KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah menganugerahkan kemampuan untuk dapat menyelesaikan makalah ini. Shalawat dan salam kepada nabi besar Muhammad saw, kepada keluarga, para sahabat dan pengikut beliau hingga akhir jaman. Terima kasih kami sampaikan kepada orang tua kami yang telah mendukung kami dari segala sisi dan bentuk. Dan tidak lupa saya sampaikan juga ucapan terima kasih kepada dosen pembimbing mata kuliah Termodinamika yang telah memberikan ilmu dan bimbingan beliau. Dan juga kepada teman – teman dan orang – orang yang telah membantu penyelesaian makalah ini. Dalam makalah ini dibahas salah satu dari beberapa jenis mesin kalor yaitu mesin Otto atau mesin bensin. Dimana mesin bensin saat ini merupakan
mesin
yang paling banyak digunakan dalam bidang
transportasi, khususnya pada kendaraan – kendaraan pribadi. Besar harapan semoga dari makalah ini terpetik sebuah hikmah dan manfaat bagi kita semua. Dan juga dapat menjadi pedoman pembelajaran yang mungkin dapat memberikan manfaat bagi kita.
Banda Aceh, Desember 2013
Penyusun
i
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ................................................................................... i DAFTAR ISI ................................................................................................ ii BAB I
PENDAHULUAN .......................................................................... 1
1.1.
Latar Belakang .............................................................................. 1
1.2.
Rumusan Masalah ........................................................................ 2
1.3.
Tujuan ........................................................................................... 2
BAB II
PEMBAHASAN ............................................................................ 3
1.1.
Pengertian Mesin Bensin .............................................................. 3
1.2.
Bagian-Bagian Utama Mesin Bensin ............................................ 4
2.3.
Prinsip Kerja Mesin Bensin ........................................................... 6
2.4.
Perbedaan Mesin Otto dengan Mesin Diesel.............................. 11
BAB III PENUTUP................................................................................... 15 3.1.
Kesimpulan ................................................................................. 15
TINJAUAN PUSTAKA .............................................................................. 16
ii
BAB I PENDAHULUAN
1.1.
Latar Belakang Dalam sejarah manusia mesin merupakan tolak ukur perubahan
besar dalam kehidupannya.
Hadirnya mesin mampu mengubah pola
kerja, transportasi, maupun gaya hidup. Hadirnya mesin telah mendorong terjadinya revolusi industry di perancis. Walaupun demikian mesin juga memiliki kelebihan dan kekurangan tersendiri. Jenis – jenis mesin yang digunakan manusia sekarang sudah beraneka ragam. Dari yang sebelumnya hanya berupa mesin uap biasa namun sekarang telah berkembang hingga mesin – mesin hybrid. Namun dari sekian banyak mesin tersebut sebenarnya hanya berasal dari beberapa konsep fisika yang berkaitan dengan termodinamika. Salah satu diantaranya adalah prinsip mesin Otto yang akan kita bahas dalam makalah ini. Sekilas mesin otto atau mesin bensin merupakan salah satu jenis mesin kalor yang banyak dipakai saat ini. Sedangkan mesin kalor adalah mesin yang menggunakan energi panas untuk melakukan kerja mekanis atau mengubah tenaga panas menjadi tenaga mekanis. Energi atau tenaga panas tersebut diperoleh dari hasil pembakaran.Ditinjau dari cara memperoleh tenaga panas, mesin kalor dapat dibedakan menjadi dua yaitu mesin dengan pembakaran dalam dan mesin dengan pembakaran luar. Mesin pembakaran dalam adalah mesin yang melakukan proses pembakaran bahan bakar di dalam mesin tersebut dan gas pembakaran yang terjadi berfungsi sebagai fluida kerja. Mesin pembakaran dalam umumnya disebut motor bakar. Jadi motor bakar adalah mesin kalor yang
1
menggunakan gas panas hasil pembakaran bahan bakar di dalam mesin untuk melakukan kerja mekanis. Mesin pembakaran luar adalah mesin di mana proses pembakaran bahan bakar terjadi di luar mesin dan energi panas dari gas pembakaran dipindahkan ke fluida mesin melalui beberapa dinding pemisah, misal ketel uap.
1.2.
Rumusan Masalah
1.2.1. Apa yang dimaksud dengan mesin Otto (mesin bensin)? 1.2.2. Apa saja bagian utama dari mesin Otto (mesin bensin)? 1.2.3. Bagaimana prinsip kerja mesin bensin? 1.2.4. Apa
perbedaan
mencolok
dan
kelebihan
mesin
bensin
dibandingkan dengan mesin solar?
1.3.
Tujuan
1.3.1. Memahami secara jelas dan benar tentang mesin Otto dan bagaimana cara kerja mesin tersebut. 1.3.2. Mengenal bagian – bagian utama dari mesin bensin dan kerja setiap komponen tersebut. 1.3.3. Mengetahui
kelebihan
dan
kekurangan
dari
mesin
Otto
dibandingkan dengan mesin lain yang sejenis.
2
BAB II PEMBAHASAN
1.1.
Pengertian Mesin Bensin Mesin bensin atau mesin Otto dari Nikolaus Otto adalah sebuah
tipe mesin pembakaran dalam yang menggunakan nyala busi untuk proses pembakaran, dirancang untuk menggunakan bahan bakar bensin atau yang sejenis. Pada mesin bensin, pada umumnya udara dan bahan bakar dicampur sebelum masuk ke ruang bakar, sebagian kecil mesin bensin modern mengaplikasikan injeksi bahan bakar langsung ke silinder ruang bakar termasuk mesin bensin 2 tak 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 Motor bakar merupakan salah satu jenis mesin kalor yang banyak dipakai saat ini. Sedangkan mesin kalor adalah mesin yang menggunakan energi panas untuk melakukan kerja mekanis atau mengubah tenaga panas menjadi tenaga mekanis. Energi
atau
tenaga
panas
tersebut
diperoleh
dari
hasil
pembakaran.Ditinjau dari cara memperoleh tenaga panas, mesin kalor dapat dibedakan menjadi dua yaitu mesin dengan pembakaran dalam dan mesin dengan pembakaran luar. Mesin pembakaran dalam adalah mesin yang melakukan proses pembakaran bahan bakar di dalam mesin tersebut dan gas pembakaran yang terjadi berfungsi sebagai fluida kerja. Mesin pembakaran dalam umumnya disebut motor bakar. Jadi motor bakar adalah mesin kalor yang menggunakan gas panas hasil pembakaran bahan bakar di dalam mesin untuk melakukan kerja mekanis. Mesin pembakaran luar adalah mesin di 3
mana proses pembakaran bahan bakar terjadi di luar mesin dan energi panas dari gas pembakaran dipindahkan ke fluida mesin melalui beberapa dinding pemisah, misal ketel uap.
1.2.
Bagian-Bagian Utama Mesin Bensin
2.2.1 Blok Silinder Merupakan inti dari pada mesin, Terbuat dari besi tuang, belakangan ada beberapa blok silinder yang di buat dari paduan aluminium, seperti kita ketahui bahwa aluminium lebih ringan dan meradiasikan panas yang lebih efisiensi dibandingkan dengan besi tuang. Silinder di kelilingi oleh mantel pendingin (water jacket) untuk membantu pendinginan. 2.2.2. Silinder Tenaga panas yang dihasilkan oleh pembakaran bensin dirubah ke dalam tenaga mekanikdengan adanya tenaga naik turun torak dalam tiap-tiap silinder. Mesin harus memenuhi kedua kebutuhan, dengan tujuan untuk merubah tenaga panas menjadi energi mekanik seefisien mungkin.
Tidak boleh terdapat kebocoran campuran bahan baker dan udara saat berlangsungnya kompressi atau kebocoran gas pembakaran antara silinder dan torak.
Tahanan gesek antara torak dan silinder harus sekecil mungkin.
Oleh sebab itu pembuatan silinder deperlukan ketelitian yang tinggi.
2.2.3. Kepala silinder Kepala silinder ditempatkan di bagian atas blok silinder. Pada bagian bawah kepala silinder terdapat ruang baker dan katup-katup.
4
Kepala silinder harus tahan terhadap temperatus dan tekanan yang tinggi selama mesin bekerja. Umumnya kepala silinder dibuat dari besi tuang. . Akhir-akhir ini banyak kepala silinder dibuat dari paduan aluminium, karena memiliki kemampuan pendinginan yang lebih besar di bandingkan yang terbuat dari besi tuang. Pada kepala silinder juga dilengkapi dengan mantel pendingin yang dialiri air pendingin yang dating dari blok silinder untuk mendinginkan katup-katup dan busi. 2.2.4. Torak Torak bergerak naik turun di dalam silinder untuk melakukan langkah hisap, kompressi, pembakaran, dan pembuangan. Fungsi utama torak untuk menerima tekanan pembakaran dan meneruskan tekanan untuk memutar poros engkol melalui batang torak. Torak terus menerus menerima temperature dan tekanan yang tinggi sehingga harus dapat tahan saat mesin beroperasi pada kecepatan tinggi untuk periode waktu yang lama. Pada umumnya torak dibuat dari paduan aluminium, selain lebih ringan, radiasi panasnya lebih efisien di bandingkan dengan. 2.2.5. Pegas Torak Pegas torak (piston ring) dipasang dalam alur ring (ring groove) pada torak. Pegas torak sifatnya elastis sehingga dapat mengembang dan menutup dengan rapat pada dinding silinder. Pegas torak terbuat dari bahan yang dapat bertahan lama, umumnya di buat dari baja tuang special yang tidak akan merusak dinding silinder. Pegas torak mempunyai 3 peranan penting :
Mencegah
kebocoran
campuran
udara
dan
bensin
dan
gas
pembakaran yang melalui celah antara torak dan dinding silinder ke dalam bak engkol selama langkah kompressi dan langkah usaha.
Mencegah oli yang melumasi torak dan silinder masuk ke ruang baker
5
Memindahkan panas dari torak ke dinding silinder untuk membantu mendinginkan torak.
2.2.6. Pena torak Pena torak (piston pin) berfungsi untuk menghubungkan torak dengan bagian ujung yang kecil (small end) pada batang torak, dan meneruskan tekanan pembakaran yang berlaku pada torak ke batang torak. 2.2.7. Batang Torak Batang torak menghubungkan torak ke poros engkol dan selanjutnya meneruskan tenaga yang di hasilkan oleh torak ke poros engkol. 2.2.8. Poros Engkol Tenaga yang di gunakan untuk menggerakkan roda kendaraan dihasilkan oleh gerakan batang torak dan di ubah menjadi gerak putaran pada poros engkol. Poros engkol menerima beban yang besar dari torak danbatang torak serta berputar pada kecepatan tinggi. Dengan alasan tersebut poros engkol umumnya di buat dari baja carbon dengan tingkatan serta mempunyai daya tahan bahan yang tinggi.
2.3.
Prinsip Kerja Mesin Bensin Berikut akan diterangkan mengenai prinsip kerja mesin bensin.
Pertama, campuran udara dan bensin di hisap kedalam silinder, kemudian dikompresikan oleh torak saat begerak naik, apabila campuran udara dan bensin terbakar dengan adanya api dari busi yang panas sekali, maka akan menghasilkan tekanan gas pembakaran yang besar di dalam silinder. Tekanan gas pembakaran ini mendorong torak kebawah, yang menggerakan torak turun naik dengan bebas di dalam silinder. Dari gerak
6
lurus (naik turun) torak dirubah menjadi gerak putar pada poros engkol melalui batang torak. Gerak putar inilah yang menghasilkan tenaga pada mesin. Posisi tertinggi yang di capai torak di dalam silinder di sebut titik mati atas (TMA), dan posisi terendah yang di capai torak disebut titik mati bawah(TMB). Jarak bergeraknya torak antara TMA dan TMB di sebut langkah torak (stroke). Campuran udara dan bensin dihisap kedalam silinder dan gas yang telah terbakar harus keluar, dan ini harus berlangsung secara tetap. Pekerjaan ini dilakukan dengan adanya gerak torak yang turun naik di dalam silinder. Proses menghisap campuran udara dan bensin kedalam silinder, mengkompresikan, membakarnya, dan mengeluarkan gas bekas dari silinder, disebut satu siklus.
2.3.1. Sistem bahan bakar Sistem bahan bakar (fuel system) terdiri dari beberapa komponen, dimulai dari tangki bahan bakar (fuel tank) sampai pada charcoal canister. Bahan bakar yang tersimpan dalam tangki dikirim oleh pompa bahan bakar (fuel pump) ke karburator melalui pipa-pipa dan selangselang.kotoran dan benda-benda lainya dikeluarkan dari bahan bakar oleh saringan (fuel filter). Karburator menyalurkan ke mesin sejumlah bahan bakar yang dibutuhkan berupa campuran udara dan bahan bakar. Sejumlah gas HC yang timbul di dalam tangki dikurangi oleh charcoal canister. Bensin di alirkan dari tangki melalui saringan, selang dan pipa-pipa hisap (suction tube). Bensin yang sudah disaring dikirim ke karburator oleh pompa bahan bakar, dan karburator mencampurnya dengan udara dengan suatu perbandingan tertentu menjadi campuran udara dan bahan bakar.
7
Sebagian campuran udara dan bahan bakar menguap dan menjadi kabut saat mengalir melalui intake manifold ke silinder.
2.3.2. Campuran Udara dan Bahan Bakar Bahan bakar yang dikirim kedalam silinder untuk mesin harus ada dalam Kondisi mudah terbakar agar dapat menghasilkan efesiensi tenaga yang maksimum. Bensin sedikit sulit terbakar, bila tidak dirubah kedalam bentuk gas. Bensin tidak dapat terbakar dengan sendirinya, harus dicampur dengan udara dalam perbandingan yang tepat. Untuk mendapatkan campuran udara dan bahan bakar yang baik, uap bensin harus bercampur dengan sejumlah udara yang tepat. Perbandingan campuran udara juga mempengaruhi pemakaian bahan bakar.
2.3.3. Perbandingan Udara Dengan Bahan Bakar Perbandingan udara dengan bahan bakar dinyatakan dalam volume atau berat dari bagian udara dan bahan bakar. Pada umumnya, perbandingan
udara
dan
bahan
bakar
dinyatakan
berdasarkan
perbandingan berat udara dengan berat bahan bakar. Bensin harus dapat terbakar keseluruhannya di dalam ruang bakar untuk menghasilkan tenaga yang besar pada mesin. Perbandingan udara dan bahan bakar dalam teorinya adalah 15:1, yaitu 15 untuk udara berbanding 1 untuk bensin. Tetapi pada kenyataannya, mesin menghendaki campuran udara dan bahan bakar dalam perbandingan yang berbeda-beda tergantung pada temperatur, kecepatan mesin, beban, dan kondisi lainya. Pada table di bawah ini diperlihatkan perbandingan udara dan bahan bakar yang dibutuhkan sesuai dengan kondisi mesin.
2.3.4. Proses pembakaran
8
Campuran bahan bakar-udara didalam selinder motor bensin harus sesuai dengan syarat busi, yaitu jangan terbakar sendiri. Ketika busi mengeluarkan api listrik, yaitu pada saat beberapa derajat engkol sebelum torak mencapai TMA, campuran bahan bakar-udara disekitar itulah mulamula terbakar. Kemudian nyala api merambat kesegala arah dengan kecepatan yang sangat tinggi (25-50 m/detik), menyalakan campuran yang
dilaluinya
sehingga
tekanan
gas
didalam
silinder
naik,
sesuai dengan jumlah bahan bakar yang terbakar. Pembakaran yang merambat dengan cepat itu, temperaturnya dapat melampaui temperatur penyalaan sendiri sehingga akan terbakar dengan cepatnya. Proses terbakar sendiri dari bagian campuran yang terakhir (terjatuh dari busi) dinamai detonasi. Detonasi yang berulang-ulang dalam waktu yang cukup lama dapat merusak bagian ruang bakar, terutama bagian tepi dari kepala torak tempat detonasi terjadi.Disamping itu detonasi mengakibatkan bagian ruang
bakar
(misalnya
busi
atau
kerak yang
ada)sangat
tinggi
temperaturnyaatau pijar, sehingga dapat menyalakan campuran bahan bakar-udara sebelum waktunya (pranyala). Detonasidapat mengurangi daya
dan
efisiensi
mesin,
sedangkan
tekanan
maksimum
gas
pembakaranpun akan bertambah tinggi. Karena itu, detonasi yang dahsyat tidak di kehendaki dan harus dicegah. Maka dari itu seluruh campuran bahan bakar-udara harus dinyalakan oleh nyala api yang berasal dari busi. Berikut ini beberapa cara untuk mencegah detonasi :
Mengurangi tekanan dan temperatur bahan bakar-udara yang masuk kedalam silinder.
Mengurangi perbandingan kompresi.
9
Memperlambat saat penyalaan.
Memperkaya yaitu menaikan perbandingan campuran bahan bakarudara
Menaikan kecepatan torak atau putaran poros engkol, untuk memperoleh arusturbulen pada
campuran didalam silinder yang
mempercepat rambatan nyala api.
Memperkecil diameter torak untuk memperpendek jarak yangdi tempuh olehnyala api dari busi kebagian yang terjauh. Hal ini bias juga di capai jikadipergunakan busi lebih dari satu.
2.3.5. Sistem Pengapian Pada Mesin Bensin Sistem pengapian motor bensin memilik prinsip kerja yang beragam sesuai dengan jenis dan model sistem pengapian yang digunakan. Untuk sistem pengapian Motor biasanya terdiri atas 2 macam yakni Sistem Pengapian AC dan Sistem Pengapian DC. Untuk sistem pengapian Motor sebenarnya bisa kita modifikasi dari sistem pengapian AC ke sistem pengapian DC atau sebaliknya. Sistem Pengapian AC atau yang lebih kita kenal dengan CDI(Capasitor Discharge Ignition) merupakan sistem dimana pengapian ke busi dibangkitkan dari tegangan AC dari spul motor yang di triger oleh sirkuit elektronik(CDI) sesuai signal yang di terima dari pulser. Sistem Pengapian DC. Pada sistem pengapian Dc ini lebih mirip dengan sistem pengapian mobil secara elektronik, yakni TCI(transistorized Ignition System), dengan sistem TCI tegangan tinggi yang di bangkitkan dari koil benar2 tegangan DC 12volt yang di driver oleh sebuah transistor sesuai data dari sumber signal alias pulser.
10
Semua sistem pengapian motor yang peletakan pulser berada pada askruk pasti menimbulkan percikan busi secara 2 kali proses yang berbeda dalam 1 siklus kerja motor 4 tak, yakni pada proses kompresi dan proses buang.
2.4.
Perbedaan Mesin Otto dengan Mesin Diesel Mesin diesel bekerja dengan cara menekan udara yang berada
dalam ruang bakar setinggi mungkin. Selain tekanan tinggi, proses ini juga akan menaikkan temperatur dari udara ini. Karena, pada fasa gas, jika tekanan dinaikkan, maka juga akan diikuti dengan kenaikan temperatur. Kemudian bahan bakar baru dimasukkan ke dalam udara bertekanan dan bertemperatur tinggi tersebut dalam bentuk kabut (mist). Alhasil ledakan dengan
daya
besar
sehingga
akan
mendorong
piston
untuk
menggerakkan cam shaft. Jadi, pada mesin diesel ini tidak ada yang namanya karburator maupun busi seperti di mesin otto (bensin). Karena kita sama-sama tahu bahwa karburator berfungsi untuk mencampur bahan bakar dengan udara dan busi untuk menimbulkan percikan api. Sementara Nah disinilah inti perbedaan mesin otto (bensin) dan mesin diesel ini. Untuk langkah-langkah yang ada (langkah isap, langkah buang, langkah kompresi dan langkah kerja), mesin otto (bensin) dan diesel memiliki langkah yang sama pula. 2.4.1. Daya Dalam satu siklus, mesin diesel akan menghasilkan daya yang lebih besar dibandingkan dengan mesin otto (bensin). Hal ini dapat dijelaskan melalui ilustrasi diagram tekanan-volume mesin diesel dan mesin otto sebagai berikut :
11
daerah kuning : kerja mesin otto daerah biru : kerja mesin diesel
Luas dari grafik merupakan kerja netto yang dihasilkan system, maka dari grafik dapat dilihat bahwa secara teoretik daya yang dihasilkan dalam satu siklus mesin diesel lebih besar dibandingkan mesin otto.
2.4.2. Efisiensi Konsep yang digunakan adalah pembakaran miskin bahan bakar. Solar diijensikan dalam ruang bakar yang sudah bertekanan tinggi. Perbandingan massa antara solar dengan bensin pun sampai 1:60. Dengan
pembakaran
yang
miskin
tersebut
maka
kemungkinan
terbakarnya solar secara sempurna dalam ruang bakar akan semakin besar.
12
Ditambah lagi, torsi maksimum mesin diesel didapat di putaran rendah sedangkan mesin bensin di putaran tinggi. Semakin rendah putaran mesin akan menyebabkan semain sedikit konsumsi bahan bakar.
2.4.3. Aselerasi dan Putaran Tinggi Cara kita menaikkan putaran dan aselerasi pada mesin dengan cara menginjak lebih pedal gas. Itu artinya kita akan memasukkan solar lebih banyak pada mesin diesel dan campuran bensi dan udara lebih banyak pada mesin bensin. Karena pertemuan solar dengan udara pada mesin diesel hanya terjadi pada waktu yang singkat, semakin banyak bahan bakar yang masuk akan menyebabkan semakin banyaknya solar yang tidak terbakar . itulah yang menyebabkan efisiensi nya turun. Hal ini berbeda dengan mesin otto (bensin) yang sudah mempertemukan bensin dan udara di dalam karburator. Sehingga kesimpulannya, mesin otto (bensin) lebih baik dalam hal aselerasi dan putaran tinggi. 2.4.4. Getaran dan Kebisingan Karena perbandingan kompresi pada mesin diesel sangat tinggi, selain menyebabkan daya yang lebih besar, getaran dan kebisingan hasil pembakaran juga lebih besar dibandingkan dengan mesin bensin. 2.4.5. Polusi Di mesin diesel, emisi pembakarannya berupa HC, NOx, SOx, CO2, partikulat dan jelaga. Di mesin otto (bensin), emisi pembakarannya berkisar antara NOx, CO2, CO dan HC. Karena memiliki nilai efisiensi lebih tinggi, pada mesin diesel terdapat NOx lebih banyak dibandingkan dengan mesin otto (bensin), namun CO2 dan HC nya akan lebih sedikit.
13
Dari segi ini, mesin otto (bensin) memberikan hasil emisi yang lebih baik ketimbang mesin diesel.
14
BAB III PENUTUP
3.1.
Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat diperoleh dari pembahasan mengenai mesin Otto beserta dengan komponen dan prinsip kerjanya dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut: 3.1.1. Mesin Otto merupakan salah satu mesin kalor yang prinsip kerjanya dengan sistem pemantik busi sebagai pemicunya. 3.1.2. Bahan bakar dan oksigen dicampur terlebih dahulu dalam karburator
selanjutnya
baru
diinjeksikan
kedalam
ruang
pembakaran. 3.1.3. Campuran bensin dan udara yang masuk kedalam akan dipicu oleh busi untuk menghasilkan reaksi oksidasi. 3.1.4. Kalor yang diperoleh dari hasi pembakaran akan mendorong piston dan menggerakkan sistem mesin secara keseluruhan. 3.1.5. Proses kerja mesin bensin merupakan proses reversible mesin kalor. 3.1.6. Mesin bensin memiliki bagian – bagian utama diantaranya ruang pembakaran, piston, busi, dan injeksi bahan bakar (karburator). 3.1.7. Secara efisiensi dan tingkat polutifnya mesin bensin lebih utama dibandingkan dengan mesin diesel (solar).
15
TINJAUAN PUSTAKA
Tipller, Paul A. 1998. FISIKA Untuk Sains dan Teknik Jilid I (Terjemah). Jakarta: Erlangga. Resnick, Robert & David Halliday. 1984. FISIKA Jilid I Edisi Ketiga (Terjemah). Jakarta: Erlangga. Young, Hugh D. & Roger A. Freedman. 2002. FISIKA UNIVERSITAS Edisi Kesepuluh Jilid I (Terjemah). Jakarta: Erlangga.
16
