BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Dasar Jika meninjau jenis-jenis mesin, pada umumnya adalah suatu pesawat yang dapat merubah bentuk energi tertentu menjadi kerja mekanik. Misalnya, mesin listrik yang mana adalah sebuah mesin yang kerja mekaniknya diperoleh dari sumber listrik. Sedangkan mesin gas atau mesin bensin yang kerja mekaniknya diperoleh dari sumber pembakaran gas atau bensin. Selain dari pada itu, apabila ditinjau dari cara memperoleh sumber energi termal, jenis mesin kalor dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu: 1. Mesin pembakaran luar (exsternal combustion engine). Mesin pembakaran luar adalah mesin dimana proses pembakaran terjadi diluar mesin, energi termal dari hasil pembakaran dipindahkan ke fluida kerja mesin melalui beberapa dinding pemisah. Contohnya adalah mesin uap. 2. Mesin pembakaran dalam (internal combustion engine). Mesin pembakaran dalam adalah mesin dimana proses pembakaran berlangsung di dalam mesin itusendiri, sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja. Mesin pembakaran dalam ini umumnya dikenal dengan sebutan motor bakar. Contoh dari mesin kalor pembakaran dalam ini adalah motor bakar torak dan turbin gas. (Lit.1 Hal. 14) Motor diesel adalah jenis khusus dari mesin pembakaran dalam. Karakteristik utama dari mesin diesel yang membedakannya dari motor bakar yang lain terletak pada metode penyalaan bahan bakarnya. Dalam mesin diesel bahanbakar diinjeksikan ke dalam silinder yang berisi udara bertekanan tinggi. Selama proses pengkompresian udara dalam silinder mesin, suhu udara meningkat, sehingga ketika bahan bakar yang berbentuk kabut halus bersinggungan dengan udara panas ini, maka bahan bakar akan menyala dengan sendirinya tanpa bantuan alat penyala lain. Karena alasan inilah mesin diesel juga disebut mesin penyalaan kompresi (Compression Ingnition Engines). Motor diesel memiliki perbandingan kompresi sekitar 11:1 hingga 26:1 jauh lebih tinggi dibandingkan motor bakar bensin yang hanya berkisar 6:1 hingga 9:1.

2 Komsumsi bahan bakar spesifik mesin diesel lebih rendah kira-kira 25% dibandingkan mesin bensin namum perbandingan kompresinya yang lebih tinggi menjadikan tekanan kerjanya juga tinggi. (Lit.1 hal.16 ) Sebagai jenis kedua motor bakar torak selain dari pada mesin diesel, motor bensin yang dikenal dengan mesin otto atau mesin Beau Des Rochas, penyalaan bahan bakar dilakukan oleh percikan bunga api dari antara kedua elektroda busi. Sehingga mesin besin dikenal dengan sebutan Spark Ingnition Engene. Disamping itu, klasifikasi motor bakar berdasarkan siklus langkah kerjanya, dibedakan atas dua jenis, yaitu: 1. Motor dua langkah (tak). Pengertian dari motor dua langkah adalah motor yang pada dua langkah piston (satu putaran engkol) sempurna akan menghasikan satu tenaga kerja (satu langkah kerja). 2. Motor empat langkah(tak). Pengertian dari motor empat langkah adalah motor yang pada empat langkah piston (dua putaran engkol) sempurna akan menghasilkan satu tenaga kerja (satu langkah kerja). 2.2 Motor Diesel 2.21 Sejarah Mesin Diesel Mesin diesel adalah sejenis mesin pembakaran dalam lebih spesifik lagi sebuah mesin pemicu kompresi dimana bahan bakranya dinyalakan oleh suhu tinggi gas yang dikompresikan dan bukan oleh alat berenergi lain seperti busi. Mesin ini ditemukan pada tahun 1892 oleh Rudolf Diesel yang menerima paten pada 23 febuari Diesel menginginkan sebuah mesin untuk dapat digunakan dengan berbagai macam bahan bakar termasuk debu batu bara. Dia mempertunjukkannya pada Exposition Universelle (Pameran Dunia) tahun 1900 dengan menggunakan minyak kacang. Kemudian diperbaiki dan disempurnakan oleh Charles F. Kettering. (Lit.1 hal.18 ) Motor Diesel merupakan motor pembakaran dalam (Internal Combustion Engine), dimana bahan bakarnya disemprotkan kedalam silinder pada waktu torak hampir mencapai titik mati atas (TMA). Oleh karena udara di dalam silinder mempunyai temperatur yang tinggi, maka bahan bakar akan terbakar dengan sendirinya. Motor Diesel umumnya mempunyai beberapa konstruksi utama

3 diantaranya adalah torak, batang torak, poros engkol, katup, pompa bahan bakar bertekanan tinggi dan mekanisme penggerak lainnya. Daya yang dihasilkan motor diesel diperoleh melalui pembakaran bahan bakar yang terjadi di dalam silinder. Hal ini menyebabkan gerakan translasi torak didalam silinder yang dihubungkan dengan poros engkol pada bantalannya melalui batang penghubung (Connecting Rod) Prinsip Kerja Motor Bakar Diesel Ketika gas dikompresikan, suhunya meningkat seperti dinyatakan oleh Hukum Charles; mesin diesel menggunakan sifat ini untuk menyalakn bahan bakar. Udara disedot kedalam silinder mesin diesel dan dikompresikan oleh piston yang merapat, jauh lebih tinggi dari resiko kompresi dari mesin menggunakan busi. Pada saat piston memukul bagian atas, bahan bakar diesel dipompa keruang pembakaran dalam tekanan tinggi, melalui nozzle atomisting. Dicampur dengan udara panas yang bertekanan tinggi. Hasil pencampuran ini menyala dan membakar dengan cepat. Ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran di atas mengembang, mendorong piston kebawah dengan tenaga yang kuat dan menghasilkan tenaga dalam arah vertikal. Rod penghubung menyalurkan gerakan ini ke crankshaft yang dipaksa untuk berputar, menghatar tenaga putar di ujung pengeluaran crankshaft. Scavengining yang mendorong muatan-gas yang habis terbakar keluar dari silinder, dan menarik udara segar kedalam mesin dilaksanakan oleh ports atau valves. Untuk menyadari kemampuan mesin diesel, penggunaan turbocharger untuk mengkompres udara yang disedot masuk sangat dibutuhkan dan intercooler untk mendinginkan udara yang disedot masuk setelah kompresi oleh turbocharger meningkatkan efisiensi. Komponen penting dari mesin diesel adalah governor, yang membatasi kecepatan mesin mengontrol penghantaran bahan bakar. Mesin yang menggunakan pengontrolan elektronik canggih mencapai ini melalui Electronic Control Modul (ECM) atau Electronic Control Unit (ECU) yang merupakan komputer dalam mesin.ecm/ecu menerima kecepatan signal mesin melalui sensor dan menggunakan algoritma dan mencari tabel kalibrasi yang disimpan

4 dalam ECM/ECU, dia mengontrol jumlah bahan bakar dan waktu melalui aktuator elektronik atau hidrolik untuk mengatur kecepatan mesin. Mesin diesel tidak dapat berubah beroperasi pada saat silinder dingin. Beberapa mesin menggunakan pemanasan elektronik kecil di dalam silinder untuk memanaskan silinder sebelum pemanasan mesin. Lainnya menggunakan pemanas resistive grid dalam intake manifold untuk menghangatkan udara masuk sampai mesin mencapai suhu operasi. Setelah mesin beroperasi pembakaran bahan bakar dalam silinder dengan efektif memanaskan mesin. Dalam cuaca yang sangat dingin, bahan bakar diesel mengental dan meningkatkan viskositas dan membentuk kristal lilin atau gel. Ini dapat mempersulit pemompa bahan bakar untuk menyalurkan bahan bakar tersebut ke dalam silinder dalam waktu yang efektif, membuat penyalaan mesin dalam cuaca dingin menjadi sulit, meskipun peningkatan dalam bahan bakar diesel telah membuat kesulitan ini menjadi sangat jarang. Cara umum yang dipakai adalah untuk memanaskan penyaring bahan bakar dan jalur bahan bakar secara elektronik. Gambar 2.1. Langkah Kerja Motor Diesel

5 Maka secara ringkas langkah-langkah kerja pada mesin diesel adalah sebagai berikut: 1. Langkah hisap Piston bergerak dari TMA (titik mati atas) menuju titik mati bawah (TMB). Katup isap terbuka, dan katup buang tertutup, karena terjadi tekanan dalam silinder terjadilah kevakuman pada waktu torak bergerak ke TMB (titik mati atas), selajutnya campuran udara bahan bakar mengalir kedalam silinder melalui katup masuk untuk mengisi ruang silinder. 2. Langkah kompresi Setelah mencapai TMB (titik mati bawah), piston bergerak kembali menuju TMA (titik mati atas), dam kedua katup dalam keadaan tertutup. Dengan demikian campuran udara dan bahan bakar yang berada didalam silinder ditekan dan dimanfaatkan oleh torak yang bergerak ke TMA (titik mati atas), akibatnya tekanan dan suhu dalam silinder naik sehingga bahan bakar sangat mudah untuk terbakar. 3. Langkah usaha Pada saat piston bergerak dari TMA (titik mati atas) menuju TMB (titik mati bawah), katup hisap dan katup buang tertutup. Sesaat piston menjelang titik mati atas, injektor menyemprotkan bahan bakar sehingga terjadi pembakaran yang menyebabkan piston bergerak dari TMA (titik mati atas) ke TMB (titik mati bawah). 4. Langkah buang Piston bergerak dari TMB (titik mati bawah) menuju TMA (titik mati atas). Katup hisap tertutup dan katup buang terbuka. Pada proses ini gas yang terbakar dibuang oleh dorongan piston ke atas dan selajutnya mengalir melalui katup buang. Pada posisi ini poros engkol telah berputar dua kali dalam satu siklus dari empat langkah Siklus Ideal Diesel Pada motor bakar mesin diesel, siklus yang berlangsung pada proses pembakaran adalah pada tekanan konstan. Pada siklus ini tampak secara jelas dan diuraikan satu per satu proses perpindahan atau aliran yang berlangsung dari satu

6 titik ke titik yang lain. Dengan memperhatikan gambar dan arah perpindahan maka kita akan memahami proses yang berlangsung apakah terjadi laju peningkatan, penurunan atau keadaan stagnan (tetap). (P) Tekanan (T)Temperatur Qi Po Qout 1 Volume spesifik (v) Entropy (s) Gambar 2.2. Diagram P v (a) dan diagram T s (b) Proses-proses yang terjadi pada siklus tersebut adalah: a. Proses 6-1. Tekanan konstan udara hisap pada Po. Katup hisap terbuka dan katup keluar tertutup: (Lit 1. hal. 92) W P ( v ) = 6 [2.1] v Keterangan: P 0 = tekanan pada titik 0 (kpa) V 1 = volume pada titik 1 (m 3 ) V 6 = volume pada titik 6 (m 3 ) W 6 1 = kerja pada titik 6-1 (kj) Sumber: (Lit. 5 hal. 93)

7 b. Proses 1-2. Langkah kompresi isentropik Semua katup tertutup: T 2 = T 1 (V 1 / V 2 ) k-1 = T 1 (V 1 / V 2 ) k-1 =T 1 (r c ) k-1 [2.2] P 2 = P 1 (V 1 / V 2 ) k = P 1 (V 1 / V 2 ) k = P 1 (r c ) k [2.3] V 2 = V TDC = m m RT 2 / P 2 [2.4] Q 1-2 = 0 [2.5] W 1-2 = m m R(T 2 T 1 ) / 1- k [2.6] Sumber: (Lit. 5 hal. 93) Keterangan: P 1 = tekanan pada titik 1 (kpa) P 2 = tekanan pada titik 2 (kpa) T 1 T 2 = temperatur pada titik 1 (K) = temperatur pada titik 2 (K) V 1 = volume pada titik 1 (m 3 ) V 2 = volume pada titik 2 (m 3 ) W 1 2 = kerja pada siklus 1-2 (kj) R = konstanta gas (kj/kg.k) c. Proses 2-3. Tekanan Konstan Panas Masuk (Pembakaran) semua katup tertutup: Q 2-3 = Q in = m f Q HV η c = m m C p (T 3 T 2 ) = (m a + m f )C p (T 3 T 2 ) [2.7] Q HV η c = (AF + 1)C p (T 3 T 2 ) [2.8] Q 2-3 = Q in = C p (T 3 - T 2 ) = (h 3 h 2 ) [2.9 ] W 2-3 = Q 2-3 (u 3 u 2 ) = P 2 (V 3 V 2 ) [2.10] T 3 = T max [2.11] Cut of Ratio : ß = V 3 V 2 = T 3 / T 2 [2.12] Sumber: (Lit. 5 hal. 93) Keterangan: P 3 P 2 = tekanan pada titik 3 (kpa) = tekanan pada titik 2 (kpa)

8 T 3 T 2 = temperatur pada titik 3 (K) = temperatur pada titik 2 (K) Q HV = heating value (kj/kg) Q in η c m m C p = kalor yang masuk (kj) = efisiensi pembakaran = massa campuran gas di dalam silinder (kg) = panas jenis gas pada tekanan konstan (kj/kg.k) W 2 3 = kerja pada titik 2-3 (kj) d. Proses 3-4: Langkah Isentropik atau langkah ekspansi isentropik: Semua katup tertutup: Q 3-4 = 0 [2.13] T 4 = T 3 (V 3 / V 4 ) k-1 = T 3 (V 3 / V 4 ) k [2.14] T 4 = T 3 = (V 3 / V 4 ) k = (V 3 / V 4 ) k [2.15] W 3-4 = (P 4 V 4 P 3 V 4 ) / (1 k ) = R(T 4 T 3 ) / (1 k) = (u 3 u 4 ) = C v (T 3 - T 4 ) [2.16] Keterangan: P 4 P 3 T 3 T 4 = tekanan pada titik 4 (kpa) = tekanan pada titik 3 (kpa) = temperatur pada titik 3 (K) = temperatur pada titik 4 (K) V 3 = volume pada titik 3 (m 3 ) V 4 = volume pada titik 4 (m 3 ) m m = massa campuran gas di dalam silinder (kg) R = konstanta gas (kj/kg.k) W 3 4 = kerja pada titik 3-4 (kj)

9 e. Proses 4-5: Rejeksi panas volume konstan (keluaran berhembus kebawah) Katup keluar terbuka dan katup hisap tertutup. V 5 = V 4 = V 1 = v BDC [2.17] W 4-5 = 0 [2.18] Q 4-5 = Q out = m m C v (T 5 T 4 ) = = m m C v (T 1 - T 4 ) [2.19] Q 4-5 = Q out = C v = (T 5 T 4 ) = (u 5 u 4 ) = C v (T 1 T 4 ) [2.20] Sumber: (Lit. 5 hal ) Keterangan: T 4 T 5 m m c v = temperatur pada titik 4 (K) = temperatur pada titik 5 (K) = massa campuran gas di dalam silinder (kg) = panas jenis gas pada volume konstan (kj/kg.k) W 4 5 = kerja pada titik 4-5 (kj) f. Proses 5-6: Tekanan Konstan langkah buang di Po. Katup buang terbuka. W 5-6 = P 0 (V 6 V 5 ) = P 0 (V 6 V 1 ) [2.21] Sumber: (Lit. 5 hal. 94) Keterangan: P 0 = tekanan pada titik 0 (kpa) v 5 = volume pada titik 5 (m 3 ) v 6 = volume pada titik 6 (m 3 ) W 5 6 = kerja pada titik 5-6 (kj) Effisiensi Thermal Siklus Diesel (Eff. Th): (η t ) DIESEL = [W net ] / [Q in ] = 1 ([Q out ] / [Q in ]) [2.22] Sumber: (Lit. 5 hal. 94)

10 2.2.4 Siklus Dual Cycle Diagram tekanan-volume (P-v) pada motor pembakaran dalam yang aktual tidak tergambarkan dengan baik melalui siklus Dual cycle. Siklus yang dapat digunakan untuk memberikan perkiraan variasi tekanan yang lebih baik adalah siklus rangkap (dual cycle) seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3. dibawah ini. P 3 2 s = c 4 s = c 5 1 T 2 1 v = c 3 p = c v = c 4 5 v Gambar 2.3 Diagram P v dan diagram T s Siklus Dual Cycle s (Lit. 4 hal. 68) Sebagaimana terdapat pada siklus Dual cycle, proses preoses yang terjadi pada diagram T-s adalah sebagai berikut: a. Proses 1-2 adalah kompresi isentropik b. Proses 2-3 adalah penambahan kalor pada volume konstan c. Proses 3-4 adalah penambahan kalor pada tekanan konstan d. Proses 4-5 adalah ekspansi isentropik sebagai tahap akhir langkah kerja e. Proses 5-1 adalah diakhiri dengan pelepasan kalor pada volume konstan Konfigurasi Mesin Diesel Ada dua kelas mesin diesel yaitu dua langkah (stroke) dan empat langkah (stroke). Banyak mesin diesel besar beroperasi dalam dua langkah. Mesin yang lebih kecil biasanya menggunakan empat langkah. Biasanya kumpulan silinder digunakan selama muatan di crankshaft di tolak seimbang untuk mencegah getaran yang berlebihan. Inline-6 paling banyak di produksi dalam mesin tugasmedium ketugas-berat meskipun V8 dan staight-4 juga banyak diproduksi.

11 2.2.6 Kelebihan dan Kekurangan Mesin Diesel Mesin diesel lebih besar dari mesin bensin dengan tenaga yang sama karena kontruksi berat diperlukan untuk bertahan dalam pembakaran tekanan tinggi untuk penyalaan. Dan juga dibuat dengan kualitas sama yang membuat penggemar mendapatkan peningkatan tenaga yang besar dengan menggunakan mesin turbocharger melalui modifikasi yang relatif lebih mudah dam murah. Mesin bensin dengan ukuran sama tidak dapat mengeluarkan tenaga yang sebanding karena komponen di dalamnya tidak mampu menahan tekanan tinggi, dan menjadikan mesin diesel kandidat modifikasi mesin dengan hanya menggunakan ongkos dengan biaya murah. Kekurangan hanya terletak suara yang berisik juga pada bobot dan dimensi yang dua kali lebih berat dan besar dari mesin bensin, dikarenakan komponen mesin diesel yang di desain kuat untuk menahan kompresi tinggi, begitu juga akselerasi yang lemot bisa di perbaiki melalui penambahan torbo atau yang dikenal sebagai supercharger. Penambahan turbocharger atau supercharger ke mesin meningkatkan ekonomi bahan bakar dan tenaga. Rasio kompresi yang tinggi membuat mesin diesel lebih efisien dari mesin menggunakan bensin. Peningkatan ekonomi bahan bakar juga berarti mesin diesel memproduksi karbondioksida yang lebih sedikit. (Lit.2 hal.23 )

12 2.2.7 Prinsip Turbo Intercooler Prinsip kerja turbo, mengkompresi udara ke mesin untuk meningkatkan jumlah molekul oksigen yang masuk ke silinder. Tingginya molekul oksigen yang masuk mendorong tambahan pasokan BBM. Dengan demikian, lebih banyak BBM yang dibakar, hingga daya yang diproduksi meningkat. Gambar 2.4 Cara kerja mesin turbo Sumber: Internet prinsip turbo Tekanan udara yang dikompresi bisa meningkat hingga 8 psi (pounds per square inch) dibandingkan tekanan normal. Bila tekanan normal di permukaan laut sebesar 14.7 psi, maka udara yang dikompresi mempunyai tekanan hingga 50% lebih tinggi. Namun tidak berarti power yang dihasilkan meningkat 50%. Karena ada sebagian daya yang hilang/inefisiensi. Peningkatan daya optimal turbo bisa 30 / 40 persen lebih banyak. Untuk melakukan kompresi, turbo memanfaatkan aliran gas buang dari mesin untuk memutar turbin, yang meneruskan putaran ke kompresor udara. Turbin ini bisa berputar hingga 150,000 putaran tiap menit (rpm) atau 30 kali putaran mesin mobil pada umumnya. Temperatur perangkat ini juga bisa melesat naik, ketika bersentuhan dengan gas buang. Dengan kondisi kerja seperti itu, turbo membutuhkan material berkualitas tinggi dengan pengerjaan super presisi. Sumber: Internet (Prinsip Turbo) Perangkat turbo dipasang pada exhaust manifold, sedangkan kompresor udara diletakkan diantara air filter dan intake manifold. Udara yang dikompresi, suhunya naik dan ketika suhu naik, udara akan memuai lagi. Akibatnya, meskipun

13 tekanan udara yang masuk ruang bakar tinggi, tapi jumlah molekul udara yang dibutuhkan untuk pembakaran menjadi berkurang. Oleh karena itu, maka ditambahkan perangkat Intercooler yang berfungsi mendinginkan udara yang disedot dan dimampatkan oleh turbocharger. Pendinginan diperlukan agar massa udara yang sampai ke ruang bakar lebih banyak (densitas udara lebih tinggi, khususnya oksigen). Makin banyak masa udara atau oksigen yang bisa disedot dan kemudian dimampatkan oleh piston, kemampuan menghasilkan energi juga semakin besar. Khusus saat membakar diesel yang disemprotkan ke ruang bakar. Gambar 2.5 Prinsip Mesin Turbo Sumber: Internet (Prinsip Turbo) Di sisi lain, penggunaan turbo juga menimbulkan kerugian pada mesin. Pemasangan turbin membuat aliran gas buang menjadi tidak lancar. Mesin juga harus mengeluarkan tenaga ekstra untuk melawan tekanan balik dari saluran gas buang.selain itu gejala knocking/nglitik juga sering ditemui. Ini disebabkan karena udara kompresi yang bersuhu tinggi ketika masuk ke ruang bakar yang bertekanan tinggi, bisa memicu pembakaran sebelum busi memercikkan api. Oleh karena itu, mobil dengan perangkat turbo seringkali membutuhkan BBM dengan oktan tinggi, guna menghindari gejala knocking. Kini mesin-mesin modern yang dilengkapi turbo, sudah dilengkapi semacam adjuster yang bisa menyesuaikan kompresi udara secara presisi sesuai kebutuhan mesin.

14 Problem lain yang sering ditemui mobil dengan perangkat turbo adalah turbo lag. Kondisi ini terjadi karena turbo tidak bisa seketika menghadirkan tambahan daya saat gas ditekan (turbo baru bekerja pada putaran tertentu). Baru beberapa detik kemudian tambahan daya bekerja, ditandai dengan melonjaknya mobil ke depan.cara untuk meminimalkan efek ini adalah memangkas bobot komponen yang berputar. Ini membuat turbin dan kompresor lebih mudah berakselerasi untuk melakukan kompresi. Cara lainnya, dengan menggunakan material baru seperti ceramic turbine blades. Material baru ini lebih ringan dari baja, hingga lebih mudah berputar Efek ini nyaris tidak terasa pada mesin dengan teknologi turbo modern.kebanyakan turbocharger memiliki wastegate, semacam katup pengaman yang memungkinkan gas buang menerobos keluar tanpa melewati turbin. Katup ini bekerja berdasarkan sensor tekanan. Bila tekanan udara terlalu tinggi, berarti turbin berputar terlalu cepat, maka exhaust gas dibuang lewat wastegate, hingga rotasi turbin melambat. Karena turbo bekerja pada kondisi temperatur, kecepatan dan tekanan tinggi, maka peforma optimum bisa didapat jika alat ini dioperasikan dan dirawat dengan benar. Kerusakan yang sering terjadi biasanya akibat buruknya lubrikasi, atau masuknya partikel abrasif pada oli. Sebab lain adalah lolosnya partikel berukuran besar pada aliran udara yang tersedot masuk. Juga benda-benda yang tersembur keluar dari exhaust, seperti kerak karbon, serpihan komponen mesin, dll berperan menimbulkan kerusakan. Agar turbo bekerja sempurna, maka; Turbo harus di service sesuai rentang waktu yang direkomendasikan. Gunakan selalu oli yang direkomendasi produsen mobil Pilih bengkel yang benar-benar ahli dalam perawatan turbo Periksa setiap kebocoran oli, suara-suara aneh dan getaran yang tidak wajar. Power kurang, suara keras, asap biru atau hitam, kemungkinan mengindikasikan masalah pada mesin, bukan turbo Panaskan mesin beberapa saat, tunggu temperatur oli mesin mencapai suhu kerja optimal sebelum menggenjot pedal gas dalam-dalam untuk mengaktifkan turbo. Jangan memainkan pedal gas, karena kemungkinan lubrikan komponen turbo belum sempurna. Sebaliknya, biarkan mesin idle

15 beberapa saat sebelum mesin dimatikan. Bila mesin dimatikan seketika, maka pasokan oli mesin ke turbo otomatis terhenti, sementara turbo masih berputar dengan kecepatan tinggi Ini bisa merusak bearing. Pada mesinmesin dengan teknologi turbo terbaru, kejadian seperti itu tidak perlu lagi Analisa Termodinamika Motor bakar diesel pada Turbocarjer dan Intercoller P 3a a Keterangan: 0 1 : Langkah isap tekanan konstan 1 2 : Langkah kompresi isentropis 2 3a : Proses pembakaran pada volume konstan 3a 3 : Proses pembakaran pada tekanan konstan 3 4 : Langkah ekpansi isentropis 4 1 : Langkah buang 4 5a : Ekspansi pada pipa gas buang 5a : Energi yang berguna pada turbin : energi maksimum yang mampu menggerakan turbin

16 2.2.9 Teknologi Diesel Sistem Common Rail Sistem Common rail menggunakan bahan bakar bertekanan tinggi yang dihasilkan oleh supply pump untuk memperbaiki penggunaan bahan bakar yang ekonomis dan menambah kekuatan (power) mesin, juga mengurangi vibrasi dan noise mesin. Sistem ini menyimpan bahan bakar, yang telah mempunyai tekanan yang dihasilkan oleh supply pump, pada common rail. Dengan menyimpan bahan bakar dengan tekanan tinggi sistem commonrail dapat menyediakan bahan bakar dengan tekanan bahan bakar yang stabil, tidak terpengaruh oleh cepatnya mesin atau beban mesin. ECM menghasilkan arus listrik ke solenoid valve pada injektor, menggunakan EDU, untuk mengatur waktu dan jumlah injeksi bahan bakar, dan juga memonitor tekanan bahan bakar di dalam common rail dengan menggunakan fuel pressure sensor. ECM memerintahkan supply pump untuk menyuplai bahan bakar di dalam common rail dengan menggunakan fuel pressure sensor. ECM memerintahkan supply pump untuk menyuplai bahan bakar yang dibutuhkan untuk memperoleh target tekanan bahan bakar, kira-kira 20 sampai 135 MPa (204 sampai 1,337 kgf/cm 2, 2,901 sampai 19,581 psi). Sebagai tambahan, sistem ini menggunakan 2-Way Valve (TWV) di dalam injektor untuk membuka dan menutup saluran bahan bakar. Walau demikian, waktu dan volume injeksi bahan bakar dapat di atur secara presisi oleh ECM. Sistem common rail menghasilkan dua injeksi bahan bakar yang terpisah. Untuk memperlembut kejutan pembakaran, sistem ini melakukan pilot-injection sebagai bagian injeksi bahan bakar lebih dulu ke injeksi bahan bakar utama. Hal ini dapat membantu mengurangi vibrasi dan noise mesin. (Lit. 4 hal. 44 )

17 Gambar 2.7 Sistem Diagram Common Rail Perbedaan Diesel Common Rail dengan Diesel Konvensional Perbedaan antara mesin diesel modern, common rail dengan konvensional adalah cara memasok bahan bakarnya. Terutama, komponen yang berada antara pompa injeksi dan injector. Ada dua komponen utama di sini, yaitu pompa injeksi atau mekanik awam menyebutnya Bosch pump dan injector. Cara kerja common rail layaknya seperti konsep hidup bersama. Dalam hal ini, semua injector yang bertugas memasok solar langsung ke dalam mesin, menggunakan satu wadah atau rel yang sama dari pompa injector. Caranya sama dengan yang digunakan pada sistem injeksi bensin. Sedangkan mesin diesel konvensional, setiap injector memiliki pasokan solar sendiri-sendiri langsung dari pompa injeksi. Tekanan bahan bakar dalam rel sangat tinggi. Sekarang, yaitu common rail generasi ke-3, tekananya sudah mencapai 1800 bar. Kalau dikonversi ke PSI yang masih digunakan sekarang menjadi PSI. Bandingkan dengan tekanan ban 30 PSI. Atau tabung elpiji 25 bar dan CNG 200 bar. Dengan tekanan setinggi tersebut, pengabutan yang dihasilkan tentu saja semakin bagus. Hasil pembakaran menjadi lebih sempurna dan kerja mesin makin efisien. Sehingga mesin Diesel Common Rail Direct Injectionseperti Ford Ranger/Nissan Navara/Chevrolet

18 Captiva VCDI lebih terlihat minim asap hitam ketimbang mesin Diesel zaman dahulu. (Lit. 4 hal. 49 ) Sesuai dengan perkembangan mesin diesel, para ahli mengembangkan sistem yang paling mutakhir pada mesin diesel yakni yang dikenal dengan CRDI (Common Rail Direct Injection) teknologi ini telah digunakan oleh Chevrolet Captiva Diesel CRDI/VCDI dengan kapasitas mesin 2000cc 16 katup segaris memuntahkan tenaga 150 Daya Kuda pada putaran 4000 Rpm dengan torsi max 320 Nm. Kemudian diikuti pada saat ini oleh Toyota fortuner dengan tenaga 144 PS/3.400 rpm dengan torsi 35 kgm/ rpm dengan putaran mekanisme katup 4 silinder, 16 katup DOHC, VN turbo intercooler yang akan menghasilkan tenaga besar namun efisien. (Lit. 4 hal. 51 ) 2.3 Parameter Performansi/ Unjuk Kerja Mesin Diesel Tekanan efektif rata-rata (mep) Selama siklus berlangsung, temperatur dan tekanannya selalu berubah-ubah. Oleh karena itu sebaiknya dicari harga tekanan tertentu (konstan) yang apabila mendorong torak sepanjang langkahnya dapat menghasilkan kerja persiklus yang sama dengan siklus yang dianalisis. Tekanan tersebut dinamai tekanan efektif rata-rata (mep), yang diformulasikan sebagai: Mep= dimana: mep = tekanan efektif rata-rata (kpa) V d = volume langkah torak (m 3 ) W nett = kerja netto (kj)

19 2.3.2 Daya Indikator ( Ẃi ) Merupakan daya yang dihasilkan dalam silinder motor sehingga merupakan basis perhitungan atau penentuan efisiensi pembakaran atau besarnya laju panas akibat pembakaran di dalam silinder. Wi= 2.24] Sumber: ( Lit. 5 hal. 51) dimana: Ẃ i N n = daya indikasi (kw) = putaran mesin (putaran/detik) = jumlah putaran dalam satu siklus, untuk empat tak n = 2 (putaran/siklus) W nett = kerja netto (kj) Torsi dan Daya Daya yang dihasilkan suatu mesin pada poros keluarannya disebut sebagai daya poros (atau bisa dikenal dengan brake power) yang dihitung berdasarkan rumusan: Wb = 2π x N x τ [2.25] Sumber: (Lit. 5 hal 51) Dimana: W b N τ = daya poros (kw) = putaran mesin (putaran/ detik) = torsi (Nm) π = 3,14 seperti yang kita ketahui, dari sejumlah gaya yang dihasilkan mesin, maka sebagian darinya dipakai untuk mengatasai gesekan/friksi antara bagian-bagian mesin tyang bergerak, sebagian lagi dipakai untuk mengisap udara dan bahan bakar serta mengeluarkannya dalam bentuk gas buang.

20 2.3.4 Konsumsi bahan bakar (Sfc) Konsumsi bahan bakar (Sfc) didefenisikan ssebagai jumlah bahan bakar yang dikonsumsikan persatuan unit daya yang dihasilkan perjam operasi. Secara tidak langsung komsumsi bahan bakar spesifik merupakan indikasi efesiansi mesin dalam menghasilkan daya dari pembakaran bahan bakar. Sfc = mיּf / Wb dimana : mיּf = dimana: sfc mיּf mf ma W b N = konsumsi bahan bakar spesifik (gr/kwh) = laju aliran rata-rata bahan bakar (kg/detik) = massa bahan bakar (kg) = massa udara (kg) = daya poros (kw) = putaran mesin (putaran/detik) Emisi Gas Buang Pada Motor Diesel Pada prektek pembakaran dalam motor tidak pernah terjadi dengan sempurna meskipun sudah dilengkapain dengan kontrol yang canggih. Pada motor diesel, bedarnya emisi bentuk opasitas (ketebalan asap) tergantung banyaknya jumlah bahan bakar yang disemprotkan dalam silinder, karena pada motor diesel yang dikompresikan adalah udara murni. Dengan kata lain semakin kaya campuran maka semakin besar konsentrasi Nox, CO dan asap (smoke). Sementara itu semakin kecil campuran konsentrasi Nox, CO dan asap juga semakin kecil Pembentukan Karbon Monoksida (CO) Pada proses pembakaran, bila karbon di dalam bahan bakar terbakar dengan sempurna akan menghasilkan CO 2 (karbon dioksida). Tetapi jika unsur oksigen (udara) tidak cukup maka yang terjadi adalah pembakaran tidak sempurna, sehingga karbon di dalam bahan bakar terbakar dalam suatu proses sebagai berikut :

21 C + ½ O 2 CO Dengan kata lain, emisi CO dari kendaraan banyak dipengaruhi oleh perbandingan campuran antara udara dengan bahan bakar yang masuk ke ruang bakar (Air-Fuel Ratio). Jadi untuk mengurangi CO perbandingan campuran ini harus dibuat kurus (excess air). Namun akibat lain HC dan NOx lebih mudah timbul dan output motor menjadi berkurang. Emisi karbon monoksida tidak beraroma dan tidak berwarna, namun sangat beracun. Pengaruh buruk pada motor apabila CO berlebihan adalah pembentukan deposit karbon yang berlebihan katup, ruang bakar, kepala piston, dan busi (untuk motor bensin). Deposit yang ditimbulkan tersebut secara alami mengakibatkan fenomena Self-Ignition (dieseling) dan mempercepat kerusakan mesin. Emisi CO berlebihan banyak disebabkan oleh faktor kesalahan pencampuran udara dan bahan bakar yang masuk ke dalam motor Pembentukan Hidrokarbon (HC) Pada proses pembakaran, gas buang hidrokarbon yang dihasilkan dibedakan menjadi dua kelompok yaitu bahan bakar yang tidak terbakar dan keluar menjadi gas mentah, atau bahan bakar terpecah karena reaksi panas yang berubah menjadi gugus HC lain dan keluar bersama gas buang. Ada beberapa penyebab utama timbulnya hidrokarbon (HC) diantaranya adalah sebagai berikut : Dinding-dinding ruang bakar yang bertemperatur rendah mengakibatkan hidrokarbon (HC) di sekitar dinding tidak terbakar. Terjadi misfiring (gagal pengapian) ini bisa terjadi pada saat motor diakselerasi ataupun deselerasi. Adanya overlap intake valve (kedua valve bersama-sama terbuka) sehingga HC berfungsi sebagai gas pembilas/pembersih. Ignition delay yang panjang merupakan faktor yang mendorong terjadinya peningkatan emisi HC. Selain mengganggu kesehatan, emisi HC yang berlebihan juga menyebabkan fenomena photochemical smog (kabut). Karena HC merupakan sebagian bahan bakar yang tidak terbakar, makin tinggi emisi HC berarti tenaga motor makin berkurang dan konsumsi bahan bakar semakin meningkat.

22 Pembentukan Nitrogen Oksida (NOx) Nitrogen oksida dihasilkan akibat adanya N2 (nitrogen) dalam campuran udara dan bahan bakar serta suhu pembakaran yang tinggi, sehingga terjadi pembentukan NOx. Biasanya timbul ketika mesin bekerja pada beban yang berat. Bila terdapat N2 dan O2 pada temperatur C akan terjadi reaksi pembentukan gas NO seperti di bawah ini : N2 + O 2 2 NO Selanjutnya gas NO bereaksi lebih lanjut di udara menjadi NO 2. Temperatur pembakaran yang melebihi 2000 C dalam ruang bakar mengakibatkan gas NOx. Sementara itu gas buang terdiri dari 95% NO, 3-4% NO 2, sisanya N 2 O dan N 2 O 3. Substansi NOx tidak beraroma, namun terasa pedih di mata. Faktor-faktor utama yang mempengaruhi konsentrasi NOx selama pembakaran diantaranya maksimum temperatur yang dapat dicapai dalam ruang bakar, dan perbandingan udara - bahan bakar (AFR). Sehingga solusi untuk mengurangi kandungan NOx dalam gas buang yaitu dengan mengupayakan temperatur ruang bakar tidak mencapai 1800 C atau dengan mengusahakan sesingkat mungkin mencapai temperatur maksimum. Cara lain yaitu dengan mengurangi konsentrasi O Pembentukan Partikulat (Particulate Matter) Partikulat dihasilkan oleh adanya residu bahan bakar yang terbakar dalam ruang bakar, dan keluar melalui pipa gas buang. Partikel-partikel seperti jelaga, asap dan debu secara umum terbagi menjadi dua bagian yaitu partikel-partikel yang merupakan emisi langsung biasanya disebut partikel utama (primary particles) dan partikel-partikel hasil transformasi gas lain atau disebut partikel sekunder (secondary particles). Ukuran partikel bervariasi, dengan ukuran besar cenderung berasal dari faktor geologi, seperti debu dan pasir yang ditiup angin. Sedangkan yang berukuran kecil terutama dari sumber-sumber pembakaran dan perubahan dari gas-gas emisi yang lain, seperti sulfur dioksida menjadi sulfat dan nitrogen oksida menjadi nitrat. Dari sini jelas bahwa emisi gas buang merupakan unsur yang berbahaya. Sebagian besar partikulat mengandung unsur karbon dan kotoran lain berbentuk butiran atau partikel dengan ukuran ± 0,01 10 μm. Gas buang diesel sebagian besar berupa partikulat dan berada pada dua fase yang berbeda namun saling menyatu yaitu fase padat, terdiri dari residu atau kotoran,

23 abu, bahan aditif, bahan korosif, keausan metal, dan fase cair terdiri dari minyak pelumas yang tak terbakar. Gas buang yang berbentuk cair akan meresap ke dalam fase padat. Buangan ini disebut partikel. Partikel-partikel tersebut berukuran mulai dari 100 mikron hingga kurang dari 0,01 mikron. Partikulat yang berukuran kurang dari 10 mikron memberikan dampak terhadap visibilitas udara karena partikulat tersebut akan memudarkan cahaya. Pembentukan partikel tersebut dapat dilihat pada gambar 2.4 dibawah. Gambar 2.8. Pembentukan Soot Particle (Lit. 2 hal.12) Berdasarkan ukurannya partikel dikelompokkan menjadi tiga yaitu : a. 0, μm disebut partikel smoke/kabut/asap b μm disebut dust/debu c μm disebut ash/abu Penyebab terjadinya partikulat antara lain tekanan injeksi yang terlalu rendah dan saat pengapian yang kurang tepat.

24 Pembentukan Emisi Asap (Smoke) Emisi asap (smoke) merupakan polutan utama pada mesin diesel. Pembentukan smoke pada mesin diesel terjadi karena kekurangan oksigen, hal itu terjadi pada inti (core) spray yang mempunyai λ 0,8. Dalam proses pembakaran berlangsung ketika bahan bakar yang disemprotkan ke dalam silinder yang berbentuk butir-butir cairan yang halus saat keadaan di dalam silinder tersebut sudah bertemperatur dan bertekanan tinggi sehingga butir-butir tersebut akan menguap. Namun jika butir-butir bahan bakar yang terjadi karena penyemrotan itu terlalu besar atau apabila beberapa butir terkumpul menjadi satu, maka akan terjadi dekomposisi. Dekomposisi itu akan menyebabkan terbentuknya karbonkarbon padat (angus). Hal ini disebabkan karena pemanasan udara yang bertemperatur tinggi, tetapi penguapan dan pencampuran dengan udara yang ada di dalam silinder tidak dapat berlangsung sempurna. Terutama pada saat-saat dimana terlalu banyak bahan bakar yang disemprotkan, yaitu pada waktu daya mesin akan diperbesar. Misalnya untuk akselerasi maka angus akan terjadi. Jika angus yang terjadi itu terlalu banyak, gas buang yang keluar dari mesin akan berwarna hitam dan mengotori udara serta mengganggu pemandangan Efisiensi mekanis Besarnya kerugian daya diperhitungkan dalam efisiensi mekanis yang dirumuskan sebagai berikut: η m = Ẃ b / Ẃ i [2.27] Sumber: (Lit. 5 hal.47) dimana: η m W b W i = efisiensi mekanis = daya poros (kw) = daya indikasi (kw)

25 2.3.7 Efisiensi volumetrik Efisiensi ini didefinisikan sebagai perbandingan antara massa udara yang masuk karena dihisap torak pada langkah hisap dan massa udara pada tekanan dan temperatur atmosfer yang dapat dihisap masuk kedalam volume satuan yang sama. η v = m a / ( ρ a x V d ) [2.28] Sumber: (Lit. 5 hal. 60) dimana: η v = efisiensi volumetrik ρ a = massa jenis udara (kg/m 3 ) ma = massa udara (kg) V d = volume langkah torak (m 3 ) Efisiensi Thermal Brake Efisiensi Thermal Brake (brake thermal eficiency) merupakan perbandingan antara daya keluaran aktual terhadap laju aliran panas rata-rata yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar. Efisiensi thermal brake dihitung dengan menggunakan persamaan berikut: PB η b = mf.cv dimana:.3600 η b CV mיּf = Efisiensi termal brake = nilai kalor bawah bahan bakar (kj/kg) = laju aliran rata-rata bahan bakar (kg/detik)