BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Motor Bakar Motor bakar adalah adalah salah satu jenis dari mesin kalor, yaitu mesin
yang mengubah energi termal untuk melakukan kerja mekanik atau mengubah energi kimia bahan bakar menjadi energi mekanis. Energi termal tersebut diperoleh dari hasil proses pembakaran bahan bakar di dalam mesin itu sendiri. Cara memperoleh energi termal tersebut dari hasil proses pembakaran bahan bakar di dalam mesin itu sendiri, maka dapat dibagi menjadi 2 bagian dengan kelebihan masing-masing, yaitu: 1. Mesin Pembakaran Luar (External Combustion Engine) Contohnya : a. Steam engine (mesin uap torak), panas pembakaran di dalam ruang bakar akan memanasi air yang kemudian menjadi uap sehingga uap tersebut akan menggerakkan torak. b. Turbin gas dan turbin uap Kelebihannya: 1.
Dapat digunakan bahan bakar berkualitas rendah baik bahan bakar padat, cair maupun gas.
2.
Kapasitas besar, seperti : pusat pembangkit tenaga listrik, pusat pembangkit tenaga uap, dalam hal ini untuk penggerak turbin dan proses produksi.
3.
Pada umumnya tidak terdapat bagian yang bergerak translasi bolakbalik sehingga getaran yang terjadi kecil.
2. Mesin Pembakaran Dalam (Internal Combustion Engine) Contohnya : a. Motor bakar torak : mesin otto dengan penyalaan loncatan bunga api, mesin diesel dengan penyalaan kompresi, mesin wankel dengan gerak torak berputar (rotary). Kelebihannya: 1. Sederhana/simple
2. Bahan bakar lebih irit. 3. Investasi awal lebih kecil. 4. Cocok untuk tenaga penggerak pada kendaraan.
2.1.1. Mesin Diesel Motor diesel adalah jenis khusus dari mesin pembakaran dalam. Karakteristik utama pada mesin diesel yang membedakannya dari motor bakar yang lain terletak pada metode pembakaran bahan bakarnya. Cara kerja mesin diesel ini adalah udara masuk ke dalam ruang bakar mesin diesel dan dikompresi oleh piston yang merapat, jauh lebih tinggi dari rasio kompresi dari mesin otto. Beberapa saat sebelum piston pada posisi Titik Mati Atas (TMA) atau BTDC (Before Top Dead Center), bahan bakar diesel diijeksikan ke ruang bakar dalam tekanan tinggi melalui nosel supaya bercampur dengan udara panas yang bertekanan tinggi. Hasil pencampuran ini menyala dan membakar dengan cepat, ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran mengembang dengan cepat, mendorong piston ke bawah dan menghasilkan tenaga linear. Siklus diesel (ideal) pembakaran tersebut dimisalkan dengan pemasukan panas pada tekanan konstan.
Gambar 2.1 Diagram P-v Mesin Diesel aktual dan ideal
Keterangan Gambar : P = Tekanan (atm) V = Volume Spesifik (m3/kg)
qin = Kalor yang masuk (kJ) qout = Kalor yang dibuang (kJ)
Gambar 2.2 Diagram T-S Mesin Diesel
Keterangan Gambar : T = Temperatur (K) S = Entropi (kJ/kg.K)
qin = Kalor yang masuk (kJ) qout = Kalor yang dibuang (kJ) Keterangan siklus : 1-2 Kompresi Isentropik 2-3 Pemasukan Kalor pada Tekanan Konstan 3-4 Ekspansi Isentropik 4-1 Pengeluaran Kalor pada Tekanan Konstan
Mesin diesel dikategorikan dalam motor bakar torak dan mesin pembakaran dalam (internal combustion engine). Prinsip kerja motor diesel adalah merubah energi kimia menjadi energi mekanis. Energi kimia di dapatkan melalui proses reaksi kimia (pembakaran) dari bahan bakar (solar) dan oksidiser
(udara) di dalam silinder (ruang bakar). Pembakaran pada mesin diesel terjadi karena kenaikan temperatur campuran udara dan bahan bakar akibat kompresi torak hingga mencapai temperatur nyala.
Gambar 2.3 Langkah kerja mesin diesel [12] Proses kerja motor diesel terdiri dari 4 langkah sebagai berikut : a). Langkah Hisap Piston bergerak dari TMA (titik mati atas) ke TMB (titik mati bawah), katup masuk terbuka. Udara murni terhisap masuk ke dalam selinder akibat terjadinya kevakuman dalam ruang silinder karena terjadi pembesaran volume ruang di atas torak (gerak dari TMA ke TMB). b). Langkah Kompresi Poros engkol terus berputar, piston bergerak dari TMB ke TMA, kedua katup tertutup. Udara murni yang terhisap tadi terkompresi dalam ruang bakar. Karena terkompresi suhu dan tekanan udara tersebut naik hingga mencapai 35 atm dengan temperatur 500⁰ - 800⁰ (pada perbandingan kompresi 20 : 1). c). Langkah Usaha Poros engkol masih terus berputar, beberapa derajat sebelum torak mencapai TMA di akhir langkah kompresi, bahan bahar diinjeksikan ke dalam ruang bakar. Karena suhu udara kompresi yang tinggi terjadilah pembakaran yang menghasilkan tekanan eksplosif yang mendorong piston bergerak dari TMA ke
TMB. Kedua katup masih dalam keadaan tertutup. Gaya dorong ke bawah diteruskan oleh batang piston ke poros engkol untuk dirubah menjadi gerak rotasi. Langkah usaha ini berhenti ketika katup buang mulai membuka beberapa derajat sebelum torak mencapai TMB. d). Langkah Buang Poros engkol masih terus berputar, piston bergerak dari TMB ke TMA, katup buang terbuka. Gas sisa hasil pembekaran terdorong keluar dari ruang bakar (ruang silinder di atas torak) menuju udara luar melalui katup buang yang terbuka. Karena gas sisa tersebut masih bertekanan tinggi.
2.1.2. Mesin Otto Mesin menggunakan
otto nyala
adalah busi
sebuah untuk
tipe proses
mesin
pembakaran
pembakaran,
dalam yang
dirancang
untuk
menggunakan bahan bakar gasoline atau yang sejenis. Mesin otto berbeda dengan mesin diesel dalam metode pencampuran bahan bakar dengan udara, dan mesin otto selalu menggunakan penyalaan busi untuk proses pembakaran. Pada mesin diesel, hanya udara yang dikompresikan dalam ruang bakar dan dengan sendirinya udara tersebut terpanaskan, bahan bakar diinjeksikan ke dalam ruang bakar di akhir langkah kompresi untuk bercampur dengan udara yang sangat panas, pada saat kombinasi antara jumlah udara, jumlah bahan bakar, dan temperatur dalam kondisi tepat maka campuran udara dan bakar tersebut akan terbakar dengan sendirinya. Siklus otto (ideal) pembakaran tersebut dimisalkan dengan pemasukan panas pada volume konstan.
2.1.2.1 Siklus Ideal Otto (Siklus Volume Konstan)
Gambar 2.4 Diagram P-v Mesin Otto ideal
Keterangan Gambar : P = Tekanan (atm) V = Volume Spesifik (m3/kg)
qin = Kalor yang masuk (kJ) qout = Kalor yang dibuang (kJ) Agar lebih mudah memahami diagram p-v motor bakar torak, maka dilakukan terlebih dahulu idealisasi. Proses yang terjadi sebenarnya berbeda dengan proses ideal. Beberapa idealisasi pada siklus ideal antara lain : a. Fluida kerja dalam silinder adalah udara, dianggap gas ideal dengan konstanta kalor yang konstan. b. Proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara isentropik. c. Proses pembakaran dianggap sebagai proses pemanasan fluida kerja. d. Pada akhir proses ekspansi, yaitu pada saat torak mencapai titik mati bawah, fluida kerja didinginkan sehingga tekanan dan temperatur turun mencapai tekanan dan temperatur atmosfer. e. Tekanan fluida kerja di dalam silinder selama langkah buang dan langkah hisap adalah konstan dan sama dengan atmosfer.
Proses siklusnya adalah sebagai berikut : a. Proses 0-1 (Langkah Hisap) : Menghisap udara pada tekanan konstan, katup masuk terbuka dan katup buang tertutup, campuran bahan bakar dan udara mengalir ke dalam silinder melalui lubang katup masuk. P0 = P1....................................................................................................(2.1) b. Proses 1-2 (Kompresi Isentropik) : Semua katup tertutup. Campuran bahan bakar dan udara yang berada di dalam silinder tadi ditekan dan dimampatkan oleh torak yang bergerak ke titik mati atas. Akibatnya, tekanan dan suhu dalam silinder naik menjadi P2 dan T2. P1V1 = mmRT1.........................................................................................(2.2) V1 = Vd + Vc............................................................................................(2.3) T2 V1 = T1 V2 P2 V1 = P1 V2
W1− 2 =
r0 =
k −1
T2 = T1 (rc ) k −1
.........................................................(2.4)
k
P2 = P1 (rc ) k ............................................................(2.5)
mm R(T2 − T1 ) (1 − k ) ..............................................................................(2.6)
(Vd + Vc ) Vc
.........................................................................................(2.7)
Dimana : P1 = tekanan pada titik 1 (kPa) P2 = tekanan pada titik 2 (kPa) T1 = tekanan spesifik pada titik 1 (K) T2 = tekanan spesifik pada titik 2 (K) V1 = volume pada titik 1 (m3) V2 = volume pada titik 2 (m3) W1-2 = kerja pada siklus 1-2 (kJ) Mm = massa campuran gas di dalam silinder (kg) rc = rasio kompresi k = Cp/Cr = rasio kalor spesifik
c. Proses 2-3 : Proses penambahan kalor pada volume konstan. Q2−3 = Qin = m f QHV η c = mm C v (T3 − T2 ) ................................................(2.8) P3 T3 = P2 T2
..............................................................................................(2.9)
V2 = V3..................................................................................................(2.10) T3 = Tmaks dan P3 = Pmaks.......................................................................(2.11) Dimana : Cv = panas jenis pada volume konstan (kJ/kg K) P3 = tekanan pada titik 3 (kPa) QHV = kalor yang masuk (kJ) T3
= temperatur pada titik 3 (K)
ɳc
= efisiensi pembakaran
d. Proses 3-4 : Ekspansi Isentropik P4 V3 = P3 V4
k
1 = rc
T4 V3 = T3 V4
k −1
k
............................................................................(2.12)
1 = rc
k −1
........................................................................(2.13)
Kerja ekspansi dari titik 3 ke titik 4 dari siklus Otto juga merupakan proses isentropis, persamaannya ditunjukkan sebagai berikut :
W3− 4 =
mR(T4 − T3 ) (1 − k )
................................................................................(2.14)
Dimana : P4 = tekanan pada titik 4 (kPa) T3= temperatur pada titik 3 (K) T4 = temperatur pada titik 4 (K) W3-4 = kerja pada siklus 3-4 (kJ) V3 = volume pada titik 3 (m3)
V4 = volume pada titik 4 (m3) e. Proses 4-1 : Proses pembuangan kalor pada volume konstan
Q4−1 = Qout = mm C v (T1 − T4 ) ...............................................................(2.15) T3 V4 = T4 V3
k −1
= r k −1
..............................................................................(2.16)
Wnett = W1− 2 + W3− 4 ................................................................................(2.17)
V4 = V1 ..................................................................................................(2.18)
η th =
Wnett Qin
.............................................................................................(2.19) Dimana : Qout = kalor yang dibuang (kJ) T4 = temperatur pada titik 4 (K) Wnett = kerja netto (kJ) ɳ th = efisiensi thermal 2.1.2.2. Siklus Aktual
Gambar 2.5 Diagram Siklus P-v Mesin Otto Aktual Keterangan Gambar : P = Tekanan (atm)
V = Volume Spesifik (m3/kg)
qin = Kalor yang masuk (kJ) qout = Kalor yang dibuang (kJ) Dalam siklus aktual, fluida kerjanya adalah campuran bahan bakar-udara, jadi ada proses pembakaran untuk sumber panas. Pada langkah hisap, tekanannya lebih rendah dibandingkan dengam langkah buang. Proses pembakaran dimulai dari penyalaan busi (ignition) sampai akhir pembakaran. Proses kompresi dan ekspansi tidak adiabatis, karena terdapat kerugian panas yang keluar ruang bakar.
Gambar 2.6 Diagram T-S Mesin Otto
Keterangan Gambar : T = Temperatur (K) S = Entropi (kJ/kg.K)
qin = Kalor yang masuk (kJ) qout = Kalor yang dibuang (kJ) Keterangan siklus : 1-2 Kompresi Isentropik 2-3 Pemasukan Kalor pada Volume Konstan
3-4 Ekspansi Isentropik 4-1 Pengeluaran Kalor pada Volume Konstan Pada mesin otto, pada umumnya udara dan bahan bakar dicampur sebelum masuk ke ruang bakar, sebagian kecil mesin otto modern mengaplikasikan injeksi bahan bakar langsung ke silinder ruang bakar termasuk mesin otto 2 langkah untuk mendapatkan emisi gas buang yang ramah lingkungan. Pencampuran udara dan bahan bakar dilakukan oleh karburator atau sistem injeksi, keduanya mengalami perkembangan dari sistem manual sampai dengan penambahan sensorsensor elektronik. Sistem Injeksi Bahan bakar di motor otto terjadi diluar silinder, tujuannya untuk mencampur udara dengan bahan bakar seproporsional mungkin, hal ini disebut EFI.
2.1.2.3. Mesin Otto 2 Langkah Mesin otto 2 langkah belakangan ini penggunaannya sudah sangat sedikit dikarenakan emisi gas buang yang relatif lebih besar dibandingkan dengan mesin otto 4 langkah. Cara kerja pada mesin otto 2 langkah sangat simpel, hakekatnya mesin motor 2 langkah pada sebuah ruang pembakarannya terjadi dua kali langkah piston. Langkah buang dan langkah isap terjadi pada saat torak berada disekitar TMB. Lubang isap dan lubang buang pada dinding silinder dibuka dan ditutup oleh torak itu sendiri, berikut dijelaskan 2 istilah dalam mesin otto 2 langkah. -Titik Mati Atas (TMA) atau dengan kata lain Upstroke, -Titik Mati Bawah (TMB) atau dengan kata lain Downstroke.
Dibawah ini dijelaskan mengenai detail dari gambar mesin otto 2 langkah, dimana mesin otto 2 langkah ini tidak memiliki klep seperti pada mesin-mesin yang lainnya.
Gambar 2.7 Mesin Otto 2 langkah [10] Berikut ini dijelaskan langkah kerja mesin otto 2 langkah, disini gas buang didesak keluar dari dalam silinder melalui lubang buang oleh udara dan campuran bahan bakar dan udara yang dimasukkan dalam silinder. Sudah barang tentu sebagian udara atau campuran bahan bakar dan udara segar ikut keluar dari dalam silinder bersama-sama dengan gas buang
Gambar 2.8 Langkah kerja mesin Otto 2 langkah [11]
1. Langkah Pertama TMA ke TMB Piston bergerak dari TMA ke TMB maka terjadilah penekanan pada ruang bilas yang berada diruang piston, pada lubang linier terdapat lubang dari inlangkahe dan exhaust. Pada saat piston bergerak melewati lubang exhaust, gas yang ada pada ruang bakar akan keluar melewati lubang exhaust. Sedangkan saat piston melewati lubang inlangkahe maka gas yang berada di ruang bilas yang ikut
terpompa oleh piston akan masuk kedalam ruang bakar, dan saat ini sedang terus berlanjut gas dari sisa pembakaran akan terdorong keluar melalui exhaust. 2. Langkah Kedua dari TMB ke TMA Pada saat piston bergerak dari TMB ke TMA akan melakukan penghisapan campuran bahan bakar, udara, dan oli samping. Setelah piston melewati lubang inlangkahe dan lubang exhaust, maka piston akan melakukan sistem kompresi yang terjadilah tekanan pada ruang bakar. Piston akan terus menekan hingga tepat di posisi TMA, sedangkan campuran bahan bakar dan udara yang sudah dapat tekanan dari piston akan terbakar oleh api yang dihasilkan oleh sebuah busi, setelah itu terjadi pada uang bakar maka akan diteruskan ke langkah tenaga, dan tenaga disalurkan ke bagian transmisi, itu terjadi selama mesin motor hidup.
2.1.2.4 Mesin Otto 4 Langkah Mesin empat langkah adalah mesin pembakaran dalam yang dalam satu siklus pembakaran terjadi empat langkah piston. Empat langkah tersebut meliputi, langkah hisap (pemasukan), kompresi, tenaga dan langkah buang yang secara keseluruhan memerlukan dua putaran poros engkol (crankshaft) per satu siklus pada mesin otto
Gambar 2.9 Mesin Otto 4 langkah [7]
Prinsip kerja motor otto empat langkah adalah sebagai berikut :
1. Langkah Hisap Dalam langkah ini, campuran bahan bakar dan udara di hisap ke dalam ruang bakar, Katup hisap membuka sedangkan katup buang tertutup. Waktu torak bergerak dari titik mati atas (TMA) ke titik mati bawah (TMB), menyebabkan ruang silinder menjadi vakum dan menyebabkan masuknya campuran udara dan bahan bakar ke dalam silinder yang disebabkan adanya tekanan udara luar.
Gambar 2.10 Langkah hisap mesin otto 4 langkah [6]
2. Langkah Kompresi Dalam langkah ini, campuran udara dan bahan bakar dikompresikan. Katup hisap dan katup buang tertutup. Waktu torak naik dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA), campuran yang dihisap tadi dikompresikan. Akibatnya tekanan dan temperaturnya akan naik, sehingga akan mudah terbakar. Saat inilah percikan api dari busi terjadi. Poros engkol berputar satu kali ketika torak mencapai titk mati atas (TMA).
Gambar 2.11 Langkah kompresi mesin Otto 4 langkah [6]
3. Langkah Usaha Dalam langkah ini, mesin menghasilkan tenaga dimana gerak translasi piston diubah menjadi gerak rotasi oleh poros engkol dan selanjutnya akan menggerakkan kendaraan. Saat torak mencapai titik mati atas (TMA) pada saat langkah kompresi, busi memberikan loncatan bunga api pada campuran udara dan bahan bakar yang telah dikompresikan. Dengan adanya pembakaran, kekuatan dari tekanan gas pembakaran yang tinggi mendorong torak ke bawah. Usaha ini yang menjadi tenaga mesin.
Gambar 2.12 Langkah usaha mesin Otto 4 langkah [6]
4. Langkah Buang Dalam langkah ini, gas yang sudah terbakar, akan dibuang ke luar silinder. Katup buang membuka sedangkan katup hisap tertutup.Waktu torak bergerak dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA), mendorong gas bekas keluar dari silinder. Pada saat akhir langkah buang dan awal langkah hisap kedua katup akan membuka sedikit (valve overlap) yang berfungsi sebagai langkah pembilasan (campuran udara dan bahan bakar baru mendorong gas sisa hasil pembakaran). Ketika torak mencapai TMA, akan mulai bergerak lagi untuk persiapan langkah berikutnya, yaitu langkah hisap. Poros engkol telah melakukan 2 putaran penuh dalam satu siklus yang terdiri dari empat langkah yaitu, 1 langkah hisap, 1 langkah kompresi, 1 langkah usaha, 1 langkah buang yang merupakan dasar kerja dari pada mesin empat langkah.
Gambar 2.13 Langkah buang mesin Otto 4 langkah [6]
Proses Kerja adalah keseluruhan langkah yang berurutan untuk terjadinya satu siklus kerja dari motor. Proses kerja ini terjadi berurutan dan berulang-ulang. Piston motor bergerak bolak balik dari titik mati atas (TMA) ke titik mati bawah (TMB) dan dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA) pada langkah selanjutnya.
Pada motor empat langkah, proses kerja motor diselesaikan dalam empat langkah piston. -
Langkah pertama yaitu piston bergerak dari TMA ke TMB, disebut langkah pengisian.
-
Langkah kedua yaitu piston bergerak dari TMB ke TMA disebut langkah kompresi.
-
Langkah ketiga piston bergerak dari TMA ke TMB disebut langkah usaha. Pada langkah usaha ini terjadilah proses pembakaran bahan bakar (campuran udara dan bahan bakar) di dalam silinder motor/ruang pembakaran yang menghasilkan tenaga yang mendorong piston dari TMA ke TMB.
-
Langkah keempat yaitu piston bergerak dari TMB ke TMA disebut langkah pembuangan. Gas hasil pembakaran didorong oleh piston keluar silinder motor. Jadi pada motor empat langkah proses kerja motor untuk menghasilkan satu langkah usaha (yang menghasilkan tenaga) diperlukan empat langkah piston.
Empat langkah piston berarti sama dengan dua kali putaran poros engkol. Pada motor dua langkah proses kerja motornya untuk mendapatkan satu kali langkah usaha hanya diperlukan dua kali langkah piston. Motor dua langkah yang paling sederhana, pintu masuk atau lubang masuk dan lubang buang terlelangkah berhadap-hadapan yaitu berada pada sisi bawah pada dinding silinder motor.
Proses kerjanya adalah sebagai berikut.: -
Piston berada TMB, kedua lubang (masuk dan buang) sama sama terbuka kemudian campuran udara dan bahan bakar dimasukkan kedalam silinder melalui lubang masuk.
-
Gerakan piston dari TMB ke TMA, maka lubang masuk akan tertutup dan tertutup pula lubang buang, maka terjadilah langkah kompresi. Pada akhir langkah kompresi ini terjadilah pembakaran gas bahan bakar. Dengan terjadinya pembakaran gas bahan bakar maka dihasilkan tenaga pembakaran yang mendorong piston ke bawah dari TMA ke TMB.
-
Langkah usaha terakhir terjadilah pembuangan gas bekas begitu terbuka lubang buang. Sesudah itu terbuka pula lubang masuk sehingga terjadi pemasukkan gas baru sekaligus mendorong mendorong gas bekas keluar melalui lubang buang.
Dengan demikian pada motor dua langkah proses motor untuk menghasilkan satu kali langkah usaha/pembakaran gas dalam silinder, hanya diperlukan dua langkah piston. Dilihat dari putaran poros engkolnya diperlukan satu kali putaran poros engkol.
2.1.3. MesinWankel Mesin wankel yang juga disebut dengan mesin rotari adalah mesin pembakaran dalam yang digerakan oleh tekanan yang dihasilkan dari pembakaran dan diubah menjadi gerakan berputar pada rotor yang selanjutnya akan menggerakan poros. Mesin ini ditemukan oleh insinyur Jerman Felix Wankel. Ia mendapatkan paten untuk mesin tersebut tahun 1929. Pada tahun 1950, ia memulai
penelitiannya di NSU Motorwenke AG dan tahun 1957 ia membuat prototypenya. NSU kemudian melisensikan konsepnya kepada beberapa manufaktur di seluruh dunia untuk diperbaiki konsepnya. Mesin wankel sering dipakai untuk berbagai kendaraan dan peralatan seperti mobil, sepeda motor, pesawat terbang, go-kart, speed boat, snowmobile, pembangkit listrik, mesin pabrik industri dan lain-lain, namun belakangan ini penggunaan mesin ini semakin jarang diakibatkan emisi gas buang yang relatif lebih tinggi dari mesin-mesin lainnya dan borosnya pemakain bahan bakar.
Gambar 2.14 Mesin Wankel [8] Prinsip kerja dari mesin wankel sama saja dengan mesin 4-langkah konvensional. Pertama-tama, campuran bahan bakar dan udara masuk ke dalam ruang silinder karena hisapan dari perputaran rotor. Lalu, campuran bahan bakar dan udara dibawa ke sisi yang lain dan termampatkan oleh pergerakan rotor. Langkah selanjutnya, busi menyemburkan api yang membakar campuran bahan bakar dan menyebabkan peningkatan tekanan gas serta meningkatkan perputaran rotor dan sumbu eksentrik. Kemudian, saat rotor bergerak ke sisi yang lain untuk memulai siklus yang baru, sisa pembakaran keluar melalui saluran gas buang. Perbedaan mesin Wankel dengan mesin 4-langkah konvensional adalah mesin Wankel tidak perlu mengubah energi gerak piston yang naik turun menjadi energi putar sehingga lebih efisien. Keunggulan yang dimiliki mesin wankel antara lain bobotnya yang ringan dan desainnya yang simpel karena menggunakan suku cadang yang lebih sedikit
dibandingkan dengan mesin 4-langkah konvensional. Tenaga yang dihasilkan mesin ini juga lebih besar dibanding dengan mesin konvensional dengan kapasitas yang lebih besar. Kekurangan dari mesin ini adalah boros bahan bakar. Emisi yang dihasilkan mesin ini juga cukup tinggi dan boros oli. Hal ini menyebabkan biaya perawatan untuk mesin Wankel sangat besar dan sering kali mesin wankel hanya dipakai untuk keperluan balapan.
2.1.4
Rasio Kompresi
Kompresi pada mesin merupakan perbandingan tekanan udara berbanding bahan bakar. Dalam pengertian yang lebih luas, rasio kompresi adalah perbandingan volume ruang bakar saat piston di titik mati bawah (TMB) dengan volume ruang bakar saat titik mati atas (TMA). Semakin besar perbandingan rasio kompresi maka pada saat piston berada di titik mati atas (TMA) akan memiliki tekanan dan suhu yang semakin besar pula. Rasio kompresi adalah suatu angka yang menyatakan perbandingan volume antara volume total silinder dengan volume ruang bakar nya. Volume total adalah penjumlahan dari volume silinder dan volume ruang bakar.
Untuk menghitung perbandingan kompresi memakai rumus :
Cr = (V1+V2) / (V1).............................................................................(2.20)
Dimana : Cr = Rasio Kompresi V1 = Volume silinder saat piston pada TMA (cc) V2 = Volume silinder saat piston pada TMB (cc)
2.1. Dinamometer Dinamometer digunakan untuk mengukur torsi pada keseluruhan operasi mesin, dinamometer yang digunakan adalah tipe water brake dynamometer dimana memanfaatkan aliran air secara proporsional dengan beban yang diterapkan untuk menciptakan resistensi terhadap motor.
Gambar 2.14 Water brake dynamometer operation theory [13]
Dinamometer ini terdiri dari sebuah poros yang memegang sebuah rotor dan berputar di dalam casing yang tidak bisa dimasuki air. Di setiap permukaan rotor terdapat sejumlah baling-baling radial yang dipasang pada rotor poros. Ruangan antara baling-baling ini membentuk poket-poket ½ elip, juga pada permukaan casing dilengkapi dengan baling-baling seperti pada rotor. Bila rotor digerakkan, air disemburkan keluar oleh tenaga sentripugal, air yang disemburkan itu ditahan oleh poket-poket casing dan poket-poket casing ini berfungsi untuk mengembalikan air ke rotor, sehingga air terus bolak-balik antara poket rotor dan poket casing. Ini merupakan proses turbulensi yang tinggi yang terus terjadi berulang-ulang. Akibat proses turbulensi maka akan terjadi panas, tetapi panas ini dapat dihilangkan dengan jalan mengatur luapan air yang terus menerus mengisi bagian belakang poket-poket casing dengan sebuah pipa karet yang fleksibel. Poros rotor pada casing bergerak dan berputar di dalam bearing juga dilengkapt dengan penekan anti air (water seal), sedang casing ditumpu pada
trunion bearing yang berbentuk bola besar, (self lining) dan juga pada casing dilekatkan sebuah lengan torsi yang dihubungkan dengan sebuah spring balance. Kedudukan spring balance jarumnya harus menunjuk nol (berarti dinamometer dalam keadaan setimbang) pada waktu berhenti dan pada waktu air mengalir masuk casing tetapi mesin belum bekerja. Kesetimbangan ini dapat dilakukan dengan memberi pada casing suatu beban penyeimbang yang sudah dikalibrasi terlebih dahulu.
2.3. Performansi Motor Bakar Bagian ini membahas tentang performansi mesin pembakaran dalam. Parameter mekanik yang termasuk dalam subbab ini adalah torsi, daya, perbandingan udara bahan bakar, konsumsi bahan bakar spesifik dan effisiensi dari pembakaran di dalam mesin.
2.3.1. Torsi dan Daya Torsi yang dihasilkan suatu mesin dapat diukur dengan menggunakan dinamometer yang dikopel dengan poros output mesin. Oleh karena sifat dinamometer yang bertindak seolah-olah seperti sebuah rem dalam sebuah mesin, maka daya yang dihasilkan poros output ini sering juga disebut dengan brake power. Torsi didefinisikan sebagai gaya yang bekerja pada jarak momen dan memiliki satuan N-m atau lbf-ft.
Daya didefinisikan sebagai usaha dari mesin per satuan waktu.
=
...........................................................................................(2.21)
Dimana :
N = Putaran mesin (rpm)
τ = Torsi (Nm)
2.3.2. Perbandingan Udara Bahan Bakar (AFR) Air-Fuel Ratio adalah parameter yang digunakan untuk mendeskripsikan rasio campuran udara dengan bahan bakar:
...................................................................................(2.22)
........................................................................................(2.23)
...............................................................................................(2.24)
=
.....................................................................................(2.25)
................................................................................................(2.26)
Dimana : Massa udara (kg/siklus) Laju aliran udara ke mesin (kg/sec) Massa bahan bakar (kg/siklus) Laju aliran bahan bakar ke mesin (kg/sec)
= Jumlah silinder = Putaran mesin (rpm) = 2 (rev/sec) untuk 4 langkah dan 1 (rev/sec) untuk 2 langkah
= Tekanan udara masuk silinder (85-90 kPa) = Volume langkah (m3) = Volume sisa (m3) = Konstanta gas ideal (0,287 kJ/kg.K) = Temperatur udara masuk silinder (333 K) = 8 – 11 untuk mesin pengapian busi (Spark Ignition Engine) modern = 12 – 24 untuk mesin pengapian kompresi (Compression Ignition Engine)
2.3.3. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC) Konsumsi bahan bakar spesifik didefinisikan dengan :
........................................................................................(2.27)
Dimana: Konsumsi bahan bakar spesifik / Specific Fuel Consumption (gm/kWh) Laju aliran bahan bakar ke mesin Daya poros (kW)
2.3.4. Efisiensi Mesin Waktu yang diperlukan untuk proses pembakaran suatu siklus mesin sangatlah singkat dan pada umumnya tidak semua bahan bakar habis terbakar oleh oksigen atau bahkan temperatur sekitar tidak mendukung reaksi kimia yang terjadi. Kemungkinan terburuk sebahagian kecil molekul bahan bakar tidak bereaksi dan terbawa ke aliran pembuangan (exhaust). Effisiensi pembakaran menerangkan seberapa banyak bahan bakar yang bereaksi dan terbakar. memiliki nilai yang berkisar dari 0.95 sampai 0.98 ketika mesin bekerja. Untuk satu siklus mesin pada satu silinder, panas yang ditambahkan adalah :
......................................................................................(2.28)
Untuk keadaan steady :
......................................................................................(2.29)
Effisiensi termalnya adalah :
...............................................................(2.30)
Dimana:
Daya poros (kW) massa bahan bakar (kg/siklus) Laju aliran bahan bakar ke ruang bakar (kg/sec) Nilai kalor dari bahan bakar (44400 Kj/kg) = Effisiensi pembakaran (0,95 - 0,98)
2.4. Analisis Ketidakpastian Suatu cara atau metode untuk menaksir ketidakpastian dalam hasil-hasil eksperimen telah dikemukakan oleh Kline dan McClintock. Metode ini didasarkan atas spesifikasi yang teliti ketidakpastian dalam berbagai pengukuran primer eksperimen. Umpamanya, suatu bacaan tekanan tertentu mungkin dinyatakan sebagai: P = 100 kN/m2 ± 1 kN/m2
Bila
tanda
plus
atau
minus
itu
digunakan
untuk
menyatakan
katidakpastian, orang yang membuat penandaan itu sebenarnya menyatakan berapa menurut pendapatnya derajat ketelitian pengukuran yang dilakukannya itu. Perlu dicatat bahwa spesifikasi itu sendiri tidak pasti, karena pelaku eksperimen itu tentunya tidak pasti mengenai ketelitian dalam pengukurannya. Bila instrumen itu baru saja dikalibrasi secara seksama, dengan tingkat presisi yang tinggi, eksperimentalis itu mungkin dapat memberikan tingkat ketidakpastian pengukuran yang lebih baik dari bila pengukuran dilakukan dengan pengukur atau instrumen lain yang riwayat kalibrasinya tidak diketahui. Sebagai cara yang lebih baik dalam memberikan spesifikasi ketidakpastian suatu pengukuran, Kline dan McClintock menyarankan agar pelaku eksperimen menyatakan taruhan (kemungkinan) ketidakpastian itu. Jadi, persamaan diatas tadi dapat ditulis: P = 100 kN/m2 ± 1 kN/m2 ( 20 banding 1)
Dengan kata lain, pelaku eksperimen berani bertaruh dengan kemungkinan 20 banding 1 pengukuran itu akan berada dalam ± 1 kN/m2. Perlu dicatat bahwa
spesifikasi taruhannya itu hanya bisa dilakukan eksperimentalis itu atas dasar pengalaman laboratorium keseluruhan. Umpamakan seperangkat pengukuran dilakukan dimana ketidakpastian masing-masing pengukuran dapat dinyatakan dengan taruhan yang sama. Perangkat pengukuran ini lalu digunakan untuk menghitung hasil eksperimen yang dikehendaki. Kita ingin menaksir ketidakpastian dalam perhitungan atas dasar ketidakpastian dalam pengukuran-pengukuran primer. Hasil R ialah suatu fungsi dari variabel tak tergantung atau (independent) x1, x2, x3,...xn. jadi, R = R (x1, x2, x3,...xn) ...........................................................................(2.31) Umpamakan
WR
ialah
ketidakpastian
dalam
hasil
w1,
w2,...wn
ketidakpastian dalam variabel tak-tergantung itu mempunyai taruhan yang sama, maka ketidakpastian dalam hasil yang mempunyai taruhan itu diberikan rujukan sebagai berikut:
WR =
.......................(2.32)
2.5. Lomba Kendaraan Hemat Energi Untuk menjawab kebutuhan akan kendaraan masa depan yang hemat akan penggunaan energi dan ramah lingkungan maka dewasa ini banyak dilakukan riset dan penelitian termasuk kegiatan – kegiatan yang memancing kaum muda untuk berpartisipasi didalamnya. Ada beberapa perlombaan kendaraan hemat energi yang kita kenal salah satunya adalah Shell Eco-marathon dimana kegiatan ini merupakan reguler tahunan yang menantang tim mahasiswa untuk merancang dan membangun kendaraan yang paling hemat energi untuk bersaing dengan kendaraan tim lain, dimana pemenangnya adalah kendaraan yang dapat bergerak dengan jarak terjauh dengan menggunakan bahan bakar atau energi paling minimal. Para tim akan bersaing dalam dua kategori utama berdasarkan desain mobil mereka :
1.
Kategori Prototype adalah untuk kendaraan berbentuk futuristik yang bertujuan untuk memaksimalkan efisiensi bahan bakar melalui elemen desain yang inovatif.
2.
Kategori Urban Concept adalah untuk desain kendaraan konvensional roda empat yang hemat bahan bakar, sesuai dengan kebutuhan pengemudi saat ini.
Tim mahasiswa dapat memilih salah satu bahan bakar berikut untuk sumber daya kendaraan mereka. Kendaraan-kendaraan dapat menggunakan salah satu bahan bakar berikut atau jenis energi : 1. Shell Unleaded 95 (EU)/Shell Plus 89 (US) Petrol/Gasoline 2. Shell Diesel 3. Liquefied Petroleum Gas (LPG) 4. Shell Gas to Liquids (100% GTL) 5. Fatty Acid Methyl Ester (100% FAME) 6. Ethanol E100 (100% Ethanol) 7. Hydrogen 8. Solar/Energi Surya 9. Plug-In Electricity (Li-on)
Shell Eco-marathon Asia 2012 memiliki jumlah peserta sebanyak 145 tim dari 18 negara di Asia dimana dari Indonesia sendiri diikuti oleh 8 perguruan tinggi yaitu: Universitas Gajah Mada (UGM), Institut Teknologi Bandung (ITB), Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS), Politeknik Negeri Pontianak, Universitas Pendidikan Indonesia, Politeknik Manufaktur Bandung, Politeknik Negeri Jakarta dan Universitas Sumatera Utara (USU). Di Indonesia sendiri untuk pertama kalinya tahun 2012 diadakan Indonesia Energy Marathon Challange dimana kegiatan ini pada dasarnya juga sama dengan konsep Shell Eco-marathon hanya saja peserta kompetisi dari Indonesia dan keragaman sumber energi yang disediakan juga masih sangat minim yaitu pertamax plus, solar dan listrik.
