Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

256
BAB 12 PRESTASI MESIN
Motor bakar adalah suatu mesin yang mengkonversi energi dari
energi kimia yang terkandung pada bahan bakar menjadi energi mekaik
pada poros motor bakar. Jadi daya yang berguna yang langsung
dimanfaatkan sebagai penggerak adalah daya pada poros. Proses
perubahan energi dari mulai proses pembakaran sampai menghasilkan
daya pada poros motor bakar melewati beberapa tahapan dan tidak
mungkin perubahan energinya 100%. Selalu ada kerugian yang
dihasilkan selama proses perubahan, hal ini sesuai dengan hukum
termodinamika kedua yaitu "tidak mungkin membuat sebuah mesin yang
mengubah semua panas atau energi yang masuk memjadi kerja". Jadi
selalu ada "keterbatasan" dan "keefektifitasan" dalam proses perubahan,
ukuran inilah yang dinamakan efisiensi.
Kemampuan mesin motor bakar untuk mengubah energi yang
masuk yaitu bahan bakar sehingga menghasilkan daya berguna disebut
kemampuan mesin atau prestasi mesin. Gambar 12.1 menggambarkan
proses perubahan energi bahan bakar.
Gambar 12.1 Keseimbangan energi pada motor bakar
100% energi
bahan bakar
25% daya
berguna
5% gesekan dan
asesoris
30% pendingin
40% gas buang

257
Berdasarkan gambar 12.2 terlihat jelas bahwa tidak mungkin
mengubah semua energi bahan bakar menjadi daya berguna. Daya
berguna hanya sebesar 25%, yang artinya mesin hanya mampu
menghasilkan 25% daya berguna yang dapat dipakai sebagai penggerak
dari 100% bahan bakar. Energi yang lainnya dipakai untuk
menggerakkan asesoris atau peralatan bantu, kerugian gesekan dan
sebagian terbuang ke lingkungan sebagai panas gas buang dan melalui
air pendingin. Jika digambar dengan hukum termodinamika dua adalah
sebagai berikut :
Qmasuk
Sumber panas T tinggi,ruang
silinder motor, proses
pembakaran [100%]
mesinmotor
bakar
Wpositif = kerja mekanik [25%]
- putaran poros engkol motor
Qke luar
lingkungan
- gas buang melalui kenalpot mesin
motor bakar [40%]
- melalui air pendingin [30%]
- gesekan komponen mesin dan
daya asesoris [5%]
Temperatur rendah
Gambar 12.2 Diagram proses konversi energi pada motor bakar

258
A. Propertis Geometri Silinder
Bahan bakar dibakar di dalam silinder untuk menghasilkan energi.
Jadi silinder adalah komponen utama sebagai tempat proses
pembakaran.
Gambar 12.3 Propertis geometri silinder motor bakar
VC TMA
d
L
TMB
s
l

a

259
270 90o
180o
TMB
Gambar 12.4 Geometri silinder
2 BusiuntukmesinOtto
2 Penginjeksi bahan bakar
pada mesinDiesel
katup
Titik Mati Atas
[TMA]
ruang bakar
panjang langkah
dinding silinder
Titik mati bawah
[TMB]
Piston/torak
Batang torak
Crank shaft
atau poros engkol
TMA
0o


260
Gambar 12.3 dan 12.4 di atas adalah propertis dari geometri
silinder motor bakar. Adapun definisi dari masing-masing propertis atau
komponen adalah:
[1] Silinder, adalah bagian yang memindahkan panas ke tenaga mekanik
dengan menggunakan piston atau torak yang bergerak bolak balik di
dalam silinder. Gerakan piston akan bersinggungan dengan dinding
silinder.
[2] Kepala silinder, terdiri dari ruang bakar (Vc), lubang-lubang untuk
busi atau nosel injeksi dan makanik katup (hisap dan buang)
[3] Diameter silinder (d ), adalah ukuran melebar dari silinder.
[4] Panjang langkah (L), adalah jarak terjauh piston bergerak di dalam
silinder, atau jarak gerakan piston dari Titik Mati Bawah (TMB) ke Titik
Mati Atas ( TMA)
[5] Poros engkol dan batang torak, adalah komponen pengubah gerak
bolak balik piston menjadi gerak putar atau rotasi
[6] Sudut engkol adalah sudut perputaran poros engkol pada langkah
tertentu, satu putaran penuh adalah 3600
.
Gambar 12.5 Langkah mesin
katup masuk katup buang
TMA
langkah
TMB

261
2
TMA
TMB
volume langkah Vd volume ruang bakar Vc
Gambar 12.6 Volume langkah dan volume ruang bakar
A.1. Volume langkah dan volume ruang bakar
Volume langkah adalah volume ketika torak bergerak dari TMA ke
TMB, disebut juga volume displacement dari mesin. Volume mesin satu
silinder dihitung dengan rumus:
V 
D
L
d
4
Volume langkah dengan jumlah silinder N adalah:
V 
D
4
xLxN
Volume ruang bakar atau clearance volume adalah Vc
A.2. Perbandingan kompresi (compression ratio)
Perbandingan kompresi (r) adalah menunjukkan seberapa banyak
campuran bahan bakar dan udara yang masuk silinder pada langkah
hisap, dan yang dimampatkan pada langkah kompresi. Perbandingannya
adalah antara volume langkah dan ruang bakar (Vd +Vc) yaitu pada posisi
piston di TMB, dengan volume ruang bakar (Vc) yaitu pada posisi piston
di TMA, dapat dirumuskan dengan persamaan:
2

262
r 
volume silinder pada posisi piston di TMB
volume
V V
r  d c
Vc
silinder pada posisi piston di TMA
Dari rumus efisiensi termal dapat dilihat bahwa dengan menaikkan
rasio kompresi akan menaikkan efisiensi, dengan kata lain tekanan
pembakaran bertambah dan mesin akan menghasilkan daya berguna
yang lebih besar. Akan tetapi, kenaikan tekanan pembakaran di dalam
silinder dibarengi dengan kenaikan temperatur pembakaran dan ini
menyebabkan pembakaran awal, peristiwa tersebut dengan knocking dan
meyebabkan daya mesin turun.
Pada mesin diesel rasio kompresi lebih tinggi dibanding dengan
mesin bensin. Rasio kompresi semakin tinggi pada mesin diesel
dibarengi dengan kenaikan efisiensi. Kenaikan rasio kompresi akan
menaikkan tekanan pembakaran, kondisi ini akan memerlukan material
yang kuat sehingga dapat menahan tekanan dengan temperatur tinggi.
Material yang mempuyai kualitas tinggi harus dibuat dengan teknologi
tinggi dan harganya mahal, sehingga secara keseluruhan menjadi tidak
efektif.
A.3. Kecepatan piston rata-rata
Piston atau torak bergerak bolak balik (reciprocating) di dalam
silinder dari TMA ke TMB dan dari TMB ke TMA. Kecepatan pergerakan
piston dapat dihitung dengan mengambil harga rata ratanya yaitu:
U p 2xLxn
dengan Up = adalah kecepatan piston rata-rata (m/s)
n = putaran mesin rotasi per waktu (rpm)
L = panjang langkah atau stroke
B. Torsi dan Daya Mesin
Torsi adalah ukuran kemampuan mesin untuk melakukan kerja, jadi
torsi adalah suatu energi. Besaran torsi adalah besaran turunan yang
biasa digunakan untuk menghitung energi yang dihasilkan dari benda
yang berputar pada porosnya. Adapun perumusan dari torsi adalah
sebagai berikut. Apabila suatu benda berputar dan mempunyai besar
gaya sentrifugal sebesar F, benda berputar pada porosnya dengan jari-
jari sebesar b, maka torsinya adalah:
T Fxb (N.m)
dengan T = Torsi benda berputar (N.m)
F = gaya sentrifugal dari benda yang berputar (N)
b = jarak benda ke pusat rotasi (m)

263
Karena adanya torsi inilah yang menyebabkan benda berputar
terhadap porosnya, dan benda akan berhenti apabila ada usaha melawan
torsi dengan besar sama dengan arah yang berlawanan.
Gambar 12.7 Skema pengukuran torsi
Pada motor bakar untuk mengetahui daya poros harus diketahui
dulu torsinya. Pengukuran torsi pada poros motor bakar menggunakan
alat yang dinamakan Dinamometer. Prinsip kerja dari alat ini adalah
dengan memberi beban yang berlawanan terhadap arah putaran sampai
putaran mendekati o rpm. Beban ini nilainya sama dengan torsi poros.
Gambar 12.8 menunjukkan prinsip dasar dari dinamometer.
Gambar 12.8 Skema dinamometer
Dari gambar di atas dapat dilihat pengukuran torsi pada poros
(rotor) dengan prisip pengereman dengan stator yang dikenai beban
b
Stator
Rotor
gaya F
n
beban w
F
b
-F

264
sebesar w. Mesin dinyalakan kemudian pada poros disambungkan
dengan dinamometer. Untuk megukur torsi mesin pada poros mesin
diberi rem yang disambungkan dengan w pengereman atau
pembebanan. Pembebanan diteruskan sampai poros mesin hampir
berhenti berputar. Beban maksimum yang terbaca adalah gaya
pengereman yang besarnya sama dengan gaya putar poros mesin F.
Dari definisi disebutkan bahwa perkalian antara gaya dengan jaraknnya
adalah sebuah torsi, dengan difinisi tersebut Torsi pada poros dapat
diketahui dengan rumus:
T wxb (Nm)
dengan T = torsi mesin (Nm)
w = beban (kg)
b = jarak pembebanan dengan pusat putaran
Pada mesin sebenarnya, pembebanan terjadi pada komponen-
komponen mesin sendiri yaitu asesoris mesin (pompa air, pompa
pelumas, kipas radiator), generator listrik (pengisian aki, listrik
penerangan, penyalan busi), gesekan mesin dan komponen lainnya.
Dari perhitungan torsi di atas dapat diketahui jumlah energi yang
dihasikan mesin pada poros. Jumlah energi yang dihasikan mesin setiap
waktunya disebut dengan daya mesin. Kalau energi yang diukur pada
poros mesin dayanya disebut daya poros.
C. Perhitungan Daya Mesin
Pada motor bakar, daya dihasilkan dari proses pembakaran di
dalam silinder dan biasanya disebut dengan daya indikator. Daya
tersebut dikenakan pada torak yang bekerja bolak-balik di dalam silinder
mesin. Jadi di dalam silinder mesin, terjadi perubahan energi dari energi
kimia bahan bakar dengan proses pembakaran menjadi energi mekanik
pada torak.
Daya indikator merupakan sumber tenaga per satuan waktu operasi
mesin untuk mengatasi semua beban mesin. Mesin selama bekerja
mempunyai komponen-komponen yang saling berkaitan satu dengan
lainnya membentuk kesatuan yang kompak. Komponen-komponen mesin
juga merupakan beban yang harus diatasi daya indikator. Sebagai contoh
pompa air untuk sistem pendingin, pompa pelumas untuk sistem
pelumasan, kipas radiator, dan lain lain, komponen ini biasa disebut
asesoris mesin. Asesoris ini dianggap parasit bagi mesin karena
mengambil daya dari daya indikator.
Disamping komponen-komponen mesin yang menjadi beban,
kerugian karena gesekan antar komponen pada mesin juga merupakan
parasit bagi mesin, dengan alasan yang sama dengan asesoris mesin
yaitu mengambil daya indikator. Seperti pada Gambar 12.1 terlihat bahwa

265
daya untuk meggerakkan asesoris dan untuk mengatasi gesekan sekitar
5% bagian.
Untuk lebih mudah memahami, di bawah ini ditunjukkan perumusan
dari masing masing daya. Satuan daya menggunakan HP(horse power).
Ne Ni
 N
 N a (
HP)
dengan Ne = daya efektif atau daya poros ( HP)
Ni = daya indikator ( HP)
Ng = kerugian daya gesek ( HP)
Na = kerugian daya asesoris ( HP)
C.1. Daya indikator
Seperti telah diuraikan di atas, daya indikator adalah daya yang
dihasilkan di dalam silinder pada proses pembakaran. Untuk menghitung
daya indikator, perlu ditentukan terlebih dahulu tekanan indikator rata-rata
yang dihasilkan dari proses pembakaran satu siklus kerja.
C.1.1 Diagram indikator
Cara memperoleh siklus kerja dari suatu mesin adalah dengan
menggunakan sebuah motor atau mesin uji yang dipasang seperangkat
alat untuk mencatat setiap kondisi kerja mesin pada semua langkah.
Dengan mesin uji tersebut dapat dihasilkan diagram indikator satu siklus
kerja. Pada gambar berikut adalah mesin uji yang digunakan untuk
menggambarkan diagram indikator satu siklus kerja mesin, jenis mekanis
dan jenis elektrik. Gambar diagram indikator adalah sebuah grafik
hubungan p dan V, jadi setiap tekanan pada kedudukan tertentu dari
piston dapat diketahui.
Cara kerja mesin uji adalah sebagai berikut.
[A] Mesin uji elektrik. Mesin uji bekerja dengan sinyal digital. Alat
pendeteksi tekanan (pressure transduser) dipasang pada ruang
silinder, alat pendeteksi volume (inductive pick up) dipasang pada
piringan yang terpasang pada bagian bawah silinder terhubung
dengan poros engkol. Masing masing alat pendeteksi memberikan
respon dari setiap kondisi yang diukur, kemudian respon tersebut
diubah dalam bentuk sinyal listrik yang akan diperkuat di unit amplifier
dan trigger. Sinyal-sinyal digital di tampilkan pada layar osiloskop
dalam bentuk grafik hubungan sudut poros engkol dan tekanan silinder
[Gambar 12.9]
g

266
Gambar
Gambar 12.9 Mesin uji elektrik
[B] Mesin uji mekanis. Mesin uji mekanis terdiri dari dua perangkat
[Gambar 12.10]. Perangkat pertama adalah mesin otto dan yang
kedua adalah perangkat mekanisme pencatat. Proses pembakaran
pada tekanan dan volume tertentu di dalam silinder mesin otto. Pada
silinder dibuat lubang sebagai tempat saluran pipa yang akan
mendeteksi perubahan tekanan di dalam silinder selama siklus kerja
mesin. Pipa tersebut terhubung dengan silinder pada perangkat kedua
yang terdiri dari piston, batang piston dan tuas pencatat atau indikator
scriber. Pada tuas pencatat ujungnya akan bersinggungan dengan
drum kertas. Res pon volume setiap kondisi piston dideteksi dengan
menggunakan mekanisme tuas yang dipasang pada piston, kemudian
disambungkan dengan kabel yang dihubungkan drum kertas. Setiap
pergerakan piston akan memutar drum. Jadi pada saat mesin mulai
bekerja tekanan di dalam silinder mulai berubah sehingga tuas
pencatat mulai bergerak, karena kedudukan piston juga berubah
menyebabkan tuas pada piston juga berubah posisinya, seterusnya
drum berputar karena ditarik dengan kabel dari tuas piston.
tranduser tekanan
saluran 1 oskiloskop
amplifayer dan
trigger
perekam
skala
saluran 2
sensor
induktansi
piringan yang
dipasang padaporos
engkol

267
Gambar 12.10 Mesin uji mekanis
Diagram indikator yang dihasilkan mesin uji mekanis
menggambarkan kondisi tekanan pada setiap kedudukan piston di dalam
silinder [Gambar 12.11]. Sehingga secara sederhana diagram indikator
dapat digambarkan sebagai berikut.
penggambar
indikator
batangpiston
drum
batang pegas
piston
pengatur
puli
pengatur
kertas cetak
indikator
senar
loop dan hook
lengan ayun

268
Gambar 12.11 Diagram indikator mesin uji mekanik
Dari diagram indikator di atas terlihat satu siklus kerja dari mesin
otto. Siklus ini menggambarkan kondisi aktual dari mesin di dalam
silinder. Tekanan hisap dan buang terlihat berbeda, proses pembakaran
juga tidak pada volume konstan, pembuangan gas sisa juga tidak pada
volume konstan.
Diagram indikator yang dihasilkan mesin uji elektrik
menggambarkan kondisi tekanan pada setiap kedudukan piston di dalam
silinder. Sehingga secara sederhana diagram indikator dapat
digambarkan sebagai berikut.
Throttle penuh
Penyalaan
Katup buang
terbuka
TMA TMB
Tekanan,P

269
Gambar 12.12 Diagram indikator mesin uji elektrik
Diagram di atas merupakan hubungan antara tekanan di dalam
silinder dengan sudut engkol pada mesin. Dengan menggunakan grafik
ini dapat dianalisis setiap langkah kerja mesin, yaitu mulai hisap (intake),
kompresi (compression), pembakaran (combustion), tenaga (expansion),
dan buang (exhaust). Tekanan pembakaran pada piston yaitu pada
sumbu tegak menggambarkan kondisi aktual perubahan tekanan selama
mesin bekerja
C.1.2. Kerja indikator
Kerja indikator adalah kerja pada piston karena perubahan tekanan
dan volume selama siklus kerja mesin. Adapun kerja indikator
persiklusnya dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut:
Wi pdv atau disederhanakan menjadi
Wi pxv
dengan p = tekanan di dalam silinder (atm)
v = beda volume karena pergerakan piston
Gambar 12.13 adalah digram p-V dari mesin otto. Daerah A adalah
kerja indikator positif pada langkah kompresi dan tenaga, sedangkan
pada daerah B adalah kerja negatif pemompaan langkah hisap dan
buang. Adapun jumlah total dari kedua daerah kerja terebut adalah kerja
indikator total, dirumuskan dengan persamaan:
Pembakaran
Masuk Buang
Kompresi ekspansi

270
Widikatortotal Windikator Wpemompaan
Vd
Gambar 12.13 Diagram indikator mesin otto
Wnet= WA-WB
katup buang
terbuka
penyalaan A
TMA TMB
Tekanan,p

271
Gambar 12.14 Kerja indikator total
Kerja indikator total [Gambar 12.14] adalah kerja yang akan
diteruskan torak ke poros engkol. Kerja indikator akan selalu berubah
menyesuaikan dengan jumlah campuran bahan bakar udara yang dihisap
oleh mesin. Pada kondisi putaran rendah kerja indikator kecil, kerja
indikator paling besar apabila mesin mencapai efisiensi maksimum.
Harga dari Wpemompaan yaitu kerja yang dibutuhkan pada langkah
hisap dan buang akan selalu berharga negatif pada mesin standar,
dimana udara masuk ke silinder pada langkah hisap, karena di ruang
silinder tekanannya lebih rendah. Jadi diusahakan Wpemompaan serendah
mungkin untuk menghasilkan Wnet indikator yang besar.
Pada mesin mesin yang dipasang supercharger [Gambar 12.15]
atau turbocharger [Gambar 12.16] Wpemompaan berharga positif karena
udara dipaksa masuk pompa sehingga garis langkah hisap di atas
langkah buang. Jadi kerja indikator total adalah Wnet indikator = Windikator +
Wpemompaan. Jadi dapat dikatakan mesin yang dipasang supercharger atau
turbocharhger mempunyai Wnet indikator yang lebih besar dibandingkan
dengan mesin yang standar (Wnet indikator superchager > Wnet indikator) . Diagram
indikator untuk mesin yang dipasang superchager atau turbocharger
dapat dilihat pada Gambar 12.18

272
Gambar 12.15 Supercharger pada motor bakar
Udara masuk

273
Gambar 12.16 Prinsip turbocharger pada motor bakar
Udara masuk
Aftercooler kompresor
Saluran buang
Turbin
Udara ke luar
tekanan lebih
tinggi Udara masuk
gas buang ke luar
gas buang masuk turbin

274
Gambar 12.17 Instalasi turbocharger pada motor-bakar
aliran udara
terkompresi
silinder mesin
pendingin kompresor sudu turbin
udara
masuk
sudu
kompresor
pembuangan
gas sisa
saluran gas buang dari
mesin

275
A
Gambar 12.18 Perubahan diagram indikator dengan supercharging
WA~WB
Wnet~0
Penyalaan
Katup buang
Terbuka B
TMA TMB
Volume spesifik, v
Wnet= WA+WB
TMA TMB
Volume spesifik, v
Tekanan,pTekanan,p

276
C.1.3. Tekanan indikator rata-rata
Tekanan rata-rata atau Mean Effective Pressure (MEP) adalah
suatu konsep untuk mencari harga tekanan tertentu konstan yang apabila
mendorong piston sepanjang langkahnya dapat menghasilkan kerja
persiklus Wnet 2 yang sama dengan siklus yang dianalisis Wnet 1. Pada
gambar adalah grafik kerja indikator netto denga MEP nya.
Tekanan rata-rata dirumuskan sebagai berikut:
P 
kerja persiklus
ratarata
volum
e
langkah to rak
Pratarata
W
 nett,2
Vd
jadi Wnet ,2 Pratarata xVd
Luasan Wnet adalah segi empat dengan lebar tekanan rata-rata (MEP)
dan panjang Vd (VTMA - VTMB), maka untuk mencari luasannya:
Wnet = panjang x lebar = Vd X MEP = (VTMA - VTMB) X MEP
3
P
Prata-rata (MEP)
Wnet 1
D
2
C
4
Vc A
Wnet 2
1
Vd B
v
TMA TMB
Gambar 12.19 Diagram tekanan rata-rata

277
IMEP
Jadi Prata-rata adalah suatu garis tekanan konstan, dimana pada
posisi tersebut luas diagram p -v yang dibatasi oleh A-B-C-D sama
dengan luasan bidang 1-2-3-4. Wnet 1 adalah identik dengan Wnet 2
Gambar 12.20 Diagram indikator rata-rata
Wnet,i =(VTMA - VTMB) X MEP
A
IMEP
B
Wnet,i = Prata-rata,i X Vd
Prata-rata,i
Vd
TMA TMB

278
Gambar 12.20 di atas adalah diagram indikator hubungan tekanan
dan volume. Dari diagram tersebut dapat diketahui kerja indikator netto
Wnet,i dari siklus. Untuk mengetahui kerja indikator netto, dihitung terlebih
dahulu tekanan efektif indiaktor rata-rata atau Indicated Mean Effective
Pressure (IMEP) dari siklus, adapun caranya adalah sebagi berikut. Dari
diagram indikator yang dihasilkan dari mesin uji, baca skala tekanan dan
skala langkah toraknya.
2 Skala langkah torak adalah 1 mm = X m
2 Skala volume langkah adalah 1mm =AX m3
2 Skala tekanan adalah 1mm =Y N/m2
2 Skala kerja adalah 1 mm2
=Y.AX N.m
Apabila diketahu luasan kerja indikator adalah C mm2
, maka kerja
indikator persiklus = C.Y.AX N.m, sehingga tekanan indikatornya dapat
dihitung dengan rumus:
kerja indikator persiklus
Pratarata,i 
volum
e
langkah to rak

CxYxAX
2
Vd
CxYxAX
2
AxL
CxYxX
2
N/m2
N/m2
2
jadi
L
N/m
dengan L = panjang langkah torak cm
Tekanan indikator rata-rata yang diperoleh dari perhitungan di atas
dapat digunakan untuk menghitung daya indikator. Dari rumus a dapat
diperoleh perhitungan sebagai berikut:
Kerja indikator persiklus Pratarata,i xvolume langkah to rak
Wnet ,i Pratarata,i xVd
dengan Prata-rata, i = tekanan indikator rata-rata
Daya adalah kerja perwaktunya N = W/t (1/t adalah rotasi per waktu atau
n ), maka daya indikator dapat dihitung dengan persamaan:
Ni Wnet ,i xn Nm/s
dengan n = putaran mesin (rpm)
Untuk mesin multisilinder untuk 4 langkah atau 2 langkah, rumus umum
untuk menghitung daya indikator adalah:

279
Ni Pratarata,i xVd xnxaxz Nm/s
dengan n = putaran mesin (rpm)
a = jumlah siklus perputaran
= 1 untuk 2 langkah dan 1/2 untuk 4 langkah
z = jumlah silinder
C.2. Daya poros atau daya efektif
Daya poros adalah daya efektif pada poros yang akan digunakan
untuk mengatasi beban kendaraan. Daya poros diperoleh dari
pengukuran torsi pada poros yang dikalikan dengan kecepatan sudut
putarnya atau dapat dituliskan dengan persamaan sebagai berikut:
Ne Tx Nm/s
Tx2n
2Txn
dengan Ne = Daya poros Nm/s ( Watt)
T = Torsi Nm
 = Kecepatan sudut putar
Dari perumusan di atas, untuk menghitung daya poros (brake
power) Ne harus diketahui terlebih dahulu torsi T dan putaran n mesinnya.
Torsi diukur langsung dengan alat dinamometer dan putaran mesin
diukur dengan tachometer.
C.3. Kerugian daya gesek
Daya gesek adalah energi persatuan waktu dari mesin yang
harus diberikan untuk mengatasi tahanan dari komponen-komponen
mesin yang bersinggungan. Besarnya daya gesek dapat dihitung dengan
mengurangi daya indikator dengan daya poros, perhitungan ini dengan
asumsi daya asesoris diabaikan. Perumusannya adalah:
Ne Ni
 N
 Na

apabila diasumsikan Na = 0 maka,
N g Ni Ne
Perhitungan daya gesek dengan cara ini cukup bagus untuk skala
laboratorium.
D. EfisiensiMesin
Efisiensi mesin menggambarkan tingkat efektifitas mesin bekerja.
Secara alamiah setiap proses memerlukan energi, menghasilkan kerja
untuk melakukan proses, kemudian ada energi yang harus dibuang.
Seperti manusia yang harus makan untuk melakukan aktivitas kerja,
g

280
selanjutnya secara alamiah harus ada yang dibuang. Apabila proses ini
tidak berjalan semestinya, manusia dinyatakan dalam keadaan sakit dan
tidak dapat melakukan kerja. Dalam kondisi ini seandainya manusia
adalah mesin maka manusia dalam keadaan rusak.
Konsep efisiensi menjelaskan bahwa perbandingan antar energi
berguna dengan energi yang masuk secara alamiah tidak pernah
mencapai 100%. Pada motor bakar ada beberapa definisi dari efisiensi
yang menggambarkan kondisi efektivitas mesin bekerja, yaitu:
1. Efisiensi termal
2. Efisiensi termal indikator
3. Efisiensi termal efektif
4. Efisiensi mekanik
5. Efisiensi volumetrik
D.1 Efisiensi termal
Efisiensi termal adalah konsep dasar dari efisiensi siklus ideal yang
didefinisikan perbandingan antara energi yang berguna dengan energi
yang masuk. Energi berguna adalah pengurangan antara energi masuk
dengan energi terbuang. Jadi efisiensi termal dirumuskan dengan
persamaan :

Energi berguna
Energi masuk
D.2. Efisiensi termal indikator
Efisiensi termal indikator adalah efisiesi termal dari siklus aktual
diagram indikator. Energi berguna dari diagram indikator adalah kerja
indikator dan energi masuknya adalah energi dari proses pembakaran
perkilogramnya. Perumusannya adalah sebgai berikut:

Energi berguna

daya indikator
i
i 
Energi
Ni

Qm
masuk laju energi kalor masuk per kg
Karena efisiensi termal indikator adalah pada siklus aktual maka
fluidanya adalah bahan bakar dengan udara, sehingga perhitungan
energi adalah sebagai berikut:
 
Qm G f
Ni
xQc
i 

Qm

281
i
e
Ni
i 

G f xQc
P xV xnxaxz
 ratarata,i d

G f xQc
dengan Ni

Qm

G f
Qc
= Daya indikator (watt)
= laju kalor masuk per kg bahan bakar ( kcal/kg.jam)
= laju bahan bakar yang digunakan (kg/jam)
= Nilai kalor bahan bakar per kcal/kg
D.3. Efisiensi termal efektif
Efisiensi termal efektif adalah perbandingan daya poros atau daya
efektif dengan laju kalor masuknya. Perumusannya adalah sebagai
berikut:

daya poros Ne
e
laju energi
Ne
kalor masuk

per kg 

Qm
e 

G f xQc
P xV xnxaxz
 ratarata,e d

G f xQc
D.4. Efisiensi mekanik
Semua beban mesin diatasi dengan sumber energi dari proses
pembakaran yang menghasilkan energi mekanik. Energi mekanik yang
terukur pada diagram indikator adalah kerja indikator. Kerja indikator
persatuan waktu inilah yang akan ditransfer mejadi kerja poros per
satuan waktu. Adapun besarnya nilai efektivitas dari transfer daya
indikator menjadi daya poros adalah efisiensi mekanis. Jadi efisiensi
mekanis adalah perbandingan antara daya poros dengan daya indikator
dan dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut:
N
  e
m
Ni

282

v
G
Apabila
Ne
e 

Qm
Ni
dan i 

Qm
N
apabila dua persamaan tersebut disubstitusikan pada   e
m
N

menjadi   e
m

i
, jadi jelas bahwa daya poros yang dihasilkan dari daya
i
indikator harus dikalikan dengan efisiensi mekaniknya.
D.5. Efisiensi volumetrik
e m xi
Udara yang dihisap masuk silinder selalu banyak mengalami
hambatan aliran sehingga aliran udara banyak kehilangan energi,
disamping itu udara hisap juga menyerap panas dari saluran hisap
terutama pada ujung saluran hisap yang ada katup masuknya. Karena
menyerap panas temperatur udara menjadi naik dan menyebabkan
massa jenis turun tetapi menaikkan nilai viskositasnya. Dengan kondisi
tersebut udara lebih sulit mengalir dengan massa per satuan volumenya
juga berkurang. Untuk mendefinisikan jumlah udara yang masuk ke ruang
silinder dirumuskan ukuran keefektifan aliran udaran masuk yaitu efisiensi
volumetri. Perumusannya adalah sebagai berikut:

Ga
v 
jumlah udara masuk kedalam silinder aktual kg/jam 


Gai
jumla
h
udara masuk kedalam silinder ideal(kg/j am)

G
 a

Gai


 a

ai
dengan  massa jenis udara (kg/m3
)
Hubungan efisiensi volumetrik dengan tekanan rata-rata efektif adalah:
Peratarata e.v .f .Qc .ai .0,0427 kg/cm
dengan f = perbandingan bahan bakar udara

G jumlah bahan bakar yang digunakan kg/jam
f 
f

jumlah
a
udara yang digunakan kg/jam
dari perumusan di atas terlihat bahwa tekanan efektif rata-rata
bergantung dari nilai dari v .
2

283
E. Laju Pemakaian Bahan Bakar Spesifik
Laju pemakaian bahan bakar spesifik atau spesific fuel consumtion
(SFC) adalah jumlah bahan bakar (kg) per waktunya untuk menghasikan
daya sebesar 1 Hp. Jadi SFC adalah ukuran ekonomi pemakaian bahan
bakar. Perhitungan untuk mngetahui SFC adalah:

G
SFC 
f
e
Ne
Ne
e 

G f xQc
Ne
e xQc 

G f
1
e
xQc


G f
Ne
SFC
F. Perhitungan Performasi Motor Bakar Torak
Soal
1. Sebuah mesin bensin 4 tak 6 silinder diujikan untuk mengetahui daya
indikatornya, volume langkah 1000 cm3
, putaran mesin diuji pada 2000
rpm, dari hasil pengujian didapatkan tekanan rata-rata indikator 10 kg/cm2
berapakah daya indikatornya ?
Jawab.
Diketahui
n = 2500 (rpm) = 2500/60 rps
a = 1/2 untuk 4 langkah
z = 6 silinder
Vd = 1000 cm3
Pi = 10 kg/cm2
P xV xnxax
N ratarata,i d
z mkg/si
60x100
N 
Pratarata,i
xVd xnxax z Hp [ 1 Hp 75 kgm/s]
i
60x100x75
N 
10x1000x2500x0,5x6
166,67Hpi
450000

284
2. Mesin kendaran motor satu silinder jenis 2 tak dengan volume langkah
250 cm3
disiapkan untuk perlombaan, untuk keperluan tersebut, ahli
mekanik melakukan pengujian untuk mengetahui daya indikator dari
mesin yang sudah dimodifikasi pada putaran 2300 rpm. Apabila diketahui
tekanan indikator rata-rata adalah 5 kg/cm2
, berapa daya indikatornya ?.
Jawab :
Diketahui :
n = 2300 (rpm) = 2300/60 rps
a = 1 untuk 2 langkah
z = 1 silinder
Vd= 250 cm3
Pi = 5 kg/cm2
P xV xnxax
z mkg/si
60x100
N 
5x250x2300x1x1
= 63,9 Hpi
60x100x75
3. Apabila soal pada nomor 2 diaplikasikan pada motor 4 tak, berapakah
daya indikatornya ?. Jika dibandingkan aplikasi pada motor 2 tak, besar
manakah daya indikator ?
Jawab :
P xV xnxax
z mkg/si
60x100
N 
5x250x2300x0,5x1
= 31,95 Hp [a =0,5 4 tak]
i
60x100x75
Jawaban no 2 dan 3, terlihat daya indikator untuk kondisi mesin yang
sama, mesin 2 tak mempunyai nilai yang lebih besar yaitu sebesar dua
kalinya.
4. Dari soal no.1, sebagi tambahan pengujian, mesin tersebut kemudian
dimasukan ke dinamometer untuk diketahui nilai torsinya. Dari pengujian
dihasilkan data yaitu pada putaran 2500 rpm, torsi yang terbaca 35 kgm,
hitunglah berapa besar daya efektif, efisiensi mekanik dan hitung daya
geseknya
Jawab. :
Diketahui:
Dari data soal no1 diketahui Ni = 166,67 Hp
Torsi pada n = 2500 rpm sebesar 35 kg.m
Daya efektifnya adalah Ne 2Txn

285
Untuk 2500 rpm = 2500/60 rps
T = 35 kgm
Ne 2Txn
35x 2500 
Ne 2
60x75
122,1Hp
Daya gesek dapat dihitung dengan menggunakan perumusan :
N g Ni Ne
Ng = 166,67 Hp-122,1 Hp
Ng = 44,6 Hp
Efisensi mekanik sebesar :
N
  e
m
N i
Ne
m 
i

122,1
166,67
x100% 73,25%
5. Apabila pada soal no.4 jumlah bahan bakar dan nilai kalornya tercatat

sebesar G f 30 kg/jam dan Qc = 10000 kcal/kg, hitunglah efisiensi
indikatornya dan efektifnya. Buktikan bahwa
juga SFC efektifnya!
Jawab
Diketahui:
e m xi ! dan hitung

G f 30 kg/jam =30/3600 kg/s
Qc = 10000 kcal/kg, 1 kcal = 427 kg.m
1 Hp  75 kg.m/s
Dari data soal no.1 dan no.4 diperoleh
N 
10x1000x2500x0,5x6
166,67Hpi
450000
35x 2500 
Ne 2
60x75
122,1Hp
Besar efisiensi indikatornya adalah:
N

286

Ni
i 
;
Qm
Ni
i 

Qm

166,67x75
30/ 3600x10000x427
x100% 35,1%
Besar efisiensi efektifnya adalah:
Ne
e 
;
Qm
Ne
e 

Qm
122,1x75
30/ 3600x10000x427
x100% 25,7%
Efisiensi efektif dapat dihitung dengan perumusan:
e m xi ;
e m xi 0,7325x0,351x100% 25,7%
SFC adalah

G
SFC 
f
e
N
SFC
e

3600x75
0,246
kg / jam
e
10000x0,257x427 hp
Apabila SG (Spesific Grafity) bensin adalah 0,75 pemakaian dalam
volume bahan-bakar per jam setiap Hp nya adalah:
SG =0,75 jadi bensin 750kg / m3

m
;V 
m

0,246
0,000328m3
V  750
V =0,000328 m3
= 0,328 dm3
= 0,328 liter ; jadi
SFC = 0,328 liter/jam.Hp
Rangkuman :
1. Proses perubahan energi dari mulai proses pembakaran sampai
menghasilkan daya pada poros motor bakar melewati beberapa
tahapan dan tidak mungkin perubahan energinya 100%. Selalu
ada kerugian yang dihasikan dari selama proses perubahan, hal
ini sesuai dengan hukum termodinamika kedua yaitu "tidak


287
mungkin membuat sebuah mesin yang mengubah semua panas
atau energi yang masuk memjadi kerja".
2. Apabila suatu benda berputar dan mempunyai besar gaya
sentrifugal sebesar F, benda berpuar pada porosnya dengan jari
jari sebar b, dengan data tersebut torsinya adalah
3. Daya indikator adalah merupakan sumber tenaga persatuan
waktu operasi mesin untuk mengatasi semua beban mesin. Untuk
lebih mudah pemahaman di bawah ini dalah perumusan dari
masing masing daya. Satuan daya menggunakan HP( hourse
power )
Ne Ni
 N
 N a (
HP)
4. Daya poros diperoleh dari pengukuran torsi pada poros yang
dikalikan dengan kecepatan sudut putarnya atau dapat dituliskan
dengan persamaan sebagai berikut ;
Ne Tx Nm/s
5. Daya gesek adalah merupakan energi persatuan waktu dari
mesin yang harus diberikan untuk mengatasi tahanan dari
komponen-komponen mesin yang bersinggungan
Ne Ni
 N
 Na

6. Efisiensi termal dirumuskan dengan persamaan :

Energi berguna
Energi masuk
7. Efisiensi termal indikator adalah efisiesi termal dari siklus aktual
diagram
indikatori Energi berguna

 daya indikator
Energi masuk laju energi kalor masuk per kg
8. Efisiensi termal efektif adalah perbandingan daya poros atau daya
efektif dengan laju kalor masuknya

daya poros Ne

e
laju energi kalor masuk

per kg 

Qm
9. Jadi efisiensi mekanis adalah perbandingan antara daya poros
dengan daya indikator dan dirumuskan dengan persamaan
sebagai berikut.
N
  e
m
Ni
g
g

288
10. Untuk mendefinisikan jumlah udara yang masuk ke ruang silinder
dirumuskan ukuran keefektifan aliaran udaran masuk yaitu
efisiensi volumteri.

Ga
v 
jumlah udara masuk kedalam silinder aktual kg/jam 


Gai
jumla
h
udara masuk kedalam silinder ideal(kg/j am)
11. Laju pemakaian bahan bakar spesifik atau spesific fuel
consumtion (SFC) adalah jumlah bahan bakar (kg) per waktunya

untuk menghasikan daya sebesar 1 Hp.
G
SFC 
f
e
Ne
Soal :
1. Untuk menaikkan kemampuan mesin kendaran bermotor, seorang ahli
mekanik kendaran bermotor melakukan modifikasi mesin sehingga
diharapkan unjuk kerja mesin naik terutama dayanya. Ahli mekanik
tersebut membawa sepeda motornya ke laboratorium uji. Dari pengujian
diperoleh data-data sebagai berikut. Tekanan indikator rata-rata 8 kg/cm2
,
pada putaran 2400 rpm besar torsinya 40 kg.m. Konsumsi bahan
bakarnya 25 kg/jam dengan nilai kalor 1500 kcal/kg. Adapun data
kendaran bermotornya adalah mesin 4 tak, satu silinder, dengan volume
langkah 100 cm2
. Hitunglah efisiseni efektifnya ! dan berapa SFC ?.
2. Seorang pemilik kendaran bermotor berniat untuk memasang AC (80
Hp) pada mobil sedannya, sebelum melakukan pemasangan, si pemilik
sedan membawa mobilnya ke sebuah bengkel untuk diuji dayanya. Dari
hasil uji diperoleh data sebagai berikut. Torsi maksimum 150 kg.m
tercapai pada putaran 3000 rpm. Data-data sedannya adalah : Mesin 4
tak 8 silinder, volume langkah 1500 cm3
, tekanan indikator rata-rata 15
kg/cm2
. Batas minimum efisiensi efektif adalah 10% mobil sedan masih
bekerja normal. Periksa apakah dengan pemasangan AC mobil sedan
masih dapat bekerja normal. !!

289
5
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Mesin Diesel
Salah satu penggerak mula yang banyak dipakai adalah mesin kalor, yaitu mesin
yang menggunakan energi termal untuk melakukan kerja mekanik atau yang mengubah
energi termal menjadi energi mekanik. Energi itu sendiri dapat diperoleh dengan proses
pembakaran, proses fisi bahan bakar nuklir atau proses-proses yang lain. Ditinjau dari
cara memperoleh energi termal ini, mesin kalor dibagi menjadi dua golongan yaitu
mesin pembakaran luar dan mesin pembakaran dalam.
Pada mesin pembakaran luar proses pembakaran terjadi di luar mesin dimana
energi termal dari gas hasil pembakaran dipindah ke fluida kerja mesin melalui
beberapa dinding pemisah. Sedangkan pada mesin pembakaran dalam atau dikenal
dengan motor bakar, proses pembakaran terjadi di dalam motor bakar itu sendiri
sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja. Motor
diesel disebut juga motor bakar atau mesin pembakaran dalam karena pengubahan
tenaga kimia bahan bakar menjadi tenaga mekanik dilaksanakan di dalam mesin itu
sendiri. Di dalam motor diesel terdapat torak yang mempergunakan beberapa silinder
yang di dalamnya terdapat torak yang bergerak bolak-balik (translasi). Di dalam silinder
itu terjadi pembakaran antara bahan bakar solar dengan oksigen yang berasal dari udara.
Gas yang dihasilkan oleh proses pembakaran mampu menggerakkan torak yang
dihubungkan dengan poros engkol oleh batang penggerak. Gerak tranlasi yang terjadi
pada torak menyebabkan gerak rotasi pada poros engkol dan sebaliknya gerak rotasi
tersebut mengakibatkan gerak bolak-balik torak [Ref.3].
Konsep pembakaran pada motor diesel adalah melalui proses penyalaan kompresi
udara pada tekanan tinggi. Pembakaran ini dapat terjadi karena udara dikompresi pada
ruangan dengan perbandingan kompresi jauh lebih besar daripada motor bensin (7-12),
yaitu antara (14-22). akibatnya udara akan mempunyai tekanan dan temperatur melebihi
suhu dan tekanan penyalaan bahan bakar.

6
Hal ini berbeda untuk percikan pengapian mesin seperti mesin bensin yang
menggunakan busi untuk menyalakan campuran bahan bakar udara. Mesin dan siklus
termodinamika keduanya dikembangkan oleh Rudolph Diesel pada tahun 1892.
2.1.1 Siklus Diesel (Tekanan Tetap)
Siklus diesel adalah siklus teoritis untuk compression-ignition engine atau mesin
diesel. Perbedaan antara siklus diesel dan Otto adalah penambahan panas pada tekanan
tetap. Karena alasan ini siklus Diesel kadang disebut siklus tekanan tetap. Dalam
diagram P-v, siklus diesel dapat digambarkan seperti berikut:
Gambar 2.1 Siklus Diesel Diagram P-v [Ref.7]
Proses dari siklus tersebut yaitu:
6-1 = Langkah Hisap pada P = c (isobarik)
1-2 = Langkah Kompresi, P bertambah, Q = c (isentropik / reversibel adiabatik)
2-3 = Pembakaran, pada tekanan tetap (isobarik)
3-4 = Langkah Kerja P bertambah, V = c (isentropik / reversibel adiabatik)
4-5 = Pengeluaran Kalor sisa pada V = c (isokhorik)
5-6 = Langkah Buang pada P = c

7
Motor diesel empat langkah bekerja bila melakukan empat kali gerakan (dua kali
putaran engkol) menghasilkan satu kali kerja. Secara skematis prinsip kerja motor diesel
empat langkah dapat dijelaskan sebagai berikut:
1. Langkah hisap
Pada langkah ini katup masuk membuka dan katup buang tertutup. Udara
mengalir ke dalam silinder.
2. Langkah kompresi
Pada langkah ini kedua katup menutup, piston bergerak dari titik TBM ke
TMA menekan udara yang ada dalam silinder. 5ᵒ
setelah mencapai TMA,
bahan bakar diinjeksikan.
3. Langkah ekspansi
Karena injeksi bahan bakar kedalam silinder yang bertemperatur tinggi, bahan
bakar terbakar dan berekspansi menekan piston untuk melakukan kerja sampai
piston mencapai TMB. Kedua katup tertutup pada langkah ini.
4. Langkah buang
Ketika piston hampir mencapai TMB, katub buang terbuka, katub masuk tetap
tertutup. Ketika piston bergerak menuju TMA sisa pembakaran terbuang
keluar ruang bakar. Akhir langkah ini adalah ketika piston mencapai TMA.
Siklus kemudian berulang lagi [Ref.3].
Gambar 2.2 Siklus Motor Diesel 4 langkah [Ref.6]

8
2.1.2 Siklus Aktual Motor Diesel`
Dalam siklus diesel, kerugian-kerugian lebih rendah daripada yang terjadi pada
siklus otto. Kerugian utama adalah karena pembakaran tidak sempurna dan penyebab
utama perbedaan antara siklus teoritis dan siklus mesin diesel. Dalam siklus teoritis
pembakaran diharapkan selesai pada akhir pembakaran tekanan tetap, tetapi aktualnya
after burning berlanjut sampai setengah langkah ekspansi. Perbandingan efisiensi antara
siklus aktual dan teoritis adalah sekitar 0,85.
Gambar 2.3 Siklus Aktual Motor Diesel 4 Langkah [Ref.4]
2.1.3 Karakteristik Bahan Bakar Mesin Diesel
Karakteristik bahan bakar mesin diesel yaitu:
a. Volatilitas (Penguapan)
Penguapan adalah sifat kecenderungan bahan bakar untuk berubah fasa menjadi uap.
Tekanan uap yang tinggi dan titik didih yang rendah menandakan tingginya
penguapan. Makin rendah suhu ini berarti makin tinggi penguapannya.
b. Titik Nyala
Titik nyala adalah titik temperatur terendah dimana bahan bakar dapat menimbulkan
uap yang dapat terbakar ketika disinggungkan dengan percikan atau nyala api. Nilai
titik nyala berbanding terbalik dengan penguapan.
c. Viskositas
Viskositas menunjukkan resistensi fluida terhadap aliran. Semakin tinggi viskositas

9
bahan bakar, semakin sulit bahan bakar itu diinjeksikan. Peningkatan viskositas juga
berpengaruh secara langsung terhadap kemampuan bahan bakar tersebut bercampur
dengan udara.
d. Kadar Sulfur
Kadar sulfur dalam bahan bakar diesel yang berlebihan dapat menyebabkan
terjadinya keausan pada bagian-bagian mesin. Hal ini terjadi karena adanya partikel-
partikel padat yang terbentuk ketika terjadi pembakaran.
e. Kadar Air
Kandungan air yang terkandung dalam bahan bakar dapat membentuk kristal yang
dapat menyumbat aliran bahan bakar.
f. Kadar Abu
Kadar abu menyatakan banyaknya jumlah logam yang terkandung dalam bahan
bakar. Tingginya konsentrasi dapat menyebabkan penyumbatan pada injeksi,
penimbunan sisa pembakaran.
g. Kadar Residu Karbon
Kadar residu karbon menunjukkan kadar fraksi hidrokarbon yang mempunyai titik
didih lebih tinggi dari bahan bakar, sehingga karbon tertinggal setelah penguapan
dan pembakaran bahan bakar.
h. Titik Tuang
Titik tuang adalah titik temperatur terendah dimana bahan bakar mulai membeku dan
terbentuk kristal-kristal parafin yang dapat menyumbat saluran bahan bakar.
i. Kadar Karbon
Kadar karbon menunjukkan banyaknya jumlah karbon yang terdapat dalam bahan
bakar.
j. Kadar Hidrogen
Kadar hidrogen menunjukkan banyaknya jumlah hidrogen yang terdapat dalam
bahan bakar.
k. Angka Setana
Angka setana menunjukkan kemampuan bahan bakar untuk menyala sendiri (auto
ignition). Semakin cepat suatu bahan bakar mesin diesel terbakar setelah diinjeksikan
ke dalam ruang bakar, semakin tinggi angka setana bahan bakr tersebut. Angka
setana bahan bakar adalah persen volume dari setana dalam campuran setana dan

10
alfa-metil-naftalen yang mempunyai mutu penyalaan yang sama dengan bahan bakar
yang diuji. Bilangan setana 48 berarti bahan bakar setara dengan campuran yang
terdiri atas 48% setana dan 52% alfa-metil-naftalen.
l. Nilai Kalor
Nilai kalor menunjukkan energi kalor yang dikandung dalam setiap satuan massa
bahan bakar. Semakin tinggi nilai kalor suatu bahan bakar, semakin besar energi
yang dikandung bahan bakar tersebut persatuan massa.
m. Massa Jenis
Massa jenis menunjukkan besarnya perbandingan antara massa dari suatu bahan
bakar dengan volumenya [Ref.3].

11
Tabel 2.1 Spesifikasi minyak solar sesuai Surat Keputusan Dirjen Migas
3675K/24/DJM/2006
No. Karakteristik Unit
Batasan Metode Uji
MIN MAX ASTM IP
1 Angka Setana 45 – D-613
2 Indek Setana 48 – D-4737
3 Berat jenis pada 15 °C kg/m3 815 870 D-1298
4 Viskositas pada 40 °C mm2/s 2 5 D-445
5 Kandungan Sulfur % m/m – 0.35 D-1552
6 Distilasi : T95 °C – 370 D-86
7 Titik Nyala °C 60 – D-93
8 Titik Tuang °C – 18 D-97
9 Karbon Residu merit – Kelas I D-4530
10 Kandungan Air mg/kg – 500 D-1744
11 Biological Grouth –
12 Kandungan FAME % v/v – 10
13 Kandungan Metanol dan Etanol % v/v Tak Terdeteksi D-4815
14 Korosi Bilah Tembaga Merit – Kelas I D-130
15 Kandungan Abu % m/m – 0.01 D-482
16 Kandungan Sedimen % m/m – 0.01 D-473
17 Bilangan Asam Kuat mgKOH/gr – 0 D-664
18 Bilangan Asam Total mgKOH/gr – 0.6 D-664
19 Partikulat mg/l – – D-2276
20 Penampilan Visual – Jernih dan terang
21 Warna No. ASTM – 3 D-1500

12
2.2 Teori Pembakaran
Pada motor bakar, proses pembakaran merupakan reaksi kimia yang berlangsung
sangat cepat antara bahan bakar dengan oksigen yang menimbulkan panas sehingga
mengakibatkan tekanan dan temperatur gas yang tinggi. Kebutuhan oksigen untuk
pembakaran diperoleh dari udara yang memerlukan campuran antara oksigen dan
nitrogen, serta beberapa gas lain dengan persentase yang relatif kecil dan dapat
diabaikan. Reaksi kimia antara bahan bakar dan oksigen yang diperoleh dari udara akan
menghasilkan produk hasil pembakaran yang komposisinya tergantung dari kualitas
pembakaran yang terjadi. Dalam pembakaran proses yang terjadi adalah oksidasi
dengan reaksi sebagai berikut:
Gambar 2.4 Proses Pembakaran Mesin Diesel [Ref.5]
Pembakaran di atas dikatakan sempurna bila campuran bahan bakar dan oksigen
(dari udara) mempunyai perbandingan yang tepat, hingga tidak diperoleh sisa. Bila
oksigen terlalu banyak, dikatakan campuran “lean” (kurus), pembakaran ini
menghasilkan api oksidasi. Sebaliknya, bila bahan bakarnya terlalu banyak (atau tidak
cukup oksigen), dikatakan campuran “rich” (kaya), pembakaran ini menghasilkan api
reduksi.
Dalam pembakaran, ada pengertian udara primer yaitu udara yang dicampurkan
dengan bahan bakar di dalam burner (sebelum pembakaran) dan udara sekunder yaitu
udara yang dimasukkan dalam ruang pembakaran setelah burner, melalui ruang sekitar
ujung burner atau melalui tempat lain pada dinding dapur.
Berat massa bahan yang masuk ruang pembakaran = berat massa bahan yang
keluar.

13
Gambar 2.5 Skema Sistem Penyaluran Bahan Bakar sampai Menjadi Gas Buang
(a + b) = (c + d + e)
a = berat bahan kering + air (kelembaban).
b = berat udara + uap air yang terkandung dalam udara.
Air dalam d dan e = (air yang terkandung dalam bahan bakar) + (air dari
kelembaban udara) + (air yang terbentuk dari reaksi pembakaran).
Supaya dihasilkan pembakaran yang baik, maka diperlukan syarat-syarat sebagai
berikut:
1. Jumlah udara yang sesuai
2. Temperatur yang sesuai dengan penyalaan bahan bahan bakar
3. Waktu pembakaran yang cukup
4. Kerapatan yang cukup untuk merambatkan api dalam silinder.
5. Reaksi pembakaran baik bahan bakar solar maupun bahan bakar metanol
merupakan reaksi oksidasi antara senyawa hidrokarbon dengan oksigen sehingga
dihasilkan produk berupa karbon dioksida, uap air, oksida nitrogen atau produk
lainnya tergantung pada kualitas pembakaran.
Reaksi pembakaran stoikiometri solar (C18 H23):
CaHb + (a+b/4)(O2+3,773N2) = aCO2 + (b/2)H2O + 3,773(a+b/4)N2
C12H23 + (12+23/4)(O2+3,773N2) = 12CO2 + (23/2)H2O + 3,773(12+23/4)N2
C12H23 + (17,75)(O2+3,773N2) = 12CO2 + 11,5H2O + 3,773(17,75)N2

14
Perbandingan nilai mol
C12H23 + (17,75)(O2+3,773N2) = 12CO2 + 11,5H2O + 3,773(17,75)N2
1.C12H23 + (17,75.O2 + 66,97.N2) = 12.CO2 + 11,5.H2O + 66,97.N2
Relatif massa =
1.C12H23 + (17,75.O2 + 66,97.N2) = 12.CO2 + 11,5.H2O + 66,97.N2
1{(12x12)+(1x23)} + {(17.75x32)+(66,97x28)} = 12(44) + 11,5(18) + 66,97(28)
167 + 2443,16 = 2610,16
Per unit massa =
1 + 14,6 = 15,6
Hasil stokiometrik (A/F)s = 14,6 dan (F/A)s = 0,0689
Produk pembakaran campuran udara-bahan bakar dapat dibedakan menjadi:
1. Pembakaran sempurna (pembakaran ideal)
Setiap pembakaran sempurna menghasilkan karbon dioksida dan air. Peristiwa
ini hanya dapat berlangsung dengan perbandingan udara-bahan bakar
stoikiometris dan waktu pembakaran yang cukup bagi proses ini.
2. Pembakaran tak sempurna
Peristiwa ini terjadi bila tidak tersedia cukup oksigen. Produk pembakaran ini
adalah hidrokarbon tak terbakar dan bila sebagian hidrokarbon terbakar maka
aldehide, ketone, asam karbosiklis dan sebagian karbon monoksida menjadi
polutan dalan gas buang.
3. Pembakaran dengan udara berlebihan
Pada kondisi temperatur tinggi nitrogen dan oksigen dari udara pembakaran
akan bereaksi dan akan membentuk oksida nitrogen (NO dan NO2).
Disamping itu produk yang dihasilkan dari proses pembakaran dapat berupa
oksida timah, oksida hologenida, oksida sulfur, serta emisi evaporatif seperti
hidrokarbon ringan yang teremisi dari sistem bahan bakar.

15
2.3 Hidrodinamika Magnet
Penggunaan magnet ditujukan untuk menghemat bahan bakar dikarenakan di
dalam ring magnet terjadi proses magnetisasi. Proses magnetisasi diperlukan agar bahan
bakar lebih mudah mengikat oksigen selama proses pembakaran dan mengurangi
produk unburned hydrocarbon hasil proses pembakaran bahan bakar. Hal ini
disebabkan ukuran struktur molekul bahan bakar akan berubah menjadi ikatan yang
lebih kecil akibat magnetisasi (Gambar 2.6). Ukuran molekul yang lebih kecil ini secara
langsung akan berakibat pada semakin mudahnya proses pembakaran dalam ruang
bakar. Dengan kata lain proses magnetisasi pada bahan bakar akan membuat
pembakaran lebih sempurna [Ref.20].
Gambar 2.6 Proses Ionisasi Gaya Magnet
2.4 Ring Magnetik
Ring Magnetik adalah sebuah sebuah tabung yang mengandung potensi medan
magnet dengan masing-masing kutub N (utara) S (selatan). Komponennya berupa
tabung Stainlees Steel yang memiliki Inlet dan Outlet.
Coulomb menemukan adanya medan gaya magnet yang dihasilkan diantara dua
kutub berbeda. Kemudian teori berkembang lebih ke arah molekuler dimana pada tahun
1982 Webber dan dikembangkan oleh Ewing mengemukakan teori bahwa ”molekul
suatu zat benda, telah mengandung potensi magnet dengan masing-masing kutub N
(utara) dan S (selatan)”. Pada keadaan tidak termagnetisasi, molekul kecil magnet
berada dalam bentuk tidak beraturan. Dan jika dipengaruhi medan magnet pada
partikelnya, maka molekul tersebut mempunyai gaya magnet untuk bergerak dan
menyesuaikan kutub magnet dengan induksi magnet yang diberikan [Ref.20].

16
Gambar 2.7 Ring Magnetik
2.4.1 Prinsip Kerja
Ring magnetik terdiri dari magnet yang mempunyai kutub utara dan selatan yang
berguna untuk mengikat molekul - molekul yang tidak beraturan yang terkandung pada
bahan bakar, sehingga molekul - molekul yang telah melewati medan magnet
mempunyai susunan yang beraturan sehingga bisa dikatakan pembakaran menjadi
sempurna [Ref 20].
ρ
஽௨஽
= −
஽௣ᇱ
+
డ ஽ߩ‫ݒ‬ ൬
డ జ௣
+
డ జ௣
൰൨+
஽௣ డ஽௣
+ ߩ
஽௧ ஽௣௣ ஽௣௣ ஽௣௣ ஽௣௣ ஜ డ௫௣
஽
Dimana:ߩᇱ
= ߩ− ߩ௣ߩ −
ଶ
‫ݒ‬௣
డ஽஽
Dan,ߩ = ߩ +
ଵ
B2
ଶஜ
஽஽஽
ρ
஽஽
ଷ
஽஽ᇱ
= −
஽௣௣
஽௣௣
஽
+
஽௣௣
஽஽஽ ൬
డ జ௣
+
డ௣௣
డ జ௣
஽௣௣
൰൨+ (஽஽஽) i + ߩ஽
keterangan:
v = viskositas geser P = tekanan total
ζ = viskositas total ρ = densitas bahan bakar
B = medan magnet
Penggunaan ring magnetik dalam proses penghematan bahan bakar bertujuan
untuk mengurangi kadar timbal dan sulfur yang berlebih di dalam bahan bakar.
Proses magnetisasi ini akan membuat pembakaran lebih sempurna. Visualisasi proses
ionisasi dapat digambarkan di bawah :

17
( a )
( b )
Gambar 2.8 ( a ) Prinsip Kerja Ring Magnetik dan ( b ) Mekanisme Kerja Magnet
Pada saat melalui medan magnet, kekuatan magnetisasi didalam magnet
portable menyebabkan terpecahnya ikatan karbon dalam bahan bakar menjadi
bagian-bagian kecil ikatan ion. Ion positif akan tertarik oleh kutub negatif magnet
sedangkan untuk ion negatif akan tertarik oleh kutub positif magnet sehingga ion
positif dan ion negatif akan mengalir secara teratur setelah melewati medan magnet.
Ikatan kecil dan beraturan inilah yang menyebabkan mudahnya oksigen bereaksi
dengan bahan bakar pada proses pembakaran. Efeknya bahan bakar akan lebih
mudah terbakar didalam ruang bakar.
2.5 Parameter Prestasi Mesin
Pada umumnya performa / prestasi suatu mesin bisa diketahui dengan membaca
laporan spesifikasi mesin dari produsen pembuat mesin tersebut. Dari laporan
spesifikasi tersebut dapat diketahui daya, torsi, dan konsumsi bahan bakar spesifik dari
mesin tersebut. Parameter itulah yang menjadi pedoman praktis prestasi sebuah mesin.
Secara umum daya berbanding lurus dengan luas piston sedang torsi berbanding
lurus dengan volume langkah. Parameter tersebut relatif penting digunakan pada mesin

18
yang berkemampuan kerja dengan variasi kecepatan operasi dan tingkat pembebanan.
Daya maksimum didefinisikan sebagai kemampuan maksimum yang bisa dihasilkan
oleh suatu mesin. Adapun torsi poros pada kecepatan tertentu mengindikasikan
kemampuan untuk memperoleh aliran udara (dan juga bahan bakar) yang tinggi ke
dalam mesin pada kecepatan tersebut. Sementara suatu mesin dioperasikan pada waktu
yang cukup lama, maka konsumsi bahan bakar serta efisiensi mesinnya menjadi suatu
hal yang sangat penting.
2.5.1 Torsi dan Daya Pengereman
Dinamometer digunakan untuk mengukur torsi sebuah mesin. Pada dasarnya ada
tiga jenis alat ukur daya atau torsi, yaitu dinamometer penggerak, dinamometer trasmisi,
dan dinamometer absorbsi. Dinamometer penggerak digunakan untuk mengukur
beberapa peralatan seperti turbin dan pompa serta memberikan energi untuk
menggerakkan peralatan yang akan diukur. Dinamometer transmisi adalah peralatan
pasif yang ditempatkan di lokasi tertentu. Dinamometer absorbsi mengubah energi
mekanik sebagai torsi yang diukur, sehingga sangat berguna untuk mengukur daya atau
torsi yang dihasilkan sumber daya seperti motor bakar atau motor motor listrik.
Pada pengujian digunakan dinamometer hidraulik yang termasuk dinamometer
jenis absorbsi. Dinamometer hidraulik adalah dinamometer yang menggunakan sistem
hidrolis atau fluida untuk menyerap mesin. Fluida yang digunakan biasanya air, dimana
air berfungsi sebagai media pendingin dan media gesek perantara. Dinamometer
hidraulik ini memiliki dua komponen penting yaitu sudu gerak (rotor) dan sudu tetap
(stator). Rotor terhubung dengan poros dari mesin yang akan diukur, dimana putaran
dari mesin tersebut memutar rotor dinamometer. Rotor akan mendorong air di dalam
dinamometer, sehingga air akan terlempar menghasilkan tahanan terhadap putaran
mesin dan menghasilkan panas. Aliran air secara kontinyu melalui rumahan (casing)
sangat penting untuk menurunkan temperatur dan juga untuk melumasi seal pada poros.
Sedangkan stator terletak berhadapan dengan rotor dan terhubung tetap pada casing.
Pada casing dipasang lengan, dimana pada ujung lengan terdapat alat ukur pembebanan
(load cell) sehingga torsi yang terjadi dapat diukur. Load cell adalah sebuah transducer
gaya yang bekerja berdasarkan prinsip deformasi sebuah material akibat adanya
tegangan mekanis yang bekerja.

19
Pada saat dinamometer ini dijalankan, mesin dihidupkan dan putaran mesin diatur
pada putaran tertentu. Air masuk kedalam casing melalui selang dari penampungan air
sehingga rongga antara rotor dan stator selalu terisi air. Air berfungsi sebagai media
gesek perantara dan sebagai pendingin karena proses yang terjadi menimbulkan panas.
Air yang keluar dari dinamometer tidak diperbolehkan melebihi 800
C, jika sudah
mendekati temperatur tersebut dibuka katup keluar yang lebih besar. Suplai air harus
bersih, dingin, dan konstan yang dapat diperoleh dari pompa. Keuntungan dinamometer
hidraulik adalah:
1. Tidak membutuhkan instalasi yang permanen
2. Mudah dipindahkan dari satu mesin ke mesin yang lain
3. Mudah dioperasikan oleh satu orang
4. Dapat bekerja pada mesin yang besar atau memiliki kecepatan putar yang tinggi.
Kedudukan alat ukur harus menunjukkan angka nol (dinamometer dalam keadaan
seimbang) pada waktu berhenti dan pada waktu air mengalir masuk stator tetapi mesin
belum bekerja. Pengukuran kecepatan putar poros perlu dilakukan untuk mendapatkan
perhitungan daya dan juga untuk menghindari kelebihan kecepatan putar yang dapat
mengakibatkan kerusakan pada dinamometer.
Torsi yang dihasilkan mesin adalah :
T = F x b (2.1)
dimana dalam satuan SI:
T = torsi ( Nm)
F = gaya penyeimbangan (N)
b = jarak lengan torsi (m)
Gambar 2.9 Prinsip Kerja Dinamometer [Ref.4]
Adapun daya yang dihasilkan mesin atau diserap oleh dinamometer adalah hasil
perkalian dari torsi dan kecepatan sudut.

௣
20
P = 2ߩ
ߩ
60 ‫ݔ‬ ߩ‫ݔ‬ 10௣ଷ
(2.2)
P = daya (kW)
T = torsi ( Nm)
N = putaran kerja (rpm)
Sebagai catatan, torsi adalah ukuran dari kemampuan sebuah mesin melakukan
kerja sedangkan daya adalah angka dari kerja telah dilakukan. Besarnya daya mesin
yang diukur seperti dengan didiskripsikan di atas dinamakan dengan brake power (Pb).
Daya disini adalah daya yang dihasilkan oleh mesin untuk mengatasi beban, dalam
kasus ini adalah sebuah rem [Ref.4].
2.5.2 Tekanan Efektif Rata-Rata
Unjuk kerja mesin relatif yang diukur, dapat diperoleh dari perbandingan kerja per
siklus dengan perpindahan volume silinder per siklus. Parameter ini merupakan gaya
per satuan luas dan dinamakan mean effective pressure (mep).
Kerjaper siklus = P
ߩߩ
(2.3)
Tekanan efektif rata-rata juga dapat dinyatakan dengan torsi.
bmep =
6,28 ‫ݔ‬ ߩߩ ‫ݔ‬ ߩ
(2.4)
௣௣
nR = jumlah putaran engkol untuk setiap langkah kerja
2 ( untuk siklus 4 langkah)
1 ( untuk siklus 2 langkah)
bmep = tekanan efektik rata-rata (kPa)
Vd = volume silinder / displacement volume (dm3
)
Brake mean effective pressure (bmep) didefinisikan sebagai tekanan konstan teoritik
yang dapat dibayangkan terjadi pada setiap langkah kerja dari mesin untuk

ಲ
21
menghasilkan output daya yang sama dengan brake horsepower-BHP (effective
horsepower). BHP itu sendiri didefinisikan sebagai jumlah daya yang terdapat pada
poros, sedangkan indicated horsepower / IHP didefinisikan sebagai daya yang
dikonsumsi oleh motor [Ref.4].
2.5.3 Rasio Ekuivalen (ϕ)
Setelah diketahui aliran massa bahan bakar (ṁƒ), dalam pengujian mesin,
pengukuran juga dilakukan terhadap laju aliran massa udara (ṁa). Perbandingan antara
keduanya berguna untuk mengetahui kondisi operasi mesin [Ref.4].
ߩ̇̇ ߩ
Air / Fuel Ratio =
Fuel/ Air Ratio =
ߩ̇̇
ߩ
(2.5)
ߩ̇̇
ߩ
ߩ̇̇ ߩ
(2.6)
ṁa = laju aliran massa udara ( kg/jam)
ṁƒ = laju aliran massa bahan bakar ( kg/jam )
ϕ = Rasio ekuivalenUntuk rasio ekuivalen (ϕ) :
௣
ಷ
௣ ௣௣஽௣௣௣
ϕ =
ಲ
௣
ಷ
௣ ೞ஽஽௣௣௣௣஽஽஽஽஽஽
(2.7)
Rasio ekuivalen ini memberikan parameter informasi yang berguna untuk menetapkan
komposisi campuran udara-bahan bakar yang baik.
Jika : ϕ > 1 = maka campuran itu kaya akan bahan bakar
ϕ = 1 = campuran stokiometri
ϕ < 1 = maka campuran itu miskin akan bahan bakar
Jangkauan pengoperasian normal untuk mesin dengan bahan bakar diesel yaitu 18
A/F 70 (0,014 F/A 0,056).

Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Viewers also liked

Viewers also liked (20)

Similar to Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)

Similar to Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged) (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (13)

Bab 12 prestasi_mesin (8 files merged)