Rencana Pembelajaran Kegiatan Mingguan (RPKPM). Pertemuan ke Capaian Pembelajaran Topik (pokok, subpokok bahasan, alokasi waktu) Teks Presentasi Media Ajar Gambar Audio/Video Soal-tugas Web Metode Evaluasi dan Penilaian Metode Ajar Aktivitas Mahasiswa Aktivitas Dosen/ Nama Pengajar Sumber Ajar (pustaka) 5. Mahasiswa dapat menjelaskan tahapan perioda pembakaran motor diesel Pembakaran Mesin Diesel Waktu: 1x pertemuan @100 menit Ѵ Ѵ Ѵ - Ѵ Ѵ Tugas Pekerjaan rumah -Mahasiswa Menerima materi - Mahasiswa Menerima soal pekerjaan rumah -Menerima materi sesuai kontrak pembelajaran -Mengerjakan pekerjaan rumah -Menyampai kan materi sesuai bahan ajar -Menyampai kan soal pekerjaan rumah 1.Wiranto A M., 1979, Motor Diesel Putaran Tinggi, Ed. 3, Pradnya Paramita, Jakarta Pengajar: Greg. Sukartono 1
Bab V. Pembakaran motor diesel Diskripsi singkat : Dalam motor bakar, pembakaran adalah reaksi kimia yang berlangsung cepat (combustion) antara Hidrogen dan Karbon (unsur utama dari bahan bakar) dengan Oksigen dari udara. Pada motor Diesel, bahan bakar dan udara dicampur didalam silinder, udara diisap dan dikompresi, bahan bakar diinjeksikan pada akhir langkah kompresi, sehingga campuran tidak atau sulit mencapai keadaan yang homogen / tercampur rata dengan baik. Fase fase pembakaran untuk motor diesel secara umum bisa dibagi menjadi tiga periode yaitu periode persiapan pembakaran, periode pembakaran cepat, periode pembakaran terkendali. Untuk memperoleh efisiensi yang maksimum maka harus diusahakan tekanan gas maksimum terjadi pada 15 sampai 20 derjat sudut engkol sesudah TMA, dan dengan periode persiapan pembakaran yang sependek-pendeknya. Untuk memperoleh periode persiapan pembakaran yang dikehendaki tersebut maka timing dari injeksi harus dimulai pada saat yang tepat. Pada motor diesel pembakaran yang tidak normal akan menyebabkan terjadinya knocking. a. Manfaat : Mahasiswa dapat menjelaskan prinsip dasar terjadinya pembakaran b. Learning Outcomes : Mahasiswa dapat menjelaskan fase-fase pembakaran pada motor diesel. c. Relevansi : Mahasiswa dapat menyetel timing injeksi yang tepat saat praktikum tune up mesin diesel PENYAJIAN URAIAN: a. Contoh : Memberikan contoh sederhana proses terjadinya pembakaran dan contoh pembakaran yang terjadi pada ruang bakar. b. Ilustrasi : Memberikan penjelasan proses pembakaran disertai dengan gambar, ataupun animasi di dalam kelas. 2
c. Aktivitas Berdiskusi dengan mahasiswa tentang materi pembakaran motor diesel di dalam kelas. d. Tugas Mahasiswa mencari materi tentang pembakaran atau pembakaran pada motor diesel pada internet dengan disertai sumber yang jelas. e. Rangkuman Dengan penjelasan dari dosen waktu kuliah dan diskusi serta tugas yang harus dikumpulkan kemudian dapat dibuat rangkuman tentang materi pembakaran pada motor diesel. 3
BAB V PEMBAKARAN MOTOR DIESEL Ditinjau dari kecepatan proses terbakarnya bahan bahan maka dapat dibedakan : 1. Pembakaran lambat : dapat disebut dengan istilah burning 2. Pembakaran cepat : dapat disebut dengan istilah combustion 3. Pembakaran sangat cepat/ mendadak : dapat disebut dengan istilah explotion, denotasi atau knocking Dalam motor bakar, pembakaran adalah : reaksi kimia yang berlangsung cepat (combustion) antara Hidrogen dan Karbon (unsur utama dari bahan bakar) dengan Oksigen dari udara. Pembakaran adalah reaksi yang sangat komplek sehingga apa yang terjadi sesungguhnya sulit diketahui, karena reaksinya berlangsung bertahap dan berantai. Campuran antara bahan bakar dengan udara yang mudah terbakar mempunyai batas-batas perbandingan tertentu jadi ada campuran terkaya (paling banyak bahan bakarnya) dan campuran termiskin (paling sedikit bahan bakarnya). Maka pembakaran dapat berlangsung kalau syarat syaratnya terpenuhi antara lain : tekanan dan temperaturnya mencapai titik apinya, prosentase gas sisa sesuai dan koefisien temperature bahan bakar yaitu hubungan antara temperature dan kecepatan oksidasi pembakaran sesuai. 4
5.1 Pembakaran Pada Motor Diesel Pada motor Diesel, bahan bakar dan udara dicampur didalam silinder, udara diisap dan dikompresi, bahan bakar diinjeksikan pada akhir langkah kompresi, sehingga campuran tidak atau sulit mencapai keadaan yang homogen / tercampur rata dengan baik. Fase fase pembakaran untuk motor diesel secara umum bisa dibagi menjadi tiga periode : 1. Periode persiapan pembakaran 2. Periode pembakaran cepat 3. Periode pembakaran terkendali Tetapi sebenarnya secara lebih terperinci proses tersebut bisa dibagi menjadi 4 periode yaitu dengan periode ke-4 :Periode pembakaran lanjutan. Gb. 6.3 PT diagram proses pembakaran pada mesin Diesel 5
1. Periode Persiapan Pembakaran Periode ini merupakan periode antara saat dimulainya penyemprotan bahan bakar sampai saat menyalanya bahan bakar. Persiapan pembakaran ini juga disebut delay periode, dalam periode ini terjadi pemanasan dan penguapan bahan bakar oleh panas udara yang terkompresi sehingga temperature akan mencapai temperature nyalanya/titik apinya. Periode ini sangat berpengaruh terhadap operasinya mesin, periode persiapan yang pendek akan dilanjutkan dengan kenaikan tekanan yang halus sehingga akan memberikan operasi mesin yang halus pula. Apabila periode ini cukup panjang akan diikuti oleh laju kenaikan tekanan yang besar sehingga akan menghasilkan operasi mesin yang kasar dan keras disertai dengan knocking pada mesin. Panjang pendeknya periode persiapan pembakaran ini dipengaruhi oleh : a. Suhu udara masuk b. Tekanan masuk c. Perencanaan ruang bakar d. Pengabutan bahan bakar e. Timing (pengaturan waktu) injeksi bahan bakar f. Kecepatan mesin g. Kualitas penyalaan (cetan number bahan bakar) 2. Periode Pembakaran Cepat Periode ini adalah periode dimana bahan bakar yang telah disemprotkan kedalam ruang bakar terbakar dengan cepat dan ini menghasilkan laju kenaikan tekanan yang cukup cepat. Periode ini berlangsung sampai beberapa derajat sesudah TMA, dimana jumlah bahan bakar yang disemprotkan sudah mulai berkurang atau bahkan sudah berhenti. Disini tidak dikehendaki adanya suatu laju kenaikan tekanan yang sangat tinggi sebagai akibat dari banyaknya bahan bakar yang tertimbun dan terbakar secara tiba-tiba, karena hal itu akan merusakan mesin itu sendiri. Laju kenaikan tekanan yang sangat tinggi ini menimbulkan letupan dan ini yang disebut dengan knocking pada mesin diesel. 6
3. Periode Pembakaran Terkendali Pada periode ini masih terjadi kenaikan tekanan sampai tekanan maksimum tercapai, tetapi disini laju kenaikan tekanan sudah tidak begitu tinggi karena sudah diimbangi dengan gerakan dari piston yang memperbesar volume ruang bakar. Periode ini merupakan bagian yang utama dari proses pembakaran diharapkan semua bahan bakar dapat terbakar semua pada periode ini. Dari hasil eksperimen untuk memperoleh efisiensi yang paling tinggi dengan delay periode yang sependek-pendeknya diusahakan agar tekanan gas maksimum terjadi pada 15 sampai 20 derajat sudut engkol sesudah TMA. 4. Periode Pembakaran Lanjutan Periode pembakaran lanjutan ini merupakan periode yang tidak dikehendaki dan diusahakan agar berlangsung dalam waktu yang sependek-pendeknya.dalam periode ini terjadi pembakaran dari sisa bahan bakar yang belum sempat terbakar pada periode pambakaran terkendali, sebagai akibat dari kurang sempurnanya pencampuran bahan bakar dan udara. Periode ini bias diperpendek dengan mempertinggi aliran turbulen dari udara didalam ruang bakar. 5.2 Timing Dari Injeksi Bahan Bakar Telah dikemukakan bahwa untuk memperoleh efisiensi yang maksimum maka harus diusahakan tekanan gas maksimum terjadi pada 15 sampai 20 derjat sudut engkol sesudah TMA, dan dengan periode persiapan pembakaran yang sependek-pendeknya. Untuk memperoleh periode persiapan pembakaran yang dikehendaki tersebut maka timing dari injeksi harus dimulai pada saat yang tepat. Menurut hasil dari eksperimen ternyata injeksi yang dimulai pada 10 sampai 25 derajat sudut engkol sebelum TMA akan menghasilkan delay periode yang pendek. Dari diagram dan data dari eksperimen ternyata grafik no. 409 yang injeksinya dimulai pada 25 derajat sebelum TMA memberikan delay periode yang terpendek. 7
Gb. 6.4 Diagram pengaruh derajat injeksi terhadap Delay periode 8
5.3 Knocking Pada Motor Penyalaan Kompresi Dalam motor diesel selama persiapan pembakaran / pembakaran tertunda terjadi perubahan fisika dan perubahan kimia : Perubahan fisika 1. Penguapan 2. Pencampuran uap bahan bakar dengan udara 3. Disintegrasi ( penguraian ) dari stream pancaran bahan bakar Perubahan kimia 1. Preflame oxidation fuel( delay period ). Gb. 6.5 Proses terjadinya Knocking pada mesin Diesel Pembakaran normal tidak terjadi knocking.( Gambar baris pertama ) a Injeksi bahan bakar dimulai a - b Tahap / waktu pembakaran tertunda ( delay periode ) c -d pembakaran cepat e - f pembakaran lanjutan sampai habis Pembakaran dengan knocking.( Gambar baris kedua ) ginjeksi bahan bakar mulai g h- I delay periode yang panjang sehingga bahan bakar tertumpuk j-k terbakar serentak dan knock 9
Delay periode dipengaruhi oleh beberapa factor antara lain : 1. Kepadatan ( density ) dan suhu udara dalam silinder 2. Atomisasi dan penetrasi (daya tembus pada udara bertekanan) dan bentuk pengabutan 3. Sifat sifat bahan bakar : volatility atau tingkat kesulitan menguap. 4. Turbulensi udara dalam ruang bakar. 5. Viscocity atau tingkat kekentalan Untuk mengurangi terjadinya knock terhadap udara dan bahan bakar dikenakan : a. Temperature dinaikkan b. Kerapatan campuran dipertinggi dan tekanan dinaikan c. Tahap pembakaran tertunda harus pendek d. Reactive mixture, dibuat campuran udara dan bahan bakar yang mudah bereaksi. e. Tambah bahan additive untuk menaikan cetane number. f. urunkan g. Kecepatan putar diturunkan Factor-faktor yang mengurangi kecenderungan detonasi pada mesin SI dan knocking pada mesin CI No. Factors SI Engine CI Engine 1 Self-ignition on temperature of fuel Dinaikan / high Diturunkan / low 2 Time lag or delay period for fuel long Short 3 Compression ratio lowt High 4 Inlet temperatur low High 5 Inlet pressure low High 6 Combustion chamber wall temperature low High 7 Speed High Low 8 Cylinder size small Large 10
Gambar Diagram P-Tmesin Penyalaan api dan mesin Diesel 11
5.4 Sudut Pembukaan Katup ( Valve Timing ) Didalam mesin penyalaan api maupun mesin penyalaan kompresi 4 langkah untuk setiap satu siklus maka masing-masing katup akan terbuka satu kali.secara teoritis katup terbuka dan tertutup pada titik-titk mati, katup isap terbuka pada saat piston di titik mati atas dan tertutup pada saat piston mencapai titik mati bawah.sedangkan katup buang mulai terbuka piston pada titik mati bawah dan tertutup pada saatpiston di titik mati atas. Didalam mesin yang sebenarnya katup-katup dibuka dan ditutup tidak pada titik mati, yaitu katup isap dibuka sebelum piston mencapai titik mati atas dan ditutup piston melewati titik mati bawah, sedangkan katup buang dibuka ketika piston belum mencapai titik mati bawah dan ditutup ketika piston sudah melewati titik mati atas. Nampak pada diagram pada gambar dibawah, bahwa untuk putaran tinggi penyimpangan lebih besar dari mesin putaran rendah. Ada dua factor yang menyebabkan hal tersebut diatas yaitu : 1. Mechanical factor. Katup dibuka dan ditutup dengan menggunakan mekanisme katup yaitu didorong oleh cam. Dengan demikian proses pembukaan berlangsung pelan atau berangsurangsur (slowly), karena untuk mencegah gesekan dan keausan serta hentakan yang berlebihan. Demikian juga penutupan juga terjadi pelan-pelan, pembukaan dan penutupan yang demikian akan terjadi pada beberapa derajat sudut poros engkol. Sedang katup isap harus sudah terbuka penuh pada saat piston sampai titik mati atas maka harus dimulai dibuka sebelum titik mati atas dan katup buang harus terbuka penuh ketika piston mencapai titik mati bawah (pada langkah tenaga) maka harus mulai dibuka sebelumnya (beberapa derajad sudut engkol sebelum TMB). 2. Dynamic factor. Dynamic factor adalah factor yang rerjadi oleh karena fluida (udara saja pada mesin Diesel dan campuran udara dan bahan bakar pada mesin bensin) yang mengalir masuk mempunyai inersia (kelembaman), yakni akan cenderung terus mengalir masuk ketika katup harus ditutup. 12
Intake Valve Timing( PengaturanKatup Masuk) Muatan segar diisap oleh kevakuman yang disebabkan gerakan piston dari TMA ke TMB, dengan demikian katup isap harus benar-benar terbuka pada saat piston mulai bergerak dari TMA. Muatan segar akan segera diisap melewati lubang katup sampai piston sampai TMB, pada saat itu piston mulai melakukan langkah kompresi tetapi karena gaya inersia dari gerakan muatan segar tersebut masih besar maka tetap mengalir masuk kedalam silinder, untuk mengambil keuntungan dari kejadian ini yaitu untuk memaksimumkan jumlah muatan segar yang dapat masuk kedalam silinder, maka katup isap ditutup kemudian setelah piston melewati TMB. Kejadian ini disebut ram effect dan besar sudut harus diperhitungkan dan disesuaikan dengan banyak hal salah satunya adalah kecepatan putar mesin, ukuran silinder dsb.dari gambar diagram Nampak bahwa untuk mesin putaran tinggi maka katup isap ditutup pada sudut yang lebih besar (setelah TMB), hal tersebut oleh karena pada kecepatan yang semakin tinggi maka inersia juga lebih besar.namun juga ada batas dari ram effect,karena semakin tinggi kecepatan mesin juga semakin besar gesekan dengan dinding saluran yang dilewati sehingga akan memperkecil ram effect. 13
Exhaust Valve Timing( Pengaturan Katup Buang ). Jika katup buang mulai dibuka pada saat piston sampai di TMB maka pada saat itu tekanan di dalam silinder lebih tinggi dari tekanan di luar dengan demikian untuk melakukan proses pembuangan piston membutuhkan tenaga, karena harus mendorong gas yang bertekanan, sehingga merupakan kerugian. Untuk mengatasi hal tersebut maka katup buang dibuka lebih awal atau sebelum piston mencapai TMB dengan demikian pada saat piston di TMB dan akan mengawali langkah buang tekanan didalam silinder sudah hampir sama dengan tekanan diluar sehingga tidak memerlukan daya yang besar (yang merupakan kerugian). Sedangkan katup buang ditutup beberapa derajat sesudah TMA (5 derajat sesudah TMA untuk mesin kecepatan rendah dan 20 derajat sesudah TMA untuk mesin kecepatan tinggi), hal tersebut untuk memanfaatkan inersia gas yang keluar akan menaikan pembilasan gas keluar dari ruang bakar, sehingga akan semakin sedikit gas yang tersisa dan akan menaikan volume pemasukan dan effisiensi volumetric. Dengan demikian ada saat dimana katup isap sudah terbuka dan katup buang masih terbuka dan disebut valve overlap yang besarnya antar 15 0 untuk mesin kecepatan rendah dan 30 0 untuk mesin kecepatan tinggi. Besar valve overlap terbatas karena bisa terjadi gas sisa pembakaran (sangat panas) akan masuk kedalam intake manifold dan sebaliknya muatan segar akan ikut terbilas keluar. 14
5.5 Firing order Firing order adalah urutan pembakaran yang terjadi pada engine yang mempunyai jumlah silinder lebih dari satu. Contoh : engine dengan 4 silinder mempunyai firing (FO) = 1-2-4-3 maka proses pembakaran dimulai dari silinder no. 1 kemudian no. 2 kemudian no. 4 kemudian no. 3. Tujuan urutan pembakaran adalah untuk meratakan hasil power, agar gaya yang ditimbulkan oleh piston seimbang (balance). Seimbang baik pada saat kompresi, maupun pembakaran, tidak menimbulkan puntiran dan getaran yang tinggi. Pada 4 langkah motor diesel dengan 1 silinder, piston bergerak 4 kali menghasikan satu kali pembakaran, atau dua kali putaran poros engkol menghasilkan satu kali pembakaran. Tabel Squence Tabel sequence adalah suatu tabel yang menyatakan urutan langkah dan urutan pembakaran yang terjadi pada mesin, baik mesin dengan satu silinder atau lebih. 1.Tabel sequence untuk satu silinder Beda langkah dari TDC ke BDC = 180 derajat poros engkol. TDC = Top Dead Centre BDC = Bottom Dead Centre Posisi TDC BDC TDC BDC TDC Langkah Intake Compresi Power Exhaust Putaran crankshaft 0 o 180 o 360 o 540 o 720 o 15
2. Tabel Squence untuk 4 silinder TDC BDC TDC BDC TDC Silinder 1. Power Exhaust Intake Compression Silinder 2. Compression Power Exhaust Intake Silinder 3. Exhaust Intake Compression Power Silinder 4. Intake Compression Power Exhaust 0 o 180 o 360 o 540 o 720 o 16
Firing order (F.O) = 1-3-4-2 Beda langkah setiap silinder = 720/4 = 180 derajat poros engkol TDC BDC TDC BDC TDC Silinder 1. Power Exhaust Intake Compression Silinder 2. Exhaust Intake Compression Power Silinder 3. Compression Power Exhaust Intake Silinder 4. Intake Compression Power Exhaust 0 o 180 o 360 o 540 o 720 o 17
Tabel sequence untuk 6 silinder 18
Rangkuman Pembakaran Motor Diesel Dalam motor bakar, pembakaran adalah reaksi kimia yang berlangsung cepat antara Hidrogen dan Karbon (unsur utama dari bahan bakar) dengan Oksigen dari udara. Syarat-syarat pembakaran adalah tekanan dan temperaturnya mencapai titik apinya, prosentase gas sisa sesuai dan koefisien temperature bahan bakar yaitu hubungan antara temperature dan kecepatan oksidasi pembakaran sesuai. Fase-fase pembakaran untuk motor diesel adalah periode persiapan pembakaran, perioda pembakaran cepat, perioda pembakaran terkendali dan perioda pembakaran lanjutan. Timing injeksi bahan bakar adalah waktu penginjeksian bahan bakar yang tepat untuk memperoleh periode persiapan pembakaran yang dikehendaki, untuk memperoleh efisiensi yang maksimum maka harus diusahakan tekanan gas maksimum terjadi pada 15 sampai 20 derjat sudut engkol sesudah TMA, dan dengan periode persiapan pembakaran yang sependek-pendeknya. Latihan soal : 1. Jelaskan definisi pembakaran dan syarat-syarat terjadinya pembakaran. 2. Sebutkan dan jelaskan dengan singkat empat perioda fase pembakaran pada motor diesel. 3. Jelaskan definisi knocking pada motor diesel. 4. Bagaimanakah cara mengurangi knocking pada motor diesel 5. Jelaskan tentang timing injeksi dan firing order. Jawaban soal akan didiskusikan di kelas 19