Rancang Bangun Penguji Kinerja Motor Bak
Rancang Bangun Penguji Kinerja Motor Bakar Bensin Kapasitas Maksimum
150cc dengan Pengukur Daya sebuah Pompa Sentrifugal
Adri Maldi Subardjah
Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Bandung
ABSTRACT
Heat which is produced by an internal combustion engine is converted, in general, into three
kinds of energies such as shaft power, energy of coolant and exhaust gas. This research is
aiming to measure shaft power using centrifugal pump and exhaust energy using shell and
tube heat exchanger.
Air-fuel ratio had been measured using burette and orifice meter. It was found that engine
efficiency tends to decrease when the load becoming higher and vise versa. Air-fuel ratio tends
to be ideal when the load is minimum, i.e., 1:13.78. Result of distribution energy rates which
had been measured are as follows 20.28% to shaft, 35.05% to exhaust and 44.67% to coolant.
Keywords:
Air-fuel ratio, pump’s power, shaft’s power, exhaust gas heat, coolant heat, energy balance
PENDAHULUAN
Pengguna kendaraan roda dua atau yang biasa
disebut motor di masyarakat kita sangat
banyak. Produsen motorpun menjadi lebih
banyak dengan datangnya produk dari daratan
Cina,
Taiwan
dan
Korea.
Dengan
bertambahnya produk yang datang, bertambah
pula merek motor yang mempunyai kualitas
yang beragam pula. Tentunya kualitas motor
harus diuji kehandalannya agar pengguna tidak
dirugikan. Untuk itu, Peneliti berusaha
merancang-bangun suatu test rig yang sesuai
untuk digunakan sebagai alat penguji motor
bakar bensin kendaraan roda dua. Selain itu
diharapkan test rig ini mempunyai kemampuan
dan ketelitian yang dapat dipertanggungjawabkan serta biaya produksi yang relatif
murah. Secara khusus, penelitian ini ditujukan
untuk
dapat mengetahui detil variabel yang
diperlukan untuk perhitungan heat
balance dan efisiensi motor bakar.
mengadakan alat uji kinerja motor bakar
dengan biaya yang relatif murah.
membuktikan bahwa tidak hanya sistem
Eddy current saja yang dapat mengukur
daya motor bakar.
Hasil penelitian diharapkan mempunyai
manfaat sebagai berikut:
mendapatkan alat uji kinerja motor bakar
bensin dengan daya maximum 7 kW
test rig dapat digunakan untuk penelitian
selanjutnya, khususnya dalam bidang
motor bakar.
dapat memberikan praktek perbaikan
motor bakar yang teruji dan terkontrol.
METODE
Energi
yang dihasilkan dari proses
pembakaran di ruang bakar terbagi menjadi 3
bagian dan secara umum perbandingannya
hampir sama. Energi tersebut mengalir
menuju: poros, pendingin dan gas buang [1].
Pengukuran konsumsi bahan bakar dapat
dilakukan dengan menggunakan buret dan
pengukur waktu. Sedangkan untuk udara yang
diperlukan sebagai pencampur bahan bakar
dapat diukur dengan menggunakan orifice.
Dengan demikian air fuel ratio dapat dihitung
dan dengan mengetahui calorific value dari
BBM tersebut maka energi masuk dapat
diketahui dengan menggunakan rumus umum:
.
Ein CVB mB
(1)
.
dimana m B massa alir BBM per satuan waktu;
CVB = Harga kalori dari BBM [2]
Pompa penyerap daya yang digunakan adalah
pompa sentrifugal volut. Pertama, untuk
memindahkan daya dari poros motor bakar ke
pompa diperlukan suatu sistem transmisi.
Sistem transmisi ini diharapkan dapat
memindahkan daya sedemikian rupa sehingga
proses pengujian sepeda motor dapat
dilakukan dengan mudah dan aman. Kedua,
1
diperlukan sistem pengukuran efisiensi pompa
dan yang terakhir diperlukan pengukuran daya
yang diserap oleh pompa sentrifugal, dalam
hal ini P=ρgHQ. Dengan demikian daya poros
dapat diketahui dengan persamaan [3]:
P
Ps
P
(2)
Sistem Transmisi
Dengan melepaskan roda belakang dan
menggunakan adaptor yang serupa dengan
roda belakang namun mempunyai 2 sprocket
besar dimana salah satu sprocket digunakan
sebagai sprocket yang digerakkan oleh
sprocket depan sedangkan sprocket lainnya
sebagai penggerak sprocket yang dipasang
pada poros pompa. Secara skematik sistem
transmisi ini dapat dilihat pada Gambar 1.
Sistem Adaptor
Roda Belakang
Sprocket depan
digerakkan poros
utama
Sprocket
belakang 1 Sprocket
belakang 2
Secara skematik konstruksi prototipe dapat
dilihat pada Gambar 2.
Sprocket
penggerak
pompa
Gambar 1. Sistem Transmisi pada Adaptor
Roda Belakang
Gambar 2. Rancangan SkematikPrototipe Test Rig
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kalibrasi Orifice Meter Penyerap Daya
Dari data Tabel 1 didapat grafis seperti terlihat
pada Grafik 1. Coefficient discharge, Cdo,
bergantung pada debit yang dihasilkan yaitu
untuk debit minimum 0,44 liter/detik nilai Cdo
adalah 0,61 sedangkan untuk debit maksimum
yang dapat terukur 1,37 liter/detik dengan Cdo
sebesar 0,86. Dengan demikian Cdo rata-rata
dari keseluruhan pengukuran sebesar 0,77
dengan tidak menghitung Cdo debit minimum
dikarenakan debit tersebut tidak termasuk ke
dalam kisaran debit yang digunakan dalam
penelitian kinerja motor bakar.
Tabel 1. Kalibrasi Orifice Meter
Rasio jumlah gigi sprocket depan dan sprocket
belakang 1 ditentukan sedemikian rupa
sehingga sama dengan perbandingan jumlah
gigi sprocket penggerak pompa dan sprocket
belakang 2 sehingga pompa akan digerakkan
dengan putaran yang sama dengan putaran
poros utama penggerak pada sepeda motor.
Energi ouput kedua berupa kalor yang hilang
melalui gas buang yang keluar melalui exhaust
manifold. Kalor yang hilang diukur dengan
menggunakan penukar kalor dengan sistem
counter flow dan single pass yang mempunyai
logarithmic mean temperature difference
(LMTD) yang lebih besar dibandingkan dengan
sistem parallel flow [4]. Dengan efektifitas
penukar yang baik maka diharapkan kalor yang
terbuang dapat dipindahkan dari gas buang ke
fluida lainnya secara optimal. Namun, suhu gas
buang biasanya masih di atas suhu ruangan
sehingga perhitungan kalor yang terbuang
harus termasuk jumlah kalor yang masih
tersisa pada gas tersebut [5].
Grafik 1 Data Kalibrasi Orifice Meter
2
Pengujian Kinerja Sepeda Motor dengan
Pompa Sentrifugal sebagai Penyerap Daya
Utama
Pengukuran
udara
dilakukan
dengan
menggunakan adaptor karet yang bekerja
sebagai orifice meter dan manometer dengan
cairan alkohol. Sedangkan pengukuran
konsumsi bahan bakar langsung diukur dari
buret dengan menggunakan stop watch.
Penyerap Daya: Pompa Sentrifugal
Data percobaan mengenai penyerapan daya
oleh pompa dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 3. Data Pengukuran Pompa
Tabel 2. Data Air-fuel ratio
Berdasarkan analisa massa perbandingan udara
dan bensin diketahui sekitar 13,47:1 [1]. Dari
hasil percobaan (Tabel 2), diketahui bahwa
ketika katup beban pada posisi hampir tertutup
(1) perbandingan massa udara dengan bensin
didapat sekitar 11,31:1. Namun bersamaan
dengan katup menuju terbuka penuh (5)
perbandingan ini terus meningkat sampai
13,78:1 melampaui kondisi kesetimbangan.
Hal ini diketahui bahwasanya, ketika beban
yang terjadi tinggi maka kebutuhan bahan
bakar akan tinggi pula sehingga campuran
udara bensin menjadi kaya. Diketahui pula
bahwa rata-rata perbandingan massa udara
dengan bensin selama percobaan dilakukan
sebesar 12,21:1. Ini menyatakan
bahwa
kondisi
percobaan dipengaruhi
atau
mempengaruhi
sistem karburator. Secara
grafis perbandingan massa udara dan massa
bensin dapat dilihat pada Grafik 2.
Ketika posisi katup hampir tertutup penuh (1)
maka daya yang dapat diserap pompa relatif
sangat kecil, yaitu 196,38 watt atau sekitar
2,11 % dengan debit 0,61 liter per detik.
Sedangkan ketika posisi katup menuju terbuka
penuh (5) maka energi yang terserap menjadi
lebih tinggi dan mencapai maksimum 912,77
watt atau sekitar 0,91 kW (12,99%) dengan
debit 4,63 liter per detik. Hal ini sesuai dengan
karakteristik pompa sentrifugal yaitu untuk
debit yang lebih tinggi diperlukan daya yang
lebih tinggi pula [3].
Dari data terlihat pola yang konsisten, daya
yang terserap oleh pompa sentrifugal
bertambah tinggi ketika pembukaan katup
bertambah besar dan juga sebaliknya, seperti
terlihat pada Grafik 3. karakteristik pompa.
Berdasarkan data yang didapat dari Colorado
State University website bahwa energi hasil
pembakaran terbagi menjadi 3 dengan
perbandingan yang relatif sama. Sedangkan
energi poros rata-rata yang dapat diserap oleh
pompa diketahui sebesar 709,71 watt (min.
196,38 dan maks. 912,77 watt) atau sekitar
8,95% dari energi total. Berarti, berdasarkan
Grafik 2. Air-fuel ratio
Grafik 3. Karakteristik Pompa
3
pernyataan di atas, masih terdapat energi poros
yang belum terukur dan diasumsikan sebesar
kira-kira ± 22%.
Pengukuran Efisiensi Pompa dan Daya Poros
Pengukuran efisiensi pompa dilakukan dengan
melakukan
percobaan
yaitu
pompa
dihubungkan dengan motor listrik kemudian
daya listrik motor yang terjadi diukur sebagai
daya input pompa. Dalam hal ini efisiensi
motor listrik tidak diperhitungkan atau
diasumsikan mendekati 100%.
Pengukuran dilakukan dengan mengacu kepada
persamaan total head dimensional analisa
dikarenakan putaran motor yang berbeda
dengan putaran roda belakang motor bakar,
yaitu 2.900 rpm. Sedangkan debit diketahui
melalui perhitungan data yang dihasilkan [6].
Dengan demikian akan menghasilkan data
efisiensi pompa untuk setiap posisi katup dan
efisiensi pompa ini akan berkorelasi dan
mempunyai harga yang sama untuk pompa
ketika putarannya 2.250 rpm. Data dapat dilihat
pada lampiran Tabel 4.
Tabel 4. Data Efisiensi Pompa
Diketahui bahwa pompa mempunyai efesiensi
maksimum sebesar 0,65 ketika posisi katup (5)
atau motor memerlukan arus sebesar 9,20
ampere dan efisiensi yang minimum sebesar
0,12 ketika posisi katup (1) atau motor
memerlukan arus sebesar 10,80 ampere.
Daya input yang diperlukan oleh pompa
semakin tinggi ketika posisi beban bertambah
sehingga efisiensi menjadi semakin rendah,
yaitu turun dari 0,65; 0,63; 0,59; 0,43 dan 0,12.
Efisiensi transimisi daya dari poros ke roda
belakang serta transmisi daya dari roda
belakang ke pompa diasumsikan sebesar 0.9
untuk setiap posisi katup. Jika asumsi ini benar
maka perkiraan energi total rata-rata yang
menuju poros sekitar 1.664,79 watt atau
20,28% dari total energi pembakaran didalam
silinder. Maksimum daya poros terukur sebesar
1.808,25 watt (19.45%) ketika energi
pembakaran BBM yang dihasilkan oleh
silinder sebesar 9.299,26 watt. Minimum daya
poros terjadi pada posisi katup (5) yaitu sebesar
1.557,57 watt (22,16%) dengan energi BBM
sebesar 7.028.04 watt. Dengan demikian daya
poros yang terukur akan semakin besar ketika
pembebanan katup semakin besar dan juga
sebaliknya. Efisiensi motor bakar akan menjadi
rendah ketika pembebanan semakin tinggi dan
juga
sebaliknya.
Berdasarkan
kriteria
perhitungan, daya yang mengalir ke poros
dapat digambarkan seperti pada Grafik 4.
Grafik 4. Distribusi Energi ke Poros
Pengukur Energi Gas Buang
Selain ke poros, energi mengalir bersama gas
buang ke lingkungan. Dalam percobaan ini,
energi atau kalor yang mengalir bersama gas
buang diukur dengan menggunakan penukar
kalor yang dilengkapi dengan 5 termokopel
tipe ’K’.
Diketahui dari Tabel 5 dan 6 bahwa ketika
katup pembebanan pada posisi (1) kalor yang
mengalir bersama gas buang terdeteksi
maksimum, yaitu sekitar 3.361,13 watt atau
sekitar 36,14% dari total energi yang
dihasilkan
oleh
pembakaran.
Namun
bersamaan dengan katup pembebanan menuju
posisi (5), yaitu posisi katup menuju terbuka
penuh, kalor yang terbuang dalam percobaan
ini menjadi relatif berkurang dan mencapai
jumlah minimum sebesar 2.324,27 watt atau
sekitar 33,07%.
Tabel 5. Pengukuran Kalor Gas Buang
4
Diketahui dari Tabel 5 dan 6 bahwa jumlah
kalor yang terbuang tidak dapat sepenuhnya
diserap oleh penukar kalor, untuk posisi katup
(1) dimana kalor terbuang maksimum, jumlah
energi yang dapat diserap oleh penukar kalor
Tabel 6. Distribusi Energi Gas Buang &
Pendingin
sebesar 2.708,64 watt atau sekitar 29,13% dari
total energi. Sejalan dengan menurunnya kalor
yang
terbuang
akibat
berkurangnya
pembebanan katup maka energi yang terserap
oleh penukar kalorpun berkurang sampai pada
posisi katup terbuka penuh (5). Energi yang
dapat terserap sekitar 2.015,27 watt atau
28,67% dari total energi. Secara umum, ratarata energi yang dapat terserap oleh penukar
kalor adalah 2.355,47 watt (28,53%) atau
penukar kalor ini mempunyai effectiveness
sebesar 81,41% dari total kalor rata-rata gas
buang yang mengalir sebesar 2.899,60 watt.
Kalor gas buang yang tidak terserap oleh
penukar kalor diprediksi mengalir menuju
lingkungan melalui proses konduksi dan
konveksi yang terjadi antara manifold dan
penukar kalor; dan mengalir bersama gas
buang ke lingkungan. Distribusi Energi gas
buang yang tidak terserap oleh penukar kalor
dan mengalir bersama gas buang ke
lingkungan, ketika posisi katup hampir tertutup
penuh (1), terukur sebesar 46,77 watt
sedangkan ketika katup pada posisi (5) kalor
yang mengalir bersama gas buang cenderung
relatif menurun menjadi 32,45 watt atau ratarata kalor yang terbuang ke lingkungan
diprediksi sekitar 37,59 watt (0,45%).
Sedangkan kalor yang terbuang ke lingkungan
dikarenakan proses konduksi dan konveksi
diantara manifold dan penukar kalor, pada
posisi katup (1) terukur 280,60 watt atau
sekitar 3,02% dari total energi dan ketika
posisi katup (5) kalor yang terbuang sekitar
139,78 watt atau 1,99% dari total energi.
Energi rata-rata yang terbuang akibat
perpindahan kalor pada manifold diprediksi
sebesar 246,93 watt (2,97%). Dengan
penambahan jumlah kalor rata-rata yang belum
terserap oleh penukar kalor sebesar 3,42%
maka kalor total rata-rata gas buang yang dapat
diprediksi menjadi 31,96%. Dengan demikian
masih terdapat kalor rata-rata gas buang yang
belum dapat dideteksi sebesar 259,61 watt
(3,10%). Jumlah ini diasumsikan sebagai
kesalahan pemba-caan ketika mengukur suhu
yang diberikan oleh 5 buah termokopel.
Dengan
demikian,
pengukuran
suhu
memerlukan waktu yang relatif lebih lama
untuk mencapai titik kesetimbangan [7].
Sifat dari kedua kalor terbuang ini sama halnya
dengan energi yang terserap oleh penukar kalor
dan kalor gas buangnya sendiri, yaitu ketika
beban berkurang maka jumlah kalor yang
terbuang menurun. Karakteristik jumlah kalor
pada gas buang, pada penukar kalor dan pada
kalor yang terbuang secara grafis dapat dilihat
pada Grafik 5 berikut.
Grafik 5. Distribusi Kalor Gas Buang
Effectiveness penukar kalor didapat dari
perbandingan jumlah energi yang dipindahkan
dengan jumlah maksimum energi yang
mungkin dipindahkan [5]. Effectiveness ratarata adalah 81.48%. Gambaran effectiveness
penukar kalor dapat dilihat pada Grafik 6
berikut.
5
Grafik 6. Effectiness Penukar Kalor
berdasarkan Pembebanan
Bagian awal dari ke-4 percobaan, posisi katup
1 sampai dengan 4, effectivness penukar kalor
cenderung konstan dan berkisar pada nilai 80%
namun ketika posisi katup (5) atau tanpa beban
effectiness penukar kalor naik relatif tinggi dan
mencapai 86.71%. Hal ini diprediksi bahwa
ketika pembebanan pada katup minimum
kebutuhan bahan bakar menjadi berkurang
sehingga kalor yang dihasilkan menjadi relatif
lebih kecil. Dengan demikian penukar kalor
mempunyai cukup waktu untuk menyerap
kalor yang mengalir bersama gas buang
sehingga persentase yang terserap lebih tinggi
dibandingkan dengan jika jumlah kalor yang
mengalir bersama gas buang jumlahnya lebih
tinggi.
Kesetimbangan Energi (Neraca Energi)
Energi masuk dari hasil pembakaran didalam
silinder mengalir ketiga tempat utama, yaitu:
poros, gas buang dan pendinginan. Jumlah
perbandingan energi yang mengalir cenderung
tidak berimbang, khususnya ketika katup
pembebanan menuju posisi (1) yaitu efisiensi
motor bakar mencapai posisi terendah 19,45%
dengan daya poros maksimum sebesar
1.808,25 watt, kalor gas buang sebesar
3.361,13 watt
(36,14%)
dan
energi
pendinginan sebesar 4.129,88 watt (44,41%)
dari total kalor masuk sebesar 9.299,26 watt.
Namun efisiensi ini menjadi lebih baik ketika
katup pembebanan menuju posisi (5) yaitu
efisiensi motor meningkat menjadi 22,16%
dengan daya poros mencapai 1.557,57 watt,
kalor gas buang sebesar 2.324,27 watt
(33,07%) dan energi pendinginan sebesar
3.146,19 watt (44,77%) dari total kalor masuk
sebesar 7.028,04 watt.
Secara grafis, semua energi yang terlibat dapat
dilihat pada Grafik 7 berikut:
KESIMPULAN
Dari hasil percobaan yang telah dilakukan
pada prototype dapat disimpulkan bahwa:
1.
2.
3.
4.
5.
Energi masuk dari hasil pembakaran
dalam silinder mengalir ke tiga tempat
utama, yaitu: poros, gas buang dan
‚ ‘pendinginan’. Jumlah perbandingan
energi yang mengalir cenderung tidak
berimbang, khususnya
ketika katup
pembebanan maksimum dan sebaliknya.
Jumlah energi rata-rata menuju ke tiga
tempat sebesar 20,28% ke poros, 35,05%
ke gas buang dan 44,67% ke pendinginan.
Persentase energi rata-rata yang mengalir
ke poros bertambah ketika pembebanan
menurun namun energi yang mengalir ke
gas buang berkurang jumlahnya dan juga
sebaliknya. Efisiensi motor bakar rata-rata
sebesar 20,28%
Test rig sudah dapat digunakan untuk
mengukur efisiensi motor bakar dan heat
balance.
Variabel-variabel yang diperlukan untuk
mengukur heat balance sudah dapat
digunakan dalam pengukuran kinerja
sebuah motor bakar.
Penyerapan daya oleh pompa sentrifugal
dapat digunakan sebagai pengganti sistem
generator Eddy current.
Untuk memperbaiki kinerja test rig ini terdapat
beberapa saran, yaitu:
1. Kehilangan energi pada gas buang dapat
diperkecil dengan cara pengisolasian pada
sistem penukar kalor yang lebih baik,
khususnya pada flexible host yang
menghubungkan manifold dan penukar
kalor.
2. Diperlukan perhitungan efisiensi transmisi
guna mendapatkan efisiensi motor yang
lebih presisi.
3. Perlu ditambahkan alat pendingin berupa
kipas angin dengan kapasitas debit relatif
tinggi guna menjaga pendinginan mesin
ketika percobaan dilakukan. Hal ini
diperlukan karena pengujian pada kondisi
statis dimana motor tidak bergerak akan
menyebabkan mesin cepat panas karena
laju angin yang mendinginkan sirip-sirip
pendingin kurang sesuai.
4. Test rig ini akan sangat bermanfaat bagi
laboratorium mesin termal jika proses
praktik perawatan dan perbaikan mesin
termal dapat diuji kinerjanya.
Grafik 7. Distribusi Energi
6
DAFTAR PUSTAKA
1.
www.colostate.edu (Colorado State
University Website, 2005)
2.
Eastop, T.D. & McConkey A.,
Applied
Thermodynamics
for
Engineering Technologists, Fourth
Edition, Longman, New York, 1986
3.
Douglas, J.F. Cs., Fluid Mechanics,
Longman, England, 1987
4.
Holman, J.P., Heat Transfer, SI Metric
Edition, McGraw Hill, Singapore, 1989
5.
Cussons, Manual Book for Petrol
Engine, Cussons, Manchester, 1985
6.
Massey, B.S., Mechanics of Fluids,
VNR, UK, 1987
7.
Hasim & Dani, Rancang Bangun
Heat Exchanger untuk Mengukur
Limbah Kalor pada Sistem Gas Buang
Mesin Bensin, Tugas Akhir D-3 Teknik
Mesin Polban, 2005
________________
7
150cc dengan Pengukur Daya sebuah Pompa Sentrifugal
Adri Maldi Subardjah
Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Bandung
ABSTRACT
Heat which is produced by an internal combustion engine is converted, in general, into three
kinds of energies such as shaft power, energy of coolant and exhaust gas. This research is
aiming to measure shaft power using centrifugal pump and exhaust energy using shell and
tube heat exchanger.
Air-fuel ratio had been measured using burette and orifice meter. It was found that engine
efficiency tends to decrease when the load becoming higher and vise versa. Air-fuel ratio tends
to be ideal when the load is minimum, i.e., 1:13.78. Result of distribution energy rates which
had been measured are as follows 20.28% to shaft, 35.05% to exhaust and 44.67% to coolant.
Keywords:
Air-fuel ratio, pump’s power, shaft’s power, exhaust gas heat, coolant heat, energy balance
PENDAHULUAN
Pengguna kendaraan roda dua atau yang biasa
disebut motor di masyarakat kita sangat
banyak. Produsen motorpun menjadi lebih
banyak dengan datangnya produk dari daratan
Cina,
Taiwan
dan
Korea.
Dengan
bertambahnya produk yang datang, bertambah
pula merek motor yang mempunyai kualitas
yang beragam pula. Tentunya kualitas motor
harus diuji kehandalannya agar pengguna tidak
dirugikan. Untuk itu, Peneliti berusaha
merancang-bangun suatu test rig yang sesuai
untuk digunakan sebagai alat penguji motor
bakar bensin kendaraan roda dua. Selain itu
diharapkan test rig ini mempunyai kemampuan
dan ketelitian yang dapat dipertanggungjawabkan serta biaya produksi yang relatif
murah. Secara khusus, penelitian ini ditujukan
untuk
dapat mengetahui detil variabel yang
diperlukan untuk perhitungan heat
balance dan efisiensi motor bakar.
mengadakan alat uji kinerja motor bakar
dengan biaya yang relatif murah.
membuktikan bahwa tidak hanya sistem
Eddy current saja yang dapat mengukur
daya motor bakar.
Hasil penelitian diharapkan mempunyai
manfaat sebagai berikut:
mendapatkan alat uji kinerja motor bakar
bensin dengan daya maximum 7 kW
test rig dapat digunakan untuk penelitian
selanjutnya, khususnya dalam bidang
motor bakar.
dapat memberikan praktek perbaikan
motor bakar yang teruji dan terkontrol.
METODE
Energi
yang dihasilkan dari proses
pembakaran di ruang bakar terbagi menjadi 3
bagian dan secara umum perbandingannya
hampir sama. Energi tersebut mengalir
menuju: poros, pendingin dan gas buang [1].
Pengukuran konsumsi bahan bakar dapat
dilakukan dengan menggunakan buret dan
pengukur waktu. Sedangkan untuk udara yang
diperlukan sebagai pencampur bahan bakar
dapat diukur dengan menggunakan orifice.
Dengan demikian air fuel ratio dapat dihitung
dan dengan mengetahui calorific value dari
BBM tersebut maka energi masuk dapat
diketahui dengan menggunakan rumus umum:
.
Ein CVB mB
(1)
.
dimana m B massa alir BBM per satuan waktu;
CVB = Harga kalori dari BBM [2]
Pompa penyerap daya yang digunakan adalah
pompa sentrifugal volut. Pertama, untuk
memindahkan daya dari poros motor bakar ke
pompa diperlukan suatu sistem transmisi.
Sistem transmisi ini diharapkan dapat
memindahkan daya sedemikian rupa sehingga
proses pengujian sepeda motor dapat
dilakukan dengan mudah dan aman. Kedua,
1
diperlukan sistem pengukuran efisiensi pompa
dan yang terakhir diperlukan pengukuran daya
yang diserap oleh pompa sentrifugal, dalam
hal ini P=ρgHQ. Dengan demikian daya poros
dapat diketahui dengan persamaan [3]:
P
Ps
P
(2)
Sistem Transmisi
Dengan melepaskan roda belakang dan
menggunakan adaptor yang serupa dengan
roda belakang namun mempunyai 2 sprocket
besar dimana salah satu sprocket digunakan
sebagai sprocket yang digerakkan oleh
sprocket depan sedangkan sprocket lainnya
sebagai penggerak sprocket yang dipasang
pada poros pompa. Secara skematik sistem
transmisi ini dapat dilihat pada Gambar 1.
Sistem Adaptor
Roda Belakang
Sprocket depan
digerakkan poros
utama
Sprocket
belakang 1 Sprocket
belakang 2
Secara skematik konstruksi prototipe dapat
dilihat pada Gambar 2.
Sprocket
penggerak
pompa
Gambar 1. Sistem Transmisi pada Adaptor
Roda Belakang
Gambar 2. Rancangan SkematikPrototipe Test Rig
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kalibrasi Orifice Meter Penyerap Daya
Dari data Tabel 1 didapat grafis seperti terlihat
pada Grafik 1. Coefficient discharge, Cdo,
bergantung pada debit yang dihasilkan yaitu
untuk debit minimum 0,44 liter/detik nilai Cdo
adalah 0,61 sedangkan untuk debit maksimum
yang dapat terukur 1,37 liter/detik dengan Cdo
sebesar 0,86. Dengan demikian Cdo rata-rata
dari keseluruhan pengukuran sebesar 0,77
dengan tidak menghitung Cdo debit minimum
dikarenakan debit tersebut tidak termasuk ke
dalam kisaran debit yang digunakan dalam
penelitian kinerja motor bakar.
Tabel 1. Kalibrasi Orifice Meter
Rasio jumlah gigi sprocket depan dan sprocket
belakang 1 ditentukan sedemikian rupa
sehingga sama dengan perbandingan jumlah
gigi sprocket penggerak pompa dan sprocket
belakang 2 sehingga pompa akan digerakkan
dengan putaran yang sama dengan putaran
poros utama penggerak pada sepeda motor.
Energi ouput kedua berupa kalor yang hilang
melalui gas buang yang keluar melalui exhaust
manifold. Kalor yang hilang diukur dengan
menggunakan penukar kalor dengan sistem
counter flow dan single pass yang mempunyai
logarithmic mean temperature difference
(LMTD) yang lebih besar dibandingkan dengan
sistem parallel flow [4]. Dengan efektifitas
penukar yang baik maka diharapkan kalor yang
terbuang dapat dipindahkan dari gas buang ke
fluida lainnya secara optimal. Namun, suhu gas
buang biasanya masih di atas suhu ruangan
sehingga perhitungan kalor yang terbuang
harus termasuk jumlah kalor yang masih
tersisa pada gas tersebut [5].
Grafik 1 Data Kalibrasi Orifice Meter
2
Pengujian Kinerja Sepeda Motor dengan
Pompa Sentrifugal sebagai Penyerap Daya
Utama
Pengukuran
udara
dilakukan
dengan
menggunakan adaptor karet yang bekerja
sebagai orifice meter dan manometer dengan
cairan alkohol. Sedangkan pengukuran
konsumsi bahan bakar langsung diukur dari
buret dengan menggunakan stop watch.
Penyerap Daya: Pompa Sentrifugal
Data percobaan mengenai penyerapan daya
oleh pompa dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 3. Data Pengukuran Pompa
Tabel 2. Data Air-fuel ratio
Berdasarkan analisa massa perbandingan udara
dan bensin diketahui sekitar 13,47:1 [1]. Dari
hasil percobaan (Tabel 2), diketahui bahwa
ketika katup beban pada posisi hampir tertutup
(1) perbandingan massa udara dengan bensin
didapat sekitar 11,31:1. Namun bersamaan
dengan katup menuju terbuka penuh (5)
perbandingan ini terus meningkat sampai
13,78:1 melampaui kondisi kesetimbangan.
Hal ini diketahui bahwasanya, ketika beban
yang terjadi tinggi maka kebutuhan bahan
bakar akan tinggi pula sehingga campuran
udara bensin menjadi kaya. Diketahui pula
bahwa rata-rata perbandingan massa udara
dengan bensin selama percobaan dilakukan
sebesar 12,21:1. Ini menyatakan
bahwa
kondisi
percobaan dipengaruhi
atau
mempengaruhi
sistem karburator. Secara
grafis perbandingan massa udara dan massa
bensin dapat dilihat pada Grafik 2.
Ketika posisi katup hampir tertutup penuh (1)
maka daya yang dapat diserap pompa relatif
sangat kecil, yaitu 196,38 watt atau sekitar
2,11 % dengan debit 0,61 liter per detik.
Sedangkan ketika posisi katup menuju terbuka
penuh (5) maka energi yang terserap menjadi
lebih tinggi dan mencapai maksimum 912,77
watt atau sekitar 0,91 kW (12,99%) dengan
debit 4,63 liter per detik. Hal ini sesuai dengan
karakteristik pompa sentrifugal yaitu untuk
debit yang lebih tinggi diperlukan daya yang
lebih tinggi pula [3].
Dari data terlihat pola yang konsisten, daya
yang terserap oleh pompa sentrifugal
bertambah tinggi ketika pembukaan katup
bertambah besar dan juga sebaliknya, seperti
terlihat pada Grafik 3. karakteristik pompa.
Berdasarkan data yang didapat dari Colorado
State University website bahwa energi hasil
pembakaran terbagi menjadi 3 dengan
perbandingan yang relatif sama. Sedangkan
energi poros rata-rata yang dapat diserap oleh
pompa diketahui sebesar 709,71 watt (min.
196,38 dan maks. 912,77 watt) atau sekitar
8,95% dari energi total. Berarti, berdasarkan
Grafik 2. Air-fuel ratio
Grafik 3. Karakteristik Pompa
3
pernyataan di atas, masih terdapat energi poros
yang belum terukur dan diasumsikan sebesar
kira-kira ± 22%.
Pengukuran Efisiensi Pompa dan Daya Poros
Pengukuran efisiensi pompa dilakukan dengan
melakukan
percobaan
yaitu
pompa
dihubungkan dengan motor listrik kemudian
daya listrik motor yang terjadi diukur sebagai
daya input pompa. Dalam hal ini efisiensi
motor listrik tidak diperhitungkan atau
diasumsikan mendekati 100%.
Pengukuran dilakukan dengan mengacu kepada
persamaan total head dimensional analisa
dikarenakan putaran motor yang berbeda
dengan putaran roda belakang motor bakar,
yaitu 2.900 rpm. Sedangkan debit diketahui
melalui perhitungan data yang dihasilkan [6].
Dengan demikian akan menghasilkan data
efisiensi pompa untuk setiap posisi katup dan
efisiensi pompa ini akan berkorelasi dan
mempunyai harga yang sama untuk pompa
ketika putarannya 2.250 rpm. Data dapat dilihat
pada lampiran Tabel 4.
Tabel 4. Data Efisiensi Pompa
Diketahui bahwa pompa mempunyai efesiensi
maksimum sebesar 0,65 ketika posisi katup (5)
atau motor memerlukan arus sebesar 9,20
ampere dan efisiensi yang minimum sebesar
0,12 ketika posisi katup (1) atau motor
memerlukan arus sebesar 10,80 ampere.
Daya input yang diperlukan oleh pompa
semakin tinggi ketika posisi beban bertambah
sehingga efisiensi menjadi semakin rendah,
yaitu turun dari 0,65; 0,63; 0,59; 0,43 dan 0,12.
Efisiensi transimisi daya dari poros ke roda
belakang serta transmisi daya dari roda
belakang ke pompa diasumsikan sebesar 0.9
untuk setiap posisi katup. Jika asumsi ini benar
maka perkiraan energi total rata-rata yang
menuju poros sekitar 1.664,79 watt atau
20,28% dari total energi pembakaran didalam
silinder. Maksimum daya poros terukur sebesar
1.808,25 watt (19.45%) ketika energi
pembakaran BBM yang dihasilkan oleh
silinder sebesar 9.299,26 watt. Minimum daya
poros terjadi pada posisi katup (5) yaitu sebesar
1.557,57 watt (22,16%) dengan energi BBM
sebesar 7.028.04 watt. Dengan demikian daya
poros yang terukur akan semakin besar ketika
pembebanan katup semakin besar dan juga
sebaliknya. Efisiensi motor bakar akan menjadi
rendah ketika pembebanan semakin tinggi dan
juga
sebaliknya.
Berdasarkan
kriteria
perhitungan, daya yang mengalir ke poros
dapat digambarkan seperti pada Grafik 4.
Grafik 4. Distribusi Energi ke Poros
Pengukur Energi Gas Buang
Selain ke poros, energi mengalir bersama gas
buang ke lingkungan. Dalam percobaan ini,
energi atau kalor yang mengalir bersama gas
buang diukur dengan menggunakan penukar
kalor yang dilengkapi dengan 5 termokopel
tipe ’K’.
Diketahui dari Tabel 5 dan 6 bahwa ketika
katup pembebanan pada posisi (1) kalor yang
mengalir bersama gas buang terdeteksi
maksimum, yaitu sekitar 3.361,13 watt atau
sekitar 36,14% dari total energi yang
dihasilkan
oleh
pembakaran.
Namun
bersamaan dengan katup pembebanan menuju
posisi (5), yaitu posisi katup menuju terbuka
penuh, kalor yang terbuang dalam percobaan
ini menjadi relatif berkurang dan mencapai
jumlah minimum sebesar 2.324,27 watt atau
sekitar 33,07%.
Tabel 5. Pengukuran Kalor Gas Buang
4
Diketahui dari Tabel 5 dan 6 bahwa jumlah
kalor yang terbuang tidak dapat sepenuhnya
diserap oleh penukar kalor, untuk posisi katup
(1) dimana kalor terbuang maksimum, jumlah
energi yang dapat diserap oleh penukar kalor
Tabel 6. Distribusi Energi Gas Buang &
Pendingin
sebesar 2.708,64 watt atau sekitar 29,13% dari
total energi. Sejalan dengan menurunnya kalor
yang
terbuang
akibat
berkurangnya
pembebanan katup maka energi yang terserap
oleh penukar kalorpun berkurang sampai pada
posisi katup terbuka penuh (5). Energi yang
dapat terserap sekitar 2.015,27 watt atau
28,67% dari total energi. Secara umum, ratarata energi yang dapat terserap oleh penukar
kalor adalah 2.355,47 watt (28,53%) atau
penukar kalor ini mempunyai effectiveness
sebesar 81,41% dari total kalor rata-rata gas
buang yang mengalir sebesar 2.899,60 watt.
Kalor gas buang yang tidak terserap oleh
penukar kalor diprediksi mengalir menuju
lingkungan melalui proses konduksi dan
konveksi yang terjadi antara manifold dan
penukar kalor; dan mengalir bersama gas
buang ke lingkungan. Distribusi Energi gas
buang yang tidak terserap oleh penukar kalor
dan mengalir bersama gas buang ke
lingkungan, ketika posisi katup hampir tertutup
penuh (1), terukur sebesar 46,77 watt
sedangkan ketika katup pada posisi (5) kalor
yang mengalir bersama gas buang cenderung
relatif menurun menjadi 32,45 watt atau ratarata kalor yang terbuang ke lingkungan
diprediksi sekitar 37,59 watt (0,45%).
Sedangkan kalor yang terbuang ke lingkungan
dikarenakan proses konduksi dan konveksi
diantara manifold dan penukar kalor, pada
posisi katup (1) terukur 280,60 watt atau
sekitar 3,02% dari total energi dan ketika
posisi katup (5) kalor yang terbuang sekitar
139,78 watt atau 1,99% dari total energi.
Energi rata-rata yang terbuang akibat
perpindahan kalor pada manifold diprediksi
sebesar 246,93 watt (2,97%). Dengan
penambahan jumlah kalor rata-rata yang belum
terserap oleh penukar kalor sebesar 3,42%
maka kalor total rata-rata gas buang yang dapat
diprediksi menjadi 31,96%. Dengan demikian
masih terdapat kalor rata-rata gas buang yang
belum dapat dideteksi sebesar 259,61 watt
(3,10%). Jumlah ini diasumsikan sebagai
kesalahan pemba-caan ketika mengukur suhu
yang diberikan oleh 5 buah termokopel.
Dengan
demikian,
pengukuran
suhu
memerlukan waktu yang relatif lebih lama
untuk mencapai titik kesetimbangan [7].
Sifat dari kedua kalor terbuang ini sama halnya
dengan energi yang terserap oleh penukar kalor
dan kalor gas buangnya sendiri, yaitu ketika
beban berkurang maka jumlah kalor yang
terbuang menurun. Karakteristik jumlah kalor
pada gas buang, pada penukar kalor dan pada
kalor yang terbuang secara grafis dapat dilihat
pada Grafik 5 berikut.
Grafik 5. Distribusi Kalor Gas Buang
Effectiveness penukar kalor didapat dari
perbandingan jumlah energi yang dipindahkan
dengan jumlah maksimum energi yang
mungkin dipindahkan [5]. Effectiveness ratarata adalah 81.48%. Gambaran effectiveness
penukar kalor dapat dilihat pada Grafik 6
berikut.
5
Grafik 6. Effectiness Penukar Kalor
berdasarkan Pembebanan
Bagian awal dari ke-4 percobaan, posisi katup
1 sampai dengan 4, effectivness penukar kalor
cenderung konstan dan berkisar pada nilai 80%
namun ketika posisi katup (5) atau tanpa beban
effectiness penukar kalor naik relatif tinggi dan
mencapai 86.71%. Hal ini diprediksi bahwa
ketika pembebanan pada katup minimum
kebutuhan bahan bakar menjadi berkurang
sehingga kalor yang dihasilkan menjadi relatif
lebih kecil. Dengan demikian penukar kalor
mempunyai cukup waktu untuk menyerap
kalor yang mengalir bersama gas buang
sehingga persentase yang terserap lebih tinggi
dibandingkan dengan jika jumlah kalor yang
mengalir bersama gas buang jumlahnya lebih
tinggi.
Kesetimbangan Energi (Neraca Energi)
Energi masuk dari hasil pembakaran didalam
silinder mengalir ketiga tempat utama, yaitu:
poros, gas buang dan pendinginan. Jumlah
perbandingan energi yang mengalir cenderung
tidak berimbang, khususnya ketika katup
pembebanan menuju posisi (1) yaitu efisiensi
motor bakar mencapai posisi terendah 19,45%
dengan daya poros maksimum sebesar
1.808,25 watt, kalor gas buang sebesar
3.361,13 watt
(36,14%)
dan
energi
pendinginan sebesar 4.129,88 watt (44,41%)
dari total kalor masuk sebesar 9.299,26 watt.
Namun efisiensi ini menjadi lebih baik ketika
katup pembebanan menuju posisi (5) yaitu
efisiensi motor meningkat menjadi 22,16%
dengan daya poros mencapai 1.557,57 watt,
kalor gas buang sebesar 2.324,27 watt
(33,07%) dan energi pendinginan sebesar
3.146,19 watt (44,77%) dari total kalor masuk
sebesar 7.028,04 watt.
Secara grafis, semua energi yang terlibat dapat
dilihat pada Grafik 7 berikut:
KESIMPULAN
Dari hasil percobaan yang telah dilakukan
pada prototype dapat disimpulkan bahwa:
1.
2.
3.
4.
5.
Energi masuk dari hasil pembakaran
dalam silinder mengalir ke tiga tempat
utama, yaitu: poros, gas buang dan
‚ ‘pendinginan’. Jumlah perbandingan
energi yang mengalir cenderung tidak
berimbang, khususnya
ketika katup
pembebanan maksimum dan sebaliknya.
Jumlah energi rata-rata menuju ke tiga
tempat sebesar 20,28% ke poros, 35,05%
ke gas buang dan 44,67% ke pendinginan.
Persentase energi rata-rata yang mengalir
ke poros bertambah ketika pembebanan
menurun namun energi yang mengalir ke
gas buang berkurang jumlahnya dan juga
sebaliknya. Efisiensi motor bakar rata-rata
sebesar 20,28%
Test rig sudah dapat digunakan untuk
mengukur efisiensi motor bakar dan heat
balance.
Variabel-variabel yang diperlukan untuk
mengukur heat balance sudah dapat
digunakan dalam pengukuran kinerja
sebuah motor bakar.
Penyerapan daya oleh pompa sentrifugal
dapat digunakan sebagai pengganti sistem
generator Eddy current.
Untuk memperbaiki kinerja test rig ini terdapat
beberapa saran, yaitu:
1. Kehilangan energi pada gas buang dapat
diperkecil dengan cara pengisolasian pada
sistem penukar kalor yang lebih baik,
khususnya pada flexible host yang
menghubungkan manifold dan penukar
kalor.
2. Diperlukan perhitungan efisiensi transmisi
guna mendapatkan efisiensi motor yang
lebih presisi.
3. Perlu ditambahkan alat pendingin berupa
kipas angin dengan kapasitas debit relatif
tinggi guna menjaga pendinginan mesin
ketika percobaan dilakukan. Hal ini
diperlukan karena pengujian pada kondisi
statis dimana motor tidak bergerak akan
menyebabkan mesin cepat panas karena
laju angin yang mendinginkan sirip-sirip
pendingin kurang sesuai.
4. Test rig ini akan sangat bermanfaat bagi
laboratorium mesin termal jika proses
praktik perawatan dan perbaikan mesin
termal dapat diuji kinerjanya.
Grafik 7. Distribusi Energi
6
DAFTAR PUSTAKA
1.
www.colostate.edu (Colorado State
University Website, 2005)
2.
Eastop, T.D. & McConkey A.,
Applied
Thermodynamics
for
Engineering Technologists, Fourth
Edition, Longman, New York, 1986
3.
Douglas, J.F. Cs., Fluid Mechanics,
Longman, England, 1987
4.
Holman, J.P., Heat Transfer, SI Metric
Edition, McGraw Hill, Singapore, 1989
5.
Cussons, Manual Book for Petrol
Engine, Cussons, Manchester, 1985
6.
Massey, B.S., Mechanics of Fluids,
VNR, UK, 1987
7.
Hasim & Dani, Rancang Bangun
Heat Exchanger untuk Mengukur
Limbah Kalor pada Sistem Gas Buang
Mesin Bensin, Tugas Akhir D-3 Teknik
Mesin Polban, 2005
________________
7