Kajian Teori Performance Mesin Daihatsu Terios D99B Berteknologi VVT-i Dengan Sistem Bahan Bakar D Type EFI dan Mesin non VVT-i

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Landasan Teori

Apabila meninjau mesin apa saja, pada umumnya adalah suatu pesawat yang dapat mengubah bentuk energi tertentu menjadi kerja mekanik. Misalnya mesin listrik, merupakan mesin yang kerja mekaniknya diperoleh dari sumber listrik. Sedangkan mesin gas atau mesin bensin adalah mesin yang kerja mekaniknya diperoleh dari sumber pembakaran gas atau bensin.

Mesin bensin dikategorikan sebagai mesin kalor. Yang dimaksud dengan mesin kalor disini adalah mesin yang menggunakan sumber energi thermal untuk menghasilkan kerja mekanik, atau mesin yang dapat merubah

energi thermal menjadi energi mekanik.

Selanjutnya jika ditinjau dari cara memperoleh sumber energi thermal, jenis mesin kalor dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu, mesin

pembakaran dalam (internal combustion engine) dan mesin pembakaran luar

(external combustion engine). Yang dimaksud dengan mesin pembakaran dalam adalah mesin dimana proses pembakaran berlangsung didalam mesin itu sendiri, sedangkan yang dimaksud dengan mesin pembakaran luar adalah

mesin dimana proses pembakarannya terjadi diluar mesin, energy thermal

dari hasil pembakaran dipindahkan ke fluida kerja mesin melalui beberapa dinding pemisah. Mesin pembakaran dalam ini umumnya dikenal dengan sebutan motor bakar, contoh dari mesin kalor pembakaran dalam ini adalah, motor bakar torak dan sistem turbin gas.

Selanjutnya jenis motor bakar torak itu sendiri terdiri dari dua bagian utama yaitu, motor bensin dikenal dengan mesin Otto dan mesin Diesel.

Perbedaan pokok antara kedua mesin ini adalah pada sistem penyalaannya. Pada motor bensin penyalaan bahan bakar dilakukan oleh percikan bunga api listrik dari antara kedua elektroda busi. Oleh karena itu

motor bensin dikenal juga dengan sebutan Spark Ignition Engine.

Didalam mesin diesel penyalaan bahan bakar terjadi dengan sendirinya, oleh karena itu bahan bakar disemprotkan kedalam ruang bakar yang berisi udara yang bertekanan dan bersuhu timggi. Bahan bakar itu terbakar dengan sendirinya oleh udara yang mengandung oksigen bersuhu

melampaui suhu titik nyala (flash point) dari bahan bakar. Mesin ini dikenal

juga dengan sebutan Compression Ignition Engine.

2.2. Prinsip kerja motor bensin

Motor bensin dengan gerakan torak bolak balik (bergerak naik turun pada motor tegak). Motor bensin bekerja menurut prinsip 4 langkah teridiri dari :

Langkah isap

Piston bergerak dari TMA (titik mati atas) menuju titik mati bawah (TMB). katup isap terbuka, dan katup buang ditutup, karena terjadi tekanan dalam silinder terjadilah kevakuman pada waktu torak bergerak ke TMB (titik mati atas), selanjutnya campuran udara dan bahan bakar mengalir kedalam silinder melalui katup masuk untuk mengisi ruang silinder.

Gambar 2.1 Langkah hisap [14] Langkah Kompresi

Setelah mencapai TMB (titik mati bawah), piston bergerak kembali menuju TMA (titik mati atas), dan kedua katup dalam keadaan tertutup. Dengan demikian campuran udara dan bahan bakar yang berada didalam silinder ditekan dan dimampatkan oleh torak yang bergerak ke TMA (titik mati atas), akibatnya tekanan dan suhu dalam silinder naik sehingga bahan bakar sangat mudah untuk terbakar.

Langkah kerja

Pada saat piston bergerak dari TMA (titik mati atas) menuju TMB (titik mati bawah), katup isap dan katup buang ditutup. Sesaat piston menjelang titik mati atas, busi menyalakan percikan api seketika campuran udara dan bahan bakar terbakar secara cepat. Dengan terjadinya ledakan, maka menghasilkan tekanan sangat tinggi untuk mendorong piston ke TMB (titik mati bawah), sebagai tenaga atau usaha yang dihasilkan mesin.

Gambar 2.3. Langkah usaha [14] Langkah buang

Piston bergerak dari TMB (titik mati bawah) menuju TMA (titik mati atas). Katup isap tertutup dan katup buang terbuka. Pada proses ini gas yang telah dibakar dibuang oleh dorongan piston ke atas dan selanjutnya mengalir melalui katup buang. Pada posisi ini poros engkol telah berputar dua kali dalam satu siklus dari empat langkah.

Gambar 2.4. Langkah buang [14]

2.3. Sistem Catalytic converter

Catalytic converter merupakan salah satu inovasi terbesar di industri otomotif. Pasalnya, peranti ini mampu mengubah zat zat hasil pembakaran seperti, hidrokarbon (HC). Karbon dioksida (CO) dan NOx, menjadi zat yang

lebih ramah lingkungan. Catalytic converter punya batas pemakaian, yang

bila waktunya harus diganti. Inidikasinya, bila tercium bau bensin dari ujung knalpot meskipun mesin bergerak halus dan efisien. Karena harganya mahal, maka perhatian lebih pada problem problem kecil yang bisa mengurangi usia

pakai catalytic converter.

Gambar 2.6. catalytic converter [9]

Catalytic converter berfungsi untuk menyaring berbagai macam

racun yang diakibatkan dari hasil pembakaran (CO, HC, NOx dan timbal )

yang ditimbulkan karena kondisi mesin yang tidak sempurna bisa dari pengapian, teknologi kompresi dan kebocoran air atau oli dari saluran dalam

mesin. Catalytis converter memiliki suhu kerja normal sebesar 3000C –

bertimbal. Karena timbal terbawa dalam gas buang dan menyangkut didalam catalytic converter.

Kinerja catalytic converter lebih maksimal dalam menangkap racun

karena adanya sensor O2 . Kerja sensor O2 mengirim data ke ECU untuk

mengoreksi O2 yang diterima catalytic converter . Jika data yang diterima

ECU kurang bensin maka ECU akan memerintahkan injector menambah

debit semprotannya begitu juga sebaliknya, sampai didapat campuran ideal

antara bensin dan udara. Catalytic converter yang kotor juga menyebabkan

kerja sensor oksigen tidak maksimal, menyebabkan udara dan bensin tidak seimbang.

Bentuk catalytic converter seperti tabung. Bahannya terbuat dari

keramik ataupun metal dengan ukuran lubang penyaring antara 1 dan 2 mm .

Secara umum ada dua jenis catalytic converter yang dipakai, yaitu jenis

pellet dan monolithic, jenis monolithic merupakan catalytic converter banyak dipakai saat ini. Alasaannya, jenis tersebut memiliki tahanan gas buang yang

kecil, lebih ringan dan cepat panas dibandingkan jenis pellet

Ada dua tipe jenis catalytic converter, 3way catalyst dan 2 way catalyst. 3 way catalyst digunakan pada mesin mobil dan motor yang

menggunakan bahan bakar bensin (premium). 3 way catalyst mengandung

platinum dan rhodium yang mampu mengurangi CO, HC, dan NOx. Ada tiga tahap dalam proses ini yaitu :

1. Reduksi Nitrogen dan Oksida menjadi nitrogen dan oksigen : 2NOx

xO2 N2

2. Oksida Carbon Monoksida menjadi Karbondioksida : 2CO O2

2CO2

3. Oksidasi senyawa hidrokarbon yang tak terbakar (HC) menjadi

karbondioksida dan air : 2CxHy (2x y / 2) O2 2xCO2 yH2O

Reaksi reaksi diatas akan berjalan efisien bila mesin bekerja dengan perbandingan 14,7 bagian udara dengan 1kg bahan bakar.

Gambar 2.8. catalytic converter 3 way catalyst [9]

Sedangkan 2 way catalyst digunakan pada mesin diesel. Jenis 2 way

catalyst menggunakan material platinum dan palladium, yang dapat mengurangi CO dan HC karena pada daur mesin Diesel tidak dihasilkan

Nitrogen Oksida (NOx), maka daur yang terjadi hanyalah daur nomor 2 atau

3 saja.

Gambar 2.9. catalytic converter 2 way catalyst [9]

Gambar 2.10. catalytic converterjenis monolithic [9] Catalytic converter sangat peka terhadap logam logam lain yang biasanya terkandung dalam bensin ataupun solar misalnya timbal pada premium, belerang pada solar, lalu seng, mangan, fosfor, silicon, dan

sebagainya. Logam logam tersebut bisa merusak komponem dari catalytic

converter . Oleh karena itu teknologi ini tidak bisa digunakan disemua daerah terutama daerah yang premiumnnya belum diganti dengan premium tanpa timbal.

Catalytic converter ditempatkan dibelakang exhaust manifold atau

diantara muffler dengan header. Karena catalytic converter cepat panas

ketika mesin dinyalakan. Selain itu, sensor bisa segera bekerja untuk

menginformasikan kebutuhan campuran bahan bakar yang tepat ke Engine

Control Machine . Peranti catalytic converter baru bekerja efektif ketika kondisinya panas.

Pipa buang adalah pipa baja yang mengalirkan gas sisa pembakaran

dari exhaust manifold ke udara bebas. Konstruksinya dibagi menjadi

beberapa bagian, yaitu pipa bagian depan, tengah, dan belakang. Susunannya

sengaja dibuat demikian untuk mempermudah saat penggantian catalytic

converter atau muffler, tanpa perlu melepas keseluruhan konstruksi sistem pembuangan.

Muffler berfungsi untuk mengurangi tekanan dan mendinginkan gas

sisa pembakaran. Kalau gas ini langsung disalurkan ke udara tanpa muffler,

gas akan mengembang dengan cepat diiringi dengan suara ledakan yang cukup keras.

2.4. Siklus ideal Otto

Agar dapat lebih mudah memahami diagram p – v motor bakar torak,

maka dilakukan terlebih dahulu idealisasi. Proses yang terjadi sebenarnya berbeda dengan proses ideal. Beberapa idealisasi pada siklus ideal antara lain :

a. Fluida kerja dalam silinder adalah udara, dianggap gas ideal dengan

konstanta kalor yang konstan.

c. Proses pembakaran dianggap sebagai proses pemanasan dalam

d. Pada akhir proses ekspansi, yaitu pada saat torak mencapai TMB, fluida

kerja didinginkan sehingga tekanan dan temperatur turun mencapai tekanan dan temperatur atmosfer.

e. Tekanan fluida kerja didalam silinder selama langkah buang dan langkah

isap adalah konstan dan sama dengan tekanan atmosfer.

P 3 T 3

Qin

4 2 4

2 Q_out

1 1

V s

Gambar 2.11. Diagrham P – v dan T – s siklus Otto

Proses siklus thermodinamikanya sebagai berikut :

a. proses 0-1 (Langkah Hisap) : Menghisap udara pada tekanan konstan, katup masuk terbuka dan katup buang tertutup campuran bahan bakar

udara mengalir ke dalam silinder melalui lubang katup masuk.

b. Proses 1 – 2 (kompresi Isentropik) : semua katup tertutup, campuran bahan bakar dan udara yang berada didalam silinder ditekan dan di mampatkan oleh torak yang bergerak ke TMA, akibatnya tekanan dan

suhu dalam silinder naik menjadi P2dan T2.

P1 V1 = mm RT 1 ... Lit.7 hal 78

V1 = Vd + Vc

=

→ T2 = T1

=

→

P2 = P1

W1-2 =

= (Vd +Vc) / Vc………. Lit.7 hal 41

Dimana :

P1 = tekanan pada titik 1 (kpa) P2 = tekanan pada titik 2 (kpa)

T2 = temperatur spesifik pada titik 1 (K) T2 = temperatur spesifik pada titik 2 (K) V1 = volume pada titik 1 (m)

V2 = volume pada titik 2 (m) W1-2 = kerja pada siklus 1-2 (Kj)

mm = massa campuran gas ideal dalam silinder (kg)

c = rasio kompresi

k = cp / cv = rasio kalor spesifik

c. Proses 2-3 : proses penambahan kalor pada volume konstan

Q2-3 = Qm = mfQHVnc = mmcv (T3 –T2)………. Lit.7 hal 75

=

V2 = V3

T3 = Tmaks dan P3 = Pmaks

Dimana :

Cv = panas jenis gas pada volume konstan (kJ/kg K) P3 = tekanan pada titik 3 (kPa)

QHv = heating value (kj/kg)

Qin = kalor yang masuk T3 = temperatur pada titik 3 (K)

d. Proses 3- 4 : Ekspansi Isentropik

=

=

……… Lit.7 hal 76

=

=

Kerja ekspansi dari titik 3 ke titik 4 dari siklus otto juga merupakan proses isentropis, persamaannya ditunjukkan sebagai berikut :

W3-4 =

`Dimana :

P4 = tekanan pada titik 4 (kpa) T3 = temperatur pada titik 3 (K) T4 = temperature pada titik 4 (K) W3-4 = kerja (kj)

V 3 = volume pada titik 3 (m3) V4 = volume pada titik 4 (m

3 )

e. Proses 4 -1 : Proses pembuangan kalor pada volume konstan

=

=

W

nett

= W

1 -2

+ W

3-4

V

4

= V

1 th

=

dimana :

Qout = kalor yang dibuang (kJ)

T4 = temperatur pada titik 4 (K)

Wnett = kerja netto (kJ)

th = efisiensi thermal

2.5. Siklus Aktual

Gambar 2.12. Diagram siklus aktual [14 ]

Siklus aktual dari mesin otto. Fluida kerjanya adalah campuran bahan bakar udara, jadi ada proses pembakaran untuk sumber panas. Pada langkah

isap, tekanannya lebih rendah dibandingkan dengan langkah buang. Proses

pembakaran dimulai dari penyalaan busi (ignition) sampai akhir pembakaran.

Proses kompresi dan ekspansi tidak adiabatis, karena terdapat kerugian panas yang keluar ruang bakar.

2.6. Parameter Performance mesin

2.6.1. Tekanan efektif rata rata

Selama siklus berlangsung, temperatur dan tekanannya selalu berubah ubah, oleh karena itu sebaiknya dicari harga tekanan tertentu (konstan) yang apabila mendorong torak sepanjang langkahnya dapat menghasilkan kerja persiklus yang sama dengan siklus yang dianalisis. Tekanan tersebut dinamai “ tekanan efektif rata rata” yang diformulasikan sebagai :

mep =

……….. Lit.7 hal 49 dimana :

mep = tekanan efektif rata rata (kPa)

Vd = volume langkah torak (m3)

Wnett = kerja netto dalam satu siklus (kJ)

2.6.2. Daya Indikator (Wi)

Merupakan daya yang dihasilkan dalam silinder motor sehingga merupakan basis perhitungan atau penentuan efisiensi pembakaran atau besarnya laju perpindahan panas akibat pembakaran didalam silinder

Wi

………. Lit.7 hal 51

dimana :

Wi = daya indikasi (kW)

N = putaran mesin

n = jumlah putaran dalam satu siklus, untuk 4 tak n = 2 langkah

2.6.3. Daya poros ( Wb)

Daya yang dihasilkan suatu mesin pada poros keluarannya disebut

sebagai daya poros (biasa dikenal dengan sebutan brake horse power) yang

dihitung berdasarkan rumus :

Wb = 2 x N ………. Lit.7 hal 51

dimana :

Wb = daya poros (kW)

N = putaran mesin

torsi (Nm)

Seperti yang telah diketahui, dari sejumlah gaya yang dihasilkan mesin, maka sebagian darinya untuk mengatasi gesekan/friksi antara bagian

bagian mesin yang bergerak, sebagian lagi dipakai untuk mengisap udara dan bahan bakar serta mengeluarkannya dalam bentuk gas buang.

2.6.4. Konsumsi bahan bakar ( sfc)

Konsumsi bahan bakar didefinisikan. sebagai jumlah bahan bakar yang dikonsumsi persatuan unit daya yang dihasilkan perjam operasi secara tidak langsung, konsumsi bahan bakar spesifik merupakan indikasi efisiensi mesin dalam menghasilkan daya dari pembakaran bahan bakar.

sfc =

……….

Lit.7 hal 56

dimana :

̇ = dimana

sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (gr/kwh )

̇ = laju aliran rata rata bahan bakar (kg/detik)

mf = massa bahan bakar (kg)

2.6.5. Efisisensi thermal

Efisiensi thermal suatu mesin didefenisikan sebagai perbandingan

antara energi keluaran dengan energi kimia yang masuk yang dikandung bahan bakar dalam bentuk bahan bakar yang dihisap kedalam ruang bakar

Efisiensi thermal sesuai defenisinya merupakan parameter untuk mengukur

efisiensi bahan bakar.

th = 1 – ( T1 / T2 ) ……… Lit.7 hal 76

dimana :

th efisiensi thermal

2.6.6. Efisiensi mekanis

Besarnya kerugian daya diperhitungkan dalam efisiensi mekanis yang dirumuskan sebagai berikut :

m = Wb / Wi ………... Lit.7 hal 64

dimana :

m = efisiensi mekanis

2.6.7. Efisiensi volumetrik

Efisiensi ini didefenisikan sebagai perbandingan antara massa udara yang masuk karena dihisap torak pada langkah hisap dan massa udara pada

tekanan dan temperatur atmosfir yang dapat dihisap masuk kedalam volume sapuan yang sama.

v = ma / ( a x Vd )……….. Lit.7 hal 76

dimana :

v = efisiensi volumetrik a = massa jenis udara (kg/m

3 )

=

=

W

nett

= W

1 -2

+ W

3-4

V

4

= V

1 th

=

dimana :

Qout = kalor yang dibuang (kJ)

T4 = temperatur pada titik 4 (K)

Wnett = kerja netto (kJ)

th = efisiensi thermal 2.5. Siklus Aktual

Gambar 2.12. Diagram siklus aktual [14 ]

isap, tekanannya lebih rendah dibandingkan dengan langkah buang. Proses pembakaran dimulai dari penyalaan busi (ignition) sampai akhir pembakaran. Proses kompresi dan ekspansi tidak adiabatis, karena terdapat kerugian panas yang keluar ruang bakar.

2.6. Parameter Performance mesin

2.6.1. Tekanan efektif rata rata

Selama siklus berlangsung, temperatur dan tekanannya selalu berubah ubah, oleh karena itu sebaiknya dicari harga tekanan tertentu (konstan) yang apabila mendorong torak sepanjang langkahnya dapat menghasilkan kerja persiklus yang sama dengan siklus yang dianalisis. Tekanan tersebut dinamai

“ tekanan efektif rata rata” yang diformulasikan sebagai :

mep =

……….. Lit.7 hal 49 dimana :

mep = tekanan efektif rata rata (kPa)

Vd = volume langkah torak (m3)

Wnett = kerja netto dalam satu siklus (kJ)

2.6.2. Daya Indikator (Wi)

Merupakan daya yang dihasilkan dalam silinder motor sehingga merupakan basis perhitungan atau penentuan efisiensi pembakaran atau besarnya laju perpindahan panas akibat pembakaran didalam silinder

Wi

………. Lit.7 hal 51

dimana :

Wi = daya indikasi (kW)

N = putaran mesin

n = jumlah putaran dalam satu siklus, untuk 4 tak n = 2 langkah

2.6.3. Daya poros ( Wb)

Daya yang dihasilkan suatu mesin pada poros keluarannya disebut sebagai daya poros (biasa dikenal dengan sebutan brake horse power) yang dihitung berdasarkan rumus :

Wb = 2 x N ………. Lit.7 hal 51

dimana :

Wb = daya poros (kW)

N = putaran mesin

torsi (Nm)

bagian mesin yang bergerak, sebagian lagi dipakai untuk mengisap udara dan bahan bakar serta mengeluarkannya dalam bentuk gas buang.

2.6.4. Konsumsi bahan bakar ( sfc)

Konsumsi bahan bakar didefinisikan. sebagai jumlah bahan bakar yang dikonsumsi persatuan unit daya yang dihasilkan perjam operasi secara tidak langsung, konsumsi bahan bakar spesifik merupakan indikasi efisiensi mesin dalam menghasilkan daya dari pembakaran bahan bakar.

sfc =

……….

Lit.7 hal 56

dimana :

̇ = dimana

sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (gr/kwh )

̇ = laju aliran rata rata bahan bakar (kg/detik)

mf = massa bahan bakar (kg)

2.6.5. Efisisensi thermal

Efisiensi thermal suatu mesin didefenisikan sebagai perbandingan antara energi keluaran dengan energi kimia yang masuk yang dikandung bahan bakar dalam bentuk bahan bakar yang dihisap kedalam ruang bakar Efisiensi thermal sesuai defenisinya merupakan parameter untuk mengukur efisiensi bahan bakar.

th = 1 – ( T1 / T2 ) ……… Lit.7 hal 76

dimana :

th efisiensi thermal

2.6.6. Efisiensi mekanis

Besarnya kerugian daya diperhitungkan dalam efisiensi mekanis yang dirumuskan sebagai berikut :

m = Wb / Wi ………... Lit.7 hal 64

dimana :

m = efisiensi mekanis

2.6.7. Efisiensi volumetrik

Efisiensi ini didefenisikan sebagai perbandingan antara massa udara yang masuk karena dihisap torak pada langkah hisap dan massa udara pada

tekanan dan temperatur atmosfir yang dapat dihisap masuk kedalam volume sapuan yang sama.

v = ma / ( a x Vd )……….. Lit.7 hal 76

dimana :

v = efisiensi volumetrik

a = massa jenis udara (kg/m 3