UNIVERSITAS INDONESIA EFEK PERUBAHAN ALIRAN GAS BUANG DALAM KNALPOT UNTUK DITERAPKAN PADA MESIN KAPAL KLOTOK 10 HP SKRIPSI

UNIVERSITAS INDONESIA

EFEK PERUBAHAN ALIRAN GAS BUANG DALAM KNALPOT UNTUK DITERAPKAN PADA MESIN KAPAL KLOTOK 10 HP

SKRIPSI

Martinus Putra 0806338374

FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK PERKAPALAN DEPOK JULI 2012

Efek perubahan..., Martinus Putra, FT UI, 2012

UNIVERSITAS INDONESIA

EFEK PERUBAHAN ALIRAN GAS BUANG DALAM KNALPOT UNTUK DITERAPKAN PADA MESIN KAPAL KLOTOK 10 HP

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk me memperoleh mperoleh gelar Sarjana Teknik

Martinus Putra 0806338374

FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK PERKAPALAN DEPOK JULI 2012

ii Efek perubahan..., Martinus Putra, FT UI, 2012

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS

Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri, dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk telah saya nyatakan dengan benar.

Nama

: Martinus Putra

NPM

: 0806338374

Tanda Tangan

:

Tanggal

:

2012

iii Efek perubahan..., Martinus Putra, FT UI, 2012

HALAMAN PENGESAHAN Skripsi ini diajukan oleh

:

Nama

: Martinus Putra

NPM

: 0806338374

Program Studi

: Teknik Perkapalan

Judul Skripsi

: Efek Perubahan Aliran Gas Buang Dalam Knalpot Untuk Diterapkan pada Mesin Kapal Klotok 10 HP

Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana pada Program Studi Teknik Perkapalan, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia DEWAN PENGUJI Pembimbing

: Prof. Dr. Ir. Yanuar, M.Eng, M.Sc

Penguji 1

: Dr. Ir. Sunaryo, M.Sc.

Penguji 2

: Ir. Marcus Alberth Talahatu, M.T.

Penguji 3

: Ir. Hadi Tresno Wibowo, M.T

Penguji 4

: Ir. Mukti Wibowo

Ditetapkan di

: Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok

Tanggal

:

2012

iv Efek perubahan..., Martinus Putra, FT UI, 2012

KATA PENGANTAR / UCAPAN TERIMA KASIH Puji syukur kepada Tuhan Yesus yang telah memberikan rahmat dan bimbingannya selama saya mengerjakan skripsi ini sehingga dapat selesai tepat waktu. Selain itu, saya juga ingin berterima kasih kepada seluruh pihak yang telah membantu segala sesuatunya dalam menyelesaikan skripsi ini, yaitu : 1.

Prof. Dr. Ir. Yanuar, M.Eng, M.Sc selaku pembimbing skripsi. Terima kasih atas segala bimbingan dan pembelajaran yang telah diberikan selama ini.

2.

Gunawan, S.T, M.T dan M.Baqi, S.T, M.T yang telah memberikan segala pengetahuan dan pengalaman selama kegiatan perkuliahan.

3.

Sigit Pamungkas sebagai partner kerja dalam melakukan penelitian ini. Terima kasih atas kerja-samanya dan semoga semakin sukses

4.

Kepada seluruh keluarga yang tercinta, Haris Widjaja, Lucia Tjandrawati, Maria Leonita, dan Christina Natalia yang telah memberikan kasih sayang, perhatian dan dukungan tanpa batas dari saya kecil hingga sampai saat ini.

5.

Kepada Ragil Tri Indrawati dan Edwin Dwi Novianto atas segala kerja sama, semangat dan dukungan selama masa perkuliahan kapal. Begitu juga dengan teman-teman Naval Architecture UI 2008 yang makin kompak.

6.

"Brother from another mother", Julius Antoni, Albertus Barca, dan Edwin Handoko atas segala semangat dan kegembiraan selama masa muda kita.

7.

Segenap keluarga Antiokhia MKK : Dennise, Vicky, Mario, Dian, Otto, Basted, Cinthia, Ivan, Ellen, Fabian, Rejem, Donny, Revi, Ozie, Verena atas segala perjuangan yang telah kita lalui bersama di dalam Antiokhia MKK yang menjadi pengalaman yang tidak akan terlupakan sepanjang masa.

8.

Ignatia Theodora Niken Hidyarni yang telah memberikan semangat, dukungan, cinta dan doa selama 3 tahun terakhir. Semoga segala sesuatunya berjalan dengan lancar sesuai dengan rencana-Nya.

9.

Last but not least, Bapak Partono Bunadi dan Bapak Rendra Pramono dari PT. Dharma Polimetal yang telah memprakarsai penelitian ini. Depok , Juli 2012 Martinus Putra

v Efek perubahan..., Martinus Putra, FT UI, 2012

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di bawah ini: Nama NPM Program Studi Fakultas Jenis Karya

: Martinus Putra : 0806338374 : Teknik Perkapalan : Teknik : Skripsi

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif (Non-Exclusive Royalty-Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul: "Efek Perubahan Aliran Gas Buang Dalam Knalpot Untuk Diterapkan pada Mesin Kapal Klotok 10 HP" beserta perangkat yang ada (bila diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti NonEksklusif ini, Universitas Indonesia berhak menyimpan, mengalihmedia/formatkan, mengelolanya dalam bentuk pangkalan media (database), mendistribusikannya, dan menampilkan/mempublikasikannya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta izin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta. Segala bentuk tuntutan hukum yang timbul atas pelanggaran Hak Cipta dalam karya ilmiah ini menjadi tanggung jawab saya pribadi. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di Tanggal

: Depok :

2012

Yang menyatakan,

Martinus Putra

vi Efek perubahan..., Martinus Putra, FT UI, 2012

ABSTRAK Nama Program Studi Judul

: Martinus Putra : S1 Reguler Teknik Perkapalan : Efek Perubahan Aliran Gas Buang Dalam Knalpot Untuk Diterapkan pada Mesin Kapal Klotok 10 HP

Kapal klotok adalah sarana transportasi utama di daerah pedalaman Kalimantan yang mengutamakan sungai-sungai sebagai penghubung daerah-daerah pedalaman dengan dunia luar. Dalam kesehariannya, kapal ini menimbulkan suara yang amat berisik dan apabila terpapar suara tersebut dalam jangka waktu tertentu dapat menyebabkan gangguan pendengaran. Oleh karena itu, rancangan knalpot menjadi sangat penting untuk meredam suara tersebut. Di sisi lain, knalpot juga akan berpengaruh terhadap performa mesin. Akan tetapi, kedua hal tersebut saling berkompensasi sehingga harus dicari rancangan knalpot yang mampu meredam suara berisik dan meningkatkan performa mesin. Dalam penelitian ini akan dilihat efek perubahan aliran gas buang dengan memodifikasi knalpot muffler one sebanyak 4 knalpot. Dari hasil penelitian didapatkan bahwa knalpot variasi 3 mampu menaikkan tenaga sebesar 0.5 HP dengan menurunnya nilai backpressure sebanyak 404 Pa. Selain itu knalpot variasi 3 juga mampu menghasilkan kebisingan suara dibawah 90 dB. Juga mampu melakukan penghematan bahan bakar sebanyak 3% dari knalpot standard. Dari hasil ini dapat diketahui bahwa knalpot variasi 3 merupakan modifikasi yang paling tepat. Kata kunci: kapal klotok, kebisingan, knalpot, backpressure, temperatur gas buang, aliran gas buang.

vii Efek perubahan..., Martinus Putra, FT UI, 2012

ABSTRACT Name Study Program Title

: Martinus Putra : Naval Architecture : The Effect of Exhaust Gas Flow Modification in The Muffler to Applied on " Klotok Boat " Engine 10 HP

Klotok boat is the main means of transport in remote areas of Borneo that prioritizes the rivers as a link rural areas to the outside world. In daily life, these boats are very loud noise and when exposed to noise in a set period of time can cause hearing loss. Therefore, the design of the exhaust becomes very important to muffle the sound. On the other hand, the exhaust will also affect the engine performance. However, two things are mutually compensated so it should look for the exhaust design that can reduce noise and increase engine performance. In this research would be seen the effect of changes in the exhaust stream by modifying one of 4 muffler exhaust muffler. From the result showed that the exhaust pipe 3 is able to increase the power variation of 0.5 HP with a decrease in value as much as 404 Pa backpressure. Besides exhaust variation 3 is also able to produce audible noise below 90 dB. Also able to save fuel as much as 3% of the standard exhaust. From these results it can be seen that the variation 3 is the best modification. Key words: klotok boat, noise, exhaust backpressure, the flow of exhaust gas, exhaust gas temperature.

viii Efek perubahan..., Martinus Putra, FT UI, 2012

DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL....................................................................................... ii HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS........................................... iii HALAMAN PENGESAHAN........................................................................ iv KATA PENGANTAR/UCAPAN TERIMA KASIH...................................... v HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI..................... vi ABSTRAK..................................................................................................... vii ABSTRACT.................................................................................................. viii DAFTAR ISI................................................................................................... ix DAFTAR TABEL DAN GRAFIK................................................................. xi DAFTAR GAMBAR......................................................................................xii DAFTAR PUSTAKA................................................................................... xiii BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang .......................................................................... 1 1.2 Perumusan Masalah .......................................................................... 3 1.3 Tujuan Penelitian .......................................................................... 4 1.4 Batasan Penelitian .......................................................................... 4 1.5 Metode Penelitian .......................................................................... 4 1.6 Sistematika Penulisan .......................................................................... 5 BAB 2 LANDASAN TEORI 2.1 Siklus Mesin Otto 4-Langkah .............................................................. 7 2.1.1. Langkah Hisap .......................................................................... 7 2.1.2. Langkah Kompresi .............................................................. 8 2.1.3. Langkah Kerja .......................................................................... 10 2.1.4. Langkah Pembuangan ............................................................. 11 2.1.5. Hukum Termodinamika Pada Mesin Otto 4-Langkah .............. 13 2.1.5.1. Siklus Ideal Mesin Otto 4 Langkah .......................... 13 2.1.5.2. Siklus Aktual Mesin Otto 4 Langkah .............. 15 2.1.5.3. Overlapping .............................................................. 17 2.2 Sistem Pembuangan Gas Sisa Pembakaran ...................................... 21 2.2.1. Kebisingan .......................................................................... 25 2.2.2. Knalpot ...................................................................................... 28 2.2.3. Performa Knalpot .............................................................. 30 2.3 Aliran Gas Kompresibel .............................................................. 35 2.3.1. Aliran Fanno .......................................................................... 37 2.3.1.1 Model Fanno .............................................................. 38 2.3.1.2 Kurva Fanno .............................................................. 40

ix Efek perubahan..., Martinus Putra, FT UI, 2012

BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Rancangan Pengambilan Data ................................................ 42 3.1.1. Pengambilan Data Kebisingan Suara .................................... 43 3.1.2. Pengambilan Data Temperatur ................................................ 44 3.1.3. Pengambilan Data Tenaga dan Torsi .................................... 45 3.1.4. Pengambilan Data Backpressure .................................... 46 3.1.5. Pengambilan Data Debit Aliran Gas Buang ........................ 47 3.1.6. Pengambilan Data Konsumsi Bahan Bakar ........................ 50 3.2 Spesifikasi Knalpot Standard, V1, V2, V3, dan V4 ........................ 51 BAB 4 PENGOLAHAN DAN ANALISIS DATA 4.1. Hasil Eksperimen ....................................................................... 59 4.2. Analisa Eksperimen ....................................................................... 67 BAB 5 PENUTUP 5.1 Kesimpulan Penelitian ....................................................................... 70 5.2 Diskusi Penelitian ....................................................................... 74 DAFTAR PUSTAKA ...................................................................... 75 LAMPIRAN .............................................................................................. 76

x Efek perubahan..., Martinus Putra, FT UI, 2012

DAFTAR TABEL DAN GRAFIK Tabel 1 Tabel 2 Tabel 3 Tabel 4 Tabel 5 Tabel 6 Tabel 7 Tabel 8 Tabel 9 Tabel 10 Tabel 11 Tabel 12 Tabel 13 Tabel 14

Data Kebisingan Suara ...................................................... 59 Data Insertion Loss .................................................................. 60 Data Kecepatan Suara Gas Buang .......................................... 60 Data Backpressure .................................................................. 61 Data Debit Gas Buang ...................................................... 61 Data Tenaga Mesin .................................................................. 62 Data Torsi Mesin .................................................................. 62 Data Konsumsi Bahan Bakar 5 Menit .............................. 62 Karakteristik Knalpot Standard .......................................... 70 Karakteristik Knalpot Variasi 1 .......................................... 71 Karakteristik Knalpot Variasi 2 .......................................... 71 Karakteristik Knalpot Variasi 3 .......................................... 72 Karakteristik Knalpot Variasi 4 .......................................... 72 Perbandingan Variasi Knalpot .......................................... 73

Grafik 1 Grafik 2 Grafik 3 Grafik 4 Grafik 5 Grafik 6 Grafik 7 Grafik 8

Efek Terhadap Kebisingan Suara .......................................... 63 Efek Terhadap Insertion Loss ...................................................... 63 Efek Terhadap Kecepatan Suara Gas Buang .............................. 64 Efek Terhadap Backpressure ...................................................... 64 Efek Terhadap Debit Gas Buang .......................................... 65 Efek Terhadap Tenaga Mesin ...................................................... 65 Efek Terhadap Torsi Mesin ...................................................... 66 Efek Terhadap Konsumsi Bahan Bakar .............................. 66

xi Efek perubahan..., Martinus Putra, FT UI, 2012

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Gambar 2.2 Gambar 2.3 Gambar 2.4 Gambar 2.5 Gambar 2.6 Gambar 2.7 Gambar 2.8 Gambar 2.9 Gambar 2.10 Gambar 2.11 Gambar 2.12 Gambar 2.13 Gambar 2.14 Gambar 2.15 Gambar 2.16 Gambar 2.17 Gambar 2.18 Gambar 2.19 Gambar 2.20 Gambar 2.21 Gambar 2.22 Gambar 2.23 Gambar 2.24 Gambar 2.25 Gambar 2.26 Gambar 2.27 Gambar 2.28 Gambar 3.1 Gambar 3.2 Gambar 3.3 Gambar 3.4 Gambar 3.5 Gambar 3.6 Gambar 3.7 Gambar 3.8 Gambar 3.9

Langkah Hisap ................................................................. 8 Langkah Kompresi ................................................................. 9 Rasio Kompresi ................................................................. 9 Langkah Kerja ................................................................. 11 Langkah Pembuangan ................................................................. 12 Siklus Otto 4-Langkah ..................................................... 12 Siklus Otto Ideal dan Persamaan Termodinamika ................. 13 Diagram p-V Siklus Aktual Otto 4-Langkah ............................. 15 Katup Masuk Terbuka ..................................................... 17 Katup Buang Tertutup ..................................................... 17 Katup Masuk Tertutup ..................................................... 18 Katup Buang Terbuka ..................................................... 19 Katup Buang Tertutup ..................................................... 20 Siklus Aktual Overlapping ..................................................... 20 Pembuangan Gas Sisa ..................................................... 21 Gambaran Umum Sistem Pembuangan ............................. 21 Tingkat Kebisingan ................................................................. 27 Absortive Muffler ................................................................. 28 Reactive Muffler ................................................................. 29 Skema Insertion Loss ................................................................. 31 Skema Transmission Loss ..................................................... 31 Pengukuran Tekanan Pada Katup Buang ............................. 32 Efek Backpressure ................................................................. 33 Fenomena Berlebihnya Backpressure......................................... 34 Fenomena Kurangnya Backpressure ......................................... 35 Kontrol Volume Aliran Gas Pada Luas Penampang Konstan .... 38 Diagram T-s Aliran Fanno ..................................................... 40 Efek Gesekan pada Aliran Fanno................................................ 41 Posisi dan Orientasi Pengambilan Data Kebisingan ................. 43 Termokopel Tipe-K dan Digital Indikator ............................. 44 Pengujian Dyno di PT.KS NUSA ......................................... 45 Skema Pengukuran Backpressure ......................................... 46 Pengukuran Backpressure ..................................................... 46 Penjelasan Tabung Pitot-Statik ......................................... 47 Pengambilan Data Flowrate ..................................................... 49 Skema Penelitian ................................................................. 49 Skema Penelitian Konsumsi Bahan Bakar ............................. 50

xii Efek perubahan..., Martinus Putra, FT UI, 2012

BAB I PENDAHULUAN 1.1

Latar Belakang Motor pembakaran dalam adalah mesin kalor yang mengubah energi kimia

menjadi energi mekanis. Energi kimia ini didapat dari bahan bakar yang pertamatama diubah menjadi energi termal melalui proses pembakaran atau oksidasi dengan campuran udara di dalam ruang bakar. Energi ini akan meningkatkan temperatur dan tekanan di dalam ruang bakar yang akan menggerakan suatu mekanisme untuk menghasilkan gerak rotasi sesuai yang diharapkan. Terdapat 2 jenis motor pembakaran dalam yang dikenal secara umum yaitu mesin Otto dan mesin Diesel. Pada tahun 1876, Nikolaus August Otto berhasil menciptakan sebuah mesin yang mengkompresi campuran minyak dan udara sebelum terjadi pembakaran. Kemudian pada tahun 1897, Rudolf Diesel berhasil menjalankan mesin Diesel pertamanya yang berhasil membuktikan bahwa bahan bakar dapat dipantik tanpa menggunakan percikan api.[10] Seiring dengan perkembangan jaman dan kebutuhan manusia yang semakin banyak maka penggunaan kedua mesin di atas menjadi semakin luas. Pemanfaatan mesin ini paling banyak digunakan untuk keperluan transportasi darat dan laut. Dimana mesin Otto lebih banyak digunakan dan dikembangkan untuk transportasi darat dan mesin Diesel pada transportasi laut. Transportasi laut ini lebih banyak digunakan untuk angkutan sungai dan danau, biasanya digunakan di daerah Sumatra, Kalimantan, dan Papua. Menurut Kementerian Perhubungan, angkutan sungai ini berfungsi untuk menunjang dan mendorong aktivitas masyarakat agar perkembangan di setiap daerah dapat terjadi. Di Kalimantan Tengah misalnya, penggunaan angkutan sungai ini merupakan unsur yang amat penting dalam mendukung perkembangan ekonomi di daerah-daerah terpencil. Hal ini disebabkan karena hampir seluruh daerahnya dihubungkan oleh sungai sehingga dimanfaatkan untuk sarana transportasi dan distribusi barang. Barang-barang yang didistribusikan adalah barang kebutuhan pokok dan komoditas hasil perkebunan, pertambangan, dan industri. Untuk mendistribusikan barang-barang tersebut sering digunakan sebuah kapal yang sering dikenal dengan nama kapal klotok. Disebut kapal klotok karena

1


Universitas Indonesia

2

suara yang dihasilkan dari mesin berbunyi tok-tok-tok-tok dalam frekuensi yang sangat cepat, biasanya berkapasistas 8-16 HP (tenaga kuda) dengan ukuran perahu 1-5 GT (gross tonnage)[9]. Bunyi yang dihasilkan tersebut sangat berisik sehingga dapat dikategorikan sebagai polusi suara, dimana polusi suara ini lama kelamaan dapat merugikan kesehatan manusia. Grafik Bobot Sektor Angkutan Sungai, Darat, dan Lainnya

Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa penggunaan angkutan sungai lebih banyak sedikit daripada angkutan darat sampai pada tahun 2008. Dengan semakin bertambahnya jumlah penduduk di Indonesia maka kebutuhan pokok di setiap daerah menjadi semakin meningkat sehingga penggunaan kapal klotok menjadi bertambah banyak setiap tahunnya. Hal ini menyebabkan polusi suara yang tidak berkurang malahan bertambah sehingga dibutuhkan suatu penelitan khusus untuk dapat mengurangi kebisingan tersebut. Dalam Peraturan Menteri Lingkungan Hidup No. 07 Tahun 2009 disebutkan bahwa batas maksimal kebisingan motor bermesin di bawah 80 cc adalah 80 desibel (dB) dan motor bermesin 80-175 cc maksimal 90 dB. Sedangkan untuk yang bermesin diatas 175 cc kebisingan tak boleh lebih dari 90 dB. Maka dari itu, dibutuhkan suatu penelitian untuk dapat menemukan jawaban untuk dapat mengurangi polusi suara yang dihasilkannya. Penelitian ini akan berfokus terhadap pengembangan muffler sehingga ke depannya dapat diketahui muffler seperti apa yang paling baik.



3

Dalam dunia kendaraan bermotor, sistem pembuangan membawa gas sisa hasil pembakaran dari ruang bakar ke lingkungan. Gas buang keluar dari ruang pembakaran melalui sebuah pipa menuju exhaust manifold , catalytic converter , dan muffler sebelum ke luar ke atmosfir [1]. Aliran gas buang ini memiliki tekanan yang dapat menimbulkan suara bising apalagi ketika putaran mesin semakin tinggi. Selain itu terdapat pula isu lain pada kendaraan bermotor yaitu masalah konsumsi bahan bakar. Hampir seluruh masyarakat di Indonesia akan mencari dan menggunakan kendaraan bermotor yang paling hemat. Ternyata muffler juga dapat berpengaruh terhadap konsumsi bahan bakar dan dapat dilihat dari parameter backpressure. Backpressure ini harus dijaga serendah mungkin, karena apabila backpressure ini terlalu besar maka akan mengakibatkan berkurangnya efisiensi volumetrik dan konsumsi bahan bakar spesifik.[3] Sehingga secara tidak langsung rancangan muffler akan berpengaruh terhadap performa mesin tersebut. Kebisingan dan backpressure merupakan dua hal dasar untuk mengetahui performa dari suatu muffler. Mungkin saja terdapat rancangan muffler yang tidak menimbulkan kebisingan akan tetapi performa mesin hanya berada pada kondisi standard, sebaliknya apabila ingin menciptakan rancangan muffler yang performa nya lebih baik daripada standard maka kebisingan suara akan muncul. Berhubung setiap motor bakar memiliki karakteristiknya masing-masing, maka diperlukan rancangan muffler yang berbeda-beda untuk setiap motor bakar. 1.2

Perumusan Masalah Berdasarkan paparan di atas maka permasalahan dalam penelitian ini

adalah: a. Bagaimanakah efek pengunaan muffler one pada mesin X 10 HP. b. Bagaimanakah efek penambahan lubang pada input pipe dan transfer pipe muffler one pada mesin X 10 HP. c. Bagaimanakah efek modifikasi sistem aliran gas buang dalam muffler one pada motor mesin X 10 HP.



4

1.3

Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini untuk mendapatkan optimasi desain knalpot pada

mesin 4 langkah dengan kapasitas 10 HP dengan mengetahui hubungan antara torsi dengan tenaga, tenaga dengan backpressure, dan rpm dengan desibel. 1.4

Batasan Masalah Penelitian ini hanya menggunakan mesin 4 langkah berkapasitas 10 HP

dengan menggunakan 4 jenis variasi muffler one yang akan diukur tingkat kebisingan, besarnya aliran gas buang, backpressure, dan tenaga. 1.5

Metode Penelitian Dalam penulisan tugas akhir ini, penulis melakukan beberapa metode

dalam penulisan, yaitu: 1. Studi literatur dan berdiskusi bersama Dosen Pembimbing Untuk mendapatkan pemahaman dasar mengenai penelitian yang akan dilakukan dibutuhkan beberapa literatur seperti jurnal, artikel, bukubuku yang dapat dicari melalui media cetak maupun media elektronik. Dengan dasar pemahaman tersebut maka kegiatan berdiskusi dengan pembimbing menjadi lebih terarah dan dapat menghasilkan suatu pemahaman yang jelas. 2. Mengatur peralatan eksperimen Dalam melakukan penelitian ini dibutuhkan beberapa instrumen seperti Sound Level Meter, Termokopel, Tabung Pitot, Manometer-U, dan Tachometer. Masing-masing instrumen tersebut disusun sedemikian rupa sehingga dapat digunakan untuk mengambil data sesuai dengan parameter yang ditetapkan terlebih dahulu pada setiap motor bakar. 3. Pengumpulan data Setelah peralatan eksperimen berhasil disusun, maka pengambilan data dapat segera dilakukan pada mesin 10 HP. Karena data yang akan diambil pada penelitian ini cukup banyak maka dibutuhkan waktu yang



5

cukup lama setiap kali dilakukan pengambilan data dan juga pengambilan data ini dilakukan terus menerus hingga seluruh data yang diharapkan sudah didapatkan. 4. Pengolahan data Dari data yang diambil maka dapat dilakukan perhitungan secara teoritis berdasarkan apa yang tertera di dasar teori. Diharapkan setelah seluruh data yang didapatkan sudah diolah dan dibuat grafiknya, maka dapat dihasilkan suatu pemaparan yang lebih jelas mengenai karakteristik muffler. 5. Analisis data Dari hasil grafik yang didapatkan maka akan dapat ditarik kesimpulan suatu karakteristik knalpot yang lebih baik daripada knalpot standard dengan beberapa parameter yang sudah ditetapkan. Parameter tersebut adalah kebisingan knalpot, insertion loss, kecepatan suara, debit gas buang, tenaga mesin. torsi mesin, backpressure, dan konsumsi bahan bakar. Dari seluruh parameter tersebut akan dibuat suatu penilaian terhadap efeknya perubahan aliran gas buang yang nanti akan ditotal nilainya. 1.6

Sistematika Penulisan

Penulisan tugas akhir ini meliputi beberapa bab, yaitu: BAB I

Bab ini membahas

mengenai latar belakang permasalahan,

tujuan penelitian, metode penelitian, batasan permasalahan yang dibahas dalam tugas akhir ini, metode penulisan dalam hal ini bagaimana penulis mendapatkan informasi mengenai penelitian ini serta sistematika penulisan. BAB II

Bab ini menjelaskan mengenai landasan teori yang berhubungan dan digunakan dalam menyelesaikan masalah yang dibahas.



6

BAB III

Bab ini menjelaskan mengenai rancangan alat uji, peralatanperalatan pendukung dalam pengujian, kondisi dalam pengujian serta prosedur pengujian dan pengambilan data.

BAB IV

Bab ini menjelaskan mengenai pengolahan data, menampilkan data penelitian, grafik yang didapat dari pengujian, hasil dari pengujian serta analisis dari hasil penelitian.

BAB V

Bab ini merupakan bab penutup, pada bab ini diberikan kesimpulan serta saran seandainya penelitian ini akan dilanjutkan suatu saat sehingga memperoleh hasil yang lebih akurat.



BAB II LANDASAN TEORI 2.1

Siklus Mesin Otto 4-Langkah

2.1.1

Langkah Hisap Langkah ini bergerak dari titik mati atas (TMA) ke titik mati bawah

(TMB) dengan katup masuk terbuka dan katup buang tertutup. Gerakan ini meningkatkan volume di dalam ruang bakar,dimana secara berurutan akan menciptakan tekanan vakum. Karena tekanan vakum ini lah, udara dari luar dapat masuk ke dalam ruang bakar secara alamiah karena tekanan mengalir dari tinggi ke rendah. Ketika udara mengalir melalui sistem pemasukan, bahan bakar ditambahkan dengan besaran tertentu dengan menggunakan injeksi atau pun karburator. Ketika piston bergerak ke atas dan mendekati 28o sebelum TMA,sebagai ukuran dari putaran crankshaft, camshaft lobe mulai mengangkat cam follower. Hal ini menyebabkan pushrod untuk bergerak ke atas dan menggerakan rocker arm. Ketika hal ini terjadi, rocker arm menekan katup masuk ke bawah sehingga katup tersebut mulai terbuka. Langkah hisap mulai terjadi ketika katup buang masih terbuka. Aliran daripada gas buang akan menciptakan tekanan rendah di dalam ruang bakar dan akan membantu menarik udara dari luar. Piston kemudian melanjutkan gerakannya hingga mencapai TMA ketika udara masuk dan gas buang keluar. Pada 12o setelah TMA, camshaft exhaust lobe mulai berputar sehingga katup buang akan tertutup. Katup ini akan tertutup penuh pada 23o setelah TMA Hal ini dilakukan melalui per katup, dimana akan tertekan ketika katup akan terbuka, memaksa rocker arm dan cam follower melawan gerakan cam lobe ketika berputar. Jarak waktu ketika kedua katup terbuka secara bersamaan disebut valve overlap dan hal ini dibutuhkan agar udara dari luar membantu membersihkan gas buang yang masih tertinggal di ruang bakar hingga habis dan membantu mendinginkan silinder piston. Pada kebanyakan mesin, 3050 kali dari volume silinder yang dibuang dari ruang bakar ketika overlap terjadi. Udara dingin yang berlebihan ini juga menciptakan efek pendinginan terhadap beberapa bagian mesin.

7



8

Ketika piston sudah melewati TMA dan mulai untuk bergerak ke bawah dari dari lubang silinder, pergerakan ini menciptakan daya sedot dan kemudian menarik udara ke dalam silinder.

Gambar 2.1 Langkah Hisap, Howell, 2008

2.1.2

Langkah Kompresi Ketika piston mencapai TMB, katup masuk tertutup dan piston kembali

bergerak menuju TMA dengan seluruh katup tertutup. Hal ini menghasilkan kompresi terhadap campuran udara-bahan bakar, sehingga meningkatkan tekanan dan temperatur di dalam ruang bakar. Ketika hampir mencapai akhir daripada langkah kompresi, busi akan menyala dan menginisiasi terjadinya pembakaran. Tekanan meningkat berdasarkan rasio kompresi daripada motor bakar itu sendiri, yaitu rasio antara volume silinder penuh ketika piston berada di luar daripada langkahnya dengan volume sisa ketika piston berada di TMA. Rasio kompresi motor bakar bensin biasanya berkisar antara 6-9 dan tekanan pada ujung kompresi sekitar 620-827.4 kN/m2.



9

Gambar 2.2 Langkah Kompresi, Howell, 2008

Gambar 2.3 Rasio Kompresi, mechanic-info.blogspot.com



10

2.1.3

Langkah Kerja/ Tenaga Dengan seluruh katup tertutup, tekanan tinggi tercipta dengan proses

pembakaran yang mendorong piston menjauh dari TMA. Ini adalah langkah yang menghasilkan kerja dari siklus mesin. Ketika piston bergerak dari TMA ke TMB, volume silinder bertambah, menyebabkan tekanan dan temperatur menurun drastis. Kemudian piston kembali bergerak ke TMA akibat momentum daripada flywheel, dan mendorong seluruh gas sisa pembakaran keluar melalui katup buang. Tekanannya akan berada sedikit di atas tekanan atmosfir yang besarnya tergantung daripada tahanan aliran yang diakibatkan dari katup buang dan silencer/muffler. Dari hal ini terlihat bahwa hanya terdapat satu langkah kerja untuk 4 langkah piston, atau setiap 2 revolusi dari crankshaft, 3 langkah lainnya sering disebut sebagai langkah idle, dimana langkah ini membentuk suatu bagian yang tidak terpisahkan dari suatu siklus. Pembakaran dari campuran udara-bahan bakar muncul hanya dalam periode waktu yang sangat cepat tetapi dengan batasan waktu tertentu ketika piston mendekat ke TMA. Hal ini dimulai ketika langkah kompresi mendekati akhir sedikit sebelum TMA dan terus berlangsung hingga tercipta langkah kerja sedikit setelah TMA. Pembakaran merubah komposisi dari campuran gas buang sisa pembakaran dan meningkatkan temperatur pada silinder secara drastis ke angka tertingginya. Sehingga secara tidak langsung tekanan di dalam silinder juga akan mencapai titik tertingginya secara bergantian. Tepat sebelum langkah kompresi selesai, percikan api dari loncatan listrik akan memicu terjadinya pembakaran yang menyebabkan meningkatnya tekanan dan temperatur di dalam silinder. Pembakaran selesai ketika piston berhenti dan diikuti dengan ekspansi daripada gas panas. Tekanan daripada gas tersebut menggerakan piston dan memutar crankshaft sehingga mobil/motor dapat bergerak melawan hambatan luar dan mengembalikan momentum flywheel yang hilang ketika langkah idle. Tekanan akan menurun ketika volume bertambah.



11

Gambar 2.4 Langkah Kerja/Tenaga, Howell, 2008

2.1.4

Langkah Pembuangan Ketika piston bergerak mendekati 480 TMB, cam lobe dari katup buang

mulai mendorong cam follower ke atas dan menyebabkan katup buang terbuka. Kemudian gas buang mulai mengalir ke luar yang disebabkan karena tekanan silinder dan menuju ke exhaust manifold. Setelah melalui TMB, piston kemudian bergerak ke atas dan memiliki akselerasi maksimal sekitar 63o sebelum TMA. Dari titik ini piston akan mengalami perlambatan, dan ketika kecepatan piston menurun, kecepatan dari gas buang keluar dari silinder akan menciptakan tekanan sedikit di atas tekanan atmosfir. Pada 28o sebelum TMA, katup masuk terbuka dan siklus akan berjalan kembali. Langkah pembuangan menyelesaikan proses pembakaran. Pembukaan kembali katup masuk menjadi sinyal dimulainya siklus baru, dimana muncul pada setiap silinder dalam suatu mesin. Siklus pembakaran akan terus berulang pada kecepatan yang sangat tinggi selama mesin terus berjalan.



12

Gambar 2.5 Langkah Pembuangan, Howell, 2008

Gambar 2.6 Siklus Otto 4 Langkah, Encylopedia Britannica, Inc



13

2.1.5

Hukum Termodinamika Pada Mesin Otto 4 Langkah

2.1.5.1 Siklus Ideal Mesin Otto 4 Langkah Pada motor pembakaran dalam, campuran bahan bakar dan udara dipantik di dalam silinder. Gas hasil pembakaran yang panas mendorong piston dimana piston ini berhubungan dengan crankshaft untuk menghasilkan kerja. Pembakaran ini bukan suatu proses yang kontinyu, tetapi merupakan suatu proses yang terjadi dengan sangat cepat pada interval waktu tertentu. Mesin ini dikatakan 4 langkah karena terdapat 4 langkah gerakan piston dalam satu kali siklus.

Gambar 2.7 Siklus Ideal dan Persamaan Termodinamik Mesin Otto Pada gambar di atas terdapat diagram p-V siklus Otto ideal. Langkah hisap (1-2) dan langkah buang (6-1) terjadi dalam kondisi tekanan konstan dan tidak berpengaruh terhadap besarnya kerja yang dapat dihasilkan. Selama langkah kompresi (2-3) terjadi, kerja diberikan kepada campuran udara-bahan bakar oleh piston. Jika diasumsikan bahwa tidak terdapat panas yang masuk ketika proses kompresi berlangsung, maka dapat diketahui hubungan antara perubahan volume dan perubahan tekanan dan temperatur dari persamaan entropi gas.



14

Perlu diketahui bahwa rasio daripada volume pada awal kompresi dengan volume pada akhir kompresi disebut rasio kompresi (r), sehingga,

P3/P2 = r T3/T2 = r

-1

Dimana P adalah tekanan , T adalah temperatur dan

(gamma) merupakan ratio

daripada kalor spesifik. Selama proses pembakaran (3-4), volume dijaga konstan dan kalor dilepaskan sehingga terjadi perubahan temperatur,

T4 = T3+ f * Q/cv Disini Q merupakan kalor yang dilepaskan dan f merupakan rasio antara udarabahan bakar dalam pembakaran, dan cv adalah kalor spesifik ketika volume konstan. Dari persamaan kesetimbangan, dapat diketahui bahwa

P4 = P3 * (T4/T3) Ketika langkah kerja (4-5) berlangsung, kerja dihasilkan oleh gas hasil pembakaran pada piston. Rasio ekspansi merupakan kebalikan dari rasio kompresi sehingga,

P5 / P4 = r T5 / T4 = r (1- ) Kerja daripada mesin Otto dapat diketahui dengan cara menghitung luas yang dihasilkan pada p-V diagram. Berhubung proses 2-3 dan 4-5 merupakan garis lengkung atau kurva, maka akan lebih mudah menghitung kerja dengan menggunakan persamaan berikut ini,

W = cv * [(T4-T3)-(T5-T2)] Bila kerja mesin Otto ini dikalikan dengan banyaknya putaran mesin per detik maka dapat diketahui besarnya tenaga yang dihasilkan dari mesin Otto,

P = W * cps Dalam ilmu termodinamika, proses 2-3 dan 4-5 berlangsung secara isentropik adiabatik, yang berarti bahwa pada proses tersebut entropi daripada fluida yang bekerja tetap konstan dan tidak terjadi perpindahan panas dari dalam atau pun dari luar atau sering juga diistilahkan dengan diinsulasi sempurna. Sedangkan dalam proses 3-4 dan 5-6, proses isokhorik terjadi,yaitu proses dimana



15

volume daripada fluida yang bekerja dijaga konstan, maka dari itu terjadi perubahan parameter tekanan dan temperatur daripada fluida kerja. 2.1.5.2 Siklus Aktual Mesin Otto 4 Langkah

Gambar 2.8 P-V Diagram Siklus Aktual Mesin Otto 4 Langkah Pada kenyataannya, siklus mesin Otto yang terjadi tidak seperti yang diperkirakan pada siklus ideal. Siklus aktual besarnya selalu lebih kecil daripada siklus ideal. Hal ini menunjukkan bahwa masih banyak asumsi-asumsi yang diberikan pada perhitungan siklus ideal yang sebenarnya asumsi tersebut secara aktual terjadi dan mempengaruhi hasil perhitungan, terutama besarnya kerja yang dilakukan oleh mesin Otto. Pada gambar 2.8 dapat dilihat perubahan volume dan tekanan setiap waktu pada mesin Otto 4 langkah. Terlihat bahwa terdapat garis-garis yang tidak selurus



16

pada diagram p-V ideal dan juga terdapat garis horizontal yang menunjukkan tekanan atmosfir. Tekanan yang berada di bawah atmosfir dikenal dengan istilah tekanan vakum, sedangkan garis dibawah diagram tersebut menunjukkan volume silinder dan gerakan piston. Langkah hisap terjadi pada titik A, dan tekanan semakin menurun hingga piston mencapai TMA dan kembali ke TMB, tekanan vakum mulai tercipta yang secara tidak langsung berfungsi untuk membuat campuran udara-bahan bakar mengalir masuk ke dalam ruang bakar. Langkah ini terus berjalan hingga beberapa derajat setelah piston melalui TMB dan berakhir pada titik B. Kemudian langkah kompresi dimulai, dimana terjadi peningkatan tekanan dan penurunan volume secara drastis dan loncatan bunga api dari busi muncul pada titik C. Tekanan naik kembali secara mendadak ketika terjadi proses pembakaran (kurva CD). Kenaikan tekanan tersebut mengakibatkan piston dapat kembali bergerak ke arah TMB dan gas sisa pembakaran terekspansi ketika piston bergerak ke TMB. Tekanan nya menurun ketika volumenya bertambah dari D ke E. Langkah pembuangan dimulai pada titik E, beberapa derajat sebelum TMB. Tekanan nya turun mendadak hingga piston mencapai TMB. Dan ketika piston kembali bergerak menuju TMA , terjadi sedikit penurunan tekanan ketika gas sisa pembakaran akan dibuang. Langkah pembuangan terus berlanjut hingga beberapa derajat setelah TMA sampai pada titik G sehingga terjadi fenomena overlapping, yang mengakibatkan gas sisa pembakaran terdorong keluar silinder akibat mulai masuknya campuran udara-bahan bakar.



17

2.1.5.3 Overlapping

Gambar 2.9 Katup Masuk Terbuka , ISKY Racing Cams , California Pada diagram valve timing dan silinder di atas, katup masuk mulai terbuka o

30

sebelum TMA atau sebelum piston memulai langkah hisap. Hal ini

dimaksudkan agar katup mulai terbuka duluan secara perlahan sehingga ketika piston mencapai TMA, katup akan sudah terbuka secara penuh, sehingga campuran udara-bahan bakar bisa masuk sepenuhnya ke dalam ruang bakar untuk menghasilkan pembakaran agar dapat menciptakan suatu kerja mesin yang optimal.

Gambar 2.10 Katup Buang Tertutup, ISKY Racing Cams , California Setelah piston mencapai dan melewati TMA, katup buang masih sedikit terbuka dan mulai tertutup secara perlahan. Gas sisa yang masih terbakar pada



18

mulut pipa mengandung column inertia yang besar. Pada putaran mesin yang tinggi, terjadi fenomena pembilasan akibat column inertia. Dimana gaya tersebut membantu menarik campuran udara-bahan bakar ke dalam ruang bakar selama peristiwa overlap terjadi. Setelah 30o dari TMA, katup buang akan tertutup sepenuhnya.

Gambar 2.11 Katup Masuk Tertutup , ISKY Racing Cams , California Langkah hisap terus terjadi ketika piston menuju TMB dan menarik campuran udara-bahan bakar ke dalam silinder hingga mencapai TMB dan kembali bergerak menuju TMA untuk melakukan langkah kompresi. Jika katup masuk tertutup lebih dahulu ketika piston mencapai TMB, maka akan terjadi kehilangan energi ketika mesin berada pada putaran tinggi. Hal ini terjadi karena langkah hisap masih akan terus berjalan dan membentuk energi kinetik serta terus mengisi ruang bakar. Kurang lebih sekitar 700 setelah TMB, katup masuk akan tertutup dan langkah hisap selesai. Menurut diagram di atas, dapat dihitung bahwa katup masuk terbuka selama 2800 putaran crankshaft.



19

Gambar 2.12 Katup Keluar Terbuka , ISKY Racing Cams , California Piston terus menuju ke TMA untuk melakukan langkah kompresi, untuk mengkompresi campuran udara-bahan bakar hingga 1/10 volume yang masuk ketika langkah hisap terjadi. Sesaat sebelum piston mencapai TMA, busi akan menyala untuk memicu terjadinya pembakaran yang terpropagasi di dalam ruang bakar. Ketika piston mencapai TMA, campuran udara-bahan bakar yang menyala mengembang dan menciptakan langkah kerja dan mendorong piston untuk bergerak ke TMB. 700 sebelum piston mencapai TMB, katup buang terbuka untuk memulai terjadinya langkah buang sebelum langkah kerja selesai sepenuhnya. Hal ini dilakukan agar gas sisa pembakaran yang memiliki tekanan dapat keluar dari ruang bakar secara alamiah sehingga akan mengurangi beban piston ketika kembali bergerak ke atas untuk menekan gas sisa pembakaran ke luar silinder.



20

Gambar 2.13. Katup Buang Tertutup, ISKY Racing Cams , California

Piston kembali bergerak ke arah TMA untuk menyelesaikan langkah buangnya. Sekitar 300 setelah piston mencapai TMA katup buang akan tertutup kembali. Periode terbuka nya katup buang terjadi selama 2800 putaran crankshaft. Langkah ini menyelesaikan satu siklus dari mesin 4 langkah.

Gambar 2.14. Siklus Aktual Overlapping, The Goodheart-Willcox Co., Inc



21

2.2

Sistem Pembuangan Gas Sisa Pembakaran Ketika piston hampir mendekati TMA, busi menyala dan memicu

terjadinya pembakaran yang mengakibatkan piston kembali bergerak ke TMB untuk melakukan langkah kerja. Piston memindahkan energi dari hasil pembakaran untuk menggerakan crankshaft dan kemudian katup buang terbuka untuk memulai terjadinya pembuangan gas sisa pembakaran keluar dari silinder. Berhubung tekanan gas buang tersebut masih cukup tinggi, hal ini menyebabkan keluarnya gas sisa pembakaran secara cepat (blowdown). Gelombang tekanan terus tercipta selama katup buang terbuka. Gas buang ini dapat bergerak dengan kecepatan rata-rata hingga 105 m/s, tetapi gelombang tekanan bergerak pada kecepatan suara.

Gambar 2.15. Pembuangan Gas Sisa , http://www.southernskies.net Gas buang ini akan dengan cepat menuju primary header pipe/ kepala pipa knalpot yang kemudian akan menuju ke dalam muffler/ knalpot. Di dalam knalpot ini, gas buang kembali berekspansi seiring dengan menjalarnya gelombang tekanan tersebut ke seluruh bagian dalam knalpot sesuai rancangan nya dan berakhir keluar di tail-pipe/ mulut knalpot.

Gambar 2.16. Gambaran Umum Sistem Pembuangan



22

Berdasarkan visualisasi di atas, terdapat 2 fenomena yang terjadi di dalam sistem pembuangan yaitu pergerakan partikel gas dan aktivitas gelombang tekanan. Perbedaan tekanan absolut antara dalam silinder dan atmosfir menentukkan kecepatan gerak partikel gas. Seiring dengan gas yang terus mengalir dan berekspansi maka kecepatannya berkurang. Sedangkan gelombang tekanan yang terjadi memiliki kecepatan yang tergantung dari kecepatan suara. Selagi kecepatan gelombang menurun ketika gas terus mengarah ke luar, kecepatannya akan meningkat kembali ketika gelombang tersebut kembali mengarah menuju silinder. Pada dasarnya, kecepatan gelombang memang lebih cepat daripada kecepatan partikel gas. Gelombang berperilaku jauh berbeda dari partikel gas ketika melalui persimpangan pipa di dalam knalpot. Gelombang mengalami pantulan kembali ke arah silinder dengan tekanan negatif. Besarnya gelombang balik ini tergantung dari geometri di dalam knalpot. Ide dasarnya adalah untuk menyelaraskan refleksi gelombang balik dengan periode waktu ketika overlap terjadi di dalam silinder. Tekanan balik ini membantu silinder melakukan langkah hisap ketika katup masuk terbuka dan membantu mengeluarkan gas sisa pembakaran keluar dari silinder sebelum katup buang tertutup. Apabila kecepatan partikel gas terlalu tinggi maka akan menyebabkan tahanan yang terlalu besar sehingga akan merugikan tenaga maksimal, sedangkan bila kecepatannya terlalu kecil akan merugikan tenaga pada torsi rendah. Rancangan

sistem

pembuangan

ini

merupakan

suatu

tindakan

penyeimbangan antara seluruh kejadian kompleks yang terjadi di dalam mesin dan ketepatan waktunya. Bahkan dengan panjang dan diameter pipa knalpot yang paling optimal, rancangan knalpot dapat semakin mengoptimalkan performa mesin. Pada dasarnya, seluruh rancangan akan diuji untuk menghasilkan kurva tenaga yang paling baik dan optimal. Sebenarnya berbagai macam rancangan sistem pembuangan terus berkembang dari teori yang ada, tetapi yang kebanyakan masih dilakukan adalah dengan melakukan eksperimen secara trial and error. Tidak ada rancangan sistem pembuangan yang ideal untuk seluruh aplikasi. Itu semua tergantung dari rancangan nya dan tujuannya, setiap rancangan dapat menghasilkan efek-efek yang berbeda untuk mencapai suatu tujuan tertentu.



23

Terdapat beberapa pertimbangan yang harus dipahami terlebih dahulu sebelum melakukan modifikasi knalpot yaitu : 

Tenaga mana yang ingin didapatkan, low-end, mid-range atau top-end



Apakah mesin anda akan menggunakan cam dengan nilai lift, timing, dan overlapping yang berbeda dari standard?



Lebih baik dipahami terlebih dahulu hubungan antara torsi dan horsepower



Sistem pembuangan mana yang ingin digunakan,untuk performa atau gaya. Istilah maximum power

dan maximum performance sering menjadi

bahasan di dunia modifikasi knalpot. Akan tetapi pada kenyataanya, tidak mungkin suatu sistem pembuangan dapat menghasilkan kedua hal tersebut. Ketika membandingkan 2 kurva horsepower pada grafik dyno test, kurva yang menunjukkan tenaga rata-rata terbesar adalah tenaga yang mampu mencakup jarak tertentu dengan waktu yang lebih cepat dan mengandung tenaga maksimal yang mungkin didapat. Suatu sistem pembuangan tidak dapat memproduksi tenaga lebih banyak dengan sendirinya. Tenaga mesin ditentukan dari jumlah campuran udara-bahan bakar yang terbakar di dalam silinder. Namun demikian, efisiensi pembakaran dan proses pemompaan mesin dipengaruhi oleh sistem pembuangan. Rancangan sistem pembuangan yang baik dapat mengurangi kerugian pompa mesin. Sehingga, objektif untuk menciptakan suatu sistem pembuangan yang high performace adalah mengurangi kerugian pompa mesin dimana akan menaikkan efisiensi volumetrik. Hal ini akan meningkatkan efisiensi bahan bakar karena dibutuhkan bukaan katup throttle yang lebih kecil untuk menghasilkan kecepatan yang sama. Kebanyakan

modifikasi

mesin

yang

dilakukan

adalah

untuk

memaksimalkan jumlah campuran udara-bahan bakar yang masuk ke dalam silinder dan aliran gas buang dari mesin. Aliran campuran udara-bahan bakar yang masuk ke dalam silinder merupakan topik yang berbeda, tetapi sangat dipengaruhi oleh aliran gas buang, khususnya ketika terjadi fenomena overlapping. Bahan bakar membutuhkan oksigen untuk terbakar, berdasarkan volume, pada udara



24

biasa terdapat 21% oksigen, 78% nitrogen, dan sisanya merupakan campuran daripada gas-gas yang lain. Apabila kadar volume oksigen hanya sekitar 1/5 dari volume udara total, maka suatu mesin membutuhkan jumlah volume udara 5 kalinya agar mendapatkan kadar oksigen yang dibutuhkan untuk menciptakan suatu pembakaran yang sempurna. Secara teoritis, suatu mesin standar akan memiliki tenaga maksimum yang sebanding dengan jumlah udara yang masuk ke dalam ruang bakar. Ini berarti bahwa mesin berkapasitas 80 cc akan menghasilkan tenaga maksimum yang sama dengan mesin berkapasitas 100 cc apabila volume udara yang mengalir ke dalam ruang bakar adalah sama. Salah satu isu yang menjadi bagian penting dari rancangan sistem pembuangan adalah hubungan antara volume aliran gas dan kecepatan aliran gas. Suatu

mesin

membutuhkan

kecepatan

aliran

setinggi

mungkin

untuk

menghasilkan respons throttle yang cepat dan torsi antara rentang low-mid dari kurva tenaga. Mesin yang sama juga membutuhkan aliran volume gas sebanyak mungkin antara rentang mid-high untuk menghasilkan performa yang maksimal. Ketika katup buang terbuka terjadi gelombang energi yang muncul akibat berekspansinya gas pembakaran secara cepat. Gelombang ini masuk ke dalam pipa pembuangan menuju keluar dengan kecepatan 390-510 m/s. Gelombang ini merupakan energi murni yang mirip dengan gelombang kejut dari suatu ledakan. Secara simultan, gelombang energi dan gas sisa pembakaran masuk ke dalam pipa pembuangan menuju keluar dengan kecepatan yang lebih rendah yaitu 45-90 m/s. Biasanya tenaga maksimum dicapai ketika kecepatan gas sebesar 72-90 m/s. Karena gelombang energi bergerak 5 kali lebih cepat dari gas sisa pembakaran, maka gelombang energi akan tiba lebih dahulu daripada gas sisa pembakarannya. Ketika gelombang energi tersebut menemui suatu daerah bertekanan rendah seperti pipa dengan diameter yang lebih besar dan knalpot dengan diameter yang lebih besar, suatu gelombang pemecah terpantul kembali menuju katup buang tanpa mengalami kerugian kehilangan kecepatan gas buang. Gelombang balik yang kembali mengarah ke katup buang berhadapan dengan gas buang sehingga keduanya saling melewati satu sama lain, dengan sedikit kehilangan energi dan turbulensi kemudian terus melanjutkan gerakan masing-masing. Saat yang paling kritis pada langkah buang adalah saat dimana



25

gelombang balik tersebut datang, efeknya akan berbeda bila gelombang balik tersebut datang ketika katup buang terbuka dan tertutup. Jika katup buang tertutup ketika gelombang balik datang, maka gelombang tersebut akan terpantul kembali ke arah keluaran knalpot dan mendisipasi energi ketika melakukan gerakan bolak balik. Ketika katup buang terbuka dan gelombang tersebut datang, efek aliran gas buangnya tergantung pada bagian dimana gelombang tersebut menumbuk katup buang yang terbuka. Sebenarnya terdapat beberapa faktor lain yang mempengaruhi perilaku dari gas buang. Gelombang harmonic, amplifikasi gelombang, dan penggagalan gelombang mempengaruhi skema daripada sistem pembuangan. Interaksi dari semua variable ini sangat kompleks sehingga sangat sulit untuk dipelajari sepenuhnya secara bersamaan. Hingga sekarang belum ditemukan suatu persamaan yang dapat menghasilkan suatu rancangan sistem pembuangan yang sempurna. Bahkan sebuah rancangan di dalam komputer harus melalu uji dyno, track, dan uji jalan untuk menentukkan konfigurasi sistem yang dibutuhkan untuk hasil tertentu. Perlu diingat bahwa pilihan dan kombinasi dari karburator, saringan udara, camshaft, pemantik, dan sistem pembuangan yang digunakan dengan hubungan yang tepat satu sama lain dalam suatu aplikasi berkendara akan selalu menghasilkan kualitas yang paling baik. 2.2.1

Kebisingan Kebisingan adalah suatu keadaan dimana terdapat suara-suara dan getaran-

getaran yang tidak diinginkan. Suara muncul akibat perubahan tekanan pada suatu media (udara), yang disebabkan oleh getaran atau turbulensi. Amplitudo dari perubahan tekanan ini dinyatakan sebagai level suara dan perubahan dari level tersebut juga berpengaruh terhadap frekuensi suaranya. Level suara diukur dalam satuan desibel (dB) yang merupakan skala logaritmik pada perubahan tekanan terhadap suatu tingkat tekanan tertentu. Efek daripada kebisingan ini biasanya dipengaruhi oleh durasi dan tingkat dari kebisingan itu sendiri. Dalam durasi yang lama dengan tingkat kebisingan yang tinggi akan lebih merusak pendengaran dan secara umum lebih dianggap menggangu [8].



26

Kendaraan bermotor menghasilkan berbagai macam suara seperti, akselerasi mesin, kontak ban dengan jalanan, rem, klakson, dan alarm. Menurut laporan OECD, “ Sejauh ini transportasi merupakan sumber utama dari kebisingan dibandingkan dengan bangunan atau industri ”[5]. Sepeda motor, truk, dan bus memilki kontribusi yang besar terhadap kebisingan di jalanan[6]. Pada kecepatan rendah, kebisingan tersebut muncul dari mesin kendaraan tersebut, tetapi pada kecepatan tinggi kecepatan aerodinamis dan gesekan ban dan jalan lebih mendominasi[7]. Beberapa faktor yang mempengaruhi kebisingan di jalanan adalah : 

Tipe Kendaraan. Sepeda motor, truk, bus dan kendaraan lainnya dengan sistem pembuangan gas yang salah menyebabkan tingkat kebisingan yang tinggi



Tipe Mesin. Mesin diesel tua lebih berisik dibandingkan dengan mesin bensin dan gas. Sedangkan mesin hybrid dan elektrik merupakan yang paling tenang.



Karakteristik berkendara. Kecepatan pelan lebih menghasilkan kebisingan yang rendah. Kebisingan tercipta ketika suatu kendaraan berakselerasi atau menanjak. Berkendara secara agresif dengan akselerasi cepat dan pengereman mendadak meningkatkan kadar kebisingan yang terjadi.



27

Gambar 2.17. Tingkat Kebisingan , American Academy of Audiology, 2008



28

2.2.2

Knalpot (Muffler) Apabila suatu mesin dijalankan tanpa adanya knalpot, maka akan muncul

suara kebisingan yang sangat mengganggu kenyamanan manusia. Di dalam knalpot terdapat suatu rangkaian perpipaan yang berfungsi untuk mengurangi kebisingan suara yang tercipta dari suatu mesin kendaraan bermotor. Gelombang tekanan berintensitas tinggi yang dihasilkan dari pembakaran di dalam silinder mesin berpropagasi sepanjang pipa gas pembuangan. Gelombang ini terus berulang yang ditentukan berdasarkan f = (putaran mesin x jumlah silinder)/120 untuk mesin 4-langkah. Secara umum terdapat 2 jenis muffler yaitu absortive muffler dan reactive muffler. Absortive muffler adalah muffler yang dirancang khusus menggunakan peredam untuk menyerap gelombang suara yang keluar dari mesin tanpa memperdulikan tekanan gas buang.

Gambar 2.18. Absortive Muffler, www.dbnoisereduction.com Sedangkan reactive muffler adalah muffler yang dirancang menggunakan ruang resonansi untuk menghilangkan gelombang suara yang dipantulkan pada dinding-dinding muffler sesuai dengan metode superposisi. Knalpot jenis ini



29

dirancang berdasarkan prinsip peredaman Helmholtz. Dalam prinsip ini terdapat suatu rongga atau celah yang dipasang di dalam knalpot dimana pada frekuensi suara tertentu, rongga tersebut akan beresonansi yang mengakibatkan gelombang suara tersebut terpantul kembali ke arah mesin. Dalam beberapa rancangan, terdapat beberapa rongga di dalam knalpot yang berbeda dimensinya untuk menahan frekuensi tertentu.

Gambar 2.19. Reactive Muffler, www.dbnoisereduction.com Getaran yang dilepaskan oleh gas pembuangan adalah penyebab dari munculnya suara bising pada mesin. Ketika mesin melakukan langkah ekspansi, katup pembuangan akan terbuka dan tekanan yang tersisa di dalam silinder mendorong gas buang keluar sebagai getaran dalam sistem pembuangan. Getaran ini berada di antara 0.1-0.4 atmosfir pada amplitudonya dengan durasi getaran antara 2-5 milisekon. Umumnya, mesin kendaraan bermotor menghasilkan suara bising antara 100-130 dB tergantung dari jenis dan tipe daripada mesin tersebut. Padahal, dengan suara bising lebih dari 80 dB dapat membahayakan manusia [2]. Dalam penelitian ini akan dilakukan beberapa modifikasi pada muffler untuk mendapatkan hasil yang optimal dari segi pengurangan kebisingan sehingga dibutuhkan beberapa pertimbangan berdasarkan parameter sebagai berikut [4]:



30

1. Insertion Loss , yaitu perbedaan antara dua tingkat tekanan suara yang diukur pada titik yang sama sebelum dan setelah muffler diletakkan dalam sistem 2. Dynamic Insertion, yaitu perbedaan antara dua tingkat tekanan suara yang diukur ketika muffler beroperasi pada kondisi aliran rata-rata. 3. Transmission Loss, yaitu perbandingan antara tekanan suara antara tekanan yang dihasilkan muffler dengan tekanan bunyi yang dihantarkan oleh muffler. 4. Attenuation, yaitu penurunan tekanan bunyi dalam desibel antara dua titik dalam sistem akustik. Penurunan ini diukur persatuan panjang saluran pada sisi muffler, tetapi tidak terlalu dekat dengan ujung saluran dan dikalikan dengan panjang total. 5. Noise Reduction, yaitu perbedaan antara tekanan suara yang diukur pada inlet dan outlet muffler. Menurut Munjal, et al. (1973), kriteria dari rancangan muffler adalah sebagai berikut: 

Mufflers dengan sekat pipa tambahan akan lebih baik daripada hanya dengan sekat-sekat yang simpel



Tidak akan terdapat perbedaan yang signifikan pada insertion loss antara muffler dengan sekat pipa tambahan dengan muffler yang menggunakan sekat aliran balik



Semakin banyak jumlah sekat, maka nilai insertion loss akan semakin baik



Dalam panjang yang sama, peningkatan jumlah sekat secara umum akan meningkatkan nilai insertion loss pada frekuensi tinggi tetapi akan bersifat mengurangi pada frekuensi rendah



Semakin besar perbandingan luas penampang daripada sekat, semakin besar pula nilai insertion loss.

2.2.3

Performa Knalpot Untuk mengetahui seberapa bagus efek penggunaan knalpot pada suatu

motor bakar maka diperlukan suatu karakteristik penilaian terhadap performa knalpot. Terdapat tiga karakteristik performa knalpot yang biasa di cari yaitu [11]:



31

1. Insertion Loss (dB) Nilai ini didapat berdasarkan besarnya pengurangan tingkat kebisingan suara yang dihasilkan dengan menggunakan knalpot. Dalam bentuk persamaannya dapat ditulis sebagai berikut, IL = 10 log10 ( Wref/Wmuffler)

Gambar 2.20. Skema Insertion Loss, Muffler Basics, SIDLAB 2. Transmission Loss (dB) Nilai ini ditentukan berdasarkan perbedaan tingkat kebisingan pada sisi masuk daripada knalpot dengan yang ditransmisikan oleh knalpot Dalam bentuk persamaannya dapat ditulis seperti dibawah ini, TL = 10 log10 (Wincident/Wtransmitted)

Gambar 2.21 Skema Transmission Loss, Muffler Basics, SIDLAB Spektrum kebisingan gas buang akan selalu mengandung suara kuat yang berhubungan dekat dengan pemantikan campuran udara-bahan bakar di dalam silinder. Dalam mesin 4-langkah setiap silinder menyala satu kali setiap putaran crankshaft. Bunyi ini secara umum merupakan suara terbesar dalam spektrum kebisingan gas buang. [12]



32

Cylinder Firing Rate CFR = RPM / 60 untuk mesin 2-langkah CFR = RPM / 120 untuk mesin 4-langkah Engine Firing Rate EFR = N * CFR, dimana N adalah jumlah silinder 3. Backpressure (psi) Backpressure adalah tekanan static tambahan yang disebabkan oleh knalpot pada mesin melalui hambatan pada aliran gas buang.[11]. Tekanan ini hanya dapat berpengaruh ketika katup buang terbuka dan ketika terjadi overlapping.

Gambar 2.22. Pengukuran Tekanan Pada Katup Buang, http://www.veryuseful.com/mustang/tech/engine/exhaustScavenging Perhatikan tekanan tinggi yang muncul sebelum katup buang terbuka sebelum TMB. Gas buang harus melawan tekanan tinggi tersebut sebelum keluar dari ruang bakar. Setelah berhasil menghadapi tekanan tersebut, gas buang mulai mengalir cepat dan menciptakan tekanan negatif. Semakin negatif tekanannya berarti tekanan dalam sistem menjadi semakin vakum. Karena itu secara alamiah sistem akan menarik keluar gas buang keluar dari dalam ruang bakar, fenomena ini sering disebut dengan istilah pembilasan. Selain membantu mengeluarkan gas buang keluar dari dalam silinder, hal ini juga membantu menarik jumlah campuran udara-bahan bakar semakin banyak pada saat overlapping. Semakin



33

cepat gas buang mengalir maka semakin vakum suatu sistem dibuatnnya. Yang diincar adalah untuk mendapatkan tekanan negatif sebesar-besarnya sebelum overlapping terjadi. Pada saat overlapping terjadi, terdapat gelombang tekanan yang mengarah balik ke dalam mesin yang sering disebut dengan reversion. Gelombang ini lah yang mengganggu sistem pemasukan udara-bahan bakar ketika overlapping terjadi dengan mengurangi kadar oksigen yang masuk ke dalam silinder. Berkurangnya kadar oksigen menyebabkan berkurangnya tenaga yang dihasilkan. Dapat dilihat bahwa tekanan pada katup buang masih negatif tetapi makin lama semakin hilang. Gelombang reversion ini akan mengurangi kecepatan aliran gas buang karena tekanan gas buang sekarang harus mendorong tekanan daripada gelombang ini untuk keluar. Berkurangnya kecepatan aliran gas buang berarti semakin hilangnya tekanan negatif atau vakum.

Gambar 2.23. Efek Backpressure



34

Setiap mesin memiliki karakteristik sistem pembuangan yang berbedabeda, sehingga sudah sewajarnya setiap mesin memiliki batasan backpressure yang dibutuhkan oleh mesin tersebut. Apabila suatu sistem pembuangan menghasilkan backpressure yang lebih tinggi dari yang ditentukan, maka akan terdapat sebagian gas sisa pembakaran yang terperangkap di dalam silinder setelah fenomena overlapping terjadi dan bercampur dengan campuran udarabahan bakar yang masuk ketika langkah hisap terjadi. Oleh karena itu, campuran baru ini akan menghasilkan ledakan yang lebih lemah ketika langkah kerja terjadi. Hal ini akan mengakibatkan berkurangnya tenaga mesin.

Gambar 2.24. Fenomena Berlebihnya Backpressure, WALKER Exhaust Systems Sebaliknya, ketika suatu mesin memiliki nilai backpressure yang lebih rendah daripada yang ditentukan. Maka gas buang akan keluar lebih cepat dari ruang bakar ketika langkah pembuangan terjadi. Ketika terjadi overlapping, gas sisa pembakaran akan lebih mudah mengalir dan lebih cepat menuju sistem pembuangan. Oleh sebab itu, terdapat sebagian campuran udara-bahan bakar yang masuk akan memiliki jeda waktu untuk ikut keluar melalui katup buang setelah mendorong gas sisa pembakaran keluar dari ruang bakar. Hal ini juga menyebabkan berkurangnya tenaga mesin, karena lebih sedikitnya jumlah campuran udara-bahan bakar yang terbakar. Karena gas buang akan mengalir lebih cepat dari sistem ke atmosfir maka tingkat kebisingan akan semakin tinggi juga.



35

Gambar 2.25 Fenomena Kurangnya Backpressure, WALKER Exhaust Systems 2.3 Aliran Gas Kompresibel Aliran ini muncul dalam berbagai proses alamiah dan teknologi. Ketika suatu fluida bergerak dengan kecepatan tertentu yang dapat dibandingkan dengan kecepatan suaranya, maka perubahan massa jenis menjadi hal yang signifikan, biasanya aliran inilah yang disebut dengan kompresibel. Beberapa jenis aliran tidak bisa didapatkan pada fluida cair, karena membutuhkan tekanan yang sangat tinggi dalam orde 1000 atm untuk menghasilkan kecepatan sonik. Di lain sisi, pada fluida gas dengan perbandingan tekanan 2:1, bisa didapatkan aliran sonik tersebut. Oleh karena itu, aliran kompresibel ini lebih banyak dipelajari dengan menggunakan fluida gas. Terdapat

suatu

parameter

tertentu

untuk

mengklasifikasi

aliran

kompresibel yaitu dengan menggunakan angka Mach (Ma). Persamaannya adalah sebagai berikut, ;

Ö

Dimana : v = kecepatan aliran fluida ; a = kecepatan suara dari fluida tersebut ; k = perbandingan dari kalor spesifik ( Cp/Cv) ; R = konstanta gas ; T = Temperatur gas.



36

Klasifikasi aliran berdasarkan angka Mach dapat dilihat dibawah ini : 

Ma < 0.3 : Aliran inkompresibel, dimana efek massa jenis diabaikan



0.3 < Ma < 0.8 : Aliran subsonik, dimana efek massa jenis penting, tetapi tidak muncul gelombang kejut (shock waves).



0.8 < Ma < 1.2 : Aliran transonik, dimana gelombang kejut mulai muncul dan memisahkan aliran subsonik dengan supersonik.



1.2 < Ma < 3.0 : Aliran supersonik, dimana gelombang kejut akan selalu muncul tetapi tidak terdapat daerah subsonik.



Ma > 3.0 : Aliran hipersonik, dimana perubahan gelombang kejut dan aliran lainnya sangat kuat. Dalam membahas aliran kompresibel maka perubahan massa jenis menjadi

signifikan, dimana perubahan temperatur dan tekanan akan menyebabkan berubahnya massa jenis. Untuk lebih mempermudah penjelasan ini maka diasumsikan keseluruhan proses aliran yang terjadi dianggap adiabatik reversibel atau isentropik. Berikut ini adalah beberapa persamaan dasar untuk menjelaskan aliran kompresibel : 1. Kesetimbangan Massa ; ....................................................................(1) 2. Kesetimbangan Momentum



37

€ •

‚

€•

‚€

ƒ„…†‡ˆ†‰Š ‹

..........................(2)

3. Kesetimbangan Energi

Œ•

Œ•

Ž €

•• ‘

Ž €

•‘ ‘

....................................................(3)

Untuk gas ideal dengan kalor spesifik yang konstan, DŽ

€

•• ‘

€

”

•‘ ‘ ”

’“ D , maka

....................................................(4)

4. Perubahan Entropi

•

•

’“ ln

–‘ –•

ln

—‘ —•

˜ 0................................(5)

5. Persamaan Keadaan ( Equations Of State) —•

—‘

™• –•

™‘ –‘

.....................................................................(6)

Terdapat 2 jenis aliran kompresibel yaitu aliran internal dan eksternal. Contohnya saja, aliran gas alam dalam pipa, aliran gas buang pada motor bakar, juga aliran dalam turbin gas merupakan aliran internal. Sedangkan aliran pada sayap pesawat terbang, baling-baling, dll merupakan aliran eksternal. Untuk lebih memahami aliran tersebut dibutuhkan suatu permodelan aliran yang dikenal dengan nama aliran Fanno atau aliran Rayleigh. Aliran Fanno lebih banyak digunakan untuk memodelkan aliran internal sedangkan aliran Rayleigh untuk aliran eksternal. 2.3.1. Aliran Fanno Berhubung dalam penelitian kali ini berbicara mengenai aliran gas buang pada suatu motor bakar, maka permodelan aliran Fanno akan menjadi dasar analisis dari penelitan kali ini. Sebagai awalan, dalam model aliran ini terdapat beberapa asumsi yaitu, aliran ini berada dalam permodelan 1 dimensi, aliran ini



38

bersifat tetap (steady), adiabatis (tidak terdapat perpindahan kalor), dan terdapat friksi antara fluida dengan penampang.

Gambar 2.26. Kontrol Volume Aliran Gas pada Luas Penampang Konstan 2.3.1.1. Model Fanno Dari hukum kesetimbangan massa dapat dituliskan: š U

›œ•• œ š2 .................................................(7)

Berdasarkan hukum kesetimbangan energi dengan asumsi bahwa aliran ini bersifat adiabatis dan friksi yang terjadi tidak berubah menjadi energi kalor, maka: T T €

T ž• ‘

T €

Ÿ

ž‘ ‘ Ÿ

....................................(8)

Bentuk rumus turunan adalah sebagai berikut: ¡¢ £

¥‘

€ £¤ ¦

0 .....................................(9)

Untuk mempermudah, diasumsikan fluida yang mengalir adalah gas sempurna, maka rumus menjadi: —•

—‘

™• –•

™‘ –‘

......................................................(10)



39

Dengan asumsi bahwa aliran ini bersifat satu dimensi, maka gaya yang bekerja pada fluida adalah friksi dengan dinding penampang sehingga berdasarkan hukum kesetimbangan momentum menghasilkan, §¨ £

£

£š ............................................(11)

¨

Rumus luas penampang: © ª« ‘ ¬

.........................................................................(12)

Dengan mensubstitusikan variabel D dengan Dh, maka luas penampang dimana terdapat shear stress adalah: £

- ® £x

¨

.............................................................(13)

Memasukkan faktor friksi Fanning: °± • ™ ¥‘ ‘

¯

.........................................................................(14)

Dengan menggunakan persamaan (12) dan mensubstitusikan persamaan (14) ke dalam persamaan momentum (11) menghasilkan: © ª‘ ¬

£

- ® £² ¯

š

š £š....................(15)

Membagi persamaan di atas dengan luas penampang A, maka menghasilkan: £

€

¬

³´ ª

¤

š ¦

š £š...................................(16)

Hukum kedua termodinamika merupakan persamaan terakhir untuk menentukkan arah aliran yang terjadi: • µ •

..........................................................................(17)



40

2.3.1.2. Kurva Fanno Diasumsikan terdapat suatu gas dengan properti R, k, dan Cp mengalir dalam suatu luas penampang A. Dengan keadaan tertentu pada titik 1 (masuk), properti inlet P1, T1, 1, V1, dan s1. Properti gas pada titik 2 (keluar), P2, T2, 2, V2, dan s2 dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan 1-6 untuk setiap gaya gesekan tertentu. Dengan mengetahui kecepatan dan temperatur, maka nilai Ma dapat ditentukan pada titik masuk dan keluar. Salah satu cara praktis untuk menentukkan kondisi 2 adalah dengan cara mengasumsikan beberapa nilai untuk T2, dan menghitung properti lain untuk setiap asumsi yang dibuat menggunakan persamaan 1-6. Hasil perhitungan yang diplot pada suatu diagram T-s disebut dengan garis Fanno, dari diagram tersebut dapat dibahas beberapa observasi sebagai berikut:

Gambar 2.27. Diagram T-s Aliran Fanno 1. Seluruh kondisi yang memenuhi hukum konservasi massa, energi, momentum begitu juga dengan hubungan properti nya terlihat pada garis Fanno ini. Oleh karena itu, untuk kondisi masuk tertentu fluida tidak dapat muncul di luar garis Fanno pada diagram T-s ini. Perlu diingat bahwa apabila tidak terdapat friksi, properi dari aliran akan tetap konstan sepanjang luas penampang yang ada. 2. Gesekan dinding menyebabkan entropi meningkat, sehingga suatu proses selalu mengikuti garis Fanno. Pada titik entropi maksimum, nilai Ma = 1.



41

Seluruh kondisi diatas titik tersebut adalah daerah subsonik dan dibawahnya adalah supersonik. 3. Gesekan pada dinding meningkatkan nilai Ma pada aliran subsonik, tetapipada aliran supersonik malah mengurangi nilai Ma. Pada kedua kondisi sama-sama mendekati nilai Ma =1 4. Kesetimbangan energi membutuhkan temperatur stagnasi tetap konstan selama aliran Fanno terjadi. Tetapi temperatur aktual dapat berubah. Kecepatan meningkat dan temperatur menurun ketika aliran subsonik, tetapi sebalik nya pada aliran supersonik. 5. Persamaan kontinuitas menunjukan bahwa densitas dan kecepatan bergerak secara proporsional. Sehingga , efek daripada gesekan adalah untuk mengurangi densitas pada aliran subsonik ( kecepatan dan nilai Ma meningkat), tetapi malah meningkat pada aliran supersonik ( kecepatan dan nilai Ma menurun). Efek friksi pada properti aliran Fanno dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Perhatikan bahwa efek gesekan pada kebanyakan properti di aliran subsonik saling berlawanan dengan aliran supersonik. Namun, efek daripada gesekan selalu mengurangi besarnya tekanan stagnasi tidak pengaruh apakah aliran tersebut subsonik atau supersonik. Tetapi gesekan tidak mempunyai efek apapun terhadap temperatur stagnasi karena gesekan menyebabkan energi mekanik berubah menjadi energi kalor.

Gambar 2.28. Efek Gesekan pada Aliran Fanno



BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1

Rancangan Pengambilan Data Dalam penelitian kali ini akan dilihat beberapa efek yang terjadi dari

perubahan aliran gas buang di dalam knalpot. Efek yang ingin dilihat adalah efek terhadap kebisingan suara, temperatur, backpressure, torsi dan tenaga mesin. Masing-masing efek tersebut dapat dilihat dengan menggunakan peralatan dan sistem tertentu. Berhubung mesin kapal klotok biasanya adalah mesin-mesin yang kapasitasnya tidak terlalu besar maka dalam penelitian ini digunakan mesin X dengan kapasitas yang biasanya digunakan untuk kapal klotok yaitu sekitar 9,3 HP. Diharapkan data yang didapat nantinya dapat diselaraskan dengan mesin kapal klotok dengan kapasitas yang sama. Sehingga hasil dari penelitian ini dapat dikembangkan untuk penggunaan pada kapal klotok di daerah aliran sungai. Berikut adalah spesifikasi teknis daripada Mesin X yang digunakan : Spesifikasi Mesin X Berat kosong : Kapasitas tangki bahan bakar : Tipe mesin : Diameter x langkah : Volume langkah : Perbandingan kompresi : Daya maksimum : Torsi maksimum :

105 kg 3,7 liter Otto, 4 langkah, SOHC, pendinginan udara 52,4 x 57,9 mm 124,8 cc 9,0 : 1 9,3 PS/7.500 rpm 1,03 kgf.m /4.000 rpm

Prosedur Pengambilan Data Langkah-langkah dalam melakukan pengambilan data adalah sebagai berikut : 1. Mempersiapkan mesin dan 4 variasi knalpot yang akan digunakan. 2. Memasang knalpot standard pada mesin dan menempatkan seluruh alat ukur yang digunakan. ( Termokopel, Sound Level Meter, Pitot Tube, dan Manometer) 3. Menghidupkan mesin pada kondisi rpm idle (± 1050) selama 5-10 menit. 4. Melakukan pengambilan data temperatur, desibel, dan delta h selama 3 menit.

42



43

5. Mengatur bukaan gas agar menaikkan rpm sebanyak 500 6. Melakukan pengambilan data seperti pada langkah 4. 7. Pengambilan data dilakukan dari rpm idle hingga (± 5500) 8. Mengulangi langkah 1-7 untuk setiap variasi knalpot. Hasil eksperimen untuk dapat membuat grafik antara rpm vs tekanan, rpm vs temperatur, rpm vs aliran, dan rpm vs desibel untuk setiap jenis knalpot. Dari grafik-grafik dan hasil simulasi tersebut akan muncul suatu kesimpulan yang dapat menjelaskan apa sebenarnya yang terjadi di dalam knalpot tersebut dan dapat terlihat variasi knalpot seperti apa yang paling optimal dalam segi kebisingan dan performa mesin. Diharapkan juga dapat diketahui batas backpressure yang optimal agar motor tidak menghasilkan suara yang terlalu bising dan memiliki performa mesin yang baik. 3.1.1

Pengambilan Data Kebisingan Suara Untuk melakukan pengambilan data kebisingan suara dibutuhkan suatu

alat ukur yang dikenal dengan nama sound level meter. Selain itu, menurut referensi dari Society of

Automotive Engineers, Inc telah diatur lokasi dan

orientasi dari sound level meter untuk mengukur kebisingan suara suatu motor dengan membentuk sudut 450 dengan jarak 0.5 m.

Gambar 3.1 Posisi dan Orientasi Pengambilan Data Kebisingan Suara



44

Alat ukur yang digunakan adalah sound level meter dengan merek Lutron SL4012 dengan spesifikasi seperti berikut ini, SOUND LEVEL METER, Model : SL-4012 * 30 - 130 dB, Auto range, Manual range. * Frequency & time weighting meet IEC 61672 class 2. * A & C frequency weighting. * Fast / Slow time weighting, Data hold. * Peak hold, Memory (max., min.). * Size : 268 x 68 x 29 mm. 3.1.2

Pengambilan Data Temperatur Dalam penelitian ini ingin diketahui seberapa besar perubahan temperatur

yang terjadi dengan perbedaan knalpot yang terpasang dan dilakukan pada 2 titik yaitu tepat setelah gas buang keluar dari mesin dan pada titik gas buang sebelum masuk ke dalam knalpot. Untuk mengukur temperatur tersebut maka dibutuhkan suatu termokopel tipe K dan suatu indikator digital untuk memunculkan besarnya suhu gas buang pada 2 titik tersebut.

Gambar 3.2. Termokopel Tipe-K dan Digital Indikator Termokopel tipe K merupakan campuran dari bahan Chromel pada sisi positif dan Alumel pada sisi negatif. Rentang pengukuran temperatur yang dapat dilakukan oleh termokopel jenis ini adalah dari -200 hingga 1250 0C. Sedangkan Digital Indicator berasal dari Autonics dengan seri TC4S.



45

3.1.3

Pengambilan Data Torsi dan Tenaga Mesin Dalam melakukan pengambilan data ini diperlukan sebuah peralatan yang

cukup canggih dan dikenal dengan nama chassis dynamometers. Alat ini dimiliki oleh salah satu bengkel di Jl. Pramuka 69 yaitu Bengkel KS Nusa. Merek mesin yang digunakan adalah Dyno Dynamics 450DS AWD Dynamometer dengan kapasitas : 

Mengukur Tenaga pada Ban dari 1HP (0.76 kW) hingga 2,400 HP(1800 kW)



Mengukur Torsi pada Ban hingga 12,500 Nm.



Batas kecepatan maksimum sebesar 250 km/jam

Gambar 3.3 Pengujian Dynotest di Bengkel KS. Nusa



46

3.1.4

Pengambilan data Backpressure Menurut referensi yang didapatkan untuk mengukur backpressure dari

suatu knalpot seperti pada skema dibawah ini,

Gambar 3.4 Skema Pengukuran Backpressure , Corky Bell, Bentley Publishers Pada setiap bagian 1, 2, dan 3 dipasang alat pengukur tekanan untuk membaca tekanan gas buang yang mengalir pada posisi tersebut. Yang digunakan dalam penelitian ini adalah pengukuran pada no.3, yang hanya akan mengukur backpressure akibat adanya muffler pada sistem aliran gas buang. Dalam melakukan pengukuran ini, diperlukan beberapa peralatan untuk membuat suatu sistem manometer-U untuk membaca perubahan tekanan yang terjadi sepanjang pipa knalpot sebelum masuk ke dalam muffler. Berikut adalah gambaran sistematis alat ukurnya ,

Gambar 3.5 Pengukuran Backpressure menggunakan Manometer-U



47

3.1.5

Pengambilan Data Flowrate Dalam pengambilan data ini dibutuhkan suatu pitot tube yang berfungsi

untuk mengukur beda tekanan statik dan tekanan total yang nantinya berdasarkan persamaan empiris dapat didapatkan seberapa besar aliran gas buang yang masuk ke dalam muffler. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar dibawah ini,

Gambar 3.6 Penjelasan Pitot Tube Dengan menghubungkan pitot tube dengan manometer u, maka perbedaan tekanan antara tekanan total dan tekanan statik bisa didapatkan dengan membaca perbedaan ketinggian pada manometer.



48

Dengan menggunakan persamaan Bernoulli dibawah ini,

dengan: = Berat Jenis dari Fluida g = Konstanta Gravitasi p = Tekanan pada titik 1 dan 2 h = Ketinggian pada titik 1 dan 2 v = Kecepatan pada titik 1 dan 2 Apabila h1=h2, dan v=0, maka persamaan di atas dapat ditulis ulang menjadi,

dengan: p2 - p1 = p =

gas . g

Maka besarnya kecepatan dapat diketahui dengan rumus,

;

D

. .D

Dengan menggunakan rumus debit yaitu :

.

; A = Luas Permukaan Bidang Kontak

Maka, debit aliran gas yang mengalir dapat dihitung.



49

Berikut adalah gambar pengambilan data menggunakan pitot tube ,

Gambar 3.7 Pengambilan Data Flowrate

Mesin 10 HP

Gambar 3.8 Skema Penelitian



50

3.1.6. Pengambilan Data Konsumsi Bahan Bakar Dalam melakukan pengambilan data dibawah ini dibutuhkan beberapa peralatan seperti tangki bensin buatan, selang bensin, bensin, gelas ukur, dan stopwatch. Pengambilan data ini dilakukan dalam 3 variasi putaran mesin yaitu idle, middle, dan high. Setiap variasi putaran dilakukan pengambilan data sebanyak 3 kali, dimana setiap pengambilan data dilakukan selama 5 menit dengan masukan bahan bakar awal sebanyak 100 ml. Kemudian akan diukur kembali berapa banyak bahan bakar yang tersisa setelah dilakukan penggunaan selama 5 menit. Pengambilan data seperti di atas dilakukan untuk setiap jenis variasi knalpot. Berikut ini adalah skema penelitian pengambilan data konsumsi bahan bakar,

Gambar 3.9. Skema Penelitian Konsumsi Bahan Bakar



51

3.2.

Spesifikasi Knalpot Standard, V1, V2, V3, dan V4 Pada penelitian ini dilakukan pengambilan data terhadap 4 variasi knalpot

untuk mengetahui efek perubahan aliran gas buang pada motor 9,3 HP. Variasi ini dilakukan menggunakan software Solidworks. Pertama-tama akan dibuat part-part dari knalpot yang selanjutnya dapat di assembly menjadi satu kesatuan knalpot. Berikut ini adalah bagian-bagian knalpot tersebut : 1. Baffle Plate

2. Body Inner



52

3. Input Pipe-Standard

4. Input Pipe-Variasi I



53

5. Input Pipe-Variasi III

6. Input Pipe-Variasi IV



54

7. Transfer Pipe-Standard

8. Transfer Pipe-Variasi II



55

9. Transfer Pipe-Variasi III

10. Elbow Variasi III-1



56

11. Elbow Variasi III-2

Setelah membuat bagian-bagian knalpot di Solidworks maka bagian -bagian tersebut akan di assembly menjadi 4 variasi knalpot, berikut hasil assembly masing-masing knalpot : Assembly Knalpot Standard

Assembly Knalpot Variasi I



57

Assembly Knalpot Variasi II

Assembly Knalpot Variasi III

Assembly Knalpot Variasi IV



58

Diagram Alir Penelitian

Mulai

Studi Pustaka

Penentuan Data Parameter Penelitian dan menyiapkan peralatan penelitian

Modifikasi rancangan Knalpot menggunakan software Solidworks

Membuat knalpot uji sesuai dengan yang sudah direncanakan seperti pada gambar CAD

Melakukan riset sesuai dengan parameter yang sudah ditetapkan

Analisis dan Evaluasi

Lap. Penelitian

Selesai



BAB IV PENGOLAHAN DAN ANALISIS DATA

4.1. Hasil Eksperimen Dalam penelitian ini digunakan 5 jenis knalpot yang berbeda untuk dapat mengetahui efek perubahan aliran gas buang yang terjadi terhadap kebisingan suara, kecepatan suara fluida, insertion loss, backpressure, torsi, dan tenaga mesin. Dengan melakukan beberapa perhitungan menggunakan Microsoft Excel dan Origin 8, maka dapat dihasilkan beberapa grafik yang dapat menggambarkan efek perubahan aliran gas buang terhadap beberapa parameter yang sudah ditentukan. Berikut adalah data-data yang telah diolah yang kemudian akan dibuat menjadi grafik.

RPM 1050 1545 2070 2550 3060 3540 4020 4515 5070 5550

Knalpot Lepas 70.53 81.2 84.15 85.41 87.38 89.43 91.93 95.06 100.13 102.22

Knalpot Standard 62.86 67.28 71.46 73.47 75.58 78.04 80.67 84.45 86.29 87.65

Desibel (dB) Knalpot Knalpot V1 V2 65.28 64.63 70.29 68.88 74.23 72.56 78.34 75.18 80.55 78.56 82.42 82.66 84.38 83.84 86.23 86.55 88.14 88.19 90.25 90.44

Knalpot V3 65.62 69.79 73.08 75.48 78.27 81.74 84.02 86.87 88.05 89.68

Knalpot V4 70.78 73.23 78.91 82.06 83.92 86.12 87.33 89.44 90.8 92.62

Tabel 1. Data Kebisingan Suara (dB)

59



60

Insertion Loss (dB) RPM 1050 1545 2070 2550 3060 3540 4020 4515 5070 5550


Knalpot V1

Knalpot V2

Knalpot V3

Knalpot V4

5.25 10.91 9.92 7.07 6.83 7.01 7.55 8.83 11.99 11.97

5.9 12.32 11.59 10.23 8.82 6.77 8.09 8.51 11.94 11.78

4.91 11.41 11.07 9.93 9.11 7.69 7.91 8.19 12.08 12.54

0.25 7.97 5.24 3.35 3.46 3.31 4.6 5.62 9.33 9.6

Tabel 2. Data Insertion Loss (dB)

Kecepatan Suara (m/s) RPM 1050 1545 2070 2550 3060 3540 4020 4515 5070 5550

Knalpot Lepas 359.07222 367.96683 381.36739 381.36739 381.84104 383.20608 387.06483 394.77092 395.58404 399.82581


Knalpot V1

Knalpot V2

Knalpot V3

Knalpot V4

377.13102 386.07775 410.97206 415.25009 418.33391 427.40492 453.1763 465.11727 477.85323 490.83161

369.54621 385.14028 403.57543 412.19192 418.14184 430.63491 446.74921 463.17017 473.71663 486.43387

374.19069 390.11405 415.29845 419.34085 426.08722 444.22467 459.95035 474.18274 486.10346 491.36323

371.71365 383.7298 407.14258 412.67886 426.51121 445.30837 464.7285 476.71714 491.6901 506.26006

Tabel 3. Data Kecepatan Suara Gas Buang



61

Backpressure (Pa) RPM 1050 1545 2070 2550 3060 3540 4020 4515 5070 5550


Knalpot V1

Knalpot V2

Knalpot V3

Knalpot V4

64.746 117.72 325.692 376.704 421.83 482.652 541.512 606.258 672.966 814.23

35.316 123.606 255.06 300.186 406.134 466.956 559.17 651.384 763.218 827.964

45.126 103.986 251.136 300.186 376.704 425.754 508.158 568.98 688.662 761.256

98.1 198.162 286.452 339.426 412.02 519.93 759.294 867.204 1012.392 1088.91

Tabel 4. Data Tekanan Balik (Pa)

Debit Gas Buang (m3/s) RPM 1050 1545 2070 2550 3060 3540 4020 4515 5070 5550

Knalpot Lepas 0.00281 0.00531 0.00689 0.00729 0.00902 0.01 0.011 0.01181 0.01255 0.01382


Knalpot V1

Knalpot V2

Knalpot V3

Knalpot V4

0.00319 0.00438 0.00587 0.00705 0.00795 0.00883 0.00968 0.01058 0.01105 0.01196

0.00281 0.00451 0.00542 0.00689 0.00759 0.00823 0.00924 0.00983 0.01063 0.01137

0.00301 0.00405 0.00547 0.00615 0.00668 0.00733 0.00795 0.0087 0.00945 0.01031

0.00405 0.00587 0.00713 0.00806 0.00948 0.01047 0.01191 0.013 0.01414 0.01535

Tabel 5. Data Debit Gas Buang (m3/s)



62

RPM 3789 4211 4632 5053 5474 5895 6316 6737 7158 7579 8000 8421

Knalpot Standard 4.1 4.7 5.2 5.7 6.1 6.6 6.9 7.1 7.1 7.1 6.7 6.4

Tenaga Mesin (HP) Knalpot Knalpot Knalpot Knalpot V1 V2 V3 V4 4.1 4.1 4.1 4.1 4.7 4.7 4.8 4.8 5.3 5.3 5.3 5.4 5.8 5.8 5.9 6 6.3 6.3 6.4 6.6 6.7 6.8 6.9 6.9 7 7.1 7.2 7.1 7.1 7.3 7.5 7.2 7.2 7.3 7.6 7.2 7 7.3 7.5 7.1 6.8 7.1 7.3 6.8 6.6 6.6 6.8 6.5

Tabel 6. Tenaga Mesin (Horsepower)

RPM 3789 4211 4632 5053 5474 5895 6316 6737 7158 7579 8000 8421

Knalpot Standard 7.64558 7.93026 7.99804 7.99804 7.97093 7.97093 7.76759 7.48291 7.07623 6.83222 5.91042 5.34106

Torsi Mesin (Nm) Knalpot Knalpot V1 V2 7.56425 7.64558 7.9167 7.9167 8.07938 8.16071 8.1336 8.24205 8.17427 8.24205 8.1336 8.20138 7.80826 7.99804 7.48291 7.72692 7.21179 7.26602 6.66955 6.94067 6.01886 6.28998 5.58507 5.53085

Knalpot V3 7.65914 7.99804 8.21494 8.29627 8.37761 8.29627 8.1336 7.97093 7.56425 7.07623 6.42554 5.69352

Knalpot V4 7.64558 7.97093 8.29627 8.45894 8.54028 8.37761 7.88959 7.64558 7.15757 6.66955 6.01886 5.44951

Tabel 7. Torsi Mesin (Nm)

RPM Idle Middle High

Knalpot STD 11 23.33 38.33

Knalpot V1 11.67 24.33 39

Knalpot V2 12 23.67 38.33

Knalpot V3 12 21.67 37.33

Knalpot V4 12.67 23.67 38.33

Tabel 8. Konsumsi Bahan Bakar 5 menit



63

Grafik 1. Efek Terhadap Kebisingan Suara

Grafik 2. Efek Terhadap Insertion Loss



64

Grafik 3. Efek Terhadap Kecepatan Suara

Grafik 4. Efek Terhadap Backpressure



65

Grafik 5. Efek Terhadap Debit Gas Buang

Grafik 6. Efek Terhadap Tenaga Mesin



66

Grafik 7. Efek Terhadap Torsi Mesin

Grafik 8. Efek Konsumsi Bahan Bakar 5 menit



67

4.2 Analisis Eksperimen Secara umum, dari grafik yang ada dapat diketahui bahwa untuk knalpot variasi 1 dan 2 tidak memiliki banyak perbedaan dengan knalpot standard. Hal ini disebabkan oleh dua faktor, yaitu faktor modifikasi bentuk knalpot dan alat ukur. Bila dilihat pada bab sebelumnya, dapat dilihat bahwa perbedaan variasi 1 dan 2 hanya terjadi pada jumlah lubang yang terdapat pada input pipe dan transfer pipe. Untuk dapat melihat lebih detail perbedaan yang terjadi antara variasi 1 dan 2 dibutuhkan seperangkat alat ukur yang cukup rumit dan mahal, sehingga penulis memberikan 2 modifikasi knalpot tambahan, yaitu variasi 3 dan 4 dengan asumsi dapat menghasilkan perbedaan yang cukup tegas dan hasilnya sesuai dengan data dan grafik di atas. Pada knalpot variasi 3 dan 4 dibuat suatu rancangan yang berbeda,

yaitu

dengan

prinsip

memperpanjang

aliran

gas

buang

dan

memperpendek aliran gas buang. Pada grafik 1 dapat dilihat bahwa knalpot standard akan memberikan tingkat kebisingan suara yang paling rendah. Di sisi lain, sangat jelas terlihat bahwa modifikasi sekecil apa pun yang dilakukan terhadap knalpot standard akan meningkatkan kebisingan suara yang akan muncul. Untuk knalpot variasi 1, 2, dan 3 menunjukkan tingkat kebisingan suara yang relatif sama yaitu sekitar 65-90 dB. Sedangkan kebisingan maksimal terjadi ketika mesin dijalankan tanpa menggunakan knalpot yaitu sebesar 70-102 dB. Untuk knalpot variasi 4 dapat dilihat bahwa tingkat kebisingan nya merupakan yang paling tinggi dibandingkan variasi knalpot lainnya yaitu sebesar 70-92 dB. Selanjutnya pada grafik 2 dapat diketahui suatu parameter performa knalpot yang sering disebut dengan istilah insertion loss yaitu kemampuan suatu knalpot meredam kebisingan yang muncul, nilai ini didapatkan dengan cara mengurangi nilai tingkat kebisingan setiap jenis knalpot variasi dengan tingkat kebisingan ketika mesin berjalan tanpa menggunakan knalpot. Dari grafik ini dapat dibuktikan bahwa knalpot standard paling baik dalam meredam suara kebisingan yang muncul yaitu sekitar 7-15 dB, sedangkan knalpot variasi 4 merupakan yang paling buruk sebesar 0-9 dB. Untuk knalpot variasi 2 ,ternyata kemampuan meredam suaranya sedikit lebih baik dibandingkan dengan knalpot variasi 1, sedangkan untuk knalpot variasi 3 kemampuan meredam suara



68

kebisingan untuk setiap kenaikan rpm nya sedikit lebih kecil dibandingkan dengan knalpot variasi 1 dan 2. Kemudian pada grafik 3 dapat dilihat kecepatan suara gas buang untuk setiap kenaikan putaran mesin. Kecepatan suara gas buang ini berasal dari suatu fungsi temperatur. Ketika mesin tidak menggunakan knalpot, maka perubahan yang terjadi untuk setiap kenaikan rpm tidak besar, rentang perubahannya berkisar dari 359 - 399 m/s. Sedangkan untuk knalpot standard, nilainya berkisar dari 371495 m/s, untuk knalpot variasi 1 berkisar antara, 377-490 m/s, untuk variasi 2 antara 369-486 m/s , untuk variasi 3 dari 374-491 m/s, dan untuk knalpot variasi 4 berkisar dari 371-506 m/s. Pada grafik 4 dapat dilihat efek perubahan aliran gas buang yang terjadi terhadap nilai tekanan-balik (backpressure). Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa knalpot standard dan knalpot variasi 4 memiliki nilai tekanan balik yang lebih besar dibandingkan dengan variasi lainnya. Nilai backpressure knalpot standard > knalpot variasi 4 > knalpot variasi 2 > knalpot variasi 1 > knalpot variasi 3. Nilai backpressure pada knalpot standard mencapai 1165 Pa, sedangkan pada variasi 3 sebesar 761 Pa. Pada knalpot variasi 1 dan 2 mencapai 814 Pa dan 827 Pa dan pada knalpot variasi 4 mencapai 1088 Pa. Selanjutnya pada grafik 5, dapat terlihat besarnya debit aliran gas buang yang keluar dari knalpot. Dari sini diketahui bahwa nilai debit terbesar dimiliki oleh knalpot variasi 4, diikuti dengan knalpot lepas, kemudian knalpot standar, knalpot variasi 1, knalpot variasi 2, dan knalpot variasi 3. Dimana besarnya adalah sebagai berikut, 0.01535 m3/s, 0.01382 m3/s, 0.01291 m3/s, 0.01196 m3/s, 0.01137 m3/s, dan 0.01031 m3/s. Kemudian pada grafik 6 dapat diketahui konfigurasi knalpot mana yang menghasilkan tenaga yang paling tinggi. Dari grafik ini dapat diketahui bahwa tenaga tertinggi dimiliki pada knalpot variasi 3 yaitu sebesar 7.6 HP pada ban, kemudian diikuti oleh variasi 2 yang mencapai tenaga 7.3 HP, lalu knalpot variasi 1 dan variasi 4 ternyata menghasilkan tenaga yang sama sebesar 7.2 HP, dan yang terakhir adalah knalpot standar yang hanya mencapai 7.1 HP. Pada grafik ketujuh dapat dilihat torsi yang dimiliki mesin akibat perubahan aliran gas buang di dalam knalpot. Dapat dilihat bahwa torsi tertinggi



69

dimiliki oleh knalpot variasi 4 dimana nilai tertingginya adalah 8.54 Nm, diikuti dengan variasi 3 sebesar 8.37 Nm, variasi 2 sebesar 8.24 Nm, variasi 1 sebesar 8.17 Nm dan knalpot standar sebesar 7.99 Nm. Di dalam grafik 8 terdapat banyaknya pemakaian bahan bakar dalam setiap kenaikan putaran mesin dari idle, middle, dan high. Secara garis besar, tidak terdapat perbedaan yang cukup jauh antara knalpot std dengan seluruh variasi knalpot lainnya. Akan tetapi dari keseluruhan hasil grafik terlihat bahwa knalpot V3 mengkonsumsi bahan bakar yang lebih sedikit dibandingkan dengan knalpot lainnya pada putaran mesin middle dan high. Sedangkan pada putaran mesin idle, memang terlihat bahwa konsumsi bahan bakar paling sedikit dimiliki oleh knalpot standar. Dari hasil ini dapat diketahui bahwa efek perubahan aliran gas buang akan mempengaruhi konsumsi bahan bakar walaupun hanya sedikit. Percobaan kali ini hanya dilakukan selama 5 menit sehingga hasilnya tidak terlalu signifkan perbedaannya, apabila digunakan untuk jangka waktu yang panjang, tampaknya knalpot V3 akan menghasilkan penggunaan bahan bakar yang paling sedikit. Pada putaran menengah dan tinggi, knalpot V3 menghabiskan 21.67 ml dan 37.33 ml bensin selama 5 menit. Pemakaian ini sedikit lebih kecil dibandingkan dengan variasi lainnya sebanyak 1-2 ml.



BAB V PENUTUP 5.1.

Kesimpulan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui efek perubahan aliran gas

buang dalam knalpot. Karena terdapat berbagai macam variasi knalpot yang ada, maka dalam kesimpulan ini akan diperjelas bagaimana pengaruh efek-efek yang terjadi untuk setiap jenis knalpot yang ada, dimana knalpot standar lah yang akan menjadi dasar pertimbangan. Berikut ini adalah data-data karakteristik knalpot standar, knalpot variasi 1, variasi 2, variasi 3 , dan variasi 4.

RPM 1050 1545 2070 2550 3060 3540 4020 4515 5070 5550

dB Desibel 62.86 67.28 71.46 73.47 75.58 78.04 80.67 84.45 86.29 87.65

Karakteristik Knalpot Standar m3/s Pa dB Flowrate Backpressure Insertion Loss 0.00344 74.556 7.67 0.00531 196.2 13.92 0.00664 329.616 12.69 0.0077 417.906 11.94 0.00886 596.448 11.8 0.00954 694.548 11.39 0.01025 788.724 11.26 0.01087 873.09 10.61 0.01203 977.076 13.84 0.01291 1165.428 14.57

m/s Kecepatan Suara 371.49748 380.57666 407.58628 418.33391 424.81271 436.56348 456.17984 468.73022 482.82861 495.39304

Tabel 9. Karakteristik Knalpot Standar

70



71

RPM 1050 1545 2070 2550 3060 3540 4020 4515 5070 5550

dB Desibel 65.28 70.29 74.23 78.34 80.55 82.42 84.38 86.23 88.14 90.25

Karakteristik Knalpot V1 m3/s Pa dB Flowrate Backpressure Insertion Loss 0.00319 64.746 5.25 0.00438 117.72 10.91 0.00587 325.692 9.92 0.00705 376.704 7.07 0.00795 421.83 6.83 0.00883 482.652 7.01 0.00968 541.512 7.55 0.01058 606.258 8.83 0.01105 672.966 11.99 0.01196 814.23 11.97


Tabel 10. Karakteristik Knalpot V1

RPM 1050 1545 2070 2550 3060 3540 4020 4515 5070 5550

dB Desibel 64.63 68.88 72.56 75.18 78.56 82.66 83.84 86.55 88.19 90.44






72

RPM 1050 1545 2070 2550 3060 3540 4020 4515 5070 5550

dB Desibel 65.62 69.79 73.08 75.48 78.27 81.74 84.02 86.87 88.05 89.68




RPM 1050 1545 2070 2550 3060 3540 4020 4515 5070 5550

dB Desibel 70.78 73.23 78.91 82.06 83.92 86.12 87.33 89.44 90.8 92.62






73

Berikut adalah tabel hasil penelitian:

1 : Efek Terburuk ; 5 : Efek Terbaik Tabel 14 14. Perbandingan Variasi Knalpot Kesimpulan esimpulan dari hasil penelitian ini adalah: 1. Untuk meningkatkan tenaga sebesar 0.5 HP diperlukan penurunan backpressure sekitar 400 Pa 2. Terbukti bahwa untuk meningkatkan performa mesin dibutuhkan suatu kompensasi yaitu meningkatnya kebisingan suara. 3. Knalpot variasi 4 memiliki performa yang lebih baik dibandingkan dengan knalpot lainnya ketika berada di rpm rendah. Namun ketika berada pada rpm tinggi, tenaganya hilang akibat bertambah besarnya nilai backpressure secara mendadak. 4. Knalpot variasi 3 merupakan knalpot yang performanya paling baik dibandingkan an yang lainnya karena mampu meningkatkan tenaga mesin sebesar 0.5 HP dengan tingkat kebisingan suara yang cukup rendah, selain itu pada grafik torsi dapat terlihat bahwa luasanya lebih besar, hal ini menunjukkan bahwa knalpot ini memiliki tenaga yang cuku cukup pada rentang rpm yang lebar. Dan dari pemakaian konsumsi bahan bakar, knalpot V3 mampu menghasilkan penggunaan yang lebih hemat pada putaran mesin menengah dan tinggi.



74

5.2.

Diskusi Penelitian Penelitian ini menghasilkan data-data yang dapat dikatakan hasilnya sesuai

dengan teori yang ada. Seperti teori mengenai backpressure yaitu jika ingin menciptakan suara yang tenang dibutuhkan backpressure yang tinggi sedangkan untuk menaikkan performa mesin dibutuhkan backpressure yang lebih rendah. Hal ini terbukti dari data tenaga mesin antara knalpot standar dengan knalpot variasi 3, dimana ia mampu menaikan tenaga mesin sebesar 0.5 HP. Di sisi lain, penulis sengaja membuat variasi 4 untuk mendapatkan tenaga yang lebih besar lagi, namun ternyata pada kenyataannya nilai backpressure yang terjadi menjadi lebih besar dari knalpot variasi 3. Hal ini tampaknya disebabkan oleh kurang lengkapnya bagian daripada knalpot variasi 4, dimana dibutuhkan sambungan dari input-pipe ke output-pipe. Kekurangan ini menyebabkan meningkatnya nilai backpressure secara mendadak dan seketika itu juga torsi mesin juga menurun mendadak seperti yang dapat dilihat pada grafik. Hal ini disebabkan masih terdapat ruangan antara input-pipe dan output-pipe yang pada rpm tersebut akan terisi penuh sehingga menahan aliran gas buang yang akan mau keluar dari mesin. Namun fenomena ini justru memberikan ide dalam merancang suatu knalpot yaitu bahwa sebenarnya dapat diciptakan suatu rancangan knalpot yang nilai backpressure nya dapat dikendalikan sesuai dengan kegunaan mesin. Dalam perkembangannya, fenomena modifikasi knalpot ini juga dapat diterapkan pada mesin kapal klotok yang relatif ukuran mesinnya lebih kecil dibandingkan dengan kapal-kapal lainnya. Hanya saja, perlu diteliti lebih lanjut bagaimanakah fenomena perubahan aliran gas buang yang terjadi ketika menggunakan mesin diesel, tentunya akan ada beberapa perbedaan dikarenakan proses mesin diesel memiliki tekanan kompresi yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan mesin bensin. Apabila pada mesin bensin dapat meningkatkan tenaga, seharusnya pada mesin diesel juga dapat terjadi.



75

DAFTAR PUSTAKA [1] Mohiuddin, AKM, et al.2005. Experimental Study of Noise and Backpressure for Silencer Design Characteristics. Journal of Applied Sciences, 1292-1298, ISSN 1812-5654. [2] Rahman, M. et al.2005. Design and Construction of a Muffler for Engine Exhaust Noise Reduction. Proceedings of the International Conference on Mechanical Engineering, 28-30 December, Dhaka, Bangladesh. [3] Yasuda, Takashi, et al.2010. Predictions and experimental studies of tail pipe noise of an automotive muffler using a one dimensional CFD model. Journal of Applied Acoustic 71,pp 701-707, Elsevier. [4] Surojo, Soeadgihardo Siswantoro.2005. Pengaruh Volume Knalpot terhadap Tingkat Kebisingan pada Motor Bensin. Forum Teknik Vol.29 No.1, Jogjakarta. [5] OECD(1990), Environmental Policies for Cities in the 1990s, www.oecd.org, cited in Jakarta, p.29 [6] MacKenzie, Dower & Chen (1992), The Going Rate, World Resources Institute, www.wri.org, p. 21. [7] Homberger, Kell & Perkins (1992), Fundamentals of Traffic Engineering, 13th edition, Institute of Transportation Studies, UCB (www.its.berkeley.edu), p. 31-3 [8] Suter, Alice H. Noise and its Effects, Administrative Conference of The United States, November 1991 [9] Mao Tokan, Fransiskus. Pemetaan Potensi Perikanan Sebagai Dasar Pengelolaan Sumber Daya Perikanan Pulau Bawean.Malang.2006 [10] Sugiarto, Bambang. Motor Pembakaran Dalam.2002.ISBN : 979-97726-7-2 [11] Mohiuddin, et.al. Experimental Investigation and Simulation of Muffler Performance. Proceedings of The International Conference on Mechanical Engineering. Dhaka, Bangladesh.2007 [12] Lilly, Jerry G. Engine Exhaust Noise Control. ASHRAE Technical Committee Sound & Vibration. JGL Acoustics, Inc.



76

LAMPIRAN Data Mentah Knalpot Lepas



77

Knalpot Standar



78

Knalpot Variasi 1



79

Knalpot Variasi 2



80

Knalpot Variasi 3



81

Knalpot Variasi 4



82

Tenaga dan Torsi



83

Konsumsi Bahan Bakar

Knalpot STD Idle RPM Middle High

1 11 24 38

2 11 23 39

3 11 23 38

Rata-rata 11 23.333333 38.333333

Knalpot V1 Idle RPM Middle High

1 11 25 40

2 12 23 37

3 12 25 40

Rata-rata 11.666667 24.333333 39


1 12 24 37

2 12 24 39

3 12 23 39

Rata-rata 12 23.666667 38.333333


1 12 21 37

2 12 22 37

3 12 22 38

Rata-rata 12 21.666667 37.333333


1 13 24 39

2 12 23 37

3 13 24 39

Rata-rata 12.666667 23.666667 38.333333



UNIVERSITAS INDONESIA EFEK PERUBAHAN ALIRAN GAS BUANG DALAM KNALPOT UNTUK DITERAPKAN PADA MESIN KAPAL KLOTOK 10 HP SKRIPSI

Recommend Documents