Tugas Akhir Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin

  Mesin Diesel 3000 cc dengan Turbocharger Tugas Akhir Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin

  Disusun Oleh Nama :

  NIM : Erix Gunarto 045214 055

  

Program Studi Teknik Mesin

Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Sains Dan Teknologi

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta

  

Mechanical Engineering Study Program

Mechanical Engineering Departement

Faculty Of Science And Technology

Sanata Dharma University

  

Yogyakarta

2008

3000 cc Diesel Engine with Turbocharger

  Final Project Presented as partitial fulfilment of the requirement as to obtain the Sarjana Teknik Degree in Mechanical Engineering

  by Erix Gunarto

  Student Number : 045214055

  

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, 26 September 2008 Penulis

  

Intisari

  Daya pada motor bakar dapat didongkrak dengan cara memperbesar jumlah udara yang memasuki ruang bakar. 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 dan Untuk membandingkan unjuk kerja mesin tanpa dan dengan turbocharger.

  Turbo-supercharger atau biasa disebut ‘turbocharger’ saja adalah

supercharger yang digerakkan oleh turbin yang mengkonversi energi aliran gas buang

  menjadi energi kinetik rotasi. Aliran gas buang dilewatkan ke dalam turbin. Daya yang diperoleh turbin diteruskan ke kompresor melalui perantaraan poros. Kemudian kompresor akan memompakan udara segar ke dalam ruang bakar.

  Dari perhitungan yang telah dilakukan ternyata menggunakan turbocharger menghasilkan efisiensi dan daya besar dibandingkan dengan yang tidak memakai turbocharger. Efisiensi dengan turbocharger di dapat 82,7 % sedangkan tanpa turbocharger 82,1 % pada putaran 3600 rpm dan daya yang dihasilkan menggunakan turbocharger di dapat 110,79 Hp sedangkan tanpa turbocharger 107,96 Hp pada putaran 3600 rpm.

  

Kata Pengantar

  Salah satu tujuan penulisan tugas akhir ini adalah untuk melengkapi wacana tentang dunia otomotif bagi mereka yang mempelajari teknologi, khusunya tentang mesin diesel dan turbocharger. Tugas ini disusun sedemikian rupa sehingga diharapkan pembaca dapat menangkap pesan-pesan penulis.

  Pada kesempatan kali ini penulis ingin mengucapkan terima kasih untuk pihak-pihak yang turut mendukung terselesaikannya tugas akhir ini. Pihak-pihak tersebut adalah:

  1. Ir. Greg. Heliarko, S.J., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi.

  2. Budi Sugiharto S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin.

  3. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing tugas akhir.

  4. Fr. Blasius OSCO terima kasih atas semua saran dan nasehat.

  5. Kristin Yulianti yang selama ini selalu menemaniku dan mendampingiku dalam suka dan duka.

  6. 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.

  Yogyakarta, 17 September 2008 Penulis

  Daftar Isi

BAB 1 PENDAHULUAN

  1

  1.1. Latar belakang

  1

  1.2. Rumusan masalah

  2

  1.3. Tujuan penulisan

  2

  1.4. Batasan perancangan

  2

  1.5. Metode perancangan

  3 BAB

2 TINJAUAN TEORI

  4

  19 BAB 3 ANALISA SIKLUS

   4

  26

  3.2.1.1. Tekanan didalam silinder selama proses pengisapan

  25

  3.2.1. Langkah hisap

  24

  3.2. Motor diesel tanpa turbocharger

  21

  3.1. Siklus kerja motor diesel

  21

  2.4.1. Tujuan pemakaian

  2.2. Prinsip kerja

  18

  2.4. Turbocharger

  16

  2.3.3. Perbandingan campuran

  15

  2.3.2. Bilangan setana (cetane) bahan bakar

  2.1. Tinjauan umum mesin diesel

  2.3.1. Proses pembakaran

  11

  2.3. Siklus termodinamika

  8

  11

  3.2.1.2. Temperatur akhir pada langkah hisap

  44

  3.2.3.8. Kapasitas molar isokhorik udara pada akhir kompresi

  40

  3.2.3.9. Perhitungan temperatur akhir langkah pembakaran

  40

  3.2.3.10. Tekanan akhir pembakaran

  41

  3.2.4. Langkah ekspansi

  3.2.4.1. Perbandingan ekspansi awal

  3.2.3.7. Kapasitas panas molar isokhorik rata-rata udara

  44

  3.2.4.2. Perbandingan ekspansi akhir

  45

  3.2.4.3. Tekanan akhir langkah ekspansi

  46

  3.2.4.4. Temperatur akhir langkah ekspansi

  46

  3.2.5. Tekanan indikasi rata-rata

  39

  38

  27

  3.2.3. Langkah pembakaran

  3.2.1.3. Efisiensi pengisian untuk langkah hisap

  28

  3.2.2. Langkah kompresi

  29

  3.2.2.1 Tekanan akhir langkah kompresi

  30

  3.2.2.2 Temperatur akhir langkah kompresi

  31

  32

  3.2.3.6. Kapasitas molar rata-rata dari gas volume konstan

  3.2.3.1. Proses pembakaran

  32

  3.2.3.2. Reaksi pembakaran

  32

  3.2.3.3. Koefisiensi kelebihan udara

  34

  3.2.3.4. Koefisien kimia penambahan molar μo 36

  3.2.3.5. Koefisien perubahan molar karena adanya gas hasil pembakaran 37

  47

  3.2.5.1. Tekanan indikasi rata-rata aktual

  48

  3.2.5.2. Kerja indikasi dan daya indikasi hp (horse power)

  49

  3.2.5.3. Torsi yang dihasilkan

  50

  3.2.5.4. Efisiensi mekanis

  50

  3.2.5.5. Tekanan efektif rata-rata

  51

  3.2.5.6. Brake horsepower

  51

  3.2.5.7. Kebutuhan bahan bakar

  52

  3.2.5.8. Konsumsi bahan bakar tiap jam

  53

  3.2.5.9. Konsumsi bahan bakar tiap jam untuk indikasi daya (Ni)

  54

  3.2.6.0. Konsumsi bahan bakar tiap jam untuk break thermal

  55

  3.2.6.1. Efisiensi indikasi panas 55

  3.2.6.2. Efisiensi daya break thermal (Hp)

  56

  3.2.6.3. Kebutuhan bahan bakar spesifikasinya 56

  3.3. Motor diesel dengan turbocharger

  57

  3.3.1. Langkah isap

  61

  3.3.1.1. Tekanan akhir langkah isap

  61

  3.3.1.2. Suhu akhir lagkah isap 61

  3.3.1.3. Efisiensi pengisian dan koefisien gas sisa

  63

  3.3.2. Langkah kompresi

  63

  3.3.2.1. Eksponen kompresi politropik 63

  3.3.3.2. Tekanan dan suhu pada akhir langkah kompresi

  64

  3.3.3. Pembakaran

  64

  3.3.3.1. Tekanan dan suhu akhir langkah pembakaran

  67

  3.3.4. Langkah ekspansi

  69 3.3.4.1 . Eksponen politropik ekspansi 69

  3.3.4.2. Tekanan dan suhu akhir langkah ekspansi 69

  3.3.5. Perhitungan daya dengan turbocharger 70

  3.3.5.1. Tekanan indikasi rata-rata 70

  3.3.5.2. Daya indikasi dan daya kuda rem 70

  3.3.5.3. Efisiensi dan daya rugi-rugi mekanis 71

  3.3.5.4. Efisiensi termal rem dan efisiensi termal indikasi 71

  3.3.5.5. Pengaruh pemakaian turbocharger

  72 BAB

4 PERENCANAAN KOMPRESOR

  4.1. Dasar teori

  4.1.5. Termodinamika kompresor

  4.3. Perencanaan poros 119

  4.2. Perencanaan rumah keong 110

  4.1.8. Disain sudu 106

  4.1.7. Perhitungan daya kompresor 105

  85

  4.1.6. Perencanaan impeller

  83

  80

  75

  4.1.4. Persamaaan momentum

  79

  4.1.3. Persamaan energi

  77

  4.1.2. Laju aliran masa

  75

  4.1.1. Diagram kecepatan

  76

  4.4. Perencanaan pasak 127

  4.5. Perencanaan bantalan dan pelumasan 128

  BAB

5 PENUTUP 131

  5.1. Kesimpulan 131

  5.2. Saran 133

  

DAFTAR PUSTAKA 134

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1. Latar belakang

  Aplikasi mesin diesel sangat luas, terutama untuk kendaraan niaga. Tekanan awal langkah kompresi pada mesin diesel tanpa turbocharger (naturally aspirated

  

engine) selalu lebih rendah daripada tekanan udara atmosfer. Pada langkah isap, torak

  bergerak dari TMA (Titik Mati Atas) ke TMB (Titik Mati Bawah). Langkah ini menimbulkan kevakuman pada ruang bakar sehingga udara bergerak memasuki ruang bakar. Kondisi seperti ini dirasa kurang efektif karena udara yang memasuki ruang bakar sangat terbatas jumlahnya karena hanya tergantung pada tekanan udara luar.

  Efisiensi volumetrik dapat dinaikkan dengan memperbanyak jumlah udara yang memasuki ruang bakar. Dengan meningkatkan jumlah udara yang memasuki ruang bakar dan menambah suplai bahan bakar, maka jumlah kalor yang dapat dikonversi menjadi kerja mekanis menjadi lebih besar. Dengan demikian daya yang dibangkitkan juga akan lebih besar.

   Rumusan masalah 1.2.

  Untuk mengatasi beberapa permasalahan di atas, maka dirancanglah suatu alat untuk memperbesar jumlah udara yang memasuki ruang bakar. Alat ini disebut

  

turbocharger. Dengan alat ini diharapkan udara dapat memasuki ruang bakar dengan kecepatan yang lebih tinggi, sehingga terjadi turbulensi. Dengan turbulensi maka pencampuran bahan bakar dengan udara menjadi lebih baik.

  Pemakaian turbocharger dapat mengatasi masalah menipisnya udara yang masuk ruang bakar. Jumlah udara akan menipis pada dataran tinggi sehingga udara yang masuk dalam ruang bakar sedikit. Jumlah udara yang sedikit mengakibatkan proses pembakaran kurang sempurna.

  1.3. Tujuan penulisan

  Tujuan penulisan adalah : 1.) Membandingkan unjuk kerja mesin tanpa dan dengan turbocharger.

  2.) Merancang turbocharger dan mengetahui parameter-parameter pendukung lainya.

  1.3. Batasan Perancangan

  Agar perancangan tidak menyimpang dari judul tugas, maka penulis membatasi masalah pada perancangan turbocharger tanpa intercooler.

  Berikut adalah data kendaraaan yang dilengkapi dengan turbocharger.

  Jenis kendaraan : mobil penumpang Tipe mesin : mesin diesel injeksi langsung 4 langkah 16 katup Jumlah silinder : 4 silinder sebaris Volume sillinder : 3043 cc Volume tiap silinder : 760,76 cc Daya : 91,73 hp pada 3600 rpm Torsi : 22,769 Nm pada 1800 rpm

  Diameter silinder (bore) : 97 mm (0,097 m) Panjang langkah (stroke) : 103 mm (0,103 m) Perbandingan kompresi : 1:17,6

1.4. Metode perancangan

  Secara detail perancangan turbocharger akan dibahas dalam Bab III, Bab IV dan Bab V. Urutan perancangannya adalah: Analisa siklus, perancangan kompresor, perancangan poros beserta pasak, bantalan dan pelumasannya & kesimpulan. Poros harus dibuat kuat agar dapat menahan berat impeler dan juga dirancang agar memiliki kecepatan kritis yang tinggi apabila beroperasi bersama dengan impeler. Metode pelumasan direncanakan dengan pelumasan celup mengingat kecepatan turbo yang diperkirakan relatif tinggi.

  

Turbocharger direncanakan memiliki konstruksi seperti Gambar 0.1. Dapat dilihat

  impeler kompresor dan impeler turbin memiliki arah putaran yang sama karena dihubungkan dengan satu poros.

Gambar 0.1 Konstruksi turbocharger yang direncanakan.

BAB II TINJAUAN TEORI

2.1 Tinjauan umum mesin diesel

  Mesin diesel adalah jenis khusus dari mesin pembakaran dalam. Mesin pembakaran dalam adalah mesin panas yang di dalamnya terdapat energi kimia dari pembakaran dilepaskan di dalam silinder mesin. Golongan lain dari mesin panas adalah mesin uap.Mesin uap adalah energi yang ditimbulkan selama pembakaran bahan bakar diteruskan lebih dahulu ke uap dan hanya melalui uaplah kerja dilakukan dalam mesin atau turbin. Saat ini terdapat kecenderungan untuk menyebutkan semua mesin panas yang dioperasikan langsung oleh gas pembakaran adalah mesin pembakaran atau motor bakar.

  Kerakteristik utama dari mesin diesel yang membedakannya dari motor bakar yang lain adalah metoda penyalaan bahan bakar. Dalam mesin diesel bahan bakar diinjeksikan ke dalam silinder, yang berisi udara bertekanan tinggi. Selama kompresi suhu udara dalam silinder meningkat, Ketika bahan bakar dalam bentuk kabut halus bersinggungan dengan udara panas akan menyala. Karakteristik mesin diesel yang lain adalah bahwa mesinnya menghasilkan puntiran yang kurang lebih tidak tergantung pada kecepatan, karena banyaknya udara yang diambil ke dalam silinder dalam tiap langkah isap dari torak yang sedikit dipengaruhi oleh kecepatan mesin. Banyaknya bahan bakar yang dapat dibakar di dalam silinder dengan tiap langkah isap dan langkah usaha berguna oleh aksi torak.

  Pemakaian bahan bakar dari motor diesel kira-kira 25% lebih rendah dari pada motor bensin, sedangkan harga bahan bakarnya pun lebih murah. Hal itulah yang menyebabkan mengapa motor diesel lebih hemat dari pada motor bensin. Namun, karena perbandingan kompresinya yang tinggi maka tekanan kerja motor diesel menjadi lebih tinggi dari pada motor bensin. Oleh karena itu motor diesel harus dibuat lebih kuat dan kokoh, sehingga lebih berat.. Disamping itu, motor diesel mengeluarkan bunyi yang keras, warna dan bau gas buang yang kurang menyenangkan.

Gambar 2.1 Penampang melintang dari mesin diesel. (Sumber: Maleev, hal 5)

  (1. lapisan silinder; 2. kepala silinder; 3. torak; 4. batang engkol; 5. poros engkol; 6. pipi engkol; 7. bantalan utama; 8. pena engkol dan bantalannya; 9. nosel bahan bakar;10. cincin torak; 11. pena torak dan bantalannya; 12. katup pemasukan;

  13. katup buang; 14. poros nok; 15. nok; 16. pengikut nok; 17. batang dorong; 18. lengan ayun;19. pegas katup; 20. blok silinder atau karter; 21. plat landasan.)

Gambar 2.1 menunjukkan secara umum mesin diesel empat langkah. Berikut dijelaskan tentang beberapa bagian penting dari mesin diesel.

  1. Silinder Jantung mesin adalah silindernya, yaitu tempat bahan bakar dibakar dan daya ditimbulkan. Bagian dalam silinder dibentuk dengan lapisan (liner), atau selongsong (sleeve). Diameter dalam silinder disebut lubang (bore).

  2. Kepala silinder (Cylinder head) Kepala silinder menutup satu ujung silinder dan sering berisikan katup tempat lewat udara dan bahan bakar diisikan dan gas buang dikeluarkan.

  3. Torak (piston) Ujung lain dari ruang kerja silinder ditutup oleh torak yang meneruskan kepada poros daya yang ditimbulkan oleh pembakaran bahan bakar. Cincin torak (piston

  ring) yang dilumasi dengan minyak mesin menghasilkan sil (seal) rapat gas

  antara torak dan lapisan silinder. Jarak perjalanan torak dari satu ujung silinder ke ujung silinder yang lain disebut langkah (stroke).

  4. Batang engkol (conecting rod) Satu ujung, yang disebut ujung kecil dari batang engkol, dipasangkan kepada

  pena pergelangan (wrist pin) atau pena torak (piston pin) yang terletak di dalam torak. Ujung yang lain atau ujung besar mempunyai bantalan untuk pena engkol.

  Batang engkol mengubah dan meneruskan gerak bolak-balik (reciprocating) dari torak menjadi putaran kontinyu pena engkol selama langkah kerja dan sebaliknya selama langkah yang lain.

  5. Poros engkol (crankshaft) Poros engkol berputar di bawah aksi dari torak melalui batang engkol dan pena engkol yang terletak di antara pipi engkol (crankweb), dan meneruskan daya dari torak kepada poros yang digerakkan. Bagian dari poros engkol yang didukung oleh bantalan utama dan berputar di dalamnya disebut tap (journal).

  6. Roda gila (flywheel) Roda gila dengan berat yang cukup dikuncikan kepada poros engkol dan menyimpan energi kinetik selama langkah daya dan mengembalikannya selama langkah yang lain. Roda gila membantu menstart mesin dan juga bertugas membuat putaran poros engkol kira-kira seragam.

  7. Poros nok (camshaft) Poros nok digerakkan dari poros engkol oleh penggerak rantai atau oleh roda gigi pengatur waktu mengoperasikan katup pemasukan dan katup buang melalui nok, pengikut nok, batang dorong (push rod), dan lengan ayun (rocker arm). Pegas katup berfungsi menutup katup.

  8. Karter (crankcase) Karter berfungsi menyatukan silinder, torak dan poros engkol, melindungi semua bagian yang bergerak dan bantalannya, dan merupakan reservoir bagi minyak pelumas. Disebut sebuah blok silinder kalau lapisan silinder disisipkan di dalamnya. Bagian bawah dari karter disebut plat landasan (bed plate).

2.2 Prinsip kerja

  Prinsip kerja motor diesel dapat dilihat pada Gambar 2.2. Torak bergerak translasi bolak-balik di dalam silinder dihubungkan dengan pena engkol dari poros engkol yang berputar pada bantalannya, dengan perantaraan batang penggerak atau batang penghubung. Campuran udara dan bahan bakar di dalam ruang bakar, yaitu ruangan yang dibatasi oleh dinding silinder, kepala torak dan kepala silinder. Gas pembakaran yang terjadi itu mampu menggerakkan torak yang selanjutnya memutar poros engkol.

  Pada kepala silinder terdapat katup isap dan katup buang. Katup isap berfungsi memasukkan udara segar ke dalam silinder; sedangkan katup buang berfungsi mengeluarkan gas pembakaran, yang sudah tidak terpakai dari dalam silinder ke atmosfer.

Gambar 2.2 Perinsip kerja motor diesel. (Sumber: Arismunandar, hal 1)

  Jika torak berada pada posisi TMB, seperti terlihat pada gambar (d), dan baik katup isap maupun katup buang ada pada posisi tertutup, maka gerakan torak ke atas seperti terlihat pada gambar (a) merupakan gerakan menekan udara di dalam silinder (langkah kompresi). Gerakan tersebut terakhir akan menyebabkan kenaikan tekanan dan temperatur udara yang bersangkutan. Ada dua manfaat dalam menekan isi udara selama langkah ini: pertama, menaikkan efisiensi panas atau efisiensi total dari mesin dengan menaikkan densiti (kepadatan) pengisian sehingga diperoleh suhu yang lebih tinggi selama pembakaran; ini dilakukan pada semua motor bakar, baik dari jenis penyalaan cetus api maupun penyalaan kompresi. Yang kedua, untuk menaikkan suhu udara pengisian sedemikian rupa sehingga kalau kabut halus dari bahan bakar diinjeksikan ke dalamnya, maka bahan bakar akan menyala dan mulai terbakar tanpa memerlukan sumber penyalaan dari luar seperti busi yang digunakan dalam mesin bensin.

  Akhirnya, apabila torak berada pada posisi terdekat dengan kepala silinder, seperti terlihat pada gambar (b), maka untuk motor diesel pada umumnya tekanan dan

  2 o

  temperaturnya berturut-turut dapat mencapai kurang lebih 30 kg/cm dan 500 C. Beberapa saat sebelum torak mencapai posisi (b) TMA, bahan bakar disemprotkan ke dalam silinder dan terjadilah pembakaran. Proses pembakaran tersebut menyebabkan kenaikan tekanan dan temperatur. Karena proses pembakaran tersebut memerlukan waktu maka tekanan maksimum dan temperatur maksimumnya terjadi beberapa saat setelah torak mulai turun ke bawah. Dalam hal tersebut gas pembakaran mendorong torak ke bawah (langkah ekspansi), seperti terlihat pada gambar (c), dan selanjutnya memutar poros engkol. Langkah ini disebut juga langkah kerja. Beberapa saat sebelum torak mencapai posisi gambar (d) katup buang mulai terbuka sehingga gas pembakaran keluar dari dalam silinder.

  Selanjunya, gas pembakaran dipaksa keluar dari dalam silinder oleh torak yang bergerak dari bawah ke atas (langkah buang). Beberapa saat sebelum torak mencapai posisi gambar (b), katup isap mulai membuka dan beberapa saat setelah torak bergerak ke bawah lagi, katup buang sudah tertutup. Dalam hal tersebut terakhir, gerakan torak ke bawah akan menyebabkan udara segar dari atmosfer terisap masuk ke dalam silinder (langkah isap). Demikianlah selanjutnya proses tersebut di atas terjadi berulang-ulang.

2.3 Siklus termodinamika Proses pembakaran

2.3.1 Minyak bakar yang disemprotkan ke dalam silinder berbentuk butir-butir cairan yang

  halus. Oleh karena udara di dalam silinder pada saat tersebut sudah bertemperatur dan bertekanan tinggi maka butir-butir tersebut akan menguap. Penguapan butir bahan bakar itu dimulai pada bagian permukaan luarnya, yaitu bagian yang terpanas. Uap bahan bakar yang terjadi itu selanjutnya bercampur dengan udara yang ada di sekitarnya. Proses penguapan itu berlangsung terus selama temperatur sekitarnya mencukupi. Jadi, proses penguapan juga terjadi secara berangsur-angsur. Demikian juga dengan proses pencampurannya dengan udara. Maka pada suatu saat dimana terjadi campuran bahan bakar udara yang sebaik-baiknya, proses penyalaan berlangsung sebaik-baiknya. Sedangkan proses pembakaran di dalam silinder juga terjadi secara berangsur-angsur dimana proses pembakaran awal terjadi pada temperatur yang relatif lebih rendah dan laju pembakarannyapun akan bertambah cepat. Hal itu disebabkan karena pembakaran berikutnya berlangsung pada temperatur lebih tinggi. Proses pembakaran adalah suatu reaksi kimia cepat antara bahan bakar (hidrokarbon) dengan oksigen dari udara. Proses pembakaran ini tidak terjadi sekaligus tetapi memerlukan waktu dan terjadi dalam beberapa tahap. Di samping itu penyemprotan bahan bakar juga tidak dapat dilaksanakan sekaligus tetapi berlangsung antara 30 – 40 derajat sudut engkol.

  Pada Gambar 2.3 dapat dilihat tekanan udara akan naik selama langkah kompresi berlangsung. Beberapa derajat sebelum torak mencapai TMA bahan bakar mulai disemprotkan. Bahan bakar akan segera menguap dan bercampur dengan udara yang sudah tertemperatur tinggi. Oleh karena temperaturnya sudah melebihi temperatur penyalaan bahan bakar, bahan bakar akan terbakar sendiri dengan cepat. Waktu yang diperlukan antara saat bahan bakar mulai disemprotkan dengan saat mulai terjadinya pembakaran dinamai periode persiapan pembakaran (1). Waktu persiapan pembakaran bergantung pada beberapa faktor, antara lain pada tekanan dan temperatur udara pada saat bahan bakar mulai disemprotkan, gerakan udara dan bahan bakar, jenis dan derajat pengabutan bahan bakar, serta perbandingan bahan bakar – udara lokal. Jumlah bahan bakar yang disemprotkan selama periode persiapan pembakaran tidaklah merupakan faktor yang terlalu menentukan waktu persiapan pembakaran. Sesudah melampaui periode persiapan pembakaran, bahan bakar akan terbakar dengan cepat. Hal tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.3 sebagai garis lurus yang menanjak, karena proses pembakaran tersebut terjadi dalam suatu proses pengecilan volume (selama itu torak masih bergerak menuju TMA). Sampai torak bergerak kembali beberapa derajat sudut engkol sesudah TMA, tekanannya masih bertambah besar tetapi laju kenaikan tekanannya berkurang.

Gambar 2.3 Grafik tekanan versus sudut engkol.

  

(Sumber: Arismunandar, hal 96)

  Hal ini disebabkan karena kenaikan tekanan dikompensasi oleh besarnya volume ruang bakar sebagai akibat bergeraknya torak dari TMA ke TMB.

  Periode pembakaran, saat kenaikan tekanan berlangsung dengan cepat (garis tekanan yang curam dan lurus, garis BC pada Gambar 2.3) dinamai periode pembakaran

  

cepat (2). Periode pembakaran saat terjadi kenaikan tekanan sampai melewati tekanan

  maksimum dalam tahap berikutnya (garis CD pada Gambar 2.3), dinamai periode

  

pembakaran terkendali (3). Dalam hal ini jumlah bahan bakar yang masuk ke dalam

silinder sudah mulai berkurang, bahkan mungkin sudah dihentikan.

  Selanjutnya dalam periode pembakaran lanjutan (4) terjadi proses penyempurnaan pembakaran yaitu pembakaran dari bahan bakar yang belum sempat terbakar. Laju kenaikan tekanan yang terlalu tinggi tidaklah dikehendaki karena dapat menyebabkan beberapa kerusakan. Maka haruslah diusahakan agar periode persiapan pembakaran terjadi sesingkat-singkatnya sehingga belum terlalu banyak bahan bakar yang siap untuk terbakar selama waktu persiapan pembakaran. Dipandang dari segi kekuatan mesin, di samping laju kenaikan tekanan pembakaran itu, perlu pula diperhatikan tekanan gas maksimum yang diperoleh. Supaya diperoleh efisiensi yang setinggi- tingginya, pada umumnya diusahakan agar tekanan gas maksimum terjadi pada saat torak berada di antara 15 – 20 derajat sudut engkol sesudah TMA. Hal tersebut dapat dilaksanakan dengan jalan mengatur saat penyemprotan yang tepat.

  Sebenarnya tekanan maksimum juga ditentukan oleh laju kenaikan tekanan yang terjadi selama periode pembakaran cepat. Karena itu segenap usaha haruslah ditujukan untuk mempersingkat periode persiapan pembakaran, antara lain dengan cara sebagai berikut:

  1. Menggunakan perbandingan kompresi yang tinggi.

  2. Memperbesar tekanan dan temperatur udara masuk.

  3. Memperbesar volume silinder sedemikian rupa sehingga dapat diperoleh perbandingan luas dinding terhadap volume yang sekecil-kecilnya untuk mengurangi kerugian panas.

  4. Menyemprotkan bahan bakar pada saat yang tepat dan mengatur pemasukkan jumlah bahan bakar yang sesuai dengan kondisi pembakaran.

  5. Menggunakan jenis bahan bakar yang sebaik-baiknya.

  6. Mengusahakan adanya gerakan udara yang turbulen untuk menyempurnakan proses pencampuran bahan bakar – udara.

  7. Menggunakan jumlah udara untuk memperbesar kemungkinan bertemunya bahan bakar dengan oksigen dari udara.

   Bilangan setana (cetane) bahan bakar

2.3.2 Bilangan setana adalah suatu indeks yang biasa dipergunakan bagi bahan bakar motor

  diesel, untuk menunjukkan tingkat kepekaannya terhadap detonasi. Setana normal atau hexadecane (C

  16 H 34 ) dan

  10 H

  7 CH 3 ) dipergunakan sebagai

  α-methyl-napthalene (C bahan bakar standar pengukur. C

16 H 34 adalah bahan bakar dengan periode persiapan pembakaran yang pendek; kepadanya diberikan angka 100 (bilangan setana = 100).

  Sedangkan α-methyl-napthalene mempunyai periode persiapan pembakaran yang panjang, jadi tidak baik dipergunakan sebagai bahan bakar motor diesel; kepadanya diberikan angka 0 (bilangan setana = 0). Bahan bakar yang akan ditentukan bilangan utamanya itu diuji dengan sebuah mesin yang khusus dipakai untuk mengukur bilangan setana. Dalam hal ini, kelambatan penyalaan dipakai sebagai pembanding. Maka persen volume setana dalam campuran yang terdiri atas setana dan

  α-methyl-

  

napthalene, yang memberikan kelambatan penyalaan sama dengan bahan bakar yang

  diuji, dalam keadaan standar operasi tertentu, menyatakan bilangan setana bahan bakar tersebut. Gambar 2.4 menunjukkan struktur molekul dari kedua bahan bakar standar pengukur.

Gambar 2.4 Bahan bakar standar pengukur bilangan setana (alpha-methylnaphtalene dan C H (hidrokarbon rantai lurus)).

  _{16 34}

(Sumber: Arismunandar, hal 99)

  Bilangan setana bahan bakar ringan untuk motor diesel putaran tinggi berkisar di antara 40 sampai 60. Zat tambahan untuk menaikkan bilangan setana, seperti “tetraethyl lead” untuk menaikkan bilangan oktana bensin, belum diketemukan. Kadar belerang dalam bahan bakar haruslah di bawah 1% berat, untuk menghindari kemungkinan terjadinya korosi. Debu, kotoran dan air di dalam bahan bakar akan merusak bagian-bagian dalam dari pompa penyemprot bahan bakar dan penyemprot bahan bakar. Sedangkan endapan karbon dan abu menempel pada permukaan luar dari penyemprot bahan bakar, torak, katup buang, dan sebagainya, sehingga akan mengganggu tugasnya masing-masing dan bahkan dapat merusak bagian-bagian itu sendiri. Oleh karena itu kotoran-kotoran di dalam bahan bakar harus dibatasi.

  Meskipun penambahan senyawa barium dapat mengurangi asap, namun gas buang yang terjadi merupakan polutan udara.

   Perbandingan campuran

2.3.3 Campuran antara udara dan bahan bakar biasa dinamai “campuran” saja, sedangkan

  perbandingan berat udara (G ) dan bahan bakar (G ) dalam campuran itu dinamai

  ud bb

  “perbandingan campuran” atau “perbandingan udara-bahan bakar” (G ud /G bb ). Dalam proses pembakaran sempurna bahan bakar hidrokarbon, C akan terbakar menjadi CO

  2

  dan H akan menjadi H O. Maka perbandingan dari berat minimum udara terhadap

  2

  berat bahan bakar dinamai “perbandingan campuran sempurna kimia”. Sedangkan perbandingan campuran terhadap perbandingan campuran stoikiometrik dinamai “faktor kelebihan udara” atau “perbandingan kelebihan udara”, λ, yaitu _ud

  G _bb G

  = λ _st

  R

  dengan, _ud

  G _st ⎡ ⎤ R = _bb

  G _{stoikiomet rik} ⎢⎣ ⎥⎦

  1 Sedangkan kebalikannya dinamai “perbandingan ekivalen”, . Jika λ

  ( ) ∫

  = λ bertambah kecil, maka hal ini berarti bahwa bahan bakar yang dipakai terlalu banyak, atau, kekurangan udara. Batas terendah dari λ ditentukan oleh batas asapnya. Hal itu tergantung dari jenis ruang bakar yang dipergunakan dan pada kondisi pencampurannya. Jadi batas terendah λ dapat berbeda-beda, tetapi boleh dikatakan tidak pernah lebih rendah dari λ = 1,1. Maka meskipun terdapat udara berlebih, tetapi asap hitam juga bisa terjadi dan hal tersebut menunjukkan bahwa pencampuran dengan pusaran tidak berlangsung dengan baik, Setiap butir bahan bakar yang terjadi setelah penyemprotan dikelilingi oleh lapisan campuran dengan λ = 0 sampai :. Di tempat-tempat dengan λ yang terlalu kecil akan terjadi angus sebagai akibat dekomposisi termal.

   Turbocharger

2.4 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 over head 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 isapnya lebih tinggi daripada tekanan udara atmosfer sekitarnya. Hal ini diperoleh dengan jalan memaksa udara atmosfer masuk ke dalam silinder selama langkah isap, 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.

2.4.1 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 banyak dipakai pada kendaraan laut, tidak memperlihatkan pembatasan yang tegas; banyak juga yang menggunakan supercharger. 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 menyangkut persoalan pendinginan, konstruksi, kekuatan material serta umurnya.

Gambar 2.5 menggambarkan konstruksi sebuah turbocharger. Udara atmosfer masuk ke dalam kompresor kemudian mengalami proses kompresi sehingga tekanannya naik.

  Kompresor digerakkan oleh turbin hal ini dapat dilihat dari adanya poros yang menghubungkan rotor kompresor dan rotor turbin yang digerakkan oleh gas buang motor bakar torak dengan turbocharger. Udara yang keluar dari kompresor mengalir ke dalam saluran isap motor melalui karburator, selanjutnya udara mengalir ke dalam silinder..

Gambar 2.5 Konstruksi sebuah turbocharger dengan katup udara (KK) dan katup gas buang (KT) dalam keadaan tertutup. (Sumber: Arismunandar, hal 116)

BAB III ANALISA 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 penulis 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 pemanasan fluida kerja.

  4. Pada akhir proses ekspansi, yaitu saat piston mencapai TMB, fluida kerja didinginkan sehingga tekanan dan suhunya turun mencapai tekanan dan suhu 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 (Gambar : 3.1) menunjukkan siklus tekanan konstan, yang dianggap sebagai siklus dasar dari setiap mesin empat langkah.

Gambar 3.1 Diagram p-v siklus diesel ideal

  

(Sumber: Petrovsky, Tahun 1979, hal 18)

  Pada waktu piston berada pada TMB (titik a) 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 (z). Selanjutnya, gerakan piston dari TMA ke TMB merupakan proses ekspansi isentropik. Pada saat piston mencapai posisi TMB (titik b) udara didinginkan hingga pada kondisi atmosfer (titik a). Gerakan piston selanjutnya dari TMB ke TMA yaitu dari titik a-r adalah langkah buang pada tekanan konstan. Sedangkan gerakan piston yang berikutnya dari TMA ke TMB, yaitu dari titik r-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, Tahun 1979, hal 18) Kompresi udara pada siklus aktual diikuti dengan pertukaran panas antara dinding silinder dengan udara. Oleh karena itu garis kompresi pada diagram p-v bukan garis 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. Motor Diesel Tanpa turbocharger

  Jenis kendaraan : mobil penumpang Tipe mesin : 4-langkah sejajar, 16 katup Volume sillinder : 3043 cc Daya : 88,4 Hp / 3800 rpm Torsi : 19,5 Nm / 2000 rpm Diameter silinder : 97,0 mm Panjang langkah : 103,0 mm

  Perbandingan kompresi : 1 : 18,2 Ukuran mesin Panjang x lebar x tinggi : 5130 x 1795 x 1810 (mm) Berat mesin : 1550 kg 1.4.1.

3.2.1. Langkah Hisap

  Seperti telah dijelaskan di atas pada langkah isap terjadi penurunan tekanan atmosfer yang sesungguhnya, hal ini disebabkan karena rugi-rugi gesekan fluida pasa 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 gerak langkah piston dari tititk mati atas (TMA) menuju titik mati bawah (TMB).

  Pengaliran muatan segar ini melalui saluran hisap dan akan melewati katup hisap 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 ΔP.

  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 ΔT yang akan mengurangi kerapatan campuran.

3.2.1.1 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

  ΔPa 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, Tahun 1979, hal 27) yaitu sebagai berikut : _{a o}

  P = (0,85 − 0,92)P (3.1) dengan:

  a P = Tekanan akhir saat langkah hisap P o = Tekanan udara luar (diasumsikan

  ≈ 1atm = 0,1013 Mpa) Sehingga didapat perhitungan sebagai berikut : _{a o}

  P = ( ,9195) P = 0,9195 x 0,1013 = 0,09315 Mpa

  

Drop pressure yang terjadi dihitung dengan menggunakan persamaan 3.2 (Petrovsky,

  Tahun 1979, hal 207) yaitu sebagai berikut : a o

  P (0,03 0,05) P (3.2) Δ = − dengan :

  ∆Pa : penurunan tekanan karena rugi-rugi gesekan fluida _{a o} Δ P = (0,04) P

  0,04 x 0,1013 =

  0,00405 Mpa =

3.2.1.2 Temperatur Akhir Pada Saat Langkah Hisap:

  Temperatur akhir langkah hisap dapat dihitung dengan persamaan 3.3 (Petrovsky, Tahun 1979, hal 29) yaitu sebagai berikut : _{o w r r}

  T T + + _a ΔT γ T

  = (3.3) ^r

• 1

  γ dengan:

  a T = Temperatur udara saat langkah hisap o

  

T = Temperatur udara luar (atmosfer). Diasumsikan 28 C = 301 K

o w

  = Peningkatan panas akibat kontak dengan dinding silinder dan piston ΔT yang panas.Besarnya 10-15°C (tanpa turbocharger) . (Petrovsky

  Tahun 1979, hal 81). Dalam perancangan ini dipilih 15°C = Koefisien gas buang. Besarnya 0,03-0,04 ..(Petrovsky, Tahun 1979,

  γ r

  hal 29). Dalam perancangan ini dipilih 0,038

  i T = Temperatur gas buang. Besarnya 700-800 K .(Petrovsky, Tahun 1979,

  hal 32). Dalam perancangan ini dipilih 785 K Sehingga didapat perhitungan sebagai berikut : _a 15 ( 0,038 785) × + + 301 T =

• 1 0,038 = 333,1696 K

3.2.1.3 Efisiensi Pengisian Untuk Langkah Hisap

  Efisiensi pengisian silinder adalah perbandingan antara jumlah muatan segar aktual W e yang dikompresi di dalam silinder dengan jumlah W o yang akan diisikan di dalam volume kerja silinder V pada tekanan dan suhu udara luar (p dan T ). Pada

  d

  mesin tanpa supercarjer, p dan T menyatakan tekanan dan suhu udara luar, tapi pada mesin dengan supercarjer p = p dan T = T yang merupakan tekanan dan suhu

  sup sup

  udara setelah melewati blower. Maka efisiensi pengisian dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 3.4 (sumber : Petrovsky, Tahun 1979, hal 32) yaitu sebagai berikut : _a

  P

  1 _ch ε = × × (3.4) η _{o a} T

  −

  1 P ε _r

  1 ( ) + _o γ

  T

  dengan:

  a P = Tekanan akhir saat langkah hisap o

  P = Tekanan udara luar a

  T = Temperatur udara saat akhir langkah hisap o

  T = Temperatur udara luar (atmosfer) ε = Perbandingan kompresi.

  r

  = Koefisien gas buang. Besarnya 0,03-0,04 ..(Petrovsky, Tahun 1979, hal

  γ

  29). Maka dipilih 0,038 sehingga didapat perhitungan sebagai berikut : _ch 18,2 0,09315

  1 = × ×

  η 333,1696

  18,2 1 0,1013 −

  ( +

  1 0,038 ) 301

  , 8468766 = 1.4.2.