BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Motor Bensin Motor bensin adalah suatu motor yang mengunakan bahan bakar bensin. Sebelum bahan bakar ini terbakar didalam silinder terlebih dahulu dijadikan gas yang kemudian dikompresikan didalam ruang bakar, yang dimaksud gas disini adalah campuran udara dan bensin. Umumnya perbandingan udara dan bensin adalah 15:1. Dengan adanya campuran bensin dan udara yang dikompresikan didalam silinder maka terjadilah ledakan yang akan mendorong torak kebawah dengan tenaga yang besar. Karena tenaga ini tidak bisa langsung digunakan maka tenaga ini diubah menjadi gerak-putar. Bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder dan dikompresikan oleh torak, campuran bahan bakar dan udara dibakar oleh loncatan bunga api dari busi didalam silinder. Kecepatan pembakaran melalui campuran udara biasanya 10-25 m/dt. Suhu udara naik hingga 2000-2500 C dan tekanannya mencapai 30-40 kg/cm 2. 2.2 Siklus Motor 4 Langkah Dalam suatu siklus motor bakar ada beberapa proses yang terjadi pada saat proses pembakaran dalam silinder : 1. Proses Temperatur Konstan (Isothermal)
Suatu proses yang terjadi didalam silinder dimana pada saat gas dimasukkan kedalam silinder gas akan berubah karena tekanan torak, suhu gas akan dijaga agar tetap konstan dengan jalan memanaskan dan mendinginkan silinder. 2. Proses Volume Konstan (Isochoris) Proses yang terjadi didalam silinder dimana pada saat langkah kompresi gas dirubah dengan cara memanaskan silinder, dan torak tidak bergerak sehingga volume gas didalam silinder tetap konstan. 3. Proses Tekanan Konstan (Isobaris) Proses yang terjadi dimana keadaan gas dirubah dengan cara memanaskan silinder, sedang torak bergerak bebas sehingga tekenan gas dalam silinder tetap konstan. 4. Proses Isentropik Proses kompresi dan ekspansi didalam suatu silinder dimana suhu gas tidak mengalami penambahan ataupun pengurangan kalor. 5. Proses Politropis Suatu proses yang terjadi didalam silinder dimana tekanan dan volume dianggap sama.
Motor bensin Pada siklus pembakaran motor bensin dipengaruhi oleh Volume(V), tekanan (P), dan temperatur (T). Gambar 2.1 diagram P-V 1. Langkah hisap (0-1) merupakan proses tekanan konstan (Isobaris) 2. Langkah kompresi (1-2) adalah proses isentropic 3. Langkah pembakaran (2-3) dianggap sebagai proses pemasukan kalor pada volume konstan (Isochoris) 4. Langkah usaha (3-4) adalah proses isentropic
5. Proses pembuangan (4-1) dianggap sebagai proses pelepasan kalor pada volume konstan (Isochoris) 6. Langkah buang (1-0) adalah proses tekana konstan (Isobaris) Proses siklus yang ideal itu biasanya dinamai siklus udara, dengan beberapa siklus idealisasi sebagai berikut : 1. Fluida kerja didalam silinder adalah udara, dianggap sebagai gas ideal dengan konstanta kalor yang konstan. 2. Proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara isentropic. 3. Proses pembakaran dianggap sebagai proses pemanasan fluida kerja. 4. Pada akhir proses ekspansi, yaitu pada waktu torak mencapai TMB, fluida kerja didinginkan sehingga tekanan dan temperaturnya mencapai tekanan dan temperatur atmosfir. 5. Tekanan fluida kerja didalam silinder selama langkah buang dan langkah isap adalah konstan dan sama dengan tekanan konstan. Pada gambar diatas menunjukan siklus volume konstan yang dianggap sebagai siklus dasar dari setiap mesin empat-langkah. Pada waktu torak berada pada TMB (Titik 1) udara pada kondisi atmosfir. Gerakan torak dari TMB ke TMA (Titik 2) menyebabkan udara pada kondisi atsmosfir tersebut mengalami proses kompresi isentropic sampai torak mencapai TMA, sesuai dengan idealisasi (2). Pada waktu torak berada pada TMA udara dipanasi pada volume konstan sehingga tekanan naik, sesuai dengan idealisasi (3). Pada gambar diatas proses tersebut terakhir dilukiskan sebagai proses dari titik 2 sampai 3, dimana garis 2-3
merupakan garis vertical. Selanjutnya, gerakan torak dari TMA ke TMB merupakan proses ekspansi isentropic dari titik 3 ketitik 4, sesuai dengan idealisasi (2). Pada saat torak mencapai TMB (titik 4), sesuai dengan idealisasi (4) udara didinginkan sehingga mencapai kondisi atmosfir (titik 1). Gerakan torak selanjutnya dari TMB ke TMA, yaitu dari titik 1 ke titik 0, adalah langkah buang pada tekanan konstan. 2.3 Prinsip Kerja Motor Didalam mesin bensin campuran udara dan bensin dihisap kedalam silinder. Kemudian dkompresikan oleh torak saat bergerak naik. Bila campuran udara dan bensin terbakar dengan adanya api dari busi yang panas sekali, maka akan menghasilkan tekanan gas yang besar didalam silinder. Dari gerak lurus torak dirubah menjadi gerak putar pada poros engkol melalui batang torak. Gerak putar inilah yang menghasilkan tenaga pada mobil. Posisi tertinggi yang dicapai torak dalam silinder disebut titik mati atas (TMA), dan posisi terendah yang dicapai torak disebut titik mati bawah (TMB). Jarak bargeraknya torak antara TMA dan TMB disebut langkah torak (stroke). Ada juga mesin yang tiap siklusnya terdiri dari dua langkah torak. Mesin ini disebut mesin dua langah (2 Tak ), poros engkolnya berputar satu kali selama torak menyelesaikan dua langkah. Sedangkan mesin lainya tiap siklus terdiri dari empat langkah torak, mesin ini disebut mesin empat langkah (4 Tak ). Poros engkol berputar dua putaran penuh selama torak menyelesaikan empat langkah
dalam tiap satu siklus, tetapi yang akan kita uraikan adalah mesin bensin 4 langkah. 2.3.1 Motor Bensin 2 Langkah Motor bensin dua langkah adalah motor bakar yang membutuhkan satu kali putaran poros engkol untuk sekali kerja, atau bisa di katakan membutuhkan dua kali gerakan torak untuk sekali proses pembakaran. Motor dua langkah tidak menggunakan mekanisme katup untuk proses pemasukan gas baru ataupun pembuangan gas bekas. Dinding silinder pada motor dua langkah mempunyai lubang untuk proses pemasukan gas baru dan satu lubang lagi untuk proses pembuangan gas bekas ke knalpot. Proses kerja motor 2 langkah : 1. Langkah Usaha, buang dan bilas. Pada langkah ini torak bergerak dari TMA ke TMB merupakan langkah usaha, ketika saluran buang mulai terbuka maka gas buang sisa pembakaran mulai keluar karena adanya perbeda'an tekanan di dalam dan di luar silinder, pada saat saluran buang terbuka setengah maka saluran bilas yang letaknya berhadapan dengan saluran buang juga mulai terbuka sehingga campuran udara dan bahan bakar yang ada di karter (Bak engkol) akan tertekan kemudian masuk ke dalam silinder sambil mendorong gas sisa pembakaran yang belum sempat keluar melalui saluran buang, oleh karena itu ada sebagian gas baru (campuran udara dan bahan bakar) yang ikut keluar bersama gas buang.
2. Langkah kompresi dan hisap Torak bergerak dari TMB ke TMA, ketika torak mulai bergerak ke TMA maka saluran bilas mulai tertutup dilanjutkan dengan tertutupnya saluran buang sehingga campuran udara dan bahan bakar akan di kompresikan, pada saat yang bersamaan di bawah torak (bak engkol) tejadi kevakuman / hampa udara sehingga gas campuran udara dan bahan bakar dari karburator akan terhisap masuk ke dalam karter (bak engkol). a. langkah usaha,buang dan bilas b. kompresi dan hisap Gambar 2.2 Prinsip Kerja motor bensin 2 langkah 2.3.2 Motor Bensin 4 Langkah
Motor bensin empat langkah prinsip kerjanya sangat jauh berbeda dengan motor bensin dua langkah, untuk motor bensin empat langkah membutuhkan dua kali putaran puros engkol untuk sekali kerja, atau bisa dikatakan memerlukan empat kali gerakan torak untuk sekali proses pembakaran. Proses kerja motor 4 langkah 1. Langkah Hisap Dalam langkah ini torak bergerak dari TMA ke TMB, campuran udara dan bensin dihisap kedalam silinder. Katup hisap terbuka dan katup buang tertutup. Waktu torak bergerak kebawah menyebabkan ruang silinder menjadi vakum, masuknya campuran udara dan bensin kedalam silinder disebabkan adanya tekanan udara luar ( atmospheric pressure). 2. Langkah Kompresi Dalam langkah ini campuran udara dan bensin dikompresikan. Katup hisap dan katup buang tertutup. Waktu torak mulai naik dari TMB ke TMA campuran yang dihisap tadi dikompresikan. Akibatnya tekanan dan temperaturnya naik sehingga akan mudah terbakar. Poros engkol berputar satu kali, ketika torak mencapai TMA. 3. Langkah Usaha Dalam langkah ini, mesin menghasilkan tenaga untuk menggerakkan kendaraan. Sesaat sebelum torak mencapai TMA pada langkah kompresi, busi memercikkan bunga api, sehingga terjadi ledakan di dalam silinder dan mendorong torak ke bawah. Usaha ini yang menjadi tenaga mesin (engine power).
4. Langkah Buang Dalam langkah ini, gas yang terbakar dibuang dari dalam silinder. Katup buang terbuka, torak bergerak dari TMB ke TMA, mendorong gas bekas keluar dari silinder. Langkah Hisap Langkah Kompresi Langkah Usaha Langkah Buang Gambar 2.3 Prinsip Kerja motor bensin 4 langkah 2.4 Proses kerja katup Pada motor bensin empat langkah poros nok (camshaft) akan berputar setengah dari putaran poros engkol, sehingga masing-masing katup bekerja
membuka dan menutup selama dua kali putaran poros engkol. Angka-angka derajat membukanya katup masuk sebelum torak mencapai TMA dan akan menutup sesudah torak mlewati TMB. Demikian juga beberapa derajat posisi torak sebelum mencapai TMB katup buang mulai membuka dan beberapa derajat posisi torak setelah melewati TMA katup buang menutup. keterangan : M.B = Katup masuk terbuka M.T = Katup masuk tertutup B.B = Katup buang terbuka B.T = Katup buang tertutup
Gambar 2.4 Diagram kerja katup Pada diagram di atas terlihat katup masuk mulai membuka 12 sebelum torak mencapai TMA dan akan menutup setelah torak melewati TMB 40, maka katup masuk terbuka selama 12 + 180 + 40 = 232. Dilanjutkan dengan langkah kompresi sejak katup masuk tertutup hingga terjadi lentikan api listrik tegangan tinggi dari busi. Misalkan, 12 sebelum torak mencapai TMA, maka diperoleh total derajat = (90-40 ) + (90-15 ) = 50 + 75 = 125. Setelah langkah kompresi, yang kemudian dilanjutkan dengan langkah usaha yang berlangsung sejak api listrik tegangan tinggi terlentikan dari busi hingga katup buang mulai membuka,yaitu 15 + 90 + (90-47 ) = 148. Proses pembuangan gas bekas pembakaran dari dalam silinder terjadi saat katup buang mulai terbuka hingga katup buang tertutup, yaitu: 47 + 180 + 21 = 248. Kemudian pada akhir langkah pembuangan, katup masuk sudah mulai membuka yaitu 12 sebelum torak mencapai TMA. Sementara itu, katup buang masih terbuka dan baru akan menutup setelah torak melewati TMA 21. Kejadian ini dikenal dengan sebutan overlap, yaitu dimana katup masuk dan katup buang sama-sama terbuka. Adapun tujuan overlap tersebut adalah pembilasan sisa gas bekas yang masih terdapat di dalam ruang bakar dengan bantuan dari gas baru yang masuk dari katup masuk dengan cara mendorong gas bekas yang masih tersisa di ruang bakar. 2.5 Proses pembakaran
Pada motor bensin empat langkah pembakaran campuran udara dan bahan bakar terjadi pada saat langkah kompresi ± 12-5 sebelum torak mencapai TMA. Apabila proses pembkaran terjadi jauh sebelum ataupun jauh sesudah derajat yang telah di tentukan untuk proses pembakaran pada motor bensin empat langkah maka pengaruhnya untuk mesin sangat besar. Apabila proses pembakarannya terjadi jauh sebelum 12 maka didalam silinder akan terjadi ketukan (knocking), apabila kejadian ini dibiarkan terus menerus tanpa perbaikan, bisa juga batang penghubung (connecting rod) akan bengkok. Dan jika proses pembakaran terjadi jauh sesudah torak melewati TMA maka tenaga mesin kurang maksimal, akibat pembakaran yang tidak sempurna ini. Gas sisa hasil pembakaran akan mengandung kadar CO (Carbon monoksida) yang berlebihan / mengandung racun akan sangat berbahaya apabila sampai terhirup manusia. Urutan proses pembakaran pada motor bensin empat langkah empat silinder yaitu : 1 3 4 2 atau bisa di baca dengan melihat tabel urutan proses pembakaran di bawah ini. Silinder 0-180 180-360 360-540 540-720 1 H K U B 3 B H K U 4 U B H K 2 K U B H Keterangan : H = Langkah hisap U = Langkah Usaha K = Langkah Kompresi B = Langkah Buang
2.6 Perhitungan Kapasitas Silinder 2.6.1 Isi Silinder Isi silinder adalah besarnya volume langkah ditambah volume ruang bakar. Volume langkah adalah volume di atas torak saat torak berada di TMB sampai garis TMA. Sedang volume ruang bakar adalah volume di atas torak, sewaktu torak berada di TMA. Besarnya isi silinder atau volume langkah dapat dicari dengan rumus: VL = π D 4 2 S Z atau 0,785. 2 D L jadi isi silinder dapat dicari dengan rumus: Vt = VL + VC Pada motor yang mempunyai silinder lebih dari satu, misalnya motor 4 silinder, dapat dicari dengan rumus: V C + V C + V C + V C atau 4.V C Keterangan: Vt : Volume silinder VL : Volume Langkah V C : Volume ruang bakar D : Diameter Silinder S : Langkah Torak 2.6.2 Perbandingan Kompresi
Perbandingan kompresi dinyatakan dengan symbol ε dan dapat dicari dengan rumus: ε = VI +Vc atau ε Vc = 1+ Vl atau Vc ε Vl - = Vc Keterangan : ε = Perbandingan kompresi Vl = Volume langkah Vc = Volume Ruang bakar Perbandingan kompresi biasanya dibuat tinggi dengan tujuan untuk meningkatkan tekanan dan suhu akhir pemampatan.