PENGARUH PENCAMPURAN BENSOL-PREMIUM TERHADAP UNJUK KERJA MESIN BENSIN EMPAT LANGKAH 1.5 LITER Tugas Akhir - Pengaruh pencampuran bensol-premium terhadap unjuk kerja mesin bensin empat langkah 1,5 liter - USD Repository
PENGARUH PENCAMPURAN BENSOL-PREMIUM
TERHADAP UNJUK KERJA MESIN BENSIN EMPAT
LANGKAH 1.5 LITER
Tugas Akhir
Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin
Disusun oleh
Olwin Laskanio
NIM : 015214072
Program Studi Teknik Mesin
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Sanata Dharma
Yogyakarta
2007
THE EFFECT OF COMBINING AVGAS-PREMIUM TO THE PERFORMANCE OF 1.5 L GASOLINE BASED 4-STROKE MACHINE
FINAL PROJECT
Presented as partial fulfillment of the requirements to obtain The Sarjana Teknik degree in
Mecanical Engineering By
Olwin Laskanio Student Number : 015214072
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT ENGINEERING FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2007
Pernyataan
Dengan ini, saya menyatakan bahwa dalam Tugas Akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi dan sepanjang sepengetahuan saya tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Yogyakarta, 28 Maret 2007 Penulis
Olwin Laskanio
INTISARI
Avgas (bensol) merupakan bahan bakar untuk pesawat yang masih menggunakan mesin piston. Bensol memiliki angka oktan yang tinggi yaitu 100- 130.
Premium adalah bahan bakar yang umum digunakan untuk kendaraan bermesin bensin. Premium memiliki angka oktan 88.
Dari dasar tersebut maka para mekanik mencoba mencampur bahan bakar bensol dengan premium. Diharapkan dari pencampuran tersebut kinerja dari mesin menjadi lebih baik. Dikarenakan pencampuran yang dilakukan para mekanik dengan cara mencoba-coba maka tidak terdapat data yang akurat.
Maka pada penelitian ini peneliti ingin mengetahui secara pasti seberapa besar pengaruh pencampuran tersebut pada kinerja mesin. Penelitian dilakukan pada mesin engine testbed dengan perbandingan campuran volume bensol 10%, 15%, dan 20% dari volume total premium.
Dari hasil penelitian ini diketahui pencampuran antara bensol dan bensin dengan perbandingan volume bensol 10% mengalami penghematan bahan bakar sebesar 4,09% dibanding penggunaan premium murni. Untuk pencampuran dengan perbandingan volume bensol 15% penghematan bahan bakar sebesar 4,78%. Dan untuk pencampuran dengan perbandingan volume bensol 20% penghematan bahan bakar sebesar 2,9%.
Kata Pengantar
Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas kasih dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian Tugas Akhir yang berjudul “Pengaruh Pencampuran Bensol-Premium Terhadap Unjuk Kerja Mesin Bensin Empat Langkah 1,5 Liter”.
Penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat yang harus ditempuh untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis menyadari bahwa dalam proses penyusunan tugas akhir ini banyak pihak yang telah membantu dari awal hingga selesai. Melalui kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :
1. Romo Ir. Greg Heliarko, S.J., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin sekaligus sebagai Dosen Pembimbing I
3. Ir. FX. Agus Unggul Santoso selaku Dosen Pembimbing II
4. Ir. YB. Lukiyanto, M.T. selaku Kepala Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma.
5. Budi Setyahandana, S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing akademik.
6. Agustinus Rony Windaryawan, selaku Laboran Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
7. Keluarga tercinta Papa dan Mama, Cie-cie, serta semua pihak keluarga yang senantiasa memberikan dorongan serta dukungan.
8. Yenny, S.E. (Nini) yang telah membantu dalam pengeditan naskah dan selalu memberi motivasi, dorongan, serta kasih sayangnya.
9. Agustinus Setyo Purwanto, S.T., Klaus, Alosius. F, Albertus W.
Widyatmoko yang telah banyak membantu.
10. Teman-teman kos Ko GGn, Ko Yanto, Apin, Acun, A Boe, Ecko, Andre, Robby, Yohan, Rudy, Roby, Willy atas kekompakannya.
11. Semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.
Penulis sadar bahwa Tugas Akhir ini tidak terlepas dari kekurangan, oleh karena itu kritik dan saran yang bersifat membangun akan selalu diterima supaya laporan Tugas Akhir ini dapat berguna bagi orang lain khususnya teman-teman yang melaksanakan penelitian tentang motor bakar bensin.
Yogyakarta, 28 Maret 2007 Penulis
Daftar Isi
Halaman Judul .............................................................................................................i Tittle Page .................................................................................................................. ii Halaman Pengesahan Pembimbing .............................................................................iii Halaman Pengesahan ..................................................................................................iv Halaman Pernyataan ................................................................................................... v Intisari ........................................................................................................................vi Kata Pengantar .......................................................................................................... vii Daftar Isi ....................................................................................................................ix Daftar Gambar ........................................................................................................... xii Daftar Tabel ..............................................................................................................xiv
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ......................................................................................... 1
1.2 Permasalahan ........................................................................................... 2
1.3 Batasan Masalah ....................................................................................... 2
1.4 Tujuan Penelitian ..................................................................................... 3
BAB II TEORI MESIN BENSIN
2.1 Konsep Dasar Motor/Mesin ..................................................................... 4
2.2 Klasifikasi Motor Bakar (Bensin) ............................................................. 5
2.2.1 Susunan dan Jumlah Silinder ............................................................. 6
2.2.2 Sistem Pendinginan ........................................................................ 7
2.2.3 Sistem Penyalaan ............................................................................ 8
2.2.4 Letak Katup ..................................................................................... 9
2.2.5 Letak Poros Nok ............................................................................. 10
2.2.6 Jumlah Langkah Tiap Proses ......................................................... 11
2.3 Motor Otto Empat Langkah .................................................................... 12
2.3.1 Siklus Ideal Motor Otto Empat Langkah ....................................... 12
2.3.2 Prinsip Kerja Motor Empat Langkah ............................................. 14
2.3.3 Siklus Sebenarnya Motor Otto Empat Langkah ............................ 17
2.4 Sistem Pembukaan Katup ....................................................................... 20
2.5 Pembakaran ............................................................................................. 22
2.5.1 Proses Pembakaran ........................................................................ 25
2.5.2 Bahan Bakar Bensin ....................................................................... 28
2.5.3 Avgas .............................................................................................. 30
2.5.4 Avtur ............................................................................................... 33
2.5.5 Proses Penyalaan ............................................................................ 35
2.6 Sistem Pengisian dan Pembuangan ......................................................... 38
2.6.1 Sistem Pengisian ............................................................................ 38
2.6.2 Sistem Pembuangan ....................................................................... 39
BAB III MATERI DAN METODE PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian .......................................................................... 42
3.2 Definisi Operasional ............................................................................... 43
3.3 Lokasi Penelitian ..................................................................................... 43
3.4 Alat-alat Pengujian .................................................................................. 44
3.4.1 Mesin Bensin .................................................................................. 44
3.4.2 Dinamo Meter ................................................................................ 44
3.4.3 Alat Ukur......................................................................................... 44
3.5 Langkah Kerja ......................................................................................... 45
3.6 Parameter Dalam Perhitungan Motor Bakar ........................................... 48
BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Pengujian dan Perhitungan ............................................................. 60
4.1.1 Data Pengujian ............................................................................... 60
4.1.2 Perhitungan .................................................................................... 63
4.2 Hasil Perhitungan dan Grafik Hasil Perhitungan .................................... 76
4.2.1 Tabel Hasil Perhitungan ................................................................. 76
4.2.2 Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan .................................... 80
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ............................................................................................. 97
5.2 Saran ........................................................................................................ 97 Daftar Pustaka ........................................................................................................... 98 Lampiran ................................................................................................................... 99
Daftar Gambar
Gambar 2.1 Skema pengelompokan motor ............................................................ 5Gambar 2.2 Pendinginan motor ............................................................................. 8Gambar 2.3 Macam-macam susunan katup .......................................................... 10Gambar 2.4 Letak poros nok pada blok silinder .................................................... 11Gambar 2.5 Letak poros nok overhead cam .......................................................... 11Gambar 2.6 Diagram P vs V siklus ideal motor Otto ............................................ 13Gambar 2.7 Prinsip kerja mesin 4 langkah ............................................................ 14Gambar 2.8 Isi diatas torak ; torak pada TMB, torak pada TMA .......................... 16Gambar 2.9 Hubungan antara diagram pengatur katup dengan grafik tekanan vs volume untuk motor empat langkah................................................... 20Gambar 2.10 Mekanisme pembukaan katup............................................................ 21Gambar 2.11 Perjalanan pembakaran normal dan selama pembakaran terjadi pembakaran sendiri.......................... 25Gambar 2.12 Struktur kimia dari bensin atau hidrokarbon...................................... 28Gambar 2.13 Struktur Kimia dari Avgas (Bensol) .................................................. 31Gambar 2.14 Intake Manifold .................................................................................. 39Gambar 2.15 Exhaust Manifold ............................................................................... 40Gambar 2.16 Exhaust Muffler.................................................................................. 41Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ..................................................................... 42Gambar 3.2 Hubungan antara specific heat constant pressure of combustionGambar 4.6 Grafik putaran vs tekanan indikasi ................................................... 85Gambar 4.12 Grafik putaran vs kalor ekivalen dari pemakaian bahan bakar ........ 92Gambar 4.11 Grafik putaran vs konsumsi bahan bakar spesifik efektif .................. 91Gambar 4.10 Grafik putaran vs perbandingan udara dan bahan bakar.................... 90Gambar 4.9 Grafik putaran vs pemakaian bahan bakar ......................................... 88Gambar 4.8 Grafik putaran vs efisiensi pengisian ................................................. 87Gambar 4.7 Grafik putaran vs massa aliran udara masuk...................................... 86Gambar 4.5 Grafik putaran vs tekanan efektif rata-rata ........................................ 84exhaust gas
Gambar 4.4 Grafik putaran vs daya mekanis ........................................................ 83Gambar 4.3 Grafik putaran vs daya indikasi ........................................................ 82Gambar 4.2 Grafik putaran vs daya efektif ........................................................... 81Gambar 4.1 Grafik putaran vs torsi ...................................................................... 80C θ gz
( ) dengan temperature combustion exhaust gas ( ) ................................................................................................... 58 pg
Gambar 4.13 Grafik putaran vs Efisiensi termal efektif .......................................... 94Daftar Tabel
Tabel 4.2 Data pengujian dengan menggunakan campuran bensin dan avgasTabel 4.8 Tabel hasil perhitungan prestasi mesin dengan campuran avgas 20% . 79Tabel 4.7 Tabel hasil perhitungan prestasi mesin dengan campuran avgas 15% . 78Tabel 4.6 Tabel hasil perhitungan prestasi mesin dengan campuran avgas 10% . 77Tabel 4.5 Tabel hasil perhitungan prestasi mesin dengan bahan bakar bensin..... 7620% ....................................................................................................... 62
Tabel 4.4 Data pengujian dengan menggunakan campuran bensin dan avgas15% ....................................................................................................... 62
Tabel 4.3 Data pengujian dengan menggunakan campuran bensin dan avgas10% ....................................................................................................... 61
Tabel 4.1 Data pengujian mesin dengan menggunakan bensin murni.................. 61Tabel 2.1 Saat pembukaan dan penutupan katup isap dan katup buang .............. 22.............................................................. 55
w
θ – υ, θ – γ
Tabel 3.2 Hubungan Antara............................................................ 54
w
θ – Ps, θ – ρ
Tabel 3.1 Hubungan AntaraTabel 2.2 Nilai oktan avgas dan kandungan timbal .............................................. 31Tabel 4.9 Perbandingan kompresi dan nilai oktan yang dibutuhkan .................... 95BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Motor bensin adalah salah satu jenis motor pembakaran dalam yang banyak digunakan untuk menggerakkan atau sebagai sumber tenaga dari kendaraan darat. Motor bensin menghasilkan tenaga dari pembakaran bahan bakar di dalam silinder, dimana dengan pembakaran campuran udara dan bahan bakar ini akan timbul panas yang sekaligus akan mempengaruhi gas yang ada di dalam silinder untuk mengembang. Karena gas tersebut dibatasi oleh dinding silinder dan kepala silinder maka tekanan di dalam silinder akan naik. Tekanan inilah yang kemudian dimanfaatkan untuk menghasilkan gerak bolak-balik dengan perantaraan torak yang kemudian dirubah menjadi gerak putar oleh poros engkol, yang akhirnya dapat menggerakkan mobil.
Sejalan dengan perkembangan ilmu dan teknologi banyak terjadi penyempurnaan dan pengembangan baik dengan cara memodifikasi, menambah komponen-komponen pendukung ada juga dengan cara mencampur bahan bakar utama dengan bahan bakar yang memiliki angka oktan lebih tinggi atau zat aditif yang dapat memperbaiki unjuk kerja dari motor bensin yang sudah ada sebelumnya. Penyempurnaan dan pengembangan motor bensin antara lain untuk mendapatkan motor dengan efisiensi mesin yang tinggi, daya motor yang lebih besar.
Melihat perkembangan di bidang otomotif yang demikian pesatnya, maka dalam penelitian ini penulis ingin meningkatkan daya pada motor bakar dengan cara mencampur bahan bakar premium dengan bensol yang memiliki angka oktan lebih tinggi dari premium
1.2 Permasalahan
Dari latar belakang diatas maka penulis mencoba melakukan penelitian dengan engine testbed motor bensin dengan merk/tipe Toyota Kijang 5 K, 1500 cc, yaitu dengan cara mencampur premium dengan bensol. Dengan perbandingan volume bensol 10%, 15%, dan 20% dari volume total campuran. Dimana perbandingan tersebut merupakan perbandingan yang paling sering dipakai oleh para mekanik dalam dunia balap. Untuk itu penulis ingin mengetahui pangaruh pencampuran kedua bahan bakar tersebut pada daya yang dihasilkan dan pengaruhnya terhadap konsumsi bahan bakar pada motor bensin tersebut diatas tanpa merubah setingan mesin (mesin standar). Karena adanya pencampuran antara premium dengan bensol tentunya akan berdampak pada mesin tersebut.
1.3 Batasan Masalah
Agar penulisan tidak menyimpang, maka dibuat batasan seperlunya untuk mempermudah penganalisaan masalah, untuk itu penulis membatasi permasalahan yang dibahas berupa :
- Daya yang dihasilkan dari masing-masing perbandingan campuran bahan bakar pada berbagai putaran
- Konsumsi bahan bakar dari setiap perbandingan pada berbagai putaran.
1.4 Tujuan penelitian
Tujuan dari penulisan / penelitian ini adalah untuk mengetahui :
- Daya yang dihasilkan dari masing-masing perbandingan campuran antara premium dan bensol dengan volume bensol 10%, 15%, 20%
- Konsumsi bahan bakar dari campuran premium dengan bensol dengan perbandingan volume bensol 10%, 15%, 20%.
BAB II TEORI MESIN BENSIN
2.1 Konsep Dasar Motor/Mesin
Motor/mesin adalah bagian utama dari suatu alat atau kendaraan yang menggunakan mesin penggerak. Mesin merupakan alat yang merubah sumber tenaga panas, listrik, air, angin, tenaga atom, atau sumber tenaga lainnya menjadi tenaga mekanik. Dari tenaga yang dihasilkan inilah alat/kendaraan dapat bergerak serta dapat mengatasi keadaan, jalan, udara dan sebagainya.
Mesin yang merubah tenaga panas menjadi tenaga mekanik disebut motor bakar (thermal engine). Mesin motor bakar (thermal engine) dikelompokkan menjadi dua, yaitu mesin pembakaran luar (external combustion engine) dan mesin pembakaran dalam (internal combustion engine).
Mesin pembakaran luar dan mesin pembakaran dalam bekerja dengan jalan merubah tenaga panas menjadi tenaga mekanik, namun proses untuk menghasilkan tenaga mekanik tersebut berbeda. Mesin pembakaran dalam bekerja dengan jalan memproduksi panas bertekanan tinggi didalam mesin itu sendiri.
Mesin ini membakar bahan bakar didalam mesin itu sendiri kemudian panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar tersebut dirubah menjadi tenaga mekanik secara langsung oleh mesin itu sendiri. Sebagai contoh, mesin bensin, mesin diesel, mesin gas dan lain-lain.
Mesin pembakaran luar adalah mesin yang memanfaatkan panas dan tekanan yang dihasilkan oleh mesin/pesawat lain diluar mesin pembakaran luar itu sendiri. Mesin yang termasuk dalam kategori mesin pembakaran luar antara lain mesin uap, mesin turbin uap, mesin nuklir, dan mesin nuklir turbin.
Secara garis besar pengelompokan pesawat/mesin penggerak dapat dilihat pada gambar 2.1 dibawah ini.
Motor pembakaran dalam Gerak bolak-balik Motor bensin Motor diesel Motor gas
M
Gerak putar Motor Wankel
O T O Gerak linier Mesin jet R
Motor Stirling Motor Pembakaran Luar Mesin uap
Turbin uap
Gambar 2.1 Skema Pengelompokan Motor
Sumber : Drs. Wardan Suyanto MA. 1989. Teori Motor Bensin. Halaman 6
2.2 Klasifikasi Motor Bakar (Bensin)
Di dunia otomotif sekarang ini banyak sekali jenis dan macam dari motor bakar yang digunakan untuk menggerakan kendaraan sehingga sulit untuk membedakan satu dengan lainnya, oleh karena itu klasifikasi motor bakar perlu untuk diketahui.
Motor bakar diklasifikasikan berdasarkan susunan dan jumlah silinder, sistem pendinginan, sistem penyalaan, letak katup, letak poros nok, serta bahan bakar yang digunakan dan jumlah langkah per proses.
2.2.1 Susunan dan Jumlah Silinder
Semua motor penggerak yang digunakan pada kendaraan mempunyai silinder lebih dari satu, misalnya 2, 3, 4, 6 dan 8. Semakin banyak silinder yang dipakai maka semakin halus suara motor itu atau dengan kata lain getaran yang ditimbulkan oleh motor akan lebih kecil dibandingkan dengan yang bersilinder lebih sedikit. Ini disebabkan karena motor yang bersilinder banyak pembagian tenaganya lebih merata dibanding yang bersilinder sedikit.
Silinder dari motor diatur dengan bermacam posisi atau bentuk, yang pada umumnya terdiri dari lima macam, yaitu :
1. Motor dengan susunan silinder segaris atau sering disebut dengan inline
engine . Motor dengan susunan silinder segaris (inline engine) membentuk garis lurus satu arah dan sejajar dengan poros engkol.
2. Motor dengan susunan silinder berbentuk V. Dikatakan jenis V karena dilihat dari depan maupun dari belakang susunan silindernya membentuk huruf V, dimana dua barisan silinder disisi kiri dan kanan dari poros engkol membentuk sudut dari 60 derajat sampai 90 derajat.
3. Motor dengan susunan silinder miring (slant engine). Susunan silinder dari motor ini miring baik ke kiri maupun ke kanan bila dilihat dari arah depan motor. Sebenarnya motor ini sama dengan motor jenis segaris hanya saja silindernya dibuat miring. Tujuannya untuk mengurangi ketinggian dari dimensi mesin.
4. Motor dengan susunan silinder berlawanan/horisontal yang sering disebut
pancake engine . Disebut pancake engine karena posisi silinder horisontal
berlawanan arah satu sama lainnya
5. Motor dengan susunan silinder radial (silinder bintang). Motor jenis bintang atau radial tidak digunakan untuk mobil, melainkan pada pesawat terbang.
Oleh karena itu tidak dimasukkan kedalam kelompok ini.
2.2.2 Sistem Pendinginan Gas pembakaran di dalam silinder dapat mencapai temperatur ± 2500°C.
Proses tersebut terjadi berulang-ulang maka dinding silinder, kepala silinder, piston, katup dan beberapa bagian yang lain akan menjadi panas. Tidak semua energi hasil pembakaran dapat dirubah kedalam tenaga mekanik, hanya sekitar 25% yang dapat diubah menjadi tenaga mekanis. Kira-kira sebesar 45% hilang bersama gas buang atau gesekan dan 30% hilang untuk pendinginan mesin.
Panas yang diserap oleh mesin harus dibuang dengan segera ke udara, karena bila tidak dapat menyebabkan mesin menjadi terlalu panas dan dapat mempercepat keausan komponen mesin.
Klasifikasi sistem pendingin ada dua macam, yaitu :
1. Pendinginan dengan cairan, dilakukan dengan cara mengelilingi bagian-bagian yang didinginkan dengan cairan pendingin, biasanya air. Panas yang diserap oleh cairan pendingin selanjutnya dilepas ke udara. Cairan pendingin selain berfungsi sebagai pendingin juga berfungsi sebagai peredam bunyi.
2. Pendinginan dengan udara, dilakukan dengan cara menyalurkan panas hasil pembakaran langsung ke sisi silinder dan kepala silinder, kemudian disalurkan ke sirip-sirip untuk memperluas penampang yang bersinggungan dengan udara.
Gambar 2.2 Pendinginan Motor
Sumber : Drs. Wardan Suyanto MA. 1989. Teori Motor Bensin. Halaman 14
2.2.3 Sistem Penyalaan
Ada dua sistem penyalaan yang digunakan untuk menyalakan bahan bakar didalam silinder (ruang bakar) yaitu dengan bunga api dan dengan udara panas (udara yang dikompresikan).
Motor dengan penyalaan bunga api menggunakan loncatan bunga api yang dihasilkan oleh busi untuk membakar bahan bakar yang ada didalam ruang bakar.
Motor dengan penyalaan udara panas memanfaatkan panas udara yang dimampatkan oleh piston pada saat kompresi, karena udara yang dimampatkan didalam ruang bakar akan menjadi cukup panas untuk memulai pembakaran bahan bakar sehingga tidak perlu lagi peralatan pembantu untuk menyalakan bahan bakar.
2.2.4 Letak Katup
Ada beberapa jenis letak katup atau susunan katup yang dipakai untuk mengklasifikasikan motor bakar, yaitu :
1. Jenis F. Susunan katup mirip bentuk huruf F, dimana satu katup terletak dibawah dan satu katup yang lain terletak diatas.
2. Jenis L, dimana susunan katup masuk dan keluar saling berdampingan pada blok silinder dan hanya pada satu sisi dari silinder. Konstruksi ini sangat sederhana namun tidak dapat menghasilkan perbandingan kompresi yang tinggi.
3. Jenis I, dimana kedua katup berada dibagian atas silinder. Jenis ini dapat dipakai untuk motor dengan kompresi tinggi dan biasanya digerakkan dengan satu poros nok.
4. Jenis T. Mirip dengan jenis L, hanya saja katupnya ada di dua sisi dari silinder sehingga ruang bakarnya menjadi lebih luas.
5. Jenis over head cam (OHC), dimana mekanisme penggerak katup menjadi lebih sedikit, dan ketepatan pembukaan dan penutupan menjadi lebih tepat karena antara poros nok dan katupnya tidak ada pengantar yang lain. Ada dua macam motor dengan susunan over head cam, yakni single over head cam (SOHC) dan double over head cam (DOHC).
Contoh dapat dilihat pada gambar 2.3.
Gambar 2.3 Macam-Macam Susunan Katup
Sumber : Drs. Wardan Suyanto MA. 1989. Teori Motor Bensin. Halaman 16
2.2.5 Letak Poros Nok
Klasifikasi mesin berdasarkan letak poros nok ada dua macam, yakni poros nok yang berada pada blok silinder dan poros nok yang berada pada kepala silinder.
Pada poros nok yang berada pada blok silinder, untuk menggerakkan atau membuka dan menutup katup, antara poros nok dan katup diperlukan alat bantu yang berupa tappet, batang penumbuk, dan pelatuk. Adanya pengantar ini akan dapat mempengaruhi ketepatan pembukaan dan penutupan katup terutama pada putaran tinggi.
Sedangkan pada poros nok yang berada pada kepala silinder, antara poros nok dan katup-katupnya bisa berhubungan langsung tanpa batang penumbuk sehingga dapat mengatasi kelemahan pada poros nok jenis pertama.
Gambar 2.4 Letak Poros Nok Pada Blok Silinder
Sumber : Drs. Wardan Suyanto MA. 1989. Teori Motor Bensin. Halaman 18
Gambar 2.5 Letak Poros Nok Overhead Cam
Sumber : Drs. Wardan Suyanto MA. 1989. Teori Motor Bensin. Halaman 18
2.2.6 Jumlah Langkah Tiap Proses
Motor bakar dapat diklasifikasikan berdasarkan pada jumlah langkah per prosesnya menjadi dua kategori, yakni motor dua langkah dan motor empat langkah. Pada motor dua langkah, untuk menghasilkan satu kali tenaga atau langkah tenaga diperlukan dua kali langkah torak. Motor empat langkah menghasilkan tenaga setiap empat langkah torak sekali. Secara keseluruhan motor empat langkah lebih ekonomis dalam penggunan bahan bakar.
2.3 Motor Otto Empat Langkah
2.3.1 Siklus Ideal Motor Otto Empat Langkah
Proses termodinamika dan kimia yang terjadi di dalam motor bakar sangat kompleks untuk dianalisis menurut teori. Untuk memudahkan teori tersebut di asumsikan suatu keadaan yang ideal. Tetapi makin ideal suatu keadaan maka akan semakin jauh menyimpang dari keadaan sebenarnya. Pada umumnya, untuk menganalisis motor bakar digunakan siklus udara sebagai siklus yang ideal. Siklus udara menggunakan beberapa keadaan yang sama dengan siklus sebenarnya, misalnya mengenai :
1. Urutan proses,
2. Perbandingan kompresi,
3. Pemilihan temperatur dan tekanan pada suatu keadaan, dan 4. Penambahan kalor yang sama per satuan berat udara.
Pada mesin yang ideal, proses pembakaran yang dapat menghasilkan gas bertekanan dan bertemperatur tinggi itu dimisalkan sebagai proses pemasukan panas ke dalam fluida kerja di dalam silinder.
Siklus udara volume konstan (siklus Otto) dapat digambarkan dengan grafik PV seperti yang terlihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Diagram P vs. V Siklus Ideal Motor Otto
Sumber : Wiranto Arismunandar, Penggerak Mula Motor Bakar Torak, Halaman 15
Keterangan : 2 3 3 P = Tekanan fluida kerja ( kg/cm ) V = Volume langkah torak ( ) 3 L 3 m atau cm 3 v = volume spesifik ( m /kg ) V = Volume sisa ( m atau cm ) s q = Jumlah kalor masuk (kcal/kg) TMA = Titik mati atas m q = Jumlah kalor keluar (kcal/kg) TMB = Titik mati bawah k
Sifat ideal yang digunakan serta keterangan mengenai proses siklusnya adalah sebagai berikut :
1. Fluida kerja dianggap sebagai gas ideal dengan kalor spesifik yang konstan.
2. Langkah hisap (0-1) merupakan proses tekanan konstan.
3. Langkah kompresi (1-2) ialah proses isentropic.
4. Proses pembakaran pada volume konstan (2-3) dianggap sebagai proses pemasukan kalor pada volume konstan.
5. Langkah kerja (3-4) ialah proses isentropic.
6. Proses pembuangan (4-1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada volume konstan.
7. Langkah buang (1-0) ialah proses tekanan konstan.
8. Siklus dianggap tertutup, artinya siklus ini berlangsung dengan fluida kerja yang sama.
2.3.2 Prinsip Kerja Motor Empat Langkah
Secara garis besar cara kerja motor bensin adalah sebagai berikut. Mula- mula gas yang merupakan campuran bahan bakar dengan udara yang dihasilkan dari karburator dihisap masuk ke dalam silinder kemudian dimampatkan dan dibakar. Karena panas, gas tersebut mengembang dan tekanan di dalam silinder atau ruang bakar naik. Tekanan ini yang mendorong torak ke bawah dan menghasilkan langkah usaha yang oleh batang torak diteruskan ke poros engkol dan poros engkol akan berputar.
Mesin bensin empat langkah menjalani satu siklus yang tersusun atas empat tahap/ langkah seperti Gambar 2.7 berikut :
Gambar 2.7 Prinsip Kerja Mesin Empat Langkah
Sumber : Wiranto Arismunandar. Penggerak Mula Motor Bakar Torak, Halaman 8 Keterangan : KI = Katup hisap TMA = Titik mati atas KB = Katup buang TMB = Titik mati bawah Prinsip kerja mesin empat langkah : 1. Langkah hisap.
Torak mulai bergerak dari titik mati atas (TMA) menuju titik mati bawah (TMB), maka terjadilah penurunan tekanan di dalam silinder di bagian atas torak.
Akibat penurunan tekanan ini maka terjadi perbedaan tekanan udara antara ruang dalam silinder dan luar silinder. Apabila katup hisap dibuka, perbedaan tekanan ini memungkinkan mengalirnya campuran bahan bakar dengan udara dari karburator melalui saluran masuk (intake manifold) ke dalam silinder. Proses ini berlangsung hingga torak mencapai TMB, bersamaan dengan itu katup hisap ditutup. Dengan ditutupnya katup maka campuran bahan bakar dengan udara tertahan di dalam silinder. Seterusnya proses ini dilanjutkan dengan proses kompresi.
2. Langkah kompresi.
Pada langkah ini, kedua katup (katup hisap dan katup buang) tertutup rapat sehingga tidak mungkin gas yang tadi dihisap ke dalam silinder untuk ke luar dari silinder. Kemudian torak yang berada di TMB bergerak menuju TMA. Dengan bergeraknya torak tersebut maka terjadi penyempitan ruangan diatas torak dimana campuran bahan bakar dengan udara berada, campuran tersebut dimampatkan sehingga tekanannya akan naik sesuai dengan perbandingan kompresi, dimana semakin tinggi tekanan kompresinya akan semakin tinggi pula tenaga yang dihasilkan oleh motor tersebut. Perbandingan kompresi adalah perbandingan antara dua macam volume, yaitu :
- Volume di atas piston pada kedudukan TMB (V L )
)
- Volume di atas piston pada kedudukan TMA (V S
Sumber : BPM. Arends, H. Berenschot. Motor Bensin. Halaman 8
Perbandingan pemampatan dinyatakan dengan symbol r, dalam persamaan menjadi :
- V L s
V r =
V s 3. Langkah usaha.
Pada saat langkah kompresi belum selesai, yaitu beberapa derajat sebelum TMA, busi mengeluarkan bunga api untuk membakar campuran bahan bakar dengan udara yang telah dikompresikan. Penyalaan busi beberapa derajat sebelum torak mencapai TMA bertujuan agar diperoleh tekanan yang tertinggi. Hasil pembakaran ini terjadi beberapa saat setelah TMA dimana pada titik tersebut merupakan titik terbaik untuk menghasilkan tenaga atau dengan kata lain efisiensinya tertinggi.
Dengan terbakarnya bahan bakar tesebut maka temperatur di dalam silinder akan naik yang mengakibatkan naiknya tekanan di dalam silinder.
Tekanan inilah yang akan mendorong torak ke bawah sehingga terjadi langkah usaha.
4. Langkah buang Pada langkah buang, katup hisap tetap tertutup sedangkan katup buang terbuka dan torak bergerak dari TMB menuju TMA. Karena gerakkan torak dari
TMB ke TMA maka ruangan di atas torak menjadi semakin sempit, akan tetapi karena katup buangnya terbuka maka tekanan di dalam silinder tidak mengalami kenaikkan, tetapi gerakkan torak tersebut justru mendorong gas sisa hasil pembakaran keluar dari dalam silinder.
Dengan berakhirnya langkah buang maka akan diikuti dengan langkah hisap lagi yang kemudian terjadi terus-menerus selama motor hidup, dimana pada keadaan sebenarnya pembukaan katup tidak tepat pada saat torak mencapai TMA tetapi ada keadaan dimana katup satu dengan yang lainnya saling overlap atau terbuka secara bersamaan, yang tujuannya untuk mempertinggi tenaga yang dihasilkan dan mempertinggi efisiensi dari motor.
2.3.3 Siklus Sebenarnya Motor Otto Empat Langkah
Dalam kenyataannya terjadi penyimpangan dari siklus udara (ideal) karena terjadi kerugian yang disebabkan oleh hal berikut :
1. Kebocoran fluida kerja karena penyekatan oleh cincin torak dan katup tidak sempurna.
2. Pembukaan dan penutupan katup tidak tepat di TMA dan TMB karena pertimbangan dinamika mekanisme katup dan kelembaman fluida kerja.
Kerugian tersebut dapat diperkecil bila saat pembukaan dan penutupan katup disesuaikan dengan besarnya beban dan kecepatan torak.
3. Fluida kerja bukanlah udara yang dianggap sebagai gas ideal dengan kalor spesifik yang konstan selama proses siklus berlangsung.
4. Pada motor bakar torak yang sebenarnya, ketika torak berada di TMA tidak terdapat proses pemasukan kalor seperti pada siklus udara, kenaikan tekanan dan temperatur fluida kerja disebabkan oleh proses pembakaran bahan bakar dan udara di dalam silinder.
5. Proses pembakaran memerlukan waktu (tidak berlangsung sekaligus). Hal ini mengakibatkan proses pembakaran berlangsung pada volume ruang bakar yang berubah-ubah karena gerakan torak. Dengan demikian proses pembakaran harus sudah dimulai beberapa derajat sudut engkol sebelum torak mencapai TMA dan berakhir beberapa derajat sudut engkol sesudah torak bergerak kembali dari TMA ke TMB. Jadi, proses pembakaran tidak berlangsung pada volume konstan. Disamping itu, pada kenyataannya tidak pernah terjadi pembakaran sempurna, sehingga daya dan efisiensinya sangat tergantung pada perbandingan campuran bahan bakar dan udara, kesempurnaan bahan bakar dan udara tersebut bercampur dan timing penyalaan.
6. Terdapat kerugian kalor yang disebabkan oleh perpindahan kalor dari fluida kerja ke fluida pendingin, terutama pada langkah kompresi, ekspansi dan pada waktu gas buang meninggalkan silinder. Perpindahan kalor tersebut terjadi karena terdapat perbedaan temperatur antara fluida kerja dengan fluida pendingin. Fluida pendingin diperlukan untuk mendinginkan bagian-bagian mesin yang menjadi panas akibat proses pembakaran, untuk mencegah kerusakan pada bagian-bagian mesin tersebut.
7. Terdapat kerugian energi kalor yang dibawa oleh gas buang dari dalam silinder ke udara luar. Energi tersebut tidak dapat dimanfaatkan untuk melakukan kerja mekanik
8. Terdapat kerugian karena gesekan antara fluida kerja dengan dinding salurannya.
Berdasarkan hal-hal diatas, bentuk diagram PV dari siklus sebenarnya tidak sama dengan bentuk diagram siklus ideal. Siklus yang sebenarnya tidak pernah merupakan siklus volume konstan (untuk motor bensin). Gambar 2.9 Menunjukkan bentuk diagram PV dari sebuah motor torak empat langkah yang sebenarnya.
Gambar 2.9 Hubungan Antara Diagram Pengatur KatupDengan Grafik Tekanan Versus Volume Untuk Motor Empat Langkah
Sumber : Wiranto Arismunandar. Penggerak Mula Motor Bakar Torak, Halaman 31
2.4 Sistem Pembukaan Katup
Ada dua macam mekanisme katup yang umum dipakai pada motor yaitu sistem katup kepala atau over-head valve (OHV) dan sistem poros cam pada kepala silinder atau over head cam (OHC). Untuk OHC masih dibagi menjadi dua jenis yaitu single over head cam dan double over head cam.
Jenis katup kepala (OHV) adalah mekanisme penggerakan katup dimana poros cam berada pada blok silinder sehingga untuk menggerakan katup diperlukan beberapa perantara yaitu tapet, batang penumbuk , dan pelatuk. Untuk model kedua yaitu model poros cam pada kepala silinder (OHC) baik yang SOHC dan DOHC memerlukan perantara yang lebih sederhana yaitu dari poros cam langsung ke pelatuk lalu ke katup, bahkan ada yang dari poros cam langsung menggerakan katup Katup dipasang pada kepala silinder, yang terdiri dari katup isap dan katup buang. Katup isap adalah katup yang digunakan untuk membuka dan menutup saluran untuk memasukkan campuran bahan bakar dan udara ke dalam silinder, katup buang adalah katup yang digunakan untuk membuka dan menutup saluran pembuangan untuk membuang gas bekas pembakaran dari dalam silinder.
Pada kerja motor bakar torak yang sebenarnya, katup tidak dibuka dan ditutup sekaligus pada titik matinya tetapi katup itu dibuka dan ditutup secara berangsur-angsur (Gambar 2.10) tanpa menimbulkan kerugian yang terlalu besar sehingga dapat menghasilkan kerja per siklus yang maksimum. Hal ini ditentukan oleh tekanan hisap dan tekanan buang, konstruksi katup dan kecepatan rata-rata torak.
Gambar 2.10 Mekanisme pembukaan katup
Sumber : Wiranto Arismunandar. Penggerak Mula Motor Bakar Torak, Halaman 12
Semua gas pembakaran yang sudah tidak terpakai lagi diusahakan dapat dikeluarkan selama langkah buang, sedangkan campuran udara dan bahan bakar diusahakan dapat dimasukkan sebanyak-banyaknya selama langkah hisap. Jadi, bagi setiap mesin itu ditetapkan saat yang tepat kapan katup itu membuka atau menutup. Tabel 2.1 menunjukkan saat katup hisap dan katup buang menutup dan membuka pada motor bakar torak yang umum dipakai.
Tabel 2.1 Saat Pembukaan dan Penutupan Katup Hisap dan Katup Buang
Sumber : Wiranto Arismunandar. Penggerak Mula Motor Bakar Torak, Halaman 35
2.5 Pembakaran
Pembakaran didalam motor adalah hal yang sangat menentukan besarnya tenaga yang dihasilkan motor dengan disuplainya sejumlah bahan bakar kedalam silinder dari motor tersebut. Dengan adanya sejumlah bahan bakar didalam silinder yang sudah bercampur dengan udara dan telah termampatkan akibat gerakkan torak yang telah mencapai TMA, selanjutnya akan dinyalakan oleh percikan api dari busi, sehingga pembakaran terjadi.
Pembakaran di dalam silinder adalah merupakan reaksi kimia antara unsur yang terkandung didalam bahan bakar yaitu hidrokarbon dengan udara atau oksigen, yang diikuti dengan timbulnya panas. Panas yang dilepaskan selama proses pembakaran inilah yang digunakan oleh motor untuk menghasilkan tenaga.
Pembakaran didalam silinder belum tentu dapat terjadi dengan sempurna. Ada tiga macam pembakaran yang mungkin terjadi didalam silinder yaitu pembakaran normal, pembakaran sendiri atau auto ignition, dan pembakaran tidak terkontrol yang sering disebut detonasi.
Pembakaran normal adalah pembakaran didalam silinder yang terjadi karena nyala api yang ditimbulkan oleh percikan bunga api oleh busi. Dengan bunga api ini, proses terbakarnya bahan bakar berlangsung hingga bahan bakar terbakar habis dengan kecepatan yang relatif konstan. Suhu pembakaran berkisar antara 2100 K (1827°C) sampai 2500 K (2227°C), lama pembakaran pada pembakaran normal kira-kira 3 milidetik (0,003 s), terjadi juga perjalanan tekanan teratur diatas permukaan piston.
Untuk pembakaran sendiri atau auto ignition terjadi bukan disebabkan oleh percikan bunga api dari busi melainkan terbakar akibat suhu tinggi yang ada di dalam silinder. Pembakaran yang tidak teratur mengakibatkan pembebanan terlalu berat dari mekanismenya. Gerakan dari gas terhadap logam menimbulkan suara seperti pukulan yang disebut detonasi. Detonasi yang berulang-ulang dalam waktu yang lama dapat merusak bagian ruang bakar, terutama bagian tepi kepala torak tempat detonasi terjadi. Di samping itu, detonasi diakibatkan bagian ruang bakar (misalnya busi atau kerak yang ada) yang sangat tinggi temperaturnya atau pijar, sehingga dapat menyalakan campuran bahan bakar dan udara sebelum waktunya. Penyalaan yang terlalu awal ini dapat mengurangi daya dan efisiensi mesin, sedangkan tekanan maksimum gas pembakaran juga akan bertambah tinggi.
Detonasi dapat dicegah dengan beberapa cara yaitu :
Sumber : Wiranto Arismunandar. Penggerak Mula Motor Bakar Torak, Halaman 83)
(
1. Mengurangi tekanan dan temperatur bahan bakar dan udara yang masuk ke ruang bakar.
2. Mengurangi perbandingan kompresi.
3. Memperlambat saat penyalaan.
4. Mempertinggi angka oktan bensin.
5. Pendinginan gas yang belum terbakar.
6. Membuat konstruksi ruang bakar yang sedemikian rupa sehingga bagian yang terjauh dari busi mendapat pendinginan yang lebih baik.
7. Busi ditempatkan di pusat ruang bakar yaitu di antara katup buang (bagian yang panas) dan katup hisap (tempat kemungkinan besar terdapat campuran yang kaya).
8. Menaikkan kecepatan torak atau putaran poros engkol untuk memperoleh arus turbulen pada campuran di dalam silinder yang mempercepat rambatan nyala api.
9. Ketepatan waktu pembukaan dan penutupan katup harus dijaga.
Gambar 2.11 Perjalanan Pembakaran Normal (a-d) dan Selama Pembakaran Terjadi Pembakaran Sendiri (e-h)
Sumber : BPM. Arends, H. Berenschot. Motor Bensin. Halaman 60
2.5.1 Proses Pembakaran
Proses pembakaran tidak akan terjadi apabila tidak ada oksigen didalam silinder. Baik buruknya proses pembakaran ditentukan banyak sedikitnya jumlah oksigen yang ada didalam silinder. Apabila campuran bahan bakar dengan udara yang masuk kedalam silinder mempunyai campuran yang sesuai antara jumlah hidrokarbon dengan jumlah oksigen dan campurannya homogen, maka akan dimungkinkan terjadinya pembakaran yang normal dan sempurna.
8 + Bahan bakar yang dibakar diambil hidrokarbon-nya ( C H ) dan jika 18 pembakarannya sempurna maka hasil pembakarannya menjadi CO dan H O . 2 2 Jadi kalau ditulis dalam persamaan adalah sebagai berikut : 8 18 + + + + C H O N → CO H O N 2 2 2 2 2 Jika pembakarannya sempurna maka jumlah semua bagian kiri sama dengan jumlah bagian kanan. Agar seimbang, semua harus tereaksi sampai habis, sehingga :
8CO
C → 8 2 Sedangkan balance hidrogennya : H → 18
9 H O 2 Karena reaksinya dengan oksigen maka balance oksigen menjadi : 1
12 O ← 2 2
8CO 2 + 9 H O 2 Karena kandungan nitrogen diudara setiap satu mole oksigen akan bersamaan dengan 3,76 mole nitrogen, maka di dalam proses ini terdapat juga nitrogen yang jumlah balance adalah : 1 12 ( 2 3 , 76 ) N → 2