MEKANISME KATUP VARIABEL PADA MESIN BENSIN 1500 CC Tugas Akhir - Mekanisme katup variabel pada mesin bensin 1500 cc - USD Repository

Tugas Akhir

Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Mencapai Derajat Sarjana S-1

Jurusan Teknik Mesin

Diajukan Oleh: Rossi Ristiawan NIM : 015214022

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

Final Project

Presented as Partial Of The Requirements To Obtain The Sarjana Teknik Degree

In Mechanical engineering

By: Rossi Ristiawan Student Number: 015214022

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

ENGINEERING FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2007

Disusun oleh : Nama : Rossi Ristiawan

NIM : 015214022

Telah disetujui oleh :

Pembimbing I

Yosef Agung Cahyanta, S.T.,M.T. Tanggal 10 Januari 2007

Pembimbing II

Ir. F.X. Agus Unggul Santoso Tanggal 10 Januari 2007

Dipersiapkan dan ditulis oleh : Nama : Rossi Ristiawan

NIM : 015214022

Telah dipertahankan didepan dewan penguji Pada tanggal 10 Januari 2007

dan dinyatakan memenuhi syarat.

Susunan Dewan Penguji :

Ketua : Ir. F.A. Rusdi Sambada, M.T. ...

Sekertaris : Ir. Y.B. Lukiyanto, M.T. ...

Anggota I : Yosef Agung Cahyanta, S.T.,M.T. ...

Anggota II : Ir. F.X. Agus Unggul Santoso ...

Yogyakarta, 10 Januari 2007 Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma

Yogyakarta Dekan

( Ir. Greg. Heliarko, S.J.,S.S.,B.S.T.,M.A.,M.Sc. )

memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi dan 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, 10 Januari 2007

Penulis

pembakaran untuk melakukan kerja mekanik. Energi itu sendiri diperoleh dari proses pembakaran antara campuran bahan bakar dengan udara. Mesin ini sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari yang biasa digunakan sebagai alat transportasi maupun industri.

Untuk menghasilkan proses pembakaran yang optimal diputaran rendah dan tinggi, pada mesin – mesin baru saat ini sudah digunakan teknologi katup variabel. Dimana memungkinkan terjadinya perbedaan fase atau sudut bukaan katup pada putaran rendah dan tinggi, yang berpengaruh pada banyaknya campuran udara dan bahan bakar yang masuk Sehingga dimungkinkan memperoleh tenaga besar pada putaran tinggi akan tetapi tetap irit dan bertenaga pada putaran rendah.

Dalam Tugas Akhir ini dibahas mengenai mekanisme kerja dari katup variabel, serta membandingkan daya dan konsumsi bahan bakar dari dua mesin berkapasitas sama antara mesin yang berkatup variabel dan yang tidak berkatup variabel. Juga berbagai kelebihan serta kekurangannya.

Dari hasil perhitungan, didapatkan daya pada mesin berkatup variabel (76,59 Kw) lebih besar dari yang tanpa katup variabel (65,8 Kw). Pada perhitungan konsumsi bahan bakar didapatkan konsumsi bahan bakar pada mesin berkatup variabel (17,38 Kg/jam) lebih boros daripada mesin yang tanpa katup variabel (14,41 Kg/jam) pada daya maksimumnya.

Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Tugas akhir ini adalah sebagian persyaratan untuk mencapai derajat sarjana S-1 program studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sanata Dharma.

Dalam Tugas Akhir ini penulis membahas tentang mekanisme pengaturan katup variabel pada mesin bensin 1500 CC, serta untuk mengetahui perbandingan banyaknya konsumsi bahan bakar tiap jamnya dan perbandingan peningkatan daya dari mesin berkatup variabel dan yang tidak berkatup variabel..

Penulis menyadari bahwa terselesaikannya Tugas Akhir ini tidak terlepas dari bantuan banyak pihak, bantuan sekecil apapun dan dalam bentuk apapun yang sangat berarti bagi terselesaikannya tugas akhir ini.

Oleh karena itu, pada kesempatan ini kami ingin mengucapkan trimakasih kepada :

1. Ir. Gregorius Heliarko S.J. S.S, B.S.T., M.Sc., M.A. selaku Dekan Fakultas Teknik

2. Yosef Agung Cahyanta S.T, M.T selaku Kaprodi yang sekaligus sebagai Dosen Pembimbing I

3. Ir. Fx Agus Unggul .S selaku Dosen Pembimbing II

4. Semua Dosen Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Jogjakarta yang telah mendidik kami berbagai macam pengetahuan.

Meskipun penulis sudah dengan maksimal dalam pembuatan Tugas Akhir ini, namun penulis sadar bahwa Tugas Akhir ini masaih banyak kekurangan. Untuk itu saran dan kritik yang membangun dari berbagai pihak sangat kami harapkan demi sempurnanya Tugas Akhir ini. Semoga Tugas Akhir ini berguna bagi mahasiswa Teknik Mesin dan pembaca lainnya.

Jika ada kesalahan dalam penulisan naskah ini penulis minta maaf yang sebesar-besarnya, terimakasih.

Yogyakarta, 10 Januari 2007

Penulis

Halaman Judul ii

Lembar Persetujuan iii Lembar pengesahan iv

Pernyataan v

Intisari vi

Kata Pengantar vii

Daftar Isi ix BAB I PENDAHULUAN... 1

1.1 Latar Belakang Masalah... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 2

1.3 Tujuan ... 2

1.4 Manfaat ... 2

BAB II LANDASAN TEORI ... 3

2.1 Motor Bensin... 3

2.2 Motor Bensin 4-Langkah ... 3

2.3 Prinsip Kerja Motor Bensin ... 5

2.3.1 Langkah Hisap ... 5

2.3.2 Langkah Kompresi ... 8

2.3.3 Langkah Usaha... 10

2.3.4 Langkah Buang ... 11

2.4 Bagian-bagian Utama Motor Bensin... 15

2.4.1 Kepala Silinder (Cylinder Head)... 16

2.4.2 Blok Silinder (Cylinder Block)... 17

2.4.3 Piston... 20

2.4.4 Ring Piston ... 21

2.4.5 Pena Piston ... 24

2.4.6 Batang Piston ... 26

2.4.7 Poros Kem (Camshaft)... 27

2.4.8 Katup (Valve)... 35

2.4.9 Poros Engkol (Crankshaft)... 37

2.5 Katup Variabel (Variabel Valve) ... 39

2.5.1 Mekanisme Kerja Katup Variabel... 40

2.5.2 Sistem Kontrol Katup Variabel... 48

BAB III PERHITUNGAN KERJA SIKLUS... 50

3.1 Data Kendaraan Dengan Katup Variabel... 50

3.1.1 Siklus Kerja Motor Bensin... 50

3.2 Proses Penghisapan ... 53

3.2.1 Tekanan di Dalam Silinder Selama Proses Pengisapan ... 53

3.5 Langkah Ekspansi ... 71

3.5.1 Karakteristik Kerja Motor ... 72

3.5.2 Daya Rugi-rugi Mekanis (Pmech) ... 73

3.5.3 Pemakaian Bahan Bakar Spesifik ... 75

3.6 Data Kendaraan Tanpa Katup Variabel ... 77

3.7 Proses Penghisapan ... 77

3.7.1 Tekanan di Dalam Silinder Selama Proses Penghisapan ... 78

3.7.2 Temperatur Akhir Proses Penghisapan (Ta)... 82

3.8 Langkah Kompresi ... 84

3.9 Proses Pembakaran... 84

3.9.1 Reaksi Kimia Pembakaran Bahan Bakar dan Udara... 85

3.9.2 Koefisien Kelebihan Udara (α) ... 87

3.10 Langkah Ekspansi ... 93

3.10.1 Karakteristik Kerja Motor ... 94

3.10.2 Daya Rugi-rugi Mekanis (Pmech) ... 96

3.10.3 Pemakaian Bahan Bakar Spesifik ... 97

BAB IV PERHITUNGAN ELEMEN MESIN ... 99

4.1 Silinder dan Kepala Silinder ... 99

4.1.1 Tebal Dinding Silinder... 99

4.1.2 Kepala Silinder... 100

4.2 Piston dan Kelengkapannya ... 101

4.2.1 Piston... 101

4.2.2 Bahan Piston ... 102

4.2.3 Ukuran Piston... 102

4.2.4 Tebal Piston... 103

4.2.5 Tinggi Piston ... 104

4.3 Cincin Piston ... 105

4.3.1 Cincin Piston Kompresi ... 106

4.3.2 Pena Piston ... 107

4.3.3 Batang Piston (Connecting Rod)... 109

4.3.4 Pena Engkol Bawah ... 109

4.3.5 Perhitungan Batang Piston ... 110

4.4 Poros Engkol ... 110

4.4.1 Perhitungan Ukuran Poros Engkol... 112

4.5 Perhitungan Mekanisme Katup dan Perlengkapannya... 113

4.5.1 Perhitungan Katup... 114

4.6 Pegas Katub... 122

4.7 Perhitungan Kem... 123

4.8 Poros engkol...123

4.8.1 Tebal pipi dan lebar pipi...124

5.3 Penutup... 135 5.4 Saran... 135

Daftar Pustaka

Lampiran

1.1Latar Belakang Permasalahan

Dalam dunia modern sekarang ini, banyak terdapat kendaraan bermotor yang mengaplikasi berbagai macam teknologi. Hal ini disebabkan karena tuntutan masyarakat sebagai pengguna kendaraan bermotor agar kendaraannya nyaman, bertenaga, sekaligus efisien dalam penggunaan bahan bakar.

Dari berbagai macam teknologi pada kendaraan bermotor sekarang ini terdapat suatu teknologi yang masih bisa dibilang baru dalam dunia otomotif, khususnya di Indonesia, yaitu penggunaan katup variabel. Dan teknologi ini sekarang sudah banyak diaplikasikan pada mesin – mesin bensin pada kendaraan yang beredar di tanah air.

Diantaranya adalah mekanisme VVT-i ( Variable Valve Timing with Intelligent) buatan Toyota, VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Controlled) buatan Honda, MIVEC ( Mitsubishi Innovative Valve Timing and Lift Electronic Control System ) buatan Mitsubishi, VANOS ( Variable Nockenwellen Steuerung ) atau Valvetronic buatan BMW dan masih banyak lagi.

Dengan digunakannya mekanisme katup variabel maka dimungkinkan membuat motor yang kencang dan bertenaga besar tetapi tetap irit dan bertenaga bila

digunakan berjalan pelan atau dalam putaran rendah. Hal yang sulit dilakukan oleh mesin konvensional tanpa katup variabel.

1.2Perumusan Masalah

Dalam tugas akhir ini akan dibahas mengenai mekanisme dari katup variabel tersebut, perhitungan kerja siklus, serta perhitungan konsumsi bahan bakar tiap jam pada mesin bensin 1500 cc DOHC 16 Valve VVT-i.

1.3Tujuan

Tujuan dari Tugas Akhir ini adalah:

Mengetahui mekanisme katup variabel pada kendaraan. Mengetahui berbagai keunggulan dan kekurangan dari mekanisme tersebut serta mengetahui kinerja mesin seperti pemakaian bahan bakar serta daya yang dihasilkan pada kendaraan yang telah mengadopsi teknologi katup variabel tersebut.

1.4Manfaat

2.1 Motor Bensin

Motor bensin adalah salah satu jenis motor pembakaran dalam yang banyak digunakan untuk menggerakkan atau sebagai sumber tenaga dari kendaraan, baik itu motor bensin 4-langkah ataupun motor bensin 2-langkah. Motor bensin menghasilkan tenaga dari pembakaran bahan bakar di dalam silinder, dimana dengan pembakaran bahan bakar ini akan timbul panas yang sekaligus akan mempengaruhi gas yang ada di dalam silinder untuk mengembang.

Karena gas tersebut dibatasi oleh dinding silinder dan kepala silinder maka walaupun ingin mengembang tetap tidak ada ruangan, akibatnya tekanan di dalam silinder akan naik. Tekanan inilah yang akan dimanfaatkan untuk menghasilkan tenaga yang ahkirnya dapat menggerakkan kendaraan.

2.2 Motor bensin 4-langkah

Seperti pada penjelasan diatas bahwa motor bensin 4-langkah adalah salah satu jenis pembakaran dalam yang sangat populer digunakan untuk penggerak kendaraan. Adapun cara kerja motor bensin 4-langkah yang terdiri dari 4-langkah kerja untuk menghasilkan satu kali langkah usaha. Untuk memperjelas uraian ini akan diterangkan nama-nama bagian dari motor bensin 4-langkah terutama yang hubungannya erat dengan cara kerja dari motor bensin 4-langkah.

Bagian-bagian motor bensin yang dimaksud adalah :

¾ Poros Engkol (Crankshaft)

¾ Batang Torak (Connecting Rod)

¾ Torak (piston)

¾ Silinder (Cylinder)

¾ Busi (Spark)

¾ Katup Hisap (Intake Valve)

¾ Katup Buang (Exhaust Valve)

¾ Poros Cam (Camshaft)

¾ Saluran Masuk (Intake Manifold)

¾ Injektor atau Karburator (Injector or Carburetor)

¾ Knalpot (Muffler)

Gambar 2.1Motor Bensin 4-Langkah

(sumber: Arends BPM., H.Berenschot,1980, Motor Bensin, hal. 95)

2.3 Prinsip Kerja Motor Bensin

2.3.1 Langkah Hisap

Gambar 2.2 Langkah hisap, katup hisap terbuka

Langkah hisap dimulai pada saat torak berada pada titik mati atas (TMA) menuju titik mati bawah (TMB). Titik mati atas adalah titik teratas yang dapat dijangkau oleh torak, artinya pada saat itu torak sudah tidak dapat bergerak keatas lebih jauh lagi dan pada saat ini posisi torak, batang torak, dan engkol membentuk garis lurus. Sedngkan titik mati bawah adalah titik dimana posisi torak berada pada titik yang paling bawah sehingga tidak dapat bergerak lebih jauh lagi. Pada saat inipun posisi torak terhadap batang torak adalah membentuk garis lurus.

Karena torak bergerak dari titik mati atas menuju ke titik mati bawah, maka terjadilah penurunan tekanan di dalam silinder dibagian atas torak karena ruangan atas torak menjadi lebih luas. Karena penurunan tekanan ini maka terjadi perbedaan tekanan antara luar silinder dan ruangan di dalam silinder. Apabila katup isap dibuka maka perbedaan tekanan ini akan memungkinkan mengalirnya campuran bahan bakar dengan udara melalui saluran masuk (Intake manifold) kedalam silinder. Proses ini berlangsung hingga torak mencapai TMB, yang bersamaan dengan itu katup isap ditutup dengan perantaraan poros nok (Nokken as) dan batang penumbung. Dengan ditutupnya katup ini maka campuran bahan bakar dengan udara tertahan didalam silinder, yang seterusnya akan dilanjutkan dengan proses kompresi.

• Untuk perhitungan tanpa supercharging ( Petrovsky, 1968, hal. 27 ) Pa = (0,85 – 0,92)Po abs atm

• Untuk perhitungan dengan supercharging Pa = (0,90 – 0,95)Psup abs atm

Psup : tekanan udara supercharger.

Lalu Temperatur pada awal langkah kompresi dapat dicari dengan menggunakan rumus : ( Petrovsky, 1968, hal. 27 )

Ta =

r r r w

Y T Y t To

+ + Δ +

1

.

Yr =

e r M M

Dimana :

To = Temperatur udara luar t

Δ w= Kenaikan temperatur campuran yang dihasilkan dari kontak antara panas

didinding silinder dan piston.

Tr = Temperatur gas buang sebelum tercampur dengan campuran bahan bakar.

Mr = Jumlah mol pada gas buang

2.3.2 Langkah Kompresi

Gambar 2.3 Langkah Kompresi Kedua Katupnya Tertutup (sumber: Suyanto W, Drs. M.A,1989. Teori Motor Bensin, hal. 22)

diutamakan. Oleh karena itu katup – katupnya harus menutup rapat, gasket silinder tidak boleh bocor juga ring pistonnya.

Tekanan pada saal langkah akhir kompresi (Pc) dapat dicari dengan menggunakan rumus : ( Petrovsky, 1968, hal. 32 )

Pc = Pa . ε n1

Sedangkan temperatur pada saat akhir langkah kompresi (Tc) dapat dicari dengan menggunakan rumus :

Tc = Ta .

ε

n1- 1

Dimana : n1 = nilai eksponen politropik

Nilai n1 tergantung dari tipe mesin dan kecepatannya pada saat daya penuh, yaitu antara 1,34 – 1,39. Pada mesin berkecepatan tinggi, nilai n1 dapat mencapai nilai eksponen adiabatik, yaitu sebesar 1,4.

2.3.3 Langkah Usaha

Gambar 2.4 Langkah usaha Kedua Katupnya Tertutup

(sumber: Suyanto W, Drs., M.A,1989. Teori Motor Bensin, hal. 23)

Pada saat kedua katup masih tertutup dan tepatnya pada saat langkah kompresi belum sepenuhnya selesai yaitu beberapa derajat sebelum TMA busi mengeluarkan bunga api untuk membakar campuran bahan bakar dengan udara yang telah dikompresikan. Penyalaan busi beberapa saat sebelum TMA bertujuan agar tekanan tertinggi akibat pembakaran ini terjadi beberapa saat setelah TMA dimana pada saat titik tersebut berdasarkan percobaan merupakan titik terbaik untuk menghasilkan tenaga atau dengan kata lain efisiensinya tertinggi.

kemudian mendorong torak ke bawah sehingga terjadi langkah usaha yang berarti motor mengeluarkan tenaga yang nantinya digunakan untuk menggerakan mobil / motor.

Tekanan akhir pada langkah usaha / pembakaran (Pz) dapat dicari dengan menggunakan rumus : ( Petrovsky, 1968, hal. 50 )

Pz = Pc. Tc Tz

μ

2.3.4 Langkah Buang

Gambar 2.5 Langkah buang, katup buang terbuka

Pada langkah buang ini katup isap tetap tertutup sedang katup buang terbuka dan torak bergerak dari TMB menuju TMA. Karena gerakan torak dari TMB ke TMA maka ruangan diatas torak menjadi semakin sempit, akan tetapi karena katup buangnya terbuka maka tekanan di dalam silinder tidak mengalami kenaikan, tetapi gerakan torak ini justru mendorong gas sisa atau bekas pembakaran yang ada di dalam silinder menuju keluar.

Dengan berakhirnya langkah buang ini, yaitu pada saat torak telah mencapai TMA, maka berarti torak sudah bergerak 4 langkah atau engkol sudah berputar 720 derajat yang berarti telah selesai satu rangkaian kerja dimana dari keempat langkah torak tersebut satu diantaranya adalah langkah kerja.

Tekanan pada akhir langkah pembuangan (Pb) dapat dicari dengan menggunakan rumus : ( Petrovsky, 1968, hal 52 )

Pb = Pz_n2

δ

Sedangkan temperatur pada akhir langkah buang (Tb) dapat dicari dengan menggunakan rumus :

Tb = Tz_n2−1

δ

Pada pembahasan siklus motor 4 langkah diatas seakan – akan katup membuka dan menutup pada waktu torak berada pada titik – titik mati, pada kenyataannya tidak demikian. Katup isap membuka pada beberapa derajat sebelum torak mencapai TMA dan menutup beberapa derajat setelah mencapai TMB. Katup buang membuka beberapa derajat sebelum TMB dan menutup beberapa derajat setelah TMA. Kalau digambarkan maka akan terjadi waktu dimana baik katup isap maupun buang dalam keadaan sama – sama terbuka. Saat inilah yang disebut dengan ‘Overlap’.

Berikut adalah diagram teoritis suatu siklus untuk melihat bagaimana perubahan temperatur yang diakibatkan oleh proses pembakaran pada motor.

Dimana :

Q1 = Kalor yang dimasukkan T1 = Suhu akhir pemampatan

T1’ = Suhu tertinggi hasil pembakaran Q2 = Kalor yang dikeluarkan

T2 = Suhu gas pada awal pemampatan T2’ = Suhu dari gas buang

Keterangan :

Suhu – suhu tersebut dinyatakan dalam satuan Kelvin. Ternyata bahwa Q1 adalah sama dengan T1’ – T1 sedangkan Q2 sama dengan T2’ – T2.

Besarnya efisiensi suatu siklus :

1 2 1 1

2 1

Q Q Q

Q Q

− = −

Ditulis dalam bentuk lain

1 ' 1

2 ' 2 1

T T

T T

th ₋

− − =

η

Dengan menggunakan rumus kedua poisson, rumus tadi dapat diubah menjadi :

' 1 ' 2 1

T T th = −

η

Dalam hal ini efisiensi teoritis dapat 100 %, bila

0 ' 1 ' 2

=

T T

Sebab ηth menjadi 1 – 0 = 1

Rumus untuk efisiensi teoritis yang mengikutsertakan perbandingan pemampatan (ε)dan faktorγ (1,35 untuk campuran bensin dan udara) menjadi :

1

1

1− ₋

= _γ

ε ηth

2.4 Bagian-bagian Utama Motor Bensin

Yang dimaksud dengan bagian-bagian utama disini adalah bagian-bagian mesin yang berhubungan langsung dengan proses pemindahan tenaga dari tekanan menjadi gerak putar. Bagian-bagian yang dimaksud adalah:

¾ Kepala Silinder (CylinderHead)

¾ Blok Silinder (CylinderBlock)

¾ Piston

¾ Ring Piston (Piston Ring)

¾ Pena Piston (Piston Pin)

¾ Batang Piston (Connecting Rod)

¾ Poros Cam (Camshaft)

¾ Katup (Valve)

2.4.1 Kepala Silinder (Cylinder Head)

Gambar 2.6Kepala Silinder

(sumber: Manual Book Toyota, PT.Astra International tbk-Toyota, Hal.7)

mekanisme SOHC hanya terdapat sebuah dudukan Camshaft, sedangkan pada mekanisme DOHC terdapat dua dudukan untuk Camshaft nya.

Pada kepala silinder juga terdapat pula saluran pendingin, saluran oli, lubang untuk baut silinder, lubang untuk busi dan lubang untuk tempat poros cam. Kepala silinder biasa dibuat dari besi tuang atau campuran aluminium. Campuran aluminium disamping ringan juga cepat mentransfer panas (serta lebih efisien) sehingga mesin dapat direncanakan dengan kompresi yang lebih tinggi dan tenaga motor dapat ditingkatkan.

Gambar 2.7Kepala Silinder DOHC dan SOHC

(sumber: Manual Book Toyota, PT.Astra International tbk-Toyota, Hal.7)

2.4.2 Blok Silinder (Cylinder Block)

penerus (Fly Wheel), dan sebagainya sehingga silinder blok ini harus kuat. Blok silinder terdiri dari dua bagian yaitu bagian silinder dan bagian engkol (Crankcase). Bagian silinder inilah yang nantinya berfungsi sebagai tempat piston bekerja.

Karena di dalam silinder ini pula perubahan panas menjadi tenaga gerak dengan perantaraan piston maka silinder ini harus cukup kuat. Disamping itu, silinder harus benar-benar bulat, rata, dan halus, supaya selama proses tidak terjadi bocoran gas sehingga mengurangi tenaga yang dihasilkan oleh motor. Silinder blok terbuat dari besi tuang atau aluminium, besi tuang memiliki keuntungan mudah membuatnya dan sangat baik bila digunakan piston dari aluminium.

Akan tetapi blok silinder dari besi tuang ini sangatlah berat, oleh karena itu saat ini banyak digunakan silinder blok dari bahan campuran aluminium sehingga lebih ringan dan agar liner tahan gesekan maka khusus untuk silinder linernya bahannya dibuat dari baja khusus sehingga tahan gesekan.

Ada dua jenis liner silinder (Cylinder Bore) yang digunakan pada mesin kendaraan bermotor, yaitu:

• Silinder tipe basah

• Silinder tipe kering

sedangkan untuk tipe basah harus dibuat lebih tebal karena tidak seluruhnya ditopang oleh blok silinder.

Disamping itu pada bagian atas dan bagian bawah silinder liner tipe basah ini harus dipasang seal sehingga air pendingin tidak bocor. Silinder liner tipe basah ini banyak dipakai pada motor diesel berukuran besar.

Gambar 2.8 Block Cylinder Unit

2.4.3 Piston

A. Bagian-Bagian Dari Piston

Gambar 2.9 Piston Construction.

(sumber: Suyanto W, Drs. M.A,1989. Teori Motor Bensin, hal. 52)

Piston bergerak naik turun didalam silinder untuk melakukan langkah hisap, kompresi, usaha, dan buang. Fungsi utama dari piston adalah untuk menerima tekanan pembakaran dan maneruskan ke poros engkol melalui connecting rod.

Piston terbuat dari aluminium alloy (paduan aluminium), karena bahan tersebut ringan dan radiasi panasnya baik.

B. Celah Piston (Celah Antara Piston Dengan Silinder)

Bentuk piston saat dingin, diameter kepala piston lebih kecil daripada bagian bawahnya.

Gambar 2.10 Piston Gap

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

2.4.4 Ring Piston

Pegas piston (piston ring) dipasang dalam ring groove (Gambar 2.10). Ring piston terbuat dari baja khusus, pada mesin bensin pegas pistonnya ada yang terdiri dari 4 buah pegas piston dan ada yang terdiri dari 3 buah pegas piston.

Gambar 2.11 Piston Ring

Ring piston berfungsi untuk:

1. Mencegah kebocoran selama langkah kompresi dan usaha

2. Mencegah oli yang melumasi piston dan silinder masuk ke ruang bakar 3. Memindahkan panas dari piston ke dinding silinder

A. Pegas Kompresi

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

Gambar 2.12 Compression 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 2.13 Oil Control Ring

C. Celah Ujung Pegas

Pegas piston (Gambar 2.13) akan mengembang bila dipanaskan, dengan alasan tersebut pada ujung ring piston harus terdapat celah yang disebut ring end gap.

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

Gambar 2.14 Ring End Gap.

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

2.4.5 Pena Piston

Gambar 2.15 Piston Pin.

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

Piston dan connecting rod dapat dihubungkan dengan 4 cara: 1. Tipe fixed

2. Tipe full-floating

3. Tipe bolted

Gambar 2.16Macam-macam Sambungan Piston dan Conecting rod. (Sumber:Manual Book Toyota, PT.Astra International tbk-Toyota, Hal.15)

2.4.6 Batang piston

Gambar 2.17 Connecting Rod

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

2.4.7 Camshaft

A. Bagian-Bagian Dari Camshaft

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

Gambar 2.18Camshaft

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

untuk kendaraan karena disamping mesin harus menghasilkan tenaga yang tinggi juga dituntut keawetan dan kenyamanan.

Oleh karena itu pada mesin yang digunakan untuk kendaraan harus bisa dikompromikan antara ketiga hal tersebut diatas.

B. Bentuk Dasar Cam

Pada umumnya bentuk keseluruhan dari Cam adalah lonjong, bentuknya hampir menyerupai telur (gambar 2.19)

Gambar 2.19Bentuk Dasar Cam

Poros Cam berputar lebih lambat dari putaran poros engkol dengan perbandingan 1:2, hal ini karena katup-katup pada mesin membuka satu kali setiap empat kali langkah torak atau setiap dua putaran poros engkol.

Berarti setiap dua putaran poros engkol Cam hanya berputar satu kali putaran. Untuk memenuhi kebutuhan ini maka poros Cam dan poros engkol masing-masing 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.

C. Sistem Penggerak Camshaft

Tiga sistem penggerakkan Camshaft:

1. Menggunakan roda gigi (Timing Gear) 2. Menggunakan rantai (Timing Chain)

1. Timing Gear

Pada cara penggerakan ini, (Gambar 2.20) roda gigi poros Cam langsung bersinggungan dengan roda gigi poros engkol, dimana untuk keperluan pemasangan pada kedua gigi tersebut ada tanda pemasangannya sehingga saat pembukaan dan penutupan katup dapat sesuai yang diinginkan atau sesuai dengan gerakan pistonnya. Apabila sampai terjadi kesalahan dalam pemasangan dalam arti pemasangannya tidak tepat maka dapat menimbulkan kerusakan walaupun kemungkinan mesin masih dapat bekerja.

Kerusakan itu terjadi karena misalnya torak berada pada TMA katup dalam membuka penuh, sehingga dapat terjadi tumbukan antara katup dan pistonnya. Penggerakan dengan Timing Gear digunakan pada kendaraan yang dituntut kerja berat, misalnya digunakan pada kendaraan truk.

Gambar 2.20Penggerak Camshaft Dengan Timing Gear (sumber: Suyanto W, Drs. M.A,1989. Teori Motor Bensin, hal. 103)

2. Timing Chain

Seperti penggerak Timing Gear, pada penggerak model Timing chain pun ada tanda pemasangannya untuk mencegah terjadinya kekeliruan dalam pemasangan. Model ini banyak di gunakan pada mesin dengan Camshaft pada blok silinder meskipun ada juga yang digunakan pada mesin OHC (Over Head Camshaft).

Gambar 2.21Penggerak Camshaft Dengan Timing Chain

3. Timing Belt

Model Timing Belt ini menggunakan sabuk bergerigi, dan banyak digunakan pada mesin dengan Camshaft pada kepala silinder atau OHC (Over Head Camshaft). Model sabuk bergerigi ini sangat halus dalam arti tidak berisik pada waktu bekerja dan sangat bagus untuk menggerakkan Camshaft.

Seperti penggerakan yang lain, model ini dilengkapi juga dengan tanda pemasangan pada roda gigi atau suproketnya dan tanda pada Timing Belt itu sendiri sehinggan memudahkan pemasangannya (Gambar 2.22). Kadang-kadang tanda ini harus dicocokkan dengan tanda yang ada pada blok atau kepala silinder, hal ini akan lebih jelas bila dilihat pada buku pedoman reparasi sehingga dapat menghindarkan kemungkinan terjadinya kesalahan dalam pemasangan.

Gambar 2.22Penggerak Camshaft Dengan Timing Belt

(Sumber:Manual Book Toyota, PT.Astra International tbk-Toyota, Hal.21)

2.4.8 Katup (Valve)

Setiap silinder paling tidak minimal memiliki satu katup hisap dan satu katup buang, namun demikian saat ini sudah banyak mobil-mobil baru yang menggunakan empat buah katup di tiap silindernya, biasanya terdapat pada motor yang menggunakan mekanisme DOHC walaupun juga ada yang masih menggunakan SOHC. Dan ada juga yang menggunakan tiga buah katup di tiap silindernya biasanya terdapat pada motor yang menggunakan mekanisme SOHC, Bahkan ada juga yang menggunakan 5 katup per silindernya, yaitu 3 katup isap dan 2 katup buang, biasanya hanya pada mobil-mobil sport tertentu yang membutuhkan performa sangat tinggi. Tujuannya adalah untuk mempertinggi efisiensi volumetrisnya, sehingga pemanfaatan bahan bakar lebih efektif dan daya yang dihasilkan pun menjadi lebih besar untuk motor yang ukuran silindernya sama.

Katup hisap dibuat lebih besar dari katup buang, hal ini disebabkan oleh perbedaan tekanan antara gas yang masuk kedalam silinder gas yang keluar dari dalam silinder.

Gambar 2.23Bentuk Katup (Valve Design)

(sumber: Suyanto W, Drs. M.A,1989. Teori Motor Bensin, hal.87)

2.4.9 Poros Engkol (Connecting Rod)

Poros engkol terdiri dari penyangga utama (Main Journal) yang selanjutnya dihubungkan dengan Main Bearing Cap dan Crankpin dimana batang piston dipasangkan dan roda penerus (Fly Wheel). Penyangga utama berfungsi sebagai penyangga poros engkol dimana penyangga utama ini didukung oleh blok silinder dan tutup bantalan utama.

Gambar 2.24 Crankshaft

2.5. Katup Variabel

Katup variabel merupakan suatu mekanisme yang memungkinkan terjadinya perbedaan fase bukaan katup atau bahkan tinggi bukaan katup pada putaran rendah dan tinggi. Fungsi dari katup variabel tersebut sebenarnya bukan semata – mata sebagai pendongkrak tenaga, melainkan berfungsi agar mesin mempunyai tenaga tinggi pada putaran tinggi, akan tetapi tetap irit dan nyaman bila bekerja pada putaran rendah.

Gambar 2.25Mesin dengan dual VVT-i (Sumber :1ZZ-FE Engine details files: Website

http://www.spyderchat.com/enginedetail.htm)

Pada mesin – mesin konvensional tanpa katup variabel, fase maupun tinggi bukaan katup akan selalu sama baik pada putaran rendah atau tinggi. Padahal sebenarnya fase bukaan katup seperti itu hanya ideal untuk putaran tertentu saja.

membutuhkan campuran udara dan bahan bakar yang cukup banyak. Biasanya pada mesin konvensional fase bukaan katup ideal pada putaran menengah, yaitu antara putaran rendah dan tinggi. Yang mengakibatkan tidak optimalnya performa pada putaran rendah dan tinggi.

Atas dasar itulah katup variabel digunakan. Pada putaran rendah fase bukaan katup diatur supaya udara dan bahan bakar yang masuk tidak begitu banyak sehingga tidak terjadi kelebihan campuran udara dan bahan bakar dimana kelebihan tersebut merupakan pemborosan bahan bakar dan penurunan performa mesin karena turunnya efisiensi volumetris. Sebaliknya pada putaran tinggi fase bukaan katup diatur supaya udara dan bahan bakar yang masuk lebih banyak lagi, karena pada putaran tinggi memang dibutuhkan campuran yang lebih banyak agar tidak terjadi kekurangan campuran udara dan bahan bakar dimana kekurangan tersebut mengakibatkan penurunan performa mesin.

Untuk Kendaraan yang beredar di Indonesia , khususnya kendaraan buatan jepang, sistem variabel hanya digunakan pada katup masuk saja.

2.5.1 Mekanisme kerja katup variabel

produsen menggunakan mekanisme yang sedikit berbeda dari produsen lainnya. Diantaranya adalah Variable Valve Timing with Intelligent ( VVT-i) dan Variabel Valve Timing and Lift Electronic Controlled ( VTEC ).

A. Variabel Valve Timing with intelligent ( VVT -i )

Mekanisme kerja katup variabel yaitu berdasarkan putaran mesin. Dimana pada mesin berkatup variabel terdapat dua jenis fase pada camshaft (Gambar 2.27) yaitu low and medium speed cam dan high speed cam, untuk tiap silindernya. Dua fase tersebut tersebut akan bekerja bergantian tergantung putaran mesin.

Gambar 2.27Camshaft VVT-i

(Sumber : Bill Sherwood’s VVT Vs VTEC page, page 3files: Website http://www.billzilla.org/vvtvtec.html)

yang berfungsi bergantian seiring putaran mesin. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 2.28.

Gambar 2.28Mekanisme Rocker arm

(Sumber : Bill Sherwood’s VVT Vs VTEC page, page 3files: Website http://www.billzilla.org/vvtvtec.html)

Gambar 2.29Mekanisme Rocker arm

Pengaturan aliran pelumas diatur oleh sebuah alat yang disebut OCV (Oil Control Valve) yang mengatur buka tutup aliran oli yang akan mengaktifkan sistem pergantian fungsi cam. OCV (Oil Control Valve) sendiri bekerja berdasarkan masukan dari ECM (Electronic Control Module) yang membaca putaran mesin. ECM akan memerintahkan OCV untuk bekerja setelah mesin mencapai putaran tertentu.

Gambar 2.30 Mekanisme aliran pelumas

B. Variabel Valve Timing and Lift Electronic Controlled ( VTEC )

Gambar 2.31DOHCVTEC Mechanism

(Sumber : American Honda Motor Company, Inc. : Website http://www.automobileshonda.com)

Gambar 2.32Mekanisme aliran pelumas

(Sumber : Bill Sherwood’s VVT Vs VTEC page, page 3files: Website http://www.billzilla.org/vvtvtec.html)

Perbedaan selanjutnya antara VVT dan VTEC yaitu pada tinggi bukaannya. Pada VVT, tinggi atau bukaan katup maksimal tetap sama baik pada putaran rendah maupun tinggi, jadi hanya fase bukaannya saja yang berbeda. Sedangkan pada VTEC selain fase bukaan juga tinggi bukaan katup berbeda antara putaran rendah dan tinggi. Hal itu disebabkan karena lobe atau tonjolan camshaft yang digunakan pada putaran rendah mempunyai tinggi angkatan yang lebih rendah daripada lobe yang digunakan untuk putaran tinggi.

dengan perbedaan tinggi angkatan katup tersebut mengakibatkan kecilnya tenaga pada putaran rendah atau kurangnya akselerasi pada putaran rendah dan mesin terasa baru mempunyai tenaga besar ketika putaran tinggi atau ketika sistem VTEC yang mengaktifkan kerja cam putaran tinggi bekerja.

Pada sistem VTEC tidak selalu menggunakan mekanisme DOHC. Pada kendaraan tertentu masih menggunakan mekanisme SOHC, akan tetapi jumlah katup yang digunakan tetap 4 katup tiap silinder.

Gambar 2.33SOHCVTEC Mechanism

(Sumber : American Honda Motor Company, Inc. : Website http://www.automobileshonda.com)

2.5.2 Sistem Kontrol Katup Variabel

Sistem pergantian fungsi cam dari low and medium cam ke high speed cam atau sebaliknya dilakukan tidak hanya berdasar pada putaran mesin, melainkan oleh berbagai masukan yang didapat dari sensor – sensor yang terdapat dalam mesin. Yaitu : Crankshaft Position Sensor, Air Flow Meter, Throttle Position Sensor, Water Temperature Sensor, Camshaft Position Sensor, dan Vehicle Speed Sensor. Berbagai sensor tersebut mengirimkan masukan kepada ECU (Engine Control Unit) untuk diolah dan selanjutnya dikirim pada OCV (Oil Control Valve) untuk mengaktifkan cam mana yang akan bekerja. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut.

OCV

Untuk Lebih jelasnya mengenai letak sensor - sensor dapat dilihat pada gambar berikut :

Gambar 2.35Penempatan sensor

(Sumber : Kijang Innova, New Car Features, PT. TAM, hal. 52)

3.1Data Kendaraan dengan Katup Variabel

Jenis kendaraan : mobil penumpang

Tipe mesin : mesin bensin 4 langkah

Jumlah silinder : 4 silinder in-line, DOHC 16 katup

Volume sillinder : 1497 cc

Volume / silinder : 374,25 cc = 3,74 ×10P

-4

P

mP

3

P

Daya : 109 PS / 6000 rpm

Torsi : 14,3 Nm / 4200 rpm

Diameter silinder : 75,0 mm

Panjang langkah : 84,7 mm

Perbandingan kompresi : 9,5 : 1 Diameter Throat katup isap : 30,5 mm Diameter Throat katup buang : 25,5 mm

3.1.1Siklus 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:

1. Siklus udara volume-konstan (siklus Otto) 2. Siklus udara tekanan-konstan (siklus Diesel) 3. Siklus udara tekanan-terbatas (siklus gabungan)

Dalam pembahasan ini penulis menggunakan siklus otto volume-konstan untuk melakukan perhitungan pada motor bensin.

Untuk menjelaskan makna dari diagram p-v pada motor torak terlebih dahulu perlu kita pakai beberapa idealisasi, sehingga prosesnya dapat dipahami secara lebih mudah. Proses yang sebenarnya (aktual) berbeda dengan proses yang ideal tersebut, dimana perbedaan tersebut menjadi semakin besar jika idealisasi yang digunakan itu terlalu jauh menyimpang dari keadaan yang sebenarnya, proses siklus yang ideal itu biasa disebut dengan siklus udara, dengan beberapa idealisasi sebagai berikut:

1. Fluida kerja dalam silinder adalah udara, dimana udara dianggap sebagai gas ideal dengan konstanta kalor yang konstan.

2. Proses ekspansi dan kompresi berlangsung secara isentropik. 3. Proses pembakaran dianggap proses pemanasan fluida kerja.

4. Pada akhir proses ekspansi, yaitu saat piston mencapai TMB, fluida kerja didinginkan sehingga tekanan dan suhunya turun mencapai tekanan dan suhu udara luar (atmosfer).

5. Tekanan fluida kerja di dalam silinder selama langkah buang dan langkah hisap adalah konstan dan sama dengan tekanan dan suhu udara luar.

Pada gambar (3.1) menunjukkan siklusudara volume konstan (siklus otto): 1) Fluida kerja dianggap sebagai gas ideal dengan kalor spesifik yang

konstan

4) Proses pembakaran volume konstan (2-3) dianggap sebagai proses pemasukan kalor pada volume konstan.

5) Langkah kerja (3-4) ialah proses isentropic

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.

T

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

3.2Proses 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 tititk 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 mendiami 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.

3.2.1Tekanan 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, Motor Vehicle Engines, Mir Publishers Moscow, Third Printing 1979, hal 88)

Persamaan Bernaulli: a 2 is is 2 is 2 a a in 2 in in in g.H 2 ) (V ξ 2 ) (V β ρ P g.H 2 ) (V ρ P + + + = + = (3.1) Dengan a in dan ρ

ρ : kerapatan muatan pada saluran isap dan di dalam silinder.

Vin : kecepatan udara pada saluran masuk (m/s)

Vis : kecepatan rata – rata udara selama proses isap pada katup isap (m/s)

HBinB dan HBaB : permukaan referensi ( nol ) dari sumbu saluran isap dan sumbu

katup isap

β :

Vis V_cyl

Vcyl adalah kecepatan udara didalam silinder pada potongan

melintang berdasar pertimbangan.

ζis : koefisien tahanan saluran isap berdasarkan pada potongan kecil.

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

melewati saluran hisap diabaikan

(

ρin =ρa

)

, maka persamaan diatas menjadi:

Persamaan kontinuitas untuk potongan melintang dari saluran isap dan bagiansilinderpersamaan 3.3.

VBisB . ABisB = VBpBBmaxB . ABpB

Dengan

ABisB : luasan lewat katup (mP

2

P

)

VBpBBmax :B kecepatan piston maksimum (m/s)

ABpB : luasan piston (mP

2

P

)

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

Mpa P

P_in = _o =0,1013

(pers 3.4, Petrosvky hal 414) α

πdh Cos A_is = _max

⎟ ⎠ ⎞ ⎜

⎝ ⎛ =

α

Cos d h

4

max

ABis B: luasan lewat katup (mP

2

P

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

max

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

o

P

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

Luasan lewat katup (ABisB):

45 45

4 10 . 5 , 30 10 . 5 , 30 14 , 3

3 3

Cos Cos

A_is = × × ×

= 4 ) 10 . 5 , 30 ( 14 ,

3 × −3 2

= 7,3.10P

-4

P

(mP

2

P

), luasan lewat untuk 1 buah katup

Katup isap terdiri dari 2 buah katup, maka luasan lewat katup keseluruhannya adalah: 2 10 . 3 ,

7 4 2×

= − m Ais =1,46.10P -3 P mP 2

Luasan piston (Ap)

2

r A_p =π

= 3,14 × (3,75.10P

-2

P

)P

2

P

= 4,41.10P

-3

P

mP

2

P

Kecepatan piston maksimum (VBpBBmax B): (pers 3.6, Kovakh hal 89)

VBpB =

30 n S = 30 6000 10 . 7 ,

84 −3×

= 16,94 (m/s) VBPmax B= 1,63 VBpB

= 1,63×16,94 = 27,61 m/s

Kecepatan rata – rata udara selama proses isap pada katup isap (Vis):

is p P is A A V

= 27,61

3 -3

10 . 46 , 1 4,41.10

−

×

= 83,3 m/s

s m

Vis =50−130 (batas aman kecepatan udara melalui katup isap, Kovakh hal 90) Tekanan ahkir proses pengisapan (PBaB):

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

1. P_in =P_o =0,1013Mpa

2. ρin =ρo udara pada TBoB= 32 P

o

P

C = 305 K

3

159 ,

1 kg m

o =

ρ (tabel A-5 Hollman, hal 589)

3.

(

β2 +ξ_is

)

=2,5−4(Kovakh, hal 90)

(

)

6 2 2 10 2 − × × + − = o is is o a V P

P β ξ ρ (pers 3.9, Kovakh hal 596)

(

)

6

2 10 . 159 , 1 2 83,3 75 , 2 1013 ,

0 − × × −

=

a P

= 0,089 Mpa

Drop pressure yang terjadi (ΔP_a):

a in a P P P = −

Δ (pers 3.10, Kovakh hal 93)

089 , 0 1013 , 0 − = ΔPa

= 0,0123 Mpa

3.2.2Temperatur Akhir Proses Pengisapan (TBaB):

Temperatur campuran muatan segar dan gas-gas residu (TBaB) pada ahkir

proses isap lebih tinggi dibanding temperatur pada saluran isap (TBinB), tetapi lebih

rendah dibanding temperatur gas-gas residu (TBresB). (pers 3.11, Kovakh hal 93)

TBaB =

res res res in γ 1 T ΔT T + + + ϕγ (K) res a res res o res P P P T T T − × Δ + = ε

γ (pers 3.12, Kovakh hal 97)

(

)

o

res P

P = 1,1−1,25 (pers 3.13, Kovakh hal 93)

Dengan

TBinB : temperatur saluran isap

ΔT : penambahan suhu campuran segar karena melewati saluran isap ≈15 P

o

P

C

ϕ : koefisien kapasitas gas panas residu = 1

TBres :B koefisien kapasitas residu = (750 → 1000) K (Kovakh hal 92)

res

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

TBaB : (310 → 350) K (Kovakh hal 94)

Maka : 0,064 1013 , 0 15 , 1 0,089 5 , 9 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):

Efisiensi pengisian silinder adalah perbandingan antara jumlah muatan segar aktual WBeB yang dikompresi di dalam silinder dengan jumlah WBoB yang akan

diisikan di dalam volume kerja silinder VBdB pada tekanan dan suhu udara luar (pB0B

dan TB0B).

Pada mesin tanpa supercarger, pB0B dan TB0B menyatakan tekanan dan suhu

udara luar. (pers 3.14, Kovakh hal 96)

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

v =ϕ _{− +}

0,064) (1 345,8 305 0,1013 0,089 1 9,5 9,5 1

ηv = ₋ × × _{× +}

3.3Langkah Kompresi

Temperatur dan tekanan pada akhir langkah kompresi menggunakan eksponen polytropik (nB1B), ekponen ini konstan selama proses berlangsung.

nB1B = ( 1,3 – 1,37 ) (Kovakh hal 117)

Tekanan akhir langkah kompresi (PBcomB):

Proses berlangsung secara isentropik, tekanan akhir langkah kompresi dihitung dengan menggunakan persamaan: (pers 3.15, Kovakh hal 111)

1

n a com P

P = ×ε (Mpa)

3 , 1

5 , 9 089 ,

0 ×

=

com P

= 1,66 Mpa

Temperatur akhir langkah kompresi (TBcomB):

1

1−

×

= n

a com T

T ε

1 3 , 1

5 , 9

345,8× −

=

com T

= 679,4 K

3.4Proses 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.

oksigen (OB2 B) 76,7% Nitrogen (NB2B) dalam basis massa, sedangkan udara

mengandung 21% Oksigen dan 79% Nitrogen dalam basis volume. Reaksi pembakaran:

1 kg bahan bakar = c kg + h kg + o kg Dengan:

C = Karbon H = Hidrogen O = Oksigen

3.4.1Reaksi Kimia Pembakaran Bahan Bakar dan Udara

Reaksi pembakaran hidrogen:

Reaksi pembakaran karbon: CO mol 12 c O mol 24 c C kg c : carbon dari (kg) c untuk atau CO mol 2 O mol 1 C kg 24 : mol dalam CO kg 56 24 c O kg 32 24 c C kg c CO kg 24 56 O kg 24 32 C kg 1 CO kg 56 O kg 32 C kg 24 : atau 2CO O C 2 2 2 2 2 2 2 = + = + = + = + = + = +

Komposisi bahan bakar: C = 88,5 %

H = 14,5 %

Kebutuhan udara untuk membakar 1 kg bahan bakar dalam massa secara teoritis adalah: (pers 3.17, Kovakh hal 51)

⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ _{+ −}

= o f

th C H O

a 8 3 8 23 , 0 1 kg a_th 96 , 14 0 145 , 0 8 885 , 0 3 8 23 , 0 1 = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ _{+ × −} =

kmol 516 , 0

32 0 4 145 , 0 12

885 , 0 209 , 0

1

=

⎟ ⎠ ⎞ ⎜

⎝

⎛ _{+ −}

=

th A

3.4.2Koefisien 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

α > 1 disebut campuran miskin

Dalam perhitungan a_th dan A_th, diasumsikan bahwa udara mengandung

20,9 % OB2B dari basis volum dan 23 % dari basis massa.

Jumlah udara aktual didalam pembakaran dari 1 kg bahan bakar, (α =1−1,3 Kovakh hal 52) adalah: (pers 3.19, Kovakh hal 52)

th a

a

=

α

kg 96 , 14

96 , 14 1

= × =

× = a_th a α

th A

A

=

mol 516 , 0

516 , 0 1

= × =

× = A_th A α

Jumlah total campuran segar udara dan bahan bakar: (pers 3.19, Kovakh hal 52)

kg 96 , 15

96 , 14 1 1

1

= + =

+ = a_th

G α

(pers 3.21, Kovakh hal 53)

th f

A

M α

μ +

= 1

1

Dengan:

=

f

μ massa molekul dari bahan bakar,.(tabel 3.2, Kovakh hal 64)

kmol 524 , 0

516 , 0 114

1

1

= + =

M

Tabel 3.2 Komposisi Elementari dan Karakteristik Dari Bensin dan Solar (Sumber: M.Kovakh, Motor Vehicle Engines, hal 64)

Jumlah campuran individu dari hasil pembakaran:

th

CO A

K M

+ − =

1 1 42 ,

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

M = −

12

2 (pers 3.24, Kovakh hal 57)

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

H K M

M = ×

2 kmol 0 0 5 , 0 2 = × = H M Dengan: =

K koefisien gas buang (0,45 - 0,5) Kovakh, hal 56.

2 2 2 H O H M H

M = −

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

M =0,79×α×

2 (pers 3.27, Kovakh hal 58)

kmol 407 , 0 516 , 0 1 79 , 0 2 = × × = N M

Jumlah total dari hasil pembakaran (MB2B) adalah:

kmol 55 , 0 407 , 0 072 , 0 0 071 , 0 0 2 = + + + + = M

1 2 M M th = μ 049 , 1 524 , 0 55 , 0 = = th μ

Koefisien molar actual (μ ):(pers 3.29, Kovakh hal 596)

res res th γ γ μ μ + + = 1 046 , 1 064 , 0 1 064 , 0 049 , 1 = + + = μ

Diasumsikan panas terendah dari hasil pembakaran (H_l) = 44 MJ kg.

Jumlah panas yang tidak berkembang:

(

ΔHl

)

chem =114×10

(

1−α

)

Ath

6

(pers 3.30, Kovakh hal 64)

(

)

( )

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

Energi yang dikandung 1 kmol hasil pembakaran pada temperatur

maksimum yang tercapai (UZ") adalah:

(

)

[

]

(

)

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

(pers 3.31, Kovakh hal 596)

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

Energi internal dari 1 mol campuran segar pada langkah ahkir kompresi:

( )

V com com

com c t

Panas jenis dari campuran segar udara dan bahan bakar (μcV )

diasumsikan setara dengan udara pada temperatur (t = tBcomB). Dengan

menggunakan tabel 3.3, diasumsikan t =300oC.

Tabel 3.3 Kapasitas Panas Jenis Molar Gas (μc_V ) Pada Volume Konstan (Sumber: M.Kovakh, Motor Vehicle Engines, hal 67)

Didapat:

V c

μ pada t = tBcomB = 21,63 kJ mol C

maka: kmol kJ 8 , 6361 300 206 , 21 = × = com U

Energi internal dari 1 mol hasil pembakaran pada ahkir langkah kompresi:

(

V

)

com com

com c t

U" = μ " (pers 3.33, Kovakh hal 597)

Dengan:

" V c

μ = adalah panas jenis dari hasil pembakaran pada ahkir langkah kompresi.

Panas jenis campuran adalah jumlah dari hasil pembakaran komponen individual dibagi dengan jumlah total hasil pembakaran. Untuk komposisi

elementary dari bahan bakar telah diasumsikan diatas untuk α=1 maka

2

M M ri = i

dapat dihitung:

2

M M

ri = i (pers 3.34, Kovakh hal 597)

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 tBcomB =300 P

o

P

C dapat dihitung:

2 2

2 2 2

2 2 2 " N r O H r H r C r C r c N O H H O CO O CO V × + × + × + × + × = μ

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:

(

)

kmole kJ 6 , 6981 300 272 , 23 " = × = com U

[

]

(

)

kmole kJ 8 , 73479 064 , 0 1 6 , 6981 064 , 0 8 , 6361 064 , 0 1 524 , 0 0 44000 85 , 0 " = + × + + + − = Z U μ

Energi yang dikandung 1 kmol hasil pembakaran pada temperatur

maksimum yang tercapai (UZ") adalah:

(

)

μ μ μ Z Z V Z U T c U " " = =

(pers 3.36, Kovakh hal 597)

kmole MJ 24 , 70 kmole kJ 3 , 70248 046 , 1 8 , 73479 " = = = Z U

Dari tabel 3.4 akan diperoleh nilai TBz B(suhu akhir pembakaran) dengan

1

=

α maka nilai TBzBadalah:

TBzB = 2360,6 P

o

P

Tabel 3.4 Energi Internal Hasil Pembakaran (U) (Sumber: M.Kovakh, Motor Vehicle Engines, hal 70)

Tekanan ahkir pada ahkir langkah pembakaran (PBzB) adalah;

com com

Z

Z P

T T

P =μ (pers 3.37, Kovakh hal 598)

Mpa 73 , 6

66 , 1 4 , 679

6 , 2633 046

, 1

=

× ×

=

Rasio penambahan tekanan (λ):

com Z P

P

=

λ (pers 3.38, Kovakh hal 598)

05 , 4 1,66 6,73

= =

λ

Tekanan maksimum pada akhir langkah pembakaran (PBzB’) adalah:

Z

Z P

P '=0,85× (pers 3.39, Kovakh hal 598)

Mpa 72 , 5

73 , 6 85 , 0 '

= × =

Z P

3.5Langkah Ekspansi

Setelah terjadi proses pembakaran bahan bakar dengan udara karena tekanan yang sangat kuat, maka dihasilkan tenaga yang mampu mendorong piston dari TMA ke TMB.

Langkah ini adalah proses perubahan energi panas menjadi energi mekanik. Karena gerakan piston dari TMA ke TMB, maka volume silinder akan menjadi besar dan tekanan udara dalam silinder akan menurun.

Proses ekspansi merupakan proses politropik dengan eksponen politropik (nB2B). Setelah langkah ekspansi dilanjutkan dengan proses pembuangan, yang

Tekanan akhir langkah ekspansi (PBbB): 2 n Z b P P ε

= (pers 3.40, Kovakh hal 598)

Mpa 42 , 0 5 , 9 73 , 6 23 , 1 = = b P

Temperatur ahkir langkah ekspansi (TBbB):

1

2−

= _nZ b T T ε K 18 , 1569 5 , 9 6 , 2633 1 23 , 1 = = ₋ b T

3.5.1Karakteristik Kerja Motor

Tekanan rata-rata (pBiB)BidB untukρ =1:

( )

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

= _{− −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

(pers 3.42, Kovakh hal 598)

( )

Mpa 1,056 9,5 1 1 1 1,3 1 9,5 1 1 1 1,23 4,05 1 9,5 9,5 0,089 P 1 1,3 1 1,23 1,3 id i = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ₋ × − − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ₋ × − × − × = _{− −}

Tekanan indikasi rata-rata actual (PBiB):

untuk ϕ_i =

(

0,92−0,97

)

(Kovakh hal 164)

id i

i P

P =ϕ × (pers 3.43, Kovakh hal 598)

Tenaga yang dihasilkan (WBtB):

h i t P V

W = × (pers 3.44, Kovakh hal 165)

Dengan:

=

i

P tekanan indikasi rata-rata (Pa)

=

h

V volume kerja silinder (mP

3 P )

(

)

N.m 17 , 383 0847 , 0 075 , 0 4 10 024 ,

1 6 2

= ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ _{× ×} × × = π t W

Untuk mesin 4-langkah, daya yang dihasilkan (NBiB):

120 n V i P

Ni = i h (pers 3.45, Kovakh hal 166)

Dengan:

=

i

P tekanan indikasi rata-rata (MPa)

=

h

V volume kerja silinder (Liter)

kW 59 , 76 120 6000 374 , 0 4 024 , 1 = × × × = i N

3.5.2Daya Rugi-Rugi Mekanis (PBmechB):

P mech A B V

P = + × (pers 3.46, Kovakh hal 598)

Dengan:

=

B dan

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

=

P

V kecepatan piston rata-rata (m/s)

Tabel 3.5 Faktor Rugi-Rugi Mekanis

(Sumber: M.Kovakh, Motor Vehicle Engines, hal 203)

Maka dari tabel diperoleh untuk <1 D

S :

Dengan:

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

88 , 0 0847 , 0

075 , 0

= <1

Mpa 268 , 0

94 , 16 0135 , 0 04 , 0

=

× +

=

mech P

Tekanan efektif rata-rata (PBbeB):

mech i

be P P

Mpa 756 , 0 268 , 0 024 , 1 = − = be P

Efesiensi mekanis (η_mech):

i be mech P P =

η (pers 3.48, Kovakh hal 598)

73 , 0 024 , 1 756 , 0 = = mech η

3.5.2Pemakaian Bahan Bakar Spesifik

Pemakaian bahan bakar spesifik (gBiB):

th i o V i a P g α ρ η ×

=3600 (pers 3.49, Kovakh hal 599)

kW.jam kg 227 , 0 kW.jam g 1 , 227 96 , 14 1 024 , 1 159 , 1 834 , 0 3600 = = × × × × = i g

Konsumsi bahan bakar efektif pengereman (gBbB):

mech i b g g η

= (pers 3.50, Kovakh hal 599)

Efisiensi indikator (η_i):

l i i

H g 3600

=

η (pers 3.51, Kovakh hal 599)

36 , 0

44 1 , 227

3600

=

× =

i

η

Efesiensi thermal efektif (η_b):

mech i b η η

η = × (pers 3.52, Kovakh hal 599)

26 , 0

73 , 0 36 , 0

= × =

b η

Konsumsi bahan bakar perjam (gBfB):

i i f g N

g = × (pers 3.53, Kovakh hal 599)

jam kg 38 , 17

59 , 76 227 , 0

=

× =

3.6Data Kendaraan Tanpa Katup Variabel

Jenis kendaraan : mobil penumpang

Tipe mesin : mesin bensin 4 langkah

Jenis mesin : 4 silinder in-line,DOHC 16 katup

Volume sillinder : 1497 cc

Volume / sillinder : 374,25 cc = 3,74.10P

-4

P

mP

3

P

Daya : 97 PS / 6000 rpm

Torsi : 14,4 Nm) / 4500 rpm

Diameter silinder : 75,5 mm

Panjang langkah : 83,5 mm

Perbandingan kompresi : 9,5 : 1 Diameter Throat katup isap : 25,5 mm Diameter throat katup buang : 23,85

3.7Proses 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 tititk mati atas (TMA) menuju titik mati bawah (TMB).

Faktor yang mempengaruhi besarnya muatan yang masuk ke dalam silinder: 1. Adanya sisa hasil pembakaran di dalam silinder yang mendiami

sebagian volume silinder.

2. pemanasan campuran udara-bahan bakar oleh permukaan dinding saluran hisap dan ruang di luar silinder sebesar ΔT yang akan mengurangi kerapatan campuran.

3.7.1Tekanan di Dalam Silinder Selama Proses Pengisapan

Adanya tahanan/gesekan di dalam saluran isap akan mengurangi jumlah muatan segar yang terhisap ke dalam silinder karena kerapatan muatan berkurang. Pengaruh tahanan hidraulik muatan dapat dicari bila diketahui rugi– rugi tekanan ΔPa dalam sistem hisap atau tekanan Pa pada saat proses penghisapan berakhir. Tekanan di dalam silinder selama proses pengisian dapat dicari secara tepat bila prosesnya stabil.

Pada mesin 4 langkah saat mencapai kecepatan dan daya rata-rata Pa. Tekanan akhir langkah hisap dihitung dengan persamaan 3.55 (M.Kovach, Motor Vehicle Engines, Mir Publishers Moscow, Third Printing 1979, hal 88)

Persamaan Bernaulli:

a 2

is is 2

is 2

a a in 2

in

in in

g.H 2

) (V

ξ

2

) (V

β

ρ

P g.H 2

) (V

ρ

P

+ +

+ = +

= (3.54)

Dengan :

a in dan ρ

ρ : kerapatan muatan pada saluran isap dan di dalam silinder.

Vis : kecepatan rata – rata udara selama proses isap pada katup isap (m/s)

HBinB dan HBaB : permukaan referensi ( nol ) dari sumbu saluran isap dan sumbu

katup isap

β :

Vis V_cyl

Vcyl adalah kecepatan udara didalam silinder pada potongan

melintang berdasar pertimbangan.

ζis : koefisien tahanan saluran isap 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:

(

+

)

×⎜⎜_⎝⎛ ⎟⎟_⎠⎞

+ =

2 V 2

a a

in

in 2

is

ρ

P

ρ

P

is ξ

β (pers 3.55, Kovakh hal 88)

Persamaan kontinuitas untuk potongan melintang dari saluran isap dan bagiansilinderpersamaan 3.3.

VBisB . ABisB = VpB BBmaxB . ABp B(pers 3.56, Kovakh hal 89)

Dengan

ABisB : luasan lewat katup (mP

2

P

)

VBpBBmax :B kecepatan piston maksimum (m/s)

ABpB : luasan piston (mP

2

P

)

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

Mpa P

P_in = _o =0,1013 α πdh Cos

⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = α Cos d h 4

max (pers 3.58, Petrosvky hal 414)

ABis B: luasan lewat katup (mP

2

P

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

max

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

o

P

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

Luasan lewat katup (ABisB):

(

)

4 10 . 5 , 25 14 , 3 45 45 4 10 . 5 , 325 10 . 5 , 25 14 , 3 2 3 3 3 − − − × = × × × = Cos Cos Ais

= 5,1.10P

-4 P (mP 2 P )

Kecepatan piston maksimum (VBpBBmax B):

VBpB =

30 n S

(pers 3.59, Kovakh hal 89)

= 30 6000 10 . 5 ,

83 −3×

= 16,7 (m/s)

max

p

V = 1,63 Vp

= 27,22

Kecepatan rata – rata udara selama proses isap pada katup isap (Vis):

is p p is A A V

V = max× (pers 3.60, Kovakh hal 89)

= 27,22

3 3 10 . 02 , 1 10 . 474 , 4 − − ×

= 119,3 m/s

s m

V_is =50−130 . (batas aman kecepatan udara melalui katup isap, Kovakh hal 90)