RANCANGAN TURBOCARJER UNTUK MENINGKATKAN PERFORMANSI MOTOR DIESEL

RANCANGAN TURBOCARJER UNTUK MENINGKATKAN PERFORMANSI MOTOR DIESEL DAYA

: 80 HP

PUTARAN

: 2250 RPM

SKRIPSI

Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

RUSLI INDRA HARAHAP NIM

:040401064

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

1

Universitas Sumatera Utara

SKRIPSI

MOTOR BAKAR

RANCANGAN TURBOCARJER UNTUK MENINGKATKAN PERFORMANSI MOTOR DIESEL DAYA

: 80HP

PUTARAN

: 2250 RPM

OLEH :

RUSLI INDRA HARAHAP NIM

:040401064

Telah disetujui dari Hasil Seminar Skripsi

Periode ke– Tanggal 10 Oktober 2009

Dosen Pembanding I

Dosen Pembanding II

Tulus B. Sitorus, ST,MT

Ir. Mulfi hazwi, Msc

NIP : 132 282 136

NIP : 131 754 527

2


KATA PENGANTAR

Puji syukur dan terima kasih penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Kuasa, atas berkat, rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini dengan baik. Adapun Tugas Sarjana ini merupakan tugas akhir untuk menyelesaikan studi pada jenjang Pendidikan Sarjana (S1) Teknik Mesin menurut kurikulum Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan. Tugas Sarjana ini merupakan bagian dari mata kuliah “Motor Bakar” yaitu dengan

judul,

“RANCANGAN

TURBOCARJER

UNTUK

MENINGKATKAN PERFORMANSI MOTOR DIESEL DAYA 8O HP PUTARAN 2250 RPM”.

Dalam menyelesaikan Tugas ini penulis telah

mencoba semaksimal mungkin guna tersusunnya Tugas Sarjana ini. Namun Penulis masih menyadari bahwa tulisan ini tidak lepas dari kekurangankekurangan baik dalam penulisan maupun penyajian Tugas Sarjana ini. Untuk itu dengan segala kerendahan hati Saya mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak yang bersifat membangun demi kesempurnaan Tugas Sarjana ini. Dengan terselesainya Tugas Sarjana ini, pada kesempatan ini Penulis mengucapkan terima-kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Orang Tua (B.N harahap/ R. Siregar) dan seluruh keluarga tercinta yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materil. 2. Bapak Ir.Isril Amir selaku dosen pembimbing Tugas Sarjana yang telah meluangkan waktu untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.

3


3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara . 4. Bapak Tulus Burhanuddin, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara . 5. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai di Lingkungan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. . 6. Ucapkan terima-kasih kepada Mahasiswa Teknik Mesin khususnya sesama rekan-rekan stambuk 2004.

Akhir kata, Penulis mengharapkan, semoga Tugas Sarjana ini dapat bermanfaat untuk kita semua.

Medan, Oktoberr 2009 Penulis

Rusli Indra Harahap NIM : 040401064

4


DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

AGENDA

: 818/TS/2009

FAKULTAS TEKNIK USU

DITERIMA TGL

:

PARAF

:

MEDAN

/

/2009

TUGAS SARJANA

NAMA

: RUSLI INDRA HARAHAP

NIM

: 040401064

MATA PELAJARAN

: MOTOR BAKAR

SPESIFIKASI

: RANCANGAN TURBOCARJER UNTUK

PERFORMANSI MOTOR DIESEL

DAYA

: 80HP

PUTARAN

: 2250 RPM

DIBERIKAN TANGGAL

: 01 / 04 / 2009

SELESAI TANGGAL

: 25 / 09 / 2009

MEDAN, 01 Oktober 2009 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN,

DOSEN PEMBIMBING,

Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri

IR. ISRIL AMIR

NIP. 132 018 668

NIP. 130 517 501

5


DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ..................................................................................

i

SPESIFIKASI TUGAS ................................................................................

iii

KARTU BIMBINGAN ................................................................................

iv

DAFTAR ISI ................................................................................................

v

DAFTAR GAMBAR ....................................................................................

x

DAFTAR TABEL ........................................................................................ xii DAFTAR NOTASI ....................................................................................... xiii

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................

1

1.1 Latar Belakang ...........................................................................

1

1.2 Tujuan Penulisan ........................................................................

2

1.3 Batasan Masalah .........................................................................

2

1.4 Metodologi Penulisan .................................................................

3

1.5 Sistematika Penulisan .................................................................

3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA .................................................................

5

2.1 Motor Diesel ...............................................................................

5

2.2 Motor Diesel Shovel Loader ........................................................

8

2.3 Turbocarjer ..................................................................................

8

2.3.1 Pengertian Turbocarjer ..................................................... .....

8

6


2.3.2 Manfaat Pemakaian Turbocarjer ...................................... .....

9

2.3.3 Klasifikasi Turbocarjer .......................................................... 11 2.3.3.1 Turbocarjer Sistem Tekanan Konstan ...................... 11 2.3.3.2 Turbocarjer Sistem Pulsa ......................................... 12 2.3.3.3 Turbocarjer Sistem Konverter- Pulsa ....................... 13 2.3.4 Bagian-Bagian Utama Turbocarjer ...................................... 14 2.3.4.1 Turbin ..................................................................... 16 2.3.4.2 Kompresor .............................................................. 19 2.4

Siklus Termodinamika Motor Diesel dengan Turbocarjer .......... 24

2.5 Perbandingan Siklus Termodinamika Motor Diesel dengan Turbocarjer dan tanpa Turbocarjer ............................................. 27

BAB III PERHITUNGAN & ANALISA TERMODINAMIKA ............... 28 3.1 Idealisasi Analisa Termodinamika .............................................. 28 3.2

Mekanisme Kerja Turbocarjer ................................................... 30

3.3

Penetapan Siklus Termodinamika .............................................. 32

3.4 Bahan Bakar yang Digunakan .................................................... 33 3.5 Perbandingan Bahan Bakar dan Udara (F/A) .............................. 34 3.6

Pemilihan Perbandingan Kompresi ............................................ 36

3.7

Perhitungan

Termodinamika

Motor

Diesel

dengan

Turbocarjer ................................................................................ 36 3.7.1 Laju Aliran Gas Buang Masuk Turbin ............................. 38 3.7.2 Laju Aliran Udara Melalui Kompresor ............................ 41 3.7.3 Penetapan Perencanaan

............................................... 42

7


3.7.4 Kondisi Udara Masuk dan Keluar Turbin ........................ 43 3.7.5 Kondisi Udara Masuk dan Keluar Kompresor ................. 45 3.7.6 Perhitungan Termodinamika pada Ruang Bakar .............. 48 3.7.7 Tekanan Indikator Rata-Rata ........................................... 57 3.7.8 Tekanan Efektif Rata-Rata .............................................. 58 3.7.9 Kerja Indikator ................................................................ 58 3.7.10 Kerja Efektif .................................................................. 59 3.7.11 Kerja Mekanik yang Hilang ........................................... 60 3.7.12 Daya Indikator ............................................................... 60 3.7.13 Daya Efektif ................................................................... 61 3.7.14 Konsumsi Bahan Bakar Tiap Jam ................................... 61 3.7.15 Pemakaian Bahan Bakar Spesifik ................................... 63 3.8 Perhitungan Termodinamika Motor Diesel tanpa Turbocarjer ...... 64 3.8.1 Perhitungan Termodinamika dalam Ruang Bakar ........... 65 3.8.2 Tekanan Indikator Rata-Rata .......................................... 73 3.8.3 Tekanan Efektif Rata-Rata .............................................. 73 3.8.4 Kerja Indikator ............................................................... 74 3.8.5 Kerja Efektif ................................................................... 75 3.8.6 Kerja Mekanik yang Hilang ............................................ 75 3.8.7 Daya Indikator ................................................................ 76 3.8.8 Daya Efektif ................................................................... 76 3.8.9 Konsumsi Bahan Bakar Tiap Jam ................................... 77 3.8.10 Pemakaian Bahan Bakar Spesifik ................................... 79

8


3.9

Persentase Kenaikan Daya Efektif ............................................. 79

3.10 Persentase Penurunan Pemakaian Bahan Bakar Spesifik ............ 79 3.11 Efesiensi Turbocarjer ................................................................ 80 3.12 Daya Turbin dan Kompresor Turbocarjer .................................. 81 3.13 Putaran Turbin dan Kompresor ................................................ 83

BAB IV PERHITUNGAN TURBOCARJER ............................................ 86 4.1 Perencanaan Turbin .................................................................... 86 4.1.1 Temperatur dan Tekanan gas Keluar Nosel ................... 88 4.1.2 Perhitungan Segitiga kecepatan ..................................... 92 4.1.3 Temperatur dan Tekanan Gas Keluar Turbin ................. 97 4.1.4 Perhitungan Dimensi Turbin .......................................... 98 4.1.5 Pemeriksaan Kekuatan Sudu Turbin .............................. 101 4.1.6 Diameter Poros Turbin .................................................. 108 4.1.7 Pemeriksaan Kekuatan Poros Turbin ............................. 111 4.2 Perencanaan Kompresor ............................................................. 113 4.2.1 Kerja Spesifik ............................................................... 114 4.2.2 Tinggi Tekan Kompresor .............................................. 115 4.2.3 Kecepatan Udara Masuk Kompresor ............................. 115 4.2.4 Volume Aliran Masuk Kompresor Sentrifugal (Vs) ....... 115 4.2.5 Perhitungan Dimensi Kompresor ................................... 116 4.2.6 Segitiga Kecepatan pada Kompresor ............................. 121 4.2.7 Perencanaan Sudu ......................................................... 126

9


BAB V KESIMPULAN & SARAN ........................................................... 131 5.1 Turbocarjer ................................................................................. 131 5.2 Motor Bakar .............................................................................. 132 5.3 Saran ......................................................................................... 133

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................... 134 LAMPIRAN

10


DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 2.1 Skema instalasi sederhana turbocarjer Gambar 2.2

Gambar 2.3

9

Turbocarjer sistem tekanan konstan (constant pressure system)

11

Turbocarjer sistem pulsa (pulse system)

12

Gambar 2.4 Turbocarjer sistem konverter pulsa (pulse-converter system) 13 Gambar 2.5 Bagian-bagian assembling turbocarjer

14

Gambar 2.6 Turbin gas radial aliran masuk kantilever

17

Gambar 2.7

17

Diagram segitiga kecepatan dari turbin radial kantilever

Gambar 2.8. Turbin gas radial aliran masuk campur

18

Gambar 2.9 Diagram segitiga kecepatan dari turbin radial campur

18

Gambar 2.10 Kompresor tipe V

19

Gambar 2.11 Kompresor rotary

20

Gambar 2.12 Kompresor aksial

21

Gambar 2.13 Kompresor sentrifugal

22

Gambar 2.14 Siklus ideal tekanan terbatas pada mesin Diesel

25

Gambar 2.15 Siklus ideal tekanan terbatas dengan menggunakan turbocarjer

26

Gambar 2.16 Perbandingan mesin Diesel dengan dan tanpa turbocarjer pada siklus tekanan terbatas dengan rasio kompresi yang sama

27

11


Gambar 3.1 Mekanisme kerja sederhana turbocarjer waktu langkah buang Gambar 3.2

30

Diagram P-V untuk siklus ideal tekanan terbatas pada motor Diesel

33

Gambar 3.3 Diagram P-V untuk siklus tekanan terbatas dengan turbocarjer

36

Gambar 3.4 Diagram h-s untuk turbin

43

Gambar 3.5 Diagram h-s untuk kompresor

45

Gambar 3.6 Diagram P-V siklus gabungan pada motor Diesel

64

Gambar 3.7

Performa kompresor turbocarjer

83

Gambar 4.1

Diagram h-s untuk turbin gas radial aliran masuk

87

Gambar 4.2

Segitiga kecepatan masuk

92

Gambar 4.3 Segitiga kecepatan keluar

93

Gambar 4.4 Hubungan antara sudut aliran masuk ( α 2 ) dengan jumlah sudu turbin gas Gambar 4.5

Diagram h-s untuk kompresor

99 113

Gambar 4.6 Diagram Cordier

120

Gambar 4.7 Segitiga kecepatan masuk kompresor

121

Gambar 4.8 Segitiga kecepatan keluar kompresor

123

12


DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 2.1 Perbandingan umum untuk beberapa jenis kompresor

23

Tabel 3.1 Perbandingan motor diesel dengan turbocarjer dan tanpa turbocarjer

85

Tabel 4.1 Baja paduan untuk poros

108

Tabel 4.2 Jenis-jenis faktor koreksi berdasarkan daya yang akan ditransmisikan

110

13


DAFTAR NOTASI

Notasi

Arti

Satuan

A

Luas

m2

AF

Perbandingan udara dengan bahan bakar

kgudara/kgb.bakar

b1

Lebas sisi masuk impeler kompresor

m

b2

Lebar sisi keluar impeler kompresor

m

C

Kecepatan absolut

m/s

Cb

Faktor beban lentur

Cm2

Kecepatan relatif masuk

m/s

Co

Kecepatan pancar (spouting velocity)

m/s

Cpa

Kalor panas spesifik udara

kJ/kgK

Cpe

Kalor panas spesifik gas

kJ/kgK

c

Panjang chord

m

cs

Kecepatan udara masuk kompresor

m/s

DN

Diameter hubungan kompresor

m

Dp

Diameter poros

m

Ds

Diameter mata impeller

m

F

Konsumsi bahan bakar spesifik

kg/hp-hr

FA

Perbandingan bahan bakar udara

kgb.bakar/kgudara

Fh

Konsumsi bahan bakar tiap jamnya

kg/hr

Fi

Konsumsi bahan bakar indikator

kg/hp-hr

fc

Faktor koreksi

14


g

Gravitasi

m/s2

H

Tinggi tekan kompresor

m kol.udara

h

Enthalpi

kJ/kg

KT

Faktor koreksi momen puntir

L

Panjang langkah

m

LHV

Nilai kalor pembakaran bawah

kJ/kg

L’

Jumlah udara aktual yang dibutuhkan

kg/mole

M

Bilangan much number

Mg

Mole gas hasil pembakaran

mole/kg

Mp

Momen puntir

kg.mm

ma

Berat molekul udara

kg/mole

.

meg

Laju aliran gas masuk turbin

kg/s

.

mK

Laju aliran udara melalui kompresor

kg/s

N

Putaran

rpm

Nb

Daya efektif

hp

Ni

Daya indikator

hp

P

Tekanan

Pa

Pd

Daya perencanaan

kW

qin

Kalor masuk persatuan massa

kJ/kg

r

Jari-jari

m

Sy

Kekuatan tarik bahan

MPa

Sf

Faktor keamanan

Sf1

Fakor keamanan akibat kelelahan puntir

15


Sf2

Faktor alur pasak

T

Temperatur

TMA

Titik mati atas

TMB

Titik mati bawah

U

Energi dalam

kJ/kg

u

Kecepatan tangensial

m/s

V

Volume

m3

υs

Kapasitas isap

m3/s

W

Kerja total

kJ

Daya turbin

hp

WK

Daya kompresor

hp

w

Kecepatan relatif masuk

m/s

Y

Kerja spesifik

kJ/kg

Z

Jumlah sudu

z

Fungsi dari sudut chamber dan thickness chord ratio

K

'

'

WT '

α

2

Sudut aliran masuk turbin

β1

Sudut sudu pada sisi masuk kompresor

β3

Sudut sudu pada aliran keluar pada turbin

β2

Sudut sudu pada sisi keluar kompresor

β 2r

Sudut sudu pada sisi masuk root pada turbin

β 3r

Sudut sudu pada sisi keluar root pada turbin

γa

Eksponen udara

16


γe

Eksponen gas

γr

Koefisien gas hasil pembakaran

φ

Faktor diagram

Φ

Koefisien kecepatan

ψ

Koefisien kembebanan sudu

λ

Perbandingan tekanan

λN

Koefisien kehilangan nosel

σ

Faktor slip

σ ct

Tegangan tarik sentrifugal

MPa

σd

Tegangan maksimum yang diizinkan

MPa

(σ gb ) maks

Tegangan lengkung

MPa

σ'

Tegangan maksimum yang terjadi

MPa

τg

Tegangan geser maksimum yang terjadi

MPa

Tegangan geser yang diizinkan

MPa

−

τg

17


RANCANGAN TURBOCARJER UNTUK MENINGKATKAN PERFORMANSI MOTOR DIESEL

Recommend Documents