Teknik Mesin
BAB II LANDASAN TEORI
2.1
Motor Bakar Torak Salah satu jenis penggerak yang banyak dipakai adalah mesin kalor, yaitu mesin yang menggunakan energi thermal untuk melakukan kerja mekanik atau mengubah energi thermal menjadi energi mekanik. Energi itu sendiri dapat diperoleh dengan proses pembakaran, proses bahan bakar nuklir atau proses lain.Ditinjau dari cara memperoleh energi termal ini mesin kalor dibagi menjadi dua golongan yaitu, motor pembakaran luar dan motor pembakaran dalam.
2.1.1 Motor pembakaran luar Motor pembakaran luar (Eksternal Combustion Engine), yaitu proses pembakaran terjadi di ruang bakar yang terpisah dari ruang fluida kerja. Panas yang dihasilkan ditransfer melalui dinding pemisah ke fluida kerja. Gas hasil pembakaran dan fluida kerja merupakan dua fluida yang berbeda.
Tugas Akhir
6
Teknik Mesin Contoh : Mesin nuklir turbin, mesin nuklir, mesin uap dan mesin turbin uap. 2.1.2 Motor pembakaran dalam Motor pembakaran dalam (Internal Combustion Engine), yaitu proses pembakaran terjadi di dalam mesin itu sendiri dan langsung digunakan untuk melakukan kerja mekanik. Gas hasil pembakaran campuran bahan bakar dan udara adalah sekaligus merupakan fluida kerja.
Contoh : Mesin bensin, mesin diesel, mesin gas turbin, mesin roket, mesin jet dan mesin gas.
Motor jenis ini banyak digunakan sebagai sumber tenaga untukmenggerakan kendaraan darat, laut maupun udara. Motor pembakaran dalamjika dilihat dari siklus kerjanya paling banyak digunakan motor 4 langkah karena lebih efisien jika dibandingkan dengan motor 2 langkah.
Prinsip kerja motor pembakaran dalam yaitu menghasilkan tenaga dari pembakaran udara dengan bahan bakar di dalam silinder. Pada saat langkah kompresi campuran udara dengan bahan bakardibatasi oleh dindingsilinder dan torak, sehingga walaupun gas itu ingin mengembang tetapi karena ruangannya dibatasimaka menyebabkan suhu dan tekanan di dalam silinder akan naik.
Tugas Akhir
7
Teknik Mesin Padakondisi tersebut bunga api dipercikkan oleh busi sehingga terjadi proses pembakaran.
Pembakaran
udaradan
bahan
bakar
didalam
silinder
akanmenyebabkan panas yang akan mempengaruhi gas yang ada dalam silinder untuk mengembang. Dari pembakaran tersebut terjadi tekanan ke dinding silinder dan torak, karena dibuat tetap dan hanya torak yang bisa bergerak maka tekanan hasil pembakaran itu akan mendorong torak dan menghasilkan tenaga gerak. Tenaga gerak inilah yang digunakan untuk menggerakan motor. Gerakan pada piston berupa gerak translasi yangkemudian dirubah menjadi gerak rotasi oleh poros engkol (crankshaft).
2.2
Siklus Motor 4 Langkah Suatu motor bakar disebut motor 4 langkah (four-stroke engine) karena dalam satu proses kerja atau menghasilkan tenagamemerlukan empat kali langkah torak dalam dua kali putaran porosengkol. Empat langkah torak yaitu langkah hisap, langkah kompresi, langkah usaha dan langkah buang.Motor 4 langkah bekerja berdasarkan siklus Otto.
Gambar 2.1 Siklus Mesin 4 langkah (Siklus Otto) Tugas Akhir
8
Teknik Mesin (Ref : Arismundar, penggerak mula motor bakar torak, hal : 31)
Keterangan: a. Langkah hisap (0-1) b. Langkah kompresi (1-2) c. Proses pembakaran (2-3) d. Langkah kerja (3-4) e. Proses pembuangan (4-1) f. langkah buang (1-0)
Pada motor 4 langkah terdapat mekanisme katup yang berfungsi untuk mengatur keluar masuknya fluida pembakaran pada silinder. Siklus 4 langkah terdiri dari:
2.2.1 Langkah Hisap Langkah hisap adalah langkah dimana campuran bahan bakar dan udara dihisap ke dalam silinder. Proses yang terjadi pada langkah hisap adalah posisi katup hisap terbuka sedangkan katupbuang tertutup, torak bergerak dari Titik Mati Atas (TMA) ke Titik Mati Bawah (TMB). Gerakan torak menyebabkan ruang didalam silinder menjadi vakum, sehingga campuran bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder.
Tugas Akhir
9
Teknik Mesin 2.2.2
Langkah Kompresi Langkah kompresi adalah langkah dimana campuran bahan bakar dan udara dikompresikan atau ditekan di dalam silinder. Proses yang terjadi pada langkah hisap adalah posisi kedua katup yaitu katup hisap dan katup buang tertutup, torak bergerak dari Titik Mati Bawah (TMB) menuju ke Titik Mati Atas (TMA). Karena gerakan torak volume ruang bakar mengecil sehingga membuattekanan dan temperatur campuran udara dan bahan bakar di dalam silinder naik. Poros engkol sudah berputar satu kali saat torak mencapai TMA.
2.2.3 Langkah Kerja Langkah kerja adalah langkah dihasilkanya kerja dari energi pembakaran campuran bahan bakar dan udara di dalam silinder. Posisi kedua katup tertutup, beberapa saat sebelum torak mencapai TMA busi memercikan bunga api pada campuran bahan bakar dan udara yang telah dikompresi dan terjadi pembakaran. Terjadinya pembakaran menyebabkan gas didalam silinder mengembang, tekanan dan temperatur naik. Tekanan pembakaran mendorong torak bergerak ke TMB, gerakan inilah yang menjadi tenaga motor.
2.2.4
Langkah Buang Langkah buang adalah langkah dimana gas sisa pembakaran dikeluarkan dari silinder. Katup hisap tertutup dan katup buang terbuka, torak bergerak dari TMB menuju ke TMA, gas sisa hasil
Tugas Akhir
10
Teknik Mesin pembakaran akan terdorong ke luar dari dalam silinder melalui katup buang. Saat torak sudah mencapai TMA poros engkol sudah berputar dua kali.
2.3
Tipe Dan Kelebihan Tiap- tiap Posisi Klep Ada 4 tipe kontruksi klep yang bergerak keatas dan ke bawah (membuka dan menutup) dimana tiap-tiap jenisnya berbeda dalam konstruksi dan fungsinya.
2.3.1 Tipe Side Valve (SV) / Klep Samping Camshaftnya terpasang pada poros engkol dan mendorong keatas untuk menggerakkan klep. klep-klep di tempatkan di sampingpiston dan oleh karena itu, ruang pembakaran dapat lebih besar. ini memungkinkan menghasilkan perbandingan kompresi yang lebih besar dan dapat mengurangi bobot mesin. Tipe ini cocok untuk mesin putaran rendah yang banyak di pakai pada mesin industri.
Tugas Akhir
11
Teknik Mesin
Gambar 2.2 Side Valve / Klep Samping (Ref : www.google.com/coilku.com)
2.3.2
Tipe Over Head Valve (OHV) / Klep Atas Perbedaan dari tipe ini adalah klep berada di atas piston, dan di gerakan oleh rocker arm sehingga ruang kompresi dapat di buat lebih kecil sehingga menghasilkan kompresi yang tinggi, dan menyebabkan tenaga mesin dapat lebih besar. Dilengkapi dengan batang penekan (pushrod) yang panjang serta rocker arm yang menyebabkan jarak camshaft yang jauh dan gerakan balik (recirocating) yang lebih besar, sehingga putaran tinggi, kurang stabil.
Tugas Akhir
12
Teknik Mesin
Gambar 2..3 Over Head Valve (OHV) / klep Atas (Ref : www.google.com/coilku.com)
2.3.3
Tipe Single Over Head Camshaft (SOHC) Batang penekan(pushrod) dapat di tiadakan, sehinggagerakan balik dapat di netralisir. posisi camshaft berada di atas dan di tengah cylinder, dan digerakan oleh rantai penggerak yang langsung memutar camshaft dimana camshaft memutar rocker arm. Komponen yang membuat stabil pada putaran tinggi. Karena hanya menggunakan satu camshaft maka disebut single overhead camshaft engine.
Gambar 2.4 Single Over Head Camshaft (SOHC) / Single Cam klep Atas (Ref : www.google.com/coilku.com)
Tugas Akhir
13
Teknik Mesin 2.3.4
Tipe Double Over Head Camshaft (DOHC) Untuk tipe ini, rocker arm di tiadakan. Klep masuk dan klep buang dioperasikan tersendiri oleh dua buah camshaft Hambatan hanya terdapat di bagian klep di bandingkan dengan tipe SOHC, “valve respon” (pergerakan klep secara spontan) lebih cepat dan akurat. Ada juga beberapa tipe mesin DOHC yang menggunakan rocker arm, untuk mempermudah penyetelan klonggaran klep dan merubah langkah buka klep. Tipe mesin DOHC dapat mengurangi kerugian yang ada pada mesin SOHC, tapi dalam perawatan lebih rumit, berat mesin dan biaya pembuatan lebih tinggi.
Gambar 2.5 Double Over Head Camshaft (DOHC) / Double Cam Klep Atas (Ref : www.google.com/coilku.com)
2.4
Bore Dan Stroke
Istilah Bore dan Stroke sering disebut-sebut jika kita sedang membicarakan tentang mesin motor. Bore adalah dimensi diameter dalam dari Tugas Akhir
14
Teknik Mesin lubang silinder blok (block cylinder) mesin dan satuannya adalah (mm). Stroke adalah dimensi kedalaman silinder blok (block cylinder) mesin atau jarak pergerakan piston dalam satu arah disebut panjang langkah dan satuannya adalah (mm). Jenis mesin dan ciri-cirinya di bagi menjadi 3 yaitu :
Gambar 2.6 Bore Dan Stroke (Ref : www.google.com/coilku.com)
2.4.1
Over Bore
Adalah jenis mesin dengan ciri-ciriBore lebih besar dari panjang
Stroke.Banyak
orang
menyebutnya
sebagai
mesin
OverSquare.Ini artinya mesin berevolusi lebih cepat.Motor dengan mesin seperti ini biasanya akan terasa sekali mudah dibetot untuk mendapatkan rpm yang tinggi. Motor OverBore biasanya banyak ditemukan pada motor-motor balap dimana performancedengan Daya yang sangat diagungkan. Contohnya adalah : Tugas Akhir
15
Teknik Mesin
2.4.2
1.
Ninja 250 R (bore 62.0 mm x stroke 41.2 mm)
2.
Scorpio Z (bore 70 mm x stroke 58 mm)
3.
Thunder 250 (bore 72.0 mm x stroke 61.2 mm)
Over Stroke
Adalah jenis mesin dengan ciri-ciri Bore lebih kecil dari panjang Stroke, atau memiliki Stroke yang panjang. Istilah lain dari mesin jenis ini adalah mesin jenis Under Square. Karakteristik utama motor dengan mesin Over Stroke adalah hentakan Torsi sangat terasa di rpm rendah sampai menengah. Akan tetapi harga yang harus dibayar adalah kecilnya Daya dan Torsi pada rpm tinggi bila dibandingkan motor dengan jenis Over Bore. Contohnya adalah :
2.4.3
1.
Yamaha V-Ixion (bore 57mm × stroke 58.7mm)
2.
Mio (bore 50.0 mm x stroke 57.9 mm)
3.
Vario (bore 50,0 mm x stroke 55,0 mm)
4.
SkyDrive (bore 53.5 mm x stroke 55.2 mm)
Square
Motor berjenis Square memiliki dimensi panjang Bore dan Stroke yang sama panjang atau hampir sama panjang. karakter mesin motor Square adalah Daya dan Torsinya diperoleh hampir merata di Tugas Akhir
16
Teknik Mesin semua rpm. Motor jenis ini nyaman dipakai untuk segala hal.motor dengan jenis mesin Square atau minimal yang hampir square contohnya adalah :
1.
Yamaha Byson (bore 58,0 mm x stroke 57,9 mm)
Rumus (Ref : Heywood, John B., “Internal Combustion Engineering Fundamentals”) dapat kita lihat yaitu :
Vs
d2 s N 4.10 6
Keterangan :
2.5
Vs
= Volume silinder (Lt)
d
= Diameter silinder (mm)
s
= Panjang stroke (mm)
N
= Jumlah silinder
Mekanisme Katup Pada Motor 4 Langkah Mekanisme katup adalah sebuah sistem yang mengatur saat membukanya katup masuk dan menutupnya katup buang sesuai siklus 4 langkah. Saat membuka dan menutupnya katup hisap dan buang diatur oleh poros nok dan dapat digambarkan dengan diagram pembukaan dan penutupan katup.
Tugas Akhir
17
Teknik Mesin Dalam kenyataan saat mulai membukanya katup hisap tidaklah pada saat torak berada tepat di titik mati atas (TMA) melainkan beberapa saat sebelum torak mencapai TMA pada saat langkah buang dan menutup beberapa saat setelah torak mencapai titik mati bawah (TMB) dan akan bergerak ke TMA. Begitu juga dengan katup buang, katup buang sudah mulai dibuka beberapa saat sebelum piston mencapai TMB pada saat akhir langkah kerja dan menutup beberapa saat setelah torak melewati TMA. Hal ini dimaksudkansupaya dapat memaksimalkan fluida pembakaran yang masuk dan keluar silinder.
Membuka dan menutupnya katup diatur oleh poros nok. Saat poros engkol berputar poros nok juga ikut berputar. Poros nok menekan tapet kemudian gerakan menekan tapet diteruskan oleh batang penekan menuju pelatuk. Pelatuk yang ditekan oleh batang penekan akan bergerak menekan batang katup sehingga katup bergerak membuka. Katup akan menutup kembali karena gaya balik dari pegas katup.
Pada umumnya satu cylinder memakai satu klep masuk dan satu klep buang, sedangkan untuk menaikan tenaga mesin, dengan menambah lebar lubang masuk dan lebar lubang buang sebesar mungkin , tapi akan berakibat, nilai muai yang tidak memungkinkan dan juga harus dipikirkan ruang pembakaran yang sempit, dan juga lebar lubang harus sesuai dengan lebar diameter klep.
Tugas Akhir
18
Teknik Mesin Jadi untuk menentukan lebar lubang masuk dan lebar lubang buang maupun besar payung klep memakai rumus (Ref : Graham Bell, Alexander, “fourstroke engine performance tuning”) yaitu :
Va =
inci²
Keterangan :
Va
= Luas klep dalam (inci)
CV
= Volume silinder dalam (cc)
rpm
= letak peak power (hp)
K
= Konstanta, mesin 2 klep 5.900 dan 5400 mesin 4 klep.
GS
= Gas speed (m/detik)
Besarnya tergantung penggunaan mesin dan bentuk ruang bakar. Mesin full race ruang bakar bathab 230-240 m/detik. Jenis pent roof dan hemi 260-280 m/detik dan wedge 240-255 m/detik. Jika mau mencari jari-jari atau setengah diameter klep tinggal menggunakan rumus luas lingkaran.
r
Tugas Akhir
=
inci
19
Teknik Mesin Keterangan :
r
=
Luas lingkaran (inci)
Va
=
Luas klep dalam (inci)
Untuk menentukan lebar diameter klep buang yaitu klep buang lebih kecil. Besarnya 0.80 x diameter klep hisap.
2.6 Camshaft Dalam memodifikasi perlu mengetahui nama-nama bagian dasar dari camshaft, yang dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
Gambar 2.7 Bagian – bagian Dasar Camshaft. (Ref : www.google.com/club4ag.com)
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,
Tugas Akhir
20
Teknik Mesin piston valve clearence, dan camshaft profile. Di bawah ini akan diuraikan satu persatu:
2.6.1
Duration Ini adalah angka derajat dimana katup membuka atau saat dimana katup terangkat dari dudukan katupnya di dalam mesin 4 tak. Derajat durasi camshaftselalu 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. Berikut adalah diagram buka tutup camshaft :
2.6.2
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.
2.6.3
Valve Lift
Tugas Akhir
21
Teknik Mesin 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. 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.
2.6.4
Camshaft Lobe Lif 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 ratioberkisar antara 1,25 : 1 sampai dengan 1,75 : 1. Yang perlu digaris bawahi
Tugas Akhir
22
Teknik Mesin dalam hal ini adalah reliabilitas mekanika mesin tentunya harus diperhatikan.
2.6.5
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
2.6.6
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 secepat-cepatnya dan bertahan beberapa saat pada posisi tinggi angkat penuh dan selanjutnya menutup secepatcepatnya pada durasi camshaft yang telah ditentukan. Hal ini bertujuan untuk memperlancar pemasukan bahan bakr dan udara kedalam silinder sebanyak-banyaknya.
2.6.7
Valve clearance Hal ini berhubungan dengan jarak yang terjadi antara camshaft lobe dan lifter (Roker arm). Jarak ini bervariasi antara camshaft yang
Tugas Akhir
23
Teknik Mesin 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.
2.6.8
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.
2.6.9
Camshaft Profile Profil camshaft merupakan satu hal yang mempunyai peranan penting dalam 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.
2.7
Pembakaran
Tugas Akhir
24
Teknik Mesin 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. Oksigen untuk keperluan pembakaran diperoleh dari udarayang merupakan campuran antara oksigen dan nitrogen, serta beberapa gas lain dengan presentase 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. Pada motor Otto, campuran udara bahan bakar tersebut dinyatakan dalam silinder oleh bunga api listrik dari busi pada akhir langkah kompresi.Pada keadaan normal kita mendapatkan pembakaran teratur dimana selalu terdapat 2 tahapan yaitu bagian yang terbakar dan bagian yang tidak terbakar. Suhu pembakaran berkisar antara 2100oK sampai 2500oK.
Waktu pembakaran yang teratur lamanya kira-kira 3 mili detik (0,003 s) Bahan bakar yang lazim digunakan pada mesin sepeda motor adalah bensin(premium).
Rumus
kimia
dari
bensin
adalah
CnHm,
dengan
perbandingan atom hidrogendan karbon 1.6 < H/C < 2.1. Adapun reaksi pembakaran bahan bakar hidrokarbon secara umum adalah :
CnHm + (n + m) (O2 + 3,773N2) → nCO2 + m/2 H2O + 3,773 (n + m/4) N2
Persamaan reaksi diatas menunjukkan reaksi pembakaran yang sempurna dari 1 mol bahan bakar. Selama proses pembakaran senyawa hidrokarbon terurai menjadi senyawa-senyawa hidrogen dan karbon yang
Tugas Akhir
25
Teknik Mesin masing-masing bereaksi dengan oksigen membentuk CO2 dan H2O.Pada saat proses pembakaran dimana terdapat kelebihan udara, α > 1, gas hasil pembakaran akan mengandung O2, maka reaksi pembakaran diatas akan berubah menjadi:
CnHm + α (n + m)(O2 + 3,773N2) → n CO2 + m/2 H2O + xO2 + 3,773 α ( n + m/4) N2
Dimana : α
= Koefisien kelebihan udara
x
= Jumlah mol pada sisa oksigen = 0,5 (2 α(n + m/4) – (2n + m/2) Untuk komposisi campuran bahan bakar dan udara dimana α < 1, maka
akan terjadi kekurangan O2 untuk proses pembakaran. Sehingga membuat reaksi pembakaran berlangsung tidak sempurna. Akibat kekurangan ini, akan terbentuk gas CO serta terdapat sisa gas H2 dan hidrokarbon HC yang belumsempat terbakar. Reaksi ini dapat dinyatakan dengan persamaan reaksi sebagai berikut :
CnHm + α (O2 + 3,773 N2) → b CO2 + c H2O + dN2 +eCO + fH2 + gHC
Jumlah mol dari masing-masing gas buang tersebut dapat diketahui melalui pengukuran dan analisa gas buang. Nitrogen tidak berperan pada proses pembakaran, namun pada temperatur yang tinggi nitrogen akan bereaksi membentuk senyawa NO. setelah proses pembakaran, NO ini masih
Tugas Akhir
26
Teknik Mesin bereaksi dengan oksigen membentuk NO2, yang merupakan gas berbahaya bagi kesehatan.
2.8
Fenomena Pembakaran Fenomena pembakaran yang terjadi selama proses pembakaran terbagimenjadi dua macam, yaitu pembakaran normal dan pembakaran tidak normal.
2.8.1
Pembakaran Normal Pembakaran ini terjadi bilamana penyalaan campuran udarabahan bakar semata-mata diakibatkan oleh percikan bunga api yang berasal dari busi. Adapun nyala api akan menyebar secara merata dalam ruang bakar dengan kecepatan normal sehingga campuran udara-bahan bakar terbakar pada suatu periode yang sama.
Tekanan gas yang diakibatkan oleh proses ini akan merata (tanpa Fluktuas tekanan) dalam ruang bakar. Pembakaran dimulai sebelum akhir langkah kompresi dan diakhiri sesaat setelah melewati TMA. Suhu dalam ruang bakar akan mencapai kisaran 2100 K-2500 K.
2.8.2 Pembakaran Abnormal Terjadi sebagian campuran bahan bakar mengalami penyalaan sendiri yang biasanya tidak disebabkan oleh percikan bunga api dari busi. Hal ini dikarenakan temperatur campuran bahan bakar udara terlalu tinggi yang salah satunya disebabkan hasil dari langkah
Tugas Akhir
27
Teknik Mesin kompresi, hingga mencapai titik nyalanya, sehingga menyebabkan campuran tersebut akan menyala dengan sendirinya.Ataupun titik panas pada permukaan ruang bakar yang menimbulkan percikan api dengan sendirinya baik sebelum ataupun sesudah penyalaan, peristiwa ini biasa disebut dengan detonasi.
Campuran bahan bakardan udara didalam silinder motor bensin mula-mula terbakar ketika busi mengeluarkan api listrik, yaitu pada saat beberapa derajat engkol sebelum torak mencapai TMA. Kemudian nyala api merambat ke segala arah dengan kecepatan yang sangat tinggi (25-50 m/det), sementara itu campuran dibagian yang terjauh dari busi masih menunggu giliran untuk terbakar. Akan tetapi ada kemungkinan bagian campuran tersebut terakhir, karena terdesak oleh penekanan torak maupun oleh gerakan nyala api pembakaran yang merambat dengan cepat itu, temperaturnya dapat melampaui temperatur penyalaan sendiri sehingga akan terbakar dengan cepat (meledak). Proses terbakar sendiri dari bagian campuran yang terakhir (terjauh dari busi) ini yang dinamai detonasi.
Faktor –faktor yang menyebabkan tingginya temperatur campuran bahan bakar dengan udara, sehingga menimbulkan detonasi adalah sebagai berikut :
a. Nilai Oktan (Oktane Number) dari bahan bakar yang terbakar terlalu rendah.
Tugas Akhir
28
Teknik Mesin Nilai oktan adalah bilangan yang menyatakan pebandingan kandungan isooktana (C8H18) pada campuran antara iso-oktana denagn heptana (C7H14) dalam bahan bakar. Untuk iso-oktana akan bebas dari knocking, sedang heptana mempunyai nilai knocking yang buruk. Semakin tinggi nilai oktan maka akan semakin bagus anti knocking bahan bakar tersebut.
b. waktu pengapian yang terlalu cepat waktu pengapian yang teralu cepat akan menyebabkan sebagian dari bahan bakar belum sempat terbakar seluruhnya. Hingga proses ekspansi sisa bahan bakar tersebut akan termampatkan sampai temperaturnya tinggi menyebabkan timbulnya pembakaran sendiri (Self Ignition).
c. Busi terlalu panas Busi yang terlalu panas akan menyebabkan temperatur disekitarnya tidak merata, sehingga ketika busi menyala akan terdapat daerah-daerah dengan suhu yang akan menyebabkan pembakaran bahan bakar tidak berjalan dengan merata.
d. Temperatur nyala bahan bakar Bahan bakar dengan temperatur nyala yang tinggi akan menyebabkan sulit untuk berdetonasi. Dengan kata lain semakin tinggi temperatur nyala suatu bahan bakar maka akan sulit berdetonasi.
Hal-hal yang dapat mencegah timbulnya detonasi adalah sebagai berikut :
Tugas Akhir
29
Teknik Mesin a. Mengurangi perbandingan kompresi b. Memperlambat saat penyalaan. c. Mengurangi tekanan dan temperatur campuran bahan bakar dan udara yang masuk silinder. d. Menaikkan kecepatan torak (putaran poros engkol), untuk memperoleh arus turbulen pada campuran di dalam silinder yang mempercepat rambatan nyala api. e. Memperkaya (menaikkan perbandingan ) campuran bahan bakar-udara atau mempermiskin (menurunkan perbandingan) bahan bakar-udara dari suatu harga perbandingan campuran yang sangat mudah berdetonasi. f. Mempergunakan bahan bakar dengan bilangan oktana yang lebih tinggi.
Hasil atau produk yang didapat dari reaksi pembakaran dapat dibedakanmenjadi beberapa jenis berdasarkan jenis pembakarannya, yaitu :
1. Pembakaran sempurna (Ideal) Setiap pembakaran sempurna pasti akan menghasilkan karbondioksida dan H2O. reaksi pembakaran sempurna ini hanya dpat berlangsung jika campuran udara-bahan bakar sesuai dengan kebutuhan atau campuran stokiometris ( nilai stokiometris = 14,7) dan cukup waktu untuk pembakaran campuran udarabahan bakar.
2. Pembakaran tidak sempurna Pembakaran tidak sempurna terjadi apabila kebutuhan oksigen untuk pembakaran tidak cukup (afr= udara < 14,7). Produk yang dihasilkan dari
Tugas Akhir
30
Teknik Mesin proses pembakaran ini adalah hidrokarbon yang tidak terbakar (HC), dan apabila sebagian dari hidrokarbon yang terbakar, maka aldehide, ketone, asam karbosiklis dan karbon monoksida akan menjadi polutan dalam gas buang.
3. Pembakaran dengan udara berlebih Pada kondisi temperatur yang tinggi, nitrogen dan oksigen yang terdapat dalam udara pembakaran akan bereaksi dan akan membentuk oksida nitrogen (NO dan NO2) udara > 14,7
2.9
Daya Definisidaridayaadalahlajuperpindahanatauperubahanenergiataubesarenergiper satuanwaktu.Daya yang dibutuhkan untuk membuat mekanisme bergerak daya motor dapat di hitung dengan rumus (Ref : Arismunandar, Wiranto. “Penggerak Mula Motor Bakar”)
P
=
T .n 5252
Dimana : P
= daya motor yang dibutuhkan = HP.0,746 (kW)
T
= torsi (Nm)
n
= putaran (rpm)
5252
= konstanta (jumlah harga yang tidak bisa diubah)
Tugas Akhir
31
Teknik Mesin 2.10
Torsi 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 tak dapat dihitung dengan rumus (Ref : Heywood, John B., “Internal Combustion Engineering Fundamentals”)
T
= 9550 .
P ( Nm) n
Dimana :
T
= Torsi (Nm)
Tugas Akhir
32
Teknik Mesin P
= Daya motor (KW)
n
= Putaran mesin (RPM)
9550 = konstanta (jumlah harga yang tidak bisa diubah)
2.11
Komponen Mesin Motor 4 Langkah Yamaha Jupiter Z 110 cc.
2.11.1 Bak Engkol (Crankcase) crankcase terbuat dari aluminium di campur dengan sedikit campuran logam. Crankcase terdiri dari dua bagian yang dapat di pisahkan kiri dan kanan. berfungsi untuk menutup poros engkol dan tranmisi.
Gambar 2.8 Crankcase
2.11.2 Poros Engkol (Crankshaft) Crankshaft merubah gerakan lurus menjadi gerakan putar, dan waktu yang sama membantu flywheel mengurangi fluktuasi kecepatan poros engkol.
Tugas Akhir
33
Teknik Mesin
Gambar 2.9 Crankshaft
2.11.3 Batang Penghubung(Connecting Rod) Connecting rod terbuat dari baja tuang spesial yang ringan dengan bentuk penampang “I”. Connecting rod yaitu sambungan yang menghubungkan piston dengan poros engkol.
Gambar 2.10 Connecting Rod
2.11.4 Pin Poros Engkol (Crankpin) Sedangkan crankpin terintegrasi dengan connecting rod dan terpasang mengkopel dengan connecting rod dan plain bearing.
Tugas Akhir
34
Teknik Mesin
Gambar 2.11 Crank Pin
2.11.5
Bantalan (Plain Bearing) Plain bearing dapat menopang beban yang berat dengan lapisan oli sebagai penahan permukaan gesek. Pada umumnya metal bearing terbuat dari aluminium alloy.
Gambar 2.12 Plain Bearing
2.11.6 BlokSilinder (Engine Block) Bagian mesin berisi silinder, dibuat dari besi cor atau alumunium. Pada motor pendingin udara permukaan luar dari blok tersebut memiliki sirip-sirippendingin. Tugas Akhir
35
Teknik Mesin
Gambar 2.13 Engine Block
2.11.7 Piston Piston terbuat dari aluminium alloy. Material piston terdiri dari bahan yang bermutu tinggi dan menekankan pada kekuatan. Massa yang berbentuk silindris yang bergerak bolak balik di dalam silinder, meneruskan gaya tekanan di dalam ruang bakar untuk memutar poros engkol.
Gambar 2.14 Piston
2.11.8 Ring Piston
Tugas Akhir
36
Teknik Mesin Cincin metal yang melingkar disekeliling piston dan berbentuk suatu bidang geser yang melawan dinding silinder. Kegunaan ring piston adalah mencegah terjadinya kebocoran kompresi dari ruang bakar dan mencegah oli yang berada di bawah piston memasuki ruang bakar.
Gambar 2.15 Ring Piston
2.11.9 Kepala Silinder(Cylinder Head) Potongan yang menutup ujung silinder, pada umumnya berisi bagian dari volume sisa ruang bakar. Cylinder head merupakan tempat dudukan klep masuk dan klep buang dan juga sebagai tempat ruang bakar. Cylinder haed terbuat dari aluminium, dimana penuntun klep dan dudukan klep terpasang fit dengan proses pemasangan yang sangat sempurna.
Tugas Akhir
37
Teknik Mesin
Gambar 2.16 Cylinder Head
2.11.10 Katup (Valve) Digunakan untuk mengijinkan arus udara ke dalam dan keluar silinder pada saat yang sesuai dengan siklus. Pada nomor 2 dan 4 merupakan katup exhaust dan katup intake. Klep masuk dan klep buang berbentuk cendawan dan di sebut poppet valve klep menerima tekanan dan panas yang sangat tinggi dan selalu bergerak naik turunsehingga perlu kekuatan yang tinggi.
Gambar 2.17 Valve
Tugas Akhir
38
Teknik Mesin 2.11.11
Poros Bubungan (Campshaft) Poros berputar yang digunakan untuk mendorong katup terbuka pada saat yang sesuai pada siklus. Camshaft terbuat dari besi tuang dengan ketahanan aus yang tinggi.
Gambar 2.18 Campshaft
2.11.12
Lengan Pelatuk (Rocker Arm) Rocker arm dipasang pada rocker arm shaft. Bila rocker arm ditekan keatas oleh batang penekan (pushrod), katup akan tertekan dan membuka,
Tugas Akhir
39
Teknik Mesin
Gambar 2.19 Rocker Arm
2.11.13 Pegas Katup (Valve Spring) Pegas yang berfungsi untuk menekan klep agar dapat menutup dengan sempurna. Selain itu juga berfungsi untuk membuka dan menutup klep. Untuk menjamin kestabilan kerja pada putaran tinggi.
Gambar 2.20 Valve Spring 2.11.14
Seal Klep (Valve Steam Seal) Berfungsi untuk menjaga oli tidak berlebihan mengalir, pada bagian ujung penuntun klep terpasang.
Tugas Akhir
40
Teknik Mesin
Gambar 2.21 Valve Steam Seal
2.11.15
Setelan Rantai (Chain Tensioner) Chain tensioner berfungsi menjaga kekencangan rantai. Jika kekencangan rantai berubah ubah, akan berpengaruh pada putaran mesin.
Gambar 2.22 Chain Tensioner
2.11.16
Roda Gigi(Cam Sproket), Rantai (Chain) Cam sprocket adalah roda gigi yang di gerakan oleh crankshaft melalui Chain. Sehingga putaran crankshaft dapat di teruskan ke cam sprocket.
Tugas Akhir
41
Teknik Mesin
Gambar 2.23 Cam Sproket dan Chain
2.11.17
Karet (Chain Guide) Chain guide yang melengkung, karet akan menekan rantai, sehingga rantai mengalami penegangan. Selanjutnya chain guide akan menjaga kekencangan rantai.
Gambar 2.24 Chain Guide
Tugas Akhir
42
