BAB III ANALISA DAN PERHITUNGAN
3.1.
Perhitungan Dalam perhitungan
perlu diperhatikan hal-hal yang berkaitan
dengan kemampuan mesin, meliputi : a. Perhitungan efisiensi bahan bakar b. Perhitungan sistem pengapian 3.1.1. Data-Data Mesin •
Diameter silinder (D)
: 70,5 mm
= 7,5 cm
•
Panjang langkah (L)
: 67,9 mm
= 6,79 cm
•
Jumlah silinder (z)
: 4 buah
•
Putaran mesin (n)
: 7.000 rpm
•
Kapasitas silinder
: 1.200 cc
3.1.2. Data-data teoritis •
Temperatur udara luar (To) Dengan memperhitungkan bahwa mesin dioperasikan dikota semarang yang berada diatas permukaan laut, diambil To = 30oC = 303oK.
•
Tekanan udara luar (Po) Tekanan udara luar daerah pantai sebesar 76 cmHg = 1 atm.
•
Temperatur gas buang (Tr) Untuk motor bensin berkisar 800oK – 1.000oK. kenaikan temperatur didalam silinder akibat suhu luar (∆tw), berkisar 10oK-15oK, diambil 15oK.
•
Koefisien gas bekas ( γ r) Adalah ratio yang menunjukkan perbandingan antara jumlah mol gas bekas dan jumlah mol campuran bahan bakar yang diisap ke dalam silinder, harga koefisien gas bekas untuk motor 4 langkah adalah 0,03-004. 33
•
Tekanan udara di akhir langkah isap (Pa) Tekanan udara di akhir langkah isap untuk motor bensin
4
langkah tanpa super charger berkisar 0,085-0,92, diambil 0,9. 3.1.3. Perhitungan 1. Volume Langkah (Vl) Adalah besar ruang yang ditempuh oleh piston selama melakukan kerja. Vl =
3,14 ⋅ D 2 ⋅ L ⋅ z 4
dimana : D
= diameter piston (cm)
L
= panjang langkah piston (cm)
z
= jumlah silinder 3,14 ⋅ (7,5) 2 ⋅ 6,79 ⋅ 4 Vl = 4 = 1.199,3 cm3
2. Perbandingan Kompresi (ε) Adalah perbandingan antara volume total silinder dengan volume sisa.
ε =
V L + VC VC
dimana : VL
= volume langkah silinder (cm3)
VC
= volume ruang bakar (cm3)
ε
=
1.199,3 + 164,5 164,5
= 8,3 3. Temperatur Awal Kompresi (Ta) Adalah campuran bahan bakar yang berada di dalam silinder pada saat piston mulai melakukan langkah kompresi. Ta
=
Ta + ∆tw + γr + Tr 1 + γr
Dimana :
34
Ta
= temperatur udara luar (oK).
∆tw
= kenaikan temperatur didalam akibat panas dari luar (oK).
γr
= koefisien gas bekas.
Adalah ratio yang menunjukkan perbandingan jumlah mol gas bekas dengan jumlah mol campuran bahan bakar Tr
= temperatur gas buang (oK)
Ta
=
303 + 15 + 0,04 ⋅ 900 1 + 0,04
= 340,38oK 4. Tekanan Akhir Kompresi (PC) Adalah tekanan campuran bahan bakar didalam silinder pada akhir langkah kompresi. PC
= Pa . εn1
P1 . V1n1
= P2 .
P2
⎡V ⎤ = P1 . ⎢ 1 ⎥ ⎣V2 ⎦
V2n1 P2 = PC n1
Dimana n1 adalah eksponen politropik yaitu eksponen yang menunjukkan sifat dan bentuk dari proses adiabatik. Eksponen ini menunjukkan perubahan tekanan dan volume yang terjadi pada saat bahan bakar dikompresikan. Dengan menggunakan proses
“ trial dan error”,
diperoleh harga n1 = 1,34 – 1,39 Sehingga : PC
= P1 . εn1 = 0,9.(8,3)1,35 = 15,67
5. Temperatur kompresi (TC) Adalah temperatur campuran bahan bakar sebelum pembakaran (pada akhir langkah kompresi). TC
= Ta . εn1-1 = 340,38.(8,3)1,35-1 = 713,91OK 35
6. Perbandingan tekanan dalam silinder selama pembakaran ( λ ) Adalah ratio yang menunjukkan perbandingan tekanan maksimum pada pembakaran campuran bahan bakar dengan tekanan pada awal pembakaran.
λ
=
pz 40 = pc 15,67
= 3,417 7. Nilai pembakaran bahan bakar (Qb) Adalah jumlah panas yang mampu dihasilkan dalam pembakaran 1 kg bahan bakar. Bensin mempunyai kompresi sebagai berikut : C
= 87 %
H = 11%
O = 2 %.
Menurut persamaan dulong dengan kompresi demikian bensin tersebut mempunyai nilai pembakaran (Qb) sebesar : Qb
= 81 . C + 200 . (H - 0/8) = 81 . 87 + 200 (11 – 2/8) = 9.197 kkal/kg
Bensin mempunyai nilai pembakaran 9.500 – 10.500 kkal/kg. jadi kompresi tersebut dapat dipakai. 8. Kebutuhan Udara Teoritis (Lo) Adalah kebutuhan udara yang diperlukan membakar bahan bakar sesuai perhitungan. Lo
=
1 ⎡C H O ⎤ ⋅ + − 0,21 ⎢⎣12 4 32 ⎥⎦
=
1 ⎡ 0,87 0,11 0,2 ⎤ ⋅ + − 0,21 ⎢⎣ 12 4 32 ⎥⎦
= 0,505 mol 9. Koefisien Kimia Perubahan Molekul Selama Pembakaran (µo) Adalah koefisien yang menunjukkan perubahan molekul yang terjadi selama proses pembakaran bahan bakar.
36
µo
=
Mg α ⋅ LO
dimana :
α
= koefisien kelebihan udara. Untuk motor bensin harga koefisien kelebihan udara
berkisar
antara 0,85 – 1,05. Mg
= jumlah molekul hasil pembakaran 1 kg bahan bakar
Mg
= MCO2 + MHO2 + MO2 + MN2
(i)
MCO2 = C/12 = 0,87/12 = 0,072
(ii)
MH2O = H/2 = 0,11/2 = 0,055
(iii)
MO2
= 0,21 , ( α - 1 ) = 0,21 . (1,05 – 1) = 0,011
(iv)
MN2
= 0,79 . ( α - 1 ) = 0,79 . (1,05 – 1) = 0,392
sehingga : Mg
= 0,072 + 0,05 + 0,011 + 0,302 = 0,44 mol
jadi : µo
=
0,44 1,05 . 0,505
= 0,83 10. Koefisien Perubahan Molekul Setelah Poses Pembakaran (µ) Adalah menunjukkan perubahan molekul yang terjadi sebelum dan setelah pembakaran. µ
=
µ o + γr 1 + γr
=
0,83 + 0,04 1 + 0,04
= 0,84 11. Temperatur Akhir Pembakaran (Tz)
37
Adalah temperatur gas hasil pembakaran campuran bahan bakar untuk motor bensin yang memiliki siklus volume tetap Tz , dapat dicari dengan rumus : µ . (Mcp)gas . Tz =
[
]
δ Z . Qb + (M CV )gas + 1,985 TC ..........( ii ) δLO . (1 + γr )
dimana :
(M CP )gas
= kapasitas gas buang = (M CV )gas + 1,985
(M CP )gas
= Agas + Bgas . TC = VOC2.(MCV)CO2 + VH2O. (MCV)H2O + VO2.(MCV)O2N + VN2 . (MCV)N2
(i) Menurut N.M. Glagolev (MCV)CO2
= 7,82 + (125 . 10-5) . Tz
(MCV)H2O
= 5,79 + (112 . 10-5) . Tz
(MCV)O2
= 4,62 + (53 . 10-5) . Tz
(MCV)N2
= 4,62 + (112 . 10-5) . Tz
(ii) Volume relative gas hasil pembakaran VCO2 =
MCO2 0,072 = = 0,136 0,53 M gas
VH2O =
MH 2 O 0,055 = = 0,104 0,53 M gas
VO2
=
MO2 0,11 = = 0,021 M gas 0,53
VN2
=
MN 2 0,392 = = 0,740 M gas 0,53
Dari sini diperoleh : Agas = VCO2 . ACO2 + VH2O . AH2O + VO2 . AO2 + VN2 . AN2 = 0,136 . 7,82 + 0,105 . 5,79 + 0,021 . 4,62 + 0,740 . 4,62 = 5,182 Bgas = VCO2 . BCO2 + VH2O . BH2O + VO2 . BO2 + VN2 . BN2
38
= (0,136 .125 + 0,104 .112 + 0,021 . 53 + 0,740 .53) . 10-5 . Tz = 68,981 . 10-5 . Tz (MCV) = 5,182 + 68,981 . 10-5 . TZ Sehingga : (MCV)gas
= 5,182 + 68,981 . TZ + 1,985 = 7,167 + 68,981 . Tz
(MCV)max = kapasitas panas udara pada akhir langkah kompresi = 3,62 + 53 . 10-5 . Tc = 3,62 + 53 . 10-5 . 713,91 = 3,998 Dari sini dapat diperoleh : 0,84. ( 7,167 + 68,981 . 10-5 . Tz ) . Tz =
0,9 . 9197 + (3,998 + 1,985) . 713,91 1,05 . 0,505 . (1 + 0,04 )
6,02 . Tz + 57,94 . 10-5 . Tz -5
= 19288,2
2
57,94 . 10 . Tz + 6,02. Tz – 19288,2 Tz
(
− b ± b 2 − 4ac = 2a
[
=0
)
0,5
]
− 6,02 ± (6,02 ) − 4 . (0,0005794 ) . (− 19288,2 ) = 2 . 0,0005794 2
0,5
− 6,02 ± [36,24 + 44,702] = 0,0011588
0,5
=
− 6,02 ± 8,997 0,0011588
= 2.569,037 0K 12. Perbandingan Ekspansi ( ρ ) Adalah ratio yang menunjukan perubahan yang terjadi pada gas hasil pembakaran campuran bahan bakar pada awal langkah Perbandingan ekspansi pendahuluan dapat dicari dengan rumus : ρ
=
µ . TZ λ . TC
39
ekspansi.
=
0,84.2569,03 2,56.713,91
= 1,406 13. Perbandingan Ekspansi Selanjutnya ( δ ) Adalah ratio yang menunjukkan perubahan pada gas hasil pembakaran selama langkah ekspansi :
δ=
ε ρ
δ=
8,3 1,406
= 5,9 14. Tekanan Akhir Ekspansi ( pb ) Pb =
PZ
δ n1 40 5,91,35
= 3,64 15. Tekanan Indikator Rata-Rata Teoritis ( pit ) Adalah besar rata-rata tekanan yang dihasilan oleh pembakaran campuran bahan bakar dan bekerja pada piston sesuai perhitungan: Pit
=
λ .ρ ⎛ Pc ⎡ 1 ⎞ 1 ⎛ 1 ⎞⎤ . ⎜⎜1 − 1n −1 ⎟⎟ − ⎜1 − n −1 ⎟⎥ ⎢λ . (ρ − 1) + ε −1 ⎣ n −1 ⎝ ρ ⎠ n −1⎝ ε ⎠⎦
= 2,146 . [ 1,039 + 10,283 . (0,463 ) – 2,857 . ( 0,524 )] = 9,23 kg/cm2 16. Tekanan indikator rata -rata ( pi ) Adalah besar rata-rata teanan yang dihasilkan dari pembakaran campuran bahan bakar. Pi
= Q . Pit
Dimana : Q
= faktor koreksi berkisar antara 0,80 – 0,90 ( N.petrousky )
40
Dalam perhitungan diambil 0,9 Pi
= 0,9 . 9,23 = 8,307 kg/cm2
17. Efisiensi Pengisian ( Ήch ) Adalah ratio yang menunjukkan kemampuan silinder dalam menghisap campuran bahan bakar. ήch
=
(ε
ε . Pa To
− 1). Po . (To + ∆tw + γr .Tr )
dimana : Pa
= tekanan campuran bahan bakar dalam silinder pada ahir langkah isap.
Po
= tekanan udara luar
ε
= perbandingan kompersi
ήch
=
8,3 ⋅ 0,9 ⋅ 303 (8,3 − 1).1.(303 + 15 + 0,04.900)
=
2263,4 2584,2
= 0,87 18. Pemakaian bahan bakar indikator ( F1 ) Adalah jumlah bahan bakar yang diperlukan untuk menghasilkan tekanan indikator. F1 = =
318,4 . η ch . Po P1 . α . Lo . To 318,4.0,87.1 8,307.2,56.0,505.303
= 0,085 kg/HP.jam = 0,14 liter/HP.jam
19. Pemakaian bahan bakar efektif ( Fe )
41
Adalah
jumlah
konsumsi
bahan
bakar
yang
dibutuhkan
untuk
menghasilkan kerja efektif. Fe =
F1
ηm
Dimana : ήm = Besarnya berisar 0,8 – 0,85, diambil 0,8 Fe =
0,14 0,8
= 0,175 kg/HP.jam = 0,21 liter/HP.jam 20. Tekanan efektif (Pe) Adalah besar rata-rata tekanan efektif yang bekerja pada permukaan piston. Pe = P1 . ή m = 8,307 . 0,8
= 6,64 atm
21. Daya efektif ( Ne ) Adalah besar rata-rata daya yang dihasilkan oleh mesin. Ne = Pe . VL .z . n . a
1 60 . 100,75
Dimana : a
: jumlah siklus per putaran, untuk motor 4 langkah = 0,5 =
6,64.119,3.4.7000.0,5 450.000
= 24,77 Ps Catatan : 1 HP = 75 kg.m/det = 0,735 kw 1 ps
= 76 kg.m/det = 0,763 kw
22. Jumlah bahan bakar yang dibutuhkan ( Fh )
42
Fh
= F e . Ne = 0,175 . 24,77 = 4,33 kg/jam = 5,196 liter/jam
23. Kesimpulan Dari perhitungan diatas maka dapat diketahui bahwa : 1. Daya efektif ( Ne ) yang dihasilkan
= 24,77 Ps
2. Pemakaian bahan bakar efektif ( Fe ) = 0,21 liter/ jam 3. Jumlah bahan bakar yang dibutuhkan ( Fh ) = 5,196 liter/jam
43
