MOTOR BAKAR

MOTOR BAKAR

I. TUJUAN

1.      Mengetahui proses yang terjadi pada motor bakar bensin

2.      Mempelajari karakteristik dan parameter prestasi motor bensin

II. TEORI DASAR

2.1       Motor Bakar Torak

Salah satu jenis penggerak mula yang banyak dipakai adalah jenis mesin kalor, yaitu mesin yang menggunakan energi termal untuk melakukan kerja mekanik atau yang mengubah energi termal menjadi energi mekanik.

Ditinjau dari cara memperoleh energi, mesin kalor dapat dikategorikan menjadi dua jenis yaitu mesin pembakaran dalam dan mesin pembakaran luar. Pada mesin pembakaran luar, proses pembakaran terjadi di luar mesin, di mana energi termal dari gas hasil pembakaran dipindahkan ke fluida kerja mesin, melalui beberapa dinding pemisah.

Sedangkan pada mesin pembakaran dalam proses pembakaran terjadi dalam ruang bakar sehingga gas pembakaran yang terjadi berfungsi sekaligus sebagai fluida kerja. Mesin pembakaran dalam lebih dikenal dengan nama motor bakar.

Pada prinsipnya motor bakar bekerja dengan memanfaatkan energi campuran bahan bakar dan udara dalam bentuk panas (temperatur dan tekanan tinggi) di dalam ruangan yang disebut silinder, sehingga dapat melakukan kerja mekanik. Dalam kerjanya motor bakar menggunakan satu atau lebih silinder yang didalamnya terdapat torak bergerak secara translasi (bolak-balik). Di dalam silinder itulah terjadi pembakaran antara bahan bakar dengan oksigen. Gas pembakaran yang dihasilkan oleh proses tersebut mampu menggerakkan torak yang oleh batang penghubung (crank shaft) dihubungkan dengan poros engkol.   Gerak translasi torak menyebabkan gerak rotasi poros engkol.

2.2       Klasifikasi Motor Bakar

Pada dasarnya motor bakar terdiri dari dua jenis yaitu:

·               Motor bensin

·               Motor diesel

Perbedaan antara motor bensin dan motor diesel terletak pada bahan bakar yang digunakan dan sistem penyalaan dalam silinder. Pada motor bensin bahan bakarnya adalah bensin, dinyalakan dengan loncatan bunga api pada tiap-tiap siklus pembakaran, proses ini disebut dengan sistem penyalaan api. Sedangkan pada motor diesel bahan bakar yang digunakan adalah solar, sistem penyalaannya adalah sistem penyalaan sendiri, karena bahan bakar disemprotkan atau diinjeksikan ke dalam silinder yang telah berisi udara bertekanan dan temperatur tinggi untuk membakar bahan bakar (penyalaan kompresi).

Dalam operasinya motor bakar bekerja dalam satu siklus, dimana satu siklus terdiri dari proses isap, kompresi, kerja dan buang. Bila ditinjau dari langkah torak setiap siklusnya, maka motor bakar dapat dibedakan menjadi motor dua langkah dan motor empat langkah. Motor bakar dua langkah merupakan motor bakar yang melengkapi siklus kerjanya dalam satu kali putaran poros engkol. Proses isap, kompresi terjadi pada langkah pertama sedangkan proses kerja, buang terjadi pada langkah ke dua. Sedangkan motor bakar empat langkah merupkan motor bakar yang melengkapi siklus kerjanya dalam dua kali putaran poros engkol dan empat kali langkah torak untuk menghasilkan satu kerja.

2.3       Motor Bensin (Siklus Otto)

Motor bensin termasuk ke dalam jenis motor bakar torak. Proses pembakaran bahan bakar dan udara di dalam silinder. Motor bakar bensin dilengkapi dengan busi dan karburtor yang membedakannya dengan motor diesel.

Busi berfungsi untuk membakar campuran udara-bensin yang telah dimampatkan dengan jalan memberi loncatan api listrik diantara kedua elektrodanya. Karena itu motor bensin dinamai dengan spark ignitions. Sedangkan karburator adalah tempat bercampurnya udara dan bensin, campuran tersebut kemudian masuk ke dalam silinder yang dinyalakan oleh loncatan bunga api listrik dari busi menjelang akhir langkah kompresi. Pembakaran bahan bakar-udara ini menyebabkan mesin menghabiskan daya di dalam siklus Otto (ideal) pembakaran tersebut dimisalkan dengan panas pada volume konstan.

2.3.1    Prinsip Kerja Motor Bensin

Berdasarkan prinsip kerja, motor bensin dibedakan atas:

·   Motor bakar bensin dua langkah (2-tak)

·   Motor bakar bensin empat langkah (4-tak)

2.3.2        Prinsip Kerja Motor Bensin Dua Langkah

Motor bensin dua langkah   (2-tak) merupakan motor bakar yang mengalami dua proses dalam setiap langkahnya.

Gambar 2.1 Prinsip kerja motor bensin dua langkah

1.         Langkah kerja

Pada saat piston mencapai titik mati atas (TMA), loncatan bunga api listrik dari busi membakar campuran udara-bahan bakar yang bertekanan tinggi sehingga terjadilah ledakan akibatnya piston akan terdorong kebawah maka dimulailah langkah expansi atau langkah tenaga, sekaligus terjadinya langkah isap dimana campuran bahan bakar-udara masuk melalui saluran isap.

2.         Langkah kompresi

Setelah piston mencapai titik mati bawah (TMB), maka piston akan kembali bergerak menuju titik mati atas, gerakan ini akan mengompres campuran bahan bakar-udara yang telah berada di dalam silinder, langkah ini sekaligus merupakan langkah buang dimana sisa pembakaran akan terdorong keluar melalui saluran buang, dan selanjutnya akan kembali ke siklus langkah semula.

2.3.3        Prinsip Kerja Motor Bensin Empat Langkah

Motor bensin empat langkah (4-tak) mengalami satu proses disetiap langkahnya.

Gambar 2.2 Prinsip kerja motor bensin empat langkah

1.         Langkah isap

Langkah ini diawali dengan pergerakan piston dari titik mati atas (TMA) menuju titik mati bawah (TMB), katup isap terbuka dan katup buang tertutup.Melalui katup isap, campuran bahan bakar(bensin)-udara masuk ke dalam ruang bakar.

2.         Langkah kompresi

Poros engkol berputar menggerakan torak ke TMA setelah mencapai TMB. Katup masuk dan katup buang tertutup. Campuran udara bahan-bakar dikompresikan, tekanan dan temperatur di dalam silinder meningkat, sehingga campuran ini mudah terbakar. Proses pemampatan ini di sebut juga langkah tekan, yaitu ketika torak bergerak dari TMB menuju TMA dan kedua katup tertutup.

3.         Langkah kerja

Dikala berlangsungnya langkah kerja ini, kedua katup tertutup. Pada waktu torak mencapai TMA, timbulah loncatan bunga api listrik dari busi dan membakar campuran udara-bahan bakar yang bertekanan dan bertemperatur tinggi sehingga timbul ledakan, akibatnya torak terdorong menuju TMB sekaligus menggerakkan poros engkol sehingga diperoleh kerja mekanik.

4.         Langkah buang

Setelah menacapai TMB poros engkol menggerakkan torak ke TMA, volume silinder mengecil. Pada saat langkah buang katub masuk tertutup dan katu buang terbuka. Torak menekan gas sisa pembakaran ke luar silinder. Beberapa saat sebelum torak mencapai TMA, katup isap mulai terbuka dan beberapa saat setelah bergerak ke bawah, katup buang sudah menutup.Gerakan ke bawah ini menyebabkan campuran udara-bahan bakar masuk ke dalam silinder, sehingga siklus tersebut terjadi secara berulang.

Gerakan torak akan menimbulkan gesekan yaitu antara cincin torak dengan dinding silinder yang mengauskan permukaan dan kerusakan selanjutnya dipercepat oleh panas yang terjadi karena gesekan itu. Besarnya gesekan dapat dikurangi dengan sistem pelumasan yang baik pada motor bensin. Pelumas ini berfungsi untuk memisahkan dua permuakaan yang bersentuhan.

Motor bensin menggunakan pelumas cair yang dikenal dengan minyak pelumas. Selain mudah disalurkan minyak pelumas ini berfungsi juga sebagai fluida pendingin, pembersih dan penyekat.

Gas pembakaran di dalam silinder dapat mencapai +2500 ^oC, karena proses itu terjadi berulang-ulang maka dinding silinder, kepala silinder, torak, katup dan beberapa bagian lain menjadi panas. Sehingga bagian tersebut perlu untuk didinginkan, agar temeperaturnya tetap berada dalam batas yang diperbolehkan, sesuai dengan kekuatan dan kondisi operasi yang baik. Kekuatan material akan menurun sejalan dengan naiknya temperatur.

Pada motor bensin pendinginan menggunakan pendingin air, dimana air pendingin dialirkan melalui dan menyelubungi dinding silinder, kepala silinder serta bagian lain yang perlu untuk didinginkan. Air pendingin akan menyerap kalor dari semua bagian tersebut kemudian mengalir meninggalkan blok mesin menuju radiator atau alat pendingin yang menurunkan kembali temperaturnya. Pada radiator air panas yang keluar dari mesin disalurkan melalui pipa-pipa vertikal di dalam radiator yang dilengkapi dengan sirip pendingin untuk memperluas bidang perpindahan kalor. Pendinginan dilakukan oleh kipas yang terdapat di belakang radiator. Udara atmosfer dipaksa melewati sirip radiator tadi dan menyerap kalor yang dilepaskan oleh air pendingin ke bidang radiator. Jadi air pendingin tidak berhubungan langsung dengan udara atmosfer. Karena itu dinamai sistem pendinginan tertutup.  

2.4       Temodinamika Motor Bakar

Proses  termodinamika dan kimia yang terjadi dalam motor bakar torak amat kompleks untuk dianalisis menurut teori. Untuk memudahkan analisis tersebut kita dapat mengumpamakan dalam kondisi ideal. Untuk motor bakar digunakan  siklus udara sebagai siklus ideal motor bakar.

2.4.1        Siklus Ideal

                                    Gambar 2.3 Siklus ideal dari motor bakar bensin

Keterangan proses:

·               0 – 1       : Langkah isap

·               1 – 2       : Proses kompresi isentropic

·               2 – 3       : Proses pembakaran pada volume konstan

·               3 – 4       : Proses expansi isentropic

·               4 – 1       : Proses pembuangan

·               1 – 0       : Langkah buang

Daya Poros

Daya poros didefinisikan sebagai momen putar dikalikan dengan kecepatan putar poros engkol.

Daya poros diketahui dari pengukuran, dinamometer-brake digunakan untuk mengukur momen putar dan tachometer untuk mengukur putaran poros engkol.

Tekanan Efektif Rata – rata

Tekanan efektif rata – rata didefinisikan sebagai tekanan efektif dari fluida kerja terhadap torak sepanjang langkahnya untuk menghasilkan kerja persiklus.

     

Efisiensi Termal

Efisiensi termal menyatakan perbandingan antara daya yang dihasilkan terhadap jumlah bahan bakar yang diperlukan untuk jangka waktu tertentu.

Efisiensi volumetrik

Efisiensi volumetrik didefinisikan sebagai perbandingan antara laju aliran udara sebenarnya terhadap laju aliran ideal.

Pemakaian bahan bakar dinyatakan dalam kg/jam, misalkan pemakaian 50cc bahan bakar setiap detik maka jumlah bahan bakar yang dipakai dalam kg/jam adalah :

m_f  =  . Spgr bahan bakar .          kg/jam

Pemakaian bahan  bakar spesifik

Pemakaian bahan bakar spesifik didefinisikan sebagai banyaknya bahan bakar yang terpakai perjam untuk menghasilkan setiap kW daya motor.

Perbandingan Bahan Bakar-Udara

Untuk menentukan perbandingan – perbandingan bahan bakar-udara digunakan persamaan :

 

Laju Air Pendingin

Alat ukur ini digunakan untuk mengukur volume aliran air yang masuk radiator, maka debit aliran air dapat ditentukan :

Q_a =

Maka laju massa aliran air :

m_a =        (kg/s)

dimana :

             m_a = laju massa air pendingin

                    = massa jenis air, kg/m³

Q_a = debit aliran air, m³/s

Prinsip keseimbangan energi digunakan untuk mengetahui energi dalam bentuk panas yang digunakan secara efektif pada suatu sistem. Skema keseimbangan energi seperti gambar dibawah ini :

	Q loss

 

                                                

 

III. PROSEDUR PERCOBAAN

PROSEDUR PENGUJIAN MOTOR BENSIN

Sebelum melakukan pengujian, perlu dilakukan beberapa tahap pengerjaan sebagai berikut :

·         Periksa tangki bahan bakar, apakah telah diisi. Dan periksa air pendingin pada radiator serta minyak pelumas motor.

·         Hidupkan blower pendingin rem.

·         Buka katup bahan bakar dan katup bahan bakar ke karburator.

·         Sebelum mesin dijalankan periksa sekali lagi kondisi motor dan komponen lainnya agar pengujian dapat dilakukan dengan lancar.

Pengujian

• Hidupkan motor dengan menekan tombol ON pada panel instrumen.
• Buka katup gas secukupnya. (Prosedur menghidupkan dan mematikan motor harus dilakukan dengan baik agar tidak terjadi kerusakan dan kesalahan pada komponen alat uji)
• Selanjutnya pengujian dapat dilakukan pada berbagai kondisi seperti berikut :
1. Katup gas berubah, beban konstan.
2. Gaya pengereman berubah, katup gas konstan.

• Pada setiap operasi, dilakukan pengamatan terhadap :
1. Momen puntir
2. Putaran poros
3. Pemakaian bahan bakar
4. Perbedaan tekanan pada manometer
5. Temperatur gas buang
6. Temperatur kamar (konstan)
7. Temperatur air masuk radiator
8. Temperatur air keluar radiator
9. Debit aliran air masuk radiator

Teknik pengujian dan pengukuran

Setelah motor dijalankan, pengujian dapat dilakukan dengan membuka katup gas pada posisi yang diingini. Pada bukaan katup gas konstan prosedur pengukuran prestasi mesin adalah :

• Atur katup gas pada posisi tertentu maka putaran poros akan naik.
• Motor mulai diberi gaya pengereman dengan mengatur beban pada dinamometer-brake sampai pada putaran tertentu
• Setelah keadaan alat uji dalam keadaan stabil, dilakukan pengamatan terhadap parameter – parameter sebagai berikut :

1.      Putaran poros, n (rpm)

2.      Pembebanan pada rem, F (kgf)

3.      Dh manometer tabung-U (mm)

4.      Waktu pemakaian bahan bakar (second)

5.      Temperatur gas buang (°C)

6.      Temperatur air masuk radiator (°C)

7.      Temperatur air keluar radiator (°C)

8.      Volume aliran air masuk radiator setiap waktu 10 detik (liter)

• Selanjutnya putaran motore dapat dinaikkan dengan mengurangi beban pada Dinamometer-brake.
• Data dapat diambil pada putaran motor yang berbeda-beda. Posisi katup konstan.
• Untuk posisi katup gas berubah, cara pengujian dan pengukuran sama dengan diatas.
• Setelah pengujian selesai. Catat tekanan dan temperatur udara sekeliling.
• Matikan motor dengan menekan tombol OFF pada panel instrumen.

IV. PENGOLAHAN DATA

Metoda Perhitungan

Daya poros efektif, N_e

Daya poros diperoleh dari pengukuran, dihitung dalam watt (Nm/s) atau dalam kW dan didefinisikan sebagai momen torsi dikalikan dengan kecepatan putar poros engkol.

T = m . g . l                (N.m)

dimana :

T = Momen torsi, Nm

M = Gaya berat, kgf

G = gaya gravitasi bumi, m/s²

L = panjang lengan momnen torsi, m

maka :

N_e =                                 (kW)

N_e = Daya poros efektif, kW

N = putaran poros engkol, rpm

Tekanan efektif rata – rata, P_e

Tekanan efektif rata –rata didefinisikan sebagai tekanan efektif dari fluida kerja terhadap torak sepanjang langkahnya untuk menghasilkan kerja persiklus.

P_e =      (kPa)

dimana:

P_e = tekanan efektif rata – rata, kPa

Z = Jumlah silinder

a = Jumlah siklus per putaran

   = 1 untuk motor 2-langkah

   = 2 untuk motor 4-langkah

Pemakaian bahan bakar, m_f

Pemkaian bahan bakar dinyatakan dalam kg/h, maka jumlah bahan bakar yang terpakai sebanyak 10cc dalam detik adalah :

m_f =         (kg/h)

dimana :

t = waktu pemakaian bahan bakar sebanyak 10 cm³

r_bb = massa jenis bahan bakar

      = 0,7329 gram/cm³ untuk bensin

Pemakaian bahan-bakar spesifik, B_e

Pemakaian bahan bakar spesifik merupakan parameter penting untuk sebuah motor yang berhubungan erat dengan efisiensi termal motor. Pemakaian bahan bakar spesifik didefinisikan sebagai banyaknya bahan bakar yang terpakai per jam untuk menghasilkan

Setiap kW daya motor.

B_e =          (kg/kWh)

Laju aliran massa udara, m_a

Daya yang dapat dihasilkan motor dibatasi opleh jumlah udara yang diisap ke dalam silinder. Pemakaian udara diukur dengan manometer tabung-U, dimana yang diukur adalah beda tekanan pada tabung pitot. Laju aliran udara karena pengaruh perbedaan tekanan pada tabung pitot.

Kecepatan aliran udara melewati pitot :

v_u = C        (m/s)

Laju aliran udara volumetrik yang melewati orifis :

m_v =    (m³/s)

maka laju aliran udara adalah:

m_a  =     (kg/h)

Perbandingan bahan bakar-udara, F/A

Perbandingan bahan bakar-udara yang masuk ke karburator dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

F/A =

Laju air pendingin

Maka laju massa aliran air :

m_a  = r_a . Q_a               (kg/s)

dimana :

m_a = laju massa air

r_a = massa jenis air, kg/m³

Q_a = debit aliran air, m³/s

Efisiensi volumetrik, h_v

Efisiensi volumetrik didefinisikan sebagai perbandingan antara laju aliran udara sebenarnya terhadap laju aliran aliran udara ideal diperoleh dari persamaan :

Persamaan laju aliran udara ideal :

m_ia =  V_L  z  n  a  kg/h

Efisiensi volumetrik adalah:

Efisiensi termal,

Efisiensi termal menyatakan perbandingan antara daya yang dihasilkan terhadap jumlah energi bahan bakar yang diperlukan untuk jangka waktu tertentu.

Neraca kalor

Panas yang dihasilkan dapat digunakan secara efektif. Sebagian panas yang hilang dapat dinyatakan dengan prinsip balance energi sebagai berikut :

a). Energi Masuk

·         Energi bahan bakar masuk (H_f)

H_f = m_f . LHV                       (kW)

·         Energi udara masuk (Hu)

H_u = m_u . c_pu . T₁             (kW)

b). Energi Keluar

·         Energi gas buang (H_gb)

H_gb = (m_u + m_f) . c_pgb . T_gb         (kW)

asumsi : c_pgb = 950 + (0.25T_gb)       (J/kg.)

·         Energi poros efektif dalam bentuk panas

H_Ne = N_e          (kW)

·         Energi keluar air pendingin (H_ap)

H_ap  = m_ap . c_pap . (T_k – T_m)    (kW)

      c). Energi Yang Hilang (Q_loss)

Q_loss = (H_u­ + H­­_f) – (H­­_Ne + H­_ap­ + H_gb­)     (kW)

Persentase keseimbangan energi menjadi :

1 =   

Grafik yang akan dibuat :

v  Daya poros VS η_th

v  Daya poros VS Putaran

v  Pemakaian bahan bakar VS Daya poros

v  Pemakaian bahan bakar VS Putaran

v  Putaran VS η_th