Analisa Performansi Pada Mobil Toyota Fortuner Mesin Diesel Tipe 2KD-FTV VN Turbo Intercooler

Lampiran D. Data Hasil Pengukuran Kondisi Ruang Bakar Toyota Fortuner Mesin Diesel Tipe 2KD-FTV VN Turbo Intercoler Dengan Menggunakan

Intelligent Tester II

Vehicle Speed = 0 km/h Engine Speed = 2000 rpm Calculate Load = 24 % Atmosphere Pressure = 100 kPa

Intake air = 470C

Battery Voltage = 13,6 V Target Commonrail Press = 5500 kPa

Fuel Press = 5334 kPa

Fuel Temperature = 500C Coolant Temperature = 45,0C Injection Volume = 11,82 mm Alternate Duty Ratio = 22% Accel Position = 7,03%

DAFTAR PUSTAKA

1. Arismunandar, Wiranto. Motor Diesel Putaran Tinggi. Bandung. Penerbit ITB Bandung, 1975.

2. Darsono, Dody. Simulasi CFD Pada Mesin Diesel Injeksi Langsung

Dengan Bahan Bakar Biodiesel dan Solar. Tugas Sarjana Mahasiswa

Fakultas Teknik Universitas Indonesia, 2010.

3. Kuwana, Wowo Sunaryo, Modul Motor Diesel 1 (Mekanisme Motor Diesel ) Jurusan Pendidikan Teknik Mesin, Keahlian Kemampuan Otomotif FPTK Universitas Pendidikan Indonesia.

4. Moran, Michael J and Shapiro, N. Howard. Termodinamika Teknik 2. Edisi Keempat. Jakarta. Erlangga, 2004.

5. Pulkrabek Willard W. Engineering Fundamentals of The Internal

Combustion Engine. New Jersey. Prentice Hall.

6. Toyota Astra Motor, Diktat Mesin-Mesin 2KD-FTV VNT, Toyota Astra Motor.

7. Yunus, A. Cengel. Thermodynamics An Engineering Approach, 4 th

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Waktu dan Tempat

Survei dan pengumpulan data dilakukan di Auto 2000 Jl. Sisingamangaraja No.8 Medan pada bulan juni dan juli 2013.

3.2 Bahan dan Alat 3.2.1 Bahan

Bahan yang menjadi objek pengujian pada penelitian ini adalah ruang bakar atau mesinpada mobil toyota fortuner tipe 2KD-FTV VN Turbo dimana pada saat adanya pelanggan yang sedang memperbaiki mobil tersebut, maka bersama-sama dengan pihak Auto 2000 melakukan pengujian akan peforma mesin tersebut dan kemudian dicatat dan diolah datanya sehingga dapat disimpulkan apakah kondisi mobil tersebut masih bagus atau tidak.

Adapun spesifikasi mesin dari motor diesel pada mobil toyota Fortuner tipe 2KD-FTV VN Turbo adalah sebagai berikut:

Tipe mesin : 2KD-FTV VN Turbo Intercooler

Mekanisme katup : IL 4 Cyl, 16 Valve DOHC, VN Turbo intercooler Isi Silinder : 2494 cc

Rasio kompresi : 18.5 : 1

Diameter x langkah : 92.0 x 93.8 mm Sistem bahan bakar : Common rail Tipe Daya maksimum : 144 / 3.400 (Ps/rpm)

Torsi maksimum : 35 / 1,600 2,800 (kgm/rpm) Bahan bakar : Solar

3.2.2 Spesifikasi alat ukur 1. Four gas analyser:

Berguna untuk mengukur kontribusi gas buang yang keluar dari mobil berbahan bakar solar.

Langkah-langkah pemakaian gas analyzer :

1. Hidupkan unit dengan menekan tombol utama ( merah atau hijau ) kearah ON. 2. Tunggu beberapa saat, karena four gas analyser sedang di panaskan.

3. Setelah akhir pemanasan alat, four gas akan melakukan proses ZEROING beberapa saat untuk self electronic zero calibration dan mengeluarkan gas bekas sisa yang mungkin tertinggal di dalam unit.

4. Selanjutnya four gas dalam posisi stand by ( kiri atas ada tulisan STOP dan kanan bawah ada tulisan STOP/RUN : ENTER. Saat stand bay pompa pengisap diam.

5. Tekan ENTER untuk menjalankan four gas, sehingga unit akan membaca kandungan gas buang dari knalpot. Jangan lupa masukan selang pengukur di knalpot selama menjalankan fungsi ini. Jika pada langkah ini timbul tulisan CHECK EXHOUST PROBE, tekan tombol ESCAPE atau biarkan saja karena akan hilang sendiri. Pada posisi ini ada tulisan RUN dikiri atas dan tetap ada tulisan STOP/RUN : ENTER di kanan bawah.

6. Untuk menghentikan langkah diatas ( langkah pengukuran ) tekan tombol enter lagi sehingga, dikiri atas ada tulisan STOP dan dikanan bawah ada tulisan ENTER : RESULT.Dari langkah diatas, jika ingin mencetak hasil pengukuran, 7. tekan MENU, pilih PRINT dan pilih LAST PAGE, lakukan dengan menekan

nomor menu yang sesuai. Selanjutnya anda diminta mengisi data bulan, tanggal dan tahun terus tekan tombol enter or menu. Jika tidak mau mengisi data-data tersebut anda juga bisa menekan berkali-kali tombol MENU.

8. Apabila four gas akan dihubungkan dengan computer atau ultrascan maka dari posisi stand by (langkah 4), tekan menu terus pilih SCANNER COMMUNICATION MODE.

9. Apabila four gas akan diisikan spesifikasi emisi, nama bengkel dll, maka dari posisi stand by ( langkah 4 ), tekan menu terus pilih GAS ANALYZER CONFIGURATION.

Gambar 3.1 Four gas Analyser. 2. Tachometer:

Tachometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan putaran pada poros engkel / piringan motor atau mesin lainnya. Tachometer dikendalikan oleh putaran kabel dari sebuah unit pengendali yang dimasukkan kedalam mesin (biasanya pada poros engkol) juga ada-biasanya pada sistem mesin diesel sederhana yang menggunakan basis sistem elektris ataupun tanpa sistem elektrik.

Spesifikasi Tachometer

• Tegangan Listrik: AC 220 VAC 50/60 Hz • Konsumsi Listrik : 5 Watt

• Tampilan Utama: 5 Digit (0.0001 s/d 20.000 RPM) • Tampilan Kedua : 5 Digit (0.0001 s/d 20.000 RPM) • Toleransi Pengukuran : +/- 20 RPM

• Toleransi SCAN : +/- 100 RPM • Panjang kabel sensor : 400 cm • Panjang kabel remote : 300 cm • Berat Bersih : 1200 Gram

Gambar 3.2 Tachometer 3. Universal Dynamometer Module

Sesuai dengan namanya dynamometer ini menyerap daya yang di ukur kemudian disebarkan kesekelilingnya dalam bentuk panas karena dynamometer ini secara khusus bermanfaat untuk pengukuran tenaga atau daya. Cara menggunakan alat dynamometer ini ialah dengan cara memasang dynamometer di poros transmisi, maka dynamometer ini akan membaca daya dan torsi pada mesin tersebut. Dengan spesifikasi alat ukurnya :GuntHamburg dengan Tipe HM 365, Nominal Power 2,2 Kw dan maksimal 200 Kw.

4. Multimeter

Multimeter berfungsi untuk mengukur tegangan (Voltmeter), arus

(Amperemeter), dan resistansi (ohmmeter). Dalam multimeter pemilihan besaran yang ingin diukur dengan mengatur range selector sesuai dengan keinginan, pada proses analisa multimeter digunakan untuk melihat hubungan setiap kabel busi, dan arus listrik yang mengalir ke rotor pada distributor serta kelistrikan lainya.

Speksifikasi multimeter: DC Volt

• Range : 0.1, 0.5, 2.5, 50, 1000 V • Accuracy : 3 (1000V: 5)

• Sensitivity : 20 kΩ AC Volt

• Range : 10, 50, 250, 1000 V • Accuracy : 4 (1000V : 5 ) • Sensitivity : 9 kΩ

5. Intelligent tester II:

Intelligent tester II berfungsi Untuk mendeteksi adanya kerusakan pada sistim kontrol electronic ( EFI, ABS, ECT, ITC, Imobilizer, EBD, Airbag, ) Berfungsi sebagai osiloskop Berfungsi sebagai multitester Untuk menghapus memori kesalahan pada sistim kontrol ( ECU ) Untuk membaca kondisi kerja mesin ( current data ).

Dan Untuk mengetahui berbagai informasi penting pada saat mesin dinyalakan seperti tekanan, suhu dalam ruang bakar, tekanan dalam ruang bakar.

I nt e llige nt T e st e r I I Har dw ar e Configur at ion – Spesifikasi

I t e m s Spe sifik a si

Dim ensions [ m m ] 223 x 145 x 71 Weight [ g] 1300

LCD 5. 7- inch ( 240 x 320 m m ) Color LCD w it h Touch Panel Vehicle I nt erface CAN, I SO9141, KWP2000, J1850

Volt age Probe 1ch ( DC 0 t o 30V, LSB 0. 1V) PC I nt erface CF, USB, RS- 232C

Pow er Supply DC 7 — 32V, Pow er Out let Plug, AC Adopt er Bat t ery Li- ion 7. 4V / 1000m Ah

Operat ion Tim e 1. 4 hr / RT ( 2. 0 hr w it h opt ional bat t ery) Tem p. Range 0 t o 45° C: Operat ion

( - 10° C t o 60° C: St orage) Regulat ion CE and UL

Ext ension Oscilloscope

Gambar 3.5. Intelligent tester II

Untuk menyimpan kunci pas, kunci inggris, tang, kunci ring, obeng, kunci L, obeng, dan sebagainya.

Gambar 3.6. Toolbox

3.3 Variabel Riset

Dalam analisa performasi ini, variabel yang digunakan adalah nilai dari temperatur, tekanan pada ruang bakar, dam perbadingan massa bahan bakar yang diperoleh dari hasil perhintungan dalam siklus kerja motor diesel Toyota Fortuner 2KD-FTV VN Turbo Intercooler.

3.4 Prosedur Analisa

Dalam pengerjaan analisa performansi ini, penulis membuat diagram alir untuk dapat mempermudah pengerjaan secara sistematis. Berikut pada Gambar 3.1 dapat dilihat diagram alir yang digunakan dalam analisa performansi ini.

Gambar 3.7 Diagram Alir Pengerjaan Skripsi Selesai

Mulai

Studi Literatur

Pencarian dan Pengumpulan Data 1. Buku

2. Jurnal 3. Paper 4. Internet

Data Engine (spesifikasi)

Proses Perhitungan

Parameter performansi:

- Analisa termodinamika - Tekanan efektif rata-rata - Daya indikator

- Torsi dan Daya - Sfc

- Efisiensi (mekanis, volumetrik)

Kesimpulan dan Saran

3.4.1 Keterangan Diagram Alir 3.4.1.1 Mulai

Pada tahap ini proses pengerjaan akan mulai dilaksanakan, dan bahan-bahan yang dibutuhkan untuk pengerjaan skripsi akan dikumpulkan untuk dikerjakan.

3.4.1.2 Studi Literatur

Studi literatur dilakukan dengan pengumpulan referensi-referensi mengenai materi yang berhubungan dengan proses pembakaran motor diesel Toyota kijang Innova 2KD-FTV. Literatur-literatur tersebut didapatkan dari: 1. Buku referensi

 Motor Bakar

 Termodinamika Teknik 2. Internet

 Combustion analysis on a DI (Direct Injection) diesel engine.

 Motor diesel 4 langkah

 Prinsip Turbo

3. Artikel dan paper-paper

 Leaflet toyota kijang innova mesin diesel

 Proses pembakaran dalam ruang bakar motor diesel 3.4.1.3Pencarian danPengumpulan Data

Pada tahap ini dilakukan pencarian dan pengumpulan data spesifikasi mesin motor diesel Toyota Fortuner tipe 2KD-FTV VN Intercooler yang akan digunakan sebagai data awal dalam melakukan proses perhitungan.

Berikut, pada Gambar 3.2 dapat dilihat motor diesel Toyota Fortuner tipe 2KD-FTV VN Intercooler

Gambar 3.8 Motor Diesel Toyota Fortuner tipe 2KD-FTV VN Intercooler

3.4.1.4 Proses Perhitungan

Pada tahap ini dilakukan perhitungan dengan sedemikian rupa dengan menggunakan data awal kedalam formula atau rumus kemudian diolah dan dihitung sehingga akan mendapatkan hasil yang kita inginkan.

3.4.1.5 Kesimpulan Dan Saran

Tahap ini merupakan pengambilan kesimpulan dari proses perhitungan dan hasil yang telah dilakukan. Kesimpulan berisi jawaban dari hasil perhitungan dan analisa dari tujuan analisa seperti yang tertulis pada BAB I. Pada akhir bagian ini juga terdapat saran penulis tentang analisa hasil perhitungan ini, sehingga tulisan ini dapat lebih bermanfaat bagi setiap kalangan.

3.5.1.6 Selesai

Tahap pengerjaan skripsi selesai dilaksanakan dengan hasil-hasil yang didapatkan sesuai dengan perencanaan dan tujuan pengerjaan skripsi dan kiranya hasil skripsi ini bermanfaat bagi siapapun yang membacanya.

BAB IV

ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

4.1. Data Awal

Didalam melakukan analisa data dan pembahasan, maka hal yang paling penting untuk dipersiapkan adalah data-data utama yang akan diolah untuk mendapatkan data-data ataupun informasi lain yang dibutuhkan. Data-data tersebut diantaranya adalah:

1. Dimensi ruang bakar (silinder)

2. Tekanan dan temperatur pada langkah awal siklus kerja

Data-data ini didapatkan dari pengembangan data awal dari spesifikasi motor diesel Toyota Fortuner tipe 2KD-FTV VN Turbo Intercooler dengan melakukan perhitungan manual.

4.1.1 Dimensi Silinder

Ruang bakar atau silinder merupakan tempat terjadinya proses pembakaran, sehingga dimensi ruang bakar diperlukan sebagai masukan data untuk melakukan perhitungan manual sehingga hal-hal yang kita cari dapat kita peroleh berdasarkan perhitungan. Oleh karena itu, untuk data awal didapat dari spesifikasi motor diesel Toyota Fortuner Tipe 2KD-FTV VN Torbo Intercooler, yang dapat dilihat pada Tabel 4.1 berikut ini.

Tabel 4.1. Data Spesifikasi Mesin Toyota Fortuner Tipe 2KD-FTV VN Turbo Tipe mesin 2KD-FTV VN Torbo Intercooler

Jumlah silinder & susunan

4-silinder, segaris

Mekanisme katup 4IL 16-valve DOHC, D-4D VN Turbo Intercooler Bahan Bakar Diesel

Isi Silinder (cc) 2494

Sistem bahan bakar Tipe Common Rail Diameter

x Langkah (mm)

92 x 93.8

Output maksimum. kw (ps / rpm )

106 (144 / 3.400) Torsi Maksimum

Nm (kgm / rpm )

343 (35/ 1.600 – 2800)

Dimensi Katup (mm)

Diameter

Katup masuk (Intake) 36 Katup buang (Exhaust) 29

Panjang 100 Penjang Connecting

Rod (mm) 167 Angka Cetane

Bahan Bakar

48 atau lebih tinggi

Sumber: Toyota Fortuner leafet dan lit.6

4.2. Analisa Termodinamika

Proses 6-1 : Langkah hisap, tekanan konstan, katup hisap terbuka dan katup keluar tertutup. Udara dianggap sebagai gas ideal. Udara dihisap masuk ke silinder dengan tekanan 100 kPa pada temperatur 27oC atau 300 K, maka :

P0 = 100 kPa

T1 = 320 K

rc = 18,5

D = 92 mm S = 93,8 mm R = 0,287 kJ/kg-K Cv = 0,718 kJ/kg-K

Cp = 1,005 kJ/kg.K

Volume langkah:

Merupakan volume dari langkah torak dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas ( TMA). Kapasitas 4 silinder adalah 2494 cc, maka volume langkah untuk satu silinder adalah:

4 2494

= Vd

Vd = 623,5 cc = 6,235 x 10-4 m3

Volume sisa:

Merupakan volume minimum silinder pada saat torak berada di titik mati atas (TMA). Dengan rasio kompresi sebesar 18,5:1 dan volume langkah sebesar 6,235 x 10-4 m3,maka besarnya volume sisa adalah:

c c d c V V V r = +

c c V V m x +

= 6,235 10−4 3 5

, 18

Vc = 3,562 x 10-5m3

Volume pada titik 1:

Merupakan hasil penjumlahan volume langkah (Vd) dengan volume sisa (Vc).

c

d V

V V₁ = +

V1 = 6,235 x 10-4 m3 + 3,562 x 10-5m3

= 6,5912 x 10-4 m3 massa udara :

dengan tekanan 100 kpa silinder 6,5912 x 10 -4 pada temperatur 320 K, maka massa udara adalah :

m

m

=

=

= 7,1768x10-4kg

Massa udara pembakaran (ma) dan massa bahan bakar (mf):

Untuk menentukan massa bahan bakar yang diinjeksikan pada satu siklus dapat diperoleh dari persamaan Air Fuel Ratio (AF) dibawah ini.

Berdasarkan data bahan bakar isooctane pada tabel A-2 Properties Of Fuels pada lampiran I, Air Fuel Ratio (AF) = 15,0. Dimana ma + mf = mm = 7,655 x 10 -4

kg. Maka, massa bahan bakar yang diinjeksikan (mf) setiap satu siklus adalah:

kg mf mf mf kg 5 4 10 785 , 4 10 1768 , 7 0 , 15 − − × = − × =

Maka, massa udara (ma) yang masuk dalam silinder adalah:

ma= mm – mf

= 7,1768x10-4kg – 4,785x10-5kg = 6,6984x10-4 kg

Densitas udara (ρ_a):

P0 = 100 kpa

T0 = 320 K

Kerapatan udara masuk ruang bakar :

kg/m3

Sesuai dengan persamaan 2.1. maka kerja yang terjadi pada titik 6-1 adalah dihitung berdasarkan persamaan berikut ini:

) ( _{1 6} 0

1

6 P V V

W ₋ = − ... dimana Po = P1

kJ m m kPa 08235 , 0 ) 10 562 , 3 10 5912 , 6 (

100 4 3 5 3

= × × − ×

= − −

Proses 1-2 : Langkah kompresi isentropik, semua katup tertutup. Torak bergerak dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA).

k c

r P P₂ = ₁( )

= 100 kPa x (18,5)1,4 = 5943,4747 kPa

Temperatur pada titik 2 :

Udara yang dimampatkan oleh torak yang bergerak ke titik mati atas (TMA) juga mengakibatkan suhu dalam silinder naik menjadi T2. Nilai dari T2 dapat kita kita hitung sesuai dengan persamaan 2.2. di bawah ini:

1 1

2 ( )

− = k c r T T

= 330 K x (18,5)1,4-1 = 1060,1873 K

Volume pada titik 2:

2 2 2 P RT m

V = m

kPa K K kg kJ kg 4747 , 5943 1873 , 1060 . / 287 , 0 10 1768 ,

7 × 4 × ×

= −

= 3,674 x 10-5 m3

Adapun cara lain yang dapat digunakan untuk mendapatkan nilai V2 adalah:

c r V V 1 2 = 3 5 4 10 674 , 3 5 , 18 10 1768 , 7 m − − × = × =

V2 = Vc

Kerja persiklus 1-2:

Kerja yang diserap selama langkah kompresi isentropik untuk satu silinder dalam satu siklus dapat kita hitung sesuai dengan persamaan 2.6. sebagai berikut:

k T T R m W m − − = − 1 ) ( _{2 1} 2 1 4 , 1 1 ) 330 1873 , 1060 ( 287 , 0 10 1768 , 7 4 − − × × = −

Proses 2-3: Penambahan kalor pada tekanan konstan.

Kalor masuk:

QHV merupakan nilai kalor panas dari bahan bakar. Berdasarkan Tabel A-2

pada Lampiran 1, nilai kalor panas dari cetane adalah 43.980 kJ/kg dan diasumsikan terjadi pembakaran sempurna (η_c =1). Maka, kalor masuk pada kondisi tekanan konstan dapat kita hitung sesuai dengan persamaan 2.7. adalah sebagai berikut:

c HV f

in m Q

Q = η

kJ kg kJ kg 1044 , 2 1 / 43980 10 785 , 4 5 = × × × = −

Volume pada titik 3:

Volume pada titik 3 dapat kita peroleh dengan menggunakan rumus berikut ini (hal. 101 Lit.1):

2 3 3 P T R m

V = m× ×

3 4 4 10 3808 , 1 4747 , 5943 4728 , 3735 . / 287 , 0 10 1768 , 7 m kPa K K kg kJ − − × = × × × =

Temperatur pada titik 3:

Sesuai dengan persamaan matematika 2.7. dimana Q_in =m_mC_p(T₃ −T₂)maka nilai T3 dapat kita hitung sebagai berikut:

p m p m in C m T C m Q

T₃ = + 2

K K kg kJ kg K K kg kJ kg kJ 7428 , 3235 . / 005 , 1 10 1768 , 7 1873 , 1060 . / 005 , 1 10 1768 , 7 1044 , 2 4 4 = × × × × × + = −₋

Tekanan pada titik 3:

Sesuai dengan Gambar 2.2. (Diagram p-v) jelas terlihat bahwa tidak ada perubahan tekanan mulai titik 2 hingga titik 3 (ekivalen), walaupun terjadi peningkatan temperatur.

Maka P2 = P3 = Pmaks = 5943,4747 kPa.

Sesuai dengan persamaan 2.10. maka kerja yang terjadi pada titik 2-3 dapat kita hitung sebagai berikut:

) ( _{3 2} 2

3

2 P v v

W ₋ = − kJ m m kPa 8023 , 0 ) 10 674 , 3 10 3808 , 1 ( 4747 ,

5943 4 3 5 3

= × × − ×

= − −

Proses 3-4: Langkah isentropik

Volume pada titik 4:

Berdasarkan diagram p-v siklus diesel pada Bab II sebelumnya terlihat jelas bahwa: V₄ =V₁ =6,5912×10−4m3

Temperatur pada titik 4

Setelah torak mencapai titik mati bawah (TMB) sejumlah kalor dikeluarkan dari dalam silinder sehingga temperatur fluida kerja akan turun menjadi T4. Nilai dari T4 dapat kita hitung dengan persamaan 2.14 berikut ini:

1 4 3 3 4 −     = k V V T T K m K 7374 , 1779 10 5912 , 6 10 3808 , 1 7428 , 3325 4 , 0 4 3 4 =     × × = − ₋

Tekanan pada titik 4:

Tekanan pada titik 4 di dalam silinder akan mengalami penurunan setelah titik 3. Nilai dari P4 dapat kita hitung sesuai dengan persamaan 2.15 di bawah ini:

k V V P P     = 4 3 3 4

kPa m m kPa 3052 , 666 10 5912 , 6 10 3808 , 1 4747 , 5943 4 , 1 3 4 3 4 =     × × = −₋

Kerja persiklus 3-4:

Untuk kerja yang dihasilkan selama langkah ekspansi (W₃₋₄) dapat ditentukan berdasarkan persamaan 2.16 berikut ini:

(

)

k T T R m W m − − × × = − 1 3 4 4 3 kJ K K K kg kJ kg 8960 , 0 4 , 1 1 ) 7428 , 3325 7374 , 1779 ( . / 287 , 0 10 1768 , 7 4 = − − × × × = − Proses 4-5:

Titik 5 merupakan proses langkah buang atau disebut juga proses exhaust

blowdown dimana katup keluar terbuka dan katup hisap tertutup. Sesuai dengan

persamaan 2.17 maka volume pada titik 5 (V5) sama dengan volume pada titik 4

( = 4 3

1

4 V V 6,5912 10 m

V BDC − × = = = ).

Sedangkan temperatur pada titik 5 (T5) sama dengan temperatur pada titik

1 (T1), ini dibuktikan dari persamaan 2.19 berikut ini.

= = = kJ K K K kg kJ kg ) 7470 , 0 ( ) 7374 , 1779 330 ( . / 718 , 0 10 1768 , 7 4 − = × × × − = − Maka,

Sesuai dengan persamaan 2.18. maka kerja (W₄₋₅)=0

Proses 5-6:

Titik 6 merupakan proses langkah buang pada tekanan konstan ( ). Untuk kerja yang dihasilkan pada proses 5- 6 dapat dihitung berdasarkan persamaan 2.21 berikut ini:

(

6 5

)

0

(

6 1

)

0

6

5 P v v P v v

V2 = V6

V5 = V1

Sesuai dengan gambar 2.2. diagram p-v, maka nilai Po – P1 = 100 kPa. )

( _{6 1} 1

6

5 P v v

W ₋ = × −

kJ m m kPa ) 05544 , 0 ( ) 10 5912 , 6 10 674 , 3 (

100 5 3 4 3

− = × − × × = − −

W nett (Kerja satu siklus):

Kerja yang dihasilkan dalam satu siklus kerja dapat dihitung berdasarkan persamaan dibawah ini:

) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ₆₋₁ + ₁₋₂ + ₂₋₃ + ₃₋₄ + ₄₋₅ + ₅₋₆

= W W W W W W

W_nett kJ kJ kJ kJ kJ 42931 , 1 ) 05544 , 0 ( ) 0 ( ) 8960 , 0 ( ) 8023 , 0 ( ) 3759 , 0 ( ) 08235 , 0 ( + = − + + + + + + − + + =

Sehingga, kerja yang dihasilkan dalam satu siklus kerja dari Toyota Fortuner Tipe 2KD-FTV VN Turbo adalah 1,1982 kJ.

Untuk effisiensi termal dari satu siklus kerja dari motor diesel 2KD-FTV dapat dihitung berdasarkan persamaan 2.22 dibawah ini:

in nett th Q W = η % 93 , 67 6793 , 0 104 , 2 42931 , 1 = = = kJ kJ

4.3. Parameter Performansi Mesin Diesel Toyota Fortuner Tipe 2KD-FTV VN Turbo

4.3.1. Tekanan efektif rata-rata

Didefenisikan sebagai suatu tekanan yang dibayangkan bekerja pada permukaan piston pada langkah kerja, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut:

d

v Wnett mep=

Dengan nilai W_nett =1,42931kJ dan besarnya volume langkah

) 10 235 , 6

(V_d = × −4m3 , maka besarnya tekanan efektif rata-rata adalah:

kPa m kJ mep 81 , 22923 10 235 , 6 42931 , 1 3 4 = × = ₋

4.3.2. Daya indikator

Daya indikator adalah daya yang dihasilkan dalam silinder motor sehingga merupakan basis perhitungan atau penentuan efisiensi pembakaran atau besarnya laju panas akibat pembakaran di dalam silinder. Besarnya nilai daya indikator (Wi) pada putaran 2500 rpm dapat dirumuskan sebagai berikut:

Wi

n N W_nett ×

= kW 77 , 29 2 60 2500 42931 , 1 = × =

Untuk 4 silinder = 4 x 29,77 kW = 119,08 kW

Tabel 4.2 Daya Indikator

Putaran Mesin (rpm) Daya Indikator Mesin (kW)

1000 3,57

1500 17,86

2000 23,81

2500 29,77

3000 35,73

3500 41,68

4000 47,63

4500 53,59

5000 59,55

Keterangan :

Sesuai dengan Gambar 4.1 diatas dapat kita perhatikan bahwa seiring dengan bertambahnya putaran mesin, otomatis akan meningkatkan daya indokator. Hal ini secara terus menerus akan meningkat seiring dengan putaran mesin bertambah.

4.3.3. Torsi dan Daya

Torsi yang dihasilkan dari sebuah mesin dapat diukur dengan menggunakan dynamometre yang dikopel dengan poros output mesin. Oleh karena sifat dynamometer yang bertindak seolah-olah seperti sebuah rem dalam sebuah mesin, maka daya yang dihasilkan poros output ini sering disebut sebagai daya rem (brake power) dan dapat dihitung dalam bentuk persamaan berikut ini.

Dari data spesifikasi motor diesel Toyota Fortuner tipe 2KD-FTV VN Turbo, didapatkan data-data sebagai berikut :

Output maksimum (N) : 106 kw @ 3400 rpm Momen maksimum (T) : 343 N.m @ 2800 rpm

Untuk lebih jelasnya, dapat kita lihat dalam bentuk kurva kinerja motor diesel Toyota Fortuner tipe 2KD-FTV VN Turbo dalam Gambar 4.2. berikut ini.

Wb=

= x 343Nm

= 100521,8 Nm / det = 100,5218 kW

Tabel 4.3 Torsi Mesin

Putaran mesin (rpm) Torsi (Nm)

1400 331

1600 334

1800 337

2000 340

2200 343

2400 340

2600 337

2800 334

Untuk data hasil perhitungan daya mesin dapat dilihat pada tabel 4.4 di bawah ini.

Tabel 4.4 Daya Mesin

Putaran mesin (rpm) Daya mesin (kW) 1400 49,528

1600 57,441

1800 64,621

2000 71,801

2200 78,981

2400 86,161

2600 93,341

2800 100,521

Gambar 4.3 Grafik Daya Mesin

Sesuai dengan gambar 4.3 di atas dapat di simpulkan bahwa putaran mesin yang meningkat akan membuat daya mesin semakin bertambah. Hal ini adalah hal yang wajar dimana ketika sebuah mesin mempercepat laju kendaraan maka otomatis daya yang dibutuhkan akan semakin bertambah.

4.3.4 Pengabungan antara Daya mesin dan Torsi dalam satu grafik

4.3.5 Perbandingan hasil Perhitungan Dengan Hasil Pengukuran Pada Daya Mesin Dengan Putaran Mesin.

Putaran mesin (rpm) Daya mesin Kw (dalam perhitungan)

Daya mesin Kw (dalam pengukuran)

1400 49,528 56

1600 57,441 63

1800 64,621 71

2000 71,801 78

2200 78,981 85

2400 86,161 92

2600 93,341 99

2800 100,521 106

Gambar 4.5 Grafik perbandingan hasil perhitungan dengan hasil pengukuran

4.3.6. Konsumsi bahan bakar spesifik (Sfc)

Secara tidak langsung konsumsi bahan bakar spesifik merupakan indikasi efisiensi dalam menghasilkan daya dari pembakaran bahan bakar. Laju aliran bahan bakar sebesar 4,784375×10−5kg/det dan daya (Wb) sebesar 100,521 kW,

maka konsumsi bahan bakar spesifik pada putaran 2800 rpm adalah sebagai berikut:

Sfc = m´f / ẁb

521 , 100 4 5 , 0 60 2800 10 785 ,

4 × 5× × ×

= − sfc jam kW gram kW kg − = − × = − / 359 , 197 det / 10 4822 , 5 4

Untuk hasil perhintungan dapat dilihat pada tabel 4.5 di bawah ini. Tabel 4.5 Sfc

Putaran mesin (rpm) Sfc (gram/kW-jam)

1400 117,396

1600 128,808

1800 139,176

2000 151,668

2200 163,08

2400 174,528

2600 185,94

Gambar 4.6 grafik konsumsi bahan bakar spesifik (Sfc) Keterangan:

Sesuai dengan gambar 4.4 di atas dapat di simpulkan bahwa putaran mesin yang bertambah otomatis akan meningkat konsumsi bahan bakar. Hal ini adalah wajar dimana ketika mesin bekerja lebih berat maka pemakaian bahan bakarnya pun bertambah.

4.3.7. Efisiensi mekanis

Merupakan perbandingan antara daya poros (Wb) dengan daya indikator

(Wi). Dengan daya poros (Wb) sebesar 100,521 kW dan daya indikator (Wi)

sebesar 119,08 kW, maka besarnya efisiensi mekanis dapat kita hitung dengan menggunakan persamaan di bawah ini:

Wi W_b m = η % 4 , 84 844 , 0 08 , 119 5218 , 100 = = = kW kW

4.3.8. Efisiensi Volumetrik

Merupakan indikasi sejauh mana volume sapuan (swept volume) mesin tersebut dapat terisi fluida kerja. Dengan massa udara sebesar 6,6984×10−4kg, kerapatan udara 1,055kg/m3,dan besar volume langkah 6,235×10−4m3,maka efisiensi volumetrik dapat dihitung dengan persamaan berikut ini:

d a a v V m ρ η = % 18 , 80 8018 , 0 10 235 , 6 / 088 , 1 10 6984 , 6 3 4 3 4 = = × ×× = − ₋ m m kg kg

4.3.9. Efisiensi Thermal Brake

Efisiensi Thermal Brake merupakan perbandingan antara daya keluaran actual terhadap laju panas rata-rata yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar. Efisiensi Thermal Brake dihitung dengan persamaan dibawah ini:

3600 . .CV

mf PB

b =

η

_65,22% 6522 , 0

3600 35 , 55588 785

, 4

528 , 49

= =

= x

x

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Beberapa kesimpulan yang dapat ditarik dari analisa ini adalah:

1. Kerja yang dihasilkan dari satu siklus termodinamika pada mobil Toyota Fortuner mesin diesel type 2KD-FTV VN Turbo adalah 1,42931kJ.

2. Daya yang dihasilkan pada poros output mesin yang sering disebut sebagai daya rem (brake power) adalah 100,521 kW kW

3. Daya indikator sebagai daya yang dihasilkan dalam silinder motor sehingga merupakan basis perhitungan atau penentuan efisiensi pembakaran atau besarnya laju panas akibat pembakaran di dalam silinder adalah 119,08 kW 4. Konsumsi bahan bakar spesifik (sfc) sebagai indikasi efisiensi dalam

menghasilkan daya dari pembakaran bahan bakar pada putaran 2800 (rpm) adalah 197,359 gram/kW-jam.

5. Efisiensi termal yang merupakan indikasi sesungguhnya dari konversi input termodinamika menjadi kerja mekanis adalah 65,22 %.

6. Efisiensi mekanis yang merupakan perbandingan antara (Wb) dengan daya indikator (Wi) pada mobil Toyota Fortuner mesin diesel type 2KD-FTV VN Turbo ini adalah 84,4 %.

7. Efisiensi volumetrik pada mobil Toyota Fortuner mesin diesel type 2KD-FTV VN Turbo ini adalah 80,18 %.

5.2. Saran

Beberapa saran yang dapat saya berikan setelah menyusun skripsi ini adalah:

1. Untuk mendukung kelancaran dan akurasi hasil pengujian sebaiknya dilakukan pemeriksaan dan kalibrasi terhadap instrumentasi dan alat ukur setiap kali pengujian akan dilakukan.

2. Pada setiap kali melakukan percobaan dan survei di lapangan hendaknya melakukan pengamatan secara serius dan menanyakan hal-hal yang tidak mengerti kepada pembimbing di lapangan untuk menghindari ketidaktahuan dalam menjawab pertanyaan pada saat seminar dan sidang meja hijau berlangsung.

3. Data-data yang didapatkan dari tempat survei lapangan baik berupa diklat ataupun tulisan tangan hendaknya dikumpulkan dan disusun dengan baik serta disimpan untuk menjadi arsip sebagai data pendukung utama dalam skripsi ini.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian Dasar

Jika meninjau jenis-jenis mesin, pada umumnya adalah suatu pesawat yang dapat merubah bentuk energi tertentu menjadi kerja mekanik. Misalnya, mesin listrik yang mana adalah sebuah mesin yang kerja mekaniknya diperoleh dari sumber listrik. Sedangkan mesin gas atau mesin bensin yang kerja mekaniknya diperoleh dari sumber pembakaran gas atau bensin.

Selain dari pada itu, apabila ditinjau dari cara memperoleh sumber energi termal, jenis mesin kalor dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu:

1. Mesin pembakaran luar (exsternal combustion engine). Mesin pembakaran luar adalah mesin dimana proses pembakaran terjadi diluar mesin, energi termal dari hasil pembakaran dipindahkan ke fluida kerja mesin melalui beberapa dinding pemisah. Contohnya adalah mesin uap.

2. Mesin pembakaran dalam (internal combustion engine). Mesin pembakaran dalam adalah mesin dimana proses pembakaran berlangsung di dalam mesin itusendiri, sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja. Mesin pembakaran dalam ini umumnya dikenal dengan sebutan motor bakar. Contoh dari mesin kalor pembakaran dalam ini adalah motor bakar torak dan turbin gas. (Lit.1 Hal. 14)

Motor diesel adalah jenis khusus dari mesin pembakaran dalam. Karakteristik utama dari mesin diesel yang membedakannya dari motor bakar yang lain terletak pada metode penyalaan bahan bakarnya. Dalam mesin diesel bahanbakar diinjeksikan ke dalam silinder yang berisi udara bertekanan tinggi. Selama proses pengkompresian udara dalam silinder mesin, suhu udara meningkat, sehingga ketika bahan bakar yang berbentuk kabut halus bersinggungan dengan udara panas ini, maka bahan bakar akan menyala dengan sendirinya tanpa bantuan alat penyala lain. Karena alasan inilah mesin diesel juga disebut mesin penyalaan kompresi (Compression Ingnition Engines).

Motor diesel memiliki perbandingan kompresi sekitar 11:1 hingga 26:1 jauh lebih tinggi dibandingkan motor bakar bensin yang hanya berkisar 6:1 hingga 9:1.

Komsumsi bahan bakar spesifik mesin diesel lebih rendah kira-kira 25% dibandingkan mesin bensin namum perbandingan kompresinya yang lebih tinggi menjadikan tekanan kerjanya juga tinggi. (Lit.1 hal.16 ) Sebagai jenis kedua motor bakar torak selain dari pada mesin diesel, motor bensin yang dikenal dengan mesin otto atau mesin Beau Des Rochas, penyalaan bahan bakar dilakukan oleh percikan bunga api dari antara kedua elektroda busi. Sehingga mesin besin dikenal dengan sebutan Spark Ingnition Engene.

Disamping itu, klasifikasi motor bakar berdasarkan siklus langkah kerjanya, dibedakan atas dua jenis, yaitu:

1. Motor dua langkah (tak). Pengertian dari motor dua langkah adalah motor yang pada dua langkah piston (satu putaran engkol) sempurna akan menghasikan satu tenaga kerja (satu langkah kerja).

2. Motor empat langkah(tak). Pengertian dari motor empat langkah adalah motor yang pada empat langkah piston (dua putaran engkol) sempurna akan menghasilkan satu tenaga kerja (satu langkah kerja).

2.2 Motor Diesel

2.21 Sejarah Mesin Diesel

Mesin diesel adalah sejenis mesin pembakaran dalam lebih spesifik lagi sebuah mesin pemicu kompresi dimana bahan bakranya dinyalakan oleh suhu tinggi gas yang dikompresikan dan bukan oleh alat berenergi lain seperti busi. Mesin ini ditemukan pada tahun 1892 oleh Rudolf Diesel yang menerima paten pada 23 febuari 1893. Diesel menginginkan sebuah mesin untuk dapat digunakan dengan berbagai macam bahan bakar termasuk debu batu bara. Dia mempertunjukkannya pada Exposition Universelle (Pameran Dunia) tahun 1900 dengan menggunakan minyak kacang. Kemudian diperbaiki dan disempurnakan

oleh Charles F. Kettering. (Lit.1 hal.18 )

Motor Diesel merupakan motor pembakaran dalam (Internal Combustion

Engine), dimana bahan bakarnya disemprotkan kedalam silinder pada waktu torak

hampir mencapai titik mati atas (TMA). Oleh karena udara di dalam silinder mempunyai temperatur yang tinggi, maka bahan bakar akan terbakar dengan sendirinya. Motor Diesel umumnya mempunyai beberapa konstruksi utama

diantaranya adalah torak, batang torak, poros engkol, katup, pompa bahan bakar bertekanan tinggi dan mekanisme penggerak lainnya. Daya yang dihasilkan motor diesel diperoleh melalui pembakaran bahan bakar yang terjadi di dalam silinder. Hal ini menyebabkan gerakan translasi torak didalam silinder yang dihubungkan dengan poros engkol pada bantalannya melalui batang penghubung (Connecting

Rod).

2.2.2 Prinsip Kerja Motor Bakar Diesel

Ketika gas dikompresikan, suhunya meningkat seperti dinyatakan oleh Hukum Charles; mesin diesel menggunakan sifat ini untuk menyalakn bahan bakar. Udara disedot kedalam silinder mesin diesel dan dikompresikan oleh piston yang merapat, jauh lebih tinggi dari resiko kompresi dari mesin menggunakan busi. Pada saat piston memukul bagian atas, bahan bakar diesel dipompa keruang pembakaran dalam tekanan tinggi, melalui nozzle atomisting. Dicampur dengan udara panas yang bertekanan tinggi. Hasil pencampuran ini menyala dan membakar dengan cepat.

Ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran di atas mengembang, mendorong piston kebawah dengan tenaga yang kuat dan menghasilkan tenaga dalam arah vertikal. Rod penghubung menyalurkan gerakan ini ke crankshaft yang dipaksa untuk berputar, menghatar tenaga putar di ujung pengeluaran crankshaft.

Scavengining yang mendorong muatan-gas yang habis terbakar keluar dari

silinder, dan menarik udara segar kedalam mesin dilaksanakan oleh ports atau

valves. Untuk menyadari kemampuan mesin diesel, penggunaan turbocharger

untuk mengkompres udara yang disedot masuk sangat dibutuhkan dan intercooler untk mendinginkan udara yang disedot masuk setelah kompresi oleh turbocharger meningkatkan efisiensi.

Komponen penting dari mesin diesel adalah governor, yang membatasi kecepatan mesin mengontrol penghantaran bahan bakar. Mesin yang menggunakan pengontrolan elektronik canggih mencapai ini melalui Electronic

Control Modul (ECM) atau Electronic Control Unit (ECU) yang merupakan

komputer dalam mesin.ECM/ECU menerima kecepatan signal mesin melalui sensor dan menggunakan algoritma dan mencari tabel kalibrasi yang disimpan

dalam ECM/ECU, dia mengontrol jumlah bahan bakar dan waktu melalui aktuator elektronik atau hidrolik untuk mengatur kecepatan mesin. Mesin diesel tidak dapat berubah beroperasi pada saat silinder dingin. Beberapa mesin menggunakan pemanasan elektronik kecil di dalam silinder untuk memanaskan silinder sebelum pemanasan mesin. Lainnya menggunakan pemanas

resistive grid dalam intake manifold untuk menghangatkan udara masuk sampai

mesin mencapai suhu operasi. Setelah mesin beroperasi pembakaran bahan bakar dalam silinder dengan efektif memanaskan mesin.

Dalam cuaca yang sangat dingin, bahan bakar diesel mengental dan meningkatkan viskositas dan membentuk kristal lilin atau gel. Ini dapat mempersulit pemompa bahan bakar untuk menyalurkan bahan bakar tersebut ke dalam silinder dalam waktu yang efektif, membuat penyalaan mesin dalam cuaca dingin menjadi sulit, meskipun peningkatan dalam bahan bakar diesel telah membuat kesulitan ini menjadi sangat jarang. Cara umum yang dipakai adalah untuk memanaskan penyaring bahan bakar dan jalur bahan bakar secara elektronik.

Maka secara ringkas langkah-langkah kerja pada mesin diesel adalah sebagai berikut:

1. Langkah hisap

Piston bergerak dari TMA (titik mati atas) menuju titik mati bawah (TMB). Katup isap terbuka, dan katup buang tertutup, karena terjadi tekanan dalam silinder terjadilah kevakuman pada waktu torak bergerak ke TMB (titik mati atas), selajutnya campuran udara bahan bakar mengalir kedalam silinder melalui katup masuk untuk mengisi ruang silinder.

2. Langkah kompresi

Setelah mencapai TMB (titik mati bawah), piston bergerak kembali menuju TMA (titik mati atas), dam kedua katup dalam keadaan tertutup. Dengan demikian campuran udara dan bahan bakar yang berada didalam silinder ditekan dan dimanfaatkan oleh torak yang bergerak ke TMA (titik mati atas), akibatnya tekanan dan suhu dalam silinder naik sehingga bahan bakar sangat mudah untuk terbakar.

3. Langkah usaha

Pada saat piston bergerak dari TMA (titik mati atas) menuju TMB (titik mati bawah), katup hisap dan katup buang tertutup. Sesaat piston menjelang titik mati atas, injektor menyemprotkan bahan bakar sehingga terjadi pembakaran yang menyebabkan piston bergerak dari TMA (titik mati atas) ke TMB (titik mati bawah).

4. Langkah buang

Piston bergerak dari TMB (titik mati bawah) menuju TMA (titik mati atas). Katup hisap tertutup dan katup buang terbuka. Pada proses ini gas yang terbakar dibuang oleh dorongan piston ke atas dan selajutnya mengalir melalui katup buang. Pada posisi ini poros engkol telah berputar dua kali dalam satu siklus dari empat langkah.

2.2.3.Siklus Ideal Diesel

Pada motor bakar mesin diesel, siklus yang berlangsung pada proses pembakaran adalah pada tekanan konstan. Pada siklus ini tampak secara jelas dan diuraikan satu per satu proses perpindahan atau aliran yang berlangsung dari satu

titik ke titik yang lain. Dengan memperhatikan gambar dan arah perpindahan maka kita akan memahami proses yang berlangsung apakah terjadi laju peningkatan, penurunan atau keadaan stagnan (tetap).

(T)Temperatur

Gambar 2.2. Diagram P – v (a) dan diagram T – s (b)

(Lit 1. hal . 92) Proses-proses yang terjadi pada siklus tersebut adalah:

a. Proses 6-1. Tekanan konstan udara hisap pada Po.

Katup hisap terbuka dan katup keluar tertutup: )

( _{1 6} 0

1

6 P v v

W ₋ = − [2.1]

Sumber: (Lit. 5 hal. 93) Keterangan:

0

P = tekanan pada titik 0 (kPa)

V1 = volume pada titik 1 (m3)

V6 = volume pada titik 6 (m3)

1 6−

W = kerja pada titik 6-1 (kJ)

Po

Entropy (s) 2

1 6

5 4

1 Volume spesifik (v)

Qout

2 3

4 (P) Tekanan

b. Proses 1-2. Langkah kompresi isentropik Semua katup tertutup:

T2 = T1(V1 / V2)k-1 = T1(V1 / V2)k-1 =T1 (rc)k-1 [2.2]

P2 = P1(V1 / V2)k = P1(V1 / V2)k = P1(rc)k [2.3]

V2 = VTDC = mmRT2 / P2 [2.4]

Q1-2 = 0 [2.5]

W1-2 = mmR(T2 – T1) / 1- k [2.6]

Sumber: (Lit. 5 hal. 93) Keterangan:

1

P = tekanan pada titik 1 (kPa)

2

P = tekanan pada titik 2 (kPa)

1

T = temperatur pada titik 1 (K)

2

T = temperatur pada titik 2 (K)

1

V = volume pada titik 1 (m3)

2

V = volume pada titik 2 (m3)

2 1−

W = kerja pada siklus 1-2 (kJ)

R = konstanta gas (kJ/kg.K)

c. Proses 2-3. Tekanan Konstan Panas Masuk (Pembakaran) semua katup tertutup:

Q2-3 = Qin = mf QHVηc = mmCp(T3 – T2) = (ma + mf)Cp(T3 – T2) [2.7]

QHVηc = (AF + 1)Cp (T3 – T2) [2.8]

Q2-3 = Qin = Cp(T3 - T2) = (h3 – h2) [2.9 ]

W2-3 = Q2-3 – (u3 – u2) = P2(V3 – V2) [2.10]

T3 = Tmax [2.11]

Cut of Ratio :

ß = V3 – V2 = T3 / T2 [2.12]

Sumber: (Lit. 5 hal. 93) Keterangan:

3

P = tekanan pada titik 3 (kPa)

2

3

T = temperatur pada titik 3 (K)

2

T = temperatur pada titik 2 (K)

HV

Q = heating value (kJ/kg)

in

Q = kalor yang masuk (kJ)

c

η = efisiensi pembakaran

m

m = massa campuran gas di dalam silinder (kg)

p

C = panas jenis gas pada tekanan konstan (kJ/kg.K) 3

2−

W = kerja pada titik 2-3 (kJ)

d. Proses 3-4: Langkah Isentropik atau langkah ekspansi isentropik: Semua katup tertutup:

Q3-4 = 0 [2.13]

T4 = T3(V3 / V4)k-1= T3(V3 / V4)k [2.14]

T4 = T3 = (V3 / V4)k = (V3 / V4)k [2.15]

W3-4 = (P4V4 – P3V4) / (1 – k ) = R(T4 – T3) / (1 – k) = (u3 – u4) = Cv (T3- T4)

[2.16] Keterangan:

4

P = tekanan pada titik 4 (kPa) 3

P = tekanan pada titik 3 (kPa) 3

T = temperatur pada titik 3 (K)

4

T = temperatur pada titik 4 (K) 3

V = volume pada titik 3 (m3)

4

V = volume pada titik 4 (m3)

m

m = massa campuran gas di dalam silinder (kg)

R = konstanta gas (kJ/kg.K) 4

3−

e. Proses 4-5: Rejeksi panas volume konstan (keluaran berhembus kebawah) Katup keluar terbuka dan katup hisap tertutup.

V5 = V4 = V1 = vBDC [2.17]

W4-5 = 0 [2.18]

Q4-5 = Qout = mmCv(T5 – T4) = = mmCv(T1 - T4) [2.19]

Q4-5 = Qout = Cv = (T5 – T4) = (u5 – u4) = Cv(T1 – T4) [2.20]

Sumber: (Lit. 5 hal. 93-94) Keterangan:

4

T = temperatur pada titik 4 (K) 5

T = temperatur pada titik 5 (K)

m

m = massa campuran gas di dalam silinder (kg)

v

c = panas jenis gas pada volume konstan (kJ/kg.K) 5

4−

W = kerja pada titik 4-5 (kJ)

f. Proses 5-6: Tekanan Konstan langkah buang di Po. Katup buang terbuka.

W5-6 = P0 (V6 – V5) = P0(V6 – V1) [2.21]

Sumber: (Lit. 5 hal. 94) Keterangan:

0

P = tekanan pada titik 0 (kPa) 5

v = volume pada titik 5 (m3) 6

v = volume pada titik 6 (m3) 6

5−

W = kerja pada titik 5-6 (kJ)

Effisiensi Thermal Siklus Diesel (Eff. Th):

(ηt )DIESEL = [Wnet] / [Qin] = 1 – ([Qout] / [Qin]) [2.22] Sumber: (Lit. 5 hal. 94)

2.2.4 Siklus Dual Cycle

Diagram tekanan-volume (P-v) pada motor pembakaran dalam yang aktual tidak tergambarkan dengan baik melalui siklus Dual cycle. Siklus yang dapat digunakan untuk memberikan perkiraan variasi tekanan yang lebih baik adalah siklus rangkap (dual cycle) seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3. dibawah ini.

Gambar 2.3 Diagram P – v dan diagram T – s Siklus Dual Cycle

(Lit. 4 hal. 68) Sebagaimana terdapat pada siklus Dual cycle, proses – preoses yang terjadi pada diagram T-s adalah sebagai berikut:

a. Proses 1-2 adalah kompresi isentropik

b. Proses 2-3 adalah penambahan kalor pada volume konstan c. Proses 3-4 adalah penambahan kalor pada tekanan konstan

d. Proses 4-5 adalah ekspansi isentropik sebagai tahap akhir langkah kerja e. Proses 5-1 adalah diakhiri dengan pelepasan kalor pada volume konstan 2.2.5. Konfigurasi Mesin Diesel

Ada dua kelas mesin diesel yaitu dua langkah (stroke) dan empat langkah (stroke). Banyak mesin diesel besar beroperasi dalam dua langkah. Mesin yang lebih kecil biasanya menggunakan empat langkah. Biasanya kumpulan silinder digunakan selama muatan di crankshaft di tolak seimbang untuk mencegah getaran yang berlebihan. Inline-6 paling banyak di produksi dalam mesin tugas-medium ketugas-berat meskipun V8 dan staight-4 juga banyak diproduksi.

1

4 3

2

1 5

4 3

2

5 s = c

s = c

v = c

p = c

v = c P

v T

2.2.6 Kelebihan dan Kekurangan Mesin Diesel

Mesin diesel lebih besar dari mesin bensin dengan tenaga yang sama karena kontruksi berat diperlukan untuk bertahan dalam pembakaran tekanan tinggi untuk penyalaan. Dan juga dibuat dengan kualitas sama yang membuat penggemar mendapatkan peningkatan tenaga yang besar dengan menggunakan mesin turbocharger melalui modifikasi yang relatif lebih mudah dam murah. Mesin bensin dengan ukuran sama tidak dapat mengeluarkan tenaga yang sebanding karena komponen di dalamnya tidak mampu menahan tekanan tinggi, dan menjadikan mesin diesel kandidat modifikasi mesin dengan hanya menggunakan ongkos dengan biaya murah.

Kekurangan hanya terletak suara yang berisik juga pada bobot dan dimensi yang dua kali lebih berat dan besar dari mesin bensin, dikarenakan komponen mesin diesel yang di desain kuat untuk menahan kompresi tinggi, begitu juga akselerasi yang lemot bisa di perbaiki melalui penambahan torbo atau yang dikenal sebagai supercharger.

Penambahan turbocharger atau supercharger ke mesin meningkatkan ekonomi bahan bakar dan tenaga. Rasio kompresi yang tinggi membuat mesin diesel lebih efisien dari mesin menggunakan bensin. Peningkatan ekonomi bahan bakar juga berarti mesin diesel memproduksi karbondioksida yang lebih sedikit.

2.2.7 Prinsip Turbo Intercooler

Prinsip kerja turbo, mengkompresi udara ke mesin untuk meningkatkan jumlah molekul oksigen yang masuk ke silinder. Tingginya molekul oksigen yang masuk mendorong tambahan pasokan BBM. Dengan demikian, lebih banyak BBM yang dibakar, hingga daya yang diproduksi meningkat.

Gambar 2.4 Cara kerja mesin turbo Sumber: Internet prinsip turbo

Tekanan udara yang dikompresi bisa meningkat hingga 8 psi (pounds per square inch) dibandingkan tekanan normal. Bila tekanan normal di permukaan laut sebesar 14.7 psi, maka udara yang dikompresi mempunyai tekanan hingga 50% lebih tinggi. Namun tidak berarti power yang dihasilkan meningkat 50%. Karena ada sebagian daya yang hilang/inefisiensi. Peningkatan daya optimal turbo bisa 30 / 40 persen lebih banyak. Untuk melakukan kompresi, turbo memanfaatkan aliran gas buang dari mesin untuk memutar turbin, yang meneruskan putaran ke kompresor udara. Turbin ini bisa berputar hingga 150,000 putaran tiap menit (rpm) atau 30 kali putaran mesin mobil pada umumnya. Temperatur perangkat ini juga bisa melesat naik, ketika bersentuhan dengan gas buang. Dengan kondisi kerja seperti itu, turbo membutuhkan material berkualitas tinggi dengan pengerjaan super presisi. Sumber: Internet (Prinsip Turbo)

Perangkat turbo dipasang pada exhaust manifold, sedangkan kompresor udara diletakkan diantara air filter dan intake manifold. Udara yang dikompresi, suhunya naik dan ketika suhu naik, udara akan memuai lagi. Akibatnya, meskipun

tekanan udara yang masuk ruang bakar tinggi, tapi jumlah molekul udara yang dibutuhkan untuk pembakaran menjadi berkurang.

Oleh karena itu, maka ditambahkan perangkat Intercooler yang berfungsi mendinginkan udara yang disedot dan dimampatkan oleh turbocharger. Pendinginan diperlukan agar massa udara yang sampai ke ruang bakar lebih banyak (densitas udara lebih tinggi, khususnya oksigen). Makin banyak masa udara atau oksigen yang bisa disedot dan kemudian dimampatkan oleh piston, kemampuan menghasilkan energi juga semakin besar. Khusus saat membakar diesel yang disemprotkan ke ruang bakar.

Gambar 2.5 Prinsip Mesin Turbo

Sumber: Internet (Prinsip Turbo)

Di sisi lain, penggunaan turbo juga menimbulkan kerugian pada mesin. Pemasangan turbin membuat aliran gas buang menjadi tidak lancar. Mesin juga harus mengeluarkan tenaga ekstra untuk melawan tekanan balik dari saluran gas buang.Selain itu gejala knocking/nglitik juga sering ditemui. Ini disebabkan karena udara kompresi yang bersuhu tinggi ketika masuk ke ruang bakar yang bertekanan tinggi, bisa memicu pembakaran sebelum busi memercikkan api. Oleh karena itu, mobil dengan perangkat turbo seringkali membutuhkan BBM dengan oktan tinggi, guna menghindari gejala knocking. Kini mesin-mesin modern yang dilengkapi turbo, sudah dilengkapi semacam adjuster yang bisa menyesuaikan kompresi udara secara presisi sesuai kebutuhan mesin.

Problem lain yang sering ditemui mobil dengan perangkat turbo adalah turbo lag. Kondisi ini terjadi karena turbo tidak bisa seketika menghadirkan tambahan daya saat gas ditekan (turbo baru bekerja pada putaran tertentu). Baru beberapa detik kemudian tambahan daya bekerja, ditandai dengan melonjaknya mobil ke depan.Cara untuk meminimalkan efek ini adalah memangkas bobot komponen yang berputar. Ini membuat turbin dan kompresor lebih mudah berakselerasi untuk melakukan kompresi. Cara lainnya, dengan menggunakan material baru seperti ceramic turbine blades. Material baru ini lebih ringan dari baja, hingga lebih mudah berputar Efek ini nyaris tidak terasa pada mesin dengan teknologi turbo modern.Kebanyakan turbocharger memiliki wastegate, semacam katup pengaman yang memungkinkan gas buang menerobos keluar tanpa melewati turbin. Katup ini bekerja berdasarkan sensor tekanan. Bila tekanan udara terlalu tinggi, berarti turbin berputar terlalu cepat, maka exhaust gas dibuang lewat wastegate, hingga rotasi turbin melambat.

Karena turbo bekerja pada kondisi temperatur, kecepatan dan tekanan tinggi, maka peforma optimum bisa didapat jika alat ini dioperasikan dan dirawat dengan benar. Kerusakan yang sering terjadi biasanya akibat buruknya lubrikasi, atau masuknya partikel abrasif pada oli. Sebab lain adalah lolosnya partikel berukuran besar pada aliran udara yang tersedot masuk. Juga benda-benda yang tersembur keluar dari exhaust, seperti kerak karbon, serpihan komponen mesin, dll berperan menimbulkan kerusakan.

Agar turbo bekerja sempurna, maka;

• Turbo harus di service sesuai rentang waktu yang direkomendasikan. • Gunakan selalu oli yang direkomendasi produsen mobil

• Pilih bengkel yang benar-benar ahli dalam perawatan turbo

• Periksa setiap kebocoran oli, suara-suara aneh dan getaran yang tidak wajar. • Power kurang, suara keras, asap biru atau hitam, kemungkinan

mengindikasikan masalah pada mesin, bukan turbo

• Panaskan mesin beberapa saat, tunggu temperatur oli mesin mencapai suhu kerja optimal sebelum menggenjot pedal gas dalam-dalam untuk mengaktifkan turbo. Jangan memainkan pedal gas, karena kemungkinan lubrikan komponen turbo belum sempurna. Sebaliknya, biarkan mesin idle

• beberapa saat sebelum mesin dimatikan. Bila mesin dimatikan seketika, maka pasokan oli mesin ke turbo otomatis terhenti, sementara turbo masih berputar dengan kecepatan tinggi Ini bisa merusak bearing. Pada mesin-mesin dengan teknologi turbo terbaru, kejadian seperti itu tidak perlu lagi.

2.2.8 Analisa Termodinamika Motor bakar diesel pada Turbocarjer dan Intercoller

Keterangan:

0 – 1 : Langkah isap tekanan konstan 1 – 2 : Langkah kompresi isentropis

2 – 3a : Proses pembakaran pada volume konstan 3a – 3 : Proses pembakaran pada tekanan konstan 3 – 4 : Langkah ekpansi isentropis

4 – 1 : Langkah buang

4 – 5a : Ekspansi pada pipa gas buang 5a – 5 – 7 – 8 : Energi yang berguna pada turbin

9 – 6 – 7 – 8 : energi maksimum yang mampu menggerakan turbin P

3a 3

4

1 2

0 _5a

5

8

2.2.9 Teknologi Diesel Sistem Common Rail

Sistem Common rail menggunakan bahan bakar bertekanan tinggi yang dihasilkan oleh supply pump untuk memperbaiki penggunaan bahan bakar yang ekonomis dan menambah kekuatan (power) mesin, juga mengurangi vibrasi dan

noise mesin. Sistem ini menyimpan bahan bakar, yang telah mempunyai tekanan

yang dihasilkan oleh supply pump, pada common rail. Dengan menyimpan bahan bakar dengan tekanan tinggi sistem commonrail dapat menyediakan bahan bakar dengan tekanan bahan bakar yang stabil, tidak terpengaruh oleh cepatnya mesin atau beban mesin.

ECM menghasilkan arus listrik ke solenoid valve pada injektor,

menggunakan EDU, untuk mengatur waktu dan jumlah injeksi bahan bakar, dan juga memonitor tekanan bahan bakar di dalam common rail dengan menggunakan

fuel pressure sensor. ECM memerintahkan supply pump untuk menyuplai bahan

bakar di dalam common rail dengan menggunakan fuel pressure sensor. ECM memerintahkan supply pump untuk menyuplai bahan bakar yang dibutuhkan untuk memperoleh target tekanan bahan bakar, kira-kira 20 sampai 135 MPa (204 sampai 1,337 kgf/cm2, 2,901 sampai 19,581 psi).

Sebagai tambahan, sistem ini menggunakan 2-Way Valve (TWV) di dalam injektor untuk membuka dan menutup saluran bahan bakar. Walau demikian, waktu dan volume injeksi bahan bakar dapat di atur secara presisi oleh ECM. Sistem common rail menghasilkan dua injeksi bahan bakar yang terpisah. Untuk memperlembut kejutan pembakaran, sistem ini melakukan pilot-injection sebagai bagian injeksi bahan bakar lebih dulu ke injeksi bahan bakar utama. Hal ini dapat membantu mengurangi vibrasi dan noise mesin. (Lit. 4 hal. 44 )

Gambar 2.7 Sistem Diagram Common Rail

2.2.10 Perbedaan Diesel Common Rail dengan Diesel Konvensional

Perbedaan antara mesin diesel modern, common rail dengan konvensional adalah cara memasok bahan bakarnya. Terutama, komponen yang berada antara pompa injeksi dan injector. Ada dua komponen utama di sini, yaitu pompa injeksi atau mekanik awam menyebutnya Bosch pump dan injector.

Cara kerja common rail layaknya seperti konsep hidup bersama. Dalam hal ini, semua injector yang bertugas memasok solar langsung ke dalam mesin, menggunakan satu wadah atau rel yang sama dari pompa injector. Caranya sama dengan yang digunakan pada sistem injeksi bensin. Sedangkan mesin diesel konvensional, setiap injector memiliki pasokan solar sendiri-sendiri langsung dari pompa injeksi.

Tekanan bahan bakar dalam rel sangat tinggi. Sekarang, yaitu common rail generasi ke-3, tekananya sudah mencapai 1800 bar. Kalau dikonversi ke PSI yang masih digunakan sekarang menjadi 26.100 PSI. Bandingkan dengan tekanan ban 30 PSI. Atau tabung elpiji 25 bar dan CNG 200 bar. Dengan tekanan setinggi tersebut, pengabutan yang dihasilkan tentu saja semakin bagus. Hasil pembakaran menjadi lebih sempurna dan kerja mesin makin efisien. Sehingga mesin Diesel

Captiva VCDI lebih terlihat minim asap hitam ketimbang mesin Diesel zaman

dahulu. (Lit. 4 hal. 49 )

Sesuai dengan perkembangan mesin diesel, para ahli mengembangkan sistem yang paling mutakhir pada mesin diesel yakni yang dikenal dengan CRDI

(Common Rail Direct Injection) teknologi ini telah digunakan oleh Chevrolet

Captiva Diesel CRDI/VCDI dengan kapasitas mesin 2000cc 16 katup segaris memuntahkan tenaga 150 Daya Kuda pada putaran 4000 Rpm dengan torsi max 320 Nm. Kemudian diikuti pada saat ini oleh Toyota fortuner dengan tenaga 144 PS/3.400 rpm dengan torsi 35 kgm/1600-2.800 rpm dengan putaran mekanisme katup 4 silinder, 16 katup DOHC, VN turbo intercooler yang akan menghasilkan

tenaga besar namun efisien. (Lit. 4 hal. 51 )

2.3 Parameter Performansi/ Unjuk Kerja Mesin Diesel 2.3.1 Tekanan efektif rata-rata (mep)

Selama siklus berlangsung, temperatur dan tekanannya selalu berubah-ubah. Oleh karena itu sebaiknya dicari harga tekanan tertentu (konstan) yang apabila mendorong torak sepanjang langkahnya dapat menghasilkan kerja persiklus yang sama dengan siklus yang dianalisis. Tekanan tersebut dinamai tekanan efektif rata-rata (mep), yang diformulasikan sebagai:

Mep=

dimana:

mep = tekanan efektif rata-rata (kPa)

Vd = volume langkah torak (m3)

2.3.2 Daya Indikator ( Ẃi )

Merupakan daya yang dihasilkan dalam silinder motor sehingga merupakan basis perhitungan atau penentuan efisiensi pembakaran atau besarnya laju panas akibat pembakaran di dalam silinder.

Wi= 2.24] Sumber: ( Lit. 5 hal. 51)

dimana:

Ẃi = daya indikasi (kW)

N = putaran mesin (putaran/detik) n = jumlah putaran dalam satu siklus, untuk empat tak n = 2 (putaran/siklus)

Wnett = kerja netto (kJ) 2.3.3 Torsi dan Daya

Daya yang dihasilkan suatu mesin pada poros keluarannya disebut sebagai daya poros (atau bisa dikenal dengan brake power) yang dihitung berdasarkan rumusan:

Wb = 2π x N x τ [2.25] Sumber: (Lit. 5 hal 51) Dimana:

Wb = daya poros (kW)

N = putaran mesin (putaran/ detik) τ = torsi (Nm)

π = 3,14

seperti yang kita ketahui, dari sejumlah gaya yang dihasilkan mesin, maka sebagian darinya dipakai untuk mengatasai gesekan/friksi antara bagian-bagian mesin tyang bergerak, sebagian lagi dipakai untuk mengisap udara dan bahan bakar serta mengeluarkannya dalam bentuk gas buang.

2.3.4 Konsumsi bahan bakar (Sfc)

Konsumsi bahan bakar (Sfc) didefenisikan ssebagai jumlah bahan bakar yang dikonsumsikan persatuan unit daya yang dihasilkan perjam operasi. Secara tidak langsung komsumsi bahan bakar spesifik merupakan indikasi efesiansi mesin dalam menghasilkan daya dari pembakaran bahan bakar.

Sfc = mיּf / Wb

dimana :

mיּf =

dimana:

sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (gr/kwh) mיּf = laju aliran rata-rata bahan bakar (kg/detik) mf = massa bahan bakar (kg)

ma = massa udara (kg) Wb = daya poros (kW)

N = putaran mesin (putaran/detik)

2.3.5 Emisi Gas Buang Pada Motor Diesel

Pada prektek pembakaran dalam motor tidak pernah terjadi dengan sempurna meskipun sudah dilengkapain dengan kontrol yang canggih. Pada motor diesel, bedarnya emisi bentuk opasitas (ketebalan asap) tergantung banyaknya jumlah bahan bakar yang disemprotkan dalam silinder, karena pada motor diesel yang dikompresikan adalah udara murni. Dengan kata lain semakin kaya campuran maka semakin besar konsentrasi Nox, CO dan asap (smoke). Sementara itu semakin kecil campuran konsentrasi Nox, CO dan asap juga semakin kecil. 2.3.5.1 Pembentukan Karbon Monoksida (CO)

Pada proses pembakaran, bila karbon di dalam bahan bakar terbakar dengan sempurna akan menghasilkan CO2 (karbon dioksida). Tetapi jika unsur

oksigen (udara) tidak cukup maka yang terjadi adalah pembakaran tidak sempurna, sehingga karbon di dalam bahan bakar terbakar dalam suatu proses sebagai berikut :

C + ½ O2→ CO

Dengan kata lain, emisi CO dari kendaraan banyak dipengaruhi oleh perbandingan campuran antara udara dengan bahan bakar yang masuk ke ruang bakar (Air-Fuel Ratio). Jadi untuk mengurangi CO perbandingan campuran ini harus dibuat kurus (excess air).

Namun akibat lain HC dan NOx lebih mudah timbul dan output motor menjadi berkurang. Emisi karbon monoksida tidak beraroma dan tidak berwarna, namun sangat beracun. Pengaruh buruk pada motor apabila CO berlebihan adalah pembentukan deposit karbon yang berlebihan katup, ruang bakar, kepala piston, dan busi (untuk motor bensin). Deposit yang ditimbulkan tersebut secara alami mengakibatkan fenomena Self-Ignition (dieseling) dan mempercepat kerusakan mesin. Emisi CO berlebihan banyak disebabkan oleh faktor kesalahan pencampuran udara dan bahan bakar yang masuk ke dalam motor.

2.3.5.2 Pembentukan Hidrokarbon (HC)

Pada proses pembakaran, gas buang hidrokarbon yang dihasilkan dibedakan menjadi dua kelompok yaitu bahan bakar yang tidak terbakar dan keluar menjadi gas mentah, atau bahan bakar terpecah karena reaksi panas yang berubah menjadi gugus HC lain dan keluar bersama gas buang. Ada beberapa penyebab utama timbulnya hidrokarbon (HC) diantaranya adalah sebagai berikut : • Dinding-dinding ruang bakar yang bertemperatur rendah mengakibatkan

hidrokarbon (HC) di sekitar dinding tidak terbakar.

• Terjadi misfiring (gagal pengapian) ini bisa terjadi pada saat motor diakselerasi ataupun deselerasi.

• Adanya overlap intake valve (kedua valve bersama-sama terbuka) sehingga HC berfungsi sebagai gas pembilas/pembersih.

• Ignition delay yang panjang merupakan faktor yang mendorong terjadinya

peningkatan emisi HC.

Selain mengganggu kesehatan, emisi HC yang berlebihan juga menyebabkan fenomena photochemical smog (kabut). Karena HC merupakan sebagian bahan bakar yang tidak terbakar, makin tinggi emisi HC berarti tenaga motor makin berkurang dan konsumsi bahan bakar semakin meningkat.

2.3.5.3 Pembentukan Nitrogen Oksida (NOx)

Nitrogen oksida dihasilkan akibat adanya N2 (nitrogen) dalam campuran udara dan bahan bakar serta suhu pembakaran yang tinggi, sehingga terjadi pembentukan NOx. Biasanya timbul ketika mesin bekerja pada beban yang berat. Bila terdapat N2 dan O2 pada temperatur 1800 - 2000˚ C akan terjadi reaksi pembentukan gas NO seperti di bawah ini : N2 + O2→ 2 NO Selanjutnya gas NO

bereaksi lebih lanjut di udara menjadi NO2. Temperatur pembakaran yang

melebihi 2000˚C dalam ruang bakar mengakibatkan gas NOx. Sementara itu gas buang terdiri dari 95% NO, 3-4% NO2, sisanya N2O dan N2O3. Substansi NOx

tidak beraroma, namun terasa pedih di mata. Faktor-faktor utama yang mempengaruhi konsentrasi NOx selama pembakaran diantaranya maksimum temperatur yang dapat dicapai dalam ruang bakar, dan perbandingan udara - bahan bakar (AFR). Sehingga solusi untuk mengurangi kandungan NOx dalam gas buang yaitu dengan mengupayakan temperatur ruang bakar tidak mencapai

1800˚ C atau dengan mengusahakan sesingkat mungkin mencapai temperatur

maksimum. Cara lain yaitu dengan mengurangi konsentrasi O2. 2.3.5.4 Pembentukan Partikulat (Particulate Matter)

Partikulat dihasilkan oleh adanya residu bahan bakar yang terbakar dalam ruang bakar, dan keluar melalui pipa gas buang. Partikel-partikel seperti jelaga, asap dan debu secara umum terbagi menjadi dua bagian yaitu partikel-partikel yang merupakan emisi langsung biasanya disebut partikel utama (primary

particles) dan partikel-partikel hasil transformasi gas lain atau disebut partikel

sekunder (secondary particles). Ukuran partikel bervariasi, dengan ukuran besar cenderung berasal dari faktor geologi, seperti debu dan pasir yang ditiup angin. Sedangkan yang berukuran kecil terutama dari sumber-sumber pembakaran dan perubahan dari gas-gas emisi yang lain, seperti sulfur dioksida menjadi sulfat dan nitrogen oksida menjadi nitrat. Dari sini jelas bahwa emisi gas buang merupakan unsur yang berbahaya. Sebagian besar partikulat mengandung unsur karbon dan kotoran lain berbentuk butiran atau partikel dengan ukuran ± 0,01 – 10 μm. Gas buang diesel sebagian besar berupa partikulat dan berada pada dua fase yang berbeda namun saling menyatu yaitu fase padat, terdiri dari residu atau kotoran,

abu, bahan aditif, bahan korosif, keausan metal, dan fase cair terdiri dari minyak pelumas yang tak terbakar. Gas buang yang berbentuk cair akan meresap ke dalam fase padat. Buangan ini disebut partikel. Partikel-partikel tersebut berukuran mulai dari 100 mikron hingga kurang dari 0,01 mikron. Partikulat yang berukuran kurang dari 10 mikron memberikan dampak terhadap visibilitas udara karena partikulat tersebut akan memudarkan cahaya. Pembentukan partikel tersebut dapat dilihat pada gambar 2.4 dibawah.

Gambar 2.8. Pembentukan Soot Particle (Lit. 2 hal.12)

Berdasarkan ukurannya partikel dikelompokkan menjadi tiga yaitu : a. 0,01 – 110 μm disebut partikel smoke/kabut/asap

b. 10 – 50 μm disebut dust/debu

c. 50 – 100 μm disebut ash/abu

Penyebab terjadinya partikulat antara lain tekanan injeksi yang terlalu rendah dan saat pengapian yang kurang tepat.

2.3.5.5 Pembentukan Emisi Asap (Smoke)

Emisi asap (smoke) merupakan polutan utama pada mesin diesel. Pembentukan smoke pada mesin diesel terjadi karena kekurangan oksigen, hal itu terjadi pada inti (core) spray yang mempunyai λ ≤ 0,8. Dalam proses pembakaran berlangsung ketika bahan bakar yang disemprotkan ke dalam silinder yang berbentuk butir-butir cairan yang halus saat keadaan di dalam silinder tersebut sudah bertemperatur dan bertekanan tinggi sehingga butir-butir tersebut akan menguap. Namun jika butir-butir bahan bakar yang terjadi karena penyemrotan itu terlalu besar atau apabila beberapa butir terkumpul menjadi satu, maka akan terjadi dekomposisi. Dekomposisi itu akan menyebabkan terbentuknya karbon-karbon padat (angus). Hal ini disebabkan karena pemanasan udara yang bertemperatur tinggi, tetapi penguapan dan pencampuran dengan udara yang ada di dalam silinder tidak dapat berlangsung sempurna. Terutama pada saat-saat dimana terlalu banyak bahan bakar yang disemprotkan, yaitu pada waktu daya mesin akan diperbesar. Misalnya untuk akselerasi maka angus akan terjadi. Jika angus yang terjadi itu terlalu banyak, gas buang yang keluar dari mesin akan berwarna hitam dan mengotori udara serta mengganggu pemandangan.

2.3.6 Efisiensi mekanis

Besarnya kerugian daya diperhitungkan dalam efisiensi mekanis yang dirumuskan sebagai berikut:

ηm = Ẃb / Ẃi [2.27]

Sumber: (Lit. 5 hal.47) dimana:

ηm = efisiensi mekanis

Wb = daya poros (kW)

2.3.7 Efisiensi volumetrik

Efisiensi ini didefinisikan sebagai perbandingan antara massa udara yang masuk karena dihisap torak pada langkah hisap dan massa udara pada tekanan dan temperatur atmosfer yang dapat dihisap masuk kedalam volume satuan yang sama.

ηv = ma/ ( ρa x Vd) [2.28] Sumber: (Lit. 5 hal. 60)

dimana:

v

η = efisiensi volumetrik

a

ρ = massa jenis udara (kg/m3) ma = massa udara (kg)

Vd = volume langkah torak (m3)

2.3.8 Efisiensi Thermal Brake

Efisiensi Thermal Brake (brake thermal eficiency) merupakan perbandingan antara daya keluaran aktual terhadap laju aliran panas rata-rata yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar. Efisiensi thermal brake dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:

3600 . .CV

mf PB

b =

η

dimana:

b

η _{= Efisiensi termal brake}

CV = nilai kalor bawah bahan bakar (kj/kg) mיּf = laju aliran rata-rata bahan bakar (kg/detik)

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar belakang

Kebutuhan akan kendaraan pada saat sekarang ini sangatlah tinggi demi menunjang aktivitas dan kegiatan sehari-hari. Kendaraan diharapkan dapat membantu perjalanan seseorang ataupun keluarga sebagai kendaraan bermotordalam melaksanakan kegiatan sehari-hari baik menuju tempat kerja, sekolah ataupun melakukan perjalanan jauh ke luar kota.

Hal ini yang menjadi bahan pemikiran dan masukan bagi mobil pabrikan toyota untuk mendesain mobil keluarga yang sesuai dengan kebutuhan masyarakat. Maka didesainlah mobil keluarga yaitu toyota fortuner. Toyota fortuner semakin berkembang dari waktu ke waktu hingga mengalami banyak perbaikan dan desain baru sesuai dengan kemajuan zaman. Hinga pada saat ini dikeluarkan toyota fortuner sebagai inovasi baru dari berbagai faktor pertimbangan ilmu pengetahuan dan teknologi diantara desain bentuk yang ergonomis, aerodinamis, tangguh dan irit bahan bakar.

Toyota fortuner dengan masing-masing pilihan mesin ternyata memiliki kelebihan dan ciri khas masing-masing. Pada seri mesin bensin toyota kijang innova tipe 1TR-FE, mesinya menggunakan teknologi variable valve timing

Intellingent atau yang lebih dikenal dengan singkatan VVT-i yang berfungsi

mengatur pola bukaan katup sehingga dapat memaksimalkan tenaga mesin pada saat tenaga besar dan sebaliknya dengan pemakaian bahan bakar yang sesuai kondisi. Pada seri mesin diesel Toyota Fortuner tipe 2KD-FTV VNT (Variable Nozzle Turbocharger) intercooler menggunakan mesin D-4D yang ternyata juga memiliki keunggulan lebih baik dibandingkan mesin bensin. (Lit.3 hal.21)

2KD FTV VN Turbo Intercoller adalah mesin Toyota diesel 4 silinder, dimana pengertian angka 2 adalah menunjukkan generasi keberapa dari keluarga mesin tersebut. Mesin seri KD adalah 4 silinder dengan fitur ber-camshaf ganda namum dihubungkan oleh 1 timing belt, kode F menunjukkan mesin tersebut twincam, juga dilengkapi turbucharger, kode T menunjukkan mesin tersebut

bertipe “forced induction” yang berfungsi untuk meningkatkan tenaga mesin dan efisiensi dengan turbocharger dan menggunakan sistem pasokan bahan bakar tipe Common rail,dan V menunjukkan sistem pasokan bahan bakar tipe Common rail.

2KD-FTV adalah generasi ke- 2dari seri KD mesin dengan yang lebih kecil (2494cc). Perpindahan mesin ini didasarkan pada mesin 2L sebelumnya. Bore tetap sama 92mm tetapi stroke meningkat menjadi 93,8mm. Ini memiliki 16 katup dan DOHC adalah mesin dengan turbocharger dan intercooler. mesin 2KD-FTV IL-16Katup-DOHC-D4D berkapasitas 2.494 cc dilengkapinya dengan teknologi VNTurbo dan Intercooler yang mampu mendongkrak tenaga dan torsi dari si bongsor Toyota Fortuner 2.5 G VNT menjadi lebih buas. Toyota mengklaim bahwa tenaga Toyota Fortuner 2.5 G VNT naik hingga 40 tenaga kuda, putaran tenaga yang dihasilkan melonjak menjadi 144 PS/3.400 rpm dari versi lawasnya yang hanya 102 PS/3.600 rpm, begitu juga dengan luapan torsinya yang meningkat menjadi 35 kgm/1.600-2.800 rpm dari 26.5 kgm/1.600 - 2.400 rpm. "Adanya Variable Nozzle Turbocharger cukup membantu dalam mengakomodir tenaga di putaran bawah sedangakan Intercooler membantu pada putaran atasnya.

Di putaran rendah dimana tekanan gas buang masih lemah inovasi teknologi VNT mulai bekerja. Sedikit berbeda dengan turbo biasa, karena turbin dilengkapi dengan nozzel (baling-baling) yang dapat mengatur sudut bukaan secara elektronik sesuai dengan putaran kinerja mesin. Maka pada putaran rendah sudut ditutup sehingga membuat gas buang mengalir kearea yang sempit dan secara otomatis mampu meningkatkan tekanan dan memaksa turbin bekerja secara efektif dan membuat kompressor bekerja sejak berada pada putaran bawah.

D-4D atau dsebut juga Direct Four Stroke Turbo Commonrail Injection. Mesin ini menggunakan sistem injeksi Commonrail dimana bahan bakar solar akan dihisap oleh pompa bahan bakar melalui saringan bahan bakar (fuel filter) agar dapat menghasilkan kualitas bahan bakar solar dengan tingkat emisi gas buang yang rendah. Sistem commonrail akan mengatur laju tekanan bahan bakar secara elektronik, baik dari sisi banyaknya maupun waktu penyemprotan bahan

Teknologi VNT ( Variable Nozzle Turbocharger) berfungsi membuat aliran gas buang yang mendorong turbin dapat diatur dengan mengontrol arah baling-baling (nozzle) pada turbin secara elekronok sesuai dengan putaran mesin.

Dengan posisi sudut nozzle yang bisa berubah-ubah maka putaran turbin bisa lebih cepat pada putaran rendah, menengah ataupun tinggi sehingga udara yang dihisap lebih banyak dan stabil.

Penggunaan intercooler berfungsi untuk mendinginkan udara panas yang berasal dari turbucharger sehingga udara masuk ke silinder mesin berkandungan oksigen lebih padat. Proses pembakaran lebih sempurna sehingga performa mesin meningkat.

1.2 Tujuan 1. Tujuan

Untuk mengetahui performansi dan kinerja mesin diesel yang berteknologi Commonrail VN turbo intercooler pada seri Toyota Fortuner tipe 2KD-FTV VN Turbointercooler.

1.3 Batasan Masalah

Mengingat begitu luasnya cakupan mesin diesel, maka masalah yang akan dibahas dalam Skripsi ini adalah performansi pada mobil Toyota Fortuner tipe 2KD-FTV VN Turbo mesin diesel yaitu sebagai berikut:

1. _{Mesin yang digunakan sebagai objek dalam analisa performansi ini} adalah motor diesel empat langkah Toyota Fortuner tipe 2KD-FTV VN turbo.

2. _{Analisa performasi yang dilakukan didahului dengan analisa secara} termodinamika kemudian dilanjutkan dengan analisa untuk mendapatkan nilai dari parameter-parameter performasi,diantaranya:

a. _Daya b. _Torsi

c. _{Konsumsi bahan bakar spesifik (Specisific Fuel Consumption)} d. _{Efisiensi mekanis dan volumetrik}

3. _{Emisi tidak membahas secara detail tentang emisi gas buang hasil proses} pembakaran.

4. _{Analisa performansi yang dilakukan dibatasi pada beban kerja dan rpm} yang ditentukan.

1.4 Manfaat

1. Untuk menambah khasanah ilmu pengetahuan dan teknologi terkini di bidang teknik mesin khususnya otomotif pada mobil Toyota Fortuner tipe 2KD-FTV VN Turbo intercooler mesin diesel dengan menguraikannya secara jelas.

2. Untuk mengetahui dan menambah wawasan tetntang performansi dan kinerja mesin diesel pada mobil Toyota Fortuner tipe 2KD-FTV VN Turbo Intercooler sehingga mengerti dan memahami bagaimana kinerja mesin tersebut.

1.5 Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan skripsi ini akan diuraikan secara singkat sebagai gambaran isi pada masing masing bab, yaitu:

1. Bab I Pendahuluan

Pada bab ini akan dibahas mengenai latar belakang dari judul skripsi disertai dengan hal-hal yang penulis ingin ungkapkan dan dapatkan,kemudian dilanjutkan dengan batasan masalah yaitu sejauh mana penulis mengerjakan skripsi ini dan hal-hal apa saja yang menjadi topik utama dalam skripsi ini.kemudian dilanjutkan dengan tujuan yaitu apa yang penulis ingin capai atau yamg menjadi target untuk dipublikasikan.begitu juga manfaat,bahwa karya tulis berupa skripsi yang baik haruslah bermanfaat bagi masyarakat dan mempunyai nilai yang positif. Bagian akhir dari bab ini adalah sistematika penulisan skripsi yang harus diuraikan satu persatu sebagai gambaran singkat susunan dan isi skripsi yang di tulis.

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR... ...i

ABSTRAK...iii

DAFTAR ISI...iv

DAFTAR TABEL...vii

DAFTAR GAMBAR ...viii

DAFTAR NOTASI...ix

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang...1

1.2 Tujuan ...3

1.3 Batasan Masalah ...3

1.4 Manfaat...4

1.5 Sistematika Penulisan...4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Dasar...7

2.2 Motor Diesel...8

2.2.1 Sejarah Mesin Diesel...8

2.2.2 Prinsip Kerja Motor Bakar Diesel...9

2.2.3 Siklus Ideal Diesel...11

2.2.4 Siklus Dual Cycle...16

2.2.5 Konfigurasi Mesin Diesel...16

2.2.6 Kelebihan dan Kekurangan Mesin Diesel...17

2.2.7 Prinsip Turbo Intercooler...18

2.2.8 Analisa Termodinamika Motor bakar diesel pada Turbocarjer dan Intercoller ... 21

2.2.9 Teknologi Diesel Sistem Common Rail...22

2.2.10 Perbedaan Diesel Common Rail dengan Diesel Konvensional...23

2.3.1 Tekanan efektif rata-rata ...24

2.3.2 Daya Indikator...25

2.3.3 Torsi dan Daya...25

2.3.4 Konsumsi bahan bakar spesifik (Sfc)...26

2.3.5 Emisi Gas Buang Pada Motor Diesel………...26

2.3.5.1 Pembentukan Karbon Monoksida (CO)... ... 26

2.3.5.2 Pembentukan Hidrokarbon (HC)...27

2.3.5.3 Pembentukan Nitrogen Oksida (NOx)...28

2.3.5.4 Pembentukan Partikulat (Particulate Matter)……...28

2.3.5.5 Pembentukan Emisi Asap (Smoke)….………...30

2.3.6 Efisiensi mekanis...30

2.3.7 Efisiensi Volumetrik ...31

2.3.8 Efisiensi Thermal Brake ...31

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat...32

3.2 Bahan dan Alat...32

3.2.1 Bahan...32

3.2.2 Speksifikasi alat ukur...33

3.3 Variabel Riset...38

3.4 Prosedur Analisa……….….38

3.4.1 Keterangan Diagram Alir………..………...40

3.4.1.1 Mulai………..………..………....40

3.4.1.2 Studi Literatur………. ……….40

3.4.1.3 Pencarian dan Pengumpulan Data………...…….40

3.4.1.4 Proses Perhitungan……….…...…...41

3.4.1.5 Kesimpulan dan Saran.………..…...…....41

3.4.1.6 Selesai………...………....……41

BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Awal...42

4.1.1 Dimensi Silinder………..……….…...42

4.2 Analisa Termodinamika...43 4.3 Parameter Performansi Mesin Diesel Toyota Fortuner Tipe

2KD-FTV VN Turbo...51

4.3.1 Tekanan efektif rata-rata...51

4.3.2 Daya indikator...51

4.3.3 Torsi dan Daya………....53

4.3.4 Pengabungan antara Daya Mesin Dan torsi dalam satu Grafik ...56

4.3.5 Grafik perbandingn hasil perhitungan dengan hasil pengukuran pada daya mesin dengan putaran mesin..57

4.3.6 Konsumsi bahan bakar spesifik (Sfc)……….…...58

4.3.7 Efisiensi mekanis………...60

4.3.8 Efisiensi Volumetrik...60

4.3.9 Efisiensi Thermal Breake...61

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan...62

5.2 Saran...63

DAFTAR PUSTAKA...64

LAMPIRAN

Lampiran A. Table A-2 Properties of Fuels

Lampiran B. Table A-2 Ideal-Gas Specific Heats of Various Common Gases

Lampiran C. Table A-2 Ideal-Gas Specific Heats of Various Common Gases (Continued)

Lampiran D. Data Hasil Pengukuran Kondisi Ruang Bakar Toyota Fortuner Mesin Diesel Tipe 2KD-FTV VN Turbo Intercoller dengan menggunakan Intelligent Tester II Lampiran E. Leaflet Spesifikasi Toyota Fortuner Secara Umum

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data Spesifikasi Mesin Toyota Kijang Innova Tipe 2KD-FTV VN

Turbo...39

Tabel 4.2 Daya Indikator.……….……….…51

Tabel 4.3 Torsi Mesin………....53

Tabel 4.4 Daya Mesin….………..…...………..54

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Langkah Kerja Motor Diesel ...10

Gambar 2.2. Diagram P–v dan T–s siklus Diesel...12

Gambar 2.3. Diagram P – v dan diagram T – s Siklus Dual Cyle………....16

Gambar 2.4. Cara Kerja Mesin Turbo...………….….18

Gambar 2.5. Prinsip Mesin Turbo... ...19

Gambar 2.6 Analisa Termodinamika Motor bakar diesel pada Turbocharger dan Intercooler ...21

Gambar 2.7. Sistem Diagram Common Rail...23

Gambar 2.8. Pembentukan soot particle...29

Gambar 3.1. Four gas Analyser...34

Gambar 3.2. Tachometer...35

Gambar 3.3. Universal Dynamometer Module...35

Gambar 3.4. Multimeter...36

Gambar 3.5. Intelligent tester II...37

Gambar 3.6. Toolbox...38

Gambar 3.7. Diagram Alir Pengerjaan Skripsi...39

Gambar 3.8. Motor Diesel Toyota Fortuner Tipe 2KD-FTV VN Intercooler…..41

Gambar 4.1. Grafik Daya Indikator Mesin...52

Gambar 4.2. Grafik Torsi Mesin... ………...…54

Gambar 4.3. Grafik Daya Mesin...55

Gambar 4.4. Grafik perbandingan hasil perhitungan dengan hasil pengukuran...56

DAFTAR NOTASI

c

r = rasio kompresi

R = konstanta gas (kJ/kg-K) atau (ft-lbf/lbm-oR) atau (BTU/lbm-oR)

v

c = panas spesifik pada volume konstan (kJ/kg-K) atau (BTU/lbm-oR)

d

V = volume langkah (cc) atau (L) atau (in.3)

c

V = volume sisa (cc) atau (L) atau (in.3)

m

m = massa campuran bahan bakar dan udara (kg) atau (lbm)

a

m = massa udara (kg) atau (lbm)

f

m = massa bahan bakar (kg) atau (lbm)

a

ρ = massa jenis udara (kg/m3) atau (lbm/ft3)

HV

Q = nilai kalor bahan bakar (kJ/kg) atau (BTU/lbm)

c

η = efisiensi pembakaran

mep = tekanan efektif rata-rata (kPa) atau (atm) atau (psi) Ẃi = daya indikasi (kW) atau (hp)

N = Putaran mesin (RPM)

n = jumlah putaran dalam satu siklus

Ẃb = daya poros (kW) atau (hp)

sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (gr/kW-h)

th

η = efisiensi thermal

m

η = efisiensi mekanis

v

η = efisiensi volumetrik

nett

W = kerja netto (kJ)

m´f = laju aliran rata-rata bahan bakar (kg/sec)