Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik
Jurusan Teknik Mesin
Disusun oleh:
Nama : Hubertus Tri Adi Nugroho
NIM : 025214047
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2007
Presented as particial fulfillment of the requirement As to the Sarjana Teknik Degree
In Mechanical Engineering
by:
Hubertus Tri Adi Nugroho
025214047
Mechanical Engineering Study Program
Mechanical Engineering Department
Science and Technology Faculty
Sanata Dharma University
Yogyakarta
2007
telah ada tidak dihilangkan tetapi akan ditambahkan perangkat oil cooler.Oil
coller adalah pendingin minyak pelumas. Pada naskah ini penulis
membandingkan kebutuhan bahan bakar aktual,perbedaan suhu antara mesin sepeda motor tanpa oil cooler dan dengan oil cooler.
Untuk memasang oil cooler pada sepeda motor, diperlukan perubahan pada saluran minyak pelumas. Perubahan dilakukan dengan membuat jalur baru yang nantinya akan diteruskan ke oil cooler. Saluran minyak pelumas yang dipakai adalah saluran dari pompa oli yang menuju ke kepala silinder. Hal yang terpenting diperhatikan dalam pemasangan adalah perubahan debit minyak pelumas, perubahan yang dilakukan haruslah aman.Debit minyak pelumas harus dapat memenuhi tugas minyak pelumas sebagai fluida pelumas mesin.
Dari percobaan diketahui kebutuhan bahan bakar sepeda motor tanpa oil cooler adalah 0,023 Liter/Km, sedangkan kebutuhan bahan bakar sepeda motor dengan oil cooler adalah 0,021 Liter/Km. Dalam percobaan didapatkan pengurangan penggunaan bahan bakar sebesar 4,3 %. Dan terjadi perubahan suhu minyak pelumas masuk dan keluar oil coller rata-rata sebesar 27,8141 % dan perubahan suhu minyak pelumas di bak transmisi sebesar 8,154516 %.
ini adalah sebagian persyaratan untuk mencapai derajat sarjana S-1 program studi
Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.
Dalam Tugas Akhir ini penulis membandingkan kebutuhan bahan bakar
aktual, antara mesin sepeda motor tanpa oil cooler dan dengan oil cooler.
Penulis menyadari bahwa terselesaikannya Tugas Akhir ini tidak terlepas dari
bantuan banyak pihak, bantuan sekecil apapun dan dalam bentuk apapun yang
sangat berarti bagi terselesaikannya tugas akhir ini.
Oleh karena itu, pada kesempatan ini kami ingin mengucapkan terima kasih
kepada :
1. Ir. Greg. Heliarko, S.J, S.S, B.S.T., M.A., M.Sc. selaku Dekan Fakultas
Sains dan Teknologi.
2. Budi Sugiharto S.T, M.T Kepala Program Studi Teknik Mesin.
3. Yosef Agung Cahyanta S.T, M.T selaku Dosen Pembimbing I.
4. Ir. Fx Agus Unggul .S selaku Dosen Pembimbing II
5. Ayahanda Lucius Sanmuntalip, Ibunda Yosephine Sutini dan segenap
keluarga yang telah memberikan doa dan semangat.
6. Dian Triana yang telah memberikan dorongan mental dan semangat
kepada penulis.
7. Bapak Tri, Staff Sekretariat Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan
Teknologi Universitas Sanata Dharma.
dapat bersama kalian.
9. Serta semua pihak yang telah membantu dalam pembuatan maupun
penyusunan Tugas Akhir ini, yang tidak dapat penulis sebutkan
satu-persatu.
Meskipun penulis sudah dengan maksimal dalam pembuatan Tugas Akhir ini,
namun penulis sadar bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangan. Untuk itu
saran dan kritik yang membangun dari berbagai pihak sangat kami harapkan demi
sempurnanya Tugas Akhir ini. Semoga Tugas Akhir ini berguna bagi mahasiswa
Teknik Mesin dan pembaca lainnya.
Jika ada kesalahan dalam penulisan naskah ini penulis minta maaf yang
sebesar-besarnya, terimakasih.
Yogyakarta, September 2006
Penulis
Lembar Pangesahan ... iii
Daftar Panitia Penguji... iv
Pernyataan...v
Intisari... vi
Kata Pengantar ... vii
Daftar Isi ... ix
Daftar Tabel ... xi
Daftar Gambar... xii
Daftar Notasi ... xiv
BAB I PENDAHULUAN ...1
1.1 Pendahuluan...1
1.2 Batasan Masalah ...2
1.3 Metode Perumusan Masalah ...3
1.4 Metode Penyelesaian Masalah...3
1.5 Metode Pengumpulan Data...4
1.6 Metode Penelitian ...5
1.7 Tujuan Dari Penelitian Tugas Akhir ...5
BAB II DASAR TEORI ...6
2.1 Tinjauan Umum Motor Bakar...6
2.2 Prinsip Kerja Mesin 4 Langkah ...10
2.3 Siklus Thermodinamika ...14
2.4 Oil Cooler (Pendinginan Minyak Pelumas)...18
BAB III PERHITUNGAN KERJA SIKLUS...21
3.1 Data Kendaraan Kondisi Standar...21
3.1.1 Siklus Kerja Motor Bensin ...21
3.2 Proses Penghisapan...24
3.2.1 Tekanan di Dalam Silinder Selama Proses Penghisapan...24
3.2.2 Temperatur Akhir Proses Penghisapan...29
3.4.1 Reaksi Kimia Pembakaran Bahan Bakar dan Udara...33
3.4.2 Koefisien Kelebihan Udara...34
3.5 Langkah Ekspansi ...43
3.5.1 Karakteristik Kerja Motor...44
3.5.2 Pemakaian Bahan Bakar Spesifik ...47
BAB IV METODE DAN DATA PERCOBAAN...49
4.1 Instalasi Oil Cooler...49
4.1.1 Memasang Oil Cooler...49
4.1.2 Debit Minyak Pelumas...50
4.2 Jenis Perpindahan Kalor Umum Pada Keseluruhan Instalasi ...51
4.3 Pelaksanaan Percobaan...52
4.4 Efektifitas dan Efisiensi Thermal Oil Cooler...55
4.5 Efektifitas Bahan Bakar dengan Instalasi Oil Cooler...63
BAB V KESIMPULAN...68
5.1 Kesimpulan………68
5.2 Saran………..69
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
Tabel 3-1 Sifat-sifat udara pada tekanan atmosfer ...28
Tabel 3-2 Komposisi elementary dan karakteristik dari bensin dan solar ...36
Tabel 3-3 Kapasitas molar jenis molar gas (μcV ) pada volume konstan ...39
Tabel 3-4 Energi internal hasil pembakaran (U)...42
Tabel 3-5 Faktor rugi-rugi mekanis ...46
Tabel 4-1 Debit aliran minyak pelumas...50
Tabel 4-2 Data perubahan suhu oli dengan instalasi Oil Cooler ………....55
Tabel 4-3 Data perbedaan suhu masuk dan keluar Oil Cooler.………....56
Tabel 4-4 Prosentase penurunan suhu minyak pelumas pada oil cooler (%)…....57
Tabel 4-5 Data percobaan distribusi suhu oli tanpa oil cooler ...59
Tabel 4-6 Perbedaan suhu oli mesin di bak transmisi dengan oil cooler dan tanpa oil cooler ………...61
Tabel 4-7 Prosentase perbedaan suhu minyak pelumas total dengan instalasi oil cooler ………...62
Tabel 4-8 Konsumsi bahan bakar motor bakar dengan oil cooler………....64
Tabel 4-9 Konsumsi bahan bakar motor bakar tanpa oil cooler …………..…....65
Gambar 2-1 Torak dari mekanisme engkol...7
Gambar 2-2 Posisi titik mati atas dan titik mati bawah ...8
Gambar 2-3 Gambar susunan motor bakar 4 langkah...9
Gambar 2-4 Langkah hisap ...10
Gambar 2-5 Langkah kompresi...11
Gambar 2-6 Langkah usaha ...12
Gambar 2-7 Langkah buang...13
Gambar 2-8 Gambar siklus Otto secara umum ...14
Gambar 3-1 Diagram P-V dan T-S siklus udara konstan...23
Gambar 4-1 Gambar Oil Cooler...52
Gambar 4-2 Gambar pemasangan thermocouple pada percobaan mesin tanpa oil cooler...53
Gambar 4-3 Gambar pemasangan thermocouple pada percobaan mesin dengan oil cooler...54
Gambar 4-4 Grafik Suhu Masuk Oil Cooler...56
Gambar 4-5 Grafik Suhu Masuk dan Keluar Oil Cooler...58
Gambar 4-6 Grafik perbedaan suhu oli mesin keluar, dengan dan tanpa oil Cooler ...60
Gambar 4-7 Grafik perbedaan suhu oli mesin masuk, dengan dan tanpa oil Cooler ...63
Gambar 4-8 Grafik perbedaan jarak tempuh kendaraan,dengan dan tanpa oil Cooler ...66
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 Vcyl
Vcyl adalah kecepatan udara didalam silinder pada potongan
melintang berdasar pertimbangan.
ζis : koefisien tahanan saluran isap berdasarkan pada potongan kecil.
Ais : luasan lewat katup (m2)
Vpmax : kecepatan piston maksimum (m/s)
Ap : luasan piston (m2)
d : diameter throat katup isap (m)
r : jari-jari piston (m)
max
h : tinggi angkat katup maksimum (m)
h : tinggi angkat katup motor standar
α : sudut dudukan katup
S : panjang langkah (m)
N : putaran mesin (rpm)
Tin : temperatur saluran isap
ΔT : penambahan suhu campuran segar karena melewati saluran isap
ϕ : koefisien kapasitas gas panas residu
Tres : koefisien kapasitas residu
res
γ : Koefisien gas buang
th
A : Kebutuhan udara untuk membakar 1 kg bahan bakar dalam mol
"
Z
U : Energi yang dikandung 1 kmol hasil pembakaran pada temperatur
maksimum
Z
ξ : Koefisien pemakaian panas
λ : Rasio penambahan tekanan
Pz’ : Tekanan maksimum pada akhir langkah pembakaran
Tb : Temperatur akhir langkah ekspansi
Pi : Tekanan indikasi rata-rata actual
Wt : Tenaga yang dihasilkan
Ni : daya yang dihasilkan
h
V : volume kerja silinder (Liter)
P
V : kecepatan piston rata-rata (m/s)
mech
η : Efesiensi mekanis
gi : Pemakaian bahan bakar spesifik
gb : Konsumsi bahan bakar efektif pengereman
i
η : Efisiensi indikator
b
η : Efesiensi thermal efektif
gf : Konsumsi bahan bakar perjam
1.1 Pendahuluan
Pemakaian kendaraan bermotor di Indonesia pada masa sekarang merupakan
suatu kebutuhan yang sangat mempengaruhi kehidupan masyarakatnya.
Ketergantungan yang timbul itu dikarenakan perannya yang penting di dalam
berbagai aktivitas. Kendaraan yang paling banyak digunakan adalah transportasi
darat, khususnya kendaraan bermotor. Sepeda motor adalah salah satu jenis
kendaraan bermotor darat yang umum digunakan, begitu pula di Indonesia. Variasi
bentuk dan teknologi yang ditawarkan merupakan pertimbangan pemilihan sepeda
motor. Sepeda motor didesain dengan berbagai teknologi baru agar dapat memenuhi
perannya yang penting di kalangan pemakainya. Tuntutan para pengguna sepeda
motor tidak dapat disamakan, variasi kebutuhan pemakailah yang mempengaruhi
perbedaan inovasi pada tiap jenis sepeda motor.
Teknologi efisiensi dari sepeda motor merupakan salah satu pilihan inovasi
yang berkembang. Kebutuhan bahan bakar minyak bumi yang semakin menipis
dimuka bumi, merupakan alasan yang tepat mengapa efisiensi bahan bakar begitu
berfariasi di berbagai pabrikan sepeda motor. Salah satu cara mengefesiensikan
kebutuhan bahan bakar motor bakar adalah dengan kontrol temperatur dari motor
bakar tersebut. Dengan pengkondisian temperatur yang tepat maka motor bakar dapat
lebih efisien.
Suhu yang tepat adalah suhu dimana temperatur dari ruang bakar pada motor
bakar tidak dapat merubah susunan molekul campuran bahan bakar dengan udara.
Pada kenyataannya campuran bahan bakar dengan udara dapat terbakar sempurna
pada temperatur yang tepat, tergantung pada kualitas dan kuantitas dari campuran
tersebut. Bahkan ada beberapa kasus dimana suhu campuran bahan bakar dengan
udara akan mencapai titik bakar dan akan terbakar dengan sendirinya sebelum
mencapai ruang bakar. Saluran penghantar tersebut sering disebut dengan manifold
atau saluran throat, yaitu saluran antara karburator dengan ruang bakar. Penambahan
temperatur tersebut terjadi karena perpindahan kalor dari ruang bakar yang
bertemperatur tinggi ke saluran throat hisap maupun buang.
Campuran udara dan bahan bakar dapat dikatakan baik jika dapat terbakar
dengan sempurna, tanpa ada bahan bakar yang ikut terbuang keluar. Dengan
membuat pembakaran menjadi sempurna, maka dapat tercapilah keefisienan.
Perubahan tamperatur campuran bahan bakar dengan udara membuat pembakaran
tidak dapat sempurna. Maka dengan menekan perubahan temperatur, banyak
digunakan metode-metode pendinginan. Metode-metode pendinginan itu salah
satunya adalah oil cooler.
1.2 Batasan Masalah
Dalam penelitian tugas akhir ini penulis membatasi masalah dengan
dengan hal-hal yang telah penulis utarakan di sub-bab pendahuluan, penulis memilih
penelitian pengkondisian suhu motor bakar dengan tipe perangkat “oil cooler” .
Sesuai dengan fungsi dari oil cooler yang berhubungan erat dengan
perpindahan kalor, maka penulis juga membatasi masalah. Perhitungan-perhitungan
perpindahan panas tidak dibahas, akan tetapi prinsip-prinsip umumnya akan
dijelaskan. Efektifitas dan efisiensi perpindahan kalor ditampilkan, yang berguna
sebagai angka-angka pembanding.
1.3 Metode Perumusan Masalah
Perumusan masalah pada tugas akhir ini adalah penelitian perbedaan suhu
pelumas dan konsumsi bahan bakar yang ada bila mesin motor bakar dengan oil
cooler dibandingkan dengan mesin motor bakar yang tidak menggunakan oil cooler.
1.4 Metode Penyelesaian Masalah
Metode penyelesaian masalah yang dilakukan oleh penulis dengan cara
menghitung kerja siklus. Penulis juga melakukan penelitian dengan praktek
operasional mesin yang dilakukan di laboratorium menggunakan alat-alat yang
1.5 Metode Pengumpulan Data
Pengumpulan data yang penulis dapat dilakukan dengan berbagai cara
berikut :
1. Metode pengumpulan dari berbagai sumber.
Data yang didapatkan oleh penulis didapatkan dengan cara meminta dari
sumber-sumber yang dapat dipercaya, disini penulis memilih dealer-dealer
resmi Honda sebagai pabrikan dari sepeda motor yang saya teliti. Cara
mendapatkanya dilakukan baik dengan permohonan resmi dan melewati
internet.
2. Metode pengambilan data dan penelitian
Pengambilan data yang dilakukan di laboratorium dilakukan secara langsung,
dengan pengambilan data yang dibatasi sesuai dengan batasan masalah yang
telah diungkapkan diatas.
3. Metode pengembangan dan pelengkap data penelitian
Data-data yang telah didapatkan ternyata masih dapat diperkaya kebali. Cara
pemerkayaan yang dilakukan oleh penulis, didapatkan dari berbagai buku
1.6Metode Penelitian
Metode penelitian yang dilakukan melalui beberapa tahap, tahap-tahap dari
penelitian dapat dilihat dalam Diagram 1.1. berikut ini.
Diagram 1.1. Urutan Penelitian Oil Cooler
1.7 Tujuan Dari Penelitian Tugas Akhir
Penelitian tugas akhir ini bertujuan untuk dapat mengetahui perbedaan
kinerja mesin, yaitu perbedaan unjuk kerja mesin dengan atau tanpa oil cooler.
2.1 Tinjauan Umum Motor Bakar
Motor bakar (thermal engine) adalah mesin yang merubah tenaga panas
menjadi tenaga mekanik. Ada beberapa macam motor bakar yang ada. Mesin
diesel, mesin bensin, mesin turbin dan lain-lain. Mesin-mesin jenis tersebut ada
yang disebut mesin pembakaran luar (external combustion engine), jenis kedua
dan yang paling banyak digunakan disebut dengan mesin pembakaran dalam
(internal combustion engine). Pada kendaraan darat yang paling banyak
digunakan adalah mesin bensin dan mesin solar, alasannya adalah karena dapat
menghasilkan kecepatan tinggi, tenaga yang besar, mudah dioperasikan dan
sedikit menimbulkan bunyi. Pada penelitian ini penulis akan membahas motor
bakar jenis mesin bensin.
Pada mulanya motor bakar bensin yang digunakan oleh sepeda motor
yang ada pada masa sekarang mulai ada pada tahun 1876. Seseorang
berkebangsaan jerman bernama Nicolaus Otto yang menemukannya, namun
sebelumnya, yaitu pada tahun 1860 seorang Perancis bernama Lenoir berhasil
membuat mesin bensin bersiklus dua langkah. Setelah itu berbagai mesin telah
mengalami perbaikan dan penyempurnaan di berbagai bagian dan menurut
fungsinya.
Mari kita perhatikan sekilas bagaimana mesin bensin mengubah bahan
bakar menjadi tenaga. Pada Gambar 2.1. dapat dilihat proses motor bakar,
campuran udara dan bahan bakar dihisap ke dalam silinder. Kemudian
dikompresikan dengan torak dengan bergerak naik. Bila campuran bahan bakar
dengan udara tadi terbakar karena adanya percikan bunga api dari busi yang
panas, maka akan menghasilkan tekanan gas pembakaran yang besar di ruang
bakar. Tekanan gas pembakaran tersebut mendorong torak kebawah, dan itulah
yang menggerakkan torak turun naik dengan bebas didalam silinder. Dari gerak
lurus (naik-turun) torak dirubah menjadi gerak putar pada poros engkol melalui
batang torak. Gerak inilah yang menghasilkan tanaga pada kendaraan.
Gambar 2-1. Torak dari mekanisme engkol. (Sumber : Pedoman Perawatan Kendaraan Astra.)
Pada Gambar 2.2. dapat dilihat posisi tertinggi yang dapat dicapai oleh
torak didalam silinder disebut titik mati atas (TMA),dan posisi terrendah yang
dapt dicapai oleh torak didalam silinder disebut titik mati bawah (TMB). Maka
jarak bergeraknya torak antara TMA dan TMB disebut langkah torak.
Gambar 2.2. Posisi titik mati atas dan titik mati bawah (Sumber : Pedoman Perawatan Kendaraan Astra.)
Campuran udara dan bensin dihisap kedalam silinder dan gas yang telah
terbakar harus keluar, proses ini harus berlangsung secara tetap. Proses menghisap
campuran udara dan bahan bakar ke dalam silinder, mengkompresikan,
membakarnya dan mengeluarkan gas bekas dari silinder, disebut satu siklus.
Sebagai pengetahuan saja ada mesin bensin yang pada satu siklusnya hanya ada
engine) akan tetapi penulis membatasi masalah pada mesin dengan empat
langkah torak (four stroke engine) di tiap siklusnya .
Karakteristik mesin bensin :
1. Kecepatan tinggi dan tenaganya besar.
2. Mudah pengoperasianya.
3. Pembakarannya sempurna karena tidak ada kecenderungan kekurangan
udara pada operasional pembakarannya.
4. Umumnya digunakan untuk kendaraan penumpang dan sepeda motor.
Susunan peralatan motor bakar 4 langkah dapat dilihat pada Gambar 2.3.
2.2 Prinsip Kerja Mesin 4 Langkah
Demikian akan dijelaskan prinsip kerja mesin 4 langkah.
Gambar 2.4. Langkah hisap
(Sumber : WWW.Keveney.com, copyright 2000)
Dalam Gambar 2.4., yaitu proses langkah hisap, campuran bahan bakar
dan udara dihisap kedalam silinder. Katup hisap terbuka sedangkan katup buang
tertutup. Waktu torak bergerak kebawah, menyebabkan ruang silinder menjadi
vakum. Perbedaan tekanan ruang silinder dengan udara luar menyebabkan
Gambar 2.5. Langkah kompresi
(Sumber : WWW.Keveney.com, copyright 2000)
Dalam Gambar 2.5., yaitu proses langkah kompresi, campuran udara dan
bahan bakar dikompresikan. Katup hisap dan katup buang tertutup. Waktu torak
mulai naik dari ttik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA) campuran yang
dihisap tadi dikompresikan. Akibatnya tekanan dan temperaturnya akan naik
sehingga mudah terbakar. Poros engkol berputar satu kali, ketika torak mencapai
Gambar 2.6. Langkah usaha
(Sumber : WWW.Keveney.com, copyright 2000)
Dalam Gambar 2.6., yaitu proses langkah usaha, mesin menghasilkan
tenaga untuk menggerakkan kendaraan. Sesaat sebelum torak mencapai TMA
pada saat langkah kompresi, busi memberi loncatan api pada campuran yang telah
dikompresikan. Dengan terjadinya pembakaran, kekuatan dari tekanan gas
pembakaran yang tinggi mendorong torak ke bawah. Langkah usaha ini yang
Gambar 2.7. Langkah buang
(Sumber : WWW.Keveney.com, copyright 2000)
Dalam Gambar 2.7., yaitu proses langkah buang, gas yang telah terbakar
dibuang dari dalam silinder. Katup buang terbuka, torak bergerak dari TMB ke
TMA, yang akan mendorong gas sisa pembakaran keluar dari silinder. Pada saat
itu torak telah mulai mempersiapkan siklus selanjutnya juga.
Kinerja dari torak yang telah mencapai TMA di langkah buang tersebut
mempersiapkan langkah hisap dari siklus selanjutnya. Poros enkol telah
melakukan dua putaran penuh dalam satu siklus terdiri dari 4 langkah, hisap,
2.3 Siklus Thermodinamika
Sesuai dengan penemu mesin bensin, maka siklus thermodinamika yang
dipakai adalah siklus Otto. Gambar 2.8. adalah siklus Otto ideal.
Gambar 2.8. Gambar siklus Otto secara umum (Sumber : WWW.NASA.com, copyright 2006)
Pada Gambar 2.8. merupakan gambar satu siklus penuh dari siklus Otto,guna
memahami lebih dalam mengenai siklus thermodinamika secara lebih khusus
hukum-hukum Thermodinamika yang terjadi dalam tiap satu siklus Otto. Penjelasan
lebih khusus tersebut dapat dilihat pada pembahasan berikut ini :
1) Piston berada di TMA, lalu katup masuk terbuka dan campuran udara dan
bahan bakar masuk ke ruang bakar. Proses ini berlangsung pada tekanan
tetap dan volume bertambah, disebut juga proses isobar.
2) Piston menuju TMA dan karena adanya pergerakan itu,
menyebabkan campuran udara dan bahan bakar termampatkan. Proses ini
berlangsung pada tekanan yang bertambah besar dan volume yang
3) Percikan api dari busi menyebabkan campuran udara dan bahan bakar
terbakar. Proses ini berlangsung pada tekanan yang bertambah dan volume
tetap, disebut juga isovolume percikan api busi yang tiba-tiba menyebabkan
tekanan menjadi bertambah tiba-tiba juga.
4) Karena tekanan pembakaran maka piston bergerak turun menuju ke TMB.
Proses ini berlangsung pada tekanan yang semakin menurun dan volume
5) Piston berada di TMB, lalu katup buang mulai terbuka dan menyebabkan
tekanan menurun sampai sama dengan tekanan atmosfir. Proses ini
berlangsung pada volume tetap dan tekanan yang menurun.
6) Piston bergerak menuju TMA dan gas-gas sisa hasil pembakaran terdorong
keluar menuju katup buang. Pada proses ini merupakan proses akhir dari
satu buah siklus pembakaran 4 langkah. Proses ini berlangsung pada tekanan
2.4 Oil Cooler ( Pendinginan Minyak Pelumas )
Oil cooler adalah sebuah alat yang berhubungan dengan proses
pendinginan pada mesin-mesin motor bakar. Pada pengertian khususnya oil cooler
memaksimalkan sifat dan kegunaan dari minyak pelumas dengan cara
mendinginkan minyak pelumas.
Selain itu karena peningkatan suhu dari minyak pelumas dapat di turunkan
dengan menggunakan oil cooler, maka kemampuan untuk melumasi
bagian-bagian mesin juga dapat lebih maksimal. Rugi-rugi yang ditimbulkan karena
gesekan antara bagian-bagian dari mesin dapat dikurangi juga. Dengan
mengurangi rugi-rugi tersebut maka dapat juga berpengaruh untuk
mengefisienkan kebutuhan bahan bakar.
Prinsip utama dari oil cooler adalah dengan mengalirkan minyak pelumas
ke dalam saluran pendingin. Minyak pelumas yang ada didalam
saluran-saluran pendingin tadi kemudian terkena aliran fluida yang biasanya berupa udara
mengalir. Panas yang dihasilkan oleh pembakaran motor bakar diterima oleh
minyak pelumas dengan cara perpindahan panas konveksi, karena minyak
pelumas terus mengalir akibat kerja pompa oli. Panas yang diterima oleh minyak
pelumas disalurkan dengan cara perpindahan panas konveksi ke dinding-dinding
bagian dalam saluran pendingin pada oil cooler. Dari dinding bagian dalam
saluran pendingin, panas dialirkan ke dinding bagian luar dengan cara
perpindahan panas konduksi. Dengan adanya sirip-sirip pelepas kalor, maka dari
dengan cara perpindahan panas konduksi. Proses tersebut diakhiri oleh peran
aliran fluida yang mengalir melewati perangkat oil cooler , melepas kalor dengan
proses perpindahan panas konveksi.
Guna dapat dengan mudah memahami proses pendinginan dari oil cooler ,
maka dapat dilihat pada Diagram 2.1. berikut.
Dengan data yang akan didapatkan :
• Data perbedaan suhu antara mesin dengan oil cooler dan tanpa
oil cooler
• Perbedaan konsumsi bahan bakar yang dapat diperoleh karena
efektifitas suhu tambahan yang diberikan oleh oil cooler.
3.1Data Kendaraan kondisi standar Jenis kendaraan : sepeda motor
Tipe mesin : mesin bensin 4 langkah
Jumlah silinder : 1 silinder
Volume sillinder : 156,7 cc = 0,1567 x 10-4 m3
Daya : 13,3 PS / 8.500 RPM
Diameter silinder : 63,50 mm
Panjang langkah : 49,5 mm
Perbandingan kompresi : 9,0 : 1
Diameter Throat katup isap : 28 mm
Diameter Throat katup buang : 26 mm
Tinggi angkat katup hisap : 7,2 mm
3.1.1Siklus Kerja Motor Bensin
Pada umumnya, pada siklus ideal untuk menganalisis motor bakar
dipergunakan siklus udara sebagai siklus ideal.
Dalam analisis siklus udara, khususnya pada motor bakar torak ada tiga
macam analisis, yaitu:
1. Siklus udara volume-konstan (siklus Otto)
2. Siklus udara tekanan-konstan (siklus Diesel)
3. Siklus udara tekanan-terbatas (siklus gabungan)
Dalam pembahasan ini penulis menggunakan siklus Otto volume-konstan
untuk melakukan perhitungan pada motor bensin.
Untuk menjelaskan makna dari diagram P-Vpada motor torak terlebih dahulu
perlu kita pakai beberapa idealisasi, sehingga prosesnya dapat dipahami secara lebih
mudah. Proses yang sebenarnya (aktual) berbeda dengan proses yang ideal yang
tersebut dalam Gambar 3.1. , dimana perbedaan tersebut menjadi semakin besar jika
idealisasi yang digunakan itu terlalu jauh menyimpang dari keadaan yang sebenarnya,
proses siklus yang ideal itu biasa disebut dengan siklus udara, dengan beberapa
idealisasi sebagai berikut:
1. Fluida kerja dalam silinder adalah udara, dimana udara dianggap sebagai gas
ideal dengan konstanta kalor yang konstan.
2. Proses ekspansi dan kompresi berlangsung secara isentropik.
3. Proses pembakaran dianggap proses pemanasan fluida kerja.
4. Pada akhir proses ekspansi, yaitu saat piston mencapai TMB, fluida kerja
didinginkan sehingga tekanan dan suhunya turun mencapai tekanan dan suhu
udara luar (atmosfer).
5. Tekanan fluida kerja di dalam silinder selama langkah buang dan langkah hisap
adalah konstan dan sama dengan tekanan dan suhu udara luar.
Pada gambar (3.1) menunjukkan siklusudara volume konstan (siklus otto):
1. Fluida kerja dianggap sebagai gas ideal dengan kalor spesifik yang konstan
3. Langkah kompresi (1-2) ialah proses isentropic
4. Proses pembakaran volume konstan (2-3) dianggap sebagai proses pemasukan
kalor pada volume konstan.
5. Langkah kerja (3-4) ialah proses isentropic
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, atau gas yang berada di dalam silinder pada titik 1 dapat
dikeluarkan dari dalam silinder pada waktu langkah buang, tetapi pada
langkah isap berikutnya akan masuk sejumlah fluida kerja yang sama.
3.2Proses Penghisapan
Sejumlah muatan udara segar dialirkan saat langkah hisap, hal ini terjadi karena
adanya perbedaan tekanan antara udara luar ( tekanan atmosfer ) dengan tekanan
dalam silinder karena adanya penambahan volume silinder yang disebabkan gerak
langkah piston dari tititk mati atas (TMA) menuju titik mati bawah (TMB).
Pengaliran muatan segar ini melalui saluran hisap dan akan melewati katup
hisap saat terbuka. Katup hisap terbuka beberapa derajat sebelum TMA saat langkah
buang. Saat torak menuju TMB, campuran segar mengalir ke dalam silinder.
Faktor yang mempengaruhi besarnya muatan yang masuk ke dalam silinder:
1. Adanya sisa hasil pembakaran didalam silinder yang mendiami sebagian
volume silinder.
2. Pemanasan campuran udara- bahan bakar oleh permukaan dinding saluran
hisap dan ruang diluar silinder sebesar ΔT yang akan mengurangi
kerapatan campuran.
3.2.1Tekanan di Dalam Silinder Selama Proses Pengisapan
Adanya tahanan/gesekan di dalam saluran isap akan mengurangi jumlah
muatan segar yang terhisap ke dalam silinder karena kerapatan muatan berkurang.
Pengaruh tahanan hidraulik muatan dapat dicari bila diketahui rugi–rugi tekanan
ΔPa dalam sistem hisap atau tekanan Pa pada saat proses penghisapan berakhir.
Tekanan di dalam silinder selama proses pengisian dapat dicari secara tepat bila
Pada mesin 4 langkah saat mencapai kecepatan dan daya rata-rata Pa. Tekanan
akhir langkah hisap dihitung dengan persamaan 3.1 (M.Kovach, Motor Vehicle Engines,
Mir Publishers Moscow, Third Printing 1979, 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 + + + = +
= ...(3.1)
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 Vcyl
Vcyl adalah kecepatan udara didalam silinder pada potongan
melintang berdasar pertimbangan.
ζis : koefisien tahanan saluran isap berdasarkan pada potongan kecil.
Diasumsikan Vin = 0, ketinggian Hin = Ha, dan rapat muatan segar ketika
melewati saluran hisap diabaikan
(
ρin =ρa)
, maka persamaan diatas menjadi:(
+)
×⎜⎜⎝⎛ ⎟⎟⎠⎞ + = 2 V 2 a a in in 2 is ρ P ρ P is ξβ ...(pers 3.2, Kovakh hal 88)
Persamaan kontinuitas untuk potongan melintang dari saluran isap dan bagian
Vis . Ais = Vpmax . Ap...(pers 3.3, Kovakh hal 89)
Dengan
Ais : luasan lewat katup (m2)
Vpmax : kecepatan piston maksimum (m/s)
Ap : luasan piston (m2)
Untuk mesin 4-langkah tanpa supercharging, Pin =Po dan ρin =ρo.
Mpa P
Pin = o =0,1013 α πdh Cos
Ais = max ...(pers 3.4, Petrosvky hal 414) α
πdhCos
Ais = ...(pers 3.4, Petrosvky hal 414)
Ais : luasan lewat katup (m2)
d : diameter throat katup isap (m)
r : jari-jari piston (m)
max
h : tinggi angkat katup maksimum (m)
h : tinggi angkat katup motor standar = 7,2.10−3 m
α : sudut dudukan katup = 45o
S : panjang langkah (m)
n : putaran mesin (rpm)
Luasan lewat katup (Ais):
45 10
. 2 , 7 10 . 28 14 ,
3 3 3 Cos
Ais = × − × − ×
Luasan piston (Ap)
2 r Ap =π
= 3,14 x (31,75.10−3)2
= 3,165.10-3 (m2)
Kecepatan piston maksimum (Vpmax ):
Vp = 30
n S
...(pers 3.6, Kovakh hal 89)
=
30 8500 10
. 5 ,
49 −3×
= 14,025 (m/s)
Kecepatan rata – rata udara selama proses isap pada katup isap (Vis):
is p p is
A A V
V = × ...(pers 3.8, Kovakh hal 89)
= 14,025
4 -3
10 . 476 , 4
3,165.10 −
×
= 99,172 (m/s)
s m
Vis =50−130 ...(batas aman kecepatan udara melalui katup isap, Kovakh hal 90)
Tekanan akhir proses pengisapan (Pa):
1. Pin =Po =0,1013Mpa
2. ρin =ρo udara pada To= 32 oC = 305 K
3
159 ,
1 kg m
o =
ρ ...(tabel A-5 Hollman, hal 589)
3.
(
β2 +ξis)
=2,5−4...(Kovakh, hal 90)Diambil 3,5
(
)
6 2 2 10 2 − × × + − = o is is o a V PP β ξ ρ ...(pers 3.9, Kovakh hal 596)
(
)
62 10 . 159 , 1 2 99,172 5 , 3 1013 ,
0 − × × −
=
a
P
= 0,0814 Mpa
Drop pressure yang terjadi (ΔPa):
a in
a P P
P = −
Δ ...(pers 3.10, Kovakh hal 93)
0814 , 0 1013 , 0 − = ΔPa
= 0,01995 Mpa
3.2.2Temperatur Akhir Proses Pengisapan (Ta):
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).
Ta =
res res res in γ 1 T ΔT T + + + ϕγ
(K)...(pers 3.11, Kovakh hal 93)
res a res res o res P P P T T T − × Δ + = ε
γ ...(pers 3.12, Kovakh hal 97)
(
ores P
P = 1,1−1,25
)
...(pers 3.13, Kovakh hal 93)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)
1013 , 0 2 , 1 0,0814 9 1013 , 0 2 , 1 1000 15 305 × − × × × + = res γ 19894 , 0 32 , 0 × = = 0,06366
Ta =
0,06366 1 1000 06366 , 0 1 15 305 + × × + +
= 360,7 K
Efisiensi pengisian untuk langkah hisap(ηv):
Efisiensi pengisian silinder adalah perbandingan antara jumlah muatan segar
aktual We yang dikompresi di dalam silinder dengan jumlah Wo yang akan diisikan di
dalam volume kerja silinder Vd pada tekanan dan suhu udara luar (p0 dan T0).
Pada mesin tanpa supercarger, p0 dan T0 menyatakan tekanan dan suhu udara
luar. ) γ (1 T T . P P . 1 ε ε η res a in in a 1
0,06366) (1 7 , 60 3 305 0,1013 0,0814 1 9 9 1
ηv = − × × × +
= 0,8131
= 81,31 %
3.3Langkah Kompresi
Temperatur dan tekanan pada akhir langkah kompresi menggunakan eksponen
polytropik (n1), ekponen ini konstan selama proses berlangsung.
n1 = ( 1,3 – 1,37 )……….……...(Kovakh hal 117)
diambil 1,3
Tekanan akhir langkah kompresi (Pcom):
Proses berlangsung secara isentropik, tekanan akhir langkah kompresi
dihitung dengan menggunakan persamaan:
1
n a
com P
P = ×ε (Mpa)...(pers 3.15, Kovakh hal 111)
3 , 1 9 0814 , 0 × = com P
= 1,416 Mpa
Temperatur akhir langkah kompresi (Tcom):
1 1− × = n a com T
T ε ...(pers 3.16, Kovakh hal 111)
1 3 , 1
9 360,7× −
=
com
T
3.4Proses Pembakaran
Proses pembakaran terjadi saat piston berada beberapa derajat sebelum TMA.
Campuran udara dan bahan bakar yang terkurung di dalam ruang bakar dimampatkan
pada saat proses kompresi, sehingga tekanan dan suhu di dalam ruang bakar naik
secara tiba-tiba.
Pada proses pembakaran terjadi pembakaran campuran bahan bakar dan udara
yang unsur utamanya adalah karbon, hidrogen dan oksigen. Udara mengandung 23%
oksigen (O2 ), 76,7% Nitrogen (N2) dalam basis massa, sedangkan dalam basis
volume mengandung 21% Oksigen dan 79% Nitrogen.
Reaksi pembakaran:
1 kg bahan bakar = c kg + h kg + o kg
Dengan:
C = Karbon
H = Hidrogen
3.4.1Reaksi Kimia Pembakaran Bahan Bakar dan Udara Reaksi pembakaran hidrogen:
O H mol 2 h O mol 4 h H kg h : Hidrogen dari (kg) h untuk atau O H mol 2 O mol 1 H kg 4 : mol dalam 36 4 32 4 H kg h : Hidrogen dari (kg) h untuk dan O H 4 36 O kg 4 32 H kg 1 : H (kg) 1 pembakaran untuk O H kg 36 O kg 32 H kg 4 O H 2 O H 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 = + = + = + = + = + = + O H kg h O kg h
Reaksi pembakaran karbon:
CO mol 12 c O mol 24 c C kg c : carbon dari (kg) c untuk atau CO mol 2 O mol 1 C kg 24 : mol dalam CO kg 56 24 c O kg 32 24 c C kg c CO kg 24 56 O kg 24 32 C kg 1 CO kg 56 O kg 32 C kg 24 : atau 2CO O C 2 2 2 2 2 2 2 = + = + = + = + = + = +
.Komposisi bahan bakar:
H = 14,5 %
Kebutuhan udara untuk membakar 1 kg bahan bakar dalam massa secara
teoritis adalah: ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + −
= o f
th C H O
a 8 3 8 23 , 0 1
………...…..(pers 3.18, Kovakh hal 51)
kg ath 96 , 14 145 , 0 8 885 , 0 3 8 23 , 0 1 = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + =
Kebutuhan udara untuk membakar 1 kg bahan bakar dalam mol secara teoritis
adalah: ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + = 32 4 12 209 , 0 1 f th O H C
A …………..………(pers 3.19, Kovakh hal 51)
kmol Ath 516 , 0 4 145 , 0 12 885 , 0 209 , 0 1 = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + =
3.4.2Koefisien Kelebihan Udara
( )
αJumlah 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 kaya
α > 1 disebut campuran miskin
Dalam perhitungan dan , diasumsikan bahwa udara mengandung 20,9
% O
th
a Ath
2 dari basis volum dan 23 % dari basis massa.
Jumlah udara aktual didalam pembakaran dari 1 kg bahan bakar, (α =1−1.3
Kovakh hal 52) adalah:
th
a a
=
α ………..……….(pers 3.20, Kovakh hal 52)
kg a a th 96 , 14 96 , 14 1 = × = × =α th A A =
α …..………...………….(pers 3.21, Kovakh hal 52)
mol A A th 516 , 0 516 , 0 1 = × = × =α
Jumlah total campuran segar udara dan bahan bakar:
kg a G th 96 , 15 46 , 14 1 1 1 = + = + = α
…....…………...……….(pers 3.22, Kovakh hal 53)
th f A M α μ + = 1
1 ………...………...…..(pers 3.23, Kovakh hal 53)
Dengan:
=
f
kmol M 524 , 0 516 , 0 114 1 1 = + =
Tabel 3.2 Komposisi Elementari dan Karakteristik Dari Bensin dan Solar (Sumber: M.Kovakh, Motor Vehicle Engines, hal 64)
Jumlah campuran individu dari hasil pembakaran:
th CO A K M + − = 1 1 42 ,
0 α ……….…...…………....(pers 3.24, Kovakh hal 595)
kmol MCO 0 516 , 0 5 , 0 1 1 1 42 , 0 = × + − × = CO CO M C
M = −
12
2 ………...(pers 3.25, Kovakh hal 595)
kmol MCO 071 , 0 0 12 855 , 0 2 = − = CO
H K M
M = ×
2 ……...………....(pers 3.26, Kovakh hal 595)
Dengan:
=
K koefisien gas buang (0,45 - 0,5) Kovakh, hal 56.
2 2 2 H O H M H
M = − ..………...………..(pers 3.27, Kovakh hal 595)
kmol M H
MHO H
072 , 0 0 072 , 0 2 2 2 = − = − = th N A
M =0,79×α×
2 ……….………...(pers 3.28, Kovakh hal 595)
kmol MN 407 , 0 516 , 0 1 79 , 0 2 = × × =
Jumlah total dari hasil pembakaran (M2) adalah:
kmol M 55 , 0 407 , 0 072 , 0 0 071 , 0 0 2 = + + + + =
Koefisien teoritis dari perubahan molekul (μth):
2 1
M M th =
μ …...……….….(pers 3.29, Kovakh hal 595)
Koefisien molar actual (μ ): res res th γ γ μ μ + + =
1 ………...………(pers 3.30, Kovakh hal 596)
04607 , 1 06366 , 0 1 06366 , 0 049 , 1 = + + = μ
Diasumsikan panas terendah dari hasil pembakaran (Hl) = 44 MJ kg.
Jumlah panas yang tidak berkembang:
(
ΔHl)
chem =114×10(
1−α)
Ath 6……...……….(pers 3.31, Kovakh hal 596)
(
)
( )
kmol MJ Hl chem
0 516 , 0 1 1 114 = × − × = Δ
Energi yang dikandung 1 kmol hasil pembakaran pada temperatur maksimum
yang tercapai (UZ") adalah:
(
)
[
]
(
)
rescom res com res chem l l Z Z U U M H H U γ γ γ ξ μ + + + + Δ − = 1 " 1 " 1
…...……....(pers 3.32, Kovakh hal 596)
Koefisien pemakaian panas (ξZ) = 0,85……….(Kovakh hal 596)
Energi internal dari 1 mol campuran segar pada langkah ahkir kompresi:
( )
V com comcom c t
U = μ ………...(pers 3.33, Kovakh hal 597)
Panas jenis dari campuran segar udara dan bahan bakar (μcV ) diasumsikan
setara dengan udara pada temperatur (t = tcom). Dengan menggunakan tabel 3.3,
Tabel 3.3 Kapasitas Panas Jenis Molar Gas (μcV ) Pada Volume Konstan
(Sumber: M.Kovakh, Motor Vehicle Engines, hal 67)
V c
μ pada t = tcom = 21,206 kj mol C o
maka:
kmol kj Ucom
8 , 6361
300 206 , 21 =
× =
Energi internal dari 1 mol hasil pembakaran pada ahkir langkah kompresi:
(
V)
com comcom c t
Dengan:
"
V c
μ = adalah panas jenis dari hasil pembakaran pada ahkir langkah kompresi.
Panas jenis campuran adalah jumlah dari hasil pembakaran komponen
individual dibagi dengan jumlah total hasil pembakaran. Untuk komposisi elementary
dari bahan bakar telah diasumsikan diatas untuk α=1 maka
2 M M
ri = i dapat dihitung:
2 M M
r i
i = ………...……….(pers 3.35, Kovakh hal 597)
1. rCO =0
2. rCO2 =0,129
3. 0,131 2O =
H
r
4. 0,74 2 = N r 5. 0 2 = H r
Dengan menggunakan data dari tabel 3.3 untuk tcom =300 oC dapat dihitung:
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
…...………..(pers 3.36, Kovakh hal 597)
Energi internal dari hasil pembakaran adalah:
(
)
kmol kj U com 6 , 6981 300 272 , 23 " = × =[
]
(
)
Kmol 501 , 73 06366 , 0 1 6 , 6981 06366 , 0 8 , 6361 06366 , 0 1 524 , 0 0 44000 85 , 0 " = + × + + + − = Z U μEnergi yang dikandung 1 kmol hasil pembakaran pada temperatur maksimum
yang tercapai (UZ") adalah:
(
)
μ μ μ Z Z V Z U T c U " " = =………...………..(pers 3.37, Kovakh hal 597)
27 , 70 04607 , 1 501 , 73 " = = Z U
Dari tabel 3.4 akan diperoleh nilai Tz(suhu akhir pembakaran) dengan α =1
maka nilai Tzadalah:
Tz = 2361,154 oC
Tabel 3.4 Energi Internal Hasil Pembakaran (U)
(Sumber: M.Kovakh, Motor Vehicle Engines, hal 70)
Tekanan akhir pada akhir langkah pembakaran (Pz) adalah;
com com
Z
Z P
T T
P =μ ………(pers 3.38, Kovakh hal 598)
Mpa PZ
596 , 5
416 , 1 3 , 697
304 , 2634 04607
, 1
=
× ×
Rasio penambahan tekanan (λ):
com Z P
P
=
λ ……...………(pers 3.39, Kovakh hal 598)
95 , 3
1,416 5,596
= =
λ
Tekanan maksimum pada akhir langkah pembakaran (Pz’) adalah:
Z
Z P
P '=0,85× ………..….(pers 3.40, Kovakh hal 598)
Mpa PZ
7566 , 4
596 , 5 85 , 0 '
= × =
3.5Langkah Ekspansi
Setelah terjadi proses pembakaran bahan bakar dengan udara karena tekanan
yang sangat kuat, maka dihasilkan tenaga yang mampu mendorong piston dari TMA
ke TMB.
Langkah ini adalah proses perubahan energi panas menjadi energi mekanik.
Karena gerakan piston dari TMA ke TMB, maka volume silinder akan menjadi besar
dan tekanan udara dalam silinder akan menurun.
Proses ekspansi merupakan proses politropik dengan eksponen politropik (n2).
Setelah langkah ekspansi dilanjutkan dengan proses pembuangan, yang diawali saat
katup buang mulai terbuka, eksponen politropik untuk langkah ekspansi yaitu, n2 =
Tekanan akhir langkah ekspansi (Pb): 2 n Z b P P ε
= ……...………...… (pers 3.41, Kovakh hal 598)
Mpa 3599 , 0 9 596 , 5 25 , 1 = = b P
Temperatur akhir langkah ekspansi (Tb):
1
2−
= nZ b
T T
ε ………...………..(pers 3.42, Kovakh hal 598)
K Tb 916 , 1520 9 305 , 2634 1 25 , 1 = = −
3.5.1Karakteristik Kerja Motor Tekanan rata-rata (pi)id untukρ =1:
( )
⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − −= − −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
…... (pers 3.43, Kovakh hal 598)
( )
Mpa 1,001 9 1 1 1 1,33 1 9 1 1 1 1,25 3,95 1 9 9 0,0814 P 1 1,33 1 1,25 1,33 id i = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − × − − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − × − × − × = − −Tekanan indikasi rata-rata actual (Pi):
id i
i P
P =ϕ × ………..……(pers 3.44, Kovakh hal 598)
Mpa 97097 , 1 001 , 1 97 , 0 = × = i P
Tenaga yang dihasilkan (Wt):
h i
t P V
W = × ………..……….(pers 3.45, Kovakh hal 165)
Dengan:
=
i
P tekanan indikasi rata-rata (Pa)
=
h
V volume kerja silinder (m3)
(
)
Nm 75 , 152 0497 , 0 0635 , 0 4 97 , 970 2 = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ × × × = π t WUntuk mesin 4-langkah, daya yang dihasilkan (Ni):
120
n V i P
Ni = i h ...(pers 3.46, Kovakh hal 166)
Dengan:
=
i
P tekanan indikasi rata-rata (MPa)
=
h
V volume kerja silinder (Liter)
Daya Rugi-Rugi Mekanis (Pmech):
Untuk menghitung rugi-rugi mekanis relatif digunakanlah efisiensi mekanis.
Efisiensi mekanis menyatakan perbandingan daya kuda rem dan daya indikasi.
Efisiensi mekanis dihitung dengan menggunakan persamaan 3.47 :
P
mech A B V
P = + × ………....….(pers 3.47, Kovakh hal 598)
Dengan:
=
B dan
A diperolah dari tabel 3.5 (faktor rugi-rugi mekanis)
=
P
V kecepatan piston rata-rata (m/s)
Tabel 3.5 Faktor Rugi-Rugi Mekanis (Sumber: M.Kovakh, Motor Vehicle Engines, hal 203)
Maka dari tabel diperoleh untuk >1 D
S
:
Dengan:
D = diameter piston (m)
S = panjang langkah (m)
78 , 0 5 , 63
5 , 49
Mpa Pmech 22934 , 0 025 , 14 0135 , 0 04 , 0 = × + =
Tekanan efektif rata-rata (Pbe):
mech i
be P P
P = − ………...………...(pers 3.48, Kovakh hal 598)
Mpa 74163 , 0 22934 , 0 97097 , 0 = − = be P
Efesiensi mekanis (ηmech):
i be mech P P =
η ...(pers 3.49, Kovakh hal 598)
7638 , 0 97097 , 0 74163 , 0 = = mech η
3.5.2Pemakaian Bahan Bakar Spesifik Pemakaian bahan bakar spesifik (gi):
th i o V i a P g α ρ η ×
=3600 ...(pers 3.50, Kovakh hal 599)
Konsumsi bahan bakar efektif pengereman (gb): mech i b g g η
= ...(pers 3.51, Kovakh hal 599)
jam kW kg jam kW g gb . 3056 , 0 . 578 , 305 7638 , 0 42 , 233 = = =
Efisiensi indikator (ηi):
l i i H g 3600 =
η ...(pers 3.52, Kovakh hal 599)
3505 , 0 44 411 , 233 3600 = × = i η
Efesiensi thermal efektif (ηb):
mech i
b η η
η = × ...(pers 3.53, Kovakh hal 599)
2678 , 0 7638 , 0 3505 , 0 = × = b η
Konsumsi bahan bakar perjam (gf):
i i
f g N
g = × ...(pers 3.54, Kovakh hal 599)
4.1 Instalasi Oil cooler. 4.1.1 Memasang oil cooler.
Pada sepeda motor yang akan diberi oil cooler ternyata memang sudah
ada jalur oli yang bisa dimanfaatkan. Dengan membuat alur pipa keluar untuk
selanjutnya digunakan mengalirkan oli ke oil cooler. Karena mengalirkan oli
panas maka pipa dan selang yang digunakan haruslah pipa tahan panas.
Langkah pertama adalah membuat lubang pada bak transmisi dengan
menggunakan bor. Tepat pada saluran keluar dari pompa oli, diberi alur yang
nantinya digunakan untuk memasang baut nipple. Baut nipple tersebut yang
nantinya akan disambungkan dengan selang tahan panas. Langkah kedua yaitu
dengan membuat lubang pada jalur oli yang ada di kepala silinder. Seperti langkah
pertama yaitu dengan memasang baut nipple yang akan disalurkan ke selang
tahan panas.
Setelah dua langkah tadi maka pemasangan oil cooler dapat dilakukan
dengan menyambungkan selang dari pompa oli ke dalam oil cooler. Langkah
selanjutnya yaitu dengan menyambungkan selang dari kepala silinder dengan oil
cooler. dengan adanya baut nipple yang telah dipasang maka penyambungan
dapat lebih mudah, agar lebih kuat di tiap-tiap sambungan diberikan penjepit
lingkaran. Dengan instalasi seperti itu, maka minyak pelumas dapat di alirkan
sekaligus didinginkan pada oil cooler.
Dengan pemasangan oil cooler maka terjadi penambahan tempat dari
minyak pelumas. Penambahan tersebut sesuai dengan volume tampung minyak
pelumas di dalam minyak pelumas yaitu sebesar 200 cc. Akibat dari penambahan
tersebut maka daya tampung minyak pelumas sebenarnya dari mesin sebesar 1
Liter (1000cc) harus ditambahkan 200 cc sehingga volume total dari minyak
pelumas menjadi 1200 cc.
4.1.2 Debit Minyak Pelumas.
Dengan memperhatikan keterbatasan daya pompa dari pompa oli, maka
dilakukan pengujian debit oli yang dialirkan. Pengukuran perlu dilakukan karena
adanya rugi-rugi gesekan maupun volume yang ada karena pemasangan oil
cooler. Pengukuran dilakukan pada putaran idle. Dengan cara mengukur
keluarnya oli dari selang sebelum dan sesudah masuk ke oil cooler. Dengan
memembandingkan volume yang didapat dengan waktu, maka dapat diperoleh
debit minyak pelumas yang diperlukan. Demikian data debit yang telah
didapatkan :
Tabel 4.1 Debit aliran minyak pelumas
Kondisi percobaan Debit
Tanpa Oil Cooler 23,9 liter/jam
Dengan Oil Cooler 20,3 liter/jam
Dengan perubahan debit sebesar 3,6 liter/jam didapat dari data
besar, dan keadaan mesin dengan oil cooler layak dipergunakan. Perubahan
tersebut tidaklah terlalu menjadi masalah, karena dengan debit sebesar 20,3
liter/jam sudah cukup untuk melumasi perangkat kepala silinder.
4.2 Jenis Perpindahan Kalor Umum Pada Keseluruhan Instalasi.
Panas yang ada didalam motor bakar tersebut ada karena dalam proses
pembakaran yang terjadi menghasilkan panas yang tinggi. Yang pada umumnya
akan terdistribusi keluar ruang bakar dengan proses perpindahan panas konduki.
Dalam proses pendistribusian panasnya tersebut ada sebagian panas yang di
distribuskan ke fluida pelumas, yang dalam masalah ini adalah pada oli.
Pada instalasi oil cooler ini pada intinya beban dari pendinginan yang
utama adalah pada factor perpindahan kalor konveksi. Baik dengan maupun tanpa
oil cooler proses pendinginan pada mesin adalah mengandalkan pendinginan sirip
yang ada karena adanya kecepatan angin. Perpindahan panas jenis tersebut
dinamakan perpindahan panas konveksi. Pada prosesnya oli dialirkan melalui
selang, proses pengaliran tersebut juga terjadi proses perpindahan panas dari oli
ke dinding selang yang kemudian didistribusikan kembali ke sirip-sirip yang
kemudian bertugas membuang panas ke udara bebas. Proses pendistribusian suhu
Gambar 4.1 Gambar Oil Cooler
Demikian tadi pendistribusian suhu pada instalasi keseluruhan, secara rinci dan
dengan memperhatikan batasan-batasan masalah akan dijelaskan lebih lanjut.
4.3. Pelaksanaan percobaan
Percobaan dilakukan pada suhu ruangan, dan diasumsikan sama dengan
keadaan ideal kendaraan berjalan. Dengan mengukur kecepatan angin pada saat
motor berjalan di angka 4000 rpm, didapatkan kecepatan angin sebesar 10,5 m/s.
Setelah data tersebut didapat maka percobaan yang dilakukan dilaboratorium
dapat menyesuaikan keadaan aktualnya.
Pada percobaan tanpa oil cooler mesin motor dihidupkan dan kemudian
diset dengan mensetting karburator agar mendapatkan putaran mesin 4000 rpm.
kecepatan 10,5 m/s. Dengan menggunakan thermokopel, oli yang masuk ke
kepala silinder diukur suhunya dari waktu ke waktu.
Pada percobaan dengan oil cooler, setelah oil cooler dipasang kemudian
juga diberi hembusan angin dengan kecepatan 10,5 m/s. Tentunya juga setelah
menset putaran mesin sebesar 4000 rpm. dan dengan menggunakan thermokopel
juga suhu masuk dan keluar dari oil cooler didapatkan. Di sini suhu keluar dari oil
cooler juga merupakan suhu masuknya oli ke kepala silinder.
Percobaan dilakukan agar dapat semaksimal mungkin mendekati keadaan
aktualnya.
Gambar 4.2 Gambar pemasangan thermocouple pada percobaan mesin tanpa
Pemasangan thermocouple pada percobaan mesin dengan oil cooler
ditempatkan pada suhu masukkan minyak pelumas ke kepala silinder. Suhu
keluaran dari minyak pelumas dianggap sama dengan suhu minyak pelumas yang
ada di bak transmisi. Dan suhu yang didapatkan merupakan suhu minyak pelumas
mesin tanpa oil cooler.
Gambar 4.3 Gambar pemasangan thermocouple pada percobaan mesin dengan
4.4. Pendinginan minyak pelumas dengan instalasi Oil cooler.
Data percobaan distribusi suhu oli dengan oil cooler dapat dilihat pada
tabel 4.2.
Tabel 4.2. Data perubahan suhu oli dengan instalasi oil cooler.
Pengesetan Mesin Pengesetan Mesin
Dengan Oil Cooler Dengan Oil Cooler
waktu suhu suhu waktu suhu suhu
No detik masuk keluar No detik masuk keluar
1 0 45,8 32.2 26 375 61,3 45.4
2 15 46,2 32.7 27 390 62,3 45.6
3 30 47,1 33.2 28 405 63,4 46.1
4 45 47,8 34.2 29 420 64,2 46.3
5 60 48,3 35.4 30 435 65 46.6
6 75 49 36.1 31 450 65,8 47.3
7 90 49,2 36.9 32 465 66,6 47.7
8 105 49,6 37.4 33 480 67,8 47.8
9 120 50,1 38 34 495 68,7 47.9
10 135 50,4 38.5 35 510 69,5 48
11 150 51 39.1 36 525 70,7 48.3
12 165 51,3 39.6 37 540 71,4 48.5
13 180 51,6 40.2 38 555 72 48.9
14 195 51,9 40.9 39 570 73,2 49.1
15 210 52,3 41.2 40 585 74,1 49.7
16 225 52,7 41.6 41 600 75 49.8
17 240 53,1 42.1 42 615 75,5 49.9
18 255 53,4 42.5 43 630 76,3 50.2
19 270 54,4 42.9 44 645 77,2 50.6
20 285 55,5 43.3 45 660 78,1 51.2
21 300 56,5 43.6 46 675 78,5 51.3
22 315 57,5 44 47 690 79,4 51.3
23 330 58,6 44.3 48 705 80,1 51.4
24 345 59,6 44.6 49 720 80,8 51.4
Grafik suhu minyak pelumas masuk ke kepala silinder dengan instalasi
oil cooler dapat dilihat pada Gambar 4.4.
Waktu vs Suhu
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
0 45
90 135 180 225 270 315 360 405 450 495 540 585 630 675 720
Waktu (s)
S
uhu (
c
e
lc
iu
s
)
Gambar 4.4 Grafik Suhu Masuk Oil Cooler
Tabel 4.3 Data Perbedaan Suhu Masuk dan Keluar Oil Cooler.
Perbedaan suhu masuk dan keluar
dari oil cooler
No Waktu Beda No Waktu Beda
1 0 13,6 26 375 15,9
2 15 13,5 27 390 16,7
3 30 13,9 28 405 17,3
4 45 13,6 29 420 17,9
5 60 12,9 30 435 18,4
6 75 12,9 31 450 18,5
7 90 12,3 32 465 18,9
8 105 12,2 33 480 20
9 120 12,1 34 495 20,8
10 135 11,9 35 510 21,5
11 150 11,9 36 525 22,4
12 165 11,7 37 540 22,9
13 180 11,4 38 555 23,1
Tabel 4.3. (Lanjutan)
Perbedaan suhu masuk dan keluar
dari oil cooler
No Waktu Beda No Waktu Beda
15 210 11,1 40 585 24,4
16 225 11,1 41 600 25,2
17 240 11 42 615 25,6
18 255 10,9 43 630 26,1
19 270 11,5 44 645 26,6
20 285 12,2 45 660 26,9
21 300 12,9 46 675 27,2
22 315 13,5 47 690 28,1
23 330 14,3 48 705 28,7
24 345 15 49 720 29,4
25 360 15,6
Dan dari data yang didapatkan maka didapatkan prosentase penurunan suhu (ηth)
pada minyak pelumas dengan persamaan sebagai berikut :
Cooler Oil
Dari Masuk Suhu
Cooler Oil
Dari Keluar Suhu
Cooler Oil
Dari Masuk Suhu
th
− =
η
Dari persamaan tersebut didapatkan tabel prosentase penurunan suhu minyak
pelumas pada oil cooler :
Tabel 4.4 Prosentase penurunan suhu minyak pelumas pada oil cooler (%)
Prosentase Pendinginan Minyak
No Pelumas Pada Oil Cooler
1 0 29,694 26 375 25,938
2 15 29,221 27 390 26,806
3 30 29,512 28 405 27,287
4 45 28,452 29 420 27,882
5 60 26,708 30 435 28,308
6 75 26,327 31 450 28,116
7 90 25 32 465 28,378
8 105 24,597 33 480 29,499
Tabel 4.4: (Lanjutan)
Prosentase Pendinginan Minyak
No Pelumas Pada Oil Cooler
10 135 23,611 35 510 30,935
11 150 23,333 36 525 31,683
12 165 22,807 37 540 32,073
13 180 22,093 38 555 32,083
14 195 21,195 39 570 32,924
15 210 21,224 40 585 32,928
16 225 21,063 41 600 33,6
17 240 20,716 42 615 33,907
18 255 20,412 43 630 34,207
19 270 21,14 44 645 34,456
20 285 21,982 45 660 34,443
21 300 22,832 46 675 34,65
22 315 23,478 47 690 35,39
23 330 24,403 48 705 35,83
24 345 25,168 49 720 36,386
25 360 25,785
Bisa didapatkan prosentase rata-rata dari perubahan suhu minyak pelumas total
sebesar 27,8141%
Suhu vs Waktu
30 40 50 60 70 80
0 45
90 135 180 225 270 315 360 405 450 495 540 585 630 675 720
Waktu (s)
S
u
h
u
(
cel
ci
u
s
)
Suhu masuk suhu keluar
Dan didapatkan data percobaan distribusi suhu oli tanpa oil cooler sebagai berikut
Tabel 4.5 Data percobaan distribusi suhu oli tanpa oil cooler
Distribusi Suhu Minyak Pelumas
Mesin Tanpa Oil Cooler
No Waktu Suhu No Waktu Suhu
1 0 45,4 26 375 68,7
2 15 45,9 27 390 69,5
3 30 46,8 28 405 70,3
4 45 47,7 29 420 71,2
5 60 48,5 30 435 72
6 75 49,5 31 450 72,8
7 90 50,4 32 465 73,8
8 105 51,6 33 480 74,5
9 120 52,6 34 495 75,2
10 135 53,7 35 510 76
11 150 54,5 36 525 76,9
12 165 55,6 37 540 77,9
13 180 56,6 38 555 78,9
14 195 57,6 39 570 80
15 210 58,5 40 585 81
16 225 59,6 41 600 81,9
17 240 60,5 42 615 82,7
18 255 61,5 43 630 83,6
19 270 62,5 44 645 84,1
20 285 63,5 45 660 85
21 300 64,3 46 675 86
22 315 65,3 47 690 86,9
23 330 66,2 48 705 87,6
24 345 67,2 49 720 88,3
Dari data tersebut maka bisa didapatkan grafik distribusi suhu minyak
pelumas pada oil cooler. Sesuai dengan gambar pengukuran suhu maka letak dari
thermocouple berada pada saluran minyak pelumas yang menuju ke kepala
silinder.
Sedangkan yang akan dibandingkan adalah suhu masuk dari kedua type
pendinginan, suhu masuk disini adalah suhu minyak pelumas yang masuk ke
kepala silinder.
30 40 50 60 70 80 90
0 45 90
135 180 225 270 315 360 405 450 495 540 585 630 675 720
Waktu (s)
S
uhu (
C
)
Tanpa oil cooler Dengan oil cooler
Tabel 4.6 Perbedaan suhu oli mesin di bak transmisi dengan oil cooler dan tanpa
oil cooler
Perbedaan Suhu Minyak Pelumas
Dengan dan Tanpa Oil Cooler
No Waktu Beda No Waktu Beda
1 0 -0,4 26 375 7,4
2 15 -0,3 27 390 7,2
3 30 -0,3 28 405 6,9
4 45 -0,1 29 420 7
5 60 0,2 30 435 7
6 75 0,5 31 450 7
7 90 1,2 32 465 7,2
8 105 2 33 480 6,7
9 120 2,5 34 495 6,5
10 135 3,3 35 510 6,5
11 150 3,5 36 525 6,2
12 165 4,3 37 540 6,5
13 180 5 38 555 6,9
14 195 5,7 39 570 6,8
15 210 6,2 40 585 6,9
16 225 6,9 41 600 6,9
17 240 7,4 42 615 7,2
18 255 8,1 43 630 7,3
19 270 8,1 44 645 6,9
20 285 8 45 660 6,9
21 300 7,8 46 675 7,5
22 315 7,8 47 690 7,5
23 330 7,6 48 705 7,5
24 345 7,6 49 720 7,5
25 360 7,4
Dari data didapatkan prosentase penurunan suhu (ηth) pada minyak
pelumas di bak transmisi sebagai berikut :
ηth =
) (
) (
) (
Cooler Oil
Tanpa Pelumas Suhu
Cooler Oil
Pelumas Suhu
Cooler Oil
Tanpa Pelumas
Dari persamaan tersebut didapatkan tabel prosentase penurunan suhu
minyak pelumas pada bak transmisi :
Tabel 4.7 Prosentase penurunan suhu minyak pelumas total dengan instalasi oil cooler
Prosentase Suhu Minyak Pelumas Total
Dengan Instalasi Oil Cooler
No Waktu ηth No Waktu ηth
1 0 -0,881 26 375 10,771
2 15 -0,654 27 390 10,36
3 30 -0,641 28 405 9,8151
4 45 -0,21 29 420 9,8315
5 60 0,4124 30 435 9,7222
6 75 1,0101 31 450 9,6154
7 90 2,381 32 465 9,7561
8 105 3,876 33 480 8,9933
9 120 4,7529 34 495 8,6436
10 135 6,1453 35 510 8,5526
11 150 6,422 36 525 8,0624
12 165 7,7338 37 540 8,344
13 180 8,8339 38 555 8,7452
14 195 9,8958 39 570 8,5
15 210 10,598 40 585 8,5185
16 225 11,577 41 600 8,4249
17 240 12,231 42 615 8,7062
18 255 13,171 43 630 8,7321
19 270 12,96 44 645 8,2045
20 285 12,598 45 660 8,1176
21 300 12,131 46 675 8,7209
22 315 11,945 47 690 8,6306
23 330 11,48 48 705 8,5616
24 345 11,31 49 720 8,4938
25 360 10,898
Bisa didapatkan prosentase rata-rata dari perubahan suhu minyak pelumas total
40 50 60 70 80 90
0
45 90
135 180 225 270 315 360 405 450 495 540 585 630 675 720
Waktu (s)
S
uhu (
C
)
Dengan oil cooler Tanpa oil cooler
Gambar 4.7 Grafik perbedaan suhu oli mesin masuk, dengan dan tanpa oil cooler
4.5. Penurunan Konsumsi Bahan Bakar Dengan Instalasi Oil cooler.
Pada percobaan ini, dilakukan dengan prinsip mendekati keadaanaktual
kinerja sepeda motor. Percobaan dilakukan pada sore hari dengan suhu 32 °C,
dipilih jalan yang lurus dan tidak ada hambatan. Tujuannya adalah agar perbedaan
percobaan satu dengan yang lain kondisinya tidak jauh berbeda, agar sama-sama
dapat mencapai kecepatan dan akselerasi yang sama.Percoba
