BAB III PERHITUNGAN KINERJA MOTOR BENSIN 4 TAK 1 SILINDER STARKE GX 200 6,5 HP
3.1 PENGERTIAN Perhitungan ulang untuk mengetahui kinerja dari suatu mesin ( Starke 200 CC ), apakah kemampuan kerja dari mesin tersebut masih sesuai dengan kelayakan pemakaian atau perlu diadakan perbaikan serta penggantian komponen-komponen mesin agar dapat dioperasikan maksimal. Perhitungan ulang dari motor bensin Starke GX 200 6.5 HP. Ini meliputi : ¾ Perhitungan Daya ¾ Perhitungan Pemakaian Bahan Bakar ¾ Perhitungan Neraca Panas 3.2
PEROLEHAN DATA
3.2.1 Spesifikasi Mesin •
Type Mesin
: GX 200
•
Jumlah Silinder
: 1 silinder
•
Kapasitas Mesin
: 196 cc
•
Klasifikasi Mesin
: Bensin, 4 langkah
•
Diameter x langkah
: 68 x 54 mm
•
Perbandingan Kompresi
:7
•
Tenaga Maksimum
: 6,5 / 4000 (HP/rpm)
•
Momen maximum
: 1,35 / 2500 kg.m/rp
3.2.2 Data Teoritis •
( )
Temperatur udara luar T o
Dengan memperhitungkan temperature udara sekitar, diambil : T = 30o = 303o K o
•
( )
Tekanan udara luar P o
Tekanan udara luar adalah : P = 1atm o
( )
•
Tekanan gas pada permulaan kompresi P a
•
Harga P {tekanan udara diakhir langkah isap untuk motor 4 lngkah berkisar a antara (0,85 – 0,92) x P atm}. Untuk perhitungan ini diambil : o Pa = 0,90atm ………………………………………………
•
(31)
Kenaikan harga temperature udara di dalam silinder akibat suhu dinding silinder (∆t w ) Harga (∆t w ) berkisar antara 10˚ - 20˚K. Untuk perhitungan diambil :
∆t w = 20o K untuk Tres =1000˚K ………………………… •
(32)
Tekanan dari gas bekas ( yr ) Koefisien gas bekas untuk mesin 4 langkah :0,03-0,04. Untuk perhitungan diambil : yr = 0,04 ……………………………………………………… (33)
•
Tekanan gas pada akhir pembuangan (Pr ) Mesin karburator, P = 1,03 − 1,08atm
r
Diambil : P = 1,08atm ………………………………
r
•
(34)
( )
Temperatur gas buang T r
Mesin karburator, T = 800 − 1000o K diambil : r
T = 800o K = 527o C ……….……………………… r ------------------------------• Koefisien kelebihan udara (α) 1) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .27 2) Mesin lbid, hal. 81 karburator, α = 1,1-1,3 . Diambil : 3) lbid, hal. 29 = 1,1 4) Αlbid, hal.…………………………………………………… 32
•
Faktor koreksi dari diagram (φ) Mesin 4 langkah, φ = 0,95-0,97. Diambil :
(35)
(36)
Φ = 0,95 ……………………………………...…………… •
( m)
Efisiensi mekanis η
Mesin karburator 4 langkah, η
η •
(37)
m
m
= 0,8-0,85. Diambil :
= 0,82 …………………………………………….……
(38)
( z)
Koefisien penggunaan panas hasil pembakaran ξ Motor bensin, ξ = 0,85-0,95. Diambil : z
ξ = 0,85 ……………………………………………………. z
•
(39)
( )
Eksponen politropis ekspansi n 2
Nilai n berkisar antara 1,15-1,3. Untuk perhitungan diambil : 2 n = 1,15 ……………………………………………………… (40) 2 •
Masa jenis bensin =0,73 gr/cm³ = 0,73 kg/lt ………………
(41)
3.3 PERHITUNGAN ¾ Volume Langkah Adalah besarnya ruang bakar yang ditempuh oleh piston selama melakukan langkah kerja. V = 1 .π .D 2 .V …………………………………………….. 4 1
(42)
Dimana : D = Diameter silinder (cm) L = Panjang Langkah piston (cm) 1
(
)
V1 = .π 6,8 × 54 ------------------------------4 5) lbid, hal. 32 6) lbid, hal. 32 cc = 196 7) – 41) – 42) lbid, hal. 52, 22 2
( )
¾ Volume ruang bakar ( V c
Volume ruang bakar adalah volume ruang bakar dari silinder head dan volume dari gasket. V =V +V c csh cg
V adalah volume yang disebabkan ketebalan gasket dengan tebal . cg V = (0,1 cm) cg
1 V = .π .D 2 .L cg 4 cg g
1 V = .π .(6,8)2 .0,1 cg 4 V = 3,629cc cg = adalah volume ruang bakar dari silinder head V csh
V V = 1 + 3,629 csh 7
196 V = + 3,629 csh 7 = 31,629 cc Vc
= 3,629 + 31,629 = 35,258 cc
( )
¾ Temperatur awal kompresi T a
Adalah temperature campuran udara-bahan bakar yang berada dalam saat piston mulai melakukan langkah kompresi.
(
T + ∆t + T .γ w r r T = o a 1+ γ r
)
……………………………..…
(43)
------------------------------Dimana : 43) lbid, hal. 52, 22
T = Temperatur udara luar. o
∆t
γ
r
T r
w
= Kenaikan temperature dalam silinder akibat suhu dinding silinder. = Koefisien gas bekas. = Temperatur gas buang.
(
T + ∆t + T .γ w r r T = o a 1+ γ r
)
T = a
303 + 20 + (800.0,04 ) = 341,346o K 1 + 0,04
Standarisasi dari T berkisar 310-350ºK …………………... a
(44)
¾ Efisiensi pemasukan ( η ) ch Adalah rasio antara jumlah pemasukan udara segar sebenarnya yang dikompresikan didalam silinder mesin yang sedang bekerja dan jumlah yang mana akan sudah diisi didalam volume silinder yang bekerja ( V ) Pada tekanan d dan temperatur udara luar ( P danT ) atau perbandingan antar volume o o campuran udara-bahan bakar pada tekanan dan temperatur sekelilingnya (P dan T) diubah ke P dan T dengan volume langkah. o o
η
=
η
=
ch
η
ch
ch
=
ε
P 1 . a. ε − 1 P Ta o 1+ γ r T o
(
)
…………………………
(45)
7 0,90 1 . . 7 − 1 1 341,346 (1 + 0,04 ) 303 7.0,90.303 1908,9 = = 0,9197 6.1.349,04.1,04 2178,0096
------------------------------¾ Tekanan akhir kompresi ( P ) 43) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combucstion Engine, Hal .29 44) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .31 Tekanan kompresi adalahEngine, tekanan udara-bahan bakar pada 45) N. Petrovsky, Prof.akhir D Sc.Marine Combustion Hal campuran .31
akhir langkah komprtesi.Berdasarkan hasil dari pengukuranbesarnya tkanan kompresi sebesar 10,182 x 105 ( 10,0499) atm
n P = P .ε 1 ……………………..………………………… c a 10,0499 = 0,90 . 7n1 10,0499 0,90
7n1
=
log7n1
= log 11,16655 =
= 11,16655 n1 log7 = 11,16655
(46)
n1
=
log11,16655 log 7
= 1.24
Dimana n1 adalah eksponen polytropik . Dalam proses kerja tidak ada panas masuk ataupun keluar ( adiabatik )
¾ Temperatur akhir kompresi ( T ) c Adalah temperature bahan bakar sebelum pembakaran (pada akhir langkah kompresi).
n −1 T = T .ε 1 …………………..………………………… c a.
(47)
= 349,04 . 7 (1,4-1) = 349,04 . 7 (0,4) = 723,99 ºK Standarisasi T untuk motor bensin berkisar antara 550-750ºK. c
¾ Nilai kalor pembakaran bahan bakar (Q1) Adalah jumlah panas yang mapu dihasilkan dalam pembakaran 1 kg bahan bakar. Pada mesin bensin digunakan bensin ( C H ) sebagai bahan bakar 8 18 Bensin memiliki komposisi sebagai berikut : C = 87%
H = 11%
O = 2%
Untuk bensin (gasoline), besarnya Q1 = 9530 Kkal /kg ……… (48) ------------------------------46) Ibid hal 32 47) lbid, ¾ hal. 35 Kebutuhan udara teoritis ⎛⎜ L'o ⎞⎟ ⎝ ⎠Engine, Hal .43 48) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Dengan jumlah oksigen didalam atmosfer 21% banyaknya udara teorotis yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna dari 1 kg bahan bakar adalah : L'o =
O 2 …………………………...…………… 0,21
(49)
1 ⎡c h o⎤ L′ = + + o 0,21 ⎢⎣12 4 32 ⎥⎦
1 ⎡ 0,87 0,11 0,02 ⎤ 0,099375 L′ = + + = = 0,473mole 0 0,21 ⎢⎣ 12 4 32 ⎥⎦ 0,21 ¾ Jumlah udara teortikal udara dalam satuan berat ( L ) o
L = 28,95 . L kg udara per kg bahan bakar …………… o o
(50)
Dimana 28,95 kg/mol adalah berat moleculer dari udara.
L = 28,95 × 0,473 = 13,69335kg . Udara per kg bahan bakar. o ¾ Jumlah udara sebenarnya (L)
L = α .L ……………………………………………..……… o
(51)
L = 1,1 × 13,69335 = 15,062685kg . Udara per kg bahan bakar. ¾ Koefisien kimia dari perubahan molar setelah pembakaran ( µ o ) Adalah
perubahan
volume
gas
dalam silinder
selama
pembakaran
(perbandingan dari jumlah mol dari pemasukan segar sebelum pembakaran )
µ0 =
Mg Me
……………………………………………………
(52)
Mg
µ0 = ------------------------------α .L 49) N. Petrovsky, Prof.0 D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .32 50) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .37 Dimana 51) lbid, hal. 38 52) lbid, hal. 39
M g = Jumlah mol dari gas setelah pembakaran ( kuwalitas total dari pembakaran gas basah dalam mol per 1 Kg bahan bakar.) M g = M co 2 + M H 20 + M N 2 + M o 2
……………………
Mg =
c h + + α .Lo − 0,21.Lo 12 2
Mg =
0,87 0,11 + + (1,1.0,4) − (0,21.0,473) = 0,54847 mole 12 2
µ0 =
(53)
0,54847 = 1,054 11.0,473
¾ Koeffisien dari perubahan molar ( µ 0 ) Adalah perubahan jumlah sebenarnya dari mol gas setelah pembakaran ( µ 0 )
µ=
µ0 + γ r 1+ γ r
…………………………………
(54)
µ=
1,504 + 0,04 = 1,052 1 + 0,04
¾ Temperatur gas pada akhir pembakaran ( TZ ) Adalah temperature gas hasil pembakaran campuran udara – bahan bakar untuk motor bensin yang memiliki siklus volume tetap T 2 Dapat di cari dengan rumus :
ξ z .O1
α .L0 .(1 + γ r )
+ (mcv ) mix Tc = µ (mcv ) g .Tz
………………
(55)
Dimana ; (mcv ) mix = kapasitas molar isokhorik rata – rata dari udara yang bercampur
------------------------------0 53) N. Petrovsky, Prof.gas D Sc.Marine Combustion Engine, 00 sampai Tc KHal . .39 dengan bekas dari 54) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .40 55) lbid, hal. 46 −5
(mcv ) mix = 4,62 + 53 x 10 Tc ……………………………
(56)
(mcv ) g : kapasitas panas molar isokhorik rata – rata dari hasil pembakaran 0
dari 00 sampai Tz K .
(mcv ) gx = vco 2 (mcv )co 2 + vh 2o (mcv ) h 2o + vN 2 (mcv ) + vo 2 (mcv )o 2 … (57) Isi volumetric relative dari unsur pokok dalam hasil pembakaran . vco 2 =
vco 2 c = Vg 12 M g
vc 02 =
0,087 = 0,13219 12 x0,54847
vh 2o =
vh 2 o h = vg 2 mg
vh 2 o =
0,11 = 0,10028 2 x0,54847
vN 2 =
Vg Vg
=
0,79.α .L0 Mg
………………………………
(58)
…………….………………
(59)
……………………………………… (60)
vN 2=
0,79 x1,1x0,479 = 0.74942 0,54847
vo 2 =
VO 2 0,21(α − 1).Lo = Vg Mg
Vo 2 =
0,21(1,1 − 1)0,473 = 0,01811 0,5484
………………………
(61)
Menurut N.M GGlagolev ( kapasitas panas molar isokhoirik rata – rata dari
------------------------------0 56) lbid, hal. 48 0 hasil pembakaran dari 0 Tz K Hal ) : .48 57) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine CombustionkeEngine, 58) lbid, hal. 39 0 Kcal Hal /mol mcvD) Sc.Marine = 7,28 + 125 x10−5 Tz Engine, 59) N. Petrovsky, (Prof. Combustion .39per C 60) lbid, hal. 47 59N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .39 mc = 5,79 + 112 × 10− 5T Kcal /mol per˚C 61) lbid, hal. 47 vH O z
( )
(mcv )N (mcv )O
2
2
2
= 4,62 + 53 × 10− 5T Kcal / mol per˚C z = 4,62 + 53 × 10− 5T Kcal / mol per˚C z
Dari persamaan diatas diperoleh :
(mcv )g = Vco (mcv )co 2
(mc v )g
+V
2
H O 2
(mcv )H O + VN (mcv )N
(
2
)
2
( )
+V mc O vO 2 2 2
(
)
= 0 ,13219 . 7 ,82 + 125 . 10 − 5 T z + 0 ,10028 . 5 , 79 + 112 . 10 − 5 T z + 0,74942.( 4,26+53.10 −5 T2 ) +0,01811.(4,62 +53.10 −5 T 2 )
( mc v ) g = 1,0337258 + 16 ,582375 .10 −5 T2 0,5806212 + 11, 23136 .10 −5 T2 + 3, 4623204 + 39 ,71926 .10 − 5.T2 + 0,0836682 + 0,95983 .10 − 5 T2 (mcv ) g = 5,1603356 + 68,4342.10 −5 Tz Sehingga :
ξ z .O1
α .L0 r (1 + γ r )
+ (mcv ) mix Tc = µ .(mcv ) g Tz
0,85.9530 + (4,62 + 53.10− 5 ) = 1,052.(5,1603356 + 68,4342.10− 5 Tz )Tz 1,1.0,473.(1 + 0,04) 8100 ,5 2 + ( 4,62Tc + 53 .10 − 5 Tc = 5,428673051 .Tz + 71,9927784 .10 − 5 Tz2 0,541112
14970 , 098161 = ( 4 , 62 . 579 ,531 ) + 3 .10 − 5. (579 ,531 ) 2 = 5, 428673051 .T z + 71,9927784 .10 − 5 T z2 17825,53516
= 5,428673051. T z + 71 , 99927784
71,9927784.10 − 5 T z2 + 5 , 428673051 Tz1, 2 =
. 10
−5.
T z2
.T z − 17825 , 53516 = 0
− b ± b 2 − 4ac 2a
Untuk Tz diambil positif (+ ) : Tz1, 2 = Tz =
− b ± b 2 − 4ac 2a
− 5,428673051+ (5,428673051)2 − 4.(71,9927784.10−5 ).(−17825,53516) 2.71,997784.10−5
Tz = 2472,727 0 K
¾ Tekanan akhir pembakaran ( Pz ) ( Pz ) = Pc µ.
TZ ……………………………….. Tc
( Pz ) = 10,049.1,052.
¾
(62)
2472,727 = 36,106atm 723,990 K
Perbandingan tekanan didalam silinder selama pembakaran ( λ )
λ=
pz 36,106 = = 3,59 ……………………….. pc 10,049
(63)
¾ Perbandingan ekspansi ( ρ ) Rasio
yang
menunjukkan
perubahan
yang
terjadi gas
hasil
pembakaran campuran udara – bahan bakar pada awal langkah kompresi Perbandinga ekspansi pendahuluan dapat di cari de ngan rumus :
ρ=
µ Tz . λ Tc
………………………………..
------------------------------1,052 Sc.Marine Combustion Engine, Hal .50 62) N. Petrovsky, ρ = Prof. .D723 ,99 = 1,0 63) lbid, hal. 14 3,59 64) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .50
(64)
¾ Perbandingan ekspansi selanjutnya ( δ ) Adalah perbandingan ratio yang menunjukkan perubahan pada gas hasil pembakaran selam langkah ekspansi :
δ =
ε ρ
δ =
7 =7 1
…………………………………..
(65)
¾ Tekanan gas pada akhir ekspansi ( P ) b P P = z b n δ 2 P = b
………………………
(66)
36,106 = 3,8 71,15
¾ Temperatur gas pada akhir ekspansi ( T ) b T = b
T z n −1 δ 2
T = b
2472,727 = 1848,076o K 1 , 15 1 − 7
……………………………………………..(67)
¾ Tekanan indikator rata- rata teoritis ( P ) it Adalah besar tekanan rata –rata yang di hasilkan oleh pembakaran campuran bahan bakar yang bekerja pada piston sesuai perhitungan: ⎡ ⎛ P ⎢ ⎛ ⎜ ⎞ 1 1 1 e ⎟ λ ⎜⎜ 1 − − ⎜1 − P = ⎢ ⎟n −1 ⎜ it ε − 1 −1 − n 2 1 n δ ⎠ 2 ⎢ ⎝ 1 ⎜ ε ⎝ ⎣
⎤ ⎞ ⎟ 1 ⎥ ⎟ ⎥ … (68) ⎟⎟ n1 − 1 ⎥ ⎠ ⎦
1 ⎞ 1 ⎤ 1 ⎞⎟ 1 10,05 ⎡ ⎛⎜ ⎛ − − = − P 1 3 , 8 1 ⎢ ⎜ ⎟ ⎥ it 0 ------------------------------7 − 1 ⎣⎢ ⎜⎝ 70,15 ⎟⎠ 1,15 − 1 ⎝ 7 ,15 ⎠ 1,34 − 1⎦⎥ 65) lbid, hal. 14 66) – 67) lbid, hal. 14 P it Prof. = 9D ,Sc.Marine 488 atm 68) N. Petrovsky, Internal Combustion Engine, Hal .55
( )
¾ Tekanan indikator rata – rata P it
Adalah besarnya tekanan rata – rata yang di hasilkan pembakaran bahan campuran bakar . Pi = ϕ .Pit
………………………………………………(69)
Pi = 0 ,95 x 9 , 488 = 9 ,0136 kg / cm 2 Nilai Pi ini untuk motor bensin berkisar antara 7 – 11 Kg / cm 2 Tekanan efektif rata – rata Pe Pe = ηm. Pi ……………………………………........................... (70)
Pe = 0 ,80 x 9 ,0136 = 7 , 21 kg / cm 2 N
N N
=
i
=
i
a . P .V . n . z i. 1 60 . 75 . 100
1 / 2 . 9 , 0136 . 196 . 4000 . 1 = 8 , 265 HP 60 . 75 . 100
= 8 , 265
i
……………………………………… (71 )
HP.
N1 : Daya indicator
( HP )
P1 : Tekanan Indikator Kg / cm 2
( )
V1 : Volume silinder M 3
n
: Putaran tiap menit ( rpm )
z
: Jum,lah silinder
a
: Jumlah proses kerja mesin 4 tak a = 1/2
¾ Daya efektif. (N e ) . N e = ηm − n1
…………………………………………..
(72)
Jika ηm = 0,8 ------------------------------69) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Internal Combustion Engine, Hal .55 maka N e = η m xn1 70) lbid, hal. 56 71) lbid, hal. 61 72) bid, hal.N 61 e = 0 , 80 x 8 , 265 N
e
= 6 , 6 HP
¾ Konsumsi bahan bakar spesifik indicator (F1 ) Adalah jumlah bahan bakar yamg dibutuhkan untuk menghasilkan tekanan indicator.
F 1 = 318 , 4
η ch . P0 P I α .l 0 .T o
F 1 = 318 , 4
0 , 8764 . 1 9 , 0136 . 1 ,1 . 0 , 473 . 303
……………………………….
(73)
F 1 = 0 ,196 Kg / HP . jam
¾ Konsumsi bahan bakar spesifik efektif ( F ) Adalah jumlah konsumsi bahan bakar yang di butuhkan untuk menghasilkan kerja efektif.
F1
F=
…………………………………………….
ηm
F =
(74)
0,196 0,80
F = 0,245 Kg/ HP.Jam
¾ Konsumsi bahan bakar perjam (Fh ) Fh = F .N e ………………………………………………
(75)
Fh = e 0,236 . 5,2 = 1,54 Kg/jam
Fh =
1 ,144 0 , 73
= 2 ,11 liter
/ jam
¾ Heat balance total ( Q f ). Adalah jumlah kesetimbangn kalor yang terpakai dengan kerugan – kerugian kalor yang terjadi baik akibat dari kerugian mekanis, kerugian akibat ------------------------------74) – (75) lbid, hal. 67 pendinginan maupun kerugian kalor yang terbawa gas buang .
Q f = Qe + Fh ……………………………………… Q
f
= 9530
(76)
x 1 ,144
Q f = 14676 , 2
Kkal / jam
¾ Heat yang terserap ( Qcool ) Qcool = 0,30 x Q f
………………………………
Qcool = 0,30 x 13723,2 Qcool = 4402,86
Kkal / jam
(77)
¾ Heat yang di bawa gas buang ( Qeg )
Qeg = W eg W p T eg = W mix .C p T 0
…………………….
(78)
Diman :
Weg : Jumlah dari gas buang ( Kg / jam ). Wmix : Jumlah dari campuran segar ( atau udara ) ( Kg/ jam )
Wp
: Panas spesifik dari campuran segar dalam K kal / Kg
0
C
: 0,256 K kal / Kg 0 C
Cp
: Panas spesifik dari campuran segar dalam K kal / Kg
0
: 0,218 K kal / Kg 0 C
C
Teg
: Temperatur dari gas buang dalam 0 C 0
: 727
T0
C
: Temperatur dari campuran segar dalam 0 C : 30
0
C
W = α .a .Fh. mix th ------------------------------a = Adalah jumlah teoritis dari udara yang dikirim untuk pembakaran dari 1 th Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .50 76) N. Petrovsky, 77) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .50 KgDbahan bakar . Combustion Engine, Hal .55 78) N. Petrovsky, Prof. Sc.Marine Internal
1 ⎛3 ⎞ .⎜ .C + 8.H − 0 ⎟ a = th 0,23 ⎝ 8 ⎠ 1 ⎛8 ⎞ ⎜ .0,87 + 8.0,11 − 0,02 ⎟ = 13,826 a = 0,23 ⎝ 3 ⎠ th W mix = 1,1 . 13 ,826 . 2 ,11 = 32 , 090 kg / jam
Weg = Wmix + Fh Weg = 32,090 + 2,11 = 34,2 Kg / jam maka :
Q eg = (34 , 2 . 0 , 256 . 727
) − (32 , 09 . 0 , 218
. 30
)
Qeg = 6155,16 Kkal / jam. Prosentase Qeg : 0
0
Qeg =
Qeg Qf
=
6155,16 = 0,419 = 42 0 0 14676,2
¾ Heat yang diubah menjadi kerja guna. ( Qe ). Qe = 632 . N e Qe = 632 . 5,2
…………………………………… ( 79 ) =
3969,96
Kkal / jam.
Prosentase Qe : 0
0
Qe =
Qe 3969,96 = = Q f 14676,2
0,27
=
27 %
Qres = Qf – Qe – Qcool - Qeg = 14676,2– 3968,96 – 4402,86 – 6155,16 = 149,22 % Qres =
Qres = Qf
149,22 = 0,1 = 1 % 14676,2
Qres = Heat karena pancaran dan gesekan komponen
atau heat sisa yang terbawa
