Rancangan Motor Bakar Penggerak Kendaraan Mobil Sedan Sistem Efi Gross Vehicle Wight (GVW) : 1500 Kg Kecepatan Maksimum : 140 Km/Jam

RANCANGAN MOTOR BAKAR PENGGERAK

KENDARAAN MOBIL SEDAN SISTEM EFI

GROSS VEHICLE WEIGHT (GVW) : 1500 KG

KECEPATAN MAKSIMUM : 140KM/JAM

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

MUHAMMAD RAZALI NIM : 080401144

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

RANCANGAN MOTOR BAKAR PENGGERAK

KENDARAAN MOBIL SEDAN SISTEM EFI

GROSS VEHICLE WEIGHT (GVW) : 1500 KG

KECEPATAN MAKSIMUM : 140KM/JAM

MUHAMMAD RAZALI NIM. 080401144

Diketahui / Disyahkan : Disetujui oleh :

DepartemenTeknik Mesin Dosen Pembimbing, Fakultas Teknik USU

Ketua,

Dr.-Ing. Ikhwansyah Isranuri Ir. Isril Amir

RANCANGAN MOTOR BAKAR PENGGERAK

KENDARAAN MOBIL SEDAN SISTEM EFI

GROSS VEHICLE WEIGHT (GVW) : 1500 KG

KECEPATAN MAKSIMUM : 140KM/JAM

MUHAMMAD RAZALI NIM. 080401144

Telah Disetujui dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke-573 pada Tanggal 05 Juni 2010

Pembanding I, Pembanding II,

Tulus B. Sitorus, ST. MT Ir. A. Halim Nasution, M.Sc NIP. 197209232000121003 NIP. 195403201981021001

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 926 /TS/2009

FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA TGL. : / /20

MEDAN PARAF :

- SISTEM KERJA EFI

TUGAS SARJANA

N A M A : MUHAMMAD RAZALI

N I M : 08 0401 144

MATA PELAJARAN : MOTOR BAKAR

SPESIFIKASI : RANCANGAN MOTOR BAKAR PENGGERAK

KENDARAAN MOBIL SEDAN SISTEM EFI GROSS VEHICLE

WEIGHT (GVW) : 150 KG KECEPATAN MAKSIMUM 140 KM/JAM.

RANCANGAN MELIPUTI :

- ANALISA TERMODINAMIKA

- UKURAN-UKURAN UTAMA DAN

- GAMBAR TEKNIK

DIBERIKAN TANGGAL : 05 / 12 / 2009

SELESAI TANGGAL : 22 / 04 / 2010

MEDAN, 05 - 12 - 2009

KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, DOSEN

PEMBIMBING,

DR. ING. IR. IKHWANSYAH ISRANURI Ir. ISRIL AMIR

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK USU MEDAN

KARTU BIMBINGAN

NO.

TUGAS SARJANA MAHASISWA

No. : 926 / TS / 2009.

Sub. Program Studi : Konversi Energi / Teknik Produksi

Bidang Tugas : Motor Bakar.

Judul Tugas : RANCANGAN MOTOR BAKAR PENGGERAK

KENDARAAN MOBILSEDAN SISTEM EFI GROSS VEHICLE WEIGHT (GVW) : 1500 KG

KECEPATAN MAKSIMUM : 140 KM/JAM. Diberikan Tgl. : 05 - 12 - 2009. Selesai Tgl : 22 – 04 – 2010.

Dosen Pembimbing : Ir. Isril Amir. Nama Mhs : Muhammad Razali

N.I.M. : 08 0401 144

Tanggal KEGIATAN ASISTENSI BIMBINGAN

Tanda Tangan DosenPembimbin

g 1. 05-12-2009 Spesifikasi Tugas Skripsi

2. 12-12-2009 Studi Literatur

3. 19-12-2009 Perbaiki BAB I dan BAB II 4. 06-01-2010 Lanjutkan BAB II dan BAB III 5. 13-01-2010 Perbaiki Perhitungan Termodinamika 6. 20-01-2010 Pelajari Sistem EFI

7. 01-02-2010 Lanjutkan BAB III, BAB IV dan BAB V

8. 15-02-2010 Pelajari dan Perbaiki BAB VI

9. 05-03-2010 Perbaiki BAB VII Dinamika Bagian Yang Bergerak

10. 12-03-2010 Lanjutkan BAB VIII Pelumasan dan Pendinginan

11. 20-03-2010 Lanjutkan BAB IX Kesimpulan

CATATAN : 1. Kartu ini harus diperlihatkan kepada Dosen Pembimbing setiap Asistensi

2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi.

3. Kartu ini harus dikembalikan ke Jurusan bila kegiatan Asistensi telah selesai.

Diketahui

Ketua Jurusan Teknik Mesin

Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri NIP : 196412241992111001.

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Allah SWT karena atas rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan sebaik-baiknya. skripsi ini merupakan tugas akhir untuk menyelesaikan studi pada jenjang pendidikan Sarjana (S1) teknik mesin menurut kurikulum Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Penulis dalam skripsi ini memilih rancangan dengan judul : “RANCANGAN MOTOR BAKAR PENGGERAK KENDARAAN MOBIL SEDAN SISTEM EFI GROSS VEHICLE WIGHT (GVW) : 1500 KG KECEPATAN MAKSIMUM : 140 KM/JAM”.

Dalam penulisan ini, dari awal sampai akhir penulis mencoba semaksimal mungkin guna tersusunnya skripsi ini. Namun penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan-kekurangan baik dalam penulisan maupun dalam penyajian skripsi ini disebabkan faktor pengetahuan dan pengalaman penulis. Untuk itu saran dari semua pihak yang bersifat membangun sangat penulis harapkan demi kesempurnaan skripsi ini.

Dengan tersusunnya skripsi ini maka penulis mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Orang tua dan keluarga tercinta yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materil.

2. Bapak Ir. Isril Amir selaku dosen pembimbing skripsi yang telah meluangkan waktunya untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.

3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST. MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

5. Seluruh staff Pengajar dan Pegawai di lingkungan Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara yang tidak dapat disebutkan satu-persatu.

6. Saya ucapkan terimakasih kepada mahasiswa Teknik Mesin khususnya sesama rekan-rekan stambuk 2008 yang telah banyak memberikan masukan kepada penulis hingga selesainya skripsi ini.

Akhir kata, penulis berharap semoga skripsi ini bermanfaat bagi pembaca dan dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan do’a kepada Allah SWT semoga kita semua dilindungi dan diberi berkat-Nya.

Medan, Mei 2010 Penulis

Muhammad Razali NIM : 080401144

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Allah SWT karena atas rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan sebaik-baiknya. skripsi ini merupakan tugas akhir untuk menyelesaikan studi pada jenjang pendidikan Sarjana (S1) teknik mesin menurut kurikulum Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Penulis dalam skripsi ini memilih rancangan dengan judul : “RANCANGAN MOTOR BAKAR PENGGERAK KENDARAAN MOBIL SEDAN SISTEM EFI GROSS VEHICLE WIGHT (GVW) : 1500 KG KECEPATAN MAKSIMUM : 140 KM/JAM”.

Dalam penulisan ini, dari awal sampai akhir penulis mencoba semaksimal mungkin guna tersusunnya skripsi ini. Namun penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan-kekurangan baik dalam penulisan maupun dalam penyajian skripsi ini disebabkan faktor pengetahuan dan pengalaman penulis. Untuk itu saran dari semua pihak yang bersifat membangun sangat penulis harapkan demi kesempurnaan skripsi ini.

Dengan tersusunnya skripsi ini maka penulis mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :

7. Orang tua dan keluarga tercinta yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materil.

8. Bapak Ir. Isril Amir selaku dosen pembimbing skripsi yang telah meluangkan waktunya untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.

9. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

10.Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST. MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

11.Seluruh staff Pengajar dan Pegawai di lingkungan Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara yang tidak dapat disebutkan satu-persatu.

12.Saya ucapkan terimakasih kepada mahasiswa Teknik Mesin khususnya sesama rekan-rekan stambuk 2008 yang telah banyak memberikan masukan kepada penulis hingga selesainya skripsi ini.

Akhir kata, penulis berharap semoga skripsi ini bermanfaat bagi pembaca dan dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan do’a kepada Allah SWT semoga kita semua dilindungi dan diberi berkat-Nya.

Medan, Mei 2010 Penulis

Muhammad Razali NIM : 080401144

ABSTRAK

Motor bakar telah mengalami perkembangan yang sangat pesat dan telah banyak dipergunakan oleh masyarakat secara luas yang sangat membantu dalam berbagai aktivitas sehari-hari. Dalam hal ini, dunia industri khususnya dibidang otomotif mempunyai peranan penting. Dimana pada saat sekarang ini motor bakar telah mengembangkan teknologi komputerisasi terutama dalam penyuplaian bahan bakar yang disebut dengan system EFI (Electronic Fuel Injection).

Dalam rancangan ini, motor bakar yang digunakan sebagai penggerak kendaraan pribadi adalah jenis sedan yang bekerja dengan menggunakan proses kerja motor bakar empat langkah dan bahan bakar yang dipergunakan adalah bensin. Yang dirancang dapat menghasilkan daya sebesar 106,82 hp dengan putaran sebesar 4800 rpm. Dengan memiliki daya dan putaran seperti ini maka diharapkan kendaraan motor bakar jenis sedan ini dapat mengangkut penumpang dari suatu tempat ke tempat lain sebanyak 5 orang dengan berat angkut 310 kg, serta dapat melaju pada kecepatan 140 km/jam. Kata kunci :

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL

LEMBARAN PENGESAHAN DARI PEMBIMBING LEMBARAN PERSETUJUAN DARI PEMBANDING SPESIFIKASI TUGAS

LEMBARAN EVALUASI SEMINAR TUGAS AKHIR

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ...ii

DAFTAR ISI ... iii

DAFTAR TABEL ... vi

DAFTAR GAMBAR ... vii

DAFTAR LAMBANG ...viii

DAFTAR SINGKATAN ... xi

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Tujuan dan Manfaat Penulisan ... 3

1.3. Batasan Masalah ... 3

1.4. Metodologi Penulisan ... 3

1.5. Sistematika Penulisan ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Definisi Motor Bakar ... 6

2.2. Klasifikasi Motor Bakar ... 6

2.3. Pemilihan Jenis Motor bakar ... 8

2.4. Bahan Bakar ... 8

BAB III SISTEM KERJA EFI 3.1. EFI (Electronic Fuel Injection) ... 9

3.1.1. Type EFI ... 9

3.1.2. Cara Kerja EFI ... 11

3.2. Komponen Penyalur Bahan Bakar ... 12

3.2.1. Saringan Bahan bakar ... 13

3.2.3 Pressure Regulator ... 14

3.2.4. Injector ... 15

BAB IV PERHITUNGAN MOTOR BAKAR 4.1. Instalasi Pompa ... 18

4.2. Perhitungan Putaran Motor Penggerak ... 23

4.3. Pemilihan Jumlah Silinder ... 26

BAB V ANALISA THERMODINAMIKA 5.1. Siklus Otto (Siklus Volume Kostan) ... 27

5.2. Analisa Diagram P – V ... 28

5.3. Perbandingan Kompresi ... 35

BAB VI UKURAN DAN BAGIAN UTAMA MOTOR BAKAR 6.1. Volume Langkah (Displacement Volume) ... 38

6.2. Diameter Silinder dan Panjang Langkah Piston ... 39

6.3. Faktor Briks (Brix Factor) ... 39

6.4. Ruang Bakar ... 41

6.4.1. Pemilihan Jenis Ruang Bakar ... 41

6.5. Silinder ... 43

6.5.1. Ukuran Tabung Silinder ... 44

6.5.2. Kepala Silinder ... 46

6.6. Piston ... 47

6.7. Pena Piston ... 53

6.8. Ring Piston ... 55

6.9. Batang Penggerak (Connecting – Rod) ... 57

6.10. Poros Engkol (Crank Shaft) ... 60

6.11. Fly Wheel ... 63

6.12. Katup ... 67

6.13. Cam... 71

6.14. Pegas Katup ... 73

BAB VII DINAMIKA BAGIAN YANG BERGERAK 7.1. Gerak Translasi ... 79

7.3. Gaya-gaya Yang Bekerja ... 85

7.3.1. Gaya Akibat Tekanan Gas Pembakaran ... 85

7.3.2. Gaya Inersi ... 85

7.3.3. Gaya Total (Net Force) ... 86

7.3.4. Gaya Kesamping (Side Trust Force) ... 86

7.3.5. Gaya Tangensial (Rotative Force) ... 86

7.3.6. Urutan Pengapian (Firing Order) ... 90

BAB VIII PELUMASAN DAN PENDINGINAN 8.1. Sistem Pelumasan ... 91

8.1.1. Kapasitas dan Daya Pompa Pelumasan ... 92

8.1.2. Kekentalan Minyak Pelumas ... 93

8.1. Sistem Pendingin (Cooling System)... 95

8.2.1. Kapasitas Air Pendingin ... 96

8.2.2. Daya Pompa Air Pendingin ... 96

BAB IX KESIMPULAN DAN SARAN 9.1. Kesimpulan ... 98

9.2. Saran ... 98 DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

DAFTAR TABEL

TABEL halaman

Tabel 4.1. Harga Faktor Koefesien Tahanan Gelinding Dengan Kondisi Jalan 19

Tabel 4.2. Putaran Roda Pada Tiap Gigi 25

Tabel 4.3. Kecepatan Roda Pada Tiap Gigi 25

Tabel 7.1. Gaya-gaya Yang Bekerja Pada Bagian Utama 87

Tabel 7.2. Urutan Pengapian (Firing Order) 90

DAFTAR GAMBAR

GAMBAR halaman

Gambar 2.1. Prinsip Kerja Motor Bensin 4 langkah 7

Gambar 3.1. Type Manifold Control (D.EFI) 10

Gambar 3.2. Type Air Flow Meter (L.EFI) 10

Gambar 3.3. Intake Air Volume dan Ijector Volume 11

Gambar 3.4. Aliran Bahan Bakar 11

Gambar 3.5. In-Tank Type 12

Gambar 3.6. In-Line Type 13

Gambar 3.7. Aliran Bahan Bakar Pada Pompa 13

Gambar 3.8. Saringan Bahan Bakar 13

Gambar 3.9. Pulsition Dumper 14

Gambar 3.10. Pressure Regulator 14

Gambar 3.11. Tekanan Bahan Bakar 15

Gambar 3.12. Injector 15

Gambar 3.13. Cold Start Injector 16

Gambar 3.14. Cold Start Injector Time Switch 16

Gambar 4.1. Sudut Tanjakan Pada Permukaan Jalan 22

Gambar 4.2. Ukuran Ban 23

Gambar 5.1. Diagram P – V dan T – S Untuk Siklus Otto 27

Gambar 5.2. Analisa Diagram P – V Siklus Otto 28

Gambar 5.3. Diagram P – V 32

Gambar 6.1. Faktor Briks 40

Gambar 6.2. Tipe Setengah Bulat 41

Gambar 6.3. Tipe Baji 41

Gambar 6.4. Tipe Bak Mandi 42

Gambar 6.4.1. Tipe Bak Mandi Bentuk Kepala “L” 42

Gambar 6.4.2. Bentuk OHV-Squish 43

Gambar 6.4.3. Bentuk OHV-Semipheris 43

Gambar 6.5. Penampang Tabung Silinder 44

Gambar 6.6. Penampang Piston 48

Gambar 6.7. Penampang Pena Piston 53

Gambar 6.8. Ring Piston 56

Gambar 6.9. Batang Penggerak 57

Gambar 6.10. Penampang Batang Penggerak 59

Gambar 6.11. Poros Engkol 60

Gambar 6.12. Gaya Yang Terjadi Pada Poros Engkol 62

Gambar 6.13. Diagram Pembukaan Katup 67

Gambar 6.14. Katup 68

Gambar 6.15. Cam 72

Gambar 6.16. Pegas Katup 74

Gambar 7.1. Gaya-gaya Yang Terjadi Pada Bagian-bagian Utama 79

Gambar 7.2. Posisi Silinder 90

Gambar 8.1. Jenis Pompa Pelumas 91

DAFTAR LAMBANG

Simbol Keterangan Satuan

W total Berat total kendaraan kg

Rr Rolling resistance kg

% Persen/perbandingan %

Ra Air resistance kg

f Koefesien perlawanan rolling resistance

g Gravitasi bumi m/det2

ρ Massa jenis udara kg.det2/m2

Ca Koefesien tahanan udara

A Luas proyeksi kendaraan m2

Vr Kecepatan relatif m/det

η Effesiensi overal %

Nr Daya roda hp

F Tahanan total kg

V max Kecepatan maksimum m/det

Ne Daya effektif hp

N Gaya normal kg

θ Besar sudut °(derajat)

Dr Diameter roda cm

Dd Diameter velg cm

h Lebar ban cm

nr Putaran ban rpm

n max Putaran mesin maksimum rpm

ΔT Selisih temperatur °R

P Tekanan kompressi lbf/ft2

υ Volume spesifik ft3/lb

m Berat gas gr

R Konstanta ideal lbf/lbm°R

H Enthalpy Btu/lb

S Entropy Btu/lb°R

U Energi dalam Btu/lb

ƒ Fraksi gas

W id Kerja ideal Btu/lb

σ Tegangan izin bahan kg/cm2

W ind Kerja indikator Btu/lb

W ef Kerja efektif Btu/lb

Qm Panas yang masuk Btu/lb

ηth Effesiensi thermis %

P ind Tekanan indikator kg/cm2

P ef Tekanan efektrif kg/cm2

Sfc Penggunaan spesifik bahan bakar kg/hp.hr

k Konstanta equivalen Btu/hp.hr

Z Jumlah silinder buah

a Konstanta untuk motor 4 langkah ½

VS Volume sisa cc

VL Volume langkah cc

L Langkah piston cm

L/D Stroke bore ratio

R Panjang radius engkol cm

Xp Jarak tempuh piston mm

Lcr Panjang connecting-rod cm

Acr Luas penampang connecting-rod cm2

h Total flange cm

t Tebal dinding silinder cm

τizin Tegangan izin kg/cm2

K Penambahan ketebalan/reboring cm

Do Diameter luar silinder cm

Di Diameter dalam silinder cm

H Tinggi silinder cm

τt Tegangan tarik kg/cm2

ro Jari-jari luar silinder cm

ri Jari-jari dalam silinder cm

br Dalam alur ring piston in

b Lebar alur ring piston in

k Jarak sumbu piston mm

Lp Panjang piston mm

Qp Jumlah panas yang mengalir Btu/lb

A Luas penampang ft2

τtot Tegangan total Psi

F Gaya kg

Mb Momen banding yang terjadi kg.cm

F/A Perbandingan bahan bakar dan udara %

Wb Momen perlawanan lengkung cm3

Lpp Panjang pena piston mm

I Jumlah ring piston buah

C Celah ring piston mm

α Koefisien pemuaian bahan piston °F

Q Panas yang timbul oleh gas pembakaran Btu/ft2.hr

K Kondukt ivitas panas bahan piston Btu/lb.°F.hr

τg Tegangan geser Psi

Lk Lebar bagian kepala kecil mm

Lb Lebar bagian kepala besar mm

Ppe Panjang pipa engkol mm

M Momen lengkung lb.in

tm Tebal lapisan metal mm

τL Tegangan lengkung lb.in

ΔE Energi yang tersimpan lb.ft

Wf Berat spesifik kg/cm3

γ Berat jenis kg/mm3

nS Frekwensi pribadi pegas get/menit

Wp Berat piston gr

Wpp Berat pena piston gr

Wrp Berat ring piston gr

Wcr Berat sebagian batang penggerak gr

Pi Tekanan inersia Psi

Q Kapasitas minyak pelumas cm3/det

Np Daya pompa hp

Ne Daya motor hp

δ Lendutan pegas mm

μ Viscositas absolute kg/m.det

M Keperluan air pendingin liter/hr

Cp Panas jenis air kkal/kg.°C

γ Massa jenis air kg/liter

ηp Effesiensi pompa %

Pd Tekanan pompa kg/cm2

DAFTAR SINGKATAN

Singkatan Kepanjangan

EFI Electric Fuel Injection

TMA Titik Mati Atas

TMB Titik Mati Bawah

ON Oktan Nominal

API American Petroleoum Institute

HHV High Heating Valve

LHV Low Heating Valve

°F Derajat Frankline

°R Derajat Rankine

°C Derajat Celcius

FO Firing Order

ECU Electric Control Unit

mol Molekul

D Diameter

C Constanta

sin Sinus

cos Cosinus

atm Atmosfer

Psi Pound square inch

fd Faktor diagram

T Temperatur

gr Gram

kg Kilogram

in Inch

mm Milimeter

cm Centimeter

rpm Rotasi per menit

det Detik

ft Feet

hr Hour

hp Horse Power

max Maksimum

min Minimum

C Carbon

Si Silicon

Mn Manganese

P Phosphorus

S Sulfur

Ni Nicel

Cr Chromium

Mo Molibden

Cu Cooper

Mg Magnesium

Zn Zinc

ABSTRAK

Motor bakar telah mengalami perkembangan yang sangat pesat dan telah banyak dipergunakan oleh masyarakat secara luas yang sangat membantu dalam berbagai aktivitas sehari-hari. Dalam hal ini, dunia industri khususnya dibidang otomotif mempunyai peranan penting. Dimana pada saat sekarang ini motor bakar telah mengembangkan teknologi komputerisasi terutama dalam penyuplaian bahan bakar yang disebut dengan system EFI (Electronic Fuel Injection).

Dalam rancangan ini, motor bakar yang digunakan sebagai penggerak kendaraan pribadi adalah jenis sedan yang bekerja dengan menggunakan proses kerja motor bakar empat langkah dan bahan bakar yang dipergunakan adalah bensin. Yang dirancang dapat menghasilkan daya sebesar 106,82 hp dengan putaran sebesar 4800 rpm. Dengan memiliki daya dan putaran seperti ini maka diharapkan kendaraan motor bakar jenis sedan ini dapat mengangkut penumpang dari suatu tempat ke tempat lain sebanyak 5 orang dengan berat angkut 310 kg, serta dapat melaju pada kecepatan 140 km/jam. Kata kunci :

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Motor bakar salah satu jenis mesin pembakaran dalam, yaitu mesin tenaga dengan ruang bakar yang terdapat di dalam mesin itu sendiri (internal combustion

engine), sedangkan mesin dengan pembakaran luar disebut (external combustion engine). Dimana orang untuk tujuan tertentu perlu mengubah energi dari suatu bentuk

ke bentuk lain dan alatnya yang disebut pesawat atau mesin.

Motor bakar adalah mesin atau pesawat tenaga yang merupakan mesin kalor dengan menggunakan energi thermal dan potensial untuk melakukan kerja mekanik dengan merubah energi kimia dari bahan bakar menjadi energi panas (thermal) dan potensial sehingga menghasilkan energi mekanik. Cara memperoleh energi thermal tersebut dari hasil proses pembakaran bahan bakar di dalam mesin itu sendiri, maka dapat dibagi menjadi 2 bagian dengan kelebihan masing-masing, yaitu :

1. Mesin Pembakaran Luar (External Combustion Engine)

Contohnya : Steam engine (mesin uap torak), panas pembakaran di dalam ruang bakar akan memanasi air yang kemudian menjadi uap sehingga uap tersebut akan menggerakkan torak.

Kelebihannya :

a. Dapat digunakan bahan bakar berkualitas rendah baik bahan bakar padat, cair maupun gas.

b. Kapasitas besar, seperti : pusat pembangkit tenaga listrik, pusat pembangkit tenaga uap, dalam hal ini untuk penggerak turbin dan proses produksi.

c. Pada umumnya tidak terdapat bagian yang bergerak translasi bolak-balik sehingga getaran yang terjadi kecil.

2. Mesin Pembakaran Dalam (Internal Combustion Engine) Contohnya :

a. Motor bakar torak : motor bensin dengan penyalaan loncatan bunga api, motor diesel dengan penyalaan kompresi, motor wankel dengan gerak torak berputar (rotary).

b. Turbin gas : pesawat terbang.

c. Mesin propulsi pancar gas : roket, mesin jet dan sebagainya. Kelebihannya :

a. Sederhana/simple. b. Bahan bakar lebih irit. c. Investasi awal lebih kecil.

d. Cocok untuk tenaga penggerak pada kendaraan.

Dalam pengamatan yang dilakukan dewasa ini bahwa motor bakar mempunyai peranan yang sangat penting dalam kehidupan manusia seperti : transportasi, penerangan dan pertanian.

Berdasarkan dari pengalaman dan penemuan para peneliti serta pengembangannya, antara lain :

1. Pada tahun 1862, Beau De Rochas, Jerman, Siklus Motor Bakar.

2. Pada tahun 1876, dilanjutkan oleh Otto dan Langen, Jerman, Motor 4 langkah

Siklus Otto.

3. Pada tahun 1890, Herbert Acekyord, Inggris, telah mendapatkan hak paten membuat motor bakar dengan minyak sebagai bahan bakar dengan dilengkapi tabung bulat yang dipasang pada kepala silinder serta tabung dipanasi dengan lampu. Pada tiap akhir langkah kompresi minyak disemprotkan ke dalam tabung yang pijar tersebut.

Dilihat dari pengalaman dan penemuan para peneliti serta pengembangannya maka sarana transportasi bagi masyarakat yang berada di desa maupun di kota dapat merasakan kemajuan serta perkembangan teknologi yang sangat membantu meringankan pekerjaan dan meningkatkan efisiensi kerja dalam kehidupan sekarang ini. Maka sebagian besar yang terkandung di bumi telah dikonversikan melalui pesawat-pesawat konversi berupa motor bakar yang dapat merubah energi thermal atau energi gas menjadi energi mekanis.

Sesuai dengan rancangan skripsi ini yaitu motor bakar penggerak kendaraan penumpang pribadi yang dibuat guna mengangkut penumpang dengan kapasitas 5 orang, disamping itu motor bakar ini juga menggunakan sistem penyuplaian bahan bakar dengan menggunakan sistem Electric Fuel Injection (EFI), selanjutnya hanya difokuskan pada jenis mesin pembakaran dalam yang memperoleh energi dari hasil

pembakaran di dalam mesin motor bakar itu sendiri dan gas pembakaran sebagai fluida kerja.

1.2. Tujuan dan Manfaat Penulisan

Secara akademis skripsi ini adalah untuk memenuhi syarat kurikulum guna menyelesaikan Program Stara Satu (S1) di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

Secara teknik tujuan dalam rancangan mesin pembakaran dalam ini :

• Mengetahui salah satu aplikasi dari motor bakar, khususnya dalam penyuplaian bahan bakar yaitu pada sistem EFI.

• Mengetahui kerja dari sistem EFI.

• Menghitung dan mendapatkan hasil analisa termodinamika.

• Mengetahui serta membuat perhitungan ukuran dan bagian utama motor bakar. Adapun manfaat yang diharapkan dari skripsi ini antara lain :

• Bagi penulis untuk menambah pengetahuan dan mengenal lebih dalam mengenai motor bakar torak serta proses-proses yang terjadi pada motor bakar tersebut.

• Dapat membedakan beberapa klasifikasi dari mesin pembakaran dalam, bila ditinjau dari :

a. Jenis bahan bakar. b. Penyalaan bahan bakar.

c. Gerak mesin serta susunan silindernya. 1.3. Batasan Masalah

Adapun batasan masalah dalam penulisan skripsi ini sesuai dengan spesifikasi yang telah diberikan, maka pembahasan yang akan dibuat meliputi :

a. Cara kerja dari sistem EFI. b. Pemilihan jenis motor penggerak.

c. Perhitungan daya dan putaran motor bakar. d. Perhitungan thermodinamika pada siklus otto. e. Perhitungan ukuran dan bagian utama motor bakar. f. Sistem pelumasan dan pendinginan.

1.4. Metodologi Penulisan

Metodologi penulisan yang digunakan pada penulisan skripsi ini adalah sebagai berikut :

a. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku dan tulisan-tulisan yang terkait.

b. Browsing internet, berupa studi artikel-artikel, gambar-gambar dan buku elektronik (e-book) serta data-data lain yang berhubungan.

c. Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing yang ditunujuk oleh Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

1.5. Sistematika Penulisan

Skripsi ini dibagi menjadi beberapa bab dan masing-masing terdiri dari sub bab dengan garis besar tiap bab adalah sebagai berikut :

BAB I : PENDAHULUAN

Bab ini berisikan latar belakang, tujuan dan manfaat penulisan, batasan masalah, metodologi penulisan dan sistematika penulisan.

BAB II : TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini berisikan landasan teori mengenai defenisi motor bakar, klasifikasi motor bakar, pemilihan jenis motor bakar dan bahan bakar.

BAB III : SISTEM KERJA EFI

Bab ini berisikan landasan teori mengenai sistem kerja EFI, tipe EFI, cara kerja EFI dan komponen penyalur bahan bakar.

BAB IV : PERHITUNGAN MOTOR BAKAR

Bab ini berisikan perhitungan daya motor penggerak, perhitungan putaran motor penggerak dan pemilihan jumlah silinder.

BAB V : ANALISA THERMODINAMIKA

Bab ini berisikan pemilihan siklus motor bakar, analisa diagram P-V dan perbandingan kompressi.

BAB VI : UKURAN DAN BAGIAN UTAMA MOTOR BAKAR

Bab ini berisikan data-data motor bakar mengenai volume langkah (displacement volume), diameter silinder dan panjang langkah piston, faktor briks (factor of angularity), ruang bakar, silinder, piston, pena piston, ring piston, batang peggerak (connecting rod), poros engkol (crank shaft), fly wheel, katup, cam serta pegas katup. BAB VII : DINAMIKA BAGIAN YANG BERGERAK

Bab ini berisikan gerak translasi, gerak rotasi dan gaya-gaya yang bekerja pada motor bakar.

BAB VIII : PELUMASAN DAN PENDINGINAN

Bab ini berisikan sistem pelumasan dan sistem pendinginan yang digunakan pada motor bakar yang telah dibahas tersebut.

BAB IX : KESIMPULAN

Bab ini sebagai penutup berisikan kesimpulan dan saran dari hasil-hasil perhitungan didalam perencanaan mesin pembakaran dalam.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Definisi Motor Bakar

Motor bakar adalah mesin atau peswat tenaga yang merupakan mesin kalor dengan menggunakan energi thermal dan potensial untuk melakukan kerja mekanik dengan merubah energi kimia dari bahan bakar menjadi energi panas (thermal) dan potensial sehingga menghasilkan energi mekanik.

Motor bakar torak menggunakan beberapa gerak mesin yang di dalamnya terdapat torak yang bergerak bolak-balik dan bergerak putar (rotary engine). Dimana di dalam silinder terjadi pembakaran campuran antara udara dengan bahan bakar dengan merubah tenaga panas dan potensial menjadi tenaga gerak sehingga proses tersebut mampu menggerakkan torak yang oleh batang penggerak dihubungkan ke poros engkol. 2.2. Klasifikasi Motor Bakar

a. Berdasarkan jenis bahan bakar yang umum digunakan motor bakar digolongkan atas dua, yaitu :

1. Motor bakar bensin dengan penyalaan loncatan bunga api dari busi. 2. Motor bakar diesel dengan penyalaan kompresi.

b. Berdasarkan proses dan prinsip kerja motor bakar dapat dibedakan atas dua bagian, yaitu :

1. Motor bakar 2 langkah (2 tak). 2. Motor bakar 4 langkah (4 tak).

Pada motor bakar empat langkah ini menghasilkan satu kali langkah kerja diperlukan empat kali langkah torak dan dua kali putaran poros engkol.

Keuntungannya :

• Pergantian gas hasil pembakaran dan udara sangat baik karena memiliki langkah tersendiri.

• Pemakaian bahan bakar lebih hemat dan putaran mesin lebih halus. Kerugiannya :

Berdasarkan analisa di atas maka dipilihlah rancangan motor bakar 4 langkah ini dengan alasan :

• Sangat sesuai dengan teknologi sistem EFI. • Bunyi mesin yang halus sehingga lebih nyaman.

• Jalan yang kurang baik dapat diatasi dengan memakai flywheel.

Adapun prinsip kerja pada motor bensin 4 langkah hampir sama dengan prinsip kerja pada motor diesel 4 langkah sebagai berikut dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Gambar 2.1. Prinsip Kerja Motor Bensin 4 langkah Keterangan gambar :

a. Langkah isap

Piston bergerak dari TMA ke TMB dimana katup isap terbuka dan katup buang tertutup, udara murni masuk ke dalam silinder melalui saluran isap.

b. Langkah kompresi

Pada langkah ini torak yang bergerak dari TMA ke TMB dimana katup isap dan katup buang tertutup, campuran bahan bakar dan udara mengalami pemampatan (kompressi) secara adiabatik sehingga tekanan dan temperatur gas naik.

c. Langkah kerja

Gas yang bertekanan tinggi mendorong torak dari TMA ke TMB berlangsung secara adiabatis/isentropis. Pada saat itu katup isap dan katup buang tertutup akibatnya peristiwa ini menghasilkan tenaga gerak (mekanis) pada motor.

d. Langkah buang

Gas bekas dan panas yang masih ada berada di dalam silinder didorong torak dari TMA ke TMB keluar melalui katup buang yang terbuka dengan sendirinya, sehingga tekanan gas sama dengan tekanan udara luar dan peristiwa ini berlangsung secara isovolume. Semua proses di atas berlangsung secara terus menerus dan berulang-ulang untuk membentuk siklus yang tertutup selama motor bakar bekerja. 2.3. Pemilihan Jenis Motor bakar

Adapun penyesuaian pada jenis kendaraan yang akan dirancang adalah jenis sedan, maka dipilihlah motor bakar bensin 4 langkah dengan pertimbangan sebagai berikut :

• Lebih ringan. • Getaran lebih kecil. • Fuel ratio lebih besar 2.4. Bahan Bakar

Dalam proses pembakaran dimana tiap bahan bakar selalu membutuhkan sejumlah udara tertentu agar bahan bakar tersebut dapat dibakar secara sempurna. Berdasarkan dengan rumus kimia Cn H2n+2 atau dikenal dengan persamaan kimianya C8 H18 (iso oktan) dengan bahan bakarnya adalah bensin. Untuk mengatasi denotasi (pembakaran dini) maka dipakai bahan tambahan campuran C7 H16 yang dikenal dengan Normal Heptana.

Untuk mengetahui nilai oktan (ON) dari bahan bakar yang digunakan pada

motor bakar bensin otto, terdiri dari 2 jenis antara lain :

1. Premium Grade ON = 82 ÷ 92

2. Third Grade Gasoline ON = 92 ÷ 100

Sumber : Anonim. 2004. Modul Pemeliharaan/Servis Sistem Bahan Bakar Bensin. Depennas.

Kedua jenis bahan bakar di atas dapat dibedakan atas besarnya nilai oktan. Premium dengan nilai oktan yang tinggi mempunyai kemampuan yang lebih baik untuk terjadinya denotasi. Oleh karena itu, lebih sesuai untuk motor bensin dengan putaran tinggi.

Padar rancangan ini dipilih bahan bakar jenis Premium Grade dengan nilai oktan ON = 85, maksudnya campuran antara 85% C8 H18 + 15% C7 H16 yang akan dibakar dengan oksigen (udara) dan sangat sesuai dengan mesin-mesin kendaraan yang sejenis dengan rancangan ini.

SISTEM KERJA EFI

Sistem bahan bakar merupakan suatu sistem penyaluran bahan bakar dari tangki bahan bakar sampai ke silinder. Kedua alat tersebut adalah karburator dan EFI (Electronic Fuel Injection). Pada tugas akhir ini penulis merancang dengan sistem EFI. Adapun perlengkapan yang diperlukan adalah : electronic fuel injection, pompa bahan bakar, pressure regulator dan injector.

3.1. EFI (Electronic Fuel Injection)

Sistem EFI adalah suatu sistem penyalur bahan bakar yang mengalirkan campuran bahan bakar dan udara dalam perbandingan yang tetap. Komputer pengontrol EFI dapat digolongkan menjadi 2 tipe, yaitu :

1. Tipe sirkuit analog (Analog Sircuit Type).

2. Tipe pengontrol dengan mikro komputer (Micro Computer Controlled Type).

Pada rancangan ini dipilih tipe sirkuit analog sebagai komputer pengontrol, karena mobil yang menggunakan jenis tipe ini banyak terdapat di Indonesia. Bila dibandingkan dengan karburator, EFI mempunyai beberapa keuntungan didalam penggunaannya, antara lain :

• Pembentukan bahan bakar dan udara yang homogen pada setiap silinder. • Pembakarannya lebih sempurna.

• Kemampuannya untuk menghidupkan mesin pada temperatur rendah lebih baik. • Kerapatan (density) hidrokarbon pada gas buang akan menjadi lebih kecil. 3.1.1. Type EFI

Sistem EFI dapat digolongkan dalam dua bagian metode yang dipakai pada pengontrolan volume udara yang masuk, adapun kedua tipe ini antara lain :

1. Type Manifold Pressure Control (D.EFI)

Pada tipe ini menggunakan alat yang mendeteksi tekanan udara yang mengalir masuk ke dalam intake manifold.

Gambar 3.1. Type Manifold Control (D.EFI)

Sumber

Gambar 3.2. Type Air Flow Meter (L.EFI) %20Bakar%20Bensin_files/image070.jpg.

2. Type Air Flow Meter (L.EFI)

Type ini menggunakan alat yang langsung mendeteksi jumlah udara yang mengalir masuk ke dalam saluran (intake manifold).

Sumber

%20Bakar%20Bensin_files/image072.jpg.

Pada rancangan ini dipilih type air flow meter (L.EFI), karena tipe ini lebih sederhana konstruksinya dan tipe ini lebih sering dijumpai di pasaran (Indonesia).

3.1.2. Cara Kerja EFI

Adapun cara kerja EFI dengan type air flow meter (L.EFI) adalah sebagai berikut : bila throte valve dibuka (pada saat pegas ditekan) udara dari air cleaner akan mengalir ke silinder melalui air flow meter yang kemudian air flow meter mendeteksi volume aliran udara dan merubahnya dalam bentuk tegangan, kemudian signalnya dikirim ke ECU (Electric Control Unit) dan selanjutnya ECU mengirim signalnya ke injector-injector dan manifold. Di sini ECU mengkalkulasikan berapa banyak bahan bakar yang dibutuhkan untuk sejumlah udara menginstruksikan ke masing-masing injector dengan tujuan agar injector mengetahui berapa lama harus bekerja.

Gambar 3.3. Intake Air Volume dan Injector Volume

Peristiwa ini dikenal dengan basic injection volume, yang mana dipakai untuk menyatakan jumlah injeksi bahan bakar yang dibutuhkan agar diperoleh perbandingan campuran teoritis. Untuk lebih lanjut peristiwa dapat digambarkan seperti di bawah ini

Gambar 3.4. Aliran Bahan Bakar

Sumber

W2phIdlM/s1600/EFI%2B.jpg. Air flow sensor

Fuel distributor Control plunger

Sensor plate fuel

Air flow sensor

Fuel distributor Control plunger

fuel In-pressure

3.2. Komponen Penyalur Bahan Bakar

Komponen penyalur bahan bakar ini merupakan hal penting agar terjadi pembakaran yang sempurna di dalam ruang bakar. Adapun komponen tersebut antara lain :

• Tangki bahan bakar. • Pompa bahan bakar.

Ini terjadi dari 2 tipe, yaitu In-tank type (pompa yang terpasang di dalam tangki) dan In-line type (pompa yang terpasang di luar tangki).

a. In-Tank Type

pompa diletakkan atau dipasang di dalam tangki dengan menggunakan turbin pompa, yang menjadi keistimewaannya agar getaran yang terjadi di dalam pompa menjadi kecil. Pompa tipe ini terdiri dari motor dan pompa, sebuah check valve, relief valve dan filter yang bersatu menjadi satu unit.

Gambar 3.5. In-Tank Type

Turbin pompa terdiri satu atau dua impeller yang diputar oleh motor, maka impeller akan turut berputar, casing dan pompa cover tersusun menjadi satu unit. Blade pada bagian luar lingkaran impeller mengisap bahan bakar dari inlet pump (lubang keluar). Bahan bakar yang dikeluarkan dari lubang melalui sekitar motor dan dialirkan keluar dari pompa melalui valve.

b. In-line Type

pompa dipasang di luar bahan bakar, pompa terdiri dari motor dan unit pompa, check valve, relief valve, filter dan silinder.

Check valve Relief valve

Brush Armature

Magnet Empeller

Gambar 3.6. In-Line Type

Pompa terdiri dari rotor yang diputar oleh motor, penggerak ini mengakibatkan volume menyempit dan bahan bakar terpompakan.

Gambar 3.7. Aliran Bahan Bakar Pada Pompa

Dari kedua tipe pompa bahan bakar tersebut dipilih pompa Type In-Tank Type sebagai pompa bahan bakar karena pompa jenis ini mempunyai keistimewaan yaitu getaran yang terjadi di dalam pompa sangat kecil sehingga tidak menimbulkan bunyi yang membisingkan.

3.2.1. Saringan Bahan bakar

Saringan bahan bakar dipasang pada bagian saluran yang bertekanan tinggi dari pompa bahan bakar.

3.2.2. Pulsition Dumper

Tekanan bahan bakar dipertahankan 2,9 kg/cm2 sesuai kevakuman intake manifold dan pressure regulator. Oleh karena itu, terdapat sedikit panas pada saluran tekan dikarenakan injeksi. Pulsition dumper menyerap variasi ini oleh diafragma.

Gambar 3.9. Pulsition Dumper 3.2.3. Pressure Regulator

Berfungsi untuk mengatur tekanan-tekanan bahan bakar ke injektor-injektor, jumlah injeksi bahan bakar dikontrol sesuai dengan lamanya signal yang diberikan ke injektor. Oleh karena itu tekanannya konstan diinjektor harus dipertahankan. Dengan adanya tekanan-tekanan yang berubah-ubah pada bahan bakar (karena injeksi) dan perubahan kevakuman di intake manifold.

Banyaknya bahan bakar yang diinjeksikan dan tekanan bahan bakar yang konstan, sehingga jumlah injeksinya tepat, tekanan bahan bakar dan kevakuman di intake manifold dipertahankan pada tekanan 2,9 kg/cm2.

Gamabr 3.10. Pressure Regulator

Supaya lebih jelas adapun cara-cara dari pengaturan tekanan ini, yaitu : tekanan bahan bakar dari delivery pipe menekan diafraghma, membuka valve dan sebagian bahan bakar kembali ke tangki melalui pipa pengembalian. Banyaknya bahan bakar yang kembali ditentukan oleh tingkat ketegangan pegas diafraghma.

Gambar 3.11. Tekanan Bahan Bakar

Variasi tekanan bahan bakar sesuai dengan volume bahan bakar kembali vacum intake manifold yang dihubungkan pada sisi diafraghma sering akan melemahkan tegangan bahan bakar A yang kembali ke tangki. Dengan demikian, bila vacum intake manifold B dipertahankan tetap. Jika pompa berhenti pegas diafraghma akan menutup katup sebagai akibatnya check valve dalam pompa bahan bakar dari katup di dalam pressure regulator mempertahankan sisi tekanan di dalam saluran bahan bakar.

3.2.4. Injector

Injector adalah nozel bekerja secara elektro magnet dan akan menginjeksikan bahan bakar sesuai signal dari ECU. Injector dipasang dengan insulator ke intake manifold atau kepala silinder dekat lubang masukan dan dihubungkan dengan delivery pipe (pipa penyalur).

Gambar 3.12. Injector Cara kerja :

Bila signal dari ECU diterima oleh coil selenoid plunger akan tertarik melawan pegas. Karena needle valve dan plongen merupakan satu unit, valve juga tertarik dari dudukannya dan bahan bakar yang diinjeksikan diatur oleh lamanya signal yang diterima. Injeksi akan terjadi selama needle valve terbuka. Ada beberapa tipe injector tetapi secara umum dapat dibagi dalam tipe-tipe konstruksi dasar, antara lain :

1. Bentuk lubang injeksi :

a. Type pintle (penyemprotan baik). b. Type hole (sukar untuk tersumbat).

2. Nilai resistance

a. Resistance rendah (2-3 ohm). b. Resistance tinggi (13,8 ohm). 3. Cold start injektor

Cold start injector dipasang di bagian tengah air intake chamber, berfungsi untuk memperbaiki kemampuan mesin pada waktu masih dingin. Cold start injector bekerja selama mesin distart dan temperatur air pendingin masih rendah. Lamanya injeksi maksimum dibatasi oleh start injection time switch untuk mencegah penggenangan bahan bakar. Apabila kunci kontak diputar ke posisi ST, arus mengalir ke solenoid coil dan plunger akan tertarik melawan tekanan pegas, sehingga katup akan terbuka dan bahan bakar mengalir melalui ujung injector.

Gambar 3.13. Cold Start Injector 4. Cold start injector time switch

Fungsi cold start injector time switch adalah untuk mengatur lamanya injeksi maksimum dari cold start injector.

SISTEM KERJA EFI

Sistem bahan bakar merupakan suatu sistem penyaluran bahan bakar dari tangki bahan bakar sampai ke silinder. Kedua alat tersebut adalah karburator dan EFI (Electronic Fuel Injection). Pada tugas akhir ini penulis merancang dengan sistem EFI. Adapun perlengkapan yang diperlukan adalah : electronic fuel injection, pompa bahan bakar, pressure regulator dan injector.

3.1. EFI (Electronic Fuel Injection)

Sistem EFI adalah suatu sistem penyalur bahan bakar yang mengalirkan campuran bahan bakar dan udara dalam perbandingan yang tetap. Komputer pengontrol EFI dapat digolongkan menjadi 2 tipe, yaitu :

1. Tipe sirkuit analog (Analog Sircuit Type).

2. Tipe pengontrol dengan mikro komputer (Micro Computer Controlled Type).

Pada rancangan ini dipilih tipe sirkuit analog sebagai komputer pengontrol, karena mobil yang menggunakan jenis tipe ini banyak terdapat di Indonesia. Bila dibandingkan dengan karburator, EFI mempunyai beberapa keuntungan didalam penggunaannya, antara lain :

• Pembentukan bahan bakar dan udara yang homogen pada setiap silinder. • Pembakarannya lebih sempurna.

• Kemampuannya untuk menghidupkan mesin pada temperatur rendah lebih baik. • Kerapatan (density) hidrokarbon pada gas buang akan menjadi lebih kecil. 3.1.1. Type EFI

Sistem EFI dapat digolongkan dalam dua bagian metode yang dipakai pada pengontrolan volume udara yang masuk, adapun kedua tipe ini antara lain :

1. Type Manifold Pressure Control (D.EFI)

Pada tipe ini menggunakan alat yang mendeteksi tekanan udara yang mengalir masuk ke dalam intake manifold.

Gambar 3.1. Type Manifold Control (D.EFI)

Sumber

Gambar 3.2. Type Air Flow Meter (L.EFI) %20Bakar%20Bensin_files/image070.jpg.

2. Type Air Flow Meter (L.EFI)

Type ini menggunakan alat yang langsung mendeteksi jumlah udara yang mengalir masuk ke dalam saluran (intake manifold).

Sumber

%20Bakar%20Bensin_files/image072.jpg.

Pada rancangan ini dipilih type air flow meter (L.EFI), karena tipe ini lebih sederhana konstruksinya dan tipe ini lebih sering dijumpai di pasaran (Indonesia).

3.1.2. Cara Kerja EFI

Adapun cara kerja EFI dengan type air flow meter (L.EFI) adalah sebagai berikut : bila throte valve dibuka (pada saat pegas ditekan) udara dari air cleaner akan mengalir ke silinder melalui air flow meter yang kemudian air flow meter mendeteksi volume aliran udara dan merubahnya dalam bentuk tegangan, kemudian signalnya dikirim ke ECU (Electric Control Unit) dan selanjutnya ECU mengirim signalnya ke injector-injector dan manifold. Di sini ECU mengkalkulasikan berapa banyak bahan bakar yang dibutuhkan untuk sejumlah udara menginstruksikan ke masing-masing injector dengan tujuan agar injector mengetahui berapa lama harus bekerja.

Gambar 3.3. Intake Air Volume dan Injector Volume

Peristiwa ini dikenal dengan basic injection volume, yang mana dipakai untuk menyatakan jumlah injeksi bahan bakar yang dibutuhkan agar diperoleh perbandingan campuran teoritis. Untuk lebih lanjut peristiwa dapat digambarkan seperti di bawah ini

Gambar 3.4. Aliran Bahan Bakar

Sumber

W2phIdlM/s1600/EFI%2B.jpg. Air flow sensor

Fuel distributor Control plunger

Sensor plate fuel

Air flow sensor

Fuel distributor Control plunger

fuel In-pressure

3.2. Komponen Penyalur Bahan Bakar

Komponen penyalur bahan bakar ini merupakan hal penting agar terjadi pembakaran yang sempurna di dalam ruang bakar. Adapun komponen tersebut antara lain :

• Tangki bahan bakar. • Pompa bahan bakar.

Ini terjadi dari 2 tipe, yaitu In-tank type (pompa yang terpasang di dalam tangki) dan In-line type (pompa yang terpasang di luar tangki).

a. In-Tank Type

pompa diletakkan atau dipasang di dalam tangki dengan menggunakan turbin pompa, yang menjadi keistimewaannya agar getaran yang terjadi di dalam pompa menjadi kecil. Pompa tipe ini terdiri dari motor dan pompa, sebuah check valve, relief valve dan filter yang bersatu menjadi satu unit.

Gambar 3.5. In-Tank Type

Turbin pompa terdiri satu atau dua impeller yang diputar oleh motor, maka impeller akan turut berputar, casing dan pompa cover tersusun menjadi satu unit. Blade pada bagian luar lingkaran impeller mengisap bahan bakar dari inlet pump (lubang keluar). Bahan bakar yang dikeluarkan dari lubang melalui sekitar motor dan dialirkan keluar dari pompa melalui valve.

b. In-line Type

pompa dipasang di luar bahan bakar, pompa terdiri dari motor dan unit pompa, check valve, relief valve, filter dan silinder.

Check valve Relief valve

Brush Armature

Magnet Empeller

Gambar 3.6. In-Line Type

Pompa terdiri dari rotor yang diputar oleh motor, penggerak ini mengakibatkan volume menyempit dan bahan bakar terpompakan.

Gambar 3.7. Aliran Bahan Bakar Pada Pompa

Dari kedua tipe pompa bahan bakar tersebut dipilih pompa Type In-Tank Type sebagai pompa bahan bakar karena pompa jenis ini mempunyai keistimewaan yaitu getaran yang terjadi di dalam pompa sangat kecil sehingga tidak menimbulkan bunyi yang membisingkan.

3.2.1. Saringan Bahan bakar

Saringan bahan bakar dipasang pada bagian saluran yang bertekanan tinggi dari pompa bahan bakar.

3.2.2. Pulsition Dumper

Tekanan bahan bakar dipertahankan 2,9 kg/cm2 sesuai kevakuman intake manifold dan pressure regulator. Oleh karena itu, terdapat sedikit panas pada saluran tekan dikarenakan injeksi. Pulsition dumper menyerap variasi ini oleh diafragma.

Gambar 3.9. Pulsition Dumper 3.2.3. Pressure Regulator

Berfungsi untuk mengatur tekanan-tekanan bahan bakar ke injektor-injektor, jumlah injeksi bahan bakar dikontrol sesuai dengan lamanya signal yang diberikan ke injektor. Oleh karena itu tekanannya konstan diinjektor harus dipertahankan. Dengan adanya tekanan-tekanan yang berubah-ubah pada bahan bakar (karena injeksi) dan perubahan kevakuman di intake manifold.

Banyaknya bahan bakar yang diinjeksikan dan tekanan bahan bakar yang konstan, sehingga jumlah injeksinya tepat, tekanan bahan bakar dan kevakuman di intake manifold dipertahankan pada tekanan 2,9 kg/cm2.

Gamabr 3.10. Pressure Regulator

Supaya lebih jelas adapun cara-cara dari pengaturan tekanan ini, yaitu : tekanan bahan bakar dari delivery pipe menekan diafraghma, membuka valve dan sebagian bahan bakar kembali ke tangki melalui pipa pengembalian. Banyaknya bahan bakar yang kembali ditentukan oleh tingkat ketegangan pegas diafraghma.

Gambar 3.11. Tekanan Bahan Bakar

Variasi tekanan bahan bakar sesuai dengan volume bahan bakar kembali vacum intake manifold yang dihubungkan pada sisi diafraghma sering akan melemahkan tegangan bahan bakar A yang kembali ke tangki. Dengan demikian, bila vacum intake manifold B dipertahankan tetap. Jika pompa berhenti pegas diafraghma akan menutup katup sebagai akibatnya check valve dalam pompa bahan bakar dari katup di dalam pressure regulator mempertahankan sisi tekanan di dalam saluran bahan bakar.

3.2.4. Injector

Injector adalah nozel bekerja secara elektro magnet dan akan menginjeksikan bahan bakar sesuai signal dari ECU. Injector dipasang dengan insulator ke intake manifold atau kepala silinder dekat lubang masukan dan dihubungkan dengan delivery pipe (pipa penyalur).

Gambar 3.12. Injector Cara kerja :

Bila signal dari ECU diterima oleh coil selenoid plunger akan tertarik melawan pegas. Karena needle valve dan plongen merupakan satu unit, valve juga tertarik dari dudukannya dan bahan bakar yang diinjeksikan diatur oleh lamanya signal yang diterima. Injeksi akan terjadi selama needle valve terbuka. Ada beberapa tipe injector tetapi secara umum dapat dibagi dalam tipe-tipe konstruksi dasar, antara lain :

1. Bentuk lubang injeksi :

a. Type pintle (penyemprotan baik). b. Type hole (sukar untuk tersumbat).

2. Nilai resistance

a. Resistance rendah (2-3 ohm). b. Resistance tinggi (13,8 ohm). 3. Cold start injektor

Cold start injector dipasang di bagian tengah air intake chamber, berfungsi untuk memperbaiki kemampuan mesin pada waktu masih dingin. Cold start injector bekerja selama mesin distart dan temperatur air pendingin masih rendah. Lamanya injeksi maksimum dibatasi oleh start injection time switch untuk mencegah penggenangan bahan bakar. Apabila kunci kontak diputar ke posisi ST, arus mengalir ke solenoid coil dan plunger akan tertarik melawan tekanan pegas, sehingga katup akan terbuka dan bahan bakar mengalir melalui ujung injector.

Gambar 3.13. Cold Start Injector 4. Cold start injector time switch

Fungsi cold start injector time switch adalah untuk mengatur lamanya injeksi maksimum dari cold start injector.

BAB IV

PERHITUNGAN MOTOR BAKAR

Sebelum menghitung dan putaran dari motor bakar ini ada baiknya mengetahui perbandingan antara bahan bakar dan udara (F/A), karena sangat berpengaruh terhadap pembakaran di dalam ruang bakar dengan perbandingan yang tepat dan campuran yang homogen maka akan menghasilkan pembakaran yang sempurna.

Berat udara minimum yang diperlukan untuk pembakaran yang sempurna disebut dengan berat udara teoritis, perbandingan berat udara sebenarnya dengan berat udara teoritis disebut faktor kelebihan udara (excess air) dengan menggunakan persamaan :

λ = 100 ÷ 120 % ...(BPM. Arends, 1980)

Adapun persamaan umum reaksi kimia untuk pembakaran bahan bakar hidrokarbon reaksi stoikhiometrik :

Berat atom :

C = 12 O = 16

H = 1 N = 14

C8 H18 + O2 + N2 → CO2 +H2O + N2 ...(4.1.) C8 H18 + (0,21O2 + 0,79N2) → ...CO2 + ...H2O + ...N2

C8 H18 + O2

21 , 0 21 , 0

+ N₂

21 , 0 79 , 0

→ ...CO2 + ...H2O + ...N2 C8 H18 + (O2 + 3,76N2) → 8CO2 + 9H2O + 3,76N2 + Q kal C8 H18 + 12,5(O2 + 3,76N2) → 8CO2 + 9H2O + 3,76N2 + Q kal  Perbandingan bahan bakar dengan udara secara teoritis adalah :

F/Ateoritis =

) N 76 , 3 O ( . 5 , 12 H C 2 2 18 8 + = ) .28 76 , 3 32 ( . 5 , 12 1.18 12.8 ++ = 73 , 1729 114 = 17 , 15 1

 Perbandingan bahan bakar dan udara aktual diperlukan udara berlebih (excess

air)

Dimana :

Udara aktual = udara teoritis + udara berlebih = 100 % + (10% ÷ 20%)

= 100 % + 10% (diambil) = 110%.

Maka : F∕A aktual = 15,17 100

110 × = 16,68 :1

Sehingga perbandingan udara dan bahan bakar adalah : F∕A aktual = 0,06lbbahan bakar / lbudara

68 , 16

1 =

Sesuai dengan F∕A yang diizinkan adalah (0,05 ÷ 0,14) berarti harga F∕A yang

diperoleh dari perhitungan di atas masih dalam batas yang diizinkan, yaitu : 0,06 lb bahan bakar/lb udara.

4.1. Perhitungan Daya Motor Penggerak

Untuk menentukan daya motor yang dibutuhkan maka harus diperhatikan faktor-faktor yang mempengaruhi hambatan yang terjadi pada kendaraan sewaktu bergerak, antara lain :

a. Berat total kendaraan (Wtotal)

b. Rolling resistance/tahanan gelinding (Rr) c. Air resistance/hambatan udara (Ra) d. Transmission resistance

e. Grade resistance (tahanan akibat tanjakan) a. Berat total kendaraan (Wtotal)

Wtotal = berat kendaraan + berat penumpang + berat barang...(4.2.) Dimana :

• Berat bersih kendaraan (Netto Vechile Weight) = 1040 kg.

• Berat penumpang berjumlah 5 orang yang dianggap berat orang dewasa

diperkirakan 62 kg, maka 5 × 62 kg = 310 kg. • Berat barang (direncanakan) = 150 kg.

Maka :

Wtotal = 1040 kg + 310 kg + 150 kg = 1500 kg.

b. Rolling resistance/tahanan gelinding (Rr)

Rolling resistance adalah tahanan gelinding yang terjadi pada roda kaku maupun roda elastis yang berputar pada permukaan jalan. Rolling resistance disebabkan oleh hal-hal sebagai berikut :

• Terjadinya perubahan bentuk pada ban yang disebabkan oleh beban yang dialami kendaraan ini

• Adanya gesekan (f) antara permukaan jalan dengan ban

• Masuknya ban kepermukaan jalan/tanah akibat berat kendaraan itu sendiri Harga koefesien hambatan permukaan jalan dapat dilihat pada tabel di bawah ini : Tabel 4.1. Harga Faktor Koefesien Tahanan Gelinding Dengan Kondisi Jalan

No Jenis Permukaan Koefesien Tahanan Gelinding 1.

2. 3. 4. 5.

Beton Aspal biasa Jalan tanah yang baik

Tanah pasir Tanah basah

0,01 0,015

0,04 0,12 0,16 Sumber : Peority, hal : 94.

Sesuai dengan jenis kendaraan yang direncanakan dimana pemakaiannya lebih banyak pada jalan yang lebih baik, maka diambil harga koefesien (f) hambatan rata-rata pada permukaan jalan yang baik, yaitu : 0,04.

Adapun besar rolling resistance (Rr) dapat diperoleh dengan persamaan :

Rr = f . W (kg)...(4.3.) Dimana :

Rr = gaya yang melawan rolling resistance (kg) f = koefesien perlawanan rolling resistance

W = berat total kendaraan + berat penumpang + berat barang (kg) Sehingga :

Rr = 0,04 × 1500 kg = 60 kg.

c. Air resistance/hambatan udara (Ra)

Faktor-faktor yang menimbulkan hambatan pada kendaraan ini adalah : • Kecepatan kendaraan sewaktu berjalan

• Kecepatan angin

• Luas penampang kendaraan bagian depan Besarnya harga Ra dapat dihitung dengan persamaan :

Ra = Ca A Vr (kg)...(4.4.) .g

2

1 ×ρ× × × 2

Dimana :

Ra = air resistance (kg)

g = gravitasi bumi (9,81 m/det2)

ρ = kerapatan udara masuk (0,125 kg/m3)

Ca = koefesien tahanan udara (untuk mobil sedan = 0,3) A = luas proyeksi kendaraan yang menahan udara

= tinggi × lebar

= 1435mm × 1695 mm = 2432325 mm2 = 2,432 m2. Vr = kecepatan relative (m/det)

= kecepatan udara + kecepatan kendaraan maksimum = kecepatan udara (10 ÷ 15 km/jam), diambil 14 km/jam = kecepatan kendaraan maksimum 140 km/jam (direncanakan) Maka :

Vr = 14 km/jam + 140 km/jam = 154 km/jam

= 42,77 m/det. Sehingga :

Ra = ₂ 0,125k /m3 0,3 2,432m2 (42,77m/det)2 m/det

81 , 9 . 2

1

× ×

×

× g

d. Transmission resistance

Transmission resistance adalah daya yang hilang akibat proses-proses transmission seperti :

• Kopling

• Gear transmission • Differential transmission

Biasanya dalam hal ini dinyatakan kedalam bentuk effesiensi overall (η tot)

diperoleh :

η tot = η kopilng × η gear box × η differential gear

= (0,72 ÷ 0,89)...(4.5.) = 0,78 (diambil).

Daya yang dibutuhkan untuk kendaraan bergerak secara horizontal dengan kecepatan dan beban maksimum adalah :

Nr = (HP)...(4.6.) .

270 V . F

tot

η Dimana :

Nr = daya roda F = tahanan total

= Rr + Ra

= 60 kg + 83,41 kg = 143,41 kg

V = kecepatan maksimum 140 km/jam (direncanakan) Sehingga :

Nr =

0,78 . 270

km/jam 140

. kg 143,41

= 95,33 HP

Dalam pemakaian dan penggunaannya agar motor penggerak tidak menjadi cepat rusak, maka dalam rancangan ini harus ditambah dengan faktor overload yaitu sebesar (10 ÷ 12) % dari daya yang dibutuhkan. Dalam hal ini diambil faktor overload sebesar 12%, dimana daya efektif untuk kecepatan maksimum adalah :

Ne = (0,12 × 95,33) + 95,33 HP...(4.7.) = 106,82 HP

e. Grade resistance (tahanan akibat tanjakan)

Grade resistance adalah tahanan yang dialami kendaraan akibat adanya jalan tanjakan. Adapun faktor yang mempengaruhi saat terjadinya grade resistance adalah besarnya sudut tanjakan. Besarnya sudut tanjakan pada permukaan jalan sesuai dengan kondisi jalan yang ada di Indonesia sebesar 20º ÷ 22º (sumber : dinas PU Medan).

Gambar 4.1. Sudut Tanjakan Pada Permukaan Jalan Dari gambar di atas, diperoleh :

N = W . cos θ...(4.8.) Dimana :

N = gaya normal

W = berat kendaraan total, 1500 kg θ = sudut tanjakan, 20 º (diambil)

Maka :

N = 1500 kg . cos 20 º = 1409,54 kg

 Gaya yang melawan grade resistance (Rg)

Rg = W . sin θ...(4.9.) = 1500 kg × sin 20 º

= 513,03 kg

 Gaya total akibat tahanan-tahanan yang terjadi (Ftot)

Ftot = Rr + Rg...(4.10.) Dimana :

Rr = tahanan yang melawan rolling resistance 60 kg Rg = gaya yang melawan grade resistance 513,03 kg

Maka :

Ftot = 60 kg + 513,03 kg = 573,03 kg

Sedangkan kecepatan kendaraan untuk keadaan jalan menanjak (grade resistane) dapat diketahui dengan persamaan :

Ne = ...(4.11.) .

75 V . F

tot

η Sehingga : V =

tot

F

tot

. 75 .

Ne η

=

kg 03 , 573

0,78 . 75 . Hp 82 , 106

= 10,905 m/det . 3,6

= 39,26 km/jam = 39 km/jam (diambil) 4.2. Perhitungan Putaran Motor Penggerak

Pemilihan ukuran ban yang digunakan merupakan salah satu faktor yang timbul dan sangat menentukan putaran motor. Adapun cara menghitung putaran motor adalah dengan mengetahui terlebih dahulu besarnya ukuran ban yang akan digunakan.

Gambar 4.2. Ukuran Ban Keterangan gambar :

• Diameter roda (Dr) = 711 mm = 28 in • Diameter velg (Dd) = 356 mm = 14 in • Lebar ban (h) = 178 mm = 7 in

Maka, diperoleh putaran ban :

n r = ...(4.12.)

Dr max V

π =

mm 711 14 , 3

km/jam 140

× = 3,14 0,711m 60 m/jam 140000

×

× = 1045,14 rpm

Sedangkan putaran mesin dapat dihitung dengan persamaan :

n max = n r × i total (rpm)...(4.13.) Dimana :

i total = i 5 + i differensial i 5 = 0,815

i diff = 3,722 Maka :

i total = 0,815 + 3,722 = 4,537

Sehingga :

n max = 1045,14 rpm× 4,537 = 4741,80 rpm

= 4800 rpm (pembulatan) Putaran roda masing-masing gigi :

 Pada gigi 1

n r1 = ...(4.14.) i

. i

n

1 diff

max

=

3,545 . 722 , 3

rpm 4800

= 363,78 rpm

Maka dengan cara perhitungan yang sama diperoleh putaran roda pada setiap masing-masing gigi seperti tabel di bawah ini :

Tabel 4.2. Putaran Roda Pada Tiap Gigi

gigi i differensial i n mesin (rpm) n roda (rpm)

1 2 3 4 5 R 3,722 3,722 3,722 3,722 3,722 3,722 3,545 1,904 1,310 0,969 0,815 3,250 4800 4800 4800 4800 4800 4800 363,78 677,32 984,44 1330,88 1582,36 396,80

Dengan diketahuinya putaran roda pada tiap percepatan maka dapat diketahui kecepatan roda pada masing-masing gigi :

V1 = π . Dr . n r1...(4.15.) Dimana :

V1 = kecepatan roda pada gigi 1 Dr = diameter roda = 0,711 m

n r1 = putaran roda pada gigi 1 = 363,78 rpm Maka :

V1 = 3,14 . 0,711 m . 363,78 rpm = 812,15 m/menit = 48,73 km/jam

Dengan cara yang sama, maka dapat diperoleh kecepatan roda dari tiap gigi masing-masing seperti tabel di bawah ini :

Tabel 4.3. Kecepatan Roda Pada Tiap Gigi

Kecepatan π Dr (m) nr (rpm) V (km/jam)

1 2 3 4 5 R 3,14 3,14 3,14 3,14 3,14 3,14 0,711 0,711 0,711 0,711 0,711 0,711 363,78 677,32 984,44 1330,88 1582,36 396,80 48,73 90,72 131,86 178,27 212 53,15

4.3. Pemilihan Jumlah Silinder

Untuk pemilihan jumlah silinder dapat didasarkan pada pertimbangan-pertimbangan sebagai berikut :

• Jumlah silinder yang lebih banyak dapat memberikan putaran yang lebih halus • Jumlah silinder yang sedikit (3 silinder ke bawah) kurang memberikan

kenyamanan karena putaran yang kurang halus

• Flywheel yang digunakan akan lebih kecil jika jumlah silinder lebih banyak Dengan pertimbangan-pertimbangan di atas maka untuk penyesuaian dari jenis kendaraan penumpang pribadi (sedan) dengan jumlah silinder 4 silinder.

Silinder ini direncanakan dengan susunan segaris vertikal (in-line) dengan pertimbangan seperti berikut ini :

• Untuk mempermudah disaat pemasangan dan pembongkaran • Konstruksi yang lebih sederahana

• Pelumasan yang lebih baik

• Sistem pendinginan yang lebih baik dikarenakan kostruksinya tidak rumit • Tidak memakan tempat atau ruang mesin dibandingkan dengan mesin tipe V

BAB V

ANALISA THERMODINAMIKA

5.1. Siklus Otto (Siklus Volume Kostan)

Siklus otto merupakan proses melingkar yang terjadi pada motor bakar bensin 4 langkah, dimana langkah torak bergerak bolak-balik. Hubungan gerak torak yang bergerak bolak-balik dalam silinder dengan kondisi (keadaan) gas dalam silinder dapat digambarkan pada diagram seperti di bawah ini :

Gambar 5.1. Diagram P – V dan T – S Untuk Siklus Otto Keterangan gambar :

0 − 1: Langkah Isap

Campuran bahan bakar dan udara masuk ke dalam silinder dalam bentuk gas, proses ini berlangsung secara isobar.

1 − 2 : Langkah Kompressi

Campuran bahan bakar dan udara mengalami pemampatan secara adiabatis/isentropis, akibatnya tekanan dan temperatur gas naik.

2 − 3 : Proses Pembakaran

Campuran bahan bakar dan udara terbakar di ruang bakar dengan bantuan percikan bunga api dari busi, berlangsung sangat cepat secara isovolum akibatnya tekanan dan temperatur naik lebih tinggi.

3 − 4 : Langkah Ekspansi

Gas yang bertekanan tinggi mendorong torak sehingga menghasilkan tenaga gerak (mekanis) dan berlangsung secara adiabatis/isentropis.

P

V

V=konstan V=konstan

4 − 1 : Proses pembuangan gas bekas dan panas (pembebasam kalor) berlangsung secara isovolum.

1 − 0 : Langkah Pembuangan

Pembuangan gas bekas dan panas di dalam silinder didorong oleh torak dan berlangsung secara isobar.

5.2. Analisa Diagram P – V

Dalam menganalisa thermodinamika pada mesin pembakaran dalam khususnya siklus otto maka perlu diperhatikan beberapa hal untuk memudahkan analisa sehingga diambil idealisasi, seperti :

• Fluida kerja dianggap gas ideal

• Proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara adiabatis/isentropis • Tidak ada perpindahan panas yang terjadi antara fluida kerja dengan silinder • Pembakaran yang terjadi berlangsung secara isovolum

• Pembuangan gas bekas dan panas hasil pembakaran berlangsung secara isobar

Gambar 5.2. Analisa Diagram P – V Siklus Otto a.

• Kondisi pada titik 0, (tekanan dan temperatur udara luar) Proses 0 − 1 : Langkah Isap

 Tekanan (P0) = 1 atm = 14,7 Psi...(Raswari, hal. 503)  Temperatur (T0) = 27º C

= 9/5.27º C + 32 = 80,6º F + 460 = 540,6º R P

• Kondisi pada titik 1

Campuran udara dan bahan bakar dihisap masuk ke dalam ruang silinder dan bersinggungan dengan intake manifold dan dinding silinder, maka terjadi

kenaikkan temperatur sebesar ΔT (10 − 20)º C dengan demikian ΔT yang diambil adalah 10º C = 50º F sehingga :

T1 = T0 + ΔT (º F)...(5.1.) = 80,6 + 50

= 130,6 º F + 460 = 590,6 º R

Untuk menentukan volume spesifik (ν1) dapat menggunakan persamaan gas

ideal :     = = T R V P atau T R m V P . . . . . ...(5.2.) Dimana :

P1 = tekanan awal kompresi (14,7 Psi × 144 = 2116,8 lbf/ft2)

ν = volume spesifik (ft3/lb) m = berat gas

R = konstanta gas ideal (53,34 lb.ft/lbmº R) T1 = temperatur awal (590,6 º R)

Maka, volume spesifik adalah :

ν =

1 1 P T R× ...(5.3.)

= ₂

/ 8 , 2116 6 , 590 / . 34 , 53 ft lb R R lb ft

lb ° × °

= 14,88 ft3/lb

Dari combustion chart untuk P1 = 14,7 Psi dan T1 = 590,6 º R, maka diproleh  Enthalpy (H1) = 55,1 Btu/lb

 Entropy (S1) = 0,076 Btu/lb. º R  Energi dalam (U1) = 12,5 Btu/lb

b.

r v₁

Proses 1 − 2 : Langkah Kompresi S1 = S2 = 0,076 Btu/lb. º R

ν = ...(5.4.) =

0 , 10

/ 88 ,

14 ft3 lb

= 1,488 ft3/lb

Dari combustion chart ν2 = 1,4588 ft3/lb dan S1 = S2 = 0,076 Btu/lbm º R, maka diperoleh :

 Temperatur (T2) = 1245 º R  Energi dalam (U2) = 155 Btu/lb  Enthalpy (H2) = 243 Btu/lb  Tekanan (P2) = 350Psi × 144

= 50400 lbf/ft2 c.

06 , 0 1

1 +

Proses 2 − 3 : Proses Pembakaran

Proses pembakaran berlangsung pada volume konstan akibatnya tekanan dan temperatur naik lebih tinggi.

ν2= ν3 = 1,488 ft3/lb Panas yang masuk setara dengan kerja yang dilakukan.

Q2-3 – W2-3 = U3 – U2...(5.5.) Dimana :

U3 = Us2 + Uc

Us2 = U2 = 155 Btu/lb Uc = mbb . LHV bb

F/A = 0,06 → artinya untuk membakar 0,06 lb bahan bakar diperlukan 1 lb udara.

Maka, berat udara (mud) :

mud = ...(5.6.) = 0,943

Sedangkan berat bahan bakar : mbb =

06 , 0 1

udara bakar bahan lbm 06 , 0

+ = 0,056 Sehingga :

Uc = 0,056 × 19030 Btu/lb = 1065,68 Btu/lb

U3 = 155 Btu/lb + 1065,68 Btu/lb = 1220,68 Btu/lb

Dari combustion chart untuk U3 = 1220,68 Btu/lb dan ν2 = ν3 = 1,488 ft/lb diperoleh:

 Temperatur (T3) = 4780 º R  Enthalpy (H3) = 1580 Btu/lb  Entropy (S3) = 0,458 Btu/lb º R

 Tekanan (P2) = 1300 Psi = 187200 lbf/ft3 Panas pembakaran (Q in) :

Q 2-3 = U3 – U2...(5.7.) = 1220,68 Btu/lb - 155 Btu/lb

= 1065,68 Btu/lb d.

 Temperatur (T4) = 2890 º R Proses 3 − 4 : Langkah Kerja/ekspansi

S3 = S4 = 0,458 Btu/lb º R

ν 1= ν4 = 14,88 ft3/lb Dari combustion chart diperoleh :

 Enthalpy (H4) = 840 Btu/lb  Energi dalam (U4) = 575 Btu/lb

 Tekanan (P4) = 80 Psi = 11520 lbf/ft Kerja ekspansi (W3-4) :

W3-4= U3 – U4...(5.8.) = 1220,68 Btu/lb – 575 Btu/lb

e. Proses 4 − 1 : Proses Pelepasan Kalor

Dalam hal ini dianggap gas-gas pembakaran berekspansi sampai titik 4 yaitu pada tekanan atmosfir sebesar :

P1 = P2 = 14, Psi

S4 = S4 = 0,458 Btu/lb º R

Gambar 5.3. Diagram P – V Dari combustion chart diperoleh :

 Temperatur (T4) = 200 º R  Energi dalam (U4) = 310,8 Btu/lb  Volume (V4) = 56 ft3/lbm  Enthalpy (H4) = 515 Btu/lb f. Analisa Gas Sisa Pembakaran

o Fraksi gas asap yang dihasilkan :

f =

4 0

V V

...(5.9.) Dimana :

V0 = V2 = 1,488 ft3/lb

Maka :

f =

lb ft

lb ft

/ 56

/ 488 , 1

3 3

= 0,026

g. Kerja Ideal Tiap Langkah (W id)

W id = W1-2 + W2-3 + W3-4 + W4-1...(5.10.) P

Dimana :

W1-2 = U2 – U1...(5.11.) = 155 Btu/lb – 12,5 Btu/lb

= -142,5 Btu/lb W2-3 = 0

W3-4 = 645,68 Btu/lb W4-1 = 0

Sehingga :

W id = -142,5 + 0 + 645,68 + 0 = 503,18 Btu/lb

h. Kerja Indikator (W ind)

W ind = W in . fd...(5.12.) Dimana :

Fd = faktor diagram = (0,85 ÷ 0,95) = 0,85 (diambil) Maka :

W ind = 503,18 . 0,85 = 427,703 Btu/lb i. Kerja Efektif (W ef)

W ef = W ind . ηm...(5.13.)

Dimana :

ηm = efisiensi mekanis

= 0,8 ÷ 0,95 → motor bensin = 0,8 ÷ 0,90 → motor diesel = 0,82 (diambil, motor bensin) Sehingga :

W ef = 427,703 Btu/lb. 0,85 = 363,54 Btu/lb

j. Efisiensi Thermis Ideal (ηth ideal) ηth ideal = ×100%

Qm ideal W

...(5.14.) Dimana :

Qm = panas yang masuk saat pembakaran = (1 - f) .

LHV A F /

...(5.15) = (1-0,026) . (0,06) . (19030)

= 1112,11 Btu/lb Sehingga :

ηth ideal = 100%

/ 11 , 1112 / 18 , 503 × lb Btu lb Btu = 45,24%

k. Efisiensi Thermis Indikator (ηth ind)

ηth ind = ηth ideal . fd . 100%...(5.16.)

= 0,4524 . 0,85 = 0,3845 = 38,45%

l. Efisiensi Thermis Efektif (ηth efektif)

ηth efektif = ηth ind. ηm...(5.17.)

= 0,3845 . 0,85 = 0,326

= 32,6% m. Tekanan

1. Tekanan indikator rata-rata (P indrata-rata) P indrata-rata =

) ( indikator 2 1 V V W − ...(5.18.)

= (Psi)

144 778 ) / ft 1,488 / 88 , 14 ( Btu/lb 703 , 427 3 3 × − lb lb ft

= 172,54 Psi . 0,0703 = 12,13 kg/cm2

2. Tekanan efektif rata-rata (P ef rata-rata)

P ef rata-rata = P indrata-rata . ηm...(5.19.)

= 12,13 kg/cm2 . 0,85 = 10,31 kg/cm2

Harga tekanan efektif rata-rata (mesin efektif pressure) berkisar antara 4 ÷ 25 kg/cm2 (W.Aismunandar, hal : 36)

n. Pemakaian Bahan Bakar Spesifik

Pemakaian bahan bakar spesifik adalah menyatakan banyaknya bahan bakar yang dipakai pada setiap daya kuda persatuan waktu.

Sfc =

LHV th

k

efektif.

η ...(5.20.) Dimana :

Sfc = spesific fule consumption (1 lb = 0,4536 kg) k = konstanta eqiuvalen (2543 Btu/hp.hr)

Maka :

Sfc =

Btu/lb 19030 . 326 , 0

Btu/hp.hr 2543

= 0,4099 lb/hp.hr.0,4536 = 0,186 kg/hp.hr

5.3. Perbandingan Kompresi

Untuk rancangan ini nilai perbandingan kompresinya, yaitu r = 10,0 dengan pertimbangan bahwa perbandingan kompresi yang diizinkan 6 ÷ 12.

P2 = P1 (V1 / V2)k

Hubungan tekanan dan volume spesifik

Diagram P-V adalah diagram yang melukiskan hubungan antara tekanan dan volume silinder pada setiap langkah piston. Kondisi pada diagram P-V dapat ditentukan dengan persamaan :

PVk = C (konstanta)...(5.21.) 1. Pada langkah kompresi

Berlaku persamaan : P1 . V1k = P2 . V2...(5.22.) Dimana : P1 = 14,7 Psi

P2 = 350 Psi V1 = 14,88 ft3/lb

Maka :

350 Psi = 14,7 Psi (10,0)k 23,81 = (10)k

Dimana :

k = 10 log 23,81 = log 23,81/log 10 = 1,376

Dengan demikian tekanan fliuda kerja pada volume-volume tertentu pada langkah kompresi dapat dihitung dengan persamaan :

Pk = 1

1 P . k k V V       ...(5.23.) Contoh :

Untuk, Vk = 17 ft3/lb

Pk = . 14,7Psi

/ 17

/ 88 ,

14 1,376

3 3       lb ft lb ft

= 12,23 Psi 2. Pada langkah ekspansi

Berlaku persamaan : P3 . V3k = P4 . V4k...(5.24.) Dimana :

P3 = 1300 Psi V3 = 14,88 ft3/lb P4 = 80 Psi V4 = 14,88 ft3/lb Maka :

P4 = P3 (V3 / V4)k

80 = 1300 Psi (1,488 ft3/lb / 14,88 ft3/lb)k 0,06 = 0,1

Dimana :

k = 0,1 log . 0,061 = log 0,061/log 0,1 = 1,21

Dengan demikian tekanan fluida pada tiap volume tertentu pada langkah ekspansi dapat dihitung dengan persamaan :

PE = 4

4

P . k

E

V V

     

...(5.25.) Contoh :

Untuk, VE = 17 ft3/lb

PE = . 80Psi

/ 17

/ 88 ,

14 1,21

3 3

   

 

lb ft

lb ft

BAB VI

UKURAN DAN BAGIAN UTAMA 6.1. Volume Langkah (Displacement Volume)

Volume langkah torak pada rancangan ini dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan :

Ne = ( )... 75 . 60 . 100 / . . V . _L HP a n Z Pe ...(6.1.) Dimana :

Ne = daya efektif (106,82 HP)

Pe = tekanan rata-rata efektif (10,31 kg/cm2) Z = jumlah silinder 4 buah

a = konstanta, (1/2) untuk motor 4 langkah Maka :

VL =

n Z Pe Ne . . 2 . 75 . 60 . 100 . = 2 4800 . 4 . / 31 , 10 75 . 60 . 100 . HP 82 , 106 2 rpm cm kg

= 485,66 cc per sililinder.

Karena rancangan ini menggunakan empat silinder, maka volume langkahnya : 4 × 485,66 cc = 1942,64 cc.

Volume Sisa (Clearance Volume)

VS = ...

1 − r V_L (6.2.) Dimana :

VS = volume sisa (cc)

VL = volume langkah (485,66 cc) r = rasio kompressi (10)

Maka :

VS =

1 0 , 10 66 , 485 − cc

6.2. Diameter Silinder dan Panjang Langkah Piston

Perbandingan antara panjang langkah piston (L) dengan diameter silinder (D) dipengaruhi oleh putaran mesin yang direncanakan, perbandingan L/D (stroke bore ratio) dari motor bensin adalah 1,0 ÷ 1,2, maka perbandingan L/D yang dipilih 1,0 dan dapat ditentukan dengan persamaan :

VL = A . L ...(6.3.) Dimana :

A = . 2

4 D π

VL = .D .L 4

2

π

= 0,785.D2. 1,2 D

= 0,785 . 1,0 D3 Maka :

D3 =

0 , 1 . 785 , 0 L V = 0 , 1 . 785 , 0 cc 66 , 485

D =

3 1 0 , 1 . 785 , 0 cc 485,66    

= 8,521 cm = 85,2 mm

Sehingga, panjang langkah piston (L) : L = 1,0 × D

= 1,0 × 85,2 mm = 8,52 cm

6.3. Faktor Briks (Brix Factor)

Faktor briks adalah selisih antara panjang langkah piston yang bergerak translasi dengan poros engkol yang bergerak rotasi sehingga terjadi perbedaan jarak perpindahan pena piston seperti gambar di berikut ini :

Gambar 6.1. Faktor Briks Keterangan :

R = panjang radius engkol (cm) L = panjang langkah piston

Xp = jarak yang ditempuh piston dari TMA Lcr = panjang connecting-rod (cm)

Untuk mengetahui besarnya faktor briks dapat diperoleh dengan persamaan :

X = ... .

2

2

Lcr R

(6.4.) Dimana :

L = 2R...(6.5.) R = jari-jari engkol

= 2

L

=

2 mm 2 , 85

= 42,6 mm Lcr = (3 ÷ 5) R

= 4 R (direncanakan) = 4 . 42,6 mm

= 170,4 mm Maka :

X =

mm 4 , 170 . 2

) mm 6 , 42

( 2

6.4. Ruang Bakar

Ruang bakar pada mesin pembakaran dalam adalah merupakan ruang di atas piston, ketika piston berada di titik TMA serta merupakan tempat pembakaran antara campuran udara dan bahan bakar.

6.4.1. Pemilihan Jenis Ruang Bakar a. Tipe setengah bulat

Ruang bakar jenis ini sangat banyak digunakan pada mesin-mesin karena panas yang hilang melalui ruang bakar ini sangat kecil hampir seluruh permukaan ruang bakar dapat dipergunakan untuk menempati katup sehingga daun katup dapat dibuat lebih besar agar efisiensi baik, kekurangan dari bentuk ruang bakar ini adalah mekanisme katup yang rumit dan pembuatan kepala silindernya sukar.

Gambar 6.2. Tipe Setengah Bulat b. Tipe baji

Penempatan ruang bakar ini agak keluar dari sumbu silinder dan penempatan katup sedikit miring, sehingga saluran masuk dan saluran buang bentuknya tidak terlalu bengkok kira-kira 10º kemiringannya yang memungkinkan aliran gas yang lebih lembut dari luar ke dalam silinder sehingga bentuk ini sangat sederhana.

Gambar 6.3. Tipe Baji c. Tipe bak mandi

Bentuk ruang bakar ini sangat sederhana dan ongkos pembuatannya yang ekonomis. Bentuk ini menyebabkan terjadinya pusaran gas yang akan memperbaiki proses pembakaran gas.

Gambar 6.4. Tipe Bak Mandi

Berdasarkan penempatan katup pada sisi silinder dapat diklasifikasikan dalam dua tipe, yaitu :

1. Bentuk Kepala “L”

Pada bentuk ini kedua katup ditempatkan pada kepala silinder meskipun demikian tekanan pembakaran sebagian menekan kepala piston dan sebagian lagi menekan blok mesin.

Gambar 6.4.1. Tipe Bak Mandi Bentuk Kepala “L”

2. Bentuk OHV-Squish dan OHV-Semispheris

Pada jenis squish (6.4.2.) bagian ruang bakar menjadi sempit pada saat torak mendekati TMA. Campuran udara dan bahan bakar dalam ruang sempit didinginkan melalui dinding torak dan kepala silinder, sehingga mencegah terjadinya penyalaan spontan. Sedangkan gambar (6.4.3.) merupakan tipe katup kepal. Bila busi menyalakan campuran udara bahan bakar pada pusat hemispherical jarak rambatan api paling kecil dan luas dinding ruang bakar sangat kecil, sehingga motor tidak mudah knock dan kerugian panas kecil. Dengan alasan ini pada umumnya sekarang banyak digunakan untuk motor penggerak automobil.

Gambar 6.4.2. Bentuk OHV-Squish Gambar 6.4.3. Bentuk OHV-Semipheris 6.5. Silinder

Silinder berfungsi sebagai tempat atau ruang dimana terjadinya pembakaran antara bahan bakar dengan udara. Piston atau torak bergerak transisi pada tabung silinder. Berdasarkan konstruksinya terbagi atas dua bagian, antara lain :

1. Silinder yang terpisah dengan blok silinder (liner) 2. Silinder yang bersatu dengan blok silinder

Pada rancangan ini silinder yang digunakan adalah silinder yang terpisah dengan blok silinder (liner) dengan pertimbangan :

• Pembuatan yang lebih mudah

• Silinder liner dapat dibuat dari bahan yang lebih keras dan tahan terhadap panas dan gesekan

• Silinder dapat lebih mudah diganti jika melakukan oversize

Dalam rancangan ini bahan silinder yang digunakan adalah dari bahan Gray

Cast Iron SAE 122 dengan komposisi :

C = (3 ÷ 3,2) Mn = (0,7 ÷ 1,0)

S = 0,15%

Si = (1,8 ÷ 2)%

P = 12%

Tensile staright = 5.000 Psi Faktor keamanan = 8

Gambar 6.5. Penampang Tabung Silinder 6.5.1. Ukuran Tabung Silinder

a. Total flange (h)

h = 0,1 . D ...(6.6.) = 0,1 × 85,2 cm

= 8,52 cm

b. Tebal dinding silinder (t)

t = K... .

2

D .

izin

+ σ

maksimum

P

...(6.7.) Dimana :

Pmaksimum = tekanan maksimum dalam silinder = 1300 Psi

= 91,403 kg/cm2 D = diameter silinder

8,52 cm = 3,35 in

K = penambahan total ketebalan untuk reboring = 3,97 mm

= 0,397 cm

σ = tegangan izin bahan = 5625 Psi

Designation Oil Specification SAE No. Specific Grafity At 60°F γ 60

A Automobile oil, light ... 10 0,8894

B Automobile oil, all-year ... 20 0,9036

C Automobile oil ... 20 0,9254

D Diesel oil ... 30 0,9250

E Automobile oil, heavy ... 40 0,9275

F Diesel oil ... 40 0,9285

G Airpalne oil 100 ... 60 0,8927

H Transmission oil ... 110 0,9328

(Sumber : V.L. Maleev, hal : 485) Chart 8.1. Viscosity – Temperature Chart

Dari diagram di atas maka dapat diperoleh nilai viskositas spesifik (Saybolt

Universal Viscositas), γ = 110 detik. Dan dengan merencanakan temperatur percobaan t = 80°C = 176°F dan γ = 110 deik, maka diperoleh nilai SAE pada diagram seperti di atas, yaitu : F (SAE 40).

8.2. Sistem Pendingin (Cooling System)

Gas pembakaran di dalam silinder dapat mencapai temperatur ± 2500°C, karena sebagian dari minyak pelumas terutama yang membasahi dinding silinder akan menguap dan akhirnya terbakar bersama-sama maka perlulah bagian tersebut mendapat pendinginan yang cukup agar temperaturnya tetap berada dalam batas yang diperbolehkan, yaitu sesuai dengan kekuatan material dan kondisi operasi yang baik. Maka proses pendingin memerlukan fluida pendingin yang dialirkan ke bagian mesin di luar silinder.

Pada mesin pembakaran dalam berdasarkan fluida pendinginnya motor bakar dapat dibedakan atas 2 jenis yang umum digunakan, yaitu :

1. Pendingin dengan udara (Compressible)

Pendinginan seperti ini biasanya dipakai pada motor kecil dengan jumlah silinder satu atau dua saja, seperti pada sepeda motor dimana bagian luar dari blok silinder maupun dinding silinder dilengkapi dengan sirip-sirip pendingin guna memperluas pengaturan panas.

2. Pendingin dengan air (Incompressible)

Pada rancangan ini digunakan pendingin dengan air, karena jenis ini sangat cocok dan sesuai dimana sistem ini sering digunakan pada motor ukuran sedang maupun besar dengan jumlah silinder dua, tiga atau lebih dengan alasan :

• Menyerap panas lebih baik dan lebih cepat

8.2.1. Kapasitas Air Pendingin

Panas yang timbul akibat pembakaran di dalam silinder yang telah dihitung pada bab sebelumnya yaitu sebesar, Qm = 378097,94 Btu/hr. Maka panas yang diserap oleh air pendingin :

Qw = (0,30 ÷ 0,34) Qm ...(8.7.) = 0,34 (diambil)

Dimana :

Qm = jumlah panas pembakaran bahan bakar (378097,94 Btu/hr) Maka :

Qw = 0,34 . 378097,94 Btu/hr = 128553,30 Btu/hr . 0,252 = 32395,43 kkal/hr

 Keperluan Air Pendingin M =

t . Cp . Qw ∆ γ ...(8.8.) Dimana :

γ = massa jenis air (0,96 kg/liter) Cp = panas jenis air (1 kkal/kg.°C)

Δt = selisih temperature air masuk dan air keluar (50°F = 11,25°C) Maka :

M =

C 11,25 . C kkal/kg. 1 . kg/liter 96 , 0 kkal/hr 32395,43 ° °

= 2999,58 liter/hr

8.2.2. Daya Pompa Air Pendingin

Jenis pompa yang digunakan adalah pompa sentrifugal, dimana keunggulan pompa ini adalah mempunyai bobot yang ringan serta dapat beroperasi pada putaran yang tinggi dengan mengalirkan air pendingin secara continue. Adapun besar dari daya pompa air pendingin adalah dengan menggunakan persamaan :

Np = p . 27000 Pd . M η ...(8.9.)

Dimana :

M = keperluan air pendingin Pd = tekanan pompa (1 ÷ 3)kg/cm2

ηp = efisiensi pompa (0,7 ÷ 0,72) Maka :

Np =

,72 0 . 27000

kg/cm 3 . liter/hr

2999,58 2

BAB IX

KESIMPULAN DAN SARAN 9.1. Kesimpulan

Dari hasil-hasil perhitungan didalam perencanaan mesin pembakaran dalam ini dapat disimpulkan sebagai berikut :

 Jenis motor bakar : Motor bakar bensin

 Daya : 106,82 hp

 Proses siklus/kerja : 4 Tak (4 Langkah)

 Putaran : 4800 rpm

 Jumlah silinder : 4 silinder

 Perbandingan kompressi : 10

 Bahan bakar : Bensin (Premium)

 Diameter silinder : 8,521 cm

 Minyak pelumas : SAE 40

 Sistem pendingin : Air sirkulasi tertutup

 Volume Langkah : 1942,64 cc.

 Panjang Langkah Piston : 8,52 cm

 Faktor Briks : 5,33 mm

9.2. Saran

1. Diharapkan dapat dilakukan rancangan lebih lanjut dengan menggunakan program komputer atau dengan simulasi software komputer.

2. Perlu diadakannya rancangan dengan data yang lebih memadai dan sesuai dengan standar yang ada.

3. Perlu diadakannya rancangan dalam hal penyuplaian bahan bakar dengan teknologi yang terbaru atau lebih canggih dan effisien.

DAFTAR PUSTAKA

1. A. R. Hollowenko. Machine Design. Mc. Graw Hill Company. 2. BPM. Arends. H. Berenschot. Motor Bensin.Erlangga. Jakarta. 1980.

3. Dr. Daryanto. Perencanaan Motor Diesel 4 langkah. Tarsito. Bandung. 1984. 4. EarlParker.Material Data Book For Engineers and Sciece. Mc. Graw Hill Book

Company. New York. 1967.

5. Heald, P.M. High Speed Combustion Enginer. Ox Ford and IBH Publishing Company. Calcuta.

6. K. Abrosimob. Road Making Machinary. Mir. Publisher, Mi.S.Cow.

7. Lithty,R.C. Internal Combustion Engine. Mc. Graw Hill Book Internal Company. 8. Maleev, V.L. Internal Combustion Engine.Second Edition. Mc. Graw Hill Book

Internal Company.

9. N. Petrovsky. Marine Internal Combustion Engine. Mir. Publisher. Moscow. 10.Nakoela Soenarta dan Shoichi Furuhama. Motor Serbaguna. Pradnya Paramitha.

Jakarta. 1985.

11.Peority. Contruction Planning equipment and Methods.

12.S.K. Kulshrestha. Termodinamika Terpakai, Teknik Uap dan Panas. UI- Press. 1989.

13.Sularso dan Kiyokatrsu Suga. Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen

Mesin. PT. Pradnya Paramitha. Jakarta. 2004.

14.W. Arismunandar. Motor Bakar Torak. ITB.

15.W.Arismunandar. Motor Diesel Putaran Tinggi. PT.Pradnya Paramitha. Jakarta. 1997.