
operasionalnya sebagai variabel bebas. Dengan adanya bentuk hubungan antara kedua indikator tersebut maka dapat diketahui kondisi optimum suatu motor bakar harus dioperasikan, atau apakah kondisi suatu motor bakar masih baik dan layak untuk dioperasikan.
9
2.3.1
Indikator Kerja dan Indikator Operasional Motor Bakar
Beberapa indikator kinerja motor bakar yang biasa digunakan untuk mengetahui kinerja suatu motor bakar diantaranya adalah: 1.
Daya Indikatif (Ni) Daya yang dihasilkan dari reaksi pembakaran bahan bakar dengan udara yang terjadi di ruang bakar. Ni
dimana
Pi
P i Vd D n L
0,45 z
: tekanan indikasi rata-rata (kg/cm²)
Vd : volume langkah =
.2. 4
(m³)
D
: diameter silinder (m)
L
: panjang langkah torak (m)
n
: putaran mesin (rpm)
z
: jumlah putaran poros engkol untuk setiap siklus untuk 4 langkah z = 2, dan untuk 2 langkah z = 1
2.
Daya Efektif (Ne) Daya efektif motor bakar adalah proporsional dengan perkalian torsi yang terjadi pada poros output (T) dengan putaran kerjanya (n). Karena putaran kerja poros sering berubah terutama pada mesin kendaraan bermotor, besar torsi pada poros (T) yang dapat dijadikan sebagai indikator kinerja motor bakar. Daya ini dihasilkan oleh poros engkol yang merupakan perubahan kalor di ruang bakar menjadi kerja. Daya efektif dirumuskan sebagai berikut Ne
dimana
3.
T
: Torsi (kg . m)
n
: putaran (rpm)
T n
716,2
Kehilangan Daya / Daya Mekanik (Nf) Kehilangan daya (Nf) terjadi akibat adanya gesekan pada torak dan bantalan.
Nf Ni Ne
10
dimana
: Ni = Daya Indikatif Ne = Daya efektif Nf = Daya mekanis
4.
Tekanan Efektif Rata Rata (MEP) Tekanan rata-rata di dalam silinder selama 1 siklus kerja dan menghasilkan daya efektif Ne. Data MEP digunakan untuk mengetahui apakah proses kompresi yang terjadi masih cukup baik, atau untuk mengetahui adanya kebocoran dari dalam silinder. MEP Pe
5.
Neo 0,45 z Vd i n
[kg/cm2]
Efisiensi Motor Bakar terdiri dari : a. Efisiensi Termal Indikatif ηi =
Ni Qb
x 632 x 100 %
b. Efisiensi Termal Efektif ηe =
N e Qb
x 632 x 100 %
c. Efisiensi Mekanis ηm = d.
Ni
x 100 %
Efisiensi Volumetrik ηv =
6.
Ne
Gs. z .60
a .n.V d .i
x 100 %
Beberapa Indikator Kerja yang lain, misalnya konsumsi bahan bakar spesifik (SFC), kandungan polutan dalam gas buang dan neraca panas.Indikator operasional motor bakar menunjukkan kondisi operasi dimana motor bakar tersebut dioperasikan. Dua jenis indikator operasional sebagai variabel bebas dalam pengujian karakteristik kinerja suatu motor bakar adalah :
11
1)
Putaran kerja mesin (rpm)
2)
Beban mesin / Daya efektifnya (Ne) pada putaran kerja konstan
Pengujian motor bakar dengan putaran mesin sebagai variabel bebas digunakan untuk mesin mesin transportasi, yang biasanya beroperasi pada putaran yang berubah ubah. Sedangkan pengujian motor bakar dengan daya efektif sebagai variabel bebas pada putaran konstan digunakan pada motor bakar stasioner yang biasanya beroperasi pada putaran konstan, terutama pada mesin penggerak generator listrik.
2.3.2
Jenis Karakteristik Kinerja Motor Bakar
Bentuk hubungan antar masing masing variabel indikator kinerja terhadap variabel, indikator operasional suatu motor bakar didapatkan dengan cara pengujian laboratorium
dari
mesin
yang
bersangkutan.
Data
yang
digunakan
untuk
menggambarkan bentuk hubungan antara variabel tersebut dapat berasal dari pengukuran langsung selama pengujian, atau harus dihitung dari data yang diukur. Data seperti putaran mesin dan temperatur dapat diukur langsung, tetapi daya, torsi, dan efisiensi dihitung berdasarkan pengukuran terhadap parameter pembentuknya. Pada pengujian dengan putaran mesin sebagai variabel bebas, jenis karakteristik kinerja yang sering diperlukan adalah : 1)
Putaran terhadap daya indikatif (Ni), daya efektif (Ne), dan daya mekanik (Nf)
2)
Putaran terhadap torsi (T)
3)
Putaran terhadap Mean Efektif Pressure (MEP)
4)
Putaran terhadap spesific fuel consumption (SFC)
5)
Putaran terhadap efisiensi (i , e , m , v)
6)
Putaran terhadap komposisi CO 2, CO , O2 , dan N2 dalam gas buang
7)
Putaran terhadap keseimbangan panas
8)
Putaran terhadap fuel consumption Rentang besar putaran dalam pengujian tersebut mulai dari putaran minimum
sampai melewati kondisi besar daya maksimum mesin.
12
2.4
Karakteristik Kinerja Motor Diesel
2.4.1
Grafik hubungan Putaran dengan Daya Poros dan F uel Consumption.
a.
Grafik Torsi dengan Putaran Pada grafik ditunjukkan bahwa semakin tinggi putaran (rpm) maka torsi semakin meningkat sampai mencapai titik maksimum pada putaran tertentu. Hal ini disebabkan karena dibutuhkannya momen putar tinggi pada awal putaran poros kemudian terjadi sifat kelembaman sehingga menurun pada putaran tertentu.
Gambar 2.7 Grafik Hubungan Putaran dengan daya Poros Sumber: Arismunandar, Motor Diesel Putaran Tinggi. 1975 : 61
b.
Grafik Hubungan antara Spesific Fuel Consumption terhadap Putaran Dari grafik 2.7 terlihat bahwa pemakaian bahan bakar yang dimaksud adalah jumlah putaran/ jumlah sirkulasi bahan bakar yang diperlukan untuk daya yang dihasilkan dan grafik antara fuel consumption dengan putaran cenderung mengalami penurunan. Namun setelah mencapai titik optimum kembali 13
mengalami kenaikan. Hal ini dikarenakan konsumsi bahan bakar yang cenderung tinggi karena diperlukan daya yang besar untuk penggerak awal mesin. Pada putaran setelah titik optimum, grafik mengalami kenaikan. Hal ini dikarenakan
pembakaran
kurang
sempurna
sehingga
daya
mengalami
penurunan, inilah yang menyebabkan SCF meningkat. Selain itu dengan naiknya putaran maka daya yang dibutuhkan semakin besar c.
Grafik Daya Poros terhadap Putaran Pada grafik terlihat bahwa semakin tinggi nilai putaran maka daya poros mengalami peningkatan sampai mencapai titik maksimum (titik dimana putaran poros lebih rendah daripada putaran dimana daya indikatornya maksimum), kenaikkan itu menunjukkan semakin besarnya daya efektif akibat dari daya indikasi yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar semakin besar akibat putaran yang terus bertambah. Kemudian mengalami penurunan pada putaran yang lebih tinggi. Hal ini disebabkan karena adanya gesekan antara piston dengan silinder dalam ruang bakar, pada bantalan, roda gigi, daya untuk menggerakkan pompa bahan bakar, generator, pompa air, katup,dsb. Dapat disimpulkan bahwa semakin besar putaran menyebabkan gesekan yang terjadi juga besar, sehingga beban daya yang harus ditanggumg daya indikasi semakin besar dan berpengaruh pada daya efektif
14
2.4.2
Grafik hubungan antara momen putar (torsi), daya poros, dan MEP
Gambar 2.8 Grafik Hubungan putaran dengan daya, dan MEP Sumber: Maleev. 1985. Internal Combustion Engine. a.
Grafik Antara Daya Efektif dan Putaran Pada grafik terlihat bahwa semakin tinggi putaran, maka daya efektifnya akan mencapai nilai maksimum dengan kata lain daya efektifnya berbanding lurus dengan putaran. Tetapi setelah mencapai titik maksimumnya, nilainya akan menurun. Nilai daya efektif merupakan pengurangan nilai daya indikasi dengan daya mekanis.
b.
Grafik Antara Daya Mekanis dan Putaran Pada grafik terlihat semain tinggi putaran maka daya mekanis cenderung meningkat. Tingkat kenaikan daya mekanis dibawah daya indikasi dan daya efektif.
15
c.
Grafik Hubungan Mean Efective Pressure dengan Putaran Pada grafik hubungan putaran dengan MEP terlihat bahwa grafik mengalami kenaikan seiring dengan kenaikan putaran. Tetapi setelah mencapai titik ultimate, harga tekanan efetif rata-rata mengalami penurunan.
d.
Grafik Hubungan Daya Indikasi dengan Putaran Pada grafik hubungan daya indikasi dengan putaran terlihat bahwa kurva yang awalnya naik setelah mencapi titik tertentu kurva tersebut akan cenderung menurun. Dikarenakan semakin cepat putaran maka daya yang hilang akibat gesekan juga semain besar sehingga menyebabkan penurunan daya indikasi.
2.4.3
Grafik Hubungan Efisiensi dengan Compression R asio
Gambar 2.9 Grafik Hubungan Efisiensi dan compression Ratio Sumber: Maleev. 1985. Internal Combustion Engine. a. Perbandingan Antara Efisiensi Mekanis dengan Compression Ratio Pada grafik terlihat bahwa semakin besar perbandingan kompresi maka efisiensi mekanis akan semakin menurun, karena putaran berbanding lurus dengan perbandingan kompresi, maka semakin tinggi putaran efisiensi mekanis akan menurun diakibatkan gesekan yang terjadi semakin besar.
16
b.
Perbandingan Efisiensi Indikasi dengan Compression Ratio Pada grafik terlihat bahwa semakin besar perbandingan kompresi maka efisiensi mekanis akan semakin meningkat. Kenaikkan tersebut dikarenakan perbandingan selisih daya indikasi lebih besar dibandingkan kenaikkan panas akibat kompresi.
c.
Perbandingan Efisiensi Efektif dan Compression Ratio Pada grafik terlihat bahwa semakin besar perbandingan kompresi maka efisiensi efektif akan semakin meningkat. Pada perbandingan kompresi tertentu efisiensi efektif akan mencapai nilai maksimum dan akan sedikit mengalami penurunan akibat adanya kerugian mekanis.
2.5
Orsat apparatus Orsat apparatus merupakan suatu alat yang dipergunakan untuk mengukur dan
menganalisa komposisi gas buang. Untuk itu digunakan larutan yang dapat mengikat gas tersebut dengan kata lain gas yang
diukur akan larut dalam larutan pengikat.
Masing - masing larutan tersebut adalah : a.
Larutan Kalium Hidroksida (KOH), untuk mengikat gas CO 2
b.
Larutan Asam Kalium Pirogalik, untuk mengikat gas O 2
c.
Larutan Cupro Clorid (CuCl 2), untuk mengikat gas CO
Gambar 2.10 Orsat Apparatus Sumber: Laboratorium Motor Bakar Teknik Mesin Universitas Brawijaya
17
Pada gambar di atas masing – masing tabung berisi : I.
Tabung pengukur pertama berisi larutan CuCl 2
II.
Tabung pengukur kedua berisi larutan asam kalium pirogalik
III. Tabung ketiga berisi larutan KOH
2.6
Diagram Sankey
Gambar 2.11 Diagram Sankey Sumber: Arismunandar, Motor Diesel Putaran Tinggi. 1975 : 29 Diagram sankey seperti gambar diatas merupakan diagram yang menjelaskan keseimbangan panas yang masuk dan panas yang keluar serta dimanfaatkan saat pembakaran terjadi. Pada gambar diatas juga menunjukkan bahwa 30-45% dari nilai kalor bahan bakar dapat diubah menjadi kerja efektif. Sisanya merupakan kerugiankerugian, yaitu kerugian pembuangan (gas buang dengan temperatur 300 o – 600o C). kerugian pendinginan dan kerugian mekanis (kerugian gesekan yang diubah dalam bentuk kalor yang merupakan beban pendinginan).
Kerugian pembuangan Gas buang yang bertemperatur 300 o – 600 o C, merupakan kerugian karena panas/kalor tersebut tidak dimanfaatkan. Selain itu, karena perbedaan temperatur didalam sistem lebih tinggi dibandingkan diluar sistem, menyebabkan temperatur tersebut berpindah / keluar ke lingkungan
18
Kerugian Pendinginan Silinder, katup-katup, dan torak akan menjadi panas karena berkontak langsung terhadap gas panas yang bertemperatur tinggi, sehingga dibutuhkan fluida pendinginan berupa air dan udara untuk menjaga komponen tersebut agar tidak rusak, pendinginan ini merupakan kerugian juga karena banyaknya kalor / panas yang hilang akibat diserap oleh fluida pendinginannya
Kerugian Mekanis Merupakan kerugian gesekan yang diubah dalam bentuk kalor yang merupakan beban pendingin.
2.7 Teknologi Motor Bakar Terbaru 2.7.1
Definisi
Common Rail adalah salah satu metode injeksi bahan bakar ke dalam ruang bakar pada mesin diesel dengan sistem penghasil tekanan terpisah dari injektor. Pada sistem Common Rail semua injeksinya diatur oleh ECU ( Electronic Control Unit ), seperti pengaturan jumlah injeksi, waktu penginjeksian, dan tekanan injeksi yang dapat menghasilkan kerja mesin optimal.
2.7.2
Prinsip Kerja
Gambar 2.12 Prinsip Kerja Common Rail Sumber: Wikipedia (2012)
19
Pada sistem Common Rail solar dipompa keluar dari tangki oleh pompa bertekanan bertekanan tinggi menuju Rail sebelum dialirkan ke injektor, solar di dalam Rail memiliki tekanan yang seragam disetiap saluran. Penggerak daripada injektor adalah arus listrik dari ECU yang mendapat sinyal dari berbagai sensor pada mesin, seperti sensor temperatur, sensor aliran udara yang masuk, sensor posisi Crank , dll.
2.7.3 Komponen dan Fungsinya
Komponen- komponen pada sistem Common Rail : 1. Electric Feed Pump Electric Feed Pump yang memberikan supply bahan bakar dari Fuel Tank ke Unit Pompa Utama.
Gambar 2.13 Electric Feed Pump Sumber : NauticExpo (2016) 2. Fuel Filter Menyaring partikel kotoran dalam bahan bakar, agar tidak menyumbat lubang injektor yang sangat kecil.
Gambar 2.14 Fuel Filter Sumber : NauticExpo (2016) 20
3. High Pressure Pump Pompa Utama yang merupakan jantung dari sistem kerja Common Rail ini mempu memasok bahan bakar ke dalam Rail dengan tekanan yang sangat tinggi.
Gambar 2.15 High Pressure Pump Sumber : BoschAutomotive (2016)
4. Rail Terminologi Common Rail dimana bahan bakar yang masuk di dalamnya disimpan sementara untuk kemudian di salurkan ke injektor ke dalam ruang bakar sesuai dengan perintah dari ECU.
Gambar 2.16 Rail Sumber : BoschAutomotive (2016)
21
5. Injektor Berfungsi untuk menyemprotkan bahan bakar bertekanan tinggi dengan kerapatan yang kecil, sehingga menghasilkan kabut solar yang sempurna.
Gambar 2.16 Injektor Sumber : Wikipedia (2016)
6. ECU ( Electronic Control Unit ) Bertugas mengatur timing buka tutup injektor, serta durasi buka tutup. Alat ini terhubung dengan beberapa perangkat sensor-sensor yang terdapat pada mesin dan bagian-bagian lainnya (tekanan turbo, pedal gas, beban mesin, suhu bahan bakar, dll).
Gambar 2.17 Electronic Control Unit Sumber : Wikipedia (2016)
22
2.7.4
Keuntungan dan Kekurangan
A. Keuntungan 1.
Memberikan peningkatan kinerja, menurunkan konsumsi bahan bakar, dan membuat getaran mesin lebih halus
2.
Peningkatan atomisasi bahan bakar, sehingga meningkatkan pengapian dan pembakaran dalam mesin
3.
Waktu pembakaran yang lebih sempurna, sehingga menghasilkan tenaga mesin yang jauh lebih baik.
B. Kekurangan 1. Instalasi mesin rumit, karena terdapat banyak komponen 2. Harus menggunakan BBM Solar berkualitas tinggi, penggunaan solar biasa dapat membuat injektor mampet dan jebol.
2.7.5
Aplikasi dan Cara Perawatan
Sistem Common Rail ini sudah banyak diaplikasikan hampir seluruh produsen mobil didunia. Tiap-tiap pabrik mempunyai nama masing-masing untuk teknologi ini, contohnya Honda (i-CTDi), Isuzu (iTEQ), Mazda (MZR-CD), Nissan (dCi), dll. Untuk perawatan yang bisa dilakukan adalah rajin mengganti filter solar dan mengecek kondisi injektor.
23
BAB III METODOLOGI PERCOBAAN 3.1 Pelaksanaan Praktikum 3.1.1
Instalasi Percobaaan Motor Diesel
Peralatan praktikum yang tersedia adalah instalasi percobaan (test ( test rig ) lengkap, yang terdiri dari :
Instalasi Percobaan Motor Diesel
Unit Motor Diesel sebagai obyek percobaan / penelitian.
Instrumen pengukur berbagai variabel yang yang diperlukan (alat ukur ukur
kelembaban,
higrometer, aeorometer, orsat apparatus).
Peralatan bantu seperti instalasi air pendingin dan penyaluran gas buang.
Unit motor bakar yang digunakan adalah motor diesel dengan 4 silinder, dengan spesifikasi sebagai berikut : o
Siklus
: 4 langkah
o
Jumlah silinder
: 4
o
Volume langkah torak total
: 2164 cm 3
o
Diameter silinder
: 83 mm
o
Panjang langkah torak
: 100 mm
o
Perbandingan kompresi
: 22 : 1
o
Bahan bakar
: Dexlite
o
Pendingin
: Air
o
Daya Poros
: 47 BHP / 3200 rpm
o
Merk
: Nissan, Tokyo Co.Ltd.
o
Model
: DWE – DWE – 47 – 47 – 50 – 50 – HS – HS – AV AV
Negara pembuat
: Jepang
o
24
Gambar 3.1 Skema Instalasi Motor Diesel Sumber: Laboratorium Motor Bakar Jurusan Mesin Universitas Brawijaya 3.1.2
Alat Ukur dan Fungsinya
Alat ukur serta fungsinya yang digunakan saat praktikum adalah sebagai berikut : a. Orsat apparatus Digunakan untuk mengukur dan menganalisa gas buang (%).
Gambar 3.2 Orsat apparatus Sumber: Laboratorium Motor Bakar Jurusan Mesin Universitas Brawijaya
25
b. Barometer Digunakan untuk mengukur tekanan atmosfer (mmHg).
Gambar 3.3 Barometer Sumber: Laboratorium Motor Bakar Jurusan Mesin Universitas Brawijaya c. Aerometer Digunakan untuk mengukur massa jenis bahan bakar (kg/m 3).
Gambar 3.4 Aerometer Sumber: Laboratorium Motor Bakar Jurusan Mesin Universitas Brawijaya
26
d. Flash Point Digunakan untuk mengetahui titik nyala api suatu bahan bakar ( oC).
Gambar 3.5 Flash Point Sumber: Laboratorium Motor Bakar Jurusan Mesin Universitas Brawijaya e. Diesel Engine Test Bed Digunakan untuk mengetahui karakteristik motor bakar.
parameter-parameter
yang
menunjukkan
Gambar 3.6 Diesel Engine Test Bed Sumber: Laboratorium Motor Bakar Jurusan Mesin Universitas Brawijaya
27
f. Stopwatch Digunakan untuk mengetahui waktu konsumsi bahan bakar (s)
Gambar 3.7 Stopwatch Sumber:Laboratorium Motor Bakar Jurusan Mesin Universitas Brawijaya g. Hygrometer Digunakan untuk mengukur kelembaban relatif udara (%).
Gambar 3.8 Hygrometer Sumber: Laboratorium Motor Bakar Jurusan Mesin Universitas Brawija ya h. Dynamometer Digunakan untuk mengetahui gaya pembebanan pada poros (Kg).
Gambar 3.9 Dynamometer Sumber: Laboratorium Motor Bakar Jurusan Mesin Universitas Brawijaya 28
i. Tachometer Digunakan untuk menghitung putaran mesin (rpm)
Gambar 3.10 Tachometer Sumber: Laboratorium Motor Bakar Jurusan Mesin Universitas Brawijaya j. Flowmeter air pendinginan Digunakan untuk mengukur debit aliran air pendinginan (liter/jam).
Gambar 3.11 Flowmeter air pendinginan Sumber: Laboratorium Motor Bakar Jurusan Mesin Universitas Brawijaya
29
k. Flowmeter Bahan Bakar Digunakan untuk mengukur konsumsi bahan bakar (ml).
Gambar 3.12 Flowmeter bahan bakar Sumber: Laboratorium Motor Bakar Jurusan Mesin Universitas Brawijaya l. Manometer Digunakan untuk mengukur perbedaan tekanan dalam system ( mmH 2O).
Gambar 3.13 Manometer Sumber: Laboratorium Motor Bakar Jurusan Mesin Universitas Brawijaya
30
m. Viscometer Digunakan untuk mengukur viskositas fluida ( η).
Gambar 3.14 Viscometer Sumber: Laboratorium Motor Bakar Jurusan Mesin Universitas Brawijaya n. Bomb calorimeter Digunakan untuk mengetahui kalor bahan bakar (Kcal/K g)
Gambar 3.15 Bomb Calorimeter Sumber: Laboratorium Motor Bakar Jurusan Mesin Universitas Brawijaya
31
3.2 Prosedur Pengambilan Data Praktikum
Setiap kelompok praktikum melaksanakan sendiri semua proses pengujian dan pengambilan data yang diperlukan untuk memenuhi tujuan praktikum di atas. Dalam melaksanakan proses pengujian tersebut, mahasiswa harus mengikuti semua aturan dan tata tertib yang berlaku di laboratorium dan mengikuti semua petunjuk asisten laboratorium yang bertugas. Metode percobaan dengan variasi putaran, parameter yang diukur adalah : 1. Gaya Pengereman 2. Tekanan Masuk Nozzle 3. Perbedaan Tekanan Masuk dan Keluar Nozzle 4. Suhu Udara 5. Suhu Gas Buang 6. Suhu Air Masuk dan Air keluar 7. Debit Bahan Bakar 8. Volume Gas Buang 9. Volume Gas Hasil Pembakaran 10. Tekanan Udara
3.2.1 Prosedur Pengujian Motor Bakar
1. Persiapan Sebelum Mesin Beroperasi a. Nyalakan pompa pengisi untuk mengisi air dalam tangki sampai level air mencapai tinggi aman. b. Buka kran air pada pipa-pipa yang mengalirkan air ke mesin dan ke dinamometer. c. Atur debit air yang mengalir pada flowmeter pada debit tertentu dengan mengatur bukaan kran pada flowmeter. d. Tekan switch power untuk menghidupkan alat-alat ukur. e. Hidupkan alarm dinamometer yang akan memberitahu jika terjadi overheating dan level air kurang. f. Nyalakan dinamo power control dan atur kondisi poros mesin dalam keadaan tanpa beban.
32
2. Cara Menghidupkan Mesin a. Setelah semua persiapan di atas dipenuhi, nyalakan kunci kontak pada posisi memanaskan mesin terlebih dahulu sampai indikator glow signal menyala. b. Putar posisi kunci ke posisi START sambil throttle valve dibuka sedikit sampai mesin menyala (seperti menyalakan mesin mobil). c. Setelah mesin menyala, biarkan mesin beroperasi beberapa saat untuk menstabilkan kondisi mesin.
3. Cara Mengambil Data a. Atur bukaan throttle pada bukaan yang diinginkan dengan membaca throttle valve indikator (%) b. Atur putaran mesin (rpm) dengan mengatur pembebanan pada dinamometer sampai mendapatkan putaran yang diinginkan. c. Tunggu kondisi mesin stabil kemudian lakukan pengambilan data yang diperlukan.
3.2.2 Prosedur Penggunaan Orsat Apparatus
Gambar 3.16 Orsat Apparatus Sumber: Laboratorium Motor Bakar Jurusan Mesin Universitas Brawijaya
33
Cara penggunaan Orsat Apparatus : 1.
Set ketiga tabung I, II, III pada ketinggian tertentu dengan membuka keran A, B, C dan mengatur tinggi larutan pada tabung I, II, III dengan menaik – turunkan gelas B, kemudian tutup keran A, B, C setelah didapatkan tinggi yang diinginkan. Posisi ini ditetapkan sebagai titik acuan.
2. Naikkan air yang ada pada tabung ukur C sampai ketinggian air mencapai 50 ml dengan cara membuka keran H dengan menaikkan gelas B. Setelah didapatkan tinggi yang diinginkan, tutuplah kembali keran H. 3.
Ambil gas buang dari saluran gas buang untuk diukur, salurkan melalui selang yang dimasukkan ke dalam pipa H.
4.
Buka keran H sehingga gas buang akan masuk dan mengakibatkan tinggi air yang ada di tabung ukur C akan berkurang.
5.
Setelah tinggi air pada tabung ukur turun sebanyak 50 ml (sampai perubahan air mencapai angka 0) tutuplah keran H dan kita suda h memasukkan volume gas buang sebanyak 50 ml.
6.
Untuk mengukur kandungan CO 2 buka keran A supaya gas buang bereaksi dengan larutan yang ada pada tabung III dengan mengangkat dan menurunkan gelas B sebanyak 5 – 7 kali.
7.
Setelah 5 – 7 kali kembalikan posisi larutan III ke posisi acuan pada saat set awal dan tutup keran C setelah didapatkan posisi yang diinginkan.
8.
Baca kenaikan permukaan air yang ada pada tabung ukur C. Kenaikan permukaan air merupakan volume CO2 yang ada pada 50 ml gas buang yang kita ukur.
9.
Untuk mengukur kandungan O 2 dan CO ulangi langkah 6 dan langkah 7 untuk keran B dan keran A pada tabung II dan tabung I.
10. Baca kenaikan permukaan air pada tabung ukur C dengan acuan dari tinggi permukaan air sebelumnya.
34
3.2.3
Rumus Perhitungan
Adapun rumus – rumus yang digunakan dalam perhitungan hasil percobaan adalah sebagai berikut : 1. Momen Torsi T
Dimana : F l
F l (kg.m)
: besar gaya putar (kg) : panjang lengan dinamometer = 0,358 (m)
2. Daya Efektif Ne
Dimana : n
T n
716,2
(PS)
: putaran (rpm)
Ne
: daya efektif (PS)
T
: momen torsi (kg.m)
3. Daya Efektif dalam kondisi standard JIS Neo
k
k . Ne (PS)
749
273
Pa Pw
293
Pw
;
Ps
.
Dimana : Neo : daya efektif yang dikonfersi dalam JIS (PS) k
: faktor konversi
Ne
: daya efektif (PS)
Pa
: tekanan atmosfir pengukuran (mmHg)
Pw
: tekanan uap parsial (mmHg)
: rata-rata temperatur ruangan saat pengujian (°C)
: kelembamam udara (%)
Ps
: Tekanan udara standar pada temperatur θ (mmHg)
35
4. Tekanan Efektif rata-rata ( Pe ) Neo 0,45 z
Pe =
Dimana : Pe
Vd i n
[ kg/cm2 ]
: tekanan efektif
Neo : daya efektif (PS) z
: jumlah putaran poros engkol
n
: putaran poros engkol (rpm)
i
: langkah mesin
Vd
: volume langkah (m3)
5. Fuel Consumption FC
3600
V t
1000
[ kg/jam ]
ρ dexlite = 0,836 gr/mL
Dimana : : Konsumsi bahan bakar (kg/jam)
: Satuan bahan bakar (ml)
: Massa jenis bahan bakar (gr/ml)
T
: Waktu konsumsi bahan bakar (s)
6. Panas Hasil Pembakaran
Qb Dimana : Qb FC
FC . LHV BahanB akar ( kcal ) Jam
: panas hasil pembakaran (kcal/jam) : konsumsi bahan bakar (kg/jam)
LHV BahanBakar : Low Heating Valve (kcal/kg)
7. Berat Jenis udara a
Dimana : Pa Ps
o .
Pa . Ps 760
273
273
. w
: Tekanan atmosfer pengukuran (mmHg) : Tekanan udara standard pada temperatur tertentu (mmHg)
36
: Relative Humidity / Kelembapan Relatif (%)
o
: Berat jenis udara kering pada 760 mmHg
: Temperatur bola kering(oC)
8. Koefisien Udara
P 1
P 2
P 1
Dimana :
P : beda tekanan pada nozzle (mmH2O)
P 1
P 1
: tekanan atmosfer saat pengujian (mmHg)
: koefisien udara
9. Massa alir udara melalui nozzle 2
Gs Dimana : Gs
. . .d
4
2. g . a
P 1
P 2 (kg/s)
: Massa alir udara melalui nozzle (kg/s)
α
: Koefisien kemiringan nozzle = 0,822
ɛ
: Koefisien udara
d
: diameter nozzle = 0,048 m
g
: Gaya gravitasi = 9,81m/s2
a
: Berat jenis udara (kg/m 3)
1 – 2 : Perbedaan tekanan pada nozzle
10. Massa Alir gas buang Gg Gs
Dimana : Gg
FC 3600
(kg/s)
: massa alir gas buang (kg/s)
Gs
: massa alir udara melalui nozzle (kg/s)
FC
: konsumsi bahan bakar (kg/jam)
37
11. Panas yang terbawa gas buang
Qeg Gg .Cpg .Teg Tud X 3600 (kcal/jam)
Dimana : C pg
: panas jenis gas buang (kcal/kg.oC)
Teg
: suhu gas buang (°C)
Tud
: temperatur(°C)
Gg
: massa alir gas buang (kg/s)
Qeg
: panas yang terbawa gas buang (kcal/jam)
12. Efisiensi kerugian dalam exhaust manifold ( g ) g
Dimana : g
Qeg x100% Qb
: efisiensi kerugian (%)
Qeg
: panas yang terbawa gas buang (kcal/jam)
Q b
: panas hasil pembakaran (kcal/jam)
13. Kerugian Panas Pendinginan (Q w) Qw =ρ.Ww.C pw (Two-Twi) (kcal/jam) Dimana : ρ Ww
: Massa jenis air = 1 kg/liter : debit air pendinginan (liter/jam)
C pw : panas jenis air = 1 kcal/kg.oC Two
: temperatur air keluar (oC)
Twi
: temperatur air masuk (oC)
14. Efisiensi Kerugian Panas dalam cooling water ( ) w
w
Dimana :
w
Qw
Qb
x100%
: efisiensi kerugian panas (%)
Qw
: kerugian panas pendinginan (kcal/jam)
Q b
: panas hasil pembakaran (kcal/jam)
38
15. Efisiensi Thermal Efektif ( ) e
e
Dimana : e
Ne
Qb
x632 x100%
: efisiensi efektif (%)
Ne
: daya efektif (PS)
Q b
: panas hasil pembakaran (kcal/jam)
16. Efisiensi Friction ( f ) f
Dimana : f
100%
g
: efisiensi gesekan (%)
g
: efisiensi kerugian (%)
w
: efisiensi kerugian panas (%)
: efisiensi efektif (%)
e
w e
17. Ekuivalen daya terhadap konsumsi bahan bakar ( Qf )
Qf
LHV BB . FC 632
(kcal/jam)
Dimana : LHV BahanBakar : Low Heating Valve (kcal/kg) FC
: konsumsi bahan bakar (kg/jam)
18. Daya Friction
Nf Dimana : Nf
f xQf
100%
: daya mekanis (PS)
f
: efisiensi gesekan (%)
Qf
: kerugian karena gesekan (PS)
39
19. Daya Indikasi Ni
Dimana : Ni
Ne Nf
: daya indikasi (PS)
Ne
: daya efektif (PS)
Nf
: daya mekanis (PS)
20. Spesific Fuel Consumption Effective SFCe
Dimana :
SFCe
FC
Ne
: Spesific Fuel Consumption Effective
FC
: konsumsi bahan bakar (kg/jam)
Ne
: daya efektif (PS)
21. Spesific Fuel Consumption Indicated SFCi
Dimana :
SFCi
FC
Ni
: Spesific Fuel Consumption Indicated
FC
: konsumsi bahan bakar (kg/jam)
Ni
: daya indikatif (PS)
22. Panas Hasil Pembakaran yang diubah menjadi Daya Efektif
Qe Dimana : Qe Ne
632. Ne
: panas efektif (kcal/jam) : daya efektif (PS)
23. Panas yang hilang karena sebab lain
Qpp Dimana : Q pp Q b
Qb
Qeg
Qw
Qe
: panas yang hilang karena sebab lain (kcal/jam) : panas hasil pembakaran (kcal/jam)
40
Qeg
: panas yang terbawa gas buang (kcal/jam)
Qw
: kerugian panas pendinginan (kcal/jam)
Qe
: panas efektif (kcal/jam)
24. Efisiensi Thermal Indikasi
Ni
i
Dimana : i
Qb
x632 x100%
: efisiensi indikasi (%)
Ni
: daya indikasi (PS)
Q b
: panas hasil pembakaran (kcal/jam)
25. Efisiensi Mekanis Ne m
Dimana :
m
x100%
Ni
: efisiensi mekanis (%)
Ni
: daya indikasif (PS)
Ne
: daya efektif (PS)
26. Efisiensi Volumetrik
v Dimana :
v
Gs. z .60
x100%
a .n.Vd .i
: efisiensi volumetric (%)
z
: jumlah poros engkol
Vd
: volume engkol (m 3)
I
: langkah mesin
Gs
: massa alir udara melalui nozzle (kg/s)
n
: putaran poros (rpm)
a
: Berat jenis udara (kg/m 3)
41
27. Perbandingan Udara dan Bahan Bakar R
Dimana : R
Gs
x3600 FC
: rasio udara bahan bakar
Gs
: aliran udara melalui nozzle (kg/s)
FC
: konsumsi bahan bakar (kg/jam)
28. Rasio Udara Bahan Bakar Teoritis C H
O2 3,76 N 2 CO2 H 2 O 3,76 N 2 4 2 4
M O2 3,76 M N 2 4 4 Ro ( A / F ) s M C M H Dimana :
: Rasio udara bahan bakar teoritis
Ro
M O2 :
Massa relatif oksigen
M N 2 :
Massa relatif nitrogen
M C
: Massa relatif karbon
M H
: Massa relatif hidrogen
29. Faktor Kelebihan Udara
Dimana :
R
Ro
: faktor kelebihan udara
R
: rasio udara bahan bakar
Ro
: rasio udara dalam bahan bakar teoritis
30. Faktor Koreksi Standard A
P st P
T T st
0,5
=
P st P
T 273 T 273
0 ,5
st
42
Dimana : A
: faktor koreksi
Pst
: tekanan atmosfer = 760 mmHg
Tst
: 25 ˚C
P
: tekanan udara atsmosfer (mmHg)
T
: temperatur ruangan (oC)
31. Daya Efektif Standard
Ne
st
A.Ne
Dimana : Ne st : daya efektif standar (PS) A
: faktor koreksi
Ne
: daya efektif (PS)
32. Torsi Efektif Standard
T
st
A.T
Dimana : T st : torsi efektif standar (kg.m) A
: faktor koreksi
T
: torsi (kg.m)
33. Pemakaian Bahan Bakar Efektif Standard
SFCe
st
Dimana : SFCe SFCe
A
st
SFCe
A
: Pemakaian Bahan Bakar Efektif Standar : Spesific Fuel Consumption Effective : faktor koreksi
43
34. Analisa Gas Buang Komposisi gas Buang dapat dihitung dengan persamaan berikut :
Vco 2
% CO2 =
Veg Vo
% O2 =
Veg
Dimana : VCO2
x 100%
Vco
% CO =
% N2 =
2
Veg VN 2 Veg
x 100%
x 100%
x 100%
: Volume CO2
VO2
: Volume O2
VCO
: Volume CO
VN2
: Volume N2
Veg
: Volume exaust gas
44
BAB IV HASIL PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN Untuk pengolahan data diambil data percobaan nomor 3. Untuk hasil pengolahan data yang lain disajikan dalam bentuk tabel. 4.1 Data Hasil Pengujian
Putaran (n)
: 1800 rpm
P1
: 714 mmHg
P1 – P2
: 30 mmH2O
Beban Pengereman (F)
: 25 kg
Temperatur Udara Masuk (T ud)
: 30 oC
Temperatur Gas Buang (Teg)
: 680 oC
Temperatur Air Masuk (T wi)
: 36 oC
Temperatur Air Keluar (Two)
: 78 oC
Konsumsi Air (Ww)
: 460 liter/jam
Waktu (t)
: 16,20 s
Volume Gas Buang (V eg)
: 50 cm3
Volume Gas CO2
: 92 cm3
Volume Gas CO
: 88 cm3
Volume Gas O2
: 90 cm3
Massa Jenis
: 0,838 g/ml3
Suhu Bola Kering
: 28 oC
Suhu Bola Basah
: 27 oC
Kelembaban Relatif
: 91%
Panjang Lengan Dynamometer
: 0,358 m
45
4.2 Pengolahan Data
1.
Moment torsi (T) T = F.L (kg.m) = 25 . 0,358 (kgm) = 8,95 kg.m
2.
Daya Efektif (Ne) Ne
T n
716,2
8,95 1800 716,2
= 22,493 (PS) 3.
Daya Efektif dalam kondisi standard JIS Neo = k . Ne (PS) k
749
273
Pa Pw
293
;
Pw
. Ps
Pw 0,82 28,349
k
k
749
273 28
713 23,246
293
23,246
1,0957
Neo = k . Ne Neo = 1,0957 . 22,493 = 24,646 (PS) 4.
Tekanan Efektif Rata-Rata (Pe) Pe = =
Neo 0,45 z Vd i n
24,646 0,45 2 0,00054 4 1800
= 5,7052 kg/cm2 5. Fuel Consumption (FC)
46
FC
FC
FC
6.
V t
3600
30
16,22
1000
0,837
3600 1000
5,5665 kg/jam
Panas hasil pembakaran (Qb) Qb= FC . LHV bahan bakar (kcal/jam) Qb= 5,5665 . 10500 (kcal/jam) Qb= 58447,84 kcal/jam
7.
Berat jenis udara (γa)
o .
1,293.
1,0913
a
a
8.
Pa . Ps
a
760
273
273
716 0,82.28,349 760
. w
273 273 28
0,82.0,02878
Koefisien Udara (ε)
P 1 P 2 P 1
=
19
9737,6
P 1 P 2
0
0,002063
0,10
0,15
0,20
0,25
1.000
x
0,969
0,906
0,873
0,840
P 1 ε
0,1 0
0,001951
0,969 1
0,1 0,001951
9.
x
0,969
x
0,99940
Massa alir udara melalui Nozzle (Gs) 2
Gs =
Gs =
. . .d
4
2. g . a .( P 1 P 2 ) (kg/s)
0,822.0,99940.3,14.(0,048) 2 4
2.9,81.1,0913.19
47
Gs = 0,0300 kg/s
10. Massa alir gas buang (Gg) Fc
Gg = Gs +
3600
Gg = 0,0300 +
(kg/s)
5,5665 3600
(kg/s)
Gg = 0,0315 kg/s 11. Panas yang terbawa gas buang (Q eg) Qeg = Gg C pg (Teg-Tud) 3600 (kcal/jam) Qeg = 0,315 . 0,285 (680 – 29) 3600 (kcal/jam) Qeg = 21039,07 kcal/jam 12. Efisiensi kerugian dalam exhaust manifold (ηg) ηg =
ηg =
Qeg Qb
x 100 %
21039,07 58447,84
x 100 %
ηg = 35,9963 % 13. Kerugian Panas Pendinginan (Q w) Qw =ρ.Ww.C pw (Two-Twi) Qw = 1.445.1.(72-31) Qw = 18245 kcal/jam 14. Efisiensi kerugian panas dalam Cooling Water (ηw) ηw =
ηw =
Qw Qb
x 100 %
18245 58447 ,84
x 100 %
ηw = 31,2159 % 15. Efisiensi Thermal Efektif (ηe) ηe =
N e Qb
x 632 x 100 %
48
ηe =
22,493 58447,84
x 632 x 100 %
ηe = 24,3226 %
16. Efisiensi Friction (ηf ) ηf = 100% -( ηg+ ηw+ ηe) ηf = 100% - (35,9963% + 31,2159% + 24,3226%) ηf = 8,4652 % 17. Ekivalen Daya Terhadap Konsumsi Bahan bakar (Q f ) Qf = Qf =
LHV bb . Fc 632
10500.5,665 632
Qf = 92,4808 PS 18. Daya Friction (Nf) Nf =
Nf =
f .Q f
100%
8,4652.92,4808 100%
Nf = 7,828687 PS 19. Daya Indikasi (Ni) Ni = Ne + Nf Ni = 22,493 + 7,828687 Ni = 30,3224 PS 20. Spesific Fuel Consumption Effective (SFCe) Fc
SFCe =
SFCe =
Ne
(kg/PS.jam)
5,5665 22,4937
(kg/PS.jam)
SFCe = 0,24875 kg/PS.jam 21. Spesific fuel Consumption Indicated (SFCi)
49
Fc
SFCi =
SFCi =
Ni
(kg/PS.jam)
5,5665 30,3224
(kg/PS.jam)
SFCi = 0,1836 kg/PS.jam 22. Panas Hasil Pembakaran Yang Diubah Menjadi Daya Efektif (Qe) Qe = 632 . Ne Qe = 632 . 22,4937 Qe = 14216,0290 kcal/jam 23. Panas yang hilang karena sebab lain (Qpp) Q pp = Q b-Qeg-Qw-Qe Q pp =58447,84 – 21039,07 – 18245 – 14216,0290 Q pp = 4947,7394 kcal/jam 24. Efisiensi Thermal Indikasi (ηi) ηi =
ηi =
Ni Qb
x 632 x 100 %
30,3224 58447,84
x 632 x 100 %
ηi = 32,7878 % 25. Efisiensi Mekanis (ηm) ηm =
ηm =
Ne Ni
x 100 %
22,4937 30,3224
x 100 %
ηm = 74,1818 % 26. Efisiensi Volumetrik (ηv) ηv =
ηv =
Gs. z .60
a .n.V d .i
x 100 %
0,0300.2.60 1,0913.1800.0,00054.10.4
x 100 %
ηv = 84,5561 %
50
27. Rasio Udara bahan bakar (R) R=
R=
Gs Fc.
x 3600 (kgudara/kg bahan bakar )
0,0300 5,5665
x 3600
R = 19,3714 kg udara/kg bahan bakar
28. Rasio udara dalam bahan bakar teoritis (Ro) C H
O2 3,76 N 2 CO2 H 2 O 3,76 N 2 2 4 4
Dimana unsur kimia bahan bakar : C 12,3H22 ; α = 12,3 ; β = 22 Reaksi stoikiometri : C 12,3 H 22
17,85(O2
3,76 N 2 ) 12,3CO2 11,1 H 2 O 67,116N 2
M O2 3,76 M N 2 4 4 Ro = (A/F)s= M C M H 22 22 12,3 M O2 3,7612,3 M N 2 4 4 = 12,3 M C 22 M H
22 22 12,3 32 3,7612,3 28 4 4 = 12,3.12 22.1
= 14,41 kg udara / kg bahan bakar 29. Faktor Kelebihan Udara (λ) λ=
λ=
R Ro
19,3714 14,41
λ = 1,3443 30. Faktor Koreksi (A)
51
A
T T st
P st P
A A
t 273 = P t st 273 P st
760 28 273
0,5
0,5
; Pst = 760 mmHg ; 26 oC
0, 5
716 26 273 1,0648
31. Daya Efektif Standar (Ne)st
Ne
A.Ne (PS)
st
Ne
st
1,0668 .22,4937 (PS)
Ne
23,9959 PS
st
32. Torsi efektif standar (T)st
T
st
T
st
T
st
A T
.
(kg.m)
1,0668.8,95 (kg.m)
9,5477 kg.m
33. Pemakaian Bahan Bakar Efektif Standar (SFCE) st
SFCe
SFCe
st
SFCe st
A
0,2475
SFCe
st
(kg/PS.jam)
1,0668
(kg/PS.jam)
0,2320 kg/PS.jam
34. Analisa gas buang VCO2
- % CO2
% CO2
% CO2
-
% O2
Veg
100%
(100 88)
50
100%
24%
VO2 Veg
100%
(88 92)
% O2
% O2
50
100%
8%
52
-
VCO
%CO
% CO
100%
(92 95)
% CO -
Veg
50
100%
6%
VN 2
% N 2
% N 2
% N 2
100%
Veg (95 50)
50
100%
90%
53
4.3 Grafik dan Pembahasan 4.3.1 Hubungan antara Putaran terhadap Torsi
is r o T pa da hr et na r at u P ar at na na g n u b u H ki fa r G 1. 4 ra b ma G
54
Gambar 4.1 merupakan grafik hubungan antara putaran dengan torsi. Dari grafik dapat diambil kesimpulan bahwa torsi cenderung naik sampai pada putaran 1950 rpm, kemudian torsi cenderung turun pada putaran selanjutnya. Dalam percobaan ini torsi tertinggi mesin berada pada torsi 9,129 kg.m pada putaran 1950 rpm. Besarnya nilai Torsi dipengaruhi oleh daya efektif (Ne) dan gaya pada poros (F) dimana akan bertambah seiring dengan bertambahnya putaran sampai pada putaran tertentu dan kemudian menurun pada putaran yang lebih tinggi. Peningkatan torsi terjadi karena semakin besar putaran maka konsumsi bahan bakar meningkat yang dapat dilihat pada lampiran tabel perhitungan. Hal ini menyebabkan daya indikatif meningkat pula. Semakin besar daya indikatif menyebabkan semakin besar daya efektifnya yang selanjutnya akan memperbesar torsi. Akan tetapi, pada putaran yang sangat tinggi torsi akan menurun. Hal ini disebabkan karena menurunya konsumsi bahan bakar pada putaran yang sangat tinggi. Penurunan konsumsi bahan bakar dikarenakan pada putaran tinggi pompa bahan bakar bekerja cepat, sehingga bahan bakar yang terpompa akan semakin sedikit akibat sifat kelembaman fluida bahan bakar. Pada awal mesin dihidupkan, mesin membutuhkan gaya yang besar untuk menggerakan poros. Karena itu torsinya juga semakin besar. Setelah mencapai putaran tertentu nilai torsi akan menurun, penurunan torsi dapat terjadi dikarenakan. adanya gaya inersia atau kelembaman yang disebabkan oleh massa crankshaft yang menyebabkan menurunya gaya pada piston yang bergerak karena untuk menggerakkan komponen-komponen lainnya hanya membutuhkan gaya yang kecil, hal ini sesuai dengan persamaan:
T F L[kg .m] T
716,2
Ne n
[PS]
55
4.3.2 Hubungan antara Putaran terhadap Daya
a ya D pa da hr et na r at u P ar at na na g n u b u H ki fa r G 2. 4 r a b ma G
56
Gambar 4.2 merupakan grafik hubungan antara putaran dengan daya. Dari grafik diatas dapat diambil kesimpulan yang berhubungan dengan daya efektif (Ne), daya mekanis (Nf) dan daya indikatif (Ni) adalah sebagai berikut :
Daya Efektif (Ne) Dari grafik daya efektif (Ne) dapat dilihat bahwa grafik mengalami kenaikan dari putaran awal 1350 rpm sampai dengan putaran 1950 rpm, dan turun pada putaran 2100 rpm. Secara umum grafik mengalami kenaikan disebabkan karena torsi dan putaran yang naik yang dapat dilihat pada Gambar 4.1, namun pada putaran 2100 rpm grafik mengalami penurunan yang disebabkan karena penurunan nilai torsi lebih dominan dari pada kenaikan putaran. Sesuai dengan rumus :
Ne =
T .n
716,2
[PS]
Daya Friction (Nf) Dari grafik antara putaran dengan daya Friction (Nf) terlihat bahwa grafik menurun seiring dengan naiknya putaran mesin. Hal ini disebabkan karena pada putaran awal adanya gaya gesek pada ruang bakar kemudian daya yang hilang untuk menggerakan flywheel , gear , dan perlengkapan mesin seperti pompa bahan bakar, pompa air pendinginan, radiator, dsb yang dapat dilihat dari menurunnya efisiensi friction pada lampiran tabel perhitungan. Dari grafik dapat diambil kesimpulan bahwa semakin tinggi putaran maka daya mekanis akan semakin besar. Selain itu, penyebab penurunan grafik Daya Friction (Nf) adalah meningkatnya efisiensi kerugian pendinginan dan efisiensi kerugian gas buang seiring putaran yang dapat dilihat pada lampiran tabel perhitungan, dimana sesuai dengan rumus :
Nf =
f .Qf 100 %
[PS]
ηf = 100% -( ηg+ ηw+ ηe)
57
Daya Indikatif (Ni) Penurunan daya Indikatif (Ni) disebabkan karena pada putaran yang semakin tinggi, pembakaran yang terjadi kurang sempurna (pasokan bahan bakar dan udara tidak sesuai) hal ini ditunjukkan pada Gambar 4.7 dimana CO meningkat seiring bertambahnya putaran yang menandakan pembakaran semakin tidak sempurna seiring bertambahnya putaran. Pada grafik hubungan putaran terhadap daya posisi grafik Ni di atas Ne dan Nf sebab :
Ni Ne Nf [PS]
58
4.3.3 Hubungan antara Putaran terhadap Mean E ffective Pressure (MEP)
) P E M(
er us se r P ev it ce ff E na e M pa da hr et na r at u P ar at na na g n u b u H ki fa r G 3. 4 r a b ma G
59
Gambar 4.3 merupakan grafik hubungan antara putaran dengan tekanan efektif rata-rata. Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa tekanan efektif rata-rata mengalami kenaikan sampai dengan putaran 1950 rpm, kemudian mengalami penurunan pada putaran 2100 rpm. Pada awal putaran grafik cenderung naik, disebabkan karena Daya Efektif (Ne) cenderung meningkat pada putaran awal seiring dengan bertambahnya putaran. Dimana hal ini sesuai dengan rumus :
MEP =
0,45. Neo. z Vd .n.i
[kg/cm]
dimana Neo = k . Ne ; Ne =
MEP =
T .n
716,2
0,45.k .T .n. z Vd .n.i
Dapat dilihat dari rumus diatas bahwa tekanan efektif rata-rata dipengaruhi oleh Torsi (T). Dengan naiknya torsi (T) seiring bertambahnya putaran sampai pada putaran 1950 rpm, maka grafik tekanan efektif rata-rata juga naik pula. Sedangkan pada putaran akhir 2100 rpm grafik cenderung menurun disebabkan karena nilai Torsi (T) yang mengalami penurunan, dapat dilihat pada Gambar 4.1.
60
4.3.4 Hubungan antara Putaran terhadap Spesific F uel Consumption (SFC)
) C F S(
no it p mu sn o Cl eu F cif is ep S pa d a hr et na ra t u P ar at na na g n u b u H ki fa r G 4. 4 ra b ma G
61
Gambar 4.4 merupakan grafik hubungan antara putaran dengan Spesific Fuel Consumption (SFC). Dari grafik ini dapat diambil kesimpulan yang berhubungan dengan adalah sebagai berikut :
Hubungan Putaran dan Spesific Fuel Consumption Effective (SFCe) Pemakaian bahan bakar spesifik efektif berarti pemakaian bahan bakar untuk setiap daya efektif (Ne). Dari grafik hubungan putaran dan specific fuel consumption effective telihat bahwa grafik cenderung konstan. Hal ini dikarenakan meningkatnya konsumsi bahan bakar juga diikuti dengan meningkatnya daya efektif (Ne) seiring dengan bertambahnya putaran yang dapat dilihat pada lampiran tabel perhitungan. Hal ini sesuai dengan rumus :
SFCe =
FC Ne
[kg/PS.jam]
Hubungan Putaran dan Spesific Fuel Consumption Indicated (SFCi) Dari grafik hubungan putaran dengan SFCi terlihat bahwa grafik cenderung meningkat seiring meningkatnya putaran. Hal ini dikarenakan konsumsi bahan bakar (FC) meningkat, dan daya indikatif (Ni) menurun seiring meningkatnya putaran yang dapat dilihat pada lampiran tabel perhitungan. Dimana FC sebagai pembilang dan Ni sebagai penyebut, sesuai dengan rumus berikut :
SFCi =
FC [kg/PS.jam] Ni
Letak grafik Spesific Fuel Consumption Indicated (SFCi) selalu di bawah Spesific Fuel Consumption Effective (SFCe). Hal ini disebabkan oleh harga Ni > Ne yang dapat dilihat pada Gambar 4.2, sesuai dengan rumus :
Ni Ne Nf
62
4.3.5 Hubungan antara Putaran terhadap Efisiensi
is ne is if E pa d a hr et na ra t u P ar at na na g n u b u H ki fa r G 5. 4 ra b ma G
63
Gambar 4.5 merupakan grafik hubungan antara putaran dengan efisiensi. Dari grafik tersebut dapat diambil kesimpulan yang berhubungan dengan ( ηi) , (ηm), (ηe) dan (ηv) adalah sebagai berikut :
Grafik hubungan antara putaran dan Efisiensi Thermal Indikatif (ηi) Dari grafik hubungan antara putaran dan efisiensi thermal indikatif dapat dilihat bahwa grafik mengalami penurunan. Hal ini disebabkan karena efisiensi thermal efektif (ηi) dipengaruhi oleh Daya Indikatif (Ni) dan panas hasil pembakaran (Qb), semakin tinggi putaran maka nilai Qb akan semakin meningkat dan nilai daya indikatif (Ni) semakin menurun seiring dengan bertambahnya nilai putaran (n) yang dapat dilihat pada Gambar 4.2 dan lampiran tabel perhitungan, sehingga membuat nilai ηi
semakin lama makin turun dimana sesuai dengan
rumus :
ηi =
N i Qb
x 632 x 100 %
Grafik hubungan antara putaran dan Efisiensi Mekanis (ηm) Dari grafik hubungan antara putaran dan efisiensi mekanis terlihat bahwa grafik mengalami kenaikan. Hal ini disebabkan karena kenaikan daya efektif (Ne) dan diikuti dengan penurunan daya indikatif (Ni) seiring bertambahnya putaran (n) yang dapat dilihat pada Gambar 4.2. Dimana sesuai dengan rumus :
ηm =
N e N i
x 100 %
Grafik hubungan antara putaran dan Efisiensi Thermal Efektif (ηe) Dari grafik hubungan antara putaran dan efisiensi thermal efektif terlihat bahwa grafik cenderung konstan. Hal ini disebabkan karena kenaikan daya efektif (Ne) dan juga diikuti kenaikan panas hasil pembakaran (Qb) yang cenderung seimbang seiring bertambahnya putaran. Hal ini sesuai dengan rumus :
64
ηe =
N e Qb
x 100 %
Grafik hubungan antara putaran dan Efisiensi Volumetrik (ηv) Dari grafik hubungan antara putaran dengan efisiensi volumetrik ( ηv) terlihat bahwa grafik mengalami penurunan. Hal ini disebabkan karena pada saat mesin berada pada putaran yang tinggi, pergerakan torak akan semakin cepat. Fenomena ini akan menyebabkan katup isap akan semakin cepat untuk terbuka dan tertutup, sehingga menyebabkan waktu untuk udara mengalir masuk menuju silinder akan semakin kecil hal ini dibuktikan dengan menurunnya massa alir udara masuk yang dapat dilihat pada lampiran tabel perhitungan. Secara matematis rumusnya adalah sebagai berikut :
ηv
Gs. z .60
x100%
a .n.Vd .i
65
4.3.6 Hubungan antara Putaran terhadap Neraca Panas
sa na P ac ar e N pa d a hr et na ra t u P ar at na na g n u b u H ki fa r G 6. 4 r a b ma G
66
Gambar 4.6 merupakan grafik hubungan antara putaran dengan jenis-jenis panas. Dari grafik ini dapat diambil kesimpulan yang berhubungan dengan (Qb), (Qe), (Qeg), (Qw) dan (Qpp) adalah sebagai berikut :
Grafik hubungan putaran dan panas hasil pembakaran (Qb) Dari grafik hubungan antara putaran dan hasil pembakaran (Qb) terlihat bahwa grafik mengalami kenaikan seiring dengan bertambahnya putaran. Hal ini dikarenakan semakin tinggi putaran maka waktu untuk melakukan satu siklus semakin cepat, sehingga konsumsi bahan bakar meningkat yang menyebabkan nilai Qb juga meningkat. Pada putaran 2000-2100 rpm grafik mengalami penurunan, hal ini disebabkan karena konsumsi bahan bakar yang menurun yang menyebabkan nilai Qb menurun pula. Kenaikan dan penurunan konsumsi bahan bakar dapat dilihat pada lampiran tabel perhitungan. Dimana sesuai dengan rumus : Qb
FC . LHV bahanbakar [kcal/jam]
Grafik hubungan putaran dan panas yang menjadi daya efektif (Qe) Dari grafik hubungan antara putaran dan panas yang menjadi daya efektif (Qe) terlihat bahwa grafik mengalami kenaikan. Grafik mengalami kenaikan disebabkan karena nilai daya efektif (Ne) yang semakin besar, dapat dilihat pada Gambar 4.2. Meningkatnya nilai daya efektif (Ne) disebabkan karena daya yang hilang akibat gesekan menurun yang dapat dilihat pada Gambar 4,2, dimana rumusnya adalah sebagai berikut :
Qe Ne.632 [kcal/jam]
Grafik hubungan putaran dan panas yang terbawa gas buang (Qeg) Dari grafik hubungan antara putaran dan panas yang terbawa oleh gas buang (Qeg) dapat dilihat bahwa grafik mengalami kenaikan sampai pada putaran 2000 rpm dan menurun pada putaran 2100 rpm.. Hal ini disebabkan karena nilai Qeg yang dipengaruhi oleh nilai Gg yang semakin meningkat akibat konsumsi bahan bakar dan massa alir udara yang masuk semakin meningkat seiring bertambahnya putaran yang dapat dilihat pada lampiran tabel perhitungan. Tetapi pada putaran 67
2100 rpm grafik mengalami penurunan yang disebabkan oleh menurunnya selisih temperatur gas buang dengan temperatur udara masuk yang dapat dilihat pada lembar data praktikum. Hal ini sesuai dengan rumus : Qeg
Gg .C pg (Teg Tud ).3600 [kcal/jam]
Gg = Gs +
FC 3600
[kg/s]
2
Gs
=
. . .d
4
2. g . a.( P 1 P 2 ) [ kg/s]
Grafik hubungan putaran dan kerugian panas pendinginan (Qw) Dari grafik hubungan antara putaran dan kerugian panas pendinginan (Qw) dapat dilihat bahwa grafik mengalami kenaikan. Pada saat putaran mesin semakin tinggi, maka panas yang dihasilkan juga akan semakin besar sehingga selisih temperatur air pendinginan saat keluar (Two) dengan temperatur air masuk (Twi) semakin besar yang dapat dilihat pada lembar data praktikum. Hal ini sesuai dengan rumus berikut : Qw
Ww. .Cp. w.(Two Twi) [kcal/jam]
Grafik hubungan putaran dan panas yang hilang karena sebab lain (Qpp) Dari grafik hubungan antara putaran dan panas yang hilang karena sebab lain (Qpp) dapat dilihat bahwa grafik mengalami penurunan. Hal ini disebabkan karena kenaikan Qe, Qeg, dan Qw lebih dominan dari pada kenaikan Qb seiring bertambahnya putaran. Sehingga nilai Qpp akan cenderung menurun seiring bertambahnya putaran. Hal ini sesuai dengan rumus :
Qpp
Qb
Qw Qeg Qe [kcal/jam]
68
4.3.7 Hubungan antara Putaran terhadap Kandungan Gas Buang
g n a u B sa G na g n u d na K pa d a hr et na ra t u P ar at na na g n u b u H ki fa r G 7. 4 r a b ma G
69
Gambar 4.7 merupakan grafik hubungan antara putaran dengan kandungan gas buang. Dimana kandungan gas buang merupakan hasil dari reaksi pembakaran bahan bakar ( Dexlite) dengan udara, dengan reaksi stoikiometri sebagai berikut :
C 12,3 H 22
17,85(O2
3,76 N 2 ) 12,3CO2 11,1 H 2 O 67,116N 2
Dari grafik ini dapat dilihat beberapa kecenderungan dari hubungan tiap gas dengan kandungan gas pada tiap putaran :
CO2 Hubungan putaran dengan kandungan gas CO 2 adalah semakin besar putaran, maka presentase kandungan gas CO 2 nya semakin menurun. Hal ini berarti bahwa semakin besar putaran, maka pembakaran di dalam mesin terjadi tidak sempurna.
O2 Hubungan putaran dengan kandungan gas O 2 adalah semakin besar putaran, maka presentase kandungan gas O2 nya semakin meningkat. Hal ini dikarenakan pada saat putaran tinggi, pergerakan piston semakin cepat sehingga O 2 tidak habis bereaksi dan masih tersisa yang meyebabkan pembakaran kurang sempurna.
CO Hubungan putaran dengan kandungan gas CO adalah semakin besar putaran, maka kandungan gas CO nya semakin meningkat. Hal ini dikarenakan semakin tinggi putaran, pergerakan piston akan semakin cepat sehingga pada saat berlangsungnya reaksi pembakaran atom O belum sempat membentuk ikatan dengan CO.
N2 Dari grafik dapat dilihat bahwa N2 cenderung konstan seiring bertambahnya putaran. Hal ini disebabkan kandungan N 2 yang masuk sama dengan yang keluar, dikarenakan N2 tidak ikut bereaksi. Nilai kandungan N 2 berbeda-beda disetiap putaran dikarenakan volume gas buang selain CO 2, O2, dan CO diasumsikan sebagai N2, padahal selain CO 2, O2, dan CO masih terdapat kandungan bahan bakar yang terbawa gas buang. 70
Dari keempat kadar kandungan, dapat disimpulkan bahwa semakin besar putaran, maka pembakaran yang terjadi akan semakin tidak sempurna. Hal ini ditunjukkan dengan persentase CO yang meningkat seiri ng bertambahnya putaran.
71
4.3.8 Diagram Sankey
% 2 3 , 4 2 = e
Q
% 9 9 , 5 3 = e
Q
= w
Q
% 6 4 , 8 = p p
Q m a j / l a c m k a m 8 m j a m / j 6 a l a / , j a j l / c 5 / a l m 9 l a a k c a j 8 c 0 k c / 6 k 9 4 k l 1 4 2 9 7 a c 1 8 0 3 0 k , , , = 7 6 7 , 9 5 4 1 7 4 m 4 2 4 3 2 c 8 4 9 0 1 8 1 5 1 4 2 1 : a = = = = = l a p g k b e p e w S Q Q Q Q Q
m p r 0 0 8 1 n a r a t u P
% 0 0 1 = b Q
ye k na S ma r ga i D 8. 4 ra b ma G
72
Diagram Sankey menjelaskan tentang keseimbangan panas yang masuk, panas yang dimanfaatkan, dan panas yang terbuang pada saat pembakaran di mesin. Panas hasil pembakaran (Qb) pada putaran 1900 rpm adalah 68697,39 kcal/jam kemudian terbagi menjadi panas yang menjadi daya efektif (Qe), panas yang hilang akibat pendinginan (Qw), panas yang terbawa oleh gas buang (Qeg) dan panas yang hilang karena sebab-sebab lain (Qpp). Pada Diagram Sankey nilai daya efektif Qe sebesar 15005,81 kcal/jam (21,84%) seharusnya jika berdasarkan teori, besar presentase adalah 30-45%. Jelas disini terjadi penyimpangan yang disebabkan karena adanya kerugian panas yang hilang akibat Qw dan Qpp. Pada Diagram Sankey, nilai Qpp yang sebesar 9306,08 kcal/jam (13,88%) ini lebih besar daripada teorinya yang hanya sebesar 4-11%. Hal tersebut terjadi karena hilangnya panas karena sebab-sebab lain yang meliputi instrumen tambahan pada mesin diesel. Yang meliputi peralatan tambahan seperti alternator, pompa air pendingin, dan panas-panas lain yang hilang akibat gesekan besar pada bearing , poros engkol, serta gesekan yang terjadi pada piston dan silinder. Selain itu juga kualitas pelumasan yang kurang baik juga dapat membuat Qpp lebih besar dari teorinya. Pada Diagram Sankey, nilai Qeg sebesar 22575,50 kcal/jam (32,86%) lebih kecil daripada presentase teoritisnya yaitu 34-40%. Hal ini terjadi karena panas banyak berpindah secara konveksi ke dalam air pendinginan. Selain itu, kerak (kotoran) juga berpengaruh terhadap besarnya Qeg aktual, karena dengan adanya kerak pada saluran buang maka akan menyebabkan tidak lancarnya aliran panas yang keluar dari silinder dan dapat kembali lagi menuju silinder. Pada Diagram Sankey, nilai Qw sebesar 21580 kcal/jam (31,42%) seharusnya jika berdasarkan teori, besar presentase adalah 11-25%. Terlihat bahwa terjadi penyimpangan, hal ini dikarenakan pada saat pembakaran terjadi menghasilkan panas yang lebih besar dan panas di ruang bakar banyak yang pindah ke air pendinginan secara konveksi akibat debit air pendinginan yang tinggi.
73
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan
Berdasarkan praktikum motor bakar yang telah dilakukan dan berdasarkan analisa grafik, dapat diambil kesimpulan bahwa kenaikan putaran berpengaruh pada: 1.
Torsi yang bertambah seiring dengan pertambahan besar putaran namun menurun ketika mencapai putaran tertentu sebab semakin cepat putaran gesekan antra piston dengan dinding silinder semakin besar sehingga torsi menurun. Dan karena gaya kelembaman yang semakin besar.
2.
Daya indikatif dan daya mekanis semakin menurun seiring dengan pertambahan putaran. Sedangkan Daya efektif meningkat seiring dengan pertambahan putaran.
3.
Seiring bertambahnya putaran nilai Mean Effective Pressure (MEP) cenderung naik, lalu menurun setelah melewati putaran maksimumnya. Hal ini dikarenakan Mean Effective Pressure (MEP) dipengaruhi oleh Torsi (T).
4. Nilai
SFCi
(Specific
Fuel
Consumption
Indicated )
meningkat
seiring
bertambahnya putara. Sedangkan nilai SFCe (Specific Fuel Consumption Effective) cenderung konstan seiring bertambahnya putaran. 5. Nilai Efisiensi Thermal Indikatif dan Efisiensi Volumetris mengalami penurunan seiring dengan bertambahnya putaran dan nilai Efisiensi Mekanis meningkat seiring bertambahnya putaran. Sedangkan nilai Efisiensi Thermal Efektif cenderung konstan seiring dengan bertambahnya putaran. 6.
Dengan bertambahnya putaran maka: a. Grafik hubungan antara panas hasil pembakaran (Qb) dengan putaran cenderung mengalami kenaikan sampai pada putaran 1900 rpm dan mengalami penurunan pada putaran 2000-2100 rpm. b. Grafik hubungan antara panas yang menjadi daya efektif (Qe) dengan putaran cenderung mengalami kenaikan. c. Grafik hubungan antara panas yang terbawa gas buang (Qeg) dengan putaran cenderung mengalami kenaikan hingga putaran 2000 rpm dan turun pada putaran 2100 rpm. 74
