BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Mesin Pembakaran Dalam
Ditinjau dari cara memperoleh energi internal, mesin kalor ini dibagi menjadi dua bagian yaitu pembakaran dalam (Internal Combustion Engine) dan mesin pembakaran luar (External Combustion Engine).
Pada mesin pembakaran dalam (Internal Combustion Engine) energi panas diperoleh dari pembakaran bahan bakar dalam pesawat itu sendiri sehingga gas pembakaran yang terjadi juga berfungsi sebagai fluida kerja.
Dari berbagai jenis pesawat pembangkit tenaga, motor bakar dengan pembakaran dalam (Internal Combustion Engine) merupakan yang paling banyak digunakan sebagai pembangkit tenaga. Hal ini dikarenakan mesin kalor ini lebih sederhana, ringan serta lebih efesien dibanding yang lainnya.
2.2 Motor Bakar 4 Langkah
Motor bakar 4 langkah adalah motor yang untuk menghasilkan satu kali usaha di perlukan empat kali langkah torak atau dua kali putaran poros engkol (langkah hisap, kompresi, kerja/ ekspansi) dan langkah buang dimana poros engkol berputar dua kali.
Sesuai dengan bahan bakar yang digunakan, motor bakar dapat di golongkan menjadi 2 golongan serta aspek perbedaan yaitu :
2.2.1 Motor Bakar Otto
Motor bakar mesin otto, pembakarannya dilakukan di dalam silinder yang berisi campuran bahan bakar dan udara. Campuran ini dalam perbandingan jumlah bahan bakar dan udara sedemikian rupa sehingga bahan bakar mesin dan udara yang telah tercampur akan terbakar habis setelah disiapkan di luar silinder dengan
alat yang namanya karburator. Pada motor bakar mesin siklus yang digunakan adalah volume konstan terlihat pada gambar 2.1 di bawah ini.
p
3Q
in 2 4Q
out 0 1V
TMA
TMB
Gambar 2.1 Diagram P – V Volume Konstan
(Arismunandar, Wiranto, 1988)
Keterangan :
0 – 1 Langkah isap merupakan proses tekanan konstan 1 – 2 Langkah kompressi Isentropik
2 – 3 Langkah pembakaran volume konstan dianggap sebagai proses pemasukan kalor pada volume konstan.
3 – 4 Langkah kerja merupakan proses Isentropik
4 – 1 Langkah pembakaran dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada volume konstan.
2.2.2 Motor Bakar Diesel
Mesin bakar diesel adalah jenis khusus dari mesin pembakaran dalam, yang membedakannya dari motor bakar yang lain adalah metoda penyalaan bahan bakar, Dalam mesin diesel bahan bakar di injeksikan ke dalam silinder yang berisi udara bertekanan tinggi. Selama kompresi udara di dalam silinder mesin maka suhu udara meningkat, sehingga bahan bakar dalam bentuk kabut halus bersinggungan dengan udara panas ini akan menyala dan tidak dibutuhkan alat penyalaan lainnya dari luar.
Karena alasan ini motor diesel juga disebut mesin penyalaan kompresi. Motor bakar diesel menghasilkan puntiran yang kurang lebih tidak tergantung pada kecepatan, Karena banyaknya udara yang diambil ke dalam silinder dalam tiap langkah hisap dari torak hanya sedikit dipengaruhi oleh kecepatan mesin. Banyaknya bahan bakar yang dapat dibakar di dalam silinder dengan tiap langkah hisap usaha berguna yang ditimbulkan denaksi torak, dengan demikian hampir konstan.
Motor bakar diesel mempunyai efesiensi panas yang lebih tinggi dari pada mesin panas yang lain, menggunakan sedikit bahan bakar untuk penyediaan daya yang sama, serta menggunakan bahan bakar yang lebih mudah dari pada bensin.
2.3 Siklus Motor Bakar Diesel
Siklus pada motor bakar diesel ada 2 yaitu :
1. Siklus tekanan konstan (Constant Pressure Cycle) 2. Siklus tekanan terbatas (Dual Cycle)
1. Siklus Tekanan Konstan (Constant Pressure Cycle).
Dalam tekanan ini proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara isentropis sedangkan pembakaran terjadi pada tekanan konstan. Siklus tekanan udara ini biasanya dipakai pada motor putaran rendah, ini dapat kita perhatikan pada gambar 2.2 dibawah ini.
P P2 2 3 Qin Adiabatis 4 Qout P1 0 1 V
Gambar 2.2 Siklus Tekanan Konstan (Constant Pressure Cycle) (Arismunandar, Wiranto, 1988)
Keterangan :
0 – 1 Langkah isap 1 – 2 Langkah kompresi
2 – 3 Langkah kerja pada tekanan konstan 3 – 4 Langkah expansi
4 – 1 Langkah buang
Bahan bakar disemprotkan beberapa saat lagi mencapai TMA (titik mati atas) dan pembakaran terjadi beberapa saat bahkan dekat sekali dengan TMA (titik mati atas), tekanan sesuai dengan pergerakan piston ke bawah, sehingga pembakaran yang terjadi pada saat yang sangat singkat, diidealisasikan berlangsung pada tekanan konstan.
2. Siklus Tekanan Terbatas P P1 2’ 3 Qin P2 2 Adiabatis 4 0 1 Qout V1 V2 V Gambar 2.3 Siklus Tekanan Terbatas
(Arismunandar, Wiranto, 1988) Keterangan :
0 – 1 Langkah isap 1 – 2 Langkah kerja
2 – 21 Langkah kerja pada volume konstan 21 – 3 Langkah kerja pada tekanan konstan 3 – 4 Langkah ekspansi
4 – 1 Langkah buang P Tekanan fluida kerja V Volume spesifik
Q1 Jumlah kalor yang dimasukkan pada volume konstan
Q2 Jumlah kalor yang masuk pada volume konstan Qout Jumlah kalor yang terbuang
Adiabatis Volume dan tekanan berubah – ubah sedangkan temperatur tetap
Isobar Tekanan berubah sedangkan volume tetap Isovolum Volume tetap sedangkan tekanan berubah
2.4 Komponen Utama Motor Bakar Diesel
Komponen – komponen utama dari motor bakar diesel antara lain : 1. Rangka, Silinder dan Kepala
2. Lengkapan penjalan (running gear) : a. Torak b. Pena torak c. Cincin torak d. Batang engkol e. Kepala silang f. Poros engkol g. Bobot imbang 3. Bantalan 4. Roda gila 5. penggerak katup : a. Nok b. Lengan ayun c. Katup d. Pegas katup 6. Injeksi bahan bakar 7. Pengatur
2.5 Sistem Bahan Bakar
Sistem bahan bakar dari instalasi mesin diesel didefenisikan sebagai peralatan yang diperlukan untuk menangani minyak bahan bakar dari titik diserahkannya ke instalasi sampai mencapai pompa injeksi bahan bakar.
Keadaan yang sangat penting dari operasi yang berhasil dari mesin diesel adalah pemasukan bahan bakar yang benar – benar bersih ke pompa presisi tekanan tinggi dan nozel injeksi. Apabila terdapat debu maka pompa dengan
plunyer yang masuk dengan rapat ke tong akan mulai bocor dan tidak akan mampu lagi bekerja sebagai penakar bahan bakar yang diteliti.
Dalam mesin silinder jamak dengan pompa terpisah untuk tiap silinder maka distribusi beban yang merata pada tiap silinder akan terganggu. Pada beban penuh, kalau satu atau dua pompa mulai bocor sehingga menurunkan beban pada silinder yang bersangkutan maka silinder yang lain harus menanggung beban melebihi beban yang harus disumbangkannya. Silinder pompa yang paling baik akan sangat dibebani lebih, yang akan mengakibatkan tekanan tinggi dan tekanan gas buang tinggi, pendinginan tidak cukup, keausan berlebihan pada katup buang dan bahkan bahaya peretakan kepala silinder atau macetnya torak. Jadi kerusakan yang relatife kecil dalam pompa bahan bakar yang disebabkan oleh kotoran dalam bahan bakar, dapat mempunyai akibat yang gawat dan mahal. Bahan bakar yang kotor juga bertanggung jawab atas keausan yang sangat berlebihan dari lapisan silinder, torak dan cincin torak.
2.5.1 Bahan Bakar Diesel
Penggolongan bahan bakar mesin diesel berdasarkan jenis putaran mesinnya, dapat dibagi menjadi 2 golongan yaitu :
1. Automotive Diesel Oil, yaitu bahan bakar yang digunakan untuk mesin dengan kecepatan putaran mesin diatas 1000 rpm (rotation per minute). Bahan bakar jenis ini yang biasa disebut sebagai bahan bakar diesel yang biasanya digunakan untuk kendaraan bermotor.
2. Industrial Diesel Oil, yaitu bahan bakar yang digunakan untuk mesin-mesin yang mempunyai putaran mesin kurang atau sama dengan 1000 rpm, biasanya digunakan untuk mesin-mesin industri. Bahan bakar jenis ini disebut minyak diesel.
Di Indonesia, bahan bakar untuk kendaraan motor jenis diesel umumnya menggunakan solar yang diproduksi oleh PT. PERTAMINA dengan karakteristik seperti pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Karakteristik mutu solar NO P R O P E R T I E S L I M I T S TEST METHODS Min Max I P A S T M 1. Specific Grafity 60/60 0C 0.82 0.87 D-1298 2. Color astm - 3.0 D-1500 3. Centane Number or
Alternatively calculated Centane Index 45 48 - - D-613 4. Viscosity Kinematic at 100 0 C cST or Viscosity SSU at 100 0C secs
1.6 35 5.8 45 D-88 5. Pour Point 0C - 65 D-97 6. Sulphur strip % wt - 0.5 D-1551/1552
7. Copper strip (3 hr/100 0C) - No.1 D-130 8. Condradson Carbon Residue %wt - 0.1 D-189
9. Water Content % wt - 0.01 D-482
10. Sediment % wt - No.0.01 D-473
11. Ash Content % wt - 0.01 D-482
12.
Neutralization Value : - Strong Acid Number mgKOH/gr -Total Acid Number mgKOH/gr
- - Nil 0.6 13. Flash Point P.M.c.c 0F 150 - D-93 Sumber : www.Pertamina.com
2.6 Sistem Mekanisme Katup
Dalam mesin 4 langkah terdapat paling tidak dua nok untuk tiap silinder, atau untuk katup pemasukan dan yang lain untuk katup buang. Mesin modern menggunakan beberapa jenis nok :
1. Pengikat nok jenis rol yang digunakan dalam mesin ukuran sedang dan besar dalam kombinasi dan nok tangensial atau nok cembung.
2. Pengikat yang digunakan dalam mesin kecil dan dioperasikan dengan nok cembung.
4. Pengikut berengsel yang dikombinasikan dengan sebuah rol.
Pada mesin 4 langkah pembukaan katup pemasukan lebih penting karena pemasukan udara kedalam silinder melaluinya. Hambatan terhadap aliran udara tidak hanya menaikkan rugi pemanfaat tetapi juga menurunkan density pengisian udara. Penurunan density udara berarti berkurangannya berat oksigen yang tersedia tiap langkah pemasukan, akibatnya bahan bakar yang terbakar berkurang dan daya maksimum yang dapat di bangkitkan menjadi berkurang.
Katup pemasukan dan katup pembuangan yang digunakan dalam mesin diesel semua dari jenis popet, yang terdiri dari piringan atau kepala roda ujung batang atau tangkai.
Katup popet mempunyai kepala dengan bentuk kones atau paying pada tepi atau dudukan yang memberikan atau aksi swa – senter (self centering). Umumnya katup popet mempunyai dudukan paying yang di gerinda pada sudut 450 terhadap bidang kepala katup. Ini terbukti telah memberikan pelayanan yang baik, khususnya dalam kondisi operasi berat seperti yang dialami oleh katup buang. Untuk mendapatkan luas pembukaan yang agak besar untuk pengangkatan katup tersebut, beberapa katup pemasukan dibuat dengan sudut yang lebih kecil.
Kondsi kerja dari katup popet, terutama dalam mesin kecepatan tinggi adalah paling berat untuk menurunkan tegangan pada penggerak katup yang diturunkan oleh gaya mesin yang muncul ketika katup di percepat selama pembukaan dan penutupan, maka katupnya sendiri harus seringan mungkin. Sebaliknya katup harus dibuat cukup kuat untuk mengatasi pukulan konstan yang disebabkan oleh pembukaan dan pembukaan terus menerus. Mereka harus mampu mengatasi suhu dan tekanan yang ekstrim yang terjadi di dalam silinder mesin dan mempertahankan penyekatan rapat gas.
Konstruksi katup mesin diesel, baik pemasukan maupun pembuanagn, mengikuti praktek pada umumnya dikembangkan untuk mesin otomotif tugas berat. Katup buang biasanya dibuat dari baja Khrom Silicon (sikhrom) atau paduan baja yang mengandung isi nikel dan khrom banyak untuk menahan korosi oleh gas suhu tinggi. Kadang – kadang paduan keras seperti stelit yang di las kepermukaan dudukan dari kepala katup serta ke ujung tangkai katup untuk
menaikkan kekerasan permukaan yang menderita pukulan konstan pada permukaan dan penutupan.
2.7 Sistem Kerja Motor Bakar Diesel
Terdapat dua persyaratan penting yang harus dipenuhi untuk start yang pasti dan cepat = kecepatan cukup dan perbandingan kompresi tepat. Daya yang diperlukan untuk memutar poros engkol mesin diesel dingin dan kemudian membawanya sampai kecepatan start biasanya sedikit dibawah 10 % dari keluaran daya ternilai, tetapi di dalam beberapa kasus dapat sebesar 20 %, terutama dengan mesin kecil. Pada mesin besar, daya ini lebih kecil, yaitu turun sampai sebesar 3 atau 4 % dari keluaran daya ternilai.
Sistem start dengan listrik menggunakan arus searah karena energi listrik dalam bentuk ini dapat disimpan dalam baterai dan ditarik keluar kalau perlu untuk menstart. Setelah menstart, baterai diisi kembali dengan generator yang digerakkan oleh mesin.
2.8 Emisi Gas Buang
Mesin diesel berkecepatan tinggi dapat beroperasi dengan hampir setiap bahan bakar cair, dari minyak tanah (kerosene) sampai bahan bakar cair mesin diesel kecepatan tinggi modern, karena singkatnya selang waktu yang tersedia untuk pembakaran memerlukan bahan bakar yang lebih khusus dan lebih ringan.
Sifat berikut mempengaruhi prestasi dan keandalan dari mesin diesel antara lain adalah penguapan (polality), karbon, viskositas, kandungan belerang, abu (asb), air dan endapan, titik nyala (flash point), titik tuang (poor point), sifat korosif (corrosiveness), keasaman (acidity), mutu penyalaan (ingnition).
Hal ini menyebabkan energi gas buang dari mesin diesel sangat mencemari udara sekitarnya.
2.9 Konsumsi Bahan Bakar
Pada motor diesel perbandingan antara bahan bakar dan udara adalah 0,02 – 0,05. Bila perbandingan lebih dari batas maksimal yang ditentukan maka pembakaran tidak sempurna atau tidak semua bahan bakar yang terinjeksi terbakar, sehingga ini adalah suatu kerugian. Untuk menghindari suatu terjadinya ini maka harus digunakan udara berlebihan (excess air) dari teoritis yang dibutuhkan, sehingga bahan bakar yang terinjeksi habis terbakar. Excess ini dipakai pada kondisi pembebanan, makin kecil pembebanan persentase excess air yang digunakan semakin besar, demikian sebaliknya. Untuk beban penuh (full load) motor beroperasi dengan excess 125 – 150 % dan untuk beban yang kecil dengan excess air 300 – 400 %. Maka dengan pertimbangan motor diesel hanya beroperasi 700 % maksimal, dan perbandingan udara yang berlebihan akan menurunkan efesiensi thermalnya. Untuk ini acses air yang digunakan adalah 100 % .
2.10 Performansi Motor Diesel
Motor diesel adalah jenis khusus dari mesin pembakaran dalam. Karakteristik utama dari mesin diesel yang membedakannya dari motor bakar yang lain terletak pada metode penyalaan bahan bakarnya. Dalam mesin diesel bahan bakar diinjeksikan kedalam silinder yang berisi udara bertekanan tinggi. Selama proses pengkompresian udara dalam silinder mesin, suhu udara meningkat, sehingga ketika bahan bakar yang berbentuk kabut halus bersinggungan dengan udara panas ini, maka bahan bakar akan menyala dengan sendirinya tanpa bantuan alat penyala lain. Karena alasan ini mesin diesel juga disebut mesin penyalaan kompresi (Compression Ignition Engines).
Motor diesel memiliki perbandingan kompresi sekitar 11:1 hingga 26:1, jauh lebih tinggi dibandingkan motor bakar bensin yang hanya berkisar 6:1 sampai 9:1. Konsumsi bahan bakar spesifik mesin diesel lebih rendah (kira-kira 25 %) dibanding mesin bensin namun perbandingan kompresinya yang lebih tinggi menjadikan tekanan kerjanya juga tinggi.
2.10.1 Torsi dan daya
Torsi yang dihasilkan suatu mesin dapat diukur dengan menggunakan dynamometer yang dikopel dengan poros output mesin. Oleh karena sifat dynamometer yang bertindak seolah–olah seperti sebuah rem dalam sebuah mesin, maka daya yang dihasilkan poros output ini sering disebut sebagai daya rem (Brake Power).
B P = n T 60 . . 2π ... (2.1) Lit.5 hal 2-7
Untuk Torsi dapat dihitung dengan rumus berikut :
T = W S L 1000
+
dimana :P = Daya keluaran (Watt) B n = Putaran mesin (rpm) T = Torsi (N.m)
Konsumsi bahan bakar spesifik (specific fuel consumption, sfc)
Konsumsi bahan bakar spesifik adalah parameter unjuk kerja mesin yang berhubungan langsung dengan nilai ekonomis sebuah mesin, karena dengan mengetahui hal ini dapat dihitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu.
Bila daya rem dalam satuan kW dan laju aliran massa bahan bakar dalam satuan kg/jam, maka :
Sfc = B f P x m 3 . 10 ... (2.2) Lit.5 hal 2-16
dimana : Sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (g/kW.h).
.
f
m = laju aliran bahan bakar (kg/jam).
Besarnya laju aliran massa bahan bakar (
.
f
m ) dihitung dengan persamaan berikut : 3600 10 . . 3 x t V sg m f f f f − = ... (2.3) Lit.5 hal 3-9
dimana : sgf = spesific gravity (dari tabel 2.4).
Vf = volume bahan bakar yang diuji (dalam hal ini 100 ml).
f
t = waktu untuk menghabiskan bahan bakar sebanyak volume uji (detik).
