BAB IV ANALISA DAN PERHITUNGAN PENINGKATAN PERFORMA MESIN YAMAHA CRYPTON 4.1 Analisa Peningkatan Performa Dalam perhitungan perlu diperhatikan hal-hal yang berkaitan dengan kamampuan mesin, yang meliputi : 4.1.1 Data-Data Mesin Yang Direncanakan Diameter silinder (D) : 65,5 mm = 6.55 cm Panjang langkah (L) : 59 mm = 5,9 cm Jumlah silinder (z) : 1 buah Putaran mesin (n) : 9000 rpm 4.1.2 Data-Data Teoritis Temperatur udara luar (To) Dengan memperhitungkan temperatur ruang normal maka diambi To = 30 o C = 303K. Tekanan udara luar (P o ) Tekanan udara luar daerah pantai sebesar 76 cmhg = 1 atm. FAKULTAS TEKNIK 42
Tenperatur gas buang (T r ) Untuk motor bensin berkisar 800K 1.000K. kenaikan temperatur didalam silinder akibat suhu luar ( ), berkisar 10K 15K. Koefisien gas bekas (γr) Adalah rasio yang menunjukan perbandingan antara jumlah mol gas bekas dan jumlah mol campuran bahan bakar yang diisap kedalam silinder, harga koefisien gas bekas untuk motor 4 tak adalah 0,03-0,04. 4.1.3 Volume Langkah (V 1 ) Adalah besar ruang yang ditempuh oleh piston selama melakukan kerja. V 1 Dimana : D L = diameter piston = 6,55cm = panjang langkah piston = 5,9cm z = jumlah silinder = 1 V 1 ( ) = 198,7 cm 3 FAKULTAS TEKNIK 43
4.1.4 Perbandingan Kompresi (ɛ) Adalah perbandingan antara volume total silinder dengan volume sisa. ɛ dimana : V L = volume langkah silinder = 198,7 cm 3 V C = volume ruang bakar = 19 cm 3 ɛ = 11,4 4.2 Perhitungan Thermodinamika Motor Bensin Konversi energi yang terjadi pada motor bakar torakberdasarkan pada siklus termodinamika. Proses sebenarnya amatkomplek, sehingga analisa dilakukan pada kondisi ideal dengan fluidakerja udara.idealisasi proses sebagai berikut :Fluida kerja dari awal proses hingga akhir proses, panas jenis dianggap konstan meskipun terjadi perubahantemperatur pada udara, proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara adiabatik, tidakterjadi perpindahan panas antara gas dan dinding silinder, sifat-sifat kimia fluida kerja tidak berubah selama siklus berlangsung., motor dua proses mempunyai siklus termodinamika yang sama dengan motor empat proses.siklus ideal dan siklus aktual yang terjadi pada motor bakar torak ditunjukkan oleh Gambar 3.1 dibawah ini FAKULTAS TEKNIK 44
Gambar 4.1 Diagram P V siklus ideal dan siklus aktual (Cengel & Boles 1994: 375) Dasar dasar perhitungan thermodinamika motor bensin meliputi proses thermodinamika yang terjadi pada motor bensin, yaitu : Proses hisap, proses kompresi, proses kerja, dan proses buang. Pada siklus Otto atau siklus volume konstan, proses pembakaran terjadi pada volume konsta. Siklus ideal pada kerja motor bensin ditunjukan oleh Gambar 3.1 diagram P V dan T S dibawah ini. Gambar 4.2 Diagram P vdan T s Siklus Otto (Cengel & Boles. 1994: 382 383) FAKULTAS TEKNIK 45
Keterangan diagram P v dan T s Siklus Ottopada Gambar 3.2 adalah sebagai berikut : Proses 1 2 : Proses kompresi isentropic (adiabatic reversible), dimana piston bergerak menuju top dead center (TDC) mengkompresikan udara sampai volume clearance sehingga tekanan dan temperatur udara naik. Proses 2 3 : Pemasukan kalor pada volume konstan, piston sesaat pada TDC bersamaan kalor suplai dari sekelilingnya serta tekanan dan temperature meningkat hingga nilai maksimum dalam siklus, q in = m.c p.(t 3 - T 2 ) Proses 3 4 : Proses isenstopic udara panas dengan tekanan tinggi mendorong piston turun menuju BDC, energi dilepaskan disekeliling berupa internal energi, q out = m.c v.(t 4 - T 1 ) Proses 4 1 : Proses pelepasan kalor pada volume konstan, piston sesaat pada BDC dengan menstransfer kalor ke sekeliling dan kembali meproses awal pada titik awal. 4.2.1 Proses Hisap Proses penghisapan (intake), torak bergerak dari TMA ke TMB, Katup masuk terbuka, Campuran bahan bakar dengan udara yang telah tercampur di dalam karburator masuk dan dihisap ke dalam cylinder.saat torak berada di TMB katup masuk akan tertuup.bahan bakar dan udara dihisap masuk kedalam silinder dengan tekanan awal (p a ) FAKULTAS TEKNIK 46
4.2.2 Proses Kompresi Proses kompresi/penekanan (compression), torak bergerak dari TMB ke TMA, Katup masuk dan katup buang kedua-duanya tertutup sehngga gas yang telah dihisap tadi tidak dapat keluar pada waktu di tekan oleh torak, yang mengakibakan tekanan akan naik sambil mengeluarkan panas, adapun perhitungannya meliputi : 1. Tekanan pada awal proses kompresi (P a ) tanpa supercharging P a = (0,85 0,95)P o Dengan : P o = Tekanan udara luar (kg/cm 2 ) = 1 atm = 1 (kg/cm 2 ) P a = Dipilih 0,90 Maka : P a = (0,90)P o = 0,90 1= 0,90 kg/cm 2 2. Temperatur pada awal kompresi (T a ) T a ( ) Dengan : T o = Temperatur udara luar ( K) = 303K t = Temperatur campuran tambahan dari dinding silnder (10 15 K) = 15K γ r = Koefisien gas buang (0,02 0,04) = 0,04 FAKULTAS TEKNIK 47
T r = Temperatur gas buang (800 1000 K) = 900K Maka : T a ( ) = 340.4 K Adapun batasan temperatur awal pada motor bensin (carburator engine) 340 380 K, sehingga memenuhi syarat. 3. Efisiensi pengisaian (η ch ) Adalah rasio yang menunjukan kemampuan silinder dalam menghisap campuran bahan bakar. ή ch = ( ) ( ) dimana : P a = tekanan campuran bahan bakar dalam silinder pada akhir langkah hisap. = 0.9 T o = temperatur udara luar = 303 K T r = temperatur gas buang = 900 K γr = koefisien gas bekas = 0.04 P o = tekanan udara luar. = 1 atm ɛ = perbandingan kompresi = 11,4 FAKULTAS TEKNIK 48
= kenaikan temperatur didalam silinder akibat panas dari luar ( o K). = 15 K ή ch = ( ) ( ) = ή ch = 0,844 = 84% Adapun batas efisiensi pada motor bensin empat proses (4 langkah) adalah η ch = (0,83 0,86), sehingga memenuhi syarat untuk diaplikasikan. 4. Tekanan pada akhir proses kompresi (p c ) Adalah tekanan campuran bahan bakar didalam silinder pada akhir langkah kompresi. P C P 1 V 1 n1 = P a ɛ n1 = P 2 V 2 nl P 2 = P C n1 P 2 = P l Dimana: P 1 = P a = tekanan campuran bahan bakar dalam silinder pada akhir langkah hisap. = 0.9 ɛ = perbandingan kompresi = 11,4 FAKULTAS TEKNIK 49
n1 = eksponen politropik rata-rata (1,23-1,30) diambil = 1,23 Dimana n1 adalah eksponen politropik rata-rata yaitu eksponen yang menunjukan sifat dan bentuk dari proses adibatik. Dimana iya menunjukan perubahan tekanan dan volume yang terjadi pada saat bahan bakar di kompresi.... (Mkovakh.motor vehicle Engines. 1979 : 117) Sehingga : P C = P 1 ɛⁿ 1 = 0,9 (11,4) 1,23 = 18 Kg/cm 2 5. Temperatur kompresi (T c ) Adalah temperatur campuran bahan bakar sebelum pembakaran (pada akhir langkah kompresi). T C = T a ɛⁿ 1-1 = 340,4 (11,4) 1,23-1 = 595,8 Adapun batasan tempertaur pada akhir langkah kompresi adalah : 550 750 K (M. Kovakh,1979 : 117) 4.2.3 Proses Pembakaran Torak bergerak dari TMB ke TMA, Katup masuk dan katup buang keduaduanya tertutup sehngga gas yang telah dihisap tadi tidak dapat keluar pada waktu di tekan oleh torak, yang mengakibakan tekanan akan naik sambil mengeluarkan panas. Beberapa saat sebelum torak mencapai TMA busi mengeluarkan percikan bunga api listrik. Gas/bahan bakar yang telah FAKULTAS TEKNIK 50
mencapai tekanan tinggi tadi terbakar. Akibat pembakaran bahan bakar tadi, tekanannya akan naik menjadi kira-kira tiga kali lipat, adapun perhitungannya meliputi : 1. Nilai pembakaran bahan bakar (Q b ) Adalah jumlah panas yang mampu dihasilkan dalam pembakaran 1 kg bahan bakar. Bensin mempunyai komposisi sebagai berikut : C = 87% H = 11% O= 2% Menurut persamaan dulog dengan komposisi demikian bensin tersebut mempunyai nilai pembakaran (Q b ) sebesar : Q b = 81 C + 200 (H O/8) = 81 87 + 200 (11 2/8) = 9.197 kkal/kg Bensin mempunyai nilai pembakaran 9.500 10.500 kkal/kg. Jadi komposisi tersebut dapat dipakai. 2. Kebutuhan udara teoristis (L o ) Adalah kebutuhan udara yang diperlukan membakar 1 mol bahan bakar sesuai perhitungan. L o = * + FAKULTAS TEKNIK 51
= * += 0,473 mol 3. Berat udara teoritis membakar 1 kg bahan bakar (L o ) L o = 28,96. L ' o L o = 28,96 0,473 =13,698 kg 4. Kebutuhan udara aktual (L) α = L = α L o Dengan : α = koefisien kelebiha udara (0,85 1,05) = 1,05 Maka : L = α L o = 1,05 0,473 = 0,496 mol = 14,36 kg 5. Jumlah gas hasil pembakaran pada pembakaran sempurna 1 kg bahan bakar dalam mol (Mg) Mg = αl'o + mol Mg = 0,496 + mol Mg = 0,524 mol FAKULTAS TEKNIK 52
6. Total volume gas hasil pembakaran setiap 1 kg bahan bakar (Vg) Vg = 24,4Mg m 3 / kg bahan bakar V g = 24,4 0,524 =12,785 m 3 / kg bahan bakar 7. Koefisisen perubahan molar atau rasio gas pembakaran dalam silinder (µₒ) Adalah koefisien yang menunjukan perubahan molekul yang terjadi selama proses pembakaran bahan bakar. µₒ = dimana : α = koefisien kelebihan udara.= 1,05 L o = 0,473 Mg = jumlah molekul hasil pembakaran 1 kg bahan bakar = 0,524 mol µₒ = = 1,055 FAKULTAS TEKNIK 53
8. Koefisisen perubahan aktual molar atau rasio gas pembakaran (µ) Adalah menunjukan perubahan sebuah molekul yang terjadi sebelum dan setelah pembakaran. µ = = = 1,093 9. Kapasitas panas rata rata campuran udara dengan gas buang (Mc v ) mix = A + B.Tc Maka : (M Cv ) mix = 4,62 + 0,00053 595,6 (mcv )mix = 4,936 kkal / K 10. Kapasitas panas rata rata gas hasil pembakaran (m Cv )g as = A g as + Bg as. Tz Ag as = Vco 2 Aco 2 + VH 2 O. AH 2 O + V N 2. A N 2 + VO 2. AO 2 Bg as = V co 2 B co 2 + VH O 2. BH O 2 + V N 2 B N 2 + V O 2. B O 2 FAKULTAS TEKNIK 54
Dimana : (M CP ) gas = kapasitas gas buang = (M CV ) gas + 1,985 (M CP ) gas = A gas + B gas T C = VOC 2.(M CV )CO 2 + VH 2 O. (M CV ) H 2 O + VO 2. (M CV )O 2 N + VN 2. (M CV )N 2 (i) Menurut N.M. Glagolev (M CV )CO 2 = 7,82 + (125. 10-5 ). T Z (M CV )H 2 O = 5,75 + (112. 10-5 ). T Z (M CV )O 2 = 4,62 + ( 53. 10-5 ). T Z (M CV )N 2 = 4,62 + (112. 10-5 ). T Z (ii) Volume relative gas hasil pembakaran VOC 2 = = = 0,136 VH 2 O = = = 0,104 VO 2 = = = 0,021 VN 2 = = = 0,740 FAKULTAS TEKNIK 55
Dari sini diperoleh : A gas = VCO 2. ACO 2 + VH 2 O. BH 2 O + VO 2. AO 2 + VN 2. AN 2 = 0,136. 7,82 + 0,105. 5,79 + 0,021. 4,62 + 0,740. 4,62 = 5,182 B gas = VCO 2. BCO 2 + VH 2 O. BH 2 O + VO 2. BO 2 + VN 2. BN 2 = (0,136. 125 + 0,104. 112 + 0,021. 53 + 0,740. 53). 10-5. T Z = 68,981. 10-5. T Z (M CV ) = 5, 182 + 68,981. 10-5. T Z Sehingga : (M CV ) gas = 5,182 + 68,981-5. T Z + 1,985 = 7,167 + 68, 981-5. T Z 11. Temperatur akhir pembakaran pada proses tekanan konstan (T z ) ( ) gas T z = ( ) [( ) ]T C Dengan : ξ Z = (0,85 0,90) = 0,90 Qb Q l = 9197 kkal/kg 1,093.(7,167+68,981.10-5.T Z ).T Z = ( ) + (4,936+1,985).595,6 7,84. T Z + 75.43.10-5. T Z = 20168,4 75,43. 10-5. T Z + 7,84. T Z 20168,4 = 0 T Z = ( ) FAKULTAS TEKNIK 56
= [( ) ( ) ( )] = [ ] = = 2.134,43 K 12. Tekanan akhir pembakaran pada proses tekanan konstan ( P z ) bakar. Adalah tekanan hasil dari pembakaran campuran bahan bakar di ruang P z = P c. µ P z = 18. 1,093 P z = 70,5 kg/cm 2 4.2.4 Proses Ekspansi Proses ekspansi, saat ini kedua katup masih dalam keadaan tertutup. Gas yang terbakar tadi dengan temperatur dan dengan tekanan yang tinggi akan mengembang kemudian menekan dan memaksa torak turun ke bawah (dari TMA ke TMB). Saat inilah pertamakali tenaga panas di rubah menjadi tenaga gerak/mekanis. Tenaga ini di salurkan melalui batang penggerak dan FAKULTAS TEKNIK 57
oleh poros engkol dirubah menjadi gerak putar. perhitungannya adalah sebagi berikut : 1. Perbandingan tekanan dalam silinder selama pembakaran ( λ ) Adalah rasio yang menunjukan perbandingan tekanan maksimum pada pembakaran campuran bahan bakar dengan tekanan pada awal pembakaran. λ = λ = λ = 3,9 2. Perbandingan Ekspansi ( ρ ) Merupakan ratio yang menunjukan perubahan yang terjadi pada gas hasil pembakaran campuran bahan bakar pada awal langkah ekspansi. Perbandingan ekspansi pendahuluan dapat dicari dengan rumus : ρ = = = 1,35 FAKULTAS TEKNIK 58
3. Perbandingan ekspansi selanjutnya ( ) Adalah rasio yang menunjukan perubahan pada gas hasil pembakaran selama langkah espansi : = = = 8,44 4. Temperatur akhir pada proses ekspansi ( T b ) T b = Dengan : n 2 = Ekponen politropik rata rata (1,16 1,23) = 1,23 Maka : T b = = 1517,3 K 5. Tekanan akhir ekspansi ( p b ) Tekanan akhir pada proses ekspansi P b = = = 5 kgf/cm 2 FAKULTAS TEKNIK 59
4.3 Efisiensi Termal (η th ) Efisiensi termal suatu mesin didefinisikan sebagai energi keluar dengan energi kimia yang masuk yang di hisap ke dalam ruang bakar. Efisiensi termal menurut definisinya merupakan parameter untuk mengukur bahan bakar. η th = x 100% Q 1 = Cv (T 3 T 2 ) Q 2 = Cv (T 4 T 1 ) Dimana : Cv = 0.1715 T 1 T a = 340.4 K = 67,4 o C T 2 T c = T 3 T z = K = 322,6 o C K = 1861,2 o C T 4 T b = 1517,3 K = 1244,3 o C Maka : Q 1 = 0.1715 ( 1861,2 322,6) = 263,87 Q 2 = 0.1715 (1244,7 67,4) = 201,9 η th = x 100% = 23% FAKULTAS TEKNIK 60
4.4 Tekanan Efektif Rata Rata Tekanan efektif rata-rata (Brake Mean Effective Pressure) dalam satuan kg/cm 2 yang merupakan tekanan rata-rata yang bekerja pada piston selama proses kerja dapat dihitung berdasarkan rumus: 1. Tekanan indikator rata rata teoritis ( P it ) : Adalah besaran rata rata tekanan yang dihasilkan oleh pembakaran campuran bahan bakar dan bekerja pada piston sesuai perhitungan : P it = * ( ) ( ) ( )+ = * ( ) ( ) ( )+ = 1,73 [ ( ) ( ) ] = 14,52 kg/cm 2 2. Tekanan indikator rata rata ( P i ) : Adalah besaran rata-rata tekanan yang dihasilkan dari pembakaran campuran bahan bakar. P i = φ. P it Dimana : φ = faktor koreksi berkisar antara 0,92 0,97 FAKULTAS TEKNIK 61
Dalam perhitungan diambil = 0,93 Jadi : P i = 0,93. 14,52 = 13,5 kg/cm 2 3. Tekanan efektif rata rata ( Pe) Merupakam besaran rata-rata tekanan efektif yang bekerja pada permukaan piston. P e = P i. ή m Dengan : ή m = Efisiensi mekanik besarannya sekitar 0,8 0,85. Diambil 0,85 P e = 13,5. 0,8 = 10,8 kg/cm 2 4.5 Perhitungan Daya Motor Keluar 4.5.1 Daya Indikator ( N i ) N i = P i. V L. Z. n. a N i = = 26,8 Hp FAKULTAS TEKNIK 62
4.5.2 Daya Efektif ( N e ) Adalah besaran rata-rata daya yang dihasilkan oleh mesin. N e = P e. V L. Z. n. a Dimana : a : jumlah siklus perputaran, untuk motor 4 langkah = 0,5 N e = = 21,4 Hp 1. Torsi T = 716,20 Jadi : T = 716,2 = 1,70 kg.m = 16,7 Nm 4.6 Komsumsi Bahan Bakar 4.6.1 Pemakaian Bahan Bakar Indikator (F i ) Adalah jumlah bahan bakar yang diperlukan untuk menghasilkan tekanan indikator F 1 = Dimana : = Efisiensi Pengisian = 0,844 FAKULTAS TEKNIK 63
= tekanan udara luar = 1 kg/cm 2 = Tekanan indikaror rata-rata = 13,5 kg/cm 2 = Koefisien kelebihan udara = 1.05 = Kebutuhan udara teoristis (mol) = 0,473 mol = Temperatur udara luar = 303K Jadi : F i = = 0,1323 kg / Hp. jam 4.6.2 Komsumsi Bahan Bakar Spesific Efektif (F) F = Dimana : = Efisiensi mekanaik = 0,8 Jadi : F = = 0,16537 kg / Hp. jam FAKULTAS TEKNIK 64
4.6.3 Komsumsi Bahan Bakar Dalam Setiap Jam (F h ) F h = F. N e kg/jam Dimana : N e = Daya efektif = 21,4 Hp Jadi : F h = 0,16537. 21,4 = 3,53kg/jam FAKULTAS TEKNIK 65