4 BAB II DASAR TEORI 2.1 Motor Bakar Motor bakar merupakan salah satu alat (mesin) yang mengubah tenaga panas menjadi tenaga mekanik, motor bakar umumnya terdapat dalam beberapa macam antara lain : mesin bensin dan mesin diesel. Sebagian besar yang digunakan pada kendaraan umum atau mobil menggunakan model torak dan model internal combustion engine dimana model dibagi kedalam motor bensin dan motor diesel, bila ditinjau dari cara penyalaan campuran bahan bakar dan udara di dalam ruang bakar maka motor bakar torak dibedakan menjadi : 1. Spark Ignition Engine Pada sistem ini campuran bahan bakar dan udara dinyalakan oleh loncatan bunga api listrik 2. Compression ignition engine Pada sistem ini terbakarnya campuran bahan bakar dan udara terjadi karena proses penyalaan sendiri. Prosesnya dapat dijelaskan sebagai berikut, udara yang masuk keruang bakar dikompresikan oleh gerakan piston dari TMB menuju TMA dan menyebabkan temperature dan tekanan udara naik, sesaat sebelum piston mencapai TMA bahan bakar bertekanan tinggi disemprotkan keruang bakar, selanjutnya apabila telah melampaui temperatur penyalaan sendiri (self ignition temperature) maka campuran tersebut akan menyala dan terbakar. 2.2 Prinsip Kerja Mesin Bensin Campuran udara dan bensin dihisap kedalam silinder, kemudian dikompresikan oleh torak pada saat bergerak dari TMB ke TMA. Pada saat campuran tersebut terbakar karena adanya api dari busi, maka akan menghasilkan tekanan gas pembakaran yang besar didalam silinder. Tekanan gas pembakaran ini akan mendorong torak dari TMA ke TMB, dari gerak lurus torak diubah menjadi gerak
5 putar pada poros engkol melalui batang torak. Gerak putar inilah yang menghasilkan tenaga pada kendaraan. Berdasarkan langkah torak, setiap siklusnya mesin dapat dibedakan menjadi dua yaitu : mesin dua langkah (two stroke engine) dan mesin empat langkah (four stroke engine). Mesin dua langkah merupakan mesin yang dalam melakukan satu kali siklus kerja memerlukan dua kali langkah torak dan satu kali putaran poros engkol, sedangkan mesin empat langkah merupakan mesin yang dalam melakukan satu siklus kerja memerlukan empat kali langkah torak dan dua kali putaran poros engkol. 2.2.1 Prinsip Kerja Mesin Empat Langkah a. Langkah Isap TMA TMB Gambar 2.1 Langkah Isap Torak bergerak dari TMA ke TMB sementara itu katup isap terbuka, katup buang tertutup, didalam silinder terjadi kevakuman karena isapan dari gerak torak akibatnya campuran bahan bakar dan udara terisap. b. Langkah Kompresi ( compression Stroke ) TMA TMB Gambar 2.2 Langkah Kompresi
6 Katup isap dan buang tertutup, torak bergerak dari TMB ke TMA, campuran bahan bakar dan udara mengalami kompresi, sehingga tekanan dan temperature naik c. Langkah Usaha ( Power Stoke ) TMA TMB Gambar 2.3 Langkah Usaha Katup isap dan katup buang masih dalam keadaan tertutup, beberapa saat torak mendekati TMA terjadi loncatan bunga api listrik dari busi. Terjadilah pembakaran campuran bahan bakar dan udara, sehingga tekanan dan temperatur bertambah tinggi, akibat dari tekanan yang tinggi itu torak akan terdorong kembali ke TMB. d. Langkah Buang ( Exhaust Stroke ) TMA TMB Gambar 2.4 Langkah Buang
7 Katup isap tertutup, katup buang terbuka torak bergerak dari TMB ke TMA, gas sisa pembakaran terbuang keluar (http://ratmotorsport.com) 2.2.2 Siklus Thermodinamika Motor Bakar Analisis siklus thermodinamika merupakan dasar penting dalam mempelajari motor bakar. Proses kimia dan thermodinamika yang terjadi pada motor bakar sangatlah rumit untuk dianalisis, sehingga diperlukan suatu siklus yang diidealkan guna memudahkan analisis motor bakar. siklus yang diidealkan tentunya harus mempunyai kesamaan dengan siklus sebenarnya, Yaitu dalam hal urutan proses dan perbadingan kompresi. Didalam siklus aktual fluida kerja adalah campuran bahan bakar dan udara, akan tetapi didalam siklus yang diidealkan fluidanya adalah udara. Jadi siklus ideal dapat disebut dengan siklus udara. Adapun siklus udara yang sering kita kenal yaitu siklus udara volume konstan (siklus otto) dan siklus udara tekanan konstan (siklus diesel). Pada penelitian ini mesin yang digunakan yaitu mesin empat langkah dengan bahan bakar bensin, adapun siklus ideal motor bensin empat langkah seperti gambar dibawah ini : TMA TMB Gambar 2.5 P V Diagram motor bensin empat langkah Gambar 2.5 diatas adalah diagram siklus motor bensin empat langkah, fluida kerjanya adalah campuran bahan bakar dan udara, jadi ada proses pembakaran untuk sumber panas, pada langkah isap tekanannya lebih rendah dibandingkan dengan
8 langkah buang. Proses pembakaran dimulai dari penyalaan busi sampai akhir pembakaran. Proses kompresi dan exspansi tidak adiabatic reversible, karena terdapat kerugian panas yang keluar ruang bakar 2.3 Sistem Pengapian Pengapian adalah satu dari tiga faktor hidupnya mesin. Jika kita membahas tentang sistem pengapian pada mesin motor dengan pengapian busi, hal pertama yang kita pikirkan adalah percikan bunga api yang berada di elektroda busi. Bunga api tersebut membakar campuran udara dan bahan bakar minyak didalam ruang bakar yang kemudian mengawali proses pengapian. Akan tetapi pengapian tersebut hanya merupakan suatu proses yang terjadi dengan sangat cepat. Performa dari mesin sangat tergantung pada kinerja sistem pengapian ini. Oleh sebab itu sistem pengapian harus dapat memberikan tegangan yang sesuai dengan putaran mesin untuk menjamin terjadinya bunga api yang sesuai pada busi. Daya maksimal dari mesin didapat dengan menambah jumlah campuran bahan bakar dengan udara. Tetapi bila sistem waktu pengapian tidak tepat maka daya maksimal mesin akan tidak tercapai. Ini disebabkan karena waktu pengapian terlalu maju atau sebaliknya terlalu mundur. Jadi bila sistem pengapian tepat maka akan terjadi pembakaran yang lebih sempurna. Dan ini juga berkaitan dengan kompresi mesin dan bahan bakar yang digunakan. Dalam perkembangannya sistem pengapian pada sepeda motor dengan menggunakan sistem pengapian CDI kini lebih berkembang dibandingkan dengan sistem pengapian konvensional dengan menggunakan platina, sistem ini mulai banyak ditinggalkan karena dinilai tidak efesien dan memerlukan perawatan berkala, adapun sistem pengapian dengan CDI dibagi menjadi 2 jenis yaitu : 1. Sistem Pengapian CDI DC Sistem kelistrikan DC pada sepeda motor berarti kelistrikan yang dihasilkan oleh sepul akan melalui filter berupa kiprok yang akan membatasi tegangan jika melebihi tegangan yang seharusnya dan mengubah tegangan yang dihasilkan sepul yang berupa AC menjadi DC agar bisa digunakan untuk sistem pengisian tegangan untuk battery. Battery menjadi perangkat yang penting dalam sistem kelistrikan DC
9 karena digunakan untuk menghidupkan perangkat kelistrikan yang terdapat pada sepeda motor. 2. Sistem Pengapian CDI - AC Sistem kelistrikan AC pada sepeda motor berarti kelistrikan yang dihasilkan oleh sepul semuanya akan digunakan untuk perangkat kelistrikan dan pengapian pada sepeda motor. Sistem kelistrikan AC akan menghasilkan tegangan yang naik turun tergantung putaran mesin. Battery hanya menjadi penyimpan tegangan sementara jika sistem kelistrikan kekurangan tegangan untuk menghidupkan perangkat kelistrikan yang terdapat pada sepeda motor, sehingga sepeda motor dapat dihidupkan meski tanpa menggunakan battery. 2.3.1 Komponen Penting Sistem Pengapian CDI 1. Battery (Accu) Battery pada sistem pengapian berfungsi sebagai penyedia dan penyimpan arus listrik dalam sistem pengapian Gambar 2.6 Battery kering 2. Sekring ( fuse ) Berfungsi sebagai pengaman rangkaian sistem pengapian jika terjadi hubungan singkat ataupun arus listrik pada rangkaian melebihi batas. Jadi
10 peralatan pengapian aman dari kerusakan akibat terjadi konsleting atau pun kelebihan beban. Gambar 2.7 Fuse 3. CDI ( Capacitor Discharge Ignition ) Merupakan rangkaian elektronik yang berfungsi sebagai pengatur saat pengapian dan mendapat input dari pulser. Jadi kapan busi memercikan bunga api diatur oleh alat ini. Gambar 2.8 CDI 4. Pulser Berfungsi dengan pick up coil untuk menghasilkan tegangan listrik yang akan memberikan signal ke CDI
11 Gambar 2.9 Pulser 5. Roda Timing Adalah sebuah lempengan logam yang juga sebagai flywheel dan terdapat sebuah tonjolan. Tonjolan ini berfungsi sebagai timing dari pengapian yang dibaca oleh pulser 6. Koil Berfungsi untuk menghasilkan tegangan tinggi yang dibutuhkan untuk menyediakan api dari busi. Sejenis trafo yang menghasilkan induksi sendiri dan induksi yang lain yang saling menguntungkan. Gambar 2.10 Ignition Koil
12 8. Busi Busi menghasilkan pijaran api diantara elektrodanya ( dari pusat elektrodanya ke ground ) untuk membakar campuran udara dan bahan bakar saat menerima tegangan tinggi dari koil. Gambar 2.11 Busi 2.3.2 Sistem Pengapian CDI - DC Sistem pengapian CDI ini menggunakan arus yang bersumber dari baterai. Prinsip dasar CDI - DC adalah seperti gambar di bawah ini: Gambar 2.12 Prinsip Dasar CDI - DC Berdasarkan gambar di atas dapat dijelaskan bahwa baterai memberikan tegangan 12 volt kesebuah inverter (bagian dari unit CDI). Kemudian inverter akan menaikkan tegangan menjadi sekitar 100 V - 400 V. Tegangan ini selanjutnya akan mengisi kondensor/kapasitor. Ketika dibutuhkan percikan bunga api busi, pick-up coil akan
13 memberikan sinyal elektronik ke switch (saklar) S untuk menutup. Ketika saklar telah menutup, kondensor akan mengosongkan (discharge) muatannya dengan cepat melalui kumparan primaer koil pengapian, sehingga terjadilah induksi pada kedua kumparan koil pengapian tersebut. Jalur kelistrikan pada sistem pengapian CDI dengan sumber arus DC ini adalah arus pertama kali dihasilkan oleh kumparan pengisian akibat putaran magnet yang selanjutnya disearahkan dengan menggunakan Cuprok (Rectifier) kemudian dihubungkan ke baterai untuk melakukan proses pengisian (Charging System). Dari baterai arus ini dihubungkan ke kunci kontak, CDI unit, koil pengapian dan ke busi. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut : Gambar 2.13 Pengapian CDI - DC Cara kerja sistem pengapian CDI dengan arus DC yaitu pada saat kunci kontak di ON-kan, arus akan mengalir dari baterai menuju sakelar. Bila sakelar ON maka arus akan mengalir ke kumparan penguat arus ( inverter ) dalam CDI yang meningkatkan tegangan dari baterai (12 Volt DC menjadi 100-400 Volt AC). Selanjutnya, arus disearahkan melalui dioda dan kemudian dialirkan ke kondensor untuk disimpan sementara. Akibat putaran mesin, koil pulsa menghasilkan arus yang kemudian mengaktifkan SCR, sehingga memicu kapasitor untuk mengalirkan arus ke kumparan primer koil pengapian. Pada saat terjadi pemutusan arus yang mengalir pada kumparan primer koil pengapian, maka timbul tegangan induksi pada kedua
14 kumparan yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder dan menghasilkan loncatan bunga api pada busi untuk melakukan pembakaran campuran bahan bakar dan udara (http://lh5.ggpht.com). 2.3.3 Sistem Pengapian CDI - AC Sistem CDI - AC pada umumnya terdapat pada sistem pengapian elektronik yang suplai tegangannya berasal dari source coil (koil pengisi/sumber) dalam flywheel magnet. Pada saat magnet permanen (dalam flywheel magnet) berputar, maka akan dihasilkan arus listrik AC dalam bentuk induksi listrik dari source coil. Arus ini akan diterima oleh CDI unit dengan tegangan sebesar 100 sampai 400 volt. Arus tersebut selanjutnya dirubah menjadi arus setengah gelombang (menjadi arus searah) oleh diode, kemudian disimpan dalam kondensor (kapasitor) dalam CDI unit. Gambar 2.14 Pengapian CDI - AC Rangkaian CDI unit bisa dilihat dalam gambar dibawah. Kapasitor tersebut tidak akan melepas arus yang disimpan sebelum SCR (thyristor) bekerja.
15 Gambar 2.15 Pengapian CDI - AC Pada saat terjadinya pengapian, pulsa generator akan menghasilkan arus signal. Arus signal ini akan disalurkan ke gerbang (gate) SCR (silicon controlled rectifier). Seperti terlihat pada gambar di bawah ini: Gambar 2.16 Pengapian CDI - AC Dengan adanya trigger (pemicu) dari gate tersebut, kemudian SCR akan aktif (on) dan menyalurkan arus listrik.
16 Gambar 2.17 Pengapian CDI - AC Dengan berfungsinya SCR tersebut, menyebabkan kapasitor melepaskan arus (discharge) dengan cepat. Kemudian arus mengalir ke kumparan primer (primary coil) koil pengapian untuk menghasilkan tegangan sebesar 100 sampai 400 volt sebagai tegangan induksi sendiri. Akibat induksi diri dari kumparan primer tersebut, kemudian terjadi induksi dalam kumparan sekunder dengan tegangan sebesar 15 KV sampai 20 KV. Tegangan tinggi tersebut selanjutnya mengalir ke busi dalam bentuk loncatan bunga api yang akan membakar campuran bensin dan udara dalam ruang bakar (http://lh5.ggpht.com). 2.3.4 Sistem Pengapian DC Programmable CDI Sistem ini sama seperti sistem pengapian DC-CDI seperti dijelaskan diatas. Yang membedakan hanya unit CDI menggunakan sistem digital yang dapat deprogram ulang. Jadi kita bisa memilih grafik kurva pengapian yang kita inginkan dan sesuai dengan setingan mesin yang kita inginkan. Sehingga mekanik mudah untuk menseting mesin agar sesuai dengan kemauan pengendara. Berikut gambar programmable CDI :
17 Gambar 2.18 Programmable CDI 10 9 11 12 Gambar 2.19 Pengapian DC Programmable CDI
18 Cara kerja sistem pengapian DC Programmable CDI : Sebelum menghidupkan kendaraan tentukan terlebih dahulu peta pengapian berapa yang kita ingin gunakan, dengan catatan saat menseting peta pengapian kunci kontak kendaraan pada posisi on. Sehingga data MAP yang dipilih bisa tersimpan di data storage unit. Saat mesin dihidupkan arus dari baterai akan mengalir ke kumparan penguat arus (voltage inverter) dan kemudian komponen ini menaikan tegangan dari baterai yang mula-mula tegangannya 12 volt menjadi 350 volt, selajutnya arus disearahkan oleh diode dan kemudian dialirkan menuju kapasitor. Akibat putaran mesin kumparan pulser mengirim sinyal menuju Pulse Signal Digitizer yang nantinya level signal analog dari kumparan pulser akan diubah menjadi sinyal digital supaya bisa dibaca oleh CPU. Signal dari Pulse Signal Digitizer ini nantinya yang akan mengaktifkan SCR pada fitting area yang diatur terlebih dahulu oleh Thyristor Driver, sehingga memicu kapasitor untuk mengalirkan arus kekumparan primer koil pengapian. Pada saat terjadi pemutusan arus yang mengalir pada kumparan primer koil pengapian, maka timbul tegangan induksi pada kedua kumparan yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder dan menghasilkan loncatan bunga api pada busi untuk melakukan pembakaran campuran bahan bakar dan udara (http://www rextortech.com). Keterangan gambar diatas : 1. Blok Nomer 1 : Voltage inverter 12 volts to 350 volts, rangkaian ini yang bertugas menaikkan tegangan dari 12 volts ke 350 volts. 2. Blok Nomer 2 : Firing Area; Rangkaian Pengapian, digunakan untuk menyalakan kumparan pembangkit api busi. Komponen utama adalah thyristor dan capacitor, sistem penyalaannya dikendalikan oleh blok nomer 3. 3. Blok Nomer 3 : Thyristor Driver, rangkaian pengendali thyristor. 4. Blok Nomer 4 : Central Processor Unit / CPU. Sistem computer utama pengendali CDI, mengatur segala fungsi CDI mulai dari pengendalian sistem pengapian hingga komunikasi dengan PC (Personal Computer) untuk keperluan tuning data. 5. Blok Nomer 5 : Pulse Signal Digitizer; rangkaian untuk mengubah level sinyal analog ke level sinyal digital supaya bisa dibaca oleh CPU.
19 6. Blok Nomer 6 : Data Communication Interface, rangkaian komunikasi dengan PC. 7. Blok Nomer 7 : Data Storage Unit, rangkaian berisi IC Memori untuk menyimpan data setting. 8. Blok Nomer 8 : Power supply khusus untuk CPU. 9. Battery 12 volt 10. Pulser Signal Coil : Kumparan pulser. 11. Ignition Coil : Kumparan pembangkit api busi 12. Spark Plug : Busi Dalam penelitian dengan menggunakan CDI programmable ini peta pengapian yang dipilih yakni peta pengapian I, II, III seperti grafik dibawah ini : 1. Grafik Peta Pengapian I Gambar 2.20 Grafik Peta Pengapian I
20 2. Grafik Peta Pengapian II Gambar 2.21 Grafik Peta Pengapian II 3. Grafik Peta Pengapian III Gambar 2.22 Grafik Peta Pengapian III
21 Untuk mempermudah melihat perbedaan grafik pengapian antara peta pengapian I, II, III maka dibuatlah grafik sebagai berikut : Gambar 2.23 Grafik Derajat Pengapian VS Putaran Mesin Dari grafik diatas kita dapat mengetahui karakteristik dari masing-masing MAP pada CDI programmable. Untuk MAP II dan MAP III dapat dilihat tipe derajat pengapiannya hampir sama yaitu memiliki derajat pengapian yang lebih besar dari pada MAP I pada putaran diatas 3000 rpm, ini berarti penggunaan CDI programmable pada MAP I dan II akan memberikan timing pengapian yang lebih maju dari pada MAP I pada rpm tersebut, kurva pengapian seperti ini cocok untuk penggunaan mesin putaran tinggi seperti pada motor balap, karena seperti yang kita tahu bahwa pada saat putaran tinggi gerak torak akan semakin cepat sehingga membutuhkan penyalaan yang lebih awal untuk membakar habis campuran udara dan bahan bakar pada ruang bakar, sedangkan untuk MAP I derajat pengapiannya lebih kecil dibandingakan dengan MAP II dan III, ini artinya timing pengapian pada MAP I lebih mundur dari pada MAP II dan III, tipe pengapian seperti MAP I ini cocok untuk pemakaian kendaraan sehari-hari. 2.4 Brake Power Pengukuran brake power adalah salah satu pengukuran yang penting dalam melakukan pengujian mesin. Dalam penggunaannya hal yang dapat diukur adalah torsi dan kecepatan sudut dari daya poros yang dihasilkan oleh mesin. Alat yang digunakan untuk mengukur torsi disebut dynamometer.
22 Gambar 2.24 Prinsip kerja dynamometer Gambar diatas menunjukan prinsip dari sebuah dynamometer. Sebuah rotor digerakan oleh mesin dalam melakukan pengujian, untuk setiap perputaran poros, rotor yang mengelilingi poros bergerak melalui sebuah perpindahan 2πR yang berlawanan dengan coupling force (F). Dimana kerja yang dihasilkan adalah : W = 2πRF (2.1) 2.4.1 Momen Puntir Momen puntir atau torsi adalah suatu ukuran kemampuan motor untuk menghasilkan kerja. Didalam prakteknya torsi motor berguna pada waktu kendaraan akan bergerak (start) atau sewaktu mempercepat laju kendaraan, dan tenaga berguna untuk memperoleh kecepatan tinggi. Besarnya torsi (T) akan sama, berubah-ubah atau berlipat, torsi timbul akibat gaya tangensial pada jarak dari sumbu putaran. Untuk sebuah mesin yang beroperasi dengan kecepatan tertentu dan meneruskan daya, maka akan timbul torsi atau gaya (F) dan (R) dalam keadaan konstan, yang besarnya dapat ditentukan dari persamaan : T = F. R (2.2) Dimana : F = m. g Dimana : T = Torsi ( N.m ) F = Gaya Berat ( N ) R = Jari jari ( m ) g = Gravitasi (m/s 2 ) m = Massa beban dynamometer ( kg )
23 2.4.2 Daya Daya didefinisikan sebagai hasil dari kerja, atau dengan kata lain daya merupakan kerja energi yang dihasilkan mesin persatuan waktu mesin itu beroperasi. Pada motor diesel, brake horse power (BHP) diukur dengan peralatan pengukur daya yang ditempatkan pada drive shaft mesin. Sebuah perlatan dapat digunakan untuk dapat mengukur gaya-gaya yang bekerja pada mesin dan menghitung besarnya nilai dari gaya tersebut. Gambar 2.25 Prony Brake Dengan mengguanakan prony brake seperti gambit diatas dapat digunakan sebagai dasar untuk menentukan persamaan untuk menghitung besarnya BHP yang dihasilkan oleh mesin. Jika driveshaft mesin melakukan satu kali perputaran dengan jarak sama dengan 2πr. Selama pergerakannya gaya gesek (f) akan terjadi akibat gerkan wheel. Gaya gesek (f) akan timbul sepanjang 2πr dan kerja yang dihasilkan selama satu kali perputarannya adalah sebagai berikut : Kerja = (jarak) x (gaya gesek) = (2πr) x (f) Terjadinya momen (rf) pada driveshaft akan sama dengan momen akibat panjang dari lengan momen (R) dan gaya (F), sehingga : Daya mesin r.f = R.F = T. ω = R. F. ω = R. F. 2πn 60 (2.3)
24 Sehingga : Dimana : BHP = 2πRFn 60 n F R f r = πrfn 30 (watt) (2.4) = Putaran permenit drive shaft (putaran/menit) = Gaya (N) = jari-jari dynamometer (m) = Gaya gesek (N) = Jari-jari poros (m) 2.4.3 Brake Spesific Fuel Consumption (BSFC) Salah satu parameter terpenting dalam mempertimbangkan suatu mesin dan juga merupakan satu dasar dalam perhitungan daya yang dapat dihasilkan ataupun yang dapat disalurkan adalah kebutuhan bahan bakar spesifik (SFC). Jika SFC ditentukan dengan memperhitungkan besarnya BHP, maka akan memperoleh BSFC (Brake Spesific Fuel Consumtion) yang jumlahnya dapat diketahui dari persamaan sebagai berikut : Dan, BSFC FC = FC BHP = mbb waktu (2.5) (2.6) Dimana : BSFC = Brake spesifik fuel consumption (Kg/Kwatt.jam) FC = Fuel consumption (Kg/jam) BHP = Brake horse power (Kwatt)