MOTOR BENSIN 125 cc DENGAN INJEKSI BAHAN BAKAR

Nomor Soal : 804 / TA / FT-USD / TM / Agustus / 2007

TUGAS AKHIR

Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana S-1

Program Studi Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin

Diajukan oleh :

Chandra Treliawan Witanto

015214034

Kepada

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2008

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirments To Obtain the Sarjana Teknik Degree

in Mechanical Engineering

By

Chandra Treliawan Witanto Student Number : 015214034

to

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2008

Yang dipersiapkan dan disusun oleh : Nama : Chandra Treliawan Witanto NIM : 015214034

Yogyakarta, 25 Agustus 2008 Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma

Yogyakarta Dosen Pembimbing

Yang dipersiapkan dan disusun oleh : Nama : Chandra Treliawan Witanto NIM : 015214034

Telah dipertahankan di depan dewan penguji pada tanggal 25 Agustus 2008

dan dinyatakan memenuhi syarat

Susunan Dewan Penguji

1. Ketua : Ir. YB. Lukiyanto, M.T.

2. Anggota : Ir. PK. Purwadi, M.T

3. Anggota : Yosef Agung Cahyanta, S.T.,M.T.

Tugas akhir ini telah diterima sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

Yogyakarta, 25 Agustus 2008 Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma

Yogyakarta Dekan

Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma :

Nama : Chandra Treliawan Witanto

Nomor Mahasiswa : 015214034

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :

MOTOR BENSIN 125 cc DENGAN INJEKSI BAHAN BAKAR

Beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolamya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikan di Internet atau media lain untuk kepentingan akademis dengan ijin dari saya maupun memberi royalti kepada saya selama teta mencantumkan nama saya sebagai penulis.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di Yogyakarta

Pada tanggal : 4 Agustus 2008

Yang menyatakan

Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan disuatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Yogyakarta, 25 Agustus 2008

(Chandra Treliawan Witanto)

iv

♦

Tuhan tidak akan membawa aku sejauh ini hanya

untuk meninggalkan aku

♦

Seuntai harapanku mungkin takkan mampu

mewakili diriku, namun seuntai puisi aku harapkan

mampu mengisyaratkan untaian pertemanan kita

yang tiada pernah terputus

♦

Sahabat ibarat satu janji, tak dapat ditulis, tak

dapat dibaca, namun takkan terpisah oleh jarak ,

takkan berubah oleh waktu, dan takkan sirna oleh

jaman

v

I

simply t o:

Tuhan Yesus Kristus yang selalu memberi

kasih, kekuatan, dan membentuk hidupku

menjadi lebih indah. Ajarilah aku untuk selalu

bersyukur atas semua itu.

Gunawan dan Suparnik, terima kasih untuk

doa, dukungan dan kasih sayang serta

perhatian Bapak dan Ibu.

Kakakku yang juga saudara kembarku (Indra)

dan adikku (David) terima kasih atas semua

sayang yang telah mewarnai hari-hari di rumah.

Semua teman-teman seperjuangan disaat-saat

terakhir kita, terima kasih banyak tanpa kalian

mungkin aku tidak akan seperti sekarang ini.

Kalian terbaik buat aku.

vi

Puji syukur kepada Tuhan Yesus atas berkat rahmat dan kasih karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir dengan judul “Motor bensin 125 cc dengan injeksi bahan bakar ”

Penulisan Tugas Akhir ini tidak akan berhasil tanpa bantuan dan dukungan dari berbagai pihak, baik yang secara langsung maupun tidak langsung. Oleh karena itu, penulis menyampaikan banyak terima kasih secara khusus kepada:

1. Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Ir. Greg. Heliarko, SJ., SS., B.ST., MA., M.SC yang telah mendukung pembuatan Tugas Akhir ini dan membimbing saya hingga dapat menyelesaikan studi. 2. I Gusti Ketut Puja, S.T.,M.T. yang telah bersedia menjadi pembimbing

akademik saya selama ini.

3. Dosen pembimbing pertama Tugas Akhir, Yosef Agung Cahyanta S.T., M.T. yang telah memberikan bimbingan dan arahan sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan.

4. Dosen pembimbing Tugas Akhir, Ir. FX. Agus Unggul Santoso yang telah memberikan bimbingan, arahan, masukan dan perbaikan sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan.

vii

7. Bapak dan Ibu, doa dan dukungan bapak dan ibu selau menyertai setiap langkah hidup saya.

8. Semua teman-temanku yang tak dapat kusebut namanya dan juga seluruh teman-teman Teknik Mesin angkatan 2000-2002.

Penulis merasa penelitian ini jauh dari sempurna. Karena itu penulis menerima kritik dan saran yang membangun demi peningkatan dalam penelitian selanjutnya. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih.

viii

Motor bensin adalah mesin yang banyak digunakan dalam kendaraan bermotor sebagai sarana transportasi saat ini. Pada perkembangannya mesin bensin telah menggunakan berbagai macam teknologi untuk memaksimalkan kinerja mesin. Salah satunya motor bensin dengan menggunakan sistem injeksi bahan bakar. Tujuan dari Tugas Akhir ini adalah untuk mengetahui besarnya konsumsi bahan bakar tiap jam, perhitungan elemen-elemen mesin untuk motor bensin 125cc dengan injeksi bahan bakar.

HALAMAN JUDUL ………. i

HALAMAN PENGESAHAN ……….. ii

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA………... iii

HALAMAN MOTTO………... iv

HALAMAN PERSEMBAHAN……….. v

KATA PENGANTAR………. vi

INTISARI……….. viii

DAFTAR ISI………. ix

DAFTAR GAMBAR ……… xi

DAFTAR TABEL………. xi

BAB I PENDAHULUAN……….. 1

1.1 Latar Belakang Masalah………... 1

1.2 Batasan masalah ……… 2

1.3 Tujuan perancangan ……… 2

BAB II DASAR TEORI……….. 3

2.1 Uraian………... 3

2.2 Klasifikasi mesin bensin………... 5

2.2.1 Susunan dan jumlah silinder…………... 5

2.2.2 Sistem pendinginan... 6

2.2.3 Sistem penyalaan... 7

2.2.3.1 Pembakaran... 8

2.2.4 Letak katup... 11

2.2.5 Letak poros nok... 16

2.2.6 Jumlah langkah tiap proses... 17

2.3 Motor otto empat langkah... 18

x

2.3.3 Siklus sebenarnya motor empat langkah... 30

2.4 Sistem pembukaan katup...………. 32

2.4.1 Sistem pengisian dan pembuangan... 33

2.5 Injeksi...………... 36

2.5.1 Kelebihan dan kekurangan injeksi... 39

2.6 Silinder dan kepala silinder... 40

2.6.1 Tebal dinding silinder... 40

2.6.2 Piston dan bahan piston... 41

BAB III PERANCANGAN... 49

3.1 Data awal perancangan...………... 49

3.2 Perhitungan...……….. 49

BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN...……...……. 83

4.1 Kesimpulan...……….... 83

4.2 Saran... 85

xi

Gambar 2.1 Torak dari mekanisme engkol ………. 3

Gambar 2.2 Pendinginan motor...……….. 7

Gambar 2.3 Perjalanan pembakaran dalam silinder...………... 10

Gambar 2.4 Macam–macam susunan katup...………... 15

Gambar 2.5 Letak poros nok pada blok silinder... 17

Gambar 2.6 Letak poros nok overhead cam... 17

Gambar 2.7 Diagram P vs V siklus volume konstan... 19

Gambar 2.8 Prinsip kerja mesin empat langkah... 20

Gambar 2.9 Isi diatas torak pada TMB dan TMA... 24

Gambar 2.10 Diagram PV untuk motor empat langkah... 32

Gambar 2.11 Mekanisme pembukaan katup... 33

Gambar 2.12 Sensor unit dan Thottle Body……….. 38

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Saat pembukaan dan penutupan katup………... 33

Tabel 3.1 Sifat-sifat Udara Pada Tekanan Atmosfer... 51

Tabel 3.2 Komposisi Elementari dan Karakteristik Bahan Bakar... 55

Tabel 3.3 Kapasitas Panas Jenis Molar Gas... 57

Tabel 3.4 Energi Internal Hasil Pembakaran... 59

Tabel 3.5 Faktor Rugi-Rugi Mekanis... 62

Tabel 3.6 Konstanta ... 80

1

1.1. Latar Belakang

Motor bensin adalah salah satu jenis motor pembakaran dalam yang banyak digunakan untuk menggerakkan atau sebagai sumber tenaga dari kendaraan darat. Motor bensin menghasilkan tenaga dari pembakaran bahan bakar di dalam silinder, dimana dengan pembakaran campuran udara dan bahan bakar ini akan menghasilkan panas yang sekaligus akan mempengaruhi gas yang ada di dalam silinder untuk mengembang. Karena gas tersebut dibatasi oleh dinding silinder dan kepala silinder, maka tekanan di dalam silinder akan naik. Tekanan inilah yang kemudian dimanfaatkan untuk menghasilkan tenaga yang akhirnya dapat menggerakkan kendaraan.

Sejalan dengan perkembangan ilmu dan teknologi, banyak terjadi penyempurnaan dan pengembangan baik dengan cara memodifikasi maupun dengan cara penambahan komponen-komponen pendukung pada motor bensin untuk mendapatkan hasil yang lebih maksimum dari motor bensin yang sudah ada sebelumnya. Dewasa ini sudah banyak kendaraan yang menggunakan sistem injeksi bahan bakar sebagai pengganti karburator dengan pertimbangan sebagai berikut :

- Uap bahan bakar akan mengalami kesulitan ketika mengalir melalui belokan dan sudut-sudut tajam dari saluran isap. Dengan sistem injeksi, bahan bakar yang dikabutkan langsung masuk ke dalam saluran isap, karena posisi injeksi lebih dekat dengan katup isap.

- Dengan sistem injeksi bahan bakar yang dikabutkan akan lebih presisi pengaturnya, karena dalam prosesnya sistem ini langsung diatur oleh sensor-sensor sebagai fungsi dari operasi mesin.

1.2. Batasan Masalah

Agar penulisan tidak menyimpang, maka dibuat batasan seperlunya untuk mempermudah analisa masalah, penulis membatasi permasalahan yang dibahas adalah perancangan :

• Mesin yang menggunakan injeksi bahan bakar.

• Perancangan dihitung pada putaran mesin pada daya maksimal, sekitar 7500 rpm.

1.3. Tujuan perancangan

Tujuan dari penulisan / perancangan ini adalah untuk menentukan :

• Menentukan dimensi elemen-elemen mesin.

• Menghitung hasil unjuk kerja mesin pada 7500 rpm.

• Menghitung konsumsi bahan bakar per jam.

2.1. Uraian

Motor atau mesin adalah bagian utama dari suatu alat atau kendaraan yang

menggunakan mesin penggerak. Motor tersebut merubah suatu jenis tenaga

menjadi tenaga mekanik. Karena tenaga yang dihasilkan inilah alat atau kendaraan

dapat bergerak serta dapat mengatasi keadaan, jalan, udara dan sebagainya.

Motor bensin bekerja karena adanya energi panas yang diperoleh dari

pembakaran campuran udara dan bensin. Energi panas tersebut diperoleh dengan

cara sebagai berikut :

Gambar 2-1. Torak dari mekanisme engkol.

Silinder

Torak

Batang torak

Poros engkol

Pada saat torak bergerak keatas, campuran tersebut dikompresikan,

akibatnya terjadilah tekanan dan temperatur yang tinggi. Selanjutnya api dari busi

dipercikkan sehingga mengakibatkan timbulnya energi panas, akibatnya

terdoronglah torak kebawah, menekan batang torak dan menggerakkan poros

engkol. Gerakan turun-naik (bolak-balik) dari torak diubah menjadi gerak putar

oleh poros engkol. Poros engkol dihubungkan dengan roda belakang melalui

sistem pemindah daya, sehingga pada saat poros engkol berputar, roda belakang

juga berputar dan kendaraan bergerak. Perhitungan tenaga yang terjadi dapat

dihitung dengan persamaan : (sumber; Maleev Internal Combustion Engine, hal

553)

n

Δe x ihp x 33000

ΔE= ...(2.1)

Dengan

ihp : gaya indikasi = daya yang diindikasikan (Ni/eff.mekanis)

Ni : 120,5 HP, eff.mekanis mesin = 0,7

ihp : 120,5/ (0,7) = 172,1

n : putaran motor rata-rata = 3000 rpm

Δe : konstanta kelebihan tenaga = 0,03-0,04 (tipe of engine single acting,

vertikal 180o dan 90o) dipilih 0.035

Karena adanya fluktuasi kecepatan, maka perubahan tenaga piston sebesar:

m 2935 / ) n . k . (w

ΔE= 2 2

Dengan

w : berat roda gila

n : putaran motor

m : koefisien kestabilan = 100 (automobile engine–normal speed)

ft lb 16 , 2

500 2

66,25 x 100 x 2935 w.k

2 2

− =

=

Jika diameter roda gila yang direncanakan (drg) = 15 in., maka

2 3125 , 0

2,16 w

maka , 4 drg k

= =

Jika berat jenis bahan = 450 lb/ft3 (sumber ; J. Alferd, Applied Strength Of

Materials, hal 305), maka tebal roda gila.

ρ

. A

w t =

2.2. Klasifikasi Motor Bensin

Motor bakar diklasifikasikan berdasarkan susunan dan jumlah silinder,

sistem pendinginan, sistem penyalaan, letak katup, letak poros nok dan jumlah

langkah per proses.

2.2.1. Susunan dan Jumlah Silinder

Pada umumnya motor penggerak yang digunakan pada kendaraan (sepeda

motor) mempunyai satu silinder tetapi ada pula yang lebih dari satu, misalnya 2,

3, 4 dan 5. Semakin banyak silinder yang dipakai maka getaran yang ditimbulkan

motor akan lebih kecil dibandingkan dengan yang bersilinder sedikit. Hal ini

disebabkan karena motor yang bersilinder banyak pembagian tenaganya lebih

Untuk motor dengan jumlah silinder lebih dari satu, silinder-silinder dari

motor tersebut diatur dengan bermacam posisi atau bentuk, yang pada umumnya

terdiri dari tiga susunan, yaitu :

1. Motor dengan susunan silinder segaris atau sering disebut dengan inline

engine.

2. Motor dengan susunan silinder berbentuk V.

3. Motor dengan susunan silinder berlawanan/horisontal yang sering disebut

pancake engine atau boxer.

Susunan silinder motor segaris membentuk garis lurus satu arah dan sejajar

dengan poros engkol. Motor dengan susunan silinder V, susunan silindernya

membentuk huruf V yang merupakan dua barisan silinder di sisi kiri dan kanan,

dari poros engkol membentuk sudut dari 60 derajat sampai 90 derajat.

Jenis yang ketiga adalah motor dengan susunan silinder berlawanan arah

(pancake) adalah motor dimana susunan silindernya saling belawanan arah satu

sama lain. Motor jenis ini dibuat apabila ruangan vertikal yang ada sempit.

2.2.2. Sistem Pendinginan

Ada dua macam motor dengan klasifikasi sistem pendinginan ini yaitu

pendinginan dengan cairan (Gambar 2.2A) dan pendinginan dengan udara

(Gambar 2.2B). Sistem pendinginan dengan cairan terutama air, pendinginannya

lebih baik dari pada pendinginan dengan udara.

Pendinginan dengan cairan, bagian-bagian yang didinginkan dikelilingi

cairan pendingin. Cairan pendingin ini kemudian menyerap sebagian panas akibat

Untuk motor berpendingin udara, bagian-bagian yang didinginkan hanya

dilewati udara dan udara ini akan akan mengambil sebagian panas. Bagian-bagian

yang didinginkan biasa dilengkapi dengan sirip-sirip untuk memperluas

penampang yang bersinggungan dengan udara sehingga memperbaiki proses

pendinginan.

Gambar 2.2 Pendinginan motor

Sumber : Drs. Wardan Suyanto MA. Teori Motor Bensin, 1989. Halaman 12

2.2.3. Sistem Penyalaan

Ada dua sistem penyalaan yang digunakan untuk menyalakan bahan bakar

didalam silinder (ruang bakar) yaitu dengan bunga api dan dengan udara panas

(udara yang dikompresikan). Motor dengan penyalaan bunga api menggunakan

loncatan bunga api yang dihasilkan oleh busi untuk membakar bahan bakar yang

ada dalam ruang bakar. Motor dengan penyalaan udara panas memanfaatkan

panas udara yang dimampatkan oleh piston pada saat kompresi, udara yang

dimampatkan didalam silinder cukup panas untuk memulai pembakaran bahan

bakar sehingga tidak perlu lagi peralatan pembantu untuk menyalakan bahan

2.2.3.1. Pembakaran

Pembakaran diawali dengan loncatan api busi pada akhir pemampatan.

Pada keadaan biasa kita mendapatkan pembakaran teratur dimana selalu terdapat

dua tahapan ialah bagian yang tidak terbakar dan bagian yang terbakar, keduanya

dibatasi oleh api pembakaran (front api). Suhu pembakarannya berkisar antara

2100 K sampai 2500 K.

Pada pembakaran teratur yang lamanya kira-kira tiga milidetik (0,003 s),

terjadi juga perjalanan tekanan teratur diatas piston dan dalam beberapa kasus,

suhu dari gas yang belum terbakar menjadi terlalu tinggi sehingga dapat

menyebabkan pembakaran sendiri dimana sebagian dari isi silinder terbakar dalam

waktu yang sangat singkat seperti ditunjukkan pada (Gambar 2.3) disebabkan oleh

singkatnya pembakaran, tekanan dalam seluruh ruang bakar tidak sama sehingga

terjadi gangguan keseimbangan, dengan tekanan tinggi setempat.

Pembakaran yang tidak teratur mengakibatkan pembebanan terlalu berat

dari mekanismenya. Gerakan dari gas terhadap logamnya memberi suara seperti

pukulan yang disebut detonasi. Penyebab utama detonasi adalah suhu yang terlalu

tinggi dari gas yang dimanfaatkan atau ruang bakar tidak memenuhi syarat.

Detonasi yang berulang-ulang dalam waktu yang lama dapat merusak

bagian ruang bakar, terutama bagian tepi kepala torak tempat detonasi terjadi. Di

samping itu detonasi mengakibatkan bagian ruang bakar (misalnya busi atau kerak

yang ada) sangat tinggi temperaturnya, atau pijar, sehingga dapat menyalakan

ini dapat mengurangi daya dan efisiensi mesin, sedangkan tekanan maksimum gas

pembakaran juga akan bertambah tinggi.

Detonasi dapat dicegah dengan beberapa cara yaitu :

•Mengurangi tekanan dan temperatur bahan bakar dan udara yang masuk ke

ruang bakar.

•Mengurangi perbandingan kompresi.

•Memperlambat saat penyalaan.

•Mempertinggi angka oktan bensin.

•Pendinginan gas yang belum terbakar.

•Membuat konstruksi ruang bakar yang sedemikian rupa sehingga bagian

yang terjauh dari busi mendapat pendinginan yang lebih baik.

•Menaikkan kecepatan torak atau putaran poros engkol untuk memperoleh

arus turbulen pada campuran di dalam silinder yang mempercepat rambatan

Gambar 2.3 Perjalanan pembakaran normal (a-d) dan selama pembakaran terjadi pembakaran sendiri (e-h)

Sumber : H. Berenschot. Hal. 60

Proses pembakaran dikatakan normal apabila pembakaran didalam silinder

terjadi karena nyala api ditimbulkan oleh percikan bunga-bunga api oleh busi,

dengan bunga api ini proses terbakarnya bahan bakar berlangsung hingga seluruh

bahan bakar yang ada di dalam silinder terbakar habis dengan kecepatan yang

relatif konstan. Proses pembakaran tidak akan terjadi bila tidak ada oksigen di

dalam silinder. Baik buruknya proses pembakaran ditentukan juga oleh banyak

sedikitnya jumlah oksigen yang ada di dalam silinder. Apabila campuran bahan

bakar dan udara yang masuk ke dalam silinder sesuai antara jumlah hidrokarbon

dengan jumlah oksigen (campurannya homogen) maka dimungkinkan terjadinya

2.2.4. Letak Katup

Ada beberapa jenis letak katup atau susunan katup yang dipakai untuk

mengklasifikasikan motor bakar, yaitu : jenis F, I, L, T dan Over Head Cam.

Kecepatan aliran gas buang melalui katup buang dihitung dengan persamaan

(Sumber : N.Petrosvky, Marine Internal Combustion Engines, hal.414).

Wmo =

2 max

a A

Cm×

...(2.2)

Dengan:

Wmo = Kecepatan aliran gas buang

Cm = Kecepatan piston pada putaran maksimum

= 2 . S . n / 60

S = Panjang langkah

n = Putaran maksimum mesin

A = Luasan lubang silinder atau luasan piston

amax2 = Luasan lewat katup buang maksimum untuk 1 buah katup

= π×d_thr×h_max×cosα

hmax = Tinggi angkat maksimum katup

=

(

4×cosα

)

thr

d

α = Sudut dudukan katup = 45o

dthr = Diameter throat katup buang = 22 mm

) cos cos

4 (

60 /

2 2

α α

π

π

× ×

×

× =

thr thr

mo

d d

r n

) 4 (

60 /

2 2

thr thr mo

d d

r n

S W

× × =

π

π

Untuk referensi perhitungan ukuran katup menggunakan diameter throat katup

yang terbesar.

• Diameter throat katup hisap (dthi) = 24 mm

• Diameter throat katup buang (dthr) = 22 mm

Diameter kepala maksimum dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber :

M.Kovakh, hal 523)

th 2 (1,06 1,16)d

d = − ...(2.3)

Jenis F adalah susunan katup mirip dengan bentuk huruf F, dimana satu katup

terletak dibawah dan satu katup yang lain terletak diatas. Jenis I kedua katupnya

berada diatas silinder. Jenis ini biasa dipakai untuk motor dengan kompresi yang

tinggi dan digerakkan dengan satu poros nok. Jenis L di antara ruang bakar

dengan silinder membentuk huruf L dengan susunan katup masuk dan keluar

saling berdampingan pada blok silinder dan hanya pada satu sisi silinder.

Konstruksi ini sangat sederhana namun tidak bisa dipakai pada motor dengan

kompresi yang tinggi. Jenis T adalah mirip dengan jenis L, tetapi katupnya berada

di dua sisi silinder. Luasan lewat katup dihitung dengan persamaan (Sumber :

M.Kovakh, hal 90)

32 10

. 2 , 7 10 . 24 14 ,

3 3 3 Cos

A_is = × − × − × ...(2.4)

Kecepatan masuk udara melalui katup hisap dihitung dengan persamaan (Sumber

: Petrosvky, hal.414)

Wmi =

max

a A

Cm×

...(2.5)

Dengan:

Wmi = Kecepatan aliran masuk katup hisap

Cm = Kecepatan piston pada putaran maksimum

= 2 . S . n / 60

S = Panjang langkah

n = Putaran maksimum mesin

A = Luasan lubang silinder atau luasan piston

amax = Luasan lewat katup isap maksimum untuk 1 buah katup

= π×d_thi×h_max×cosα

hmax = Tinggi angkat maksimum katup

=

(

)

α

cos 4×

thi

d

α = Sudut dudukan katup = 45o

dthi = Diameter throat katup hisap = 24 mm

) cos cos

4 (

2

60 /

2 2

α α

π

π

× ×

× ×

× =

thi thi

mi

d d

r n

S W

) 4 (

2

60 /

2 2

thi thi mi

d d

r n

S W

× ×

× =

π

)

Jenis yang paling banyak digunakan adalah jenis overhead cam dimana

mekanisme penggerak katupnya lebih ringkas dan ketepatan pembukaan dan

penutupannya menjadi relatif lebih tepat karena antara poros nok langsung

menyinggung katup. Poros nok pada overhead cam berada pada kepala silinder.

Diameter kepala minimum dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber :

M.Kovakh, hal 523)

th 1 (0,95 1,0)d

d = − ...(2.6)

Lebar dudukan katup dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber :

M.Kovakh, hal 523)

(

0,10 0,12dth

b= − ...(2.7)

Tinggi bahu kepala dapat dihitung menggunakan persamaan(Sumber : M.Kovakh,

hal 523)

th 1 (0,025 0,045)d

h = − ...(2.8)

Tinggi total kepala dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber : M.Kovakh,

hal 523)

th 2 (0,10 0,13)d

h = − ...(2.9)

Diameter tangkai katup hisap dapat dihitung menggunakan persamaan

thi in (0,18-0,23)d

ds = ...(2.10)

Diameter tangkai katup buang dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber :

M.Kovakh, hal 523)

thr ex (0,22-0,28)d

Tinggi dudukan katup dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber :

M.Kovakh, hal 523)

th s (0,18 0,25)d

h = − ...(2.12)

Diameter dudukan katup dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber :

M.Kovakh, hal 523)

th )d 1,26 -1,2 (

d= ...(2.13)

Gambar 2.4 Macam-macam susunan katup

Sumber : Drs. Wardan Suyanto MA. Teori Motor Bensin, 1989. Halaman 16

Tinggi angkat maksimum katup dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber

: M.Kovakh, hal 89)

α

cos 4

dth h

45

α

i maks(i)

o

= =

...(2.14)

Diameter lingkar pegas dihitung menggunakan persamaan (Sumber : Petrovsky,

hal 414)

r i

dth x 0,7 Dpr

dth x 0,7 Dpi

dth 0,7) (0,6 Dp

= =

− =

2.2.5. Letak Poros Nok

Klasifikasi motor berdasarkan susunan atau letak poros nok (poros kem)

sangat erat hubungannya dengan letak katup. Klasifikasi motor bakar dengan letak

poros nok ini ada dua macam yakni poros nok berada pada blok silinder dan poros

nok yang berada pada kepala silinder (overhead cam). Diameter poros Camshaft

dihitung menggunakan persamaan (Sumber : M.Kovakh, hal 518)

0,35)D (0,28

dcs

93mm

D

− =

=

...(2.16)

Diameter bubungan dihitung dengan persamaan (Sumber : Petrovsky, Marine

Internal Combustion Engine, hal 415)

2)dcs -(1,3

d1= i………...……….………...…(2.17)

Jenis yang pertama, antara poros nok dan katup diperlukan alat bantu yang

berupa tapet, batang penumbuk, dan pelatuk (disebut overhead valve). Dengan

adanya pengantar ini maka akan dapat mempengaruhi ketepatan pembukaan dan

penutupan katup terutama pada putaran tinggi. Diameter kawat pegas dihitung

menggunakan persamaan (Sumber : Petrovsky, hal 414)

Dp 7 1 dp

7dp Dp

10)dp (4

Dp

= =

− =

...(2.18)

Sedangkan pada jenis yang kedua antara poros nok dan katup-katupnya

berhubungan langsung tidak perlu batang penumbuk (disebut overhead cam),

sehingga dapat mengatasi kelemahan pada jenis pertama. Overhead cam biasa

digunakan yaitu Single Overhead Cam (SOHC) dan Double Overhead Cam

(DOHC).

Gambar 2.5 Letak poros nok pada blok silinder

Sumber : Drs. Wardan Suyanto MA. Teori Motor Bensin, 1989. Halaman 18

Gambar 2.6 Letak poros nok overhead cam

Sumber : Drs. Wardan Suyanto MA. Teori Motor Bensin, 1989. Halaman 18

2.2.6. Jumlah Langkah Tiap Proses

Jumlah langkah per proses motor bakar diklasifikasikan menjadi dua yaitu

motor dua langkah (motor dua tak) dan motor empat langkah (motor empat tak).

Pada motor dua langkah untuk menghasilkan satu kali tenaga atau langkah tenaga

diperlukan dua langkah kerja atau dengan kata lain setiap dua langkah dari torak

motor ini menghasilkan satu kali tenaga. Sedangkan pada motor empat langkah

keseluruhan motor empat langkah lebih ekonomis dalam penggunaan bahan bakar

dibanding motor dua langkah, sehingga motor empat langkah lebih banyak

digunakan.

2.3. Motor Otto Empat Langkah

2.3.1. Siklus Ideal Motor Otto Empat Langkah

Proses termodinamika yang terjadi di dalam motor bakar sangat kompleks

untuk di analisis menurut teori. Untuk memudahkan teori tersebut di asumsikan

suatu keadaan yang ideal. Tetapi semakin ideal suatu keadaan, maka akan

semakin jauh menyimpang dari keadaan sebenarnya. Pada umumnya untuk

menganalisis motor bakar digunakan siklus udara sebagai siklus yang ideal. Siklus

udara menggunakan beberapa keadaan yang sama dengan siklus sebenarnya,

misalnya mengenai :

• Urutan proses,

• Perbandingan kompresi,

• Pemilihan temperatur dan tekanan pada suatu keadaan dan,

• Penambahan kalor yang sama per satuan berat udara.

Pada mesin yang ideal proses pembakaran yang dapat menghasilkan gas

bertekanan dan bertemperatur tinggi itu dimisalkan sebagai proses pemasukan

panas ke dalam fluida kerja di dalam silinder.

Siklus udara volume konstan (siklus Otto) dapat digambarkan dengan Grafik

Gambar 2.7 Diagram P vs. V siklus volume konstan

Sumber : Wiranto Arismunandar, Penggerak Mula Motor Bakar Torak, Halaman 15

Keterangan :

P = Tekanan fluida kerja (kg/cm2) V_L = Volume langkah torak (m3atau cm3)

v = volume spesifik (m3/kg) V_s = Volume sisa (m3atau cm3)

m

q = Jumlah kalor masuk (kcal/kg) TMA = Titik Mati Atas

k

q = Jumlah kalor keluar (kcal/kg) TMB = Titik Mati Bawah

Sifat ideal yang digunakan serta keterangan mengenai proses siklusnya

adalah sebagai berikut :

1. Fluida kerja dianggap sebagai gas ideal dengan kalor spesifik yang konstan.

2. Langkah isap (0-1) merupakan proses tekanan konstan

3. Langkah kompresi (1-2) ialah proses isentropik

4. Proses pembakaran pada volume konstan (2-3) dianggap sebagai proses

pemasukan kalor pada volume konstan.

6. Proses pembuangan (4-1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada

volume konstan.

7. Langkah buang (1-0) ialah proses tekanan konstan.

8. Siklus dianggap tertutup, artinya siklus ini berlangsung dengan fluida kerja

yang sama.

2.3.2. Prinsip Kerja Motor Empat Langkah

Motor Otto empat langkah atau motor bensin menghisap campuran udara

dan bensin sebagai bahan bakar pada saat terjadi langkah isap. Terjadi perubahan

tekanan pada proses kerja di dalam ruang di atas piston. Bila piston berada di

TMB, volume ruang ini adalah yang terbesar yaitu V_L +V_s dengan :

L

V = Volume langkah

s

V = Volume ruang sisa

Bila piston berada di TMA, volume ruang di atas piston adalah yang terkecil

yaitu . Mesin bensin empat langkah menjalani satu siklus yang tersusun atas

empat tahap/ langkah seperti Gambar 2.8 berikut: s

V

Gambar 2.8 Prinsip kerja mesin 4 langkah

Keterangan :

KI = Katup Hisap TMA = Titik Mati Atas

KB = Katup Buang TMB = Titik Mati Bawah

a) Langkah hisap

Campuran udara dan bahan bakar dihisap ke dalam ruang bakar. Piston

bergerak dari titik mati atas (TMA) menuju titik mati bawah (TMB). Katup isap

terbuka dan katup buang tertutup. Di dalam silinder terjadi kehampaan akibat

gerakan piston ke bawah tersebut. Tekanan akhir langkah hisap dihitung dengan

persamaan (Sumber:M.Kovach,, hal 88)

Persamaan Bernaulli:

a 2

is is 2

is 2 a

a in 2

in

in in

g.H 2

) (V

ξ

2

) (V

β

ρ

P g.H 2

) (V

ρ

P _{= + = + + +}

Dengan

a in dan ρ

ρ : kerapatan muatan pada saluran isap dan di dalam silinder.

Vin : kecepatan udara pada saluran masuk (m/s)

Vis : kecepatan rata–rata udara selama proses isap pada katup isap (m/s)

Hin dan Ha : permukaan referensi ( nol ) dari sumbu saluran isap dan sumbu

katup isap

β :

Vis V_cyl

Vcyl adalah kecepatan udara didalam silinder pada potongan

melintang berdasar pertimbangan.

Diasumsikan Vin = 0, ketinggian Hin = Ha, dan rapat muatan segar ketika

melewati saluran hisap diabaikan

(

ρ_in =ρ_a

)

, maka persamaan diatas menjadi: (Sumber : Kovakh hal 88)

(

+

)

×⎜⎜_⎝⎛ ⎟⎟_⎠⎞

+ =

2 V 2

a a

in

in 2

is

ρ

P

ρ

P

is ξ β

Persamaan kontinuitas untuk potongan melintang dari saluran isap dan bagian

silinderpersamaan (Sumber : Kovakh hal 89)

Vis . Ais = Vpmax . Ap

Dengan

Ais : luasan lewat katup (m2)

Vpmax : kecepatan piston maksimum (m/s)

Ap : luasan piston (m2)

Temperatur campuran muatan segar dan gas-gas residu (Ta) pada akhir proses isap

lebih tinggi dibanding temperatur pada saluran isap (Tin), tetapi lebih rendah

dibanding temperatur gas-gas residu (Tres). Temperatur akhir dapat dihitung

dengan persamaan (Sumber : Kovakh hal 93)

Ta =

res res res in

γ

1

T

ΔT T

+ +

+ ϕγ

(K)...(2.19)

res a

res

res o res

P P

P T

T T

− × Δ + =

ε γ

(

)

o

res P

P = 1,1−1,25

Dengan

Tin : temperatur saluran isap

ϕ : koefisien kapasitas gas panas residu = 1

ε : perbandingan kompresi = 9:1

Tres : koefisien kapasitas residu = (750 → 1000) K...(Kovakh hal 92)

res

γ : Koefisien gas buang (0,06→0,10)...(Kovakh hal 91)

Ta : (310 → 350) K...(Kovakh hal 94)

Pada mesin tanpa supercharger, P0 dan T0 menyatakan tekanan dan suhu udara

luar, efisiensi pengisian untuk langkah hisap (ηv) dapat dihitung dengan

persamaan (Sumber : Kovakh hal 96)

)

γ

(1 T

T . P P . 1

ε ε η

res a

in

in a 1

v =ϕ _{− +} ...(2.20)

Tekanan akhir proses pengisapan untuk mesin 4-langkah tanpa supercharging,

dan

o

in P

P = ρ_in =ρ_o. dihitung dengan menggunakan persamaan (Sumber :

Kovakh hal 90)

1. Pin =Po =0,1013Mpa

2. ρ_in =ρ_o udara pada To= 32 oC = 305 K

3 159

,

1 kg m

o =

ρ

3.

(

2 +

)

=2,5−4

is ξ

β

(

)

6

2 2

10 2

−

× × +

−

= is is _o o

a

V P

P β ξ ρ ...(2.21)

Drop pressure yang terjadi (ΔP_a):

a in

a P P

P = −

b) Langkah kompresi

Kedua katup tertutup, piston bergerak menuju TMA. Sesaat sebelum piston

mencapai TMA, bunga api dipercikan oleh busi dan bahan bakar mulai terbakar.

Pembakaran terjadi pada volume hampir tetap (dianggap tetap) sampai tekanan

maksimum. Pembakaran didalam silinder ini sering disebut spark ignition engine.

Bunga api dipercikan dalam ruang bakar sebelum torak mencapai titik mati atas

(TMA), sehingga terjadi pembakaran yang diikuti oleh naiknya energi kalor gas

dalam ruang bakar. Makin kecil ruang terhadap ruang akan semakin besar

pemampatannya, hal ini sangat tergantung pada perbandingan pemampatan

(perbandingan kompresi).

s

V V_L

Pebandingan pemampatan adalah perbandingan antara dua macam volume,

yaitu :

• Volume di atas piston pada kedudukan TMB

• Volume di atas piston pada kedudukan TMA (Gambar 2.9)

Gambar 2.9 Isi diatas torak; torak pada TMB, torak pada TMA Sumber : BPM. Arends, H. Berenschot. Motor Bensin. Halaman 8

Perbandingan pemampatan dinyatakan dengan simbol r, dalam persamaan

s s L

V V V r = +

Tekanan akhir langkah kompresi dihitung dengan menggunakan persamaan:

(Sumber : Kovakh hal 111)

1

n a

com P

P = ×ε (Mpa)...(2.23)

Temperatur akhir langkah kompresi (Tcom) dapat dihitung dengan persamaan

(Sumber : Kovakh hal 111)

1 1−

× = n

a

com T

T ε ...(2.24)

c) Langkah usaha

Setelah mencapai TMA, piston akan didorong oleh gas bertekanan tinggi

menuju TMB. Tekanan mekanis ini diteruskan ke poros engkol. Penghentian

pembakaran gas terjadi pada TMA atau sedikit sesudahnya. Ini disebabkan oleh

pengembangan gas terbesar akibat suhu tertinggi terjadi pada volume terkecil

( ) sehingga piston mendapatkan tekanan terbesar. Sesaat sebelum mencapai

TMB, katup terbuka, gas hasil pembakaran mengalir keluar dan tekanan dalam

ruang bakar turun dengan cepat. c

V

Kebutuhan udara untuk membakar 1 kg bahan bakar dalam massa secara teoritis

dapat dihitung dengan persamaan : (Sumber : Kovakh hal 51)

⎟ ⎠ ⎞ ⎜

⎝

⎛ _{+ −}

= o f

th C H O

a 8

3 8 23 , 0

1

………...………...…..(2.25)

Kebutuhan udara untuk membakar 1 kg bahan bakar dalam mol secara teoritis

dapat dihitung dengan persamaan : (Sumber : Kovakh hal 51)

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜

⎝ ⎛

− + =

32 4 12 209 , 0

1 f

th

O H C

Jumlah udara aktual didalam pembakaran dari 1 kg bahan bakar, dapat dihitung

dengan persamaan (α =1−1.3) : (Sumber : Kovakh hal 52)

th a a = α ………..……….…...…..……….(2.27) th A A = α

Koefisien teoritis dari perubahan molekul (μ_th) dapat dihitung dengan persamaan

: (Sumber : Kovakh hal 595)

2 1 M M th = μ …...………..………….….(2.28)

Koefisien molar aktual (μ) dihitung dengan persamaan : (Sumber : Kovakh hal

596) res res th γ γ μ μ + + = 1 ………...……….……...……(2.29)

Diasumsikan panas terendah dari hasil pembakaran (H_l) = 44 MJ kg.

Jumlah panas yang tidak berkembang dapat dihitung dengan persamaan : (Sumber

: Kovakh hal 596)

(

ΔHl

)

chem =114×10

(

1−α

)

Ath

6

Energi yang dikandung 1 kmol hasil pembakaran pada temperatur maksimum

yang tercapai ( ) dapat dihitung dengan persamaan : (Sumber : Kovakh hal

596) " Z U

(

)

[

]

Energi internal dari 1 mol campuran segar pada langkah akhir kompresi dapat

dihitung dengan persamaan : (Sumber : Kovakh hal 597)

( )

V com com

com c t

U = μ ………...…...(2.31)

Energi internal dari 1 mol hasil pembakaran pada akhir langkah kompresi dihitung

dengan persamaan : (Sumber : Kovakh hal 597)

(

V

)

com com

com c t

U" = μ " ...(2.32)

Dengan:

"

V

c

μ = adalah panas jenis dari hasil pembakaran pada akhir langkah kompresi.

Panas jenis campuran adalah jumlah dari hasil pembakaran komponen individual

dibagi dengan jumlah total hasil pembakaran. Untuk komposisi dasar dari bahan

bakar telah diasumsikan diatas untuk α =1 maka

2

M M

r i

i = dapat dihitung :

(Sumber : Kovakh hal 597)

2

M M

ri = i ………...……….…...…….(2.33)

Dengan menggunakan data dari tabel 3.3 untuk tcom =300 oC maka energi dari

setiap 1 mol pembakaran dapat dihitung (Sumber : Kovakh hal 597)

2 2

2 2 2

2 2 2 " N r O H r H r C r C r c N O H H O CO O CO V × + × + × + × + × = μ ………..………..………….…………(2.34)

Energi yang dikandung 1 kmol hasil pembakaran pada temperatur maksimum

yang tercapai (UZ") dihitung (Sumber : Kovakh hal 597)

Tekanan akhir pada akhir langkah pembakaran dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan (Sumber : Kovakh hal 598)

com com

Z

Z P

T T

P =μ ………...………(2.36)

Rasio penambahan tekanan dapat dihitung (Sumber : Kovakh hal 598)

com Z

P P

=

λ ………..………...…..………(2.37)

Tekanan maksimum pada akhir langkah pembakaran dapat dihitung (Sumber :

Kovakh hal 598)

Z

Z P

P '=0,85× ………..………...………….(2.38)

d) Langkah buang

Piston bergerak dari TMB menuju TMA serta mendorong gas di dalam

silinder ke saluran buang lewat katup buang, tetapi tidak semua gas bekas dapat

dikeluarkan. Ruang bakar yang kecil ( ) atau perbandingan pemampatan yang

besar akan memperbaiki keadaan tersebut. Di samping itu periode overlapping

mempunyai peranan penting. Periode overlapping adalah periode dimana katup

isap dan katup buang terbuka secara bersamaan yang dikarenakan perpanjangan

pembukaan katup selama proses pengisapan dan pembuangan. c

V

Tekanan akhir langkah ekspansi dapat dihitung (Sumber : Kovakh hal 598)

2

n Z b

P P

ε

= ……….…………..(2.39)

Temperatur akhir langkah ekspansi dapat dihitung (Sumber : Kovakh hal 598)

1 2−

= _nZ b

T T

Tekanan rata-rata dapat dihitung (Sumber : Kovakh hal 598)

( )

_⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − − = _{− −} 1 1 1 2 1 2 1 ₁ 1 1 1 1 1 1

1 n n

n a id i n n P P ε ε λ ε ε ………….…………..(2.41)

Tekanan indikasi rata-rata aktual dapat dihitung untuk ϕi =

(

0,92−0,97

)

(Sumber

: Kovakh hal 164)

id i

i P

P =ϕ × ………..……(2.42)

Tenaga yang dihasilkan dapat dihitung (Sumber : Kovakh hal 165)

h i

t P V

W = × ………...………...…..(2.43)

Untuk mesin 4-langkah, daya yang dihasilkan dapat dihitung (Sumber : Kovakh

hal 166)

120

n V i P

N_i = i h ...(2.44)

Pemakaian bahan bakar spesifik dihitung (Sumber : Kovakh hal 599)

th i o V i a P g α ρ η ×

=3600 ...(2.45)

Konsumsi bahan bakar efektif pengereman dihitung (Sumber : Kovakh hal 599)

mech i b g g η = ...(2.46)

Efisiensi indikator dihitung (Sumber : Kovakh hal 599)

l i i H g 3600 = η ...(2.47)

Efesiensi thermal efektif dihitung (Sumber : Kovakh hal 599)

mech i

b η η

η = × ...(2.48)

i i

f g N

g = × ...(2.49)

2.3.3. Siklus Sebenarnya Motor Otto Empat Langkah

Dalam kenyataannya terjadi penyimpangan dari siklus udara (ideal) karena

terjadi kerugian antara lain disebabkan oleh hal berikut :

1. Kebocoran fluida kerja karena penyekatan oleh cincin torak dan katup tidak

sempurna.

2. Pembukaan dan penutupan katup tidak tepat di TMA dan TMB karena

pertimbangan dinamika mekanisme katup dan kelembaman fluida kerja.

Kerugian tersebut dapat diperkecil bila saat pembukaan dan penutupan katup

disesuaikan dengan besarnya beban dan kecepatan torak.

3. Fluida kerja bukanlah udara yang dianggap sebagai gas ideal dengan kalor

spesifik yang konstan selama proses siklus berlangsung.

4. Pada motor bakar torak yang sebenarnya, pada waktu torak berada di TMA,

tidak terdapat proses pemasukan kalor seperti pada siklus udara, kenaikan

tekanan dan temperatur fluida kerja disebabkan oleh proses pembakaran bahan

bakar dan udara di dalam silinder.

5. Proses pembakaran memerlukan waktu (tidak berlangsung sekaligus). Hal ini

mengakibatkan proses pembakaran berlangsung pada volume ruang bakar

yang berubah-ubah karena gerakan torak. Dengan demikian proses

pembakaran harus sudah dimulai beberapa derajat sudut engkol sebelum torak

mencapai TMA dan berakhir beberapa derajat sudut engkol sesudah torak

bergerak kembali ke TMB. Jadi proses pembakaran tidak berlangsung pada

pembakaran sempurna, sehingga daya dan efisiensinya sangat tergantung pada

perbandingan campuran bahan bakar dan udara, kesempurnaan bahan bakar

dan udara tersebut bercampur dan timing penyalaan.

6. Terdapat kerugian kalor yang disebabkan oleh perpindahan kalor dari fluida

kerja ke fluida pendingin, terutama pada langkah kompresi, ekspansi dan pada

waktu gas buang meninggalkan silinder, fluida pendingin diperlukan untuk

mendinginkan bagian-bagian mesin yang menjadi panas akibat proses

pembakaran, untuk mencegah kerusakan pada bagian-bagian mesin tersebut.

7. Terdapat kerugian energi kalor yang dibawa oleh gas buang dari dalam

silinder ke udara luar. Energi tersebut tidak dapat dimanfaatkan untuk

melakukan kerja mekanik.

8. Terdapat kerugian karena gesekan antara fluida kerja dengan dinding

salurannya.

Berdasarkan hal-hal diatas, bentuk Diagram PV dari siklus sebenarnya tidak

sama dengan bentuk diagram siklus ideal. Siklus yang sebenarnya tidak pernah

merupakan siklus volume konstan (untuk motor bensin). Gambar 2.10

Menunjukkan bentuk diagram PV dari sebuah motor torak 4 langkah yang

Gambar 2.10 Hubungan antara diagram pengatur katup dengan grafik tekanan vs volume untuk motor empat langkah.

Sumber : Wiranto Arismunandar. Penggerak Mula Motor Bakar Torak, Halaman 31

2.4. Sistem Pembukaan Katup

Sudah dijelaskan diatas bahwa pada motor bakar torak yang sebenarnya,

katup tidak dibuka dan ditutup sekaligus pada titik matinya. Dengan

menggunakan poros cam, katup itu dibuka dan ditutup secara berangsur-angsur

(Gambar 2.11) tanpa menimbulkan kerugian yang terlalu besar sehingga dapat

menghasilkan kerja per siklus yang maksimum. Hal ini bisa dicapai berdasarkan

eksperimen tetapi pada dasarnya hal itu ditentukan oleh tekanan isap dan tekanan

buang, konstruksi katup dan kecepatan rata-rata torak.

Semua gas pembakaran yang sudah tidak terpakai lagi diusahakan dapat

dikeluarkan selama langkah buang, sedangkan campuran udara dan bahan bakar

diusahakan dapat dimasukkan sebanyak-banyaknya selama langkah isap. Jadi,

bagi setiap mesin itu ditetapkan saat yang tepat kapan katup itu membuka atau

menutup. Tabel 2.1 menunjukkan saat katup isap dan katup buang menutup dan

Gambar 2.11 Mekanisme pembukaan katup

Sumber : Wiranto Arismunandar. Penggerak Mula Motor Bakar Torak, Halaman 12

Tabel 2.1 Saat pembukaan dan penutupan katup isap dan katup buang Sumber : Wiranto Arismunandar. Penggerak Mula Motor Bakar Torak, Halaman 35

2.4.1. Sistem Pengisian dan Pembuangan

• Sistem Pengisian

Sistem pengisian adalah sistem yang berfungsi untuk memungkinkan

mengalirnya campuran udara dan bahan bakar ke dalam silinder, dengan jumlah

mungkin. Panjang bush hisap dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber :

M.Kovakh, hal 523)

s(in) bui (8 10)d

l = − , dipilih 9ds(in) ...(2.50)

Diameter luar bush hisap dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber :

M.Kovakh, hal 523)

s(in) b(ui) (1,4-1,6)d

d = , dipilih 1,5ds(in) ...(2.51)

Bagian-bagian dari sistem pengisian ini adalah penyaring udara, sistem

pengontrol udara, dan saluran pemasukan atau sering disebut dengan intake

manifold.

Diameter alur tempat kunci hisap dapat dihitung menggunakan persamaan

(Sumber : M.Kovakh, hal 523)

s(in) kki 0,7d

d = ...(2.52)

Tebal piringan katup hisap dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber :

Petrovsky, hal 414)

maksimum) diambil

(dth

σ

P dth x 5 , 0

δ

b z

i= ...(2.53)

Sistem pemasukan bahan bakar ke dalam silinder ada dua macam yaitu

dengan menggunakan karburator atau dengan injeksi pada venturi, dan sistem

injeksi bahan bakar yang menyemprotkan bahan bakar dilakukan pada daerah

• Sistem Pembuangan

Sistem pembuangan adalah sistem untuk mengalirkan gas bekas pembakaran

dari dalam silinder ke udara luar dengan tanpa mengurangi tenaga yang dihasilkan

motor dan tidak mengganggu lingkungan baik yang berupa polusi suara maupun

polusi udara.

Panjang bush buang dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber :

M.Kovakh, hal 523)

s(ex) bur 9d

l = ...(2.54)

Diameter luar bush buang dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber :

M.Kovakh, hal 523)

s(ex) b(ur) 1,5d

d = ...(2.55)

Agar sistem pembuangan tidak mempengaruhi daya motor, maka

diusahakan tidak ada tekanan balik yang akan menghambat keluarnya gas bekas

dari dalam silinder. Karena jika gas bekas tersebut terhambat dan tidak terbuang

seluruhnya maka akan mengurangi ruangan untuk gas baru yang masuk ke dalam

silinder, dengan demikian berarti akan mengurangi efisiensi volumetrik motor.

Jika efisiensi volumetrik menurun maka daya motor juga akan menurun.

Gas buang yang akan dikeluarkan dari silinder mempunyai tekanan dan

temperatur tinggi sehingga apabila langsung dibuang ke udara bebas terdapat

banyak hal yang merugikan. Diantaranya akan menimbulkan suara ledakan yang

keras disebabkan gas buang yang masih panas mengalami ekspansi mendadak

Jumlah udara yang digunakan mesin akan bertambah besar, mengecil atau

bahkan setimbang terhadap perhitungan teoritisnya, tergantung pada tipe tiap

susunan campuran bahan bakar dan udara. Perbandingan jumlah udara yang ikut

terbakar bersama bahan bakar terhadap perhitungan teoritisnya disebut koefisien

kelebihan udara (α)

α = 1 disebut campuran setimbang (Stoikiometris).

α < 1 disebut campuran kaya

α > 1 disebut campuran miskin

Dalam perhitungan dan , diasumsikan bahwa udara mengandung

20,9 % O2 dari basis volum dan 23 % dari basis massa.

th

a A_th

2.5. Injeksi

Injeksi adalah sistem suplai bahan bakar dengan menggunakan teknologi

kontrol secara elektronik (Electronic Control Module atau ECM) yang mampu

memasok campuran bahan bakar dan udara secara optimum yang dibutuhkan

mesin dalam setiap keadaan (kondisi) secara terprogram. Sistem injeksi terdiri

atas komponen seperti pompa bahan bakar (Fuel Pump Module), penyaring bahan

bakar (Fuel Suction Filter), pengatur tekanan (Pressure Regulator), injektor,

modul kontrol mesin (Engine Control Module), dan Thorttle Body.

Cara kerja sistem ini adalah dengan memberikan tekanan bahan bakar yang

ada di dalam tangki bahan bakar yang kemudian yang diatur oleh pengatur

tekanan yang kemudian dipompa dan dialirkan ke dalam injektor oleh fuel pump.

Sedang fuel injector sendiri berfungsi menyemprotkan bahan bakar ke throttle

dikirim oleh sensor-sensor dari sistem kontrol unit (ECM). ECM sendiri berfungsi

mengatur keluarnya bahan bakar di injektor Kerja ECM ini dikontrol oleh

Malfunction Indicator Lamp (MIL) yang berfungsi sebagai indikator saat terjadi

kerusakan pada sistem injeksi. Throttle body terintegrasi dengan sensor unit

mesin, seperti :

• Sensor MAP (Manifold Absolute Pressure), yang berfungsi untuk

mendeteksi tekanan pipa saluran masuk (inlet pipe intake).

• Sensor TP (Throttle Position), yang berfungsi untuk mendeteksi sudut

bukaan katup throttle.

• Sensor IAT (Intake Air Temperature), yang berfungsi untuk mendeteksi

temperatur pada pipa saluran masuk.

• Sensor BAS (Bank Angle Sensor), yang berfungsi untuk mendeteksi sudut

kemiringan sepeda motor (untuk safety).

• Sensor EOT (Engine Oil Temperature), yang berfungsi untuk mendeteksi

suhu oli mesin.

Sensor-sensor ini dapat dilihat seperti pada gambar dibawah :

Gambar 2.12 Sensor unit dan Thottle Body

Ada dua jenis sistem injeksi bahan bakar untuk motor bensin berdasarkan

posisi injektornya, yaitu :

1. Multipoint fuel injection atau Port fuel-injection (PFI), dimana injektor

terletak di atas lubang isap (intake port) pada setiap silindernya.

2. Single point fuel injection atau disebut juga Throttle body fuel injection

(TBI), dimana injektor dipasang sebelum saluran isap yaitu di atas katup

throttle.

Kelebihan PFI dibandingkan dengan TBI adalah distribusi campuran udara

dan bahan bakar yang lebih seragam untuk masing-masing silinder, respon

terhadap perubahan posisi throttle lebih cepat, dan lebih akurat dalam mengatur

jumlah bahan bakar yang diinjeksikan sesuai dengan kondisi operasi. Dengan

demikian prestasi mesin menjadi lebih baik, emisi berkurang, dan pemakaian

bahan bakar lebih irit. Sebaliknya TBI hanya memerlukan lebih sedikit injektor

dan sistemnya lebih sederhana. Dalam sistem ini, distribusi campuran udara dan

bahan bakar sangat dipengaruhi oleh desain saluran isap.

Selain itu berdasarkan metode penyaluran bahan bakar, dikenal juga sistem

sebagai berikut :

- Injeksi kontinyu atau Continuous Injection System (CIS), dimana bahan

bakar diinjeksikan secara kontinyu dengan laju aliran massa yang

terkontrol.

- Injeksi tak kontinyu, dimana bahan bakar diinjeksikan selama selang

Pada umumnya sistem injeksi bahan bakar dikontrol secara elektronik atau

yang kita kenal dengan Electronic Fuel Injection (EFI). Sistem ini dikontrol oleh

Electronic Control Module (ECM) atau disebut juga Electronic Control Unit

(ECU), yaitu berupa chips yang terdiri dari microprosessor dan memory yang

dipasang “on board” pada mobil. ECU ini menerima input berupa sinyal-sinyal

elektronik dari semua sensor dan memprosesnya untuk menentukan jumlah bahan

bakar yang diperlukan dengan mengatur bukaan katup pada injektor. Tujuan

penggunaan dan pengembangan EFI sampai saat ini adalah untuk memperbaiki

prestasi motor bakar dan mengurangi emisi gas buang.

2.5.1. Kelebihan dan kekurangan injeksi

• Kelebihan :

1. Injeksi dapat lebih presisi dalam mengatur jumlah bahan bakar

yang dikabutkan karena cara kerja sistem injeksi ini diatur oleh

sensor-sensor.

2. Dengan menggunakan sistem injeksi, proses pengkabutan bahan

bakar dapat lebih maksimal, karena menggunakan nozzle dan

posisi injektor yang berada dekat dengan katup hisap, sehingga

bahan bakar akan lebih cepat diproses.

3. Dengan sistem injeksi, tingkat efisiensi bahan bakar dapat

diperoleh secara sempurna.

4. Dengan sistem injeksi, prose pencampuran bahan bakar dan udara

yang terjadi di ruang bakar jauh lebih baik, karena besar pasokan

5. Konsumsi bahan bakar lebih baik dan ekonomis daripada model

karburator.

6. Mengurangi emisi gas buang.

• Kekurangan :

1. Saat terjadi kerusakan dari sistem injeksi tersebut, biaya yang

dikeluarkan untuk memperbaiki akan lebih mahal dari sistem

karburator.

2. Secara ekonomis biaya pembuatan kendaraan menjadi lebih mahal.

2.6. Silinder dan Kepala Silinder

Silinder adalah bagian dari motor bakar yang berfungsi sebagai rumah

piston dan merupakan tempat piston bergerak lurus bolak balik. Seluruh proses

siklus motor bakar berlangsung di dalam ruang antara silinder dan kepala silinder.

Silinder dibuat dari besi tuang yang dicetak bersusun sederet segaris

(inline). Konstruksi silinder terdiri dari silinder liner dan rongga air pendingin

(water jacket) yang dicetak menjadi satu kesatuan untuk keempat silinder yang

berjajar segaris dan disebut silinder blok.

2.6.1. Tebal dinding silinder

Tebal dinding silinder dihitung dengan persamaan (Sumber : V.L.Maleev,

hal 411)

16 1 045 ,

0 +

= D

b ...(2.56)

Sedangkan tebal mantel air pendingin dihitung menggunakan persamaan (Sumber

14 1 032 ,

0 +

= D

b ...(2.47)

kemudian kita dapat menentukan tebal rongga antara silinder liner dengan dinding

mantel air dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber : V.L.Maleev, hal

411)

4 1 08 ,

0 +

= D

c ...(2.58)

Untuk menentukan tebal kepala silinder dapat dihitung menggunakan persamaan

(Sumber : M.Kovach, hal 419)

D

t_h =0,09× ...(2.59)

Tebal dinding silinder yang berbatasan dengan mantel air dapat dihitung

menggunakan persamaan (Sumber : M.Kovach, hal 419)

(

D

twj =2,2+ 0,03×

)

...(2.60)

2.6.2. Piston dan bahan piston

Piston merupakan elemen motor bakar yang sangat penting, sesuai dengan

fungsinya:

1. Penghisap campuran bahan bakar dan udara.

2. Memampatkan campuran tersebut yang akhirnya dibakar oleh kompresi.

3. Mendorong sisa hasil pembakaran ke saluran buang.

Kecepatan piston maksimum dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber :

N.Petrosvky, hal 371)

Vp =

30

n S

Melihat fungsi ini, maka piston haruslah dirancang secara khusus. Untuk

menentukan diameter kepala piston dapat dihitung menggunakan persamaan

(Sumber : N.Petrosvky, hal 371)

D

D₁ =(1−0,01) ...(2.62)

Bahan piston harus tahan terhadap perubahan suhu dan tekanan yang

bervariasi dan piston harus ringan. Setelah itu kita dapat menentukan diameter

badan piston dengan menggunakan persamaan (Sumber N.Petrosvky, hal 371)

D

D₂ =(1−0,0018) ...(2.63)

Karena tugasnya yang berat maka piston dilengkapi dengan cincin piston

yang fungsi utamanya adalah menahan kebocoran karena perbedaan tekanan yang

tinggi antara ruang bakar dan ruang engkol sesaat setelah mesin melakukan

langkah pembakaran. Tebal kepala piston dapat dihitung menggunakan

persamaan (Sumber : Lichty, hal 539)

l

Pz D

t₁ = 0,1 /σ ...(2.64)

Kepala piston harus tahan terhadap tegangan yang timbul karena tekanan

gas dan perbedaan temperatur yang cukup tinggi. Tebal sirip-sirip di dalam torak

dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber : V.L.Maleev, hal 499)

1 2

2 1 3 1

t

t ⎟

⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −

= , dipilih (1/3)t1...(2.65)

Piston dibuat dengan menggunakan bahan Alumunium dengan tegangan

tarik maksimum σt = 20000 psi, tegangan lengkung yang diizinkan σl = 5500 psi,

)

)

)

10-6 /oF. Perbedaan suhu puncak tengah piston (T1 = 400 oC). Suhu pinggir piston

(T2 = 250 oC). Maka ΔT = 150 oC = 212,4 oF. Modulus elastisitas E = 6 x 106 psi.

Tebal dinding beralur untuk cincin piston dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan (Sumber : V.L.Maleev, hal 501)

b D

t₃=0,18+(0,03 )+ ...(2.66)

Dengan

b : kedalaman alur cincin piston = 1/64 + tebal cincin

Tebal dinding bagian badan piston dapat dihitung menggunakan persamaan

(Sumber : V.L.Maleev, hal 501)

(

3 4 0,25 0,3t

t = − , dipilih 0,3t3...(2.67)

Karena piston mempunyai jarak tertentu agar piston tidak terlalu berat maka

kita harus mengetahui tinggi piston yang diperlukan dengan menggunakan

persamaan (Sumber : M.Kovach, hal 439)

(

D

H = 0,7−1,3 , dipilih 0,95 D...(2.68)

Sedangkan jarak sumbu pena piston dengan alas piston dapat dihitung

menggunakan persamaan (Sumber : M.Kovach, hal 439)

(

H

H₁= 0,41−0,61 , dipilih 0,55 H

Lalu kita dapat menentukan luasan piston dengan menggunakan persamaan

(Sumber : Kovakh hal 89)

...(2.69) 2

r

A_p =π

Tinggi badan torak dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber : M.Kovach,

)

)

)

(

H

H₂ = 0,68−0,74 , dipilih 0,73 H...(2.70)

Tinggi land teratas dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber : M.Kovach,

hal 439)

(

D

h= 0,06−0,09 , dipilih 0,08 D...(2.71)

Jarak cincin yang satu dengan lainnya dapat dihitung menggunakan persamaan

(Sumber : M.Kovach, hal 439)

(

D

h₁= 0,03−0,05 , dipilih 0,035 D...(2.72)

Lebar cincin piston dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber :

V.L.Maleev, hal 506)

1/2 b w / S ) P . 3 ( D b=

Dengan

Pw : Tekanan antara cincin piston dan dinding silinder

: 3,5 – 6 Psi, diambil 5 Psi

Sb : Tegangan lentur bahan cincin piston

Tebal cincin Piston dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber :

V.L.Maleev, hal 506)

b 0,7 h = ×

Jarak sela cincin piston pada saat belum terpasang dapat dihitung menggunakan

persamaan (Sumber : V.L.Maleev, hal 506)

b 4

i = × ...(2.73)

Jarak sela cincin piston pada saat terpasang dapat dihitung menggunakan

persamaan (Sumber : V.L.Maleev, hal 506)

D 0,002

Diameter luar pena dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber : M.Kovach,

hal 459)

D 0,26

do= × ...(2.75)

Perbandingan diameter luar dan diameter dalam pena dapat dihitung

menggunakan persamaan (Sumber : M.Kovach, hal 459)

0,68 d

d R

o i

d= =

Panjang pena piston dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber :

M.Kovach, hal 459)

D 0,8

lpp = × ...(2.76)

Diameter pena engkol dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber :

V.L.Maleev, hal 541)

3 1 2

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜

⎝ ⎛ =

Ss PL D a

d_cp in ...(2.77)

Dengan:

P = Tekanan akhir pembakaran = 7,320 Mpa = 1061,676Psi

S = panjang langkah = 57,9 mm = 2,279 in

D = diameter silinder = 52,4 mm

a = koefisien pena = 1,35

Ss = tegangan yang diijinkan untuk baja paduan = 18000 psi

Panjang batang piston dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber : V.L.

Maleev, hal 517)

R

⎟ ⎠ ⎞ ⎜

⎝ ⎛ × × = =

gkah Panjanglan R

L

2 1 4 4

Diameter lubang engkol dari hasil perhitungan:

Diameter luar pena piston (do) = 0,787 inci = 20 mm

Diameter lubang besar (dcp) = 1,27 in = 32,258 mm

Pz = 7,320 Mpa = 1061,676 psi

Panjang pena engkol besar dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber :

V.L.Maleev, hal 517)

cp

cp d

l =(1,25−1,5) , dipilih 1,5dcp ...(2.79)

Untuk memudahkan dalam perhitungan awal maka diandaikan poros engkol

sebagai poros yang lurus. Telah didapatkan dari perhitungan di depan.

1. Diameter pena engkol (dcp) = 32,258 mm

2. Panjang pena engkol (lcp) = 48,387 mm

3. Jari-jari engkol (R) = 42,35 mm

Tebal pipi dan lebar pipi dapat dihitung menggunakan persamaan (Sumber : V.L.

Maleev, hal 543)

3 2

0,4d .w

t = ...(2.80)

t 0,4d w

0,4d .w t

2 3 3 2

= =

3 3

6

3 2

2 3

d t 0,4d

d t

0,4d t

= ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜

⎝ ⎛

= ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜

⎝ ⎛

0,4 d t3 = 3×

2 3

t d w=

Panjang poros dudukan poros duduk (l) sama dengan panjang pena engkol dapat

dihitung menggunakan persamaan (Sumber : V.L.Maleev, hal 543)

t

2 l l L

l l

cp cp

+ + = =

PERANCANGAN

3.1Data Awal Perancangan

Jenis kendaraan : Sepeda Motor

Tipe mesin : Mesin Bensin 4 Langkah

Jumlah silinder : 1 Silinder

Volume sillinder : 124,8 cc

Diameter silinder : 52,4 mm

Panjang langkah : 57,9 mm

Perbandingan kompresi : 9,0 : 1

Diameter Throat katup isap : 24 mm

Diameter Throat katup buang : 22 mm

Tinggi angkat katup : 7,2 mm

3.2 Perhitungan

Luasan lewat katup

Luasan lewat katup dihitung dengan persamaan 2.4

32 10

. 2 , 7 10 . 24 14 ,

3 3 3 Cos

A_is = × − × − ×

= 4,601.10-4 (m2)

Luasan piston (Ap)

Luasan piston dihitung dengan persamaan 2.69

2

r

Ap =π

= 3,14 x (26,2.10 )−3 2

Kecepatan piston maksimum

itung dengan menggunakan persamaan 2.61

p

Kecepatan piston maksimum dih

V = 30

n S

=

30 7500 10

. 9 ,

57 −3×

= 14,475 (m/s)

a udara selama proses isap pada katup isap.

ung dengan Kecepatan rata – rat

Kecepatan rata – rata udara selama proses isap pada katup isap dihit

persamaan :

is p p is

A A

× =V V

= 14,475 ₄

-3

10 . 601 , 4

2,1565.10 −

×

= 67,844 (m/s)

s m

Tabel 3.1 Sifat-sifat Udara Pada Tekanan Atmosfer

(Sumber: JP.Hollman, Perpindahan Kalor hal 589)

Tekanan akhir proses pengisapan

itung dengan menggunakan persamaan 2.21 Tekanan akhir proses pengisapan dih

(

)

6

2 2 +

V

ξ β

10 2

−

× × −

= is is _o o