Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk

(1)

Ardi Kusmawadi : Kajian Studi Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler Terhadap Performansi Motor Bakar Diesel 130 Ps Penggerak Kendaraan Truk, 2008.

TUGAS SARJANA

MOTOR BAKAR

KAJIAN STUDI PENGARUH PENGGUNAAN

TURBOCARJER DENGAN INTERKULER

TERHADAP PERFORMANSI MOTOR BAKAR

DIESEL 130 PS PENGGERAK KENDARAAN TRUK

OLEH :

ARDI KUSMAWADI

NIM : 040401023

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Allah SWT, karena atas rahmat dan karuniaNya

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 Departemen Teknik

Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Penulis dalam Tugas Sarjana ini mengambil judul ” KAJIAN STUDI

PENGARUH PENGGUNAAN TURBOCARJER DENGAN INTERKULER

TERHADAP PERFORMANSI MOTOR BAKAR DIESEL130 PS;

PENGGERAK KENDARAAN TRUK”.Dalam penulisan ini, dari awal sampai

akhir penulis mencoba semaksimal mungkin guna tersusunnya Tugas Sarjana ini.

Namun penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan – kekurangan baik

dalam penulisan maupun dalam penyajian Tugas Sarjana ini yang disebabkan

faktor pengetahuan dan pengalaman penulis. Untuk itu saran dari semua pihak

yang bersifat membangun sangat penulis harapkan demi kesempurnaan Tugas

Sarjana ini.

Dengan tersusunnya Tugas Sarjana ini maka penulis mengucapkan terimakasih

yang sebesar – besarnya kepada

1. Kepada Orang tua dan keluarga tercinta yang telah memberikan dukungan

baik moril maupun materil.

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

meluangkan waktunya untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan

(8)

3. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri selaku ketua Departemen Teknik

Mesin Universitas Sumatera Utara.

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

Mesin Universitas Sumatera Utara.

5. Seluruh staf Pengajar dan Pegawai di lingkungan Departemen Teknik

Mesin Universitas Sumatera Utara yang tidak dapat disebutkan satu –

persatu.

6. Ucapan terimakasih kepada PT ASTRA INTERNASIONAL Tbk. Dan juga

terimakasih kepada Bapak Sudarto selaku asisten kepala bengkel yang

telah banyak meluangkan waktunya untuk berdiskusi dengan penulis dan

juga telah memberikan data – data yang mendukung dalam penyelesaian

Tugas Sarjana ini.

7. Saya ucapkan terimakasih kepada Mahasiswa Teknik Mesin khususnya

sesama rekan – rekan stambuk 2004 yang telah banyak membantu dalam

penyelesaian Tugas Sarjana ini.

Akhir kata, dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan

doa kepada Allah SWT, dan semoga kita semua dilindungi dan diberi

berkat-Nya

Medan, Juni 2008

Penulis

Ardi Kusmawadi

(9)

(10)

(11)

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR . . . i

SPESIFIKASI TUGAS SARJANA. . . iii

KARTU BIMBINGAN. . . iv

DAFTAR ISI. . . v

DAFTAR GAMBAR. . . x

DAFTAR TABEL. . . xii

DAFTAR NOTASI. . . xiii

BAB I . PENDAHULUAN 1.1Latar Belakang. . . .1

1.2Tujuan Penulisan. . . . . . .1

1.3Batasan Masalah. . . 2

1.4Metodologi Penulisan. . . 2

1.5Sistematika Penulisan. . . 2

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Turbocarjer. . . 5

2.2 Klasifikasi Turbocarjer. . . 6

2.2.1 Turbocarjer Sistem Tekanan Konstan. . . 6

2.2.2 Turbocarjer Sistem Pulsa. . . 7

(12)

2.3 Bagian – Bagian Utama Turbocarjer. . . 10

2.3.1 Turbin. . . 11

2.3.2 Kompresor. . . .14

2.4 Interkuler. . . .17

2.4.1 Prinsip Kerja Interkuler. . . .. . . 18

2.5 Prinsip Kerja dari Sistem Turbocarjer pada Siklus Tekanan Terbatas19 2.6 Pengaruh Penggunaan Turbocarjer dengan Interkuler terhadap Performansi Motor Bakar Diesel . . . 22

BAB III. METODOLOGI KAJIAN DAN ANALISA TERMODINAMIKA 3.1 Idealisasi Analisa Termodinamika. . . 26

3.2 Mekanisme Kerja Motor Bakar dengan Turbocarjer dan Interkuler.. 27

3.3 Siklus Termodinamika Motor Bakar. . . 28

3.4 Bahan Bakar Motor Bakar Diesel. . . . . . .29

3.5 Rasio Kompresi. . . .. . . .31

3.6 Analisa Termodinamika Motor Bakar Dengan Turbocarjer dan Interkuler. . . 32

3.6.1 Laju Aliran Gas Buang Masuk Turbin. . . .. . . 33

3.6.2 Laju Aliran Udara Melalui Kompresor. . . .. . . . .36

3.6.3 Penetapan Kajian yang akan digunakan. . . 38

3.6.4 Termodinamika Pada Turbin. . . .39

3.6.5 Termodinamika Pada Kompresor. . . 41

3.6.6 Termodinamika Dalam Interkuler. . . .43

(13)

3.7 Analisa Termodinamika Motor Bakar Tanpa Turbocarjer Dan

Interkuler. . . 57

3.7.1 Termodinamika Dalam Ruang Bakar. . . .57

3.8 Analisa Termodinamika Motor Bakar Dengan Turbocarjer Tanpa Interkuler 3.8.1 Termodinamika Pada Turbin. . . . . . 66

3.8.2 Termodinamika Pada Kompresor. . . . . . 67

3.8.3 Termodinamika Pada Ruang Bakar. . . . . . .70

3.9 Daya Turbin dan Kompresor Turbocarjer. . . .. . . 71

3.10 Putaran Turbin dan Kompresor Turbocarjer. . . . . . 72

BAB IV. PERFORMANSI MOTOR BAKAR 4.1 Performansi Motor Bakar Diesel dengan Turbocarjer dan Interkuler 76 4.1.1 Tekanan Indikator Rata – rata . . . .77

4.1.2 Tekanan Efektif Rata – rata. . . . . . .78

4.1.3 Kerja Indiaktor. . . .78

4.1.4 Kerja Efektif. . . .78

4.1.5 Kerja Mekanik yang Hilang. . . .79

4.1.6 Daya Indiaktor. . . 79

4.1.7 Daya Efektif. . . 79

4.1.8 Konsumsi Bahan Bakar Tiap Jam. . . .80

4.1.9 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik. . . 82

(14)

4.2 Performansi Motor Bakar Tanpa Turbocarjer dan Interkuler. . . .83

4.2.1 Tekanan Indikator Rata – rata . . . .83

4.2.2 Tekanan Efektif Rata – rata. . . . . . 84

4.2.3 Kerja Indiaktor. . . 85

4.2.4 Kerja Efektif. . . . . . .85

4.2.5 Kerja Mekanik yang Hilang. . . .. . . .86

4.2.6 Daya Indiaktor. . . 86

4.2.8 Konsumsi Bahan Bakar Tiap Jam. . . . . . .87

4.2.9 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik. . . 89

4.2.10 Momen Putar ( Torsi ) . . . . . . 89

4.3 Performansi Motor Bakar Dengan Turbocarjer Tanpa Interkuler. . 90

4.3.1 Tekanan Indikator Rata – rata. . . . . . .90

4.3.2 Tekanan Efektif Rata – rata. . . 91

4.3.3 Kerja Indiaktor. . . 92

4.3.4 Kerja Efektif. . . 92

4.3.5 Kerja Mekanik yang Hilang. . . 93

4.3.6 Daya Indiaktor. . . . . . 93

4.3.8 Konsumsi Bahan Bakar Tiap Jam. . . .94

4.3.9 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik. . . .. . . 96

4.3.10 Momen Putar ( Torsi ) . . . . . . .96

(15)

4.4.1 Pengaruh Penggunaan Turbocarjer dan Interkuler Terhadap

Daya Efektif dan Tekanan Efektif Motor Bakar Diesel.. . . 101

4.4.2 Pengaruh Penggunaan Turbocarjer dan Interkuler Terhadap

Torsi Motor Bakar Diesel. . . 104

4.4.3 Pengaruh Penggunaan Turbocarjer Dengan Interkuler

Terhadap Daya Indiaktor Motor Bakar Diesel. . . . 106

4.4.4 Pengaruh Penggunaan Turbocarjer dengan Interkuler

Terhadap Konsumsi Bahan Bakar Motor Bakar Diesel. . . 108

4.4.5 Pengaruh Penggunaan Turbocarjer dengan Interkuler terhadap

Emisi Gas Buang . . . . . . 111

BAB V. KESIMPULAN. . . 115

DAFTAR PUSTAKA . . . 118

(16)

Gambar 2.1 Skema instalasi sederhana turbocarjer dengan interkuler 6

Gambar 2.2 Turbocarjer sistem tekanan konstan 7

Gambar 2.3 Turbocarjer sistem pulsa 8

Gambar 2.4 Turbocarjer sistem converter – pulsa 9

Gambar 2.5 Bagian – bagian utama turbocarjer 10

Gambar 2.6 Turbin radial type kantilever 13

Gambar 2.7 Komponen utama turbin radial 13

Gambar 2.8 Bagian utama kompresor sentrifugal 15

Gambar 2.9 Grafik temperatur Vs Sudut engkol Vs Tekanan 16

Gambar 2.10 intercooler 17

Gambar 2.11 Sistem kerja interkuler tipe air to air 18

Gambar 2.12 Grafik efektivnes interkuler dan rasio kerapatan udara 20

Gambar 2.13 Siklus tekanan terbatas pada mesin diesel 20

Gambar 2.14 Siklus ideal tekanan terbatas dengan menggunakan

Turbocarjer 21

Gambar 3.1 Mekanisme kerja turbocarjer dengan interkuler 27

Gambar 3.2 Diagram P – V siklus gabungan 28

Gambar 3.3 Diagram P – V siklus gabungan dengan menggunakan

Turbocarjer 32

Gambar 3.4 Diagram h – s untuk turbin 39

(17)

Gambar 3.6 Diagram T – S siklus gabungan dengan turbocarjer

Dan interkuler 43

Gambar 3.7 Diagram P – V siklus gabungan pada motor bakar diesel 57

Gambar 3.8 Diagram T – S siklus gabungan dengan turbocarjer

Tanpa interkuler 65

Gambar 3.9 Grafik performansi kompresor 73

Gambar 4.1 Grafik prestasi motor bakar diesel dengan turbocarjer

Dan interkuler 97

Gambar 4.2 Grafik prestasi motor bakar diesel tanpa turbocarjer

Dan interkuler 98

Gambar 4.3 Grafik daya motor Vs putaran 99

Gambar 4.4 Grafik tekanan efektif Vs putaran 100

Gambar 4.5 Grafik torsi Vs putaran 105

Gambar 4.6 Grafik daya indikator Vs putaran 107

Gambar 4.7 Grafik konsumsi bahan bakar spesifik Vs putaran 109

(18)

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Perhitungan analisa termodinamika pada ruang bakar 70

Tabel 4.1 Daya motor bakar diesel dengan turbocarjer dan interkuler 97

Tabel 4.2 Daya motor bakar diesel dengan turbocarjer tanpa interkuler 98

Tabel 4.3 Daya motor bakar diesel tanpa turbocarjer dan interkuler 99

Tabel 4.4 Torsi motor bakar diesel dengan turbocarjer dan interkuler 104

Tabel 4.5 Torsi motor bakar diesel dengan turbocarjer tanpa interkuler 104

Tabel 4.6 Torsi motor bakar diesel tanpa turbocarjer dan interkuler 104

Tabel 4.7 Daya indikator dengan turbocarjer dan interkuler 106

Tabel 4.8 Daya indikator dengan turbocarjer tanpa interkuler 106

Tabel 4.9 Daya indikator tanpa turbocarjer dan interkuler 107

Tabel 4.10 Konsumsi bahan bakar spesifik dengan

Turbocarjer dan interkuler 108

Tabel 4.11 Konsumsi bahan bakar spesifik dengan

Turbocarjer tanpa interkuler 108

Tabel 4.12 Konsumsi bahan bakar spesifik tanpa

(19)

DAFTAR NOTASI

n Putaran mesin rpm

Lambang Keterangan Satuan

AF Perbandingan udara dengan bahan bakar Kgudara/kgb.bakar

p

c Panas spesifik tekanan konstan kJ/kg0K

F Konsumsi bahan bakar spesifik Kg/hp-hr

Fh Konsumsi bahan bakar /jam Kg /jam

h Entalpi kalor kJ/kg

h Koefisien perpindahan kalor W/m0K

HHV Nilai kalor atas bahan bakar Kkal/kg

L’ Jumlah udara aktual Mole/kg

LHV Nilai kalor bawah bahan bakar kJ/kg

eg

m

. _{Laju aliran Gas Buang Masuk Turbin} _Kg/det

k

m

. _{Laju aliran udara melalui kompresor} _Kg/det

a

m Berat molekul udara kg/ mole

th

η Efisiensi thermal

r

η Efisiensi relatif

Ne

Ni

m η

Daya efektif

Daya indikator

Efisiensi motor bakar

hp

(20)

b

η Efisiensi termal brake

c

η Efisiensi kompresor

T

η Efisiensi turbin

Nu Bilangan Nusselt

Pi Tekanan indikator Kg/cm2

Pe Tekanan efektif rata - rata Kg/cm2

r

p Tekanan relasi

Pr Bilangan prandtl

Qin Panas kalor masuk kJ/kg

R Rasio kompresi

R Konstanta gas universal kJ/kg0K

e

R Bilangan reynolds

T Torsi Kg - m

U Energi dalam kJ/kg

Vd Volume langkah torak m3

r

v Volume relasi

v Volume spesifik m3/kg

Wi Kerja indikator kg - m

β Perbandingan pemotongan

sc

∆ Koefisien pembilasan

µ Koefisien perubahan molar

α Faktor kelebihan udara

(21)

ϕ Faktor koreksi

δ Derajat ekspansi

w

t

∆ Kenaikan temperatur akibat gesekan 0K

r

γ Koefisien gas sisa pembakaran

(22)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Semakin naiknya harga minyak mentah dunia membuat setiap pabrikan

otomotif mengembangkan teknologi pada kendaraan yang hemat bahan bakar dan

ramah lingkungan tetapi mempunyai performa / prestasi mesin yang baik tanpa

mengubah ukuran / dimensi mesin tersebut.

Berdasarkan pemikiran tersebut para ahli perancang otomotif terus

berupaya dan berinovasi untuk menciptakan kendaraan yang ramah lingkungan

dan hemat bahan bakar. Oleh karena itu, diperlukannya perangkat tambahan

diantaranya dengan memakai turbocharger dan interkuler. Mekanisme

turbocharger dan interkuler 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 efektif rata – rata dapat meningkat,

sehingga daya poros juga meningkat.

Berdasarkan adanya performansi motor bakar yang meningkat dan proses

pembakaran bahan bakar dapat terjadi dengan sempurna sehingga akan

(23)

dari sektor transportasi, oleh karena itulah maka mengkaji pengaruh penggunaan

Turbocharger dengan intercooler tersebut.

1.2 Tujuan Penulisan

Tujuan penulisan ini adalah untuk mengetahui seberapa besar pengaruh

penggunaan Turbocharger dengan intercooler pada kendaraan jenis truk dengan

daya 130 PS. Analisa tersebut meliputi analisa Termodinamika pada turbocarjer,

yaitu : termodinamika turbin, termodinamika kompresor, termodinamika interkuler

dan termodinamika pada ruang bakar.

1.3 Batasan Masalah

Adapun Batasan Masalah dalam penulisan Tugas Sarjana ini adalah

a. Analisa Termodinamika

b. Perbandingan performansi motor diesel dengan dan tanpa turbocarjer

dan interkuler

c. Analisa grafik performansi motor diesel dengan dan tanpa turbocarjer

dan interkuler,

1.4 Metodologi Penulisan

Metodologi penulisan yang digunakan pada penulisan tugas akhir ini

adalah sebagai berikut :

a. Survei lapangan, berupa peninjauan langsung kelokasi tempat turbocarjer

dan interkuler tersebut digunakan.

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

(24)

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.

1.5 Sistematika 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 Turbocarjer,

pemakaian Turbocharger dengan intercooler itu sendiri serta bagian utama

Turbocharger yang meliputi jenis turbin, kompresor dan alat pendingin

(intercooler) yang dipakai pada kendaraan truk tersebut.

BAB III : Metodologi Kajian Dan Analisa Termodinamika

Bab ini berisikan data-data Turbocharger, pemilihan parameter, dimana pada

data-data tersebut akan dicari analisa Termodinamikanya dan putaran

(25)

BAB IV : Performansi Motor Bakar

Bab ini berisikan mengenai pengaruh penggunaan turbocarjer dengan dan

tanpa interkuler 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

Lampiran berisikan tabel-tabel, dan grafik-grafik yang digunakan.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

(26)

Pada prinsipnya supercharger dan turbocharger mempunyai tujuan yang

sama, yaitu memperbesar jumlah udara yang masuk ke dalam silinder. Hal ini

bertujuan meningkatkan daya motor tanpa memperbesar kapasitas motor tersebut.

Ada perbedaan dalam proses kerja antara supercharger dan turbocharger, yaitu

pada penggerak impeler turbin dimana pada supercharger impeler turbin

digerakkan oleh gerakan mekanik yang ditransfer dari putaran poros engkol,

sedangkan pada turbocharger memanfaatkan gas buang sebagai penggerak impeler

turbin.

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 memperoleh tekanan

efektif rata-rata yang lebih besar dengan mengurangi turunnya kerapatan 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

(27)

Gambar 2.1 Skema instalasi sederhana turbocharger dengan intercooler

Sumber :

2.2 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 )

3). Turbocharger sistem converter- pulsa ( pulse-converter system)

2.2.1 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

(28)

saluran gas buang harus dihilangkan. Berikut ini merupakan gambar Turbocharger

tekanan konstan

Gambar 2.2 Turbocharger sistem tekanan konstan ( constant pressure system )

Sumber : ”Internal combustion engine” Edward F. Obert

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

3). Membutuhkan saluran gas yang besar.

(29)

2.2.2 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

(30)

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). Fluktuasi tekanan yang lebih besar untuk jumlah silinder yang lebih

sedikit.

2.2.3 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. Beriikut 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

(31)

2.3 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

[image:31.595.132.543.345.701.2]

.

(32)

Sumber: http/

Principles.

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

9. Bolt 26. Bolt

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

(33)

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)

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

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

(34)

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

[image:34.595.130.499.393.604.2]

mendapatkan suatu turbin sesuai dengan operasi yang diinginkan.

Gambar 2.6 : Turbin Radial Type Kantilever

Sumber : “Gas Turbin Engineering Hanbook, second edition”Meherwan P Boyce

(35)

[image:35.595.153.448.108.295.2]

Gambar 2.7 : Komponen Turbin Aliran Radial

Sumber : “Gas Turbin Engineering Hanbook, second edition”Meherwan P Boyce

Pada motor diesel ini, sesuai dengan yang disurvey dimana turbocarjer dan

interkuler itu digunakan bahwa jenis turbin yang digunakan adalah turbin dengan

aliran radial

2.3.2 Kompresor

Kompresor adalah suatu alat pemampat / menaikkan tekanan udara diatas

tekanan atmosfer. Pada keadaan ini kompresor didalam turbocarjer 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

(36)

Dalam hal ini setelah melakukan survey kompresor sentrifugal yang sangat cocok

digunakan pada turbocarjer.

• Kompresor Sentrifugal

Didalam permesinan, yang mana juga disebut sebagai turbo-blowers atau

turbo-compressors, satu atau lebih impeller dirotasikan pada kecepatan yang tinggi

didalam sebuah rumah kompresor. Udara, yang terlempar masuk kedalam center

dari impeller, akan ditingkatkan kecepatannya, lalu udara akan terlempar pada

ujung luar ( outer edge ) karena adanya gaya 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)

(37)

=

a

[image:37.595.141.456.120.451.2]

m berat molekul udara sebesar 28,95 kg /mole

Gambar 2.8 : Bagian-Bagian Utama Kompresor Sentrifugal

Sumber : ” Diesel Engine Reference Book”, Bernard Challen dan Rodica Baranescu

Keterangan :

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

perubahan momentum udara yang melewati permukaan sudu-sudu.

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

(38)

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

[image:38.595.160.492.238.547.2]

sisin rumah kompresor berfungsi juga sebagai diffuser.

Gambar 2.9 : Grafik Temperatur Vs Sudut Engkol Vs Tekanan

Sumber : http//

Pada gambar grafik diatas ditunjukkan tekanan suplai dari turbocarjer dan

temperatur pembakaran dalam ruang bakar. Hal ini menunjukkan bahwa proses

pembakaran terjadi pada beberapa derajat sudut engkol menuju titik mati bawah.

(39)

pada saat sekarang ini teknologi otomotif yang sedang berkembang itu

adalah intercooler. Alat ini adalah peralatan sederhana di dalam sebuah mobil,

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

[image:39.595.159.440.263.462.2]

masuk keruang mesin.

Gambar 2.10 : Intercooler

Sumber :http://www.airpowersystem.com.au/350z/intercooler/intercooler.html

Berdasarkan prinsip kerjanya, ada dua macam intercooler, yaitu:

a.intercooler air to air

b.intercooler air to water

Intercooler air to air 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 air, karena memiliki efisiensi yang

(40)

2.4.1 Prinsip Kerja Intercooler:

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

dalam silinder, kemudian udara didinginkan oleh intercooler dengan cara

mengalirkan udara melalui kisi – kisi atau sirip intercooler sehingga udara panas

terserap di dalam intercooler dengan demikian udara yang masuk kadalam silinder

[image:40.595.159.442.250.482.2]

tetap dingin tetapi tekananya konstan.

Gambar 2.11 : Sistem Kerja Interkuler Tipe Air to Air

Sumber : ” Diesel Engine Reference Book”, Bernard Challen dan Rodica Baranescu.

Udara di hisap oleh kompresor dengan tekanan dan temperatur yang tinggi,

kemudian didinginkan didalam interkuler dengan prinsip kerja air – to – air,

dimana didepan interkuler dipasang fan blower agar udara yang panas disuplai

oleh kompresor dapat didinginkan denga cepat, kemudian selanjutnya udara

disalurkan ke dalam ruang bakar dengan kerapaatan udara yang baik karena

(41)

Gambar 2.12: Grafik Efektivnes Interkuler dan rasio kerapatan udara

Pengaruh efektivnes interkuler dan rasio kerapatan udara terhadap performansi

motor bakar diesel yaitu :

1. dari grafik diatas dapat dilihat bahwa motor bakar tanpa pendinginan (no

cooling) memiliki kerapatan udara sangat rendah. Hal inilah yang

mengakibatkan tekanan didalam ruang bakar berkurang ( tekanan efektif

rendah ), tekanan inilah yang langsung berpengaruh terhadap daya poros,

torsi, tekanan efektif rata – rata dan parameter performansi lainnya pada

motor bakar tersebut

2. dari grafik diatas dapat dilihat bahwa motor bakar yang memakai

efektivnes interkuler memiliki kerapatan udara relatif lebih tinggi

dibandingkan tanpa motor bakar yang tidak memakai pendingin (no

cooling). Hal inilah yang membedakan motor bakar yang memakai

(42)

interkuler tersebut semakin tinggi.hal ini akan meningkatkan tekanan

efektif rata – rata pada motor bakar tersebut.apabila tekanan efektif rata –

rata meningkat pada kondisi volume silinder yang sama dan dimensi mesin

yang sama maka daya dan torsi nya juga akan meningkat.atau pun

parameter – parameter performansi lainya.hal ini sesuai dengan persamaan:

xz x

i n V P

N e d

b

75 60

. . .

=

dimana kalau P dinaikkan maka akan berdampak langsung terhadap daya _e

poros motor bakar tersebut hal ini dikarenakan harga P dan _e N berbanding b

lurus.

2.4 Prinsip kerja dari sistem Turbocharging pada Siklus Tekanan Terbatas.

Siklus ideal termodinamika dari mesin diesel yang beroperasi digambarkan

pada Gambar 2.13 yang menunjukkan energi potensial yang terkandung dan

(43)

Gambar 2.13 : Siklus tekanan terbatas pada mesin diesel

Katup buang akan terbuka pada titik mati bawah pada titik 5 dimana

tekanan silinder lebih besar dari pada tekanan atmosfer yaitu pada akhir pipa

pembuangan, jika katup buang terbuka maka secara isentropik dan reversibel akan

menuju pada tekanan atmosfer yaitu pada titik 6, dimana daerah kerja dapat

digambarkan pada daerah 5-6-1

Daerah kerja yang digambarkan pada daerah titik 5-6-1, dimana pada

daerah tersebutlah untuk memanfaatkan energi gas buang ditempatkan

[image:43.595.134.508.376.624.2]

turbocharger pada daerah tersebut yang disebut juga dengan blowdown energi

Gambar 2.14 : siklus ideal tekanan terbatas dengan menggunakan Turbocharger

Pada Gambar diatas menunjukkan bahwa turbocharger meningkatkan

(44)

P1 berada pada diatas tekanan atmosfer.Pa. Blow-down energi ditunjukkan pada

daerah 5-8-9, saluran gas buang pada tekanan P7 juga berada diatas tekanan

atmosfer Pa. Proses gas buang yang berasal dari silinder ditunjukkan oleh garis

5,13,11 dimana pada titik 5,13 adalah periode terjadi blow-down energi ketika

katup buang terbuka dan tekanan gas yang tinggi diekspansikan keluar pada

saluran gas buang.

Proses 13,11 menunjukkan proses pembuangan gas sisa yang tinggal ketika

piston bergerak dari titik mati atas ke titik mati bawah yang menggerakkan

sebagian besar gas buang dari silinder ke saluran pembuangan. Gas tersebut juga

berada di atas tekanan atmosfer dan oleh karena itu juga mempunyai energi yang

berguna untuk diekspansikan menjadi tekanan atmosfer. Daerah kerjanya dapat

ditampilakan pada daerah 13-9-10-11.

Energi maksimum yang mampu menggerakkan turbin ditunjukkan pada

daerah 13-9-10-11, Untuk memperoleh energi tersebut maka tekanan masuk turbin

seketika itu juga harus meningkat pada titik tekanan P5 ketika katup buang terbuka,

yang diikuti ekspansi isentropik dari gas buang melalui P7 sampai ke tekanan

atmosfer ( P8=Pa) . Selama proses pergerakan pembuangan tekanan masuk turbin

yaitu pada titik P7. Energi yang berguna pada turbin diberikan pada daerah

7-8-10-11.

2.6 Pengaruh Penggunaan Turbocarjer dengan Interkuler Terhadap

Performansi Motor bakar Diesel

Jika sebuah mesin empat langkah dapat menghisap udara pada kondisi

isapnya sebanyak volume langkah toraknya untuk setiap langkah isap, maka hal itu

(45)

Perbandingan antara jumlah udara yang terisap yang sebenarnya terhadap jumlah

udara yang terisap dalam keadaan ideal, dinamai, ”efisiesnsi volumetrik”,ηv, yang

didefinisikan dalam persamaan berikut :

) , ( ) , (

T P pada torak langkah volume

sebanyak segar

udara berat

T P pada terisap segar

udara berat

v

=

η

besarnya efisiensi volumetrik tergantung pada kondisi isap (P,T) yang ditetapkan,

hal ini akan mengakibatkan seberapa besar volume udara yang akan terisap apabila

motor bakar tersebut tidak menggunakan pengisian lanjut. Akan tetapi lain halnya

kalau dengan menggunakan pengisian lanjut contohnya seperti turbocarjer.

Kebutuhan udara akan terus disuplai oleh turbocarjer dan akan meningkatkan

tekanan didalam ruang bakar dan hal inilah yang akan berdampak langsung

terhadap performansi motor bakar tersebut. Antara lain:

1. Daya Poros

Daya poros adalah daya yang dihasilkan oleh motor bakar tersebut setelah

mengalami kerugian – kerugian gesek antara torak dan dinding silinder, pada

bantalan, roda gigi, daya untuk menggerakkan pompa bahan bakar, katup dan

sebagainya.

Sesuai dengan persamaan berikut :

i e m

N N

= η

m i

e N

N = η (hp)

Dimana :

= e

N Daya efektif (hp)

= m

(46)

i

N Daya Indikator (hp)

2. Daya Indikator

Daya indikator adalah daya yang dihasilkan didalam sistem motor bakar

tersebut antara piston dan ruang bakar.

xz x

xnxi xV P

N i d

i

75 60

= (hp)

dimana :

= i

P Tekanan indikator rata – rata (kg/cm2)

= d

V Volume silinder (m3)

=

n putaran (rpm)

=

i jumlah silinder

=

z motor 4_langkah (1/2)

3. Momen Puntir

Momen puntir atau Torsi adalah merupakan suatu performansi motor bakar diesel.

Dalam hal ini momen puntir digunakan sebagai kemampuan motor bakar tersebut

untuk memutar / memlintri suatu beban dengan beban (kg) dan jarak (m).

sesuai dengan persamaan :

n x x N

T e

π 2

75 60

= (kg-m)

= e

N Daya efektif motor bakar (hp)

=

(47)

4. Tekanan Efektif Rata – Rata

Tekanan efektif rata – rata juga merupakan bagian dari performansi motor

bakar diesel, dimana tekanan efektif rata – rata ini sangat dipengaruhi oleh

kerapatan udara yang disuplai masuk kedalam silinder / ruang bakar.

RT P

= ρ

dimana :

=

P Tekanan suplai masuk ke dalam ruang bakar (kg/cm2)

=

R Konstanta gas Universal

5. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik

Konsumsi bahan bakar spesifik adalah kemampuan motor bakar tersebut

menghabiskan bahan bakar dalam satu – saturan waktu, sesuai dengan persamaan:

) (

) ( 632

LHV F

N

h e b =

η

sehingga persamaannya menjadi:

) (

) ( 632

LHV N F

b e h

η =

dimana :

Ne = daya efektif motor (hp)

LHV = nilai kalor bawah bahan bakar (kkal/ kg)

= b

η efisiensi thermal brake

(48)

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 menurut (lit.1 hal 8),

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

(49)

[image:49.595.124.528.193.439.2]

3.2 Mekanisme Kerja Motor Bakar dengan Turbocarjer dan Interkuler

Gambar 3.1 : mekanisme kerja turbocarjer dengan interkuler

Sumber : ”Marine Internal Combustion Engine”, N. Petrovsky

Keterangan :

B = kompresor sentrifugal

T = turbin Radial

C = Interkuler Udara

Mekanisme kerja sederhana turbocarjer dengan interkuler 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

(50)

turbocarjer 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 interkuler untuk menurunkan temprratur 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 Siklus Termodinamika Motor Bakar

Secara umum ada tida jenis siklus termodinamika yang berlaku pada motor

bakar torak, yaitu :

• Siklus volume konstan ( siklus Otto)

• siklus tekanan konstan

(51)

Gambar 3.2 : P – V diagram siklus gabungan (siklus dual)

Keterangan :

0 – 1 = Langkah Isap tekanan konstan

1 – 2 = Langka h Kompresi Isentropis adiabatik

2 – 3a = Proses Pemasukan Kalor pada Volume Konstan

3a – 3 = Proses Pemasukan Kalor pada Tekanan Konstan

3 – 4 = Langkah Ekspansi Isentropis adiabatik

4 – 1 = Langkah Buang

siklus gabungan merupakan siklus ideal bagi motor bakar diesel yang

proses pembakarannya berlangsung pada kondisi yang mendekati volume konstan

dan terus berlanjut pada tekanan konstan.

Dari ketiga jenis siklus tersebut, siklus gabungan sebagai siklus ideal bagi motor

bakar diesel yang digunakan untuk menganalisa termodinamika, motor bakar

diesel yang akan dikaji pengaruh turbocarjer dengan interkuler disini adalah motor

diesel yang menggunakan injeksi langsung tanpa udara ( airless direct injection

system ) dan termasuk pada motor putaran tinggi yang sesuai dengan hasil survey

dilapangan, dalam hal ini penginjeksian bahan bakar dimulai pada saat beberapa

derajat sudut engkol sebelum TMA, sehingga proses pembakarannya berlangsung

seperti pada kondisi yang mendekati siklus volume konstan. penginjeksian bahan

bakar dihentikan pada saat beberapa derajat sudut engkol sesudah TMA sehingga

proses pembakarannya masih terus berlangsung walaupun torak sudah melewati

TMA seperti pada kondisi yang mendekati siklus tekanan konstan.

(52)

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.

Sifat minyak bahan bakar yang mempengaruhi prestasi dan keandalan dari

mesin diesel menurut (lit.16 hal.152), yaitu :

- 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 (lit.7 hal.120) Bahan bakar ini mempunyai:

Berat molekul = 184

Nilai Kalor Atas (HHV) = 19.110 Btu/lbm

Nilai Kalor Bawah (LHV) = 18.000 Btu/lbm

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

(53)

th A F     

 _{= 0,0670163}

th A F       ₌ 92 , 14 1

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 ( ) 200% atau 2.menurut (lit.3 Hal.38 )

faktor kelebihan udara untuk: - motor bakar diesel ( ) = 200% - 300%

- motor bakar bensin ( ) = 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 feul air rationya menjadi :

act A F     

 _{= 0,0335}

3.5 Ratio Kompresi

pada kajian studi ini sesuai dengan hasil survey yang dilakukan

(54)

perbandingan kompresi yang umum digunakan menurut (lit.2 hal.89) yaitu

berkisaran antara 12 – 25.

[image:54.595.112.543.236.579.2]

3.6 Analisa Termodinamika pada turbocarjer dan Interkuler

Gambar 3.3 :Diagram P-V siklus gabungan dengan menggunakan turbocharger

dan interkuler.

Keterangan :

9 -1 = langkah isap tekanan konstan

(55)

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

Dalam hal ini dipilih 133 g/bhp – hr

Ni = Daya indikator

(56)

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 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

kg mole

(57)

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 = c 0,070652 mole/kg

12 847826 ,

0

12 = =

Uap air MH2O = h 0,07608 mole/kg

2 1521739 ,

0

2 = =

Oksigen MO2 = 0,21 ( – 1) L’o

= 0,21 (2 – 1 ) 0,5175

= 0,1086 mole/kg

Nitrogen MN2 = 0,79 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

(58)

' L

M_g

=

µ

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 (130 hp)

= h

F 17,29 kg/hr

Sehingga laju aliran massa masuk turbin adalah ;

(

)

₃₆₀₀' .

a i i c s eg

m L N F

m = µ+∆

(

)

17,29 / 1,036 ₃₆₀₀/ 28,95 / 15

, 0 0366 , 1

. _kg _hr _x _mole _kg _x _kg _mole

m_eg = +

= . eg

(59)

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 menurut

(lit.3 hal.63), 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)

(60)

Sesuai dengan perhitungan sebelumnya konsumsi bahan bakar spesifik dapat

dicari, yaitu sebesar:

= h

F 0,133 kg/hp-hr (130 hp)

= h

F 17,29 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 / 29 , 17 ) 15 , 0 1 (

. _kg _hr _x _mole _kgx _kg _mole

mk

= .

k

m 0,165 kg/det

3.6.3 Penetapan kajian yang akan digunakan

Dalam menganalisa pengaruh penggunaan turbocarjer dengan interkuler

ini, beberapa parameter harus dipilih atau diambil berdasarkan literatur.

Olehkarena itu parameter yang harus dipilih adalah temperatur gas buang dan

tekanan masuk turbin. Menurut (lit.3 hal.210) bahwa temperatur masuk

turbocarjer adalah 500 – 600 0C, dalam hal ini dipilih sebesar 789,16 0K.

Sedangkan tekanan udara yang disuplai oleh kompresor sebesar Psup= 1,4 – 2,5

atm. Pada kajian studi 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

(61)

Sehingga diperoleh parameter yang akan digunakan pada analisa termodinamika

sebagai berikut :

170 , 0

. = eg

m kg/ det

det / 165 , 0

.

kg

mk =

K

T₅_a =789,160

Pa x

p₅_a =1,63 105

[image:61.595.129.438.279.661.2]

3.6.4 Termodinamika pada Turbin

Gambar 3.4 Diagram h – s untuk turbin

(62)

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

W_T =∆ _tT = − . . . (lit.8.hal.35)

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

T01 = 789,16 0K

P01 = 1,63 x 105 Pa

= eg

m

.

0,170 kg/det

pada temperatur T01, diperoleh entalpinya

T01 = 789,16 0K

h01 = 810,322 kJ/kg

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