SKRIPSI MOTOR BAKAR. KAJIAN TEORITIS PERFORMANSI MESIN NON STATIONER (MOBILE) BERTEKNOLOGI VVT-i DAN NON VVT-i OLEH :

SKRIPSI

MOTOR BAKAR KAJIAN TEORITIS PERFORMANSI MESIN – NON STATIONER (MOBILE) BERTEKNOLOGI VVT-i DAN NON VVT-i

OLEH : FATAH MAULANA SIREGAR 060421009

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009 Fatah Maulana Siregar : Performansi Mesin – Non Stationer (Mobile) Berteknologi VVT-i Dan Non VVT-i, 2009. USU Repository © 2009

KATA PENGANTAR Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Allah Yang Maha Esa atas Berkah dan Rahmat-Nya yang telah dilimpahkan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini. Skripsi ini merupakan salah satu persyaratan menyelesaikan pendidikan pada Departemen Teknik Mesin. Adapun judul Skripsi ini adalah “Kajian Teoritis Performansi Mesin –Non Stationer (mobile) Berteknologi VVT-i dan Non VVT-i ”. Dalam penyelesaian Skripsi ini tidak terlepas dari bantuan dan dukungan yang diberikan oleh berbagai pihak, oleh karena itu pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar – besarnya kepada: 1. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 2. Bapak Tulus B. Sitorus, ST. MT, selaku Wakil Ketua Jurusan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara dan Dosen Pembimbing Skripsi yang telah banyak meberikan waktu, arahan, bimbingan, dan nasehat hingga terselesaikannya tugas akhir ini. 3. Seluruh staf pengajar di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara 4. Seluruh Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan pelayanan terbaik dalam akademis ataupun non-akademis. 5. Kedua orang tua penulis, atas doa, dukungan materi maupun spritiual 6. Semua rekan – rekan saya.

Fatah Maulana Siregar : Performansi Mesin – Non Stationer (Mobile) Berteknologi VVT-i Dan Non VVT-i, 2009. USU Repository © 2009

Penulis menyadari masih adanya kekurangan dalam Skripsi ini. Oleh karena itu, sangat diharapkan saran dan kritik yang membangun untuk penyempurnaan Skripsi ini.

Medan,

Februari 2009

Fatah Maulana Siregar NIM. 060421009


DAFTAR ISI

LEMBAR PERSETUJUAN DOSEN PEMBIMBING LEMBAR PERSETUJUAN DOSEN PEMBANDING LEMBAR KESIMPULAN SEMINAR DOSEN PEMBANDING I LEMBAR KESIMPULAN SEMINAR DOSEN PEMBANDING II LEMBAR ABSENSI PEMBANDING BEBAS LEMBAR TUGAS SARJANA LEMBAR KARTU BIMBINGAN

KATA PENGANTAR .................................................................................................. i DAFTAR ISI .............................................................................................................. iii DAFTAR GAMBAR ................................................................................................... v DAFTAR TABEL ...................................................................................................... vi DAFTAR NOTASI .................................................................................................... vii BAB I

BAB II

PENDAHULUAN 1.1.

Latar belakang ................................................................................... 1

1.2.

Batasan Masalah ................................................................................ 2

1.3.

Tujuan Akademis ............................................................................... 2

1.4.

Metode penulisan ............................................................................... 2

TINJAUAN PUSTAKA 2.1.

Pengertian Dasar ................................................................................ 4

2.2.

Prinsip kerja motor bakar bensin ........................................................ 5

2.3.

Siklus ideal Otto (siklus volume konstan) ........................................... 7

2.4.

Siklus Aktual ................................................................................... 12

2.5.

Parameter Performansi Mesin .......................................................... 13

2.6.

Spesifikasi mesin ............................................................................. 17


BAB III ANALISA TERMODINAMIKA DAN PRESTASI MESIN PADA MESIN VVT-i DAN NON VVT-i 3.1

Mesin VVT-i.................................................................................... 17

3.1.1 Analisa Termodinamika .............................................................. 17 3.1.2 Parameter Performansi Mesin ...................................................... 25 3.2

Mesin Non VVT-i ............................................................................ 29

3.2.1 Analisa Termodinamika .............................................................. 29 3.2.2 Parameter Performansi Mesin ...................................................... 37 BAB IV SISTEM VVT-i DAN CATALYTIC CONVERTER 4.1

Sistem VVT-i................................................................................... 45

4.1.1 ECU (Electronic Control Unit) .................................................... 50 4.1.2 Camshaft Position Sensor ............................................................ 51 4.1.3 Camshaft Timing Oil Control Valve ............................................ 51 4.1.4 Crankshaft Position Sensor .......................................................... 52 4.2 BAB V

Catalytic Converter .......................................................................... 53

KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan ................................................................................................. 58 Saran........................................................................................................... 59

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ 60 LAMPIRAN Lampiran A. Tabel faktor – faktor konversi ............................................ 56 Lampiran B. Tabel Sifat – sifat udara (Tabel A-17) ................................ 61 Lampiran C. Gambar Perangkat VVT-i................................................... 66 Lampiran D. Gambar Catalytic Converter............................................... 69


DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Prinsip kerja motor bensin 4 langkah......................................................... 7 Gambar 2.2. Diagram P – v dan T – s siklus Otto .......................................................... 8 Gambar 2.3. Diagram siklus aktual ............................................................................. 12 Gambar 3.1. Grafik Torsi Mesin................................................................................. 42 Gambar 3.2. Grafik Daya Mesin.................................................................................. 43 Gambar 3.3. Grafik Sfc Mesin..................................................................................... 44 Gambar 4.1. Sistem VVT-i.......................................................................................... 45 Gambar 4.2. Valve Timing VVT-i............................................................................... 46 Gambar 4.3. VVT-i Controller .................................................................................... 48 Gambar 4.4. Posisi advance timing ............................................................................. 49 Gambar 4.5. Posisi retard timing ................................................................................. 49 Gambar 4.6. Camshaft Timing Oil Control Valve ....................................................... 52 Gambar 4.7. Catalytic Converter ................................................................................. 53 Gambar 4.8. (a) Catalytic converter berbahan keramik, (b) catalytic converter berbahan metal ...................................................................................................... 54 Gambar 4.9. Catalytic converter jenis pellet ................................................................ 55 Gambar 4.10. Catalytic converter jenis monolithic ...................................................... 56 Gambar C.1 Mesin K3 VE VVT-i ............................................................................... 66 Gambar C.2 Mesin yang menggunakan teknologi VVT-i ............................................ 66 Gambar C.3 VVT-i Kontroller .................................................................................... 67 Gambar C.4 Lock Pin.................................................................................................. 67 Gambar C.5 ECU (Electronic Control Unit) ................................................................ 68 Gambar C.6 Crankshaft Position Sensor...................................................................... 68 Gambar D.1 Catalytic Converter tipe Pellet dan tipe Ceramic Monolith ...................... 69 Gambar D.2 Proses Penyaringan Gas Buang ............................................................... 70 Gambar D.3 Skema Catalytic Converter...................................................................... 70 Fatah Maulana Siregar : Performansi Mesin – Non Stationer (Mobile) Berteknologi VVT-i Dan Non VVT-i, 2009. USU Repository © 2009

Gambar D.4 Letak Catalytic Converter ....................................................................... 71

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1. Torsi Mesin ................................................................................................ 41 Tabel 3.2. Daya Mesin ................................................................................................ 42 Tabel 3.3. SFC Vs Putaran Mesin................................................................................ 43 Tabel 4.1. Valve timing dan status operasi .................................................................. 47


DAFTAR NOTASI = rasio kompresi = konstanta gas (kJ/kg-K) atau (ft-Ibf/lbm-ºR) atau (BTU/lbm-ºR) = panas spesifik pada volume konstan (kJ/kg-K) atau (BTU/lbm-ºR) = volume langkah (cc) atau (L) atau (in.3) = volume sisa (cc) atau (L) atau (in.3) = massa campuran bahan bakar dan udara (kg) atau (lbm) = massa udara (kg) atau (lbm) = massa bahan bakar (kg) atau (lbm) = massa jenis udara (kg/m3) atau (lbm/ft3) = nilai kalor bahan bakar (kJ/kg) atau (BTU/lbm) = efisiensi pembakaran = tekanan efektif rata – rata (kPa) atau (atm) atau (psi) = daya indikasi (kW) atau (hp) = kecepatan mesin (RPM) = jumlah putaran dalam satu siklus = daya poros (kW) atau (hp)


= konsumsi bahan bakar spesifik (gr/kW-h) = efisiensi thermal = efisiensi mekanis = efisiensi volumetrik = kerja nett (kJ) = laju aliran rata – rata bahan bakar (kg/sec) Xr

= residu gas buang


ABSTRAK VVT-i merupakan salah satu aplikasi teknologi informasi pada industri otomotif khususnya dalam hal penyempurnaan performansi mesin. VVT-i adalah teknologi pengaturan katup pembakaran. Perbedaan mendasar yang dimiliki oleh sistem VVT-i adalah perputaran intake cam tidak perlu sama persis dengan perputaran mesin. Pada mobil tanpa system VVT-i, intake cam hanya mempunyai satu pola bukaan katup sehingga membuat mesin tidak dapat memaksimalkan tenaga mesin pada saat tenaga besar dibutuhkan dan tidak dapat meminimalkan bahan bakar yang dipergunakan ketika tenaga yang dibutuhkan tidak besar. Sedangkan pada mobil dengan mesin berteknologi VVT-i, ketika pengemudi memerlukan tenaga lebih besar, maka mekanisme katup akan diatur sedemikian rupa sehingga torsi mesin dapat meningkat. Sebaliknya, ketika hanya dibutuhkan sedikit tenaga mesin, maka mekanisme katup akan diatur sedemikian rupa sehingga bahan bakar yang dipergunakan lebih sedikit dan tentunya gas buang yang dihasilkan lebih bersih. Dari paparan diatas tujuannya cuma satu, yaitu mendapatkan power dan torsi yang optimal di semua kondisi dan beban kerja dengan tetap irit bahan bakar.


BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar belakang Dilatar belakangi oleh semakin tingginya tingkat permintaan para pengguna kendaraan agar memiliki mobil dengan mesin yang bertenaga namun tetap irit bahan bakar dan ramah lingkungan telah menjadi pemicu timbulnya teknologi baru yang dikenal dengan nama Variable Valve Timing-Intelligent atau lebih dikenal dengan sebutan VVT-i. Teknologi VVT-i merupakan teknologi yang mengatur sistem kerja katup pemasukan bahan bakar (intake) secara elektronik baik dalam hal waktu maupun ukuran buka tutup katup sesuai dengan besar putaran mesin sehingga menghasilkan tenaga yang optimal, hemat bahan bakar dan ramah lingkungan. Cara kerjanya cukup sederhana. Untuk menghitung waktu buka tutup katup (valve timing) yang optimal, ECU (Electronic Control Unit) menyesuaikan dengan kecepatan mesin, volume udara masuk dan temperatur air. Agar target valve timing selalu tercapai, sensor posisi chamshaft atau crankshaft memberikan sinyal sebagai respon koreksi. Mudahnya sistem VVT-i akan terus mengoreksi valve timing atau jalur keluar masuk bahan bakar dan udara. Disesuaikan dengan pijakan pedal gas dan beban yang ditanggung demi menghasilkan torsi optimal di setiap putaran dan menghemat konsumsi BBM. Adopsi teknologi VVT-i ke mesin mobil juga memberikan kelebihan minimnya biaya pemeliharaan yang harus ditanggung. Sebab tune-up seperti setel klep dan lain sebagainya tidak diperlukan lagi. Fatah Maulana Siregar : Performansi Mesin – Non Stationer (Mobile) Berteknologi VVT-i Dan Non VVT-i, 2009. USU Repository © 2009

1.2. Batasan Masalah Mengingat begitu luasnya cakupan mesin bensin, maka masalah yang akan dibahas dalam Skripsi ini adalah perbandingan performansi antara mesin bensin yang berteknologi VVT-i dengan yang tanpa VVT-I berupa: a. Daya b. Sfc (Specific fuel consumption) c. Kontrol VVT-i d. Catalytic Converter

1.3. Tujuan Akademis a. Tujuan umum Untuk melengkapi persyaratan menyelesaikan akademis di Fakultas Teknik Program Pendidikan Sarjana Ekstensi Departemen Teknik Mesin. b. Tujuan khusus Untuk mengetahui kinerja mesin bensin yang berteknologi VVT-i.

1.4. Metode penulisan Adapun metode yang digunakan dalam penulisan Skripsi ini adalah sebagai berikut: a. Studi literatur Metode ini digunakan untuk memperoleh dasar penulisan dan referensi dalam penyusunan Skripsi. b. Survei Melakukan survei ke Showroom dan Bengkel Daihatsu Jl. Sisingamangaraja Medan.


c. Metode bimbingan Metode ini berupa bimbingan dengan dosen pembimbing mengenai penulisan materi maupun pelaksanaan Skripsi.


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pengertian Dasar Apabila meninjau mesin apa saja, pada umumnya adalah suatu pesawat yang dapat merubah bentuk energi tertentu menjadi kerja mekanik. Misalnya, mesin listrik, merupakan mesin yang kerja mekaniknya diperoleh dari sumber listrik. Sedangkan mesin gas atau mesin bensin adalah mesin yang kerja mekaniknya diperoleh dari sumber pembakaran gas atau bensin. Mesin bensin dikategorikan sebagai mesin kalor. Yang dimaksud dengan mesin kalor disini adalah mesin yang menggunakan sumber energi termal untuk menghasilkan kerja mekanik, atau mesin yang dapat merubah energi termal menjadi kerja mekanik. Selanjutnya jika ditinjau dari cara memperoleh sumber energi termal, jenis mesin kalor dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu, mesin pembakaran luar (external combustion engine) dan mesin pembakaran dalam (internal combustion engine). Yang dimaksud dengan mesin pembakaran luar adalah mesin dimana proses pembakaran terjadi di luar mesin, energi termal dari hasil pembakaran dipindahkan ke fluida kerja mesin melalui beberapa dinding pemisah. Contohnya adalah mesin uap. Sedangkan yang dimaksud dengan mesin pembakaran dalam, adalah mesin dimana proses pembakaran berlangsung didalam mesin itu sendiri, sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja. Mesin pembakaran dalam ini umumnya


dikenal dengan sebutan motor bakar. Contoh dari mesin kalor pembakaran dalam ini adalah, motor bakar torak dan sistem turbin gas. Selanjutnya jenis motor bakar torak itu sendiri terdiri dari dua bagian utama yaitu, mesin bensin atau motor bensin dikenal dengan mesin Otto atau mesin Beau Des Rochas, dan motor Diesel. Perbedaan pokok antara kedua mesin ini adalah pada sistem penyalaannya. Pada mesin bensin penyalaan bahan bakar dilakukan oleh percikan bunga api listrik dari antara kedua elektroda busi. Oleh sebab itu mesin bensin dikenal juga dengan sebutan Spark Ignition Engine. Didalam mesin diesel, penyalaan bahan bakar terjadi dengan sendirinya, oleh karena itu bahan bakar disemprotkan ke dalam ruang bakar yang berisi udara yang bertekanan dan bersuhu tinggi. Bahan bakar itu terbakar dengan sendirinya oleh udara yang mengandung O2 bersuhu melampaui suhu titik nyala (flash point) dari bahan bakar. Mesin diesel ini dikenal juga dengan sebutan Compression Ignition Engine.

2.2. Prinsip kerja motor bakar bensin Motor bensin bekerja dengan gerakan torak bolak balik (bergerak naik turun pada motor tegak). Motor bensin bekerja menurut prinsip 4 langkah (tak) dan 2 langkah (tak). Yang dimaksud dengan istilah “langkah” disini adalah perjalanan torak dari satu titik mati atas ke titik mati bawah.

Langkah hisap Torak begerak ke bawah, katup masuk membuka, katup buang tertutup, terjadilah kevakuman pada waktu torak bergerak ke bawah, campuran bahan bakar udara mengalir


ke dalam silinder melalui lubang katup masuk, campuran bahan bakar udara datang dari karburator.

Langkah kompresi Setelah mencapai titik mati bawah, torak bergerak kembali menuju titik mati atas, sembari saat itu katup hisap dan katup buang dalam keadaan tertutup. Dengan demikian campuran bahan bakar dan udara yang berada di dalam silinder tadi ditekan dan dimampatkan oleh torak yang bergerak ke titik mati atas. Akibatnya, tekanan dan suhu dalam silinder naik sehingga sangat mudah bagi bahan bakar untuk terbakar.

Langkah kerja Pada saat torak hampir mencapai titik mati atas, campuran bahan bakar dan udara dinyalakan, maka terjadilah ledakan atau proses pembakaran yang mengakibatkan suhu dan tekanan naik dengan cepat. Di lain pihak torak tetap meneruskan perjalanannya menuju titik mati atas, ini berarti ruang bakar atau silinder semakin menyempit sehingga suhu dan tekanan gas di dalam silinder semakin bertambah tinggi lagi. Akhirnya torak mencapai posisi titik mati atas, dan pada kondisi ini gas pembakaran mampu untuk mendorong torak kembali dari posisi titik mati atas ke posisi titik mati bawah dengan tetap katup hisap dan katup buang dalam tertutup. Pada langkah ini volume gas pembakaran di dalam silinder bertambah besar oleh karena itu tekanannya turun.

Langkah buang Kemudian pada saat torak mencapai posisi titik mati bawah, katup buang terbuka dan katup hisap tetap tertutup. Torak kembali ke titik mati atas dan mendesak gas pembakaran keluar silinder melalui saluran katup buang.


Langkah hisap

Langkah kompresi

Langkah kerja

Langkah buang

Gambar 2.1. Prinsip kerja motor bensin 4 langkah (Sumber: Lit. 7)

2.3. Siklus ideal Otto (siklus volume konstan) Agar dapat lebih mudah memahami diagram p – v motor bakar torak,

maka

dilakukan terlebih dahulu idealisasi. Proses yang terjadi sebenarnya berbeda dengan proses ideal. Beberapa idealisasi pada siklus ideal antara lain: a. Fluida kerja dalam silinder adalah udara, dianggap gas ideal dengan konstanta kalor yang konstan. b. Proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara isentropik. c. Proses pembakaran dianggap sebagai proses pemanasan fluida kerja. d. Pada akhir proses ekspansi, yaitu pada saat torak mencapai Titik Mati Bawah, fluida kerja didinginkan sehingga tekanan dan temperatur turun mencapai tekanan dan temperatur atmosfer. e. Tekanan fluida kerja di dalam silinder selama langkah buang dan langkah isap adalah konstan dan sama dengan tekanan atmosfer.


Temperatur, T

Tekanan, P TMA

TMB

Volume spesifik, v

Entropy, s

Gambar 2.2. Diagram P – v dan T – s siklus Otto (sumber: Lit. 1, hal.75)

Proses siklusnya sebagai berikut : a. Proses 0 – 1 (Langkah Hisap) : Menghisap udara pada tekanan konstan, katup masuk terbuka dan katup buang tertutup. campuran bahan bakar udara mengalir ke dalam silinder melalui lubang katup masuk. [1]

b. Proses 1 – 2 (Kompresi Isentropik) : Semua katup tertutup. Campuran bahan bakar dan udara yang berada di dalam silinder tadi ditekan dan dimampatkan oleh torak yang bergerak ke titik mati atas (TMA). Akibatnya, tekanan dan suhu dalam silinder naik menjadi P2 dan T2. [2]

1 2

lit. Willard W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of Internal Combustion, Prentice hall, hal.74 ibid, hal.78


[3]

Dimana : = tekanan pada titik 1 (kPa)

= tekanan pada titik 2 (kPa)

= temperatur spesifik pada titik 1 (K)

= temperatur spesifik pada titik 2 (K) = volume pada titik 1 (m3) = volume pada titik 2 (m3)

= kerja pada siklus 1-2 (kJ)

= massa campuran gas di dalam silinder (kg)

3

lit. John B Heywood, Internal Combustion Engines Fundamentals, McGraw-Hill inc, hal.43


= rasio kompresi

= cp / cv = rasio kalor spesifik

c. Proses 2 – 3: Proses penambahan kalor pada volume konstan [4]

dan

dimana: = panas jenis gas pada volume konstan (kJ/kg K)

= tekanan pada titik 3 (kPa)

= heating value (kJ/kg)

= kalor yang masuk (kJ)

= temperatur pada titik 3 (K)

= efisiensi pembakaran

d. Proses 3 – 4 : Ekspansi Isentropik

4

lit. Willard W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of Internal Combustion, Prentice hall, hal.75


[5]

Kerja ekspansi dari titik 3 ke titk 4 dari siklus Otto juga merupakan proses isentropis, persamaannya ditunjukkan sebagai berikut:

dimana : = tekanan pada titik 4 (kPa)



= kerja (kJ)

= volume pada titik 3 (m3)

= volume pada titik 4 (m3)

e. Proses 4 – 1: Proses pembuangan kalor pada volume konstan [6]

5 6

lit. Willard W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of Internal Combustion, Prentice hall, hal. 76 lit. Willard W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of Internal Combustion, Prentice hall, hal. 76


dimana: = kalor yang dibuang (kJ)


= kerja netto (kJ)

= efisiensi thermal

2.4. Siklus Aktual

Gambar 2.3. Diagram siklus aktual ((Sumber : Lit. 10)


Gambar 2.3 adalah gambar siklus aktual dari mesin Otto. Fluida kerjanya adalah campuran bahan bakar – udara, jadi ada proses pembakaran untuk sumber panas. Pada langkah hisap, tekanannya lebih rendah dibandingkan dengan langkah buang. Proses pembakaran dimulai dari penyalaan busi (ignition) sampai akhir pembakaran. Proses kompresi dan ekspasi tidak adiabatis, karena terdapat kerugian panas yang keluar ruang bakar.

2.5. Parameter Performansi Mesin 2.5.1. Tekanan efektif rata – rata (mep)

Selama siklus berlangsung, temperatur dan tekanannya selalu berubah – ubah. Oleh karena itu sebaiknya dicari harga tekanan tertentu (konstan) yang apabila mendorong torak sepanjang langkahnya dapat menghasilkan kerja persiklus yang sama dengan siklus yang dianalisis. Tekanan tersebut dinamai “tekanan efektif rata – rata”,

yang diformulasikan sebagai [7]

dimana: = tekanan efektif rata – rata (kPa)

Vd

= volume langkah torak (m3)

Wnett = kerja netto dalam satu siklus (kJ)

2.5.2. Daya Indikator (

7

)

lit. Michael J. Moran dan Howard N. Shapiro, Termodinamika Teknik 2, Erlangga, hal. 57


,

Merupakan daya yang dihasilkan dalam silinder motor sehingga merupakan basis perhitungan atau penentuan efisiensi pembakaran atau besarnya laju panas akibat pembakaran di dalam silinder.

[8]

dimana : = daya indikasi (kW)

N n

= putaran mesin (putaran/detik) = jumlah putaran dalam satu siklus, untuk empat tak n = 2 (putaran/siklus)

2.5.3. Daya poros (

)

Daya yang dihasilkan suatu mesin pada poros keluarannya disebut sebagai daya poros (atau biasa dikenal dengan brake horse power) yang dihitung berdasarkan rumusan: [9]

dimana: = daya poros (kW) N = putaran mesin (putaran/detik) τ = torsi (N m) seperti yang telah diketahui, dari sejumlah gaya yang dihasilkan mesin, maka sebagian darinya dipakai untuk mengatasi gesekan/friksi antara bagian – bagian 8 9

lit. Willard W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of Internal Combustion, Prentice hall, hal. 51 ibid


mesin yang bergerak, sebagian lagi dipakai untuk mengisap udara dan bahan bakar serta mengeluarkannya dalam bentuk gas buang. 2.5.4. Konsumsi bahan bakar (Sfc)

Konsumsi bahan bakar didefenisikan sebagai jumlah bahan bakar yang dikonsumsi persatuan unit daya yang dihasilkan perjam operasi. Secara tidak langsung konsumsi bahan bakar spesifik merupakan indikasi efisiensi mesin dalam menghasilkan daya dari pembakaran bahan bakar. [10]

dimana:

dimana: = konsumsi bahan bakar spesifik (gr/kwh)

= laju aliran rata – rata bahan bakar (kg/detik)

= massa bahan bakar (kg)

= massa udara (kg)

2.5.5. Efisiensi termal Efisiensi termal suatu mesin didefenisikan sebagai perbandingan antara energi keluaran dengan energi kimia yang masuk yang dikandung bahan bakar dalam bentuk bahn bakar

10

lit. Willard W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of Internal Combustion, Prentice hall, hal. 56


yang dihisap ke dalam ruang bakar. Efisiensi termal sesuai defenisinya merupakan parameter untuk mengukur efisiensi bahan bakar. [11]

dimana: = efisiensi termal

2.5.6. Efisiensi mekanis Besarnya kerugian daya diperhitungkan dalam efisiensi mekanis yang dirumuskan sebagai berikut: [12]

dimana: = efisiensi mekanis

2.5.7. Efisiensi volumetrik Efisiensi ini didefenisikan sebagai perbandingan antara massa udara yang masuk karena dihisap torak pada langkah hisap dan massa udara pada tekanan dan temperatur atmosfir yang dapat dihisap masuk kedalam volume sapuan yang sama [13]

Dimana: = efisiensi volumetrik

=

massa

jenis

udara

(kg/m3)

11

ibid, hal. 76 ibid, hal. 64 13 lit. Willard W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of Internal Combustion, Prentice hall, hal. 60 12


2.6. Spesifikasi mesin Data diperoleh dari PT. ASTRA DAIHATSU MOTOR Trainning Center. 2.6.1. VVT–i Tipe

: Motor bensin 4 langkah

Nama

: K3–VE VVT–i DOHC

Volume langkah

: 1298 cm3

Jumlah silinder

: 4 buah segaris

Jumlah katup

: 16 buah

Diameter (B) x Langkah (S): 72 mm

79,7 mm

Daya maksimum

: 92 PS @ 6000 RPM atau 67,712 kW @ 6000 RPM

Torsi maksimum

: 12,2 kgf–m @ 4400 RPM

Sistem bahan bakar

: EFI

Rasio kompresi

: 11:1

2.6.2. Non VVT–i Tipe

: Motor bensin 4 langkah

Nama

: K3 – DE DOHC

Volume langkah

: 1298 cm3

Jumlah silinder

: 4 buah segaris

Jumlah katup

: 16 buah

Diameter (B) x Langkah (S): 72 mm

79,7 mm

Daya maksimum

: 86 PS @ 6000 RPM atau 63,296 kW @ 6000 RPM

Torsi maksimum

: 11,9 kgf–m @ 3200 RPM


Sistem bahan bakar

: EFI

Rasio kompresi

: 10:1


BAB III ANALISA TERMODINAMIKA DAN PRESTASI MESIN PADA MESIN VVT-i DAN NON VVT-i 3.1

Mesin VVT-i

3.1.1 Analisa Termodinamika Proses 0 – 1 : Langkah hisap, tekanan konstan, katup buang tertutup sedangkan katup masuk terbuka. Udara dianggap sebagai gas ideal. Udara dihisap masuk ke silinder dengan tekanan 1,03 atm atau 104, 3647 kPa pada temperatur 27°C atau 300 K, maka : = 104,3647 kPa

= 300 K

= 11

= 7,2 cm

= 7,97 cm

= 0,287 kJ/kg-K

= 0,718 kJ/kg K

Volume langkah: Merupakan volume dari langkah torak dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA). Kapasitas 4 silinder adalah 1298 cc, maka volume langkah untuk satu silinder:

17

Volume sisa : Didefenisikan sebagai volume minimum silinder pada saat torak berada di titik mati atas (TMA). Dengan rasio kompresi sebesar 11:1 dan volume langkah sebesar 0,0003245 m3 maka besarnya volume sisa: [1]

Volume pada titik 1: Merupakan hasil penjumlahan volume langkah (Vd ) dengan volume sisa (Vc). [2]

1 2

lit. John B Heywood, Internal Combustion Engines Fundamentals, McGraw-Hill inc, hal.43 ibid, hal.78

18

Massa campuran bahan bakar dan udara: Dengan tekanan 1 atm atau 104,3647 kPa dan volume silinder 0,00035695 m3 pada temperatur 300 K, massa campuran bahan bakar dan udara adalah : [3]

Massa udara pembakaran

dan massa bahan bakar

:

Sejumlah udara dihisap masuk ke dalam silinder dengan perbandingan 14,7:1[4] terhadap bahan bakar pada tekanan konstan. Udara mengisi ruangan silinder yang bertambah besar seiring bergeraknya torak dari titik mati atas (TMA) ke titik mati bawah (TMB). Untuk 1 kg bahan bakar diperlukan 14,7 kg udara dengan massa campuran (mm) sebesar 0,0004326 kg serta diasumsikan residu gas hasil pembakaran 4%

[5]

dari siklus sebelumnya, maka besarnya massa udara dan massa bahan bakar

adalah:

3

lit. Willard W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of Internal Combustion, Prentice hall, hal.70 PT. ASTRA DAIHATSU MOTOR Trainning Center 5 lit. Willard W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of Internal Combustion, Prentice hall, hal.77 4

19

Densitas udara

:

Tekanan dan temperatur udara sekitar mesin dapat digunakan untuk mencari densitas udara dengan persamaan matematika sebagai berikut:

Proses 1 – 2 : Langkah kompresi isentropik, semua katup tertutup. Torak bergerak dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA). Tekanan pada titik 2 : Campuran bahan bakar dan udara yang berada di dalam silinder ditekan dan dimampatkan oleh torak yang bergerak ke titik mati atas (TMA). Akibatnya, tekanan dalam silinder naik menjadi P2 . [6]

Temperatur pada titik 2: 6


20

Campuran bahan bakar dan udara yang dimampatkan oleh torak yang bergerak ke titik mati atas (TMA) juga mengakibatkan suhu dalam silinder naik menjadi T2. [7]

Volume pada titik 2 : [8]

Kerja persiklus 1 – 2: Kerja yang diserap selama langkah kompresi isentropik untuk satu silinder dalam satu siklus adalah sebagai berikut: [9]

7

ibid ibid 9 lit. Willard W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of Internal Combustion, Prentice hall, hal. 79 8

21

Proses 2 – 3: Penambahan kalor pada volume konstan. Kalor masuk : Bahan bakar yang digunakan adalah PERTAMAX dengan nilai kalori bahan bakar 46000 kJ/kg [10] dan diasumsikan terjadi pembakaran sempurna,

=1.

[11]

Temperatur pada titik 3: Dengan menggunakan persamaan matematika

[12]

, maka T3

dapat diketahui ;

Volume pada titik 3: Dari diagram P-v siklus Otto ideal dapat dilihat bahwa V3 sama dengan V2.

10

Sumber : Pertamina lit. Willard W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of Internal Combustion, Prentice hall, hal.75 12 ibid 11

22

Tekanan pada titik 3: Seiring dengan bertambahnya temperatur selama siklus tertutup volume konstan, maka bertambah pula tekanan di dalam silinder. [13]

Tekanan tersebut merupakan tekanan maksimum siklus.

Proses 3 – 4: Langkah Ekspansi isentropik Temperatur pada titik 4: Setelah torak mencapai titik mati bawah (TMB) sejumlah kalor dikeluarkan dari dalam silinder sehingga temperatur fluida kerja akan turun menjadi T4. [14]

13 14

lit. Willard W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of Internal Combustion, Prentice hall, hal.79 ibid.

23

Tekanan pada titik 4: Begitu juga dengan tekanan di dalam silinder, mengalami penurunan menjadi P4. [15]

Volume pada titik 4: Dari diagram P-v siklus ideal Otto dapat dilihat bahwa V4 sama dengan V1.

Kerja persiklus 3 –4: Tekanan tinggi yang disertai pembakaran di dalam silinder, membuat piston terdorong kembali ke titik mati bawah (TMB). Gerakan piston tersebut menghasilkan kerja sebesar W3 – 4. [16]

0,9

15 16

lit. Willard W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of Internal Combustion, Prentice hall, hal.79 ibid.

24

Proses 4 – 1: Proses pembuangan kalor pada volume konstan Kalor yang dibuang : Pada saat torak mencapai titik mati bawah (TMB) kalor dibuang sebesar Q 4 – 1. [17]

Kerja satu siklus : Kerja yang dihasilkan dari satu siklus termodinamika adalah sebagai berikut: [18]

3.1.2 Parameter Performansi Mesin Tekanan efektif rata – rata Didefenisikan sebagai suatu tekanan yang dibayangkan bekerja pada pada permukaan piston pada langkah kerja, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut: =

Dengan nilai Wnett =

[19]

dan besarnya volume langkah (

)=

,

maka besarnya tekanan efektif rata – rata adalah:

17

ibid. lit. Willard W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of Internal Combustion, Prentice hall, hal.79 19 lit. Michael J. Moran dan Howard N. Shapiro, Termodinamika Teknik 2, Erlangga, hal. 57 18

25

Daya indikator Merupakan daya yang dihasilkan dalam silinder motor sehingga merupakan basis perhitungan atau penentuan efisiensi pembakaran atau besarnya laju panas akibat pembakaran di dalam silinder. Besarnya harga daya indikator (

) pada putaran 3500 RPM dapat dirumuskan sebagai

berikut: [20]

Untuk 4 silinder =

Daya poros Daya yang dihasilkan suatu mesin pada poros keluarannya disebut sebagai daya poros (atau biasa dikenal dengan sebutan brake horse power), dengan besar torsi 120,6 N-m yang diperoleh dari grafik torsi vs rpm seperti yang terlampir pada Tabel 3.1. Torsi mesin di halaman 37 dapat dihitung besarnya

berdasarkan persamaan:

[21]

20


26

44,1798

Konsumsi bahan bakar spesifik (Sfc) Secara tidak langsung konsumsi bahan bakar spesifik merupakan indikasi efisiensi dalam menghasilkan daya dari pembakaran bahan bakar. Laju aliran bahan bakar sebesar

dan daya poros (

) sebesar 44,1798 kW, maka konsumsi

bahan bakar spesifik pada putaran 3500 RPM diperoleh sebagai berikut: [22]

0,00006986

Efisiensi thermal Efisiensi ini merupakan indikasi sesungguhnya dari konversi input termodinamika menjadi kerja mekanis. [23]

21

lit. Willard W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of Internal Combustion, Prentice hall, hal.51 ibid, hal. 56 23 lit. Willard W. Pulkrabek, Engineering Fundamentals of Internal Combustion, Prentice hall, hal.59 22

27

Efisiensi mekanis Merupakan perbandingan antara daya poros (

Dengan daya poros (

) dengan daya indikator (

) sebesar 44,1798 kW dan daya indikator (

).

) sebesar 87,5115

kW, maka besarnya efisiensi mekanis dapat diketahui dengan persamaan matematika sebagai berikut: [24]

Efisiensi volumetrik Merupakan indikasi sejauh mana volume sapuan (swept volume) mesin tersebut dapat terisi fluida kerja. Dengan massa udara sebesar 0,00038891 kg, densitas udara

24

ibid, hal. 47

28

1,2121 kg/m3, dan besar volume langkah 0,0003245 m3, maka efisiensi volumetrik dapat dihitung dengan rumusan matematika sebagai berikut :

3.2

Mesin Non VVT-i

3.2.1 Analisa Termodinamika Proses 0 – 1 : Langkah hisap, tekanan konstan, katup buang tertutup sedangkan katup masuk terbuka. Udara dianggap sebagai gas ideal. Udara dihisap masuk ke silinder dengan tekanan 1,03 atm atau 104, 3647 kPa pada temperatur 27°C atau 300 K, maka : = 104,3647 kPa

= 300 K

= 10

= 7,2 cm

= 7,97 cm

= 0,287 kJ/kg-K

29

= 0,718 kJ/kg K

Volume langkah: Merupakan volume dari langkah torak dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA). Kapasitas 4 silinder adalah 1298 cc, maka volume langkah untuk satu silinder:

Volume sisa : Didefenisikan sebagai volume minimum silinder pada saat torak berada di titik mati atas (TMA). Dengan rasio kompresi sebesar 10:1 dan volume langkah sebesar 0,0003245 m3 maka besarnya volume sisa:

Volume pada titik 1: Merupakan hasil penjumlahan volume langkah (Vd ) dengan volume sisa (Vc).

30

Massa campuran bahan bakar dan udara: Dengan tekanan 1 atm atau 104,3647 kPa dan volume silinder 0,00035695 m3 pada temperatur 300 K, massa campuran bahan bakar dan udara adalah :

Massa udara pembakaran

dan massa bahan bakar

:

Sejumlah udara dihisap masuk ke dalam silinder dengan perbandingan 14,7:1 terhadap bahan bakar pada tekanan konstan. Udara mengisi ruangan silinder yang bertambah besar seiring bergeraknya torak dari titik mati atas (TMA) ke titik mati bawah (TMB). Untuk 1 kg bahan bakar diperlukan 14,7 kg udara dengan massa campuran (mm) sebesar 0,00043704 kg serta diasumsikan sisa gas hasil pembakaran 4% dari siklus sebelumnya, maka besarnya massa udara dan massa bahan bakar adalah:

31

Densitas udara

:

Tekanan dan temperatur udara sekitar mesin dapat digunakan untuk mencari densitas udara dengan persamaan matematika sebagai berikut:

Proses 1 – 2 : Langkah kompresi isentropik, semua katup tertutup. Torak bergerak dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA).

Tekanan pada titik 2 : Campuran bahan bakar dan udara yang berada di dalam silinder ditekan dan dimampatkan oleh torak yang bergerak ke titik mati atas (TMA). Akibatnya, tekanan dalam silinder naik menjadi P2.

32

Temperatur pada titik 2: Campuran bahan bakar dan udara yang dimampatkan oleh torak yang bergerak ke titik mati atas (TMA) juga mengakibatkan suhu dalam silinder naik menjadi T2.

Volume pada titik 2 :

Kerja persiklus 1 – 2: Kerja yang diserap selama langkah kompresi isentropik untuk satu silinder dalam satu siklus adalah sebagai berikut:

33

Proses 2 – 3: Penambahan kalor pada volume konstan. Kalor masuk : Bahan bakar yang digunakan adalah PERTAMAX dengan nilai kalori bahan bakar 46000 kJ/kg dan diasumsikan terjadi pembakaran sempurna,

=1.

Temperatur pada titik 3: Dengan menggunakan persamaan matematika

, maka T3 dapat

diketahui ;

Volume pada titik 3: Dari diagram P-v siklus Otto ideal dapat dilihat bahwa V3 sama dengan V2.

Tekanan pada titik 3:

34

Seiring dengan bertambahnya temperatur selama siklus tertutup volume konstan, maka bertambah pula tekanan di dalam silinder.

Tekanan tersebut merupakan tekanan maksimum siklus.

Proses 3 – 4: Langkah Ekspansi isentropik Temperatur pada titik 4: Setelah torak mencapai titik mati bawah (TMB) sejumlah kalor dikeluarkan dari dalam silinder sehingga temperatur fluida kerja akan turun menjadi T4.

Tekanan pada titik 4: Begitu juga dengan tekanan di dalam silinder, mengalami penurunan menjadi P4.

35

Volume pada titik 4: Dari diagram P-v siklus ideal Otto dapat dilihat bahwa V4 sama dengan V1.

Kerja 3 –4: Tekanan tinggi yang disertai pembakaran di dalam silinder, membuat piston terdorong kembali ke titik mati bawah (TMB). Gerakan piston tersebut menghasilkan kerja sebesar W3 – 4.

0,8816

Proses 4 – 1: Proses pembuangan kalor pada volume konstan Kalor yang dibuang : Pada saat torak mencapai titik mati bawah (TMB) kalor dibuang sebesar Q 4 – 1.

36

Kerja satu siklus : Kerja yang dihasilkan dari satu siklus termodinamika adalah sebagai berikut:

3.2.2 Parameter Performansi Mesin Tekanan efektif rata – rata Didefenisikan sebagai suatu tekanan yang dibayangkan bekerja pada pada permukaan piston pada langkah kerja, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut: =

Dengan nilai Wnett =

dan besarnya volume langkah (

)=

,

maka besarnya tekanan efektif rata – rata adalah:

Daya indikator Merupakan daya yang dihasilkan dalam silinder motor sehingga merupakan basis perhitungan atau penentuan efisiensi pembakaran atau besarnya laju panas akibat pembakaran di dalam silinder.

37

Besarnya harga daya indikator (

) pada putaran 3500 RPM dapat dirumuskan sebagai

berikut:

Untuk 4 silinder =

Daya poros Daya yang dihasilkan suatu mesin pada poros keluarannya disebut sebagai daya poros (atau biasa dikenal dengan brake horse power), dengan besar torsi 117,8 N-m yang diperoleh dari grafik torsi vs rpm seperti yang terlampir pada halaman lampiran dapat dihitung besarnya

berdasarkan persamaan:

43,15407

Konsumsi bahan bakar spesifik (Sfc) Secara tidak langsung konsumsi bahan bakar spesifik merupakan indikasi efisiensi dalam menghasilkan daya dari pembakaran bahan bakar. Laju aliran bahan bakar

38

sebesar

dan daya poros (

) sebesar 43,15407 kW maka konsumsi

bahan bakar spesifik pada putaran 3500 RPM diperoleh sebagai berikut:

0,00007225

Efisiensi thermal Efisiensi ini merupakan indikasi sesungguhnya dari konversi input termodinamika menjadi kerja mekanis.

Efisiensi mekanis Merupakan perbandingan antara daya poros (

Dengan daya poros (

) dengan daya indikator (

) sebesar 43,15407 kW dan daya indikator (

39

).

) sebesar

86,2612 kW, maka besarnya efisiensi mekanis dapat diketahui dengan rumusan matematika sebagai berikut:

Efisiensi volumetrik Merupakan indikasi sejauh mana volume sapuan (swept volume) mesin tersebut dapat terisi fluida kerja. Dengan massa udara sebesar 0,00039284 kg, densitas udara 1,2121 kg/m3, dan besar volume langkah 0,0003245 m3, maka efisiensi volumetrik dapat dihitung dengan rumusan matematika sebagai berikut :

40

Berikut adalah tabel dan grafik performansi mesin : Tabel 3.1. Torsi Mesin

Putaran Mesin (RPM) 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000

TORSI (Nm) NON VVT-i 85.8 103.4 109.9 118.6 117.8 118.0 118.6 115.5 114 106.0 95 85.8

VVT-i 87.5 104.4 112.0 117.2 120.6 120.8 119.8 120.4 115.3 107.8 96.8 87.6 (Sumber :Lit. 3)

41

Gambar 3.1. Grafik Torsi Mesin

Tabel 3.2. Daya Mesin

Putaran Mesin (RPM) 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000

Daya (kW) NON VVT-i 13.4706 21.6451 28.7572 37.2404 43.1541 49.6539 55.4838 61.7533 65.3382 66.5680 64.6317 62.8628

VVT-i 13.7375 21.8544 29.3067 36.8008 44.1798 50.5749 56.4258 63.0093 66.3744 67.6984 65.8563 64.1816

42

Gambar 3.2. Grafik Daya Mesin

Tabel 3.3. SFC Vs Putaran Mesin

Putaran Mesin (RPM)

SFC (gr/kW-jam)

1500

NON VVT-i 357.0917

VVT-i 346.6524

2000

296.3102

290.5372

2500

278.785

270.8222

3000

258.3345

258.8062

3500

260.0889

251.5098

4000

259.6481

251.0934

4500

258.3345

253.1894

5000

265.2682

251.9276

5500

268.7585

263.0710

6000

289.0422

281.3737

6500

322.5102

313.3480

7000

357.0917

346.2567

43

Gambar 3.3. Grafik Sfc Mesin

44

BAB IV SISTEM VVT-i DAN CATALYTIC CONVERTER

4.1

Sistem VVT-i Sistem VVT-i (Variable Valve Timing - intelligent) merupakan serangkaian

peranti untuk mengontrol penggerak camshaft yang diperkenalkan pada tahun 1996. Pada VVT-i ini bagian yang divariasikan adalah timing (waktu buka-tutup) intake valve dengan merubah atau menggeser posisi intake camshaft terhadap puli camshaft drive. Fluida yang digunakan sebagai aktuator untuk menggeser posisi camshaft adalah oli mesin yang diberikan tekanan.

Gambar 4.1. Sistem VVT-i (Sumber Gambar: Lit. 3)

45

Jadi disini maksudnya puli pada intake camshaft adalah fleksibel, camshaft–nya bisa diputar maju atau mundur. gunanya untuk menyesuaikan waktu bukaan katup dengan kondisi mesin sehingga bisa didapat torsi optimal di setiap tingkat kecepatan, sekaligus menghemat bahan bakar dan mengurangi emisi gas buang. Prinsip kerja VVT-i Waktu bukaan camshaft bisa bervariasi pada rentang 60o. Misalnya, pada saat start, kondisi mesin dingin dan mesin stasioner tanpa beban, timing dimundurkan 30o. Cara ini akan menghilangkan overlap yaitu peristiwa membukanya katup masuk dan buang secara bersamaan di akhir langkah pembuangan karena katup masuk baru akan membuka beberapa saat setelah katup buang menutup penuh. Logikanya, pada kondisi ini mesin tak perlu bekerja ekstra. Dengan tertutupnya katup buang, tak ada bahan bakar yang terbuang saat terhisap ke ruang bakar. TMA EX close

IN open

2° 12°

30° Arah putaran mesin

52° IN open 30° EX open TMB

Gambar 4.2. Valve Timing VVT-i (Sumber Gambar: Lit. 3)

46

Konsumsi bahan bakar jadi hemat dan mesin lebih ramah lingkungan. Sedangkan saat ada beban, timing akan maju 30o. Derajat overlaping akan meningkat. Tujuannya untuk membantu mendorong gas buang serta memanaskan campuran bahan bakar dan udara yang masuk. Berikut tabel dari valve timing. Tabel 4.1. Valve timing dan status operasi Sudut buka exhaust valve Sudut buka intake valve

VALVE TIMING

STATUS OPERASI

Saat idling

OBJEK • Meniadakan overlap • Mengurangi gas buang yang balik ke intake port • Menambah overlap

Saat beban

• Internal EGR rate

ringan dan

bertambah

sedang

• Mengurangi pumping loss

Saat beban berat kecepatan rendah dan sedang

Saat beban berat kecepatan tinggi

• Saat menutup intake valve maju • Meniadakan gas buang yang balik ke intke port • Memperbaiki volumetric efficiency • Saat penutupan valve sesuai dengan gaya inersia aliran udara yang masuk • Meningkatkan volumetric efficiency

EFEK o Pembakaran menjadi stabil o Menambah hemat bahan bakar o Menambah hemat bahan bakar o Mengurangi emisi Nox dan membakar kembali HC

Meningkatkan torsi pada kecepatan rendah dan sedang

Meningkatkan daya keluaran

(Sumber Tabel: Lit. 3)

47

Untuk mewujudkannya, ada VVT-i controller pada timing gear di intake camshaft. Alat ini terdiri atas housing (rumah), kemudian di dalamnya ada ruangan oli untuk menggerakkan vane atau baling – baling (lihat gambar 4.3). Baling-baling itu terhubung dengan camshaft. Di dalamnya terdapat dua jalur oli menuju masing-masing ruang oli di dalam rumah VVT-i controller. Dari jalur oli yang berbeda inilah, vane akan mengatur waktu bukaan katup.

Gambar 4.3. VVT-i Controller (sumber gambar: Lit. 15)

Posisi advance timing (maju) didapat dengan mengisi oli ke ruang belakang masing–masing bilah vane. Sehingga vane akan bergerak maju dan posisi timing pun ikut maju 30 derajat. Tekanan olinya sendiri disediakan oleh camshaft timing oli control valve yang diatur oleh ECU (Electronic Control Unit ) mesin.

48

Gambar 4.4. Posisi advance timing (sumber gambar: Lit. 9)

Kebalikannya, untuk kondisi retard (mundur), ruang di depan vane akan terisi dan posisi timing mundur. Sedangkan kalau dibutuhkan pada kondisi standar, ada pin yang akan mengunci posisi vane tetap ada di tengah.

Gambar 4.5. Posisi retard timing (sumber gambar: Lit. 9)

49

Dari semua paparan diatas tujuannya cuma satu, yaitu mendapatkan power dan torsi yang optimal di semua kondisi dan beban kerja dengan tetap irit bahan bakar. Komponen VVT-i 1. ECU (Electronic Control Unit) 2. Camshaft Position Sensor 3. Camshaft Timing Oil Control Valve 4. Crankshaft Position Sensor

4.1.1 ECU (Electronic Control Unit) ECU merupakan perangkat yang bertugas menerima masukan dari sensor yang kemudian dikalkulasi untuk mencari kondisi optimum dan memberi perintah ke aktuator untuk melakukan fungsinya. Misalkan memerintahkan injektor menyemprotkan bahan bakar atau memerintahkan ignition coil untuk melepaskan listrik tegangan tinggi ke busi sehingga akan timbul bunga api. Jadi, aktuator berfungsi sebagai kacungnya ECU sehingga mesin bekerja dalam kondisi optimalnya. Guna mengetahui berapa bahan bakar yang harus disemprot dan berapa derajat sebelum titik mati atas busi harus dinyalakan, ECU dilengkapi dengan database yang lazim dikenal dengan engine mapping. ECU selalu membandingkan hasil masukan sensor dengan engine mapping guna mengetahui apa yang harus diperintahkan kepada aktuator.

50

4.1.2 Camshaft Position Sensor Camshaft merupakan sebuah alat yang digunakan dalam mesin torak untuk menjalankan valve. Dia terdiri dari batangan silinder. Cam membuka katup dengan menekannya, atau dengan mekanisme bantuan lainnya, ketika mereka berputar. Camshaft Position Sensor (CPS) berguna untuk mengetahui kedudukan camshaft. Jika ada perubahan beban mesin atau perubahan putaran mesin yang semuanya diolah oleh ECU dan dihitung untuk mendapatkan sebesar mungkin efisiensi volumetrik, dari perhitungan ECU ini didapatlah kedudukan camshaft yang harus diubah. ECU ini akan memerintahkan module VVTI untuk merubah kedudukan camshaft. Setelah Module VVTI menerima perintah dari ECU untuk mengubah kedudukan camshaft, maka module VVTI akan mengirimkan signal ke OCV (Oil Control Valve) untuk mengatur “tekananan oli” yang akan diteruskan ke sprocket. Dengan adanya perubahan tekanan oli yang dilakukan oleh OCV ini yang sampai ke sprocket, maka sprocket akan berubah posisinya. Karena sprockeet itu menjadi satu sama camshaft, maka camshaft akan berubah posisinya sesuai yang diinginkan oleh ECU. Kedudukan camshaft yang baru ini dideteksi oleh CPS dan signalnya dikirimkan ke ECU sebagai update posisi / kedudukan camshaft dan kedudukan camshaft ini akan menentukan timing dari valve, begitu seterusnya. 4.1.3 Camshaft Timing Oil Control Valve Camshaft Timing Oil Control Valve mengendalikan posisi spool valve berdasarkan sinyal yang dikirim ECU hingga mengalokasikan tekanan oli ke VVT-i Controller untuk sisi maju dan sisi mundur. Ketika mesin berhenti, Camshaft Timing Oil Control Valve berada dalam sisi mundur. 51

Gambar 4.6. Camshaft Timing Oil Control Valve (sumber gambar: Lit. 16)

4.1.4 Crankshaft Position Sensor Sensor ini memberitahu ECU kecepatan putaran mesin dengan tepat. Pada sistem penyemprotan bahan bakar, sensor ini juga memberitahu ECU waktu yang tepat untuk menyemprotkan bahan bakar yang kemudian diteruskan ke fuel injector.

52

4.2

Catalytic Converter Catalytic converter merupakan salah satu inovasi terbesar di industri otomotif.

Pasalnya, peranti ini mampu mengubah zat-zat hasil pembakaran seperti, hidrokarbon (HC), karbon oksida (CO), dan NOx, menjadi zat yang lebih ramah lingkungan. Catalytic converter punya umur, yang bila tiba waktunya harus diganti. Indikasinya, bila tercium bau bensin dari ujung knalpot meskipun mesin bergerak halus dan efisien. Karena harganya mahal, maka beri perhatian lebih pada problem – problem kecil yang bisa mengurangi usia pakai catalytic converter.

Gambar 4.7. Catalytic Converter (sumber gambar: Lit. 17)

Catalitytic converter berfungsi untuk menyaring berbagai racun yang diakibatkan dari hasil pembakaran ( CO, HC, NOX dan timbal ) yg ditimbulkan karena

53

kondisi mesin yang tidak sempurna bisa dari pengapian, teknologi kompresi dan kebocoran air atau oli dari saluran dalam mesin. Catalytic converter memiliki suhu kerja normal 300°C – 500°C. Penyebab catalitytic converter kotor adalah pemakaian bensin bertimbel. Karena timbel terbawa gas buang dan nyangkut dalam sarang tawon catalitytic converter.

(a)

(b)

Gambar 4.8. (a) Catalytic converter berbahan keramik, (b) catalytic converter berbahan metal (Sumber gambar: Lit. 14)

Kinerja catalitytic converter lebih maksimal dalam menangkap racun karena adanya sensor O2. Kerja sensor O2 mengirim data ke ECU untuk mengoreksi O2 yang diterima catalitytic converter. Jika data yang diterima ECU kurang bensin maka ECU akan memerintahkan injektor menambah debit semprotannya begitu juga sebaliknya, sampai didapat campuran ideal antara bensin dan udara. Catalitytic converter yang kotor juga menyebabkan kerja sensor oksigen tidak maksimal, menyebabkan udara dan bensin tidak seimbang. Bentuk catalytic converter seperti tabung yang mirip sarang tawon. Bahannya terbuat dari keramik ataupun metal dengan ukuran lubang penyaring antara 1 hingga 2

54

mm. Secara umum ada dua jenis catalytic converter yang dipakai, yaitu jenis pellet dan monolithic. Jenis monolithic merupakan catalytic converter yang banyak dipakai saat ini. Alasannya, jenis tersebut memiliki tahanan gas buang yang kecil, lebih ringan, dan cepat panas dibandingkan jenis pellet.

Gambar 4.9. Catalytic converter jenis pellet (Sumber : Lit. 18)

Ada dua tipe dari catalytic converter, yaitu 3-way catalist dan 2-way catalyst. 3-way catalist digunakan pada mesin mobil dan motor yang menggunakan bahan bakar bensin (Premium, dsb.). 3-way catalist mengandung platinum dan rhodium yang mampu mengurangi CO, HC, dan NOx. Ada tiga tahap dalam proses ini yaitu : 1. Reduksi Nitrogen Oksida menjadi nitrogen dan Oksigen : 2NOx → xO2+N2 2. Oksidasi Carbon Monoksida menjadi Karbon Dioksida : 2CO + O2 → 2CO2 3. Oksidasi senyawa Hidrokarbon yang tak terbakar (HC) menjadi Karbon Dioksida dan air : 2CxHy + (2x+y/2)O2 → 2xCO2 + yH2O Reaksi-reaksi di atas akan berjalan efisien bila mesin bekerja dengan perbandingan 14,7 bagian udara dengan 1 bagian bahan bakar.

55

Sedangkan 2-way catalist digunakan pada mesin diesel. Jenis 2-way catalist menggunakan material platinum dan paladium, yang dapat mengurangi CO dan HC Karena pada daur Mesin Diesel tidak dihasilkan Nitrogen Oksida (NOx), maka daur yang terjadi hanyalah daur nomor 2 dan 3 saja.

Gambar 4.10. Catalytic converter jenis monolithic (Sumber : Lit. 18)

Catalytic converter sangat peka terhadap logam-logam lain yang biasanya terkandung dalam bensin ataupun solar misalnya timbal pada premium, belerang pada solar, lalu seng, mangan, fosfor, silikon, dan sebagainya. Logam-logam tersebut bisa merusak komponen dari catalytic converter. Oleh karena itu teknologi ini tidak bisa digunakan di semua daerah terutama daerah yang premiumnya belum diganti dengan Premium Tanpa Timbal. Catalytic converter ditempatkan di belakang exhaust manifold atau diantara muffler dengan header. Alasannya, catalytic converter cepat panas ketika mesin

56

dinyalakan. Selain itu, sensor bisa segera bekerja untuk menginformasikan kebutuhan campuran bahan bakar udara yang tepat ke Engine Control Machine (ECU). Peranti catalytic converter baru bekerja efektif ketika kondisinya panas. Pipa buang adalah pipa baja yang mengalirkan gas sisa pembakaran dari exhaust manifold ke udara bebas. Konstruksinya dibagi menjadi beberapa bagian, yaitu pipa bagian depan, tengah, dan belakang. Susunannya sengaja dibuat demikian untuk mempermudah saat penggantian catalytic converter atau muffler, tanpa perlu melepas keseluruhan konstruksi sistem pembuangan. Muffler berfungsi untuk mengurangi tekanan dan mendinginkan gas sisa pembakaran. Kalau gas ini langsung disalurkan ke udara luar tanpa muffler, gas akan mengembang dengan cepat diiringi dengan suara ledakan yang cukup keras.

57

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan a. Untuk putaran yang sama yaitu 3500 rpm, daya yang dihasilkan teknologi VVT–i sebesar 44,179 kW, sedangkan tanpa teknologi VVT–i daya yang dihasilkan sebesar 43,154. Sehingga kenaikannya 2,32%. b. Dari hubungan putaran mesin dan daya mesin dari Gambar 3.2. Grafik Daya Mesin, bahwa daya meningkat seiring dengan bertambahnya putaran mesin. Namun setelah mencapai daya maksimum pada putaran 6000 RPM, secara perlahan daya menurun walaupun putaran mesin terus bertambah. c. Untuk putaran yang sama yaitu 3500 rpm, konsumsi bahan bakar VVT–i

teknologi

sebesar 251,5098 gr/kW jam, sedangkan tanpa teknologi VVT–i

konsumsi bahan bakarnya sebesar 260,0889 gr/kW jam. Sehingga penurunannya 3.41%. d. Dari Gambar 3.1. Grafik Torsi Mesin dapat dilihat bahwa torsi meningkat seiring dengan bertambahnya putaran mesin. Namun setelah mencapai torsi maksimum, secara perlahan torsi menurun walaupun putaran mesin terus bertambah. e. Adanya perbedaan torsi dan konsumsi bahan bakar yang signifikan antara mesin yang berteknologi VVT-i dengan mesin yang Non VVT-i di putaran 5000 RPM. Ini dapat dilihat pada gambar 3.1. Grafik Torsi Mesin dan Gambar 3.3. Grafik SFC Mesin.

58

Saran a.

Pilih bensin tanpa timbal dengan angka oktan (Research Octane Number) 91 atau lebih tinggi untuk menghindari adanya kocking.

b.

Untuk mobil yang memiliki catalytic converter, jangan menghidupkan kendaraan dalam kondisi diam lebih dari 20 menit. Jika mesin dihidupkan dalam waktu lama pada kondisi diam, kenaikan suhunya akan melebihi ambang batas aman. Selanjutnya, catalytic converter akan membara.

59

DAFTAR PUSTAKA 1. Pulkrabek Willard W, Engineering Fundamentals of The Internal Combustion Engine, Prentice Hall, New Jersey 2. Heywood John B, Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw Hill Book Company, New York, 1988 3. PT. Astra Daihatsu Motor Training Center, Diktat VVT-i 4. Arismunandar Wiranto, Penggerak Mula otor Bakar Torak, ITB; 1983-B 5. Gordon Van Wylen, Fundamentals of Classical Thermodynamics, 4th edition, 1994 6. Yunus A. Cengel, Thermodynamics An Engineering Approch, 2nd edition, 1994 7. http://en.wikipedia.org/wiki/Four-stroke_cycle 8. http://en.wikipedia.org/wiki/Variable_valve_timing 9. http:// www.panavi.kz/4runner/215/NCF/1gr-fe_vvtisystem.pdf 10. http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/node25.html#fig5: OttoIdeal 11. http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/node25.html#fig5: OttoReal 12. http://www.daihatsu.co.id/our%20product/Xenia_Spec_Ind.asp 13. http://www.daihatsu.co.id/Technology/Technology_Ind.asp 14. http://www.katverwerter.eu/assets/images/AutomotiveCatalyticConverter.jpg 15. http://toyota.typepad.com/photos/uncategorized/2008/02/08/vvti_actuator.png 16. www.mr2.com/files/mr2/techinfo/Random%20FSM%20Data/3grfse-2.pdf 17. http://en.wikipedia.org/wiki/Catalytic_converter

60

18. http://webhome.idirect.com/~sav/Exhaust/Image12.gif 19. http://i134.photobucket.com/albums/q102/dua_putra_variasi/axnet/mesin-avanza.jpg

LAMPIRAN

61

62

Lampiran A. Tabel faktor – faktor konversi Dimension

Metric

Metric/English

Acceleration

Area

Density

Energy, heat, work, internal energy, enthalpy

56

Dimension

Metric

Metric/English

(Natural Gas) Force

Heat Flux Heat generation rate Heat Transfer coefficient Thermal Conductivity Length

Mass

57

Dimension

Metric

Metric/English

Specific Heat

Power, heat transfer rate

Pressure

58

Dimension

Metric

Metric/English

Specific Volume

Temperature

Velocity

Volume

59

Dimension

Metric

Metric/English

exact conversion factor between metric and English units †

Calorie is originally defined as the amount of heat needed to raise the temperature of 1 g of water by 1ºC but it varies with the international steam table calorie (generally prefered by engineers) is exactly 4,1868 J by definition and corresponds to the specific heat of water at 15 ºC. The thermocehemical calorie (generally preferred by physicists) is exactly 4,184 J by defintion and corresponds to the specific heat of water at room temperature. The difference between the two is about 0,06 percent, which is negligible. The capitalized Calorie used by nutritionists is actually a kilocalorie (1000 IT Calories).

‡

Mechanical horse power. The electrical horse power is taken to be axactly 746 W

(Sumber

:

Lit.

60

7)

Lampiran B. Tabel Sifat – sifat udara (Tabel A-17)

61

Catatan : Pr dan Vr tak berdimensi di dalam analisa proses isentropis. (Sumber : Lit. 7)

62

63

Lampiran F. Spesifikasi Mesin Spesifikasi Mesin Daihatsu Xenia Non VVT-i 1.0 Mi/Li

1.3Xi

SPESIFIKASI DAIHATSU XENIA Dimensi Panjang Lebar Tinggi Jarak Poros Roda Jarak Terendah Jarak Pijak Roda Berat Berat Kosong Berat Total Mesin Model/Tipe Diameter x langkah Isi Silinder Daya Maksimum Torsi Maksimum Sistem Bahan Bakar Bahan Bakar Transmisi Mode/Tipe Rasio Gigi

Kemudi Tipe REM Depan Belakang Rem parkir Suspensi Depan Belakang Ban

Depan Belakang

(Standard JIS) (Standard JIS)

mm mm mm mm mm mm mm

4070 1630 1685 2655 190 1415 1425

200 1405 1415

Kg Kg

990/1020 1425/1455

1050 1485

EJ-DE DOHC 72 x 81 989 57/5200 9,2/3600

K3-DE DOHC 72 x 79,7 1298 86/6000 11,9/3200

mm cc PS/rpm Kgm/rpm

EFI Bensin Manual ,5 kecepatan maju 1 2 3 4 5 Mundur Rasio Gigi Akhir

3,769 2,045 1,457 1,000 0,838 4,128 5,571

3,769 2,045 1,578 1,000 0,838 4,128 5,125 Rack & Pinion Cakram Drums, Leading & Trailing Mekanis pada roda belakang

MacPherson strut, dengan per keong stabilizer Semi-trailing, per keong independen 5 link, rigrid axle dengan per keong 165/80R13

(Sumber : Lit. 3)

64

Spesifikasi Daihatsu Xenia VVT-i SPESIFIKASI DAIHATSU XENIA VVT-i DIMENSI Panjang Keseluruhan Lebar Keseluruhan Tinggi Keseluruhan Jarak Sumbu Roda Jarak Pijak Roda Depan Jarak Pijak Roda Belakang Tinggi Dari Tanah BERAT Berat Kosong Kendaraan Berat Total Kendaraan Kapasitas Tempat Duduk PERFORMA Radius Putar Minimum MESIN Tipe Kapasitas Silinder Konfigurasi Mesin Konfigurasi Katup Diameter x Langkah Tenaga Maksimum Torsi Maksimum Sistem Bahan Bakar Jenis Bahan Bakar Kapasitas Bahan Bakar TRANSMISI Tipe Kecepatan Maksimum

Mi

Li

mm mm mm mm mm mm mm kg kg

Xi 4120 1630 1685 2655

1415 1425

1405 1415 190

980

995

1030 1570

1540 7

m

cc

mm ps/rpm kg - m/rpm

litre

4.5

EJ-VE 1.0 VVT-i DOHC K3-VE 1.3 VVT-i DOHC 989 1298 3 4 12 16 72 x 81 72 x 79,7 63/5600 92/6000 9.2 / 3600 12.2/4400 Electronic Fuel Injection Bensin tanpa timbal 45 Manual, 5 Kecepatan, 1 Mundur 135 160 IV : 1,000 I : 3,769 IV : 1,000 V : 0,838 II : 2,049 V : 0,838 R : 4,128 III : 1,457 R : 4,128 5,571 5,125

km / jam I : 3,769 II : 2,049 III : 1,457

Rasio Gir Rasio Final Gir SISTEM KEMUDI Tipe REM Depan Belakang Rem Parkir SUSPENSI

4.7

Rack & Piniom

Rack & Pinion dgn Power Steering Cakram Drum, Leading & trailing Mekanis pada roda belakang

Mac Pherson strut dengan Per Keong & stabilizer 5 link, rigid axle dgn Coil Spring 165/80 R 13 185/70 R 14

Depan

MacPherson strut dengan Coil Spring

Belakang BAN CLASSIC SILVER MIDNIGHT BLACK AQUA BLUE

PILIHAN WARNA

LIME GREEN

n.a

EXOTIC BEIGE

n.a

ROYAL RED

n.a

NOBLE GREY

n.a (Sumber : Lit. 3)

65

Lampiran C. Gambar Perangkat VVT-i

Gambar C.1 Mesin K3 VE VVT-i (sumber : Lit. 19)

Gambar C.2 Mesin yang menggunakan teknologi VVT-i (sumber : Lit. 3)

66

Gambar C.3 VVT-i Kontroller (sumber : Lit. 3)

Gambar C.4 Lock Pin (sumber : Lit. 3)

67

Gambar C.5 ECU (Electronic Control Unit) (sumber : Lit. 3)

Gambar C.6 Crankshaft Position Sensor (sumber : Lit. 3)

68

Lampiran D. Gambar Catalytic Converter

Gambar D.1 Catalytic Converter tipe Pellet dan tipe Ceramic Monolith (sumber : Lit. 3)

69

Gambar D.2 Proses Penyaringan Gas Buang (sumber: Lit. 3)

Gambar D.3 Skema Catalytic Converter (sumber : Lit 17)

70

Gambar D.4 Letak Catalytic Converter (sumber : Lit. 17)

71

SKRIPSI MOTOR BAKAR. KAJIAN TEORITIS PERFORMANSI MESIN NON STATIONER (MOBILE) BERTEKNOLOGI VVT-i DAN NON VVT-i OLEH :

Recommend Documents