19 Gambar 2.3 Diagram P-V dan T-S Pada Siklus Diesel Cengel dan Michael,
2004
2.4.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel
Prinsip kerja mesin diesel 4 tak sebenarnya sama dengan prinsip kerja mesin otto, yang membedakan adalah cara memasukkan bahan bakarnya. Pada
mesin diesel bahan bakar di semprotkan langsung ke ruang bakar dengan menggunakan injector. Dibawah ini adalah langkah dalam proses mesin diesel
4 langkah :
Langkah Isap
Pada langkah ini piston bergerak dari TMA Titik Mati Atas ke TMB Titik Mati Bawah. Saat piston bergerak ke bawah katup isap terbuka
yang menyebabkan tekanan udara di dalam silinder seketika lebih rendah
Universitas Sumatera Utara
20 dari tekanan atmosfer ,sehingga udara murni langsung masuk ke ruang
silinder melalui filter udara.
Langkah kompresi
Pada langkah ini piston bergerak dari TMB menuju TMA dan kedua katup tertutup. Karena udara yang berada di dalam silinder didesak terus oleh
piston,menyebabkan terjadi kenaikan tekanan dan temperatur,sehingga udara di dalam silinder menjadi sangat panas. Beberapa derajat sebelum
piston mencapai TMA, bahan bakar di semprotkan ke ruang bakar oleh injector yang berbentuk kabut.
Langkah Usaha
Pada langkah ini kedua katup masih tertutup, akibat semprotan bahan bakar di ruang bakar akan menyebabkan terjadi ledakan pembakaran yang
akan meningkatkan suhu dan tekanan di ruang bakar. Tekanan yang besar tersebut akan mendorong piston ke bawah yang menyebkan terjadi gaya
aksial. Gaya aksial ini dirubah dan diteruskan oleh poros engkol menjadi gaya radial putar.
Langkah Buang
Pada langkah ini, gaya yang masih terjadi di flywheel akan menaikkan kembali piston dari TMB ke TMA, bersamaan itu juga katup buang
Universitas Sumatera Utara
21 terbuka sehingga udara sisa pembakaran akan di dorong keluar dari ruang
silinder menuju exhaust manifold dan langsung menuju knalpot
2.4.2 Performansi Mesin Diesel
1. Nilai Kalor Bahan Bakar.
Nilai pembakaran merupakan jumlah energi kimia yang terdapat dalam satu massa atau volume bahan bakar. Ada dua macam nilai
pembakaran, yaitu nilai pembakaran tinggi High Heating Value atau bruto dan nilai pembakaran rendah Low Heating Value Laboratorium
Motor Bakar, Tanpa Tahun. Nilai kalor bahan bakar pada masing-masing spesimen didapat melalui percobaan bom kalorimeter. Analisa percobaan
dilakukan dengan menggunakan rumus :
HHV = T2-T1-Tkp x Cv KJKg
Nilai pembakaran rendah atau LHV didapat menggunakan rumus :
LHV = HHV – 3240 KJKg
Dalam perhitungan efisiensi panas dari motor bakar, dapat menggunakan nilai kalor bawah LHV dengan asumsi pada suhu
tinggi saat gas buang meninggalkan mesin tidak terjadi pengembunan uap air. Namun dapat juga menggunakan nilai kalor atas HHV
Universitas Sumatera Utara
22 karena nilai tersebut umumnya lebih cepat tersedia. Peraturan
pengujian berdasarkan ASME American of Mechanical Engineers menentukan penggunaan nilai kalor atas HHV, sedangkan peraturan
SAE Society of Automotive Engineers menentukan penggunaan nilai kalor bawah LHV.
2. Torsi
Torsi merupakan sebuah ukuran dari kemampuan mesin untuk melakukan kerja. Torsi mesin biasanya diukur dengan menggunakan
Dynamometer . Mesin direkatkan pada meja uji dan poros dihubungkan
dengan rotor pada dynamometer.
Gambar 2.4 skema operasi dynamometer Pulkrabek, 1997
Universitas Sumatera Utara
23 Rotor dikopel secara elektromagnetik, hidrolik, maupun dengan
gesekan mekanis terhadap stator, yang di topang dengan bantalan gesekan rendah. Stator diseimbangkan dengan rotor secara stasioner. Torsi yang
terjadi pada stator ketika rotor berputar diukur dengan menyeimbangkan stator dengan beban statis, pegas, dan sebagainya Pulkrabek, 1997.
Berdasarkan gambar diatas, jika torsi disimbolkan dengan T, maka :
T = F.b
3. Daya
Daya mesin adalah besarnya kerja mesin selama waktu tertentu. Pada motor bakar daya yang berguna adalah daya poros, dikarenakan poros
tersebut menggerakan beban. Daya poros dibangkitkan oleh daya indikator , yang merupakan daya gas pembakaran yang menggerakan torak
selanjutnya menggerakan semua mekanisme, sebagian daya indikator dibutuhkan untuk mengatasi gesekan mekanik, seperti pada torak dan
dinding silinder dan gesekan antara poros dan bantalan. Prestasi motor bakar pertama-tama tergantung dari daya yang dapat ditimbulkannya.
Semakin tinggi frekuensi putar motor makin tinggi daya yang diberikan hal ini disebabkan oleh semakin besarnya frekuensi semakin banyak
langkah kerja yang dialami pada waktu yang sama.
Universitas Sumatera Utara
24 Dengan demikian besar daya poros itu adalah :
P
b
4. Ai rFuel Ratio AFR
Di dalam mesin, bahan bakar dibakar oleh udara. Udara kering merupakan sebuah campuran berbagai gas yang memiliki komposisi
representatif 20 oksigen, 78,09 nitrogen, 0,93 argon, dan beberapa kandungan karbon dioksida, neon, helium, metana, dan gas-gas lainnya.
Pada pembakaran, oksigen merupakan komponen reaktif dari udara. Bahan bakar yang digunakan di dalam motor bakar merupakan campuran dari
berbagai komponen hidrokarbon yang didapat melalui proses penyulingan minyak maupun minyak kasar. Bahan bakar ini didominasi oleh karbon
dan hidrogen sekitar 86 karbon, dan 14 hidrogen walaupun demikian bahan bakar diesel bisa mengandung kadar sulfur hingga 1. Pada
pengujian mesin, aliran massa udara dan aliran massa bahan bakar biasanya diukur. AFR merupakan rasio aliran massa udara dengan aliran
massa bahan bakar yang terjadi di dalam ruang bakar . Rentang AFR yang normal untuk mesin berpenyalaan kompresi mesin diesel dengan bahan
bakar diesel adalah 18 ≤ AFR ≥ 70.
Universitas Sumatera Utara
25
5. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik SFC
Pada pengujian performansi mesin, konsumsi bahan bakar diukur sebagai laju aliran massa bahan bakar. Parameter yang lebih berguna
adalah konsumsi bahan bakar spesifik atau biasa disebut SFC Specific Fuel Consumption
. SFC merupakan laju aliran massa per daya keluaran. Konsumsi bahan bakar spesifik mengukur seberapa efisien mesin
menggunakan bahan bakar untuk menghasilkan daya. Untuk mesin berpenyalaan kompresi, nilai terbaik SFC didapat dibawah 200 gkWh
atau 0,2 KgkWh.
6. Efisiensi Volumetris
Parameter yang digunakan untuk mengukur keefektivan dari proses isap sebuah mesin adalah efisiensi volumetris. Efisiensi volumetris
didefinisikan sebagai volum aliran udara yang memasuki sistem isap dibagi dengan laju aliran yang digunakan oleh piston. Nilai efisiensi
volumetris biasanya berada di rentang 80 - 90 untuk mesin bensin. Efisiensi volumetris untuk mesin diesel biasanya lebih tinggi ketimbang
mesin bensin.
Universitas Sumatera Utara
26
7. Efisiensi Termal
Efisiensi thermal efektif merupakan daya poros dibagi oleh hasil kali jumlah bahan bakar terpakai per satuan waktu dan nilai kalor bawah bahan
bakar tersebut Arismunandar dan Koichi, 1979. Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang dibangkitkan piston
karena sejumlah energi hilang akibat adanya rugi-rugi mekanis mechanical losses. Dengan alasan ekonomis perlu dicari kerja
maksimum yang dapat dihasilkan dari pembakaran sejumlah bahan bakar. Efisiensi ini disebut juga sebagai efisiensi termal brake.
8. Heat Loss Exhaust
Estimasi Heat Loss Exhaust dapat dihitung dengan mengukur perbedaan antara temperatur gas buang Te dan temperatur ambien Ta,
dan mengasumsikan nilai tipikal 1 kJkgK untuk panas spesifik dari temperatur gas buang.
Universitas Sumatera Utara
27
9. Emisi Gas Buang
Bahan pencemar polutan yang berasal dari kendaraan bermotor dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kategori sebagai berikut :
Sumber
Polutan dibedakan menjadi polutan primer atau sekunder. Polutan primer seperti nitrogen oksida NOx dan hidrokarbon HC langsung dibuangkan
ke udara bebas dan mempertahankan bentuknya seperti pada saat pembuangan. Polutan sekunder seperti ozon O3 dan peroksiasetil nitrat
PAN adalah polutan yang terbentuk di atmosfer melalui reaksi fotokimia, hidrolisis atau oksidasi.
Komposisi Kimia
Polutan dibedakan menjadi organik dan inorganik. Polutan organik mengandung karbon dan hidrogen, juga beberapa elemen seperti oksigen,
nitrogen, sulfur atau fosfor, contohnya : hidrokarbon, keton, alkohol, ester dan lain-lain. Polutan inorganik seperti : karbon monoksida CO,
karbonat, nitrogen oksida, ozon dan lainnya.
Bahan Penyusun
Polutan dibedakan menjadi partikulat atau gas. Partikulat dibagi menjadi padatan dan cairan seperti : debu, asap, abu, kabut dan spray, partikulat
dapat bertahan di atmosfer. Sedangkan polutan berupa gas tidak bertahan di atmosfer dan bercampur dengan udara bebas.
Universitas Sumatera Utara
28 1
Partikulat
Polutan partikulat yang berasal dari kendaraan bermotor umumnya merupakan fasa padat yang terdispersi dalam udara dan
membentuk asap. Fasa padatan tersebut berasal dari pembakaran tak sempurna bahan bakar dengan udara, sehingga terjadi tingkat
ketebalan asap yang tinggi. Selain itu partikulat juga mengandung timbal yang merupakan bahan aditif untuk meningkatkan kinerja
pembakaran bahan bakar pada mesin kendaraan. Apabila butir-butir bahan bakar yang terjadi pada
penyemprotan kedalam silinder motor terlalu besar atau apabila butir
–butir berkumpul menjadi satu, maka akan terjadi dekomposisi yang menyebabkan terbentuknya karbon
–karbon padat atau angus. Hal ini disebabkan karena pemanasan udara yang
bertemperatur tinggi, tetapi penguapan dan pencampuran bahan bakar dengan udara yang ada didalam silinder tidak dapat
berlangsung sempurna, terutama pada saat –saat dimana terlalu
banyak bahan bakar disemprotkan yaitu pada waktu daya motor akan diperbesar, misalnya untuk akselerasi, maka terjadinya angus
itu tidak dapat dihindarkan. Jika angus yang terjadi itu terlalu banyak, maka gas buang yang keluar dari gas buang motor akan
bewarna hitam.
Universitas Sumatera Utara
29 2
Unburned Hidrocarbon UHC
Hidrokarbon yang tidak terbakar dapat terbentuk tidak hanya karena campuran udara bahan bakar yang gemuk, tetapi bisa
saja pada campuran kurus bila suhu pembakarannya rendah dan lambat serta bagian dari dinding ruang pembakarannya yang dingin
dan agak besar. Motor memancarkan banyak hidrokarbon kalau baru saja dihidupkan atau berputar bebas idle atau waktu
pemanasan. Pemanasan dari udara yang masuk dengan menggunakan
gas buang meningkatkan penguapan dari bahan bakar dan mencegah pemancaran hidrokarbon. Jumlah hidrokarbon tertentu
selalu ada dalam penguapan bahan bakar, di tangki bahan bakar dan dari kebocoran gas yang melalui celah antara silinder dari
torak masuk kedalam poros engkol, yang disebut dengan blow by gasses
gas lalu. Pembakaran tak sempurna pada kendaraan juga menghasilkan gas buang yang mengandung hidrokarbon. Hal ini
pada motor diesel terutama disebabkan oleh campuran lokal udara bahan bakar tidak dapat mencapai batas mampu bakar.
3
Carbon Monoksida CO
Karbon dan Oksigen dapat bergabung membentuk senyawa karbon monoksida CO sebagai hasil pembakaran yang tidak
sempurna dan karbon dioksida CO2 sebagai hasil pembakaran sempurna. Karbon monoksida merupakan senyawa yang tidak
Universitas Sumatera Utara
30 berbau, tidak berasa dan pada suhu udara normal berbentuk gas
yang tidak berwarna. Gas ini akan dihasilkan bila karbon yang terdapat dalam bahan bakar kira
–kira 85 dari berat dan sisanya hidrogen terbakar tidak sempurna karena kekurangan oksigen.
Hal ini terjadi bila campuran udara bahan bakar lebih gemuk dari pada campuran stoikiometris, dan terjadi selama idling
pada beban rendah atau pada output maksimum. Karbon monoksida tidak dapat dihilangkan jika campuran udara bahan
bakar gemuk. Bila campuran kurus karbon monoksida tidak terbentuk.
4
Oksigen O2
Oksigen O2 sangat berperan dalam proses pembakaran, dimana oksigen tersebut akan diinjeksikan keruang bakar. Dengan
tekanan yang sesuai akan mengakibatkan terjadinya pembakaran bahan bakar
Universitas Sumatera Utara
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kategori