Motor Bensin 4 Langkah Dengan Volume Silinder 10 cc dan Kem Tunggal - 12 Katup

Nomor Soal : 786 / TA / FT_USD / TM / Maret / 2007

TUGAS AKHIR

Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana S-1

Program Studi Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin

Diajukan oleh :

Theodorus Sonny Wicaksono

015214018

Kepada

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2008

Four Stroke Gasoline Engine With 1100 cc Cylinder

Volume and 12 Valves - Single Cam

FINAL PROJECT

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

in Mechanical Engineering

By

Theodorus Sonny Wicaksono Student Number : 015214018

to

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

LEMBAR PERNYATAAN PESETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Theodorus Sonny Wicaksono

Nomor Mahasiswa : 015214018

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

” Motor Bensin 4 Langkah Dengan Volume Solinder 1100 cc dan Kem Tunggal – 12 Katup”

Beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di internet atau mediauntuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di Yogyakarta

Pada tanggal 5 Maret 2008

Yang menyatakan

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

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

Yogyakarta, 18 Oktober 2007

Tuhan Tidak Akan Membawa Aku

Sejauh Ini hanya Untuk

I

dedicat e my Thesis

simply t o:

Tuhan Yesus Kristus yang selalu memberi kasih,

kekuatan, dan membentuk hidupku menjadi lebih

indah. Ajarilah aku untuk selalu bersyukur atas semua

itu.

Yohanes B Sutrisno yang selalu memberikan dorongan

dan semangat dalam hidupku.

Irene Marni yang selalu memberikan do’a, kasih,

kekuatan, dan cinta, selama menjadi mama.

Pigsy Laura Pobuti yang telah setia menemani dan

mengisi hari-hariku. Maafkan jika sering membuatmu

kecewa. Aku berharap kasih dan cintamu hanya

untukku hingga batas waktu-Nya.

Keluarga besar Martowiharjo terima kasih atas semua

perhatian dan bantuannya selama menyelesaikan studi

di Yogyakarta.

Rika “Toper”, makasih buat segala pengertian dan

pinjeman motornya.Kak Chun, Thank’s for BK 2 ZY,

Windy buat si “ungu”, Anti en Diska juga buat

anak-anak Tectona yang lainnya. Thank’s for all.

Semua orang yang selalu menjadi cinta, inspirasi,

support dan bagian dari hari-hariku, terima kasih telah

berjuang bersamaku, denganmu hidup ini menjadi lebih

indah.

Serbet dan Ciripa yang setia menungguku pulang.

Maafkan sering telat memberikan makan kalian.

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhanku Yesus Kristus atas berkat rahmat dan kasih karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir dengan judul:

“Motor Bensin 4 Langkah Dengan Volume Silinder 1100 cc dan Kem Tunggal – 12 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 Sains Dan Teknologi 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 I Gusti Ketut Puja S.T., M.T. yang telah bersedia menjadi Pembimbing Akademik saya selama ini.

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.

6. Sekretariat Program Studi Teknik Mesin yang telah membantu selama saya menjadi mahasiswa.

7. Ayahku Yohanes B Sutrisno yang selalu memberikan dorongan dan semangat dalam hidupku.

8. Ibuku Irene Marni yang selalu memberikan doa dan kasih sayang selama penulis menyelesaikan studi dan tugas akhir.

9. Pigsy Laura Pobuti yang telah setia menemani dan mengisi hari-hariku. Maafkan jika sering membuatmu kecewa. Aku berharap kasih dan cintamu hanya untukku hingga batas waktu-Nya.

10. Kakakku Monika Narumartani dan adikku Thomas Tito Anindtya yang selama ini selalu memberikan doa, dukungan, dan semangat selama penyelesian Tugas Akhir ini.

11. Teman-teman yang tidak bisa saya sebut disini. Terima kasih telah berjuang bersama. Sukses selalu bersama kalian.

saran yang membangun akan saya terima dengan baik demi peningkatan dalam pembuatan selanjutnya. Akhir kata saya mengucapkan terima kasih atas perhatiannya.

Penulis

INTISARI

Motor bensin adalah mesin yang banyak digunakan dalam kendaraan bermotor sebagai sarana transportasi saat ini. Seiring dengan perkembangan kota besar yang berdampak pada kemacetan dan kepadatan lalu lintas, mesin bensin dengan volume silinder yang kecil diharapkan dapat memenuhi kebutuhan masyarakat kota besar yang lebih membutuhkan dimensi kendaraan yang kecil dan konsumsi bahan bakar yang irit.Salah satunya motor bensin 1,1 liter 4 langkah kem tunggal 12 katup. Tujuan dari tugas akhir ini adalah untuk mengetahui besarnya

konsumsi bahan bakar tiap jam serta perancangan motor bensin 1,1 liter 4 langkah kem tunggal 12 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 1,1 liter 4 langkah kem tunggal 12 katup.

Dari hasil perhitungan didapatkan besarnya konsumsi bahan bakar tiap jam adalah 10,93 kg/jam hasil ini dihitung dari putaran mesin sebesar 5500 rpm. Untuk daya yang dihasilkan sebesar 50,88 kW atau 68,23 Hp, maka dapat disimpulkan kerja mesin dengan sistem SOHC 12 katup mengoptimalkan kinerja mesin karena menggunakan jumlah katup yang lebih banyak.

DAFTAR ISI

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

1.3. Tujuan... 2

1.4. Manfaat... 2

1.5. Spesifikasi Mesin ... 3

1.6. Batasan Masalah... 3

BAB II DASAR TEORI... 4

2.1. Motor Bensin... 4

2.2. Prinsip Kerja Motor Bensin ... 5

2.2.1. Langkah Hisap ... 5

2.2.2. Langkah Kompresi... 6

2.2.3. Langkah Usaha ... 7

2.2.4. Langkah Buang... 8

2.3. Bagian-bagian Utama Motor Bensin... 10

2.3.1. Kepala Silinder (Cylinder Head)... 10

2.3.2. Blok Silinder (Cylinder Block)... 12

2.3.3. Piston ... 14

A. Bagian-Bagian Dari Piston... 14

B. Celah Piston... 14

2.3.4. Ring Piston ... 15

A. Pegas Kompresi... 16

B. Pegas Pengontrol Oli ... 17

2.3.5. Pena Piston... 18

2.3.6. Batang Piston ... 20

2.3.7. Poros Engkol (Crankshaft)... 21

2.3.8. Camshaft... 22

A. Bagian-Bagian Dari Camshaft ... 22

B. Bentuk Dasar Cam... 24

C. Sistem Penggerak Camshaft... 25

D. Mekanisme Camshaft SOHC ... 29

2.3.9. Katup (Valve)... 34

BAB III ANALISIS SIKLUS... 36

3.1. Data Kendaraan SOHC ... 36

3.2. Siklus Kerja Motor ... 36

3.3. Proses Penghisapan ... 39

3.3.1. Tekanan di Dalam Silinder Selama Proses Pengisapan ... 39

3.3.2. Temperatur Akhir Proses Pengisapan... 45

3.4. Proses Kompresi ... 46

3.5. Proses Pembakaran... 47

3.5.1. Reaksi Kimia pembakaran Bahan Bakar dan Udara ... 48

3.5.2. Koefisien Kelebihan Udara... 49

3.6.1. Karakteristik Kerja Motor... 59

3.6.2. Rugi-Rugi Mekanis... 60

3.6.3. Pemakaian Bahan Bakar Spesifik ... 62

BAB IV PERANCANGAN ELEMEN MESIN... 64

4.1. Silinder dan Kepala Silinder... 64

4.1.1. Tebal Dinnding Silinder ... 64

4.1.2. Kepala Silinder ... 65

4.2. Piston ... 66

4.2.1. Bahan Piston ... 67

4.2.2. Ukuran Piston ... 67

4.2.3. Tebal Piston ... 68

4.2.4. Tinggi Piston... 69

4.3. Cincin Piston ... 70

4.3.1. Cincin Piston Kompresi... 70

4.4. Batang Piston(Connecting Rod)... 72

4.4.1. Pena Piston... 72

4.4.2. Pena Engkol Bawah... 74

4.4.3. Perhitungan Batang Piston... 74

4.5. Poros Engkol ... 75

4.6. Katup ... 78

4.6.1. Perhitungan Katup ... 78

4.6.2. Pegas Katup ... 86

4.7. Camshaft... 87

4.8. Roda Gila... 87

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 91

5.1. Kesimpulan... 91

5.2. Saran... 93

DAFTAR PUSTAKA

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Motor bensin 4-langkah...……….. 4

Gambar 2.2 Proses langkah hisap...……… 5

Gambar 2.3 Proses langkah kompresi...………7

Gambar 2.4 Proses langkah usaha...……… 8

Gambar 2.5 Proses langkah buang...………….. 9

Gambar 2.6 DOHC Cylinder Head Unit...………. 11

Gambar 2.7 Block Cylinder Unit...……….. 13

Gambar 2.8 Piston Construction...……… 14

Gambar 2.9 Piston Gap...……… 15

Gambar 2.10 Piston Ring...……… 16

Gambar 2.11 Compression Ring...……….. 16

Gambar 2.12 Oil Control Ring...………... 17

Gambar 2.13 Ring End Gap...………. 18

Gambar 2.16 Connecting Rod...……….. 21

Gambar 2.17 Crankshaft...………... 22

Gambar 2.18 Camshaft...……… 23

Gambar 2.19 Bentuk Dasar Cam...……… 24

Gambar 2.20 Penggerak Camshaft Dengan Timing Gear..…………... 26

Gambar 2.21 Penggerak Camshaft Dengan Timing Chain.…………... 27

Gambar 2.22 Penggerak Camshaft Dengan Timing Belt....…………... 28

Gambar 2.23 Mekanisme Camshaft OHC...……… 29

Gambar 2.24 Sistem SOHC...………. 31

Gambar 2.25 Sistem DOHC...………. 32

Gambar 2.26 Kepala Silinder DOHC...………... 33

Gambar 2.27 Chamshaft Timing Chain...………... 34

Gambar 2.29 Bentuk Katup (Valve Design)...………...… 35

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Sifat-sifat Udara Pada Tekanan Atmosfer……..………….. 44

Tabel 3.2 Komposisi Elementari dan Karakteristik dari bensin dan Solar…...……… 51

Tabel 3.3 Kapasitas Panas Jenis Molar Gas

( )

μcv pada Volume Konstan………. 54

Tabel 3.4 Energi Internal Hasil Pembakaran... 57

Tabel 3.5 Faktor Rugi-Rugi Mekanis……... 61

Tabel 4.1 Konstanta Δe………... 88

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah.

Hal inilah yang membuat masyarakat perkotaan membutuhkan sebuah kendaraan yang lebih kecil dan memiliki konsumsi bahan bakar lebih irit sehingga cocok digunakan untuk mobilitas sehari-hari di wilayah perkotaan yang sempit dan padat. Permintaan tersebut tidak lepas dari teknologi dan kemampuan mesin yang di pakai dalam kendaraan bermotor. Konstruksi dan kapasitas mesin sendiri ada berbagai macam bentuk yang di sesuaikan dengan kebutuhan masyarakat perkotaan antara lain untuk angkutan (kendaraan niaga), kendaraan keluarga (jenis city car, MPV dan sedan).

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 1,1 liter SOHC 12 katup.

1.2. Perumusan Masalah.

Tugas akhir ini berisi tentang perhitungan konsumsi bahan bakar per jam dan elemen-elemen mesin bensin empat langkah 1,1 liter Single Over Head Camshaft (SOHC) dengan jumlah katup sebanyak 12.

1.3. Tujuan.

1.4. Manfaat.

Studi ini diharapkan memberi manfaat bagi pembaca, diantaranya agar pembaca mendapat pemahaman dengan baik tentang perancangan motor bensin 1,1 liter SOHC 12 katup, perhitungan kebutuhan bahan bakar, dan perhitungan elemen mesin kendaraan bermotor.

1.5. Spesifikasi Mesin

Dalam tugas akhir ini penulis menghitung perancangan motor bensin 1,1 liter dengan spesifikasi mesin sebagi berikut :

Jenis kendaraan : mobil penumpang Tipe mesin : mesin bensin 4 langkah

Jumlah silinder : 4 silinder in-line, SOHC 12 katup Volume sillinder : 1086 cc

Volume / silinder : 271,5 cc = 2,715 ×10-4 m3 Daya maksimal : 64 Hp pada 5500 rpm Torsi maksimal : 96,1 Nm pada 2800 rpm Diameter silinder : 68 mm

Panjang langkah : 73 mm Perbandingan kompresi : 10 : 1 Diameter Throat katup isap : 24 mm

1.6. Batasan Masalah.

Dalam perancangan ini penulis hanya membahas tentang perancangan motor bensin 1,1 liter SOHC 12 katup, besarnya konsumsi bahan bakar tiap jam, serta perhitungan elemen-elemen mesin.

BAB II

DASAR TEORI

2.1. Motor Bensin

Motor bensin adalah salah satu jenis motor pembakaran dalam yang banyak digunakan untuk menggerakkan kendaraan darat. Motor bensin menghasilkan tenaga dari pembakaran bahan bakar di dalam silinder. Pembakaran bahan bakar ini akan menimbulkan panas yang sekaligus akan mempengaruhi gas yang ada di dalam silinder untuk mengembang.

Gambar 2.1 Motor Bensin 4-Langkah (sumber: http://www.sae.org)

2.2. Prinsip Kerja Motor Bensin

2.2.1. Langkah Hisap

Gambar 2.2 Proses Langkah Hisap (Sumber : Suyanto, W, 1989, 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.

campuran bahan bakar dan udara tertahan di dalam silinder, yang seterusnya akan dilanjutkan dengan proses berikutnya yaitu langkah kompresi.

2.2.2. Langkah Kompresi.

Pada langkah kompresi (Gambar 2.3) 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

Dengan bergeraknya piston tersebut maka terjadi penyempitan ruangan di atas piston dimana campuran antara bahan bakar dan udara berada. Campuran tersebut dimampatkan sehingga tekanannya akan naik sesuai dengan perbandingan kompresinya. Semakin tinggi tekanan kompresinya semakin tinggi pula tenaga yang dihasilkan motor tersebut.

Gambar 2.3 Langkah Kompresi, Kedua Katupnya Tertutup (Sumber: Suyanto, W, 1989, hal. 22)

2.2.3. Langkah Usaha.

Gambar 2.4 Proses langkah usaha (Sumber: Suyanto, W, 1989, 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.

2.2.4. Langkah Buang.

Gambar 2.5 Proses Langkah Buang (Sumber: Suyanto, W, 1989, 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. 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 overlap, yang tujuannya untuk mempertinggi efisiensi dari motor tersebut.

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)

2.3.1. Kepala Silinder (Cylinder Head)

Gambar 2.6 DOHC Cylinder Head Unit

(Sumber: PT.Hyundai Mobil Indonesia, 2001, Hal. 69)

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 sehingga mesin dapat direncanakan dengan kompresi yang lebih tinggi dan tenaga motor dapat di tingkatkan.

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.

Blok silinder dari besi tuang ini sangatlah berat, oleh karena itu saat ini banyak digunakan silinder blok dari bahan campuran aluminium sehingga lebih ringan. 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. Pada bagian atas dan bagian bawah silinder liner tipe basah ini harus dipasang seal sehingga air pendingin tidak bocor. Silinder liner tipe basah ini banyak dipakai pada motor diesel berukuran besar.

Gambar 2.7Block Cylinder Unit

(Sumber : PT.Hyundai Mobil Indonesia, 2001 ,Hal. 17)

A. Bagian-Bagian Dari Piston

Gambar 2.8Piston Construction. (Sumber: Suyanto W, 1989, 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 meneruskan 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)

Gambar 2.9Piston Gap

(Sumber: PT.Astra International tbk-Toyota 2002, Hal.11)

2.3.4. 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 dari 4 buah pegas piston dan ada yang terdiri dari 3 buah pegas piston.

Ring piston berfungsi untuk:

1. Mencegah kebocoran selama langkah kompresi dan usaha

Gambar 2.10Piston Ring

(Sumber: PT.Astra International tbk-Toyota, 2002, Hal.12)

A. Pegas Kompresi

Pada setiap piston (Gambar 2.11) terdapat 2 pegas kompresi. Pegas kompresi ini disebut dengan top compression ring dan second compression ring.

Gambar 2.11Compression Ring

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 2. Tipe segment

Gambar 2.12Oil Control Ring

(Sumber: PT.Astra International tbk-Toyota, 2002, Hal.13)

C. Celah Ujung Pegas

gap. Besarnya celah biasanya sebesar 0,2 – 0,5 mm pada temperatur ruangan, dan diukur pada 10 mm dan 120 mm dari atas silinder.

Gambar 2.13Ring End Gap.

(Sumber: PT.Astra International tbk-Toyota, 2002, Hal.14)

2.3.5. Pena Piston

Gambar 2.14Piston Pin.

(Sumber: PT.Astra International tbk-Toyota, 2002, 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: PT.Astra International tbk-Toyota, 2002, Hal.15)

2.3.6. Batang piston

Gambar 2.16Connecting Rod

(Sumber: PT.Astra International tbk-Toyota, 2002, Hal.16)

2.3.7. Poros Engkol (Crankshaft)

Gambar 2.17Crankshaft

(Sumber: PT.Hyundai Mobil Indonesia, 2001, Hal. 36)

2.3.8. Camshaft

A. Bagian-Bagian Dari Camshaft

penutupan katup isap dan katup buang menjadi tidak tepat, sehingga efisiensi volumetriknya akan menurun.

Gambar 2.18 Camshaft

(Sumber: PT.Hyundai Mobil Indonesia, 2001, Hal. 28)

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). 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. Setiap dua putaran poros engkol Cam hanya berputar satu kali putaran. Untuk memenuhi kebutuhan ini maka poros Cam dan poros engkol masing-masing dilengkapi dengan roda gigi untuk menepatkan perbandingan putaran tersebut. 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.

Gambar 2.19 Bentuk Dasar Cam

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

Gambar 2.20 Penggerak Camshaft Dengan Timing Gear

(sumber: Drs.Wardan Suyanto M.A,1989. Teori Motor Bensin, hal. 103)

2. Timing Chain

Gambar 2.21 Penggerak Camshaft Dengan Timing Chain (Sumber: Suyanto, W, 1989, hal. 104)

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.

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 permanen sehingga tidak perlu pelumasan dari luar.

D. Mekanisme Camshaft

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) (Gambar 2.23). Ketika dibandingkan langsung dengan sistem OHV dengan jumlah katup yang sama, maka komponen dari sistem OHC lebih sedikit. Secara keseluruhan akan mempunyai massa yang lebih kecil, meskipun struktur yang 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 sabuk, rantai, atau gigi persneling.

Gambar 2.23 Mekanisme camshaft OHC (sumber: http://www.samarins.com)

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 Head Camshaft) sebagai pengatur pergerakan katupnya, tetapi ada juga yang 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).

Single Overhead Camshaft (SOHC)

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 (gambar 2.24 ).

Keuntungan SOHC antara lain :

ƒ pada katup pengoperasiannya hampir secara langsung oleh camshaft

ƒ mudah untuk mencapai timing sempurna pada rpm tinggi.

Double Overhead Camshaft (DOHC)

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. Daya mesin yang dihasilkan dari mesin yang menggunakan mekanisme DOHC ini semakin besar, 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)

ƒ Efisiensi tinggi, memungkinkan untuk menggunakan jumlah katup yang lebih

banyak untuk setiap silinder

ƒ Lebih presisi dibanding sistem SOHC.

Kerugian :

ƒ Disain mesin menjadi lebih mahal dan lebih rumit.

Gambar 2.26 Kepala Silinder DOHC (sumber: http://www.samarins.com)

Gambar 2.26 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 ( Gambar 2.27 ).

Mekanisme kerja sistem DOHC terdiri dari dua buah Camshaft sehingga dibutuhkan Camshaft timing Chain (Gambar 2.28) yang dipasangkan pada Timing Chain Sprocket. Agar kedua Camshaft dapat bergerak sesuai dengan aturannya, salah satu dari ujung dari Camshaft (Exhaust Camshaft) dihubungkan dengan Timing Belt yang berhubungan langsung dengan poros engkol(Crankshaft) melalui Camshaft Sprocket.

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

(Sumber: Pedoman Reparasi 2001, PT.Hyundai Mobil Indonesia, Hal. EMA 31)

2.3.9. Katup (Valve)

Katup dipasang di kepala silinder, 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. Katup buang adalah katup yang digunakan untuk membuka dan menutup saluran pembuangan untuk membuang gas hasil pembakaran dari dalam silinder motor.

menggunakan 5 katup per silindernya, yaitu 3 katup isap dan 2 katup buang. 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 udara luar dengan penurunan tekanan udara di dalam silinder yang diakibatkan oleh hisapan piston. 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.

BAB III

ANALISIS SIKLUS

3.1. Data kendaraan

Jenis kendaraan : mobil penumpang Tipe mesin : mesin bensin 4 langkah

Jumlah silinder : 4 silinder in-line, SOHC 12 katup Volume sillinder : 1086 cc

Volume / silinder : 271,5 cc = 2,715 ×10-4 m3 Daya maksimal : 64 HP pada 5500 rpm Torsi maksimal : 96,1 N.m pada 2800 rpm Diameter silinder : 68 mm

Panjang langkah : 73 mm Perbandingan kompresi : 10 : 1 Diameter Throat katup isap : 24 mm

Diameter Throat katup buang : 29 mm

3.2 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:

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. 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. Beberapa idealisasi adalah sebagai berikut:

1. Fluida kerja dalam silinder adalah udara, dan 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.

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 langkah isap berikutnya akan masuk sejumlah fluida kerja yang sama.

Gambar 3.1 Diagram P-V dan T-S Siklus Udara Konstan ( Siklus otto )

3.3 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 silinder. Faktor yang mempengaruhi besarnya muatan yang masuk ke dalam silinder:

1. Adanya sisa hasil pembakaran didalam silinder yang menempati 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.

3.3.1 Tekanan di Dalam Silinder Selama Proses Pengisapan

Pada mesin 4 langkah saat mencapai kecepatan dan daya rata-rata Pa. Tekanan akhir langkah hisap dihitung dengan persamaan 3.1 (M.Kovach, 1979, hal 88)

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 hisap dan di dalam silinder. Vin : kecepatan udara pada saluran masuk (m/s)

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

β :

Vis V_cyl

Vcyl adalah kecepatan udara didalam silinder pada potongan

melintang berdasar pertimbangan.

ζis : koefisien tahanan saluran hisap berdasarkan pada potongan kecil.

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

melewati saluran hisap diabaikan

(

ρ_in =ρ_a

)

, maka persamaan diatas menjadi (Kovakh,1979, hal 88) :

(

+

)

×⎜⎜_⎝⎛ ⎟⎟_⎠⎞ + = 2 V 2 a a in in 2 is ρ P ρ P is ξ

β ...(3.2)

Persamaan kontinuitas untuk potongan melintang dari saluran isap dan bagian silinder (Kovakh,1979, hal 88) :

Dengan

Ais : luasan lewat katup (m2)

Vpmax : kecepatan piston maksimum (m/s)

Ap : luasan piston (m2)

Untuk mesin 4-langkah tanpa supercharging, P_in =P_o dan ρ_in =ρ_o. Mpa

P

P_in = _o =0,1013

Luasan lewat katup (A_is) dihitung dengan persamaan 3.4 (Petrosvky,1968, hal 414 ). α

πdh Cos

Ais = max ...(3.4) Tinggi angkat katup maksimal dihitung dengan persamaan 3.5 ( Petrosvky,1968, hal 414 ) :

⎟ ⎠ ⎞ ⎜

⎝ ⎛ =

α

Cos d h

4

max ...(3.5)

Ais : luasan lewat katup (m2)

d : diameter throat katup hisap (m) r : jari-jari piston (m)

max

h : tinggi angkat katup maksimum (m) α : sudut dudukan katup = 45o

S : panjang langkah (m) n : putaran mesin (rpm)

Luasan lewat katup (Ais):

45 45

4 10 . 24 10 . 24 14 , 3

3 3

Cos Cos

Ais = × × ×

=

4 ) 10 . 24 ( 14 ,

3 × −3 2

= 4,52.10-4 (m2), luasan lewat untuk 1 buah katup.

Katup hisap terdiri dari 2 buah katup, maka luasan lewat katup keseluruhannya adalah:

2 10

. 52 ,

4 4 2×

= −

m Ais

=9,04.10-4 m2 Luasan piston (Ap)

2

r Ap =π

= 3,14 × (3,4.10-2)2 = 3,62.10-3 m2

Kecepatan piston maksimum (Vp max ) dihitung dengan persamaan 3.6 (Kovakh, 1979, hal 89 ):

Vp =

30 n S

………...( 3.6)

=

30 5500 10

. 73 −3× = 13,38 (m/s)

VPmax = 1,63 Vp... (3.7)

= 1,63×13,38 = 21,81 m/s

is p P is A A V

V = _max × ...( 3.8)

= 21,81 ₄ -3 10 . 04 , 9 3,62.10 − ×

= 87,53 m/s

Batas kecepatan udara melalui katup isap yang diijinkan (Kovakh,1979, hal 90) :

s m Vis =50−130

Tekanan akhir proses pengisapan (Pa) dihitung dengan persamaan 3.9 (Kovakh, 1979, hal 596) :

Untuk mesin 4-langkah tanpa supercharging, P_in =P_o dan ρ_in =ρ_o. Mpa

P

P_in = _o =0,1013

o in ρ

ρ = udara pada To= 32 oC = 305 K

3 159

,

1 kg m

o =

ρ ( Holman,1991, hal 589)

(

β2 +ξ_is

)

=2,5−4 (Kovakh, 1979, hal 90)

(

)

6

2 2 10 2 − × × + −

= is is _o

o a

V P

P β ξ ρ ...(3.9)

(

)

6

2 10 . 159 , 1 2 87,53 75 , 2 1013 ,

0 − × × −

=

a

P

= 0,089 Mpa

(Sumber: Jp.Hollman, 1991, hal 589)

Drop pressure yang terjadi (ΔP_a) (Kovakh, 1979, hal 93) :

a in a P P

P = −

Δ ...(3.10)

089 , 0 1013 ,

0 −

= ΔPa

= 0,0123 Mpa

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

pengisapan lebih tinggi dibanding temperatur pada saluran hisap (Tin), tetapi lebih

rendah dibanding temperatur gas-gas residu (Tres) (Kovakh, 1979, hal 93).

Ta =

res res res in

γ

1

T

ΔT T

+ + + ϕγ

(K)...(3.11)

res a

res res

o res

P P

P T

T T

− × Δ + =

ε

γ ...(3.12)

(

o

res P

P = 1,1−1,25

)

...(3.13)

Dengan:

o

T : temperatur udara luar = 305 K

Tin : temperatur saluran isap

ΔT : penambahan suhu campuran segar karena melewati saluran hisap 15 ≈ oC

ϕ : koefisien kapasitas gas panas residu = 1 ε : perbandingan kompresi = 10 : 1

Tres : koefisien kapasitas residu = (750 → 1000) K...(Kovakh, 1979, hal 92)

res

γ : Koefisien gas buang (0,06→0,10)...(Kovakh, 1979, hal 91)

Ta : (310 → 350) K...(Kovakh, 1979, hal 94)

0,064 1013 , 0 15 , 1 0,089 10 1013 , 0 15 , 1 750 15 305 = × − × × × + = res γ K 345,8 0,064 1 750 064 , 0 1 15 305 = + × × + + = Ta

Efisiensi pengisian untuk langkah hisap(η_v) (Kovakh, 1979, hal 96) :

Efisiensi pengisian silinder adalah perbandingan jumlah muatan segar aktual (We) yang dikompresi di dalam silinder 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.

) γ (1 T T . P P . 1 ε ε η res a in in a 1

v =ϕ _{− +} ...(3.14)

0,064) (1 345,8 305 0,1013 0,089 1 10 10 1

ηv = ₋ × × _{× +}

= 0,809 = 80,9 %

3.4 Langkah Kompresi

Temperatur dan tekanan pada akhir langkah kompresi menggunakan eksponen polytropik (n1), eksponen ini konstan selama proses berlangsung (Kovakh, 1979, hal 117).

n1 = ( 1,3 – 1,37 )

Proses berlangsung secara isentropik, tekanan akhir langkah kompresi dihitung dengan menggunakan persamaan (Kovakh, 1979, hal 111):

1

n a com P

P = ×ε (Mpa)...(3.15)

3 , 1 10 089 ,

0 ×

=

com

P

= 1,77 Mpa

Temperatur akhir langkah kompresi (Tcom) (Kovakh, 1979, hal 111):

1 1− ×

= n

a com T

T ε ...(3.16)

1 3 , 1 10 345,8× − =

com

T

= 689,96 K

3.5 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:

1 kg bahan bakar = c kg C + h kg H+ o kg O

H = Hidrogen O = Oksigen

3.5.1 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:

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 CO mol 12 c O mol 12 c C kg c : karbon dari (kg) c untuk atau CO mol 1 O mol 1 C kg 12 : mol dalam CO kg c 3 11 O kg c 3 8 C kg c CO kg 3 11 O kg 3 8 C kg 1 : atau CO O C → + → + → + → + → +

Komposisi bahan bakar: C = 88,5 %

Kebutuhan udara untuk membakar 1 kg bahan bakar dalam massa secara teoritis adalah (Kovakh, 1979, hal 51) :

⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ _{+ −}

= o f

th C H O

a 8 3 8 23 , 0 1 ………...…..( 3.17) 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 (Kovakh, 1979, hal 51):

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + = 32 4 12 209 , 0 1 f th O H C

A …………..………...…( 3.18)

kmol 516 , 0 32 0 4 145 , 0 12 885 , 0 209 , 0 1 = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ _{+ −} = th A

3.5.2 Koefisien Kelebihan Udara

( )

α

Jumlah udara yang digunakan mesin akan bertambah besar, mengecil atau bahkan setimbang terhadap perhitungan teoritisnya, tergantung pada tipe tiap susunan campuran bahan bakar dan udara. Perbandingan jumlah udara yang ikut terbakar bersama bahan bakar terhadap perhitungan teoritisnya disebut koefisien kelebihan udara (α )

α = 1 disebut campuran setimbang (Stoikiometris). α < 1 disebut campuran kaya

Dalam perhitungan dan , diasumsikan bahwa udara mengandung 20,9

% O2 dari basis volume dan 23 % dari basis massa. th

a A_th

Jumlah udara aktual didalam pembakaran dari 1 kg bahan bakar denganα =1−1,3 (Kovakh, 1979, hal 52) adalah:

th

a a =

α ………..………...….(3.19)

kg 96 , 14 96 , 14 1 = × = × = ath

a α

th

A A =

α …..………...………....( 3.20)

mol 516 , 0 516 , 0 1 = × = × = Ath

A α

Jumlah total campuran segar udara dan bahan bakar (Kovakh, 1979, hal 53):

kg 96 , 15 96 , 14 1 1 1 = + = + = a_th

G α …....…………...………...(3.21) th f A M α μ + = 1

1 ………...………...…...( 3.22)

Dengan:

=

f

μ

massa molekul dari bahan bakar (Kovakh, 1979, hal 64)

=

f

μ

114

Tabel 3.2 Komposisi Elementari dan Karakteristik Dari Bensin dan Solar

(Sumber: M.Kovakh, 1979, hal 64)

Jumlah campuran individu dari hasil pembakaran (Kovakh, 1979, hal 57):

th CO A K M + − = 1 1 42 ,

0 α ……….…...………...( 3.23)

kmol 0 516 , 0 5 , 0 1 1 1 42 , 0 = × + − × = CO M CO CO M C

M = −

12

2 ………...( 3.24)

kmol 071 , 0 0 12 855 , 0 2 = − = CO M CO H K M

M = ×

2 ……...………...( 3.25)

kmol 0 0 5 , 0 2 = × = H M Dengan: =

2 2O ₂ H

H M

H

M = − ..………...………...(3.26)

kmol 072 , 0 0 072 , 0 2 2 2 = − = − = _H O H M H M th N A

M =0,79×α×

2 ……….………...…..(3.27)

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 (μ_th) (Kovakh, 1979, hal 595) :

1 2

M M

th =

μ …...……….……...(3.28)

049 , 1 524 , 0 55 , 0 = = th μ

Koefisien molar aktual (μ ) (Kovakh, 1979, hal 596):

res res th γ γ μ μ + + =

1 ………...………...…(3.29)

046 , 1 064 , 0 1 064 , 0 049 , 1 = + + = μ

(

ΔHl

)

chem =114×10

(

1−α

)

Ath 6 ……...…………..………...….(3.30)

(

)

( )

kmol MJ 0 516 , 0 1 1 114 = × − × = ΔHl _chem

Energi yang dikandung 1 kmol hasil pembakaran pada temperatur maksimum

yang tercapai (U_Z") adalah (Kovakh,1979, hal 596):

(

)

[

]

(

)

res

com res com res chem l l Z Z U U M H H U γ γ γ ξ μ + + + + Δ − = 1 " 1 " 1 …...……...(3.31)

Koefisien pemakaian panas (ξ_Z) = 0,85 (Kovakh, 1979, hal 596)

Energi internal dari 1 mol campuran segar pada langkah ahkir kompresi (Kovakh, 1979,

hal 597):

( )

V com com com c t

U = μ ………...(3.32)

Panas jenis dari campuran segar udara dan bahan bakar (μc_V ) diasumsikan setara dengan udara pada temperatur (t = tcom). Dengan menggunakan tabel 3.3,

diasumsikan t=300oC. Didapat:

V

c

μ pada t = tcom = 22,356 kJ mol oC

maka: kmol kJ 82 , 6706 300 356 , 22 = × = com U

Tabel 3.3 Kapasitas Panas Jenis Molar Gas (μcV) Pada Volume Konstan

Energi internal dari 1 mol hasil pembakaran pada ahkir langkah kompresi (Kovakh,

1979, hal 597):

(

V

)

com com com c t

U" = μ " ...(3.33)

Dengan:

"

V

c

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

elementary dari bahan bakar telah diasumsikan diatas untuk α =1 maka 2 M M r i i =

dapat dihitung (Kovakh, 1979, hal 597):

2

M M

ri = i ………...……….……….(3.34)

1. r_CO =0

2. r_CO2 =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 (Kovakh, 1979, hal 597):

2 2

2 2 2

2 2 2 " N r O H r H r C r C r c N O H H O CO O CO V × + × + × + × + × = μ …...………..…..(3.35) 272 , 23 972 , 20 74 , 0 260 , 26 131 , 0 808 , 20 0 440 , 33 129 , 0 202 , 21 0 " = × + × + × + × + × = V c μ

Energi internal dari hasil pembakaran adalah:

Energi yang dikandung 1 kmol hasil pembakaran pada temperatur maksimum

yang tercapai (U_Z") adalah (Kovakh, 1979, hal 597):

( )

μ μ μ Z Z V Z U T c U " " = = ………...………...(3.36) kmol MJ 24 , 70 kmol kJ 3 , 70248 046 , 1 8 , 73479 " = = = Z U

Dari tabel 3.4 akan diperoleh nilai Tz(suhu akhir pembakaran) pada α =1

Maka nilai Tzadalah:

Tz = 2360,6 oC

Tz = 2633,6 K

Tekanan akhir pada akhir langkah pembakaran (Pz) adalah (Kovakh, 1979, hal 598):

com com Z Z P T T

P =μ ……….…(3.37)

Mpa 08 , 7 77 , 1 96 , 689 6 , 2633 046 , 1 = × × = Z P

Rasio penambahan tekanan (λ) (Kovakh, 1979, hal 598):

com Z

P P

=

Tabel 3.4 Energi Internal Hasil Pembakaran (U)

(Sumber: M.Kovakh, 1979, hal 70)

Tekanan maksimum pada akhir langkah pembakaran (Pz’) adalah (Kovakh, 1979, hal 598):

Z

Z P

P '=0,85× ………...………..….(3.39)

Mpa 02 , 6

08 , 7 85 , 0 '

= × =

Z

3.6 Langkah Ekspansi

Setelah terjadi proses pembakaran bahan bakar dengan udara 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, 1979, hal 155).

Tekanan akhir langkah ekspansi (Pb) (Kovakh, 1979, hal 598):

2

n Z b

P P

ε

= ……...………....… (3.40)

Mpa 41 , 0 10

08 , 7

23 , 1

= =

b

P

Temperatur akhir langkah ekspansi (Tb) (Kovakh, 1979, hal 598):

1 2−

= _nZ b

T T

ε ………...………...…..(3.41)

K 77 , 1550

10 6 , 2633

1 23 , 1

= = ₋

b

T

3.6.1 Karakteristik Kerja Motor

( )

_⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − −

= _{− −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

…... (3.42)

( )

Mpa 1,079 10 1 1 1 1,3 1 10 1 1 1 1,23 3,99 1 10 10 0,089

P _{1,23 1 1,31}

1,3 id i = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − × − − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − × − × − × = _{− −}

Tekanan indikasi rata-rata aktual (Pi) (Kovakh, 1979, hal 598):

untuk ϕ_i =

(

0,92−0,97

)

(Kovakh, 1979, hal 164) id

i

i P

P =ϕ × ………...……(3.43)

Mpa 1,047 079 , 1 97 , 0 = × = i P

Torsi indikasi (Wt) pada putaran 2800 rpm (Kovakh, 1979, hal 165):

h i t P V

W = × ………..………...(3.44)

Dengan: =

i

P tekanan indikasi rata-rata (Pa) =

h

V volume kerja silinder (m3)

(

)

N.m 34 , 304 073 , 0 068 , 0 4 10 148 ,

1 6 2

= ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ _{× ×} × × = π t W

120 n V i P

N_i = i h ...(3.45)

Dengan: =

i

P tekanan indikasi rata-rata (MPa) =

h

V volume kerja silinder (Liter)

Hp 68,23

kW 88 , 50

120

5500 265 , 0 4 047 , 1

= =

× ×

× =

i

N

3.6.2 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 (Kovakh, 1979, hal

598) :

P mech A B V

P = + × ………...….(3.46)

Dengan: = B dan

A diperoleh dari tabel 3.5 (faktor rugi-rugi mekanis)

=

P

V kecepatan piston rata-rata (m/s)

Tabel 3.5 Faktor Rugi-Rugi Mekanis

Maka dari tabel diperoleh untuk <1 D

S :

Dengan:

D = diameter piston (m) S = panjang langkah (m)

93 , 0 073 , 0 068 , 0 ₌ <1 Mpa 220 , 0 38 , 13 0135 , 0 04 , 0 = × + = mech P

Tekanan efektif rata-rata (Pbe) (Kovakh, 1979, hal 598):

mech i

be P P

P = − ………...………...(3.47)

Mpa 826 , 0 220 , 0 047 , 1 = − = be P

Efesiensi mekanis (η_mech) (Kovakh, 1979, hal 598):

i be mech P P =

η ...(3.48)

3.6.3 Pemakaian Bahan Bakar Spesifik

Pemakaian bahan bakar spesifik (gi) (Kovakh, 1979, hal 599):

th i o V i a P g α ρ η ×

=3600 ...(3.49)

kW.jam kg 215 , 0 kW.jam g 44 , 215 96 , 14 1 047 , 1 159 , 1 809 , 0 3600 = = × × × × = i g

Konsumsi bahan bakar efektif pengereman (gb) (Kovakh, 1979, hal 599):

mech i b g g η

= ...(3.50)

kW.jam kg 276 , 0 kW.jam g 20 , 276 78 , 0 44 , 215 = = = b g

Efisiensi indikator (η_i) (Kovakh, 1979, hal 599):

l i i H g 3600 =

η ...(3.5)

37 , 0 44 44 , 215 3600 = × = i η

Efesiensi thermal efektif (η_b) (Kovakh, 1979, hal 599):

...(3.52) mech

29 , 0

7 , 0 37 , 0 =

× =

b

η 8

Konsumsi bahan bakar perjam (gf) (Kovakh, 1979, hal 599):

...(3.53) i

i f g N

g = × ...

jam kg 93 , 10

215 , 0 =

× =

f

BAB IV

PERANCANGAN ELEMEN MESIN

4.1. Silinder dan K

Silinder adalah bagian dari motor ba ah piston e lurus bolak balik. Seluruh proses siklus motor baka

(V.L.Maleev,1975, hal

epala Silinder.

kar yang berfungsi sebagai rum dan m rupakan tempat piston bergerak

r berlangsung di dalam ruang antara silinder dan kepala silinder. Silinder dibuat dari besi tuang yang dicetak bersusun sederet segaris (inline). Konstruksi silinder terdiri dari silinder liner dan rongga air pendingin (water jacket) yang dicetak menjadi satu kesatuan untuk keempat silinder yang berjajar segaris dan disebut silinder blok. Bahan silinder digunakan besi tuang kelabu FC-25 yang mempunyai kekuatan tarik 2800 kg/cm2, tegangan batas elastis 1400 kg/cm2.

4.1.1. Tebal dinding silinder

Tebal dinding silinder dihitung dengan persamaan empiris sbb

411):

16 1 045 ,

0 +

= D

b ...(4.1)

Dengan:

D diameter dalam piston

= 2,67 inci

silinder yaitu D + clearence D= 68 mm

mm 4,62

inci 0,182

16 =

1 ) 67 , 2 ( 045 ,

0 × +

= b

Karena liner silinder adalah sistem basah (bagian luar liner langsung bersentuhan dengan air pendingin), serta untuk memberi kesempatan pembesaran piston (reboring), maka tebal dinding silinder diperbesar menjadi b = 7 mm.

Tebal mantel air pendingin (b1) (V.L.Maleev,1975, hal 411):

14 1 032 , 0 + = D

b ...(4.2)

(

)

mm in b 14 1 67 , 2 032 ,

0 × +

= 987 , 3 157 , 0 = =

Tebal rongga antara silinder liner dengan dinding mantel air (c) (V.L.Maleev,1975, hal

411): 4 1 08 , 0 + = D

c ...(4.3)

c=0,

mm in 77 , 11 463 , 0 4 1 67 , 2 08 = = + ×

4.1.2. Kepala silinder

Kepala silinder dengan pendingin air dibuat dari bahan alumunium untuk mendapatkan koefisien perpindahan panas yang tinggi. Dengan bahan ini akan g relatif lebih dingin, sehingga memungkinkan menaikkan perb

didapat ruang bakar yan

andingan kompresi. Bahan alumunium memiliki tegangan tarik (σijin) = 48000

Tebal kepala silinder(th) (M.Kovakh, 1979, hal 419):

t_h =0,09×D...(4.4)

Tebal dinding 9:

...(4.5)

4.2. Piston

Piston merupakan elemen motor bakar yang sangat penting, sesuai dengan fungsinya:

1. Penghisap campuran bahan bakar dan udara.

puran tersebut yang akhirnya dibakar oleh kompresi. 3. Mendorong sisa hasil pembakaran ke saluran buang.

aka piston haruslah dirancang secara khusus. Bahan piston si dan piston harus

tekanan gas dan perbedaan temperatur yang cukup tinggi. mm

6,12 68 09 , 0

09 ,

= × = = D th 0

Untuk keamanan diambil th = 6,5 mm

silinder yang berbatasan dengan mantel air (twj) (M.Kovakh, 1979, hal 41

(

D

)

t_wj =2,2+ 0,0,3×

(

)

mm t_wj

24 , 4

68 3 , 0 , 0 2 , 2 =

× +

=

2. Memampatkan cam

Melihat fungsi ini, m

harus tahan terhadap perubahan suhu dan tekanan yang bervaria

4.2.1. Bahan piston

Bahan piston adalah alumunium dengan tegangan tarik maksimum σ = 20000 psi, tegangan lengkung yang diizinkan σ = 5500 psi, tekanan permukaan yang diijinkan q = 350 kg/cm2, koefisien ekspansi α = 12,5 x 10

t l

σ -6 /oF. Suhu puncak di

tengah piston (T1 = 400 oC) sedangkan suhu di pinggir piston (T2 = 250 oC) sehingga

12,4 oF. Modulus elastisitas E = 6 x 106 psi.

4.2.3. Tebal Piston

Tebal kepala piston (t1) (Lichty, 1975, hal 539):

didapat ΔT = 150 oC = 2

4.2.2. Ukuran Piston

Diameter kepala piston (D1) (N.Petrosvky,1968, hal 371):

D

D₁ =(1−0,01) ...(4.6)

) 01 , 0 1 (

1 = − D

D

mm 67,32

68 ) 01 , 0 1 (

=

× = −

Diameter badan piston (D2) (N.Petrosvky, 1968, hal 371):

D₂ =(1−0,0018)D...(4.7)

mm 67,877

8 ) 0018 , 0 1 (

) 0018 , 0 1 ( 2

=

× −

= −

= D D

l

Pz D

t₁ = 0,1 /σ ...(4.8)

Pz= 7,086 Mpa = 1027,73 Psi

mm 9,26 in 364 , 0 5500 / 73 , 1027 1 , 0 67 , 2 / 1 , 0 1 = = × =

=D Pz _l

t σ

Tebal sirip-sirip di dalam torak (tt) (V.L.Maleev, 1975, hal 499):

1 2 2 1 3 1 t t ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −

= , dipilih (1/3)t1...(4.9)

mm 3,08 26 , 9 1 × ⎟ ⎞ ⎜ ⎛ = t 3 2 = ⎠ ⎝

Tebal dinding beralur untuk cincin piston (t3) (V.L.Maleev, 1975, hal 501):

...(4.10)

b : kedalaman

= 1/64 + 0,0678 = 0,0835 inci

t4) (V.L.Maleev, 1975, hal 50)1:

, dipilih 0,3t3... (4.11)

b D t₃=0,18+(0,03 )+

Dengan

alur cincin piston = 1/64 + tebal cincin

inci 43 3 , 0 0835 , 0 ) 67 , 2 03 , 0 ( 18 , 0 3 = + × + = t mm 8,727 =

Tebal dinding bagian badan piston (

(

)

3

4 0,25 0,3t

( )

mm 618 , 2 727 , 8 3 , 0 3 , 0 ₃ 4 = × = = t t

4.2.4. Tinggi piston

kuran tinggi piston (H) dihitung dengan persamaan (M.Kovakh, 1979, hal 439):

(4.12)

Jarak sumbu pena piston dengan alas piston (H1) (M.Kovakh, 1979, hal 439):

, dipilih 0,55 H... (4.13)

Tinggi badan torak (M.Kovakh, 1979, hal 439):

, dipilih 0,73 H...(4.14)

Tinggi land teratas (M.Kovakh, 1979, hal 439):

, dipilih 0,08 D...(4.15)

Jarak cincin yang satu dengan lainnya U

(

)

D

H = 0,7−1,3 , dipilih 0,95 D...

(

)

mm 64,6 68 95 , 0 = × = H

(

)

H

H₁= 0,41−0,61

(

0,55

)

64,6 1 =

H

mm 35,53 =

( )

H2

(

)

H

H₂ = 0,68−0,74

(

)

mm 47,15 6 , 64 73 , 0 2 = = H

( )

h

(

)

D

h= 0,06−0,09

(

)

mm 5,44 68 08 , 0 = × = h

( )

h1 ( M.Kovakh, 1979, hal 439):

, dipilih 0,035 D...(4.16)

(

)

D

(

)

mm 2,38

68 035 , 0 1

=

× =

h

4.3. Cincin piston

Antara piston dan silinder terdapat kelonggaran (clearence) agar piston dapat bergerak bolak balik secara bebas. Namun karena tekanan pembakaran yang tinggi memungkinkan gas hasil pembakaran menerobos masuk ke sela-sela antara piston dan silinder. Untuk mengatasi hal tersebut diatas diperlukan cincin piston yang

1. Sebagai pe ng

bakar

2. Sebagai penyekat agar minyak pelumas tidak masuk ke dalam ruang bakar kar.

Macam

a

ksimum (σb) = 42 kg/mm2 = 59737,86 Psi , • Modulus elastisitas (E) = 2 x 10 kg/cm = 28,446 x10 Psi.

al 506): berfungsi:

rekat sehingga tidak terjadi kebocoran tekanan di dalam rua

dan ikut terba

–macam jenis cincin yang digunakan pada piston, yaitu:

1. Cincin kompresi, berfungsi untuk mencegah gas hasil pembakaran menerobos celah dinding silinder dan piston.

2. Cincin pelumas, berfungsi untuk mencegah minyak pelumas masuk ke ruang bakar.

4.3.1. Cincin Piston Kompresi

Bahan cincin piston SC-42, dengan:

• Tegangan lentur maksimum (σ) = 12 kg/mm2 = 17067,96 Psi, • Tegangan tarik ma

6 2 6

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

b= ...(4.17)

Dengan

Pw : tekanan antara cincin piston dan dinding silinder

Tebal cincin Piston (V.L.Maleev, 1975, hal 506):

...(4.18)

Jarak sela cincin piston pada saat belum terpasang : 3,5 – 6 Psi, diambil 5 Psi

Sb : tegangan lentur bahan cincin piston

) 17067,96 / 5 3 ( 67 , 2

b= × 1/2

mm 2,006 =

= 0,079 in

( )

h

b 0,7 h = ×

mm 1,404 0 0 b 0,7 h = = × = in ) 0,079 ( ,7 = in ,055