Ratio Kompresi pada langkah isap 0 – 1 Kondisi Titik 1

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009 th A F       = 0,0670163 th A F       = 92 , 14 1 pada motor bakar diesel faktor kelebihan udara mempunyai peranan yang sangat penting karena motor bakar diesel ini menggunakan pemampatan udara untuk membakar bahan bakar, lain halnya dengan motor bakar bensin yang menggunakan percikan bunga api untuk membakar bahan bakar. Oleh karena itu untuk menjamin terjadinya pembakaran sempurna diambil faktor kelebihan udara sebesar 200 atau 2.menurut lit.3 Hal.38 faktor kelebihan udara untuk: - motor bakar diesel = 200 - 300 - motor bakar bensin = 5 - 20 sehingga, act A F       = th A F       x α 1 act A F       = 92 , 14 1 x 2 1 act A F       = 84 , 29 1 maka feul air rationya menjadi : act A F       = 0,0335

3.5 Ratio Kompresi

pada kajian studi ini sesuai dengan hasil survey yang dilakukan perbandingan kompresi motor bakar diesel ini adalah cr = 18. Adapun batasan Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009 perbandingan kompresi yang umum digunakan menurut lit.2 hal.89 yaitu berkisaran antara 12 – 25.

3.6 Analisa Termodinamika pada turbocarjer dan Interkuler

Gambar 3.3 :Diagram P-V siklus gabungan dengan menggunakan turbocharger dan interkuler. Keterangan : 9 -1 = langkah isap tekanan konstan 1 – 2 = langkah kompresi isentropik Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009 2 – 3a = proses pembakaran pada volume konstan 3a – 3 = proses pembakaran pada tekanan konstan 3 – 4 = langkah ekspansi isentropik 4 – 5a = ekspansi pada pipa gas buang 5a – 5 – 7 – 8 = energi yang berguna pada turbin 10 – 6 – 7 – 8 = energi maksimum yang mampu menggerakkan turbin 4 – 1 = langkah buang

3.6.1 Laju Aliran Gas Buang Masuk Turbin

3600 . a i i c s eg m L N F m ∆ + = µ . . . . . . . . . . . . . . . . . lit.3 hal.238 Dimana m eg = laju aliran massa gas buang masuk turbin turbocharger kgdet µ = Koefisien molar gas perubahan molar gas = ∆ sc Koefisien udara pembilasan Untuk mesin dengan turbocharger koefisien udara pembilasan nilainya 0,06 ~ 0,2, dalam kajian studi ini diambil koefisien udara pembilasan senilai 0,15. F i = Konsumsi bahan bakar indikator ghp-hr . . . . . . . lit.3 hal 205 Untuk mekanisme turbocharger F i = 125 – 150 gbhp – hr Dalam hal ini dipilih 133 gbhp – hr N i = Daya indikator L’ = Jumlah udara aktual yang dibutuhkan Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009 m a = berat molekul udara sebesar 28,95 kg mole pada analisa termodinamika ini bahan bakar yang digunakan yaitu : C 13 H 28 medium diesel oil Bilangan molekul ; C = 12 H = 1 Persentase : 7826 , 84 100 184 156 = = x C 21739 , 15 100 184 28 = = x H persentase kandungan: O 2 = 21 N 2 = 79 Dimana secara secara teoritis udara yang dibutuhkan untuk pembakaran bahan bakar 1 kg. ditentukan dari rumus:       − + = 32 4 12 21 , 1 o h c l o lit.3 hal 37       − + = 32 4 1521739 , 12 847826 , 21 , 1 o l 0380434 , 070652 , 21 , 1 + = o l kg mole l o 5175 , = Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009 sedangkan jumlah udara aktual yang dibutuhkan untuk pembakaran 1 kg bahan bakar sangat dipengaruhi oleh adanya faktor kelebihan udara excess air coefficient. Kebanyakan mesin membutuhkan udara lebih banyak dari yang disarankan secara teoritis. Kebutuhan udara aktual sebagai berikut: o l L . = α molekg . . . . . . . . . . . . . . . . . lit.3.hal 38 L’ = 2. 0,5175 molekg L’ = 1,035 molekg Pembakaran dari 1 kg bahan bakar akan menghasilkan : Karbon dioksida Mco 2 = kg mole c 070652 , 12 847826 , 12 = = Uap air MH 2 O = kg mole h 07608 , 2 1521739 , 2 = = Oksigen MO 2 = 0,21 – 1 L’ o = 0,21 2 – 1 0,5175 = 0,1086 molekg Nitrogen MN 2 = 0,79 L’ o = 0,79. 2.0,5175 = 0,8176 molekg Sehingga total dari pembakaran, yaitu: M g = Mco 2 + MH 2 O + MO 2 + MN 2 M g = 0,07065 + 0,07608 + 0,1086 + 0,8176 M g = 1,0729 molekg Dimana koefisien perubahan molarnya: Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009 L M g = µ kg mole kg mole 035 , 1 0729 , 1 = µ = 036 , 1 µ Hubungan daya indikator dengan konsumsi bahan bakar indikator yaitu: i h i N F F = atau b h N F F = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . lit.3 hal 63 Dimana : F h = konsumsi bahan bakar indikator spesifik kghr F i = konsumsi bahan bakar indikator kghp- hr N i = daya indikator Hp N b = daya efektif Hp Sehingga, e h FN F = = h F 0,133kghp-hr 130 hp = h F 17,29 kghr Sehingga laju aliran massa masuk turbin adalah ; 3600 . a i i c s eg m L N F m ∆ + = µ 3600 95 , 28 036 , 1 29 , 17 15 , 0366 , 1 . mole kg x kg mole x hr kg m eg + = = . eg m 0,170 kgdet Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009

3.6.2 Laju Aliran Udara Melalui Kompresor

laju aliran udara melalui kompresor sesuai dengan persamaan sebagai berikut: 3600 1 . a i i c s k m L N F m ∆ + = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . lit.3 hal 238 dimana: = . k m laju aliran massa melalui kompresor kgdet = ∆ sc Koefisien udara pembilasan Untuk mesin dengan turbocharger koefisien udara pembilasan nilainya 0,06 ~ 0,2, dalam kajian studi ini dipilih koefisien udara pembilasan senilai 0,15. F i = Konsumsi bahan bakar indikator ghp-hr N i = Daya indikator hp L’ = Jumlah udara aktual yang dibutuhkan molekg m a = berat molekul udara sebesar 28,95 kg mole Dimana hubungan daya indikator dengan konsumsi bahan bakar indikator menurut lit.3 hal.63, yaitu: i i h N F F = e h N F F . = dimana : F h = konsumsi bahan bakar indikator spesifik kghr F i = konsumsi bahan bakar indikator kghp- hr N i = daya indikator hp N e = daya efektif hp Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009 Sesuai dengan perhitungan sebelumnya konsumsi bahan bakar spesifik dapat dicari, yaitu sebesar: = h F 0,133 kghp-hr 130 hp = h F 17,29 kghr sehingga, laju aliran massa udara melalui kompresor adalah: 3600 1 . a h c s k m L F m ∆ + = + = 3600 95 , 28 036 , 1 29 , 17 15 , 1 . mole kg kgx mole x hr kg m k = . k m 0,165 kgdet

3.6.3 Penetapan kajian yang akan digunakan

Dalam menganalisa pengaruh penggunaan turbocarjer dengan interkuler ini, beberapa parameter harus dipilih atau diambil berdasarkan literatur. Olehkarena itu parameter yang harus dipilih adalah temperatur gas buang dan tekanan masuk turbin. Menurut lit.3 hal.210 bahwa temperatur masuk turbocarjer adalah 500 – 600 C, dalam hal ini dipilih sebesar 789,16 K. Sedangkan tekanan udara yang disuplai oleh kompresor sebesar P sup = 1,4 – 2,5 atm. Pada kajian studi ini dipilih P sup sebesar 1,94 atm. Sedangkan tekanan masuk turbin diperoleh menurut lit.3 hal.215 sebesar P t = 0,8 – 0,9 P sup . Sehingga besarnya tekanan masuk turbin diperoleh sebesar P t = 0,84 1,94 x 10 5 Pa = 1,63 x 10 5 Pa. Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009 Sehingga diperoleh parameter yang akan digunakan pada analisa termodinamika sebagai berikut : 170 , . = eg m kg det det 165 , . kg m k = K T a 5 16 , 789 = Pa x p a 5 5 10 63 , 1 =

3.6.4 Termodinamika pada Turbin

Gambar 3.4 Diagram h – s untuk turbin Sumber : “fluid mechanics thermodiynamics of turbomachinery”. S.I..Dixon Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009 Turbin ini digerakkan oleh gas buang dari motor bakar yang dihubungkan langsung dengan kompresor, sehingga kerja yang diperlukan untuk memutar kompresor adalah kerja yang dihasilkan turbin. Dimana kerja yang dihasilkan oleh turbin adalah: 02 01 . h h m h W tT T − = ∆ = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . lit.8.hal.35 dari data perencanaan telah diketahui bahwa T 5a = T 01 dan T 6 = T 02 , sehingga T 01 = 789,16 K P 01 = 1,63 x 10 5 Pa = eg m . 0,170 kgdet pada temperatur T 01 , diperoleh entalpinya T 01 = 789,16 K h 01 = 810,322 kJkg untuk mencari temperatur keluar turbin secara stagnasi isentropik dapat dicari dengan persamaan ; k k s P P T T 1 01 02 01 02 −       = tekanan udara keluar turbin isentropik dapat ditentukan, dalam hal ini dimana tekanan keluar turbin akan sama dengan tekanan udara atmosfer P 02 = 1,013 x10 5 Pa. 4 , 1 1 4 , 1 5 5 02 10 63 , 1 10 013 , 1 16 , 789 −       = Pa x Pa x K T s = s T 02 689,112 K dimana diambil efisiensi isentropik dari turbin Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009 = T η 0,75 – 0,90 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . lit.8 hal.28 dalam hal ini diambil efisiensi isentropik 0,8 sehingga dengan menggunakan efisiensi turbin, maka didapat temperatur keluar turbin dalam keadaan stagnasi. K K T K 02 112 , 689 16 , 789 16 , 789 8 , − − = T 02 = 709,121 K Menurut lit.10 hal.830 pada T 02 = 709,121 K diperoleh: h 02 = 723,382 kJkg

3.6.5 Termodinamika pada Kompresor

Gambar 3.5 Diagram h – s untuk kompresor Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009 Sumber : “fluid mechanics thermodiynamics of turbomachinery”. S.I..Dixon Gambar 3.5 menunjukkan diagram h – s untuk kondisi udara masuk dan keluar kompresor menuju ruang bakar. Dimana keadaan udara masuk stagnasi menunjukkan pada titik 1, sedangkan keadaan udara keluar kompresor stagnasi pada titik 2, titik 2s menunjukkan kondisi keluar kompresor pada keadaan stagnasi isentropik. Pada kajian studi ini temperatur udara dan tekanan masuk kompresor sebesar; T 01 = 303 K P 01 = 1,013 x10 5 Pa Dimana kerja kompresor : 01 02 . h h m W c − = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . lit.8.hal.37 pada temperatur T 01 = 303 K, diperoleh entalpi h 01 = 303,488 kJkg pada kajian studi ini daya kompresor sama dengan daya turbin, karena daya yang digunakan kompresor pada turbocharger sama dengan daya pada turbin. Sesuai dengan hukum termodinamika pertama, bahwa: . . KJ W Q = − . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . lit.8 hal.20 Di dalam turbocarjer proses alirannya adalah adiabatik, sehingga . Q = . W , dan persamaannya menjadi : k t W W = 01 02 . 02 01 . h h m h h m k eg − = − 0,170 kgdet 810,322 kJkg – 723,382 kJkg = 0,165 kgdet 02 h - 303,488 kJkg Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009 02 h = 393,062 kJkg pada 02 h = 393,062 kJkg, diperoleh dari tabel lit.8 hal 830: T 02 = 391,86 K Pada kompresor berlaku efisiensi isentropik, 01 02 01 02 T T T T s k − − = η . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . lit.9.hal.41 dimana efisiensi isentropik kompresor: k η = 0,7 ~ 0,9 dalam hal ini di pilih k η = 0,7, sehingga : K K K T s 02 303 86 , 391 303 7 , − − = s T 02 = 365,20 K Dimana hubungan isentropik dari kompresor : k k s P P T T 1 01 02 01 02 −       =       . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . lit.9 hal.19 1 4 , 1 4 , 1 5 02 303 20 , 365 10 013 , 1 −       = K K Pa x P 02 P = 1,94 x 10 5 Pa Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009 sehingga diperoleh tekanan dan temperatur yang disuplai kompresor pada keadaan stagnasi adalah: T 02 = 391,86 K 02 P = 1,94 x 10 5 Pa

3.6.6 Termodinamika Dalam Interkuler

Gambar 3.6 : diagram T – S siklus gabungan dengan turbocarjer dan interkuler Keterangan : a – 1 a = suplai udara oleh kompresor turbocarjer 1 a – 1 = proses penurunan temperatur didalam interkuler 1 – 2 = Langkah kompresi isentropis 2 – 3a = Proses pemasukan kalor pada volume konstan 3a – 3 = Proses pemasukan kalor pada tekanan konstan 3 – 4 = Langkah ekspansi isentropis 4 – 1 = Langkah buang Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009 4 – 5a = proses pemasukan gas dan tempeatur kedalam turbin turbocarjer 5 a – a = Proses Pembuangan Gas dari dalam Turbocarjer Sebelum melakukan analisa penurunan temperatur di dalam interkuler perlu dilakukan pemilihan parameter diantaranya: Diameter tube = 8 mm N = jumlah baris = 2 m = jumlah tabung per baris = 8 L = panjang tabung = 25 cm pada kajian study ini sesuai dengan data yang diperoleh pada saat survey bahwa jenis intercooler yang digunakan yaitu : air to air , maksudnya fluida pendinginnya adalah udara. Perpindahan kalor dari permukaan tabung ke udara = kalor yang dibawa oleh udara q = A s h m T ∆ = . m C p T a1 – T a2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . lit.5 hal.50 Dimana : . m = laju aliran massa udara kgdet A s = permukaan perpindahan kalor total = DNLm m T ∆ = beda suhu antar fluida dan permukaan dinding = 1 a T temperatur udara keluar interkuler = 2 a T temperatur udara masuk interkuler temperatur borongan temperatur udara setelah kompresor masuk kedalam intercooler adalah: Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009 = 2 a T 391,86 K sifat – sifat udara pada temperatur dinding 303 K adalah: C p = 1008,5 Jkg K k = 0,029 Wm K = 2,0232 x 10 -5 kgm.s P r = 0,707 2 a RT P = ρ K x kgK kJ m N x 2 5 86 , 391 287 , 10 94 , 1 = ρ 3 69 , 1 m kg = ρ bilangan Reynolds adalah : µ ρ D U R e sup = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . lit.6 Hal.227 dimana : U sup = kecepatan segitiga impeler kompresor sesuai dengan lit.3 hal.473 bahwa U sup = 250 – 300 mdet dalam hal ini dipilih 250 mdet s m kg x m x m x m kg R e − = − 10 023 , 2 008 , det 250 69 , 1 5 3 59 , 167078 turbulen aliran R e = bilangan Nusselt adalah : n r e P R k hd Nu 8 , 023 , = = − . . . . . . . . . . . . . . . . . . . lit.6 hal.229 dimana : n = 0,4 untuk pemanasan Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009 0,3 untuk pendinginaan h = koefisien perpindahan kalor wm K n r e P R k hd Nu 8 , 023 , = = − 3 , 8 , 707 , 59 , 167078 023 , = k hd 52 , 312 = k hd m K m W x h 008 , 029 , 52 , 312 = 2 88 , 1132 m W h = K Permukaan perpindahan kalor total adalah : A s = DLNm A s = 0,008 0,25 2 8 A s = 0,10048 m 2 Sehingga keseimbangan energi diperoleh: q = A s h m T ∆ = m C p T 1a – T 0a [ ] K T kg J kg K T K m w m a a 1 1 2 2 88 , 391 5 , 1008 . det 165 , 2 88 , 391 303 88 , 1132 . 10048 , − =       + − a T 1 = 346,53 K menurut lit.3 hal.203 Bahwa kemampuan interkuler menurunkan temperatur yang masuk sebesar 25 – 50 C. Pada kajian studi ini kemampuan interkuler menurunkan temperatur yang masuk sebesar = 45,35 C. Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009

3.6.7 Analisa Termodinamika Pada Ruang Bakar

Adapun untuk perhitungan termodinamika pada ruang bakar adalah menggunakan siklus tekanan terbatas dengan turbocarjer yang ditunjukkan pada gambar 3.3 yaitu Pada saat udara masuk kedalam intercooler terjadi penurunan tekanan sebesar: ∆p = penurunan tekanan pada pipa - pipa masuk ∆p = 0,03 – 0,05 P sup dalah hal ini diambil 0,05 ∆p = 0,05 P sup ∆p = 0,05 1,94 x 10 5 P a ∆p = 0,0985 x 10 5 P a sehingga,

a.pada langkah isap 0 – 1

P = P sup - ∆p P = 1,94 x 10 5 P a – 0,0985 x 10 5 P a P = 1,84 x 10 5 P a 1 a T = 346,53 K Kerapatan udara setelah keluar intercooler: a a RT P 1 = ρ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . lit.6 Hal.227 Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009 dimana : P 0a = tekanan setelah keluar intercooler P a R = Konstanta gas Universal sebesar, 0,287 KJkg K a T 1 = Temperatur keluar intercooler K Maka kerapatan udara setelah interkuler dapat dicari : a a RT P 1 = ρ K kgK kJ P x a 5 53 , 346 287 , 10 84 , 1 = ρ = ρ 1,813 kgm 3

b.Kondisi Titik 1

kondisi temperatur masuk ruang bakar menurut lit.3 hal 29 di uraikan sesuai persamaan berikut : r r r w b T t T T γ γ + + ∆ + = 1 2 1 dimana : r γ = koefisien gas sisa pembakaran, 0 untuk sistem turbocarjer w t ∆ = kenaikan temperatur akibat kontak dinding silinder dengan piston,yaitu: sebesar 10 – 15 K lit.3 hal 81 dalam hal ini diambil 13 K r T = temperatur yang terkandung didalam gas sisa, karena nilainya terlalu kecil maka dianggap 0. Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008. USU Repository © 2009 Sehingga , 1 13 53 , 346 1 + + + = K K T K T 1 53 , 359 = Kerapatan udara pada ruang bakar adalah: 1 1 RT P = ρ 53 , 359 287 , 10 84 , 1 5 K K kg kJ Pa x = ρ 3 748 , 1 m kg = ρ volume spesifik pada titik 1: 1 1 1 p RT v = Pa x K K kg kJ v 5 1 10 84 , 1 53 , 359 287 , = kg m v 572 , 3 1 = Pada T 1 = 359,53 K menurut lit.8 hal.830, diperoleh : Kg kJ U 193 , 257 1 = 103233 , 2 1 = r p 06633 , 114 1 = r v kg kJ h 38926 , 360 1 =

c.Kondisi Titik 2