BAB III PERENCANAAN DAN PERHITUNGAN 3.1. Pengertian Perencanaan dan perhitungan diperlukan untuk mengetahui kinerja dari suatu mesin (Toyota Corolla 3K). apakah kemapuan kerja dari mesin tersebut masih sesuai dengan kelayakan pemakaian atau perlu diadakan perbaikan serta penggantian komponen-komponen mesin agar nantinya mesin dapat beroperasi maksimal. Perhitungan ulang dari motor bensin Toyota Corolla 3k ini meliputi : a. Perhitungan efisiensi bahan bakar 3.2. Siklus motor 4 langkah Pada siklus pembakaran motor bensin dipengaruhi oleh Volume ( V ), tekanan ( P ), dan temperatur ( T ). Gambar 2.1 diagram P-V Perubahan tekanan gas didalam silinder merupakan proses secara keseluruhan. Sebuah grafik yang memperlihatkan hubungan antara tekanan dan volume disebut diagram p-v. Untuk menjelaskan makna dari diagram p- v motor bakar torak, terlebih dahulu perlu dipakai beberapa idealisasi sehingga prosesnya dapat difahami dengan lebih mudah. Proses siklus yang ideal itu biasanya dinamai siklus udara, dengan beberapa idealisasi sebagai berikut :
1. Fluida kerja didalam silinder adalah udara, daianggap 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. 3. 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 menunjukkan siklus volume konstan yang dianggap sebagai siklus dasar dari setiap mesin empat-langkah. Pada waktu torak berada di TMB (Titik 2) udara pada kondisi atmosfir. Gerakan torakdari TMB ke TMA (Titik 3) menyebabkan udara pada kondisi atmosfir 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 tekanannya naik, sesuai dengan idealisasi (3). Pada gambar diatas proses tersebut terakhir dilukiskan sebagai proses dari titik 3 sampai 3, dimana garis 3-3 merupakan garis vertikal. Selanjutnya, gerakan torak dari TMA ke TMB merupakan proses ekspansi isentropic dari titik 3 ke tititk 5, sesuai dengan idealisasi (2). Pada saat torak mencapai TMB (titik 5),sesuai dengan idealisasi (3) udara didinginkan sehingga mencapai kondisi atmosfir (titik 2). Gerakan torak selanjutnya dari TMB ke TMA, yaitu dari titik 2 ke titik 1,adalah langkah buang pada tekanan konstan.
2.3. Prinsip Kerja Motor Didalam mesin bensin campuran udara dan bensin dihisap kedalam silinder. Kemudian dikompresikan 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. Tekanan gas pembakaran ini mendorong torak kebawah, yang menggerakkan torak turun naik dengan bebas 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 didalam silinder disebut titik mati atas ( TMA ), dan posisi terendah yang dicapai torak disebut titik mati bawah ( TMB ). Jarak bergeraknya 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 langkah (2 Tak), Poros engkolnya berputar satu kali selama torak menyelesaikan dua langkah. Sedangkan mesin lainnya 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 4 Langkah 1. Langkah Hisap Dalam langkah ini torak bergerak dari TMA ke TMB, campuran udara dan bensin dihisap kedalam silinder. Katup hisap terbuka sedangkan katup buang tertutup. Waktu torak bergerak kebawah,
menyebabkan ruang silinder menjadi vakum, masuknya campuran udara dan bensin ke dalam 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 menggerakan kendaran. Sesaat sebelum torak mencapai TMA pada langkah kompresi, busi memercikkan bunga api, sehingga terjadi ledakan di dalam silinder dan mendorong torak kebawah. 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 2.2 Prinsip Kerja motor bensin 4 langkah 3.3. Perhitungan Dalam perhitungan perlu diperhatikan hal-hal yang berkaitan dengan kemampuan mesin, meliputi : 1. Perhitungan efisiensi bahan bakar 2. Perhitungan ulang sistem pengapian 3.2.1. Data-Data Mesin o diameter silinder (D) : 7,5 cm o panjang langkah (L) : 6,8 cm o jumlah silinder (z) : 4 buah o putaran mesin (n) : 7000 rpm o kapasitas silinder : 1.200 cc 3.2.2. Data-data teoritis o Temperatur udara luar (T o ) Dengan memperhitungkan bahwa mesin dioperasikan dikota semarang yang berada diatas permukaan laut, diambil T o 30 o C 303 o K. o Tekanan udara luar (P o ) Tekanan udara luar daerah pantai sebesar 76 cmhg 1 atm. o Temperatur gas buang (T r ) Untuk motor bensin berkisar 800 o K 1.000 o K. kenaikan temperatur didalam silinder akibat suhu luar ( tw). Berkisar 10 o K-15 o K, diambil 15 o K. o Koefisien gas bekas (γ r)
Adalah ratio yang menunjukkan perbandingan antara jumlah mol gas bekas dan jumlah mo campuran bahan bakar yang diisap ke dalam silinder, harga koefisien gas bekas untuk motor 4 langkah adalah 0,03-004. o Tekanan udara di akhir langkah isap (P a ) Tekanan udara di akhir langkah isap untuk motor bensin 4 langkah tanpa super charger berkisar 0,085-0,92, diambil 0,9. 3.2.3. Perhitungan 1. Volume Langkah (V l ) Adalah besar ruang yang ditempuh oleh piston selama melakukan kerja. V l 3,14 D 4 2 L z dimana : D L z diameter piston (cm) panjang langkah piston (cm) jumlah silinder V l 3,14 (7,5) 4 2 6,79 4 1.199,3 cm 3 2. Perbandingan Kompresi (ε) Adalah perbandingan antara volume total silinder dengan volume sisa. ε V +V L V dimana : C C V L volume langkah silinder (cm 3 ) V C volume ruang bakar (cm 3 ) V C 164,5 3 ε 1.163,5 + 164,5 164,5 8,3
3. Temperatur Awal Kompresi (T a ) Adalah campuran bahan bakar yang berada di dalam silinder pada saat piston mulai melakukan langkah kompresi. Dimana : T a tw γ r T a T a + tw+ γr + T 1 + γr temperatur udara luar ( o K). kenaikan temperatur didalam akibat panas dari luar ( o K). koefisien gas bekas. r Adalah ratio yang menunjukkan perbandingan jumlah mol gas bekas dengan jumlah mol campuran bahan bakar T r temperatur gas buang ( o K) Ta 303+ 15+ 0,04 1000 1 + 004 344,231 o K 4. Tekanan Akhir Kompresi (P C ) Adalah tekanan campuran bahan bakar didalam silinder pada akhir langkah kompresi. P C P 1. V 1 n1 P a. ε n1 P 2 P 1. P 2. V 2 n1 P 2 P C V1 V2 n1 Dimana n1 adalah eksponen politropik yaitu eksponen yang menunjukkan sifat dan bentuk dari proses adiabatik. Eksponen ini menunjukkan perubahan tekanan dan volume yang terjadi pada saat bahan bakar dikompresikan. Dengan menggunakan proses diperoleh harga n1 1,34 1,39 Sehingga : P C P 1. ε n1 5. Temperatur kompresi (T C ) trial dan error,
Adalah temperatur campuran bahan bakar sebelum pembakaran (pada akhir langkah kompresi). T C Ta. ε n1-1 344,231.8,3 1,35-1 722,89 O K 6. Perbandingan tekanan dalam silinder selama pembakaran ( λ ) Adalah ratio yang menunjukkan perbandingan tekanan maksimum pada pembakaran campuran bahan bakar dengan tekanan pada awal pembakaran. λ 45 13,7 3,417 7. Nilai pembakaran bahan bakar (Q b ) Adalah jumlah panas yang mampu dihasilkan dalam pembakaran 1 kg bahan bakar. Bensin mempunyai kompresi sebagai berikut : C 87 % H 11% O 2 %. Menurut persamaan dulong dengan kompresi demikian bensin tersebut mempunyai nilai pembakaran (Q b ) sebesar : Q b 81. C + 200. (H - 0/8) 81. 87 + 200 (11 2/8) 10.164.5 kkal/kg Bensin mempunyai nilai pembakaran 9.500 10.500 kkal/kg. jadi kompresi tersebut dapat dipakai. 8. Kebutuhan Udara Teoritis (L o ) Adalah kebutuhan udara yang diperlukan membakar bahan bakar sesuai perhitungan. 1 C H O L o + 0,21 12 4 32
1 0,87 0,11 0,2 + 0,21 12 4 32 0,473 mol 9. Koefisien Kimia Perubahan Molekul Selama Pembakaran (µ) Adalah koefisien yang menunjukkan perubahan molekul yang terjadi selama proses pembakaran bahan bakar. Mg µ α L O dimana : α koefisien kelebihan udara. Untuk motor bensin harga koefisien kelebihan udara antara 0,85 1,05. Mg jumlah molekul hasil pembakaran 1 kg bahan bakar berkisar Mg MCO 2 + MHO 2 + MO 2 + MN 2 (i) MCO 2 C/12 0,87/12 0,072 (ii) MH 2 O H/2 0,11/2 0,055 (iii) MO 2 0,21, (α - 1 ) 0,21. (1,05 1) 0,011 (iv) MN 2 0,79. (α - 1 ) 0,79. (1,05 1) 0,392 sehingga : Mg 0,072 + 0,05 + 0,011 + 0,302 jadi : 0,53 mol µ 0,53 1,05.0,473 1,067 10. Koefisien Perubahan Molekul Setelah Poses Pembakaran (µ) Adalah menunjukkan perubahan molekul yang terjadi sebelum dan setelah pembakaran. µ A 1,067 + 0,04 1 + 0,04
1,064 11. Temperatur Akhir Pembakaran (T z ) Adalah temperatur gas hasil pembakaran campuran bahan bakar untuk motor bensin yang memiliki siklus volume tetap T z, dapat dicari dengan rumus : δ Qb δl.(1 +γr) Z µ. (M cp ) gas. T z + ( M ) dimana : ( M CP ) kapasitas gas buang gas O ( ) [ + 1,985] T.... ii CV gas C ( M ) + 1, 985 CV gas ( M Agas + B gas. T C CP ) gas (i) Menurut N.M. Glagolev 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 (M CV )CO 2 7,82 + (125. 10-5 ). T z (M CV )H 2 O 5,79 + (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 MCO2 0,072 VCO 2 0, 136 0,53 M gas MH 2O 0,055 VH 2 O 0, 104 0,53 M gas MO2 0,11 VO 2 0, 021 0,53 M gas MN 2 0,392 VN 2 0, 740 0,53 M gas Dari sini diperoleh : A gas VCO 2. ACO 2 + VH 2 O. AH 2 O + VO 2. AO 2 + VN2. 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 + VN2. 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. T Z + 1,985 7,167 + 68,981. T z (M CV ) max kapasitas panas udara pada akhir langkah kompresi 3,62 + 53. 10-5. T c 3,62 + 53. 10-5. 722,89 4,0031 Dari sini dapat diperoleh : 1,063. ( 7,167 + 68,981. 10-5. T z ). T z 0,9.10164,5 1,05. 0,473. 1 + 0,04 ( ) + ( 4,0031 + 1,985). 734, 42 17711,61 + 5136,53 22108,88 7,62. T z + 73,369. 10-5. T z 22108,88 73,369. 10-5. T z 2 + 7,62. T z 22108,88 0 b ± T z ( b 2 4ac) 7,62 ± 2a 0,5 2 [( 7,62) 4. ( 0,00073396). ( 22108,88) ] [ 58,06 + 64,91] 7,62 ± 0,00146792 7,62 ± 3,469 0,00146792 2.363,208 0 K 12. Perbandingan Ekspansi ( ρ ) 2. 0,00073396 0,5 0,5
Adalah ratio yang menunjukan perubahan yang terjadi pada gas hasil pembakaran campuran bahan bakar pada awal langkah Perbandingan ekspansi pendahuluan dapat dicari dengan rumus : ρ µ. T λ. T Z C 1,063.2363,208 1,063.722,89 3,269 13. Perbandingan Ekspansi Selanjutnya ( δ ) ekspansi. Adalah ratio yang menunjukkan perubahan pada gas hasil pembakaran selama langkah ekspansi : ε δ ρ δ 8,3 3,269 2,54 14. Tekanan Akhir Ekspansi ( p b ) Z P b Pn δ 1 30 1, 35 2,6 8,26 15. Tekanan Indikator Rata-Rata Teoritis ( p it ) Adalah besar rata-rata tekanan yang dihasilan oleh pembakaran campuran bahan bakar dan bekerja pada piston sesuai perhitungan: Pc λ. ρ 1 1 1 P it ( ) λ. ε 1 ρ 1 +. 1 1 n 1 ρ 1 n n 1 ε n 1 1 2,211. [ 1,386 + 10,18. (0,358 ) 2,857. ( 0,556 )] 8,26 kg/cm 2 16. Tekanan indikator rata -rata ( p i )
Adalah besar rata-rata teanan yang dihasilkan dari pembakaran campuran bahan bakar. P i Dimana : Q. P it Q faktor koreksi berkisar antara 0,80 0,90 ( N.petrousky ) Dalam perhitungan diambil 0,9 P i 0,9. 8,26 7,333 kg/cm 2 17. Efisiensi Pengisian ( Ή ch ) Adalah ratio yang menunjukkan kemampuan silinder dalam menghisap campuran bahan bakar. P a P o ε ε. P ή ch ( ε 1 ). Po. ( T + tw + γr. T ) dimana : ή ch o a T o tekanan campuran bahan bakar dalam silinder pada ahir langkah isap. tekanan udara luar perbandingan kompersi 8,3.0,9 303 (8,3 1).1.(303 + 15 + 0,03.900) 2263,4 2518,5 0,9 18. Pemakaian bahan bakar indikator ( F 1 ) Adalah jumlah bahan bakar yang diperlukan untuk menghasilkan tekanan indikator. F 1 318,4. η ch P1. α. Lo. P. T 318,3.0,86.1 7,333.1,05.0,373.303 0,233 kg/hp.jam o o r
0,301 liter/jam 19. Pemakaian bahan bakar efektif ( F e ) Adalah jumlah konsumsi bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan kerja efektif. F e Dimana : F1 η m ή m Besarnya berisar 0,8 0,85, diambil 0,8 F e 0,233 0,8 0,305 kg/hp.jam 0,376 liter/jam 20. Tekanan efektif (P e ) Adalah besar rata-rata tekanan efektif yang bekerja pada permukaan piston. P e P 1. ή m 7,333. 0,8 5,93 atm 21. Daya efektif ( N e ) Adalah besar rata-rata daya yang dihasilkan oleh mesin. N e P e. V L.z. n. a Dimana : 1 60. 100,75 a : jumlah siklus per putaran, untuk motor 4 langkah 0,5 Catatan : 5,93.323,73.7000.0,5 350.000 59,82 Ps 1 HP 75 kg.m/det 0,735 kw 1 ps 76 kg.m/det 0,763 kw 22. Jumlah bahan bakar yang dibutuhkan ( F h )
F h F e. N e 0,305. 60,6 18,483 kg/jam 22,75 liter/jam Jumlah bahan bakar yang dibutuhkan dalam standar 15,95 liter/jam. 23. Kesimpulan Dari perhitungan diatas maka dapat diketahui bahwa : 1. Daya efektif ( N e ) yang dihasilkan 60,6 HP 2. Pemakaian bahan bakar efektif ( F e ) 0,175 liter/ jam 3. Jumlah bahan bakar yang dibutuhkan ( F h ) 5,196 liter/jam