SKRIPSI MOTOR BAKAR RANCANGAN TURBOCARJER PADA KENDARAAN TRUK PENGANGKUT DAYA 140 PS PUTARAN MESIN 3000 RPM Oleh : JHON DELMAIER S NIM : 050421020 PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009
KATA PENGANTAR Puji dan Syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, atas berkat dan rahmat-nya penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini dengan baik. Adapun tugas sarjana ini merupakan tugas akhir untuk menyelesaikan studi pada jenjang pendidikan sarjana (S-1) Teknik Mesin menurut kurikulum Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. Tugas Sarjana ini merupakan bagian dari mata kuliah Motor Bakar yaitu dengan judul RANCANGAN TURBOCARJER PADA KENDARAAN TRUK PENGANGKUT. Dalam hal ini, Daya motor diesel adalah 140 PS putaran 300 rpm. Dalam menyelesaikan tugas sarjana ini penulis telah mencoba semaksimal mungkin guna tersusunnya tugas sarjana ini. Namun penulis masih menyadari bahwa tulisan ini tidak terlepas dari kekurangan-kekurangan baik dalam penulisan maupun penyajian tugas sarjana ini. Untuk itu segala kerendahan hati penulis mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak yang bersifat membangun demi kesempurnaan tugas sarjana ini. Dengan terselesainya tugas sarjana ini, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih kepada : 1. Orangtua Saya (M. br. Silitonga) dan seluruh keluarga tercinta yang telah memberikan dukungan baik doa, moril, dan spiritual. 2. Bapak Ir. Isril Amir selaku dosen pembimbing tugas sarjana yang telah meluangkan waktu untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.
3. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri selaku ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. 4. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT, selaku sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. 5. Seluruh staf pengajar dan pegawai dilingkungan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik 6. Sahabat-sahabatku (Berthon Siregar,ST, Albert Damanik, Daulat Purba, Maralim Lubis) yang telah memberikan dukungan dalam menyelesaikan tulisan ini. 7. Teristimewa buat Adik tercinta Murni br. Purba, A.Md. yang telah banyak memberikan dukungan doa, semangat dan perhatiannya dari awal hingga penyelesaian tugas sarjana ini. Akhir kata penulis mengharapkan, semoga tugas sarjana ini bermanfaat bagi kita semua. Medan, Desember 2009 Jhon Delmaier S Nim. 050421020
DAFTAR ISI SPESIFIKASI TUGAS KARTU BIMBINGAN KATA PENGANTAR... i DAFTAR ISI... iii DAFTAR GAMBAR...... vii DAFTAR NOTASI...... viii BAB I PENDAHULUAN...... 1 1.1 Latar Belakang...... 1 1.2 Tujuan penulisan...... 2 1.3 Manfaat Penulisan...... 2 1.4 Batasan masalah...... 3 1.5 Sistematika Penulisan...... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA5 2.1 Motor bakar diesel...... 5 2.2 Turbocarjer...... 7 2.2.1.Pengertian Turbocarjer...... 7 2.2.2.Mamfaat Pemakaian turbocarjer...... 8 2.2.3.Klasifikasi turbocarjer...... 10 2.2.3.1 Turbocarjer Sistem Pulsa...... 10 2.2.3.2 Turbocarjer Sistem Tekanan Konstan...... 11 2.2.3.3 Turbocarjer konventer-pulsa...... 12 2.2.4 Bagian-bagian utama Turbocarjer...... 12
2.2.4.1 Turbin...... 14 2.2.4.2 Kompresor...... 17 2.3 Siklus Termodinamika Motor Diesel dengan Turbocarjer... 21 2.4 Perbandingan Siklus Termodinamika Motor diesel dengan Turbocarjer dan Tanpa Turbocarjer... 24 2.5 Batasan Turbocarjer pada motor diesel... 25 BAB III ANALISA TEMODINAMIKA... 27 3.1 Idealisasi dari Analisa Termodinamika... 27 3.2 Penetapan Siklus Termodinamika... 28 3.3 Bahan Bakar... 29 3.4 Faktor kelebihan udara... 30 3.5 Perbandingan Bahan Bakar dengan Udara(F/A)... 31 3.6 Pemilihan perbandingan kompresi... 33 3.7 Perhitungan Termodinamika... 34 3.7.1 Kondisi udara luar... 35 3.7.2 Temperatur Udara pada Kompresor...... 35 3.8 Perhitungan Termodinamika Turbin dan Kompresor... 48 3.8.1 Rasio Kompresi Kompresor dan Rasio ekspansi Turbin Turbocarjer... 50 3.8.2 Jumlah mol total hasil pembakaran(mg)... 3.8.3 Daya turbin... 57 3.8.4 Jumlah massa aliran udara masuk kompresor... 58 3.8.5 Daya kompresor... 59 3.8.7 Putaran turbin dan kompresor... 60
BAB IV PERHITUNGAN TURBOCARJER 4.1 Perencanaan turbin...... 62 4.1.1 Temperatur dan tekanaan keluar nosel...... 64 4.1.2 Perhitungan segitiga kecepatan...... 67 4.1.3 Luas nosel turbin...... 70 4.1.4 Perhitungan dimensi turbin...... 71 4.2 Perencanaan Kompresor... 76 4.2.1 Kenaikan temperatur proses sebenarnya... 77 4.2.2 Kondisi udara masuk dan keluar kompresor... 77 4.2.3 Kerja Spesifik... 79 4.2.4 Tinggi tekanan Kompresor... 80 4.2.5 kecepetan udara masuk Kompresor... 80 4.2.6 Volume aliran masuk kompresor sentrifugal... 81 4.2.7 Perhitungan dimensi kompresor... 82 4.2.8 Segitiga kecepatan pada kompresor... 86 4.2.9 Perencanaan sudu... 89 BAB V KESIMPULAN... 92 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Skema instalasi sederhana turbocarjer...... 8 Gambar 2.2 Turbocarjer sistem pulsa...... 10 Gambar 2.3 Turbocarjer sistem tekanan konstan...... 11 Gambar 2.4 Turbocarjer system konventer-pulsa...... 12 Gambar 2.5 Bagian-bagian assembling turbocarjer...... 13 Gambar 2.6 Turbin gas radial aliran kantilever...... 15 Gambar 2.7 Susunan dan diagram kecepatan dari turbin radial tipe kantilever...... 16 Gambar 2.8 Turbin gas aliran masuk campur...... 16 Gambar 2.9 Susunan dan diagram segitiga kecepatan dari turbin radial...... 17 Gambar 2.10 Kompresor tipe v...... 18 Gambar 2.11 Kompresor rotary...... 19 Gambar 2.12 Kompresor Aksial...... 20 Gambar 2.13 Kompresor Sentrifugal...... 21 Gambar 2.14 Siklus ideal tekanan terbatas...... 22 Gambar 2.15 Siklus ideal tekanan terbatas pada mesin diesel...... 23 Gambar 2.16 Perbandingan mesin diesel dengan dan tanpa turbocarjer...... 25 Gambar 3.1. Diagram p-v siklus dual...... 28 Gambar 3.2 Diagram p-v ideal untuk siklus dual dengan memakai turbocarjer...... 34 Gambar 3.3 Diagram P-V dan diagram T-s turbin dan kompresor...... 49 Gambar 3.4 Faktor kompresi dan ekspansi adiabatik...... 43
Gambar 3.5 Operasi turbocarjer pada keadaan tunak...... 60 Gambar 4.1 Diagram h-s untuk turbin radial aliran masuk...... 63 Gambar 4.2 Segitiga kecepatan masuk...... 67 Gambar 4.3 Segitiga kecepatan keluar...... 69 Gambar 4.4 Segitiga kecepatan keluar...... 72 Gambar 4.5 Diagram h-s untuk kompresor...... 78 Gambar 4.6 Diagram Cordier...... 85 Gambar 4.7 Segitiga kecepatan masuk kompresor...... 86 Gambar 4.8 Segitiga kecepatan keluar kompresor...... 89
DAFTAR NOTASI Notasi Arti Satuan A Luas... m 2 AF Perbandingan udara dengan bahan bakar... kg udara /kg b bakar b 1 Lebar sisi masuk impeller kompresor... m b 2 Lebar sisi kelur kompresor... m C Kecepatan absolute... m/s C b Faktor beban lentur Cm 2 Kecepatan relative masuk... m/s C 0 kecepatan pancar(spouting velocity)... m/s Cpa Kalor spesifik udara... kj/kgk C pe kalor spesifik gas... kj/kgk c Panjang chord... m c s Kecepatan udara masuk kompresor... m/s D N Diameter hubungan kompresor... m D p Diameter poros... m D s Diameter mata impeller... m F Konsumsi bahan baker spesifik... kg/jam FA Perbandingan bahan bakar udara... kg b.b /kg u F h Konsumsi bahan bakar tiap jamnya... kg/hr F i Konsumsi bahanbakar indicator... kg/hp-hr f c Faktor koreksi
g Gravitasi... m/s 2 H Tinggi tekanan kompressor... m.kol.udara h Enthalpi... kj/kg K T Faktor koreksi momen puntir... - L Panjang langkah... m LHV Nilai kalor pembakaran langkah... kj/kg L Jumlah udara aktual yang dibutuhkan... kg/m 3 M Bilangan much number... - M g Mole gas hasil pembakaran... mole/kg M p Momen puntir... kg.mm M a Berat molekul udara... kg/mole M eg Laju aliran gas masuk turbin... kg/s m K Laju aliran udara melalui kompresor... kg/s N Putaran... rpm N b Daya efektif... hp N i Daya indikator... hp P Tekanan... Pa P d Daya perencanaan... kw q in Kalor masuk persatuan massa... kj/kg r jari-jari... m Sy Kekuatan tarik bahan... MPa S f faktor keamanan... - S f1 faktor keamanan akibat kelelahan puntir... - S f1 faktor keamanan akibat kelelahan puntir... -
S f1 faktor keamanan akibat kelelahan puntir... - S f2 faktor alur pasak... - T Temperatur... K TMA Titik Mati Atas... m TMB Titik Mati Bawah... m U Energi dalam... kj/kg u Kecepatan tangensial... m/s V Voleume... m 3 v s Kapasitas isap... m 3 /s W Kerja Total... kj W T Daya turbin... hp W K Daya kompresor... hp w kecepatan relative masuk... m/s Y Kerja spesifik... kj/kg Z Jumlah sudu... buah z Fungsi dari sudu chamber dan thickness... derajat chord ratio... buah α 2 Sudu aliran masuk turbin... derajat β 1 Sudut sudu pada sisi masuk kompresor... derajat β 3 Sudut sudu pada aliran keluar pada turbin... derajat β 2 Sudut sudu pada sisi keluar kompresor... derajat β 2r Sudut sudu pada sisi masuk root pada turbin... derajat β 3r Sudut sudu pada sisi keluar root pada turbin... derajat
γ a Eksponen udara... - γ e Eksponen gas... - γ r Koefisien gas hasil pembakaran... - φ Faktor diagram... - Φ Koefisien kecepatan... - ψ Koefisien pembebanan sudu... - λ Perbandingan tekanan... - λ N Koefisen kehilangan nosel... - σ Faktor slip... - σ ct Tegangan tarik sentrifugal... kg/m 2 σ d Tegangan maksimum yang diizinkan... kg/m 2 ( σ d ) maks Tegangan lengkung... kg/m 2 ' σ Tegangan maksimum yang terjadi... kg/m 2 τ g Tegangan geser masksimum yang terjadi... kg/m 2 τ g Tegangan geser yang diizinkan... kg/m 2