7.
Mahasiswa dapat menjelaskan performa mesin melakukan perhitungan teknik
Performa Mesin
Waktu: 1x pertemuan @100 menit
Ѵ
Ѵ
Ѵ
-
-
Metode Evaluasi dan Penilaian
Metode Ajar
Aktivitas Mahasiswa
Web
Soal-tugas
Gambar
(pokok, subpokok bahasan, alokasi waktu)
Media Ajar
Audio/Video
Topik
Presentasi
Capaian Pembelajaran
Teks
Pertemuan ke
Rencana Pembelajaran Kegiatan Mingguan (RPKPM).
-
-
Mahasiswa Menerima materi dan diskusi di kelas
-Menerima materi sesuai kontrak pembelajaran -Diskusi materi kuliah
Aktivitas Dosen/ Nama Pengajar
Sumber Ajar (pustaka)
-Menyampai
1.Wiranto A M., 1979, Motor Diesel Putaran Tinggi, Ed. 3, Pradnya Paramita, Jakarta
kan materi kuliah dan mengaktifka n mahasiswa berdiskusi di kelas
Pengajar:
2. Maleev V L., Bambang Priambodo, 1991, Operasi dan Perawatan Mesin Diesel, Erlangga, Jakarta
Harjono
1
Bab. VII Performa Mesin Diskripsi singkat : Dari proses dan persamaan-persamaan termodinamika siklus diesel dapat diperoleh
kerja atau usaha per siklus. Pada setiap siklus pada motor yang riil ada pemasukan kalor
yaitu kalor dari hasil proses pembakaran yang akan menghasilkan tekanan dan temperature gas naik dan kenaikan tekanan tersebut akan mendorong piston dan menghasilkan kerja.
Dari perhitungan termodinamika dan keadaan riil maka untuk memudahkan analisa selanjutnya perlu didefinisikan parameter yang dinamai tekanan efektif rata-rata. Tekanan
tersebut akan mendorong piston sepanjang langkahnya dan akan menghasilkan kerja, dengan mengetahui besarnya tekanan efektif rata-rata maka dapat dihitung kerja dari sebuah motor dengan ukuran tertentu.
Torsi atau momen putar adalah besarnya gaya dikali lengan, didalam motor bakar, gaya adalah besar tekanan gas ( P it ) didalam silinder dikalikan lengan adalah panjang engkol.
a. Manfaat :
Mahasiswa dapat menghitung performa mesin.
b. Learning Outcomes :
Mahasiswa dapat menjelaskan perhitungan daya, torsi dan tekanan efektif rata-rata.
c. Relevansi :
Mahasiswa dapat menghitung performa mesin saat melakukan perhitungan di tugas akhir.
PENYAJIAN URAIAN: a. Contoh : Memberikan contoh performa pada mesin diesel dan contoh aplikasi pengetesan performa mesin. b. Ilustrasi : Memberikan penjelasan performa mesin
disertai dengan gambar pengetesan
performa dan grafik hasil pengetesan 2
c. Aktivitas Berdiskusi dengan mahasiswa tentang grafik pengetesan performa mesin dan contoh perhitungan performa mesin. d. Tugas Mahasiswa mencari contoh perhitungan performa mesin dan gambar atau animasi dengan internet dengan disertai sumber yang jelas. e. Rangkuman Dengan penjelasan dari dosen waktu kuliah dan diskusi serta tugas yang harus dikumpulkan kemudian dapat dibuat rangkuman tentang materi performa mesin.
3
BAB. VII PERFORMA MESIN 7.1 Siklus Diesel Proses sama dengan siklus Otto hanya berbeda pemasukan energy terjadi pada tekanan konstan.
Panas berguna dirubah menjadi daya : Q = Q 23 – Q 41 = C p ( T 3 – T 2 ) - C v ( T 4 – T 1 ) kj/kg Efisiensi thermis CP ( T 3 – T 2 ) – CV ( T 4 – T 1 ) T4 – T1 η th = ----------------------------------- = 1 - C P / C V ------------CP ( T 3 – T 2 ) T3 – T2 T1( T 4 / T 1 – 1 )
= 1 – 1/ σ ------------------T2( T4 / T1 – 1 ) Proses isentropis : T 1 / T 2 = ( V 2 / V 1 ) σ -1
dan T 4 / T 3 = ( V 3 / V 4 )σ – 1
Proses 2 – 3 : tekanan konstan P2 V2 / T = P2 V3 / T3 T3 / T2 = V3 / V2 V4 = V1 V3 / V4 Jadi T 4 / T 1 = T 3 / T 2 ( ---------- )σ – 1 dan V 3 / V 2 ( V 3 / V 2 ) = ( V 3 / V 2 ) σ – 1 V2 / V1 V / V = λ = Perbandingan volume selama proses pengisian panas 1
λσ - 1 4
η th = 1 - ------rσ -1 σ ( λ -1 )
{ --------------}
7.2 Siklus Gabungan( Tekanan Terbatas )
Gambar Siklus tekanan terbatas Proses sama dengan siklus Otto hanya berbeda pemasukan kalor terjadi pada volume konstan ( 2 – 3a ) maupun tekanan konstan ( 3a – 3 ) Efisiensi Thermis = C V( T 3a – T 2 ) + C p ( T 3 – T 3a ) – C v ( T 4 – T 1 ) Efisiensi thermis : η th = --------------------------------------------------------C v ( T 3a – T 2 ) + C p ( T 3 – T 3a ) T4 – T1 = 1 - ----------------------------------- …………………………….1) ( T 3a – T 2 ) + σ ( T 3 – T 3a ) V1 T 2 = T 1 ( -------)σ -1 = T 1 ( r )σ -1 V2 P2
,
P 3a T 3a = T 2 --------= T 2 ( r )σ – 1 . α
.
P 3a ---- = α : Perbandingan tekanan : laju ledakan P2 V3 V3 λ = ------- = ------ : Perbandingan pemotongan V 3a V2
5
V3 T 3 = T 3a T 3a ------ = T 1 ( r ) σ -1 α . λ V 3a V3 V3 σ–1 σ–1 T 4 = T 3 ( ----- ) = T1 ( r ) α λ ( ----- )σ - 1 V4 V4 V3 V 3 V 3a V3 V2 V3 ----- = ----- = --------- =------- dimana V 2 = V 3a V4 V1 V 1 V 3a V2 V1
Jadi
V3 λ ----- = ----V4
r
λ T 4 =T 1 ( r ) σ – 1 α λ ( ----)σ – 1 = T 1 α λσ r Substitusi T 2 , T 3a , T 3 dan T 4 ke pers. 1) diperoleh 1 α λσ - 1 η th = 1 - --------- { ---------------------------- } rσ – 1( α – 1 ) + α σ ( λ – 1 ) Bila
α =1
λ = 1
P 3a / P 2 = 1 titik 2 dan 3a berimpit menjadi Siklus Diesel
V 3 / V 2 = 1 titik 3 dan 3a berimpit menjadi Siklus Otto
Contoh Mesin Diesel putaran tinggi yang bekerja sesuai dengan siklus gabungan, tekanan awal kompresi 1 kgf/cm2 dengan temperature 500 C. perbandingan kompresi 14, penambahan energy pada tahap pertama dapat menaikan tekanan menjadi 2 kali dari tekanan kompresi pada tahap tekanan konstan dapat menaikan volume menjadi 2 kalinya.Hitung temperature pada titik titik mati dan efisiensi termisnya. Jawab : T 2 / T 1 = rσ – 1 T 2 = T 1 rσ – 1 T 1 = 50 + 2730 = 323 0K
6
Gambar siklus Diesel
T 2 = 323 ( 14 )1,4 – 1 = 323 ( 14 )0,4 = 930 0K P 2 / P 1 = rσ P 2 = 1 . 141,4= 40 kgf / cm2 T 3 / T 2 = P 3 / P 2 T 3 = 930 x 80/40 = 18600K
pada volume konstan
T 4 / T 3 = V 4 / V 3 T 4 = 1860 x 2 = 37200K
pada tekanan konstan
Pada langkah ekspansi Perbandingan ekspansi : V 5 / V 4 = 14 / 2 = 7 Jadi T 5 = T 4 / ( V 5 /V 4 )λ – 1 = 3720 / 70,4 = 1710 0K
7.2.1 DAYA Dari proses dan persamaan-persamaan termodinamika diatas dapat diperoleh kerja atau usaha per siklus, besarnya adalah sama dengan panas masuk dikurangi panas keluar atau sama dengan panas berguna dan dapat dirumuskan : Panas masuk Q m = G. C v. ( T 3 – T 2 ) kcal. Panas keluar Q k = G. C v. ( T 4 – T 1 ) kcal W = Q m - Q k = G. C v – Dengan : G : berat fluida kerja, kg. C v : konstanta panas pada volume konstan. 1 kcal = 427 kg.m
kcal
7
Kalor ( panas ) masuk dianggap ekivalen dengan jumlah kalor yang diperoleh dari proses pembakaran didalam silinder motor . Perhitungan perancangan siklus motor Diesel modern paling sesuai dipergunakan siklus tekanan terbatas.
Siklus Tekanan terbatas 7.2.2 Tekanan Efektif Rata-rata Selama proses berlangsung dalam setiap siklusnya keadaan selalu berubah, gas yang ada didalam silinder merupakan campuran berbagai macam gas serta uap air dan uap bahan bakar.Dengan demikian sangat sulit dilakukan analisa untuk menghitung kerja yang dihasilkan, maka perlu dilakukan idealisasi dan pengandaian- pengandaian agar dapat dilakukan analisa untuk menghitung keadaan ( besarnya P, V, T ) setiap akhir dari prosesnya atau pada titik-titik matinya, yakni titik awal langkah isap ( titik 0 ), titik awal proses kompresi ( titik 1 ), titik akhir proses kompresi ( titik 2 ), titik akhir proses pemasukan kalor ( titik 3a dan 3 ) titik akhir proses ekspansi ( titik 4 ) dan akhir proses pelepasan energy dan kembali ke titik 1 dan terakhir ke titik 0. Dengan demikian diagram tekanan versus volume dapat dibuat dan diagram tersebut juga disebut diagram indikator. Kerja yang dihasilkan dalam setiap siklus adalah sama dengan luasan bidang yang dibatasi titik - titik 0 – 1 – 2 – 3a – 3 – 4 – 1 – 0. Pada setiap siklus pada motor yang riil ada pemasukan kalor yakni kalor dari hasil proses pembakaran yang akan menghasilkan tekanan dan temperature gas naik dan kenaikan tekanan tersebut akan mendorong piston dan menghasilkan kerja. Tekanan tersebut
8
awalnya naik kemudian sampai maksimum dan akan turun karena piston mundur dan volume bertambah besar. Dari dua hal tersebut ( perhitungan termodinamika dan keadaan riil ) maka untuk memudahkan analisa selanjutnya perlu didefinisikan parameter yang dinamai tekanan efektifrata-rata. Tekanan tersebut akan mendorong piston sepanjang langkahnya dan akan menghasilkan kerja, dengan mengetahui besarnya tekanan efektif rata-rata maka dapat dihitung kerja dari sebuah motor dengan ukuran tertentu.
P it = Kerja per siklus = P it x V L Dengan demikian daya yang dihasilkan oleh sebuah mesin dapat pula dihitung dengan menggunakan persamaan : N = P it x V L x Z x N x A x
PS=
P it V L Z N A PS
dengan catatan : N = daya motor P it = tekanan effektif rata-rata, kg/cm2 V L = volume langkah torak Z = jumlah silinder N = putaran poros engkol A = jumlah siklus per putaran A=1 untuk motor 2 langkah = ½ untuk motor 4 langkah 1 PS = 75 m kg / detik Untuk menghitung P it maka perlu diketahui besarnya kalor yang dimasukan, sedang didalam motor yang riil kalor dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar dengan udara, dengan demikian harus dilakukan perhitungan termodinamika dalam pembakaran tersebut. Karena didalam proses yang sesungguhnya tidak ideal karena banyak hal yang mengakibatkan penyimpangan maka didalam perhitungan banyak dilakukan koreksi dengan cara membuat rumus-rumus impiris, dengan cara banyak melakukan eksperimen dan kemudian membuat persamaan-persamaan impiris. Contoh oleh Profesor V. V. Sineutsky, dalam buku Marine Internal Combustion Engine karangan N. Petrovsky, dirumuskan :
9
Untuk siklus tekanan konstan atau siklus Diesel :
–
P it = Dengan keterangan : P it =tekanan indikasi rata-rata
P c =tekanan akhir kompresi ε = perbandingan kompresi λ = perbandingan tekanan setelah dan sebelum pemasukan kalor = kenaikan volume setelah dan sebelum pemasukan kalor δ = kenaikan volume setelah proses ekspansi n = eksponen politropis Didalam silinder yang mempunyai tekanan gas konstan P it untuk motor 4 langkah maka besar Daya : N=
.P it .
.D2 .L .
=
. P it . . D2 .L .
.
untuk motor 4 langkah
. 1untuk motor 2 angkah
7.2.3 Torsi Torsi atau momen putar adalah besarnya gaya dikali lengan, didalam motor bakar, gaya adalah besar tekanan gas ( P it ) didalamsilinder dikalikan luas penampangsilinder( π / 4 D2
dan lengan adalah panjang engkol atau setengah panjang langkah L/2.
Untuk poros motor yang berputarn rpm maka dapat digunakan persamaan : Ne=
Ne=
.T.
PS
T PS =
n . T PS maka
T = 716,56
kg.m
Dari persaman tersebut didapat : - Besar daya berbanding lurus dengan besar torsi dan putaran mesin. - Besar torsi berbanding terbalik dengan besar putaran mesin 10
11
Grafik FCR pada grafik Performa engine 12
Rangkuman Performa Mesin Pada siklus diesel sama dengan siklus Otto hanya berbeda pemasukan kalor terjadi pada volume konstan maupun tekanan konstan. Efisiensi Thermis = Pada perhitungan daya untuk memperoleh kerja atau usaha per siklus, besarnya adalah sama dengan panas masuk dikurangi panas keluar atau sama dengan panas berguna dan dapat dirumuskan : Panas masuk Q m = G. C v. ( T 3 – T 2 ) kcal. Panas keluar Q k = G. C v. ( T 4 – T 1 ) kcal W = Q m - Q k = G. C v
–
kcal
13
Pada setiap siklus pada motor yang riil ada pemasukan kalor yakni kalor dari hasil proses pembakaran yang akan menghasilkan tekanan dan temperature gas naik dan kenaikan tekanan tersebut akan mendorong piston dan menghasilkan kerja. Tekanan tersebut awalnya naik kemudian sampai maksimum dan akan turun karena piston mundur dan volume bertambah besar. Tekanan tersebut didefinisikan sebagai tekanan efektif ratarata (P it ). Dengan mengetahui besarnya tekanan efektif rata-rata maka dapat dihitung kerja dari sebuah motor dengan ukuran tertentu.
P it = Kerja per siklus = P it x V L Dengan demikian daya yang dihasilkan oleh sebuah mesin dapat pula dihitung dengan menggunakan persamaan : N = P it x V L x Z x N x A x
PS=
P it V L Z N A PS
Untuk siklus tekanan konstan atau siklus Diesel :
–
P it =
Dengan keterangan : P it =tekanan indikasi rata-rata
P c =tekanan akhir kompresi ε = perbandingan kompresi λ = perbandingan tekanan setelah dan sebelum pemasukan kalor = kenaikan volume setelah dan sebelum pemasukan kalor δ = kenaikan volume setelah proses ekspansi n = eksponen politropis Didalam silinder yang mempunyai tekanan gas konstan P it untuk motor 4 langkah maka besar Daya : N=
.P it .
.D2 .L .
.
untuk motor 4 langkah 14
=
. P it . . D2 .L .
. 1untuk motor 2 angkah
Torsi atau momen putar adalah besarnya gaya dikali lengan, didalam motor bakar, gaya adalah besar tekanan gas ( P it ) didalamsilinder dikalikan luas penampangsilinder( π / 4 D2
dan lengan adalah panjang engkol atau setengah panjang langkah L/2.
Untuk poros motor yang berputarn rpm maka dapat digunakan persamaan :
Ne=
Ne=
.T.
PS
T PS =
n . T PS maka
T = 716,56
kg.m
Latihan soal : 1. Gambarkan diagram siklus P-V siklus diesel, jelaskan kondisi tiap titiknya. 2. Jelaskan cara menghitung efisiensi thermis mesin diesel. 3. Jelaskan cara menghitug kerja (daya) pada mesin diesel. 4. Jelaskan definisi tekanan efektiv rata-rata. 5. Bagaimana cara menghitung FCR ( fuel comsumption rasio) Jawaban soal akan didiskusikan di kelas
15
