Analisa Performansi Pada Mobil Toyota Kijang Innova Mesin Diesel Tipe 2KD-FTV

(1)

ANALISA PERFORMANSI PADA MOBIL TOYOTA

KIJANG INNOVA MESIN DIESEL TIPE 2KD-FTV

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

CHANDRA MANAHAN HUTAPEA NIM. 090421026

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karuniaNya yang telah dilimpahkan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini.

Skripsi ini merupakan salah satu persyaratan menyelesaikan pendidikan pada Departemen Teknik Mesin. Adapun judul Skripsi ini adalah “Analisa Performansi Pada Mobil Toyota Kijang Innova Mesin Diesel Tipe 2KD-FTV”.

Dalam penyelesaian Skripsi ini tidak terlepas dari bantuan dan dukungan yang diberikan oleh berbagai pihak, oleh karena itu pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

1. Kedua Orangtua penulis Ayahanda P. Hutapea dan Ibunda H. br. Siregar. Terima kasih atas doa dan dukungan yang tiada henti-hentinya baik moril maupun materil hingga skripsi ini dapat diselesaikan.

2. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus,ST,MT sebagai Dosen Pembimbing Skripsi yang telah banyak memberikan waktu dan bimbingan, hingga skripsi ini dapat diselesaikan.

3. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Ir.Mulfi Hazwi,MSc dan bapak Dr.Eng.Himsar Ambarita, ST,MT sebagai dosen penguji I, II yang menyempurnakan skripsi saya.

5. Abang saya Sihar M. Hutapea,S.Kep dan adik saya Boby B. Hutapea, ST terima kasih atas dukungan doa dan semangat hingga skripsi ini dapat diselesaikan.

6. Seluruh Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara atas pelayanan yang baik selama ini.

7. Teman-teman saya stambuk 2009 Ekstensi yang juga sedang berjuang dalam skripsi, terima kasih atas kebersamaannya.

8. Dan kepada pihak-pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu, atas doa dan dukungannya.

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

Medan, Oktober 2011

(8)

ABSTRAK

Direct Four Stroke Turbo Commonrail Injection yang dikenal dengan

D4D merupakan kemajuan teknologi pada industri otomotif khususnya dalam hal

penyempurnaan performansi mesin. D4D adalah teknologi pengaturan laju

tekanan bahan bakar dari sisi kuantitas dan waktu penyemprotan bahan bakar

secara elektronik.

Kelebihan yang dimiliki oleh mesin D4D adalah dengan penggunaan

sistem commonrail dimana bahan bakar solar akan dihisap oleh pompa bahan

bakar melalui saringan bahan bakar agar dapat menghasilkan kualitas bahan bakar

solar dengan tingkat emisi gas buang yang sangat rendah. Disamping itu dengan

adanya teknologi ini akselerasi dan performa yang dihasilkan sangat optimal

beserta tingkat getaran dan suara mesin yang lebih halus.

Motor Diesel memiliki efisiensi termal dan performansi yang lebih baik

serta dapat menghasilkan energi yang relatif besar. Efisiensi termal yang

merupakan indikasi sesungguhnya dari konversi input termodinamika menjadi

kerja mekanis mencapai 56,94 %. Hal ini membuktikan bahwa mobil ini telah

mempunyai efisiensi yang sudah bagus. Disamping itu untuk putaran 2000 rpm

didapatlah daya sebesar 41,8667 kW. Hasil analisa secara keseluruhan

membuktikan bahwa mobil ini memiliki performa yang baik.

(9)

DAFTAR ISI

LEMBAR JUDUL

LEMBAR PERSETUJUAN DOSEN PEMBANDING LEMBAR PERSETUJUAN DOSEN PENGUJI LEMBAR TUGAS SARJANA

LEMBAR KESIMPULAN SEMINAR DOSEN PEMBANDING I LEMBAR KESIMPULAN SEMINAR DOSEN PEMBANDING II LEMBAR ABSENSI PEMBANDING BEBAS

LEMBAR KARTU BIMBINGAN

KATA PENGANTAR... ...i

ABSTRAK...ii

DAFTAR ISI...iii

DAFTAR TABEL...vi

DAFTAR GAMBAR ...vii

DAFTAR NOTASI...viii

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang...1

1.2 Batasan Masalah...2

1.3 Tujuan Akademis...3

1.4 Manfaat...3

1.5 Sistematika Penulisan...3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Dasar...6

2.2 Motor Diesel...7

2.2.1 Sejarah Mesin Diesel...7

2.2.2 Prinsip Kerja Motor Bakar Diesel...8

2.2.3 Siklus Ideal Diesel...11

2.2.4 Siklus Dual Cycle...15

(10)

2.2.5 Kelebihan dan Kekurangan Mesin Diesel...16

2.2.6 Teknologi Diesel Sistem Common Rail...17

2.2.7 Perbedaan Diesel Common Rail dengan Diesel Konvensional...18

2.3 Parameter Performansi/Unjuk Kerja Mesin Diesel...19

2.3.1 Tekanan efektif rata-rata ...19

2.3.2 Daya Indikator...19

2.3.3 Torsi dan Daya...20

2.3.4 Konsumsi bahan bakar spesifik (Sfc)...20

2.3.5 Emisi Gas Buang Pada Motor Diesel………..21

2.3.5.1 Pembentukan Karbon Monoksida (CO)...21

2.3.5.2 Pembentukan Hidrokarbon (HC)...22

2.3.5.3 Pembentukan Nitrogen Oksida (NOx)...23

2.3.5.4 Pembentukan Partikulat (Particulate Matter)………...23

2.3.5.5 Pembentukan Emisi Asap (Smoke)….………..25

2.3.6 Efisiensi mekanis...25

2.3.7 Efisiensi Volumetrik ...26

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat...27

3.2 Bahan dan Alat...27

3.2.1 Bahan...27

3.2.2 Alat...28

3.3 Variabel Riset...28

3.4 Prosedur Analisa………29

3.4.1 Keterangan Diagram Alir………..………..30

3.4.1.1 Mulai………..………..………..30

3.4.1.2 Studi Literatur………. ………..30

3.4.1.3 Pencarian dan Pengumpulan Data………...…...30

3.4.1.4 Proses Perhitungan……….31

3.4.1.5 Kesimpulan dan Saran.………...31

(11)

BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Awal...32

4.1.1 Dimensi Silinder………..………..32

4.2 Analisa Termodinamika...33

4.3 Parameter Performansi Mesin Diesel Toyota Kijang Innova Tipe 2KD-FTV………...………..42

4.3.1 Tekanan efektif rata-rata...42

4.3.2 Daya indikator...42

4.3.3 Torsi dan Daya………...44

4.3.4 Konsumsi bahan bakar spesifik (Sfc)……….46

4.3.5 Efisiensi mekanis………...48

4.3.6 Efisiensi Volumetrik...48

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan...49

5.2 Saran...50

DAFTAR PUSTAKA...51

LAMPIRAN

Lampiran A. Table A-2 Properties of Fuels

Lampiran B. Table A-2 Ideal-Gas Specific Heats of Various Common

Gases

Lampiran C. Table A-2 Ideal-Gas Specific Heats of Various Common

Gases (Continued)

Lampiran D. Spesifikasi Toyota Kijang Innova Mesin Diesel Tipe 2KD-

FTV

Lampiran E. Data Hasil Pengukuran Kondisi Ruang Bakar Toyota Kijang

Innova Mesin Diesel Tipe 2KD-FTV dengan menggunakan

Intelligent Tester II

Lampiran F. Tabel Data Informasi Diagnostik Kijang Innova/2KD-FTV

(12)

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data Spesifikasi Mesin Toyota Kijang Innova Tipe 2KD-FTV...30

Tabel 4.2 Daya Indikator.……….………40

Tabel 4.3 Torsi Mesin………...44

Tabel 4.4 Daya Mesin….………..…...……….45

(13)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Langkah Kerja Motor Diesel ...7

Gambar 2.2. Diagram P–v dan T–s siklus Diesel...9

Gambar 2.3. Diagram P – v dan diagram T – s (Lit. 4 hal. 68)………...…..13

Gambar 2.4. Sistem Diagram Common Rail (Sistem Bahan Bakar)………….….15

Gambar 2.5. Pembentukan Soot Particle ...21

Gambar 3.1. Diagram Alir Pengerjaan Skripsi...26

Gambar 3.2. Motor Diesel Toyota Kijang Innova Tipe 2KD-FTV...28

Gambar 4.1. Grafik Daya Indikator Mesin...40

Gambar 4.2. Kurva Kinerja Motor Diesel Toyota Kijang Innova Tipe 2KD-FTV [Lit.6]……….……41

Gambar 4.3. Grafik Daya Mesin………42

(14)

DAFTAR NOTASI

c

r = rasio kompresi

R = konstanta gas (kJ/kg-K) atau (ft-lbf/lbm-oR) atau (BTU/lbm-oR)

v

c = panas spesifik pada volume konstan (kJ/kg-K) atau (BTU/lbm-oR)

d

V = volume langkah (cc) atau (L) atau (in.3)

c

V = volume sisa (cc) atau (L) atau (in.3)

m

m = massa campuran bahan bakar dan udara (kg) atau (lbm)

a

m = massa udara (kg) atau (lbm)

f

m = massa bahan bakar (kg) atau (lbm)

a

ρ = massa jenis udara (kg/m3) atau (lbm/ft3)

HV

Q = nilai kalor bahan bakar (kJ/kg) atau (BTU/lbm)

c

η = efisiensi pembakaran

mep = tekanan efektif rata-rata (kPa) atau (atm) atau (psi)

Ẃi = daya indikasi (kW) atau (hp)

N = kecepatan mesin (RPM)

n = jumlah putaran dalam satu siklus

Ẃb = daya poros (kW) atau (hp)

sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (gr/kW-h)

th

η = efisiensi thermal

m

η = efisiensi mekanis

v

η = efisiensi volumetrik

nett

W = kerja netto (kJ)

ḿf = laju aliran rata-rata bahan bakar (kg/sec)

(15)

ABSTRAK

Direct Four Stroke Turbo Commonrail Injection yang dikenal dengan

D4D merupakan kemajuan teknologi pada industri otomotif khususnya dalam hal

penyempurnaan performansi mesin. D4D adalah teknologi pengaturan laju

tekanan bahan bakar dari sisi kuantitas dan waktu penyemprotan bahan bakar

secara elektronik.

Kelebihan yang dimiliki oleh mesin D4D adalah dengan penggunaan

sistem commonrail dimana bahan bakar solar akan dihisap oleh pompa bahan

bakar melalui saringan bahan bakar agar dapat menghasilkan kualitas bahan bakar

solar dengan tingkat emisi gas buang yang sangat rendah. Disamping itu dengan

adanya teknologi ini akselerasi dan performa yang dihasilkan sangat optimal

beserta tingkat getaran dan suara mesin yang lebih halus.

Motor Diesel memiliki efisiensi termal dan performansi yang lebih baik

serta dapat menghasilkan energi yang relatif besar. Efisiensi termal yang

merupakan indikasi sesungguhnya dari konversi input termodinamika menjadi

kerja mekanis mencapai 56,94 %. Hal ini membuktikan bahwa mobil ini telah

mempunyai efisiensi yang sudah bagus. Disamping itu untuk putaran 2000 rpm

didapatlah daya sebesar 41,8667 kW. Hasil analisa secara keseluruhan

membuktikan bahwa mobil ini memiliki performa yang baik.

(16)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kebutuhan akan kendaraan pada saat sekarang ini sangatlah tinggi demi

menunjang aktivitas dan kegiatan sehar-hari. Kendaraan diharapkan dapat

membantu perjalanan seseorang ataupun keluarga untuk melaksanakan

kegiatan sehari-hari baik menuju tempat kerja, sekolah ataupun melakukan

perjalanan jarak jauh ke luar kota. Pada sebagian besar orang timbul

keragu-raguan untuk memilih kendaraan apa yang sesuai dengan aktivitas mereka.

Hal inilah yang menjadi bahan pemikiran dan masukan bagi mobil

pabrikan toyota untuk mendesain mobil keluarga yang sesuai dengan

kebutuhan masyarakat. Maka didesainlah mobil keluarga yaitu toyota kijang

innova. Toyota kijang semakin berkembang dari waktu ke waktu hingga

mengalami banyak perbaikan dan disain baru sesuai dengan kemajuan zaman.

Hingga pada saat ini dikeluarkanlah toyota kijang innova sebagai inovasi baru

dari berbagai faktor pertimbangan ilmu pengetahuan dan teknologi

diantaranya disain bentuk yang ergonomis, aerodinamis, tangguh dan irit

bahan bakar. Mobil toyota kijang innova ini terdiri dari dua pilihan mesin

yaitu mesin bensin dan mesin diesel.

Toyota kijang innova dengan masing-masing pilihan mesin ternyata

memiliki kelebihan dan ciri khas masing-masing. Pada seri mesin bensin

Toyota Kijang Innova tipe 1TR-FE, mesinnya menggunakan teknologi

Variable Valve Timing Intelligent atau yang lebih dikenal dengan singkatan

VVT-i yang berfungsi mengatur pola bukaan katup sehingga dapat

memaksimalkan tenaga mesin pada saat tenaga besar dan sebaliknya dengan

pemakaian bahan bakar yang sesuai kondisi. Pada seri mesin diesel Toyota

(17)

D4D atau juga disebut Direct Four Stroke Turbo Commonrail Injection.

Mesin ini menggunakan sistem injeksi Commonrail dimana bahan bakar solar

akan dihisap oleh pompa bahan bakar melalui saringan bahan bakar (fuel

filter) agar dapat menghasilkan kualitas bahan bakar solar dengan tingkat

emisi gas buang yang sangat rendah. Bahan bakar ditekan pada jalur sebelum

injektor Piezo dengan tekanan tinggi sebelum Engine Control Unit (ECU)

memerintahkan untuk diinjeksikan ke dalam ruang bakar. Sistem commonrail

akan mengatur laju tekanan bakan bakar secara elektronik, baik dari sisi

banyaknya maupun waktu penyemprotan bahan bakar. Bahan bakar

disemprotkan melalui injektor berlubang 6 dengan diameter 0.14 mm. Pada

mesin ini terdapat ECU 32 bit yang berfungsi sebagai sensor utama mesin.

Keunggulan mesin ini adalah akselerasi dan performa yang optimal, beserta

tingkat getaran dan suara mesin yang lebih halus yang dapat dihasilkan beserta

dengan tingkatan jumlah emisi gas buang yang lebih rendah.

1.2 Batasan Masalah

Mengingat begitu luasnya cakupan mesin diesel, maka masalah yang akan

dibahas dalam Skripsi ini adalah analisa performansi pada mobil toyota

kijang innova tipe 2KD-FTV mesin diesel yaitu sebagai berikut:

1. Mesin yang digunakan sebagai objek dalam analisa performansi ini

adalah motor diesel empat langkah Toyota Kijang Innova 2KD-FTV

2. Analisa performansi yang dilakukan didahului dengan analisa secara

termodinamika kemudian dilanjutkan dengan analisa untuk

mendapatkan nilai dari parameter-parameter performansi, diantaranya:

a. Daya

b. Torsi

c. Konsumsi bahan bakar spesifik (Specific Fuel Consumption)

d. Emisi

3. Tidak membahas secara detail tentang emisi gas buang hasil proses

(18)

4. Analisa performansi yang dilakukan dibatasi pada beban kerja dan rpm

yang ditentukan.

1.3 Tujuan Akademis

1. Tujuan Umum

Untuk melengkapi persyaratan menyelesaikan akademis di Fakultas

Teknik Program Pendidikan Sarjana Ekstensi Departemen Teknik

Mesin.

2. Tujuan Khusus

Untuk mengetahui performansi dan kinerja mesin diesel yang

berteknologi D4D atau juga disebut Direct Four Stroke Turbo

Commonrail Injection pada seri Toyota Kijang Innova tipe 2KD-FTV.

1.4 Manfaat

1. Untuk menambah khasanah ilmu pengetahuan dan teknologi terkini di

bidang teknik mesin khususnya otomotif pada mobil toyota kijang

innova tipe 2KD-FTV mesin diesel dengan menguraikannya secara

jelas.

2. Untuk mengetahui dan menambah wawasan tentang performansi dan

kinerja mesin diesel pada mobil toyota kijang innova tipe 2KD-FTV

sehingga mengerti dan memahami bagaimana kinerja mesin tersebut.

1.5 Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan skripsi ini akan diuraikan secara singkat

sebagai gambaran isi pada masing-masing bab, yaitu:

1. Bab I Pendahuluan

Pada bab ini akan dibahas mengenai latar belakang dari judul skripsi

disertai dengan hal-hal yang penulis ingin ungkapkan dan dapatkan, kemudian

dilanjutkan dengan batasan masalah yaitu sejauh mana penulis mengerjakan

skripsi ini dan hal-hal apa yang menjadi topik utama dalam skripsi ini.

(19)

mempunyai nilai yang positif. Bagian akhir dari bab ini adalah sistematika

penulisan skripsi yang harus diuraikan satu per satu sebagai gambaran singkat

susunan dan isi skripsi yang ditulis.

2. Bab II Tinjauan Pustaka

Pada bab ini akan dibahas tentang teori-teori yang berhubungan dengan

judul skripsi. Teori-teori yang disajikan berupa pengertian kemudian

dilanjutkan dengan rumus-rumus yang akan dihitung nantinya. Teori-teori

tersebut diambil dari berbagai sumber seperti buku bacaan, brosur-brosur, data

dari tempat survei (survei lapangan) dan internet. Bahan-bahan tersebut akan

digabungkan menjadi sebuah tulisan yang menjadi dasar teori dari judul

skripsi yang memperkuat skripsi tersebut dengan data-data yang ada.

3. Bab III Metodologi Penelitian

Sebuah skripsi yang baik haruslah menggunakan teknik dan cara

ataupun metode yang baik di dalam melakukan penelitian sebagai data

pendukung dalam penyusunan skripsi. Karna skripsi ini adalah analisa, maka

harus dilakukan survei ataupun penelitian. Pada bab ini akan dibahas tentang

cara-cara yang dilakukan untuk mendapatkan data-data pendukung seperti

spesifikasi dan juga disertai dengan teknik dan metode yang digunakan untuk

menyelesaikan skripsi ini dalam bentuk flowchart (diagram alir). Setelah itu,

akan diuraikan satu per satu tentang tahapan-tahapan yang dilakukan dalam

penyusunan skripsi pada flowchart tersebut. Oleh karena itu, dengan membaca

bab ini kita akan mengerti proses penyusunan skripsi ini.

4. Bab IV Analisa Data dan Pembahasan

Pada bab ini akan diuraikan tentang proses perhitungan dari data-data

yang sudah di dapatkan. Perhitungan yang dilakukan berlandaskan teori pada

bab dua dimana rumus-rumus tersebut akan digunakan untuk mendapatkan

data-data hasil yang diinginkan. Proses perhitungan dan pembahasan akan

disajikan secara teratur dan terangkai dengan baik. Hal-hal yang dianggap

sangat penting akan diuraikan dengan menarik baik dengan menggunakan

tabel atau grafik. Dari tabel ataupun grafik tersebut akan tampak secara jelas

(20)

5. Bab V Kesimpulan dan Saran

Bab ini adalah bab yang terakhir yang berisikan intisari ataupun

kesimpulan yang didapatkan dalam proses penyusunan skripsi dan hasil yang

didapatkan. Bab ini akan menguraikan secara singkat hal-hal yang sangat

penting tentang hasil yang diperoleh. Setelah itu, dilanjutkan dengan saran

(21)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian Dasar

Jika meninjau jenis-jenis mesin, pada umumnya adalah suatu pesawat

yang dapat merubah bentuk energi tertentu menjadi kerja mekanik. Misalnya,

mesin listrik yang mana adalah sebuah mesin yang kerja mekaniknya diperoleh

dari sumber listrik. Sedangkan mesin gas atau mesin bensin adalah mesin yang

kerja mekaniknya diperoleh dari sumber pembakaran gas atau bensin.

Selain daripada itu, apabila ditinjau dari cara memperoleh sumber energi

termal, jenis mesin kalor dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu :

1. Mesin pembakaran luar (external combustion engine). Mesin pembakaran luar

adalah mesin dimana proses pembakaran terjadi diluar mesin, energi termal

dari hasil pembakaran dipindahkan ke fluida kerja mesin melalui beberapa

dinding pemisah. Contohnya adalah mesin uap.

2. Mesin pembakaran dalam (internal combustion engine). Mesin pembakaran

dalam adalah mesin dimana proses pembakaran berlangsung di dalam mesin itu

sendiri, sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai

fluida kerja. Mesin pembakaran dalam ini umumnya dikenal dengan sebutan

motor bakar. Contoh dari mesin kalor pembakaran dalam ini adalah, motor

bakar torak dan turbin gas.

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 ke dalam 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 inilah mesin diesel juga

(22)

Motor diesel memiliki perbandingan kompresi sekitar 11:1 hingga 26:1

jauh lebih tinggi dibandingkan motor bakar bensin yang hanya berkisar 6:1 hingga

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.

Sebagai jenis kedua motor bakar torak selain dari pada mesin diesel, motor

bensin yang dikenal dengan mesin otto atau mesin Beau Des Rochas, penyalaan

bahan bakarnya dilakukan oleh percikan bunga api listrik dari antara kedua

elektroda busi. Sehingga mesin bensin dikenal dengan sebutan Spark Ignition

Engine.

Disamping itu, klasifikasi motor bakar berdasarkan siklus langkah

kerjanya, dibedakan atas dua jenis, yaitu:

1. Motor dua langkah (tak). Pengertian dari motor dua langkah adalah motor yang

pada dua langkah piston (satu putaran engkol) sempurna akan menghasilkan

satu tenaga kerja (satu langkah kerja).

2. Motor empat langkah (tak). Pengertian dari motor empat langkah adalah motor

yang pada setiap empat langkah piston (dua putaran sudut engkol) sempurna

menghasilkan satu tenaga kerja (satu langkah kerja).

2.2 Motor Diesel

2.2.1 Sejarah Mesin Diesel

Mesin diesel adalah sejenis mesin pembakaran dalam lebih spesifik lagi

sebuah mesin pemicu kompresi dimana bahan bakar dinyalakan oleh suhu tinggi

gas yang dikompresi dan bukan oleh alat berenergi lain seperti busi.

Mesin ini ditemukan pada tahun 1892 oleh Rudolf Diesel yang menerima paten

pada 23 Februari 1893. Diesel menginginkan sebuah mesin untuk dapat

digunakan dengan berbagai macam bahan bakar termasuk debu batu bara. Dia

mempertunjukkannya pada Exposition Universelle (Pameran Dunia) tahun 1900

dengan menggunakan minyak kacang. Kemudian diperbaiki dan disempurnakan

(23)

Motor Diesel merupakan motor pembakaran dalam (Internal Combustion

Engine), dimana bahan bakarnya disemprotkan kedalam silinder pada waktu torak

hampir mencapai titik mati atas (TMA).

Oleh karena udara di dalam silinder mempunyai temperatur yang tinggi,

maka bahan bakar akan terbakar dengan sendirinya. Motor Diesel umumnya

mempunyai beberapa konstruksi utama diantaranya adalah torak, batang torak,

poros engkol, katup, pompa bahan bakar bertekanan tinggi dan mekanisme

penggerak lainnya.

Daya yang dihasilkan motor diesel diperoleh melalui pembakaran bahan

bakar yang terjadi di dalam silinder. Hal ini menyebabkan gerakan translasi torak

didalam silinder yang dihubungkan dengan poros engkol pada bantalannya

melalui batang penghubung (Connecting Rod).

2.2.2 Prinsip Kerja Motor Bakar Diesel

Ketika gas dikompresi, suhunya meningkat (seperti dinyatakan oleh

Hukum Charles; mesin diesel menggunakan sifat ini untuk menyalakan bahan

bakar. Udara disedot ke dalam silinder mesin diesel dan dikompresi oleh piston

yang merapat, jauh lebih tinggi dari rasio kompresi dari mesin menggunakan busi.

Pada saat piston memukul bagian paling atas, bahan bakar diesel dipompa ke

ruang pembakaran dalam tekanan tinggi, melalui nozzle atomising, dicampur

dengan udara panas yang bertekanan tinggi. Hasil pencampuran ini menyala dan

membakar dengan cepat.

Ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran di atas

mengembang, mendorong piston ke bawah dengan tenaga yang kuat dan

menghasilkan tenaga dalam arah vertikal. Rod penghubung menyalurkan gerakan

ini ke crankshaft yang dipaksa untuk berputar, menghantar tenaga berputar di

ujung pengeluaran crankshaft.

Scavenging yang mendorong muatan-gas yang habis terbakar keluar dari

silinder, dan menarik udara segar kedalam mesin dilaksanakan oleh ports atau

valves. Untuk menyadari kemampuan mesin diesel, penggunaan turbocharger

(24)

untuk mendinginkan udara yang disedot masuk setelah kompresi oleh

turbocharger meningkatkan efisiensi.

Komponen penting dari mesin diesel adalah governor, yang membatasi

kecepatan mesin mengontrol pengantaran bahan bakar. Mesin yang menggunakan

pengontrolan elektronik canggih mencapai ini melalui Electronic Control Modul

(ECM) atau Electronic Control Unit (ECU) yang merupakan komputer dalam

mesin. ECM/ECU menerima kecepatan signal mesin melalui sensor dan

menggunakan algoritma dan mencari tabel kalibrasi yang disimpan dalam

ECM/ECU, dia mengontrol jumlah bahan bakar dan waktu melalui aktuator

elektronik atau hidrolik untuk mengatur kecepatan mesin.

Mesin diesel tidak dapat beroperasi pada saat silinder dingin. Beberapa

mesin menggunakan pemanas elektronik kecil di dalam silinder untuk

memanaskan silinder sebelum penyalaan mesin. Lainnya menggunakan pemanas

resistive grid dalam intake manifold untuk menghangatkan udara masuk sampai

mesin mencapai suhu operasi. Setelah mesin beroperasi pembakaran bahan bakar

dalam silinder dengan efektif memanaskan mesin.

Dalam cuaca yang sangat dingin, bahan bakar diesel mengental dan

meningkatkan viskositas dan membentuk kristal lilin atau gel. Ini dapat

mempersulit pemompa bahan bakar untuk menyalurkan bahan bakar tersebut ke

dalam silinder dalam waktu yang efektif, membuat penyalaan mesin dalam cuaca

dingin menjadi sulit, meskipun peningkatan dalam bahan bakar diesel telah

membuat kesulitan ini menjadi sangat jarang. Cara umum yang dipakai adalah

untuk memanaskan penyaring bahan bakar dan jalur bahan bakar secara

(25)

Gambar 2.1 Proses Kerja Motor Diesel Empat Langkah (Lit. 2 hal. 6)

Maka secara ringkas langkah-langkah kerja pada mesin diesel adalah sebagai

berikut:

1. Langkah Hisap

- Piston bergerak dari TMA ke TMB

- Katup hisap terbuka.

- Katup buang tertutup.

- Terjadi kevakuman dalam silinder, yang menyebabkan udara murni

masuk ke dalam silinder.

2. Langkah Kompresi

- Piston bergerak dari TMB ke TMA.

- Katup hisap tertutup.

- Udara dikompresikan sampai tekanan dan suhunya menjadi 30 kg/cm2

dan 500°C.

3. Langkah Usaha

- Injektor menyemprotkan bahan bakar sehingga terjadi pembakaran yang

(26)

4. Langkah Buang

- Piston bergerak dari TMB ke TMA.

- Katup buang terbuka.

- Piston mendorong gas sisa pembakaran keluar.

2.2.3 Siklus Ideal Diesel

Pada motor bakar mesin diesel, siklus yang berlangsung pada proses

pembakaran adalah siklus diesel. Pada siklus ini tampak secara jelas dan diuraikan

satu per satu proses perpindahan atau aliran yang berlangsung dari satu titik ke

titik yang lain. Dengan memperhatikan gambar dan arah perpindahan maka kita

akan memahami proses yang berlangsung pada grafik ini.

Gambar 2.2 Diagram P – v dan diagram T – s Siklus Ideal Diesel (Lit. 1 hal. 92)

Proses-proses yang terjadi pada siklus tersebut adalah:

a. Proses 6-1. Tekanan konstan udara hisap pada Po.

Katup hisap terbuka dan katup keluar tertutup: Po

Entropy (s) 2

1 1

4

2 3

5 6

Volume spesifik (v)

Tekanan (P) Temperatur (T)

(27)

Keterangan:

b. Proses 1-2. Langkah kompresi isentropik

Semua katup tertutup:

k

R = konstanta gas (kJ/kg.K)

c. Proses 2-3. Tekanan Konstan Panas Masuk (Pembakaran) semua katup tertutup:

(28)

Cut of Ratio :

η = efisiensi pembakaran

m

m = massa campuran gas di dalam silinder (kg)

p

C = panas jenis gas pada tekanan konstan (kJ/kg.K)

3 2−

W = kerja pada titik 2-3 (kJ)

d. Proses 3-4: Langkah Insentropik atau langkah ekspansi:

Semua katup tertutup:

(29)

4

V = volume pada titik 4 (m3)

m

R = konstanta gas (kJ/kg.K)

4 3−

e. Proses 4-5: Rejeksi panas volume konstan (keluaran berhembus kebawah)

Katup keluar terbuka dan katup hisap tertutup.

BDC

v

C = panas jenis gas pada volume konstan (kJ/kg.K)

5 4−

f. Proses 5-6: Tekanan Konstan langkah buang di Po.

Katup buang terbuka dan katup hisap tertutup.

(30)

Effisiensi Thermal Siklus Diesel (Eff. Th):

[ ] [ ]

/ 1 (

[ ] [ ]

/ ) )

(η_t _DIESEL = W_net Q_in = − Q_out Q_in

Sumber: (Lit. 5 hal. 94)

2.2.4. Siklus Dual Cycle

Diagram tekanan-volume (P-v) pada motor pembakaran dalam yang aktual

tidak tergambarkan dengan baik melalui siklus Otto dan siklus Diesel. Siklus yang

dapat digunakan untuk memberikan perkiraan variasi tekanan yang lebih baik

adalah siklus rangkap (dual cycle) seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3. dibawah

ini.

Gambar 2.3 Diagram P – v dan diagram T – s Siklus Dual Cycle (Lit. 4 hal. 68)

Sebagaimana terdapat pada siklus Otto maupun siklus Diesel,

proses-proses yang terjadi pada diagram T-s adalah sebagai berikut:

a. Proses 1-2 adalah kompresi isentropik

b. Proses 2-3 adalah penambahan kalor pada volume konstan

c. Proses 3-4 adalah penambahan kalor pada tekanan konstan

d. Proses 4-5 adalah ekspansi isentropik sebagai tahap akhir langkah kerja [2.22]

1

4

3

2

1 5

4 3

2

5

s = c

v = c

p = c

v = c P

v T

(31)

2.2.5 Konfigurasi Mesin Diesel

Ada dua kelas mesin diesel yaitu dua langkah (stroke) dan empat langkah

(stroke). Banyak mesin diesel besar beroperasi dalam dua langkah. Mesin yang

lebih kecil biasanya menggunakan empat langkah. Biasanya kumpulan silinder

digunakan dalam kelipatan dua, meskipun berapapun jumlah silinder dapat

digunakan selama muatan di crankshaft di tolak-seimbangkan untuk mencegah

getaran yang berlebihan. Inline-6 paling banyak diproduksi dalam mesin

tugas-medium ke tugas-berat, meskipun V8 dan straight-4 juga banyak diproduksi.

2.2.6 Kelebihan dan kekurangan Mesin Diesel

Mesin diesel lebih besar dari mesin bensin dengan tenaga yang sama

karena konstruksi berat diperlukan untuk bertahan dalam pembakaran tekanan

tinggi untuk penyalaan. Dan juga dibuat dengan kualitas sama yang membuat

penggemar mendapatkan peningkatan tenaga yang besar dengan menggunakan

mesin turbocharger melalui modifikasi yang relatif mudah dan murah. Mesin

bensin dengan ukuran sama tidak dapat mengeluarkan tenaga yang sebanding

karena komponen di dalamnya tidak mampu menahan tekanan tinggi, dan

menjadikan mesin diesel kandidat untuk modifikasi mesin dengan hanya

menggunakan ongkos dengan biaya murah.

Kekurangannya hanya terletak suara yang berisik juga pada bobot dan

dimensi yang dua kali lebih berat dan besar dari mesin bensin, dikarenakan

komponen mesin diesel yang di didesain kuat untuk menahan kompresi tinggi,

begitu juga akselerasi yang lemot namun bisa di perbaiki melalui penambahan

turbo atau yang dikenal sebagai supercharger.

Penambahan turbocharger atau supercharger ke mesin meningkatkan

ekonomi bahan bakar dan tenaga. Rasio kompresi yang tinggi membuat mesin

diesel lebih efisien dari mesin menggunakan bensin. Peningkatan ekonomi bahan

(32)

2.2.7 Teknologi Diesel Sistem Common Rail

Sistem Common rail menggunakan bahan bakar bertekanan tinggi yang

dihasilkan oleh supply pump untuk memperbaiki penggunaan bahan bakar yang

ekonomis dan menambah kekuatan (power) mesin, juga mengurangi vibrasi dan

noise mesin. Sistem ini menyimpan bahan bakar, yang telah mempunyai tekanan

yang dihasilkan oleh supply pump, pada common rail. Dengan menyimpan bahan

bakar dengan tekanan tinggi sistem commonrail dapat menyediakan bahan bakar

dengan tekanan bahan bakar yang stabil, tidak terpengaruh oleh cepatnya mesin

atau beban mesin.

ECM menghasilkan arus listrik ke solenoid valve pada injektor,

menggunakan EDU, untuk mengatur waktu dan jumlah injeksi bahan bakar, dan

juga memonitor tekanan bahan bakar di dalam common rail dengan menggunakan

fuel pressure sensor. ECM memerintahkan supply pump untuk menyuplai bahan

bakar di dalam common rail dengan menggunakan fuel pressure sensor. ECM

memerintahkan supply pump untuk menyuplai bahan bakar yang dibutuhkan

untuk memperoleh target tekanan bahan bakar, kira-kira 20 sampai 135 MPa (204

sampai 1,337 kgf/cm2, 2,901 sampai 19,581 psi).

Sebagai tambahan, sistem ini menggunakan 2-Way Valve (TWV) di dalam

injektor untuk membuka dan menutup saluran bahan bakar. Walau demikian,

waktu dan volume injeksi bahan bakar dapat di atur secara presisi oleh ECM.

Sistem common rail menghasilkan dua injeksi bahan bakar yang terpisah. Untuk

memperlembut kejutan pembakaran, sistem ini melakukan pilot-injection sebagai

bagian injeksi bahan bakar lebih dulu ke injeksi bahan bakar utama. Hal ini dapat

(33)

Gambar 2.4 Sistem Diagram Common Rail (Sistem Bahan Bakar)

(Lit. 6 hal. 168)

2.2.8 Perbedaan Diesel Common Rail dengan Diesel Konvensional

Perbedaan antara mesin diesel modern, common rail dengan konvensional

adalah cara memasok bahan bakarnya. Terutama, komponen yang berada antara

pompa injeksi dan injector. Ada dua komponen utama di sini, yaitu pompa injeksi

atau mekanik awam menyebutnya Bosch pump dan injector.

Cara kerja common rail layaknya seperti konsep hidup bersama. Dalam

hal ini, semua injector yang bertugas memasok solar langsung ke dalam mesin,

menggunakan satu wadah atau rel yang sama dari pompa injector. Caranya sama

dengan yang digunakan pada sistem injeksi bensin. Sedangkan mesin diesel

konvensional, setiap injector memiliki pasokan solar sendiri-sendiri langsung dari

pompa injeksi.

Tekanan bahan bakar dalam rel sangat tinggi. Sekarang, yaitu common rail

generasi ke-3, tekananya sudah mencapai 1800 bar. Kalau dikonversi ke PSI yang

masih digunakan sekarang menjadi 26.100 PSI. Bandingkan dengan tekanan ban

30 PSI. Atau tabung elpiji 25 bar dan CNG 200 bar. Dengan tekanan setinggi

tersebut, pengabutan yang dihasilkan tentu saja semakin bagus. Hasil pembakaran

menjadi lebih sempurna dan kerja mesin makin efisien. Sehingga mesin Diesel

(34)

Captiva VCDI lebih terlihat minim asap hitam ketimbang mesin Diesel jaman

dahulu.

Sesuai dengan perkembangan mesin diesel, para ahli mengembangkan

sistem yang paling mutakhir pada mesin diesel yakni yang dikenal dengan CRDI

(Common Rail Direct Injection) teknologi ini telah digunakan oleh Chevrolet

Captiva Diesel CRDI/VCDI dengan kapasitas mesin 2000cc 16 katup segaris

memuntahkan tenaga 150 Daya Kuda pada kitiran 4000 Rpm dengan torsi max

320 Nm pada putaran 2000 Rpm kemudian diikuti pada saat ini oleh kijang

innova denga 16 katup, segaris 4 silinder yang akan menghasilkan tenaga besar

namun efisien.

2.3 Parameter Performansi/Unjuk Kerja Mesin Diesel 2.3.1 Tekanan efektif rata-rata (mep)

Selama siklus berlangsung, temperatur dan tekanannya selalu

berubah-ubah. Oleh karena itu sebaiknya dicari harga tekanan tertentu (konstan) yang

apabila mendorong torak sepanjang langkahnya dapat menghasilkan kerja

persiklus yang sama dengan siklus yang dianalisis. Tekanan tersebut dinamai

tekanan efektif rata-rata (mep), yang diformulasikan sebagai:

Vd Wnett

mep= [2.23]

dimana:

mep = tekanan efektif rata-rata (kPa)

Vd = volume langkah torak (m3)

Wnett = kerja netto (kJ) 2.3.2 Daya Indikator ( Ẃi )

Merupakan daya yang dihasilkan dalam silinder motor sehingga

merupakan basis perhitungan atau penentuan efisiensi pembakaran atau besarnya

(35)

Ẃi =

n WnettxN

[2.24]

dimana:

Ẃi = daya indikasi (kW)

N = putaran mesin (putaran/detik)

n = jumlah putaran dalam satu siklus, untuk empat tak n = 2

(putaran/siklus)

nett

W = kerja netto (kJ)

2.3.3 Torsi dan Daya

Daya yang dihasilkan suatu mesin pada poros keluarannya disebut sebagai

daya poros (atau biasa dikenal dengan brake power) yang dihitung

berdasarkan rumusan:

Ẃb=2π×N×τ [2.25] Sumber: (Lit. 5 hal. 51)

dimana:

Ẃb = daya poros (kW)

τ = torsi (Nm)

π = 3,14

Seperti yang telah diketahui, dari sejumlah gaya yang dihasilkan

mesin, maka sebagian darinya dipakai untuk mengatasi gesekan/friksi

antara bagian-bagian mesin yang bergerak, sebagian lagi dipakai untuk

mengisap udara dan bahan bakar serta mengeluarkannya dalam bentuk gas

buang.

2.3.4 Konsumsi bahan bakar (Sfc)

Konsumsi bahan bakar (Sfc) didefenisikan sebagai jumlah bahan bakar

yang dikonsumsi persatuan unit daya yang dihasilkan perjam operasi.

Secara tidak langsung konsumsi bahan bakar spesifik merupakan indikasi

(36)

Sfc = ḿf / Ẃb [2.26] Sumber: (Lit. 5 hal.56)

dimana:

ḿf

n

nder jumlahsili N

mf × × =

dimana:

sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (gr/kwh)

ḿf = laju aliran rata-rata bahan bakar (kg/detik)

mf = massa bahan bakar (kg)

ma = massa udara (kg)

2.3.5 Emisi Gas Buang Pada Motor Diesel

Pada prakteknya pembakaran dalam motor tidak pernah terjadi dengan

sempurna meskipun sudah dilengkapi dengan kontrol yang canggih. Pada motor

diesel, besarnya emisi bentuk opasitas (ketebalan asap) tergantung banyaknya

jumlah bahan bakar yang disemprotkan dalam silinder, karena pada motor diesel

yang dikompresikan adalah udara murni. Dengan kata lain semakin kaya

campuran maka semakin besar konsentrasi NOx, CO dan asap (smoke).

Sementara itu semakin kurus campuran konsentrasi NOx, CO dan asap juga

semakin kecil.

2.3.5.1 Pembentukan Karbon Monoksida (CO)

Pada proses pembakaran, bila karbon di dalam bahan bakar terbakar

dengan sempurna akan menghasilkan CO2 (karbon dioksida). Tetapi jika unsur

oksigen (udara) tidak cukup maka yang terjadi adalah pembakaran tidak

sempurna, sehingga karbon di dalam bahan bakar terbakar dalam suatu proses

sebagai berikut :

(37)

bakar (Air-Fuel Ratio). Jadi untuk mengurangi CO perbandingan campuran ini

harus dibuat kurus (excess air).

Namun akibat lain HC dan NOx lebih mudah timbul dan output motor

menjadi berkurang. Emisi karbon monoksida tidak beraroma dan tidak berwarna,

namun sangat beracun. Pengaruh buruk pada motor apabila CO berlebihan adalah

pembentukan deposit karbon yang berlebihan katup, ruang bakar, kepala piston,

dan busi (untuk motor bensin). Deposit yang ditimbulkan tersebut secara alami

mengakibatkan fenomena Self-Ignition (dieseling) dan mempercepat kerusakan

mesin. Emisi CO berlebihan banyak disebabkan oleh faktor kesalahan

pencampuran udara dan bahan bakar yang masuk ke dalam motor.

2.3.5.2 Pembentukan Hidrokarbon (HC)

Pada proses pembakaran, gas buang hidrokarbon yang dihasilkan

dibedakan menjadi dua kelompok yaitu bahan bakar yang tidak terbakar dan

keluar menjadi gas mentah, atau bahan bakar terpecah karena reaksi panas yang

berubah menjadi gugus HC lain dan keluar bersama gas buang. Ada beberapa

penyebab utama timbulnya hidrokarbon (HC) diantaranya adalah sebagai berikut :

• Dinding-dinding ruang bakar yang bertemperatur rendah mengakibatkan

hidrokarbon (HC) di sekitar dinding tidak terbakar.

• Terjadi misfiring (gagal pengapian) ini bisa terjadi pada saat motor diakselerasi

ataupun deselerasi.

• Adanya overlap intake valve (kedua valve bersama-sama terbuka) sehingga HC

berfungsi sebagai gas pembilas/pembersih.

• Ignition delay yang panjang merupakan faktor yang mendorong terjadinya

peningkatan emisi HC.

Selain mengganggu kesehatan, emisi HC yang berlebihan juga

menyebabkan fenomena photochemical smog (kabut). Karena HC merupakan

sebagian bahan bakar yang tidak terbakar, makin tinggi emisi HC berarti tenaga

(38)

2.3.5.3 Pembentukan Nitrogen Oksida (NOx)

Nitrogen oksida dihasilkan akibat adanya N2 (nitrogen) dalam campuran

udara dan bahan bakar serta suhu pembakaran yang tinggi, sehingga terjadi

pembentukan NOx. Biasanya timbul ketika mesin bekerja pada beban yang berat.

Bila terdapat N2 dan O2 pada temperatur 1800 - 2000˚ C akan terjadi reaksi

pembentukan gas NO seperti di bawah ini : N2 + O2→ 2 NO Selanjutnya gas NO

bereaksi lebih lanjut di udara menjadi NO2. Temperatur pembakaran yang

melebihi 2000˚C dalam ruang bakar mengakibatkan gas NOx. Sementara itu gas

buang terdiri dari 95% NO, 3-4% NO2, sisanya N2O dan N2O3. Substansi NOx

tidak beraroma, namun terasa pedih di mata. Faktor-faktor utama yang

mempengaruhi konsentrasi NOx selama pembakaran diantaranya maksimum

temperatur yang dapat dicapai dalam ruang bakar, dan perbandingan udara -

bahan bakar (AFR). Sehingga solusi untuk mengurangi kandungan NOx dalam

gas buang yaitu dengan mengupayakan temperatur ruang bakar tidak mencapai

1800˚ C atau dengan mengusahakan sesingkat mungkin mencapai temperatur

maksimum. Cara lain yaitu dengan mengurangi konsentrasi O2.

2.3.5.4 Pembentukan Partikulat (Particulate Matter)

Partikulat dihasilkan oleh adanya residu bahan bakar yang terbakar dalam

ruang bakar, dan keluar melalui pipa gas buang. Partikel-partikel seperti jelaga,

asap dan debu secara umum terbagi menjadi dua bagian yaitu partikel-partikel

yang merupakan emisi langsung biasanya disebut partikel utama (primary

particles) dan partikel-partikel hasil transformasi gas lain atau disebut partikel

sekunder (secondary particles). Ukuran partikel bervariasi, dengan ukuran besar cenderung berasal dari faktor geologi, seperti debu dan pasir yang ditiup angin.

Sedangkan yang berukuran kecil terutama dari sumber-sumber pembakaran dan

perubahan dari gas-gas emisi yang lain, seperti sulfur dioksida menjadi sulfat dan

nitrogen oksida menjadi nitrat. Dari sini jelas bahwa emisi gas buang merupakan

unsur yang berbahaya. Sebagian besar partikulat mengandung unsur karbon dan

kotoran lain berbentuk butiran atau partikel dengan ukuran ± 0,01 – 10 μm. Gas

(39)

tak terbakar. Gas buang yang berbentuk cair akan meresap ke dalam fase padat.

Buangan ini disebut partikel. Partikel-partikel tersebut berukuran mulai dari 100

mikron hingga kurang dari 0,01 mikron. Partikulat yang berukuran kurang dari 10

mikron memberikan dampak terhadap visibilitas udara karena partikulat tersebut akan

memudarkan cahaya. Pembentukan partikel tersebut dapat dilihat pada gambar 2.4

dibawah.

Diesel fuel molecules

Air molecules

Incomplete combustion

Precursor molecules

Nucleation

Soot Nuclei

Coalescent Coagulation Surface growth Spherule

Chain forming coagulation Surface growth

Soot Particle

Gambar 2.5 Pembentukan Soot Particle

(Lit. 2 hal.15)

Berdasarkan ukurannya partikel dikelompokkan menjadi tiga yaitu :

a. 0,01 – 110 μm disebut partikel smoke/kabut/asap

b. 10 – 50 μm disebut dust/debu

c. 50 – 100 μm disebut ash/abu

Penyebab terjadinya partikulat antara lain tekanan injeksi yang terlalu rendah dan

saat pengapian yang kurang tepat.

“Particles” “Molecules”

(40)

2.3.5.5 Pembentukan Emisi Asap (Smoke)

Emisi asap (smoke) merupakan polutan utama pada mesin diesel.

Pembentukan smoke pada mesin diesel terjadi karena kekurangan oksigen, hal itu

terjadi pada inti (core) spray yang mempunyai λ ≤ 0,8. Dalam proses pembakaran

berlangsung ketika bahan bakar yang disemprotkan ke dalam silinder yang

berbentuk butir-butir cairan yang halus saat keadaan di dalam silinder tersebut

sudah bertemperatur dan bertekanan tinggi sehingga butir-butir tersebut akan

menguap. Namun jika butir-butir bahan bakar yang terjadi karena penyemrotan itu

terlalu besar atau apabila beberapa butir terkumpul menjadi satu, maka akan

terjadi dekomposisi. Dekomposisi itu akan menyebabkan terbentuknya

karbon-karbon padat (angus). Hal ini disebabkan karena pemanasan udara yang

bertemperatur tinggi, tetapi penguapan dan pencampuran dengan udara yang ada

di dalam silinder tidak dapat berlangsung sempurna. Terutama pada saat-saat

dimana terlalu banyak bahan bakar yang disemprotkan, yaitu pada waktu daya

mesin akan diperbesar. Misalnya untuk akselerasi maka angus akan terjadi. Jika

angus yang terjadi itu terlalu banyak, gas buang yang keluar dari mesin akan

berwarna hitam dan mengotori udara serta mengganggu pemandangan.

2.3.6 Efisiensi mekanis

Besarnya kerugian daya diperhitungkan dalam efisiensi mekanis yang

dirumuskan sebagai berikut:

ηm = Ẃb / Ẃi [2.27]

Sumber: (Lit. 5 hal.47)

dimana:

ηm = efisiensi mekanis

(41)

2.3.7 Efisiensi volumetrik

Efisiensi ini didefinisikan sebagai perbandingan antara massa udara yang

masuk karena dihisap torak pada langkah hisap dan massa udara pada

tekanan dan temperatur atmosfir yang dapat dihisap masuk kedalam

volume satuan yang sama.

) /( _a _d

a

v =m ρ ×V

η [2.28]

dimana:

v

η = efisiensi volumetrik

a

ρ = massa jenis udara (kg/m3) ma = massa udara (kg)

(42)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Waktu dan Tempat

Survei dan pengumpulan data dilakukan di Auto 2000 Jl.

Sisingamangaraja No.8 Medan pada bulan juli dan agustus 2011.

3.2 Bahan dan Alat 3.2.1 Bahan

Bahan yang menjadi objek pengujian pada penelitian ini adalah ruang

bakar atau mesin diesel pada mobil toyota kijang innova tipe 2KD-FTV dimana

pada saat adanya pelanggan yang sedang memperbaiki mobilnya tersebut, maka

bersama-sama dengan pihak auto 2000 melakukan pengujian akan performa

mesin tersebut dan kemudian dicatat dan diolah datanya sehingga dapat

disimpulkan apakah kondisi dari mobil tersebut masih bagus atau tidak.

Adapun spesifikasi mesin dari motor diesel pada mobil toyota kijang

innova tipe 2KD-FTV (sumber: toyota kijang innova leaflet) adalah sebagai

berikut:

Jumlah silinder dan susunan : 4-silinder, segaris

Mekanisme katup : 16-valve DOHC,Belt & Gear Drive

Ruang Bakar : Tipe Injeksi Langsung

Manifold : Aliran-melintang

Sistem Bahan Bakar : Tipe Common-rail

Kapasitas (Volume Silinder) : 2494 cm3 Diameter x Langkah : 92.0 x 93.8 mm

Rasio Kompresi : 18.5 : 1

Output Maksimum : 75 kW @ 3600 rpm

(43)

3.2.2 Alat

Alat-alat yang digunakan pada pengujian tersebut diantaranya adalah

sebagai berikut:

1. Alat bantu perbengkelan seperti kunci pas, kunci inggris, tang, kunci ring,

kunci L, obeng, palu dan sebagainya.

2. Intelligent Tester II, yaitu alat yang digunakan untuk mengetahui berbagai

informasi penting pada saat mesin dinyalakan seperti tekanan, suhu dalam

ruang bakar, tekanan dalam ruang bakar, putaran mesin dan masih banyak

parameter-parameter lainnya yang dihubungkan secara langsung ke soket

yang tersedia pada mobil sehingga nilai dari masing-masing parameter

akan muncul dengan lengkap.

Adapun tahapan-tahapan yang dilakukan untuk mendapatkan harga-harga

ataupun nilai dari sejumlah parameter yang dicari dengan menggunakan

alat Intelligent Tester II adalah:

a. Panaskan mesin

b. Putar kunci kontak ke OFF

c. Hubungkan intelligent tester II ke DLC3

d. Putar kunci kontak ke ON

e. Hidupkan intelligent tester II

f. Masuk ke menu-menu berikut: Powertrain/Engine/Data List

g. Baca Data List

3.3Variabel Riset

Dalam analisa performansi ini, variabel yang digunakan adalah nilai dari

temperatur, tekanan pada ruang bakar, dan perbandingan massa bahan bakar yang

diperoleh dari hasil perhitungan dalam siklus kerja motor diesel Kijang Innova

(44)

3.4 Prosedur Analisa

Dalam pengerjaan analisa performansi ini, penulis membuat diagram alir

untuk dapat mempermudah pengerjaan secara sistematis. Berikut pada Gambar

3.1 dapat dilihat diagram alir yang digunakan dalam analisa performansi ini.

Gambar 3.1 Diagram Alir Pengerjaan Skripsi Mulai

Studi Literatur

Pencarian dan Pengumpulan Data 1. Buku

2. Jurnal 3. Paper 4. Internet

Data Engine (spesifikasi)

Proses Perhitungan

Parameter performansi:

- Analisa termodinamika - Tekanan efektif rata-rata - Daya indikator

- Torsi dan Daya - Sfc

- Efisiensi (mekanis, volumetrik)

Selesai Kesimpulan dan

(45)

3.4.1 Keterangan Diagram Alir 3.4.1.1 Mulai

Pada tahap ini proses pengerjaan akan mulai dilaksanakan, dan

bahan-bahan yang dibutuhkan untuk pengerjaan skripsi akan dikumpulkan untuk

dikerjakan.

3.4.1.2 Studi Literatur

Studi literatur dilakukan dengan pengumpulan referensi-referensi

mengenai materi yang berhubungan dengan proses pembakaran motor diesel

Toyota kijang Innova 2KD-FTV. Literatur-literatur tersebut didapatkan dari:

1. Buku referensi

 Motor Bakar

 Termodinamika Teknik

2. Internet

 Combustion analysis on a DI (Direct Injection) diesel engine.

 Motor diesel 4 langkah

3. Artikel dan paper-paper

 Leaflet toyota kijang innova mesin diesel

 Proses pembakaran dalam ruang bakar motor diesel

3.4.1.3Pencarian danPengumpulan Data

Pada tahap ini dilakukan pencarian dan pengumpulan data spesifikasi

mesin motor diesel Toyota Kijang Innova tipe 2KD-FTV yang akan digunakan

sebagai data awal dalam melakukan proses perhitungan.

Berikut, pada Gambar 3.2 dapat dilihat motor diesel Toyota Kijang Innova

(46)

Gambar 3.2 Motor Diesel Toyota Kijang Innova tipe 2KD-FTV

3.4.1.4 Proses Perhitungan

Pada tahap ini dilakukan perhitungan dengan sedemikian rupa dengan

menggunakan data awal kedalam formula atau rumus kemudian diolah dan

dihitung sehingga akan mendapatkan hasil yang kita inginkan.

3.4.1.5 Kesimpulan Dan Saran

Tahap ini merupakan pengambilan kesimpulan dari proses perhitungan

dan hasil yang telah dilakukan. Kesimpulan berisi jawaban dari hasil perhitungan

dan analisa dari tujuan analisa seperti yang tertulis pada BAB I. Pada akhir bagian

ini juga terdapat saran penulis tentang analisa hasil perhitungan ini, sehingga

tulisan ini dapat lebih bermanfaat bagi setiap kalangan.

3.4.1.6 Selesai

Tahap pengerjaan skripsi selesai dilaksanakan dengan hasil-hasil yang

didapatkan sesuai dengan perencanaan dan tujuan pengerjaan skripsi dan kiranya

(47)

BAB IV

ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Awal

Didalam melakukan analisa data dan pembahasan, maka hal yang paling

penting untuk dipersiapkan adalah data-data utama yang akan diolah untuk

mendapatkan data-data ataupun informasi lain yang dibutuhkan. Data-data

tersebut diantaranya adalah:

1. Dimensi ruang bakar (silinder)

2. Tekanan dan temperatur pada langkah awal siklus kerja

Data-data ini didapatkan dari pengembangan data awal dari spesifikasi

motor diesel Toyota Kijang Innova 2KD-FTV dengan melakukan perhitungan

manual.

4.1.1 Dimensi Silinder

Ruang bakar atau silinder merupakan tempat terjadinya proses

pembakaran, sehingga dimensi ruang bakar diperlukan sebagai masukan data

untuk melakukan perhitungan manual sehingga hal-hal yang kita cari dapat kita

peroleh berdasarkan perhitungan. Oleh karena itu, untuk data awal didapat dari

spesifikasi motor diesel Toyota Kijang Innova Tipe 2KD-FTV, yang dapat dilihat

pada Tabel 4.1 berikut ini.

Tabel 4.1 Data Spesifikasi Mesin Toyota Kijang Innova Tipe 2KD-FTV

Tipe mesin 2KD-FTV

Jumlah silinder &

susunan

4-silinder, segaris

Mekanisme katup 16-valve DOHC, Belt & GearDrive

Ruang bakar Tipe Injeksi Langsung

Kapasitas (cm3) 2494

Sistem bahan bakar Tipe Common Rail

(48)

x Langkah (mm)

Rasio kompresi 18.5 : 1

Output maksimum 75 kW @ 3600 rpm

Momen maksimum 200 N.m @ 4000 rpm

Dimensi

Katup (mm)

Diameter

Katup masuk (Intake) 36

Katup buang (Exhaust) 29

Panjang 100

Penjang Connecting

Rod (mm) 167

Angka Cetane

Bahan Bakar

48 atau lebih tinggi

Valve timing

Intake Buka 2o BTDC

Tertutup 31o ABDC

Exhaust Buka 30o BBDC

Tertutup 0o ATDC

Sumber: Toyota Kijang Innova Leaflet dan Lit.6

4.2 Analisa Termodinamika

Proses 6-1 : Langkah hisap, tekanan konstan, katup hisap terbuka dan katup keluar tertutup. Udara dianggap sebagai gas ideal. Udara dihisap masuk ke

silinder dengan tekanan 100 kPa pada temperatur 27oC atau 300 K, maka : P0 = 100 kPa

T1 = 300 K

rc = 18,5

B = 9,2 cm

S = 9,38 cm

R = 0,287 kJ/kg-K

(49)

Merupakan volume dari langkah torak dari titik mati bawah (TMB) ke titik

mati atas (TMA). Kapasitas 4 silinder adalah 2494 cc, maka volume langkah

untuk satu silinder adalah:

4 2494

=

Vd

Vd = 623,5 cc = 6,235 x 10-4 m3

Volume sisa:

Merupakan volume minimum silinder pada saat torak berada di titik mati

atas (TMA). Dengan rasio kompresi sebesar 18,5:1 dan volume langkah sebesar

6,235 x 10-4 m3 maka besarnya volume sisa adalah:

c c d c

V V V

r = +

c

V

V m

x +

= 6,235 10−4 3

5 , 18

Vc = 3,562 x 10-5m3

Volume pada titik 1:

Merupakan hasil penjumlahan volume langkah (Vd) dengan volume sisa

(Vc).

c d V

V

V₁ = +

V1 = 6,235 x 10-4 m3 + 3,562 x 10-5m3

= 6,5912 x 10-4 m3

Massa campuran bahan bakar dan udara :

(50)

kg

Massa udara pembakaran (ma) dan massa bahan bakar (mf):

Untuk menentukan massa bahan bakar yang diinjeksikan pada satu siklus

dapat diperoleh dari persamaan Air Fuel Ratio (AF) dibawah ini.

AF =

Berdasarkan data bahan bakar isooctane pada tabel A-2 Properties Of

Fuels pada lampiran I, Air Fuel Ratio (AF) = 15,0. Dimana ma + mf = mm =

7,655 x 10-4 kg. Maka, massa bahan bakar yang diinjeksikan (mf) setiap satu

siklus adalah:

kg

Maka, massa udara (ma) yang masuk dalam silinder adalah:

= mm – mf

= 7,655x10-4kg – 4,784375x10-4kg = 2,870x10-4 kg

Densitas udara (ρ_a):

Tekanan dan temperatur udara sekitar mesin dapat digunakan

untuk mencari densitas udara dengan persamaan matematika sebagai

berikut:

(51)

)

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

Tekanan pada titik 2 :

Campuran bahan bakar dan udara yang berada di dalam silinder ditekan

dan dimampatkan oleh torak yang bergerak ke titik mati atas (TMA). Akibatnya,

tekanan dalam silinder naik menjadi P2. Nilai dari P2 dapat kita hitung sesuai

dengan persamaan [2.3] yaitu:

k

Temperatur pada titik 2 :

Campuran bahan bakar dan udara yang dimampatkan oleh torak yang

bergerak ke titik mati atas (TMA) juga mengakibatkan suhu dalam silinder naik

menjadi T2. Nilai dari T2 dapat kita kita hitung sesuai dengan persamaan [2.2]

yaitu:

Nilai dari V2 dapat kita hitung sesuai dengan persamaan [2.4] yaitu:

(52)

Adapun cara lain yang dapat digunakan untuk mendapatkan nilai V2 adalah:

c

Kerja yang diserap selama langkah kompresi isentropik untuk satu silinder

dalam satu siklus dapat kita hitung sesuai dengan persamaan [2.6] sebagai berikut:

k

Proses 2-3:Penambahan kalor pada tekanan konstan.

Kalor masuk:

QHV merupakan nilai kalor panas dari bahan bakar. Berdasarkan Tabel

A-2 pada Lampiran 1, nilai kalor panas dari cetane adalah 43.980 kJ/kg dan

diasumsikan terjadi pembakaran sempurna (η_c =1). Maka, kalor masuk pada

kondisi tekanan konstan dapat kita hitung sesuai dengan persamaan [2.7] adalah

(53)

Volume pada titik 3 dapat kita peroleh dengan menggunakan rumus

berikut ini ( Lit.1 hal 101):

Temperatur pada titik 3:

Sesuai dengan persamaan matematika [2.7] dimana Qin =mmCp(T3 −T2)maka

nilai T3 dapat kita hitung sebagai berikut:

p

Sesuai dengan Gambar 2.2 (Diagram p-v) jelas terlihat bahwa tidak ada

perubahan tekanan mulai titik 2 hingga titik 3 (ekivalen), walaupun terjadi

peningkatan temperatur.

Maka P2 = P3 = Pmaks = 5943,4747 kPa.

Sesuai dengan persamaan [2.10] maka kerja yang terjadi pada titik 2-3

dapat kita hitung sebagai berikut:

(54)

Proses 3-4: Langkah isentropik

Volume pada titik 4:

Berdasarkan diagram p-v siklus diesel pada Bab II sebelumnya terlihat

jelas bahwa: V₄ =V₁ =6,5912×10−4m3

Temperatur pada titik 4:

Setelah torak mencapai titik mati bawah (TMB) sejumlah kalor

dikeluarkan dari dalam silinder sehingga temperatur fluida kerja akan turun

menjadi T4. Nilai dari T4 dapat kita hitung dengan persamaan [2.14] berikut ini:

1

Tekanan pada titik 4 di dalam silinder akan mengalami penurunan setelah

titik 3. Nilai dari P4 dapat kita hitung sesuai dengan persamaan [2.15] di bawah

(55)

Untuk kerja yang dihasilkan selama langkah ekspansi (W₃₋₄) dapat

ditentukan berdasarkan persamaan [2.16] berikut ini:

(

)

Titik 5 merupakan proses langkah buang atau disebut juga proses exhaust

blowdown dimana katup keluar terbuka dan katup hisap tertutup. Sesuai dengan

persamaan [2.17] maka volume pada titik 5 (V5) sama dengan volume pada titik 4

( =V₄ =V₁ =V_BDC =6,5912×10−4m3).

Sedangkan temperatur pada titik 5 (T5) sama dengan temperatur pada titik

1 (T1), ini dibuktikan dari persamaan [2.19] berikut ini:

(56)

Titik 6 merupakan proses langkah buang pada tekanan konstan ( ).

Untuk kerja yang dihasilkan pada proses 5- 6 (W₅₋₆) dapat dihitung berdasarkan

persamaan [2.21] berikut ini:

(

₆ ₅

)

₀

(

₆ ₁

)

W nett (Kerja satu siklus):

Kerja yang dihasilkan dalam satu siklus kerja dapat dihitung berdasarkan

persamaan dibawah ini:

)

Sehingga, kerja yang dihasilkan dalam satu siklus kerja dari motor bensin

Kijang Innova 2KD-FTV adalah 1,1982 kJ

Untuk effisiensi termal dari satu siklus kerja dari motor bensin Kijang

Innova 2KD-FTV dapat dihitung berdasarkan persamaan [2.22] dibawah ini:

in

(57)

2KD-4.3.1 Tekanan efektif rata-rata

Didefenisikan sebagai suatu tekanan yang dibayangkan bekerja pada

permukaan piston pada langkah kerja, sesuai dengan persamaan [2.23] yaitu:

d

v Wnett

mep=

Dengan nilai Wnett =1,1982kJ dan besarnya volume langkah

)

4.3.2 Daya indikator

Daya indikator adalah daya yang dihasilkan dalam silinder motor sehingga

merupakan basis perhitungan atau penentuan efisiensi pembakaran atau besarnya

laju panas akibat pembakaran di dalam silinder. Besarnya nilai daya indikator

(Ẃi) pada putaran 2000 rpm dapat dirumuskan sesuai dengan persamaan [2.24]

yaitu:

Berikut ini akan ditampilkan tabel dan grafik daya indikator hasil perhitungan.

(58)

Putaran Mesin (rpm) Daya Mesin (kW)

1000 9.985

1500 14.9775

2000 19.97

2500 24.9625

3000 29.955

3500 34.9475

4000 39.94

4500 44.9325

5000 49.925

Gambar 4.1 Grafik Daya Indikator Mesin

Keterangan:

Sesuai dengan Gambar 4.1 diatas dapat kita perhatikan bahwa seiring

dengan bertambahnya putaran mesin, otomatis akan meningkatkan daya indikator.

Hal ini secara terus menerus akan meningkat seiring dengan putaran mesin yang

(59)

Torsi yang dihasilkan dari sebuah mesin dapat diukur dengan

menggunakan dynamometre 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 disebut sebagai

daya rem (brake power) dan dapat dihitung sesuai dengan persamaan [2.25] yaitu:

Ẃb =

kW Nm

Nm

8667 , 41

det / 7 , 41866

200 60

2000 2

= =

× ×

×

= π

Dari data spesifikasi motor diesel Toyota Kijang Innova tipe 2KD-FTV,

didapatkan data-data sebagai berikut :

Output maksimum (N) : 75 kw @ 3600 rpm

Momen maksimum (T) : 200 N.m @ 1400 - 3400 rpm

Artinya adalah, torsi atau momen maksimum dicapai pada rentang putaran

mesin 1400 rpm sampai dengan 3400 rpm sebesar 200 Nm. Maka, dengan

demikian untuk putaran 2000 rpm didapatlah torsi atau momen sebesar 200 Nm.

Untuk lebih jelasnya, dapat kita lihat dalam Gambar 4.2 berikut ini.

Tabel 4.3 Torsi Mesin Putaran mesin Torsi

(rpm) (Nm)

1200 196

1400 200

1600 200

1800 200

2000 200

2200 200

2400 200

2600 200

2800 200

3000 200

3200 200

(60)

Untuk data hasil perhitungan daya mesin dapat dilihat pada tabel 4.4 di

bawah ini.

Tabel 4.4 Daya Mesin Putaran Mesin Daya Mesin

(rpm) (kW)

1200 24,6176 1400 29,3067 1600 33,4933 1800 37,6800 2000 41,8667 2200 46,0533 2400 50,2400 2600 54,4267 2800 58,6133 3000 62,8000 3200 66,9867 3400 70,7819

(61)

Grafik Daya Mesin vs Rpm

0,0000 10,0000 20,0000 30,0000 40,0000 50,0000 60,0000 70,0000 80,0000

Daya Mesin (kW)

P

Gambar 4.3 Grafik Daya Mesin

Keterangan:

Sesuai dengan Gambar 4.3 diatas dapat kita simpulkan bahwa putaran

mesin yang meningkat akan membuat daya mesin semakin bertambah. Hal ini

adalah hal yang wajar dimana ketika sebuah mesin mempercepat laju kendaraan

maka otomatis daya yang dibutuhkan akan semakin bertambah.

4.3.4 Konsumsi bahan bakar spesifik (Sfc)