Laporan Prak ti k um Prestasi Mesin Jurusan Tek nik Mesin f ak ultas Tek nik Universitas Brawijay a
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang
Praktikum merupakan faktor penting dalam kegiatan belajar mengajar, khususnya diperguruan tinggi.Bentukmya biasanya berupa kegiatan analisa suatu percobaan maupun penelitian dilaboratorium yang tersedia. Kegiatan praktikum tersebut merupakan suatu pengaplikasian dari teori yang telah diterima selama masa perkuliahan.
Tujuan kegiatan praktikum berbeda dengan tujuan kegiatan penelitian.
Walaupunkeduanya sama-sama sering dilaksanakan dilaboratorium. Praktikum lebih ditujukan untuk menerapkan atau mengaplikasikan teori yang sudah ada dengan tujuan membantu proses belajar mengajar. Sedangkan penelitian bertujuan untuk mendapatkan teori baru dalam rangka pengembangan ilmu pengetahuan. Selain itu, praktikum juga ditujukan untuk mempersiapkan sarjana yang menguasai ilmu pengetahuan baik secara teori maupun praktek.
Praktikum mempunyai peranan penting, terutama untuk membantu memahami teori, proses atau karakteristik dari berbagai fenomena dan hasil rekayasa dalam bentuk rekayasa yang komplek sehingga sulit dipahami apabila hanya diterangkan melalui proses perkuliahan di kelas.
Motor bakar atau internal combustion engine merupakan hasil rekayasa mekanisme dari proses konversi energi yang sangat luas penggunaanya, terutama mesin-mesin alat transportasi, mesin-mesin pertanian dan lain-lain. Motor bakar yang digunakan pada percobaan praktikum ini adalah jenis motor bakar Diesel.
Motor bakar yang digunakan sampai sekarang adalah jenis motor bakar torak (reciprocating engine) dan mempunyai dua jenis, yaitu motor bensin (spark ignition engine) dan motor diesel (compression ignition engine). Motor bakar yang
digunakan pada percobaan praktikum ini adalah jenis motor bakar Diesel. Untuk mengetahui karakteristik suatu motor bakar torak yang cocok untuk suatu kebutuhan, maka kita harus melakukan pengujian terhadap motor bakar tersebut, dalam hal ini berupa variable speed test, yaitu pengujian dengan putaran yang bervariasi.
Laporan Prak ti k um Prestasi Mesin Jurusan Tek nik Mesin f ak ultas Tek nik Universitas Brawijay a 1.2 Tujuan Praktikum
Adapun tujuan dari praktikum motor bakar adalah :
1. Mendapatkan berbagai karakteristik kinerja (performance characteristics) dari motor Diesel, melalui kegiatan pengujian di laboratorium motor bakar yang dilakukan oleh mahasiswa.
2. Mengevaluasi data karakterstik kinerja tersebut kemudian membandingkannya dengan karakteristik kinerja yang bersesuaian dengan yang ada dalam buku referensi.
3. Menggambarkan Diagram Sankey, yaitu diagram yang menggambarkan keseimbangan panas yang terjadi pada proses pembakaran pada motor bakar 4. Mengetahui pembakaran sempurna atau tidak yang ditunjukkan dengan
emisi gas buang berupa Carbon Monoksida.
Laporan Prak ti k um Prestasi Mesin Jurusan Tek nik Mesin f ak ultas Tek nik Universitas Brawijay a
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Motor Bakar
Motor bakar adalah mesin kalor atau mesin konversi energi yang mengubah energi kimia bahan bakar menjadi energi mekanik berupa kerja. Pada dasarnya mesin kalor (Heat Engine) dikategorikan menjadi dua (2), yaitu:
a) External Combustion Engine
Yaitu hasil dari pembakaran udara dan bahan bakar memindahkan panas ke fluida kerja pada siklus. Dimana energi diberikan pada fluida kerja dari sumber luar seperti furnace, geothermal, reaktor nuklir, atau energi surya. Contoh mesin yang termasuk External Combustion Engine adalah turbin uap.
b) Internal Combustion Engine
Dimana energi didapat dari pembakaran bahan bakar didalam batas sistem sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja. Contoh Internal Combustion Engine adalah Motor Bakar torak dan sistem turbin gas. Jadi motor bakar torak termasuk jenis Internal Combustion Engine.
2.1.1 Prinsip KerjaMotor Bakar
Motor bakar torak menggunakan beberapa silinder yang didalamnya terdapat torak yang bergerak translasi bolak-balik ( reciprocating engine ). Didalam silinder itulah terjadi pembakaran antara bahan bakar dengan oksigen dari udara. Gas pembakaran yang dihasilkan oleh proses tersebut mampu menggerakkan torak yang dihubungkan dengan poros engkol oleh batang penghubung (batang penggerak). Gerak translasi torak tadi menyebabkan gerak rotasi pada poros engkol dan sebaliknya.
Berdasarkan langkah kerjanya, motor bakar torak dibedakan menjadi motor bakar 4 langkah dan motor bakar dua langkah.
A. Motor Bakar 4 Langkah
Pada motor bakar 4 langkah, setiap 1 siklus kerja memerlukan 4 kali langkah torak atau 2 kali putaran poros engkol, yaitu:
a. Langkah Isap (Suction Stroke)
Torak bergerak dari posisi TMA (titik mati atas) ke TMB (titik mati bawah), dengan katup KI (katup isap) terbuka dan katup KB (katup buang) tertutup. Karena
Laporan Prak ti k um Prestasi Mesin Jurusan Tek nik Mesin f ak ultas Tek nik Universitas Brawijay a gerakan torak tersebut maka campuran udara dengan bahan bakar pada motor bensin atau udara saja pada motor diesel akan terhisap masuk ke dalam ruang bakar.
Gambar 2.1 : Langkah isap motor bakar 4 langkah
Sumber : addras.blogspot.com/2010/07/motor-bakar-4-langkah.html
b. Langkah Kompresi (Compression Stroke)
Torak bergerak dari posisi TMB ke TMA dengan KI dan KB tertutup.Sehingga terjadi proses kompresi yang mengakibatkan tekanan dan temperatur di silinder naik.
Gambar 2.2 : Langkah kompresi motor bakar 4 langkah Sumber : addras.blogspot.com/2010/07/motor-bakar-4-langkah.html
c. Langkah Ekspansi (Expansion Stroke)
Sebelum posisi torak mencapai TMA pada langkah kompresi, pada motor bensin busi dinyalakan, atau pada motor diesel bahan bakar disemprotkan ke dalam ruang bakar sehingga terjadi proses pembakaran. Akibatnya tekanan dan temperatur di ruang bakar naik lebih tinggi. Sehingga torak mampu melakukan langkah kerja atau langkah ekspansi. Langkah kerja dimulai dari posisi torak pada TMA dan berakhir pada posisi TMB saat KB mulai terbuka pada langkah buang. Langkah ekspansi pada proses ini sering disebut dengan power stroke atau langkah kerja.
Laporan Prak ti k um Prestasi Mesin Jurusan Tek nik Mesin f ak ultas Tek nik Universitas Brawijay a Gambar 2.3 : Langkah ekspansi motor bakar 4 langkah
Sumber : addras.blogspot.com/2010/07/motor-bakar-4-langkah.html
d. Langkah Buang
Torak bergerak dari posisi TMB ke TMA dengan KI dan KB terbuka. Sehingga gas hasil pembakaran terbuang ke atmosfer.
Gambar 2.4 : Langkah buang motor bakar 4 langkah
Sumber : addras.blogspot.com/2010/07/motor-bakar-4-langkah.html
B. Motor Bakar 2 Langkah
Pada motor bakar 2 langkah, setiap satu siklus kerja memerlukan dua kali langkah torak atau satu kali putaran poros engkol. Motor bakar 2 langkah juga tidak memiliki katup isap (KI) atau katup buang (KB), dan digantikan oleh lubang isap dan lubang buang yang dibuat pada sisi-sisi silinder (cylinder liner). Secara teoritis, pada berat dan displacement yang sama, motor bakar 2 langkah menghasilkan daya sekitar dua kali lipat dari motor bakar 4 langkah, tetapi pada kenyataanya tidak demikian karena efisiensinya lebih rendah akibat pembuangan gas buang yang tidak kompit dan pembuangan sebagian bahan bakar bersama gas buang akibat panggunaan sistem lubang. Tetapi melihat konstruksinya yang lebih simpel dan murah serta memiliki rasio daya – berat dan daya - volume yang tinggi maka motor bakar 2 langkah cocok untuk sepeda motor dan alat-alat pemotong.
Dua langkah kerja motor bakar 2 langkah tersebut dijelaskan sebagai berikut :
Laporan Prak ti k um Prestasi Mesin Jurusan Tek nik Mesin f ak ultas Tek nik Universitas Brawijay a a) Langkah Torak dari TMA ke TMB
Sebelum torak mencapai TMA, busi dinyalakan pada motor bensin (atau bahan bakar dikompresikan pada motor diesel) sehingga terjadi proses pembakaran, karena proses ini torak terdorong dari TMA menuju TMB, langkah ini merupakan langkah kerja dari motor bakar 2 langkah. Saat menuju TMB, piston lebih dulu membuka lubang buang sehingga gas sisa pembakaran terbuang , setelah itu dengan gerakan piston yang menuju TMB, lubang isap terbuka, dan campuran udara bahan bakar pada motor bensin atau udara pada motor diesel akan masuk ke dalam silinder.
b) Langkah Torak dari TMB ke TMA
Setelah torak mencapai TMB maka torak kembali menuju TMA. Dengan gerakan ini, sebagian gas sisa yang belum terbuang akan didorong keluar sepenuhnya yang disebut scarenging. Selain itu, gerakan piston yang turun menuju TMA menyebabkan terjadinya kompresi yang kemudian akan dilanjutkan dengan pembakaran setelah lubang isap tertutup oleh torak.
Skema masing-masing langkah gerakan torak di dalam silinder motor bakar 2 langkah tersebut ditunjukkan dalam gambar 2.2.
Gambar 2.5
Skema Langkah Kerja Motor Bakar 2 Langkah Sumber: Surbakty, Motor Bakar I, hal 80
Laporan Prak ti k um Prestasi Mesin Jurusan Tek nik Mesin f ak ultas Tek nik Universitas Brawijay a 2.2 Siklus Termodinamika Motor Bakar
Siklus aktual dari proses kerja motor bakar sangat komplek untuk digambarkan, karena itu pada umumnya siklus motor bakar didekati dalam bentuk siklus udara standar ( air standar cycle ). Dalam air standar cycle fluida kerja menggunakan udara, dan pembakaran bahan bakar diganti dengan pemberian panas dari luar. Pendinginan dilakukan untuk mengembalikan fluida kerja pada kondisi awal. Semua proses pembentuk siklus udara standar dalam motor bakar adalah proses ideal,yaitu proses reversibel internal
2.2.1 Siklus Otto
Siklus udara standar pada motor bensin disebut siklus Otto, berasal dari nama penemunya yaitu Nicholaus Otto orang Jerman, pada tahun 1876. Digaram P-V dari siklus Otto untuk motor bensin dapat dilihat pada Gambar dibawah ini
Gambar 2.6 : Diagram siklus otto Sumber : tutorialteknik.blogspot.com
Siklus Otto ideal terdiri dari empat proses reversibel internal, yaitu proses 1-2 kompresi isentropik, proses 2-3 penambahan kalor pada volume tetap, proses 3-4 ekspansi isentropik, dan proses 4-1 pelepasan kalor pada volume tetap. Karena siklus Otto ideal ini merupakan sistem tertutup, maka ada beberapa asumsi yang digunakan yaitu (1) mengabaikan perubahan energi kinetik dan potensial, dan (2) tidak ada kerja yang timbul selama proses perpindahan kalor.
Laporan Prak ti k um Prestasi Mesin Jurusan Tek nik Mesin f ak ultas Tek nik Universitas Brawijay a 2.2.2 Siklus Diesel
Siklus diesel yang pertama dikemukakan oleh Rudolph Diesel pada 1890-an, ditunjukkan dalam gambar di bawah ini
P 2 3
P
23P
44
P
11
V
2V
3V
14V
Gambar 2.7 Diagram P-V Siklus Diesel Sumber : http://www.e-course.com
Proses injeksi bahan bakar pada mesin diesel dimulai ketika piston mendekati TMA dan berlanjut selama awal langkah kerja. Oleh karena itu, proses pembakaran pada mesin diesel berlangsung ada interval yang lebih panjang. Karena waktu yang lebih lama ini, proses pembakaran pada siklus ini didekati sebagai proses penambahan kalor tekanan konstan (2-3). Perlu diperhatikan bahwa dalam Compression rasio yang sama, efisiensi mesin diesel tidak bisa melebihi mesin bensin. Tetapi kelebihan mesin diesel adalah bisa dioperasikan pada Compression rasio yang tinggi tanpa kemungkinan adanya detonasi, sehingga daya yang dihasilkan bisa lebih besar. Selain itu dapat menggunakan bahan bakar yang lebih murah sehingga cocok digunakan untuk mesin- msin besar, seperi lokomotif, pembangkit listrik,kapal laut, dan truk-truk besar.
2.2.3 Siklus Tinkler
Siklus udara standar pada motor diesel modern disebut Trinkler/Dual cycle.
Penemu motor diesel adalah orang jerman bernama Rudolph Diesel sekitar tahun1890 an. Diagram P-V dari siklus dual untuk motor diesel dapat dilihat pada gambar 2.4
Laporan Prak ti k um Prestasi Mesin Jurusan Tek nik Mesin f ak ultas Tek nik Universitas Brawijay a G ambar 2.8 : Diagram Siklus Dual Motor Diesel
Sumber : Buku Panduan Praktikum Motor Bakar
Langkah kerja silkus dual motor diesel teoritis terdiri dari : 1. Langkah kompresi adiabatis reversibel (1-2)
2. Langkah pemberian panas pada volume konstan (2-X) 3. Langkah pemberian panas pada tekanan konstan (X-3) 4. Langkah ekspansi adiabatis reversibel (3-4)
5. Langkah pembuangan panas (4-1)
Apabila tekanan gas dan volume silinder secara bersamaan pada setiap posisi silinder dapat diukur,maka dapat digambarkan bentuk siklus dual aktual pada motor diesel yang bentuknya seperti ditunjukkan dalam gambar 2.9
Gambar 2.9 : Siklus Aktual Motor Diesel 4 Langkah Sumber : Buku Panduan Praktikum Motor Bakar
Proses termodinamika yang terjadi pada masing masing langkah pada siklus aktual pada motor bensin maupun pada motor diesel bukan merupakan proses ideal,
Laporan Prak ti k um Prestasi Mesin Jurusan Tek nik Mesin f ak ultas Tek nik Universitas Brawijay a karena dalam setiap gerakan piston terjadi kehilangan panas karena pendinginan dan gesekan pada torak dan bantalan
2.3 Karakteristik Kinerja Motor Bakar
Yang dimaksudkan dengan karakteristik kinerja motor bakar adalah karakteristik atau bentuk hubungan antara indikator kerja sebagai variabel terikat dengan indikator operasionalnya sebagai variabel bebas. Dengan adanya bentuk hubungan antara kedua indikator tersebut maka dapat diketahui kondisi optimum suatu motor bakar harus dioperasikan, atau apakah kondisi suatu motor bakar masih baik dan layak untuk dioperasikan
2.3.1 Indikator Kerja dan Indikator Operasional Motor Bakar
Beberapa indikator kinerja motor bakar yang biasa digunakan untuk mengetahui data kinerja suatu motor bakar diantaranya adalah:
1. Daya Indikatif (Ni)
Daya yang dihasilkan dari reaksi pembakaran bahan bakar dengan udara yang terjadi di ruang bakar.Rumus mencari Ni :
Ni = Pi . Vd . n . i (P.s.)
0.45 . z
dimana : Pi : tekanan indikasi rata-rata (kg/cm²) Vd : volume langkah → π. D². L (m³)
4
D : diameter silinder (m) L : panjang langkah torak (m) n : putaran mesin
z : jumlah putaran poros engkol untuk setiap siklus untuk 4 langkah z = 2, dan untuk 4 langkah z = 1 2. Daya Efektif (Ne)
Daya efektif merupakan daya aktual yang dihasilkan pada poros. Karena adanya kerugian gesekan dan sebagian daya yang digunakan untuk menggerakkan peralatan tambahan , maka Ne < Ni.
Daya ini dibagi menjadi 3 bagian, yaitu:
