BAB II TINJAUAN LITERATUR
Motor bakar merupakan motor penggerak yang banyak digunakan untuk menggerakan kendaraan-kendaraan bermotor di jalan raya. Motor bakar adalah suatu mesin yang mengubah energi panas menjadi energi gerak/mekanik. Energi panas yang diterima oleh piston akan memutar poros engkol (Crankshaft) yang dihubungkan melalui Batang piston (Connecting Rod). Motor bakar dapat diklasifikasikan menjadi 2 (dua) macam, yaitu : motor pembakaran dalam dan motor pembakaran luar. Apabila energi yang digunakan untuk menggerakkan motor tersebut diperoleh dari hasil pembakaran bahan bakar didalam motor itu sendiri, maka motor tersebut termasuk Motor Pembakaran Dalam (Internal Combustion Engine). Berdasarkan bahan bakarnya, Motor pembakaran Dalam dibagi menjadi 2 (dua) jenis, yaitu : Motor Bensin dan Motor Diesel. Keuntungan dari mesin pembakaran dalam dibandingkan dengan mesin pembakaran luar adalah kontruksinya lebih sederhana, tidak memerlukan fluida kerja yang banyak dan efesiensi totalnya lebih tinggi. Sedangkan mesin pembakaran luar keuntungannya adalah bahan bakar yang digunakan lebih beragam, mulai dari bahan bakar padat sampai bahan-bakar gas, sehingga mesin pembakaran luar banyak dipakai untuk keluaran daya yang besar dengan bahan bakar murah. Pembangkit tenaga listrik banyak menggunakan mesin uap. Untuk kendaraan transportasi mesin uap tidak banyak dipakai dengan pertimbangan kontruksinya yang besar dan memerlukan fluida kerja yang banyak.
17
2.1. Prinsip Kerja Motor Bakar Prinsip kerja motor bakar 4 (empat) langkah, secara sederahana dapat dijelaskan sebagai berikut : campuran udara dan bahan bakar dari karburator dihisap masuk kedalam silinder, lalu dimampatkan oleh gerak naik piston dan ketika piston mencapai 6o sebelum Titik Mati Atas busi mengeluarkan percikkan bunga api sehingga campuran udara dan bahan bakar yang dimampatkan oleh piston tadi meledak dan terbakar habis. Ledakkan tersebut yang akan mendorong piston turun dengan tekanan dan temperatur yang cukup tinggi. Gerakkan piston turun dari TMA ke TMB akibat ledakkan akan memutar poros engkol dan kemudian putaran poros engkol akan dihubungkan ke roda melalui Transmisi, Gardan dan Batang Penggerak Roda. Gas-gas sisa pembakaran akan dibuang kelingkungan melalui exhaust manifold yang kemudian dihubungkan ke knalpot. Penyediaan campuran bahan bakar dan udara pada saat yang tepat sangat diperlukan untuk menjaga agar piston dapat dapat bergerak secara periodik dan melakukan kerja tetap. Motor bakar 4 langkah adalah motor bakar yang dimanfaatkan untuk melakukan suatu kerja, diperlukan 4 langkah gerakan piston dan 2 kali putaran poros engkol. Siklus kerja motor bensin 4 langkah antara lain : 2.1.1. Langkah Hisap (Suction Stroke) Pada langkah ini, piston bergerak dari TMA menuju TMB, katup hisap terbuka sedangkan katup buang tertutup. Akibatnya tekanan pada kepala silinder akan bertambah.
Gambar 2.1. Langkah Hisap Sumber : yogiazismuslim.blogspot.com 18
2.1.2. Langkah Kompresi (Compression Stroke) Setelah melakukan pengisian, piston yang sudah mencapai TMB kembali lagi bergerak menuju TMA, ini memperkecil ruangan diatas piston, sehingga campuran udara dan bahan-bakar menjadi padat, tekanan dan suhunya naik. Tekanannya naik kira-kira tiga kali lipat. Beberapa derajat sebelum piston mencapai TMA terjadi letikan bunga api listrik dari busi yang membakar campuran udara dan bahan-bakar. Sewaktu piston bergerak keatas, katup hisap tertutup dan pada waktu yang sama katup buang juga tertutup. Campuran diruang pembakaran dicompressi sampai TMA, sehingga dengan demikian mudah dinyalakan dan cepat terbakar.
Gambar 2.2. Langkah Kompresi Sumber : yogiazismuslim.blogspot.com
2.1.3. Langkah kerja (Explosion/Power Stroke) Campuran terbakar sangat cepat, proses pembakaran menyebabkan campuran gas akan mengembang dan memuai, dan energi panas yang dihasilkan oleh pembakaran dalam ruang bakar menimbulkan tekanan ke segala arah dan tekanan pembakaran mendorong piston kebawah (TMB), selanjutnya memutar poros engkol melalui connecting rod.
19
Gambar 2.3. Langkah Kerja Sumber : yogiazismuslim.blogspot.com
2.1.4. Langkah Pembuangan (Exhaust Stroke) Sebelum piston bergerak kebawah ke (TMB), katup buang terbuka dan gas sisa pembakaran mengalir keluar. Sewaktu piston mulai naik dari TMB, piston mendorong gas sisa pembakaran yang masih tertinggal keluar melalui katup buang dan saluran buang ke atmosfir. Setelah piston mulai turun dari TMA katup buang tertutup dan campuran mulai mengalir kedalam cylinder.
Gambar 2.4. Langkah Pembuangan Sumber : yogiazismuslim.blogspot.com
20
2.2. Siklus Udara Volume Konstan Siklus ideal volume kostan ini adalah siklus untuk mesin otto. Siklus volume konstan sering disebut dengan siklus ledakan ( explostion cycle) karena secara teoritis proses pembakaran terjadi sangat cepat dan menyebabkan peningkatan tekanan yang tiba-tiba. Penyalaan untuk proses pembakaran dibantu dengan loncatan bunga api. Nikolaus August Otto menggunakan siklus ini untuk membuat mesin sehingga siklus ini sering disebut dengan siklus otto.
Gambar 2.5. Diagram P-v Siklus Otto Sumber : domsavmania.wordpress.com Adapun urutan prosesnya adalah sebagai berikut:
2.2.1. Proses 0 – 1 (Langkah Hisap): Menghisap udara pada tekanan konstan, katup masuk terbuka dan katup buang tertutup. Campuran bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder melalui lubang katup masuk. Po=P1
21
2.2.2. Proses 1 – 2 (Kompresi Isentropik): Semua katup tertutup rapat. Campuran bahan bakar dan udara yang berada didalam silinder ditekan dan dimampatkan oleh torak yang bergerak dari TMB ke TMA. Akibatnya suhu dan tekanan dalam silinder naik menjadi P2 dan T2. 2.2.3. Proses 2 – 3 : Proses penambahan kalor pada volume konstan. Semua katup masih menutup rapat, campuran bahan bakar dan udara yang dimampatkan diberi percikkan bunga api agar terjadi pembakaran.
2.2.4. Proses 3-4 (Ekspansi Isentropik): Kerja ekspansi dari titik 3 ke titik 4 dari siklus Otto juga merupakan proses Isentropik.
2.2.5. Proses 4 – 1 : Proses pembuangan kalor pada volume konstan. Katup buang terbuka dan katup hisap menutup rapat. Gas buang hasil pembakaran dibuang oleh gerakkan piston dari TMB menuju TMA melalui katup buang yang terbuka.
Termodinamika dan Ilmu Termodinamika adalah ilmu terapan yang digunakan dalam beberapa cabang teknik, termasuk rekayasa mekanik dan kimia. Termodinamika adalah studi energi, penggunaan dan transformasi melalui sistem. Biasanya, termodinamika teknik berkaitan dengan perubahan energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Sebagai contoh, mesin otomotif mengkonversi energi kimia (enthalpi) dari bahan bakar menjadi panas, dan kemudian menjadi kerja mekanik yang akhirnya memutar roda.
22
2.3. Komponen-komponen Utama Motor Bakar 2.3.1. Block Cylinder Block Cylinder merupakan komponen utama pada motor bakar, karena pada block cylinder tersebut banyak komponen-komponen lainnya yang akan terpasang, misalnya : Cylinder Head, Crankshaft, Piston, Oil pump, Water pump, etc. Block Cylinder dibuat dari bahan khusus, karena block cylinder harus kuat terhadap panas dan guncangan akibat dari gerak naik-turun piston dan gerak putar dari Crankshaft. Biasanya block cylinder dibuat dari besi tuang, namun ada juga terbuat dari berbagai paduan logam seperti baja dan alumunium yang dimaksudkan untuk memberikan kekuatan dan ketahanan yang besar, tapi bobotnya tetap ringan. Sebagai pendingin, block cylinder diberi water jacket sebagai saluran air pendingin untuk motor bakar.
Gambar 2.6. Block Cylinder Sumber : Foto Pribadi
23
2.3.2. Cylinder Head Cylinder Head merupakan komponen utama yang menunjang kerja motor bakar. Cylinder Head terpasang pada bagian atas Block Cylinder, ia berfungsi sebagai penyedia udara bersih untuk dimasukkan ke ruang bakar dan membuang gas sisa-sisa pembakaran. Pada Cylinder Head terpasang katup yang akan membuka dan menutup saluran udara yang akan masuk ataupun keluar dari ruang bakar. Selain katup, Camshaft juga terpasang pada Cylinder Head, camshaft inilah yang berfungsi untuk menggerakkan katup-katup pada Cylinder Head. Pada bagian ujung depan camshaft terpasang roda gigi Timing yang akan terhubung dengan roda gigi Timing poros engkol bagian depan. Roda gigi Timing inilah yang mengatur kerja katup agar tidak berhantaman dengan piston.
Gambar 2.7. Cylinder Head Sumber : Foto Pribadi
24
2.3.3.
Valve Valve atau katup adalah sebuah pintu untuk masuknya udara bersih ke
ruang bakar dan pintu untuk keluarnya gas sisa-sisa pembakaran. Ada 2 (dua) jenis Valve, yaitu : Intake Valve dan Exhaust Valve. Intake valve berfungsi membuka dan menutup saluran aliran udara bersih yang akan masuk ke ruang bakar, sedangkan Exhaust Valve berfungsi untuk membuka dan menutup saluran gas sisa-sisa pembakaran keluar dari ruang bakar, setelah itu dibuang ke lingkungan melalui knalpot. Pada satu ruang bakar minimal terdapat 2 (dua) Valve, 1 (satu) untuk Intake Valve dan satu lagi untuk Exhaust Valve. Namun, pada tahun 2014 ini banyak mobil yang menggunakan 4 (empat) valve untuk 1 (satu) ruang bakar, 4 (empat) valve tersebut terdiri dari 2 (dua) Intake Valve dan 2 (dua) Exhaust Valve. Hal ini dimaksudkan agar mempermudah masuknya udara bersih ke ruang bakar dan keluarnya gas sisa-sisa pembakaran dari ruang bakar.
Gambar 2.8. Valve Sumber : Foto Pribadi
25
2.3.4.
Camshaft Camshaft berfungsi sebagai pendorong Intake Valve maupun Exhaust
Valve. Pada badan Camshaft terdapat bulatan-bulatan yang disebut “nok”. Oleh karena itu, Camshaft sering juga disebut “poros nok”. Nok inilah yang akan mendorong katup hingga terbuka, kemudian dari katup yang terbuka masuklah udara bersih ke ruang bakar atau keluarlah gas sisa-sisa pembakaran diruang bakar. Pada tahun 2014, sudah banyak mobil yang menggunakan teknologi VVTI (Variable Valve Timing Intellegence). Camshaft adalah komponen yang diberi innovasi untuk melakukan tugas VVTI didalam mekanisme suatu motor bakar yang menggunakan teknologi tersebut. Yang dimaksud VVTI adalah waktu membuka dan menutupnya katup bisa lebih lama atau lebih sebentar sesuai dengan kebutuhan motor bakar pada saat itu.
Gambar 2.9. Camshaft Sumber : Foto Pribadi 26
2.3.5.
Piston Piston adalah sumbat geser yang ada didalam silinder pada block
cylinder. Piston berfungsi sebagai penghisap udara bersih kedalam ruang bakar pada saat langkah hisap, pemampat udara bersih didalam ruang bakar pada saat langkah kompresi, penerima tekanan dan tenaga pada saat langkah usaha/pembakaran dan sebagai pendorong keluar gas sisasisa pembakaran yang terjadi didalam silinder. Piston terhubung dengan Crankshaft melalui Connecting Rod.
Gambar 2.10. Piston Sumber : yogiazismuslim.blogspot.com
Gambar 2.11. Perbedaan bentuk Piston Cavity & Piston Standard Sumber : www.mazda.co.id
27
2.3.6. Piston’s Ring Piston’s
Ring
berfungsi
sebagai
perapat
piston
dengan
silindernya. Umumnya terdapat 3 (tiga) jenis Piston’s Ring pada satu buah piston, yaitu : Compression Ring, Combustion Ring dan Oil Ring. Compression Ring berfungsi menutup rapat celah pada bagian atas piston agar tidak terjadi kebocoran kompresi pada saat langkah kompresi. Combustion Ring berfungsi menutup rapat celah pada bagian atas piston agar tidak terjadi kebocoran pembakaran pada saat langkah usaha. Sedangkan Oil Ring berfungsi menutup rapat celah pada bagian bawah piston agar tidak terjadi kebocoran oli ke ruang bakar pada saat piston bergerak naik-turun.
Gambar 2.12. Piston Ring’s Sumber : yogiazismuslim.blogspot.com
2.3.7. Connecting Rod Connecting Rod berfungsi sebagai penghubung Piston ke Crankshaft dan sebagai pengubah gerakan naik-turun piston didalam Block Cylinder menjadi gerak putar pada Crankshaft. Pada saat langkah usaha, piston akan bergerak dari Titik Mati Atas (TMA) ke Titik Mati Bawah (TMB) karena ledakkan yang terjadi diruang bakar, Sehingga Piston mendorong Connecting Rod kebawah dan Connecting Rod akan memutar Crankshaft.
28
Gambar 2.13. Connecting Rod Sumber : yogiazismuslim.blogspot.com
2.4.
Parameter Pengujian Adapun parameter yang akan diamati adalah : 1. Momen Torsi Momen torsi adalah kekuatan berputar yang disebut rotational force atau angular force yang didefinisikan atas perkalian gaya dan jarak. M1 = F x r ……………………..(2.1) Dimana : M1 = Momen Torsi (Nm) F
= Gaya (N)
r
= Jarak (m)
(BPM.Arends, H.Berenschot “Motor Bensin”,1980)
2. Daya Poros Efektif Daya efektif pada poros yang akan digunakan untuk mengatasi beban kendaraan. Daya poros efektif didapat dari pengukuran Torsi pada poros yang dikalikan dengan kecepatan sudut putarnya. Ne = MT x
Vb …..…….. (2.2)
Dimana : Ne
= Daya Poros Efektif (KW) 29
MT
= Momen Torsi (Nm)
n
= Putaran mesin (rpm)
(BPM.Arends, H.Berenschot “Motor Bensin”,1980)
3. Konsumsi Bahan Bakar Pemakaian bahan bakar didefinisikan sebagai jumlah penggunaan bahan bakar per satuan waktu dalam kg/Jam. Pemakaian bahan bakar dapat dihitung dengan rumus : Mf =
x Pb x
kg/jam …………(2.3)
Dimana : Mf
= Pemakaian bahan bakar (kg/jam)
Vb
= Volume pemakaian bahan bakar (cm3)
Pb
= Massa jenis bahan bakar (0,91667 g/cm3)
tb
= Waktu pemakaian bahan bakar (s)
(BPM.Arends, H.Berenschot “Motor Bensin”,1980)
4. Pemakaian bahan bakar spesifik Pemakaian bahan bakar spesifik didefinisikan sebagai banyaknya bahan bakar yang terpakai per jam untuk menghasilkan setiap KW (KiloWatt) daya mesin, dapat digunakan dengan persamaan sebagai berikut : SFC =
……………(2.4)
Dimana : SFC
= Pemakaian bahan bakar spesifik (kg/jam.KW)
mf
= laju aliran massa bahan bakar (kg/jam)
Ne
= Daya poros (KW)
(BPM.Arends, H.Berenschot “Motor Bensin”,1980)
30
5. Efisiensi Thermal Efisiensi Thermal merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan terhadap jumlah energi bahan bakar yang diperlukan. Dihitung dengan rumus : h
………. …….(2.5)
=
Dimana : h
= Efisiensi thermal
(BPM.Arends, H.Berenschot “Motor Bensin”,1980)
2.5.
Syarat Terjadinya Pembakaran Pembakaran merupakan proses oksidasi cepat bahan bakar disertai dengan
produksi energi panas dan cahaya. Untuk melakukan pembakaran diperlukan 3 (tiga) unsur, yaitu : Ø Bahan bakar Ø Udara Ø Percikan bunga api Tanpa tiga faktor ini maka pembakaran didalam silindertidak akan sempurna. Syarat terjadinya pembakaran yang sempurna pada suatu motor bakar, adalah : Ø Adanya tekanan kompresi udara yang cukup didalam silinder. Ø Campuran bahan bakar dan udara yang sesuai. Ø Percikan bunga api oleh busi sesaat sebelum piston mencapai TMA (Titik Mati Atas). Proses pembakaran yang sempurna adalah proses pembakaran dimana campuran bahan bakar dan udara didalam ruang bakar terbakar habis.
31
2.6.
Tinjauan umum VVT-I (Variable Valve Timing Intellegence) VVT-I adalah teknologi yang cukup canggih dan banyak digunakan pada mobil
bensin saat ini. Teknologi ini berfungsi untuk mengatur waktu lamanya katup membuka dan menutup. Ini dimaksudkan agar volume udara yang masuk kedalam ruang bakar selalu cukup, tidak kekurangan ataupun kelebihan. Cara kerja VVT-I cukup sederhana, untuk menghitung waktu buka-tutup katup (valve timing) yang optimal, ECU (Electronic Control Unit) akan menyesuaikan dengan kecepatan mesin, volume udara masuk, posisi throttle valve dan temperature air pendingin. Agar target valve timing selalu tercapai sensor posisi camshaft dan sensor posisi crankshaft memberikan sinyal kepada ECU sebagai respon koreksi. Jadi, sistem VVT-I akan terus mengoreksi valve timing atau jalur keluar-masuknya bahan bakar dan udara yang disesuaikan dengan pijakan pedal gas dan beban yang ditanggung oleh mesin demi menghasilkan torsi yang optimal di setiap putaran dan beban mesin. VVT-I dapat mengoptimalkan torsi mesin pada setiap kecepatan dan kondisi pengemudian yang membuat konsumsi bahan bakar menjadi lebih efisien dan menurunkan tingkat emisi bahan bakar serendah mungkin. Oleh karena itu, mesin mobil yang menggunakan teknologi ini sanggup menghasilkan tenaga yang cukup besar meskipun kapasitas cc silinder mesinnya kecil.
32
