Kajian Teoritis Pengaruh Intercooler Terhadap Performansi Motor Diesel Menggunakan Turbocharger

KAJIAN TEORITIS PENGARUH INTERCOOLER TERHADAP

PERFORMANSI MOTOR DIESEL MENGGUNAKAN

TURBOCHARGER

SKRIPSI

Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

ZAINAL SIMATUPANG

NIM. 040401084

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

i

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Allah Tuhan Yang Maha Esa, karena atas rahmat

dan karunianyalah penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini dengan sebaik-baiknya. Tugas Sarjana ini merupakan tugas akhir untuk menyelesaikan studi pada

jenjang Pendidikan Sarjana ( S1) Teknik Mesin menurut kurikulum Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Mesin Fakultas Teknik Sumatera Utara Medan.

Penulis dalam Tugas Sarjana ini mengambil judul, yaitu “KAJIAN

TEORITIS PENGARUH INTERCOOLER TERHADAP PERFORMANSI MOTOR DIESEL MENGGUNAKAN TURBOCHARGER”. Dalam Penulisan ini , dari awal sampai akhir penulis telah mencoba semaksimal mungkin guna tersusunnya Tugas Sarjana ini. Namun Penulis masih menyadari bahwa masih banyak kekurangan - kekurangan baik dalam penulisan maupun penyajian Tugas Sarjana ini.

Untuk itu saran-saran dari semua pihak yang bersifat membangun sangat penulis harapkan demi kesempurnaan Tugas Sarjana ini.

Dengan tersusunnya Tugas Sarjana ini maka penulis mengucapkan terima-kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Ir.Isril Amir selaku dosen pembimbing Tugas Sarjana yang telah

meluangkan waktu untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.

2. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara .

3. Bapak Tulus Burhanuddin,ST,MT selaku Sekretaris Departemen Teknik

ii

4. Bapak Ir. Zaman Huri.MT, Ir.M. Syahril Gultom.MT Selaku dosen Pembanding, Ir.Mulfi Hazwi.Msc dan Tulus Burhanuddin, ST,MT selaku

dosen penguji.

5. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai di Lingkungan Departemen Teknik Mesin

Universitas Sumatera Utara yang tidak dapat disebutkan satu-persatu.

6. Ucapan Terima-Kasih kepada PT.PLN(persero) Titikuning yang telah memberikan data-data yang mendukung penyelesaian Tugas Akhir ini.

7. Ucapan Spesial Terimakasih saya Kepada Kakanda Arnold Lumban Gaol.ST T.Mesin”99 yang selalu memberi dorongan yang tidak ternilai harganya mulai

dari dan sampai Penyelesaian kuliah saya. Dan Juga Mardianto Manalu.ST (T.Mesin”02”), Polbin Butar-Butar (T.Kimia”01).

8. Ucapan terimakasih kepada Semua rekan-rekan seperjuangan cipitas

GMKI(Gerakan Mahasiswa Kristen Indonesia) Khususnya Komisariat FT-USU yang telah banyak memberikan pelajaran berharga buat saya yang tidak

ternilai harganya, semoga persekutuan kita ini semakin jaya.

9. Ucapan Terimakasih kepada Rekan Saya Hitler Marulitua Sidabutar atas pengertianya serta partisipasi kudanya yang tak ternilai manfaatnya. Parlot

Lumbangaol, Yakub Panjaitan, Jhony.R.H.Damanik(Raja Adat), Danny.H. Siahaan(si pudan), Edis.S.Sihombing(Pemusik) dan juga Mahasiswa Teknik

Mesin khususnya sesama rekan-rekan stambuk 2004 yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu terimakasih atas dukungannya.

10.Ucapan Terimakasih Kepada Seluruh Cipitas Mahasiswa Fakultas Teknik

USU yang pernah mendukung saya dalam memperebutkan Tahta Kehormatan kemahasiswaan Fakultas Teknik USU semoga impian bersama kita dapat

iii

11.Ucapan spesial Terimakasih dan rasa hormat saya kepada Abang dan Kakak saya Terkhusus, keluarga Pak Grace, Pak Dora dan juga Kakak tercinta saya

Kak Yuni dan Rona Uli yang selalu mendukung saya baik moril maupun materil yang tak ternilai harganya semoga impian kita bersama dapat saya raih

demi kebahagiaan keluarga kita.

12.Ucapan spesial Terimakasih dan rasa hormat Saya yang sedalam-dalamnya diatas semuanya itu, serta rasa Salut dan Bangga buat Mama Tercinta saya”

Setiap Tetesan Keringat Mama Sangat Berarti pada Setiap Goresan tinta

Pena Saya, Kelak Dapat Menahan Dahaga Dan Rasa Lapar serta bawa

angin segar” buat Mama dan semuanya ini saya persembahkan untuk Mama.

Semoga mama panjang umur.

Akhir kata , dengan segala kerendahan Hati penulis memanjatkan Doa kepada Allah TYME, semoga Tugas Sarjana ini dapat bermanfaat untuk kita semua.

Medan, Penulis

iii

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR………...i

DAFTAR ISI………...…...iii

DAFTAR NOTASI………...vi

BAB I PENDAHULUAN………....1

1.1 Latar Belakang ………....…....1

1.2 Tujuan Penulisan ………....…2

1.3 Batasan Masalah………....……..2

1.4 Metodologi Penulisan...3

1.5 Sistematika Penulisan...3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA………….………5

2.1 performansi motor diesel……….………5

2.1.1 Torsi dan daya………...……….5

2.1.2 konsunsi bahan bakar spesifik…...………..6

2.1.5 Effesiensi Thermal Brake...7

2.3 Turbocharger...7

2.3.1 Klasifikasi Turbocharger...8

2.3.1.1 Turbocharger sitem tekanan konstan...9

2.3.1.2 Turbocharger sistem pulsa...10

2.3.1.3 Turbocharger Sistem converter-pulsa...11

2.3.1.4 Bagian-bagian utama Turbocharger...12

2.3.1.5 Turbin...13

2.3.1.6 Kompresor...15

2.4 Intercooler...17

2.4.1 Prinsip Kerja intercooler...19

2.4.2 Prinsip Kerja dari Turbocharging pada siklus BAB III METODOLOGI KAJIAN DAN ANALISA TERMODINAMIKA...20

iv

dengan turbocharger dan intercooler………...…………..20

3.5 Rasio Kompresi...21

3.6 Analisa Termodinamika pada Turbocharger dan interkuler……...……22

3.6.1 Laju aliran Gas buang masuk Turbin...29

3.6.2 Laju Aliran gas buang melalui kompresor...32

3.6.3 Penetapan kajian yang akan digunakan ...32

3.6.4 Termodiamika pada turbin...35

3.6.5 Termodinamika pada kompresor...37

3.6.6 Penurunan temperatur pada interkuler...39

3.6.7 Analisa Termodinamika Pada Ruang Bakar...42

3.7 Analisa Termodinamika Motor Bakar Diesel dengan TurbochargerTanpa Intercooler...50

3.7.1 Analisa Termodinamika Pada Ruang Bakar...52

BAB IV PERFORMANSI MOTOR BAKAR………...………..59

4.1 Performansi motor bakar diesel degan turbocharger dan interkuler…..59

4.1.1 Tekanan indikator...59

4.1.1 Tekanan efektif rata-rata...61

4.1.2 Kerja indikator... ………....61

4.1.3 Kerja Efektif...………..62

4.1.4 kerja mekanik yang hilang...62

4.1.5 Daya indikator...………...63

4.1.6 Daya Efektif... ………...63

4.1.7. Konsumsi Bahan Bakar Jam...64

4.1.7 Konsumsi Bahan Bakar spesifik...65

4.2 Performansi motor bakar diesel dengan turbocharger Tanpa interkuler...66

4.1.1 Tekanan efektif rata-rata...66

4.1.3 Kerja indikator... ………....67

4.1.4 Kerja Efektif...………..68

4.1.5 kerja mekanik yang hilang...69

4.1.6 Daya indikator...………...69

v

4.1.8 Konsumsi Bahan Bakar Per Jam...70

4.1.9 Konsumsi Bahan Bakar spesifik...72

4.1.10 Torsi...72

4.4 Perhitungan performansi pada beberapa putaran...73

4.4.1 Pengaruh penggunaan turbocharger dengan interkuler terhadap daya efektif dan tekanan efektif motor bakar diesel...75

4.4.2 Pengaruh penggunaan turbocharger dengan interkuler terhadap torsi motor bakar diesel...76

4.4.3 Pengaruh penggunaan turbocharger dengan interkuler terhadap daya indikator motor bakar diesel...78

4.4.4 Pengaruh penggunaan turbocharger dengan interkuler terhadap Konsumsi bahan bakar motor bakar diesel...81

BAB V KESIMPULAN …...……....84

5.1 Kesimpulan………....…………...84

DAFTAR PUSTAKA………...…………..86

vi

DAFTAR NOTASI

Notasi Arti Satuan

A Luas m2

AF Perbandingan Udara dengan bahan bakar kgudara/kgb.bakar

A Kecepatan Suara m/s

b1 Lebas Sisi Masuk Impeler Kompresor m

b2 Lebar Sisi Keluar Impeler Kompresor m

C Kecepatan Absolut m/s

Cm2 Kecepatan Relatif Masuk m/s

Co Kecepatan Pancar (Spouting Velocity) m/s

Cpa Kalor Panas Spesifik Udara kJ/kgK

Cpe Kalor Panas Spesifik Gas kJ/kgK

c Panjang Chord m

cs Kecepatan Udara Masuk Kompresor m/s

D Diameter m

F Konsumsi Bahan Bakar Spesifik kg/hp-hr

FA Perbandingan Bahan Bakar Udara kgb.bakar/kgudara

Fh Konsumsi Bahan Bakar Tiap jamnya kg/hr

Fi Konsumsi Bahan Bakar Indikator kg/hp-h

g Gravitasi m/s2

H Tinggi Tekan Kompresor mkol.udara

h Enthalpi kJ/kg

vii

LHV Kalor Pembakaran Bawah kJ/kg

L’ Jumlah Udara Aktual yang Dibutuhkan kg/ mole

Mp Momen Puntir kg.mm

ma Berat Molekul Udara kg/ mole

. eg

m Laju Aliran Gas Masuk Turbin kg/s

. K

m Laju Aliran Udara Melalui Kompresor kg/s

N Putaran rpm

Nb Daya Efektif hp

Ni Daya Indikator hp

P Tekanan Pa

Pd Daya Perencanaan kW

in

q Kalor Masuk Persatuan Massa kJ/kg

r Jari-Jari m

Sy Kekuatan Tarik Bahan MPa

T Temperatur K

U Energi Dalam kJ/kg

u Kecepatan Tangensial m/s

V Volume m3

s '

υ Kapasitas Isap m3/s

W Kerja Total kJ

' T

W Daya Turbin hp

' K

W Daya Kompresor hp

viii

Y Kerja Spesifik kJ/k

ct

σ Tegangan Tarik Sentrifugal MPa

d

σ Tegangan Maksimum yang Diizinkan MPa

maks gb)

(σ Tegangan Lengkung MPa

'

σ Tegangan Maksimum yang Terjadi MPa

g

τ Tegangan Geser Maksimum yang Terjadi MPa

g −

ABSTRAK

Motor diesel termasuk jenis kelompok motor pembakaran dalam (internal combustion engines), dimana proses pembakarannya didalam silinder. Motor diesel ini menggunakan bahan bakar cair yang dimasukkan ke dalam ruang pembakaran silinder motor dengan diinjeksikkan menggunakan pompa injeksi.

Bahan bakar masuk ke dalam silinder atau ruang pembakaran dalam bentuk yang lebih halus maka dipergunakan pengabut (nozzle). Masukkan kedalam silinder pada langkah pemasukkan adalah udara murni. Pada langkah kompresi, udara murni ini dimampatkan hingga menghasilkan panas yang cukup untuk menyalakan bahan bakar yang diinjeksikan kedalam ruang pembakaran motor. Motor diesel sering disebut juga motor penyalan kompresi( compression ignition engines). Menurut neraca panas tidak semua hasil pembakaran dapat di ubah menajadi energi mekanik.

Oleh karena itu, diperlukannya perangkat tambahan diantaranya dengan memakai Turbocharger dan Intercooler. Mekanisme turbocharger dan Intercooler ini di gerakkan oleh gas buang yang dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin dan selanjutnya menggerakkan kompresor.

ABSTRAK

Motor diesel termasuk jenis kelompok motor pembakaran dalam (internal combustion engines), dimana proses pembakarannya didalam silinder. Motor diesel ini menggunakan bahan bakar cair yang dimasukkan ke dalam ruang pembakaran silinder motor dengan diinjeksikkan menggunakan pompa injeksi.

Bahan bakar masuk ke dalam silinder atau ruang pembakaran dalam bentuk yang lebih halus maka dipergunakan pengabut (nozzle). Masukkan kedalam silinder pada langkah pemasukkan adalah udara murni. Pada langkah kompresi, udara murni ini dimampatkan hingga menghasilkan panas yang cukup untuk menyalakan bahan bakar yang diinjeksikan kedalam ruang pembakaran motor. Motor diesel sering disebut juga motor penyalan kompresi( compression ignition engines). Menurut neraca panas tidak semua hasil pembakaran dapat di ubah menajadi energi mekanik.

Oleh karena itu, diperlukannya perangkat tambahan diantaranya dengan memakai Turbocharger dan Intercooler. Mekanisme turbocharger dan Intercooler ini di gerakkan oleh gas buang yang dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin dan selanjutnya menggerakkan kompresor.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang

Motor diesel termasuk jenis kelompok motor pembakaran dalam (internal combustion engines), dimana proses pembakarannya didalam silinder. Motor diesel ini menggunakan bahan bakar cair yang dimasukkan ke dalam ruang pembakaran silinder motor dengan diinjeksikkan menggunakan pompa injeksi.

Bahan bakar masuk ke dalam silinder atau ruang pembakaran dalam bentuk yang lebih halus maka dipergunakan pengabut (nozzle). Masukkan kedalam silinder pada langkah pemasukkan adalah udara murni. Pada langkah kompresi, udara murni ini dimampatkan hingga

menghasilkan panas yang cukup untuk menyalakan bahan bakar yang diinjeksikan kedalam ruang pembakaran motor. Motor diesel sering disebut juga motor penyalan kompresi(

compression ignition engines). Menurut neraca panas tidak semua hasil pembakaran dapat di ubah menajadi energi mekanik.

Oleh karena itu, diperlukannya perangkat tambahan diantaranya dengan memakai

Turbocharger dan Intercooler. Mekanisme turbocharger dan Intercooler ini di gerakkan oleh gas buang yang dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin dan selanjutnya menggerakkan

kompresor.

Kompresor tersebut kemudian memompa udara kedalam silinder sehingga akan menaikkan tekanan dan temperatur. Hal ini akan menyebabkan berkurangnya kerapatan udara

yang masuk kedalam silinder. Oleh karena itu diperlukannya suatu alat pendingin (intercooler) yang dapat mendinginkan udara sebelum masuk kedalam silinder. Dengan demikian tekanan

Berdasarkan adanya performansi motor bakar yang meningkat dan proses pembakaran bahan bakar dapat terjadi dengan sempurna sehingga akan mengurangi terjadinya

polusi udara, sehingga pemanasan global dapat dikurangi dari sektor transportasi, oleh karena itulah maka Penulis mengkaji pengaruh penggunaan intercooler dengan menggunakan Turbocharger tersebut

1.2Tujuan Penulisan

Tujuan penulisan ini adalah untuk mengetahui seberapa besar pengaruh penggunaan intercooler pada motor diesel ENTERPRISE DS RV 12 - 4 dengan menggunakan Thurbocharger dengan daya terpasang 5553,17. Analisa tersebut meliputi analisa Termodinamika pada Turbocarjer, yaitu : termodinamika Turbin, Termodinamika kompresor, termodinamika intercooler.

1.3Batasan Masalah

Adapun Batasan Masalah dalam penulisan Tugas Sarjana ini adalah

a. Analisa Termodinamika

b. Perbandingan performansi motor bakar diesel dengan dan tanpa Intercooler

c. Analisa grafik performansi motor bakar diesel dengan dan tanpa Intercooler

1.4 Metodologi Penulisan

Metode penulisan yang digunakan pada penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut : a. Survei lapangan, berupa peninjauan langsung kelokasi tempat turbocharger dan

b. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku dan tulisan-tulisan yang terkait.

c. Browsing internet, berupa studi artikel-artikel, gambar-gambar, dan buku elektronik (e-book), serta data-data lain yang berhubungan.

d. Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing dan dosen pembanding yang

ditunjuk oleh Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

1.5Sistematika Penulisan

Tugas Akhir ini dibagi menjadi beberapa bab dengan garis besar tiap bab adalah sebagai berikut :

Bab I: Pendahuluan

Bab ini berisikan latar belakang penulisan, tujuan penulisan, batasan masalah, metodologi penulisan, dan sistematika susunan laporan.

Bab II : Tinjauan Pustaka

Bab ini berisikan landasan teori mengenai teori mengenai Turbocharger, pemakaian

Bab III : Analisa Termodinamika

Bab ini berisikan data-data Turbocharger, dimana pada data-data tersebut akan dicari analisa

Termodinamikanya dan putaran Turbocharger tersebut.

Bab IV : Performansi Motor Bakar

Bab ini berisikan mengenai pengaruh penggunaan Turbocharger dengan dan tanpa intercooler yang diperoleh dari setiap analisa termodinamika dan memaparkannya kedalam bentuk tabel dan grafik.

Bab V : Kesimpulan dan Saran

Bab ini sebagai penutup berisikan kesimpulan yang diperoleh dan saran untuk pengembangan Turbocharger dengan intercooler selanjutnya.

Daftar Pustaka

Daftar pustaka berisikan literatur-literatur yang digunakan untuk menyusun laporan ini.

Lampiran

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Performansi Motor Diesel

Motor diesel adalah jenis khusus dari mesin pembakaran dalam. Karakteristik utama dari

mesin diesel yang membedakannya dari motor bakar yang lain terletak pada metode penyalaan bahan bakarnya. Dalam mesin diesel bahan bakar diinjeksikan kedalam silinder yang berisi

udara bertekanan tinggi. Selama proses pengkompresian udara dalam silinder mesin, suhu udara meningkat, sehingga ketika bahan bakar yang berbentuk kabut halus bersinggungan dengan udara panas ini, maka bahan bakar akan menyala dengan sendirinya tanpa bantuan alat penyala

lain. Karena alasan ini mesin diesel juga disebut mesin penyalaan kompresi (Compression Ignition Engines).

Motor diesel memiliki perbandingan kompresi sekitar 11:1 hingga 26:1, jauh lebih

tinggi dibandingkan motor bakar bensin yang hanya berkisar 6:1 sampai 9:1. Konsumsi

bahan bakar spesifik mesin diesel lebih rendah (kira-kira 25 %) dibanding mesin bensin

namun perbandingan kompresinya yang lebih tinggi menjadikan tekanan kerjanya juga

tinggi.

2.1.1 Torsi dan daya

Torsi yang dihasilkan suatu mesin dapat diukur dengan menggunakan dynamometer

yang dikopel dengan poros output mesin. Oleh karena sifat dynamometer yang bertindak seolah– olah seperti sebuah rem dalam sebuah mesin, maka daya yang dihasilkan poros output ini sering

B

P = n T 60

. . 2π

... (2.1) Lit.5 hal 27

dimana :P_B = Daya keluaran (Watt)

n = Putaran mesin (rpm) T = Torsi (N.m)

2.1.2 Konsumsi bahan bakar spesifik (specific fuel consumption, sfc)

Konsumsi bahan bakar spesifik adalah parameter unjuk kerja mesin yang berhubungan langsung dengan nilai ekonomis sebuah mesin, karena dengan mengetahui hal ini dapat dihitung

jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu.

Bila daya rem dalam satuan kW dan laju aliran massa bahan bakar dalam satuan kg/jam,

maka :

Sfc = B f

P x

m 3

.

10

... (2.2) Lit.5 hal 2-16

dimana : Sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (g/kW.h).

.

f

m = laju aliran bahan bakar (kg/jam).

Besarnya laju aliran massa bahan bakar (

.

f

m ) dihitung dengan persamaan berikut :

3600 10

.

. 3

x t

V sg m

f f f f

−

= ... (2.3) Lit.5 hal 3-9

dimana : sg_f = spesific gravity

f

t = waktu untuk menghabiskan bahan bakar sebanyak volume uji (detik).

2.1.3 Effisiensi Thermal Brake

Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang dibangkitkan piston karena sejumlah energi hilang akibat adanya rugi–rugi mekanis (mechanical losses). Dengan alasan ekonomis perlu dicari kerja maksimum yang dapat dihasilkan dari pembakaran

sejumlah bahan bakar. Efisiensi ini sering disebut sebagai efisiensi termal brake (brake thermal

efficiency, η_b).

b

η =

masuk yang panas Laju

aktual keluaran Daya

...(2.11) Lit.5 hal 2-15

Laju panas yang masuk Q, dapat dihitung dengan rumus berikut :

Q =

.

f

m . LHV ...(2.12) Lit.5 hal 2-8

dimana, LHV = nilai kalor bawah bahan bakar (kJ/kg)

Jika daya keluaran (P_B) dalam satuan kW, laju aliran bahan bakar

.

f

m dalam satuan kg/jam,

maka :

b

η =

LHV m

P

f B .

. . 3600 ...(2.13) Lit.5 hal 2-15

2.2 Teori Pembakaran

Pembakaran adalah reaksi kimia, yaitu elemen tertentu dari bahan bakar setelah

dinyalakan dan digabung dengan oksigen akan menimbulkan panas sehingga menaikkan suhu dan tekanan gas. Elemen mampu bakar (combustable) yang utama adalah karbon (C) dan

bahan bakar adalah sulfur (S). Oksigen yang diperlukan untuk pembakaran diperoleh dari udara yang merupakan campuran dari oksigen dan nitrogen.

Nitrogen adalah gas lembam dan tidak berpartisipasi dalam pembakaran. Selama proses pembakaran, butiran minyak bahan bakar dipisahkan menjadi elemen komponennya yaitu hidrogen dan karbon dan masing-masing bergabung dengan oksigen dari udara secara terpisah.

Hidrogen bergabung dengan oksigen untuk membentuk air dan karbon bergabung dengan oksigen menjadi karbon dioksida. Jika oksigen yang tersedia tidak cukup, maka sebagian dari

karbon akan bergabung dengan oksigen dalam bentuk karbon monoksida. Pembentukan karbon monoksida hanya menghasilkan 30 % panas dibandingkan panas yang timbul oleh pembentukan karbon dioksida.

2.2.1 Nilai Kalor Bahan Bakar

Reaksi kimia antara bahan bakar dengan oksigen dari udara menghasilkan panas. Besarnya panas yang ditimbulkan jika satu satuan bahan bakar dibakar sempurna disebut nilai kalor bahan bakar (Calorific Value, CV). Bedasarkan asumsi ikut tidaknya panas laten

pengembunan uap air dihitung sebagai bagian dari nilai kalor suatu bahan bakar, maka nilai kalor bahan bakar dapat dibedakan menjadi nilai kalor atas dan nili kalor bawah.

Nilai kalor atas (High Heating Value,HHV), merupakan nilai kalor yang diperoleh secara eksperimen dengan menggunakan kalorimeter dimana hasil pembakaran bahan bakar didinginkan sampai suhu kamar sehingga sebagian besar uap air yang terbentuk dari pembakaran

hidrogen mengembun dan melepaskan panas latennya. Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung bila diketahui komposisi bahan bakarnya dengan menggunakan persamaan

HHV = 33950 C + 144200 

  

  ₋

8

2 2

O

H + 9400 S ...(2.14) Lit. 3 hal. 44

HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)

C = Persentase karbon dalam bahan bakar

H2 = Persentase hidrogen dalam bahan bakar

O2 = Persentase oksigen dalam bahan bakar

S = Persentase sulfur dalam bahan bakar

Nilai kalor bawah (low Heating Value, LHV), merupakan nilai kalor bahan bakar tanpa panas laten yang berasal dari pengembunan uap air. Umumnya kandungan hidrogen dalam bahan

bakar cair berkisar 15 % yang berarti setiap satu satuan bahan bakar, 0,15 bagian merupakan hidrogen. Pada proses pembakaran sempurna, air yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar

adalah setengah dari jumlah mol hidrogennya.

Selain berasal dari pembakaran hidrogen, uap air yang terbentuk pada proses pembakaran dapat pula berasal dari kandungan air yang memang sudah ada didalam bahan bakar (moisture).

Panas laten pengkondensasian uap air pada tekanan parsial 20 kN/m2 (tekanan yang umum timbul pada gas buang) adalah sebesar 2400 kJ/kg, sehingga besarnya nilai kalor bawah (LHV)

dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut :

LHV = HHV – 2400 (M + 9 H2)...(2.15) Lit. 3 hal. 44

M = Persentase kandungan air dalam bahan bakar (moisture)

Dalam perhitungan efisiensi panas dari motor bakar, dapat menggunakan nilai kalor bawah

(LHV) dengan asumsi pada suhu tinggi saat gas buang meninggalkan mesin tidak terjadi pengembunan uap air. Namun dapat juga menggunakan nilai kalor atas (HHV) karena nilai tersebut umumnya lebih cepat tersedia. Peraturan pengujian berdasarkan ASME (American of

Mechanical Enggineers) menentukan penggunaan nilai kalor atas (HHV), sedangkan peraturan SAE (Society of Automotive Engineers) menentukan penggunaan nilai kalor bawah (LHV).

2.3. Ratio Kompresi

pada kajian studi ini sesuai dengan hasil survey yang dilakukan perbandingan kompresi

motor bakar diesel ini adalah (cr) = 18. Adapun batasan perbandingan kompresi yang umum digunakan menurut (lit.2 hal.89) yaitu berkisaran antara 12 -25.

2.4 Turbocharger

Pada prinsipnya dan Turbocharger mempunyai tujuan, yaitu memperbesar jumlah udara

yang masuk ke dalam silinder. Hal ini bertujuan meningkatkan daya motor tanpa memperbesar kapasitas motor tersebut. Turbocharger memanfaatkan gas buang sebagai penggerak impeler

turbin yang di kopel langsung dengan kompressor.

Sebuah motor diesel empat langkah yang bekerja dengan turbocharger tekanan isapnya lebih tinggi dari tekanan atmosfer sekitarnya. Hal ini diperoleh dengan jalan memaksa udara

atmosfer masuk kedalam silinder selama langkah isap. Dengan cara mendinginkan udara bertekanan sebelum masuk kedalam silinder turbocharger dengan intercooler diharapkan bisa

udara akibat temperatur yang tinggi. Sehingga akan dihasilkan daya yang lebih besar denga ukuran mesin yang sama.

Tujuan utama penggunaan Turbocharger dengan Intercooler adalah untuk memperbesar daya motor (30 – 80%)(lit 2, hal 114), boleh dikatakan bahwa mesin diesel dengan Turbocharger dapat bekerja lebih effisien, apabila mesin harus bekerja pada ketinggian lebih dari 1500 meter

diatas permukaan laut, Turbocharger mempunyai arti penting dalam usaha mengatasi kerugian daya yang disebabkan oleh berkurangnya kepadatan udara atmosfer di tempat tersebut.

Gambar 2.1 Skema instalasi sederhana turbocharger dengan intercooler

Sumber :

2.4.1 Klasifikasi Turbocharger

Dalam prakteknya ada tiga metode pengoperasian turbocharger yang dipergunakan untuk memanfaatkan energi yang berguna pada gas buang, yaitu:

1). Turbocharger sistem tekanan konstan ( constant pressure system )

2). Turbocharger sistem pulsa ( pulse system )

2.4.1.1 Turbocharger sistem tekanan konstan ( constant pressure system )

Pada sistem Turbocharger tekanan konstan ini adalah bertujuan untuk menjaga atau

memelihara agar tekanan buang pada motor bakar dalam keadaan konstan dan tekanan yang dihasilkan lebih tinggi dari pada tekanan atmosfer sehingga turbin Turbocharger dapat beroperasi secara maksimum.

Tujuan pembuatan saluran gas buang yang besar dan lebar adalah untuk meyerap tekanan yang tidak konstan dan oleh karenanya energi kinetik didalam saluran gas buang harus

dihilangkan. Berikut ini merupakan gambar Turbocharger tekanan konstan

Gambar 2.2Turbocharger sistem tekanan konstan ( constant pressure system )

Keuntungan memakai turbocharger pada metode tekanan konstan ialah : 1). Fluktuasi pada turbin tidak ada.

2). Sangat efisien dan konsumsi bahan bakar yang ekonomis pada perbandingan tekanan kompresor dan turbin yang tinggi.

3). Kecepatan mesin tidak terbatas oleh gelombang tekanan pada saluran gas buang .

4). Penentuan titik operasional dari turbin dapat lebih mudah. Kerugian memakai turbocharger pada metode tekanan konstan adalah :

1). Tidak seluruh Energi gas buang dapat digunakan untuk menggerakkan turbin. 2). Ada sebagian energi yang hilang pada common large chamber

4). Kurang responsif pada beben.

2.4.1.2 Turbocharger sistem pulsa ( pulse system )

Turbocharger sistem pulsa adalah bertujuan untuk menggunakan energi kinetik didalam proses pembuangan ( blowdown ) untuk mengerakkan turbin turbocharger, yang secara idealnya tidak ada terjadi peningkatan tekanan gas buang.

Untuk mencapai tujuan tersebut saluran buang yang segaris haruslah lebih kecil dan dikelompokkan untuk menerima gas buang dari silinder yang mana mengalir pada waktu yang

berbeda. Perubahan kecepatan dan tekanan stagnasi dari pada turbin adalah tidak kondusif untuk turbin yang berefisiensi tinggi. Berikut ini merupakan gambar sistem Turbocharger sistem pulsa

Gambar 2.3 Turbocharger sistem pulsa ( pulse system )

Pada turbocharger dengan sistem pulsa ini, gas buang langsung dialirkan kedalam turbin. Keuntungan memakai turbocharger dengan system pulsa ini adalah :

1). Sebagian besar energi kimia gas buang dapat digunakan langsung.

2). Menghasilkan percepatan putaran mesin yang responsive terhadap pembebanan tiba-tiba.

3). Dapat memakai saluran gas buang yang lebih pendek dan diameter yang lebih kecil. Kerugiannya adalah :

1). Pemanfaatan energi gas buang tidak efektif untuk turbin dengan perbandingan tekanan yang lebih tinggi.

2.4.1.3 Turbocharger sistem converter- pulsa ( pulse-converter system)

Pada Turbocharger sistem converter pulsa ini bertujuan untuk mengubah energi kinetik didalam proses pembuangan menjadi peningkatan tekanan pada turbin

dengan membuat satu atau lebih diffuser. Berikut ini merupakan gambar Turbocharger system

converter-pulsa

Gambar 2.4 Turbocharger sistem converter- pulsa ( pulse-converter system)

Secara umum, mesin-mesin diesel berukuran besar biasanya menggunakan turbocharger sistem pulsa, sedangkan untuk mesin-mesin otomotif menggunakan turbocharger tekanan

konstan. Oleh karena itu, pada kajian studi ini digunakan Turbocharger sistem tekanan konstan.

2.4.2 Bagian-Bagian Utama Turbocharger

Bagian utama turbocharger terdiri dari sebuah turbin gas dan sebuah kompresor. Gambar 2.5 ini merupakan gambar dari assembling Turbocharger yang telah dilepas bagian-bagiannya

.

Gambar 2.5 Bagian-bagian Assembling Turbocharger

Sumber: http

Keterangan gambar

1. Clamp 18. Exhaust Stud

2. Hose ( waste gate pressure bleed ) 19. Waste gate housing

3. Fitting 20. Bearing housing

4. Clip ( waste gate lever ) 21. Nut ( turbine shaft )

5. Rod ( waste gate ) 22. Compressor

6. Adjusting nut 23. Turbine Shaft

7. Nut 24. Piston ring seal

8. Control Diaphragm ( waste gate ) 25. Heat shield

10.Bracket ( waste gate control diaphragm) 27. Compressor housing backing 11.Locking plate ( compressor housing ) 28. O-ring

12.Compressor housing 29. Piston ring seal

13.O-ring 30. Thrust collar

14.Bolt 31. Thrust bearing

15.Locking Plate ( turbine housing ) 32. Snap ring 16.Clamp Plate ( turbine housing ) 33. Journal bearing 17.Turbine housing 34. Oil drain gasket

2.4.2.1 Turbin

Turbin turbocharger digerakkan oleh energi berguna yang dikandung oleh gas buang. Aliran gas buang dari hasil pembakaran bahan bakar dari dalam ruang bakar menggerakkan

sudu-sudu turbin/rotor turbin, diserap energinya dan diubah menjadi bentuk energi mekanis ini merupakan daya poros pada turbin yang dipergunakan untuk menggunakan kompresor.

Persamaan laju aliran gas buang masuk turbin .

(

)

3600

' .

a i i c s eg

m L N F

m = µ+∆ . . . (lit.3 hal.238)

Dimana meg = laju aliran massa gas buang masuk turbin turbocharger ( kg/det)

µ = Koefisien molar gas perubahan molar gas

∆_sc = Koefisien udara pembilasan untuk mesin dengan turbocarjer koefisien udara

pembilas nilainya 0,06 – 0,02 dalam hal ini diambil sebesar 0,15

=

i

F Konsumsi bahan bakar indikator ( g/hp-hr) (lit.3 hal 205)

Dalam hal ini dipilih 133 g/bhp – hr

=

i

N Daya indikator

L’ = Jumlah udara aktual yang dibutuhkan

.

=

a

m berat molekul udara sebesar 28,95 kg/mole

Berdasarkan arah aliran fluida, ada dua tipe turbin yang digunakan pada turbocharger, yaitu aliran radial dan turbin aliran aksial. Turbin aliran radial mempunyai tampak yang sama dengan

kompresor sentrifugal, kecuali tentu bahwa gas mengalir secara radial kearah dalm dan buka kearah luar. Turbin aliran radial banyak dipakai dalam ukuran kecil. Turbin ini membentuk rotor

yang kompak san tegar bila digabungkan dengan kompresor sentrifugal. Gabungan ini lazim digunakan untuk mengisi turbocharger pada mesin diesel stasioner dan mesin kapal. Juga akhir-akhir ini, untuk kendaran bermototor diesel dan bensin. Turbin gas aliran radial, di lain pihak

tidak cocok untuk gas suhu tinggi yang diperlukan untuk menghasilkan efisiensi termal yang baik. Kecuali ukurannya yang kecil, turbin ini kalah efisien dari turbin aliran aksial.

Ada berbagai macam turbin radial yang biasanya digunakan pada otomotif, bervariasi mulai dari bentuk sudu turbin, rancangan rumah turbin dan rancanga sudu. Semua hal tersebut sangat berpengaruh pada prestasi yang dihasilkan motor yang

menggunakannya, oleh sebab itu banyak faktor yang diperhitungkan untuk mendapatkan suatu turbin sesuai dengan operasi yang diinginkan.

[image:30.612.150.386.124.241.2]

Bagian – bagian utama turbin turbocarjer

Gambar 2.7 Komponen Turbin Aliran Radial

Pada motor diesel ini, sesuai dengan yang disurvey dimana turbocarjer dan interkuler itu digunakan bahwa jenis turbin yang digunakan adalah turbin dengan aliran radial

2.4.2.2 Kompresor

Kompresor adalah suatu alat pemampat / menaikkan tekanan udara diatas tekanan

atmosfer. Pada keadaan ini kompresor didalam Turbocharger ini berfungsi memampatkan udara / menaikkan tekanan udara yang dihisap dari udara sekitar. Kompresor disini digerakkan oleh

turbin turbocarjer, dimana turbin ini digerakkan oleh gas buang dari motor bakar. Pada studi ini fungsi dari kompresor itu untuk menaikkan tekanan efektif rata – rata yang berpengaruh terhadap performansi motor bakar tersebut.

Dalam hal ini setelah melakukan survey kompresor sentrifugal yang sangat cocok digunakan pada Turbocharger.

• Kompresor Sentrifugal

Didalam permesinan, yang mana juga disebut sebagai blowers atau turbo-compressors, satu atau lebih impeller dirotasikan pada kecepatan yang tinggi didalam sebuah

sentrifugal yang terjadi pada impeller. Udara yang meninggalkan impeller dengan peningkatan tekanan dan kecepatan yang tinggi udara akan memasuki diffuser, pada diffuser akan mengubah

energi kinetik udara yang mengalir melewati impeller menjadi energi tekanan Persamaan laju aliran udara melalui kompresor :

(

1

)

₃₆₀₀ ' .

a i i c s k

m L N F

m = +∆ . . . (lit.3 hal.238)

dimana:

=

.

k

m laju aliran massa melalui kompresor (kg/det)

=

∆sc Koefisien udara pembilasan

Untuk mesin dengan turbocharger koefisien udara pembilasan nilainya 0,06 ~ 0,2,

dalam kajian studi ini dipilih koefisien udara pembilasan senilai 0,15.

=

i

F Konsumsi bahan bakar indikator ( g/hp-hr)

=

i

N Daya indikator (hp)

L’ = Jumlah udara aktual yang dibutuhkan (mole/kg)

.

=

a

[image:31.612.145.392.496.616.2]

m berat molekul udara sebesar 28,95 kg /mole

Gambar 2.8 Bagian-Bagian Utama Kompresor Sentrifugal

Keterangan :

a. Impeller Gaya yang bekerja pada impeller disebabkan adanya laju perubahan momentum

b. Difuser adalah sebuah cincin yang mengelilingi dan mempunyai luas penampang laluan yang secara kontinu memperbesar untuk mengubah energi kinetik udara yang melewati

impeller menjadi tekanan. Difuser yang paling edisien mempunyai sudu-sudu radial yang tetap untuk memaksa udara mengalir secara radial. Dengan peningkatan laluan udara kecepatan radial akan berkurang dan tekanan akan naik, sebab energi total udara adalah

konstan.

c. Rumah kompresor. Rumah seputar kompresor diffuser digunakan untuk mengarahkan

aliran tekanan tinggi kearah yang dituju dan pada beberapa sisin rumah kompresor berfungsi juga sebagai diffuser.

2.5 Intercooler

pada saat sekarang ini teknologi otomotif yang sedang berkembang itu adalah

[image:32.612.152.411.520.657.2]

intercooler. Alat ini adalah peralatan sederhana, tetapi memiliki fungsi yang luar biasa. Intercooler memiliki beberapa nama sebutan antara lain air cooler, after cooler dan charger cooler. Tetapi apapun namanya alat ini memiliki fungsi yang sama yaitu mendinginkan udara yang masuk keruang mesin.

Gambar 2.9 Skema instalasi sederhana turbocharger dengan intercooler

[image:33.612.167.450.71.281.2]

Gambar 2.10 : Intercooler yang digunakan pada PLTD Titi Kuning-Medan

Sumber: hasil foto survey lapangan

Berdasarkan prinsip kerjanya, ada dua macam intercooler, yaitu: a.intercooler air to air

b.intercooler air to water

Intercooler air to water adalah intercooler yang bekerja mendinginkan udara berdasarkan udara yang melewati kisi – kisinya. Sedangkan air to water adalah intercooler yang bekerja mendinginkan udara berdasarkan udara yang melewati kisi – kisinya yang juga di bantu dengan

air yang melewatinya. Pada perencanaan turbocharger ini dipilih jenis intercooler air to water, karena memiliki efisiensi yang tinggi dan bentuknya dapat lebih mudah disesuaikan.

2.5.1 Prinsip Kerja Intercooler:

Udara panas yang mengalir masuk kepipa – pipa intercooler sebelum masuk ke dalam

[image:34.612.164.400.134.336.2]

dalam intercooler dengan demikian udara yang masuk kadalam silinder tetap dingin tetapi tekananya konstan.

Gambar 2.11 : Sistem Kerja Intercooler Tipe Air to water.

BAB III

METODOLOGI KAJIAN DAN ANALISA TERMODINAMIKA

3.1 Idealisasi Analisa Termodinamika

Proses - proses termodinamika yang terjadi didalam motor bakar torak sangatlah

kompleks untuk dianalisa menurut teori. Maka untuk memudahkan analisa proses tersebut, perlu dilakukan beberapa idealisasi yaitu :

฀ Fluida kerja dianggap sebagai gas sempurna (gas ideal)

฀ Proses pembakaran dianggap sebagai proses pemanasan fluida kerja.. ฀ Proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara isentropik

฀ Pada akhir ekspansi, yaitu pada waktu torak mencapai TMB, fluida kerja didinginkan sehingga tekanan dan temperaturnya turun mencapai tekanan dan temperatur atmosfer. ฀ Tekanan fluida kerja pada saat langkah buang sama dengan tekanan atmosfer.

Dari idealisasi diatas, maka akan dapat dianalisa kondisi setiap titik pada siklus kerja. Dengan diperolehnya hasil dari kondisi idealisasi, maka akan dapat diperkirakan hasil dari proses

sebenarnya dengan mengalikan hasil yang didapat dari siklus ideal tersebut dengan faktor yang menyatakan penyimpangan keadaan yang sebenarnya.

Gambar 3.1 : Mekanisme kerja Turbocharger dengan intercooler Keterangan :

B = kompresor sentrifugal T = turbin Radial

C = Interkuler Udara

Mekanisme kerja sederhana Turbocharger dengan intercooler diatas adalah ketika piston melakukan langkah buang, dimana gas buang yang masih bertemperatur tinggi dan juga

mempunyai tekanan yang tinggi pula diekspansikan keluar kesaluran buang (exhaust manifold) dan gas yang keluar dari saluran buang mempunyai laju aliran yang tinggi yang kemudian

masuk ke turbin Turbocharger dan akan memutar turbin, dengan berputarnya turbin maka kompresor juga akan ikut berputar, ini dikarenakan turbin dan kompresor dihubungkan seporos (dikopel langsung). Menurut ( lit.15 hal.36 ) bahwa putaran turbin Turbocharger dapat mencapai

50.000 – 100.000 rpm. Kompresor yang berputar akan menghisap udara atmosfer kedalam kompresor dan udara yang bertemperatur tinggi dan bertekanan diatas tekanan atmosfer akan

disalurkan kedalam Intercooler untuk menurunkan temperatur udara sebelum masuk kedalam ruang bakar.ini dikarenakan temperatur udara yang tinggi akan menurunkan kerapatan udara sehingga dapat menurunkan tekanan efektif rata – rata.

3.3 Bahan Bakar Motor Bakar Diesel

Jenis Bahan Bakar yang digunakan pada motor bakar diesel di Indonesia adalah minyak solar yang diproduksi oleh Pertamina. bahan bakar yang baik merupakan hal yang memegang peranan utama dalam pengoperasian motor bakar agar diperoleh pembakaran yang sempurna.

- mempunyai nilai kalor yang tinggi - memiliki viskositas tertentu

- tidak mudah membentuk endapan - pencemaran terhadap lingkungan rendah

Pada motor bakar ini digunakan bahan bakar diesel dengan rumus molekul CnH2n+2 yaitu C13H28

(Medium Diesel Oil).

Menurut literatur Bahan bakar ini mempunyai:

Berat molekul = 184

Nilai Kalor Atas (HHV) = 19.110 Btu/lbm = 44449,86 kJ/kg Nilai Kalor Bawah (LHV) = 18.000 Btu/lbm = 41868 kJ/kg

Reaksi pembakaran bahan bakar dengan udara secara kimia dapat ditulis:

C13H28 + 20 (O2 + (3,76) N2) 13 CO2 +14 H2O + 20 (3,76) N2 + Qkal

Sehingga,

C13H28 + 20 O2 + 75,2 N2 13 CO2 + 14 H2O + 75,2N2 + Qkal

Adapun perbandingan bahan bakar dengan udara adalah sebagai berikut:

th A F

    

 ₌

2 2

28 13

2 , 75

20 O N

H C

+

th A F

    

 ₌

6 , 2105 640

184

+

th A F

    

 _{= 0,0670163}

th A F

    

 ₌

92 , 14

Pada motor bakar diesel faktor kelebihan udara mempunyai peranan yang sangat penting karena motor bakar diesel ini menggunakan pemampatan udara untuk membakar bahan bakar,

lain halnya dengan motor bakar bensin yang menggunakan percikan bunga api untuk membakar bahan bakar. Oleh karena itu untuk menjamin terjadinya pembakaran sempurna diambil faktor kelebihan udara sebesar (α) 200% atau 2.menurut (lit.3 Hal.38 )

faktor kelebihan udara untuk: - motor bakar diesel (α) = 200% - 300% - motor bakar bensin (α) = 5% - 20%

sehingga, act A F       ₌ th A F       _x α 1 act A F       ₌ 92 , 14 1 x 2 1 act A F       ₌ 84 , 29 1

maka fuel air rationya menjadi :

act A F     

 _{= 0,0335}

pada analisa termodinamika ini bahan bakar yang digunakan yaitu :

C13H28 (medium diesel oil)

Bilangan molekul ; C = 12

H = 1

persentase kandungan: O2 = 21 %

N2 = 79 %

Dimana secara teoritis udara yang dibutuhkan untuk pembakaran bahan bakar 1 kg. ditentukan dari rumus:

      _{+ −} = 32 4 12 21 , 0 1

' c h o

lo       _{+ −} = 32 0 4 1521739 , 0 12 847826 , 0 21 , 0 1 '_o l ) 0380434 , 0 070652 , 0 ( 21 , 0 1

'o = +

l

kg mole l'o =0,5175 /

sedangkan jumlah udara aktual yang dibutuhkan untuk pembakaran 1 kg bahan bakar

sangat dipengaruhi oleh adanya faktor kelebihan udara (excess air coefficient). Kebanyakan mesin membutuhkan udara lebih banyak dari yang disarankan secara teoritis.

Kebutuhan udara aktual sebagai berikut:

o l

L' =α . ' (mole/kg) . . . (lit.3.hal 38)

L’ = 2. (0,5175) (mole/kg) L’ = 1,035 (mole/kg)

Pembakaran dari 1 kg bahan bakar akan menghasilkan :

Karbon dioksida Mco2 = mole kg

c / 070652 , 0 12 847826 , 0

12 = =

Uap air MH2O = mole kg

h / 07608 , 0 2 1521739 , 0

2 = =

= 0,21 (2 – 1 ) 0,5175 = 0,1086 mole/kg

Nitrogen MN2 = 0,79 α L’o

= 0,79. 2.(0,5175) = 0,8176 mole/kg

Sehingga total dari pembakaran, yaitu: Mg = Mco2 + MH2O + MO2 + MN2

Mg = 0,07065 + 0,07608 + 0,1086 + 0,8176

Mg = 1,0729 mole/kg

Dimana koefisien perubahan molarnya:

' L M_g

= µ

kg mole

kg mole

/ 035

, 1

/ 0729 , 1

= µ

=1,036

µ

Gambar 3.2 :Diagram P-V siklus gabungan dengan menggunakan turbocharger dan intercooler.

Keterangan :

9 -1 = langkah isap tekanan konstan 1 – 2 = langkah kompresi isentropik

2 – 3a = proses pembakaran pada volume konstan 3a – 3 = proses pembakaran pada tekanan konstan

3 – 4 = langkah ekspansi isentropik 4 – 5a = ekspansi pada pipa gas buang

5a – 5 – 7 – 8 = energi yang berguna pada turbin

10 – 6 – 7 – 8 = energi maksimum yang mampu menggerakkan turbin 4 – 1 = langkah buang

3.6.1 Laju Aliran Gas Buang Masuk Turbin

(

)

₃₆₀₀' .

a i i c s eg

m L N F

m = µ+∆ . . . (lit.3 hal.238)

Dimana meg = laju aliran massa gas buang masuk turbin turbocharger ( kg/det)

µ = Koefisien molar gas perubahan molar gas

∆_sc = Koefisien udara pembilasan

Untuk mesin dengan turbocharger koefisien udara pembilasan nilainya 0,06 ~ 0,2, dalam kajian studi ini diambil koefisien udara pembilasan senilai 0,15. Fi = Konsumsi bahan bakar indikator ( g/hp-hr) . . . (lit.3 hal 205)

Untuk mekanisme turbocharger Fi = 125 – 150 g/bhp – hr

Ni = Daya indikator

L’ = Jumlah udara aktual yang dibutuhkan

ma = berat molekul udara sebesar 28,95 kg /mole

pada analisa termodinamika ini bahan bakar yang digunakan yaitu : C13H28 (medium diesel oil)

Bilangan molekul ; C = 12

H = 1

Persentase : 100% 84,7826% 184 156 = = x C % 21739 , 15 % 100 184 28 = = x H persentase kandungan: O2 = 21 %

N2 = 79 %

Dimana secara teoritis udara yang dibutuhkan untuk pembakaran bahan bakar 1 kg. ditentukan dari rumus:

      _{+ −} = 32 4 12 21 , 0 1

' c h o

lo (lit.3 hal 37)

      _{+ −} = 32 0 4 1521739 , 0 12 847826 , 0 21 , 0 1 'o l ) 0380434 , 0 070652 , 0 ( 21 , 0 1

'_o = +

l

sedangkan jumlah udara aktual yang dibutuhkan untuk pembakaran 1 kg bahan bakar sangat dipengaruhi oleh adanya faktor kelebihan udara (excess air coefficient). Kebanyakan

mesin membutuhkan udara lebih banyak dari yang disarankan secara teoritis. Kebutuhan udara aktual sebagai berikut:

o l

L' =α . ' (mole/kg) . . . (lit.3.hal 38)

L’ = 2. (0,5175) (mole/kg) L’ = 1,035 (mole/kg)

Pembakaran dari 1 kg bahan bakar akan menghasilkan :

Karbon dioksida Mco2 = mole kg

c

/ 070652 ,

0 12

847826 ,

0

12 = =

Uap air MH2O = mole kg

h

/ 07608 , 0 2

1521739 ,

0

2 = =

Oksigen MO2 = 0,21 (α – 1) L’o

= 0,21 (2 – 1 ) 0,5175 = 0,1086 mole/kg

Nitrogen MN2 = 0,79 α L’o

= 0,79. 2.(0,5175) = 0,8176 mole/kg

Sehingga total dari pembakaran, yaitu: Mg = Mco2 + MH2O + MO2 + MN2

Mg = 0,07065 + 0,07608 + 0,1086 + 0,8176

Mg = 1,0729 mole/kg

' L M_g = µ kg mole kg mole / 035 , 1 / 0729 , 1 = µ

=1,036

µ

Hubungan daya indikator dengan konsumsi bahan bakar indikator yaitu:

i h i

N F

F = atau

b h N

F

F = . . . (lit.3 hal 63)

Dimana :

Fh = konsumsi bahan bakar indikator spesifik (kg/hr)

Fi = konsumsi bahan bakar indikator (kg/hp- hr)

Ni = daya indikator (Hp)

Nb = daya efektif (Hp)

Sehingga, e h FN F = = h

F 0,133kg/hp-hr (5626,739 hp)

=

h

F 744,643 kg/hr

Sehingga laju aliran massa masuk turbin adalah ;

(

)

₃₆₀₀' . a i i c s eg m L N F m = µ+∆

(

)

3600 / 95 , 28 / 036 , 1 / 643 , 744 15 , 0 0366 , 1

. _{kg hr x mole kg x kg mole}

m_eg = +

=

.

eg

3.6.2 Laju Aliran Udara Melalui Kompresor

laju aliran udara melalui kompresor sesuai dengan persamaan sebagai berikut:

(

1

)

₃₆₀₀ ' .

a i i c s k

m L N F

m = +∆ . . . (lit.3 hal 238)

dimana:

=

.

k

m laju aliran massa melalui kompresor (kg/det)

=

∆sc Koefisien udara pembilasan

Untuk mesin dengan turbocharger koefisien udara pembilasan nilainya 0,06 ~ 0,2, dalam kajian studi ini dipilih koefisien udara pembilasan senilai 0,15.

Fi = Konsumsi bahan bakar indikator ( g/hp-hr)

Ni = Daya indikator (hp)

L’ = Jumlah udara aktual yang dibutuhkan (mole/kg)

ma = berat molekul udara sebesar 28,95 kg /mole

Dimana hubungan daya indikator dengan konsumsi bahan bakar indikator yaitu:

i i h FN F =

e h F N F = .

dimana :

Fh = konsumsi bahan bakar indikator spesifik (kg/hr)

Fi = konsumsi bahan bakar indikator (kg/hp- hr)

Ni = daya indikator (hp)

Ne = daya efektif (hp)

=

h

F 0,133 kg/hp-hr (5626,739 hp)

=

h

F 677,649 kg/hr

sehingga, laju aliran massa udara melalui kompresor adalah:

(

1

)

₃₆₀₀ ' .

a h c s k

m L F m = +∆

+

=

3600

/ 95 , 28 / 036 , 1 / 643 , 744 ) 15 , 0 1 (

. _{kg hr x mole kgx kg mole}

m_k

=

.

k

m 6,292 kg/det

3.5 Penetapan kajian yang akan digunakan

Dalam menganalisa pengaruh penggunaan Turbochrger dengan intercooler ini, beberapa

parameter harus dipilih atau diambil berdasarkan literatur. Oleh karena itu parameter yang harus dipilih adalah temperatur gas buang dan tekanan masuk turbin. Menurut literatur bahwa temperatur masuk turbocarjer adalah 500 – 600 0C, dalam hal ini dipilih sebesar 7890K.

Sedangkan tekanan udara yang disuplai oleh kompresor sebesar Psup= 1,4 – 3,5 atm. Pada kajian

ini dipilih Psup sebesar 1,94 atm. Sedangkan tekanan masuk turbin diperoleh menurut (lit.3

hal.215) sebesar Pt = (0,8 – 0,9) Psup. Sehingga besarnya tekanan masuk turbin diperoleh sebesar

Pt = 0,84 (1,94 x 105 Pa) = 1,63 x 105 Pa. Sehingga diperoleh parameter yang akan digunakan

pada analisa termodinamika sebagai berikut :

Pa x

p_5a =1,63 105 T_5a =7890K

426 , 6

.

=

eg

m kg/ det 6,292 /det

.

[image:47.612.104.430.99.347.2]

3.6 Analisa Termodinamika Pada turbin dan kompresor

Gambar 3.6 : diagram T – S siklus gabungan dengan Turbocharger dan Intercooler

Keterangan :

a – 1a = suplai udara oleh kompresor Turbocharger

1a – 1 = proses penurunan temperatur didalam Intercooler

1 – 2 = Langkah kompresi isentropis

2 – 3a = Proses pemasukan kalor pada volume konsrtan

3a – 3 = Proses pemasukan kalor pada tekanan konstan 3 – 4 = Langkah ekspansi isentropis

4 – 1 = Langkah buang

4 – 5 = proses pemasukan gas dan tempeatur kedalam turbin Turbocharger T

S

a

5 2

3a

V=c

P=c

4

1

1a

[image:48.612.162.382.116.279.2]

3.6.1 Termodinamika pada Turbin

Gambar 3.3 Diagram T – s untuk turbin

Turbin ini digerakkan oleh gas buang dari motor bakar yang dihubungkan langsung dengan kompresor, sehingga kerja yang diperlukan untuk memutar kompresor adalah kerja yang

dihasilkan turbin.

Dimana kerja yang dihasilkan oleh turbin adalah:

) ( 01 02 .

h h m h

WT =∆ tT = − . . . (lit.8.hal.35)

dari data perencanaan telah diketahui bahwa T5a = T01 dan T6 = T02, sehingga

T01 = 789 0K

P01 = 1,63 x 105 Pa

=

eg m

.

6,426 kg/det

pada temperatur T01, diperoleh entalpinya

T01 = 789 0K

untuk mencari temperatur keluar turbin secara stagnasi isentropik dapat dicari dengan persamaan ; k k s P P T T 1 01 02 01 02 −       =

Tekanan udara keluar turbin isentropik dapat ditentukan, dalam hal ini dimana tekanan keluar turbin akan sama dengan tekanan udara atmosfer.

P02 = 1,013 x105 Pa.

4 , 1 1 4 , 1 5 5 0 02 10 63 , 1 10 013 , 1 16 , 789 −       = Pa x Pa x K T _s = s

T₀₂ 689,112 0K

dimana diambil efisiensi isentropik dari turbin

=

T

η 0,75 – 0,90 . . . (lit.8 hal.28)

dalam hal ini diambil efisiensi isentropik 0,8 sehingga dengan menggunakan efisiensi turbin, maka didapat temperatur keluar turbin dalam keadaan stagnasi.

K K T K 0 0 02 0 112 , 689 16 , 789 16 , 789 8 , 0 − − =

T02 = 709,121 0K

[image:50.612.184.349.144.276.2]

3.6.2 Termodinamika pada Kompresor

Gambar 3.4 Diagram T – s untuk kompresor

Gambar 3.5 menunjukkan diagram T – S untuk kondisi udara masuk dan keluar kompresor menuju ruang bakar. Dimana keadaan udara masuk stagnasi menunjukkan pada titik

1, sedangkan keadaan udara keluar kompresor stagnasi pada titik 2, titik 2s menunjukkan kondisi keluar kompresor pada keadaan stagnasi isentropik.

Pada kajian ini temperatur udara dan tekanan masuk kompresor sebesar;

T01 = 3030 K

P01 = 1,013 x105 Pa

Dimana kerja kompresor :

) ( _{02 01}

.

h h m

W_c = −

pada temperatur T01 = 303,238 0K, diperoleh entalpi

h01 = 303,488 kJ/kg

pada kajian ini daya kompresor sama dengan daya turbin, karena daya yang digunakan kompresor pada Turbocharger sama dengan daya pada turbin.

) ( 0 . . KJ W

Q− = . . . ... . . . (lit.8 hal.20)

Di dalam Turbocharger proses alirannya adalah adiabatik, sehingga

.

Q =

.

W, dan

persamaannya menjadi :

k t W W = ) ( )

( _{02 01}

. 02 01 . h h m h h

meg − = k −

6,486 kg/det (810,322 kJ/kg – 723,382 kJ/kg) = 6,292 kg/det (h₀₂-303,488 kJ/kg)

02

h = 377,26 kJ/kg

pada h₀₂= 377,26 kJ/kg, diperoleh dari tabel sehingga T02 = 371,245 0K

Pada kompresor berlaku efisiensi isentropik,

(

)

) ( _{02 01}

01 02 T T T T _s k −− =

η . . . (lit.9.hal.41)

dimana efisiensi isentropik kompresor: η_k= 0,7 ~ 0,9

dalam hal ini di pilih ηk= 0,7 sehingga :

(

)

(

K K

)

K T s 0 0 0 02 303 245 , 371 303 7 , 0 − − = s

T₀₂ = 350,7715 0

Dimana hubungan isentropik dari kompresor :

k k s P P T T 1 01 02 01 02 −       =      

. . . (lit.9 hal.19)

(

)

( 1,4 )

02

P = 3,31466 x 105 Pa

sehingga diperoleh tekanan dan temperatur yang disuplai kompresor pada keadaan stagnasi

adalah:

T02 = 377,245 0K

02

P = 3,31466 x 105 Pa

3.6.3 Penurunan Temperatur pada Intercooler

Sebelum melakukan analisa penurunan temperatur di dalam interkuler perlu dilakukan

pemilihan parameter diantaranya:

kisi-kisi

[image:52.612.105.395.327.527.2]

Tube

Gambar 3.5 sket gambar Intercooler

Diameter tube = 10mm (data survey)

N = jumlah baris = 16 (data survey)

pada kajian study ini sesuai dengan data yang diperoleh pada saat survey bahwa jenis intercooler

yang digunakan yaitu : air to water, maksudnya fluida pendinginnya adalah air

(Perpindahan kalor dari permukaan tabung ke udara) = (kalor yang dibawa oleh udara)

q = As h ∆Tm =

.

mCp (Ta1 – Ta2) . . . (lit.5 hal.50)

Dimana :

.

m = laju aliran massa udara (kg/det) As = permukaan perpindahan kalor total

= πDNLm

m T

∆ = beda suhu antar fluida dan permukaan dinding

=

1

a

T temperatur udara keluar interkuler

=

2

a

T temperatur udara masuk interkuler

temperatur borongan (temperatur udara setelah kompresor ) masuk kedalam intercooler adalah:

=

2

a

T 371,245 0K

sifat – sifat udara pada temperatur dinding 371,245 0K adalah: Cp = 1016,8755 J/kg 0K

k = 0,03598 W/m 0K μ = 217,5053 x 10-7 N. s/m2

Pr = 0,695751

3

/ 94235 ,

0 kg m

= ρ

bilangan Reynolds adalah :

µ

ρU D

dimana : Usup = kecepatan segitiga impeler kompresor sesuai dengan (lit.3 hal.473) bahwa Usup =

250 – 300 m/det dalam hal ini dipilih 250 m/det

Diameter pipa intake kompresor sesuai hasil survey adalah: 10 inc ,maka diameter dalamnya adalah 8,5 inc(dari tabel) sehingga diiperoleh 0,2159 m

s m kg x

m x

m x m kg R_e

−

= ₋

/ 10 175053 ,

2

2159 , 0 det / 250 /

94235 , 0

) (

744 ,

233848 aliran turbulen

R_e =

bilangan Nusselt adalah :

n r e P R k hd

Nu− = =0,023 0,8 . . . (lit.6 hal.229)

dimana :

n = 0,4 untuk pemanasan 0,3 untuk pendinginan

h = koefisien perpindahan kalor w/m2

n r e P R k hd

Nu− = =0,023 0,8

3 , 0 8 , 0 6957 , 0 ) 744 , 233848 ( 023 , 0 = k hd 006510 , 407 = k hd m m W x h 02159 , 0 / 03598 , 0 006510 , 407 2 = 2 / 8281344 ,

367 W m

h=

Permukaan perpindahan kalor total adalah :

As= πDLNm

As= π (0,01) (1.3 (16) (37)

As = 24,17769 m2

Sehingga keseimbangan energi diperoleh:

q = As h ∆Tm = m Cp (T1a – T0a) ………..………(lit, 16 hal 261)

dalam hal ini suhu dinding tube di jaga pada suhu 300c (hasil survey)

[

1

]

0 1 0 2 2 245 , 371 / 873 , 1016 . det / 292 , 6 2 245 , 371 303 / 823134 , 67 . 178 , 24 a

a _{kg J kg K T}

T K K

m w

m = −

  

= 337,0864373K

Intercooler menurunkan temperatur yang masuk sebesar 25 – 50 0C. Pada kajian ini kemampuan

Intercooler menurunkan temperatur sebesar 34,15856 0C jadi kenerja Intercooler untuk menurunkan temperatur cukup efesien.

Daya turbocharger sesuai dengan hasil survey adalah: 755,54 hp

3.6.7 Analisa Termodinamika Pada Ruang Bakar

Adapun untuk perhitungan termodinamika pada ruang bakar adalah menggunakan siklus

tekanan terbatas dengan turbocarjer.

Pada saat udara masuk kedalam intercooler terjadi penurunan tekanan sebesar:

∆p = penurunan tekanan pada pipa - pipa masuk

∆p = (0,03 – 0,05) Psup...(lit,11 hal 213)

dalah hal ini diambil 0,05

∆p = (0,05) Psup

∆p = (0,05) 3,3147x 105

Pa

∆p = 0,165735 x 105

Pa

sehingga,

a).pada langkah isap 9 – 1

P0 = Psup - ∆p

P0 = 3,3147 x 105 Pa – 0,165735 x 105 Pa

P0 = 3,148965 x 105 Pa

1

a

T = 337,0864373K

Kerapatan udara setelah keluar intercooler: a

a a RT

P

1 0

=

ρ . . . (lit.6 Hal.227)

dimana :

P0a = tekanan setelah keluar intercooler (Pa)

R = Konstanta gas Universal sebesar, 0,287 KJ/kg K

a

T₁ = Temperatur keluar intercooler (K)

Maka kerapatan udara setelah interkuler dapat dicari :

a a RT

P

1 0

= ρ

K kgK

kJ

P

x _a

0 5

) 0843673 ,

337 ( / 287 , 0

10 17369 , 1

=

ρ

=

ρ 3,112 kg/m3

b).Kondisi Titik 1

kondisi temperatur masuk ruang bakar di uraikan sesuai persamaan berikut :

r r r

w T

t Ta T

γ γ

+ +

∆ + =

1 1

1

dimana :

r

γ = koefisien gas sisa pembakaran, 0 untuk sistem turbocarjer

w t

∆ = kenaikan temperatur akibat kontak dinding silinder dengan piston,yaitu:

sebesar 10 – 15 0K dalam hal ini diambil 13 0K

r

T = temperatur yang terkandung didalam gas sisa, karena nilainya terlalu kecil maka

dianggap 0.

0 1 0 13 23 ,

351 0 0 1

++ +

= K K

T

K T₁ =364,230

volume spesifik pada titik 1:

1 1 1 p RT v =

(

)

Pa x K K kg kJ v 5 0 0 1 10 984 , 1 23 , 364 / 287 , 0 = kg m v₁ =0,538 3/

Pada T1 = 364,23 0K menurut (lit.8 hal.830), diperoleh :

Kg kJ U1 =260,589 /

19876 , 2 1 = r p 6462 , 111 1= r v kg kJ h₁ =360,38926 /

c).Kondisi Titik 2

Pada kondisi titik 2 ini merupakan langkah kompresi dari titik 1 – 2. pada langkah kompresi ini

terjadi secara isentropik. Dimana pada data sebelumnya perbandingan kompresi sebesar r = 18.

Menurut liteteratur hubungan kompresi rasio adalah:

r =

2 1 V V 18 2 1 = = V V r Keterangan

V2 = Volume sisa (m3)

Dimana pada keadaan kompresi berlaku hubungan :

2 1 2 1 V V v v r r = 1 2 1 2 V V v v_r = _r

18 6462 , 111 2 = r v 2028 , 6 2 = r v

menurut (lit.8 hal.830) pada v_r2 =6,2028 diperoleh :

K T₂ =1056,890

2517 , 142 2 = r p kg kJ U₂ =798,984 /

kg kJ h1 =1103,355 /

kondisi tekanan pada titik 2 keadaan isentropik berlaku hubungan :

1 2 1 2 P P p p r r =       = 1 2 1 2 r r p p P P     = 19876 , 2 2213 , 110 10 84 , 1 5

2 x Pa

P

Pa x P₂ =99,4556 105

r v v

=

2 1

18

= m kg

v 0,538 /

3

2

=

2

v 0,0381 m3/kg

d).Kondisi Titik 2 – 3a - 3

Pada kondisi titik 2 - 3a terjadi pemasukan kalor pada volume konstan dan dilanjutkan dengan

pemasukan kalor pada tekanan konstan yaitu terjadi pada titik 3a – 3, menurut bahwa

perbandingan tekanan maksimum :

2 3

2 3

P P P P_a

= = λ

Untuk λ = Mesin dengan pengabutan mekanis peningkatan tekanannya 1,7 ~ 2,2 dalam hal ini

dipilih λ=1,7

Sehingga tekanan maksimum yang diperoleh adalah :

2 3

2 3

P P P P_a

= = λ

7 , 1

2

3 =

P Pa

) 7 , 1 ( 10 4556 ,

99 5

3 = x Pa

Pa

Pa x P_3a =169,0745 105

karena pada titik 3a = titik 3 pada tekanan konstan maka besar tekanan P3 = P3a.

P3 = Pa x Pa

5

3 =169,0745 10

7 , 1 89 , 1056 0

3 = Kx

Ta λ = = 2 2 3 3 2 3 v P v P T

T_{a a a}

keterangan : λ dinamai ”laju ledakan” sehingga, temperatur T3a dapat dicari:

λ = 2 3 T T _a

menurut (lit.8 hal 830) pada Ta K

0

3 =1796,713 diperoleh:

kg kJ U_3a =1479,256 /

kg kJ h3a =1998,237 /

pemasukan kalor pada titik 2 - 3a – 3, yaitu:

a a

in q q

q = _{3 −2} + ₃₋₃ . . . (lit.2. hal.20)

Dimana q_in (panas yang masuk ke dalam siklus sesuai dengan persamaan berikut)

in

q = (FA) (LHV) . . . (lit.10 hal.385)

in

q = (0,033) (41868 kJ/kg)

in

q = 1381,644 kJ/Kg

sehingga entalpi pada titik 3 dapat diperoleh:

) (

)

( ₃a _{2 3 3}a

in U U h h

q = − + −

) . (

)

( 3 3

3 3 2 3 J v P U h U U

q a a

a a

in = − + − +

in a a q J v P U

kg kJ kJ m kg kg m Pa x kg kJ

h 1381,644 /

/ 102 ) / 0381 , 0 ( 10 0745 , 169 / 984 , 799 3 5 3 + − + = kg kJ h₃ =2745,703 /

menurut (lit.8 hal.830) dari tabel pada h₃ =2745,703kJ/kg diperoleh:

K

T₃ =2392,0590 U₃ =2028,861kJ/kg

6278 , 3366 3 = r p 465565 , 0 3 = r v

e). Kondisi Titik 4

Dimana pada persamaan gas idea