LAPORAN PENELITIAN MANDIRI
PENGARUH PENEMPELAN KARBON PADA DUDUKAN KATUP TERHADAP DAYA MOTOR
OLEH : Arthur Y Leiwakabessy, ST., MT. NIDN. 0011017904
UNIVERSITAS PATTIMURA JULI 2014
1
2
RINGKASAN Motor Diesel adalah motor yang pada umumnya dipakai sebagai motor penggerak kendaraan, alat pengangkut, penggerak/pembangkit tenaga listrik (generator) dan lain sebagainya. Motor Diesel terdiri dari beberapa komponen utama (baik yang bergerak maupun yang tidak bergerak) juga beberapa komponen/alat pembantu seperti, sistem start, sistem bahan bakar, sistem pelumasan dan sistem pendinginan motor
Sebuah motor dapat menjalankan fungsinya (motor dapat beroperasi) dengan baik apabila semua komponen motor (baik komponen utama maupun komponen pembuatan) harus berada dalam kondisi teknis yang baik. Artinya pada motor tersebut tidak terjadi kerusakan-kerusakan, perubahan bentuk pada salah satu komponen motor tertentu
Karbon yang menempel pada katup buang motor diesel Deutz penggerak Three Wheel Roller Barata MG. 8 adalah setebal 0,5 mm, yang mengakibatkan terjadinya kebocoran udara pada akhir langkah kompresi sebesar 461,43 cm3 atau 12,55%. Akibat kebocoran tersebut maka terjadilah penurunan unjuk kerja. Setelah terjadinya penempelan karbon pada kepala katup buang yang mengakibatkan terjadinya kebocoran, maka besarnya daya motor efektif (Ne) yang dihasilkan menurun dari 216,8 HP menjadi 208,73 HP.
Kata kunci : Daya Motor,Katup, Penempelan Karbon
3
DAFTAR ISI Judul.......................................................................................................................................1 Halaman pengesahan .............................................................................................................2 Ringkasan...............................................................................................................................3 Daftar Isi ................................................................................................................................4 Bab 1 Pendahuluan ................................................................................................................5 1.latar belakang..........................................................................................................5 2.perumusan masalah.................................................................................................6 3.tujuan penulisan ......................................................................................................6 Bab 2 tinjauan pustaka...........................................................................................................7 1.efisiensi pengisian...................................................................................................7 2.tekanan dan temperature udara kmpresi .................................................................8 3.tekanan dan temperature pembakaran.....................................................................8 4. Tekanan Indikator (Pi) dan Tekanan Efektif (Pe)..................................................9 Bab 3 metodelogi penelitian ..................................................................................................12 II. Hasil dan pembahasan ..................................................................................................14 1.akibat penempelan karbon terhadap kebocoran......................................................14 2.pengaruh kebocoran terhadap unjuk kerja motor ...................................................15 3.proses pembakaran..................................................................................................18 4.perhitungan parameter langkah ekspansi ................................................................24 5.tekanan indicator (Pi)..............................................................................................26 6.tekanan efektif (Pe).................................................................................................27 7.pengaruh kebocoran terhadap daya motor ..............................................................27 III. Penutup........................................................................................................................30 1.kesimpulan ...............................................................................................................30 2.saran .........................................................................................................................30 Daftar pustaka ........................................................................................................................31
4
BAB I PENDAHULUAN
1. Latar Belakang Motor Diesel adalah motor yang pada umumnya dipakai sebagai motor penggerak kendaraan, alat pengangkut, penggerak/pembangkit tenaga listrik (generator) dan lain sebagainya. Motor Diesel terdiri dari beberapa komponen utama (baik yang bergerak maupun yang tidak bergerak) juga beberapa komponen/alat pembantu seperti, sistem start, sistem bahan bakar, sistem pelumasan dan sistem pendinginan motor. Sebuah motor dapat menjalankan fungsinya (motor dapat beroperasi) dengan baik apabila semua komponen motor (baik komponen utama maupun komponen pembuatan) harus berada dalam kondisi teknis yang baik. Artinya pada motor tersebut tidak terjadi kerusakan-kerusakan, perubahan bentuk pada salah satu komponen motor tertentu. Dengan adanya kerusakan, perubahan bentuk pada salah satu komponen motor maka akan sangat mengganggu fungsi atau tugas, yang pada gilirannya akan mengganggu tugas/pengoperasian motor tersebut secara keseluruhan. Katup (valve) merupakan salah satu komponen penting motor (yang bergerak) yang berfungsi untuk mengatur udara bersih atau campuran udara dan bahan bakar ke dalam silinder (fungsi katup masuk) dan gas bekas yang keluar dari dalam silinder motor (fungsi katup buang). Katup buang dalam menjalankan fungsinya dapat mengalami kerusakan-kerusakan atau perubahan bentuk tertentu, terutama karena katup tersebut selalu berhubungan dengan gas panas sisa pembakaran yang ada di dalam silinder motor. Mesin Diesel Deutz merupakan salah satu motor buatan Jerman yang digunakan pada alat berat Three Wheel Roller Barata MG.8/penggilas jalan, mengalami gangguan pengoperasian (motor agak sulit dihidupkan dan mesin tidak dapat beroperasi pada daerah tanjakan) karena adanya
5
penempelan arang karbon pada bagian katup buang (exhaust valve). Menurut pengamatan penulis, ada endapan karbon yang mengeras dan cukup tebal menempel pada permukaan piringan katup buang (exhaust valve) tersebut, maka terjadilah kebocoran pada saat langkah kompresi maupun pada saat langkah ekspansi yang mengakibatkan kinerja motor dan daya motor menjadi berkurang. 2. Perumusan Masalah Melihat latar belakang penulisan maka dapat dirumuskan beberapa masalah sebagai berikut : 1. Katup tidak dapat menutup pada dudukan katup dengan baik karena terganjal pada karbon, sehingga terjadi kebocoran. 2. Akibat fari kondisi tersebut maka daya motor berkurang. 3. Tujuan Penulisan Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Untuk mengetahui ketebalan karbon yang menempel pada katup tersebut. 2. Untuk mengetahui Daya Motor akibat adanya penempelan karbon pada katup buang (exause valve).
6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
A. Pengaruh Ganjalan Katup terhadap Daya Motor 1. Efisiensi Pengisian (ῃch) Efisiensi pengisian untuk motor dengan supercharging dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan berikut : η ch =
Tsup ε Pa 1 Psup Ta 1 γ r
7)
Dimana : ε
= Perbandingan kompresi
Po
= Tekanan udara luar, atm
Tsup
= Temperatur udara dalam supercharging, atm
Psup
= Tekanan udara di dalam supercharging, atm
To
= Temperatur udara luar, OK
γr
= Koefisien gas residu = 0,03 – 0,04
dari persamaan di atas terlihat bahwa bila gas masih menempati sebagian ruang silinder sehingga menghambat udara bersih yang akan menempati ruang silinder yang sama, akan mengakibatkan koefisien gas residu/gas bekas (γr) akan meningkat karena proses pembilasan tidak berlangsung dengan baik. Selain itu akan terjadi perubahan nilai perbandingan kompresi (ε), yaitu : dari rumus di atas terlihat bahwa Vs pada saat langkah kompresi akan berubah karena katup menutup terlambat dari semestinya, yaitu VS akan menjadi kecil. Karena VS mengecil sedangkan VC tetap, maka perbandingan kompresi (ε) akan mengecil. ε
Vs Vc Vc
ε 1
Vs Vc
7
Keadaan seperti tersebut pada gilirannya akan mengurangi efisiensi pengisian ( η ch) motor tersebut. Apabila terjadi ganjalan antara katup dan dudukannya tidak tepat (terlalu rapat atau terlalu longgar/renggang), maka daya motor yang dihasilkan akan menjadi berkurang, yang mana hal tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut. 2. Tekanan dan Temperatur Udara Kompresi Apabila kebocoran katup karena speling antara piringan kepala katup dengan dudukan katup, maka akan terjadi kebocoran sehingga tekanan dan temperatur udara pada akhir langkah kompresi akan menurun dari yang seharusnya. Tekanan dan temperatur udara pada akhir langkah kompresi dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut : Pc = Pa. εn1, kg/cm2. 1) Sedangkan temperatur udara kompresi yang terjadi di dalam silinder adalah : Tc = Ta. εn1-1, oK. 2) 3. Tekanan dan Temperatur Pembakaran Tekanan maksimum di dalam silinder motor pada saat terjadi pembakaran udara kompresi dengan bahan bakar yang disemprotkan oleh nozel injektor adalah : Pz = λ. Pc, atm. 7) Dimana : λ – tingkat kenaikan tekanan. Dari rumus di atas, apabila tingkat kenaikan tekanan tetap, maka dengan berkurangnya tekanan pada akhir langkah kompresi (Pc), maka mengakibatkan tekanan pembakaran maksimum juga akan menurun. Demikian juga terhadap temperatur pembakaran maksimum yang terjadi di dalam silinder motor juga akan menurun. Tekanan pembakaran maksimum yang terjadi di dalam silinder motor dapat dihitung menggunakan persamaan berikut :
8
ξ z Q1 mcv ud 1,985 . Tc μ mcp g . Tz α.L o 1 γ r
3).
Dimana : (mcv)g
= Kalor spesifik gas pada volume konstan (kcal/mol. oC)
(mcv)g
= Ag + Bg. Tz
(mcp)g
= 6,9761 + 0,0006385 Tz
Q1
= Nilai kalor bawah bahan bakar (kcal/kg.bb)
Q1
= 10136,2 kcal/kg.bb
ξz
= Koefisien panas bahan bakar yang berguna
ξz
= 0,65 ÷ 0,85 (untuk motor diesel)
λ
= Perbandingan kenaikan tekanan selama proses pembakaran berlangsung = 1,7 – 2,2
Akibat adanya penurunan tekanan dan temperatur udara pembakaran makan tekanan dan temperatur gas yang pada akhir langkah ekspansi juga akan menurun. Hal ini dapat diikuti melalui rumus berikut ini. Pb Tb
P
δ
z (n 2 1)
T
δ
z (n 2 1)
, atm. , o K.
4)
dan
5)
Dimana : n2
= Eksponen polytropik garis ekspansi = 1,15 – 1,3
δ
= Perbandingan ekspansi total = ρ
ε ρ
μ. Tz . Pc Pz . Tc
ε
= Perbandingan kompresi
ε
= 13 – 14 untuk motor putaran menengah
4. Tekanan Indikator (Pi) dan Tekanan Efektif (Pe) Untuk mendapatkan tekanan indikator di dalam silinder motor, maka perlu dihitung tekanan indikator teoritis yang terjadi di dalam silinder motor, yaitu dengan menggunakan rumus berikut.
9
1 λ ρ 1 λρ 1 δ n 2 1 P Pit c , atm ε 1 1 1 1 1 n 1 1 n1 1 n2 1 ε Dengan memperhitungkan koefisien koreksi diagram indikator (φ) = 0,95 – 0,97, maka tekanan indikator motor adalah : Pi = φ. Pit, atm. Melihat rumus di atas, maka dapat dikatakan bahwa tekanan indikator teoritis akan menurun karena adanya penurunan tekanan pada akhir langkah kompresi (Pc). Jadi jelas juga tekanan indikator motor (Pi) juga akan menurun. B. Daya Motor Daya Motor Indikator (Ni), yaitu daya yang dapat dihasilkan oleh motor tersebut sebagai akibat pembakaran udara kompresi dan bahan bakar yang disemprotkan ke dalam silinder. Daya ini diukur di dalam silinder motor. Besarnya daya indikator motor dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut : RUMUS DISINI Dimana : D
= diameter silinder motor, cm
S
= panjang langkah torak, dm
n
= putaran motor, rpm
i
= jumlah silinder
Pi
= tekanan indikator motor, atm
Z
= koefisien tak
Z
= 2 untuk motor 4 tak =
Z
135 60 x 360 1500
= 1 untuk motor 2 tak
10
Daya Motor Efektif (Ne), adalah daya motor yang dihasilkan oleh putaran poros engkol setelah memperhitungkan semua kehilangan mekanis ( η m) yang terjadi di dalam motor tersebut. Kehilangan mekanis tersebut berkisar antara 0,78 – 0,83 untuk motor 4 tak. Jadi besarnya daya motor efektif adalah : Ne = η m. Ni, PK Dengan adanya penurunan terhadap parameter-parameter motor tersebut diatas (Pi), maka daya yang dihasilkan oleh motor juga akan menurun
11
BAB III METOLOGI PENELITIAN
Merek/Type
: Deutz/MG8
Daya Motor
: 200 HP
D
: 15.5 cm
a
: 4 silinder
s
: 19,5 cm
d
: 2,5 cm
n
: 1500 rpm
Ketebalan Arang
: 0,5
Netto Weight
720.00 KG
Manufacturing Number
KW2600859
Dimension Unit
185 X 76 X 115 CM
Type
Silent Type
12
Benefit
Easy to start Easy to maintenance Noise level â ¤ 85dB Ready to connect with ATS
Features
Panel Digital with COMAP High quality engine and alternator component Built-in AMF system Sound proof type
Specification
Stand by Output (kVA/kW) : 22.3 / 17.8 Prime Output (kVA/kW) : 20.3 / 16.2 Voltage (V): 380 Frequency (Hz):50 Power Factor (PF) : 0.8 Engine Idle Speed (rpm) : 1500 Engine Manufacturing / Model : Perkins / 404D-22G Number of Cylinder : 4 Vertical In-Line Fuel Tank Capacity (â ) : 60 Oil Capacity (â ) : 10.6 Engine Coolant Capacity (â ):7 Fuel Consumption of Standby (â /h) : 6.9 Fuel Consumption of Prime (â /h) : 6.2 Alternator Manufacture / Model : Stamford / PI144D Excitation : Brushless, Self-exited Insulation Class : H Protection Class : IP23
Standard Certificate
-
Lead Time
90
Sales UOM
EA
Warranty Code
23 (More Detail)
Voltage Phase
380 Volt/3 Phase
Capacity
20KVA
Engine Brand
Perkins
Engine Size
None
Excitation System
Brushless
13
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Akibat Penempelan Karbon terhadap Kebocoran Karena terjadi penempelan karbon pada permukaan kepala piringan katup dan dudukannya sebesar 0,5 mm, maka pada saat katup menutup, ada terjadi celah antara piringan katup dengan dudukannya. Pada kondisi ini, maka terjadilah kebocoran udara kompresi pada saat proses kompresi berlangsung dan kebocoran gas pembakaran pada saat terjadi proses pembakaran dan ekspansi. Banyak udara yang bocor per menit pada akhirnya langkah kompresi dapat dihitung sebagai berikut : = Pc x t x A x n, cm3
Vb
= 461,43 cm3 Dimana : p
= tekanan udara kompresi, kg/cm2
t
= lamanya waktu kebocoran, detik. = 0,015 detik
A = luas kebocoran, cm2 = π. d. t = 3,14. 2,5. 0,05 = 0,3925 cm2 Dimana : d adalah diameter piringan katup n – putaran motor, rpm = 1500 rpm Banyaknya udara yang masuk ke dalam silinder motor pada saat sebelum terjadi kebocoran (Vs) adalah : Vs
= π/4. D2. S. = 3,14/4. 15,52. 19,5 = 3677,627 cm3 14
Karena kebocoran maka udara yang tersisa di dalam silinder motor pada akhir langkah kompresi adalah : Vkom
= Vs – Vb = 3677,627 – 461,43 = 3216,197 cm3
Besarnya presentasi volume udara pada akhir langkah kompresi setelah terjadi kebocoran adalah = 87.45% Jadi presentasi volume udara yang bocor pada akhir langkah kompresi adalah 12,55%. Akibat kebocoran pada katup tersebut maka akan terjadi penurunan untuk kerja motor yang pada gilirannya menurunkan daya motor. Vkom
4.2.
3631, 484 x 100% 3677, 627
Pengaruh Kebocoran Terhadap Unjuk Kerja Motor
Perhitungan unjuk kerja motor ini terbagi atas dua bagian, yaitu :
Perhitungan unjuk kerja motor sebelum terjadinya kebocoran pada katup buang karena penempelan karbon, dan
Perhitungan unjuk kerja motor setelah terjadinya penempelan karbon pada kepala katup buang dan dudukannya.
Perhitungan unjuk kerja motor yang dimaksudkan disini adalah meliputi parameter-parameter
pengisian,
kompresi,
pembakaran,
ekspansi,
pembuangan serta tekanan indikator, tekanan efektif dan daya motor. 1) Perhitungan Parameter Pengisian Tekanan Udara sebelum Supercharger (Po’) Po’ = Po’ - Po1 Dimana : Po
= tekanan udara keluar = 1 kg/cm2
Po1
= kerugian tekanan pada pipa pemasukan sebelum super – charger = (0,03 – 0,05). Po = 0,05. Po (diambil)
15
Maka : Po’
= Po – (0,05. Po) = 1 – (0,05 x 1) = 0,95 kg/cm2
Temperatur Udara sesudah Supercharger (Tsup) Tsup
Psup To Po'
n 1 n
Dimana : To
= temperatur udara luar (33 oC) = (273 + 35) = 306 oC
Psup
= tekanan supercharger = (1,20 – 1,35) atm abs (untuk putaran rendah) = 1,35 kg/cm2 (diambil) = 1,35 x 1 = 1,35 kg/cm2
n
= eksponen polytropik untuk udara atmosfir = (1,7 – 2,0) untuk centrifugal supercharger = 1,85 (diambil)
Maka : Tsup
1,35 = 306 x 0,95
1,851 1,85
359,616 o K
Tekanan Awal Langkah Kompresi (Pa) Tekanan gas pada awal langkah kompresi pada sistem didesain untuk pengisian silinder dengan campuran udara bahan bakar atau udara kerja yang dapat ditentukan sebagai berikut : Pa
= (0,9 ÷ 0,95) Psup kg/cm2 = 0,95 Psup (dipilih) = 0,95 x 1,35
Pa
= 1,2825 kg/cm2
Temperatur Awal Langkah Kompresi (Ta)
16
Temperatur gas di dalam silinder pada awal langkah kompresi dihitung sebagai berikut : Ta
=
Tsup t w r Tr 1 r
Dimana : γr
= koefisien gas residu = (0,03 – 0,14) untuk motor empat langkah = 0,03 (diambil)
∆tw = kenaikan temperatur dalam silinder karena bersentuhan dengan dinding silinder yang panas. = (10 oC – 15 oC) untuk motor 4 langkah dengan Supercharger = 15 oC (diambil) Tr
= temperatur gas residu = 750 K (berdasarkan referensi dari 700-800 K)
Maka : Ta
=
359,616 15 (0,03 x 750) 1 0,03
= 385,55 OK Efisiensi Pengisian ( η ch) Efisiensi pengisian dihitung berdasarkan persamaan berikut : η ch =
Tsup ε Pa ε 1 Tsup Ta 1 γ r
η ch =
15 x 1,2825 x 359,616 15 1 x 1,35 x 385,55 x 1 0,03
η ch = 0,922
2) Perhitungan Parameter Kompresi Tekanan dan temperatur pada akhir langkah kompresi sebelum terjadi kebocoran dapat dihitung sebagai berikut : Tekanan Akhir Kompresi (Pc) Pc Pc = Pa εn1 Pc
= 1,2825 x 15 (1,3690 - 1) 17
Pc
= 52,25 kg/cm2
Dimana : n1
= eksponen politropik = (1,34 – 1,39)
Jika diasumsikan kalor pada langkah kompresi (Qc = 0) adalah proses adiabatik, maka n1 = k1, dan dengan menggunakan persamaan kesetimbangan energi untuk jumlah mol gas pada langkah kompresi, pangkat eksponen pada garis politropik dapat ditentukan sebagai berikut : A + B Ta (εn1 – 1) + 1) =
1,985 n1
Dimana : A dan B
= Koefisien gas
A = 4,62 dan B = 53 x 10-5 4,62 + (53 x 10-5 x 385,55) x
(15 (n1-1) + 1) =
1,985 n1
Dengan menggunakan metode trial and error diperoleh n1 ≈ 1,3690 4,62 + (53 x 10-5 x 385,55) x [15(1,3690)-1) + 1] = 1,985 ; 5,37939 5,37940 1,3690 1
Temperatur Akhir Kompresi (Tc) Tc
= Ta εn1-1) = 385,55 x 15(1,3690 – 1) = 385,55 x 15(0,3690)
Tc
= 1047,27 oK
Setelah terjadi kebocoran 12,55% maka banyaknya udara yang tertampung di dalam silinder motor pada akhir langkah kompresi adalah sebanyak 87,45%. Besarnya tekanan dan temperatur pada akhir langkah kompresi setelah terjadi kebocoran tersebut adalah :
18
3) Proses Pembakaran Jenis bahan bakar yang digunakan adalah bensin dengan rumus kimia C8H18 nilai kalor bawah (LHV) adalah 10582 kcal/kgbb dan komposisi bahan bakar sebagai berikut : a) Prosentase Bahan Bakar Berdasarkan spesifikasi bahan bakar solar dari PERTAMINA diperoleh komposisi kimia bahan bakar sebagai berikut :
Karbon
C = 87%
Hidrogen
H = 12,6%
Oksigen
O2 = 0,4%
Jumlah oksigen di udara sebesar 21% Perbandingan udara dan bahan bakar teoritis yang diperlukan untuk proses pembakaran adalah : Lo’
=
1 C H O 0,21 12 4 32
Lo’
=
1 0,87 0,126 0,004 0,21 12 4 32
Lo’
= 0,495 mol/kgbb
Berdasarkan referensi untuk koefisien perbandingan udara dan bahan bakar teoritis dan aktual untuk motor bensin, α
= 1,3 ÷ 1,7 dan diambil □ = 1,6
sehingga jumlah kebutuhan udara sesungguhnya yang digunakan pada proses pembakaran adalah : L’
= α. Lo
L’
= 1,6 x 0,495
L’
= 0,792 mol/kgbb
Pembakaran 1 kg bahan bakar menghasilkan produk hasil pembakaran sebagai berikut :
Karbon dioksida CO2 : MCO2
=
C 0,87 0,0725 mol 12 12
Uap air H2O
19
MH2O
H 0,126 0,063 mol 2 2
=
Oksigen O2 MO2
= 0,21 x (α – 1) x Lo’
MO2
= 0,21 x (1,6 – 1) x 0,495
MO2
= ,06237 mol
Nitrogen N2 MN2
= 0,79 x α x Lo’
MN2
= 0,79 x 1,6 x 0,495
MN2
= 0,62568 mol
b) Jumlah Total Mol Produk Hasil Pembakaran Mg
= MCO2 + MH2O + MO2 + MN2
Mg
= 0,0725 + 0,063 + 0,06237 + 0,62568
Mg
= 0,82355 mol
c) Perbandingan Relatif Komponen Hasil Pembakaran VO2 =
VN2 =
VHO2 =
VCO2 =
M O2 Mg M N2 Mg M H 2O Mg M C 2O Mg
0,06237 0,07573 0,82355
0,62568 0,75973 0,82355
0,063 0,07650 0,82355
0,0725 0,08803 0,82355
d) Jumlah Total Koefisien Panas Spesifik Campuran Gas Ag
= VCO2 ACO2 + VH2O AH2O + VO2 AO2 + VN2 AN2
Bg
= VCO2 BCO2 + VH2O BH2O + VO2 BO2 + VN2 BN2
Dimana : = 7,82 BCO2
= 0,00125 kcal/mol OC
AH2O = 5,79 BH2O
= 0,00112 kcal/mol OC
AO2
= 0,00053 kcal/mol OC
ACO2
= 4,62 BO2
20
= 0,00053 kcal/mol OC
AN2
= 4,62 BN2
Ag
= (0,08803 x 7,82) + (0,0765 x 5,79) + 4,62 x (0.07573
Jadi,
+ 0,75973) Ag
= 0,6883946 + 0,442935 + 3,8598252
Ag
= 4,9911 kcal/mol OC
Bg
= (0,08803 x 0,00125) + (0,07650 x 0,00112) + 0,00053 x (0,07573 + 0,75973)
Bg
= 0,0001100385 + 0,00008568 + 0,0004427938
Bg
= 0,0006385 kcal/mol OC
e) Kapasitas Panas Molar Rata-Rata (isokhorik) Udara pada Volume Konstan dan Temperatur Kompresi (Tc) (mcv)ud
= Ag + Bg Tc
(mcv)ud
= 4,9911 + (0,0006385 x 1047,27)
(mcv)ud
= 5,65978 kcal/mol OC
Kapasitas panas molar rata-rata (isokhorik) udara pada volume konstan dan temperatur kompresi (Tc) setelah kebocoran. (mcv)ud
= Ag + Bg Tc
(mcv)ud
= 4,9911 + (0,0006385 x 915,838)
(mcv)ud
= 5,5759 kcal/mol OC
f) Kapasitas Panas Molar Rata-Rata (isokhorik) Gas pada Volume Konstan dan Temperatur Pembakaran Maksimum (Tz) (mcv)gas
= Ag + Bg Tz = 4,9911 + 0,0006385 Tz
g) Kapasitas Panas Molar Rata-Rata (isobarik) Gas pada Tekanan Konstan dan Temperatur Pembakaran Maksimum (Tz) (mcp)gas = (mcp)gas + 1,985 = 4,9911 + 0,0006385 Tz + 1,985 = 6,9761 + 0,0006385 Tz h) Nilai Kalor Bawah Bahan Bakar (LHVbb)
21
Nilai kalor bawah bahan bakar dapat ditentukan berdasarkan persamaan pendekatan Madelev’s sebagai berikut : LHVbb
= 81 C + 246 H – 26 O
LHVbb
= 42438,24 kJ/kgbb
i) Koefisien Molar Gas Residu Campuran bahan bakar selalu menghasilkan mol gas residu, perubahan aktual di dalam mol gas akan mempengaruhi karakteristik koefisien molar, yang dinyatakan dengan persamaan berikut ini : μ=
μo γr 1 γr
Dimana μo
= Koefisien kimia perubahan molar
μo
=
μ
= 1,0386
Mg L
0,82355 1,0398 jadi, 0,792
j) Tekanan dan Temperatur Hasil Pembakaran Berdasarkan persamaan kesetimbangan energi, tekanan dan temperatur maksimum dari hasil pembakaran dapat ditentukan dengan persamaan berikut :
Temperatur Maksimum (Tz) ξ z Q1 mc v ud 1,985 λ . Tc μ α.L o 1 γ r
mc . T p g
z
Dimana : (mcv)g
= Kalor spesifik gas pada volume konstan (kcal/mol O
C)
(mcv)g
= Ag + Bg. Tz
(mcp)g
= 6,9761 + 0,0006385 Tz
Q1
= Nilai kalor bawah bahan bakar kcal/kgg.bb)
Q1
= 10136,2 kcal/kg.bb
22
ξz
= Koefisien panas bahan bakar yang berguna
ξz
= 0,65 ÷ 0,85 (untuk motor diesel)
ξz
= 0,75 (diambil)
λ
= Perbandingan kenaikan tekanan selama proses pembakaran berlangsung = 1,7 – 2,2 = 1,7 (diambil)
Jadi : 0,75 x 10136,2 5,65978 1,985 x 1,7 x 1047,27 1,6 x 0,495 x (1 0,03) 1,0386 x (6,9761 0,0006385 Tz ) x Tz 18780,43162 7,2454 Tz 0,00066315 (Tz ) 2 Dengan menggunakan persamaan matematika (rumus abc) nilai temperatur maksimum hasil pembakaran diperoleh sebagai berikut : Tz =
7,2454
7,24542 4 x 0,00066315 x 18780,43162 2 x 0,00066315
Tz = 2162,028 OK Setelah terjadi kebocoran pada katup akibat penempelan karbon pada permukaan kepala katup buang, maka temperatur pembakaran maksimum (Tz) adalah : 0,75 x 10136,2 5,576 1,985 x 1,7 x 915,838 1,038 1,6 x 0,495 x (1 0,03) x (6,9761 0,0006385 Tz ) x Tz
Dengan menggunakan persamaan matematika (rumus abc) nilai temperatur maksimum hasil pembakaran diperoleh sebagai berikut : Tz =
7,2454
7,24542 4 x 0,00066315 x 17516.2176 2 x 0,00066315
Tz = 2037,6612 OK
23
Tekanan Maksimum (Pz) Untuk tekanan pembakaran maksimum dapat dihitung dengan persamaan berikut ini : Pz = λ x Pc Dimana : λ = Perbandingan kenaikan tekanan selama proses pembakaran = 1,7 – 2,2 = 1,95 (diambil) Jadi : Pz = 1,95 x 52,2548 = 101,8969 kg/cm2 Nilai hasil perhitungan memenuhi batas yang diizinkan, yaitu : Pz = (55 - 140) kg/cm2 Setelah terjadi kebocoran karena penempelan karbon pada permukaan kepala katup buang maka tekanan pembakaran maksimum (Pz) yang terjadi di dalam silinder adalah : Pz = 1,95 x 45,693 = 89,1014 kg/cm2 Untuk nilai derajat pendahuluan garis ekspansi ditentukan sebagai berikut : ρ=
μ. Tz . Pc 1,0386 x 2162,028 x 52,2548 1,099 Pz . Tc 101,8969 x 1047,27
Nilai derajat pendahuluan garis ekspansi setelah terjadi kebocoran karena penempelan karbon pada permukaan kepala katup buang adalah : ρ=
4.3.
μ. Tz . Pc 1,0386 x 2037,6612 x 45,693 1,185 Pz . Tc 89,1014 x 915,838
Perhitungan Parameter Langkah Ekspansi Tekanan pada langkah ekspansi dapat dituliskan dalam bentuk persamaan berikut : Pb =
Pz δn2
24
Untuk siklus volume konstan derajat pertambahan proses ekspansi (δ) sama dengan perbandingan kompresinya (ε). Nilai pangkat ekponen politropik garis ekspansi (n2) untuk proses ekspansi dapat ditentukan sebagai berikut :
1 1,985 Ag + Bg + Tz 1 n 2 1 δ n2 1 Dimana : n2 = Eksponen polytropik garis ekspansi = 1,15 – 1,3 δ
= Perbandingan ekspansi susulan =
ε 15 13,648 ρ 1,099
1 1,985 4,9911 + [0,0006385 x 2162,028] x 1 (n 2 1) 13,648 n2 1 dengan menggunakan metode trial and error (coba-coba) diperoleh nilai eksponen politropik, n2 ≈ 1,2822. 1 1,985 4,9911 + [0,0006385 x 2162,028] x 1 (1,2822 - 1) 13,6354 1,2822 1
Tekanan Akhir Ekspansi (Pb) Pb
=
Pz δn2
Pb
= 3,7088 kg/cm2
Temperatur Akhir Ekspansi (Tb) adalah : Tb
=
P
δ
z (n 2 1)
Tb
= 1034,057 OK
Untuk kondisi setelah terjadi kebocoran katup karena penempelan karbon maka besarnya tekanan dan temperatur pada akhir langkah ekspansi adalah :
Tekanan Akhir Ekspansi (Pb) Pb
=
Pz δn2
Pb
=
89,10135 12,661,287
Pb
= 3,397 kg/cm2
Tb
= 1005,21 OK
Temperatur Akhir Ekspansi (Tb) adalah : Tb
=
P
δ
z (n 2 1)
Tb
=
2037,6612 12,66(1,287 1)
Dimana perbandingan ekspansi susulan setelah terjadi kebocoran pada katup adalah : 25
δ
ε 15 = = 12,66 ρ 1,185
1 1,985 4,9911 + [0,0006385 x 2037,6612] x 1 (n 2 1) 12,66 n 2 1 dengan menggunakan metode trial and error (coba-coba) tidak dipeoleh nilai eksponen politropik yang dapat menghasilkan nilai pada ruas kiri sama dengan nilai ruas kanan dari persamaan tersebut di atas. Nilai ruas kiri yang paling mendekati nilai ruas kanan hanya pada n2 ≈ 1,287.
4,9911 + [0,0006385 x 2037,6612] x 1
12,66
1 (1,287 1)
1,985 6,9200 6,916 1,287 1
Dengan demikian nilai n2 tidak memenuhi ketentuan tersebut di atas (n2 = 1,15 – 1,30) 4.4.
Tekanan Indikator (Pi) Untuk menghitung tekanan indikator sebenarnya terlebih dahulu harus dihitung tekanan indikator teoritis berdasarkan persamaan berikut :
Pc 1 1 1 1 n 1 1 λ ρ 1 λρ 1 n 2 1 ε 1 δ n2 1 ε
Pit
=
Pit
= 9,1180 kg/cm2
Dengan mengalikan faktor koreksi diagram indikator (φ), maka diperoleh tekanan indikator sebenarnya sebagai berikut : Pi = φ. Pit Dimana : φ = Faktor koreksi diagram indikator φ = 0,95 ÷ 0,97 φ = 0,97 (diambil) Jadi tekanan indikator sebenarnya adalah : P1 = 0,97 x 9,1180 P1 = 8,844 kg/cm2 Hasil perhitungan tekanan indikator memenuhi syarat berdasarkan referensi, yaitu 8,5 ÷ 17 kg/cm2.
26
Setelah terjadi kebocoran pada katup buang karena penempelan karbon, maka besarnya tekanan indikator adalah :
Pc 1 1 1 1 n 1 1 λ ρ 1 λρ 1 n 2 1 ε 1 δ n2 1 ε
Pit
=
Pit
= 8,777 kg/cm2
Dengan mengalikan faktor koreksi diagram indikator (φ), maka diperoleh tekanan indikator sebenarnya sebagai berikut : Pi = φ. Pit Dimana : φ = Faktor koreksi diagram indikator φ = 0,95 ÷ 0,97 φ = 0,97 (diambil) Jadi tekanan indikator sebenarnya adalah : P1 = 0,97 x 9,1180 P1 = 8,5137 kg/cm2 4.5.
Tekanan Efektif (Pe) Besarnya tekanan efektif diperoleh dengan mengalikan efisiensi mekanis ( η m) terhadap tekanan indikator sebagai berikut : Pe = η m x Pi Dimana : η m = Efisiensi mekanis η m = 0,80 ÷ 0,88 (untuk motor diesel dengan supercharger) η m = 0,88 (diambil)
sehingga diperoleh tekanan efektif : Pe = 0,88 x 8,844 kg/cm2 Pe = 7,7831 kg/cm2 Besarnya tekanan (Pe) motor setelah terjadinya kebocoran karena penempelan karbon pada piringan katup adalah : Pe = 0,88 x 5,5137 kg/cm2 Pe = 7,4921 kg/cm2
27
4.6. Pengaruh Kebocoran Katup terhadap Daya Motor 1. Daya Motor Indikator Daya indikator (Ni) menyatakan daya yang dihasilkan gas di dalam silinder per unit waktu, atau dapat dinyatakan dengan rumus berikut ini : Ni
=
P1. Vs.n.i 0,45z
Dimana : Vs
= Volume silinder
Vs
= 0,03379 m3
n
= Putaran mesin
n
= 650 rpm
i
= Jumlah silinder
i
= 8 (delapan)
z
= Koefisien tak
z
= 2 (untuk motor 4-langkah)
Sehingga daya indikatornya adalah : 8,844 x 0,003677672 x 1500 x 4 0,45 x 2
Ni
=
Ni
= 216,8 HP
No
Parameter Kinerja Motor
1. 2. 3. 4.
Tekanan Kompresi, Pc Tekanan Pembakaran, Pz Tekanan Indikator, Pi Tekanan Efektif, Pe
Kondisi Normal 52,2548 kg/cm2 101,8969 kg/cm2 8,844 kg/cm2 7,7981 kg/cm2
Kondisi setelah Ketidaklonggaran Katup 45,693 kg/cm2 89,1035 kg/cm2 8,5137 kg/cm2 7,4921 kg/cm2
Setelah terjadi kebocoran pada katup, maka besarnya daya indikator (Ni) yang dihasilkan motor adalah : 8,5137 x 0,003677672 x 1500 x 4 0,45 x 2
Ni
=
Ni
= 208,7 HP
28
2. Daya Motor Efektif Daya efektif menyatakan daya guna dari mesin yang berfungsi untuk menggerakkan poros. Daya efektif dihitung sebagai berikut : Ne
= η m x Ni
Ne
= 0,88 x 216,8 HP
Ne
= 190,784 HP
Setelah terjadi kebocoran karena penempelan karbon pada piringan katup, maka besarnya daya efektif motor adalah : Ne
= η m x Ni
Ne
= 0,88 x 208,7 HP
Ne
= 183,656 HP
29
BAB V PENUTUP
5.1. Kesimpulan
Karbon yang menempel pada katup buang motor diesel Deutz penggerak Three Wheel Roller Barata MG. adalah setebal 0,5 mm, yang mengakibatkan terjadinya kebocoran udara pada akhir langkah kompresi sebesar 461,43 cm3 atau 12,55%.
Akibat kebocoran tersebut maka terjadilah penurunan unjuk kerja.
Setelah terjadinya penempelan karbon pada kepala katup buang yang mengakibatkan terjadinya kebocoran, maka besarnya daya motor efektif (Ne) yang dihasilkan menurun dari 216,8 HP menjadi 208,73 HP.
5.2. Saran Dapatlah diberi beberapa saran sebagai berikut : 1. Harus diusahakan terjadinya pembakaran sempurna antara udara dan bahan bakar di dalam ruang silinder motor. Untuk maksud ini maka diusahakan udara yang dimasukan harus cukup untuk membakar bahan bakar, udara harus bercampur dengan baik dan nozel injektor harus selalu dalam kondisi baik. 2. Harus diusahakan jangan sampai minyak pelumas masuk ke dalam ruang bakar dan terbakar pada saat terjadinya proses pembakaran karena akan menimbulkan jelaga atau karbon di dalam ruang bakar. 3. Harus dilakukan pembersihan karbon secara periodik, terutama pada kepala katup agar tidak menimbulkan celah antara kepala katup dengan dudukannya guna menghindari terjadinya kebocoran dari dalam ruang silinder motor.
30
DAFTAR PUSTAKA
1. Anonimous, Pengetahuan Dasar Motor Diesel. 2. BPM, Arends, H Berenschot, Motor Bensin, Erlangga, Jakarta 1980. 3. Djati Nursuhud MSME., Ir., Diktat Pengantar Mesin-Mesin Konversi Energi, Fakultas Teknologi Industri ITS, Surabaya, 1990. 4. Nokoela Soenarta, Shoichi Furuhama, Motor Serbaguna, PT Pradnya Paramita, Jakarta, 1985. 5. Susahyo., Otomotif Mesin Tenaga, Tiga Serangkai, Surakarta, 1997.
31
