ANALISIS TEORITIS THERMODINAMIKA PADA TEMPERATUR GAS BUANG MOTOR DIESEL 2500 CC DAN PENGARUHNYA TERHADAP SUDU SUDU TURBIN TURBO CHARGER

Analisis Teoritis Thermodinamika

ANALISIS TEORITIS THERMODINAMIKA PADA TEMPERATUR GAS BUANG MOTOR DIESEL 2500 CC DAN PENGARUHNYA TERHADAP SUDU – SUDU TURBIN TURBO CHARGER Oleh: Legisnal Hakim Abstract Motor diesel is growing rapidly now, and have a better performance, technology and construction machinery has undergone innovation - innovation that spectacular, fuel system, air intake systems and other systems, which can support the engine performance is also experiencing a very recent innovation. Diesel engines are usually called compression ignition engine (compression ignition engines), how ignition fuel is done by spraying fuel into the air that has been pressurized and high temperature. Currently diesel engine with a small total volume produce big power, is none other than the already wide use of the turbo charger to add the intake air pressure and increase the effective pressure, increased air temperature in the cylinder so the engine power increased by approximately 25% compared to engines without turbo chargers . Turbo Charger driven by exhaust gases from combustion, where the turbo charger has two main components of the turbine wheel, made of heatresistant cast metal and compressor wheels, made of aluminum alloy in rollers and then done. Dominant turbine wheel gets the direct heat from the remaining combustion gases, and, temperature of exhaust gas turbo-diesel engine that uses a range between 600 - 7000C. There is also a diesel engine equipped with cooling air before the air entered keselinder with the aim of avoiding severe decline in the volume of fresh air which affects the amount of air which is input / smoked. Failure may occur in turbine wheel that may be caused by gas temperature and exhaust gas quality is not normal, with the theoretical analysis of thermodynamics can be calculated based on the assumption that pressure is not normal. Keyword : temperature of exhaust gas, hermodynamics

1. PENDAHULUAN Temperatur sangat besar pengaruhnya terhadap performance motor diesel, karena yang diharapkan disini adalah temperatur yang tinggi pada saat akhir kompresi untuk proses pembakaran untuk menghasilkan kerja atau expansi, dengan proses pembakaran yang tepat akan menghasilkan tenaga yang maksimal. Pada prakteknya untuk mendapatkan tenaga motor diesel yang maksimal sesuai dengan spesifikasinya ada beberapa syarat yang tidak boleh terjadi pada motor diesel yaitu : 1. Tekanan kompresi tinggi dengan syarat : a Piston dan ring piston tidak aus b Selinder/linier tidak aus c Katup dan dudukan katup tidak bocor d Gasket kepala selinder tidak rusak e Dan lain-lain Page 18

2. Penyuplaian bahan bakar atau sistem bahan bakar dengan syarat : a Injektor  Nozzle harus dalam keadaan baik, pengabutan sesuai jenis dan standar nozzle, yang disesuaikan dengan penggunaan dan type mesin diesel.  Pegas injektor masih baik dan tidak putus  Pipa tekanan tinggi tidak boleh bocor atau putus b Pompa injeksi  Katup deliveri tidak bocor  Plunger tidak aus  Governor dalam keadaan stabil  Timer dalam keadaan baik 3. Timing ( pengontrol waktu saat penyemprotan atau proses/siklus ) JURNAL APTEK Vol. 2 No. 1 Juli 2010


4. Penyetelan celah katup, saringan udara dan bahan bakar juga sangat perannya untuk menjaga tenaga motor diesel tetap stabil. Dari keempat syarat motor diesel ini sangat besar pengaruhnya terhadap tenaga motor diesel 2. DASAR TEORI Motor diesel empat tak yang dominan digunakan pada saat ini, dan prinsip empat tak lebih baik untuk menghasilkan panas dan pembakaran yang sempurna dibandingkan dengan mesin dua tak. Proses siklus termodinamika pada motor diesel empat tak ada 2 type siklus secara teoritis yang dikembangkan yaitu siklus tekanan konstan, ini biasanya digunakan pada motor diesel putaran rendah, dan siklus gabungan ini biasanya digunakan pada motor diesel putaran tinggi. Secara teoritis proses siklus diasumsikan siklus ideal atau siklus udara, dengan beberapa idealisasi sebagai berikut : 1. Fluida kerja didalam selinder adalah udara, dianggap sebagai gas ideal dengan konstanta kalor yang konstan. 2. Proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara isentropik. 3. Proses pembakaran dianggap sebagai proses pemanasan fluida kerja. 4. Pada akhir proses ekspansi, yaitu pada waktu torak mencapai TMB, fluida kerja didinginkan sehingga tekanan dan temperaturnya turun mencapai tekanan dan temperatur atmosfir. 5. Tekanan fluida kerja didalam selinder selama langkah buang dan langkah hisap adalah konstan dan sama dengan tekanan atmosfir. Bila motor diesel mencapai putaran diatas 1000 rpm, ini sudah termasuk motor diesel putaran tinggi. Dan ini pada prinsipnya sudah menggunakan prinsip siklus gabungan, pada motor diesel secara kontruksi ruang bakar terbagi dua yaitu motor diesel dengan ruang bakar terbuka atau penyemprotan langsung,

motor diesel dengan ruang bakar terbuka atau penyemprotan tidak langsung Untuk menghasilkan temperatur yang ideal yang diharapkan dapat mengahasilkan daya maksimal maka ada beberapa hal perlu diperhatikan yaitu : a Kerja mekanis gas pembakaran b Bahan bakar dan pembakaran c Diagram siklus ideal dan siklus sebenarnya d Daya poros dan kerugian – kerugiannya. Disini akan dibahas siklus udara yang biasanya dipergunakan sebagai siklus ideal untuk menganalisa siklus motor bakar berdasarkan teori. Fluida kerja siklus udara dianggap sebagai gas ideal yang mempunyai kalor spesifik dan berat molekul tertentu yang yang konstan. Dimana : berat molekul ( M ) = 29 ; kalor spesifik (Cp ) = 0,29 kcal/kg K ; dan Cv = 0,1715 kcal/kg K ).yang dimaksud dengan gas ideal ialah setiap gas yang memenuhi hubungan. ̅

PV = GRT atau Pv = RT atau Dimana : P = tekanan gas, kg/m2 v = volume spesifik dari gas, m3/kg V = volume gas, m3 G = berat gas, kg M = berat molekul dari gas, kg/kmol R = konstanta gas, m kg/kg K = 29,3 m kg/kg K untuk udara ̅ = konstanta gas universal, m kg/kmol K = 848 m kg/kmol K untuk setiap gas T = temperatur absolut K Persamaan energi yang akan dipakai dalam analisis ini adalah

Dimana : U = energi dalam, kcal Q = jumlah kalor yang masuk, kcal W = kerja, m kg J = faktor pengubah satuan, 427 m kg/kcal i dan e = menunjukan keadaan awal dan akhir dari suatu proses.

Legisnal Hakim, Program Studi Mesin dan Peralatan Pertanian - Universitas Pasir Pengaraian

Page 19


P 3a

P 2

3

3

2 4

4

1

1 v

TMA

v

TMB

Gambar 2-1 diagram tekanan versus volume spesifik dari siklus gabungan

Gambar 2-2 diagram tekanan versus volume spesifik dari siklus tekanan konstan q m2

3a

TMB

TMA

3

q m1 2 qk 4 1 5

0 6 A

Volume Spesifik, v

B

Gambar 2-3 siklus tekanan terbatas dari motor diesel dengan turbocarger

Pada proses siklus, temperatur, tekanan dan keadaan fluida kerja pada akhir proses sama dengan pada saat proses itu dimulai. Proses ( 0 – 1 ) langkah hisap. Udara seberat G kg masuk kedalam selinder pada tekanankonstan. Udara mengisi ruang selinder yang bertambah besar kerena torak bergerak dari TMA ke TMB, jadi udara melakukan kerja sebesar : (

)

; ( positif ; fluida kerja

melakukan kerja ) Proses ( 1 – 2 ) langkah kompresi. Proses berlangsung secara isentropik ( adiabatik dan Page 20

reversibel ). Jadi Q = 0 dan ΔS = 0, maka kerja yang dilakukan adalah ; ( negatif ; fluida kerja dikenai kerja ) Dalam proses isentropik berlaku hubungan ( )

( )

( )

Maka ( )

( )

( )

( )

JURNAL APTEK Vol. 2 No. 1 Juli 2010


Dimana VL = volume langkah torak, cm3 atau m3 VS = volume sisa, cm3 atau m3 γ = berat jenis fluida kerja, kg/cm3 atau kg/cm3 dari persamaan diatas terlihat tekanan dan temperatur fluida kerja pada akhir langkah kompresi akanbertambah besar sesuai dengan kenaikan perbandingan kompresi. Proses ( 2 – 3a ) pemasukan kalor pada volume konstan. Sesudah torak mencapai TMA ( titik 2 ), kalor ( Q2 – 3a ) segera dimasukan pada volume konstan. Fluida kerja tidak melakukan atau dikenai kerja sehingga W/J =0. Oleh karena itu : Q2 – 3a = ΔU = U3a – U2 = G cv (T3a – T2) ; (positif, pemasukan kalor) T3aakan bertambah besar sesuai dengan jumlah kalor yang dimasukan. Proses (3a – 3); pemasukan kalor pada tekanan – konstan. Proses pemasukan kalor pada tekanan konstan berlangsung setelah temperatur fluida kerja mencapai titik 3a, yaitu T3a. selama itu torak bergerak dari TMA menuju TMB dan volume fluida kerja didalam selinder berubah dari V3a menjadi V3. Jumlah kalor yang dimasukan adalah Q3a– 3 = (U3 – U3a) + W3a-3 / J Selama fluida melakukan kerja, yaitu mendorong torak dari TMA ke TMB sebesar W3a – 3 /J atau (

)

(

)

Persamaan ini dapat ditulis debagai berikut : ( (

)

(

= H3 – H3a = GcP ( T3 – T3a )

) )

Proses (3 – 4); langkah ekspansi atau langkah kerja. Proses ekspansi berlangsung secara isentropik .jadi Q = 0 dan ΔS = 0 sehingga berlaku hubungan ( )

( )

( )

Proses (4 – 1) ; Proses pengeluaran kalor. Setelah torak mencapai TMB sejumlah kalor dikeluarkan dari dalam selinder sehingga temperatur fluida kerja akan turun dari T4 menajdi T1. Proses ini berlangsung pada volume konstan (V4 = V1 atau v4 = v1) sehingga W4 – 1 /J = 0. Maka jumlah kalor yang harus dikeluarkan adalah sebanyak : Q4 – 1 = - ΔU = G cv (T1 – T4) ; ( negatif menyatakan bahwa kalor keluar dari dalam selinder ) atau Qkeluar = G cv (T4 – T1) Proses (1-0); langkah buang. Dalam proses fluida sebanyak G kg didorong keluar selinder oleh torak yang bergerak dari TMB ke TMA pada tekanan konstan. Jadi, fluida kerja dikenai kerja aliran sebesar : (

)

; (negatif, berarti fluida kerja

dikenai kerja ) Temperatur penyalaan dan tekanan efektif juga dipengaruhi dari kualitas penyemprotan bahan bakar , saat penyalaan dan temperatur udara pada motor diesel, selain itu perbandingan kompresi juga sangat berperan besar untuk meningkatkan temperatur udara dan tekanan indikator untuk menghasilkan temperatur tinggi dan tekanan indikator yang tinggi sehingga bahan bakar yang disemprot berbentuk kabut dapat dengan mudah terbakar atau meledak.


Page 21


5

Temperatur penyalaan spontan

Temperatur udara

4 3

1 2 3 4 60

2

40

1,0 0,9 0,8 0,7

D

600

C

400

B

E

0,6

20

A

0,5 1 ,0

1,1

103 ToK

1,2

1,3

200 7 00

60 0

5 00

Temperatur udara ( oC) -100

-50

0

Sudut engkol (o) Penyemprotan

50

100

Pembakaran

Bahan bakar Diesel “temper atur rendah” 30 atm

Bahan bakar Diesel dengan bilangan setana 47 40 atm

40 atm 60 atm

Gambar 2-4 Pengaruh tekanan dan temperatur terhadap kelambatan penyalaan ( oleh F.W. Stringer, A.E. Clarke & J.S. Clarke )

Dari diagram dua diatas dapat dilihat pengaruh tekanan dan temperatur terhadap saat penyalaan ( telambat atau cepat ), akibat dari kedua keadaan penyalaan ini bisa menghasilkan temperatur yang rendah atau pembakaran tidak sempurna, dan akan berimbas pada performance mesin, dan temperatur gas buang tidak pada temperatur sebenarnya, kemungkinan temperatur gas buang dibawah temperatur udara masuk, bila ini terjadi pada mesin menggunakan turbocharger, akan berdampak pada turbin karena mengalami kejutan temperatur. Untuk itu perlu juga untuk diteliti berapa temperatur gas buang sebenarnya dan temperatur gas buang idealnya. Kerugian pembuangan cukup besar, maka perlu ada usaha untuk menguranginya. Dan salah satu cara untuk mengurangi kerugian buangan adalah dengan memasang turbo charger pada saluran buang. Gas buang dimanfaatkan untuk menggerakan turbine gas yang menggerakkan kompresor. Dengan menggunakan turbocarjer tekanan udara Page 22

Kecepatan udara, 4ft/detik (1,2 m/detik) Nozel, jennis lubang (0,35 x 1,0 mm) Kapasitas penyemprotan 35 mm3 Tekanan penyemprotan 170 atm

Gambar 2-5 Diagram Indikator Hipotetik dari Motor Diesel

masuk menjadi naik menjadi 1,5 kg/cm2, dan temperatur udara pada saat kompresi akan naik juga bisa mencapai 6000C, dari siklus ideal bisa dikalkulasikan berapa besar panas pada saat pengisian udara, kompresi, pembakaran, ekspansi, pembuangan panas dan gas sisa pembakaran. Panas yang dihasilkan proses pembakaran sangat berpengaruh sekali pada hasil akhir pembuangan untuk itu perlu sekali perlu penelitian sebab – sebab temperatur gas buang tidak mengalami panas yang diinginkan, dan ini biasanya terjadi pada putaran idle / stasioner, perbedaan temperatur pembuangan setiap selinder pada putaran idle/stasioner bisa menjadi parameter tidak terjadinya pembakaran yang sempurna dan campuran yang tepat, ini juga menghasilkan bentuk asap pembuangan tidak pada standarnya, pada mesin diesel yang menggunakan turbocharger bisa juga berpengaruh terhadap umur pemakaian roda turbin yang mengalami shock temperatur karena tidak stabil temperatur gas buang yang keluar pada putaran rendah dan putaran tinggi. JURNAL APTEK Vol. 2 No. 1 Juli 2010


% 8

lub oil system

29

21

foreign objects

bearings other overspeed 7

maintenance/installalation

4

defect 9

12

unknown

11

Gambar 2-6 faktor – faktor penyebab kerusakan Turbocharger (buletin marine enginer edisi 37 april 2008) 3. METODOLOGI. Metodologi ini merupakan tahapantahapan di dalam melakukan penelitian yang bertujuan untuk menghindari terjadinya kesalahan-kesalahan. Tahapan-tahapan penelitian merupakan rangkaian proses penelitian yang saling berkaitan secara sistematis. Tahapan-tahapan dalam penelitian yaitu : 1. Metode matematis, disini penulis melakukan analisis thermodinamika pada

prinsip – prinsip motor bakar diesel dengan siklus udara ideal dan asumsi – asumsi yang dapat mendukung perhitungan tersebut. 2. Studi literatur, dengan mengumpulkan dan mencari literatur sebagai referensi untuk mendukung analisa teoritis pada suatu penelitian yang didapat dari internet, buku, jurnal, majalah yang berkaitan dengan motor bakar, prosiding, dan lain lain. 3. Pemilihan atau penentuan spesifikasi motor Diesel

Mulai

Pemilihan Spsifikasi

Penentuan Siklus

Persiapan literatur

Asumsi -asumsi

Analisa Termodinamika

Pengolahan data

Hasil / hipotesa Selesai

Gambar 3-1 Diagram alir metodologi penelitian


Page 23


4.

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Penentuan siklus

q m2

3a

3

q m1 2 qk 4 1 5

0 6 A

Volume Spesifik, v

B

Gambar 4-1 siklus tekanan terbatas dari motor diesel dengan turbocarger

4.2. Mesin 4.3. diesel dengan spesifikasi :

Timing pengabutan : 120 sebelum TMA Maximum out put : 86 PS/3600 rpm Maximum torque : 17,5kg-m/2300 rpm Idling speed : 750 rpm Tipe pompa injeksi : Distributor pump Tipe nozzle : Tipe lubang Jumlah lubang nozzle : 4 Tekanan awal nozzle : 185 kg/cm2

Type : 4 JA-1, OHV Selinder : 4 in-line Type ruang bakar : Pengabutan langsung Bore x stroke : 93 x 92 mm Volume selinder : 2499 cm3 Perbandingan kompresi : 18 : 1 Tekanan kompresi : 31kg/cm2 Urutan pengabutan : 1-3-4-2

4.4. Analisa thermodinamika siklus gabungan

TABEL4-1 Analisa thermodinamika untuk proses 4 langkah Proses Untuk satu kilogram udara 0–1 Q 0 0 W/J ⁄ ( ) (

)

⁄

(

)

⁄ ⁄

ΔU

(

= - 63 J

)

Page 24



1–2

Q W/J

0 –( U2 – U1 )

0 - W = P2 x VL = 31kg/cm2 x 625 cm3 = 19375 kg cm = 193,75kgm = 0,45 kcal = - 1884 J ( )

⁄ ( )

⁄ (

2 – 3a

( )

)

ΔU

U2 – U1

1884 J; T2 = 84,480C

Q

U3a – U2

Q2 -3a = G cv ( T3a – T2 ) ; Q2 -3a = W/𝜂tu ; 𝜂tu = 1 – 1/rk-1 𝜂tu = 1 – 1/181,4 – 1 = 1 – 1/3,18 = 1- 0,3 = 0,7 Q2 -3a = P2 VL / J 𝜂tu

⁄ W = Q2 – 3a x 𝜂tu W = 2721,55 J x 0,7 = 1905,085 J

Dimana G = γ x VL G = 1,225 x 10-6 kg/cm3 x 625 cm3

= 0,000765 kg

( - 273 ) + 84,48 = 4773,480C Bila di presentasi peningkatan temperatur maka didapat :

3a – 3

W/J ΔU

0 U3a – U2

Q

H3 – H3a

Jadi tekanan ( P3a ) juga akan meningkat sebesar 98% yaitu ( 31 x 0,98 ) + 31 = 61,38kg/cm2 0 Q2 – 3a = 2721,55 J ; T3a = 4773,48 0C P3a = 61,38 kg/cm2 ; besar tekanan pada proses volume konstan Q3 – 3a = G cp ( T3 – T3a ) ;

P3a ≤ P3 (

(


) )

Page 25


Besar tekanan pada proses tekanan konstan adalah dua kali jumlah kalor yang dimasukan dalam proses 2 – 3a. P3 = 2 x ( 61,38 – 31 ) + 61,38 = 122,14 kg/cm2

Jadi Q3 a– 3 dapat dihitung berdasarkan temperatur diatas : Q3a – 3 = 1,225 x 106kg/cm3 x 0,24 kcal/ kg K (4773,48 - 2402 ) x 625 cm3= 0,877 kcal Qm total = 0,65 kcal + 0,877 kcal = 1,527 kcal W/J

( ) ⁄ ⁄

⁄

⁄ ⁄

⁄ V3 < V3a ⁄ ( )

ΔU

Page 26

⁄

(

)

U3 – U3a



⁄ ⁄

Jadi ΔU3-3a = 0,627 kcal = 2625 J 3–4

Q W/J

0 –( U4 – U3 )

0

⁄ ⁄ ⁄ ⁄

⁄

4–1

ΔU

U4 – U3

Q

U1 – U4

⁄

3224 J (

)

(

)

( ) ( ) ( )

( (

) ⁄

)

(

)

(

W/J ΔU

0 U1 – U4

)

0 0,095kcal x 4187 j/kcal = 397,765 J


Page 27


1–0

Q W/J

0

0 (

(

)

)

(

)

⁄ ⁄

(

)

⁄ ⁄

ΔU

(

)

= 63 J

4.5.Analisa temperatur gas buang Tabel 4.2 Data perhitungan temperatur gas buang berdasarkan asumsi tekanan kompresi. Proses Mesin kondisi ideal Neraca kalor % Temperatur gas buang akibat tekanan kompresi menurun Hisap P0 =P1 = 1,032 kg/cm2 Diasumsikan Diasumsikan 0 Prose 0 - 1 T0 = T1 = 32 C tetap tetap VL = 2500/4 = 625 cm3 Kerja efektif 30 ~ 40. W= Kerugian mekanis 11 ~ 4 ΔU = -67 J Kerugian Kompresi pendinginan 25 ~ dan 11. pembakaran P2 = 31kg/cm2 P2 = 25 kg/cm2 P2 = 20kg/cm2 0 0 Kerugian buang Proses 1-2 T2 = 84,48 C T2 = 79,6 C T2 = 74,7 34 ~ W = - 1884 J 40 ΔU = 1884 J Proses 2 – P3a = 61,38 kg/cm2 T3a = 42020C T3a = 30080C 0 2 3a T3a = 4773,38 C P3a = 49,5kg/cm P3a = 39,5kg/cm2 P3 = 122 kg/cm2 T3 = 24020C Qm1 = Δ Proses 3a – P3 = 122 kg/cm2 P3 = 98 kg/cm2 P3 = 78,5kg/cm2 0 0 3 T3 = 2402 C T3 = 2112 C T3 = 15140C Qm2 = 0,877 kcal Qtotal = 1,527 kcal W2 = ΔU = 2625 J Usaha P3 = 122 kg/cm2 P3 = 98 kg/cm2 P3 = 78,5kg/cm2 0 0 Proses 3 – 4 T3 = 2402 C T3 = 2112 C T3 = 15140C ΔU =

Page 28



T4 = 7560C P4 = 9,765 kg/cm2 Q4-1 = - 0,095 kcal Qkeluar = 0.095 kcal ΔU = 397,765 J

T4 = 6650C T4 = 4770C P4 = 7,875kg/cm2 P4 = 6,3kg/cm2

5. KESIMPULAN Dari asumsi penurunan tekanan kompresi dari siklus udara ideal pada tabel 4-2 dapat diamati ternyata penurunan tekanan kompresi berpengaruh juga terhadap penurunan temperatur gas buang dan tekanan gas buang yang sangat berperan besar terhadap kinerjanya turbocharger, akhirnya juga berpengaruh terhadap laju pengisian udara kedalam selinder . Penurunan ini terjadi pada putaran rendah (idle) dan penurunan temperatur gas buang juga bisa disebabkan : a. Tekanan kompresi lemah b. Proses pembakaran c. Tidak sempurnanya pengabutan bahan bakar d. Udara yang terlalu dingin e. Jumlah bahan bakar yang tak cukup f. Tekanan bahan bakar yang sudah lemah. Pada mesin diesel dengan selinder banyak ini bisa terjadi dari salah satu selinder yang tidak terdeteksi tanpa diberi treatment berdasarkan pengalaman.

DAFTAR PUSTAKA Arifin Nur, Widodo Budi Santoso,2008, ” Analisa Laju Pelepasan Panas Terhadap Perubahan Tekanan Injeksi Bahan Bakar Motor Diesel”, Prosiding Seminar Nasional Teknoin, yokyakarta Marine Engineer, 2006 ,”Turbocharger : Menghilangkan Resiko Kerusakan/ Kegagalan”, Buletin IMarE, edisi XXXII September. Marine Engineer, 2008 ,” Apakah yang menyebabkan Turbocharger – turbocharger Rusak ? ”, Buletin IMarE, edisi XXXVII April. Marine Engineer, 2008,” Peran Turbocharging Bertekanan Tinggi Dalam Mesin – Mesin Diesel Beremisi Gas Rendah”, Buletin IMarE, edisi XXXIX Oktober. Wiranto Arismunandar, 2004, “ Motor Diesel Putaran Tinggi “, Pradnya Paramita, Jakarta Wiranto Arismunandar, 2002, “ Penggerak Mula Motor Bakar Torak “, penerbit ITB Bandung

Buang Proses 4 – 1


Page 29

ANALISIS TEORITIS THERMODINAMIKA PADA TEMPERATUR GAS BUANG MOTOR DIESEL 2500 CC DAN PENGARUHNYA TERHADAP SUDU SUDU TURBIN TURBO CHARGER

Recommend Documents