Nomor Soal : 731 / TA / FT_USD / TM / Januari / 2007
TUGAS AKHIR
Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana S-1
Program Studi Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin
Diajukan oleh :
Hermes Sugiharto
015214070
Kepada
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2007
Presented as Partial Fulfillment of the Requirments To Obtain the Sarjana Teknik Degree
in Mechanical Engineering
By
Hermes Sugiharto Student Number : 015214070
to
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
MECHANICAL ENGINERING DEPARTMENT
ENGINEERING FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2007
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, 27 Juli 2007
(Hermes Sugiharto)
Tuhan Tidak Akan Membawa Aku Sejauh
Ini hanya Untuk Meninggalkan Aku.
Tuhan Yesus Kristus dan Bunda Maria yang
selalu memberi kasih, kekuatan, dan
membentuk hidupku menjadi lebih indah.
Ajarilah aku untuk selalu bersyukur atas semua
itu.
Edy Sugiharto(R.I.P) atas do’a yang telah kau
berikan dari surga.
Yusiana yang selalu memberikan do’a, kasih,
kekuatan, dan cinta, selama menjadi mama.
Kakakku Venus Sugiharto dan adikku Vera
Christiana Sugiharto terima kasih atas kasih
dan sayang yang telah mewarnai hari-hari di
rumah.
Yang selalu menjadi cinta, inspirasi, support dan
bagian dari hari-hariku, terima kasih telah
berjuang bersamaku, denganmu hidup ini
menjadi lebih indah.
Almamaterku Teknik Mesin Universitas Sanata
Dharma, disinilah aku menemukan diriku.
karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir dengan judul:
“Motor Bensin 1.5 Liter Double Over Head Chamshaft (DOHC) 16 Katup”
Penulisan Tugas Akhir ini tidak akan berhasil tanpa bantuan dan dukungan dari berbagai pihak, baik yang terlihat secara langsung maupun tidak langsung. Oleh karena itu, penulis menyampaikan banyak terima kasih secara khusus kepada:
1. Dekan Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma Bapak 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. Bapak Budi Setyahandana S.T., M.T. yang telah bersedia menjadi
pembimbing akademik saya selama ini.
3. Dosen pembimbing pertama Tugas Akhir, Bapak Yosef Agung Cahyanta S.T., M.T. yang telah memberikan bimbingan dan arahan sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan.
4. Dosen Pembimbing Tugas Akhir, Bapak Ir. FX. Agus Unggul Santoso yang telah memberikan bimbingan, arahan, masukan dan perbaikan sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan.
5. Seluruh dosen Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu, tetapi telah banyak membantu dan mengajarkan banyak hal kepada saya.
8. Yusiana, yang selalu memberikan doa dan dukungan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
9. Kakakku Venus Sugiharto dan adikku Vera Christiana Sugiharto yang selama ini selalu memberikan doa, dukungan, dan semangat selama penyelesian Tugas Akhir ini.
10.Teman-teman yang tidak bisa saya sebut disini. Terima kasih telah berjuang bersama. Sukses selalu bersama kalian.
Saya merasa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh sebab itu saya mohon maaf apabila terjadi kesalahan dan kelalaian yang saya lakukan saat pembuatan Tugas Akhir ini, baik sikap, tutur kata, maupun tulisan. Semua kritik dan saran yang membangun akan saya terima dengan baik demi peningkatan dalam pembuatan selanjutnya. Akhir kata saya mengucapkan terima kasih atas perhatiannya.
Penulis
bensin telah menggunakan berbagai macam teknologi untuk memaksimalkan kinerja mesin. Salah satunya motor bensin 1,5 liter Double Over Head Camshaft (DOHC) 16 katup. Tujuan dari tugas akhir ini adalah untuk mengetahui besarnya konsumsi bahan bakar tiap jam serta perancangan motor bensin 1,5 liter Double Over Head Camshaft (DOHC) 16 katup.
Tugas akhir ini berisi tentang perhitungan siklus kerja mesin bensin 4 langkah, besarnya konsumsi bahan bakar tiap jam, serta perhitungan elemen-elemen mesin untuk motor bensin 1,5 liter Double Over Head Camshaft (DOHC) 16 katup.
Dari hasil perhitungan didapatkan besarnya konsumsi bahan bakar tiap jam adalah 17,38 kg/jam hasil ini dihitung dari putaran mesin sebesar 6000 rpm. Untuk daya yang dihasilkan sebesar 76,59 kW atau 102,65 Hp, maka dapat disimpulkan kerja mesin dengan sistem DOHC mengoptimalkan kinerja mesin karena menggunakan jumlah katup yang lebih banyak.
Kata kunci: Motor bensin, DOHC, Katup.
HALAMAN JUDUL... i
TITLE PAGE ... ii
HALAMAN PENGESAHAN... iii
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA... iv
HALAMAN MOTTO... v
HALAMAN PERSEMBAHAN... vi
KATA PENGANTAR... vii
INTISARI... ix
DAFTAR ISI... x
DAFTAR GAMBAR... xv
DAFTAR TABEL... xvii
BAB I PENDAHULUAN... 1
1.1. Latar Belakang Masalah... 1
1.2. Perumusan Masalah... 1
1.3. Tujuan... 2
1.4. Manfaat... 2
1.5. Metode Pengumpulan Data ... 2
1.6. Pengertian Motor Bensin... 2
1.7. Spesifikasi Mesin ... 3
1.8. Batasan Masalah... 4
2.2. Motor Bensin 4-langkah... 5
2.3. Prinsip Kerja Motor Bensin ... 6
2.3.1. Langkah Hisap ... 6
2.3.2. Langkah Kompresi... 8
2.3.3. Langkah Usaha ... 9
2.3.4. Langkah Buang... 10
2.4. Bagian-bagian Utama Motor Bensin... 12
2.4.1. Kepala Silinder (Cylinder Head)... 12
2.4.2. Blok Silinder (Cylinder Block)... 14
2.4.3. Piston ... 16
A. Bagian-Bagian Dari Piston... 16
B. Celah Piston... 16
2.4.4. Ring Piston ... 17
A. Pegas Kompresi... 18
B. Pegas Pengontrol Oli ... 19
C. Celah Ujung Pegas ... 20
2.4.5. Pena Piston... 21
2.4.6. Batang Piston ... 23
2.4.7. Poros Engkol (Crankshaft)... 24
2.4.8. Camshaft... 25
D. Mekanisme Camshaft DOHC... 32
2.4.9. Katup (Valve)... 39
BAB III PERHITUNGAN... 41
3.1. Data Kendaraan DOHC... 41
3.1.1 Siklus Kerja Motor ... 41
3.2. Proses Penghisapan ... 43
3.2.1. Tekanan di Dalam Silinder Selama Proses Pengisapan ... 45
3.2.2. Temperatur Akhir Proses Pengisapan... 50
3.3. Proses Kompresi ... 51
3.4. Proses Pembakaran... 52
3.4.1. Reaksi Kimia pembakaran Bahan Bakar dan Udara ... 53
3.4.2. Koefisien Kelebihan Udara... 54
3.5. Langkah Ekspansi... 63
3.5.1. Karakteristik Kerja Motor... 64
3.5.2. Rugi-Rugi Mekanis... 65
3.5.3. Pemakaian Bahan Bakar Spesifik ... 67
4.1.2. Kepala Silinder ... 70
4.2. Piston ... 71
4.2.1. Bahan Piston ... 72
4.2.2. Ukuran Piston ... 72
4.2.3. Tebal Piston ... 73
4.2.4. Tinggi Piston... 74
4.3. Cincin Piston ... 75
4.3.1. Cincin Piston Kompresi... 75
4.4. Batang Piston(Connecting Rod)... 77
4.4.1. Pena Piston... 77
4.4.2. Pena Engkol Bawah... 78
4.4.3. Perhitungan Batang Piston... 79
4.5. Poros Engkol ... 80
4.5.1. Perhitungan Ukuran Poros Engkol ... 81
4.6. Katup ... 83
4.6.1. Perhitungan Katup ... 83
4.6.2. Pegas Katup ... 90
4.7. Camshaft... 91
4.8. Roda Gila... 92
5.2. Kesimpulan... 98 5.3. Penutup... 99
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
Gambar 2.1 Motor bensin 4-langkah...……….. 6
Gambar 2.2 Proses langkah hisap...……… 7
Gambar 2.3 Proses langkah kompresi...………8
Gambar 2.4 Proses langkah usaha...……… 10
Gambar 2.5 Proses langkah buang...………….. 11
Gambar 2.6 DOHC Cylinder Head Unit...………. 13
Gambar 2.7 Block Cylinder Unit...……….. 15
Gambar 2.8 Piston Construction...……… 16
Gambar 2.9 Piston Gap...……… 17
Gambar 2.10 Piston Ring...……… 18
Gambar 2.11 Compression Ring...……….. 19
Gambar 2.12 Oil Control Ring...………... 20
Gambar 2.13 Ring End Gap...………. 21
Gambar 2.14 Piston Pin...………. 22
Gambar 2.15 Macam-macam Sambungan Piston dan Connecting Rod…. 23 Gambar 2.16 Connecting Rod...……….. 24
Gambar 2.17 Crankshaft...………... 25
Gambar 2.18 Camshaft...……… 26
Gambar 2.19 Bentuk Dasar Cam...……… 27
Gambar 2.20 Penggerak Camshaft Dengan Timing Gear..…………... 29
Gambar 2.21 Penggerak Camshaft Dengan Timing Chain.…………... 30
Gambar 2.25 Sistem DOHC...………. 36
Gambar 2.26 Kepala Silinder DOHC...………... 37
Gambar 2.27 Kepala Silinder DOHC...………... 37
Gambar 2.28 Chamshaft Timing Chain...………... 52
Gambar 2.29 Bentuk Katup (Valve Design)...………...… 40
Gambar 3.1 Diagram P-V dan T-S Siklus Udara Konstan (Siklus Otto). 44 Gambar 4.1 Jarak Dudukan Poros Engkol ………... 82
Tabel 3.1 Sifat-sifat Udara Pada Tekanan Atmosfer……..………….. 49
Tabel 3.2 Komposisi Elementari dan Karakteristik dari bensin dan Solar…...……… 56
Tabel 3.3 Kapasitas Panas Jenis Molar Gas
( )
μcv pada Volume Konstan………. 59Tabel 3.4 Energi Internal Hasil Pembakaran... 44
Tabel 3.5 Faktor Rugi-Rugi Mekanis……... 66
Tabel 4.1 Konstanta Δe………... 93
Tabel 4.2 Koefisien Kestabilan………... 94
1.1. Latar Belakang Masalah.
Dalam dunia modern ini, begitu cepat dan banyak sekali terdapat kendaraan
bermotor yang mengaplikasikan berbagai teknologi yang di sebabkan oleh begitu
banyak masyarakat yang menggunakan kendaraan bermotor menuntut kenyamanan
dalam berkendaraan, ekonomis, dan memakai teknologi terkini.
Permintaan tersebut tidak lepas dari teknologi dan kemampuan mesin yang di
pakai dalam kendaraan bermotor. Konstruksi mesin sendiri ada berbagai macam
bentuk yang di sesuaikan dengan kebutuhan masyarakat antara lain untuk angkutan
(kendaraan niaga), kendaraan keluarga (jenis MPV dan sedan), dan untuk olah raga
balap(race).
Dari berbagai macam teknologi yang diterapkan, salah satunya adalah
teknologi mesin 4 langkah pada mobil yang menggunakan satu Camshaft (SOHC)
dan dua Camshaft (DOHC). Dalam bab-bab berikutnya penulis akan menjelaskan
tentang perancangan motor bensin empat langkah 1,5 liter DOHC 16 katup.
1.2. Perumusan Masalah.
Tugas akhir ini berisi tentang perhitungan konsumsi bahan bakar per jam dan
elemen-elemen mesin bensin empat langkah 1,5 liter Double Over Head Camshaft
(DOHC) dengan jumlah katup sebanyak 16.
1.3. Tujuan.
Tujuan utama dari tugas akhir ini adalah perancangan motor bensin 1,5 liter
DOHC 16 katup dan untuk mengetahui besarnya konsumsi bahan bakar tiap jam.
1.4. Manfaat.
Studi ini diharapkan memberi manfaat bagi pembaca, diantaranya agar
pembaca mendapat pemahaman dengan baik tentang perancangan motor bensin 1,5
liter DOHC 16 katup, perhitungan kebutuhan bahan bakar, dan perhitungan elemen
mesin kendaraan bermotor.
1.5. Metode pengumpulan data
1. Metode wawancara.
2. Metode pengamatan atau observasi di PT Toyota Nasmoco.
3. Metode pembacaan pada buku literatur.
1.6. Pengertian Motor Bensin
Motor bensin adalah salah satu jenis motor pembakaran dalam yang
banyak digunakan untuk menggerakkan atau sebagai sumber tenaga dari kendaraan
darat, baik itu motor bensin 4-langkah ataupun motor bensin 2-langkah. Motor
bensin menghasilkan tenaga dari pembakaran bahan bakar di dalam silinder, dimana
dengan pembakaran bahan bakar ini akan timbul panas yang sekaligus akan
Karena gas tersebut dibatasi oleh dinding silinder dan kepala silinder maka
walaupun ingin mengembang tetap tidak ada ruangan, akibatnya tekanan di dalam
silinder akan naik. Tekanan inilah yang dimanfaatkan untuk menghasilkan tenaga
yang akhirnya dapat menggerakkan mobil.
1.7. Spesifikasi Mesin
Dalam tugas akhir ini penulis menghitung perancangan motor bensin 1,5 liter
dengan spesifikasi mesin sebagi berikut :
Jenis kendaraan : mobil penumpang
Tipe mesin : mesin bensin 4 langkah
Jumlah silinder : 4 silinder in-line, DOHC 16 katup
Volume sillinder : 1497 cc
Volume / silinder : 374,25 cc = 3,74 ×10-4 m3 Daya maksimal : 109 Hp pada 6000 rpm
Torsi maksimal : 14,3 Nm pada 4200 rpm
Diameter silinder : 75,0 mm
Panjang langkah : 84,7 mm
Perbandingan kompresi : 9,5 : 1
Diameter Throat katup isap : 30,5 mm
1.8. Batasan Masalah.
Dalam perancangan ini penulis hanya membahas tentang perancangan motor
bensin 1,5 liter DOHC 16 katup, besarnya konsumsi bahan bakar tiap jam, serta
2.1. Motor Bensin
Motor bensin adalah salah satu jenis motor pembakaran dalam yang banyak
digunakan untuk menggerakkan atau sebagai sumber tenaga dari kendaraan darat,
baik itu motor bensin 4-langkah ataupun motor bensin 2-langkah. Motor bensin
menghasilkan tenaga dari pembakaran bahan bakar di dalam silinder, dimana dengan
pembakaran bahan bakar ini akan timbul panas yang sekaligus akan mempengaruhi
gas yang ada di dalam silinder untuk mengembang.
Karena gas tersebut dibatasi oleh dinding silinder dan kepala silinder maka
walaupun ingin mengembang tetap tidak ada ruangan, akibatnya tekanan di dalam
silinder akan naik. Tekanan inilah yang dimanfaatkan untuk menghasilkan tenaga
yang akhirnya dapat menggerakkan mobil.
2.2. Motor Bensin 4-langkah
Secara garis besar cara kerja motor bensin 4-langkah adalah mula-mula bahan
bakar yang disemprotkan melalui injektor di saluran masuk tercampur dengan udara
yang dimasukkan melalui filter udara masuk kedalam silinder kemudian
dimampatkan dan dibakar. Karena panas gas tersebut mengembang dan karena
ruangan untuk mengembang sangat terbatas maka tekanan di dalam ruang bakar naik
dan tekanan inilah yang mendorong piston ke bawah dan menghasilkan langkah
usaha yang oleh batang piston (Connecting Rod) diteruskan ke poros engkol
(Crankshaft) dan kemudian poros engkol akan berputar.
Gambar 2.1 Motor Bensin 4-Langkah
(sumber: http://www.sae.org)
2.3. Prinsip Kerja Motor Bensin
2.3.1. Langkah Hisap
Saat piston memulai langkah hisap (Gambar 2.2), piston bergerak dari Titik
Mati Atas (TMA) menuju Titik Mati Bawah (TMB). Titik Mati Atas (TMA) adalah
titik teratas yang dapat dijangkau oleh piston artinya pada saat itu piston sudah tidak
dapat bergerak keatas lebih jauh lagi, dan pada saat ini posisi piston, batang piston,
dan engkol membentuk garis lurus. Sedangkan Titik Mati Bawah (TMB) adalah titik
lebih jauh lagi. Pada saat ini pun posisi piston terhadap batang piston adalah
membentuk garis lurus.
Gambar 2.2 Proses Langkah Hisap
(sumber: Drs. Wardan Suyanto M.A, 1989. Teori Motor Bensin, hal. 21)
Karena piston bergerak dari TMA menuju TMB, maka terjadilah penurunan
tekanan silinder di bagian atas piston karena ruangan di atas piston menjadi lebih
luas. Karena penurunan tekanan ini maka terjadi perbedaan tekanan antara bagian
luar silinder dengan bagian dalam ruang silinder. Apabila katup hisap dibuka maka
perbedaan tekanan ini akan memungkinkan mengalirnya campuran bahan bakar
dengan udara dari injektor masuk melalui saluran masuk (Intake Manifold) ke dalam
silinder.
Proses ini berlangsung hingga piston mencapai TMB, dan bersamaan dengan
(Camshaft) dan batang penumbuk (Rocker Arm). Dengan ditutupnya katup ini maka
campuran bahan bakar dan udara tertahan di dalam silinder, yang seterusnya akan
dilanjutkan dengan proses berikutnya yaitu langkah kompresi.
2.3.2. Langkah Kompresi.
Pada langkah kompresi (Gambar 2.3) terlihat jelas bahwa kedua katupnya
(katup hisap dan katup buang) tertutup rapat sehingga gas yang tadi dihisap kedalam
silinder tidak mungkin keluar dari silinder. Pada langkah ini piston bergerak dari
TMB menuju TMA
Gambar 2.3 Langkah Kompresi, Kedua Katupnya Tertutup
Dengan bergeraknya piston tersebut maka terjadi penyempitan ruangan di
atas piston dimana campuran antara bahan bakar dan udara berada, yang berarti
campuran tersebut dimampatkan sehingga tekanannya akan naik yang kelipatannya
sesuai dengan perbandingan kompresinya, dimana semakin tinggi tekanan
kompresinya semakin tinggi pula tenaga yang dihasilkan motor tersebut.
Pada saat ini motor sudah berputar 360°, sehingga posisi piston kembali pada
posisi TMA. Karena tekanan di dalam silinder cukup tinggi maka kerapatan sangat
diutamakan, karena apabila terjadi kebocoran maka tenaga yang akan dihasilkan
motor akan turun. Oleh karena itu katup-katupnya harus tertutup rapat, gasket
silinder tidak boleh bocor, begitu juga ring pistonnya.
2.3.3. Langkah Usaha.
Pada saat kompresi belum selesai (Gambar 2.4) kedua katup masih dalam
keadaan tertutup, yaitu beberapa derajat sebelum TMA, busi mengeluarkan bunga
api untuk membakar campuran bahan bakar dengan udara yang telah dikompresi.
Penyalaan busi beberapa derajat sebelum piston mencapai TMA ini bertujuan agar
tekanan tertinggi akibat pembakaran ini terjadi beberapa saat setelah TMA dimana
pada titik tersebut berdasarkan percobaan merupakan titik terbaik untuk
Gambar 2.4 Proses langkah usaha
(sumber: Drs. Wardan Suyanto M.A, 1989. Teori Motor Bensin, hal. 23)
Dengan terbakarnya bahan bakar tersebut maka temperatur di dalam silinder
akan naik yang mengakibatkan naiknya tekanan di dalam silinder. Tekanan ini
kemudian mendorong piston ke bawah sehingga terjadi langkah usaha yang berarti
motor mengeluarkan tenaga yang nantinya digunakan untuk menggerakkan mobil.
2.3.4. Langkah Buang.
Pada langkah buang ini (Gambar 2.5) katup hisap tetap tertutup sedangkan
katup buang terbuka dan piston bergerak dari TMB menuju TMA maka ruangan di
atas piston menjadi sempit, akan tetapi karena katup buang terbuka maka di dalam
silinder tidak mengalami kenaikan tekanan, justru gerakan piston tersebut
mendorong gas sisa hasil pembakaran yang ada di dalam silinder keluar melalui
Gambar 2.5 Proses Langkah Buang
(sumber: Drs. Wardan Suyanto M.A, 1989. Teori Motor Bensin, hal. 24)
Dengan berakhirnya langkah buang ini, yaitu pada saat piston mencapai
TMA, maka berarti piston telah bergerak 4-langkah atau engkol sudah berputar 720°
yang berarti telah selesai satu rangkaian kerja. Dengan berakhirnya langkah buang
maka akan diikuti dengan langkah hisap lagi yang kemudian terjadi terus menerus
atau terjadi berulang-ulang selama motor hidup, dimana pada keadaan yang
sebenarnya pembukaan katupnya tidak tepat pada saat piston mencapai titik mati
tetapi ada keadaan dimana katup satu dengan yang lainnya membuka bersamaan atau
2.4. Bagian-bagian Utama Motor Bensin
Yang dimaksud dengan bagian utama motor bensin adalah
bagian-bagian mesin yang berhubungan langsung dengan proses pemindahan tenaga dari
tekanan menjadi gerak putar. Bagian-bagian yang dimaksud adalah:
• Kepala Silinder (Cylinder Head)
• Blok silinder (Cylinder Block)
• Piston
• Ring Piston (Piston Ring)
• Batang Piston (Connecting Rod)
• Poros Cam (Camshaft)
• Katup (Valve)
• Poros Engkol (Chrankshaft)
2.4.1. Kepala Silinder (Cylinder Head)
Kepala silinder mempunyai bermacam-macam tugas, yaitu sebagai tutup
bagian atas dari silinder, sebagai pemegang katup (valve). Disamping itu kepala
silinder mempunyai lubang untuk masuknya campuran antara udara dan bahan bakar
ke dalam silinder serta lubang untuk keluarnya gas bekas hasil dari pembakaran serta
ruang bakar untuk tiap-tiap silindernya. Pada mekanisme DOHC (Gambar 2.6)
Gambar 2.6 DOHC Cylinder Head Unit
(Sumber: Pedoman Reparasi 2001, PT.Hyundai Mobil Indonesia, Hal. EMA69)
Pada kepala silinder juga terdapat saluran pendingin, saluran oli, lubang
untuk baut silinder, lubang untuk busi dan lubang untuk tempat poros cam. Kepala
silinder biasa dibuat dari besi tuang atau campuran aluminium. Campuran aluminium
disamping ringan juga cepat mentransfer panas (serta lebih efisien) sehingga mesin
dapat direncanakan dengan kompresi yang lebih tinggi dan tenaga motor dapat di
2.4.2. Blok Silinder (Cylinder Block)
Sebagian besar bagian-bagian dari motor dipasangkan dipasangkan pada
silinder blok (Gambar 2.7). Dari kepala silinder, piston, poros engkol, tutup poros
engkol (Calter), roda penerus (Fly Wheel), dan sebagainya sehingga silinder blok ini
harus kuat. Blok silinder terdiri dari dua bagian yaitu bagian silinder dan bagian
engkol (Crankcase). Bagian silinder inilah yang nantinya berfungsi sebagai tempat
piston bekerja.
Karena di dalam silinder ini pula perubahan panas menjadi tenaga gerak
dengan perantaraan piston maka silinder ini harus cukup kuat. Disamping itu, silinder
harus benar-benar bulat, rata, dan halus supaya selama proses tidak terjadi bocoran
gas sehingga mengurangi tenaga yang dihasilkan oleh motor. Silinder blok terbuat
dari besi tuang atau aluminium, besi tuang memiliki keuntungan mudah membuatnya
dan sangat baik bila digunakan piston dari aluminium.
Akan tetapi blok silinder dari besi tuang ini sangatlah berat, oleh karena itu
saat ini banyak digunakan silinder blok dari bahan campuran aluminium sehingga
lebih ringan dan agar liner tahan gesekan maka khusus untuk silinder linernya
bahannya dibuat dari baja khusus sehingga tahan gesekan.
Ada dua jenis liner silinder (Cylinder Bore) yang digunakan pada mesin
kendaraan bermotor, yaitu:
• Silinder tipe basah
Silinder tipe basah adalah apabila bagian dari luar silinder ini berhubungan
langsung dengan air pendingin sedangkan yang tipe kering tidak berhubungan
langsung dengan air pendingin. Silinder liner tipe kering ini dapat dibuat lebih tipis
daripada tipe basah karena seluruh bagian silinder ini didukung oleh blok silinder,
sedangkan untuk tipe basah harus dibuat lebih tebal karena tidak seluruhnya ditopang
oleh blok silinder.
Gambar 2.7Block Cylinder Unit
(Sumber: Pedoman Reparasi 2001, PT.Hyundai Mobil Indonesia, Hal. EM 17)
Disamping itu pada bagian atas dan bagian bawah silinder liner tipe basah ini
harus dipasang seal sehingga air pendingin tidak bocor. Silinder liner tipe basah ini
2.4.3. Piston
A. Bagian-Bagian Dari Piston
Gambar 2.8Piston Construction.
(sumber: Drs.Wardan Suyanto M.A,1989. Teori Motor Bensin, hal. 52)
Piston bergerak naik turun didalam silinder untuk melakukan langkah hisap,
kompresi, usaha, dan buang. Fungsi utama dari piston adalah untuk menerima
tekanan pembakaran dan maneruskan ke poros engkol melalui connecting rod.
Piston terbuat dari aluminium alloy (paduan aluminium), karena bahan
tersebut ringan dan radiasi panasnya baik.
B. Celah Piston (Celah Antara Piston Dengan Silinder)
Saat piston menjadi panas akan terjadi sedikit pemuaian dan mengakibatkan
diameternya bertambah, maka diantara silinder dibuat celah yang disebut piston
clearance (Gambar 2.9).Pada umumnya celah piston antara 0,02 – 0,12 mm. Bentuk
Gambar 2.9Piston Gap
(Sumber:Manual Book Toyota, PT.Astra International tbk-Toyota, Hal.11)
2.4.4. Ring Piston
Pegas piston (piston ring) dipasang dalam ring groove (Gambar 2.10). Ring
piston terbuat dari baja khusus, pada mesin bensin pegas pistonnya ada yang terdiri
Gambar 2.10Piston Ring
(Sumber:Manual Book Toyota, PT.Astra International tbk-Toyota, Hal.12)
Ring piston berfungsi untuk:
1. Mencegah kebocoran selama langkah kompresi dan usaha
2. Mencegah oli yang melumasi piston dan silinder masuk ke ruang bakar
3. Memindahkan panas dari piston ke dinding silinder
A. Pegas Kompresi
Pada setiap piston (Gambar 2.11) terdapat 2 pegas kompresi. Pegas kompresi
Gambar 2.11Compression Ring
(Sumber:Manual Book Toyota, PT.Astra International tbk-Toyota, Hal.13)
B. Pegas Pengontrol Oli
Pegas pengontrol oli (oil control ring) diperlukan untuk membentuk lapisan
oli tipis (oil film) antara piston dan dinding silinder (Gambar 2.12) Pegas oli ini
disebut dengan third ring dan Fourth ring.
Ada 2 tipe pegas oli:
1. Tipe integral
Gambar 2.12Oil Control Ring
(Sumber:Manual Book Toyota, PT.Astra International tbk-Toyota, Hal.13)
C. Celah Ujung Pegas
Pegas piston (Gambar 2.13) akan mengembang bila dipanaskan, dengan
alasan tersebut pada ujung ring piston harus terdapat celah yang disebut ring end
gap.
Besarnya celah biasanya sebesar 0,2 – 0,5 mm pada temperatur ruangan, dan
Gambar 2.13Ring End Gap.
(Sumber:Manual Book Toyota, PT.Astra International tbk-Toyota, Hal.14)
2.4.5. Pena Piston
Pena piston (piston pin) menghubungkan dengan bagian ujung yang kecil dari
connecting rod. (Gambar 2.14) Dan meneruskan tekanan pembakaran yang berlaku
pada torak ke connecting rod. Pena piston berlubang di dalamnya untuk mengurangi
berat yang berlebihan dan kedua ujung ditahan oleh bushing pena torak (Piston Pin
Gambar 2.14Piston Pin.
(Sumber:Manual Book Toyota, PT.Astra International tbk-Toyota, Hal.15)
Piston dan connecting rod dapat dihubungkan dengan 4 cara:
1. Tipe fixed
2. Tipe full-floating
3. Tipe bolted
Gambar 2.15 Macam-macam Sambungan Piston dan Conecting rod.
(Sumber:Manual Book Toyota, PT.Astra International tbk-Toyota, Hal.15)
2.4.6. Batang piston
Batang piston (connecting rod) berfungsi untuk meneruskan tenaga yang
dihasilkan oleh piston ke crankshaft (Ganbar 2.16) Bagian ujung connecting rod
yang berhubungan dengan piston pin disebut small end, dan bagian yang
berhubungan dengan poros engkol disebut big end. Pada connecting rod terdapat oil
hole yan berfungsi untuk memercikan oli guna melumasi piston pada saat piston
Gambar 2.16Connecting Rod
(Sumber:Manual Book Toyota, PT.Astra International tbk-Toyota, Hal.16)
2.4.7. Poros Engkol (Crankshaft)
Tugas utama dari poros engkol (Gambar 2.17) adalah untuk merubah gerak
lurus yang dihasilkan piston menjadi gerak putar dengan perantaraan pena piston dan
batang piston. Namun demikian semua yang bergerak karena gerakan motor adalah
memanfaatkan gerakan poros engkol ini seperti poros cam, pompa oli, dan lain
sebagainya.
Poros engkol terdiri dari penyangga utama (Main Journal) yang selanjutnya
dihubungkan dengan Main Bearing Cap dan Crankpin dimana batang piston
dipasangkan dan roda penerus (Fly Wheel). Penyangga utama berfungsi sebagai
penyangga poros engkol dimana penyangga utama ini didukung oleh blok silinder
Gambar 2.17Crankshaft
(Sumber: Pedoman Reparasi 2001, PT.Hyundai Mobil Indonesia, Hal. EMA 36)
2.4.8. Camshaft
A. Bagian-Bagian Dari Camshaft
Camshaft adalah penentu utama kapan saat pembukaan dan penutupan katup
terjadi serta berapa lama dan seberapa lebar pembukaan katup tersebut gambar 2.18,
Shaft ini memiliki atau terdiri dari beberapa Cam (Nok) dibuat sesuai dengan jumlah
katup yang ada pada mesinnya. Camshaft biasa dibuat dari baja dimana pada bagian
Cam dikeraskan sehingga tidak mudah aus. Karena keausan Cam sangat besar
pembukaan dan penutupan katup isap dan katup buang menjadi tidak tepat, sehingga
efisiensi volumetriknya akan menurun.
Gambar 2.18 Camshaft
(Sumber: Pedoman Reparasi 2001, PT.Hyundai Mobil Indonesia, Hal. EM 28)
Cam dibuat dengan mesin yang sangat presisi karena perubahan atau
kekeliruan bentuk Cam walaupun hanya beberapa milimeter saja akan sangat
mempengaruhi beberapa hal, yaitu kapan katup mulai membuka dalam hubungannya
dengan posisi piston, berapa lama katup terbuka, dan berapa lebar pembukaan katup.
Bentuk Cam itulah yang diharapkan agar katup dapat membuka dengan cepat dan
menutup dengan cepat pula. Disamping itu diharapkan katup dapat membuka cukup
untuk kendaraan karena disamping mesin harus menghasilkan tenaga yang tinggi
juga dituntut keawetan dan kenyamanan.
B. Bentuk Dasar Cam
Pada umumnya bentuk keseluruhan dari Cam adalah lonjong, bentuknya
hampir menyerupai telur (gambar 2.19)
Gambar 2.19 Bentuk Dasar Cam
(sumber: Drs.Wardan Suyanto M.A,1989. Teori Motor Bensin, hal. 102)
Poros Cam berputar lebih lambat dari putaran poros engkol dengan
perbandingan 1:2, hal ini karena katup-katup pada mesin membuka satu kali setiap
empat kali langkah torak atau setiap dua putaran poros engkol.
Berarti setiap dua putaran poros engkol Cam hanya berputar satu kali putaran.
Untuk memenuhi kebutuhan ini maka poros Cam dan poros engkol masing-masing
Jumlah roda gigi poros Cam dua kali lipat dari jumlah gigi poros engkol,
dengan demikian maka akan dihasilkan perbandingan putaran satu berbanding dua
antara poros Cam dan poros engkol.
C. Sistem Penggerak Camshaft
Tiga sistem penggerakkan Camshaft:
1. Menggunakan roda gigi (Timing Gear)
2. Menggunakan rantai (Timing Chain)
3. Menggunakan sabuk bergerigi (Timing Belt)
1. Timing Gear
Pada penggerak ini, (Gambar 2.20) roda gigi poros Cam langsung
bersinggungan dengan roda gigi poros engkol, dimana untuk keperluan pemasangan
pada kedua gigi tersebut ada tanda pemasangannya sehingga saat pembukaan dan
penutupan katup dapat sesuai yang diinginkan atau sesuai dengan gerakan pistonnya.
Apabila sampai terjadi kesalahan dalam pemasangan dalam arti pemasangannya
tidak tepat maka dapat menimbulkan kerusakan walaupun kemungkinan mesin masih
dapat bekerja.
Kerusakan itu terjadi karena misalnya torak berada pada TMA katup dalam
membuka penuh, sehingga dapat terjadi tumbukan antara katup dan pistonnya.
Penggerakan dengan Timing Gear digunakan pada kendaraan yang dituntut kerja
Gambar 2.20 Penggerak Camshaft Dengan Timing Gear
(sumber: Drs.Wardan Suyanto M.A,1989. Teori Motor Bensin, hal. 103)
Penggerakan Timing Gear ini sangat handal dan tahan lama, tetapi
dibandingkan dengan model penggerakan yang lain lebih berisik. Disamping
digunakan pada kendaraan berat, penggerak dengan Timing Gear ini terutama
digunakan untuk mesin yang Camshaft nya terletak pada blok silinder.
2. Timing Chain
Seperti penggerak Timing Gear, pada penggerak model Timing chain pun ada
tanda pemasangannya untuk mencegah terjadinya kekeliruan dalam pemasangan.
Model ini banyak di gunakan pada mesin dengan Camshaft pada blok silinder
Gambar 2.21 Penggerak Camshaft Dengan Timing Chain
(sumber: Drs.Wardan Suyanto M.A,1989. Teori Motor Bensin, hal. 104)
Biasanya penggerak Cam dengan Timing Chain ini dilengkapi dengan
3. Timing Belt
Model Timing Belt ini menggunakan sabuk bergerigi, dan banyak digunakan
pada mesin dengan Camshaft pada kepala silinder atau OHC (Over Head Camshaft).
Model sabuk bergerigi ini sangat halus dalam arti tidak berisik pada waktu bekerja
dan sangat bagus untuk menggerakkan Camshaft.
Seperti penggerakan yang lain, model ini dilengkapi juga dengan tanda
pemasangan pada Timing Belt itu sendiri sehingga memudahkan pemasangannya
(Gambar 2.22). Kadang-kadang tanda ini harus dicocokkan dengan tanda yang ada
pada blok atau kepala silinder, hal ini akan lebih jelas bila dilihat pada buku
pedoman reparasi sehingga dapat menghindarkan kemungkinan terjadinya kesalahan
dalam pemasangan.
Pada sistem ini juga dilengkapi dengan penegang yang berbentuk roda dan
dilengkapi dengan pegas sehingga menjaga Timing Belt tetap kencang atau erat pada
roda suproketnya. Roda penegang mendorong kedalam bagian punggung dari Timing
Belt sehingga mencegah terjadinya slip antara Timing Belt dengan roda suproketnya,
sehingga rotasinya selalu tepat. Disamping itu juga menjaga Timing Belt supaya
tidak lepas. Roda penegang ini dipasang pada Ball Bearing dan ditutup secara
Gambar 2.22 Penggerak Camshaft Dengan Timing Belt
(sumber: Drs.Wardan Suyanto M.A,1989. Teori Motor Bensin, hal. 105)
D. Mekanisme Camshaft DOHC
Overhead Camshaft (OHC) adalah konfigurasi penempatan deretan katup
pada poros kem di dalam kepala silinder, dan letaknya berada di atas ruang
pembakaran, dan bekerja menggerakan katup secara langsung sebagai ganti
penggunaan batang penekan seperti pada sistem Overhead Valve ( OHV) (lihat
gambar 2.23). Ketika dibandingkan langsung dengan sistem OHV dengan jumlah
katup yang sama, maka komponen dari sistem OHC sistem lebih sedikit dan secara
mendukung sistem bisa menjadi lebih rumit, kebanyakan pabrikan mesin dengan
mudah menerima kompleksitas yang ada dalam perdagangan untuk pencapaian
mesin yang lebih baik dan perencanaan fleksibel yang lebih baik. sistem OHC dapat
bekerja menggunakan metode yang sama seperti sistem OHV, metode ini termasuk
penggunaan waktu sabuk, rantai, atau di (dalam) lebih sedikit kasus umum, gigi
persneling.
Gambar 2.23 Mekanisme camshaft OHC (sumber: http://www.samarins.com)
Banyak mesin OHC (Overhead Camshaft) saat ini mempergunakan dan multiple
valves untuk meningkatkan efisiensi dan tenaga. Dalam mempertimbangkan
perancangan poros cam pada mesin OHC ada kaitan eratnya dengan mesin untuk
mencapai kecepatan yang tinggi. Ada dua sistem Overhead Camshaft :
• Single overhead camshaft (SOHC)
• Double overhead camshafts (DOHC)
Pada mobil jaman sekarang telah menggunakan mekanisme SOHC (Single Over
menggunakan mekanisme DOHC (Double Over Head Camshaft). Jadi dapat
diketahui pada umumnya cara kerja dari kedua model camshaft ini sama, yaitu untuk
mengatur pembukaan dan penutupan katup-katupnya, hanya saja perbedaannya
terdapat pada jumlah Camshaft nya yang berbeda, pada mekanisme SOHC
menggunakan Camshaft Tunggal (Single Camshaft), sedangkan mekanisme DOHC
menggunakan Camshaft ganda (Double Camshaft). Berikut untuk penjelasan
terperincinya :
Single Overhead Camshaft (SOHC)
SOHC disebut juga sistem camshaft tunggal adalah suatu desain penempatan
satu poros cam dalam kepala silinder. Dalam hal ini berarti setiap mesin memiliki
satu poros cam pada kepala silindernya, sama halnya tipe mesin jenis V di dalamnya
terdapat dua camshafts tetapi tetap satu camshaft untuk setiap silinder yang sejajar.
SOHC dirancang agar mesin menjadi lebih efisien. Hal ini menjadikan mesin
berkecepatan lebih tinggi, karena SOHC dapat meningkatkan tenaga mesin yang
disalurkan melalui torsi. Desain SOHC mengurangi kompleksitas dibandingkan
Gambar 2.24 Sistem SOHC (sumber: http://www.samarins.com)
Pada mesin dengan sistem SOHC camshaft terletak di dalam kepala silinder dan
katup dioperasikan oleh rocker arms secara langsung atau melalui lifters (seperti
pada gambar 2.24 di atas).
Keuntungan SOHC antara lain :
pada katup pengoperasiannya hampir secara langsung oleh camshaft
mudah untuk mencapai timing sempurna pada rpm tinggi.
Double Overhead Camshaft (DOHC)
DOHC juga disebut sistem cam ganda merupakan sistem penempatan dua
poros cam pada kepala silinder. Masing-masing poros memisahkan kerja katup-katup
hisap dan katup-katup buang, dalam arti poros cam satu menggerakkan katup-katup
hisap dan poros cam dua menggerakkan katup-katup buang (gambar 2.25). Sistem
atau mobil. Hal ini dikarenakan memungkin untuk penggunaan 4 katup untuk setiap
silinder. Mesin dengan sistem DOHC dapat menghasilkan daya yang lebih besar
dengan volume silinder lebih kecil. Pada mekanisme sistem DOHC digunakan
Camshaft ganda (Double Camshaft), karena perbedaan ini maka jumlah katupnya
pun juga berbeda, dan daya mesin yang dihasilkan dari mesin yang menggunakan
mekanisme DOHC ini semakin besar pula, begitu juga dengan efisiensi
volumetrisnya akan meningkat bila dibandingkan dengan mesin yang menggunakan
mekanisme SOHC. Hal ini terjadi karena semakin banyak campuran bahan bakar dan
udara yang masuk ke ruang bakar dikarenakan luasan permukaan dari saluran
masuknya (Intake) besar dan saluran keluarnya (Exhaust) pun juga besar.
Gambar 2.25 Sistem DOHC (sumber: http://www.samarins.com) Keuntungan :
Efisiensi tinggi, memungkinkan untuk menggunakan jumlah katup yang lebih
banyak untuk setiap silinder
Kerugian :
Disain mesin menjadi lebih mahal dan lebih rumit.
Gambar 2.26 Kepala Silinder DOHC (sumber: http://www.samarins.com)
Gambar 2.26 di atas memperlihatkan sebuah kepala silinder yang diiris
separuh. Ditunjukkan pula dua bagian atas poros cam. Setiap satu poros tersebut
masing-masing menggerakkan dua katup untuk setiap silinder, lihat gambar 2.27
berikut
Pada mekanisme kerja sistem DOHC, mekanisme ini terdiri dari dua buah
Camshaft maka dari sebab itu, dibutuhkan Camshaft timing Chain (Gambar 2.28)
yang dipasangkan pada Timing Chain Sprocket, agar kedua Camshaft dapat bergerak
sesuai dengan aturannya, setelah itu salah satu dari ujung dari Camshaft(Exhaust
Camshaft) dihubungkan dengan Timing Belt yang berhubungan langsung dengan
poros engkol(Crankshaft) melalui Camshaft Sprocket.
Berbeda dengan mekanisme kerja sistem SOHC yang tidak membutuhkan
Camshaft Timing Chain, karena Camshaft nya hanya satu dan langsung dihubungkan
dengan Timing Belt melalui Camshaft Sprocket yang selanjutnya gerakan putaran
dari Camshaft tersebut searah dengan putaran poros engkol untuk menggerakkan
katup-katupnya.
Gambar 2.28Camshaft Timing Chain
2.4.9. Katup (Valve)
Katup dipasang di kepala silinder yang terdiri dari katup hisap dan katup
buang. Katup hisap adalah katup yang digunakan untuk membuka dan menutup
saluran hisap untuk memasukkan campuran bahan bakar dengan udara ke dalam
silinder motor, sedangkan katup buang adalah katup yang digunakan untuk membuka
dan menutup saluran pembuangan untuk membuang gas hasil pembakaran dari
dalam silinder motor.
Setiap silinder paling tidak minimal memiliki satu katup hisap dan satu katup
buang, namun demikian saat ini sudah banyak mobil-mobil baru yang menggunakan
empat buah katup di tiap silindernya, biasanya terdapat pada motor yang
menggunakan mekanisme DOHC walaupun juga ada yang masih menggunakan
SOHC. Dan ada juga yang menggunakan tiga buah katup di tiap silindernya biasanya
terdapat pada motor yang menggunakan mekanisme SOHC, Bahkan ada juga yang
menggunakan 5 katup per silindernya, yaitu 3 katup isap dan 2 katup buang, biasanya
hanya pada mobil-mobil sport tertentu yang membutuhkan performa sangat tinggi.
Tujuannya adalah untuk mempertinggi efisiensi volumetrisnya, sehingga
pemanfaatan bahan bakar lebih efektif dan daya yang dihasilkan pun menjadi lebih
besar untuk motor yang ukuran silindernya sama.
Katup hisap dibuat lebih besar dari katup buang, hal ini disebabkan oleh
perbedaan tekanan antara gas yang masuk kedalam silinder dan gas yang keluar dari
dalam silinder.
Katup hisap hanya mengandalkan pada perbedaan tekanan antara tekanan
hisapan piston, sedangkan pada katup buang, gas hasil pembakaran akan keluar dari
silinder dengan tekanan sisa hasil pembakaran sehingga cukup kuat untuk
mendorong gas bekas pembakaran tersebut keluar dari dalam silinder.
Gambar 2.29 Bentuk Katup (Valve Design)
41
3.1. Data kendaraan DOHC
Jenis kendaraan : mobil penumpang
Tipe mesin : mesin bensin 4 langkah
Jumlah silinder : 4 silinder in-line, DOHC 16 katup
Volume sillinder : 1497 cc
Volume / silinder : 374,25 cc = 3,74 10-4 m3
Daya maksimal : 109 PS pada 6000 rpm
Torsi maksimal : 14,3 Nm pada 4200 rpm
Diameter silinder : 75,0 mm
Panjang langkah : 84,7 mm
Perbandingan kompresi : 9,5 : 1
Diameter Throat katup isap : 30,5 mm
Diameter Throat katup buang : 25,5 mm
3.1.1. Siklus 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:
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-v pada 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 tersebut, 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
Pada gambar (3.1) menunjukkan siklusudara volume konstan (siklus otto):
1. Fluida kerja dianggap sebagai gas ideal dengan kalor spesifik yang
konstan
2. Langkah hisap (0-1) merupakan proses tekanan konstan
3. Langkah kompresi (1-2) ialah proses isentropik
4. Proses pembakaran volume konstan (2-3) dianggap sebagai proses
pemasukan kalor pada volume konstan.
5. Langkah kerja (3-4) ialah proses isentropik
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
Gambar 3.1 Diagram P-V dan T-S Siklus Udara Konstan ( Siklus otto )
(Sumber: Wiranto Arismunandar,Motor Bakar Torak, hal 15)
3.2. Proses 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 titik 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
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 T yang akan
mengurangi kerapatan campuran.
3.2.1. Tekanan di Dalam Silinder Selama Proses Pengisapan
Adanya tahanan/gesekan di dalam saluran hisap 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
ÄPa dalam sistem hisap atau tekanan Pa pada saat proses penghisapan berakhir.
Tekanan di dalam silinder selama proses pengisian dapat dicari secara tepat bila
prosesnya stabil.
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 î 2 ) (V â ñ P g.H 2 ) (V ñ P
...(3.1)
Dengan
a in dan ñ
ñ : kerapatan muatan pada saluran hisap dan di dalam silinder.
Vis : kecepatan rata–rata udara selama proses pengisapan pada katup
hisap (m/s)
Hin dan Ha : permukaan referensi (nol) dari sumbu saluran hisap dan sumbu
katup hisap
â : Vis Vcyl
Vcyl adalah kecepatan udara didalam silinder pada potongan
melintang berdasar pertimbangan.
æis : koefisien tahanan saluran hisap berdasarkan pada potongan kecil.
Diasumsikan Vin= 0, ketinggian Hin= Ha, dan rapat muatan segar ketika
melewati saluran hisap diabaikan
in a
, maka persamaan diatas menjadi:
2 V 2
a a
in
in 2
is
ñ
P
ñ
P
is
...(pers 3.2, Kovakh hal 88)
Persamaan kontinuitas untuk potongan melintang dari saluran isap dan
bagiansilinderpersamaan 3.3.
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 in o.
Mpa P
Pin o 0,1013
dh Cos
Cos d h 4
max ...(pers 3.5, Petrosvky hal 414)
Ais : luasan lewat katup (m2)
d : diameter throat katup hisap (m)
r : jari-jari piston (m)
max
h : tinggi angkat katup maksimum (m)
: sudut dudukan katup = 45o
S : panjang langkah (m)
n : putaran mesin (rpm)
Luasan lewat katup (Ais):
45 45 4 10 . 5 , 30 10 . 5 , 30 14 , 3 3 3 Cos Cos
Ais
= 4 ) 10 . 5 , 30 ( 14 ,
3 3 2
= 7,3.10-4 (m2), luasan lewat untuk 1 buah katup.
Katup hisap terdiri dari 2 buah katup, maka luasan lewat katup keseluruhannya
adalah: 2 10 . 3 ,
7 4 2
m Ais
=1,46.10-3 m2
Luasan piston (Ap)
2
r Ap
= 3,14 (3,75.10-2)2
Kecepatan piston maksimum (Vpmax ):
Vp =
30
n S
...(pers 3.6, Kovakh hal 89)
=
30 6000 10
. 7 ,
84 3
= 16,94 (m/s)
VPmax = 1,63 Vp... (pers 3.7, Kovakh hal 89)
= 1,6316,94
= 27,61 m/s
Kecepatan rata–rata udara selama proses pengisapan pada katup hisap (Vis):
is p P
is
A A V
V max ...(pers 3.8, Kovakh hal 89)
= 27,61 3
-3
10 . 46 , 1 4,41.10
= 83,3 m/s
s m
Vis 50130 ...(batas aman kecepatan udara melalui katup isap, Kovakh hal 90)
Tekanan ahkir proses pengisapan (Pa):
Untuk mesin 4-langkah tanpa supercharging, Pin Po dan in o.
1. Pin Po 0,1013Mpa
2. in o udara pada To= 32 oC = 305 K
3
159 ,
1 kg m
o
...(tabel A-5 Holman, hal 589)
Tabel 3.1 Sifat-sifat Udara Pada Tekanan Atmosfer
(Sumber: Jp.Hollman, PerpindahanKalor hal 589)
6 22
10 2
is is o
o a
V P
P ...(pers 3.9, Kovakh hal 596)
62
10 . 159 , 1 2
83,3 75 , 2 1013 ,
0
a P
= 0,089 Mpa
Drop pressure yang terjadi (Pa):
a in
a P P
P
089 , 0 1013 ,
0
Pa
= 0,0123 Mpa
3.2.2. Temperatur Akhir Proses Pengisapan (Ta):
Temperatur campuran muatan segar dan gas-gas residu (Ta) pada ahkir
proses pengisapan lebih tinggi dibanding temperatur pada saluran hisap (Tin),
tetapi lebih rendah dibanding temperatur gas-gas residu (Tres).
Ta =
res res res in
ã
1
T
ÄT T
(K)...(pers 3.11, Kovakh hal 93)
res a
res
res o res
P P
P T
T T
...(pers 3.12, Kovakh hal 97)
ores P
P 1,11,25 ...(pers 3.13, Kovakh hal 93)
Dengan:
o
T : temperatur udara luar = 305 K
Tin : temperatur saluran isap
ÄT : penambahan suhu campuran segar karena melewati saluran hisap 15 oC
: koefisien kapasitas gas panas residu = 1
: perbandingan kompresi = 9,5:1
Tres : koefisien kapasitas residu = (750 1000) K...(Kovakh hal 92)
res
: Koefisien gas buang (0,060,10)...(Kovakh hal 91)
Ta : (310 350) K...(Kovakh hal 94)
0,064 1013 , 0 15 , 1 0,089 5 , 9 1013 , 0 15 , 1 750 15 305 res K 345,8 0,064 1 750 064 , 0 1 15 305 Ta
Efisiensi pengisian untuk langkah hisap(v):
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 supercharging, p0 dan T0 menyatakan tekanan dan suhu
udara luar. ) ã (1 T T . P P . 1 å å ç res a in in a 1 v
...(pers 3.14, Kovakh hal 96)
0,064) (1 345,8 305 0,1013 0,089 1 9,5 9,5 1 çv = 0,834
= 83,4 %
3.3. Langkah Kompresi
Temperatur dan tekanan pada akhir langkah kompresi menggunakan
eksponen polytropik (n1), eksponen ini konstan selama proses berlangsung.
Tekanan akhir langkah kompresi (Pcom):
Proses berlangsung secara isentropik, tekanan akhir langkah kompresi
dihitung dengan menggunakan persamaan:
1
n a
com P
P (Mpa)...(pers 3.15, Kovakh hal 111)
3 , 1
5 , 9 089 ,
0
com P
= 1,66 Mpa
Temperatur akhir langkah kompresi (Tcom):
1
1
n
a
com T
T ...(pers 3.16, Kovakh hal 111)
1 3 , 1
5 , 9
345,8
com T
= 679,4 K
3.4. Proses 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 ini 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 udara
mengandung 21% Oksigen dan 79% Nitrogen dalam basis volume.
Reaksi pembakaran:
Dengan:
C = Karbon
H = Hidrogen
O = Oksigen
3.4.1. Reaksi 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:
Komposisi bahan bakar:
C = 88,5 %
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 3.17, Kovakh hal 51)
kg ath 96 , 14 0 145 , 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 3.18, Kovakh hal 51)
kmol 516 , 0 32 0 4 145 , 0 12 885 , 0 209 , 0 1 th A
3.4.2. Koefisien Kelebihan Udara
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 ( )
= 1 disebut campuran setimbang (Stoikiometris).
> 1 disebut campuran miskin
Dalam perhitungan ath dan Ath, diasumsikan bahwa udara mengandung
20,9 % O2 dari basis volum dan 23 % dari basis massa.
Jumlah udara aktual didalam pembakaran dari 1 kg bahan bakar,
( 11,3 Kovakh hal 52) adalah:
th a
a
………..……….(pers 3.19, Kovakh hal 52)
kg 96 , 14 96 , 14 1
ath
a
th A
A
…..………...………….(pers 3.20, Kovakh hal 52)
mol 516 , 0 516 , 0 1
Ath
A
Jumlah total campuran segar udara dan bahan bakar:
kg 96 , 15 96 , 14 1 1 1
ath
G
…....…………...……….(pers 3.21, Kovakh hal 53)
th f A M 1
1 ………...………...…..(pers 3.22, Kovakh hal 53)
Dengan:
f
massa molekul dari bahan bakar,...(tabel 3.2, Kovakh hal 64)
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 ……….…...…………...(pers 3.23, Kovakh hal 57)
kmol 0 516 , 0 5 , 0 1 1 1 42 , 0 CO M CO CO M C
M
12
2
………...(pers 3.24, Kovakh hal 57)
kmol 071 , 0 0 12 855 , 0 2 CO M CO
H K M
M
2
……...………...(pers 3.25, Kovakh hal 57)
kmol 0 0 5 , 0 2 H M Dengan:
2 2 2 H O H M H
M ..………...………....(pers 3.26, Kovakh hal 57)
kmol 072 , 0 0 072 , 0 2 2 2 H O H M H M th N A
M 0,79
2
……….…………..(pers 3.27, Kovakh hal 58)
kmol 407 , 0 516 , 0 1 79 , 0 2 N M
Jumlah total dari hasil pembakaran (M2) adalah:
kmol 55 , 0 407 , 0 072 , 0 0 071 , 0 0 2 M
Koefisien teoritis dari perubahan molekul (th):
1 2
M M th
…...……….….(pers 3.28, Kovakh hal 595)
049 , 1 524 , 0 55 , 0 th
Koefisien molar aktual ():
res res th 1
………...………(pers 3.29, Kovakh hal 596)
046 , 1 064 , 0 1 064 , 0 049 , 1
Diasumsikan panas terendah dari hasil pembakaran (Hl) = 44 MJ kg.
Hl
chem 11410
1
Ath6 ……
...…………..………….(pers 3.30, Kovakh hal 64)
kmol MJ 0 516 , 0 1 1 114 Hl chemEnergi 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 1 " 1 " 1
…...……....(pers 3.31, Kovakh hal 596)
Koefisien pemakaian panas (Z) = 0,85……….(Kovakh hal 596)
Energi internal dari 1 mol campuran segar pada langkah ahkir kompresi:
V com comcom c t
U ………...(pers 3.32, Kovakh hal 597)
Panas jenis dari campuran segar udara dan bahan bakar (cV )
diasumsikan setara dengan udara pada temperatur (t = tcom). Dengan
Tabel 3.3 Kapasitas Panas Jenis Molar Gas (cV) Pada Volume Konstan
(Sumber: M.Kovakh, Motor Vehicle Engines, hal 67)
Didapat:
V c
pada t = tcom = 21,63 kJ mol oC
maka:
kmol kJ 8 , 6361
300 206 , 21
com U
Energi internal dari 1 mol hasil pembakaran pada ahkir langkah kompresi:
V
com comcom c t
Dengan:
"
V c
= 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 1 maka
2 M M r i i dapat dihitung: 2 M M r i
i ………...……….(pers 3.34, 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
…...………..(pers 3.35, Kovakh hal 597)
272 , 23 972 , 20 74 , 0 260 , 26 131 , 0 808 , 20 0 440 , 33 129 , 0 202 , 21 0 " V c
Energi internal dari hasil pembakaran adalah:
kmole kJ 8 , 73479 064 , 0 1 6 , 6981 064 , 0 8 , 6361 064 , 0 1 524 , 0 0 44000 85 , 0 " Z U Energi yang dikandung 1 kmol hasil pembakaran pada temperatur
maksimum yang tercapai (UZ") adalah:
Z Z V Z U T c U " " ………...………..(pers 3.36, Kovakh hal 597)
kmole MJ 24 , 70 kmole kJ 3 , 70248 046 , 1 8 , 73479 " Z U
Dari tabel 3.4 akan diperoleh nilai Tz (suhu akhir pembakaran) dengan
1
maka nilai Tzadalah:
Tz = 2360,6 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 ………(pers 3.37, Kovakh hal 598)
Mpa 73 , 6
66 , 1 4 , 679
6 , 2633 046
, 1
Z P
Rasio penambahan tekanan ():
com Z
P P
05 , 4 1,66 6,73
Tekanan maksimum pada akhir langkah pembakaran (Pz’) adalah:
Z
Z P
P '0,85 ………..….(pers 3.39, Kovakh hal 598)
Mpa 72 , 5 73 , 6 85 , 0 ' Z P
3.5. Langkah 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 = 1,23 – 1,30 (Kovakh hal 155).
Tekanan akhir langkah ekspansi (Pb):
2 n Z b P P
……...………...…(pers 3.40, Kovakh hal 598)
Temperatur akhir langkah ekspansi (Tb):
1
2
nZ b
T T
………...………..(pers 3.41, Kovakh hal 598)
K 18 , 1569 5 , 9 6 , 2633 1 23 , 1 b T
