RANCANGAN TURBOCARJER UNTUK MENINGKATKAN PERFORMANSI MOTOR DIESEL

Transkripsi

1 RANCANGAN TURBOCARJER UNTUK MENINGKATKAN PERFORMANSI MOTOR DIESEL DAYA PUTARAN : 80 HP : 2250 RPM SKRIPSI Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik RUSLI INDRA HARAHAP N I M : DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N

2 SKRIPSI MOTOR BAKAR RANCANGAN TURBOCARJER UNTUK MENINGKATKAN PERFORMANSI MOTOR DIESEL DAYA PUTARAN : 80HP : 2250 RPM OLEH : RUSLI INDRA HARAHAP N I M : Telah disetujui dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke Tanggal 10 Oktober 2009 Dosen Pembanding I Dosen Pembanding II Tulus B. Sitorus, ST,MT Ir. Mulfi hazwi, Msc NIP : NIP :

3 KATA PENGANTAR Puji syukur dan terima kasih penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Kuasa, atas berkat, rahmat dan karunia-nyalah penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini dengan baik. Adapun Tugas Sarjana ini merupakan tugas akhir untuk menyelesaikan studi pada jenjang Pendidikan Sarjana (S1) Teknik Mesin menurut kurikulum Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan. Tugas Sarjana ini merupakan bagian dari mata kuliah Motor Bakar yaitu dengan judul, RANCANGAN TURBOCARJER UNTUK MENINGKATKAN PERFORMANSI MOTOR DIESEL DAYA 8O HP PUTARAN 2250 RPM. Dalam menyelesaikan Tugas ini penulis telah mencoba semaksimal mungkin guna tersusunnya Tugas Sarjana ini. Namun Penulis masih menyadari bahwa tulisan ini tidak lepas dari kekurangankekurangan baik dalam penulisan maupun penyajian Tugas Sarjana ini. Untuk itu dengan segala kerendahan hati Saya mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak yang bersifat membangun demi kesempurnaan Tugas Sarjana ini. Dengan terselesainya Tugas Sarjana ini, pada kesempatan ini Penulis mengucapkan terima-kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Orang Tua (B.N harahap/ R. Siregar) dan seluruh keluarga tercinta yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materil. 2. Bapak Ir.Isril Amir selaku dosen pembimbing Tugas Sarjana yang telah meluangkan waktu untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini. 3

4 3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. 4. Bapak Tulus Burhanuddin, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. 5. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai di Lingkungan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik.. 6. Ucapkan terima-kasih kepada Mahasiswa Teknik Mesin khususnya sesama rekan-rekan stambuk Akhir kata, Penulis mengharapkan, semoga Tugas Sarjana ini dapat bermanfaat untuk kita semua. Medan, Oktoberr 2009 Penulis Rusli Indra Harahap NIM :

5 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK USU M E D A N AGENDA : 818/TS/2009 DITERIMA TGL : / /2009 PARAF : TUGAS SARJANA N A M A : RUSLI INDRA HARAHAP N I M : MATA PELAJARAN : MOTOR BAKAR SPESIFIKASI : RANCANGAN TURBOCARJER UNTUK PERFORMANSI MOTOR DIESEL DAYA : 80HP PUTARAN : 2250 RPM DIBERIKAN TANGGAL : 01 / 04 / 2009 SELESAI TANGGAL : 25 / 09 / 2009 MEDAN, 01 Oktober 2009 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, DOSEN PEMBIMBING, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri IR. ISRIL AMIR NIP NIP

6 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... SPESIFIKASI TUGAS... KARTU BIMBINGAN... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... i iii iv v x DAFTAR TABEL... xii DAFTAR NOTASI... xiii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Penulisan Batasan Masalah Metodologi Penulisan Sistematika Penulisan... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Motor Diesel Motor Diesel Shovel Loader Turbocarjer Pengertian Turbocarjer

7 2.3.2 Manfaat Pemakaian Turbocarjer Klasifikasi Turbocarjer Turbocarjer Sistem Tekanan Konstan Turbocarjer Sistem Pulsa Turbocarjer Sistem Konverter- Pulsa Bagian-Bagian Utama Turbocarjer Turbin Kompresor Siklus Termodinamika Motor Diesel dengan Turbocarjer Perbandingan Siklus Termodinamika Motor Diesel dengan Turbocarjer dan tanpa Turbocarjer BAB III PERHITUNGAN & ANALISA TERMODINAMIKA Idealisasi Analisa Termodinamika Mekanisme Kerja Turbocarjer Penetapan Siklus Termodinamika Bahan Bakar yang Digunakan Perbandingan Bahan Bakar dan Udara (F/A) Pemilihan Perbandingan Kompresi Perhitungan Termodinamika Motor Diesel dengan Turbocarjer Laju Aliran Gas Buang Masuk Turbin Laju Aliran Udara Melalui Kompresor Penetapan Perencanaan

8 3.7.4 Kondisi Udara Masuk dan Keluar Turbin Kondisi Udara Masuk dan Keluar Kompresor Perhitungan Termodinamika pada Ruang Bakar Tekanan Indikator Rata-Rata Tekanan Efektif Rata-Rata Kerja Indikator Kerja Efektif Kerja Mekanik yang Hilang Daya Indikator Daya Efektif Konsumsi Bahan Bakar Tiap Jam Pemakaian Bahan Bakar Spesifik Perhitungan Termodinamika Motor Diesel tanpa Turbocarjer Perhitungan Termodinamika dalam Ruang Bakar Tekanan Indikator Rata-Rata Tekanan Efektif Rata-Rata Kerja Indikator Kerja Efektif Kerja Mekanik yang Hilang Daya Indikator Daya Efektif Konsumsi Bahan Bakar Tiap Jam Pemakaian Bahan Bakar Spesifik

9 3.9 Persentase Kenaikan Daya Efektif Persentase Penurunan Pemakaian Bahan Bakar Spesifik Efesiensi Turbocarjer Daya Turbin dan Kompresor Turbocarjer Putaran Turbin dan Kompresor BAB IV PERHITUNGAN TURBOCARJER Perencanaan Turbin Temperatur dan Tekanan gas Keluar Nosel Perhitungan Segitiga kecepatan Temperatur dan Tekanan Gas Keluar Turbin Perhitungan Dimensi Turbin Pemeriksaan Kekuatan Sudu Turbin Diameter Poros Turbin Pemeriksaan Kekuatan Poros Turbin Perencanaan Kompresor Kerja Spesifik Tinggi Tekan Kompresor Kecepatan Udara Masuk Kompresor Volume Aliran Masuk Kompresor Sentrifugal (V s ) Perhitungan Dimensi Kompresor Segitiga Kecepatan pada Kompresor Perencanaan Sudu

10 BAB V KESIMPULAN & SARAN Turbocarjer Motor Bakar Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN 10

11 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Skema instalasi sederhana turbocarjer 9 Gambar 2.2 Turbocarjer sistem tekanan konstan (constant pressure system) 11 Gambar 2.3 Turbocarjer sistem pulsa (pulse system) 12 Gambar 2.4 Turbocarjer sistem konverter pulsa (pulse-converter system) 13 Gambar 2.5 Bagian-bagian assembling turbocarjer 14 Gambar 2.6 Turbin gas radial aliran masuk kantilever 17 Gambar 2.7 Diagram segitiga kecepatan dari turbin radial kantilever 17 Gambar 2.8. Turbin gas radial aliran masuk campur 18 Gambar 2.9 Diagram segitiga kecepatan dari turbin radial campur 18 Gambar 2.10 Kompresor tipe V 19 Gambar 2.11 Kompresor rotary 20 Gambar 2.12 Kompresor aksial 21 Gambar 2.13 Kompresor sentrifugal 22 Gambar 2.14 Siklus ideal tekanan terbatas pada mesin Diesel 25 Gambar 2.15 Siklus ideal tekanan terbatas dengan menggunakan turbocarjer 26 Gambar 2.16 Perbandingan mesin Diesel dengan dan tanpa turbocarjer pada siklus tekanan terbatas dengan rasio kompresi yang sama 27 11

12 Gambar 3.1 Mekanisme kerja sederhana turbocarjer waktu langkah buang 30 Gambar 3.2 Diagram P-V untuk siklus ideal tekanan terbatas pada motor Diesel 33 Gambar 3.3 Diagram P-V untuk siklus tekanan terbatas dengan turbocarjer 36 Gambar 3.4 Diagram h-s untuk turbin 43 Gambar 3.5 Diagram h-s untuk kompresor 45 Gambar 3.6 Diagram P-V siklus gabungan pada motor Diesel 64 Gambar 3.7 Performa kompresor turbocarjer 83 Gambar 4.1 Diagram h-s untuk turbin gas radial aliran masuk 87 Gambar 4.2 Segitiga kecepatan masuk 92 Gambar 4.3 Segitiga kecepatan keluar 93 Gambar 4.4 Hubungan antara sudut aliran masuk ( α 2 ) dengan jumlah sudu turbin gas 99 Gambar 4.5 Diagram h-s untuk kompresor 113 Gambar 4.6 Diagram Cordier 120 Gambar 4.7 Segitiga kecepatan masuk kompresor 121 Gambar 4.8 Segitiga kecepatan keluar kompresor

13 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Perbandingan umum untuk beberapa jenis kompresor 23 Tabel 3.1 Perbandingan motor diesel dengan turbocarjer dan tanpa turbocarjer 85 Tabel 4.1 Baja paduan untuk poros 108 Tabel 4.2 Jenis-jenis faktor koreksi berdasarkan daya yang akan ditransmisikan

14 DAFTAR NOTASI Notasi Arti Satuan A Luas m 2 AF Perbandingan udara dengan bahan bakar kg udara /kg b.bakar b 1 Lebas sisi masuk impeler kompresor m b 2 Lebar sisi keluar impeler kompresor m C Kecepatan absolut m/s C b Faktor beban lentur C m2 Kecepatan relatif masuk m/s C o Kecepatan pancar (spouting velocity) m/s C pa Kalor panas spesifik udara kj/kgk C pe Kalor panas spesifik gas kj/kgk c Panjang chord m c s Kecepatan udara masuk kompresor m/s D N Diameter hubungan kompresor m D p Diameter poros m D s Diameter mata impeller m F Konsumsi bahan bakar spesifik kg/hp-hr FA Perbandingan bahan bakar udara kg b.bakar /kg udara F h Konsumsi bahan bakar tiap jamnya kg/hr F i Konsumsi bahan bakar indikator kg/hp-hr f c Faktor koreksi 14

15 g Gravitasi m/s 2 H Tinggi tekan kompresor m kol.udara h Enthalpi kj/kg K T Faktor koreksi momen puntir L Panjang langkah m LHV Nilai kalor pembakaran bawah kj/kg L Jumlah udara aktual yang dibutuhkan kg/mole M Bilangan much number M g Mole gas hasil pembakaran mole/kg M p Momen puntir kg.mm m a Berat molekul udara kg/mole. m Laju aliran gas masuk turbin kg/s eg. m Laju aliran udara melalui kompresor kg/s K N Putaran rpm N b Daya efektif hp N i Daya indikator hp P Tekanan Pa P d Daya perencanaan kw q in Kalor masuk persatuan massa kj/kg r Jari-jari m Sy Kekuatan tarik bahan MPa S f S f1 Faktor keamanan Fakor keamanan akibat kelelahan puntir 15

16 S f2 Faktor alur pasak T Temperatur K TMA TMB Titik mati atas Titik mati bawah U Energi dalam kj/kg u Kecepatan tangensial m/s V Volume m 3 ' υ s Kapasitas isap m 3 /s W Kerja total kj ' W Daya turbin hp T ' W Daya kompresor hp K w Kecepatan relatif masuk m/s Y Kerja spesifik kj/kg Z z Jumlah sudu Fungsi dari sudut chamber dan thickness chord ratio α 2 Sudut aliran masuk turbin β 1 Sudut sudu pada sisi masuk kompresor β 3 Sudut sudu pada aliran keluar pada turbin β 2 Sudut sudu pada sisi keluar kompresor β 2r Sudut sudu pada sisi masuk root pada turbin β 3r Sudut sudu pada sisi keluar root pada turbin γ a Eksponen udara 16

17 γ e Eksponen gas γ r φ Φ ψ λ λ N Koefisien gas hasil pembakaran Faktor diagram Koefisien kecepatan Koefisien kembebanan sudu Perbandingan tekanan Koefisien kehilangan nosel σ Faktor slip σ ct Tegangan tarik sentrifugal MPa σ d Tegangan maksimum yang diizinkan MPa (σ gb ) maks Tegangan lengkung MPa ' σ Tegangan maksimum yang terjadi MPa τ g Tegangan geser maksimum yang terjadi MPa τ g Tegangan geser yang diizinkan MPa 17