BAB III
PERHITUNGAN KINERJA MOTOR BENSIN 4 TAK 1 SILINDER STARKE GX 200 6,5 HP
3.1 PENGERTIAN
Perhitungan ulang untuk mengetahui kinerja dari suatu mesin ( Starke 200 CC ), apakah kemampuan kerja dari mesin tersebut masih sesuai dengan kelayakan pemakaian atau perlu diadakan perbaikan serta penggantian komponen-komponen mesin agar dapat dioperasikan maksimal.
Perhitungan ulang dari motor bensin Starke GX 200 6.5 HP. Ini meliputi :
¾ Perhitungan Daya
¾ Perhitungan Pemakaian Bahan Bakar
¾ Perhitungan Neraca Panas
3.2 PEROLEHAN DATA
3.2.1 Spesifikasi Mesin
• Type Mesin : GX 200
• Jumlah Silinder : 1 silinder
• Kapasitas Mesin : 196 cc
• Klasifikasi Mesin : Bensin, 4 langkah
• Diameter x langkah : 68 x 54 mm
• Perbandingan Kompresi : 7
• Tenaga Maksimum : 6,5 / 4000 (HP/rpm)
• Momen maximum : 1,35 / 2500 kg.m/rp
3.2.2 Data Teoritis
• Temperatur udara luar
( )
o TDengan memperhitungkan temperature udara sekitar, diambil : K
o
• Tekanan udara luar
( )
o PTekanan udara luar adalah : atm o
P =1
• Tekanan gas pada permulaan kompresi
( )
a P• Harga {tekanan udara diakhir langkah isap untuk motor 4 lngkah berkisar antara (0,85 – 0,92) x atm}. Untuk perhitungan ini diambil :
……… (31) a P o P atm Pa =0,90
• Kenaikan harga temperature udara di dalam silinder akibat suhu dinding silinder
( )
∆twHarga
(
∆tw)
berkisar antara 10˚ - 20˚K. Untuk perhitungan diambil : K tw o 20 = ∆ untuk Tres =1000˚K ……… (32)• Tekanan dari gas bekas
( )
yrKoefisien gas bekas untuk mesin 4 langkah :0,03-0,04. Untuk perhitungan diambil : 04 , 0 = r y ……… (33) • Tekanan gas pada akhir pembuangan
( )
P
rMesin karburator,
atm
r
P
=
1
,
03
−
1
,
08
Diambil :
atm
r
P
=
1
,
08
……… (34)• Temperatur gas buang
( )
r T Mesin karburator, K r T =800−1000o diambil : C K r T =800o =527o ……….……… (35) • Koefisien kelebihan udara (α)
Mesin karburator, α = 1,1-1,3 . Diambil :
Α = 1,1 ……… (36)
• Faktor koreksi dari diagram (φ)
Mesin 4 langkah, φ = 0,95-0,97. Diambil :
---
1) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .27 2) lbid, hal. 81
3) lbid, hal. 29 4) lbid, hal. 32
Φ = 0,95 ………...……… (37)
• Efisiensi mekanis
( )
m
η
Mesin karburator 4 langkah,
m
η
= 0,8-0,85. Diambil :m
η
= 0,82 ……….…… (38)• Koefisien penggunaan panas hasil pembakaran
( )
z
ξ
Motor bensin, zξ
= 0,85-0,95. Diambil : zξ
= 0,85 ………. (39)• Eksponen politropis ekspansi
( )
n2Nilai n2 berkisar antara 1,15-1,3. Untuk perhitungan diambil : 2
n = 1,15 ……… (40) • Masa jenis bensin =0,73 gr/cm³ = 0,73 kg/lt ……… (41)
3.3 PERHITUNGAN ¾ Volume Langkah
Adalah besarnya ruang bakar yang ditempuh oleh piston selama melakukan langkah kerja.
V D
V 14. . 2.
1=
π
……….. (42) Dimana : D = Diameter silinder (cm)L = Panjang Langkah piston (cm)
(
6,8 54)
. 4 1 2 1 =π
× V = 196 cc¾ Volume ruang bakar (
( )
c V
Volume ruang bakar adalah volume ruang bakar dari silinder head dan volume dari gasket. cg V csh V c V = + --- 5) lbid, hal. 32 6) lbid, hal. 32 7) – 41) – 42) lbid, hal. 52, 22
cg
V adalah volume yang disebabkan ketebalan gasket dengan tebal .
cg V = (0,1 cm) g L cg D cg V . . 2. 4 1
π
=( )
6,8 2.0,1 . . 4 1π
= cg V cc cg V =3,629 cshV = adalah volume ruang bakar dari silinder head
629 , 3 7 1+ =V csh V 629 , 3 7 196+ = csh V = 31,629 cc Vc = 3,629 + 31,629 = 35,258 cc ¾ Temperatur awal kompresi
( )
a T
Adalah temperature campuran udara-bahan bakar yang berada dalam saat piston mulai melakukan langkah kompresi.
( )
r r r T w t o T a Tγ
γ
+ + ∆ + = 1 . ………..… (43) Dimana : oT = Temperatur udara luar.
w t
∆ = Kenaikan temperature dalam silinder akibat suhu dinding silinder.
r
γ
= Koefisien gas bekas.r
T = Temperatur gas buang.
( )
r r r T w t o T a Tγ
γ
+ + ∆ + = 1 . --- 43) lbid, hal. 52, 22
(
)
K a T 341,346o 04 , 0 1 04 , 0 . 800 20 303 = + + + =Standarisasi dari berkisar 310-350ºK ………... (44)
a T ¾ Efisiensi pemasukan (
ch
η
)Adalah rasio antara jumlah pemasukan udara segar sebenarnya yang dikompresikan didalam silinder mesin yang sedang bekerja dan jumlah yang mana akan sudah diisi didalam volume silinder yang bekerja ( ) Pada tekanan dan temperatur udara luar ( ) atau perbandingan antar volume campuran udara-bahan bakar pada tekanan dan temperatur sekelilingnya (P dan T) diubah ke dan dengan volume langkah.
d V o danT o P o P o T
( )
r o T a T o P a P chγ
ε
ε
η
+ − = 1 1 . . 1 ……… (45)(
1 0,04)
303 346 , 341 1 . 1 90 , 0 . 1 7 7 + − = chη
9197 , 0 0096 , 2178 9 , 1908 04 , 1 . 04 , 349 . 1 . 6 303 . 90 , 0 . 7 = = = chη
¾ Tekanan akhir kompresi ( )
c P
Tekanan akhir kompresi adalah tekanan campuran udara-bahan bakar pada akhir langkah komprtesi.Berdasarkan hasil dari pengukuranbesarnya tkanan kompresi sebesar 10,182 x 105 ( 10,0499) atm
1 . n a P c P =
ε
………..……… (46) 10,0499 = 0,90 . 7n1 7n1 = 90 , 0 0499 , 10 = 11,16655log7n1 = log 11,16655 = n1 log7 = 11,16655 ---
Pet ovsky, Prof. D Sc.Marine Com tio
43) N. r bus n Engine, Hal .29 44) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .31 45) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .31
n1 = 7 log 16655 , 11 log = 1.24 Dimana n1 adalah eksponen polytropik .
Dalam proses kerja tidak ada panas masuk ataupun keluar ( adiabatik )
¾ Temperatur akhir kompresi ( )
c T
Adalah temperature bahan bakar sebelum pembakaran (pada akhir langkah kompresi). 1 1 . . − = n a T c T
ε
………..……… (47) = 349,04 . 7 (1,4-1) = 349,04 . 7 (0,4) = 723,99 ºKStandarisasi untuk motor bensin berkisar antara 550-750ºK.
c T
¾ Nilai kalor pembakaran bahan bakar (Q1)
Adalah jumlah panas yang mapu dihasilkan dalam pembakaran 1 kg bahan bakar. Pada mesin bensin digunakan bensin ( ) sebagai bahan bakar Bensin memiliki komposisi sebagai berikut :
18 8H C
C = 87% H = 11% O = 2%
Untuk bensin (gasoline), besarnya Q1 = 9530 Kkal /kg ……… (48)
¾ Kebutuhan udara teoritis ⎜⎝⎛L'o⎟⎠⎞
Dengan jumlah oksigen didalam atmosfer 21% banyaknya udara teorotis yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna dari 1 kg bahan bakar adalah : 21 , 0 2 ' O o L = ………...……… (49) ′ = ⎢⎣⎡ + + ⎥⎦⎤ 32 4 12 21 , 0 1 c h o o L mole L 0,473 21 , 0 099375 , 0 32 02 , 0 4 11 , 0 12 87 , 0 21 , 0 1 0 ⎥⎦ = = ⎤ ⎢⎣ ⎡ + + = ′ --- 46) Ibid hal 32 47) lbid, hal. 35
48) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .43
¾ Jumlah udara teortikal udara dalam satuan berat ( )
o L
95 , 28
= o
L . kg udara per kg bahan bakar ……… (50) o
L
Dimana 28,95 kg/mol adalah berat moleculer dari udara.
kg o
L =28,95×0,473=13,69335 . Udara per kg bahan bakar.
¾ Jumlah udara sebenarnya (L)
o L
L =
α
. ………..……… (51) kgL =1,1×13,69335=15,062685 . Udara per kg bahan bakar. ¾ Koefisien kimia dari perubahan molar setelah pembakaran (
µ
o)Adalah perubahan volume gas dalam silinder selama pembakaran (perbandingan dari jumlah mol dari pemasukan segar sebelum pembakaran )
µ
0= e g M M ……… (52) = 0 .L Mgα
0µ
Dimana gM = Jumlah mol dari gas setelah pembakaran ( kuwalitas total dari
pembakaran gas basah dalam mol per 1 Kg bahan bakar.)
---
49) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .32 50) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .37 51) lbid, hal. 38 52) lbid, hal. 39 g M = Mco2 + MH20 + MN2 + Mo2 ……… (53) g M = c h .Lo 0,21.Lo 2 12+ +
α
− g M = (1,1.0,4) (0,21.0,473) 0,54847mole 2 11 , 0 12 87 , 0 = − + + 054 , 1 473 , 0 . 11 54847 , 0 0 = =µ
¾ Koeffisien dari perubahan molar (
µ
0)Adalah perubahan jumlah sebenarnya dari mol gas setelah pembakaran (
µ
0)r r
γ
γ
µ
µ
+ + = 1 0 ……… (54)052 , 1 04 , 0 1 04 , 0 504 , 1 = + + =
µ
¾ Temperatur gas pada akhir pembakaran (TZ )
Adalah temperature gas hasil pembakaran campuran udara – bahan
bakar untuk motor bensin yang memiliki siklus volume tetap T Dapat di cari dengan rumus : 2 z g v mix v r z T mc Tc mc L O . ) ( ) ( 1 .( . 0 ) 1 .
µ
γ
α
ξ
= + + ……… (55) Dimana ; mix v mc )( = kapasitas molar isokhorik rata – rata dari udara yang bercampur dengan gas bekas dari sampai 00 0 .
K Tc mix v mc ) ( = 4,62 + 53 x Tc ……… (56) 5 10− g v mc )
( : kapasitas panas molar isokhorik rata – rata dari hasil pembakaran dari sampai 00 . K Tz 0 2 2 2 2 2 2 2( ) ( ) ( ) ( ) ) (mcv gx =vco mcv co +vh o mcv h o +vN mcv +vo mcv o … (57)
Isi volumetric relative dari unsur pokok dalam hasil pembakaran .
g g co co M c V v v 12 2 2 = = ……… (58) 13219 , 0 54847 , 0 12 087 , 0 02 = = x vc g g o h o h m h v v v 2 2 2 = = ……….……… (59) 10028 , 0 54847 , 0 2 11 , 0 2 = = x vh o g g g N M L V V v 2 = = 0,79.
α
. 0 ……… (60) ---53) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .39 54) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .40 55) lbid, hal. 46
74942 . 0 54847 , 0 479 , 0 1 , 1 79 , 0 2= = x x vN g O o M Lo Vg V v 2 = 2 = 0,21(
α
−1). ……… (61) 01811 , 0 5484 , 0 473 , 0 ) 1 1 , 1 ( 21 , 0 2 = − = o VMenurut N.M GGlagolev ( kapasitas panas molar isokhoirik rata – rata dari hasil pembakaran dari ke 00 Tz K ) :
0
( mcv)=7,28+125x10−5Tz Kcal /mol per C 0
( )
Tz O H v mc 5,79 112 10 5 2 − × += Kcal /mol per˚C
( )
Tz N v mc 4,62 53 10 5 2 − × += Kcal / mol per˚C
( )
Tz O v mc 4,62 53 10 5 2 − × += Kcal / mol per˚C Dari persamaan diatas diperoleh :
( )
( )
( )
( )
( )
2 2 2 2 2 2 2 2 v O mc O V N v mc N V O H v mc O H V co v mc co V g v mc = + + +(
)
=(
+ −)
+(
+ −)
+ z z g v T T mc 0,13219 . 7,82 125.10 5 0,10028 .5,79 112.10 5 0,74942.( 4,26+53.10 5 2 ) +0,01811.(4,62 +53.10 T − 5 2 T − ) 2 5 2 5 2 5 2 5 10 . 95983 , 0 0836682 , 0 . 10 . 71926 , 39 4623204 , 3 10 . 23136 , 11 5806212 , 0 10 . 582375 , 16 0337258 , 1 ) ( T T T T mcv g − − − − + + + + + + = z g v T mc ) 5,1603356 68,4342.10 5 ( = + − Sehingga : v mix c v g z r r z T mc T mc L O ) .( ) ( ) 1 ( . 0 1 .µ
γ
α
ξ
= + + z z T T) 10 . 4342 , 68 1603356 , 5 .( 052 , 1 ) 10 . 53 62 , 4 ( ) 04 , 0 1 .( 473 , 0 . 1 , 1 9530 . 85 , 0 + + −5 = + −5 + 2 5 2 5 5,428673051. 71,9927784.10 10 . 53 62 , 4 ( 541112 , 0 5 , 8100 z z c c T T T T + − = + − + --- 56) lbid, hal. 4857) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .48 58) lbid, hal. 39
59) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .39 60) lbid, hal. 47
59N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .39 61) lbid, hal. 47
2 5 2 . 5 10 . 9927784 , 71 . 428673051 , 5 ) 531 , 579 ( 10 . 3 ) 531 , 579 . 62 , 4 ( 098161 , 14970 z z T T − − + = + = 17825,53516 = 5,428673051. 71,99927784 .10 5. 2 z z T T + − 71,9927784.10−5 2 + 5,428673051 . −17825 ,53516 = 0 z z T T a ac b b Tz 2 4 2 2 , 1 − ± − =
Untuk diambil positif (+ ) : Tz
a ac b b Tz 2 4 2 2 , 1 − ± − = 5 5 2 10 . 997784 , 71 . 2 ) 53516 , 17825 ).( 10 . 9927784 , 71 .( 4 ) 428673051 , 5 ( 428673051 , 5 − − − − + − = z T K Tz =2472,7270
¾ Tekanan akhir pembakaran (Pz) ( Pz) = c Z c T T P
µ
. ……….. (62) ( Pz) = atm K 36,106 99 , 723 727 , 2472 . 052 , 1 . 049 , 10 0 =¾ Perbandingan tekanan didalam silinder selama pembakaran (
λ
) 59 , 3 049 , 10 106 , 36 = = = c z p pλ
……….. (63) ¾ Perbandingan ekspansi (ρ
)Rasio yang menunjukkan perubahan yang terjadi gas hasil pembakaran campuran udara – bahan bakar pada awal langkah kompresi Perbandinga ekspansi pendahuluan dapat di cari de ngan rumus :
c z T T .
λ
µ
ρ
= ……….. (64) 0 , 1 99 , 723 . 59 , 3 052 , 1 = =ρ
---62) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .50 63) lbid, hal. 14
¾ Perbandingan ekspansi selanjutnya (
δ
)Adalah perbandingan ratio yang menunjukkan perubahan pada gas hasil pembakaran selam langkah ekspansi :
ρ
ε
δ
= ……….. (65) 7 1 7 = =δ
¾ Tekanan gas pada akhir ekspansi ( ) b P 2 n z P b P
δ
= ……… (66) 8 , 3 15 , 1 7 106 , 36 = = b P¾ Temperatur gas pada akhir ekspansi ( )
b T 1 2− = n z T b T δ ………..(67) K o b T 1848,076 1 15 , 1 7 727 , 2472 = − =
¾ Tekanan indikator rata- rata teoritis ( )
it P
Adalah besar tekanan rata –rata yang di hasilkan oleh pembakaran campuran bahan bakar yang bekerja pada piston sesuai perhitungan:
⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − − − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − − = 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 2 1 1 1 n n n n e P it P ε δ λ ε … (68) ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − = 1 34 , 1 1 7 1 1 1 15 , 1 1 15 , 0 7 1 1 8 , 3 1 7 05 , 10 15 , 0 it P
atm
P
it=
9
,
488
¾ Tekanan indikator rata – rata
( )
it P ---
65) lbid, hal. 14 66) – 67) lbid, hal. 14
Adalah besarnya tekanan rata – rata yang di hasilkan pembakaran bahan campuran bakar . it i P P =ϕ. ………(69) 2 / 0136 , 9 488 , 9 95 , 0 x kg cm Pi = =
Nilai ini untuk motor bensin berkisar antara 7 – 11 Pi
2
/cm Kg
Tekanan efektif rata – rata Pe i m e P P =η . ………... (70) 2 / 21 , 7 0136 , 9 80 , 0 x kg cm Pe = = 100 . 75 . 60 1 . . . . . V n z i P a i N = ……… (71 ) HP i N 8,265 100 . 75 . 60 1 . 4000 . 196 . 0136 , 9 . 2 / 1 = = 265 , 8 = i N HP. 1 N : Daya indicator ( HP ) 1 P : Tekanan Indikator Kg/cm2 1 V : Volume silinder
( )
M3n : Putaran tiap menit ( rpm ) z : Jum,lah silinder
a : Jumlah proses kerja mesin 4 tak a = 1/2
¾ Daya efektif.
( )
Ne . 1 n Ne =ηm− ……….. (72) Jika 8ηm =0, maka Ne =ηmxn1 265 , 8 80 , 0 x N e = HP N e = 6 ,6 ---69) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Internal Combustion Engine, Hal .55 70) lbid, hal. 56
71) lbid, hal. 61 72) bid, hal. 61
¾ Konsumsi bahan bakar spesifik indicator
( )
F1Adalah jumlah bahan bakar yamg dibutuhkan untuk menghasilkan tekanan indicator.
o I ch T l P P F . . 4 , 318 0 0 . 1 α η = ………. (73) 303 . 473 , 0 . 1 , 1 . 0136 , 9 1 . 8764 , 0 4 , 318 1 = F jam HP Kg F1 = 0,196 / .
¾ Konsumsi bahan bakar spesifik efektif ( F ) Adalah jumlah konsumsi bahan bakar yang di butuhkan untuk menghasilkan kerja efektif.
F = m F
η
1 ………. (74) F = 80 , 0 196 , 0 F = 0,245 Kg/ HP.Jam¾ Konsumsi bahan bakar perjam
( )
Fh e h F N F = . ……… (75) e h F = 0,236 . 5,2 = 1,54 Kg/jam jam liter Fh 2,11 / 73 , 0 144 , 1 = =¾ Heat balance total (Qf ).
Adalah jumlah kesetimbangn kalor yang terpakai dengan kerugan – kerugian kalor yang terjadi baik akibat dari kerugian mekanis, kerugian akibat pendinginan maupun kerugian kalor yang terbawa gas buang .
h e f Q F Q = + ……… (76) 144 , 1 9530 x Q f = 2 , 14676 = f Q Kkal / jam --- 74) – (75) lbid, hal. 67
¾ Heat yang terserap (Qcool )
cool Q = 0,30 x Qf ……… (77) cool Q = 0,30 x 13723,2 cool Q = 4402,86 Kkal / jam
¾ Heat yang di bawa gas buang ( Qeg )
eg
Q = WegW pTeg = Wmix .C pT0 ………. (78)
Diman :
eg
W : Jumlah dari gas buang ( Kg / jam ). mix
W : Jumlah dari campuran segar ( atau udara ) ( Kg/ jam ) p
W : Panas spesifik dari campuran segar dalam K kal / Kg
: 0,256 K kal / Kg C 0 C 0 p
C : Panas spesifik dari campuran segar dalam K kal / Kg C
0 : 0,218 K kal / Kg C 0
eg
T : Temperatur dari gas buang dalam 0C
: 727 0C 0
T : Temperatur dari campuran segar dalam0C
: 30 0C . . .ath Fh mix W =
α
tha = Adalah jumlah teoritis dari udara yang dikirim untuk pembakaran dari 1
Kg bahan bakar . th a = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ . +8. −0 8 3 . 23 , 0 1 H C th a = 3.0,87 8.0,11 0,02 13,826 8 23 , 0 1 = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + − jam kg Wmix =1,1.13,826 .2,11 = 32,090 / h mix eg W F W = + jam Kg Weg =32,090+2,11=34,2 / maka :
(
34,2.0,256 .727) (
− 32,09.0,218 .30)
= eg Q ---76) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .50 77) N. Petrovsky, Prof. D Sc.Marine Combustion Engine, Hal .50
. / 16 , 6155 Kkal jam Qeg = Prosentase Qeg : 0 0 0 0 0,419 42 2 , 14676 16 , 6155 = = = = f eg eg Q Q Q
¾ Heat yang diubah menjadi kerja guna. ( Qe ).
= 632 . ……… ( 79 ) e Q Ne = 632 . 5,2 = 3969,96 Kkal / jam. e Q Prosentase : Qe = = = 2 , 14676 96 , 3969 0 0 f e e Q Q Q 0,27 = 27 % Qres = Qf – Qe – Qcool - Qeg = 14676,2– 3968,96 – 4402,86 – 6155,16 = 149,22 % Qres = = f res Q Q 2 , 14676 22 , 149 = 0,1 = 1 %
Qres = Heat karena pancaran dan gesekan atau heat sisa yang terbawa komponen