Bab Ii (okre).docx

BAB II LANDASAN TEORI

2.1. Dasar Motor Bakar Motor bakar adalah suatu mesin yang mengkonversi energi dari energi kimia yang terkandung pada bahan bakar menjadi energi mekaik pada poros motor bakar. Motor bakar merupakan salah satu jenis mesin kalor yang proses pembakarannya terjadi dalam motor bakar itu sendiri sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus sebagai fluida kerjanya. Mesin yang bekerja dengan cara seperti tersebut disebut mesin pembakaran dalam.

2.2. Siklus 4 Langkah dan 2 Langkah 2.2.1. Siklus 4 langkah Sebelum terjadi proses pembakaran di dalam silinder, campuran udara dan bahan bakar harus dihisap dulu dengan langkah hisap. Pada langkah ini, piston bergerak dari TMA menuju TMB, katup isap terbuka sedangkan katup buang masih tertutup. Setelah campuran bahan bakar udara masuk silinder kemudian dikompresi dengan langkah kompresi, yaitu piston bergerak dari TMB menuju TMA, kedua katup isap dan buang tertutup. Karena dikompresi volume campuran menjadi kecil dengan tekanan dan temperatur naik, dalam kondisi tersebut campuran bahan bakar udara sangat mudah terbakar. Sebelum piston sampai TMA campuran dinyalakan

5

terjadilah proses pembakaran menjadikan tekanan dan temperatur naik, sementara piston masih naik terus sampai TMA sehingga tekanan dan temperatur semakin tinggi. Setelah sampai TMA kemudian torak didorong menuju TMB dengan tekanan yang tinggi, katup isap dan buang masih tertutup. Selama piston bergerak menuju dari TMA ke TMB yang merupakan langkah kerja atau langkah ekspansi. volume gas pembakaran bertambah besar dan tekanan menjadi turun. Sebelum piston mencapai TMB katup buang dibuka, katup masuk masih tertutup. Kemudian piston bergerak lagi menuju ke TMA mendesak gas pembakaran keluar melalui katup buang. Proses pengeluaran gas pembakaran disebut dengan langkah buang. Setelah langkah buang selesai siklus dimulai lagi dari langkah isap dan seterusnya. Piston bergerak dari TMA-TMB-TMA-TMB-TMA membentuk satu siklus.

Gambar 2.1. Proses kerja mesin 4 langkah Otto dan Diesel

6

2.2.2. Siklus 2 Langkah Langkah pertama setelah terjadi pembakaran piston bergerak dari TMA menuju TMB melakukan ekspansi, lubang buang mulai terbuka. Karena tekanan didalam silinder lebih besar dari lingkungan, gas pembakaran keluar melalui lubang buang. Piston terus begerak menuju TMB lubang buang semakin terbuka dan saluran bilas mulai terbuka. Bersamaan dengan kondisi tersebut tekanan didalam karter mesin lebih besar daripada di dalam silinder sehingga campuran bahan bakar udara menuju silinder melalui saluran bilas sambil melakukan pembilasan gas pembakaran. Proses ini berhenti pada waktu piston mulai begerak dari TMB menuju TMA dengan lubang buang dan saluran bilas tertutup. Langkah kedua setelah proses pembilasan selesai, campuran bahan bakar masuk kedalam silinder kemudian dikompresi, posisi piston menuju TMA. Sesaat sebelum piston sampai di TMA campran bahan bakar dan udara dinyalakan sehingga terjadi proses pembakaran. Siklus kembali lagi ke proses awal seperti diuraikan diatas. Dari uraian diatas terlihat piston melakukan dua kali langkah yaitu dari : 1. TMA menuju TMB ; proses yang terjadi ekspansi, pembilasan (pembuangan dan pengisian), 2. TMB menuju TMA ; proses yang terjadi kompresi, penyalaan pembakaran.

7

Gambar 2.2. Proses Kerja 2 Langkah 2.3. Siklus Motor Bakar Diesel 2.3.1. Siklus Udara Tekanan Konstan

Gambar 2.3. Siklus Udara Tekanan Konstan

8

Diagram p-v untuk siklus ideal Diesel. Adapun urutan prosesnya adalah sebagai berikut : 1. Langkah isap (0-1) merupakan proses tekanan konstan, 2. Langkah kompresi (1-2) merupakan

proses adiabatis. Proses

pembakaran tekanan konstan (2-3) dianggap sebagai proses pemasukan kalor pada tekanan konstan, 3. Langkah kerja (3-4) Proses pembuangan kalor (4-1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada volume konstan, 4. Langkah buang (1-0) merupakan proses tekanan konstan.

2.3.2. Siklus Aktual Dari Mesin Diesel

Gambar 2.4. Siklus Aktual Mesin Diesel

9

Pada langkah isap hanya udara saja, bahan bakar disemprotkan melalui nozel di kepala silinder. Proses pembakaran untuk menghasilkan panas karena kompresi atau pembakaran kompresi.

2.3.3. Efisiensi Siklus Tekanan Konstan

Gambar 2.5. Grafik efisiensi terhadap rasio kompresi mesin diesel

Dengan menaikan rasio kompresi efisiensi siklus tekanan konstan atau diesel semakin naik. Kenaikan rasio kompresi berarti tekanan kompresi juga tinggi sehingga material yang dibutuhkan harus lebih kuat. Pada rasio kompresi yang sama efisiensi mesin otto lebih tinggi dibandingkan dengan mesin diesel, akan tetapi mesin otto tidak bekerja pada rasio kompresi mesin diesel karena terlalu tinggi.

10

2.4. Prestasi Mesin Kemampuan mesin motor bakar untuk mengubah energi yang masuk yaitu bahan bakar sehingga menghasilkan daya berguna disebut kemampuan mesin atau prestasi mesin.

Gambar 2.6. Keseimbangan energi pada motor bakar

Daya berguna hanya sebesar 25%, yang artinya mesin hanya mampu menghasilkan 25% daya berguna yang dapat dipakai sebagai penggerak dari 100% bahan bakar. Energi yang lainnya dipakai untuk menggerakkan asesoris atau peralatan bantu, kerugian gesekan dan sebagian terbuang ke lingkungan sebagai panas gas buang dan melalui air pendingin.

2.4.1. Volume Langkah Dan Volume Ruang Bakar Volume langkah adalah volume ketika torak bergerak dari TMA ke TMB, disebut juga volume displacement dari mesin. Volume mesin satu silinder dihitung dengan rumus:

(2.1)

11

Volume langkah dengan jumlah silinder N adalah:

(2.2)

Volume ruang bakar atau clearance volume adalah Vc

2.4.2. Perbandingan Kompresi (Compression Ratio) Perbandingan kompresi (r) adalah menunjukkan seberapa banyak campuran bahan bakar dan udara yang masuk silinder pada langkah hisap dan yang dimampatkan pada langkah kompresi. Perbandingannya adalah antara volume langkah dan ruang bakar (Vd +Vc) yaitu pada posisi piston di TMB, dengan volume ruang bakar (Vc) yaitu pada posisi piston di TMA, dapat dirumuskan dengan persamaan:

(2.3)

Pada mesin diesel rasio kompresi lebih tinggi dibanding dengan mesin bensin. Rasio kompresi semakin tinggi pada mesin diesel dibarengi dengan kenaikan efisiensi. Kenaikan rasio kompresi akan menaikkan tekanan pembakaran, kondisi ini akan memerlukan material yang kuat sehingga dapat menahan tekanan dengan temperatur tinggi. Material yang mempuyai kualitas tinggi harus dibuat dengan teknologi tinggi dan harganya mahal, sehingga secara keseluruhan menjadi tidak efektif.

12

2.4.3. Kecepatan Piston Rata-Rata Piston atau torak bergerak bolak balik (reciprocating) di dalam silinder dari TMA ke TMB dan dari TMB ke TMA. Kecepatan pergerakan piston dapat dihitung dengan mengambil harga rata-ratanya yaitu: (2.4) Up = kecepatan piston rata-rata (m/s) N = putaran mesin rotasi per waktu (rpm) L

= Panjang Langkah

2.4.4. Torsi dan Daya Mesin Torsi adalah ukuran kemampuan mesin untuk melakukan kerja. Apabila suatu benda berputar dan mempunyai besar gaya sentrifugal sebesar F, benda berputar pada porosnya dengan jari-jari sebesar b, maka torsinya adalah: T = Fxb (N.m)

(2.5)

T = Torsi benda berputar (N.m) F = gaya sentrifugal dari benda yang berputar (N) b = jarak benda ke pusat rotasi (m)

Gambar 2.5. Skema Pengukuran Torsi

13

2.4.5. Perhitungan Daya Mesin Daya indikator adalah merupakan sumber tenaga persatuan waktu operasi mesin untuk mengatasi semua beban mesin. Mesin selama bekerja mempunyai komponen-komponen yang saling berkaitan. Komponenkomponen mesin juga merupakan beban yang harus diatasi daya indikator. Disamping komponen-komponen mesin yang menjadi beban, kerugian karena gesekan antar komponen yang mengambil daya indikator. Satuan daya menggunakan HP( horse power ) : Ne = Ni − (Ng + Na ) ( HP)

(2.6)

Ne = daya efektif atau daya poros ( HP) Ni = daya indikator ( HP) Ng = kerugian daya gesek ( HP) Na = kerugian daya asesoris ( HP)

2.4.6. Tekanan Indikator Rata-Rata Tekanan rata-rata atau Mean Effective Pressure (MEP) adalah suatu konsep untuk mencari harga tekanan tertentu konstan yang apabila mendorong piston sepanjang langkahnya dapat menghasilkan kerja persiklus Wnet 2 yang sama dengan siklus yang dianalisis Wnet.

(2.7)

14

Luasan Wnet adalah segi empat dengan lebar tekanan rata-rata (MEP) dan panjang Vd (VTMA - VTMB), maka untuk mencari luasannya: (2.7)

Gambar 2.6. Diagram Tekanan Rata-Rata

Gambar 2.7. Diagram Indikator Rata-Rata

15

Dari diagram indikator yang dihasilkan dari mesin uji, baca skala tekanan dan skala langkah toraknya.  Skala langkah torak adalah 1 mm = X m  Skala volume langkah adalah 1 mm = AX m3  Skala tekanan adalah 1 mm = Y N/m2  Skala kerja adalah 1 mm2 = Y.AX N.m Apabila diketahui luasan kerja indikator adalah C mm2, maka kerja indikator persiklus = C.Y.AX N.m, sehingga tekanan indikatornya dapat dihitung dengan rumus:

(2.8)

L = panjang langkah torak (cm)

Kerja indikator persiklus = Prata-rata x Langkah Torak (2.9) Prata-rata = Tekanan indikator rata-rata

16

Daya adalah kerja perwaktunya N = W/t (1/t adalah rotasi per waktu atau n ), maka daya indikator dapat dihitung dengan persamaan: (2.10) n = Putaran mesin (rpm)

Untuk 4 langkah atau 2 langkah, rumus umum untuk menghitung daya indikator adalah: (2.11) n = putaran mesin (rpm) a = jumlah siklus perputaran = 1 untuk 2 langkah dan 1/2 untuk 4 langkah z = jumlah silinder

2.4.7. Daya Poros Atau Daya Efektif Daya poros adalah daya efektif pada poros yang akan digunakan untuk mengatasi beban kendaraan. Daya poros diperoleh dari pengukuran torsi pada poros yang dikalikan dengan kecepatan sudut putarnya atau dapat dituliskan dengan persamaan sebagai berikut: (2.12) Ne = Daya poros Nm/s (Watt) T = Torsi (Nm) ω = Kecepatan sudut putar

17

Untuk menghitung daya poros (brake power) Ne harus diketahui terlebih dahulu torsi T dan putaran n mesinnya. Torsi diukur langsung dengan alat dinamometer dan putaran mesin diukur dengan tachometer.

2.4.8. Kerugian Daya Gesek Daya gesek adalah energi persatuan waktu dari mesin yang harus diberikan untuk mengatasi tahanan dari komponen-komponen mesin yang bersinggungan. Besarnya daya gesek dapat dihitung dengan mengurangi daya indikator dengan daya poros, perhitungan ini dengan asumsi daya asesoris diabaikan. Perumusannya adalah : (2.13)

2.5. Efisiensi Daya Mesin Efisiensi mesin menggambarkan tingkat efektifitas mesin bekerja. Konsep

efisiensi

menjelaskan

bahwa

perbandingan

antar

energi

berguna dengan energi yang masuk secara alamiah tidak pernah mencapai 100%. Pada motor bakar ada beberapa definisi dari efisiensi yang menggambarkan kondisi efektivitas mesin bekerja.

18

2.5.1. Efisiensi Termal Adalah konsep dasar dari efisiensi siklus ideal yang didefinisikan perbandingan antara energi yang berguna dengan energi yang masuk. Energi berguna adalah pengurangan antara energi masuk dengan energi terbuang. (2.14)

2.5.2. Efisiensi Termal Indikator Adalah efisiesi termal dari siklus aktual diagram indikator. Energi berguna dari diagram indikator adalah kerja indikator dan energi masuknya adalah energi dari proses pembakaran perkilogramnya. (2.15)

Karena efisiensi termal indikator adalah pada siklus aktual maka fluidanya adalah bahan bakar dengan udara, sehingga perhitungan energi adalah sebagai berikut:

(2.16)

19

Ni = Daya indikator (watt) Ǫm = Laju kalor masuk per kg bahan bakar ( kcal/kg.jam) Gf = Laju bahan bakar yang digunakan (kg/jam) Ǫc = Nilai kalor bahan bakar per kcal/kg

2.5.3. Efisiensi Termal Efektif Adalah perbandingan daya poros atau daya efektif dengan laju kalor masuknya.

(2.17)

2.5.4. Efisiensi Volumetrik Udara yang dihisap masuk silinder selalu banyak mengalami hambatan aliran sehingga aliran udara banyak kehilangan energi, disamping itu udara hisap juga menyerap panas dari saluran hisap terutama pada ujung saluran hisap yang ada katup masuknya. Karena menyerap panas temperatur udara menjadi naik dan menyebabkan massa jenis turun tetapi menaikkan nilai viskositasnya.

20

(2.18)

Hubungan efisiensi volumetrik dengan tekanan rata-rata efektif adalah:

(2.19) f = perbandingan bahan bakar udara

(2.20)

2.6. Laju Pemakaian Bahan Bakar Spesifik Laju pemakaian bahan bakar spesifik atau spesific fuel consumtion (SFC) adalah jumlah bahan bakar (kg) per waktunya untuk menghasikan daya sebesar 1 Hp. Jadi SFC adalah ukuran ekonomi pemakaian bahan bakar. Perhitungan untuk mengetahui SFC adalah:

(2.21)

21

2.7. Bahan Bakar Diesel Bahan bakar diesel disebut juga dengan Solar (Diesel Oil), adalah suatu campuran hydrocarbon yang telah di destilasi setelah bensin dan minyak tanah dari minyak mentah pada temperature 200o C sampai 340o C. Kualitas bahan bakar solar ditunjukan dengan angka cetane (cetane number), makin tinggi cetane number menunjukan bahan bakar solar lebih mudah terbakar dan sebaliknya. Secara umum bahan bakar diesel mempunyai sifat utama sebagai berikut : a. Tidak berwarna atau sedikit kekuningan dan berbau, b. Tidak encer dan tidak menguap di temperatur normal, c. Mempunyai titik nyala tinggi (40o C - 100o C), d. Terbakar spontan pada 350o C, e. Mempunyai berat jenis 0,82 pada suhu 28o C, f. Menimbulkan panas yang besar (sekitar 10.500 kcal/kg), g. Mempunyai kandungan sulfur lebih besar dibandingkan bensin. Dibawah ini dijelaskan tentang spesifikasi bahan bakar diesel hasil produksi dari PT. Pertamina sesuai Surat Keputusan Dirjen Migas No. 113.K/72/DJM/1999.

22

Tabel 2.1 Spesifikasi Biosolar No.

Karakteristik

Satuan

Batasan

Metode Uji

-

Min 48

Maks -

-

45

-

ASTM

1.

Bilangan Cetana

2.

Berat Jenis @ 15 oC

kg/m3

815

860

D 4737

3.

Viscositas @ 40 oC

mm2/sec

2,0

4,5

D 1298 / D 4052

-

0,35 1)

-

0,30 2)

-

0,25 3)

-

0,05 4)

-

0,005 5)

o

-

370

D 89

4.

5.

Kandungan Sulfur

Distilasi 90% vol. Penguapan

% m/m

C

D 613

D 2622 / D 5453 / D 4294 / D 7039

6.

Titik Nyala

o

52

-

D 93

7.

Titik Tuang

o

C

-

18

D 97

8.

Residu Karbon

% m/m

-

0,1

D 4530 / D 189

9.

Kandungan Air

mg/kg

-

500

D 6304

10.

Korosi Bilah Tembaga

merit

-

Kelas 1

D 130

11.

Kandungan Abu

% v/v

-

0,01

D 482

12.

Kandungan Sedimen

% m/m

-

0,01

D 473

13.

Bilangan Asam Kuat

mgKOH/gr

-

0

D 664

14.

Bilangan Asam Total

mgKOH/gr

-

0,6

D 664

15.

Partikulat

mg/l

-

-

D 2276

16.

Penampilan Visual

17.

Warna

18.

Lubricity

C

-

Jernih dan Terang

No. ASTM

-

3,0

D 1500

micron

-

460 6)

D 6079

23

Lain

2.8. Dimethyl Ether (DME) Dimethyl Ether (DME) merupakan sumber energi bersih, ramah lingkungan dan bebas emisi. DME merupakan senyawa ether yang paling sederhana (CH3-O-CH3), mempunyai karakteristik menyerupai Liquid Petroleum Gas (LPG) dan memiliki nilai kalor 6.790,60 kcal/kg atau 28,41 MJ/kg. Dymethyl Ether (DME) memiliki titik lebur -138 oC, titik didih -23 oC dengan Kelarutan dalam 1 L H2O 70 gram. Dimethyl Ether (DME) merupakan senyawa yang mudah terbakar, tidak mengadung Sulfur dan Nitrogen seperti pada Biosolar yang dapat merusak komponen pada mesin. Dimethyl Ether memiliki angka cetane antara 56 sampai 57 dibandingkan dengan Solar yang memiliki angka Cetane sekitar 48. Properties Dimethyl Ether ditunjukan pada tabel 2.2. Tabel 2.2 Properties beberapa bahan bakar Senyawa

Suhu Pengapian

Nilai Kalor bersih Bilangan Cetane

(o C)

(MJ/kg)

Dimethyl Ether

350

55 – 57

28.90

Propana

504

5

46.46

Metan

632

0

50.23

Metanol

470

5

21.10

-

40 – 55

41.86

Minyak Diesel

Sumber : Journal of Natural Gas Chemistry 12 (2003) 219-227

24

2.9. Alat Ukur

A. Tachometer Tachometer digunakan untuk mengukur putaran mesin. Dengan mengarahkan laser tachometer ke benda yang ingin diukur dan kemudian menahan tombol tachometer, kecepatan putaran langsung terukur secara akurat.

Spesifikasi Teknis : 1. Measures the rotational speed with a visible red light beam from a powerful LED, 2. Display : 5 digits, 18 mm LCD, 3. High intensity class II laser measures from 2.5 - 99,999 RPM, 4. LCD display : 5 digits, 5. Accuracy : +/- 0.05%, 6. Auto zero adjustment, stores last, minimum, and maximum readings 7. Can be used for HVAC applications in measuring fan speed. Detection distance up to 6 feet. To take the measurement, apply a reflective mark onto the target object, aim the laser beam at the mark, the RPM displays on the LCD screen, 8. Power : 1 x 9 Volt battery.

25

Gambar 2 – 8 Tachometer Digital

B. Stopwatch Stopwatch digunakan untuk mengukur waktu yang diperlukan mesin mengkonsumsi bahan bakar dengan jumlah tertentu. Dalam pengujian, waktu yang diperlukan diukur dalam satuan detik.

Spesifikasi Teknis : 1. Single Display, 2. 4 digit LCD, 3. Water resistant, 4. AG13 Button Cell, 5. Model ZSD 808.

Gambar 2 – 9 Stopwatch

26

C. Thermometer Digital Dalam pengujian ini, thermometer digunakan untuk mengukur data-data temperatur yang dibutuhkan.

Spesifikasi Teknis : 1. Mellius Multipurpose Infrared Thermometer, 2. Measurement range:-50ºC~380ºC, 3. LCD Display, 4. Resolution:0.1ºC, 5. Response time: 500mSec, 6. Default:0.95, 7. Accuracy: 20ºC~380ºC, 8. Distance spot ratio:(D:S)=12:1.

Gambar 2 – 10 Thermometer Digital

27

D. Neraca Pegas Digunakan untuk mengukur besarnya pembebanan pada mesin. Dalam pengukuran pembacaan neraca pegas dibaca dalam satuan kg.

Spesifikasi Teknis : 1. Max load 50 kg, 2. Akurasi 0,1%.

Gambar 2 – 11 Neraca Pegas

E. Manometer Tabung U Digunakan untuk mengukur penurunan tekanan ruang ke tangki udara, sebagai fluida pengisinya dipakai air raksa yang memiliki massa jenis 1.360 kg/m.

Spesifikasi Produk : 1. VG3 U tube manometer, 2. Manometer raksa VG 3, 3. 100-0-100 mm dari hg.

28

Gambar 2 – 12 Manometer Tabung U

F. Gelas Ukur Digunakan untuk mengukur besarnya konsumsi bahan bakar per satuan waktu.

Spesifikasi Teknis : 1. Skala cm3, 2. Scotchlight level, 3. Single valve, 4. Akurasi data 0,1%.

29

2.10. Skema Alat Uji

Gambar 2.13 Skema Instalasi Pengujian Motor Diesel Menggunakan Bahan Bakar Dimethyl Ether

30