ANALISA PERFORMANSI PADA MOBIL TOYOTA
FORTUNER MESIN
DIESEL TIPE 2KD-FTV VN
TURBO INTERCOOLER
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
ANDI SETIAWAN GINTING NIM. 090421060
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa
atas segala kasih dan rahmat-NYA dalam kehidupan penulis yang senantiasa
memberikan waktu tenaga dan dana sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas
Sarjana ini.
Skripsi ini merupakan salah satu persyaratan menyelesaikan pendidikan
pada Departemen Teknik Mesin. Adapun judul Skripsi ini adalah “Analisa
Performansi Pada Mobil Toyota Fortuner Mesin Diesel Tipe 2KD-FTV VN Turbo Intercooler”
Dalam penyelesaian Tugas Sarjana ini, penulis banyak mengalami
masalah, hambatan namun berkat bantuan Dosen Pembimbing dan bantuan dari
berbagai pihak yang berupa Spritual, meterial dan informasi maka Tugas Sarjana
ini dapat diselesaikan. Dalam kesempatan ini penulis menyampaikan penghargaan
dan ucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Kedua Orangtua penulis Ayahanda M. Ginting dan Ibunda R. br.
Tarigan. Terima kasih atas doa dan dukungan yang tiada
henti-hentinya baik moril maupun materil hingga skripsi ini dapat
diselesaikan.
2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi,M.Sc. sebagai Dosen Pembimbing Skripsi yang
telah banyak memberikan waktu dan bimbingan, hingga skripsi ini
dapat diselesaikan.
3. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri, dan Bapak Ir.Syaril Gultom.MT
selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas
Teknik USU.
4. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Depatermen Teknik Mesin
5. Abang saya Heri Gunawan Ginting SP, dan adik saya Bijak Bestari
Gintung, terima kasih atas dukungan doa dan semangat hingga skripsi
ini dapat diselesaikan.
6. Seluruh rekan rekan mahasiswa Teknik Mesin terkhusus Stambuk
2009 ekstensi, yang tidak dapat disebut satu persatu “Solidarity
Forever”.
7. Staff AUTO 2000 – TOYOTA Jl.Sisangamangaraja yang telah banyak
membantu dan membantu dan membimbing penulis selama pengujian
di Bengkel.
8. Buat Yessy B Sitorus yang terus memberikan semangat, dukungan dan
bantuan dalam doa.
9. Buat kekompakan rekan rekan satu kost Gg Happy No.11 yang terus
mendukung dalam doa dan semagat.
10.Dan semua pihak yang turut membantu dalam menyelasaikan Tugas
Sarjana ini yang namanya tidak dapat penulis tuliskan satu persatu.
Penulis menyadari masih adanya kekurangan dalam Skripsi ini. Oleh
karena itu, sangat diharapkan kritik dan saran yang membangun demi
penyempurnaan Skripsi ini.
Medan, October 2013
Penulis
Andi Setiawan Ginting
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 84,4 %. Hal ini membuktikan bahwa mobil ini telah
mempunyai efisiensi yang sudah bagus. Disamping itu untuk putaran 2800 rpm
didapatlah daya sebesar 100,5218 kW. Hasil analisa secara keseluruhan
membukt ikan bahwa mobil ini memiliki performa yang baik.
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR... ...i
ABSTRAK...iii
DAFTAR ISI...iv
DAFTAR TABEL...vii
DAFTAR GAMBAR ...viii
DAFTAR NOTASI...ix
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang...1
1.2 Tujuan ...3
1.3 Batasan Masalah ...3
1.4 Manfaat...4
1.5 Sistematika Penulisan...4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Dasar...7
2.2 Motor Diesel...8
2.2.1 Sejarah Mesin Diesel...8
2.2.2 Prinsip Kerja Motor Bakar Diesel...9
2.2.3 Siklus Ideal Diesel...11
2.2.4 Siklus Dual Cycle...16
2.2.5 Konfigurasi Mesin Diesel...16
2.2.6 Kelebihan dan Kekurangan Mesin Diesel...17
2.2.7 Prinsip Turbo Intercooler...18
2.2.8 Analisa Termodinamika Motor bakar diesel pada Turbocarjer dan Intercoller ... 21
2.2.9 Teknologi Diesel Sistem Common Rail.....22
2.2.10 Perbedaan Diesel Common Rail dengan Diesel Konvensional...23
2.3.1 Tekanan efektif rata-rata ...24
2.3.2 Daya Indikator...25
2.3.3 Torsi dan Daya...25
2.3.4 Konsumsi bahan bakar spesifik (Sfc)...26
2.3.5 Emisi Gas Buang Pada Motor Diesel………...26
2.3.5.1 Pembentukan Karbon Monoksida (CO)... ... 26
2.3.5.2 Pembentukan Hidrokarbon (HC)...27
2.3.5.3 Pembentukan Nitrogen Oksida (NOx)...28
2.3.5.4 Pembentukan Partikulat (Particulate Matter)……...28
2.3.5.5 Pembentukan Emisi Asap (Smoke)….………...30
2.3.6 Efisiensi mekanis...30
2.3.7 Efisiensi Volumetrik ...31
2.3.8 Efisiensi Thermal Brake ...31
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat...32
3.2 Bahan dan Alat...32
3.2.1 Bahan...32
3.2.2 Speksifikasi alat ukur...33
3.3 Variabel Riset...38
3.4 Prosedur Analisa……….….38
3.4.1 Keterangan Diagram Alir………..………...40
3.4.1.1 Mulai………..………..………....40
3.4.1.2 Studi Literatur………. ……….40
3.4.1.3 Pencarian dan Pengumpulan Data………...…….40
3.4.1.4 Proses Perhitungan……….…...…...41
3.4.1.5 Kesimpulan dan Saran.………..…...…....41
3.4.1.6 Selesai………...………....……41
BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Awal...42
4.1.1 Dimensi Silinder………..……….…...42
4.2 Analisa Termodinamika...43
2KD-FTV VN Turbo...51
4.3.1 Tekanan efektif rata-rata...51
4.3.2 Daya indikator...51
4.3.3 Torsi dan Daya………....53
4.3.4 Pengabungan antara Daya Mesin Dan torsi dalam satu Grafik ...56
4.3.5 Grafik perbandingn hasil perhitungan dengan hasil pengukuran pada daya mesin dengan putaran mesin..57
4.3.6 Konsumsi bahan bakar spesifik (Sfc)……….…...58
4.3.7 Efisiensi mekanis………...60
4.3.8 Efisiensi Volumetrik...60
4.3.9 Efisiensi Thermal Breake...61
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan...62
5.2 Saran...63
DAFTAR PUSTAKA...64
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)
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Data Spesifikasi Mesin Toyota Kijang Innova Tipe 2KD-FTV VN
Turbo...39
Tabel 4.2 Daya Indikator.……….……….…51
Tabel 4.3 Torsi Mesin………....53
Tabel 4.4 Daya Mesin….………..…...………..54
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Langkah Kerja Motor Diesel ...10
Gambar 2.2. Diagram P–v dan T–s siklus Diesel...12
Gambar 2.3. Diagram P – v dan diagram T – s Siklus Dual Cyle………....16
Gambar 2.4. Cara Kerja Mesin Turbo...………….….18
Gambar 2.5. Prinsip Mesin Turbo... ...19
Gambar 2.6 Analisa Termodinamika Motor bakar diesel pada Turbocharger dan Intercooler ...21
Gambar 2.7. Sistem Diagram Common Rail...23
Gambar 2.8. Pembentukan soot particle...29
Gambar 3.1. Four gas Analyser...34
Gambar 3.2. Tachometer...35
Gambar 3.3. Universal Dynamometer Module...35
Gambar 3.4. Multimeter...36
Gambar 3.5. Intelligent tester II...37
Gambar 3.6. Toolbox...38
Gambar 3.7. Diagram Alir Pengerjaan Skripsi...39
Gambar 3.8. Motor Diesel Toyota Fortuner Tipe 2KD-FTV VN Intercooler…..41
Gambar 4.1. Grafik Daya Indikator Mesin...52
Gambar 4.2. Grafik Torsi Mesin... ………...…54
Gambar 4.3. Grafik Daya Mesin...55
Gambar 4.4. Grafik perbandingan hasil perhitungan dengan hasil pengukuran...56
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 = Putaran 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)
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 84,4 %. Hal ini membuktikan bahwa mobil ini telah
mempunyai efisiensi yang sudah bagus. Disamping itu untuk putaran 2800 rpm
didapatlah daya sebesar 100,5218 kW. Hasil analisa secara keseluruhan
membukt ikan bahwa mobil ini memiliki performa yang baik.
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang
Kebutuhan akan kendaraan pada saat sekarang ini sangatlah tinggi demi
menunjang aktivitas dan kegiatan sehari-hari. Kendaraan diharapkan dapat
membantu perjalanan seseorang ataupun keluarga sebagai kendaraan
bermotordalam melaksanakan kegiatan sehari-hari baik menuju tempat kerja,
sekolah ataupun melakukan perjalanan jauh ke luar kota.
Hal ini 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 fortuner. Toyota
fortuner semakin berkembang dari waktu ke waktu hingga mengalami banyak
perbaikan dan desain baru sesuai dengan kemajuan zaman. Hinga pada saat ini
dikeluarkan toyota fortuner sebagai inovasi baru dari berbagai faktor
pertimbangan ilmu pengetahuan dan teknologi diantara desain bentuk yang
ergonomis, aerodinamis, tangguh dan irit bahan bakar.
Toyota fortuner dengan masing-masing pilihan mesin ternyata memiliki
kelebihan dan ciri khas masing-masing. Pada seri mesin bensin toyota kijang
innova tipe 1TR-FE, mesinya menggunakan teknologi variable valve timing
Intellingent 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 Fortuner tipe 2KD-FTV VNT (Variable
Nozzle Turbocharger) intercooler menggunakan mesin D-4D yang ternyata juga
memiliki keunggulan lebih baik dibandingkan mesin bensin. (Lit.3 hal.21)
2KD FTV VN Turbo Intercoller adalah mesin Toyota diesel 4 silinder,
dimana pengertian angka 2 adalah menunjukkan generasi keberapa dari keluarga
mesin tersebut. Mesin seri KD adalah 4 silinder dengan fitur ber-camshaf ganda
namum dihubungkan oleh 1 timing belt, kode F menunjukkan mesin tersebut
bertipe “forced induction” yang berfungsi untuk meningkatkan tenaga mesin dan
efisiensi dengan turbocharger dan menggunakan sistem pasokan bahan bakar tipe
Common rail,dan V menunjukkan sistem pasokan bahan bakar tipe Common rail.
2KD-FTV adalah generasi ke- 2dari seri KD mesin dengan yang lebih kecil
(2494cc). Perpindahan mesin ini didasarkan pada mesin 2L sebelumnya. Bore
tetap sama 92mm tetapi stroke meningkat menjadi 93,8mm. Ini memiliki 16 katup
dan DOHC adalah mesin dengan turbocharger dan intercooler.
mesin 2KD-FTV IL-16Katup-DOHC-D4D berkapasitas 2.494 cc dilengkapinya
dengan teknologi VNTurbo dan Intercooler yang mampu mendongkrak tenaga
dan torsi dari si bongsor Toyota Fortuner 2.5 G VNT menjadi lebih buas.
Toyota mengklaim bahwa tenaga Toyota Fortuner 2.5 G VNT naik hingga
40 tenaga kuda, putaran tenaga yang dihasilkan melonjak menjadi 144 PS/3.400
rpm dari versi lawasnya yang hanya 102 PS/3.600 rpm, begitu juga dengan luapan
torsinya yang meningkat menjadi 35 kgm/1.600-2.800 rpm dari 26.5 kgm/1.600 -
2.400 rpm. "Adanya Variable Nozzle Turbocharger cukup membantu dalam
mengakomodir tenaga di putaran bawah sedangakan Intercooler membantu pada
putaran atasnya.
Di putaran rendah dimana tekanan gas buang masih lemah inovasi teknologi
VNT mulai bekerja. Sedikit berbeda dengan turbo biasa, karena turbin dilengkapi
dengan nozzel (baling-baling) yang dapat mengatur sudut bukaan secara
elektronik sesuai dengan putaran kinerja mesin. Maka pada putaran rendah sudut
ditutup sehingga membuat gas buang mengalir kearea yang sempit dan secara
otomatis mampu meningkatkan tekanan dan memaksa turbin bekerja secara
efektif dan membuat kompressor bekerja sejak berada pada putaran bawah.
D-4D atau dsebut juga 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 rendah. Sistem commonrail akan mengatur laju tekanan bahan bakar
secara elektronik, baik dari sisi banyaknya maupun waktu penyemprotan bahan
Teknologi VNT ( Variable Nozzle Turbocharger) berfungsi membuat aliran
gas buang yang mendorong turbin dapat diatur dengan mengontrol arah
baling-baling (nozzle) pada turbin secara elekronok sesuai dengan putaran mesin.
Dengan posisi sudut nozzle yang bisa berubah-ubah maka putaran turbin bisa
lebih cepat pada putaran rendah, menengah ataupun tinggi sehingga udara yang
dihisap lebih banyak dan stabil.
Penggunaan intercooler berfungsi untuk mendinginkan udara panas yang
berasal dari turbucharger sehingga udara masuk ke silinder mesin berkandungan
oksigen lebih padat. Proses pembakaran lebih sempurna sehingga performa mesin
meningkat.
1.2 Tujuan
1. Tujuan
Untuk mengetahui performansi dan kinerja mesin diesel yang
berteknologi Commonrail VN turbo intercooler pada seri Toyota
Fortuner tipe 2KD-FTV VN Turbointercooler.
1.3 Batasan Masalah
Mengingat begitu luasnya cakupan mesin diesel, maka masalah yang akan
dibahas dalam Skripsi ini adalah performansi pada mobil Toyota Fortuner
tipe 2KD-FTV VN Turbo mesin diesel yaitu sebagai berikut:
1. Mesin yang digunakan sebagai objek dalam analisa performansi ini
adalah motor diesel empat langkah Toyota Fortuner tipe 2KD-FTV VN
turbo.
2. Analisa performasi yang dilakukan didahului dengan analisa secara
termodinamika kemudian dilanjutkan dengan analisa untuk mendapatkan
nilai dari parameter-parameter performasi,diantaranya:
a. Daya
b. Torsi
c. Konsumsi bahan bakar spesifik (Specisific Fuel Consumption)
3. Emisi tidak membahas secara detail tentang emisi gas buang hasil proses
pembakaran.
4. Analisa performansi yang dilakukan dibatasi pada beban kerja dan rpm
yang ditentukan.
1.4 Manfaat
1. Untuk menambah khasanah ilmu pengetahuan dan teknologi terkini di
bidang teknik mesin khususnya otomotif pada mobil Toyota Fortuner
tipe 2KD-FTV VN Turbo intercooler mesin diesel dengan
menguraikannya secara jelas.
2. Untuk mengetahui dan menambah wawasan tetntang performansi dan
kinerja mesin diesel pada mobil Toyota Fortuner tipe 2KD-FTV VN
Turbo Intercooler 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 saja yang menjadi
topik utama dalam skripsi ini.kemudian dilanjutkan dengan tujuan yaitu
apa yang penulis ingin capai atau yamg menjadi target untuk
dipublikasikan.begitu juga manfaat,bahwa karya tulis berupa skripsi
yang baik haruslah bermanfaat bagi masyarakat dan mempunyai nilai
yang positif. Bagian akhir dari bab ini adalah sistematika penulisan
skripsi yang harus diuraikan satu persatu sebagai gambaran singkat
2. Bab II Tinjauan pustaka
Pada bab ini akan dibahas tetntang teori-teori yang berhubungan dengan
judul skripsi. Teori-teori yang di sajikan berupa pengertian kemudian
dilanjutkan dengan rumus-rumus yang akan dihitung nantinya.
Teori-teori tersebut diambil dari berbagai sumber seperti buku bacaan,
browsur-browsur, data dari tempat survai (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 karna itu, dengan membaca bab ini 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 didapatkan. Perhitungan yang dilakukan berlandaskan teori
pada bab II 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 menarik baik
dengan menggunakan tabel atau grafik. Dari tabel atau pun grafik
5. Bab V Kesimpulan dan Saran
Bab ini adalah bab yangg 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 yang penulis anggap penting untuk kemajuan yang lebih
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 yang kerja mekaniknya
diperoleh dari sumber pembakaran gas atau bensin.
Selain dari pada itu, apabila ditinjau dari cara memperoleh sumber energi
termal, jenis mesin kalor dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu:
1. Mesin pembakaran luar (exsternal 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
itusendiri, 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. (Lit.1 Hal. 14)
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
bahanbakar 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
disebut mesin penyalaan kompresi (Compression Ingnition Engines).
Motor diesel memiliki perbandingan kompresi sekitar 11:1 hingga 26:1 jauh
Komsumsi bahan bakar spesifik mesin diesel lebih rendah kira-kira 25%
dibandingkan mesin bensin namum perbandingan kompresinya yang lebih tinggi
menjadikan tekanan kerjanya juga tinggi. (Lit.1 hal.16 )
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 bakar dilakukan oleh percikan bunga api dari antara kedua elektroda busi.
Sehingga mesin besin dikenal dengan sebutan Spark Ingnition Engene.
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 menghasikan
satu tenaga kerja (satu langkah kerja).
2. Motor empat langkah(tak). Pengertian dari motor empat langkah adalah motor
yang pada empat langkah piston (dua putaran engkol) sempurna akan
menghasilkan satu tenaga kerja (satu langkah kerja).
2.2 Motor Diesel
2.21 Sejarah Mesin Diesel
Mesin diesel adalah sejenis mesin pembakaran dalam lebih spesifik lagi
sebuah mesin pemicu kompresi dimana bahan bakranya dinyalakan oleh suhu
tinggi gas yang dikompresikan dan bukan oleh alat berenergi lain seperti busi.
Mesin ini ditemukan pada tahun 1892 oleh Rudolf Diesel yang menerima paten
pada 23 febuari 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
oleh Charles F. Kettering. (Lit.1 hal.18 )
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
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 dikompresikan, suhunya meningkat seperti dinyatakan oleh
Hukum Charles; mesin diesel menggunakan sifat ini untuk menyalakn bahan
bakar. Udara disedot kedalam silinder mesin diesel dan dikompresikan oleh piston
yang merapat, jauh lebih tinggi dari resiko kompresi dari mesin menggunakan
busi. Pada saat piston memukul bagian atas, bahan bakar diesel dipompa keruang
pembakaran dalam tekanan tinggi, melalui nozzle atomisting. 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 kebawah dengan tenaga yang kuat dan
menghasilkan tenaga dalam arah vertikal. Rod penghubung menyalurkan gerakan
ini ke crankshaft yang dipaksa untuk berputar, menghatar tenaga putar di ujung
pengeluaran crankshaft.
Scavengining 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
untuk mengkompres udara yang disedot masuk sangat dibutuhkan dan intercooler
untk mendinginkan udara yang disedot masuk setelah kompresi oleh turbocharger
meningkatkan efisiensi.
Komponen penting dari mesin diesel adalah governor, yang membatasi
kecepatan mesin mengontrol penghantaran 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
dalam ECM/ECU, dia mengontrol jumlah bahan bakar dan waktu melalui aktuator elektronik atau hidrolik untuk mengatur kecepatan mesin.
Mesin diesel tidak dapat berubah beroperasi pada saat silinder dingin.
Beberapa mesin menggunakan pemanasan elektronik kecil di dalam silinder untuk
memanaskan silinder sebelum pemanasan 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
elektronik.
Maka secara ringkas langkah-langkah kerja pada mesin diesel adalah sebagai
berikut:
1. Langkah hisap
Piston bergerak dari TMA (titik mati atas) menuju titik mati bawah (TMB).
Katup isap terbuka, dan katup buang tertutup, karena terjadi tekanan dalam
silinder terjadilah kevakuman pada waktu torak bergerak ke TMB (titik mati atas),
selajutnya campuran udara bahan bakar mengalir kedalam silinder melalui katup
masuk untuk mengisi ruang silinder.
2. Langkah kompresi
Setelah mencapai TMB (titik mati bawah), piston bergerak kembali menuju
TMA (titik mati atas), dam kedua katup dalam keadaan tertutup. Dengan
demikian campuran udara dan bahan bakar yang berada didalam silinder ditekan
dan dimanfaatkan oleh torak yang bergerak ke TMA (titik mati atas), akibatnya
tekanan dan suhu dalam silinder naik sehingga bahan bakar sangat mudah untuk
terbakar.
3. Langkah usaha
Pada saat piston bergerak dari TMA (titik mati atas) menuju TMB (titik mati
bawah), katup hisap dan katup buang tertutup. Sesaat piston menjelang titik mati
atas, injektor menyemprotkan bahan bakar sehingga terjadi pembakaran yang
menyebabkan piston bergerak dari TMA (titik mati atas) ke TMB (titik mati
bawah).
4. Langkah buang
Piston bergerak dari TMB (titik mati bawah) menuju TMA (titik mati atas).
Katup hisap tertutup dan katup buang terbuka. Pada proses ini gas yang terbakar
dibuang oleh dorongan piston ke atas dan selajutnya mengalir melalui katup
buang. Pada posisi ini poros engkol telah berputar dua kali dalam satu siklus dari
empat langkah.
2.2.3.Siklus Ideal Diesel
Pada motor bakar mesin diesel, siklus yang berlangsung pada proses
pembakaran adalah pada tekanan konstan. Pada siklus ini tampak secara jelas dan
titik ke titik yang lain. Dengan memperhatikan gambar dan arah perpindahan
maka kita akan memahami proses yang berlangsung apakah terjadi laju
peningkatan, penurunan atau keadaan stagnan (tetap).
(T)Temperatur
Gambar 2.2. Diagram P – v (a) dan diagram T – s (b)
(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:
)
( 1 6
0 1
6 P v v
W − = − [2.1]
Sumber: (Lit. 5 hal. 93)
Keterangan:
0
P = tekanan pada titik 0 (kPa)
V1 = volume pada titik 1 (m3)
V6 = volume pada titik 6 (m3)
1 6−
W = kerja pada titik 6-1 (kJ)
Po
Entropy (s) 2
1 6
5 4
1
Volume spesifik (v)
Qout
2 3
4 (P) Tekanan
b. Proses 1-2. Langkah kompresi isentropik Semua katup tertutup:
T2 = T1(V1 / V2)k-1 = T1(V1 / V2)k-1 =T1 (rc)k-1 [2.2] P2 = P1(V1 / V2)k = P1(V1 / V2)k = P1(rc)k [2.3]
V2 = VTDC = mmRT2 / P2 [2.4]
Q1-2 = 0 [2.5]
W1-2 = mmR(T2 – T1) / 1- k [2.6]
Sumber: (Lit. 5 hal. 93)
Keterangan:
1
P = tekanan pada titik 1 (kPa)
2
P = tekanan pada titik 2 (kPa)
1
T = temperatur pada titik 1 (K)
2
T = temperatur pada titik 2 (K)
1
V = volume pada titik 1 (m3)
2
V = volume pada titik 2 (m3)
2 1−
W = kerja pada siklus 1-2 (kJ)
R = konstanta gas (kJ/kg.K)
c. Proses 2-3. Tekanan Konstan Panas Masuk (Pembakaran) semua katup tertutup:
Q2-3 = Qin = mf QHVηc = mmCp(T3 – T2) = (ma + mf)Cp(T3 – T2) [2.7]
QHVηc = (AF + 1)Cp (T3 – T2) [2.8]
Q2-3 = Qin = Cp(T3 - T2) = (h3 – h2) [2.9 ]
W2-3 = Q2-3 – (u3 – u2) = P2(V3 – V2) [2.10]
T3 = Tmax [2.11]
Cut of Ratio :
ß = V3 – V2 = T3 / T2 [2.12]
Sumber: (Lit. 5 hal. 93)
Keterangan:
3
P = tekanan pada titik 3 (kPa)
2
3
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 Isentropik atau langkah ekspansi isentropik:
Semua katup tertutup:
Q3-4 = 0 [2.13]
m = massa campuran gas di dalam silinder (kg)
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.
V5 = V4 = V1 = vBDC [2.17]
W4-5 = 0 [2.18]
Q4-5 = Qout = mmCv(T5 – T4) = = mmCv(T1 - T4) [2.19] Q4-5 = Qout = Cv = (T5 – T4) = (u5 – u4) = Cv(T1 – T4) [2.20]
Sumber: (Lit. 5 hal. 93-94)
Keterangan:
4
T = temperatur pada titik 4 (K)
5
T = temperatur pada titik 5 (K)
m
m = massa campuran gas di dalam silinder (kg)
v
c = panas jenis gas pada volume konstan (kJ/kg.K)
5 4−
W = kerja pada titik 4-5 (kJ)
f. Proses 5-6: Tekanan Konstan langkah buang di Po.
Katup buang terbuka.
W5-6 = P0 (V6 – V5) = P0(V6 – V1) [2.21]
Sumber: (Lit. 5 hal. 94)
Keterangan:
0
P = tekanan pada titik 0 (kPa)
5
v = volume pada titik 5 (m3)
6
v = volume pada titik 6 (m3)
6 5−
W = kerja pada titik 5-6 (kJ)
Effisiensi Thermal Siklus Diesel (Eff. Th):
(ηt )DIESEL = [Wnet] / [Qin] = 1 – ([Qout] / [Qin]) [2.22]
2.2.4 Siklus Dual Cycle
Diagram tekanan-volume (P-v) pada motor pembakaran dalam yang aktual
tidak tergambarkan dengan baik melalui siklus Dual cycle. 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 Dual cycle, proses – preoses 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
e. Proses 5-1 adalah diakhiri dengan pelepasan kalor pada volume konstan
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 selama muatan di crankshaft di tolak seimbang untuk mencegah
getaran yang berlebihan. Inline-6 paling banyak di produksi dalam mesin
tugas-medium ketugas-berat meskipun V8 dan staight-4 juga banyak diproduksi.
2.2.6 Kelebihan dan Kekurangan Mesin Diesel
Mesin diesel lebih besar dari mesin bensin dengan tenaga yang sama karena
kontruksi 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 lebih mudah dam 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 modifikasi mesin dengan hanya
menggunakan ongkos dengan biaya murah.
Kekurangan 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 desain kuat untuk menahan kompresi tinggi, begitu juga
akselerasi yang lemot bisa di perbaiki melalui penambahan torbo 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
bakar juga berarti mesin diesel memproduksi karbondioksida yang lebih sedikit.
2.2.7 Prinsip Turbo Intercooler
Prinsip kerja turbo, mengkompresi udara ke mesin untuk meningkatkan
jumlah molekul oksigen yang masuk ke silinder. Tingginya molekul oksigen yang
masuk mendorong tambahan pasokan BBM. Dengan demikian, lebih banyak
BBM yang dibakar, hingga daya yang diproduksi meningkat.
Gambar 2.4 Cara kerja mesin turbo Sumber: Internet prinsip turbo
Tekanan udara yang dikompresi bisa meningkat hingga 8 psi (pounds per
square inch) dibandingkan tekanan normal. Bila tekanan normal di permukaan
laut sebesar 14.7 psi, maka udara yang dikompresi mempunyai tekanan hingga
50% lebih tinggi. Namun tidak berarti power yang dihasilkan meningkat 50%.
Karena ada sebagian daya yang hilang/inefisiensi. Peningkatan daya optimal turbo
bisa 30 / 40 persen lebih banyak. Untuk melakukan kompresi, turbo
memanfaatkan aliran gas buang dari mesin untuk memutar turbin, yang
meneruskan putaran ke kompresor udara. Turbin ini bisa berputar hingga 150,000
putaran tiap menit (rpm) atau 30 kali putaran mesin mobil pada umumnya.
Temperatur perangkat ini juga bisa melesat naik, ketika bersentuhan dengan gas
buang. Dengan kondisi kerja seperti itu, turbo membutuhkan material berkualitas
tinggi dengan pengerjaan super presisi. Sumber: Internet (Prinsip Turbo)
Perangkat turbo dipasang pada exhaust manifold, sedangkan kompresor
udara diletakkan diantara air filter dan intake manifold. Udara yang dikompresi,
tekanan udara yang masuk ruang bakar tinggi, tapi jumlah molekul udara yang
dibutuhkan untuk pembakaran menjadi berkurang.
Oleh karena itu, maka ditambahkan perangkat Intercooler yang berfungsi
mendinginkan udara yang disedot dan dimampatkan olehturbocharger.
Pendinginan diperlukan agar massa udara yang sampai ke ruang bakar lebih
banyak (densitas udara lebih tinggi, khususnya oksigen). Makin banyak masa
udara atau oksigen yang bisa disedot dan kemudian dimampatkan oleh piston,
kemampuan menghasilkan energi juga semakin besar. Khusus saat membakar
diesel yang disemprotkan ke ruang bakar.
Gambar 2.5 Prinsip Mesin Turbo Sumber: Internet (Prinsip Turbo)
Di sisi lain, penggunaan turbo juga menimbulkan kerugian pada mesin.
Pemasangan turbin membuat aliran gas buang menjadi tidak lancar. Mesin juga
harus mengeluarkan tenaga ekstra untuk melawan tekanan balik dari saluran gas
buang.Selain itu gejala knocking/nglitik juga sering ditemui. Ini disebabkan
karena udara kompresi yang bersuhu tinggi ketika masuk ke ruang bakar yang
bertekanan tinggi, bisa memicu pembakaran sebelum busi memercikkan api. Oleh
karena itu, mobil dengan perangkat turbo seringkali membutuhkan BBM dengan
oktan tinggi, guna menghindari gejala knocking. Kini mesin-mesin modern yang
dilengkapi turbo, sudah dilengkapi semacam adjuster yang bisa menyesuaikan
Problem lain yang sering ditemui mobil dengan perangkat turbo adalah
turbo lag. Kondisi ini terjadi karena turbo tidak bisa seketika menghadirkan
tambahan daya saat gas ditekan (turbo baru bekerja pada putaran tertentu). Baru
beberapa detik kemudian tambahan daya bekerja, ditandai dengan melonjaknya
mobil ke depan.Cara untuk meminimalkan efek ini adalah memangkas bobot
komponen yang berputar. Ini membuat turbin dan kompresor lebih mudah
berakselerasi untuk melakukan kompresi. Cara lainnya, dengan menggunakan
material baru seperti ceramic turbine blades. Material baru ini lebih ringan dari
baja, hingga lebih mudah berputar Efek ini nyaris tidak terasa pada mesin dengan
teknologi turbo modern.Kebanyakan turbocharger memiliki wastegate, semacam
katup pengaman yang memungkinkan gas buang menerobos keluar tanpa
melewati turbin. Katup ini bekerja berdasarkan sensor tekanan. Bila tekanan udara
terlalu tinggi, berarti turbin berputar terlalu cepat, maka exhaust gas dibuang
lewat wastegate, hingga rotasi turbin melambat.
Karena turbo bekerja pada kondisi temperatur, kecepatan dan tekanan
tinggi, maka peforma optimum bisa didapat jika alat ini dioperasikan dan dirawat
dengan benar. Kerusakan yang sering terjadi biasanya akibat buruknya lubrikasi,
atau masuknya partikel abrasif pada oli. Sebab lain adalah lolosnya partikel
berukuran besar pada aliran udara yang tersedot masuk. Juga benda-benda yang
tersembur keluar dari exhaust, seperti kerak karbon, serpihan komponen mesin,
dll berperan menimbulkan kerusakan.
Agar turbo bekerja sempurna, maka;
• Turbo harus di service sesuai rentang waktu yang direkomendasikan.
• Gunakan selalu oli yang direkomendasi produsen mobil
• Pilih bengkel yang benar-benar ahli dalam perawatan turbo
• Periksa setiap kebocoran oli, suara-suara aneh dan getaran yang tidak wajar.
• Power kurang, suara keras, asap biru atau hitam, kemungkinan
mengindikasikan masalah pada mesin, bukan turbo
• Panaskan mesin beberapa saat, tunggu temperatur oli mesin mencapai suhu
kerja optimal sebelum menggenjot pedal gas dalam-dalam untuk
mengaktifkan turbo. Jangan memainkan pedal gas, karena kemungkinan
• beberapa saat sebelum mesin dimatikan. Bila mesin dimatikan seketika,
maka pasokan oli mesin ke turbo otomatis terhenti, sementara turbo masih
berputar dengan kecepatan tinggi Ini bisa merusak bearing. Pada
mesin-mesin dengan teknologi turbo terbaru, kejadian seperti itu tidak perlu lagi.
2.2.8 Analisa Termodinamika Motor bakar diesel pada Turbocarjer dan Intercoller
Keterangan:
0 – 1 : Langkah isap tekanan konstan
1 – 2 : Langkah kompresi isentropis
2 – 3a : Proses pembakaran pada volume konstan
3a – 3 : Proses pembakaran pada tekanan konstan
3 – 4 : Langkah ekpansi isentropis
4 – 1 : Langkah buang
4 – 5a : Ekspansi pada pipa gas buang
5a – 5 – 7 – 8 : Energi yang berguna pada turbin
9 – 6 – 7 – 8 : energi maksimum yang mampu menggerakan turbin
P
3a 3
4
1 2
0 5a
5
8
2.2.9 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
Gambar 2.7 Sistem Diagram Common Rail
2.2.10 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
Captiva VCDI lebih terlihat minim asap hitam ketimbang mesin Diesel zaman
dahulu. (Lit. 4 hal. 49 )
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 putaran 4000 Rpm dengan torsi max
320 Nm. Kemudian diikuti pada saat ini oleh Toyota fortuner dengan tenaga 144
PS/3.400 rpm dengan torsi 35 kgm/1600-2.800 rpm dengan putaran mekanisme
katup 4 silinder, 16 katup DOHC, VN turbo intercooler yang akan menghasilkan
tenaga besar namun efisien. (Lit. 4 hal. 51 )
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:
Mep=
dimana:
mep = tekanan efektif rata-rata (kPa)
Vd = volume langkah torak (m3)
2.3.2 Daya Indikator ( Ẃi )
Merupakan daya yang dihasilkan dalam silinder motor sehingga merupakan
basis perhitungan atau penentuan efisiensi pembakaran atau besarnya laju panas
akibat pembakaran di dalam silinder.
Wi= 2.24]
Sumber: ( Lit. 5 hal. 51)
dimana:
Ẃi = daya indikasi (kW)
N = putaran mesin (putaran/detik)
n = jumlah putaran dalam satu siklus, untuk empat tak n = 2 (putaran/siklus)
Wnett = kerja netto (kJ)
2.3.3 Torsi dan Daya
Daya yang dihasilkan suatu mesin pada poros keluarannya disebut sebagai
daya poros (atau bisa dikenal dengan brake power) yang dihitung berdasarkan
rumusan:
Wb = 2π x N x τ [2.25]
Sumber: (Lit. 5 hal 51)
Dimana:
Wb = daya poros (kW)
N = putaran mesin (putaran/ detik)
τ = torsi (Nm)
π = 3,14
seperti yang kita ketahui, dari sejumlah gaya yang dihasilkan mesin, maka
sebagian darinya dipakai untuk mengatasai gesekan/friksi antara bagian-bagian
mesin tyang bergerak, sebagian lagi dipakai untuk mengisap udara dan bahan
2.3.4 Konsumsi bahan bakar (Sfc)
Konsumsi bahan bakar (Sfc) didefenisikan ssebagai jumlah bahan bakar
yang dikonsumsikan persatuan unit daya yang dihasilkan perjam operasi. Secara
tidak langsung komsumsi bahan bakar spesifik merupakan indikasi efesiansi
mesin dalam menghasilkan daya dari pembakaran bahan bakar.
Sfc = mיּf / Wb
dimana :
mיּf =
dimana:
sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (gr/kwh)
mיּf = laju aliran rata-rata bahan bakar (kg/detik)
mf = massa bahan bakar (kg)
ma = massa udara (kg)
Wb = daya poros (kW)
N = putaran mesin (putaran/detik)
2.3.5 Emisi Gas Buang Pada Motor Diesel
Pada prektek pembakaran dalam motor tidak pernah terjadi dengan
sempurna meskipun sudah dilengkapain dengan kontrol yang canggih. Pada motor
diesel, bedarnya 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 kecil 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
C + ½ O2 → CO
Dengan kata lain, emisi CO dari kendaraan banyak dipengaruhi oleh
perbandingan campuran antara udara dengan bahan bakar yang masuk ke ruang
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
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
buang diesel sebagian besar berupa partikulat dan berada pada dua fase yang
abu, bahan aditif, bahan korosif, keausan metal, dan fase cair terdiri dari minyak
pelumas yang 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.
Gambar 2.8. Pembentukan Soot Particle (Lit. 2 hal.12)
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
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
Wb = daya poros (kW)
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 atmosfer yang dapat dihisap masuk kedalam volume satuan yang
sama.
ηv = ma/ ( ρa x Vd) [2.28]
Sumber: (Lit. 5 hal. 60)
dimana:
v
η = efisiensi volumetrik
a
ρ = massa jenis udara (kg/m3)
ma = massa udara (kg)
Vd = volume langkah torak (m3)
2.3.8 Efisiensi Thermal Brake
Efisiensi Thermal Brake (brake thermal eficiency) merupakan
perbandingan antara daya keluaran aktual terhadap laju aliran panas rata-rata yang
dihasilkan dari pembakaran bahan bakar. Efisiensi thermal brake dihitung dengan
menggunakan persamaan berikut:
3600 . .CV mf
PB b = η
dimana:
b η
= Efisiensi termal brake
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat
Survei dan pengumpulan data dilakukan di Auto 2000 Jl. Sisingamangaraja
No.8 Medan pada bulan juni dan juli 2013.
3.2 Bahan dan Alat 3.2.1 Bahan
Bahan yang menjadi objek pengujian pada penelitian ini adalah ruang bakar
atau mesinpada mobil toyota fortuner tipe 2KD-FTV VN Turbo dimana pada saat
adanya pelanggan yang sedang memperbaiki mobil tersebut, maka bersama-sama
dengan pihak Auto 2000 melakukan pengujian akan peforma mesin tersebut dan
kemudian dicatat dan diolah datanya sehingga dapat disimpulkan apakah kondisi
mobil tersebut masih bagus atau tidak.
Adapun spesifikasi mesin dari motor diesel pada mobil toyota Fortuner tipe
2KD-FTV VN Turbo adalah sebagai berikut:
Tipe mesin : 2KD-FTV VN Turbo Intercooler
Mekanisme katup : IL 4 Cyl, 16 Valve DOHC, VN Turbo intercooler
Isi Silinder : 2494 cc
Rasio kompresi : 18.5 : 1
Diameter x langkah : 92.0 x 93.8 mm
Sistem bahan bakar : Common rail Tipe
Daya maksimum : 144 / 3.400 (Ps/rpm)
Torsi maksimum : 35 / 1,600 2,800 (kgm/rpm)
3.2.2 Spesifikasi alat ukur 1. Four gas analyser:
Berguna untuk mengukur kontribusi gas buang yang keluar dari mobil berbahan bakar solar.
Langkah-langkah pemakaian gas analyzer :
1. Hidupkan unit dengan menekan tombol utama ( merah atau hijau ) kearah ON.
2. Tunggu beberapa saat, karena four gas analyser sedang di panaskan.
3. Setelah akhir pemanasan alat, four gas akan melakukan proses ZEROING
beberapa saat untuk self electronic zero calibration dan mengeluarkan gas
bekas sisa yang mungkin tertinggal di dalam unit.
4. Selanjutnya four gas dalam posisi stand by ( kiri atas ada tulisan STOP dan
kanan bawah ada tulisan STOP/RUN : ENTER. Saat stand bay pompa
pengisap diam.
5. Tekan ENTER untuk menjalankan four gas, sehingga unit akan membaca
kandungan gas buang dari knalpot. Jangan lupa masukan selang pengukur di
knalpot selama menjalankan fungsi ini. Jika pada langkah ini timbul tulisan
CHECK EXHOUST PROBE, tekan tombol ESCAPE atau biarkan saja karena
akan hilang sendiri. Pada posisi ini ada tulisan RUN dikiri atas dan tetap ada
tulisan STOP/RUN : ENTER di kanan bawah.
6. Untuk menghentikan langkah diatas ( langkah pengukuran ) tekan tombol enter
lagi sehingga, dikiri atas ada tulisan STOP dan dikanan bawah ada tulisan
ENTER : RESULT.Dari langkah diatas, jika ingin mencetak hasil pengukuran,
7. tekan MENU, pilih PRINT dan pilih LAST PAGE, lakukan dengan menekan
nomor menu yang sesuai. Selanjutnya anda diminta mengisi data bulan, tanggal
dan tahun terus tekan tombol enter or menu. Jika tidak mau mengisi data-data
tersebut anda juga bisa menekan berkali-kali tombol MENU.
8. Apabila four gas akan dihubungkan dengan computer atau ultrascan maka dari
posisi stand by (langkah 4), tekan menu terus pilih SCANNER
COMMUNICATION MODE.
9. Apabila four gas akan diisikan spesifikasi emisi, nama bengkel dll, maka dari posisi stand by ( langkah 4 ), tekan menu terus pilih GAS ANALYZER
Gambar 3.1 Four gas Analyser.
2. Tachometer:
Tachometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan putaran
pada poros engkel / piringan motor atau mesin lainnya. Tachometer
dikendalikan oleh putaran kabel dari sebuah unit pengendali yang dimasukkan
kedalam mesin (biasanya pada poros engkol) juga ada-biasanya pada sistem mesin
diesel sederhana yang menggunakan basis sistem elektris ataupun tanpa sistem
elektrik.
Spesifikasi Tachometer
• Tegangan Listrik: AC 220 VAC 50/60 Hz
• Konsumsi Listrik : 5 Watt
• Tampilan Utama: 5 Digit (0.0001 s/d 20.000 RPM)
• Tampilan Kedua : 5 Digit (0.0001 s/d 20.000 RPM)
• Toleransi Pengukuran : +/- 20 RPM
• Toleransi SCAN : +/- 100 RPM
• Panjang kabel sensor : 400 cm
• Panjang kabel remote : 300 cm
Gambar 3.2 Tachometer 3. Universal Dynamometer Module
Sesuai dengan namanya dynamometer ini menyerap daya yang di ukur
kemudian disebarkan kesekelilingnya dalam bentuk panas karena dynamometer
ini secara khusus bermanfaat untuk pengukuran tenaga atau daya. Cara
menggunakan alat dynamometer ini ialah dengan cara memasang dynamometer di
poros transmisi, maka dynamometer ini akan membaca daya dan torsi pada mesin
tersebut. Dengan spesifikasi alat ukurnya :GuntHamburg dengan Tipe HM 365,
Nominal Power 2,2 Kw dan maksimal 200 Kw.
4. Multimeter
Multimeter berfungsi untuk mengukur tegangan (Voltmeter), arus (Amperemeter), dan resistansi (ohmmeter). Dalam multimeter pemilihan besaran
yang ingin diukur dengan mengatur range selector sesuai dengan keinginan, pada
proses analisa multimeter digunakan untuk melihat hubungan setiap kabel busi,
dan arus listrik yang mengalir ke rotor pada distributor serta kelistrikan lainya.
Speksifikasi multimeter:
DC Volt
• Range : 0.1, 0.5, 2.5, 50, 1000 V
• Accuracy : 3 (1000V: 5)
• Sensitivity : 20 kΩ
AC Volt
• Range : 10, 50, 250, 1000 V
• Accuracy : 4 (1000V : 5 )
• Sensitivity : 9 kΩ
5. Intelligent tester II:
Intelligent tester II berfungsi Untuk mendeteksi adanya kerusakan pada sistim
kontrol electronic ( EFI, ABS, ECT, ITC, Imobilizer, EBD, Airbag, ) Berfungsi
sebagai osiloskop Berfungsi sebagai multitester Untuk menghapus memori
kesalahan pada sistim kontrol ( ECU ) Untuk membaca kondisi kerja mesin
( current data ).
Dan Untuk mengetahui berbagai informasi penting pada saat mesin
dinyalakan seperti tekanan, suhu dalam ruang bakar, tekanan dalam ruang bakar.
I nt e llige nt T e st e r I I
Har dw ar e Configur at ion – Spesifikasi
I t e m s Spe sifik a si
Dim ensions [ m m ] 223 x 145 x 71 Weight [ g] 1300
LCD 5. 7- inch ( 240 x 320 m m ) Color LCD w it h Touch Panel Vehicle I nt erface CAN, I SO9141, KWP2000, J1850
Volt age Probe 1ch ( DC 0 t o 30V, LSB 0. 1V) PC I nt erface CF, USB, RS- 232C
Pow er Supply DC 7 — 32V, Pow er Out let Plug, AC Adopt er Bat t ery Li- ion 7. 4V / 1000m Ah
Operat ion Tim e 1. 4 hr / RT ( 2. 0 hr w it h opt ional bat t ery) Tem p. Range 0 t o 45° C: Operat ion
( - 10° C t o 60° C: St orage) Regulat ion CE and UL
Ext ension Oscilloscope
Gambar 3.5. Intelligent tester II
Untuk menyimpan kunci pas, kunci inggris, tang, kunci ring, obeng, kunci L, obeng, dan sebagainya.
Gambar 3.6. Toolbox
3.3 Variabel Riset
Dalam analisa performasi ini, variabel yang digunakan adalah nilai dari
temperatur, tekanan pada ruang bakar, dam perbadingan massa bahan bakar yang
diperoleh dari hasil perhintungan dalam siklus kerja motor diesel Toyota Fortuner
2KD-FTV VN Turbo Intercooler.
3.4 Prosedur Analisa
Dalam pengerjaan analisa performansi ini, penulis membuat diagram alir
untuk dapat mempermudah pengerjaan secara sistematis. Berikut pada Gambar
Gambar 3.7 Diagram Alir Pengerjaan Skripsi
Selesai 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)
