ANALISA PENGARUH ENDAPAN KARBON PADA BAGIAN ATAS TORAK TERHADAP PRESTASI MOTOR DIESEL L4D 115 AM 48 KUBOTA R Bagus Suryasa M. ABSTRACT Diesel motors generally have several major construction of which is the piston, piston rod, crankshaft, valves, pumps, high-pressure fuel and other driving mechanism. Motor generated power obtained through the combustion of diesel fuel that occurs in the cylinder. This causes translational movement of the piston within the cylinder is connected to the crankshaft on the sleepers through the connecting rod (Rod Conneting). In operation, we often encounter changes in motor power generated, the combustion temperature, pressure and compression sebaginya, especially on motors that have long operated. This research was conducted with the aim of knowing the change parameters before and after the carbon precipitates above the head of a diesel engine piston type L4D 115 AM 48 Kubota. Obtained from this study that carbon deposition occurs above piston head can decrease the volume of compression space so that it is affecting increasing parameters associated with the thermodynamic cycle of a motor. Also obtained that the rising price of the parameters mentioned above cause the power indicator and a large effective power thus fuel consumption per hour to be great, but it increased power and fuel consumption also causes the motor to heat which can shorten the wear life of these motors Keywords: carbon deposits, thermodinamika cycle, power indicator, power effectively PENDAHULUAN Motor diesel merupakan motor pembakaran dalam (Internal Combustion Engine), dimana bahan bakarnya disemprotkan ke dalam 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 diantaranya adalah torak, batang torak, poros engkol, katup, pompa bahan bakar bertekanan tinggi, dan mekanisme penggerak dan lain-lain. 58
Daya yang dihasilkan motor diesel diperoleh melalui pembakaran bahan bakar yang terjadi di dalam silinder. Hal ini menyebabkan gerakan translasi torak di dalam silinder yang dihubungkan dengan poros engkol pada bantalannya melalui batang penghubung (Connecting Road). Untuk menjamin performance, kerja berbagai faktor yang harus diperhatikan terutama parameter-parameter yang saling mempengaruhi, disamping tindakan pemeliharaan, perawatan ataupun perbaikan bila terjadi kerusakan pada bagian-bagian yang mengalami kerusakan. Dalam pengoperasiannya, sering kita jumpai perubahan daya motor yang dihasilkan, temperatur pembakaran, tekanan kompresi dan sebaginya, terutama pada motor-motor yang sudah lama dioperasikan. Hal-hal yang mempengaruhi perubahan daya motor antara lain: (1) pembakaran bahan bakar yang tidak sempurna, (2) keausan pada dinding silinder, (3) kelainan pada mekanisme yang bergerak translasi dan rotasi, dan (4) perubahan volume ruang kompresi dan sebagainya. Berdasarkan persoalan tersebut, maka penelitian ini dilakukan dengan tujuan mengetahui perubahan parameter-parameter sebelum dan sesudah terjadi endapan karbon di atas kepala torak pada mesin diesel tipe L4D 115 AM 48 KUBOTA. METODE PENELITIAN Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah studi literatur, observasi, pengujian di workshop PT Bahtera Adhiguna, Cabang Tanjung Priok, Jl. Padamarang Tanjung Priok - Jakarta. Kemudian pengolahan data dilakukan untuk melakukan analisa. Data yang diambil, yaitu data spesifikasi motor dan data ketebalan endapan karbon. Metode analisis digunakan untuk membandingkan parameter-parameter sebelum terjadi endapan karbon dan sesudah terjadi endapan karbon pada motor disel tipe L4D 115 AM 48 KUBOTA. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN A. Spesifikasi motor - Tipe mesin : 2 LD (4 tak) - Jumlah silinder ( i ) : 2 Unit 59
- Daya mesin ( Ne ) : 48 PK - Putaran mesin ( n ) : 1200 rpm - Diameter silinder ( D ) : 140 mm - Langkah torak ( L ) : 200 mm - Perbandingan kompresi ( ε ) : 16 - Tekanan efektif ( Pe ) : 5.85 kg/cm2 - Tekanan pembakaran ( Pz ) : 55 kg/cm2 - Tekanan udara luar ( Po ) : 1 kg/cm2 - Koefisien kelebihan udara ( α ) : 1,6 - Temperatur udara luar ( To ) : 300 o K - Koefisisen sisa gas ( γr ) : 0,04 - Harga kalor bahan bakar ( Q1 ) : 10000 Kcal / kg.bb - Komposisi kimia bahan bakar : (C:86% ; H:13% ; O:1 %) B. Analisa Sebelum Terjadi Endapan Karbon a. Perhitungan volume Silinder Volume langkah torak ( Vs ) = π / 4 x D 2 x L = π / 4 x 14 2 x 20 = 3077.2 cm 3 Vs 3077.2 Volume ruang kompresi ( Vc ) = --------- = ------------ = 205.15 cm 3 ( ε 1 ) ( 16 1 ) Volume silinder ( Va ) = Vs + Vc = 3077.2 + 205.15 = 3282.35 cm 3 b. Perhitungan parameter pengisian Temperatur udara pengisian ( Ta ) : To + Tw + γr. Tr Ta = ------------------------------- 1 + γr Dimana : Tw Tr = Perubahan temperatur motor diesel 4 tak = 10 20 0 C = Temperatur gas residu = 750 0 K 60
300 + 15 + 0,04. 750 Ta = ----------------------------- = 331,73 0 K 1 + 0,04 Tekanan udara pengisian ( Pa ) = 0,85. Po = 0,85. 1 = 0,85 kg/ cm 2 ε. Pa. To 1 Randemen pengisian ( ηch ) = ------------------ ( ------------ ) ( ε-1 ).Po. Ta 1 + γr c. Perhitungan parameter kompresi 16. 0,85. 300 1 ( ηch ) = ------------------------- ( --------------- ) ( 16-1 ).1.( 331,73 ) 1 + 0,04 = 0,7884 = 78.84 % Temperatur udara akhir kompresi ( Tc ) = Ta. ε n 1-1 dimana n 1 = Pangkat politropis kompresi = 1,375 Tc = 331,73. 16 1,375-1 Tc = 938,27 0 K Tekanan udara akhir kompresi ( Pc ) = Pa. ε n 1 = 0,85.16 Pc = 38,47 kg/ cm 2 d. Perhitungan parameter pembakaran Berdasarkan hasil perhitungan diperoleh: 1) Koefisien kenaikan tekanan ( λ ) = 1,43 1, 375 2) Jumlah udara teoritis yang diperlukan untuk pembakaran 1 kg bahan bakar (Lo) = 0,4945 mol/kg.bb 3) Jumlah udara sebenarnya yang diperlukan untuk pembakaran 1 kg bahan bakar ( L ) = 0,7912 mol/kg.bb 4) Jumlah molekul komponen-komponen hasil pembakaran sempurna 1 kg bahan bakar ( Mg ) = 0,8237 mol/kg.bb 5) Koefsien perubahan molekul ( µo ) = 1,041 6) Koefisien pembakaran molekul ( µ ) = 1,0394 7) Tekanan pembakaran ( Pz ) = 55 kg/ cm 2 8) Temperatur akhir pembakaran ( Tz ) = 2064,15 0 K 61
e. Perhitungan parameter ekspansi Berdasarkan hasil perhitungan diperoleh: 1) Derajat ekspansi pendahuluan ( ρ ) = 1,599 2) Derajat ekspansi susulan ( δ ) = 10 3) Tekanan akhir ekspansi ( Pb ) = 2,86 kg/ cm 2 4) Temperatur akhir ekspansi ( Tb ) = 1073,94 0 K f. Perhitungan tekanan indikator efisiensi motor Berdasarkan hasil perhitungan diperoleh: 1) Tekanan indikator teoritis ( Pit ) = 7,69 kg/ cm 2 2) Tekanan indikator aktual ( Pi ) = 7,38 kg/ cm 2 3) Efisiensi mekanis ( ηm ) = 79,25 % g. Perhitungan daya motor 1) Daya indikator ( Ni ) = 60,56 PK 2) Daya efektif ( Ne ) = 48 PK h. Perhitungan ekonomis dan neraca panas 1) Pemakaian bahan bakar spesifik indikator ( bi ) = 0,143 kg/ PS. Jam 2) Pemakaian bahan bakar efektif ( be ) = 0,18 kg/ps. Jam 3) Pemakaian bahan bakar tiap jam ( B ) = 8,64 kg/jam 4) Panas yang diberikan dengan pembakaran sempurna dan daya efektif (Qh) = 86400 k cal/jam 5) Panas yang dibutuhkan untuk memperoleh daya indikator ( Qih ) = 38273,92 k cal/jam 6) Panas yang dihasilkan oleh pembakaran sempurna bahan bakar tiap jam (Qf )= 86400 kg/jam 7) Panas yang dibutuhkan untuk memperoleh daya efektif ( Qeh ) = 30336 k cal/jam atau 35,1 % 8) Panas yang di ambil bahan pendingin ( Q cool ) = 26784 K.cal/jam atau 31 % 9) Panas yang akan keluar bersama gas buang ( Qg ) = 27029,4 K.cal/jam 10) Panas yang diterima oleh gas buang yang hendak keluar ( Qa ) = 2664,25 k cal/jam 62
11) Panas efektif yang keluar bersama gas buang ( Qeg ) = 24365,15 k cal/jam atau 28,2 % 12) Panas yang diambil oleh bagian-bagian penutup ( Qres ) = 4914,85 K.cal/jam atau 5.7 % C. Analisa Sesudah Terjadi Endapan Karbon Setelah terjadi endapan karbon pada kepala torak, maka akan memperkecil volume ruang kompresi dimana ketebalan endapan karbon (t) berdasarkan hasil pengukuran dan Volume endapan karbon ( Vt ), Volume kompresi ( Vc ), Volume langkah torak ( Vs ), dan perbandingan kompresi ( ε ) dapat dihitung sebagai berikut : Tabel 1. Hasil Pengukuran Sesudah Terjadi Endapan Karbon Silinder t Vt=π/4 Vc Vc =Vc-Vt Vs Vs =Vs+Vt Va=Vs +Vc ε=vs /Vc +1 1 0.105 16.16 205.15 188.99 3077.20 3093.36 3282.35 17.37 2 0.095 14.62 205.15 190.53 3077.20 3091.82 3282.35 17.23 Rata 2 15.39 205.15 189.76 3077.20 3092.59 3282.35 17.30 Untuk perhitungan selanjutnya digunakan harga rata-ratanya: a. Perhitungan parameter pengisian 1) Temperatur udara pengisian ( Ta ) = 331,73 0 K 2) Tekanan udara pengisian ( Pa ) = 0,85 kg/cm 2 3) Efisiensi pengisian ( ηch ) = 0,784 = 78,4 % b. Perhitungan parameter kompresi 1) Temperatur udara akhir kompresi ( Tc ) = 963,7 0 K 2) Tekanan udara akhir kompresi ( Pc ) = 42,72 kg/cm 2 c. Perhitungan parameter pembakaran Berdasarkan hasil perhitungan diperoleh : 1) Koefisien kenaikan tekanan ( λ ) = 1,43 2) Jumlah udara teoritis yang diperlukan pembakaran 1 kg bahan bakar (Lo)=0,4945 mol/kg.bb 63
3) Jumlah udara sebenarnya yang diperlukan pembakaran 1 kg bahan bakar (L) = 0,7912 mol/kg.bb 4) Jumlah molekul komponen-komponen hasil pembakaran sempurna 1 kg bahan bakar ( Mg ) = 0,8237 mol/kg.bb 5) Koefsien perubahan molekul ( µo ) = 1,041 6) Koefisien pembakaran molekul ( µ ) = 1,0394 7) Tekanan pembakaran ( Pz ) = 61,1 kg/cm 2 8) Temperatur akhir pembakaran ( Tz ) = 2085,7 0 K d. Perhitungan parameter ekspansi Berdasarkan hasil perhitungan diperoleh : 1) Derajat ekspansi pendahuluan ( ρ ) = 1,573 2) Derajat ekspansi susulan ( δ ) = 11 3) Tekanan akhir ekspansi ( Pb ) = 3,2 kg/cm 2 4) Temperatur akhir ekspansi ( Tb ) = 1201,9 0 K e. Perhitungan tekanan indikator 1) Tekanan indikator teoritis ( Pit ) = 8.42 kg/ cm 2 2) Tekanan indikator aktual ( Pi ) = 8,0832 kg/ cm 2 3) Tekanan efektif ( Pe ) = 6,6 kg/cm 2 4) Efisiensi mekanis ( ηm ) = 81,5 % f. Perhitungan daya motor 1) Daya indikator ( Ni ) = 66,3 PK 2) Daya efektif ( Ne ) = 54,1 PK g. Perhitungan ekonomi dan neraca panas 1) Pemakaian bahan bakar spesifik indikator ( bi ) = 0,13 kg/ PK. Jam 2) Pemakaian bahan bakar efektif ( be ) = 0,16 kg/pk. Jam 3) Pemakaian bahan bakar tiap jam ( B ) = 8,656 kg/jam 4) Panas yang diberikan dengan pembakaran sempurna dan daya efektif (Qh ) = 86560 k cal/jam 5) Panas yang dibutuhkan untuk memperoleh daya indicator ( Qih ) = 41901,6 k cal/jam 64
6) Panas yang dihasilkan oleh pembakaran sempurna bahan bakar tiap jam (Qf) = 86560 kg/jam 7) Panas yang dibutuhkan untuk memperoleh daya efektif (Qeh)= 34191,2 k cal/jam (39,5%) 8) Panas yang di ambil bahan pendingin ( Q cool ) = 26833,6 K.cal/jam atau 31 % 9) Panas yang akan keluar bersama gas buang ( Qg ) = 27099 K.cal/jam 10) Panas yang diterima oleh gas buang yang hendak keluar ( Qa ) = 2669,18 k cal/jam 11) Panas efektif yang keluar bersama gas buang (Qeg) = 24429,82 K.cal/jam atau 28,2 % 12) Panas yang diambil oleh bagian-bagian penutup ( Qres ) = 1105,38 K.cal/jam (1.3%) Dari hasil pembahasan dapat dilihat beberapa pengaruh endapan karbon terhadap perubahan parameter suatu mesin yaitu: Tabel 2. Pengaruh Endapan Karbon Terhadap Beberapa Parameter Mesin No Parameter Satuan Sebelum Sesudah Ket Endapan Karbon Endapan Karbon 1 Volume langkah torak (Vs) cm 3 3077,2 3092,59 Naik 2 Volume ruang kompresi (Vc) cm 3 205,15 189,76 Turun 3 Perbandingan kompresi ( ε ) 16 17,3 Naik 4 Tekanan efektif ( Pe ) Kg/cm 2 5,85 6,6 Naik 5 Tekanan indikator ( Pi ) Kg/cm 2 7,38 8,0832 Naik 6 Tekanan akhir kompresi Kg/cm 2 38,47 42,72 Naik 7 Tekanan pembakaran Kg/cm 2 55 61,1 Naik 8 Tekanan akhir ekspansi Kg/cm 2 2,86 3,2 Naik 9 Temperatur akhir kompresi o K 938,27 963,7 Naik 10 Temperatur pembakaran max. o K 2064,15 2085,7 Naik 11 Temperatur akhir ekspansi o K 1073,94 1201,9 Naik 12 Randemen pengisian % 0,7884 0,784 Turun 13 Randemen mekanis % 0,7925 0,815 Naik 14 Derajat ekspansi permulaan 1,599 1,573 Turun 15 Derajat ekspansi akhir 10 11 Naik 16 Daya indikator PK 60,56 66,3 Naik 17 Daya efektif PK 48 54,1 Naik 65
18 Pemakaian bb spesifik indikator Kg/PK.Jam 0,143 0,13 Turun 19 Pemakaian bb efektif Kg/PK.Jam 0,18 0,16 Turun 20 Pemakaian bb tiap jam Kg/Jam 8,64 8,656 Naik 21 Panas ( Qf ) K cal/jam 86400 86560 Naik 22 Panas ( Qeh ) K cal/jam 30336 34191,2 Naik 23 Panas ( Q cool ) K cal/jam 26784 26833,6 Naik 24 Panas ( Qeg ) K cal/jam 24365,15 24429,82 Naik 25 Panas ( Qres ) K cal/jam 4914,85 1105,38 Turun KESIMPULAN DAN SARAN Dari tabel hasil dan pembahasan dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Endapan karbon yang terjadi di atas kepala torak dapat memperkecil volume ruang kompresi, sehingga sangat mempengaruhi naiknya parameter-parameter yang berhubungan dengan siklus termodinamika dari sebuah motor. 2. Naiknya harga parameter-parameter dimaksud di atas menyebabkan daya indikator dan daya efektif menjadi besar dengan demikian pemakaian bahan bakar perjamnya menjadi besar. 3. Naiknya daya dan pemakaian bahan bakar juga menyebabkan motor menjadi panas, sehingga dapat memperpendek umur pakai dari motor tersebut. Berdasarkan hasil pembahasan ada beberapa saran yang dapat diberikan pada penelitian ini, yaitu: 1. Mutu bahan bakar yang digunakan harus dapat menjamin proses pembakaran sempurna, agar tidak menyebabkan terjadinya endapan karbon. 2. Pada saat sebuah motor dilakukan perawatan keadaan cincin-cincin pelumas harus diperhatikan, sebab bila terjadi kebocoran akan menyebabkan bahan pelumas lolos didalam ruang kompresi, dan akan terbakar bersamaan dengan terbakarnya bahan bakar, dimana hal ini merupakan dasar terbentuknya endapan karbon. 3. Hendaknya diperhatikan temperatur dan tekanan kerja motor, bila terjadi penyimpangan segera dilakukan pemeriksaan agar tidak menyebabkan kerusakan yang fatal. 66
4. Jangan mengoperasikan motor dalam temperatur dan tekanan kerja yang lebih tinggi dari harga standar, sebab akan memperpendek umur pakai motor tersebut. DAFTAR PUSTAKA Wiranto, Arismunandar dan T Sudra Koichi. 2005. Motor Diesel Putaran Tinggi. Jakarta: Pradnya Paramita. Daryanto. 2004. Contoh Perhitungan Perencanaan Motor Diesel 4 Langkah, Bandung: Tarsito. Obert, Edward F. 2006. Internal Combustion Engine and Air Polution Harper & Row Publishers. Makev, V.L dan Priambodo B. 2005. Operasi dan Pemeliharaan Mesin Diesel. Jakarta: Erlangga. Khovakh, M. 1976. Motor Voichel Engine. Moscow: Minpublisher. Shanin, Mathur M. L. 1990. Internal Combustion Engine. Dhampet Rai and Sans. Sen, S.P. 2005. Internal Combustion Engine in Theory and Practice. Khanna Publisher. Tim Kubota. 2004. Diesel L4D 115 AM 48 Manual Book. Tokyo, Japan 67