BAB IV PERHITUNGAN. 4.1 Siklus Gabungan (dual combustion Cycle) Pada Turbocharger ini memakai siklus gabungan yang disebut juga

Transkripsi

1 BAB IV PERHITUNGAN 4.1 Siklus Gabungan (dual combustion Cycle) Pada Turbocharger ini memakai siklus gabungan yang disebut juga Dual Combustion Cycle, karena siklus ini lebih mendekati siklus yang sebenarnya dan karena penyemprotan bahan bakar pada tekanan tinggi. Siklus ini dapat digambarkan sebagai berikut : Gambar.4.1. Siklus gabungan 46

2 Keterangan : o - a Langkah isap pada tekanan tetap a a Langkah kompresi isentropic c z Pemasukan kalor pada volume konstan z z Pada volume konstan z z Pemasukan kalor pada tekanan konstan z b Langkah ekspansi isentropic b a Langkah buang VI Volume langkah torak Vc Volume kompresi (Volume ruang bakar) ε Perbandingan kompresi λ Perbandingan tekanan akibat penambahan kalor pada volume tetap ρ Perbandingan ekspansi pendahuluan akibat penambahan kalor pada tekanan tetap δ Perbandingan ekspansi lanjut - Efisien siklus : Q 1 W.C v (T z T c ) Q 1 W.C p (T z T z ) Q 2 W.C v (T b T a ) 47

3 η th 1 1 Dimana : n n (indeks politropis) Maka : η th 1 Dengan memasukkan harga harga : T c T a. n-1 T a. ε n-1 T z T c. T a. ε n-1. λ T z T z. T a. ε n-1. λ. ρ Dimana : : atau ρ Jadi : T b T a. λ. ρ n Sehingga : η th

4 4.2 Perhitungan Parameter Thermodinamika Motor Diesel Tanpa Turbocharger. Dari data teknis, diperoleh data data yang akan digunakan pada perhitungan thermodinamika motor diesel tanpa turbocharger sebagai berikut: Daya efektif 290 HP 217 kw Putaran 2100 Rpm Dalam perhitungan ini dianggap motor diesel tanpa menggunakan turbocharger. Jadi turbocharger dilepaskan dari motor diesel. Pada kondisi ini, harga asumsi berikut, yaitu : 1. ε perbandingan kompresi α koefisien kelebihan udara 1,5 3. ξz factor pemanfaatan panas 0,80 4. po. To kondisi udara luar Po 10,13 N/cm 2, T o 27 o C 300 K 5. Dimensi silinder 6. Kebutuhan udara sesungguhnya : M 1 α. L th 49

5 kmole/kg b.b Perhitungan Parameter pada titik a a. tekanan pada akhir langkah isap : P a (0,85 0,92)P c ,13 9,22 N/cm 2 b. temperature pada akhir langkah isap : T a Dimana : t w kenaikan temperature udara 20 o C γ res koefisien residual gas 0,04 T res K 800 K (diambil) T a 338,5 65,5 o C c. Effisiensi volumetric : η v x x x x 0,824 50

6 4.2.2 Perhitungan Parameter pada titik c a. tekanan akhir langkah kompresi : P c P a. Dimana : n 1 eksponen politropis 1,35 (dipilih) P c 9,22. (17) 1,35 422,5 N/cm 2 b. Temperatur pada akhir langkah kompresi : T c T a. 338,5. (17) 0,35 912,5 K 639,5 o C Perhitungan Parameter pada akhir pembakaran a. Temperatur akhir pembakaran : + (mc v ) a + 1,985[λ(t c + 273) - 273μ] μ. (mc p ) g Asumsikan : t z 1825 o C (mc v ) a 5,308 kcal/mole o C ; (mc p ) g 8,577 kcal/mole o C Jadi : 639,5 + 1,985 1,04 x 8,577 t z 1821,1 o C (assumsi mendekati) K b. tekanan akhir pembakaran : P z λ. P c direncanakan : 1,6 51

7 1,6. 422,5 676 N/cm Perhitungan Parameter pada langkah ekspansi a. temperatur pada akhir ekspansi : T b Dimana : n 2 eksponen politropis 1,27 δ ekspansi ratio ρ derajat ekspansi awal x + 1,494 δ 11,379 T b 1088 K 815 o C b. tekanan akhir ekspansi P b 30,8 N/cm 2 52

8 4.2.5 Perhitungan pada prestasi motor a. tekanan indicator rata rata : P 1 P 1 85,95 N/cm 2 b. tekanan effektif rata rata : m ep φ x η m x p 1 assumsikan : η m effisiensi mekanis 0,85 m ep 0,97. 0,85. 85,95 70,86 N/cm 2 7,22 kg/cm 2 c. pemakaian bahan bakar spesifik : S fc F 1 166,3 gr/hp jam 223 gr/kwh 53

9 d. pemakaian bahan bakar effektif : bscf F e 0, ,3 144,7 gr/hp jam 194 gr/kwh e. effisiensi thermal : η th 0,43 f. daya indicator : N HP 4.3 Perhitungan Parameter Thermodinamika Turbocharger Motor Diesel. Dari data teknis diperoleh data data yang akan digunakan pada perhitungan thermodinamika turbocaharger motor diesel sebagai berikut : Daya effektif 415 HP 310 Kw Putaran, n 2100 rpm Dengan asumsi asumsi sebagai berikut : - Tekanan turbocharger : p sup 1,6 atm.abs 1,6 x 1,033 1,6528 kg/cm 2 54

10 16,21 N/cm 2 - Koefisien residual gas, γ r 0 (pembilasan sempurna) - Temperatur residual, T r 750 K - Faktor pemanfaatan panas ξ z 0,08 - Koefisien kelebihan udara, α 1,5 - Koefisien pembilasan udara, ΔSc 0,20 - Komposisi bahan bakar dalam % volume : C 87%; H 12,6%; O 0,4% - Lower heating value, LHV kcal/kg - Kondisi udara luar : po 1 atm. abs 1,033 kg/cm 2 10,13 N/cm 2 To 27 o C 300 o K - Perbedaan temperatur pada intercooler, tcool 40 o C - Jumlah udara teoritis yang dibutuhkan : L o 55

11 0,495 kmole/kg - Jumlah udara sesungguhnya yang dibutuhkan : L α.l o 1,5 x 0,495 0,7425 kmole/kg Perhitungan pada Langkah pemasukan Tekanan pada awal kompresi (pa), dipengaruhi oleh beban motor dan putarannya. Untuk motor empat langkah, pada daya dan putaran tertentu : pa (0,85 0,92).po pa (0,90 0,95).psup tanpa supercharging dengan supercharging dimana : po tekanan udara luar. Psup tekanan udara kompresor Temperatur pada awal kompresi (Ta) : T a Dimana : koefisien residual gas 0,03 0,04 kenaikan temperatur karena udara bersentuhan dengan dinding silinder dan torak o C Efisiensi pengisisan : Η ch 56

12 Η ch.. Dimana : γ r koefisien residual gas - temperatur udara keluar kompresor : T sup T o Dimana : m eksponen dari supercharger 1,45 1,8 Dipilih : m 1,45 agar dapat Tsup yang relatief kecil T sup K 74 o C - temperatur udara keluar cooler : T sup T sup - ΔT cool o C - temperatur udara awal kompresi : T a Dimana : Δt w 15 o C Maka : T a K 49 o C - tekanan awal kompresi : 57

13 P a 0,92. p sup 0,92. 16,21 14,91 N/cm 2 - effisiensi pemasukan : Η ch.... 0, Perhitungan pada Langkah Kompresi Pada kenyataannya, dalam proses kompresi terjadi pemindahan panas antara gas dan dinding silinder. Jadi langkah kompresi bukan proses adiabatic. Sebagai perndekatan terbaik dianggap merupakan kurva politropis sebagai berikut : p c p a. T c T a. Dimana : n 1 eksponen politropis rata rata. Harga n 1 ini dipengaruhi dimensi, kecepatan dan beban motor. Untuk motor diesel empat langkah, n 1 1,34 1,39. - temperatur akhir kompresi : T c T a. dimana : n 1 1,35 T c K 595 o C 58

14 - tekanan akhir kompresi : P c p a. 14, ,26 N/cm Perhitungan pada Langkah Pembakaran (Proses) - jumlah udara teoritis yang dibutuhkan untuk pembakaran : L o - koefisien kelebihan (α) : untuk motor diesel kecepatan tinggi, α 1,3 1,7 (hasil percobaan). - temperatur akhir pembakaran dapat dihitung dengan cara trial dan error dari persamaan berikut : + μ. dimana : μ koefisien molar change μ o chemical koefisien molar change Mg jumlah gas sesudah pembakaran Me jumlah udara sebelum pembakaran α. L o Q L LHV 59

15 ξ z koefisien pemanfaatan panas 0,65 0,85 mean molar isochoric heat capacity hasil pembakaran mean molar isochoric heat capacity udara bercampur residual gas λ perbandingan tekanan akibat pembakaran pada volume tetap. Harga tergantung pada ruang bakar pada beban penuh. Untuk Pre combustion chamber engine, α 1,4 1,6 - kenaikan tekanan maksimum pembakaran : P z α. P z diambil : λ 1,4 P z 1,4. 683,26 956,564 N/cm 2 - kwantitas produk pembakaran : M g kmole/kg 0, ,7741 kmole/kg - koefisien molar change : μ 1,042 60

16 - temperatur pembakaran : berikut : Dihitung dengan persamaan keseimbangan thermodinamis sebagai - kapasitas panas pada tekanan tetap untuk udara pada temperatur t c 595 o C, diperoleh dengan cara interpolasi sebagai berikut : Pada t 500 o C (mc p ) a 7,189 kcal/mole o C t 600 o C (mc p ) a 7,263 kcal/mole o C 7,263 kcal/mole o C - kapasitas panas pada volume tetap, (mc v ) a : - 1,985 7,2593 1,985 5,2743 kcal/mole o C Jadi : 1,042 Dari persamaan ini temperatur pada akhir pembakaran, (t z ) dicari dengan cara trial error. Terlebih dahulu dihitung pada temperatur (t z ) 61

17 dengan perkiraan harga t z antara 1700 o C 1800 o C. - relative volumetric v, kompenen gas gas hasil pembakaran dihitung sebagai berikut : 0,21(α 1)L o 0,21(1,51 1)0,495 0,052 kmole O 2 /kg b.b 0,79.α.L o 0,79. 1,5. 0,49 0,5866 kmole N 2 /kg b.b 0,0725 kmole CO 2 /kg b.b. 0,063 kmole H 2 O/kg b.b ,7741 kmole gas/kg b.b 0,0672 0,7578 Jadi : 0,0936 0,0814 Kapasitas panas untuk tekanan tetap untuk gas : 62

18 + + + Trial : t z 1790 O C Dengan interpolasi didapat : 8,5665 8,56 kcal/mole o C Didapat : t z 1785 o C Ternyata harga t z harga t z trial 1790 O C atau error cukup kecil, sehingga trial dapat dipakai. Jadi temperatur pada akhir pembakaran : t z K - derajat ekspansi awal : ρ.. 1, Perhitungan pada Langkah Ekspansi Langkah ini juga merupakan kurva politropis. Eksponen ekspansi politropis rata rata (η 2 ) bervariasi antara 1,15 1,3. - tekanan gas pada akhir ekspansi : P b dimana : dengan perbandingan ekspansi lanjut 63

19 - temperatur gas pada akhir ekspansi : Eksponen politropis kompresi (n 1 ) lebih besar dari pada eksponen politropis ekspansi (n 2 ), disebabkan pada saat kompresi fluida kerja adalah udara yang sifat fisiknya mendekati gas ideal eksponen politropis kompresinya 1,4 sedangkan pada saat ekspansi fluida kerja merupakan campuran udara dan gas gas hasil pembakaran. Selain itu politropis tergantung juga pada temperatur, dimana diketahui bahwa pada saat kompresi temperatur meningkat sedangkan pada saat ekspansi temperaturnya berkurang. - derajat eskpansi lanjut : 9,61 - tekanan akhir ekspansi :, diambil : n 2 1,27 54,03 N/cm 2 - temperatur akhir ekspansi 64

20 1120 K 847 o C Perhitungan pada Prestasi Motor a. tekanan indikator rata rata : 148,3 N/cm 2 b. tekanan efektif rata rata : mep φ. η m. p 1 dimana : φ faktor koreksi diagram 0,95 0,97 0,97 (dipilih) η m efisiensi mekanis 0,87 mep 0,97. 0, ,3 125,15 N/cm 2 c. density udara pemasukan : kg/m 3 1,626 kg/m 3 d. pemakaian bahan bakar spesifik : 65

21 gr/hp jam dimana : efisiensi pengisian 0,93 density udara pemasukan 1,626 kg/m 3 mep tekanan efektif rata rata 125,15 N/cm 2 12,76 kg/cm 2 α koefisien kelebihan udara 1,5 L th kebutuhan udara teoritis untuk pembakaran 1 kg bahan bakar 14,453 kg ud/kg b.b maka : gr/hp jam 197,86 gr/kwh e. pemakaian bahan bakar efektif Bsfc η th. Sfc 0,87.147,6 128,4 gr/hp jam 172,12 gr/kwh f. effisiensi thermal 66

22 η th 0,485 g. daya indikator N Hp Table 4.3 perbandingan antara motor diesel tanpa turbocharger dengan yang lengkapi turbocharger 67

23 NO 1 Parameter Daya Efektif Dengan Turbocharger 415 HP Tanpa Turbocharger 290 HP 2 Daya Indikator 477 HP 341 HP 3 Tekanan awal kompresi (P a ) 14,91 N/cm 2 9,22 N/cm 2 4 Temperatur awal kompresi (T a ) 322 K 338,5 K 5 Effisiensi pemasukan (η th ) 0,93 0,824 6 Tekanan akhir kompresi (P c ) 683,26 N/cm 2 422,5 N/cm 2 7 Temperatur akhir kompresi (T c ) 868 K 912,5 K 8 Tekanan akhir pembakaran (P z ) 956,564 N/cm N/cm 2 9 Temperatur akhir pembakaran (T z ) 2063 K 2098 K 10 Tekanan akhir ekspansi (P b ) 54,03 N/cm 2 30,8 N/cm 2 11 Temperatur akhir ekspansi (T b ) 1120 K 1088 K 12 Tekanan indikator rata rata (p 1 ) 148,3 N/cm 2 85,95 N/cm 2 13 Tekanan effektif rata rata (M ep ) 125,15 N/cm 2 70,86 N/cm 2 14 Spesifik fuel consumtion (bsfc) 128,4 gr/hp jam 144,7 gr/hp jam 15 Effisiensi thermal (η th ) 0,485 0,43 68