Tugas Akhir Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Mesin Diesel V–8 Injeksi Langsung Tugas Akhir Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin
Disusun Oleh Nama : Stefanus Dwi Prasetya
NIM : 035214034
Program Studi Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Direct Injection Diesel Engine V-8 Final Project Presented as partitial fulfilment of the requirement as to obtain the Sarjana Teknik Degree in Mechanical Eng ineering
By : Stefanus Dwi Prasetya Student Number : 035214034
Mechanical Engineering Study Program Mechanical Engineering Departement Science Faculty and Technological
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Pernyataan
Bahwa di dalam Tugas Akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi dan terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh pihak lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan di dalam daftar pustaka.
Yogyakarta, 5 Agustus 2007 Penulis
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Intisari
Pembakaran pada mesin diesel terjadi akibat udara didalam silinder dikompresikan sehingga suhu meningkat, kemudian Bahan bakar diesel disemprotkan ke dalam ruang bakar melalui nozel dalam bentuk kabut halus dan bersinggungan dengan udara panas ini sehingga akan menyala, dan tidak dibutuhkan alat penyalaan lain dari luar.
Daya pada motor diesel dapat didongkrak dengan cara memperbesar jumlah udara yang memasuki ruang bakar. Hal ini berarti efisiensi volumetriknya juga menjadi bertambah besar. Kenaikan jumlah udara dikompensasi dengan penambahan jumlah bahan bakar. Jumlah total energi yang memasuki ruang bakar menjadi tinggi dan di dalam ruang bakar dapat dibangkitkan energi yang besar.
Dalam Tugas Akhir ini membahas perhitungan ulang karakteristik mesin diesel dengan type Silinder yang jarang digunakan pada kendaraan pribadi yaitu mesin diesel 8 silinder dengan type v yang digunakan pada kendaraan kereta api. Mesin diesel ini memakai injeksi langsung untuk penyemprotan bahan bakar dan turbocharger untuk memenuhi kebutuhan udara sehingga dapat menghasilkan tenaga yang besar.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Kata Pengantar
Pujian dan ucapan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas anugrahNya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk mencapai derajat sarjana S-1 program studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sanata Dharma.
Pembahasan tugas akhir ini tentang unjuk kerja mesin diesel yang digunakan pada kendaraan kereta api, yaitu mesin diesel 8 silinder type v dengan injeksi langsung dan menggunakan turbocharger untuk pemasukan udara.
Penulis menyadari bahwa terselesaikannya tugas akhir ini tidak terlepas dari bantuan dan dukungan dari banyak pihak, sehingga pada kesempatan kali ini penulis ingin mengucapkan terima kasih untuk pihak-pihak yang turut mendukung terselesaikannya tugas akhir ini.
Terima kasih kepada :
1. Ir. Greg. Heliarko, S.J., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc. selaku Dekan Fakultas Teknik.
2. Budi Sugiharto, S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin.
3. Doddy Purwadianto, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing akademik.
4. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing I.
5. Ir. F.X. Agus Unggul, selaku Dosen Pembimbing II.
6. Balai Yasa PT. Kereta Api (PERSERO) Yogyakarta.
7. Keluargaku tercinta, Mama, Papa, Adik dan Kakak beserta keluarganya
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
9. Keluarga besar pondok El-Jireh atas doa dan dukungannya.
10. Teman-teman persekutuan Gospel buat doa, bantuan dan dukungannya.
11. Semua teman-teman Mahasiswa TM 2003 atas bantuan-bantuannya.
12. Dan yang terakhir, untuk semua pihak yang telah turut membantu terselesaikannya tugas akhir ini.
Tentu saja banyak kekurangan di dalam penulisan kali ini. Untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun, baik sebelum maupun sesudah adanya revisi.
Semoga penulisan tugas akhir ini berguna bagi mahasiswa Teknik Mesin dan pembaca lainnya. Jika ada kesalahan dalam penulisan naskah ini penulis minta maaf yang sebesar-besarnya, terimakasih.
Yogyakarta, 5 Agustus 2005 Penulis
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Daftar Isi Halaman Judul i Title Page ii Lembar Pengesahan iii Daftar Panitia Penguji iv Pernyataan v Intisari vi Kata Pengantar vii Daftar Isi viii
BAB 1 PENDAHULUAN
1
1.1. Latar belakang masalah
1
1.2. Batasan masalah
1
1.3. Metode perumusan masalah
2
1.4. Metode penyelesaian masalah
2
1.5. Metode pengumpulan data
2
1.6. Tujuan pembuatan tugas akhir
3 BAB 2 DASAR TEORI
4
2.1. Motor diesel
4
2.2. Siklus pembakaran
7
2.2.1. Perbandingan kompresi dan temperatur
7
2.2.2. Prinsip kerja motor diesel
7
2.2.3. Detonasi (knocking)
11
2.3. Macam- macam ruang bakar
12
2.3.1 Macam- macam mesin diesel berdasarkan bentuk ruang bakar
12
2.3.1.1. Tipe injeksi langsung (direct injection)
12
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
3.4.9. Tekanan dan suhu akhir pembakaran
38
3.4.4. Koefisien perubahan molar karena adanya gas hasil pembakaran
39
3.4.5. Kapasitas molar rata-rata dari gas volume konstan
40
3.4.6. Kapasitas panas molar isokhorik rata-rata udara
41
3.4.7 Kapasitas molar isokhorik udara pada akhir kompresi
41
3.4.8. Perhitungan temperatur akhir langkah pembakaran
41
42
3.4.3. Koefisien kimia penambahan molar µ
3.5. Langkah ekspansi
45
3.5.1. Perbandingan ekspansi awal
45
3.5.2. Perbandingan ekspansi akhir
46
3.5.3. Tekanan akhir langkah ekspansi
47
3.5.4. Temperatur akhir langkah ekspansi
47
3.6. Tekanan indikasi rata-rata
48 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
o
2.4. Konstruksi mesin diesel
20
3.2.2. Temperatur akhir pada saat langkah hisap
2.5. Turbocharger
21
2.5.1. Tujuan pemakaian
22 BAB 3 PERHITUNGAN KERJA SIKLUS
24
3.1. Siklus kerja motor diesel
24
3.2. Langkah hisap
27
3.2.1. Tekanan di dalam silinder selama proses pengisapan
28
29
3.4.2. Koefisien kelebihan udara
3.2.3. Efisiensi pengisian untuk langkah hisap
30
3.3. Langkah kompresi
31
3.3.1. Tekanan akhir langkah kompresi
32
3.3.2. Temperatur akhir langkah kompresi
33
3.4. Langkah pembakaran
33
3.4.1. Reaksi pembakaran
34
36
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
63
4.1.3. Tebal rongga antara silinder liner dengan dinding mantel air
60
4.1.4. Tegangan pada dinding silinder
60
4.1.4.1. Tegangan tangensial
60
4.1.4.2. Tegangan karena perbedaan suhu
61
4.1.4.3. Tegangan pada bagian dalam silinder
62
4.1.4.4. Tegangan karena tekanan gas silinder
4.1.4.5. Tegangan total pada permukaan dalam silinder
4.1.2. Tebal dinding mantel air pendingin
64
4.1.4.6. Tegangan total pada permukaan luar silinder
64
4.1.5. Kepala silinder
65
4.1.5.1. Tebal kepala silinder
65
4.1.5.2. Tegangan karena tekanan gas
66
4.1.5.3. Tegangan karena perbedaan suhu
66 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
59
3.6.3. Tekanan efektif rata-rata
51
54
3.7. Torsi yang dihasilkan
51
3.8. Efisiensi mekanis
52
3.9. Tekanan efektif rata-rata
52
3.10. Brake horsepower
53
3.11. Kebutuhan bahan bakar
53
3.11.1. Konsumsi bahan bakar tiap jam
3.11.2. Konsumsi bahan bakar tiap jam untuk indikasi daya (Ni)
4.1.1. Tebal dinding silinder
55
3.11.3. Kebutuhan bahan bakar spesifikasinya
56
3.11.4. Konsumsi bahan bakar tiap jam untuk break thermal
56
3.12. Efisiensi indikasi panas
57
3.13. Efisiensi daya break thermal (Hp)
57 BAB 4 PERHITUNGAN KOMPONEN MESIN
58
4.1. Silinder dan kepala silinder
58
59
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
4.2.2.5. Cincin minyak pelumas
4.2.1.14. Perhitungan volume cekungan piston
79
4.2.2. Cincin piston
80
4.2.2.1. Lebar cincin piston
84
4.2.2.2. Tebal cincin piston
84
4.2.2.3. Jarak sela cincin piston pada saat belum terpasang
85
4.2.2.4. Jarak sela cincin piston pada saat terpasang
85
86
4.2.1.13. Temperatur piston
4.2.3. Pena piston
87
4.2.3.1. Diameter luar pena
89
4.2.3.2. Perbandingan diameter luar dan diameter dalam pena
89
4.2.3.3. Panjang pena piston
90
4.2.3.4. Gaya yang diterima oleh pena piston akibat tekanan gas hasil pembakaran
90
4.2.3.5. Momen maksimium yang bekerja
91 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
78
4.1.6.1. Ruang bakar kamar pusar
68
4.2.1.5. Tebal sirip-sirip di dalam Torak
4.2. Piston dan perlengkapannya
70
4.2.1. Piston
70
4.2.1.1. Bahan piston
72
4.2.1.2. Diameter kepala piston
73
4.2.1.3. Diameter badan piston
74
4.2.1.4. Tebal kepala piston
74
75
4.2.1.11. Jarak cincin yang satu dengan lainnya
4.2.1.6. Tebal dinding beralur untuk cincin piston
75
4.2.1.7. Tebal dinding bagian badan piston
76
4.2.1.8. Tinggi piston
76
4.2.1.9. Jarak sumbu pena piston dengan alas piston
77
4.2.1.10. Tinggi badan torak
77
4.2.1.11. Tinggi land teratas
77
78
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
4.3.14. Pegas katup 112
4.3.8. Diameter dudukan katup 107
4.3.9. Panjang bush 108
4.3.10. Diameter luar bush 109
4.3.11. Diameter alur tempat kunci 109
4.3.12. Tebal piringan katup 110
4.3.13. Tinggi angkat maksimum 111
4.3.14.1.Diameter lingkar pegas 112
4.3.6. Diameter tangkai katup 106
4.3.14.2. Diameter kawat pegas 113
4.3.15. Perhitungan rocker arm 114
4.3.15.1. Tapet dan batang penumbuk 115
4.3.16. Perhitungan camshaft 117
4.3.16.1. Diameter poros kam 117
4.3.16.2. Diameter luar badan camshaft 118
4.3.7. Tinggi dudukan katup 107
4.2.3.8. Tegangan geser yang terjadi
92
4.2.5.2. Batang piston
4.2.4. Conecting rod
93
4.2.5. Batang penggerak dan bantalannya
93
4.2.5.1. Bantalan (luncur) pada pangkal batang penggerak
95
98
4.3.4. Tinggi bahu kepala minimum 105
4.2.5.3. Diameter lubang engkol
99
4.2.5.4. Panjang pena engkol besar 100
4.2.3. Perhitungan mekanisme katup dan perlengkapannya 101
4.3.1. Katup 101
4.3.2. Diameter kepala minimum 103
4.3.3. Diameter kepala maksimum 104
4.3.5. Tinggi bahu kepala maksimum 105
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
4.4.2. Perhitungan tenaga lebih yang terjadi 126
Daftar Pustaka 143
5.4. Saran 142
5.3. Kesimpulan 142
5.2. Bahan 140
5.1.3. Hasil perhitungan Bab IV 135
5.1.2. Hasil perhitungan Bab III 132
5.1.1. Data kendaraan dengan injeksi langsung 131
5.1. Hasil perhitungan 131
4.4.3. Perubahan tenaga piston 128
4.3.17. Poros engkol 119
4.3.17.1. Diameter crankpin 120
4.4. Roda gila 125
4.3.17.10. Panjang poros dudukan 125
4.3.17.9. Tebal pipi dan lebar pipi 124
4.3.17.8. Diameter alat penggulung 123
4.3.17.7. Lebar poros atau pusat kegiatan 123
4.3.17.6. Lebar permukaan hubungan 123
4.3.17.5. Diameter luar badan crankshaft 122
4.3.17.4. Diameter crankshaft 122
4.3.17.3. Momen bending 122
4.3.17.2. Tebal crank cheek 121
4.4.1. Fungsi dari roda gila 125
BAB 5 HASIL PERHITUNGAN DAN KESIMPULAN 131
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar belakang masalah Mesin diesel telah berkembang pesat sejak ditemukan oleh Rudolf Diesel. Aplikasinya sangat luas, terutama untuk kendaraan niaga. Mesin diesel digunakan
baik dalam transportasi darat, laut, maupun udara. Pembahasan penulis saat ini mesin diesel 8 silinder dengan tipe - v injeksi langsung yang digunakan pada kendaraan kereta api. Pada mesin tersebut sistem masuk udara sudah memakai turbocharger untuk mengatasi masalah kekurangan suplai udaranya, dimana udara ini sangat mempengaruhi efisiensi motor diesel. Jika suplai udara pada motor diesel tidak terpenuhi, maka pembakaran bahan bakar pada mesin akan berkurang, sehingga mengakibatkan daya yang dihasilkan oleh motor diesel juga mengalami penurunan.
Penggunaan bahan bakar yang banyak akan meningkatkan daya mesin karena daya poros diperoleh melalui perubahan energi kimia atau nilai kalor bahan bakar.
Akan tetapi jika hal ini tidak diimbangi dengan suplai udara yang cukup pada motor diesel maka peningkatan daya pada motor diesel tidak akan optimal.
1.2. Batasan Masalah
Dalam tugas akhir ini penulis membatasi masalah pada perhitungan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
1.3. Metode Perumusan Masalah
Perumusan masalah pada tugas akhir ini adalah menghitung karakteristik mesin diesel dengan sistem injeksi langsung.
1.4. Metode Penyelesaian Masalah
Analisa yang digunakan untuk menghitung karakteristik kerja motor adalah dengan menggunakan perhitungan kerja siklus. Kemudian melakukan perhitungan elemen-elemen mesin.
1.5. Metode Pengumpulan Data
Untuk merancang mesin diesel 8 silinder dengan tipe - v injeksi langsung diperlukan data pendukung, data data tersebut diperoleh dengan cara :
1. Metode wawancara Penulis dalam pengumpulan data dilaksanakan dengan kegiatan tanya jawab secara langsung dengan pihak yang bersangkutan, misalnya melakukan tanya jawab secara langsung dengan mekanik PT.Kereta Api Yogyakarta..
2. Metode Pengamatan atau Observasi
Penulis melakukan pengamatan secara langsung dilapangan pada saat mekanik melakukan pembongkaran mesin diesel tersebut. Disini secara langsung penulis
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
3. Metode Pembacaan Buku Acuan
Penulis memperoleh data dengan membaca buku-buku perancangan, dan juga membaca literatur yang diperoleh dari PT. Kereta Api Yogyakarta yang berupa data-data spesifikasi atau buku acuan lainnya yang berhubungan yang didapat dari sumber manapun.
1.6. Tujuan Pembuatan Tugas Akhir
Mengetahui karakteristik dan kerja mesin diesel 8 silinder dengan tipe - v injeksi langsung beserta bagian elemen-elemen mesinnya.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
BAB II DASAR TEORI
2.1. Motor Diesel
Motor diesel yang digunakan sebagai penggerak kendaraan menurut putaran poros engkolnya digolongkan menjadi tiga macam yaitu mesin diesel putaran rendah, mesin diesel putaran sedang, dan mesin diesel dengan putaran tinggi. Mesin diesel putaran rendah kecepatan putar poros engkol lebih rendah dari 500 rpm, mesin diesel sedang memiliki putaran poros engkol antara 500-1000 rpm, sedangkan untuk putaran mesin diesel memiliki kecepatan putar poros engkol lebih dari 1000 rpm.
Mesin diesel putaran rendah sebagian besar digunakan sebagai penggerak alat transportasi yang membutuhkan daya yang besar dan tidak memerlukan kecepatan yang tinggi. Mesin diesel dengan kecepatan tinggi digunakan sebagai penggerak kendaraan yang selain memerlukan kecepatan sehingga dapat menghemat waktu.
Pada saat ini mesin diesel juga banyak dipergunakan dan dikembangkan sebagai penggerak kendaraan pribadi.
Pada me sin diesel, udara didalam silinder dikompresikan hingga suhu meningkat dan menghasilkan panas. Bahan bakar diesel kemudian disemprotkan ke dalam ruang bakar melalui nozel dalam bentuk kabut. Bahan bakar ini kemudian dibakar oleh panas udara yang telah dikompresikan di dalam silinder. Untuk memenuhi kebutuhan pembakaran tersebut maka temperatur udara yang dikompresi
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
memiliki perbandingan kompresi yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan mesin bensin yaitu antara 1:15 sampai dengan 1 : 22 tetapi pada mesin diesel kereta api yang dibahas oleh penulis kompresi rasionya hanya 1 : 15,7. hal ini dikarenakan mesin diesel hanya digunakan untuk memutar generator yang akan menghasilkan listrik dan tidak membutuhkan akselerasi yang cepat. Sedangkan perbandingan kompresi mesin bensin tidak dapat dibuat terlalu tinggi karena pada mesin bensin dibatasi adanya detonasi.
Gambar 2.1a Mesin diesel putaran tinggi (SUMBER : ISUZU Training Center, hal 2)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Keuntungan mesin diesel:
1. Mesin diesel memiliki efisiensi panas yang lebih tinggi, hal ini berarti bahwa penggunaan bahan bakar lebih ekonomis daripada mesin bensin. Pemakaian bahan bakar diesel kira-kira 25% lebih rendah dibandingkan dengan mesin bensin, harga bahan bakarnya lebih murah.
2. Mesin diesel lebih tahan lama dan tidak memerlukan electric igniter. Hal ini berarti bahwa kemungkinan kesulitan lebih kecil dibandingkan mesin bensin.
3. Momen pada mesin diesel tidak berubah pada jenjang tingkat kecepatan yang luas, hal ini berarti bahwa mesin diesel lebih fleksibel dan mudah dioperasikan. Kerugian mesin diesel:
1. Tekanan pembakaran maksimum hampir dua kali lebih besar dibandingkan mesin bensin, hal ini berarti suara dan getaran mesin diesel lebih keras.
2. Tekanan pembakarannya yang lebih tinggi maka mesin diesel harus dibuat lebih kuat dan kokoh, sehingga dengan daya kuda yang sama mesin diesel lebih berat dan pembuatannya lebih maha l.
3. Mesin diesel memerlukan sistem injeksi bahan yang presisi. Dan ini berarti harganya lebih mahal dan memerlukan perawatan yang teliti.
4. Mesin diesel memiliki perbandingan kompresi yang tinggi dan memerlukan gaya yang besar untuk memutarnya, hal ini berarti diperlukan motor starter dan baterai yang lebih besar.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
2.2 Siklus Pembakaran
2.2.1 Perbandingan Kompresi dan Temperatur
Udara di dalam silinder dikompresikan oleh adanya gerakan piston yang menyebabkan temperatur meningkat. Grafik 2.1 dibawah ini menunjukkan hubungan secara teori antara perbandingan kompresi, tekanan kompresi dan suhu. Apabila perbandingan kompresi 16, maka tekanan kompresi dan temperatur adalah
2 30 kg/cm dan 500°C.
Grafik 2.1 Perbandingan Kompresi dan Temperatur
(Sumber: Astra Isuzu Training Center, hal 4)
2.2.2 Prinsip Kerja Motor Diesel
Prinsip kerja motor diesel putaran tinggi dapat dilihat pada gambar 2.2 (prinsip kerja motor diesel), piston yang bergerak secara translasi (bolak-balik) di
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
pada bantalannya, dengan perantaraan batang penggerak atau batang penghubung. Campuran bahan bakar dan udara dibakar di dalam ruang bakar, yaitu ruangan yang dibatasi oleh dinding silinder, kepala piston dan kepala silinder. Gas pembakaran yang terjadi itu mampu menggerakkan piston dan selanjutnya menggerakkan atau memutar poros engkol. Pada kepala silinder terdapat katup hisap dan katup buang.
Katup hisap berfungsi memasukkan udara segar ke dalam silinder, sedangkan katup buang berfungsi mengeluarkan gas pembakaran yang sudah tidak terpakai dari dalam silinder ke udara luar (atmosfer).
Gambar 2 .
2 Prinsip kerja motor diesel
(Sumber: ISUZU Training Center, hal 3)
Jika piston berada pada posisi terjauh dari kepala silinder, seperti terlihat pada gambar 2.2(2) dan katup hisap dan katup buang ada pada posisi tertutup, maka gerakan piston ke atas seperti terlihat pada gambar 2.2(2) merupakan gerakan menekan udara di dalam silinder (langkah kompresi). Gerakan tersebut terakhir akan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
tersebut. Akhirnya pada saat piston mencapai posisi terdekat dengan silinder seperti terlihat pada gambar 2.2(3), maka pada motor diesel pada umumnya tekanan dan
2 o
temperaturnya berturut-turut dapat mencapai kurang lebih 30 kg/cm dan 550 C (Sumber : Wiranto Arismunandar, Motor Diesel Putaran Tinggi, hal 4). Namun beberapa saat sebelum piston mencapai posisi (3) tersebut di atas, bahan bakar disemprotkan ke dalam silinder dan terjadilah proses pembakaran. Karena proses pembakaran tersebut memerlukan waktu maka tekanan maksimum dan temperatur maksimumnya terjadi beberapa saat setelah piston mulai bergerak ke bawah. Pada peristiwa ini gas hasil pembakaran mendorong piston bergerak ke bawah (langkah ekspansi). Seperti terlihat pada gambar 2.2(3), dan selanjutnya memutar poros engkol. Beberapa saat piston sebelum mencapai posisi (4) katup buang mulai terbuka sehinga gas hasil pembakaran keluar dari dalam silinder. Selanjutnya, gas hasil pembakaran dipaksa keluar dari dalam silinder oleh gerakan piston dari bawah ke atas (langkah buang). Beberapa saat piston sebelum mencapai posisi (1), katup hisap mulai terbuka dan beberapa saat setelah piston mulai bergerak ke bawah lagi katup buang sudah menutup. Dalam hal ini, gerakan piston ke bawah akan mengakibatkan udara segar dari luar (atmosfer) akan terhisap masuk ke dalam silinder (langkah hisap). Proses tersebut di atas terjadi secara berulang-ulang.
Pada posisi (3) dan (4) tersebut pada gambar 2.2, piston seolah-olah berhenti atau dengan kecepatan nol. Posisi dimana terjadi pada keadaan tersebut disebut dengan nama “titik mati”. Piston pada saat berada pada posisi (3) dimana piston berada pada posisi paling dekat dengan kepala silinder disebut dengan “Titik Mati
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
berada pada posisi terjauh dari kepala silinder disebut dengan “Titik Mati Bawah” (TMB). Jarak antara titik mati atas (TMA) dengan titik mati bawah (TMB) disebut dengan “panjang langkah” (langkah). Contoh proses yang diberikan di atas meliputi : langkah kompresi, langkah ekspansi, langkah buang dan langkah hisap, terjadi selama gerakan piston dari TMB-TMA-TMB-TMA-TMB, atau selama dua putaran poros engkol. Mesin yang dalam satu siklusnya meliputi langkah kompresi, langkah ekspansi, langkah buang dan langkah hisap selama dua putaran poros engkol disebut dengan mesin empat langkah. Dalam hal ini, gas hasil pembakaran mendorong piston pada saat langkah ekspansi saja, selebihnya ketiga langkah yang lain terjadi hal yang sebaliknya. Untuk memungkinkan hal tersebut diatas bisa terjadi, maka sebagian energi gas hasil pembakaran selama proses ekspansi harus diubah dan disimpan dalam bentuk energi kinetik roda gaya.
Mesin yang dalam satu siklus kerjanya dengan satu putaran poros engkol disebut dengan mesin dua langkah. Dalam hal ini kira-kira 1/3 gerakan piston dari TMA ke TMB yang terakhir dan 1/3 gerakan piston dari TMB ke TMA yang pertama digunakan untuk mengeluarkan gas hasil pembakaran dari dalam silinder dan untuk memasukkan udara segar dari atmosfer (dan bahan bakar pada motor bensin) ke dalam silinder. Proses pembuangan gas hasil pembakaran sudah tak terpakai dan pengisian udara segar ke dalam silinder disebut dengan pembilasan. Motor diesel penggerak (propeller) kapal-kapal besar biasanya bersiklus dua langkah. Demikian juga dengan motor bensin berukuran kecil, biasanya juga bekerja dengan siklus dua langkah. Namun motor diesel dengan putaran tinggi tidak pernah
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
2.2.3 Detonasi (Knocking)
Detonasi adalah getaran atau suatu ledakan yang ditimbulkan oleh pembakaran yang tidak sempurna. Secara grafik dapat diperlihatkan pada Grafik 2.2 dibawah ini :
Grafik 2.2 Detonasi (Knocking)
(Sumber: Astra Isuzu Training Center, hal 5)
Mengurangi besarnya detonasi yang terjadi dapat dilakukan dengan metode sebagai berikut :
- Gunakan solar yang angka cetane-nya tinggi.
- Menaikkan temperatur dan tekanan udara.
- Mengurangi volume injeksi pada saat proses injeksi dimulai.
- Menaikkan temperatur ruang bakar.
2.3 Macam-macam Ruang Bakar
2.3.1 Macam-macam Mesin Diesel dibagi Berdasarkan Bentuk Ruang Bakarnya
Ruang bakar mesin diesel merupakan bagian yang terpenting untuk menentukan kemampuan mesin diesel. Telah dikembangkan berbagai macam konfigurasi ruang bakar mesin diesel untuk menjamin bahan bakar yang disemprotkan kedalamnya dan dapat mengurangi, mengabut, dan bercampur dengan udara. Cara yang digunakan disini meliputi pembentukan ruang masuk kedalam silinder, atau dengan jalan menambahkan ruang bakar bantu yang dapat mempercepat ekspansi gas pada tahap pembakaran awal untuk meningkatkan efisiensi pembakaran. Ruang bakar yang digunakan pada mesin diesel adalah sebagai berikut
2.3.1.1 Tipe Injeksi Langsung (Direct Injection) Injection nozzle menyemprotkan langsung bahan bakar ke dalam ruang bakar
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
diatas piston merupakan salah satu bentuk yang dirancang untuk menyempurnakan pembakaran. Dapat dikatakan mesin diesel putaran tinggi yang menggunakan ruang bakar jenis ini bekerja dengan puncak piston berongga supaya diperoleh pusaran udara, seperti terlihat pada gambar 2.3. bentuk rongga-rongga bertekanan dapat dilihat pada gambar 2.4 Tipe Injeksi Langsung (Direct injection).
Gambar 2.3
(Sumber: Astra Isuzu Training Center, hal 5)
Macam- macam ruang injeksi langsung:
1. Multi spherical
2. Hemispherical
3. Spherical
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Gambar 2.4 Macam-macam Ruang Injeksi Langsung.
(Sumber: Astra Isuzu Training Center, Informasi Umum Automotif)
Ruang bakar yang berada di atas piston merupakakan salah satu bentuk yang dirancang untuk menyempurnakan pembakaran. Dapat dikatakan mesin diesel putaran tinggi yang menggunakan ruang bakar jenis ini bekerja dengan puncak piston berongga supaya diperoleh pusaran udara, seperti terlihat pada gambar 2.5, pusaran tersebut juga dinamai “penggilasan”, disebabkan karena perhitungan kompresi yang lebih tinggi pada puncak piston, jika dibandingkan pada dasar rongga. Pusaranan yang terjadi, semacam pusaran yang bertekanan. Bentuk-bentuk rongga bertekanan dapat dilihat pada gambar 2.6.
Gambar 2.5 Penggilasan Udara .PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Gambar 2.6 Beberapa benruk rongga pada kepala piston motor diesel putaran tinggidengan ruang bakar terbuka
(Sumber: Wiranto Arismunandar, Motor Diesel Putaran Tinggi, hal : 85)
Untuk membuat pusaran tanpa penggilasan, biasanya udara yang dimasukkan ke dalam silinder dibuat berputar mengelilingi sumbu silinder, seperti terlihat pada gambar 2.7(a) dan (b). Untuk ruang bakar dengan rongga piston yang dangkal, banyak digunakan pusaran induksi. Gambar 2.8 menunjukkan “katup berkelok” atau “katup berselubung” yang terpasang pada system tersebut pada gambar 2.7(a). Konstruksi katup ini bertujuan untuk menahan aliran melalui kira-kira separuh keliling katup, dengan menggunakan “kedok” atau ”selubung”. Namun konstruksi katup berkelok menurunkan effisiensi volumetric. Pada gambar 2.7(b) pipa isap dibuat sedikit miring dan dalam arah tangensial terhadap dinding silinder. Gambar 2.9 menunjukkan aliran melalui lubang spiral, yaitu bentuk yang sebaik-baiknya untuk membentuk pusaran udara. Dalam mesin- mesin dua langkah pusaran udara pembilas membentuk pusaran untuk memperbaiki proses pembakaran.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
perlu ada usaha memperbaiki pencampuran bahan bakar dan udara dengan mengandalkan penyemprotan bahan bakar, yaitu penyemprotan bahan bakar, yaitu pengabutan , distribusi, dan penetrasi bahan bakar didalam silinder sebaik-baiknya. Untuk hal itu, hendaknya penyemprotan bahan bakar berlubang banyak diletakkan ditengah-tengah silinder, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.6(a) sampai dengan (h).
.
Gambar 2.7 Pusaran Induksi
(Sumber: Wiranto Arismunandar, Motor Diesel Putaran Tinggi, hal : 86)
Gambar 2.8 Katup Berkelok .
(Sumber: Wiranto Arismunandar, Motor Diesel Putaran Tinggi, hal : 86)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Gambar 2.9 Aliran Udara Melalui Lubang Sepriral .
(Sumber: Wiranto Arismunandar, Motor Diesel Putaran Tinggi, hal : 86)
Keuntungan: 1. Efisiensi panas tinggi (tidak memerlukan glow plug).
2. Konstruksi silinder head sederhana.
3. Karena kerugian panas kecil, perbandingan kompresi dapat diturunkan. Kerugian: 1. Pompa injeksi harus menghasilkan tekanan yang tinggi.
2. Kecepatan maksimum lebih rendah.
3. Suara lebih besar (berisik).
4. Bahan bakar harus bermutu tinggi.
2.3.1.2 Tipe Ruang Bakar Kamar Depan
Tipe ruang bakar kamar depan dapat dilihat pada gambar 2.10 dibawah ini, bahan bakar disemprotkan oleh injection nozzle ke dalam pre-combustion chamber.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
selanjutnya akan terurai menjadi partikel yang halus dan terbakar habis di ruang bakar utama (main chamber)
Gambar 2.10 Tipe Ruang Bakar Kamar Depan.
(Sumber: Astra Isuzu Training Center, hal 6)
Keuntungan:
1. Pemakaian bahan bakar lebih luas, bahan bakar yang relative kurang baik dapat digunakan dengan asap pembakaran yang tidak pekat.
2. Karena pada tipe mesin ini digunakan tipe nozzle trotle, maka diesel knock
dapat dikurangi dan kerja mesin lebih tenang
3. Mudah pemeliharaannya karena tekanan injeksi bahan bakarnya relative rendah dan mesin tidak terlalu peka terhadap perubahan timing injeksi.
Kerugian: 1. Bentuk kepala silinder lebih rumit dan biaya pembuatan mahal.
2. Diperlukan starter yang lebih besar, mesin sulit distarter, sehingga
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
2.3.1.3 Tipe Kamar Pusar (Swirl Chamber Type)
Tipe kamar pusar dapat dilihat pada gambar 2.11 dibawah ini, kamar pusar mempunyai bentuk spherical. Udara yang dikompresikan piston memasuki kamar pusar dan membentuk aliran turbulensi. Sebagian akan terbakar di tempat dan sisanya yang tidak terbakar akan dibakar habis di main combustion chamber
Tipe Kamar Pusar Gambar 2.11
(Sumber: Astra Isuzu Training Center, hal 7)
Keuntungan: 1. Dapat dicapai kecepatan mesin yang tinggi karena turbulensi kompresi tinggi.
2. Gangguan pada nozzle (tipe pin) lebih kecil, karena menggunakan nozzel tipe pin.
3. Operasi mesin lebih halus dengan tingkat kecepatan yang lebih luas sehingga
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Kerugian: 1. Konstruksi cylinder head dan silinder block lebih rumit.
2. Efisiensi panas dan konsumsi bahan bakarnya lebih buruk dari pada mesin injeksi langsung .
3. Masih menggunakan glow plug (busi pijar), tidak efektif untuk kamar pusar yang besar karena mesin tidak mudah distart.
4. Detonasi lebih mudah terjadi pada kecepatan rendah.
2.4 Konstruksi Mesin Diesel
Konstruksi mesin diesel dapat diperlihatkan pada gambar 2.12 dibawah ini
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
2.5 Turbocharger
Daya poros diperoleh melalui pengubahan energi kimia atau nilai kalor bahan bakar. Makin banyak bahan bakar yang dapat dibakar, makin besar daya yang dapat dihasilkan. Hal itu dapat terjadi jika tersedia udara secukupnya; biasanya dengan faktor kelebihan udara lebih besar dari pada batas asap. Maka hal itupun berarti bahwa daya mesin dibatasi oleh kemampuan mesin tesebut mengisap udara yang diperlukan untuk pembakaran.
Namun demikian, pada mesin empat- langkahpun terdapat impitan katup sehingga sebagian dari udara segar juga keluar dari dalam silinder. Hal itu merupakan kerugian yang tidak dapat dihindari. Jadi, udara yang dimasukkan ke dalam silinder tidak semuanya dipergunakan untuk pembakaran.
Sebuah motor bakar 4 langkah yang bekerja dengan supercharger tekanan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
dengan memompa udara yang biasa dinamai supercharger.
Supercharger digerakkan dengan daya yang dihasilkan oleh mesin itu sendiri;
atau dengan jalan memanfaatkan energi gas buang untuk menggerakkan turbin gas yang menggerakkan supercharger. Supercharger yang digerakkan oleh turbin gas buang dinamai turbo-supercharger atau ‘turbocharger’ saja. Dengan supercharger jumlah udara atau campuran bahan bakar – udara segar yang bisa dimasukkan lebih besar daripada dengan proses pengisapan oleh torak pada waktu langkah isap. Tekanan udara dengan supercharger akan menaikkan sekaligus tekanan isap dan tekanan buang.
2.5.1 Tujuan pemakaian
Tujuan utama pemakaian turbocharger adalah memperbesar daya motor (30 – 80%); mesinpun menjadi lebih kompak lagipula ringan. Boleh dikatakan motor diesel dengan turbocharger dapat bekerja lebih efisien, pemakaian bahan bakar spesifiknya lebih rendah (5 – 15%). Hal ini berarti turbocharger yang dipakai adalah jenis turbo efisiensi.
Dilihat dari konstruksi dan harganya, motor diesel di bawah 100 PS tidak ekonomis menggunakan supercharger. Tetapi apabila mesin harus bekerja pada ketinggian lebih dari 1500 meter di atas laut, supercharger mempunyai arti penting dalam usaha mengatasi kerugian daya yang disebabkan oleh berkurangnya kepadatan udara atmosfer di tempat tersebut. Mesin dengan daya di antara 100 – 200 PS yang
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Pada motor diesel, supercharger dapat mempersingkat periode persiapan pembakaran sehingga karakteristik pembakaran menjadi lebih baik. Di samping itu terbuka kemungkinan untuk menggunakan bahan bakar dengan bilangan setana yang lebih rendah. Akan tetapi jangan hendaknya melupakan tekanan dan temperatur gas pembakarannya karena hal tersebut akan menyangk ut persoalan pendinginan, konstruksi, kekuatan material serta umurnya.
Udara atmosfer masuk ke dalam kompresor, mengalami proses kompresi sehingga tekanannya naik. Kompresor digerakkan oleh turbin; hal ini dapat dilihat pada adanya poros yang menghubungkan rotor kompresor dan rotor turbin yang digerakkan oleh gas buang motor bakar torak yang menggunakan turbocharger tersebut. Udara yang keluar dari kompresor mengalir ke dalam saluran isap motor; melalui karburator atau penyemprot bahan bakar, pada motor Otto. Selanjutnya udara mengalir ke dalam silinder. Konstruksi turbocharger dapat dilihat seperti pada gambar 2.13.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
BAB III PERHITUNGAN KERJA SIKLUS
3.1. Siklus Kerja Motor Diesel
Siklus kerja motor diesel ada tiga macam, yaitu:
1. Siklus ideal
2. Siklus aktual
3. Siklus gabungan Dalam pembahasan ini kami menggunakan siklus gabungan yaitu gabungan antara siklus ideal dan siklus aktual untuk melakukan perhitungan pada motor diesel.
Untuk menjelaskan makna dari diagram p-v pada motor torak terlebih dahulu perlu kita pakai beberapa idealisasi, sehingga prosesnya dapat dipahami secara lebih mudah. Proses yang sebenarnya ( aktual ) berbeda dengan proses yang ideal tersebut, dimana perbedaan tersebut menjadi semakin besar jika idealisasi yang digunakan itu terlalu jauh menyimpang dari keadaan yang sebenarnya, proses siklus yang ideal itu biasa disebut dengan siklus udara, dengan beberapa idealisasi sebagai berikut:
1. Fluida kerja dalam silinder adalah udara, dimana udara dianggap sebagai gas ideal dengan konstanta kalor yang konstan.
2. Proses ekspansi dan kompresi berlangsung secara isentropik.
3. Proses pembakaran dianggap proses pema nasan fluida kerja.
4. Pada akhir proses ekspansi, yaitu saat piston mencapai TMB, fluida kerja
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
udara luar (atmosfer).
5. Tekanan fluida kerja di dalam silinder selama langkah buang dan langkah hisap adalah konstan dan sama dengan tekanan dan suhu udara luar.
Pada gambar di bawah (3.1) menunjukkan siklus tekanan konstan, yang dianggap sebagai siklus dasar dari setiap mesin empat langkah.
Diagram p-v siklus diesel ideal Gambar 3.1
(Sumber: Petrovsky, Marine Internal Combustion Engine, hal 18)
Pada waktu piston berada pada TMB ( titik r ) udara dalam kondisi atmosfer.Gerakan piston dari TMB ke TMA ( titik c ) menyebabkan udara pada kondisi atmosfer tersebut mengalami kompresi isentropik hingga piston mencapai TMA.
Pada waktu piston berada pada posisi TMA udara dipanasi pada tekanan konstan sehingga menyebabkan suhu dan volume udaranya naik, proses ini berakhir pada titik c. Selanjutnya, gerakan piston dari TMA ke TMB merupakan proses ekspansi isentropik. Pada saat piston mencapai posisi TMB ( titik z ) udara didinginkan hingga
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
dari titik a - o adalah langkah buang pada tekanan konstan. Sedangkan gerakan piston yang berikutnya dari TMA ke TMB, yaitu dari titik o -a adalah langkah hisap pada tekanan konstan yang sama dengan tekanan buang. Jika siklus kerja motor berdasarkan idealisasi 3 dan 4, maka sebenarnya tak perlu diadakan penggantian fluida kerja.
Pada siklus aktual hambatan hidraulik ( rugi- rugi gesekan fluida ) yang timbul pada sistem pemasukan akan menurunkan tekanan udara yang masuk ke dalam ruang bakar.
Karena gerakan piston yang tidak seragam menyebabkan proses pengisian ruang bakar juga bervariasi. Tampak pada gambar 3.2 langkah pengisapan r - a kurva mengalami penurunan tekanan di bawah garis atmosfer.
Gambar 3.2 Diagram p-v siklus diesel aktual
(Sumber: Petrovsky, Marine Internal Combustion Engine, hal 18)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
adiabatik, tetapi ditunjukkan oleh kurva berlangsung secara politropik dengan eksponen politropik yang bervariasi.
Karena campuran udara dan bahan mengisi silinder selama periode pembakaran sampai mendekati TMA. Sehingga tekanan gas pada proses ini tidak bergerak naik menurut garis vertikal seperti pada pembakaran yang terjadi dalam volume konstan, tetapi mengikuti kurva yang semakin menjauhi sumbu y. Setelah TMA, pembakaran berlangsung dengan diikuti kenaikan volume.
Proses ekspansi pada siklus aktual disertai dengan afterburning dan perpindahan panas antara gas hasil pembakaran dengan dinding silinder. Oleh karena itu proes ekspansi tidak berlangsung secara adiabatik, tetapi berlangsung secara politropik dengan harga koefisien politropik yang bervariasi.
3.2. Langkah Hisap
Seperti telah dijelaskan di atas pada langkah isap terjadi penurunan tekanan atmosfer yang sesungguhnya, hal ini disebabkan karena rugi- rugi gesekan fluida pada sistem pengisapan. Udara luar pada tekanan atmosfer mengalir masuk ke dalam ruang bakar karena adanya perbedaan tekanan yang lebih rendah di dalam ruang bakar.
Sejumlah muatan udara segar dialirkan saat langkah hisap, hal ini terjadi karena adanya perbedaan tekanan antara udara luar ( tekanan atmosfer ) dengan tekanan dalam silinder karena adanya penambahan volume silinder yang disebabkan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
saat terbuka. Katup hisap terbuka beberapa derajat sebelum TMA saat langkah buang. Saat torak menuju TMB, campuran segar mengalir ke dalam silinder.
Faktor yang mempengaruhi besarnya muatan yang masuk ke dalam silinder: 1. Tahanan hidraulis dari sistem saluran hisap, tekanan akan direduksi sebesar ? P.
2. Adanya sisa hasil pembakaran di dalam silinder yang mendiami sebagian volume silinder.
3. Pemanasan campuran udara – bahan bakar oleh permukaan dinding saluran hisap dan ruang di luar silinder sebesar ? T yang akan mengurangi kerapatan campuran.
3.2.1 Tekanan di Dalam Silinder Selama Proses Pengisapan
Adanya gesekan di dalam saluran isap akan mengurangi jumlah muatan segar yang terhisap ke dalam silinder karena kerapatan muatan berkurang. Pengaruh tahanan hidraulik muatan dapat dicari bila diketahui rugi–rugi tekanan ? Pa dalam sistem hisap atau tekanan Pa pada saat proses penghisapan berakhir.
Tekanan di dalam silinder selama proses pengisian dapat dicari secara tepat bila prosesnya stabil. Pada mesin 4 langkah saat mencapai kecepatan dan daya rata-rata Pa. Tekanan akhir langkah hisap dihitung dengan persamaan 3.1 (Petrovsky, Marine Internal Combusion Engine,hal 27) yaitu sebagai berikut : a o
P (0,90 0,95)P ..................................................................................................... (3.1) = −
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
P o
Dengan:
................................................................................................. (3.3)
1 T ? ? T T T
?
Temperatur akhir langkah hisap dapat dihitung dengan persamaan 3.3 (Petrovsky, Marine Internal Combusion Engine, hal 29) yaitu sebagai berikut : r r r w o a
= = = ∆
Mpa 0,0101 0,2532 x 0,04 P (0,04) P o a
dengan : ?Pa : penuruna n tekanan karena rugi-rugi gesekan fluida
P 0,05) (0,03 P − = ∆ ................................................................................................... (3.2)
persamaan 3.2 (Petrovsky, Marine Internal Combusion Engine, hal 207) yaitu sebagai berikut : o a
Drop pressure atau penurunan tekanan yang terjadi dihitung dengan menggunakan
= = =
Mpa 0,2405 0,2532 x 0,95 P ,95) ( P o a
= Tekanan udara luar dengan menggunakan turbo 2,5 atm (= 0,2532 Mpa) Sehingga didapat perhitungan sebagai berikut :
3.2.2 Temperatur Akhir Pada Saat Langkah Hisap:
- =