Tugas Akhir
BAB II LANDASAN TEORI
2.1.
Prinsip Kerja Motor 4 Langkah
Motor 4 langkah adalah motor yang satu siklus kerjanya diselesaikan dalam empat langkah piston atau dua putaran poros engkol. Empat langkah tersebut adalah : 1) Langkah hisap 2) Langkah kompresi 3) Langkah usaha / kerja 4) Langkah buang Berikut ini akan dijelaskan langkah kerja pada motor bakar torak 4-langkah, yaitu:
Universitas Mercu Buana
6
Tugas Akhir
2. Langkah kompresi
1. Langkah isap
4. Langkah buang
3. Langkah kerja Udara
Campuran bahan bakar dan udara
Pembuangan
Gambar 2.1. Langkah kerja motor 4 langkah.
Langkah kerja motor 4 langkah ini ditemukan oleh seorang insinyur Jerman yang bernama Nikolaus A. Otto pada tahun 1876. Untuk mengenang jasanya, motor 4 langkah sering disebut juga motor otto. Prinsip kerja pada saat langkah Hisap yaitu piston bergerak dari Titik Mati Atas (TMA)
menuju
Titik Mati Bawah (TMB), akibatnya terjadi pertambahan
volume dan penurunan tekanan pada piston. Pada langkah ini katup hisap terbuka dan katup buang tertutup. Karena perbedaan tekanan diluar dan dan didalam silinder
Universitas Mercu Buana
7
Tugas Akhir
menyebabkan campuran bahan bakar akan mengalir masuk kedalam silinder. Prinsip kerjanya adalah pada saat langkah Kompresi yaitu gerakan dari TMB menuju TMA dalam keadaan katup hisap maupun buang tertutup, akibatnya campuran bahan bakar di atas piston dimampatkan/dikompresikan sehingga tekanan dan suhunya naik. Prinsip kerja pada saat langkah Usaha / kerja yaitu beberapa derajat sebelum piston mencapai TMA (akhir kompresi) terjadi percikan api pada busi yang membakar campuran bahan bakar. Proses pembakaran tersebut menyebabkan tekanan dan suhu naik, karena kedua katup pada posisi tertutup maka tekanan pembakaran tersebut mendorong piston bergerak dari TMA ke TMB. Melalui batang piston gaya dorong piston diteruskan ke poros engkol, dimana gerak translasi piston berubah menjadi gerak putar, yang kemudian dimanfaatkan untuk memutar beban. Oleh karena itu langkah ini disebut langkah usaha. Prinsip kerja pada saat langkah Buang yaitu piston bergerak dari TMB menuju TMA dalam keadaan katup hisap tertutup dan katup buang terbuka. Gerakan tersebut menyebabkan gas sisa pembakaran akan terdorong keluar melalui katup buang, saluran buang terus ke knalpot (muffler). Setelah langkah buang motor akan melakukan langkah hisap, kompresi, buang, demikian seterusnya sehingga langkah tersebut kembali kepada langah awal yaitu langkah Hisap dan berulang terus menerus. Proses pemuaian dan penekanan secara adiabatik pada siklus otto bisa digambarkan melalui diagram di bawah. (Diagram ini menunjukkan model ideal dari proses termodinamika yang terjadi pada mesin pembakaran dalam yang menggunakan bensin).
Universitas Mercu Buana
8
Tugas Akhir
Gambar 2.2. Siklus Otto motor 4 langkah.
Campuran udara dan uap bensin masuk ke dalam silinder (a). Selanjutnya campuran udara dan uap bensin ditekan secara adiabatik (a-b). Perhatikan bahwa volume silinder berkurang… Campuran udara dan uap bensin dipanaskan pada volume konstan – campuran dibakar (b-c). Gas yang terbakar mengalami pemuaian adiabatik (c-d). Pendinginan pada volume konstan – gas yang terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan campuran udara + uap bensin yang baru, masuk ke silinder (da).
Universitas Mercu Buana
9
Tugas Akhir
2.2.
Modifikasi Durasi Camshaft Dalam memodifikasi perlu mengetahui nama-nama bagian dasar dari camshaft, yang dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
Gambar 2.3. Bagian – Bagian Dasar Camshaft.
Di dalam memodifikasi camshaft ada beberapa istilah yang perlu untuk dipakai. Istilah-istilah tersebut menurut Poter Burgess (2000), yaitu: duration, phasing, valve lift, camshaft lobe lift, overlap, lift rate,valve clearence, full lift, piston valve clearence, dan camshaft profile. Di bawah ini akan diuraikan satu persatu: 2.2.1.
Duration Ini adalah angka derajat dimana katup membuka atau saat dimana katup
terangkat dari dudukan katupnya di dalam mesin 4 tak. Derajat durasi camshaft selalu terukur dalam durasi perputaran crank shaft. Ada satu hal yang perlu digarisbawahi, yaitu bahwa tiap-tiap produsen kendaraan bisa saja memproduksi camshaft dengan durasi yang sama. Akan tetapi berbeda karena ada perbedaan profil camshaft yang mempengaruhi tinggi bukaan dan waktu bukaan dalam durasi camshaft tersebut.
Universitas Mercu Buana
10
Tugas Akhir
Berikut adalah diagram buka tutup camshaft :
Gambar 2.4. Diagram Buka Tutup Camshaft.
2.2.2.
Phasing Phasing adalah hubungan antara durasi saluran masuk dan saluran buang.
Phasing pada dasarnya adalah hubungan antara membuka dan menutup saluran masuk dengan saat membuka dan menutup saluran buang. Dalam bukunya, Dess Hammill (2001) mengatakan bahwa phasing disebut juga sebagai Lobe Centre Angle. Ini adalah bentuk sudut yang efektif antara posisi angkat penuh tonjolan saluran masuk dan posisi angkat penuh tonjolan saluran buang pada camshaft.
2.2.3
Valve Lift Maksud dari hal ini yaitu maksimum tinggi angkatan katup (jarak maksimum
antara katup dan dudukan katup). Hal ini sangat bervariasi antara profil camshaft satu dengan yang lainnya, dari tipe mesin lainnya.
Universitas Mercu Buana
11
Tugas Akhir
Tinggi angkatan katup berhubungan dengan ukuran diameter katup, secara khusus pada diameter katup masuk mesin dengan ukuran diameter katup sebesar 35,5 – 38,1 mm akan mempunyai tinggi angkatan berkisar antara 10,0 – 12,0 mm. Mesin dengan ukuran diameter katup masuk sebesar 44,5 – 47,6 mm akan mempunyai tinggi angkatan maksimum berkisar 10,7 – 14,0 mm. Mesin dengan diameter katup masuk sebesar 50,1 – 57,3 mm akan mempunyai tinggi angkatan maksimum berkisar 12 – 16,5 mm. Berdasarkan hal tersebut maka dapat dikatakan bahwa fungsi angkatan katup rata – rata adalah 0,25 dari diameter katup. Hal ini juga sudah dibuktikan dengan uji coba ketahanan mesin.
2.2.4.
Camshaft Lobe Lift Tinggi angkatan katup yang terjadi pada kepala silinder pada umumnya tidak
sama dengan tinggi angkatan (lobe) pada camshaft, walaupun untuk tipe–tipe tertentuada kesamaan. Hal ini disebabkan oleh adanya sistem rocker arm ratio. Sebagai contoh jika tinggi angkatan shaft 7,1 mm, karena berhubungan dengan rocker arm dengan perbandingan 1,65 : 1, maka tinggi angkatan akan menjadi 10,0 mm. Rocker arm ratio bervariasi antara desain mesin yang satu dengan desain mesin yang lain. Pada umumnya, rocker arm ratio berkisar antara 1,25 : 1 sampai dengan 1,75 : 1. Yang perlu digaris bawahi dalam hal ini adalah reliabilitas mekanika mesin tentunya harus diperhatikan.
Universitas Mercu Buana
12
Tugas Akhir
2.2.5.
Overlap Overlap adalah jumlah derajat durasi pada saat katup masuk dan katup buang
bergerak bersama (katup buang menutup dan katup masuk membuka). Jumlah derajat overlap mempengaruhi saat idle maupun kecepatan rendah.
Berikut adalah diagram camshaft saat terjadi overlap :
Gambar 2.5 Diagram Overlap Camshaft.
2.2.6.
Lift Rate Ini berhubungan dengan kecepatan pada saat katup terangkat dari dudukannya
per derajad rotasi camshaft dan selanjutnya kecepatan kembalinya katup pada dudukannya. Lift rate bervariasi dari camshaft satu dengan yang lainnya. Untuk keperluan peningkatan tenaga, katup di desain untuk membuka secepatcepatnya dan bertahan beberapa saat pada posisi tinggi angkat penuh dan selanjutnya
Universitas Mercu Buana
13
Tugas Akhir
menutup secepat-cepatnya pada durasi camshaft yang telah ditentukan. Hal iini bertujuan untuk memperlancar pemasukan bahan bakr dan udara kedalam silinder sebanyak-banyaknya.
2.2.7
Valve clearance Hal ini berhubungan dengan jarak yang terjadi antara camshaft lobe dan lifter
(Roker arm). Jarak ini bervariasi antara camshaft yang satu dengan yang lain, kadangkala juga bervariasi antara inlet lobe dan exhaust lobe pada satu camshaft. Jarak antara gap ini sangat mempengaruhi durasi katup. Hal ini karena semakin rapat gap yang ada maka akan membuat roker arm lebih cepat mengembang pada cam lobe lift sehingga durasi menjadi lebih besar dan apabila jaraknya semakin renggang maka durasi akan menjadi lebih kecil.
2.2.8
Full lift Tinggi angkat penuh katup ialah saat katup berada pada posisi terjauh dari
dudukannya. Apabila dilihat pada profil camshaft, maka berada pada titik tengah nose, yaitu titik tertinggi pada lift lobe. Untuk profil camshaft menjadi dua. Misalnya durasinya sebesar 226 ̊ maka dibagi menjadi dua 113 ̊. Katup membuka 21 ̊ sebelum TMA sehingga dikurangkan 113 ̊ menjadi 92 ̊ adalah posisi paling penuh dari camshaft. Dengan catatan bahwa profil camshaft adalah simetri.
2.2.9
Camshaft Profile Profil camshaft merupakan satu hal yang mempunyai peranan penting dalam
Universitas Mercu Buana
14
Tugas Akhir
unjuk kerja mesin. Hal ini dikarenakan profil/ bentuk camshaft adalah semacam rel tempat berjalannya rocker arm. Sehingga jika dilihat dalam bentuk grafik, profil camshaft merupakan pembentuk kurva durasi buka tutup katup. Di bawah ini adalah beberapa bentuk camshaft :
Gambar 2.6 Macam-Macam Profil Camshaft. *sumber : Paul M. Brokav. (1970). “ A Study Of The Four-Stoke Motorcycle Engine”
2.2.10
Memilih Jumlah Durasi yang Tepat Durasi dan RPM menurut Des Hammil saling berkaitan, karena keefektifan
kerja dari durasi camshaft sangat tergantung pada besar RPM yang dihasilkan oleh mesin, demikian juga sebaliknya. Sehingga di dalam memilih durasi yang sesuai untuk sebuah mesin harus mempertimbangakan kemampuan mesin (desain silinder head) dalam usaha meraih RPM maksimum. Selanjutnya, menurut Danang Wahyudi (2005), bahwa besar volume silinder juga sangat mempengaruhi keefektifan kerja dari durasi camshaft. Hal ini dekarenakan berhubungan dengan daya kevakuman ruang bakar saat langkah hisap. Mesin dengan volume silinder kecil dengan daya kevakuman kecil tidak akam bisa melayani camshaft dengan durasi besar, karena kevakuman silinder pada putaran rendah akan banyak terbuang dengan sia-sia saat langkah hisap. Pada putaran tinggipun juga tidak akan bisa kerena pada putaran rendah kurang tenaga untuk menaikan pada putaran tinggi
Universitas Mercu Buana
15
Tugas Akhir
2.3.
Daya Definisi dari daya adalah adalah laju perpindahan atau perubahan energi atau besar energi persatuan waktu. Daya yang dibutuhkan untuk membuat mekanisme bergerak daya motor dapat di hitung dengan perumusan : P=
T .n 5252
Dimana : P = daya motor yang dibutuhkan = HP 0,746 (KW) T = torsi (Nm) n = putaran (RPM) 5252 = konstata (jumlah harga yang tidak bisa diubah) Catatan : 1 ft =
30 m 100
1 lb =
1 kg 2,2
1 Hp = 75 kg.m/dt Maka : P = T.n
30 1 m kg (T ) 100 2,2 X
2 ( n) 60
=
1 kg .m / dt = (0,1364 kg.m)(0,1047) 75
=
75kg.m / dt 0,01428108kg.m / dt
751 kg.m / dt
= 5251,7 5252
Universitas Mercu Buana
16
Tugas Akhir
2.4.
Torsi
Torsi atau momen puntir adalah gaya dikalikan dengan panjang lengan (Arends&Berenschot 1980:21), pada motor bakar gaya adalah daya motor sedangkan panjang lengan adalah panjang langkah torak. Bila panjang lengan diperpanjang untuk menghasilkan momen yang sama dibutuhkan gaya yang lebih kecil, juga sebaliknya bila jaraknya sama tapi gaya diperbesar maka momen yang dihasilkan akan lebih besar pula. Ini berarti semakin besar tekanan hasil pembakaran di dalam silinder maka akan semakin besar pula momen yang dihasilkan.
Torsi dapat diperoleh dari hasil kali antara gaya dengan jarak. ( T = F x r ).
Torsi maksimum tidak harus dihasilkan pada saat daya maksimum pada saat yang bersamaan. Torsi (momen) sangat erat hubunganya dengan efisiensi volumetrik dari motor itu, artinya momen sangat tergantung pada jumlah bahan bakar yang dapat dihisap masuk kedalam silinder dan kemudian dibakar , karena semakin banyak bahan bakar yang dapat dibakar berarti semakin tinggi atau besar pula gaya yang dihasilkan untuk mendorong torak. Torsi motor akan maksimum pada saat efisiensinya juga maksimum.
Jika daya motor dan angka putarannya diketahui, maka besarnya momen putar untuk motor 4 langkah dapat dihitung dengan rumus:
T = 9550 .
P ( Nm ) n
Universitas Mercu Buana
17
Tugas Akhir
Dimana :
T = Torsi (Nm)
P = Daya motor (KW)
n = Putaran mesin (RPM)
9550 = konstata (jumlah harga
2.5.
yang tidak bisa diubah)
Air Fuel Ratio ( AFR ) Proses Pencampuran Udara dan Bahan Bakar Bahan Bakar yang hendak dimasukan kedalam ruang bakar haruslah dalam keadaan yang mudah terbakar, hal tersebut agar bisa didapatkan efisiensi tenaga motor yang maksimal. Campuran bahana bakar yang belum sempurna akan sulit dibakar oleh percikan bunga api dari busi. Bahan bakar tidak dapat terbakar tanpa adanya udara (O2), tentunya dalam keadaan yang homogen. Bahan bakar atau bensin yang dipakai dalam pembakaran sesuai dengan ketentuan atau aturan, sebab bahan bakar yang melimpah pada ruang bakar justru tidak meningkatkan tenaga dari motor tersebut namun akan merugikan motor sendiri. Semakin banyak bahan bakar yang tidak terbakar akan meningkatkan filamen pada dinding silinder ( tempat gesekan antara dinding silinder dengan ring piston). Perbandingan campuran udara dan bahan bakar sangat dipengaruhi oleh pemakaian bahan bakar. Perbandingan udara dan bahan bakar
Universitas Mercu Buana
18
Tugas Akhir
dinyatakan dalam bentuk volume atau berat dari bagian udara dan bensin. Bensin harus dapat terbakar seluruhnya agar menghasilkan tenaga yang besar dan meminimalkan tingkat emisi gas buang. Air Fuel Ratio adalah faktor yang mempengaruhi kesempurnaan proses pembakaran didalam ruang bakar. Merupakan komposisi campuran bensin dan udara. Idelanya AFR bernilai 14,7 artinya campuran terdiri dari 1 bensin dan 14,7 udara biasa disebut Stoichiometry. Berikut pengaruh komposisi AFR pada kinerja motor :
AFR terlalu kurus:
Tenaga mesin menjadi sangat lemah
Sering menimbulkan detonasi
mesin cepat panas
membuat kerusakan pada silinder ruang bakar
AFR kurus :
Tenaga mesin berkurang
Terkadang terjadi detonasi
Konsumsi bensin irit
Universitas Mercu Buana
19
Tugas Akhir
AFR ideal :
Kondisi paling ideal
AFR kaya :
Bensin agak boros
Tidak terjadi detonasi
Mesin lebih bertenaga
AFR terlalu kaya :
Bensin sangat boros
Asap kenalpot berwarna hitam
Asap pedih dimata
Menimbulkan filamen pada gesekan dinding silinder dengan ring piston
Terjadi penumpukan kerak diruang bakar
Universitas Mercu Buana
20
Tugas Akhir
2.6. Kepala Silinder, Diagram Katup Dan Camshaft Yamaha Jupiter MX Di bawah ini akan dijelaskan mengenai seluk beluk mengenai camshaft dan bagian-bagian Yamaha Jupiter MX secara visual agar lebih jelas dan mudah dipahami.
Gambar 2.7. Silinder Head Yamaha Jupiter MX Beserta Bagian-bagiannya *sumber : Buku Pedoman Resparasi Yamaha Jupiter MX
Camshaft dapat diibaratkan seperti jantung manusia, yaitu sebagai pengatur sirkulasi darah dan suplai makanan yang diperlukan bagi tubuh manusia. Padacamshaft yang diatur adalah sirkulasi bahan bakar dan udara (O ) yang diperlukan untuk pembakaran yang menghasilkan tenaga. Seperti halnya jantung, maka pada Camshaft terdapat bagian-bagian pada satu mekanisme yang masing-masing mempunyai peran penting, Yang pertama adalah Camshaft itu sendiri, berfungsi sebagai pengatur kerja kat
Universitas Mercu Buana
21
Tugas Akhir
Gambar 2.8. Camshaft Yamaha Jupiter MX
Yang kedua adalah katup (katup masuk dan katup buang) kepala silinder. Sesuai dengan namanya, ini sebagai pintu mengatur bahan bakar masuk dan gas sisa pembakaran keluar dari kepala silinder. Selanjutnya adalah pegas katup, berfungsi untuk mengembalikan katup seperti pada posisi semula setelah di tekan oleh Rocker Arm akibat dari tonjolan camshaft. Menurut Paul M. Brokav (1970). “Good valve spring are uncompromisingly vital to the performance and reliability of an engine”. Dengan demikian pegas katup mempunyai peranan yang vital terhadap performa kendaraan dan daya tahannya. Hal ini dikarenakan pegas katup sangat mempengaruhi keakuratan durasi dari sebuah camshaft. Untuk modifikasi camshaft disarankan agar pegas katup yang digunakan dimodifikasi juga atau diganti dengan gaya pegas yang lebih kuat dan tahan lama.
Universitas Mercu Buana
22
Tugas Akhir
Gambar 2.9. Posisi Kerja Katup, Pegas Katup Pada Yamaha Jupiter MX. *sumber : Paul M. Brokav. (1970). “ A Study Of The Four-Stoke Motorcycle Engine”
Universitas Mercu Buana
23
