.
Pengguna kendaraan roda dua atau yang biasa disebut motor di masyarakat kita sangat banyak. Produsen motorpun menjadi lebih banyak dengan datangnya produk dari daratan Cina, Taiwan dan Korea. Dengan bertambahnya produk yang datang, bertambah pula merek motor yang mempunyai kualitas yang beragam pula. Tentunya kualitas motor harus diuji kehandalannya agar pengguna tidak dirugikan. Untuk itu, Peneliti berusaha merancang-bangun suatu test rig yang sesuai untuk digunakan sebagai alat penguji motor bakar bensin kendaraan roda dua. Selain itu diharapkan test rig ini mempunyai kemampuan dan ketelitian yang dapat dipertanggung-jawabkan serta biaya produksi yang relatif murah. Secara khusus, penelitian ini ditujukan untuk
dapat mengetahui detil variabel yang diperlukan untuk perhitungan heat balance dan efisiensi motor bakar.
mengadakan alat uji kinerja motor bakar dengan biaya yang relatif murah.
membuktikan bahwa tidak hanya sistem
Eddy current saja yang dapat mengukur daya motor bakar.
Hasil penelitian diharapkan mempunyai manfaat sebagai berikut:
mendapatkan alat uji kinerja motor bakar bensin dengan daya maximum 7 kW test rig dapat digunakan untuk penelitian
selanjutnya, khususnya dalam bidang motor bakar.
dapat memberikan praktek perbaikan motor bakar yang teruji dan terkontrol.
METODE
Energi yang dihasilkan dari proses pembakaran di ruang bakar terbagi menjadi 3 bagian dan secara umum perbandingannya hampir sama. Energi tersebut mengalir menuju: poros, pendingin dan gas buang [1].
Pengukuran konsumsi bahan bakar dapat dilakukan dengan menggunakan buret dan pengukur waktu. Sedangkan untuk udara yang diperlukan sebagai pencampur bahan bakar dapat diukur dengan menggunakan orifice. Dengan demikian air fuel ratio dapat dihitung dan dengan mengetahui calorific value dari BBM tersebut maka energi masuk dapat diketahui dengan menggunakan rumus umum:
(1)
dimana massa alir BBM per satuan waktu;
CVB = Harga kalori dari BBM [2]
Pompa penyerap daya yang digunakan adalah pompa sentrifugal volut. Pertama, untuk memindahkan daya dari poros motor bakar ke pompa diperlukan suatu sistem transmisi. Sistem transmisi ini diharapkan dapat memindahkan daya sedemikian rupa sehingga proses pengujian sepeda motor dapat dilakukan dengan mudah dan aman. Kedua,
Rancang Bangun Penguji Kinerja Motor Bakar Bensin Kapasitas Maksimum
150cc dengan Pengukur Daya sebuah Pompa Sentrifugal
Adri Maldi Subardjah
Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Bandung
ABSTRACT
Heat which is produced by an internal combustion engine is converted, in general, into three kinds of energies such as shaft power, energy of coolant and exhaust gas. This research is aiming to measure shaft power using centrifugal pump and exhaust energy using shell and tube heat exchanger.
Air-fuel ratio had been measured using burette and orifice meter. It was found that engine efficiency tends to decrease when the load becoming higher and vise versa. Air-fuel ratio tends to be ideal when the load is minimum, i.e., 1:13.78. Result of distribution energy rates which had been measured are as follows 20.28% to shaft, 35.05% to exhaust and 44.67% to coolant.
Keywords:
P s
P P
diperlukan sistem pengukuran efisiensi pompa dan yang terakhir diperlukan pengukuran daya yang diserap oleh pompa sentrifugal, dalam hal ini P=ρgHQ. Dengan demikian daya poros dapat diketahui dengan persamaan [3]:
(2)
Sistem Transmisi
Dengan melepaskan roda belakang dan menggunakan adaptor yang serupa dengan roda belakang namun mempunyai 2 sprocket
besar dimana salah satu sprocket digunakan sebagai sprocket yang digerakkan oleh
sprocket depan sedangkan sprocket lainnya sebagai penggerak sprocket yang dipasang pada poros pompa. Secara skematik sistem transmisi ini dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Sistem Transmisi pada Adaptor Roda Belakang
Rasio jumlah gigi sprocket depan dan sprocket belakang 1 ditentukan sedemikian rupa sehingga sama dengan perbandingan jumlah gigi sprocket penggerak pompa dan sprocket
belakang 2 sehingga pompa akan digerakkan dengan putaran yang sama dengan putaran poros utama penggerak pada sepeda motor.
Energi ouput kedua berupa kalor yang hilang melalui gas buang yang keluar melalui exhaust manifold. Kalor yang hilang diukur dengan menggunakan penukar kalor dengan sistem
counter flow dan single pass yang mempunyai
logarithmic mean temperature difference
(LMTD) yang lebih besar dibandingkan dengan sistem parallel flow [4]. Dengan efektifitas penukar yang baik maka diharapkan kalor yang terbuang dapat dipindahkan dari gas buang ke fluida lainnya secara optimal. Namun, suhu gas buang biasanya masih di atas suhu ruangan sehingga perhitungan kalor yang terbuang harus termasuk jumlah kalor yang masih tersisa pada gas tersebut [5].
Secara skematik konstruksi prototipe dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Rancangan SkematikPrototipe Test Rig
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kalibrasi Orifice Meter Penyerap Daya Dari data Tabel 1 didapat grafis seperti terlihat pada Grafik 1. Coefficient discharge, Cdo, bergantung pada debit yang dihasilkan yaitu untuk debit minimum 0,44 liter/detik nilai Cdo
adalah 0,61 sedangkan untuk debit maksimum yang dapat terukur 1,37 liter/detik dengan Cdo
sebesar 0,86. Dengan demikian Cdo rata-rata dari keseluruhan pengukuran sebesar 0,77 dengan tidak menghitung Cdo debit minimum dikarenakan debit tersebut tidak termasuk ke dalam kisaran debit yang digunakan dalam penelitian kinerja motor bakar.
Tabel 1. Kalibrasi Orifice Meter
Grafik 1 Data Kalibrasi Orifice Meter
Sprocket depan
digerakkan poros utama
Sprocket
belakang 1 Sprocket belakang 2
Sprocket
penggerak pompa Sistem Adaptor
Pengujian Kinerja Sepeda Motor dengan Pompa Sentrifugal sebagai Penyerap Daya Utama
Pengukuran udara dilakukan dengan menggunakan adaptor karet yang bekerja sebagai orifice meter dan manometer dengan cairan alkohol. Sedangkan pengukuran konsumsi bahan bakar langsung diukur dari buret dengan menggunakan stop watch.
Tabel 2. Data Air-fuel ratio
Berdasarkan analisa massa perbandingan udara dan bensin diketahui sekitar 13,47:1 [1]. Dari hasil percobaan (Tabel 2), diketahui bahwa ketika katup beban pada posisi hampir tertutup (1) perbandingan massa udara dengan bensin didapat sekitar 11,31:1. Namun bersamaan dengan katup menuju terbuka penuh (5) perbandingan ini terus meningkat sampai 13,78:1 melampaui kondisi kesetimbangan. Hal ini diketahui bahwasanya, ketika beban yang terjadi tinggi maka kebutuhan bahan bakar akan tinggi pula sehingga campuran udara bensin menjadi kaya. Diketahui pula bahwa rata-rata perbandingan massa udara dengan bensin selama percobaan dilakukan sebesar 12,21:1. Ini menyatakan bahwa kondisi percobaan dipengaruhi atau mempengaruhi sistem karburator. Secara grafis perbandingan massa udara dan massa bensin dapat dilihat pada Grafik 2.
Grafik 2. Air-fuel ratio
Penyerap Daya: Pompa Sentrifugal
Data percobaan mengenai penyerapan daya oleh pompa dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 3. Data Pengukuran Pompa
Ketika posisi katup hampir tertutup penuh (1) maka daya yang dapat diserap pompa relatif sangat kecil, yaitu 196,38 watt atau sekitar 2,11 % dengan debit 0,61 liter per detik. Sedangkan ketika posisi katup menuju terbuka penuh (5) maka energi yang terserap menjadi lebih tinggi dan mencapai maksimum 912,77
watt atau sekitar 0,91 kW (12,99%) dengan debit 4,63 liter per detik. Hal ini sesuai dengan karakteristik pompa sentrifugal yaitu untuk debit yang lebih tinggi diperlukan daya yang lebih tinggi pula [3].
Dari data terlihat pola yang konsisten, daya yang terserap oleh pompa sentrifugal bertambah tinggi ketika pembukaan katup bertambah besar dan juga sebaliknya, seperti terlihat pada Grafik 3. karakteristik pompa.
Berdasarkan data yang didapat dari Colorado State University website bahwa energi hasil pembakaran terbagi menjadi 3 dengan perbandingan yang relatif sama. Sedangkan energi poros rata-rata yang dapat diserap oleh pompa diketahui sebesar 709,71 watt (min. 196,38 dan maks. 912,77 watt) atau sekitar 8,95% dari energi total. Berarti, berdasarkan
pernyataan di atas, masih terdapat energi poros yang belum terukur dan diasumsikan sebesar kira-kira ± 22%.
Pengukuran Efisiensi Pompa dan Daya Poros
Pengukuran efisiensi pompa dilakukan dengan melakukan percobaan yaitu pompa dihubungkan dengan motor listrik kemudian daya listrik motor yang terjadi diukur sebagai daya input pompa. Dalam hal ini efisiensi motor listrik tidak diperhitungkan atau diasumsikan mendekati 100%.
Pengukuran dilakukan dengan mengacu kepada persamaan total head dimensional analisa dikarenakan putaran motor yang berbeda dengan putaran roda belakang motor bakar, yaitu 2.900 rpm. Sedangkan debit diketahui melalui perhitungan data yang dihasilkan [6]. Dengan demikian akan menghasilkan data efisiensi pompa untuk setiap posisi katup dan efisiensi pompa ini akan berkorelasi dan mempunyai harga yang sama untuk pompa ketika putarannya 2.250 rpm. Data dapat dilihat pada lampiran Tabel 4.
Tabel 4. Data Efisiensi Pompa
Diketahui bahwa pompa mempunyai efesiensi maksimum sebesar 0,65 ketika posisi katup (5) atau motor memerlukan arus sebesar 9,20
ampere dan efisiensi yang minimum sebesar 0,12 ketika posisi katup (1) atau motor memerlukan arus sebesar 10,80 ampere.
Daya input yang diperlukan oleh pompa semakin tinggi ketika posisi beban bertambah sehingga efisiensi menjadi semakin rendah, yaitu turun dari 0,65; 0,63; 0,59; 0,43 dan 0,12.
Efisiensi transimisi daya dari poros ke roda belakang serta transmisi daya dari roda belakang ke pompa diasumsikan sebesar 0.9 untuk setiap posisi katup. Jika asumsi ini benar maka perkiraan energi total rata-rata yang menuju poros sekitar 1.664,79 watt atau 20,28% dari total energi pembakaran didalam silinder. Maksimum daya poros terukur sebesar 1.808,25 watt (19.45%) ketika energi pembakaran BBM yang dihasilkan oleh
silinder sebesar 9.299,26 watt. Minimum daya poros terjadi pada posisi katup (5) yaitu sebesar 1.557,57 watt (22,16%) dengan energi BBM sebesar 7.028.04 watt. Dengan demikian daya poros yang terukur akan semakin besar ketika pembebanan katup semakin besar dan juga sebaliknya. Efisiensi motor bakar akan menjadi rendah ketika pembebanan semakin tinggi dan juga sebaliknya. Berdasarkan kriteria perhitungan, daya yang mengalir ke poros dapat digambarkan seperti pada Grafik 4.
Grafik 4. Distribusi Energi ke Poros
Pengukur Energi Gas Buang
Selain ke poros, energi mengalir bersama gas buang ke lingkungan. Dalam percobaan ini, energi atau kalor yang mengalir bersama gas buang diukur dengan menggunakan penukar kalor yang dilengkapi dengan 5 termokopel tipe ’K’.
Diketahui dari Tabel 5 dan 6 bahwa ketika katup pembebanan pada posisi (1) kalor yang mengalir bersama gas buang terdeteksi maksimum, yaitu sekitar 3.361,13 watt atau sekitar 36,14% dari total energi yang dihasilkan oleh pembakaran. Namun bersamaan dengan katup pembebanan menuju posisi (5), yaitu posisi katup menuju terbuka penuh, kalor yang terbuang dalam percobaan ini menjadi relatif berkurang dan mencapai jumlah minimum sebesar 2.324,27 watt atau sekitar 33,07%.
Diketahui dari Tabel 5 dan 6 bahwa jumlah kalor yang terbuang tidak dapat sepenuhnya diserap oleh penukar kalor, untuk posisi katup (1) dimana kalor terbuang maksimum, jumlah energi yang dapat diserap oleh penukar kalor
Tabel6. Distribusi Energi Gas Buang & Pendingin
sebesar 2.708,64 watt atau sekitar 29,13% dari total energi. Sejalan dengan menurunnya kalor yang terbuang akibat berkurangnya pembebanan katup maka energi yang terserap oleh penukar kalorpun berkurang sampai pada posisi katup terbuka penuh (5). Energi yang dapat terserap sekitar 2.015,27 watt atau 28,67% dari total energi. Secara umum, rata-rata energi yang dapat terserap oleh penukar kalor adalah 2.355,47 watt (28,53%) atau penukar kalor ini mempunyai effectiveness
sebesar 81,41% dari total kalor rata-rata gas buang yang mengalir sebesar 2.899,60 watt.
Kalor gas buang yang tidak terserap oleh penukar kalor diprediksi mengalir menuju lingkungan melalui proses konduksi dan konveksi yang terjadi antara manifold dan penukar kalor; dan mengalir bersama gas buang ke lingkungan. Distribusi Energi gas buang yang tidak terserap oleh penukar kalor dan mengalir bersama gas buang ke lingkungan, ketika posisi katup hampir tertutup penuh (1), terukur sebesar 46,77 watt sedangkan ketika katup pada posisi (5) kalor yang mengalir bersama gas buang cenderung relatif menurun menjadi 32,45 watt atau rata-rata kalor yang terbuang ke lingkungan diprediksi sekitar 37,59 watt (0,45%). Sedangkan kalor yang terbuang ke lingkungan dikarenakan proses konduksi dan konveksi diantara manifold dan penukar kalor, pada
posisi katup (1) terukur 280,60 watt atau sekitar 3,02% dari total energi dan ketika posisi katup (5) kalor yang terbuang sekitar 139,78 watt atau 1,99% dari total energi. Energi rata-rata yang terbuang akibat perpindahan kalor pada manifold diprediksi sebesar 246,93 watt (2,97%). Dengan penambahan jumlah kalor rata-rata yang belum terserap oleh penukar kalor sebesar 3,42% maka kalor total rata-rata gas buang yang dapat diprediksi menjadi 31,96%. Dengan demikian masih terdapat kalor rata-rata gas buang yang belum dapat dideteksi sebesar 259,61 watt (3,10%). Jumlah ini diasumsikan sebagai kesalahan pemba-caan ketika mengukur suhu yang diberikan oleh 5 buah termokopel. Dengan demikian, pengukuran suhu memerlukan waktu yang relatif lebih lama untuk mencapai titik kesetimbangan [7].
Sifat dari kedua kalor terbuang ini sama halnya dengan energi yang terserap oleh penukar kalor dan kalor gas buangnya sendiri, yaitu ketika beban berkurang maka jumlah kalor yang terbuang menurun. Karakteristik jumlah kalor pada gas buang, pada penukar kalor dan pada kalor yang terbuang secara grafis dapat dilihat pada Grafik 5 berikut.
Grafik 5. Distribusi Kalor Gas Buang
Effectiveness penukar kalor didapat dari perbandingan jumlah energi yang dipindahkan dengan jumlah maksimum energi yang mungkin dipindahkan [5]. Effectiveness rata-rata adalah 81.48%. Gambaran effectiveness
Grafik 6. Effectiness Penukar Kalor berdasarkan Pembebanan
Bagian awal dari ke-4 percobaan, posisi katup 1 sampai dengan 4, effectivness penukar kalor cenderung konstan dan berkisar pada nilai 80% namun ketika posisi katup (5) atau tanpa beban effectiness penukar kalor naik relatif tinggi dan mencapai 86.71%. Hal ini diprediksi bahwa ketika pembebanan pada katup minimum kebutuhan bahan bakar menjadi berkurang sehingga kalor yang dihasilkan menjadi relatif lebih kecil. Dengan demikian penukar kalor mempunyai cukup waktu untuk menyerap kalor yang mengalir bersama gas buang sehingga persentase yang terserap lebih tinggi dibandingkan dengan jika jumlah kalor yang mengalir bersama gas buang jumlahnya lebih tinggi.
Kesetimbangan Energi (Neraca Energi)
Energi masuk dari hasil pembakaran didalam silinder mengalir ketiga tempat utama, yaitu: poros, gas buang dan pendinginan. Jumlah perbandingan energi yang mengalir cenderung tidak berimbang, khususnya ketika katup pembebanan menuju posisi (1) yaitu efisiensi motor bakar mencapai posisi terendah 19,45% dengan daya poros maksimum sebesar 1.808,25 watt, kalor gas buang sebesar 3.361,13 watt (36,14%) dan energi pendinginan sebesar 4.129,88 watt (44,41%) dari total kalor masuk sebesar 9.299,26 watt. Namun efisiensi ini menjadi lebih baik ketika katup pembebanan menuju posisi (5) yaitu efisiensi motor meningkat menjadi 22,16% dengan daya poros mencapai 1.557,57 watt, kalor gas buang sebesar 2.324,27 watt (33,07%) dan energi pendinginan sebesar 3.146,19 watt (44,77%) dari total kalor masuk sebesar 7.028,04 watt.
Secara grafis, semua energi yang terlibat dapat dilihat pada Grafik 7 berikut:
Grafik 7. Distribusi Energi
KESIMPULAN
Dari hasil percobaan yang telah dilakukan pada prototype dapat disimpulkan bahwa:
1. Energi masuk dari hasil pembakaran pembebanan maksimum dan sebaliknya. Jumlah energi rata-rata menuju ke tiga tempat sebesar 20,28% ke poros, 35,05% ke gas buang dan 44,67% ke pendinginan. 2. Persentase energi rata-rata yang mengalir ke poros bertambah ketika pembebanan menurun namun energi yang mengalir ke gas buang berkurang jumlahnya dan juga sebaliknya. Efisiensi motor bakar rata-rata sebesar 20,28%
3. Test rig sudah dapat digunakan untuk mengukur efisiensi motor bakar dan heat balance.
4. Variabel-variabel yang diperlukan untuk mengukur heat balance sudah dapat digunakan dalam pengukuran kinerja sebuah motor bakar.
5. Penyerapan daya oleh pompa sentrifugal dapat digunakan sebagai pengganti sistem generator Eddy current.
Untuk memperbaiki kinerja test rig ini terdapat beberapa saran, yaitu:
1. Kehilangan energi pada gas buang dapat diperkecil dengan cara pengisolasian pada sistem penukar kalor yang lebih baik, khususnya pada flexible host yang menghubungkan manifold dan penukar kalor.
2. Diperlukan perhitungan efisiensi transmisi guna mendapatkan efisiensi motor yang lebih presisi.
3. Perlu ditambahkan alat pendingin berupa kipas angin dengan kapasitas debit relatif tinggi guna menjaga pendinginan mesin ketika percobaan dilakukan. Hal ini diperlukan karena pengujian pada kondisi statis dimana motor tidak bergerak akan menyebabkan mesin cepat panas karena laju angin yang mendinginkan sirip-sirip pendingin kurang sesuai.
DAFTAR PUSTAKA
1. www.colostate.edu (Colorado State University Website, 2005)
2. Eastop, T.D. & McConkey A., Applied Thermodynamics for Engineering Technologists, Fourth Edition, Longman, New York, 1986 3. Douglas, J.F. Cs., Fluid Mechanics,
Longman, England, 1987
4. Holman, J.P., Heat Transfer, SI Metric Edition, McGraw Hill, Singapore, 1989 5. Cussons, Manual Book for Petrol
Engine, Cussons, Manchester, 1985 6. Massey, B.S., Mechanics of Fluids,
VNR, UK, 1987
7. Hasim & Dani, Rancang Bangun
Heat Exchanger untuk Mengukur Limbah Kalor pada Sistem Gas Buang Mesin Bensin, Tugas Akhir D-3 Teknik Mesin Polban, 2005
