DASAR TEORI 1. Klasifikasi Motor Bakar Motor bakar dapat diklasifikasikan menjadi 2 (dua) macam. Adapun pengklasifikasian motor bakar adalah sebagai berikut: a.
Berdasar Sistem Pembakarannya
a).
Mesin bakar dalam Pada mesin pembakaran dalam fluida kerja yang dihasilkan pada mesin itu sendiri, sehingga gas hasil pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida. Contoh : mesin pembakaran dalam yaitu motor bakar torak misalnya motor 2 tak dan motor 4 tak.
b).
Mesin bakar luar Pada mesin pembakaran luar fluida kerja yang dihasilkan terdapat di luar mesin tersebut. Energi thermal dan gas hasil pembakaran dipindahkan ke dalam mesin melalui beberapa dinding pemisah. Hal-hal yang dimiliki pada mesin pembakaran luar yaitu : a.
Dapat memakai semua bentuk bahan bakar.
b.
Dapat memakai bahan bakar bermutu rendah. c.
Cocok untuk melayani beban-beban besar dalam satu poros.
d.
Lebih cocok dipakai untuk daya tinggi. Contoh : mesin pembakaran luar yaitu pesawat tenaga uap, pelaksanaan pembakaran bahan bakar dilakukan diluar mesin.
b. a).
Berdasar Sistem Penyalaan Motor bensin Motor bensin dapat juga disebut sebagai motor otto. Motor tersebut dilengkapi dengan busi dan karburator. Busi
menghasilkan loncatan bunga api listrik yang membakar campuran
bahan
bakar
dan
udara
karena
motor
ini
cenderung disebut spark ignition engine. Pembakaran bahan bakar dengan udara ini menghasilkan daya. Di dalam siklus otto (siklus ideal) pembakaran tersebut dimisalkan sebagai pemasukan panas pada volume konstanta. b).
Motor diesel Motor diesel adalah motor bakar torak yang berbeda dengan
motor
bensin.
Proses
penyalaannya
bukan
menggunakan loncatan bunga api listrik. Pada waktu torak hampir mencapai titik TMA bahan bakar disemprotkan ke dalam ruang bakar. Terjadilah pembakaran pada ruang bakar
pada
saat
bertemperatur
udara
tinggi.
udara
Persyaratan
dalam ini
silinder dapat
sudah
terpenuhi
apabila perbandingan kompresi yang digunakan cukup tinggi, yaitu berkisar 12-25. (Wiranto Arismunandar, 1988: 89) 1.2. Prinsip Kerja Motor Bakar Torak Berdasarkan prinsipnya, terdapat 2 (dua) prinsip kerja motor bakar torak, yaitu : 4 (empat) langkah dan 2 (dua) langkah. Adapun prinsip kerja motor bakar
4 (empat) langkah dan 2 (dua) langkah
adalah sebagai berikut: 1.2.1.
Prinsip Kerja Motor Bakar 4 (empat) Langkah Motor bakar 4 (empat) langkah adalah bila 1 (satu) kali
proses pembakaran bahan bakar memerlukan 4 (empat) langkah gerakan piston dan 2 (dua) kali putaran poros engkol. Siklus motor bakar 4 (empat) langkah adalah sebagai berikut : a). Langkah Hisap Proses yang terjadi pada langkah isap adalah :
1.
Torak bergerak dari TMA ke TMB. 2. Katup masuk terbuka, katup buang tertutup. 3.
Campuran bahan bakar dengan udara yang telah
tercampur
di dalam karburator, masuk kedalam silinder
melalui katup masuk. 4.
Saat torak berada di TMB katup masuk akan
tertutup. b). Langkah Kompresi Proses yang terjadi pada langkah kompresi adalah : 1.
Torak bergerak dari TMB keTMA. 2.
Katub
masuk
dan
katup
buang
kedua-duanya
tertutup sehingga gas yang telah dihisap tidak keluar pada waktu di tekan oleh torak yang mengakibatkan tekanan gas akan naik. 3.
Beberapa saat sebelum torak mencapai TMA busi
mengeluarkan bunga api listrik. 4.
Gas bahan bakar yang telah mencapai tekanan tinggi
terbakar. 5.
Akibat pembakaran bahan bakar, tekanannya akan
naik menjadi kira-kira tiga kali lipat. c). Langkah Kerja / Ekspansi Proses yang terjadi pada langkah Kerja (ekspansi) adalah : 1.
Saat ini kedua katup masih dalam keadaan tertutup. 2.
Gas terbakar dengan tekanan yang tinggi akan
mengembang kemudian menekan torak turun ke bawah dari TMA ke TMB. 3.
Tenaga ini disalurkan melalui batang penggerak,
selanjutnya oleh poros engkol diubah menjadi gerak berputar. d). Langkah Buang Proses yang terjadi pada langkah buang adalah :
1.
Katup buang terbuka, katup masuk tertutup.
2.
Torak bergerak dari TMB ke TMA.. 3.
Gas hasil sisa pembakaran akan terdorong oleh torak
ke luar melalui katup buang. Kerja motor bakar 4 (empat) langkah dapat dilihat pada (gambar 2.3.) berikut :
Gambar 1.1. Prinsip kerja motor 4 (empat) langkah (Wiranto Arismunandar, 2002)
1.2.1.
Motor Bensin 2 (dua) Langkah Motor bensin 2 (dua) langkah adalah mesin yang proses
pembakarannya setiap siklus terdiri dari 2 (dua) langkah piston atau 1 (satu) kali putaran poros engkol. Piston yang bergerak naik dari titik mati bawah ke titik mati atas menyebabkan saluran bilas dan saluran buang akan tertutup. Dalam hal ini gas yang
berada
dalam
ruang
pembakaran
dikompresikan.
Sementara itu gas yang baru masuk ke ruang engkol, beberapa derajat sebelum piston mencapai titik mati atas, busi akan
meloncatkan bunga api sehingga akan terjadi pembakaran bahan bakar. Prinsip kerja dari motor 2 (dua) langkah tersebut adalah sebagai berikut : a). Langkah Pengisapan Proses yang terjadi pada langkah isap adalah : 1.
Torak bergerak dari TMA ke TMB 2.
Pada saat saluran bilas masih tertutup torak, di
dalam bak
mesin terjadi kompresi terhadap campuran
bensin dengan udara. 3. Diatas torak, gas sisa pembakaran dari hasil pembakaran sebelumnya sudah mulai terbuang keluar melalui saluran buang. 4.
Saat saluran bilas sudah terbuka, campuran bensin dengan udara mengalir melalui saluran bilas terus masuk kedalam ruang bakar.
b).
Langkah Kompresi Proses yang terjadi pada langkah kompresi adalah :
a.
Torak bergerak dari TMB ke TMA. b.
Rongga bilas dan rongga buang tertutup, terjadi
langkah kompresi dan setelah mencapai tekanan tinggi busi memercikan bunga api listrik untuk membakar campuran bensin dengan udara. c.
Pada saat yang bersamaan, di bawah (di dalam
bak mesin) bahan bakar yang baru masuk kedalam bak mesin melalui saluran masuk. c). Langkah Kerja / Ekspansi Proses yang terjadi pada langkah Kerja (ekspansi) adalah : 1. Torak kembali dari TMA ke TMB akibat adanya tekanan besar yang terjadi pada waktu pembakaran bahan bakar.
1.
Saat itu torak turun sambil mengkompresi bahan
bakar baru di dalam bak mesin. d). Langkah Buang Proses yang terjadi pada langkah buang adalah : 1.
Menjelang torak
mencapai TMB, saluran buang
terbuka dan gas sisa pembakaran mengalir terbuang keluar. 2.
Pada saat yang sama bahan bakar baru, masuk
kedalam ruang bahan bakar melalui rongga bilas. 3.
Setelah mencapai TMB
kembali, torak mencapai
TMB untuk mengadakan langkah sebagai pengulangan dari yang dijelaskan sebelumnya. Kerja motor bakar 2 (dua) langkah dapat dilihat pada (gambar 2.4.) berikut :
Gambar 1. 2. Prinsip kerja motor 2 (dua) langkah (Arends BPM; H Berenschot, 1980)
1.3 Sistem Penyalaan pada Motor Bensin Untuk
membangkitkan
loncatan
listrik
antara
kedua
elektroda busi diperlukan perbedaan tegangan yang cukup besar, besarnya tergantung dari beberapa factor berikut : Perbandingan campuran bahan bakar udara Kepadatan campuran bahan bakar udara Jarak antara kedua elektroda serta bentuk elektroda Jumlah melekul campuran yang terdapat diantara kedua alektroda Temperatur campuran dan kondisi operasi yang lain Perbandingan ampuran bahan bakar – udara dapat berkisar antara 0,06 – 0,12 untuk menyalakan campuran bahan bakar udara yang miskin diperlukan perbedaan tegangan yang relative besar dari pada untuk campuran yang kaya. Berikut adalah diagram hubungan antara bahan bakar-udara dengan tegangan.
Gambar 1.3. Hubungan antara perbandingan bahan bakar-udara dengan tegangan yang diperlukan busi (Wiranto Arismunandar, 2002)
Pada umumnya
disediakan tegangan yang lebih besar untuk
menjamin agar terjadi loncatan bunga api listrik di dalam segala keadaan misalnya, antara 10000 – 20000 volt. Hal ini engingat juga akan kondisi yang berubah sebagai akibat keausan mesin yang tidak dapat di hindari. Makin padat campuran bahan bakar – udara makin tinggi tegangan yang diperlukanya untuk jarak electrode yang sama. Karena itu diperlukan tegangan yang leih tinggi bagi motor dengan kompresi yang lebih besar terutama apabila tekanan campuran yang masuk silinder itu tinggi dan loncatan listrik ditentukan pada waktu torak berada lebih dekat pada TMA. Makin besar jarak elektroda busi makin besar pula perbedaan tegangan yang diperlukan untuk memperoleh intensitas bunga api listrik yang sama. Jumlah minimum yang harus ada diantara kedua elektroda pada waktu terjadi loncatan listrik sangat menentukan apakah penyalaan dapat berlangsung sebaik baiknya. Karena jumlah melekul banyak bergantung pada perbandingan campuran, jumlah gas tersisa, temperature, dan kondisi operasi lain, jelas jumlah tersebut dapat berubah ubah. Dengan memperbesar jarak elektroda diharapkan jumlah minimum iti dapat tercapai walaupun keadaan operasinya berubah ubah akan tetapi
,
jarak
electrode
tegangan
yang
terlalu
tinggi
tidak
menguntungkan. Tegangan yang tinggi memerlukan kabel listrik yang diisolasi secara cermat sehingga harganya mahal. Intensitas bunga api listrik juga ditentukan oleh jarak antara kedua elektroda busi. Jarak elektroda optimum adalah antara 0,6 – 0,8 mm. selain itu penentuan tempat busi diruang bakar juga penting. Loncatan bunga api listrik tidak boleh terjadi ditempat lain kecuali diantara kedua electrode busi.
Supaya selalu dapat campuran bahan bakar udara
yang mudah terbakar diantara kedua electrode , tempat yang terbaik untuk busi adalah dekat kepada katup isap. Akan tetapi dari kemungkinan terjadinya detonasi , sebaiknya busi ditempatkan pada bagian yang terpanas misalnya dekat pada katup buang.
1.3.1.
Sistem Penyalaan Baterai Sitem penyalaan konvensional terdiri dari sebuah baterai
sebagai
sumber
energi
listrik,
kontak
penyalaan,
kumparan
penyalaan, tahanan (tidak perlu selalu diperlukan), distributor (didalamnya terdapat pemutus arus, kam, kondensor, rotor dan alat pengatur saat penyalaan ) busi, serta kabel kabel tegangan tinggi dan rendah.
Gambar 1.4. Sistem penyalaan baterai (Wiranto Arismunandar, 2002) Kumparan penyalaan terdiri dari dua bagian yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder. Kumparan primer mengandung kurang lebih 100 sampai 180 lilitan (Np) kawat tembaga halus: kumparan sekunder mengandung kurang lebih 18000 lilitan (Ns) kawat tembaga yang berdiameter lebih kecil. Pada umumnya Ns/Np berkisar antara 100 sampai 130 tetapi dapat juga antara 200-250 jika dipergunakan transistor sebagai pengganti pemutus arus (dengan Np yang lebih kecil). Tahanan R mengatur arus primer agar jangan naik terlalu tinggi. Ada kala dipasang
tahanan yang peka terhadap perubahan temperature yaitu yang bertambah besar
jika temperature naik. Gunanya untuk
mencegah arus primer yang terlalu besar pada putaran rendah yaitu pada waktu titik kontak penutup arus
menutup dalam
waktu yang relatif lama. a)
Cara kerja sistem penyalaan Pada waktu saat start kontak penyalaan dalam keadaan tertutup sedangkan kam dan rotor berputar sesuai putaran mesin. Pada waktu pemutus arus menutup arus listrik dari baterai
mengalir
membangkitkan
melalui medan
kumparan
magnet.
primer
Medan
P
dan
magnet
ini
memotong kumparan primer dan dan menginduksi back emf, yang menentang arus listrik baterai sehingga memperlambat kenaikan kekuatan medan magnet itu sendiri. Dengan demikian
arus primer dan kekuatan medan magnet yang
maksimum sangat bergantung pada lamanya pemutus arus pada keaadaan tertutup jadi bergantung pada kecepatan kontur kam. Pada waktu kontur membuka karna adanya kondensor
arus primer akan segera terputus , kekuatan
medan magnet pun akan segera menurun disusul oleh arus primer, yang semula melalui kontak pemutus arus mengalir menuju
kondensor.
Dengan
demikian
muatan
listrik
kondensor bertambah (CE) tetapi segera menurun kembali (EF). Terjadilah arus bolak balik didalam kumparan sekunder (CFGH dan seterusnya) yang mengubah energy magnet menjadi energy listrik dalam kumparan sekunder. Timbul pula tegangan yang sangat tinggi (antara 10.000 – 20.000 volt). Sementara itu kabel kumparan sekunder oleh rotor disambungkan dengan kondensor
kabel busi. Seandainya tidak ada
/ kondensor rusak maka pada
waktu pemutus
arus terbuka , arus primer tidak dapa tdiputuskan dengan cepat
akibatnya
loncatan
listrik
terjadi
antara
kedua
electrode busi. Campuran bahan bakar udara pun tidak berhasil dinyalakan.
1.3.2 Sistem Bahan Bakar Di dalam motor bensin selalu kita harapkan bahan bakar dan udara itu sudah bercampur dengan baik sebelum dinyalakan oleh busi. Banyak cara memperoleh campuran yang baik itu salah satunya dengan karburator. Berikut skema penyaluran bahan bakar dengan karburator.
Gambar 1.5. Skema suatu sistem penyaluran bahan bakar (Wiranto Arismunandar, 2002) Bahan bakar dari tangki penampungan dipompa kan menuju karburator melewati filter (saringan) , ketika torak melakukan langkah isap udara atmosfer terhisap melewati saringan
dan
melewati venturi sehingga kecepatan naik dan tekanan turun menyebabkan bahan bakar pada penampungan karburator terhisap dan bercampur dengan udara atmosfir mengalir masuk kesilender tempat pembakaran.
Gambar 1.6. Katup gas dalam keadaan tertutup tanpa beban (Wiranto Arismunandar, 2002) Keterangan : 1. Udara atmosfir 2. Saluran bahan bakar tanpa beban 3. Pelampung 4. Bahan bakar masuk dari tangki 5. Campuran bahan bakar – udara melalui saluran isap 6. Saluran ventilasi tanpa beban 7. Saluran udara tanpa beban 8. Skrup pengatur tanpa beban 9. Saluran campuran tanpa benban 10. Cadangan tanpa beban 11. Orifis pengatur tanpa beban 12. Nosel tanpa beban 13. Katup gas
Gambar 1.7. Katup gas terbuka penuh (Wiranto Arismunandar, 2002) Keterangan : 1. Udara atmosfir 2. Tabung tekan 3. Pelampung 4. Bahan bakar masuk 5. Orifis pengatur bahan bakar 6. Campuran bahan bakar – udara melalui saluran isap 7. Nosel 8. Venturi 9. Katup gas
Gambar 1.8. Perbandingan bahan bakar udara dengan pembukaan katup gas (Wirannto Arismunandar, 2002 Dari grafik diatas dapat disimpulkan bahwa campuran yang kaya diperlukan dalam keadaan tanpa beban dan beban penuh. Campuran miskin diperlukan ketika normal operasi, campuran berkisar 0,06 – 0,12. 1.4
Sistem Bahan Bakar Motor Disel Ada tiga sistem penyaluran bahan bakar yang sering dipakai yaitu : 1. Sistem pompa pribadi 2. Sistem pompa distribusi 3. Sistem akumulator
a.
Sistem pompa pribadi
Gambar 1.9. Skema sistem pompa pribadi (Wirannto Arismunandar, 2002 Sistem pompa pribadi menggunakan satu pompa tekanan tinggi untuk stiap silindernya, jadi setiap penyemprot dilayani oleh satu pompa tekanan tinggi. Pompa ini adalah pompa plunyer yang
dilengkapi dangan peralatan pengatur kapasitas daya yang diperlukan untuk menggerakkan pompa diambil dari daya yang dihasilkan oleh mesin itu sendiri.
Kekurangan dari sistem ini
konstruksi rumit, dan harganya lebih mahal, dan perawatan lebih susah. b.
Sistem pompa distribusi
Gambar 1.10. Skema sistem pompa distribusi (Wirannto Arismunandar, 2002 Sistem pompa distribusi menggunakan satu pompa tekanan tinggi dan mengalirkanya masuk dalam distributor, distributor adalah alat untuk membagi bahan bakar kedalam setiap penyemprot sesuai dengan urutan yang telah ditentukan. Jadi fungsinya ekivalen dengan fungsi distributor pada motor bensin.
Pompa
tekanan tinggi pada sistem distributor dilengkapi dengan alat pengatur kapasitas. Kekurangan dari sistem ini kerja pompa lebih berat ketika
harus melayani silinder dalam jumlah banyak dan
tekanan pompa tidak konstan karena sesuai dengan putaran mesin. c.
Sistem pompa akumulator
Gambar 1.11. Skema sistem pompa akumulator (Wirannto Arismunandar, 2002 Sistem pompa akumulator menggunakan satu pompa tekanan tinggi
dan
mengalirkanya
masuk
dalam
akumulator,
yang
dilengkapi dengan katup pengatur tekanan sehingga tekanan bahan bakar dalam akumulator dapat konstan. Apabila tekanan tersebut lebih besar dari yang ditentukan, katup pengatur akan terbuka dan bahan bakar akan mengalir kembali pada pipa hisap dari pompa tekanan tinggi. Dari akumulator bahan bakar mengalir ke dalam alat pengatur kapasitas, baru kemudin ke penyemprot lalu
masuk
kedalam
silinder
sesuai
dengan
urutan
yang
ditetepkan. Kekurangan dari sistem ini kerja pompa lebih berat ketika harus melayani silinder dalam jumlah banyak akan tetapi tekanan pompa konstan karena dilengkapi dengan pengatur tekanan, harga lebih murah dan konstruksi lebih mudah sehingga biaya perawatan murah. 1.4.1 Penyemprot bahan bakar Penyemprot bahan bakar ke dalam
silinder dilakukan dengan
mempergunakan sebuah alat yang dinamai penyemprot bahan
bakar. Disamping peralatan lain yang diperlukan, bahan bakar yang disemprotkan itu harus habis terbakar sesuai dengan prestasi yang diharapkan . dapat dikatakan fungsi penyemprotan bahan bakar adalah : 1. Memasukan bahan bakar kedalam silinder sesuai dengan kebutuhan 2. Mengabutkan bahan bakar sesuai dengan derajat pengabutan yang diminta 3. Mendistribusikan
bahan
bakar
untuk
memperoleh
pembakaran yang sempurna dalam waktu yang ditentukan Tekanan udara didalam silinder sangat tinggi (35-50 atm)ketika bahan
bakar
disemprotkan.
Dengan
sendirinya
tekanan
penyemprotan haruslah lebih tinggi dari tekanan udara tersebut. Kelebihan tekanan juga diperlukan untuk memperoleh kecepatan penyemprotan(kecepatan bahan bakar keluar dari penyemprot) tertentu, yaitu sesuai dengan derajat pengabutan yang diinginkan. Berikut adalah gambar penyemprot bahan bakar.
Gambar 1.12. Nosel katup jarum (Wirannto Arismunandar, 2002 Keterangan: 1. Saluran bahan bakar masuk 2. Gaya pegas 3. Katup 4. Ruang tekan
Parameter Prestasi Mesin. Pada umumnya performance atau prestasi mesin bisa diketahui membaca dan menganalisis parameter yang ditulis dalam sebuah laporan atau media lain. Biasanya kita akan mengetahui daya, torsi, dan bahan bakar spesifik dari mesin tersebut. Parameter itulah yang menjadi pedoman praktis prestasi sebuah mesin. Parameter prestasi mesin dapat dilihat dari berbagai hal diantara yang terdapat dalam diagram sebagai berikut : Parameter Prestasi Mesin Torsi
Daya
Laju Konsumsi Bahan Bakar Konsumsi Bahan Bakar Spesifik
Efisiensi Bahan Bakar Gambar . Diagram Alir Prestasi Mesin Secara umum daya berbanding lurus dengan luas piston sedang torsi berbanding lurus dengan volume langkah. Parameter tersebut relatif penting digunakan pada mesin yang berkemampuan kerja dengan variasi kecepatan
operasi
dan
tingkat
pembebanan.
Daya
maksimum
didefinisikan sebagai kemampuan maksimum yang bisa dihasilkan oleh suatu
mesin.
Adapun
torsi
poros
pada
kecepatan
tertentu
mengindikasikan kemampuan untuk memperoleh aliran udara (dan juga bahan bakar) yang tinggi kedalam mesin pada kecepatan tersebut.
Sementara suatu mesin dioperasikan pada waktu yang cukup lama, maka konsumsi bahan bakar suatu efisiensi mesinnya menjadi suatu hal yang dirasa sangat penting. (Heywood, 1988 : 823).
Gambar . Pengetesan Prestasi Mesin Untuk memperoleh daya maksimum dari suatu operasi hendaknya komposisi gas pembakaran dari silinder (komposisi gas hasil pembakaran) dibuat seideal mungkin, sehingga tekanan gas hasil pembakaran bisa maksimal menekan torak dan mengurangi terjadinya detonasi. Komposisi bahan bakar dan udara dalam silinder akan menentukan kualitas pembakaran dan akan berpengaruh terhadap performance mesin dan emisi gas buang. Sebagaimana telah kita ketahui sebagai bahan bakar motor bensin terutama yang mengandung unsur-unsur karbon dan hidrogen yang dikenal dengan 3 (tiga) teori mengenai pembakaran hidrogen tersebut. 1.
Hidrokarbon terbakar bersama-sama dengan oksigen
sebelum karbon bergabung dengan oksigen. 2. Karbon terbakar lebih dahulu daripada hidrogen.
Senyawa
3.
hidrokarbon
terlebih
dahulu
bergabung
dengan oksigen dan membentuk senyawa (hidrolisasi) yang kemudian dipecah secara terbakar. Dalam sebuah mesin terjadi beberapa tingkatan pembakaran yang digambarkan dalam sebuah grafik dengan hubungan antara tekanan dan perjalanan
engkol.
Berikut
adalah
gambar
dari
grafik
tingkatan
pembakaran :
Gambar . Tingkat pembakaran dalam sebuah mesin (Maleev.V.L, 1995 : 160) Proses atau tingkatan pembakaran dalam sebuah mesin terbagi menjadi empat tingkat atau periode yang terpisah. Periode-periode tersebut adalah : 1. Keterlambatan pembakaran (Delay Periode) Periode pertama dimulai dari titik 1 yaitu mulai disemprotkannya bahan bakar sampai masuk kedalam silinder, dan berakhir pada titik 2. Perjalanan ini sesuai dengan perjalanan engkal sudut a. Selama periode ini berlangsung tidak terdapat kenaikan tekanan melebihi kompresi udara yang dihasilkan oleh torak. Dan bahan bakar masuk terus menerus melalui nosel. 2. Pembakaran cepat Pada titik 2 terdapat sejumlah bahan bakar dalam ruang bakar, yang dipecah halus dan
sebagian menguap kemudian siap untuk
dilakukan pembakaran. Ketika bahan bakar dinyalakan yaitu pada titik 2, akan menyala dengan cepat yang mengakibatkan kenaikan tekanan mendadak sampai pada titik 3 tercapai. Periode ini sesuai dengan perjalanan sudut engkol b. yang membentuk tingkat kedua. 3. Pembakaran Terkendali Setelah titik 3, bahan bakar yang belum terbakar dan bahan bakar yang masih, tetap disemprotkan (diinjeksikan) pada kecepatan yang tergantung pada kecepatan penginjeksian, serta jumlah distribusi oksigen yang masih ada dalam udara pengisian. Periode inilah yang disebut dengan periode terkendali atau disebut juga pembakaran sedikit demi sedikit yang akan berakhir pada titik
4 dengan
berhentinya injeksi. Selama tingkat ini tekanan dapat naik, konstan ataupun turun. Periode ini sesuai dengan pejalanan engkol sudut c, dimana sudut c tergantung pada beban yang dibawa beban mesin, semakain besar bebannya semakin besar c. 4. Pembakaran pasca (after burning) Bahan bakar sisa dalam silinder ketika penginjeksian berhenti dan akhirnya terbakar. Pada pembakaran pasca tidak terlihat pada diagram, dikarenakan pemunduran torak mengakibatkan turunnya tekanan meskipun panas ditimbulkan oleh pembakaran bagian akhir bahan bakar. Dalam pembakaran hidrokarbon yang biasa tidak akan terjadi gejala apabila memungkinkan untuk proses hidrolisasi. Hal ini hanya akan terjadi bila pencampuran pendahuluan antara bahan bakar dengan udara mempunyai waktu yang cukup sehingga memungkinkan masuknya oksigen ke dalam molekul hidrokarbon.
Gambar . kurva dampak perbandingan campuran terhadap prestasi motor (prestasi dengan campuran yang bervariasi dari ½ beban pada kecepatan menengah). Kurva diatas menunjukan hubungan antara pemakaian bahan bakar dengan kinerja
(performance)
yang
dihasilkan
pada
berbagai
perbandingan
campuran. kurva menunjukan bahwa pada beban menengah perbandingan campuran sekitar 16:1. Pada beban maksimum perbandingan campuran (1213):1. Disini seluruh udara dipergunakan untuk pembakaran, dan jumlah udara yang masuk akan bertambah bila suhunya turun akibat penguapan dan bensin suhu gas bekas serta panas spesifik akan naik demikian juga pemisahan thermal lebih kecil bila campuran 15:1.
Gambar . Perbandingan campuran yang dibuuhkan motor Kurva diatas memperlihatkan karburator yang dibuat untuk mengatur agar dapat campuran udara bahan bakar yang gemuk pada beban ringan, dan campuran khusus untuk beban menengah serta campuran gemuk pada beban maksimum, yang disesuaikan dengan pembukaan katup throttle atau percepatan gerakan.
Gambar . Diagram kalau pengapian terlalu cepat atau terlambat
Diagram diatas memperlihatkan keadaan ini secara visual. Grafik 1-2-A-B-C adalah penyalaan yang terlambat dan grafik 1-A-B-B’-B-C adalah penyalaan yang terlalu cepat. Dalam hal terakhir tekanan dan suhu menjadi tinggi antara B dan B’, jadi kehilangan panas dan gesekan menjadi lebih besar dari biasanya. Unjuk Kerja Motor Bakar Pada motor bakar torak, daya yang berguna adalah daya poros, karena daya poros itulah yang mengerakkan beban. Daya poros itu sendiri dibangkitkan oleh
daya
indikator
yang
merupakan
daya
gas
pembakaran
yang
menggerakkan torak. Daya poros yang berputar ditimbulkan oleh bahan bakar yang dibakar dalam silinder yang selanjutnya torak akan menggerakkan semua mekanisme pada motor bakar. Unjuk kerja motor bakar tergantung dari daya poros yang dapat ditimbulkan. Unjuk kerja ini biasanya dinyatakan dalam daya kuda (PS) atau KW persatuan isi langkah. Isi langkah Vi = penampang silinder x langkah (m3) Efisiensi volumetric ηv =jumlah udara yang dihisap dalam satu siklus : jumlah udara yang diisikan dalam silinder Vi pada kondisi atmosfer. Jumlah udara = 1,293 ×
273 tekanan × ×V i( kg ) o 273 + t ( C ) tekanannor mal
Dari formula diatas dapat dilihat kalau suhunya lebih rendah, maka tekanan udara yang masuk lebih besar dan jumlah udara yang akan dihisap lebih besar pula. Sebagai hasil akan dapat dihasilkan daya yang lebih besar pula karena sejumlah bahan bakar akan dapat terbakar dengan baik (Soenarto & Furuhama 1995). Karena itu dalam merancang motor bakar torak, terutama motor diesel, hendaklah diusahakan agar tekanan maksimum dapat dibatasi apabila perbandingan kompresinya hendak dipertinggi.
a. Volume Silinder Volume silinder antara TMA dan TMB disebut volume langkah torak (V1). Sedangkan volume antara TMA dan kepala silinder (tutup silinder) disebut volume sisa (Vs). Volume total (Vt) ialah isi ruang antara torak ketika ia berada di TMB ampai tutup silinder. Vt =V1+Vs ………………..(1) Volume langkah mempunyai satuan yang tergantung pada satuan diameter silinder (D) dan panjang langlah torak (L) biasanya mempunyai satuan centimetercubic (cc) atau cubic inch (cu.in). V1 = luas lingkaran x panjang langkah V1 = π r2 x L 2
V1 = π D × L 1 2
Dengan demikian besaran dan ukuran motor bakar menurut volume silinder tergantung dari banyaknya silinder yang digunakan dan besarnya volume silinder (Kiyuku & Murdhana 1998). b. Perbandingan Kompresi Hasil bagi volume total dengan volume sisa disebut sebagai perbandingan kompresi C=
V1 + Vs V = 1 + 1 ………….(2) Vs Vs
Dimana : V1 = volume langkah torak Vs = volume sisa Jadi, bila suatu motor mempunyai volume total 56 cu.in dan volume sisa 7 cu.in, maka perbandingan kompresinya adalah : C=
56 =8 7
Hal diatas menunjukkan bahwa selama langkah kompresi, muatan yang ada diatas torak dimampatkan 8 kali lipat dari volume terakhirnya. Makin tinggi perbandingan kompresi, maka makin
tinggi tekanannya dan temperatur akhir kompresi. (Kiyuku & Murdhana, 1998). Perbandingan kompresi tidak dapat dinaikan tanpa batas, karena motor pembakaran yang menggunakan busi akan timbul suara menggelitik
kalau
perbandingan
kompresinya
terlalu
tinggi
(Soenarta & Furuhama, 1995). Torsi dan Daya Poros Dinamometer biasanya digunakan untuk
mengukur torsi
sebuah mesin. Adapun mesin yang akan diukur torsinya tersebut diletakkan
pada
dihubungkan
sebuah
dengan
testbed
rotor
dan
poros
dinamometer.
keluaran
Prinsip
kerja
mesin dari
dinamometer dapat dilihat pada gambar 2.6. Rotor dihubungkan secara elektromagnetik, hidrolis, atau dengan gesekan mekanis terhadap stator
yang ditumpu oleh bantalan yang mempunyai
gesekan kecil. Torsi yang dihasilkan oleh stator ketika rotor tersebut berputar diukur dengan cara menyeimbangkan stator dengan alat pemberat, pegas, atau pneumatik. Hambatan ini akan menimbulkan torsi (T), sehingga nilai daya (P) dapat ditentukan sebagai berikut : P=
2π.n.T ( kW ) ……………............................................(3) 60000
Dimana : n = putaran mesin (rpm) T = torsi (Nm) Torak yang didorong oleh gas membuat usaha. Baik tekanan maupun suhunya akan turun waktu gas berekspansi. Energi panas diubah menjadi usaha mekanis. Konsumsi energi panas ditunjukkan langsung oleh turunnya suhu. Kalau toraknya tidak mendapatkan hambatan dan tidak menghasilkan usaha gas tidak akan berubah meskipun tekanannya turun. Tekanan Efektif Rata-rata (BMEP)
Besar nilai P1 merupakan tekanan efektif rata-rata indikator (indicator mean effective pressure : IMEP). Nilai
P1,
dapat
ditentukan
dengan
menggunakan
persamaan
sebagai berikut : P1 =
Wi ……………………………….................................(4) Vs
Dengan menggunakan nilai Pi dapat memudahkan perhitungan besar usaha indikator Wi pada tekanan konstan selam torak pada langkah ekspansi. Pada mesin 4 langkah besar nilai Pi terjadi setiap 2 putaran, sehingga besar nilai Ni indikator dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut : Dengan satuan Si ( m3, kPa dan rps) Ni =V1.P1.n/2 (kW)………………….................................................(5) Dimana : V1= volume langkah (m3) Pi = tekanan efektif rata-rata indicator (kPa) n = putaran mesin (rpm) Pada mesin 2 langkah besar nilai Pi dihasilkan pada tiap putaran, maka secara teoritis nilai Ni akan menjadi dua kali lebih besar jika dibandingkan pada persamaan 4, tetapi pada umumnya besar nilai Pi pada mesin 2 langkah lebih kecil dibandingkan dengan 4 langkah. Nilai Ni disebut sebagai keluaran indikator yang menyatakan keluaran, disebabkan oleh adanya tekanan pada torak. Daya yang dapat dimanfaatkan untuk memutar mesin disebut sebagai keluaran efektif (brake mean out put) nilai Ne dapat dirumuskan sebagai berikut : Ne = V1. N. BMEP. 2 (kW)……………………………(6) Besar keluaran efektif dapat diukur dengan menggunakan sebuah dynamometer. Nilai BMEP adalah merupakan tekanan efektif rata-rata (brake mean effective pressure). Besar nilai Ne yang ditentukan oleh produk dari volume langkah V1, kecepatan
putaran n dan BMEP yang berhubungan dengan tekanan gas ratarata merupakan keluaran suatu pembakaran yang bermanfaat. BMEP adalah besar nilai yang menunjukkan daya mesin tiap satuan volume silinder pada putaran tertentu dan tidak tergantung dari ukuran motor bakar. (Soenarta &Furuhama, 1995). Besar nilai BMEP dapat dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut : BMEP =
60 .P.Z ……………………................................(7) Vd .n
Dimana : P = daya (kW) N = putaran mesin (rpm) Vd= volume langkah total silinder (m3) Z = sistem siklus (4 langkah =2, 2 langkah =1) Efisiensi Thermis Perbandingan antara energi yang dihasilkan dan energi yang dimasukkan pada proses pembakaran bahan bakar disebut efisiensi thermis rem (brake thermal efficiency) dan ditentukan sebagai berikut : ηbt =
860 ×100 (%) ……………..................................(8) SFC .h
Dimana : H = nilai kalor untuk bahan bakar premium = 10500 kcal/kg. Minyak gas = 10400 kcal/kg. SFC = konsumsi bahan bakar spesifik Nilai kalor mempunyai hubungan dengan berat jenis. Pada umumnya semakin tinggi berat jenis maka semakin rendah nilai kalornya (Kiyaku & Murdhana, 1998). Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC) Konsumsi bahan bakar spesifik (SFC) ditentukan dalam g/PSh atau g/kWh dan lebih umum digunakan dari pada ηbt. Besar nilai
SFC adalah kebalikan dari pada ηbt. Penggunaan bahan bakar dalam gram per jam Ne dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut : SFC =
mf
[ kg / kWh ] ………………….............................(9)
P
Dimana : SFC = konsunsi bahan bakar spesifik (kg/kWh) P
= daya mesin (kW)
Sedang nilai mf dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut: mf =
b 3600 ⋅ ⋅ ρbb …………………………………….(10) t 1000
Dimana : b
= volume 3 buret (cc)
t
= waktu (detik)
ρbb = berat jenis bahan bakar (kg/l) mf = adalah penggunaan bahan bakar per jam pada kondisi tertentu
(Nakoela
Furuhama,1995)
Soenarta
&Dr.
Shoichi
Gambar . Prestasi motor bensin 2-langkah dan 4-langkah Studi Banding Performansi Motor Disel Isuzu 4 JA-1 Injeksi Langsung Sistim Force Induction Dengan dan Tanpa Intercooler Studi Banding Performansi Motor Disel Isuzu 4JA-1 Injeksi Langsung Sistim Force Induction Dengan dan Tanpa Intercooler Kinerja suatu motor pembakaran dalam pada umumnya dipengaruhi oleh beberapa parameter, diantaranya kapasitas silinder dan nisbah kompresi. Semakin besar kapasitas silinder, semakin besar keluaran daya dihasilkan oleh motor. Salah satu upaya meningkatkan kinerja motor yang dapat
dilakukan
tanpa
mengubah
dimensi
fisik
dari
motor
adalah
menggunakan sistim induksi paksa (force induction). Induksi paksa merupakan suatu sistim mekanik untuk mendorong lebih banyak udara ke dalam silinder dengan tekanan diatas tekanan atmosfir melalui proses pemampatan udara masukan. Proses pemampatan udara dapat
dilakukan
melalui
sistim
supercharging
yang
digerakkan
oleh
mekanisme roda gigi atau sabuk yang dihubungkan ke puli poros engkol motor, atau melalui sistim turbocharging yang memanfaatkan energi dari gas buang. Karena adanya proses pemampatan udara sebelum masuk ke dalam silinder, maka kepadatan udara masuk semakin meningkat serta jumlah oksigen yang digunakan untuk berkangsungnya proses pembakaran juga meningkat dibanding metode konvensional yang hanya menarik udara segar ke dalam silinder [3]. Dengan meningkatnya kuantitas oksigen yang masuk ke dalam silinder, lebih banyak bahan bakar yang dapat terbakar dengan sempurna, sehingga meningkatkan efisiensi volumetrik dan semakin banyak energy pembakaran yang dapat dikonversi menjadi kerja mekanik [6]. Permasalahan yang timbul pada saat mengadopsi sistim induksi paksa adalah meningkatnya temperatur udara masukan yang mengiringi proses pemampatan udara, sehingga tekanan di dalam silinder pada awal langkah
kompresi menjadi lebih tinggi. Peningkatan temperatur udara masukan ini akan berdampak pada peningkatan temperatur dan tekanan di dalam silinder pada siklus selanjutnya, sehingga katup, silinder dan kepala torak menjadi terlalu panas dan motor menjadi overheating. Karena alasan ini, beberapa motor yang mengadopsi sistim induksi paksa harus menurunkan nisbah kompresinya. Menurunkan
nisbah
kompresi,
ternyata
juga
menimbulkan
permasalahan lain, yaitu menurunnya efisiensi termal motor, sehingga meningkatkan konsumsi bahan bakar spesifik [7], suatu kondisi yang sangat tidak diharapkan dalam mengatasi kelangkaan dan mahalnya harga bahan bakar, serta permasalahan yang berkaitan dengan pencemaran udara. Untuk mengatasi permasalahan dalam mengadopsi sistim induksi paksa pada motor pembakaran dalam, tanpa menurunkan nisbah kompresi yang harus mengorbankan efisiensi termal, digunakan suatu penukar kalor yang disebut dengan intercooler guna menurunkan temperatur udara termampatkan sebelum masuk ke dalam silinder.
Dasar Teori Daya keluaran yang dihasilkan motor sebanding dengan kecepatan rotasi dan kuantitas udara yang dapat dimampatkan di dalam silinder. Dengan asumsi kecepatan rotasi motor konstan, satu-satunya upaya untuk dapat meningkatkan daya motor adalah dengan meningkatkan kuantitas udara yang masuk ke dalam silinder [3]. Berdasarkan persamaan gas ideal, PV = mu RT
Jika
V R
udara, mu
(1)
konstan, dimana R = konstanta gas universal, maka massa
yang masuk silinder berbanding lurus dengan tekanan dan
berbanding terbalik dengan temperatur absolutnya.
Massa udara yang masuk silinder = volume yang dipindahkan (swept volume) oleh piston, V × kerapatan udara. mu = V × ρu
(2)
Dari persamaan (1) dan (2), diperoleh ρu =
1 P RT
Jika ρu1 =
(3) P1 RT1
dan ρ u 2 =
P2 , kemudian ρu1 , P1 , T1 dan ρu 2 , P2 , T2 RT 2
berturut-turut adalah kondisi-kondisi kerapatan, tekanan dan temperatur awal (keadaan 1) dan akhir (keadaan 2), maka Nisbah kerapatan =
ρu 2 P2 RT 2 = , atau ρ u1 P1 RT1
ρu 2 P T = 2 1 ρu1 P1 T2 Ini
berarti,
bahwa
(4) dengan
meningkatkan
P2
(tekanan
akhir)
serta
menurunkan T2 (temperatur akhir), akan dihasilkan peningkatan kerapatan ( ρu 2 > ρu1 ). Secara matematis, dalam kondisi ideal, kuantitas udara yang masuk ke u ,i dalam silinder, m
dengan kerapatan udara ideal,
ρu ,i
serta kondisi
masukan (P, T) pada N Rpm, dinyatakan dengan [1]:
m u ,i = Vd × ρ u ,i × z × N × 12 × 6 0 k g/ ja m dimana
(5)
z = jumlah langkah per siklus. Dengan cara yang sama, pada kondisi aktual, jumlah udara yang
masuk kedalam silinder dinyatakan dengan:
m u ,a = Vd × ρ u ,a × z × N × 12 × 6 0 k g/ ja m
(6)
Nisbah antara jumlah udara yang masuk pada kondisi aktual terhadap jumlah udara yang masuk secara ideal disebut dengan efisiensi volumetris,
ηV . ηv =
u ,a m u ,i m
(7)
Persamaan ini menunjukkan bahwa untuk meningkatkan efisiensi volumetris dengan kata lain meningkatkan derajat pengisian silinder dapat dilakukan dengan meningkatkan kerapatan udara aktual di dalam silinder melalui pemampatan udara masukan. Hubungan antara efisiensi volumetrik dengan daya, torsi dan tekanan efektif purata (mean effective pressure, mep) motor dinyatakan melalui persamaan berikut [4]: P=
τ=
η f ηv NV d Q HV ρu ,i ( F A)
(8)
2
η f ηvVd QHV ρu ,i ( F A) 4π
(9)
mep =η f ηv Q HV ρu ,i ( F A)
(10)
dimana ( F A) = nisbah bahan bakar/udara; Q HV = nilai kalor pembakaran atas bahan bakar; ηf = efisiensi pembakaran dan Vd =volume langkah. Sistim
induksi
paksa,
baik
dengan
menggunakan
supercharger
maupun turbocharger, masing-masing memiliki keuntungan dan kerugian. Supercharger mampu beroperasi mulai pada putaran idle karena digerakkan secara langsung mengikuti putaran poros engkol motor. Turbocharger tidak beroperasi pada putaran idle karena opeasionalnya memanfaatkan tekanan limbah gas buang untuk menggerakkan turbin kompresornya. Dengan
pertimbangan kemampuannya untuk beroperasi pada putaran rendah dalam percobaan ini digunakan sistim supercharging [2]. Dalam percobaan ini, digunakan supercharger tipe sliding vane dengan nisbah tekanan maksimum 1,5:1 atau boost pressure 0,5 bar. Untuk meningkatkan nisbah tekanan, diameter puli supercharger dapat diperkecil, sehingga putarannya semakin tinggi dan dihasilkan tekanan dorong yang lebih besar. Akibat sampingan yang tidak dapat dihindari dari aplikasi sistim induksi paksa adalah meningkatnya temperatur udara karena proses pemampatan, sehingga menurunkan kerapatan udara yang masuk ke dalam silinder dan kuantitas oksigen yang masuk silinder lebih rendah. Untuk mengurangi akibat sampingan yang merugikan ini, ditambahkan perangkat penukar kalor yang dikenal dengan intercooler ke dalam sistim. Intercooler ditempatkan diantara keluaran supercharger dan saluran hisap motor. Skema dari sistim beserta instalasi fluida pendinginnya ditunjukkan dalam Gambar 1.
Gambar 1. Skema sistim induksi paksa beserta instalasi fluida pendinginnya Supercharger (S) digerakkan dengan memanfaatkan putaran poros engkol motor (M) melalui mekanisme puli yang dihubungkan dengan puli poros engkol motor melalui sabuk (belt). Intercooler udara ke air (I), digunakan untuk
mendinginkan
kembali
udara
yang dimampatkan
supercharger
sehingga temperatur udara termampatkan yang masuk ke silinder menjadi
lebih rendah. Sebagai fluida pendingin digunakan campuran air + ethylene glycol, disirkulasikan oleh pompa air (P) yang beroperasi memanfaatkan putaran poros engkol motor ke radiator ekstra (RE).
Dalam percobaan ini,
digunakan intercooler tipe tabung tubular udara ke air (Gambar 2).
Gambar 2. Intercooler tipe tabung tubular. Uji prestasi motor dilakukan dengan menggunakan dinamometer rem air (water brake dynamometer) pada bangku uji. Daya keluaran poros motor ke dinamometer dinyatakan dengan: 2π N F R 60
P=
(11)
Watt
dimana: P = daya motor (Watt atau BHp), F = pembebanan dinamometer (Newton), dan R = 0,9549 m = panjang lengan dinamometer. Atau secara langsung dinyatakan dengan pembacaan terkalibrasi dinamometer: P=
NF NF Kwatt = Hp 10000 7460
(12)
Torsi motor dinyatakan dengan: τ = F ×R
Newton − meter
(13)
Konsumsi bahan bakar spesifik (specific fuel consumption, sfc), yang menyatakan kuantitas bahan bakar yang dikonsumsi untuk menghasilkan daya 1 hp selama 1 jam dinyatakan dengan: sfc =
3600 × mbb P×t
Kg / ( hp − jam ) (14)
dimana P = daya (Hp), mbb = massa bahan bakar yang dikonsumsi (kg) dan
t = waktu yang dibutuhkan untuk mengkonsumsi
mbb kg bahan bakar.
Efisiensi termal, ηth , dinyatakan dengan efisiensi pemanfaatan kalor dari bahan bakar untuk menghasilkan kerja mekanik. Efisiensi termal dinyatakan dengan ηth =
641,67 sfc × QHV
(15)
dimana sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (kg/Hp-jam), Q HV =Nilai kalor pembakaran (kkal/kg) yang dihitung dari persamaan: Q HV = 16610 + 40 °API Btu/lb
(16)
Karena 1 Btu = 1054 J; 1 kal = 4,184 J, dan 1 lb = 0,4536 kg, maka: 1Btu 1054 J 1kal 1lb × × × lb 1Btu 4,186 J 0,4536 kg = 555 ,0963 kal kg
Persamaan (16) dapat dituliskan ulang dengan: Q HV = 0,555 (16610 + 40 ° API ) kkal / kg
(16a)
141 ,5
°API = SG ( 60 °F ) −131 ,5
(16b)
dimana SG = specific gravity bahan bakar pada 60°F. Untuk solar = 815 kg/m3. Dari persamaan (16a) dan (16b): 141 ,5 QHV = 0,555 16610 + 40 −131 ,5 815 = 6303 ,1 kkal kg
(17)
Temperatur pengisian Vs Putaran 130 ) 120 (C 110 r u t 100 a r 90 e p 80 m e 70 T 60 50 40 30 20
Gambar 5. Kurva temperatur pengisian Vs Putaran. 0 0 4 1
0 0 8 1
0 0 2 2
0 0 6 2
0 0 0 3
Putaran (RPM)
T-kon
T-spch
T-spch+Int
Gambar 6. Kurva tekanan pengisian Vs putaran.
Gambar 7. Kurva Daya Vs Putaran
Gambar 8. Kurva Torsi Vs Putaran
Gambar 9. Kurva konsumsi bahan bakar spesifik Vs putaran.
Gambar 10. Kurva efisiensi termal Vs putaran.
Hasil dan Pembahasan Pada Gambar 5 dan 6 ditunjukkan pola yang berbeda antara temperatur dan tekanan udara yang masuk ke dalam silinder. Temperatur udara yang masuk ke dalam silinder cenderung lebih rendah pada putaran tinggi (Gambar 5), sedangkan tekanan cenderung semakin meningkat (Gambar 6). Peningkatan temperatur pada putaran lebih rendah disebabkan karena meningkatnya friksi internal dengan bertambahnya beban pada motor. Peningkatan tekanan yang terjadi pada putaran lebih tinggi disebabkan karena meningkatnya kecepatan pergerakan piston di dalam silinder. Temperatur udara rata-rata meningkat sebesar 89,86% (dalam kisaran antara 70°C sampai dengan 120°) dengan penambahan supercharger pada sistim. Hal ini terutama disebabkan karena meningkatnya tumbukan antar molekul udara yang merupakan bagian dari proses pemampatan udara. Dengan menambahkan intercooler ke dalam sistim peningkatan temperatur akibat proses pemampatan dapat ditekan menjadi 43,37%, atau terjadi penurunan temperatur udara termampatkan sebesar 46,49%. Terjadi peningkatan tekanan udara rata-rata sebesar 40,01% akibat proses
pemampatan
udara
melalui
supercharger.
Dengan
adanya
penambahan intercooler ke dalam sistim, sehingga terjadi penurunan temperatur udara termampatkan, maka peningkatan tekanan keluaran supercharger turun menjadi 36,55%, atau terjadi penurunan tekanan sebesar 3,46%. Karena kerugian tekanan akibat pendinginan udara melalui intercooler yang terjadi relatif kecil (3,46%) dibandingkan penurunan temperaturnya (46,49%), maka terjadi peningkatan nisbah kerapatan udara termampatkan dengan adanya penambahan intercooler. Hal ini dapat diartikan bahwa disamping terjadi peningkatan massa udara (karena proses pemampatan
dengan supercharger), juga terjadi peningkatan kerapatan udara (karena proses
pendinginan
udara
termampatkan
oleh
intercooler).
Dengan
meningkatnya massa dan kerapatan udara, semakin banyak jumlah oksigen yang dapat dimanfaatkan untuk melangsungkan proses pembakaran di dalam ruang bakar. Pada kurva daya dan torsi Vs putaran (Gambar 7 dan 8) ditunjukkan terjadi
peningkatan
kecepatan
daya
masing-masing
dan
torsi
sebesar
rata-rata
pada
berbagai
10,06%
dengan
tingkat
menambahkan
supercharger pada sistim. Jika temperatur udara yang masuk kedalam silinder setelah proses pemampatan diturunkan dengan menambahkan intercooler pada sistim, daya dan torsi rata-rata pada berbagai tingkat kecepatan dapat ditingkatkan lagi, masing-masing sebesar 19,46% dan 19,02%. Berdasarkan persamaan gas ideal (persamaan 1) yang menyatakan bahwa massa udara berbanding lurus dengan tekanan dan berbanding terbalik dengan temperaturnya, maka dengan meningkatkan tekanan udara masukan, massa udara yang masuk akan semakin besar dan pada gilirannya akan meningkatkan kuantitas oksigen yang dapat dimanfaatkan untuk melakukan proses pembakaran menjelang akhir langkah kompresi. Pada sisi lain, dengan meningkatkan tekanan udara masukan serta menurunkan temperatur
udara
termampatkan
melalui
perangkat
intercooler
akan
semakin meningkatkan kerapatan udara masukan, dan pada gilirannya akan semakin meningkatkan derajat pengisian silinder (efisiensi volumetrik). Dengan asumsi variabel-variabel lain pada persamaan 8 dan 9 konstan, meningkatnya efisiensi volumetrik motor akan menghasilkan peningkatan daya kuda rem (bhp) dan torsi pada motor. Disamping itu dengan memampatkan udara yang masuk ke dalam silinder, periode persiapan pembakaran akan dipersingkat. Pada kurva konsumsi bahan bakar spesifik Vs putaran (Gambar 9), ditunjukkan terjadi penurunan konsumsi bahan bakar spesifik rata-rata sebesar
12,79%
dengan
penambahan
supercharger.
Jika
temperatur
keluaran supercharger diturunkan dengan perangkat intercooler, konsumsi bahan bakar spesifik rata-rata turun sebesar 19,43%. Hal ini terjadi karena dengan meningkatnya massa dan kerapatan udara yang masuk ke dalam silinder, semakin banyak oksigen yang dapat bereaksi dengan bahan bakar untuk berlangsungnya proses pembakaran sehingga pembakaran dapat berlangsung jauh lebih efisien. Kondisi ini mampu mereduksi produk hidrokarbon yang tak terbakar pada gas buang, sebagai biang borosnya konsumsi bahan bakar. Pada Gambar 10 ditunjukan bahwa dengan memampatkan udara masukan ke dalam silinder terjadi peningkatan efisiensi termal sebesar 14,86% dengan penambahan supercharger. Jika intercooler ditambahkan pada sistim, efisiensi termal dapat ditingkatkan lagi menjadi 23,03%. Efisiensi termal berbanding terbalik terhadap konsumsi bahan bakar spesifik (persamaan 15). Ini berarti bahwa semakin rendah konsumsi bahan bakar spesifik, semakin tinggi efisiensi termalnya. Peningkatan efisiensi termal ini terjadi karena semakin banyak oksigen yang dapat bereaksi dengan bahan bakar karena adanya proses pemampatan udara sebelum masuk ke dalam silinder.
Kesimpulan percobaan diatas •
Hasil rancang bangun intercooler serta instalasi sistim pendinginnya cukup efektif untuk menurunkan temperatur udara termampatkan sehingga mampu meningkatkan kinerja motor yang menggunakan sistim force induction.
•
Penggunaan
supercharger
tanpa
intercooler,
meningkatkan
temperatur udara rata-rata sebesar 89,86% walaupun dihasilkan peningkatan tekanan udara masuk rata-rata 40,01% •
Dengan penambahan intercooler, peningkatan temperatur udara ratarata dapat ditekan menjadi 43,37%. Walaupun tekanan udara hasil
pemampatan turun menjadi 36,55%, tetapi masih cukup efektif untuk meningkatkan kinerja motor secara keseluruhan. •
Tanpa intercooler, rata-rata terjadi peningkatan daya keluaran poros, torsi dan efisiensi termal masing-masing sebesar 10,06%, 10,06% dan 14,86%, sedangkan penurunan rata-rata konsumsi bahan bakar spesifik sebesar 12,79%.
•
Dengan penambahan intercooler, rata-rata terjadi peningkatan daya keluaran poros, torsi dan efisiensi termal masing-masing sebesar 19,46%, 19,02% dan 23,03%, sedangkan penurunan rata-rata konsumsi bahan bakar spesifik sebesar 19,43%.
Motor bakar terbagi menjadi 2 (dua) jenis utama, yaitu motor diesel dan motor bensin. Perbedaan umum terletak pada sistem penyalaan. Penyalaan pada motor bensin dinyalakan oleh loncatan bunga api listrik yang dipercikan oleh busi atau juga sering disebut juga spark ignition engine. Sedangkan pada motor diesel penyalaan terjadi karena kompresi yang tinggi di dalam silinder kemudian bahan bakar disemprotkan oleh nozzle atau juga sering disebut juga Compression Ignition Engine.
Proses Pembakaran Secara umum pembakaran didefinisikan sebagai reaksi kimia atau reaksi persenyawaan bahan bakar oksigen (O2) sebagai oksidan dengan temperaturnya lebih besar dari titik nyala. Mekanisme pembakarannya sangat dipengaruhi oleh keadaan dari keseluruhan proses pembakaran dimana atom-atom dari komponen yang dapat bereaksi dengan oksigen yang dapat membentuk produk yang berupa gas. Untuk memperoleh daya maksimum dari suatu operasi hendaknya komposisi gas pembakaran dari silinder (komposisi gas hasil pembakaran) dibuat seideal mungkin, sehingga tekanan gas hasil pembakaran bisa
maksimal menekan torak dan mengurangi terjadinya detonasi. Komposisi bahan bakar dan udara dalam silinder akan menentukan kualitas pembakaran dan akan berpengaruh terhadap performance mesin dan emisi gas buang. Sebagaimana telah diketahui bahwa bahan bakar bensin mengandung unsur-unsur karbon dan hidrogen. Terdapat 3 (tiga) teori mengenai pembakaran hidrogen tersebut yaitu : b.
Hidrokarbon
terbakar
bersama-sama
dengan
oksigen
sebelum karbon bergabung dengan oksigen. c.
Karbon terbakar lebih dahulu daripada hidrogen.
d.
Senyawa hidrokarbon terlebih dahulu bergabung dengan
oksigen
dan
membentuk
senyawa
(hidrolisasi)
yang
kemudian
dipecah secara terbakar. (Yaswaki, K, 1994). Dalam sebuah mesin terjadi beberapa tingkatan pembakaran yang digambarkan dalam sebuah grafik dengan hubungan antara tekanan dan perjalanan
engkol.
Berikut
adalah
gambar
dari
grafik
tingkatan
pembakaran
Proses atau tingkatan pembakaran dalam sebuah mesin terbagi menjadi empat tingkat atau periode yang terpisah. Periode-periode tersebut adalah :
1. Keterlambatan pembakaran (Delay Periode) Periode pertama dimulai dari titik 1 yaitu mulai disemprotkannya bahan bakar sampai masuk kedalam silinder, dan berakhir pada titik 2. perjalanan ini sesuai dengan perjalanan engkal sudut a. Selama periode ini berlangsung tidak terdapat kenaikan tekanan yang melebihi kompresi udara yang dihasilkan oleh torak, dan selanjutnya bahan bakar masuk terus menerus melalui nosel. 2.
Pembakaran cepat Pada titik 2 terdapat sejumlah bahan bakar dalam ruang bakar,
yang dipecah halus dan
sebagian menguap kemudian siap untuk
dilakukan pembakaran. Ketika bahan bakar dinyalakan yaitu pada titik 2, akan menyala dengan cepat yang mengakibatkan kenaikan tekanan mendadak sampai pada titik 3 tercapai. Periode ini sesuai dengan perjalanan sudut engkol b. yang membentuk tingkat kedua. 3.
Pembakaran Terkendali Setelah titik 3, bahan bakar yang belum terbakar dan bahan
bakar yang masih tetap disemprotkan (diinjeksikan) terbakar pada kecepatan yang tergantung pada kecepatan penginjeksian serta jumlah distribusi oksigen yang masih ada dalam udara pengisian. Periode inilah yang disebut dengan periode terkendali atau disebut juga pembakaran sedikit demi sedikit yang akan berakhir pada titik 4 dengan berhentinya injeksi. Selama tingkat ini tekanan dapat naik, konstan ataupun turun. Periode ini sesuai dengan pejalanan engkol sudut c, dimana sudut c tergantung pada beban yang dibawa beban mesin, semakain besar bebannya semakin besar c. 4. Pembakaran pasca (after burning) Bahan bakar sisa dalam silinder ketika penginjeksian berhenti dan akhirnya terbakar. Pada pembakaran pasca tidak terlihat pada diagram, dikarenakan pemunduran torak mengakibatkan turunnya tekanan meskipun panas panas ditimbulkan oleh pembakaran bagian akhir bahan bakar.
Dalam pembakaran hidrokarbon yang biasa tidak akan terjadi gejala apabila memungkinkan untuk proses hidrolisasi. Hal ini hanya akan terjadi bila pencampuran pendahuluan antara bahan bakar dengan udara mempunyai waktu yang cukup sehingga memungkinkan masuknya oksigen ke dalam molekul hidrokarbon. (Yaswaki. K, 1994) Bila oksigen dan hidrokarbon tidak bercampur dengan baik maka terjadi proses cracking dimana akan menimbulkan asap. Pembakaran semacam ini disebut pembakaran tidak sempurna.
Ada 2 (dua) kemungkinan yang terjadi pada pembakaran mesin berbensin, yaitu: Pembakaran yang terjadi pada motor bensin terdapat 2 (dua) kemungkinan yang terjadi yaitu : a.
Pembakaran normal Pembakaran normal terjadi bila bahan bakar dapat terbakar seluruhnya pada saat dan keadaan yang dikehendaki. Mekanisme pembakaran normal dalam motor bensin dimulai pada saat terjadinya loncatan bunga api pada busi, kemudian api membakar gas bakar yang berada disekitarnya sehingga semua partikelnya terbakar habis. Didalam pembakaran normal, pembagian nyala api terjadi merata diseluruh bagian. Pada keadaan yang sebenarnya pembakaran bersifat komplek, yang mana berlangsung pada beberapa phase. Dengan timbulnya energi panas, maka tekanan dan temperatur naik secara
mendadak,
sehingga
piston
terdorong
menuju
TMB.
Pembakaran normal pada motor bensin dapat ditunjukkan pada gambar grafik dibawah sebagai berikut :
Gambar 2.6. Pembakaran campuran udara-bensin dan perubahan tekanan didalam silinder (New Traning Manual, PT. Toyota Astra Motor, 1996) Gambar grafik diatas dengan jelas memperlihatkan hubungan antara tekanan dan sudut engkol, mulai dari penyalaan sampai akhir pembakaran. Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa beberapa derajat sebelum piston mencapai TMA, busi memberikan percikan bunga api sehingga mulai terjadi pembakaran, sedangkan lonjakan tekanan dan temperatur mulai point 2, sesaat sebelum piston mencapai TMA, dan pembakaran point 3 sesaat sesudah piston mencapai TMA. b. Pembakaran tidak normal Pembakaran tidak normal terjadi bila bahan bakar tidak ikut terbakar atau tidak terbakar bersamaan pada saat dan keadaan yang dikehendaki. Pembakaran tidak normal dapat menimbulkan detonasi (knocking) yang memungkinkan timbulnya gangguan dan kesulitan-
kesulitan pada motor bakar bensin. Fenomena-fenomena yang menyertai pembakaran tidak sempurna, diantaranya : 1. Detonasi Seperti telah diterangkan sebelumnya, pada peristiwa pembakaran normal api menyebar keseluruh bagian ruang bakar dengan kecepatan konstan dan busi berfungsi sebagai pusat penyebaran. Dalam hal ini gas baru yang belum terbakar terdesak oleh gas yang sudah terbakar, sehingga tekanan dan suhunya naik sampai mencapai keadaan hampir terbakar. Jika pada saat ini gas tadi terbakar dengan sendirinya, maka akan timbul
ledakan
(detonasi)
yang
menghasilkan
gelombang
kejutan berupa suara ketukan (knocking noise)
2. Hal-hal yang menyebabkan terjadinya Detonasi Pada lapisan yang telah terbakar akan berekspansi. Pada kondisi lapisan yang tidak homogen, lapisan gas tadi akan mendesak lapisan gas lain yang belum terbakar, sehingga tekanan dan suhunya naik. Bersamaan dengan adanya radiasi dari ujung lidah api, lapisan gas yang terdesak akan terbakar tiba-tiba.
Peristiwa
ini
akan
menimbulkan
letupan
mengakibatkan terjadinya gelombang tekanan yang kemudian menumbuk piston dan dinding silinder sehingga terdengarlah suara ketukan (knocking) yaitu yang disebut dengan detonasi.
Hal-hal yang menyebabkan terjadinya detonasi antara lain sebagai berikut : a) Perbandingan kompresi yang tinggi, tekanan kompresi, suhu pemanasan campuran dan suhu silinder yang tinggi. b) Masa pengapian yang cepat. c) Putaran mesin rendah dan penyebaran api lambat. d) Penempatan busi dan konstruksi ruang bakar tidak tepat, serta jarak penyebaran api terlampau jauh. Proses terjadinya detonasi dapat ditunjukkan pada (gambar 2.7) dibawah :
Gambar 2.7. Proses terjadinya detonasi Gambar diatas menjelaskan bahwa detonasi (knocking) terjadi karena bahan bakar terbakar sebelum waktunya. Hal ini terjadi pada saat piston belum mencapai posisi pembakaran, tetapi bahan bakar telah terbakar lebih dahulu.
Kesetabilan kimia dan kebersihan bahan bakar
Kestabilan kimia bahan bakar sangat penting, karena berkaitan dengan kebersihan bahan bakar yang selanjutnya berpengaruh terhadap sistem pembakaran dan sistem saluran. Pada temperatur tinggi, bahan bakar sering terjadi polimer yang berupa endap(an)-endapan gum (getah) ini berpengaruh kurang baik terhadap sitem saluran misalnya pada katupkatup dan saluran bahan bakar Bahan
bakar
yang
mengalami
perubahan
kimia,
menyebabkan
gangguan pada proses pembakaran. Pada bahan bakar juga sering terdapat saluran/senyawa yang menyebabkan korosi, senyawa ini antara lain : senyawa belerang, nitrogen, oksigen, dan lain-lain , kandungan tersebut pada gas solin harus diperkecil untuk mengurangi korosi, korosi dari senyawa tersebut dapat terjadi pada dinding silinder, katup, busi, dan lainya, hal inilah yang menyebabkan awal kerusakan pada mesin.mbakaran, tetapi bahan bakar telah terbakar lebih dahulu.
