MOTOR BAKAR 1 Pengertian Tentang Tentang Motor Bakar B akar Motor bakar adalah salah satu jenis dari mesin kalor, yaitu mesin yang mengubah energi termal untuk melakukan kerja mekanik atau mengubah tenaga kimia bahan bakar menjadi tenaga mekanis. Energi diperoleh dari proses pembakaran, proses pembakaran juga pengubahan enegi tersebut dilaksanakan di dalam mesin dan ada yang dilakukan di luar mesin kalor (Kiyaku dan Murdhana, 1998).
Ada dua jenis mesin kalor dilihat dari cara kerjanya yaitu : 1. Mesin pembakaran dalam atau sering disebut juga sebagai internal combustion engine (ICE), engine (ICE), yaitu dimana proses pembakarannya berlangsung didalam motor bakar itu sendiri sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja.
Hal-hal yang dimiliki pada mesin pembakaran dalam yaitu : a. pemakaian bahan bakar irit . b. berat tiap satuan tenaga mekanis lebih kecil. c. konstruksi lebih sederhana, karena tidak memerlukan ketel uap,condenser dan sebagainya.
Ada dua jenis mesin kalor dilihat dari cara kerjanya yaitu : 1. Mesin pembakaran dalam atau sering disebut juga sebagai internal combustion engine (ICE), engine (ICE), yaitu dimana proses pembakarannya berlangsung didalam motor bakar itu sendiri sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja.
Hal-hal yang dimiliki pada mesin pembakaran dalam yaitu : a. pemakaian bahan bakar irit . b. berat tiap satuan tenaga mekanis lebih kecil. c. konstruksi lebih sederhana, karena tidak memerlukan ketel uap,condenser dan sebagainya.
2. Mesin pembakaran luar atau sering disebut juga sebagai eksternal combustion engine engine (ECE), yaitu dimana proses pembakarannya terjadi diluar mesin. Hal-hal yang dimiliki pada mesin pembakaran luar yaitu : a. dapat memakai semua bentuk bahan bakar. b. dapat memakai bahan bakar yang bermutu rendah. c. cocok untuk melayani beban-beban besar dalam satu poros. d. lebih cocok dipakai untuk daya tinggi contoh mesin pembakaran luar misalnya pesawat tenaga uap, pelaksanaan pembakaran dilakukan diluar mesin.
Pada motor bakar torak tidak terdapat proses pemindahan kalor gas pembakaran ke fluida kerja, karena itu jumlah komponen motor bakar sedikit, cukup sederhana, lebih kompak, dan lebih ringan dibandingkan dengan mesin pembakaran luar (mesin uap). Karena itu pula penggunaan motor bakar sangat banyak dan menguntungkan. Penggunaan motor bakar dalam masyrakat antara lain adalah dalam bidang transportasi, penerangan, dan sebagainya.
2.2 Prestasi Motor Bakar Pada motor bakar torak, daya yang berguna adalah daya poros, karena daya poros itulah yang menggerakkan beban. Daya poros itu sendiri dibangkitkan oleh daya indikator yang merupakan daya gas pembakaran yang menggerakkan torak.. Unjuk kerja motor bakar tergantung dari daya poros yang dapat ditimbulkan. Unjuk kerja ini biasanya dinyatakan dalam daya kuda (PS) atau KW persatuan isi langkah.
Isi langkah Vi = penampang silinder x langkah (m3) Efisiensi volumetric ηv =jumlah udara yang dihisap dalam satu siklus : jumlah udara yang diisikan dalam silinder V i pada kondisi atmosfer.
Dari formula diatas dapat dilihat kalau suhunya lebih rendah, maka tekanan udara yang masuk lebih besar dan jumlah udara yang akan dihisap lebih besar pula. Sebagai hasil akan dapat dihasilkan daya yang lebih besar pula karena sejumlah bahan bakar akan dapat terbakar dengan baik (Soenarto & Furuhama 1995). Karena itu dalam merancang motor bakar torak, terutama motor diesel, hendaklah diusahakan agar tekanan maksimum dapat dibatasi apabila perbandingan kompresinya hendak dipertinggi.
a. Volume Silinder Volume silinder antara TMA dan TMB disebut volume langkah torak (V1). Sedangkan volume antara TMA dan kepala silinder (tutup silinder) disebut volume sisa (V s). Volume total (Vt) ialah isi ruang antara torak ketika ia berada di TMB sampai tutup silinder. Vt =V1+Vs ………………..(1) Volume langkah mempunyai satuan yang tergantung pada satuan diameter silinder (D) dan panjang langlah torak (L) biasanya mempunyai satuan centimetercubic (cc) atau cubic inch (cu.in). V1 = luas lingkaran x panjang langkah V1 = π r2 x L
Dengan demikian besaran dan ukuran motor bakar menurut volume silinder tergantung dari banyaknya silinder yang digunakan dan besarnya volume silinder (Kiyuku & Murdhana 1998). b. Perbandingan Kompresi Hasil bagi volume total dengan volume sisa disebut sebagai perbandingan kompresi
Dimana : V1 = volume langkah torak Vs = volume sisa Jadi, bila suatu motor mempunyai volume total 56 cu.in dan volume sisa 7 cu.in, maka perbandingan kompresinya adalah :
Hal diatas menunjukkan bahwa selama langkah kompresi, muatan yang ada diatas torak dimampatkan 8 kali lipat dari volume terakhirnya. Makin tinggi perbandingan kompresi, maka makin tinggi tekanannya dan temperatur akhir kompresi. (Kiyuku & Murdhana, 1998). Perbandingan kompresi tidak dapat dinaikan tanpa batas, karena motor pembakaran yang menggunakan busi akan timbul suara menggelitik kalau perbandingan kompresinya terlalu tinggi (Soenarta & Furuhama, 1995).
c. Daya Mesin Pada motor bakar daya yang berguna adalah daya poros seperti telah dijelaskan diatas. Daya poros ditimbulkan oleh bahan bakar yang dibakar dalam silinder dan selanjutnya menggerakkan semua mekanisme. Unjuk kerja motor bakar pertama-tama tergantung dari daya yang ditimbulkan (Soenarta & Furuhama, 1995)
Gambar 2.1 Alat tes Prestasi Motor Bakar (Sumber : Nakoela S dan Shoici F, 1995)
P
2 .n.T
60000
Pada gambar (2.1) diatas menunjukkan peralatan yang dipergunakan untuk mengukur nilai yang berhubungan dengan keluaran motor pembakaran yang seimbang dengan hambatan atau beban pada kecepatan putaran konstan (n). Kalau n berubah, maka motor pembakaran menghasilkan daya untuk mempercepat atau memperlambat bagian yang berputar. Motor pembakaran ini dihubungkan dengan dynamometer dengan maksud mendapatkan keluaran dari motor pembakaran dengan cara menghubungkan poros motor dengan poros dynamometer. Rotornya diikatkan pada poros yang akan mengaduk air yang ada didalamnya. Hambatan ini akan menimbulkan torsi (T ), sehingga niali daya (P) dapat ditentukan sebagai berikut :
(kW )
Dimana : n = putaran mesin (rpm) T = torsi (Nm) Torak yang didorong oleh gas membuat usaha. Baik tekanan maupun suhunya akan turun waktu gas berekspansi. Energi panas diubah menjadi usaha mekanis. Konsumsi energi panas ditunjukkan langsung oleh turunnya suhu. Kalau toraknya tidak mendapatkan hambatan dan tidak menghasilkan usaha gas tidak akan berubah meskipun tekanannya turun.
d. Tekanan Efektif Rata-rata Besar nilai P1 merupakan tekanan efektif rata-rata indikator (indicator mean effective pressure : IMEP). Nilai P1, dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :
Dengan menggunakan nilai Pi dapat memudahkan perhitungan besar usaha indikator Wi pada tekanan konstan selam torak pada langkah ekspansi. Pada mesin 4 langkah besar nilai Pi terjadi setiap 2 putaran, sehingga besar nilai N i indikator dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut : Dengan satuan Si ( m3, kPa dan rps)
Ni =V1.P1.n/2 (kW)…………………....(5) Dimana : V1= volume langkah (m3) Pi = tekanan efektif rata-rata indicator (kPa) n = putaran mesin (rpm) Pada mesin 2 langkah besar nilai P i dihasilkan pada tiap putaran, maka secara teoritis nilai N i akan menjadi dua kali lebih besar jika dibandingkan pada persamaan 4, tetapi pada umumnya besar nilai P i pada mesin 2 langkah lebih kecil dibandingkan dengan 4 langkah. Nilai Ni disebut sebagai keluaran indikator yang menyatakan keluaran, disebabkan oleh adanya tekanan pada torak.
Daya yang dapat dimanfaatkan untuk memutar mesin disebut sebagai keluaran efektif (brake mean out put ) nilai Ne dapat dirumuskan sebagai berikut : Ne = V1. N. BMEP. 2 (kW)…………(6) Besar keluaran efektif dapat diukur dengan menggunakan sebuah dynamometer. Nilai BMEP adalah merupakan tekanan efektif rata-rata (brake mean effective pressure). Besar nilai Ne yang ditentukan oleh produk dari volume langkah V1, kecepatan putaran n dan BMEP yang berhubungan dengan tekanan gas rata-rata merupakan keluaran suatu pembakaran yang bermanfaat. BMEP adalah besar nilai yang menunjukkan daya mesin tiap satuan volume silinder pada putaran tertentu dan tidak tergantung dari ukuran motor bakar (Soenarta &Furuhama, 1995).
Besar nilai BMEP dapat dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut :
Dimana : P = daya (kW) N = putaran mesin (rpm) Vd= volume langkah total silinder (m 3) Z = sistem siklus (4 langkah =2, 2 langkah =1)
e. Menentukan Efisiensi Energi 1. Efisiensi Thermis Perbandingan antara energi yang dihasilkan dan energi yang dimasukkan pada proses pembakaran bahan bakar disebut efisiensi thermis rem (brake thermal efficiency ) dan ditentukan sebagai berikut :
Dimana : H = nilai kalor untuk bahan bakar premium = 10500 kcal/kg. Minyak gas = 10400 kcal/kg. SFC = konsumsi bahan bakar spesifik Nilai kalor mempunyai hubungan dengan berat jenis. Pada umumnya semakin tinggi berat jenis maka semakin rendah nilai kalornya (Kiyaku & Murdhana, 1998).
Besar efisiensi thermis (ηbt) bervariasi tergantung dari tipe motor dan cara pengoperasiannya. Angka ini akan naik sampai 48% untuk motor disel dengan putaran rendah, sedang pada motor diesel biasanya 30-50%, motor otto 25-28%, pada motor dua langkah akan turun lagi (Soenarta & Furuhama, 1995). 2. Besar Penggunaan Bahan Bakar Besar pemakaian bahan bakar spesifik (SFC) ditentukan dalam g/PSh atau g/kWh dan lebih umum digunakan dari pada ηbt. Besar nilai SFC adalah kebalikan dari pada ηbt. Penggunaan bahan bakar dalam gram per jam Ne dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut :
Dimana : SFC = konsunsi bahan bakar spesifik (kg/kWh) P = daya mesin (kW) Sedang nilai mf dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut :
Dimana : b = volume 3 buret (cc) t = waktu (detik) ρbb = berat jenis bahan bakar (kg/l) m f = adalah penggunaan bahan bakar per jam pada kondisi tertentu (Nakoela Soenarta &Dr. Shoichi Furuhama,1995). 3. Siklus Udara Volume Konstan Siklus udara volume konstan (siklus Otto), dapat digambarkan dengan grafik Pdan V seperti terlihat pada (Gb2.2) dibawah ini:
Gambar 2.2 Diagram P vs V dari siklus volume konstan (Sumber : Nakuela S dan Shoichif, 1995)
1.fluida kerja dianggap sebagai gas ideal dengan kalor spesifik yang konstan. 2.langkah isap (0-1) merupakan proses tekanan konstan. 3.langkah kompresi (1-2) ialah proses sentropic. 4.proses pembakaran volume konstan (2-3) dianggap sebagai proses pemasukan kalor pada volume konstan. 5.langkah kerja (3-4) ialah proses sentropic. 6.proses pembuangan (4-1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalorpada 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 didalam silinder pada titik 1 dapat dikeluarkan dari dalam silinder pada waktu langkah buang, tetapi pada langkah isap berikutnya akan msuk sejumlah fluida yang sama.
2.3 Sistem Kerja Motor Bakar 2.3.1 Motor Bensin 4 Langkah Motor 4 langkah adalah motor yang setiap satu kali pembakaran bahan bakar memerlukan empat langkah dan dua kali putaran poros engkol.
Gambar 2.3 skema gerakan torak 4 langkah (Sumber : Arends BPM;H Berenschot, 1980)
2.3.2. Motor bensin 2 langkah Motor bensin 2 langkah adalah mesin yang proses pembakarannya lebih sederhana dari motor 4 langkah yaitu dilakukan pada satu kali putaran poros engkol yang berakibat dua kali langkah piston.
Gambar 2.4. Skema gerakan torak 2 langkah (Sumber : Arends BPM; H Berenschot)
2.4 Sistem Pada Motor Bakar 2.4.1 Sistem Bahan Bakar Motor bensin adalah merupakan jenis dari motor bakar, motor bensin kebanyakkan dipakai sebagai kendaraan bermotor yang berdaya kecil seperti mobil, sepeda motor, dan juga untuk motor pesawat terbang. Bensin premium mempunyai sifat anti ketukan yang baik dan dapat dipakai pada mesin kompresi tinggi pada semua kondisi. Sifat-sifat penting yang diperhatikan pada bahan bakar bensin adalah : 1.Kecepatan menguap (volatility ). 2.Kualitas pengetukan (kecenderungan berdenotasi). 3.Kadar belerang. 4.Titik beku. 5.Titik nyala. 6.Berat jenis.
Denotasi (knocking) Terbakarnya bagian-bagian yang belum terbakar (dikenai oleh api), yang berlangsung sangat cepat dan menyebabkan kenaikan tekanan yang sangat tinggi, sehingga menimbulkan suara ketukan (nglitik). Peristiwa pembakaran yang demikian disebut denotasi. Angka oktan Angka oktan pada bensin adalah suatu bilangan yang menunjukkan sifat anti ketukan/berdenotasi. Dengan kata lain, makin tinggi angka oktan semakin berkurang kemungkinan untuk terjadi denotasi (knocking). Dengan berkurangnya intensitas untuk berdenotasi, maka campuran bahan bakar dan udara yang dikompresikan oleh torak menjadi lebih baik sehingga tenaga motor akan lebih besar dan pemakaian bahan bakar menjadi lebih hemat.
Karburator memiliki beberapa bagian komponen yang masing-masing mempunyai tugas tertentu untuk memenuhi fungsi yang dibebankan pada karburator. Berikut ini adalah merupakan salah satu persatu bagian tersebut beserta fungsinya, yaitu : 1.Mangkok karburator ( float chamber ) Mangkok karburator ( float chamber ) berfungsi untuk menyimpan bahan bakar pada waktu belum digunakan. 2.Klep/jarum pelampung ( floater valve) Klep/jarum pelampung ( floater valve) berfungsi untuk memasukkan bahan bakar kedalam mangkok karburator. 3.Pelampung ( floater ) Pelampung ( floater ) berfungsi untuk mengatur agar posisi bahan bakar tetap berada didalam mangkok karburator.
4.Skep/katup gas (throttle valve) Skep/katup gas (throttle valve) berfungsi mengatur banyaknya gas yang masuk kedalam silinder 5.Pemancar jarum (main nozzle/needle jet ) Pemancar jarum (main nozzle/needle jet ) berfungsi memancarkan bahan bakar waktu motor digas, besarnya diatur oleh terangkatnya jarun skep. 6.Jarum skep/jarum gas (needle jet ) Jarum skep/jarum gas (needle jet ) berfungsi mengatur besarnya semprotan bahan bakar dari pemancar jarum (main nozzle) pada waktu motor digas.
7.Pemancar besar (main jet ) Pemancar besar (main jet ) berfungsi memancarkan bahan bakar waktu motor digas penuh (tinggi). 8.Pemancar kecil/stationer (slow jet ) Pemancar kecil/stationer (slow jet ) berfungsi memancarkan bahan bakar waktu stasioner. 9.Sekrup gas/baut gas (throttle screw ) Sekrup gas/baut gas (throttle screw ) berfungsi menyetel posisi skep sebelum digas. 10.Sekrup udara/baut udara (air screw ) Sekrup udara/baut udara (air screw ) berfungsi mengatur banyaknya udara yang akan dicampur dengan bahan bakar. 11.Katup cuk (choke valve) Katup cuk (choke valve) berfungsi menutup udara luar yang masuk kekarburator sehingga gas menjadi kaya, digunakan pada waktu start.
2.4.2. Sistem Pengapian Fungsi pengapian adalah memulai pembakaran atau menyalakan campuran bahan bakar dan udara pada saat dibutuhkan, sesuai dengan beban dan putaran motor. Sumber api diambil dari tenaga listrik tegangan tinggi yang dialirkan ke kabel busi dan diteruskan ke busi sehingga busi akan menghasilkan percikan bunga api diantara elektroda busi tersebut. Sedangkan listrik tegangan tinggi tersebut diperoleh dengan memanfaatkan magnet atau kumparan induksi dalam koil. Sistem penyalaan terutama terdiri dari : 1.Baterai. 2.Kumparan penyala (ignition coil ). 3.Distributor 4.Kondensator 5.Kontak pemutus 6.Busi Penyalaan api pada motor bakar, umumnya dibagi atas 2 macam sistem pengapian.yaitu; sistem pengapian dengan magnet dan sistem pengapian dengan baterai.
2.5. Bagian-bagian Motor 2.5.1. Silinder Silinder adalah sebagai tempat pembakaran campuran bahan bakar dengan udara untuk mendapatkan tekanan dan temperature yang tinggi. Akibat adanya tekanan tinggi dan gesekan-gesekan dinding torak dengan dinding silindernya, maka pembuatan silinder harus dikerjakan dengan halus, teliti dan baik. Bahan logam yang digunakan adalah bahan logam yang berkualitas baik sehingga tahan lama, tahan gesekan, serta tahan terhadap temperatur tinggi. Pada umumnya silinder dibuat dari baja tuang untuk mesin besar dan untuk mesin kecil terbuat dari bahan logam aluminium.
2.5.2. Kepala Silinder Pada umunya kepala silinder dibuat dari bahan aluminium paduan. Untuk menghindarkan kebocoran gas terutama pada langkah kompresi maka pemasangan paking dan pemasangan sekrup untuk merapatkan kepala silinder terhadap silindernya harus seteliti mungkin. 2.5.3.Bak Mesin Bak mesin merupakan tempat penempatan poros engkol dan gigi transmisi.Bak mesin umumnya dibuat dari bahan logam aluminium paduan. Pada jenis motor 2 langkah pada bagian bak mesinnya terdapat saluran yang dihubungkan dengan karburator sebagai pemasukan bahan bakar. Pada motor 4 langkah bak mesin merupakan tempat minyak. pelumas sekaligus juga sebagai pendingin minyak pelumas didalam sirkulasinya.
2.5.4. Torak
Gambar 2.9. Torak dan Pena Torak (Sumber : Crouse; Angling 1994) Gambar (2.9) menunjukkan bagian-bagian dari torak. Torak atau piston terbuat dari bahan aluminium paduan yang mempunyai sifat : 1.Ringan 2.Penghantar panas yang baik 3.Pemuaian kecil 4.Tahan terhadap keausan akibat gesekan 5.Kekuatan yang tinggi terutama pada temperature tinggi.
2.5.5. Cincin Torak Cincin torak adalah cincin yang memisahkan dua bagian, yaitu torak dan silinder. Fungsi cincin torak adalah untuk mempertahankan kerapatan antara torak dan dinding silinder agar tidak ada kebocoran gas dari ruang bakar ke dalam bak mesin. Cincin torak juga berfungsi membantu pengontrolan lapisan minyak pelumas di dinding silinder. Cincin torak dibuat dari besi tuang atau baja campuran dan digunakan sebagai penekan arah radial ke dinding silinder untuk membentuk suatu sil antara silinder dan torak.
Cincin torak terbagi dua jenis dasar : a. Rincin kompresi Cincin kompresi yang secara normal dipasang pada bagian atas terdiri dari dua cincin. Pada dasarnya cincin kompresi berfungsi untuk memisahkan (sil/perapat) agar mencegah gas dalam ruang pembakaran melewati bak mesin. b. Ring pengontrol oli Ring ini dipasang pada bagian bawah dan merupakan ring tunggal yang berfungsi untuk meratakan minyak pada dinding silinder dan mengalirkan kembali ke panci oli.
Ring oli pada dasarnya terdiri dari tiga jenis, yaitu :
Ring oli besi tuang (Slotted cast iron oil ring) yang dibuat satu buah Ring oli bentuk segmen terdiri dari dua atau empat buah Satu ekspander atau pengembang yang dipasang di belakang segmen berfungsi sebagai pendorong keluar pada dinding silinder.
2.5.6. Pena Torak Pena torak berfungsi sebagai pengikat torak terhadap batang penggerak. Selain itu, pena torak juga berfungsi sebagai pemindah tenaga torak ke batang penggerak agar gerak bolak-balik dari torak dapat diubah menjadi gerak berputar pada poros engkol. Pena torak terbuat dari bahan baja paduan yang bermutu tiggi dan tahan terhadap beban yang sangat besar.
2.5.7.Batang Penggerak Batang penggerak menghubungkan torak atau piston ke poros engkol. Batang penggerak memindahkan gaya torak dan memutar poros engkol. Ketika berhubungan dengan poros engkol, batang penggerak mengubah gerakan bolak-balik torak kedalam gerakan putaran dari poros engkol dan roda gigi. Batang penggerak pada umumnya terbuat dari campuran baja.
2.5.8. Poros Engkol
Gambar 2.10. Poros engkol dan bagian-bagiannya (Sumber : Crouse; Anglin, 1994 )
Gambar (2.10) menunjukkan bagian-bagian dari poros engkol. Pada umumnya poros engkol dibuat dari bahan baja. Poros engkol berfungsi mengubah gerakan bolak-balik yang diterima dari torak menjadi gerakan
Pada poros engkol biasanya terdapat counter weight yang berfungsi untuk membalancing gaya-gaya yang tidak setimbang dari komponen poros engkol atau dari komponen mesin yang berputar pada poros engkol. Bagian poros engkol yang berfungsi sebagai poros disebut journal yang ditumpu oleh dua buah lempengan bantalan yang disebut bantalan utama (main bearing). Bantalan utama juga berfungsi sebagai penumpu dari poros engkol agar tidak mudah terpuntir dan berubah bentuk.
2.5.9. Roda Gaya atau Roda Penerus
Gambar 2.11. Roda gaya (Sumber : Daryanto, 2003)
Gambar (2.11) merupakan gambar roda gaya. Berputarnya poros engkol secara terus menerus adalah akibat adanya tenaga gerak (energi kinetik) yang disimpan pada roda penerus sebagai kelebihan pada saat langkah kerja. Roda penerus atau disebut juga roda gila dalam pembuatannya harus dibalansir dengan teliti agar putaran mesin rata tanpa getaran-getaran.
2.5.10. Roda Gigi Timing dan Penggerak Poros Kam
2.12. Roda gigi timing dan penggeraknya (Sumber : Crouse; Anglin, 1994) Gambar (2.12) merupakan gambar roda gigi taiming dan penggeraknya. Roda gigi timing mereduksi roda gigi yang memindahkan gerakan dari poros engkol ke poros kam sehimgga membuka dan menutup katup menurut kecepatan waktu, seirama dengan posisi langkah toraknya. Cara yang digunakan untuk mengerakkan poros kam cukup bervariasi.
2.5.11.Poros Kam
Gambar 2.13. Poros kam(Sumber : Crouse; Anglin, 1994)
Gambar (2.13) merupakan gambar bagian-bagian poros kam. Poros kam adalah sebuah poros yang terdapat kam dengan bentuk bulat telur dan berputar eksentrik. Poros kam berfungsi untuk mengoperasikan katup pada masingmasing silinder mesin. Poros kam umumnya terbuat dari baja tuang atau baja tempa.
