BAB II LANDASAN TEORI
2.1.
Mesin Bensin Empat Langkah (4 Tak).
2.1.1.
Prinsip Kerja.
Mesin bensin empat langkah merupakan mesin dengan siklus kerja yang terdiri dari langkah isap, kompresi, ekspansi, dan buang. Masingmasing membutuhkan 180º pada putaran poros engkol sehingga dalam satu siklus membutuhkan 720º. Beberapa kejadian berikut, membentuk siklus dalam motor bakar : 1.
Mengisi silinder mesin dengan udara.
2.
Penekanan isi udara yang menaikkan tekanan dan suhu sehingga kalau bahan bakar diinjeksikan, akan segera menyala dan terbakar secara efisien.
3.
Pembakaran bahan bakar dan pengembangan gas panas.
4.
Mengosongkan hasil pembakaran dari silinder. Kalau keempat kejadian ini diselesaikan, maka daur diulangi.
Kalau masing-masing dari keempat kejadian ini memerlukan langkah
6
7
torak yang terpisah, maka daurnya disebut daur empat langkah. Empat kejadian utama ditunjukkan secara skematis pada gambar 2.1. 2 7
1 3 4
5
6 (a) Langkah Hisap
(b) Langkah Kompresi
(c) langkah kerja
(d) langkah buang
Gambar 2.1. Langkah piston pada siklus empat langkah Keterangan : 1.
Saluran hisap
2.
Busi
3.
Silinder
4.
Piston
5.
Poros engkol
6.
Batang penghubung
7.
Saluran buang
8
P V qm qk VL VS TMA TMB
= = = = = = = =
tekanan fluida kerja volume spesifik jumlah kalor yang dimasukkan jumlah kalor yang dikeluarkan volume langkah volume sisa titik mati atas titik mati bawah
Gambar 2.2. Diagram P vs v dari siklus ideal mesin bensin 4 langkah ( Arismunandar, 2002:15 ) • Proses (0-1) : Langkah Hisap Langkah hisap bahan bakar dimana torak bergerak turun dari TMA (Titik Mati Atas) menuju ke TMB (Titik Mati Bawah) dengan posisi katup hisap terbuka dan katup buang tertutup. Akibat dari langkah piston turun ini maka campuran bahan bakar dengan udara akan terhisap ke dalam ruang bakar. • Proses (1-2) : Langkah Kompresi Isentropik Langkah kompresi dimulai ketika piston bergerak ke atas lagi menuju TMA setelah melakukan langkah hisap dengan posisi katup hisap dan katup buang tertutup. Langkah ini akan menaikkan tekanan pada ruang bakar yang terisi campuran bahan bakar dengan udara. Langkah kompresi ini dimisalkan berlangsung secara isentropik.
9
• Proses (2-3) : Proses Pembakaran Pada Volume Konstan Proses pembakaran bahan bakar dimana proses ini terjadi sesaat sebelum akhir dari proses kompresi. Campuran bahan bakar dengan udara yang telah terkompresi mulai terbakar akibat percikan api yang ditimbulkan oleh busi yang terpasang di dinding silinder. Akibat proses pembakaran, tekanan dan temperatur di ruang bakar naik lebih tinggi.Sesudah torak mencapai TMA segera dimasukkan pada volume konstan. • Proses (3-4) : Langkah Ekspansi Isentropik Langkah kerja atau langkah daya timbul akibat dari tekanan gas panas yang mendorong torak menuju TMB. Pada langkah ini posisi katup hisap dan katup buang masih dalam keadaan tertutup. Selama proses ekspansi ini tekanan dan temperatur mulai turun dan berlangsung proses isentropik. • Proses (4-1) : Proses Pembuangan Pada Volume Konstan Proses pembuangan sejumlah gas pembakaran terjadi pada saat torak mencapai TMB. Pada langkah ini, posisi katub buang terbuka dan katup hisap tertutup. Pada proses ini berlangsung pada volume konstan. • Proses (1-0) : Langkah Buang Langkah buang dimana pada akhir langkah kerja piston, katup buang terbuka dan katup hisap masih tertutup dan piston bergerak menuju ke TMA membuang gas pembakaran keluar dari silinder.
10
2.1.2.
Konstruksi.
Beberapa komponen-komponen dalam mesin bensin adalah :
1.
Poros Engkol. Poros engkol merupakan bagian utama dari mesin yang berputar. Poros inilah yang menggerakkan beban, baik secara langsung maupun melalui roda transmisi. Poros engkol mempunyai satu atau lebih bagian eksentrik yang dinamakan engkol dan terdiri dari pena engkol dan lengan engkol. Poros engkol yang bertumpu pada bantalan itu dihubungkan dengan torak oleh batang penggerak atau pena engkol dan dengan torak oleh pena torak. Dengan demikian gerakan translasi torak sepanjang TMA-TMB-TMA akan memutar poros engkol dalam satu putaran, dan sebaliknya.
Gambar 2.3. Konstruksi mesin bensin empat langkah (Obert 1973:15)
11
Keterangan : 1. Alat pemurni. 2. Cuk. 3. Ruang pelampung. 4. Katup motor. 5. Saluran hisap. 6. Saluran keluar. 7. Hotspot damper. 8. Ring piston. 9. Piston. 10. Pin Piston. 11. Blok silinder. 12. Batang penghubung. 13. Rifle driller. 14. Oil gallery. 15. Ruang engkol. 16. Pena engkol. 17. Poros engkol. 18. Karter minyak. 19. Blok bantalan utama.
2.
20. Bantalan batang penggerak. 21. Wet liner. 22. Selubung air. 23. Sumbu hubungan. 24. Hubungan. 25. Dip-stick. 26. Pengikut kam. 27. Ruang pembakaran. 28. Busi. 29. Dudukan dalam. 30. Batang penekan. 31. Pengantar katup 32. Pegas katup. 33. Lengan gagang borstel. 34. Adjustment. 35. Penutup pipa pembuang udara.
Torak (Piston). Torak merupakan bagian mesin yang sangat kritis. Selain dikenai gas bertekanan dan bertemperatur tinggi, torak bergerak translasi dengan kecepatan tinggi pula. Torak dilengkapi dengan sedikitnya tiga ring torak. Ring pada bagian atas berfungsi agar gas pembakaran yang bertekanan tinggi tidak masuk kedalam ruang engkol
(crankcase).
Ring
bagian
bawah
berfungsi
sebagai
pengontrol oli yang menempel pada dinding silinder.
3.
Katup (Valve). Untuk mesin empat langkah pemasukan bahan bakar dan pembuangan gas sisa pembakaran dilakukan melalui katup masuk
12
dan katup buang. Terbuka dan tertutupnya kedua katup tersebut diatur oleh perputaran poros kam atau poros hubungan. Untuk membedakan antara katup hisap dan katup buang dapat dilihat dari diameter katup. Diameter katup hisap lebih besar daripada katup buang. Ukuran katup hisap ini berfungsi untuk memperbanyak jumlah bahan bakar yang masuk ke dalam ruang bakar. Pembukaan dan penutupan katup diatur melalui mekanisme yang ditunjukkan gambar di bawah ini.
Gambar 2.4. Mekanisme Katup (Arismunandar, 2001:12) Keterangan : 1. Tuas. 2. Batang penekan. 3. Pengikut kam (tapet). 4. Poros hubungan. 5. Hubungan. 6. Ujung hubungan. 7. Lingkaran dasar hubungan. 8. Batang penekan. 9. Jarak bebas katup.
10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18.
Penahan pegas. Pemegangan. Pegas luar. Pegas dalam. Jalan katup. Batang katup. Dudukan katup. Bidang rapat katup. Kepala katup.
13
Terdapat dua teknologi mekanisme pergerakan katup, yaitu : Single OverHead Camshaft (SOHC) dan Double OverHead Camshaft (DOHC). Camshaft atau noken as memiliki fungsi untuk membuka tutup katup hisap dan katup buang. Katup hisap berfungsi untuk menghisap campuran bahan bakar udara ke dalam ruang bakar, sedangkan katup buang berfungsi untuk membuang sisa pembakaran yang terjadi di dalam ruang bakar. Perbedaan DOHC dan SOHC terdapat pada konsep internal combustion engine atau mesin yang memiliki karakter terjadinya pembakaran di dalam mesin itu sendiri, dalam hal ini terjadi di silinder. Konsepnya adalah makin banyak bahan bakar dan udara yang masuk untuk dibakar, semakin besar power yang dihasilkan mesin. Sebaliknya, semakin sedikit bahan bakar dan udara yang dibakar, semakin kecil power yang dihasilkan. Dalam hal ini, DOHC yang memiliki jumlah dua pasang overhead camshaft tiap silinder (lebih banyak daripada SOHC) memiliki kemampuan memasukkan bahan bakar dan udara
lebih
banyak
daripada
SOHC,
artinya
mesin
DOHC
menghasilkan power yang lebih besar dari mesin SOHC dan lebih boros karena asupan bahan bakar lebih banyak daripada mesin SOHC. Jadi dapat dikatakan dengan suatu istilah, “DOHC means power, SOHC means economic”. Karena jumlah overhead camshaft pada mesin DOHC yang lebih banyak sehingga membutuhkan power yang lebih banyak juga. Hal ini akan mengurangi power yang dihasilkan dari mesin itu sendiri meskipun tidak terlalu banyak. Jadi power yang dihasilkan
14
oleh mesin akan terpakai sedikit untuk menggerakkan part yang lebih banyak pada mesin SOHC meskipun tidak signifikan.
Gambar 2.5. Konstruksi mesin bensin SOHC dan DOHC
4.
Karburator. Karburator berfungsi memasukkan campuran udara – bahan bakar ke dalam ruang bakar dalam bentuk kabut dan mencampur dengan perbandingan yang tepat pada setiap tingkatan putaran mesin.
15
Gambar 2.6. Bagian-bagian karburator (Daryanto 2001:96) Keterangan : 1. Sekrup. 2. Pegas cuk. 3. Permukaan cuk. 4. Poros cuk. 5. Pegas katup cuk. 6. Sekrup katup cuk. 7. Katup cuk. 8. Udara pengalir. 9. Sumbat utama. 10. Saringan. 11. Cincin saringan. 12. Perapat jaringan masuk. 13. Pemegang. 14. Sekrup. 15. Pegas penjamin. 16. Perapat udara pengalir.
17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32.
Pelampung. Katup penahan. Perapat katup penahan. Pena pemasukan pelampung. Pelampung bantu. Pegas pompa penjamin. Pegas pompa. Pegas penarik. Torak pompa. Penarik. Pemancar utama. Perapat pemancar utama. Pegas pompa penekan. Bola baja penjamin. Bola baja. Sekrup.
16
33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46.
Pegas torak pendorong. Torak pendorong. Penghenti torak pendorong. Ring pegas. Katup pendorong. Katup pengangkat. Ring penahan. Pemancar lambat pembantu. Pengambil udara utama. Penahan. Pompa pembalik. Sumbat. Sumbat pompa pemancar. Bola baja.
47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57.
Sekrup. Katup bantu. Ring (cincin). Perapat. Badan karburator. Perapat sekrup pompa pemancar. Sumbar mur. Pengukur permukaan karburator. Perapat permukaan. Kaca permukaan. Klem permukaan.
Fungsi bagian karburator :
a.
Katup gas / cuk. Mengatur jumlah campuran bensin dengan udara yang akan dimasukkan ke dalam ruang bakar. Bentuk lekukan (cekung) pada bagian bawah katup gas yang mengarah pada lubang pemasukan udara saat posisi menutup akan berfungsi sebagai penutup saluran udara.
b.
Jarum penyiram. Berfungsi sebagai pengatur jumlah campuran bensin dengan udara yang mengalir melalui saluran penyiram dari 1/4 sampai dengan 3/4 pembukaan katup.
c.
Penyiram stasioner. Sebagai pengatur jumlah bahan bakar yang digunakan pada waktu putaran rendah.
17
d.
Penyiram utama Berfungsi sebagai pengatur jumlah bahan bakar yang digunakan pada waktu putaran tinggi.
e.
Ruang pelampung. Sebagai tempat menampung sementara bahan bakar yang akan dialirkan ke ruang bakar.
f.
Pelampung. Berfungsi untuk mempertahankan tinggi permukaan bahan bakar didalam ruang pelampung agar selalu tepat.
g.
Sekrup penyetel udara. Berfungsi sebagai pengatur jumlah udara yang akan bercampur dengan bensin.
h.
Sekrup penyetel gas. Berfungsi sebagai pengatur posisi pembukaan katup pada dudukan terendah untuk menentukan putaran stasioner.
i.
Unit Cuk. Berfungsi sebagai penutup saluran udara sementara agar terjadi pencampuran kaya, apabila mesin dihidupkan pada waktu cuaca dalam keadaan dingin. Bagian–bagian dari unit terdiri dari katup masuk dan buang, penghantar katup, pegas katup bagian luar, dan pegas katup bagian dalam. Selain itu, berfungsi untuk mengatur udara yang menuju penyiraman utama dan kedua agar terjadi pencampuran miskin pada kecepatan rendah dan pencampuran kaya pada kecepatan tinggi. Penyiraman udara
18
menyirami katup sebelum ke ruang pembakaran, sedangkan katup buang hanya dilalui oleh gas-gas hasil pembakaran bertemperatur tinggi. Katup masuk pada umumnya dibuat dari baja paduan yang diperkeras. Untuk katup buang bahan yang digunakan harus lebih kuat, terutama terhadap temperatur tinggi dan harus anti karat.
Gambar 2.7. Prinsip kerja karburator (KCDJ 2006)
5.
Busi. Busi adalah komponen yang berfungsi untuk memercikkan bunga api didalam ruang bakar. Percikan bunga api ini dihasilkan dari tegangan tinggi antar elektroda yang dibangkitkan oleh ignition coil. Temperatur didalam ruang bakar dapat mencapai 2500 derajat Celcius dan tekanannya mencapai 50 kg/cm2. Tekanan serta temperatur yang sangat tinggi tersebut harus mampu ditahan oleh busi. Pada intinya, konstruksi busi terdiri dari insulator dan elektroda. Elektroda biasanya terbuat dari logam yang dilapis dengan
19
nikel, krom, mangan, silikon dan lain-lain agar mampu menahan kondisi ekstrim sedangkan insulatornya berbahan dasar aluminia. Berdasarkan kemampuan memindahkan panas, busi dibagi dalam dua tipe yaitu : a.
Panas. Busi tipe panas adalah busi yang lebih lambat untuk memindahkan panas yang diterima. Cepat mencapai temperatur kerja yang optimal, namun jika untuk pemakaian yang berat bisa terbakar. Biasa digunakan pada motor-motor standar untuk penggunaan jarak dekat.
b. Dingin. Busi tipe dingin lebih mudah memindahkan panas ke bagian head cylinder. Biasanya digunakan untuk penggunaan yang lebih berat misalnya untuk balap atau pemakaian jarak jauh karena sifatnya yang mudah dalam pendinginan.
Gambar 2.8. Penampang busi (NGK 1974)
20
2.2.
Mesin Bensin Dua Langkah (2 Tak).
2.2.1.
Prinsip Kerja.
Mesin bensin dua langkah melengkapi siklusnya dalam dua gerakan torak ( TMB – TMA – TMB ) atau dalam satu putaran poros engkol. Langkah buang dan langkah hisap terjadi pada saat torak berada di sekitar TMB. Lubang hisap dan lubang buang pada dinding silinder dibuka dan ditutup oleh torak itu sendiri. Beberapa motor bakar torak mempergunakan katup buang yang terletak di kepala silinder atau lubang buang pada dinding silinder yang dibuka dan ditutup oleh katup geser. Proses pemasukan udara atau campuran bahan bakar – udara ke dalam silinder tidak dilakukan oleh gerakan hisap dari torak seperti pada motor empat langkah, melainkan oleh pompa pembilas. Pembilasan ialah proses pembersihan silinder dari gas buang dan pengisian silinder dengan udara atau campuran bahan bakar – udara segar. Motor 2 langkah bekerja dengan siklus dua kali jumlah siklus motor 4 langkah, untuk putaran yang sama. Karena itu pada putaran poros dan ukuran serta jumlah silinder yang sama, motor 2 langkah dapat menghasilkan daya dua kali daya motor 4 langkah dengan tekanan efektif rata-rata yang sama.
21
2.2.1.1. Proses Di Atas Torak.
a.
Langkah menuju TMB (langkah usaha dan langkah buang). buang) Pada saat torak mencapai TMA, terjadilah percikan api pada busi dan pembakaran pembakaran dalam ruang bakar sehingga terjadi tekanan tinggi. Tekanan ini mendorong torak ke bawah dan memutar poros engkol.
Torak
terus
bergerak
ke
bawah
sejalan
dengan
mengembangnya campuran bahan bakar yang terbakar. Langkah usaha ini berakhir setelah saluran saluran keluar mulai terbuka. Gas-gas Gas sisa pembakaran keluar dan tekanan dalam silinder dapat dikatakan sama dengan tekanan udara luar. Saat saluran keluar masih terbuka, terbuka maka pintu pembilas terbuka juga oleh torak dalam lanjutan gerakan ke bawah. Campuran bahan bakar - udara baru masuk ke dalam silinder sambil mendorong sisa gas bekas keluar dari silinder melalui saluran buang. Inilah yang disebut pembilasan. Artinya torak mencapai TMB dan siap untuk kembali.
Gambar 2.9. 2.9 Langkah usaha dan buang mesin bensin 2 langkah
22
b. Langkah menuju TMA (langkah kompresi). kompresi) Dari TMB torak kembali bergerak ke atas menuju TMA. Pengisian campuran bahan bakar - udara baru terus berlangsung selama pintu pembilas masih terbuka. Demikian pula pengeluaran gas-gas gas sisa tetap berlangsung sampai pada saat torak menutup saluran pengeluaran. Setelah pintu keluar tertutup, torak mulai melakukan kompresi sampai pada torak mencapai TMA, kemudian disusul dengan terjadinya percikan api pada busi dan pembakaran pada ruang bakar.
Gambar 2.10. 2. . Langkah kompresi mesin bensin 2 langkah
2.2.1.2. Proses Di Bawah Torak.
a.
Langkah menuju TMB (langkah bilas). bilas) Setelah mencapai TMA torak kembali ke bawah. Hingga menutup saluran masuk kemudian memampatkan campuran bahan bakar. Pemampatan ini terus berlangsung sampai torak bagian atas membuka saluran bilas.
23
Jika pintu pembilas ini terbuka, mulailah pengisian dan pembilasan ruang atas torak. Setelah torak mencapai TMB torak kembali ke atas lagi. Karena pembilasan motor ini dilakukan dilakukan dengan perantara alas torak dan bak engkol, maka pembilasan semacam ini disebut pembilasan bak engkol.
Gambar 2.11.. Langkah bilas mesin bensin 2 langkah
Pada motor 2 langkah pemasukan bahan bakar dan pengeluaran gas sisa terjadi pada awal langkah kah kompresi dan akhir langkah usaha. Misalkan silinder telah terisi dengan udara dan torak bergerak dari TMB. Segera sesudah semua saluran tertutup, maka udara mulai dikompresi sehingga tekanannya dan suhunya naik. Kemudian busi memercikkan bunga api. Sehingga Sehingga terjadilah penyalaan dan pembakaran. Pada saat itu torak sudah mulai kembali ke TMA, sehingga mencapai tekanan pembakaran yang maksimum.
24
Torak terus bergerak karena mendapat usaha dari gas yang mengembang. Gaya dorong ini berupa gerak translasi, lalu diubah menjadi gerak rotasi oleh connecting rod yang dihubungkan dengan crank shaft. Beberapa derajat sebelum TMB saluran buang terbuka dan gas sisa mengalir keluar sehingga tekanan dalam silinder turun. Torak masih bergerak menuju TMB hingga membuka pintu pembilas. Udara baru masuk ke dalam silinder sambil mendorong keluar gas sisa pembakaran. Hingga pada TMB torak akan kembali lagi ke TMA dan prosesnya berulang-ulang kembali. b. Langkah menuju TMA (langkah hisap). Pada saat bagian atas torak menutup pintu pembilasan maka ruang engkol tertutup. Torak terus bergerak ke atas, ruang engkol menjadi besar, hingga terjadilah ke-vacum-an didalamnya. Berarti tekanan dalam bak engkol menjadi lebih rendah dari pada tekanan atmosfer. Karena perbedaan tekanan inilah campuran bahan bakar masuk ke dalam bak engkol setelah torak mulai membuka saluran masuk. Pemasukan campuran bahan bakar – udara itu diperolah dengan menempatkan
sebuah
karburator
pada
saluran
berlangsung terus sampai torak mencapai TMA.
masuk
dan
25
Gambar 2.12.. Langkah hisap mesin bensin 2 langkah
2.3.
Converter Kit “BOEMO” System.
2.3.1.
Prinsip Kerja. Kerja
Agar dapat mempergunakan bahan bakar LGV, kendaraan bermotor perlu dilengkapi dengan peralatan tambahan yang disebut converter kit. kit Prinsip kerja dari alat ini adalah mengkonversikan LGV untuk bisa digunakan di kendaraan bermotor. LGV (Liquefied Gas for Vehicle) merupakan me gas cair sehingga untuk bisa masuk ke dalam ruang bakar perlu dikonversikan menjadi gas supaya terjadi pembakaran sempurna. Converter kit sendiri terdiri dari dua jenis sistem dalam mengkonversi LGV supaya bisa digunakan di kendaraan bermotor, antara lain :
26
a.
Standard System. Sistem dimana untuk mengkonversi LGV supaya dapat digunakan pada kendaraan bermotor dengan menggunakan sebuah alat yang disebut mixer sebagai pemasok LGV ke dalam mesin. Dalam sistem standar ini ada 2 jenis pula, yaitu standar untuk sistem karburator, standar untuk sistem injeksi (EFI).
b. Sequential Injection System. Sistem ini adalah pengembangan dari sistem standar dan sistem injeksi ini menggunakan sistem injektor sebagai pemasok LGV, yang diatur dan dijalankan secara komputerisasi yang telah diprogram sebelumnya sesuai spesifikasi kendaraan.
2.3.2.
Komponen.
Komponen-komponen pada converter kit “boemo” sistem telah diklasifikasi berdasarkan sistem yang digunakan dan posisi pemasangan sehingga terdiri dari 3 klasifikasi, yaitu : a.
Komponen Standard System (sistem mixer / pencampur). Komponen sistem standar antara lain : konverter, LGV lock off, petrol lock off (untuk sistem karburator), switch, lamda kontrol (untuk mobil dengan EFI sistem), dan mixer.
27
Switch Konverter Processor
Mixer
LGV Lock Off
Petrol Lock Off
Gambar 2.13. Komponen standard system b. Komponen Sequential Sequential Injection System (Sistem Komputer). K Komponen sistem injeksi sekuensial antara lain : injectors, switch,, ECU , dan Konverter.
Gambar 2.14. 2.1 Komponen sequential injection system
28
c.
Komponen Rear Parts (bagian belakang). belakang) Komponen rear parts terletak pada bagian gian belakang mobil, seperti : tangki t LGV, filler valve, dan LGV service line ine.
Gambar 2.15. Komponen rear parts
2.4.
Bahan Bakar.
2.4.1.
Bahan Bakar Minyak (Bensin). (
Bahan bakar bensin termasuk golongan minyak bumi yang telah dilakukan pemasakan pada temperatur tertentu. Dilihat dari asalnya minyak bumi termasuk sumber tenaga yang tidak dapat diperbaharui. Karena minyak bumi tersebut berasal dari sisa-sisa sisa sisa tumbuhan atau fosil yang telah mati dan tertimbun berjuta-juta berjuta juta tahun lamanya. Di dalam minyak mentah terkandung campuran hidrokarbon, sulfur, oksigen, dan nitrogen. Minyak mentah nantinya dilakukan
29
refining (pemasakan) untuk menghasilkan berbagai produk yang digunakan sebagai energi. Seperti beberapa contoh yang sering dikenal oleh masyarakat umum, yaitu : Premium (oktan 88), Pertamax (oktan 92), dan Pertamax Plus (oktan 95). Adapun sifat-sifat dari bahan bakar minyak antara lain adalah : a. Angka oktan. Adalah suatu angka yang menyatakan kemampuan bahan bakar minyak dalam menahan tekanan kompresi untuk mencegah bensin terbakar sebelum busi menyala (mencegah detonasi) di dalam bensin. Angka oktan mewakili suatu perbandingan antara normal heptana yang memiliki angka oktan 100. Angka oktan diperlukan karena sangat berhubungan dengan kemajuan teknologi permesinan yang punya kecenderungan menaikkan perbandingan kompresi untuk meningkatkan power output, jadi diperlukan bensin dengan angka oktan yang tinggi. b. Kemudahan menguap (Volatility). Volatility menjadi salah satu pertimbangan penting dalam pemilihan bahan bakar karena berkenaan dengan pembentukan campuran antara bahan bakar dan udara di dalam karburator. Mudah tidaknya bahan bakar untuk menguap akan mempengaruhi performa mesin karena volatility menentukan kemudahan starting. Sifat bahan bakar yang berhubungan erat dengan volatility adalah titik nyala (flash point). Titik nyala didefinisikan sebagai temperatur minimal cairan dimana pada temperatur tersebut cairan
30
menghasilkan sejumlah uap yang dapat membentuk campuran dengan udara sehingga mampu terbakar. Titik nyala yang tinggi akan menghambat penguapan dan menyebabkan cold starting yang sulit. c. Spesific Gravity (SG). Adalah suatu angka yang menyatakan perbandingan berat dari bahan bakar minyak pada temperatur tertentu terhadap air pada volume dan temperatur yang sama. Penggunaan berat jenis adalah untuk mengukur berat atau massa minyak bila volumenya diketahui. Bahan bakar minyak umumnya memiliki SG antara 0,69 - 0,96. d. Nilai kalor. Adalah suatu angka yang menyatakan jumlah panas / kalori yang dihasilkan dari proses pembakaran sejumlah tertentu bahan bakar dengan udara. Nilai kalor bahan bakar minyak umumnya antara 10.160 11.000 Kkal/Kg. Nilai kalor berbanding terbalik dengan SG. Pada volume yang sama, semakin besar berat jenis suatu bahan bakar minyak, semakin rendah nilai kalornya. Nilai kalor diperlukan karena dapat digunakan untuk menghitung jumlah konsumsi bahan bakar minyak yang dibutuhkan mesin dalam suatu periode. e. Kandungan belerang. Semua bahan bakar minyak mengandung beleran dalam jumlah yang sangat kecil, walau demikian berhubung belerang ini tak diharapkan karena sifatnya yang merusak, maka pembatasan dari
31
jumlah belerang dalam bahan bakar minyak adalah sangat penting dalam spesifikasi belerang. Hal ini karena selama proses pembakaran, belerang teroksidasi oleh oksigen menjadi dioksida (SO2) dan belerang trioksida (SO3). Oksida belerang ini bila kontak dengan air dapat menjadi bahan yang merusak / korosif terhadap logam-logam yang ada dalam ruang bakar. f. Tekanan uap. Tekanan uap menunjukkan tekanan dimana bahan tersebut akan menguap pada suatu ruang tertutup, pada suatu suhu tertentu. Hal ini penting karena berhubungan dengan : 1. Keamanan transportasi. 2. Kantong-kantong uap pada saluran bahan bakar. 3. Kemampuan untuk mudah dinyalakan pada motor. Tekanan uap biasanya diukur pada 100°F untuk bahan bakar minyak yang volatil dan tidak kental. g. Titik didih (boiling point). Adalah temperatur dimana bahan tersebut mendidih pada tekanan atmosfer. h. Warna. Warna dari produk minyak bumi menunjukkan derajat proses pemurniannya, selain itu minyak dengan titik didih yang berbeda akan memberi warna yang berbeda.
32
i. Getah / gum. Getah yang terkandung dalam bahan bakar minyak harus diketahui karena deposit getah dapat menyumbat saluran bahan bakar.
2.4.2.
Bahan Bakar Gas (LGV).
LGV merupakan pengembangan dari bahan bakar Liquefied Petroleum Gas (LPG) dengan nilai oktan 98, yaitu dengan mengubah komposisi perbandingan antara kadar Propana (C3) dan Butana (C4) dalam LPG. Peningkatan kadar propana (C3) dalam LGV akan dapat memperbaiki nilai kalor pembakaran bawah (LHV) hingga mencapai 46,4 MJ/Kg, sehingga jika dibandingkan dengan bensin (LHV = ± 42,8 MJ/Kg), LGV akan memberikan energi per satuan berat yang lebih besar. Jika diasumsikan efisiensi thermal yang terjadi tetap, maka daya yang diperoleh akan menjadi lebih tinggi. Atau jika kebutuhan daya sudah tertentu (operasi kendaraan yang identik) maka kebutuhan bahan bakar akan menjadi lebih hemat (dalam satuan massa). Komposisi C3 dalam LGV akan dibuat lebih banyak daripada C4, maka kemungkinan seluruh atom karbon (C) bereaksi habis dengan oksigen akan lebih besar, sehingga kemungkinan akan sangat sedikit terbentuk unsur CO. Disamping itu dengan sedikitnya atom C dan berlebihnya udara dalam bahan bakar (dimana 20% - nya adalah oksigen), maka kemungkinan terbentuknya senyawa HC juga akan berkurang. Dengan demikian dapat dipastikan bahwa LGV akan
33
menghasilkan emisi gas buang CO dan HC yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan bensin (C6+). Secara garis besar LGV memiliki sifat-sifat sebagai berikut : Berat jenis gas LGV lebih besar dari udara, yaitu : - Butana mempunyai berat jenis dua kali berat jenis udara. - Propana mempunyai berat jenis satu setengah kali berat udara. Tidak mempunyai sifat pelumasan terhadap metal. Merupakan Solvent yang baik terhadap karet, sehingga perlu diperhatikan terhadap kemasan atau tabung yang digunakan. Tidak berwarna baik berupa cairan maupun dalam bentuk gas. Tidak berbau. Sehingga untuk kesalamatan, LGV komersial perlu ditambah zat odor, yaitu Ethyl Mercaptane yang berbau menyengat seperti petai. Tidak mengandung racun. Bila menguap di udara bebas akan membentuk lapisan karena kondensasi sehingga adanya aliran gas. Setiap kilo gram LGV cair dapat berubah menjadi kurang lebih 500 liter gas LGV.
2.5.
Unjuk Kerja.
2.5.1.
Performance Mesin.
Performance atau unjuk kerja suatu mesin sangat tergantung pada energi yang dihasilkan dari campuran bahan bakar yang diterima oleh
34
mesin dan efisiensi termal dari mesin tersebut (kemampuan mesin untuk mengubah energi dari campuran bahan bakar menjadi kerja output dari mesin). Dari kondisi diatas menunjukkan ada dua metode umum untuk meningkatkan performance atau unjuk kerja dari suatu mesin, yaitu : 1.
Meningkatkan energi input. Meningkatkan energi input dari bahan bakar ini dapat dilakukan dengan cara memperbesar pasokan bahan bakar dengan udara yang masuk kedalam ruang bakar, menggunakan bahan bakar yang mempunyai nilai kalor yang lebih tinggi atau dengan menambahkan zat adiktif ke dalam bahan bakar sehingga proses pembakaran yang terjadi lebih sempurna.
2. Meningkatkan efisiensi thermal dari mesin (ηth). Efisiensi thermal dari mesin adalah perbandingan antara daya mesin yang dihasilkan dengan energi yang dibangkitkan dari campuran bahan bakar. Meningkatkan efisiensi thermal dari mesin pada mesin otto dapat dilakukan antara lain dengan cara menaikkan kompresi rasio.
2.5.2.
Daya Generator (BHP).
Daya generator adalah ukuran kemampuan suatu motor untuk menghasilkan kerja yang berguna per satuan waktu yang dinyatakan dalam Horse Power (HP) atau Kilowatt (kW).
35
Untuk mengetahui daya generator diperlukan beberapa peralatan laboratorium dibutuhkan dinamometer untuk mengukur momen putar dan tacometer untuk mengukur kecepatan putaran poros engkol kemudian daya poros dihitung dengan persamaan : =
×
Keterangan: BHP (Ne )
=
Daya generator (effektif) mesin (watt)
N
=
Daya mesin (watt)
N
=
V . I . cosϕ
cosϕ
=
0.8
V
=
Tegangan (volt)
I
=
Arus (ampere)
ηg
=
Effisiensi generator (0,88)
ηb
=
Effisiensi belt (0,96)
(nilai ηg dan ηb diambil dari buku arismunandar 2002)
2.5.3.
Torsi (T).
Torsi adalah ukuran kemampuan dari suatu motor untuk memberikan gaya tangensial yang berguna untuk menghasilkan kerja. Torsi biasanya dilambangkan dengan T yang mempunyai satuan lb.ft (British) atau N.m (SI). Prakteknya torsi dari mesin berguna untuk mengatasi
hambatan
sewaktu
kendaraan
terperosok
atau
untuk
36
mempercepat laju kendaraan (melakukan akselerasi). Untuk keperluan pengukuran torsi dan tenaga dari mesin digunakan Water Brake Dynamometer. Cara kerja dari alat ini adalah poros dari rotor dihubungkan dengan poros mesin, rotor tersebut dikopel dengan stator secara elektris, magnetis, hidraulis maupun mekanis (gesekan). Torsi dirumuskan sebagai berikut : =
2×
.
×
× 60 (
)
Keterangan:
2.5.4.
T
=
Torsi ( N.m )
BHP
=
Daya ( watt ) atau ( N.m/detik )
n
=
Kecepatan putaran mesin ( rpm )
Tekanan Efektif Rata-Rata (BMEP).
Tekanan efektif rata-rata pengamat dari motor, (Break Mean Effective Pressure) didefinisikan sebagai tekanan efektif rata-rata teoritis yang bekerja sepanjang volume langkah piston sehingga menghasilkan daya yang besarnya sama dengan daya efektif pengamatan. =
!(
")
.
× 60(
×#× (
Keterangan : %
BMEP
=
Tekanan effektif rata-rata ( &' )
BHP
=
Daya (watt) atau ( N.m/detik )
)×a
)
37
V
=
Volume langkah silinder ( m3 )
a
=
Jumlah siklus tiap putaran ( a = 1 untuk mesin 2 langkah ) ( a = 0.5 untuk mesin 4 langkah )
2.5.5.
z
=
Jumlah silinder
n
=
Kecepatan putaran mesin ( rpm )
Pemakaian Bahan Bakar Spesifik (BSFC).
Pemakaian bahan bakar spesifik adalah suatu pernyataan yang dikonsumsi motor untuk menghasilkan tenaga sebesar 1 kW selama selang waktu satu jam. Jika dalam pengujian di peroleh data penggunaan bahan bakar bakar dengan masa tertentu dalam 1 detik dan tenaga yang dihasilkan sebesar Ne (BHP), maka pemakaian bahan bakar per-jamnya adalah :
()* =
+ ,
-
. × 3600 , 01 ( 2)
.
=
+ , 01 . ( 2)
Keterangan : BSFC +
3
= Konsumsi bahan bakar spesifik
34 .56&
= Laju aliran massa bahan bakar
789:3
3
atau
3
56&
38
+ =
ρ;
-<
(
"=
× !(
"
)
)
=> ;
-<
"
=. ?
<
. @(
A
)
Keterangan : +
2.5.6.
= Laju aliran massa bahan bakar 3
3
789:3
ρ
= Massa jenis bahan bakar
V
= Volume bahan bakar ( m3 )
t
= Waktu konsumsi bahan bakar ( detik )
?
= Kecepatan fluida
A
= Luas penampang media aliran fluida ( m2 )
&B
<
Persamaan Bernoulli.
Persamaan Bernoulli merupakan hukum kekekalan energi. C D
+
F' A
+# =
Keterangan : P
= Tekanan ( Pa )
Z
= Ketinggian ( m ) Karena energi tidak dapat timbul atau hilang begitu saja, H adalah
konstan (dengan mengabaikan kerugian). Persamaan ini dikenal dengan Theorema Bernoulli. Berbagai bentuk tinggi-tekan dapat bervariasi besarnya pada penampang yang berbeda, tetapi dengan mengabaikan kerugian, penjumlahnya selalu sama.
39
Pada laluan aktual, tinggi-tekan tidak tetap konstan disebabkan oleh kerugian turbulensi. Jadi persamaan di atas dapat ditulis sebagai berikut :
?6A ?A + + #6 - = + +# >6 2 > 2 6
Keterangan : Pa
= Tekanan pada kondisi awal ( Pa ) atau
&.789:3 '
3
atau
Pb
= Tekanan pada kondisi akhir ( Pa ) atau
3
&'
&.789:3 '
atau
&'
ρ
= Massa jenis fluida ;
? a2
= Kecepatan fluida pada kondisi awal
? b2
<
= Kecepatan fluida pada kondisi akhir
<
za
= Ketinggian fluida pada kondisi awal ( m )
zb
= Ketinggian fluida pada kondisi akhir ( m )
g
= Percepatan grafitasi
-<
<
"
%
%
=
A
( William S.Janna, Design of Thermal Systems )
Bila luas penampang sebuah pipa membesar secara sedikit demi sedikit, kecepatan akan berkurang. Tinggi-tekan total harus tetap sama, dan karena tinggi-tekan potensial tetap sama, sehingga tinggi-tekan tekanan akan bertambah akibat berkurangnya energi kinetik. Oleh sebab itu kecepatan akan berkurang dan tekanan akan naik.
40
2.5.7.
Persamaan Gas Ideal.
Hukum Boyle menyatakan bahwa tekanan absolute gas ideal pada temperatur yang konstan adalah berbanding terbalik dengan volumenya atau PV = C1 Persamaan dari rumus diatas adalah : !A = !G
G
A
Hukum Charles menyatakan bahwa tekanan absolute gas ideal atau gas sempurna pada volume konstan adalah berbanding langsung dengan temperature absolutenya. Persamaan rumusnya adalah : !G = !A
G A
Hukum Gay Lussac’s menyatakan bahwa pada volume yang tetap, perbandingan tekanan sama dengan perbandingan temperature. G
A
=
G A
Ketiga hubungan ini dapat digabung menjadi satu persamaan gas ideal, yaitu : CH FH IH
=
C' F' I'
atau
.! =
. J.
41
Bila dibagi dengan massa maka persamaan karakteristiknya menjadi : . ! = J.
>=
atau
C
K.I
Keterangan : -<
>
= Massa jenis fluida ;
P
= Tekanan absolut ( Pa )
ɳ
=
V
= Volume ( m3 )
m
= Massa gas ( kg )
R
= Konstanta gas
T
= Temperatur absolut ( K )
"=
1 ; Volume spesifik ; >
"
< -=
. < -. M
Persamaan-persamaan di atas adalah persamaan yang sangat berguna dalam ilmu termodinamika dalam menentukan kondisi gas atau dalam mencari massa suatu volume tertentu bila temperatur dan tekanannya dinyatakan. Gas sempurna atau gas ideal adalah gas yang memenuhi persyaratan persamaan-persamaan di atas. Gas-gas aktual tidak akan mengikuti persamaan-persamaan ini dengan tepat, akan tetapi biasanya kecil dan dapat diabaikan dalam pekerjaan teknik. Harus diingat bahwa persamaan-persamaan itu hanya berlaku untuk gas-gas atau uap, semisal
42
uap air yang dipanaskan lanjut. Bila uap air itu dalam kondisi panas lanjut yang rendah (akibat tekanan dan temperatur yang rendah) adalah lebih baik memakai tabel uap daripada memakai persamaan-persamaan yang diberikan di atas. Persamaan di bawah ini dihasilkan dari hukum gas ideal untuk v1, yaitu : A
G
!G = !A , . , . G
A
Dari persamaan diatas, kondisi 1 diperoleh dari kondisi udara pada inlet kompresor (standar atau aktual), sedangkan pada kondisi 2 diperoleh dari discharge kompresor. Hasil pembagian dari kedua sisi volume terhadap waktu menghasilkan kapasitas, kita mendapatkan persamaan yang diinginkan, seperti : A
G
OG = OA , . , . G
A
Dan jika temperature pada kondisi konstan, menghasilkan : A
OG = OA , . G
Hukum Kontinuitas untuk menentukan kecepatan fuida. Hukum Kontinuitas Setelah tercapai kondisi yang steady berat fluida persatuan waktu adalah sama dengan γAV dimana V adalah kecepatan rata-rata pada penampang tersebut, A luas penampang, dan γ adalah berat per satuan volume. Untuk sembarang penampang a dan b, γa Aa Va = γb Ab Vb untuk
43
setiap penampang, sehingga γAV = konstan, persamaan ini dikenal sebagai persamaan kontinuitas dan sangat penting dalam perhitunganperhitungan aliran fluida. Untuk cairan-cairan seperti ini, γ secara praktis adalah konstan, dan persamaan di atas menjadi, Q = AV dimana Q adalah jumlah fluida yang mengalir per satuan waktu (misalnya feet kubik per detik). Jadi, begitu luasan penampang mengecil, secara perlahan-lahan kecepatan akan bertambah besar, dan sebaliknya seperti pada gambar 2.16. Selama interval waktu tertentu aliran yang melalui volume atur memiliki sejumlah massa yang masuk dan keluar dari volume atur tidak sama, dengan demikian akan terjadi perubahan massa dan volume atur tersebut Berkaitan dengan hal tersebut dapat diformulasikan volume atur untuk kekekalan massa yaitu : 0=
P Q > @ + Q >! @ P RT RS
Asumsi bahwa : Aliran fluida adalah kompresibel Aliran fluida kerjanya adalah steady stead Maka persamaan di atas dapat ditulis sebagai berikut : 0 = URS >! @
Gambar 2.16 Kecepatan aliran fluida
44
2.5.8.
Efisiensi Thermal (ηth).
Effisiensi thermal tergantung dari pada BSFC dan LHV (Q) atau Low Heating Value (nilai kalor karakter bawah, persamaannya yaitu :
9V
=
+ ,
-
WXYZ
.×O ,
WXYZ . -
× 100%
Keterangan : BSFC
=
Konsumsi bahan bakar spesifik
BHP
=
Daya
=
Laju aliran massa bahan bakar
=
Nilai kalor bawah bahan bakar
+ Q (LHV)
2.6.
\]^_8 789:3
atau ( watt ) atau
3
4.789:3 %.&
789:3
3
789:3
\]^_8 3
Grafik Unjuk Kerja.
Dari persamaan unjuk kerja diatas maka akan dilihat suatu karakteristik mesin dalam bentuk grafik unjuk kerja mesin. Grafik 2.1 sampai dengan 2.3 memperlihatkan grafik unjuk kerja mesin dari motor bakar torak tertentu.
45
Grafik 2.1. Hasil pengujian variable speed dengan katup terbuka penuh pada tiga kompresi rasio
Grafik 2.2. Hasil pengujian BHP, Torsi, BMEP terhadap speed pada dua kompresi rasio
46
Grafik 2.3. Konsumsi spesifik pada pengujian constan speed dan variable speed
