BAB II TEORI DASAR 2.1. Sejarah Mesin Diesel Mesin diesel pertama kali ditemukan pada tahun 1893 oleh seorang berkebangsaan Jerman bernama Rudolf Diesel. Mesin diesel sering juga disebut sebagai motor dengan penyalaan kompresi atau Compression Ignition Engines ( C.I. Engines ), karena sistem penyalaan didalam silinder motor dengan memanfaatkan keadaan temperature yang tinggi akibat penekanan udara ( dikompresi ). Bahan bakar yang digunakan pada mesin diesel adalah bahan bakar cair dengan tingkat penguapan yang rendah, seperti solar.
Ditinjau dari siklus pembakarannya, mesin diesel dibedakan menjadi dua macam, yaitu mesin empat langkah dan mesin dua langkah. Yang dimaksud dengan mesin empat langkah adalah mesin diesel yang setiap satu siklus pembakaran bahan bakarnya diselesaikan dalam
17
empat langkah atau dua putaran poros engkol. Sedangkan yang dimaksud dengan mesin diesel dua langkah adalah mesin diesel yang setiap satu siklus pembakaran bahan bakarnya diselesaikan dalam dua langkah piston atau satu putaran poros engkol. Langkah – langkah piston pada setiap siklusnya terdiri atas langkah hisap, kompresi, usaha, buang.
2.2. Sistem Pembakaran Pada Mesin Diesel Proses pembakaran pada mesin diesel akan berlangsung pada tekanan tetap ( isobar ). Hal ini berbeda dengan mesin bensin, dimana proses pembakarannya berlangsung pada volume tetap ( isovolume ).
Gambar 2.1 Diagram P-V dari siklus mesin diesel dua langkah ( Ref.Wiranto.Hal 18 )
18
Pada diagram diatas tidak terlihat adanya garis – garis pemasukan dan pengeluaran. Langkah kompresi dimulai setelah lubang bilas dan lubang buang tertutup. Tekanan kompresi mencapai kurang lebih 38 kg/cm2 dan suhunya naik sampai kira – kira 5500 c. Bahan bakar disemprotkan pada langkah kompresi . Bahan bakar akan terbakar karena suhu yang tinggi. Tekanan akibat pembakaran mencapai 40 kg/cm2. Lubang pembuangan akan terbuka pada 200 sebelum TMB, dan lubang bilas terbuka pada 100 menjelang TMB. Udara baru akan masuk ke dalam sambil mendorong gas sisa pembakaran sampai pada titik F, dan piston kembali ke TMA lagi.
19
Gambar 2.2. Diagram P-V dari siklus mesin empat langkah. ( Ref.Wiranto.Hal 19 )
Siklus mesin empat langkah : a–b
Piston bergerak dari TMA ke TMB. Katup masuk membuka, katup buang menutup.
Ruangan diatas piston mengembang, sehingga tekanannya sedikit lebih rendah daripada tekanan udara di luar. Udara murni terhisap masuk ke dalam silinder. b–c
Piston bergerak dari TMB ke TMA. Udara di dalam silinder dimampatkan (
dikompresikan ), sehingga tekanannya naik mencapai kurang lebih 30 kg/cm2. Pada langkah ini katup buang dan katup masuk menutup.
20
c–d
Pada titik c, bahan bakar disemprotkan ke dalam silinder oleh injektor sejauh 10% dari
langkah. Oleh suhu kompresi yang tinggi, bahan bakar tersebut akan terbakar dengan sendirinya, sehingga suhunya akan naik sekitar 12000 C – 16000 C. c–d
Pada proses ini ruangan akan membesar, tetapi tekanan berjalan merata. Kerataan
tekanan akibat pembakaran tersebut dikarenakan penyemprotan bahan bakar berlangsung sampai dengan titik d, tidak sekaligus. d–e
Piston bergerak dari TMA ke TMB ( kedua katup masih tertutup ). Pergerakan piston
sampai ke TMB ini diakibatkan oleh tekanan pembakaran, langkah ini merupakan langkah usaha. e–b
Proses buang pendahuluan terjadi sebelum langkah usaha selesai. Pada saat tekanan gas
kurang dari 2 atm, katup buang akan membuka dan gas sisa pembakaran keluar. b–a
Piston bergerak dari TMB ke TMA. Katup masuk akan menutup, dan katup buang akan
membuka. Gas sisa tersebut akan didorong keluar silinder oleh piston.
21
Gambar 2.3. Diagram P-V mesin diesel empat langkah putaran rendah ( Ref.Wiranto.Hal 20 ) Keterangan : 0 -1
Langkah hisap
1 -2
Pemampatan adibatis
2 -3
Pembakaran pada tekanan tetap
3 – 4 Langkah usaha 4 – 0 Langkah buang
Pada mesin diesel empat langkah putaran tinggi, proses pembakarannya merupakan proses gabungan antara proses volume tetap dan tekanan tetap. Pembakarannya terjadi pada volume tetap yang disusul dengan perubahan tekanan tetap.
22
Gambar 2.4. Diagram P-V mesin diesel empat langkah putaran tinggi. ( Ref.Wiranto.Hal 20) Keterangan : 0 – 1 Langkah hisap 1 – 2 Langkah pemampatan adiabatis 2 – 3 Pembakaran pada volume tetap 3 – 4 Pembakaran pada tekanan tetap 4 – 5 Langkah kerja ( pemuaian adiabatis ) 5 – 0 Langkah pembuangan
V1 : V2
: Perbandingan kompresi
Pa
: Tekanan udara luar 23
2.3. Cara Kerja Mesin Diesel Dua Langkah
Gambar 2.5. Cara kerja mesin diesel dua langkah. ( Ref.Wiranto.Hal 22 )
Keterangan : a. Piston bergerak keatas, dan katup buang membuka. Gas sisa didorong oleh udara baru, dan terjadi pembilasan. Lubang bilas mulai terbuka pada 10% menjelang TMB.
24
b. Piston masih bergerak ke atas. Setelah lubang bilas dan lubang masuk tertutup, dimulai langkah kompresi. Tekanan kompersi tersebut mencapai 40 kg/cm2. c. Bahan bakar disemprotkan ke dalam ruang bakar, dan terjadi pembakaran. Tekanan akibat pembakaran mencapai 40 kg/cm2. d. Piston bergerak turun akibat tenaga hasil pembakaran. Kurang lebih 20% sebelum piston sampai di TMB, katup buang membuka. Proses pembakaran dari a sampai d tersebut berlangsung dalam satu putaran poros engkol.
25
2.4. Cara Kerja Mesin Diesel Empat Langkah
Gambar 2.6. Cara kerja mesin diesel empat langkah. ( Ref.Wiranto. Hal 23 ) Keterangan : a. Katup masuk terbuka dan piston bergerak turun. Udara murni terhisap ke dalam silinder. b. Katup masuk dan katup buang menutup. Piston bergerak naik, udara murni didalam silinder dikompresikan. Tekanan udara menjadi naik dan suhu udara menjadi tinggi. Menjelang akhir langkah kompresi, bahan bakar disemprotkan oleh nozel kedalam silinder. c. Oleh suhu udara yang sangat tinggi, bahan bakar terbakar, sehingga terjadi ledakan. Piston bergerak naik, dan katup buang membuka sedangkan katup hisap masih tertutup. Gas sisa pembakaran didorong piston ke luar melalui saluran buang. 26
d. Karena gaya lamban, piston bergerak naik. Katup buang membuka, dan katup hisap menutup. Gas bekas pembakaran didorong piston keluar melalui saluran buang.
2.5.
Faktor – Faktor Kemampuan Mesin
2.5.1. Volume Silinder Volume silinder ditentukan ketika piston berada pada TMB. Volume silinder pada mesin adalah volume dari isi silinder mesin tersebut. Volume silinder dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut :
V = ( π / 4 ) D2 . L. Z Dimana : V
: Volume silinder (cc )
D
: Diameter Silinder/Bore (cm )
L
: Langkah Piston/Stroke ( cm )
Z
: Jumlah Silinder
TDC : Top Death Center/Titik Mati Atas BDC : Bottom Death Center/Titik Mati Atas
27
Gambar 2.7. Volume silinder. ( Ref.Wiranto.Hal 26 ) Semakin besar volume silindernya, semakin besar tenaga mesin tersebut, karena semakin banyak gas yang dihisap.
2.5.2. Perbandingan Kompresi Perbandingan kompresi pada mesin bensin adalah perbandingan antara volume ruang bakar dan volume silinder. Volume ruang bakar adalah volume ruangan diatas piston pada saat piston berada di TMA. Sedangkan perbandingan kompresi pada mesin diesel adalah
28
perbandingan antara volume pada saat selesainya pembakaran dan volume pada saat dimulainya pembakaran. Perbedaan tersebut disebabkan karena proses yang terjadi pada mesin diesel tidak sama dengan mesin bensin. Tabel 2.1. Tekanan akhir kompresi dan perbandingan kompresi. ( Ref.Wiranto.Hal 24 )
Jenis Mesin/Motor
Tekanan Akhir Kompresi
Perbandingan Kompresi
a.
Motor Gas
6-18 atm
4,5 – 5,5 atm
b.
Motor Gas Dapur Tinggi
12 atm
6,5 atm
c.
Motor Gas Generator
11 – 13 atm
7 atm
d.
Motor Bensin
7 – 10 atm
4,5 – 5,8 atm
e.
Motor Diesel
28 - 35 atm
20 atm
2.5.3. Keseimbangan Panas Pembakaran bahan bakar di dalam silinder menghasilkan panas. Panas tersebut merupakan tenaga, tetapi tidak semua tenaga yang dihasilkan bahan bakar, dapat dimanfaatkan menjadi kerja efektif. Karena ada pendinginan, gas buang dan gesekan mekanis, maka sebagian panas tersebut hilang. Besarnya panas yang hilang tersebut, pada motor diesel tidak sama dengan yang hilang pada motor bensin. Pada mesin diesel, panas yang diubah menjadi kerja efektif adalah 32% - 40%. Panas yang terbawa air pendingin 30% - 33%. Panas yang terbawa gas buang 23% - 32%. Panas yang terbawa karena gesekan 2% - 3%.
29
2.5.4. Daya Indikator Tekanan gas di dalam silinder, selama proses pembakaran, besarnya berubah – ubah. Tekanan gas yang diambil dari harga maksimum dan minimum adalah tekanan rata – rata. Gaya yang mendorong piston adalah besarnya tekanan rata – rata dikalikan dengan luas penampang piston.
F = A . P . ( N ) = A ( m2 ). Pr ( N/m2 ) ( Ref. C.William H.Hal 30 )
Dimana :
F
: Gaya yang menekan piston ( N )
D
: Diameter piston ( m )
Pr
: Tekanan rata – rata ( N/m2)
Usaha kerja terjadi sejauh piston bergerak dari TMA ke TMB :
W = F. L Dimana :
30
W
: Usaha kerja piston ( N.m )
F
: Gaya yang menekan piston ( N )
L
: Panjang langkah piston ( m )
Maka, rumusnya menjadi :
W = ( π/4 ) Dp2 Pr. L ( kg/m ) ( Ref.C.William H.Hal 30 ) Power atau tenaga = W/t, dimana t adalah waktu atau ( detik ). Jika mesin berputar, ( n ), maka rpm berarti n/60 perdetik. Pada mesin empat langkah, setiap dua putaran poros engkol, terjadi satu kali langkah kerja, sehingga pada n putaran permenit, jumlah langkah kerjanya n/2 tiap menitnya, atau 1/2 tiap detiknya. Jadi, rumus tenaga mesin, yaitu : Ni = ( n/60 ) ( π/4 ).D2. Pr. L.Z ( kg cm/detik ) ( Ref.C.William H.Hal 30 )
Untuk I dk = 75 kg m/detik = 7500 kg cm/detik, maka tenaga mesin tiap silindernya dapat dihitung dengan rumus berikut ini : Ni : Ni = ( n/60 ) (π/4 ).D2.Pr. L.Z ( hp) ( Ref. C.William H.Hal 31 ) 100.75
31
Untuk I hp = 0,746 kw, maka tenaga mesin tiap silindernya dapat dihitung dengan rumus berikut ini: Ni =
Ni = ( n/60 ) ( π/4 ). D2 . pr . LZ .0,746 kw ( Ref. C.William H.Hal 31 ) 100.75 Jika a adalah banyaknya pembakaran tiap putaran, maka tenaga indikatornya dapat dihitung sebagai berikut :
Ni0 = a [ ( π/4 ). D2 . pr. L.N.Z ) ] ( Ref.C William H.Hal 31 ) 100.75.6
Harga a ditentukan sebagai berikut : a=
1 untuk mesin dua langkah
a=
2 untuk mesin empat langkah
NI =
Daya indikator
n=
Putaran mesin tiap menit
Z=
Jumlah silinder mesin
32
Daya indikator adalah panas pembakaran bahan bakar di atas piston yang telah dikurangi kerugian - kerugian karena gas buang. Jika daya indikator dikurangi dengan kerugian karena gesekan – gesekan, maka akan dihasilkan daya efektif ( N e ). Besar kecilnya kerugian karena gesekan akan mempengaruhi rendemen mekanik, ( ̦ηm ) =
Ne = NI . ηm
𝑁𝑒 𝑁𝑖
( hp )
Dimana :
Ne
= Daya efektif ( Tenaga yang akan menggerakan poros )
2.5.5. Panas Gas Buang Panas yang terkandung dalam gas buang dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut : Q = G. C ( ΔT )
( Joule )
Dimana : Q
: Banyaknya panas dalam gas buang ( Joule )
G
: Berat gas buang ( kg )
33
C
: Panas jenis gas buang ( Joule/kg0 C )
ΔT
: Selisih suhu antara gas buang dengan udara masuk (0C )
Dari ke dua diagram indikator berikut ini dapat diketahui, bahwa luas diagram indikator mesin diesel lebih besar dibandingkan dengan luas diagram indikator mesin bensin. Hal ini disebabkan, karena pembakaran bahan bakar pada mesin diesel berlangsung lebih lama. Oleh karena itu, momen kopel yang dihasilkan pun menjadi lebih besar.
Gambar 2.8. Diagram indikator mesin bensin. ( Ref.Wiranto.Hal 28 )
34
Gambar 2.9. Diagram indikator mesin diesel. ( Ref.Wiranto.Hal 28 )
2.6. Detonasi Mesin Diesel Detonasi adalah ledakan yang terjadi didalam silinder selama proses pembakaran berlangsung. Pada mesin diesel, detonasi terjadi pada awal pembakaran. Pada grafik diatas ditunjukkan perubahan tekanan akibat detonasi. Garis tekanan ( a ) menunjukkan perubahan jika didalam silinder tidak terjadi pembakaran. Titik I menunjukkan dimulainya pengabutan bahan bakar dalam keadaan normal, dan terjadi garis tekanan ( b ) secara normal juga. Jika bahan bakar yang disemprotkan pada titik ( 1 )
35
tidak langsung terbakar, tetapi baru terbakar pada titik ( 2 ), maka tekanan akan naik secara mendadak tersebut ditunjukkan pada garis ( b ). Detonasi dapat mempercepat terjadinya kerusakan pada komponen motor, seperti keretakan pada blok silinder, piston, batang piston, poros engkol dan bantalan poros. Oleh karena itu, detonasi harus segera diatasi. Cara menghindari detonasi, yaitu : a. Mencampur bahan bakar dengan aethyinitrat/aditive b. Menggunakan bahan bakar yang murni c. Mengurangi pendinginan pada blok silinder d. Menambah tekanan kompresi
36
Gambar 2. 10. Grafik Detonasi Mesin Diesel. ( Ref.Wiranto.Hal 30 )
37
2.7. Ruang Bakar Ruang bakar pada mesin merupakan ruangan yang berada diatas kepala piston ketika piston berada di TMA. Pada ruangan inilah terjadi proses pembakaran. Ruang bakar pada motor diesel dibedakan menjadi dua bagian, yaitu : a. Ruang bakar langsung. b. Ruang bakar tak langsung.
2.7.1. Ruang Bakar Tak Langsung Ruang bakar langsung disebut juga ruang bakar terbuka. Ruang bakar langsung memiliki bentuk paling sederhana. Dikatakan ruang bakar langsung, karena pada ruang bakar ini hanya terdapat satu ruangan yang berfungsi sebagai ruang bakar utama. Ruang bakar model ini banyak digunakan pada mesin diesel berukuran sedang sampai yang besar, dimana mesin bekerja pada putaran rendah dan sedang. Ruang bakar langsung jarang dipakai pada mesin diesel putaran tinggi dan pada mesin diesel yang memiliki putaran yang berubah – ubah, karena perubahan kecepatan dapat mengakibatkan pembakaran yang kurang sempurna.
38
Gambar 2. 11. Penampang beberapa macam ruang bakar langsung ( Ref.Wiranto.Hal 31 ) Keuntungan dari ruang bakar langsung : a. Efisiensi panas lebih tinggi dan pemakaian bahan bakar lebih cermat, karena bentuk ruang bakarnya sederhana. b. Lebih mudah dihidupkan tanpa alat bantu pemanas ( glow ). c. Cocok untuk kendaraan berat. 39
Kerugian dari ruang bakar langsung : a. Peka terhadap kualitas bahan bakar, dan membutuhkan kualitas bahan bakar yang baik. b. Membutuhkan tenaga injeksi yang tinggi. c. Nosel mudah rusak, karena tekanan yang tinggi dapat menyebabkan banyaknya lubang pada nosel tersebut. d. Turbulensi lebih lemah, jadi kurang tepat untuk putaran tinggi.
2.7.2. Ruang Bakar Tak Langsung Jenis – jenis ruang bakar tak langsung diantaranya, yaitu : a. Ruang bakar kamar pusar ( turbulence chamber ). b. Ruang bakar kamar muka ( pre combation chamber ).
2.7.2.1. Ruang Bakar Kamar Pusar Konstruksi ruang bakar pusar sebagaimana terlihat pada gambar 2. 12, terdiri atas dua ruang bakar utama dan ruang bakar pusaran. Bahan bakar dari nosel disemprotkan ke ruang bakar pusar pada saat piston bergerak ke TMA ( langkah kompresi ). Oleh karena gerakan keatas tersebut, udara didalam silinder bergerak ke ruang bakar pusaran yang terbentuk bola. Udara dialirkan melalui saluran yang menghubungkan antara ruang bakar dengan ruang bakar pusaran pada saat piston mencapai TMA. Sebagian saluran ditutup oleh piston, saluran tersebut mengecil, sehingga udara di dalam saluran tersebut, bergerak semakin cepat, akibatnya pembakaran menjadi lebih sempurna oleh aliran gas tersebut. 40
Gambar 2. 12. Beberapa jenis ruang bakar tak langsung ( Ref.Wiranto.Hal 31 )
Keuntungan dari ruang bakar pusaran : a. Putaran mesin dapat lebih tinggi b. Gangguan pada nosel relatif lebih berkurang c. Putaran lebih halus dan dapat bekerja pada berbagai tingkat kecepatan
41
Kerugian – kerugian dari ruang bakar pusaran, yaitu : a. Konstruksi kepala silindernya lebih rumit b. Harus menggunakan pemijar, sehingga tidak efektif untuk ukuran besar c. Pada putaran rendah sering menimbulkan detonasi d. Pemakaian bahan bakar yang cenderung boros
2.7.2.2. Ruang Bakar Kamar Muka Konstruksi ruang bakar kamar muka hampir menyerupai ruang bakar kamar pusaran. Ruang bakar kamar muka terdiri atas dua pusaran, yaitu ruang bakar utama dan ruang bakar kamar muka. Perbedaan kedua model ruang bakar tersebut pada bentuk ruang bakarnya. Bagian ruang kamar muka terbentuk cekung silindris. Nosel ditempatkan pada ujung kamar muka, dan mengarahkan penyemprot bahan bakar ke dalam lubang saluran. Bahan bakar akan terbakar pada ruang bakar kamar muka pada permulaan pembakaran yang kurang sempurna. Tekanan gas pada ruang bakar kamar muka akan naik dengan cepat, gas – gas yang belum terbakar secara sempurna, sebagian akan mengalir ke ruang bakar utama. Pada ruang bakar utama, gas tersebut akan terbakar lagi untuk di sempurnakan lagi proses pembakarannya. Keuntungan – keuntungan dari ruang bakar muka diantaranya : a. Tekanan injeksinya rendah dan perawatannya lebih mudah b. Kemungkinan terjadinya detonasi berkurang
42
Kerugian – kerugian ruang bakar kamar muka diantaranya : a. Konstruksi silinder lebih rumit b. Harus selalu menggunakan alat pemijar ( glow ) c. Pemakaian bahan bakarnya cenderung boros
43
Gambar 2. 13 Gambar ruang bakar kamar muka ( Ref.Wiranto.Hal 33 )
44
