Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

TUGAS SARJANA

MOTOR BAKAR

KAJIAN STUDI PENGARUH PENGGUNAAN

TURBOCARJER DENGAN INTERKULER

TERHADAP PERFORMANSI MOTOR BAKAR

DIESEL 130 PS PENGGERAK KENDARAAN TRUK

OLEH :

ARDI KUSMAWADI

NIM : 040401023

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Allah SWT, karena atas rahmat dan karuniaNya penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini dengan sebaik – baiknya. Tugas Sarjana 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 Tugas Sarjana ini mengambil judul ” KAJIAN STUDI PENGARUH PENGGUNAAN TURBOCARJER DENGAN INTERKULER TERHADAP PERFORMANSI MOTOR BAKAR DIESEL130 PS; PENGGERAK KENDARAAN TRUK”.Dalam penulisan ini, dari awal sampai akhir penulis mencoba semaksimal mungkin guna tersusunnya Tugas Sarjana ini. Namun penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan – kekurangan baik dalam penulisan maupun dalam penyajian Tugas Sarjana ini yang disebabkan faktor pengetahuan dan pengalaman penulis. Untuk itu saran dari semua pihak yang bersifat membangun sangat penulis harapkan demi kesempurnaan Tugas Sarjana ini.

Dengan tersusunnya Tugas Sarjana ini maka penulis mengucapkan terimakasih yang sebesar – besarnya kepada

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

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

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

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

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

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

6. Ucapan terimakasih kepada PT ASTRA INTERNASIONAL Tbk. Dan juga terimakasih kepada Bapak Sudarto selaku asisten kepala bengkel yang telah banyak meluangkan waktunya untuk berdiskusi dengan penulis dan juga telah memberikan data – data yang mendukung dalam penyelesaian Tugas Sarjana ini.

7. Saya ucapkan terimakasih kepada Mahasiswa Teknik Mesin khususnya sesama rekan – rekan stambuk 2004 yang telah banyak membantu dalam penyelesaian Tugas Sarjana ini.

Akhir kata, dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan doa kepada Allah SWT, dan semoga kita semua dilindungi dan diberi berkat-Nya

Medan, Juni 2008 Penulis

Ardi Kusmawadi Nim : 040401023

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR . . . i

SPESIFIKASI TUGAS SARJANA. . . iii

KARTU BIMBINGAN. . . iv

DAFTAR ISI. . . v

DAFTAR GAMBAR. . . x

DAFTAR TABEL. . . xii

DAFTAR NOTASI. . . xiii

BAB I . PENDAHULUAN 1.1Latar Belakang. . . .1

1.2Tujuan Penulisan. . . . . . .1

1.3Batasan Masalah. . . 2

1.4Metodologi Penulisan. . . 2

1.5Sistematika Penulisan. . . 2

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Turbocarjer. . . 5

2.2 Klasifikasi Turbocarjer. . . 6

2.2.1 Turbocarjer Sistem Tekanan Konstan. . . 6

2.2.2 Turbocarjer Sistem Pulsa. . . 7

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

2.3 Bagian – Bagian Utama Turbocarjer. . . 10

2.3.1 Turbin. . . 11

2.3.2 Kompresor. . . .14

2.4 Interkuler. . . .17

2.4.1 Prinsip Kerja Interkuler. . . .. . . 18

2.5 Prinsip Kerja dari Sistem Turbocarjer pada Siklus Tekanan Terbatas19 2.6 Pengaruh Penggunaan Turbocarjer dengan Interkuler terhadap Performansi Motor Bakar Diesel . . . 22

BAB III. METODOLOGI KAJIAN DAN ANALISA TERMODINAMIKA 3.1 Idealisasi Analisa Termodinamika. . . 26

3.2 Mekanisme Kerja Motor Bakar dengan Turbocarjer dan Interkuler.. 27

3.3 Siklus Termodinamika Motor Bakar. . . 28

3.4 Bahan Bakar Motor Bakar Diesel. . . . . . .29

3.5 Rasio Kompresi. . . .. . . .31

3.6 Analisa Termodinamika Motor Bakar Dengan Turbocarjer dan Interkuler. . . 32

3.6.1 Laju Aliran Gas Buang Masuk Turbin. . . .. . . 33

3.6.2 Laju Aliran Udara Melalui Kompresor. . . .. . . . .36

3.6.3 Penetapan Kajian yang akan digunakan. . . 38

3.6.4 Termodinamika Pada Turbin. . . .39

3.6.5 Termodinamika Pada Kompresor. . . 41

3.6.6 Termodinamika Dalam Interkuler. . . .43

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

3.7 Analisa Termodinamika Motor Bakar Tanpa Turbocarjer Dan

Interkuler. . . 57

3.7.1 Termodinamika Dalam Ruang Bakar. . . .57

3.8 Analisa Termodinamika Motor Bakar Dengan Turbocarjer Tanpa Interkuler 3.8.1 Termodinamika Pada Turbin. . . . . . 66

3.8.2 Termodinamika Pada Kompresor. . . . . . 67

3.8.3 Termodinamika Pada Ruang Bakar. . . . . . .70

3.9 Daya Turbin dan Kompresor Turbocarjer. . . .. . . 71

3.10 Putaran Turbin dan Kompresor Turbocarjer. . . . . . 72

BAB IV. PERFORMANSI MOTOR BAKAR 4.1 Performansi Motor Bakar Diesel dengan Turbocarjer dan Interkuler 76 4.1.1 Tekanan Indikator Rata – rata . . . .77

4.1.2 Tekanan Efektif Rata – rata. . . . . . .78

4.1.3 Kerja Indiaktor. . . .78

4.1.4 Kerja Efektif. . . .78

4.1.5 Kerja Mekanik yang Hilang. . . .79

4.1.6 Daya Indiaktor. . . 79

4.1.7 Daya Efektif. . . 79

4.1.8 Konsumsi Bahan Bakar Tiap Jam. . . .80

4.1.9 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik. . . 82

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

4.2 Performansi Motor Bakar Tanpa Turbocarjer dan Interkuler. . . .83

4.2.1 Tekanan Indikator Rata – rata . . . .83

4.2.2 Tekanan Efektif Rata – rata. . . . . . 84

4.2.3 Kerja Indiaktor. . . 85

4.2.4 Kerja Efektif. . . . . . .85

4.2.5 Kerja Mekanik yang Hilang. . . .. . . .86

4.2.6 Daya Indiaktor. . . 86

4.2.7 Daya Efektif. . . 87

4.2.8 Konsumsi Bahan Bakar Tiap Jam. . . . . . .87

4.2.9 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik. . . 89

4.2.10 Momen Putar ( Torsi ) . . . . . . 89

4.3 Performansi Motor Bakar Dengan Turbocarjer Tanpa Interkuler. . 90

4.3.1 Tekanan Indikator Rata – rata. . . . . . .90

4.3.2 Tekanan Efektif Rata – rata. . . 91

4.3.3 Kerja Indiaktor. . . 92

4.3.4 Kerja Efektif. . . 92

4.3.5 Kerja Mekanik yang Hilang. . . 93

4.3.6 Daya Indiaktor. . . . . . 93

4.3.7 Daya Efektif. . . 94

4.3.8 Konsumsi Bahan Bakar Tiap Jam. . . .94

4.3.9 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik. . . .. . . 96

4.3.10 Momen Putar ( Torsi ) . . . . . . .96

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

4.4.1 Pengaruh Penggunaan Turbocarjer dan Interkuler Terhadap Daya Efektif dan Tekanan Efektif Motor Bakar Diesel.. . . 101 4.4.2 Pengaruh Penggunaan Turbocarjer dan Interkuler Terhadap Torsi Motor Bakar Diesel. . . 104 4.4.3 Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler

Terhadap Daya Indiaktor Motor Bakar Diesel. . . . 106 4.4.4 Pengaruh Penggunaan Turbocarjer dengan Interkuler

Terhadap Konsumsi Bahan Bakar Motor Bakar Diesel. . . 108 4.4.5 Pengaruh Penggunaan Turbocarjer dengan Interkuler terhadap Emisi Gas Buang . . . . . . 111

BAB V. KESIMPULAN. . . 115

DAFTAR PUSTAKA . . . 118

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009 DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Skema instalasi sederhana turbocarjer dengan interkuler 6

Gambar 2.2 Turbocarjer sistem tekanan konstan 7

Gambar 2.3 Turbocarjer sistem pulsa 8

Gambar 2.4 Turbocarjer sistem converter – pulsa 9

Gambar 2.5 Bagian – bagian utama turbocarjer 10

Gambar 2.6 Turbin radial type kantilever 13

Gambar 2.7 Komponen utama turbin radial 13

Gambar 2.8 Bagian utama kompresor sentrifugal 15

Gambar 2.9 Grafik temperatur Vs Sudut engkol Vs Tekanan 16

Gambar 2.10 intercooler 17

Gambar 2.11 Sistem kerja interkuler tipe air to air 18

Gambar 2.12 Grafik efektivnes interkuler dan rasio kerapatan udara 20

Gambar 2.13 Siklus tekanan terbatas pada mesin diesel 20

Gambar 2.14 Siklus ideal tekanan terbatas dengan menggunakan

Turbocarjer 21

Gambar 3.1 Mekanisme kerja turbocarjer dengan interkuler 27

Gambar 3.2 Diagram P – V siklus gabungan 28

Gambar 3.3 Diagram P – V siklus gabungan dengan menggunakan

Turbocarjer 32

Gambar 3.4 Diagram h – s untuk turbin 39

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

Gambar 3.6 Diagram T – S siklus gabungan dengan turbocarjer

Dan interkuler 43

Gambar 3.7 Diagram P – V siklus gabungan pada motor bakar diesel 57 Gambar 3.8 Diagram T – S siklus gabungan dengan turbocarjer

Tanpa interkuler 65

Gambar 3.9 Grafik performansi kompresor 73

Gambar 4.1 Grafik prestasi motor bakar diesel dengan turbocarjer

Dan interkuler 97

Gambar 4.2 Grafik prestasi motor bakar diesel tanpa turbocarjer

Dan interkuler 98

Gambar 4.3 Grafik daya motor Vs putaran 99

Gambar 4.4 Grafik tekanan efektif Vs putaran 100

Gambar 4.5 Grafik torsi Vs putaran 105

Gambar 4.6 Grafik daya indikator Vs putaran 107

Gambar 4.7 Grafik konsumsi bahan bakar spesifik Vs putaran 109

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Perhitungan analisa termodinamika pada ruang bakar 70 Tabel 4.1 Daya motor bakar diesel dengan turbocarjer dan interkuler 97 Tabel 4.2 Daya motor bakar diesel dengan turbocarjer tanpa interkuler 98 Tabel 4.3 Daya motor bakar diesel tanpa turbocarjer dan interkuler 99 Tabel 4.4 Torsi motor bakar diesel dengan turbocarjer dan interkuler 104 Tabel 4.5 Torsi motor bakar diesel dengan turbocarjer tanpa interkuler 104 Tabel 4.6 Torsi motor bakar diesel tanpa turbocarjer dan interkuler 104 Tabel 4.7 Daya indikator dengan turbocarjer dan interkuler 106 Tabel 4.8 Daya indikator dengan turbocarjer tanpa interkuler 106 Tabel 4.9 Daya indikator tanpa turbocarjer dan interkuler 107 Tabel 4.10 Konsumsi bahan bakar spesifik dengan

Turbocarjer dan interkuler 108

Tabel 4.11 Konsumsi bahan bakar spesifik dengan

Turbocarjer tanpa interkuler 108

Tabel 4.12 Konsumsi bahan bakar spesifik tanpa

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

DAFTAR NOTASI

n Putaran mesin rpm

Lambang Keterangan Satuan

AF Perbandingan udara dengan bahan bakar Kgudara/kgb.bakar

p

c Panas spesifik tekanan konstan kJ/kg0K

F Konsumsi bahan bakar spesifik Kg/hp-hr

Fh Konsumsi bahan bakar /jam Kg /jam

h Entalpi kalor kJ/kg

h Koefisien perpindahan kalor W/m0K

HHV Nilai kalor atas bahan bakar Kkal/kg

L’ Jumlah udara aktual Mole/kg

LHV Nilai kalor bawah bahan bakar kJ/kg

eg m

. _{Laju aliran Gas Buang Masuk Turbin Kg/det}

k m

. _{Laju aliran udara melalui kompresor Kg/det}

a

m Berat molekul udara kg/ mole

th

η Efisiensi thermal

r

η Efisiensi relatif

Ne Ni

m η

Daya efektif Daya indikator Efisiensi motor bakar

hp hp

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009 b

η Efisiensi termal brake

c

η Efisiensi kompresor

T

η Efisiensi turbin

Nu Bilangan Nusselt

Pi Tekanan indikator Kg/cm2

Pe Tekanan efektif rata - rata Kg/cm2

r

p Tekanan relasi

Pr Bilangan prandtl

Qin Panas kalor masuk kJ/kg

R Rasio kompresi

R Konstanta gas universal kJ/kg0K

e

R Bilangan reynolds

T Torsi Kg - m

U Energi dalam kJ/kg

Vd Volume langkah torak m3

r

v Volume relasi

v Volume spesifik m3/kg

Wi Kerja indikator kg - m

β Perbandingan pemotongan

sc

∆ Koefisien pembilasan

µ Koefisien perubahan molar

α Faktor kelebihan udara

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

ϕ Faktor koreksi

δ Derajat ekspansi

w t

∆ Kenaikan temperatur akibat gesekan 0K

r

γ Koefisien gas sisa pembakaran

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Semakin naiknya harga minyak mentah dunia membuat setiap pabrikan otomotif mengembangkan teknologi pada kendaraan yang hemat bahan bakar dan ramah lingkungan tetapi mempunyai performa / prestasi mesin yang baik tanpa mengubah ukuran / dimensi mesin tersebut.

Berdasarkan pemikiran tersebut para ahli perancang otomotif terus berupaya dan berinovasi untuk menciptakan kendaraan yang ramah lingkungan dan hemat bahan bakar. Oleh karena itu, diperlukannya perangkat tambahan diantaranya dengan memakai turbocharger dan interkuler. Mekanisme turbocharger dan interkuler ini di gerakkan oleh gas buang yang dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin dan selanjutnya menggerakkan kompresor.

Kompresor tersebut kemudian memompa udara kedalam silinder sehingga akan menaikkan tekanan dan temperatur. Hal ini akan menyebabkan berkurangnya kerapatan udara yang masuk kedalam silinder. Oleh karena itu diperlukannya suatu alat pendingin (intercooler) yang dapat mendinginkan udara sebelum masuk kedalam silinder. Dengan demikian tekanan efektif rata – rata dapat meningkat, sehingga daya poros juga meningkat.

Berdasarkan adanya performansi motor bakar yang meningkat dan proses pembakaran bahan bakar dapat terjadi dengan sempurna sehingga akan mengurangi terjadinya polusi udara, sehingga pemanasan global dapat dikurangi

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

dari sektor transportasi, oleh karena itulah maka mengkaji pengaruh penggunaan

Turbocharger dengan intercooler tersebut.

1.2Tujuan Penulisan

Tujuan penulisan ini adalah untuk mengetahui seberapa besar pengaruh penggunaan Turbocharger dengan intercooler pada kendaraan jenis truk dengan daya 130 PS. Analisa tersebut meliputi analisa Termodinamika pada turbocarjer, yaitu : termodinamika turbin, termodinamika kompresor, termodinamika interkuler dan termodinamika pada ruang bakar.

1.3Batasan Masalah

Adapun Batasan Masalah dalam penulisan Tugas Sarjana ini adalah a. Analisa Termodinamika

b. Perbandingan performansi motor diesel dengan dan tanpa turbocarjer dan interkuler

c. Analisa grafik performansi motor diesel dengan dan tanpa turbocarjer dan interkuler,

1.4 Metodologi Penulisan

Metodologi penulisan yang digunakan pada penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :

a. Survei lapangan, berupa peninjauan langsung kelokasi tempat turbocarjer dan interkuler tersebut digunakan.

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

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

c. Browsing internet, berupa studi artikel-artikel, gambar-gambar, dan buku

elektronik (e-book), serta data-data lain yang berhubungan.

d. Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing dan dosen pembanding yang ditunjuk oleh Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

1.5Sistematika Penulisan

Tugas Akhir ini dibagi menjadi beberapa bab dengan garis besar tiap bab adalah sebagai berikut :

BAB I : Pendahuluan

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

BAB II : Tinjauan Pustaka

Bab ini berisikan landasan teori mengenai teori mengenai Turbocarjer, pemakaian Turbocharger dengan intercooler itu sendiri serta bagian utama

Turbocharger yang meliputi jenis turbin, kompresor dan alat pendingin

(intercooler) yang dipakai pada kendaraan truk tersebut.

BAB III : Metodologi Kajian Dan Analisa Termodinamika

Bab ini berisikan data-data Turbocharger, pemilihan parameter, dimana pada data-data tersebut akan dicari analisa Termodinamikanya dan putaran Turbocarjer tersebut.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

BAB IV : Performansi Motor Bakar

Bab ini berisikan mengenai pengaruh penggunaan turbocarjer dengan dan tanpa interkuler yang diperoleh dari setiap analisa termodinamika dan memaparkannya kedalam bentuk tabel dan grafik.

BAB V : Kesimpulan dan Saran

Bab ini sebagai penutup berisikan kesimpulan yang diperoleh dan saran untuk pengembangan Turbocharger dengan intercooler selanjutnya.

Daftar Pustaka

Daftar pustaka berisikan literatur-literatur yang digunakan untuk menyusun laporan ini.

Lampiran

Lampiran berisikan tabel-tabel, dan grafik-grafik yang digunakan.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

Pada prinsipnya supercharger dan turbocharger mempunyai tujuan yang sama, yaitu memperbesar jumlah udara yang masuk ke dalam silinder. Hal ini bertujuan meningkatkan daya motor tanpa memperbesar kapasitas motor tersebut. Ada perbedaan dalam proses kerja antara supercharger dan turbocharger, yaitu pada penggerak impeler turbin dimana pada supercharger impeler turbin digerakkan oleh gerakan mekanik yang ditransfer dari putaran poros engkol, sedangkan pada turbocharger memanfaatkan gas buang sebagai penggerak impeler turbin.

Sebuah motor diesel empat langkah yang bekerja dengan turbocharger tekanan isapnya lebih tinggi dari tekanan atmosfer sekitarnya. Hal ini diperoleh dengan jalan memaksa udara atmosfer masuk kedalam silinder selama langkah isap. Dengan cara mendinginkan udara bertekanan sebelum masuk kedalam silinder turbocharger dengan intercooler diharapkan bisa memperoleh tekanan efektif rata-rata yang lebih besar dengan mengurangi turunnya kerapatan udara akibat temperatur yang tinggi. Sehingga akan dihasilkan daya yang lebih besar denga ukuran mesin yang sama.

Tujuan utama penggunaan turbocharger dengan intercooler adalah untuk memperbesar daya motor (30 – 80%)(lit 2, hal 114), boleh dikatakan bahwa mesin diesel dengan turbocharger dapat bekerja lebih effisien, apabila mesin harus bekerja pada ketinggian lebih dari 1500 meter diatas permukaan laut, turbocharger mempunyai arti penting dalam usaha mengatasi kerugian daya yang disebabkan oleh berkurangnya kepadatan udara atmosfer di tempat tersebut.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

Gambar 2.1 Skema instalasi sederhana turbocharger dengan intercooler

Sumber :

2.2 Klasifikasi Turbocharger

Dalam prakteknya ada tiga metode pengoperasian turbocharger yang dipergunakan untuk memanfaatkan energi yang berguna pada gas buang, yaitu:

1). Turbocharger sistem tekanan konstan ( constant pressure system ) 2). Turbocharger sistem pulsa ( pulse system )

3). Turbocharger sistem converter- pulsa ( pulse-converter system)

2.2.1 Turbocharger sistem tekanan konstan ( constant pressure system )

Pada sistem turbocharger tekanan konstan ini adalah bertujuan untuk menjaga atau memelihara agar tekanan buang pada motor bakar dalam keadaan konstan dan tekanan yang dihasilkan lebih tinggi dari pada tekanan atmosfer sehingga turbin turbocharger dapat beroperasi secara maksimum.

Tujuan pembuatan saluran gas buang yang besar dan lebar adalah untuk meyerap tekanan yang tidak konstan dan oleh karenanya energi kinetik didalam

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

saluran gas buang harus dihilangkan. Berikut ini merupakan gambar Turbocharger tekanan konstan

Gambar 2.2 Turbocharger sistem tekanan konstan ( constant pressure system )

Sumber : ”Internal combustion engine” Edward F. Obert

Keuntungan memakai turbocharger pada metode tekanan konstan ialah : 1). Fluktuasi pada turbin tidak ada.

2). Sangat efisien dan konsumsi bahan bakar yang ekonomis pada perbandingan tekanan kompresor dan turbin yang tinggi.

3). Kecepatan mesin tidak terbatas oleh gelombang tekanan pada saluran gas buang .

4). Penentuan titik operasional dari turbin dapat lebih mudah. Kerugian memakai turbocharger pada metode tekanan konstan adalah :

1). Tidak seluruh Energi gas buang dapat digunakan untuk menggerakkan turbin.

2). Ada sebagian energi yang hilang pada common large chamber 3). Membutuhkan saluran gas yang besar.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

2.2.2 Turbocharger sistem pulsa ( pulse system )

Turbocharger sistem pulsa adalah bertujuan untuk menggunakan energi kinetik didalam proses pembuangan ( blowdown ) untuk mengerakkan turbin

turbocharger, yang secara idealnya tidak ada terjadi peningkatan tekanan gas

buang.

Untuk mencapai tujuan tersebut saluran buang yang segaris haruslah lebih kecil , dan dikelompokkan untuk menerima gas buang dari silinder yang mana mengalir pada waktu yang berbeda. Perubahan kecepatan dan tekanan stagnasi dari pada turbin adalah tidak kondusif untuk turbin yang berefisiensi tinggi. Berikut ini merupakan gambar sistem Turbocharger sistem pulsa

Gambar 2.3 Turbocharger sistem pulsa ( pulse system )

Sumber : ”Internal combustion engine” Edward F. Obert

Pada turbocharger dengan sistem pulsa ini, gas buang langsung dialirkan kedalam turbin.

Keuntungan memakai turbocharger dengan system pulsa ini adalah :

1). Sebagian besar energi kimia gas buang dapat digunakan langsung. 2). Menghasilkan percepatan putaran mesin yang responsive terhadap

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

3). Dapat memakai saluran gas buang yang lebih pendek dan diameter yang lebih kecil.

Kerugiannya adalah :

1). Pemanfaatan energi gas buang tidak efektif untuk turbin dengan perbandingan tekanan yang lebih tinggi.

2). Fluktuasi tekanan yang lebih besar untuk jumlah silinder yang lebih sedikit.

2.2.3 Turbocharger sistem converter- pulsa ( pulse-converter system)

Pada Turbocharger sistem converter pulsa ini bertujuan untuk mengubah energi kinetik didalam proses pembuangan menjadi peningkatan tekanan pada turbin dengan membuat satu atau lebih diffuser. Beriikut ini merupakan gambar Turbocharger system converter-pulsa

Gambar 2.4 Turbocharger sistem converter- pulsa ( pulse-converter system)

Sumber : ”Internal combustion engine” Edward F. Obert

Secara umum, mesin-mesin diesel berukuran besar biasanya menggunakan turbocharger sistem pulsa, sedangkan untuk mesin-mesin otomotif menggunakan turbocharger tekanan konstan. Oleh karena itu, pada kajian studi ini digunakan turbocharger sistem tekanan konstan.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

2.3 Bagian-Bagian Utama Turbocharger

Bagian utama turbocharger terdiri dari sebuah turbin gas dan sebuah kompresor. Gambar 2.5 ini merupakan gambar dari assembling Turbocharger yang telah dilepas bagian-bagiannya

.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

Sumber: http/

Principles.

Keterangan gambar

1. Clamp 18. Exhaust Stud

2. Hose ( waste gate pressure bleed ) 19. Waste gate housing

3. Fitting 20. Bearing housing

4. Clip ( waste gate lever ) 21. Nut ( turbine shaft )

5. Rod ( waste gate ) 22. Compressor

6. Adjusting nut 23. Turbine Shaft

7. Nut 24. Piston ring seal

8. Control Diaphragm ( waste gate ) 25. Heat shield

9. Bolt 26. Bolt

10.Bracket ( waste gate control diaphragm) 27. Compressor housing backing

11.Locking plate ( compressor housing ) 28. O-ring

12.Compressor housing 29. Piston ring seal

13.O-ring 30. Thrust collar

14.Bolt 31. Thrust bearing

15.Locking Plate ( turbine housing ) 32. Snap ring 16.Clamp Plate ( turbine housing ) 33. Journal bearing

17.Turbine housing 34. Oil drain gasket

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

Turbin turbocharger digerakkan oleh energi berguna yang dikandung oleh gas buang. Aliran gas buang dari hasil pembakaran bahan bakar dari dalam ruang bakar menggerakkan sudu-sudu turbin/rotor turbin, diserap energinya dan diubah menjadi bentuk energi mekanis ini merupakan daya poros pada turbin yang dipergunakan untuk menggunakan kompresor.

Persamaan laju aliran gas buang masuk turbin .

(

)

₃₆₀₀' .

a i i c s eg

m L N F

m = µ+∆ . . . (lit.3 hal.238) Dimana meg = laju aliran massa gas buang masuk turbin turbocharger ( kg/det) µ = Koefisien molar gas perubahan molar gas

∆_sc = Koefisien udara pembilasan untuk mesin dengan turbocarjer koefisien udara pembilas nilainya 0,06 – 0,02 dalam hal ini diambil sebesar 0,15

= i

F Konsumsi bahan bakar indikator ( g/hp-hr) (lit.3 hal 205) Untuk mekanisme turbocharger Fi = 125 – 150 g/bhp – hr Dalam hal ini dipilih 133 g/bhp – hr

= i

N Daya indikator

L’ = Jumlah udara aktual yang dibutuhkan

.

= a

m berat molekul udara sebesar 28,95 kg /mole

Berdasarkan arah aliran fluida, ada dua tipe turbin yang digunakan pada

turbocharger, yaitu aliran radial dan turbin aliran aksial. Turbin aliran radial

mempunyai tampak yang sama dengan kompresor sentrifugal, kecuali tentu bahwa gas mengalir secara radial kearah dalm dan buka kearah luar. Turbin aliran radial

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

banyak dipakai dalam ukuran kecil. Turbin ini membentuk rotor yang kompak san tegar bila digabungkan dengan kompresor sentrifugal. Gabungan ini lazim digunakan untuk mengisi turbocharger pada mesin diesel stasioner dan mesin kapal. Juga akhir-akhir ini, untuk kendaran bermototor diesel dan bensin. Turbin gas aliran radial, di lain pihak tidak cocok untuk gas suhu tinggi yang diperlukan untuk menghasilkan efisiensi termal yang baik. Kecuali ukurannya yang kecil, turbin ini kalah efisien dari turbin aliran aksial.

Ada berbagai macam turbin radial yang biasanya digunakan pada otomotif, bervariasi mulai dari bentuk sudu turbin, rancangan rumah turbin dan rancanga sudu. Semua hal tersebut sangat berpengaruh pada prestasi yang dihasilkan motor yang menggunakannya, oleh sebab itu banyak faktor yang diperhitungkan untuk mendapatkan suatu turbin sesuai dengan operasi yang diinginkan.

Gambar 2.6 : Turbin Radial Type Kantilever

Sumber : “Gas Turbin Engineering Hanbook, second edition”Meherwan P Boyce

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

Gambar 2.7 : Komponen Turbin Aliran Radial

Sumber : “Gas Turbin Engineering Hanbook, second edition”Meherwan P Boyce Pada motor diesel ini, sesuai dengan yang disurvey dimana turbocarjer dan interkuler itu digunakan bahwa jenis turbin yang digunakan adalah turbin dengan aliran radial

2.3.2 Kompresor

Kompresor adalah suatu alat pemampat / menaikkan tekanan udara diatas tekanan atmosfer. Pada keadaan ini kompresor didalam turbocarjer ini berfungsi memampatkan udara / menaikkan tekanan udara yang dihisap dari udara sekitar. Kompresor disini digerakkan oleh turbin turbocarjer, dimana turbin ini digerakkan oleh gas buang dari motor bakar. Pada studi ini fungsi dari kompresor itu untuk menaikkan tekanan efektif rata – rata yang berpengaruh terhadap performansi motor bakar tersebut.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

Dalam hal ini setelah melakukan survey kompresor sentrifugal yang sangat cocok digunakan pada turbocarjer.

• Kompresor Sentrifugal

Didalam permesinan, yang mana juga disebut sebagai turbo-blowers atau turbo-compressors, satu atau lebih impeller dirotasikan pada kecepatan yang tinggi didalam sebuah rumah kompresor. Udara, yang terlempar masuk kedalam center dari impeller, akan ditingkatkan kecepatannya, lalu udara akan terlempar pada ujung luar ( outer edge ) karena adanya gaya sentrifugal yang terjadi pada impeller. Udara yang meninggalkan impeller dengan peningkatan tekanan dan kecepatan yang tinggi udara akan memasuki diffuser, pada diffuser akan mengubah energi kinetik udara yang mengalir melewati impeller menjadi energi tekanan

Persamaan laju aliran udara melalui kompresor :

(

1

)

₃₆₀₀ ' .

a i i c s k

m L N F

m = +∆ . . . (lit.3 hal.238)

dimana:

= .

k

m laju aliran massa melalui kompresor (kg/det)

=

∆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.

= i

F Konsumsi bahan bakar indikator ( g/hp-hr)

= i

N Daya indikator (hp)

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009 .

= a

m berat molekul udara sebesar 28,95 kg /mole

Gambar 2.8 : Bagian-Bagian Utama Kompresor Sentrifugal

Sumber : ” Diesel Engine Reference Book”, Bernard Challen dan Rodica Baranescu

Keterangan :

a. Impeller. Gaya yang bekerja pada impeller disebabkan adanya laju perubahan momentum udara yang melewati permukaan sudu-sudu.

b. Difuser adalah sebuah cincin yang mengelilingi dan mempunyai luas penampang laluan yang secara kontinu memperbesar untuk mengubah energi kinetik udara yang melewati impeller menjadi tekanan. Difuser yang paling edisien mempunyai sudu-sudu radial yang tetap untuk memaksa udara mengalir secara radial. Dengan peningkatan laluan udara kecepatan

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

radial akan berkurang dan tekanan akan naik, sebab energi total udara adalah konstan.

c. Rumah kompresor. Rumah seputar kompresor diffuser digunakan untuk mengarahkan aliran tekanan tinggi kearah yang dituju dan pada beberapa sisin rumah kompresor berfungsi juga sebagai diffuser.

Gambar 2.9 : Grafik Temperatur Vs Sudut Engkol Vs Tekanan

Sumber : http//

Pada gambar grafik diatas ditunjukkan tekanan suplai dari turbocarjer dan temperatur pembakaran dalam ruang bakar. Hal ini menunjukkan bahwa proses pembakaran terjadi pada beberapa derajat sudut engkol menuju titik mati bawah.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

pada saat sekarang ini teknologi otomotif yang sedang berkembang itu adalah intercooler. Alat ini adalah peralatan sederhana di dalam sebuah mobil, tetapi memiliki fungsi yang luar biasa. Intercooler memiliki beberapa nama sebutan antara lain air cooler, after cooler dan charger cooler. Tetapi apapun namanya alat ini memiliki fungsi yang sama yaitu mendinginkan udara yang masuk keruang mesin.

Gambar 2.10 : Intercooler

Sumber :http://www.airpowersystem.com.au/350z/intercooler/intercooler.html Berdasarkan prinsip kerjanya, ada dua macam intercooler, yaitu:

a.intercooler air to air b.intercooler air to water

Intercooler air to air adalah intercooler yang bekerja mendinginkan udara

berdasarkan udara yang melewati kisi – kisinya. Sedangkan air to water adalah

intercooler yang bekerja mendinginkan udara berdasarkan udara yang melewati

kisi – kisinya yang juga di bantu dengan air yang melewatinya. Pada perencanaan turbocharger ini dipilih jenis intercooler air to air, karena memiliki efisiensi yang tinggi dan bentuknya dapat lebih mudah disesuaikan.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

2.4.1 Prinsip Kerja Intercooler:

Udara panas yang mengalir masuk kepipa – pipa intercooler sebelum masuk ke dalam silinder, kemudian udara didinginkan oleh intercooler dengan cara mengalirkan udara melalui kisi – kisi atau sirip intercooler sehingga udara panas terserap di dalam intercooler dengan demikian udara yang masuk kadalam silinder tetap dingin tetapi tekananya konstan.

Gambar 2.11 : Sistem Kerja Interkuler Tipe Air to Air

Sumber : ” Diesel Engine Reference Book”, Bernard Challen dan Rodica Baranescu.

Udara di hisap oleh kompresor dengan tekanan dan temperatur yang tinggi, kemudian didinginkan didalam interkuler dengan prinsip kerja air – to – air, dimana didepan interkuler dipasang fan blower agar udara yang panas disuplai oleh kompresor dapat didinginkan denga cepat, kemudian selanjutnya udara disalurkan ke dalam ruang bakar dengan kerapaatan udara yang baik karena temperatur udara tersebut telah didinginkan.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

Gambar 2.12: Grafik Efektivnes Interkuler dan rasio kerapatan udara

Sumber : ” Diesel Engine Reference Book”, Bernard Challen dan Rodica Baranescu.

Pengaruh efektivnes interkuler dan rasio kerapatan udara terhadap performansi motor bakar diesel yaitu :

1. dari grafik diatas dapat dilihat bahwa motor bakar tanpa pendinginan (no

cooling) memiliki kerapatan udara sangat rendah. Hal inilah yang

mengakibatkan tekanan didalam ruang bakar berkurang ( tekanan efektif rendah ), tekanan inilah yang langsung berpengaruh terhadap daya poros, torsi, tekanan efektif rata – rata dan parameter performansi lainnya pada motor bakar tersebut

2. dari grafik diatas dapat dilihat bahwa motor bakar yang memakai efektivnes interkuler memiliki kerapatan udara relatif lebih tinggi dibandingkan tanpa motor bakar yang tidak memakai pendingin (no

cooling). Hal inilah yang membedakan motor bakar yang memakai

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

interkuler tersebut semakin tinggi.hal ini akan meningkatkan tekanan efektif rata – rata pada motor bakar tersebut.apabila tekanan efektif rata – rata meningkat pada kondisi volume silinder yang sama dan dimensi mesin yang sama maka daya dan torsi nya juga akan meningkat.atau pun parameter – parameter performansi lainya.hal ini sesuai dengan persamaan:

xz x

i n V P

N e d

b

75 60

. . .

=

dimana kalau P dinaikkan maka akan berdampak langsung terhadap daya _e

poros motor bakar tersebut hal ini dikarenakan harga P dan _e N berbanding b

lurus.

2.4 Prinsip kerja dari sistem Turbocharging pada Siklus Tekanan Terbatas.

Siklus ideal termodinamika dari mesin diesel yang beroperasi digambarkan pada Gambar 2.13 yang menunjukkan energi potensial yang terkandung dan berguna didalam sistem pembuangan.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

Gambar 2.13 : Siklus tekanan terbatas pada mesin diesel

Sumber : ” Diesel Engine Reference Book”, Bernard Challen dan Rodica Baranescu.

Katup buang akan terbuka pada titik mati bawah pada titik 5 dimana tekanan silinder lebih besar dari pada tekanan atmosfer yaitu pada akhir pipa pembuangan, jika katup buang terbuka maka secara isentropik dan reversibel akan menuju pada tekanan atmosfer yaitu pada titik 6, dimana daerah kerja dapat digambarkan pada daerah 5-6-1

Daerah kerja yang digambarkan pada daerah titik 5-6-1, dimana pada daerah tersebutlah untuk memanfaatkan energi gas buang ditempatkan

turbocharger pada daerah tersebut yang disebut juga dengan blow- down energi

Gambar 2.14 : siklus ideal tekanan terbatas dengan menggunakan Turbocharger

Sumber : ” Diesel Engine Reference Book”, Bernard Challen dan Rodica Baranescu.

Pada Gambar diatas menunjukkan bahwa turbocharger meningkatkan tekanan pada saluran masuk, dari sini proses masuk (12-1) pada tekanan P1 dimana

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

P1 berada pada diatas tekanan atmosfer.Pa. Blow-down energi ditunjukkan pada daerah 5-8-9, saluran gas buang pada tekanan P7 juga berada diatas tekanan atmosfer Pa. Proses gas buang yang berasal dari silinder ditunjukkan oleh garis 5,13,11 dimana pada titik 5,13 adalah periode terjadi blow-down energi ketika katup buang terbuka dan tekanan gas yang tinggi diekspansikan keluar pada saluran gas buang.

Proses 13,11 menunjukkan proses pembuangan gas sisa yang tinggal ketika piston bergerak dari titik mati atas ke titik mati bawah yang menggerakkan sebagian besar gas buang dari silinder ke saluran pembuangan. Gas tersebut juga berada di atas tekanan atmosfer dan oleh karena itu juga mempunyai energi yang berguna untuk diekspansikan menjadi tekanan atmosfer. Daerah kerjanya dapat ditampilakan pada daerah 13-9-10-11.

Energi maksimum yang mampu menggerakkan turbin ditunjukkan pada daerah 13-9-10-11, Untuk memperoleh energi tersebut maka tekanan masuk turbin seketika itu juga harus meningkat pada titik tekanan P5 ketika katup buang terbuka, yang diikuti ekspansi isentropik dari gas buang melalui P7 sampai ke tekanan atmosfer ( P8=Pa) . Selama proses pergerakan pembuangan tekanan masuk turbin yaitu pada titik P7. Energi yang berguna pada turbin diberikan pada daerah 7-8-10-11.

2.6 Pengaruh Penggunaan Turbocarjer dengan Interkuler Terhadap

Performansi Motor bakar Diesel

Jika sebuah mesin empat langkah dapat menghisap udara pada kondisi isapnya sebanyak volume langkah toraknya untuk setiap langkah isap, maka hal itu sesuatu yang ideal. Namun, hal tersebut tidak terjadi dalam keadaan sebenarnya.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

Perbandingan antara jumlah udara yang terisap yang sebenarnya terhadap jumlah udara yang terisap dalam keadaan ideal, dinamai, ”efisiesnsi volumetrik”,ηv, yang

didefinisikan dalam persamaan berikut :

) , ( ) , (

T P pada torak langkah volume

sebanyak segar

udara berat

T P pada terisap segar

udara berat

v

=

η

besarnya efisiensi volumetrik tergantung pada kondisi isap (P,T) yang ditetapkan, hal ini akan mengakibatkan seberapa besar volume udara yang akan terisap apabila motor bakar tersebut tidak menggunakan pengisian lanjut. Akan tetapi lain halnya kalau dengan menggunakan pengisian lanjut contohnya seperti turbocarjer. Kebutuhan udara akan terus disuplai oleh turbocarjer dan akan meningkatkan tekanan didalam ruang bakar dan hal inilah yang akan berdampak langsung terhadap performansi motor bakar tersebut. Antara lain:

1. Daya Poros

Daya poros adalah daya yang dihasilkan oleh motor bakar tersebut setelah mengalami kerugian – kerugian gesek antara torak dan dinding silinder, pada bantalan, roda gigi, daya untuk menggerakkan pompa bahan bakar, katup dan sebagainya.

Sesuai dengan persamaan berikut :

i e m

N N = η

m i e N

N = η (hp) Dimana :

= e

N Daya efektif (hp)

= m

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009 =

i

N Daya Indikator (hp)

2. Daya Indikator

Daya indikator adalah daya yang dihasilkan didalam sistem motor bakar tersebut antara piston dan ruang bakar.

Sesuai dengan persamaan berikut :

xz x

xnxi xV P

N i d

i

75 60

= (hp)

dimana :

= i

P Tekanan indikator rata – rata (kg/cm2)

= d

V Volume silinder (m3)

=

n putaran (rpm)

=

i jumlah silinder

=

z motor 4_langkah (1/2)

3. Momen Puntir

Momen puntir atau Torsi adalah merupakan suatu performansi motor bakar diesel. Dalam hal ini momen puntir digunakan sebagai kemampuan motor bakar tersebut untuk memutar / memlintri suatu beban dengan beban (kg) dan jarak (m).

sesuai dengan persamaan :

n x x N

T e

π 2

75 60

= (kg-m)

= e

N Daya efektif motor bakar (hp)

=

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

4. Tekanan Efektif Rata – Rata

Tekanan efektif rata – rata juga merupakan bagian dari performansi motor bakar diesel, dimana tekanan efektif rata – rata ini sangat dipengaruhi oleh kerapatan udara yang disuplai masuk kedalam silinder / ruang bakar.

Sesuai dengan persamaan berikut :

RT P

= ρ

dimana :

=

P Tekanan suplai masuk ke dalam ruang bakar (kg/cm2)

=

R Konstanta gas Universal

5. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik

Konsumsi bahan bakar spesifik adalah kemampuan motor bakar tersebut menghabiskan bahan bakar dalam satu – saturan waktu, sesuai dengan persamaan:

) (

) ( 632

LHV F

N h

e b =

η

sehingga persamaannya menjadi:

) (

) ( 632

LHV N F

b e h

η =

dimana :

Ne = daya efektif motor (hp)

LHV = nilai kalor bawah bahan bakar (kkal/ kg)

= b

η efisiensi thermal brake

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

BAB III

METODOLOGI KAJIAN DAN ANALISA TERMODINAMIKA

3.1 Idealisasi Analisa Termodinamika

Proses - proses termodinamika yang terjadi didalam motor bakar torak sangatlah kompleks untuk dianalisa menurut teori. Maka untuk memudahkan analisa proses tersebut, perlu dilakukan beberapa idealisasi menurut (lit.1 hal 8), yaitu :

• Fluida kerja dianggap sebagai gas sempurna (gas ideal)

• Proses pembakaran dianggap sebagai proses pemanasan fluida kerja..

• Proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara isentropik

• Pada akhir ekspansi, yaitu pada waktu torak mencapai TMB, fluida kerja didinginkan sehingga tekanan dan temperaturnya turun mencapai tekanan dan temperatur atmosfer.

• Tekanan fluida kerja pada saat langkah buang sama dengan tekanan atmosfer.

Dari idealisasi diatas, maka akan dapat dianalisa kondisi setiap titik pada siklus kerja. Dengan diperolehnya hasil dari kondisi idealisasi, maka akan dapat diperkirakan hasil dari proses sebenarnya dengan mengalikan hasil yang didapat dari siklus ideal tersebut dengan faktor yang menyatakan penyimpangan keadaan yang sebenarnya.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

3.2 Mekanisme Kerja Motor Bakar dengan Turbocarjer dan Interkuler

Gambar 3.1 : mekanisme kerja turbocarjer dengan interkuler

Sumber : ”Marine Internal Combustion Engine”, N. Petrovsky Keterangan :

B = kompresor sentrifugal T = turbin Radial

C = Interkuler Udara

Mekanisme kerja sederhana turbocarjer dengan interkuler diatas adalah ketika piston melakukan langkah buang, dimana gas buang yang masih bertemperatur tinggi dan juga mempunyai tekanan yang tinggi pula diekspansikan keluar kesaluran buang (exhaust manifold) dan gas yang keluar dari saluran buang mempunyai laju aliran yang tinggi yang kemudian masuk ke turbin

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

turbocarjer dan akan memutar turbin, dengan berputarnya turbin maka kompresor juga akan ikut berputar, ini dikarenakan turbin dan kompresor dihubungkan seporos (dikopel langsung). Menurut ( lit.15 hal.36 ) bahwa putaran turbin turbocharger dapat mencapai 50.000 – 100.000 rpm. Kompresor yang berputar akan menghisap udara atmosfer kedalam kompresor dan udara yang bertemperatur tinggi dan bertekanan diatas tekanan atmosfer akan disalurkan kedalam interkuler untuk menurunkan temprratur udara sebelum masuk kedalam ruang bakar.ini dikarenakan temperatur udara yang tinggi akan menurunkan kerapatan udara sehingga dapat menurunkan tekanan efektif rata – rata.

3.3 Siklus Termodinamika Motor Bakar

Secara umum ada tida jenis siklus termodinamika yang berlaku pada motor bakar torak, yaitu :

• Siklus volume konstan ( siklus Otto)

• siklus tekanan konstan

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

Gambar 3.2 : P – V diagram siklus gabungan (siklus dual)

Keterangan :

0 – 1 = Langkah Isap tekanan konstan

1 – 2 = Langka h Kompresi Isentropis adiabatik

2 – 3a = Proses Pemasukan Kalor pada Volume Konstan 3a – 3 = Proses Pemasukan Kalor pada Tekanan Konstan 3 – 4 = Langkah Ekspansi Isentropis adiabatik

4 – 1 = Langkah Buang

siklus gabungan merupakan siklus ideal bagi motor bakar diesel yang proses pembakarannya berlangsung pada kondisi yang mendekati volume konstan dan terus berlanjut pada tekanan konstan.

Dari ketiga jenis siklus tersebut, siklus gabungan sebagai siklus ideal bagi motor bakar diesel yang digunakan untuk menganalisa termodinamika, motor bakar diesel yang akan dikaji pengaruh turbocarjer dengan interkuler disini adalah motor diesel yang menggunakan injeksi langsung tanpa udara ( airless direct injection

system ) dan termasuk pada motor putaran tinggi yang sesuai dengan hasil survey

dilapangan, dalam hal ini penginjeksian bahan bakar dimulai pada saat beberapa derajat sudut engkol sebelum TMA, sehingga proses pembakarannya berlangsung seperti pada kondisi yang mendekati siklus volume konstan. penginjeksian bahan bakar dihentikan pada saat beberapa derajat sudut engkol sesudah TMA sehingga proses pembakarannya masih terus berlangsung walaupun torak sudah melewati TMA seperti pada kondisi yang mendekati siklus tekanan konstan.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

Jenis Bahan Bakar yang digunakan pada motor bakar diesel di Indonesia adalah minyak solar yang diproduksi oleh Pertamina. bahan bakar yang baik merupakan hal yang memegang peranan utama dalam pengoperasian motor bakar agar diperoleh pembakaran yang sempurna.

Sifat minyak bahan bakar yang mempengaruhi prestasi dan keandalan dari mesin diesel menurut (lit.16 hal.152), yaitu :

- mempunyai nilai kalor yang tinggi - memiliki viskositas tertentu - tidak mudah membentuk endapan - pencemaran terhadap lingkungan rendah

Pada motor bakar ini digunakan bahan bakar diesel dengan rumus molekul CnH2n+2 yaitu C13H28 (Medium Diesel Oil).

Menurut (lit.7 hal.120) Bahan bakar ini mempunyai:

Berat molekul = 184

Nilai Kalor Atas (HHV) = 19.110 Btu/lbm Nilai Kalor Bawah (LHV) = 18.000 Btu/lbm

Reaksi pembakaran bahan bakar dengan udara secara kimia dapat ditulis: C13H28 + 20 (O2 + (3,76) N2) 13 CO2 +14 H2O + 20 (3,76) N2 + Qkal Sehingga,

C13H28 + 20 O2 + 75,2 N2 13 CO2 + 14 H2O + 75,2N2 + Qkal Adapun perbandingan bahan bakar dengan udara adalah sebagai berikut:

th A F     

 ₌

2 2

28 13

2 , 75

20 O N

H C

+

th A F     

 ₌

6 , 2105 640

184

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 meg = laju aliran massa gas buang masuk turbin turbocharger ( kg/det) 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.

Fi = Konsumsi bahan bakar indikator ( g/hp-hr) . . . (lit.3 hal 205) Untuk mekanisme turbocharger Fi = 125 – 150 g/bhp – hr

Dalam hal ini dipilih 133 g/bhp – hr Ni = Daya indikator

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

ma = berat molekul udara sebesar 28,95 kg /mole pada analisa termodinamika ini bahan bakar yang digunakan yaitu : C13H28 (medium diesel oil)

Bilangan molekul ; C = 12

H = 1

Persentase : 100% 84,7826%

184 156 = = x C % 21739 , 15 % 100 184 28 = = x H persentase kandungan: O2 = 21 % N2 = 79 %

Dimana secara secara teoritis udara yang dibutuhkan untuk pembakaran bahan bakar 1 kg.

ditentukan dari rumus:

      _{+ −} = 32 4 12 21 , 0 1

' c h o

lo (lit.3 hal 37)

      _{+ −} = 32 0 4 1521739 , 0 12 847826 , 0 21 , 0 1 '_o l ) 0380434 , 0 070652 , 0 ( 21 , 0 1

'_o = +

l

kg mole l'_o =0,5175 /

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 . ' (mole/kg) . . . (lit.3.hal 38) L’ = 2. (0,5175) (mole/kg)

L’ = 1,035 (mole/kg)

Pembakaran dari 1 kg bahan bakar akan menghasilkan :

Karbon dioksida Mco2 = c 0,070652 mole/kg

12 847826 ,

0

12 = =

Uap air MH2O = h 0,07608 mole/kg

2 1521739 ,

0

2 = =

Oksigen MO2 = 0,21 ( – 1) L’o = 0,21 (2 – 1 ) 0,5175 = 0,1086 mole/kg Nitrogen MN2 = 0,79 L’o

= 0,79. 2.(0,5175) = 0,8176 mole/kg Sehingga total dari pembakaran, yaitu: Mg = Mco2 + MH2O + MO2 + MN2 Mg = 0,07065 + 0,07608 + 0,1086 + 0,8176 Mg = 1,0729 mole/kg

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

=1,036

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 :

Fh = konsumsi bahan bakar indikator spesifik (kg/hr) Fi = konsumsi bahan bakar indikator (kg/hp- hr) Ni = daya indikator (Hp)

Nb = daya efektif (Hp) Sehingga, e h FN F = = h

F 0,133kg/hp-hr (130 hp)

= h

F 17,29 kg/hr

Sehingga laju aliran massa masuk turbin adalah ;

(

)

₃₆₀₀' . a i i c s eg m L N F m = µ+∆

(

)

17,29 / 1,036 ₃₆₀₀/ 28,95 /

15 , 0 0366 , 1

. _{kg hr x mole kg x kg mole}

m_eg = +

=

. eg

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:

(

1

)

₃₆₀₀ ' .

a i i c s k

m L N F

m = +∆ . . . (lit.3 hal 238)

dimana:

=

. k

m laju aliran massa melalui kompresor (kg/det)

=

∆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.

Fi = Konsumsi bahan bakar indikator ( g/hp-hr) Ni = Daya indikator (hp)

L’ = Jumlah udara aktual yang dibutuhkan (mole/kg) ma = 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 FN F =

e h F N F = .

dimana :

Fh = konsumsi bahan bakar indikator spesifik (kg/hr) Fi = konsumsi bahan bakar indikator (kg/hp- hr) Ni = daya indikator (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 kg/hp-hr (130 hp)

= h

F 17,29 kg/hr

sehingga, laju aliran massa udara melalui kompresor adalah:

(

1

)

₃₆₀₀ ' .

a h c s k

m L F m = +∆

+

=

3600

/ 95 , 28 / 036 , 1 / 29 , 17 ) 15 , 0 1 (

. _{kg hr x mole kgx kg mole}

mk

=

. k

m 0,165 kg/det

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 0C, dalam hal ini dipilih sebesar 789,16 0K. Sedangkan tekanan udara yang disuplai oleh kompresor sebesar Psup= 1,4 – 2,5 atm. Pada kajian studi ini dipilih Psup sebesar 1,94 atm. Sedangkan tekanan masuk turbin diperoleh menurut (lit.3 hal.215) sebesar Pt = (0,8 – 0,9) Psup.

Sehingga besarnya tekanan masuk turbin diperoleh sebesar Pt = 0,84 (1,94 x 105 Pa) = 1,63 x 105 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 , 0

. = eg

m kg/ det

det / 165 , 0

.

kg mk =

K T_5a =789,160

Pa x p_5a =1,63 105

3.6.4 Termodinamika pada Turbin

Gambar 3.4 Diagram h – s untuk turbin

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:

) ( _{01 02}

.

h h m h

W_T =∆ _tT = − . . . (lit.8.hal.35) dari data perencanaan telah diketahui bahwa T5a = T01 dan T6 = T02, sehingga T01 = 789,16 0K

P01 = 1,63 x 105 Pa

= eg m

.

0,170 kg/det

pada temperatur T01, diperoleh entalpinya T01 = 789,16 0K

h01 = 810,322 kJ/kg

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

P02 = 1,013 x105 Pa.

4 , 1 1 4 , 1 5 5 0 02 10 63 , 1 10 013 , 1 16 , 789 −       = Pa x Pa x K T s = s

T02 689,112

0 K

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

0 0

02 0

112 , 689 16

, 789

16 , 789 8

, 0

− −

=

T02 = 709,121 0K

Menurut (lit.10 hal.830) pada T02 = 709,121 0K diperoleh: h02 = 723,382 kJ/kg

3.6.5 Termodinamika pada 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; T01 = 3030 K

P01 = 1,013 x105 Pa Dimana kerja kompresor :

) ( 02 01 .

h h m

Wc = − . . . (lit.8.hal.37)

pada temperatur T01 = 303 0K, diperoleh entalpi h01 = 303,488 kJ/kg

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:

) ( 0

. .

KJ W

Q− = . . . (lit.8 hal.20)

Di dalam turbocarjer proses alirannya adalah adiabatik, sehingga

. Q =

.

W, dan persamaannya menjadi :

Wt =Wk

( ) ( _{02 01})

. 02 01 .

h h m h

h

meg − = k −

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 kJ/kg

pada h = 393,062 kJ/kg, diperoleh dari tabel (lit.8 hal 830): ₀₂

T02 = 391,86 0K

Pada kompresor berlaku efisiensi isentropik,

(

)

) ( 02 01

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 η_k= 0,7, sehingga :

(

)

(

K K

)

K T _s 0 0 0 02 303 86 , 391 303 7 , 0 − − = s

T₀₂ = 365,20 0K

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 0 0 5 02 303 20 , 365 10 013 ,

1 _ −

     = K K Pa x P 02

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:

T02 = 391,86 0K

02

P = 1,94 x 105 Pa

3.6.6 Termodinamika Dalam Interkuler

Gambar 3.6 : diagram T – S siklus gabungan dengan turbocarjer dan interkuler

Keterangan :

a – 1a = suplai udara oleh kompresor turbocarjer

1a – 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

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 5a – 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 = As h ∆Tm = .

m Cp (Ta1 – Ta2) . . . (lit.5 hal.50) Dimana :

.

m = laju aliran massa udara (kg/det)

As = 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 0K

sifat – sifat udara pada temperatur dinding 303 0K adalah: Cp = 1008,5 J/kg 0K

k = 0,029 W/m 0K = 2,0232 x 10-5 kg/m.s Pr = 0,707

2 0 a RT P = ρ K x kgK kJ m N x 0 2 5 86 , 391 / 287 , 0 / 10 94 , 1 = ρ 3 / 69 ,

1 kg m =

ρ

bilangan Reynolds adalah :

µ ρU D Re

sup

= . . . (lit.6 Hal.227 ) dimana : Usup = kecepatan segitiga impeler kompresor

sesuai dengan (lit.3 hal.473) bahwa Usup = 250 – 300 m/det dalam hal ini dipilih 250 m/det

s m kg x m x m x m kg Re − = ₋ / 10 023 , 2 008 , 0 det / 250 / 69 , 1 5 3 ) ( 59 ,

167078 aliran turbulen

R_e =

bilangan Nusselt adalah :

n r e P R k hd

Nu= =0,023 0,8

−

. . . (lit.6 hal.229)

dimana :

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 w/m0K

n r e P R k hd

Nu= =0,023 0,8

− 3 , 0 8 , 0 707 , 0 ) 59 , 167078 ( 023 , 0 = k hd 52 , 312 = k hd m K m W x h 008 , 0 / 029 , 0 52 , 312 0 = 0 2 / 88 ,

1132 W m

h= K

Permukaan perpindahan kalor total adalah :

As = DLNm

As= (0,008) (0,25) (2) (8) As = 0,10048 m2

Sehingga keseimbangan energi diperoleh: q = As h ∆Tm = m Cp (T1a – T0a)

[

T K

]

kg J kg K T K m w m a a 0 1 0 0 1 0 2 2 88 , 391 / 5 , 1008 . det / 165 , 0 2 88 , 391 303 / 88 , 1132 . 10048 ,

0 _= −

     ₋ + a

T₁ = 346,53 0K

menurut (lit.3 hal.203)

Bahwa kemampuan interkuler menurunkan temperatur yang masuk sebesar 25 – 50 0C. Pada kajian studi ini kemampuan interkuler menurunkan temperatur yang masuk sebesar = 45,35 0C.

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) Psup dalah hal ini diambil 0,05 ∆p = (0,05) Psup

∆p = (0,05) 1,94 x 105 Pa ∆p = 0,0985 x 105

Pa sehingga,

a).pada langkah isap 0 – 1

P0 = Psup - ∆p

P0 = 1,94 x 105 Pa – 0,0985 x 105 Pa P0 = 1,84 x 105 Pa

1 a

T = 346,53 0K

Kerapatan udara setelah keluar intercooler:

a a RT

P 1 0 =

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

dimana :

P0a = tekanan setelah keluar intercooler (Pa)

R = Konstanta gas Universal sebesar, 0,287 KJ/kg K

a

T1 = Temperatur keluar intercooler (K)

Maka kerapatan udara setelah interkuler dapat dicari :

a a RT P 1 0 = ρ K kgK kJ P x _a 0 5 ) 53 , 346 ( / 287 , 0 10 84 , 1 = ρ =

ρ 1,813 kg/m3

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 0K (lit.3 hal 81) dalam hal ini diambil 13 0K

r

T = temperatur yang terkandung didalam gas sisa, karena nilainya terlalu

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

Sehingga , 0 1 0 13 53 ,

346 0 0

1

++ +

= K K

T

K T₁=359,530

Kerapatan udara pada ruang bakar adalah:

1 1 RT P = ρ ) 53 , 359 ( / 287 , 0 10 84 , 1 0 0 5 K K kg kJ Pa x = ρ 3 / 748 ,

1 kg m

= ρ

volume spesifik pada titik 1:

1 1 1 p RT v =

(

)

Pa x K K kg kJ v ₅ 0 0 1 10 84 , 1 53 , 359 / 287 , 0 = kg m v1 =0,572 3/

Pada T1 = 359,53 0K menurut (lit.8 hal.830), diperoleh :

Kg kJ U₁ =257,193 /

103233 , 2 1 = r p 06633 , 114 1= r v kg kJ h1=360,38926 /

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

Pada kondisi titik 2 ini merupakan langkah kompresi dari titik 1 – 2. pada langkah kompresi ini terjadi secara isentropik. Dimana pada data sebelumnya perbandingan kompresi sebesar r = 18.

Menurut (lit.1 hal.9) hubungan kompresi rasio adalah:

r =

2 1 V V

18

2 1 = =

V V r

Keterangan

V1 = Volume langkah (m3) V2 = Volume sisa (m3)

Dimana pada keadaan kompresi berlaku hubungan :

2 1 2 1

V V v v r r =

1 2 1 2

V V v v_r = _r

18 06633 , 114

2 = r v

3370183 ,

6

2 = r v

menurut (lit.8 hal.830) pada v_r2 =6,3370183 diperoleh :

K T2 =1047,540

22132 , 110

2 = r p

kg kJ U₂ =799,984 /

kg kJ h₁=1100,661 /

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009 1 2 1 2 P P p p r r =       = 1 2 1 2 r r p p P P     = 103233 , 2 22132 , 110 10 84 , 1 5

2 x Pa

P

Pa x P2 =96,43 105

volume spesifik pada titik 2:

r v v = 2 1 18

= m kg

v 0,572 / 3 2

= 2

v 0,0318 m3/kg

d).Kondisi Titik 2 – 3a - 3

Pada kondisi titik 2 - 3a terjadi pemasukan kalor pada volume konstan dan dilanjutkan dengan pemasukan kalor pada tekanan konstanyaitu terjadi pada titik 3a – 3, menurut (lit.3 hal. 50) bahwa perbandingan tekanan maksimum :

2 3 2 3 P P P Pa = = λ

Untuk λ = Mesin dengan pengabutan mekanis peningkatan tekanannya 1,7 ~ 2,2 dalam hal ini dipilih λ=1,7

Sehingga tekanan maksimum yang diperoleh adalah :

2 3 2 3 P P P P_a = = λ

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

7 , 1 2 3 = P P_a ) 7 , 1 ( 10 43 , 96 5

3 = x Pa

P_a

Pa x P_3a =163,93 105

karena pada titik 3a = titik 3 pada tekanan konstan maka besar tekanan P3 = P3a. P3 = P_3a =163,93x105Pa

Menurut (lit.1 hal 22). Hubungan antara temperatur titik 2 – 3a adalah pada volume konstan. λ = = 2 2 3 3 2 3 v P v P T

Ta a a

keterangan : dinamai ”laju ledakan” sehingga, temperatur T3a dapat dicari:

λ = 2 3 T Ta 7 , 1 54 , 1047 0

3 = Kx

T_a

K T_3a =1780,810

menurut (lit.8 hal 830) pada T_3a =1780,810K diperoleh:

kg kJ U3a =1468,154 /

kg kJ h_3a =1979,302 /

pemasukan kalor pada titik 2 - 3a – 3, yaitu:

a a

in q q

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

USU Repository © 2009

Dimana q (panas yang masuk ke dalam siklus sesuai dengan persamaan berikut) in

in

q = (FA) (LHV) . . . (lit.10 hal.385)

in

q = (0,033) (41868 kJ/kg)

in

q = 1381,644 kJ/Kg

sehingga entalpi pada titik 3 dapat diperoleh: )

( )

( _{3a 2 3 3a}

in U U h h

q = − + −

) . (

)

( 3 2 3 3 3 3

J v P U h U U

qin = a − + − a + a a

in a a q J v P U

h = + 3 3 +

2 3 . kg kJ kJ m kg kg m Pa x kg kJ

h 1381,644 /

/ 102 ) / 0318 , 0 ( 10 93 , 163 / 984 , 799 3 5 3 + − + = kg kJ h₃ =2692,703 /

menurut (lit.8 hal.830) dari tabel pada h₃=2692,703kJ/kg diperoleh: K

T₃ =2350,300 U₃ =2018,083kJ/kg

6278 , 3366 3 = r p 465565 , 0 3 = r v

e). Kondisi Titik 4

Dimana pada persamaan gas ideal diketahui :

3 3 3 3 3 3 T V P T V P a a a =

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.