PENGARUH BENTUK PERMUKAAN PISTON TERHADAP KINERJA MOTOR BAKAR 4 LANGKAH 1 SILINDER Achmad Nurhidayat Dosen Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Surakarta (UNSA) Jl. Raya Palur Km. 5, Surakarta - 57772 E-mail: achkun72@yahoo.comatauachkunujang@gmail.com Abstrak Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan bukti bahwa bentuk kepala torak akan memberikan performa motor bakar lebih baik. Pengujian dilakukan dengan berbagai macam bentuk kepala piston dengan bentuk kepala piston datar, cembung, dan cekung. Pengumpulan data dengan alat inertia dynometer di buat dalam bentuk diagram, waktu yang diperlukan untuk konsumsi bahan bakar 10 ml, hasil dan data diolah untuk mengetahui efisiensi bahan bakar, daya dan torsi. Mesin yang digunakan Yamaha Jupiter 110 cc tahun 2004. Hasil pengujian menunjukan bahwa kepala torak permukaan datar menghasilkan efisiensi paling besar yaitu ( 20 %) dengan konsumsi bahan bakar 0,3 kg/jam/hp, dan daya mencapai ( 2,168 hp ) lebih rendah dari permukaan cembung ( 4,56 hp ) dan lebih tinggi dari permukaan cekung ( 4,4 hp ). Kata kunci : Torak, Bentuk kepala torak, Torsi. I. PENDAHULUAN Effisiensi motor bakar terpaku pada angka di bawah 50 %, hal ini dikarenakan energi panas yang dirubah menjadi energi mekanik tidak seratus persen. Sebagian besar dibuang sebagai rugi, termasuk didalamnya adalah gesekan antara komponen-komponen yang bekerja bergesekan. Gesekan yang terjadi disamping disebabkan karena kerjanya juga disebabkan karena bobot dari komponen itu sendiri, semakin ringan bobot komponen semakin rendah gesekan yang terjadi. Termasuk dalam hal ini adalah piston atau torak sebagai komponen paling penting dalam meneruskan tenaga atau daya yang dihasilkan ke pengguna yaitu transmisi dan roda. Dilihat dari fungsi dan pembebanan torak atau piston, maka dituntut persyaratan harus kuat terhadap tekanan tinggi, tahan terhadap temperatur tinggi, tahan terhadap keausan dan mempunyai sifat luncur yang baik serta mempunyai koefisien muai panas kecil (VEDC Malang, 1999, hal.60150510-3). Tahan terhadap keausan dan mempunyai sifat luncur yang baik berarti mensyaratkan bahwa piston atau torak harus memiliki bobot yang seringan mungkin, sehingga rugi daya bisa dikurangi. Beberapa modifikator motor bakar melakukan perubahan bentuk komponenkomponen motor bakar agar rugi daya dapat ditekan sehingga performa motor bakar lebih baik, demikian pula halnya dengan piston atau torak ini. Seberapa besar pengaruh bentuk kepala piston, hal ini dapat mempengaruhi performa motor bakar, perlu kiranya dilakukan pengujian dan penelitian lebih lanjut. Dalam penelitian dan pengujian terhadap bentuk kepala torak haruslah mempertahankan fungsi torak dan persyaratan yang lain sehingga tidak mempengaruhi kinerja torak, yang dilakukan perubahan adalah bentuk kepala torak saja. Sehingga akan didapat pengaruh terhadap performa motor bakar dengan membaca grafik analisa performa motor bakar. II. TINJAUAN PUSTAKA Dengan meng-oversize piston, volume langkah akan bertambah besar, tetapi tekanan pada ruang bakar menurun perbandingan kompresi dan gaya yang bekerja pada piston setiap motor mengalami peningkatan. Sedangkan torsi dan daya yang dihasilkan relatif sama degan motor ukuran standart, ini terlihat dari hasil perhitungan yang telah 15
dilakukan. Kenaikan ataupun penurunan yang terjadi akan mempengaruhi kinerja motor (Asep Syarif Hidayat, 2006). Adanya peningkatan daya dan torsi pada sepeda motor menggunakan torak jenis dome dari yang semula torak flat dengan prosentase peningkatan daya maksimum sebesar 0,9 kw (16,9%) dan torsi maksimum sebesar 0,74 Nm (13,43%), serta pemakaian bahan bakar menurun sebesar 0,01 ml/detik (9,4%) pada putaran mesin 1500 rpm hingga rpm, (Andreas Galih Dimaranggono 2009). Fungsi torak menghisap, mengkompresi gas baru dan membuang gas bekas, merubah tekanan hasil pembakaran rnenjadi gaya dorong pada batang torak, mengatur pemasukan dan pembuangan gas pada motor 2 tak. Pembebanan yang terjadi pada torak antara lain adalah, menerima tekanan dan temperatur gas pembakaran yang tinggi, menerima gaya percepatan yang tinggi dan menerima gaya gesek dan gaya samping, sehingga syarat dari bahan torak adalah harus kuat terhadap tekanan tinggi, tahan terhadap temperatur tinggi, tahan terhadap keausan dan mempunyai sifat luncur yang baik serta mempunyai koefisien muai panas kecil. Bahan yang umumnya dipakai untuk torak adalah aluminium karena sifatnya ringan. Tetapi aluminium murni terlalu lembek dan mempunyai ketahanan kecil terhadap gesekan. Untuk memenuhi persyaratan yang diinginkan, maka aluminium harus dicampur dengan logam lain seperti, 1. Paduan Al Si dengan Si yang terkandung 12-25%, Silikon (Si) rnakin tinggi kadar Si, rnakin kecil muai panas dan gesekan. Tetapi makin sulit pengerjaan / pembuatannya. 2. Paduan Al - Cu dengan Cu yang terkandung 5% dan Si < 1%, Tembaga (Cu) Tahan terhadap karat dan kemampuan memindahkan panas baik. 3. Paduan Al - Si - Cu dengan Si & Cu yang terkandung masing-rnasing 5%. 4. Paduan AI-Ni dengan Ni yang terkandung 25%, Nikel (Ni) memiliki kekenyalan yang tinggi, tahan terhadap temperatur tinggi, muai panas kecil dan tahan terhadap karat. Dalam kerjanya torak mengalami gesekan dan panas yang tinggi, hal ini mengharuskan torak mengalami pelumasan dan pendinginan. Oli yang keluar pada bantalan pangkal batang torak terlempar akibat putaran poros engkol,lubang semprot khusus ada pada pangkal batang torak, diarahkan kesisi torak yang rnenerima gaya samping pada langkahusaha.sedangkan pada pendinginan torak digunakan nosel penyemprot yang ada pada blok motor, dimana tekanan buka katup pelepas >200 Kpa (2 bar), model yang lain saluran penyemprot yang melewati batang torak. Untuk memperkecil gesekan dan tamparan torak pada posisi TMA dan TMB serta langkah usaha, sumbu pena torak sering digeser kearah samping ( 0,3mm s/d 1 mm ), kesisi yang rnenerima gaya samping pada langkah usaha. Temperatur tinggi yang terjadi pada torak dari bahan logam ringan akan mengakibatkan muai panas yang besar oleh karena itu torak dibuat dengan bentuk torak(model tirus dan lonjong / oval). Saat dingin tirus dan lonjong, ketika panassilindris, karena muai panas puncak torak lebih besar dari pada pinggang torak dan bulat karena pemuaian diarahkan ke surnbu pena torak. Jenis Torak 1. Torak dengan pembatas perpindahan panas a. Torak dengan pinggang bercelah Fungsi celah untuk membatasi pemuaian panas pada pinggang torak dengan cara memperkecil perpindahan panas dari puncak ke pinggang torak (pada bagian melintang sumbu pena torak). Torak jenis ini harus dibuat dari campuran logam dengan koefisien rnuai panas kecil. b. Torak berpasangan Torak terdiri dari dua bagian yang dapat dipisahkan, yaitu puncak torak dan badan torak. Puncak torak terbuat dari baja.tuang dan badan torak terbuat dari aluminium Perpindahan panas dari puncak ke pinggang torak akan terhambat dengan adanya pemisahan dua bagian tersebut, pemakaian pada motor diesel dengan tuntutan panas tinggi. 2. Torak dengari kontrol pemuaian a. Pemuaian dibatasi -Torak - Baja invar Penambahan baja akan mereduksi pemuaian panas.invar nama pernbuatnya (baja dengan pemuaian panas rendah). -Torak dengan cincin pemikul 16
Cincin pemikul di buat dari besi tuang khusus dan dipasang pada alur cincin.torak pertama sehingga pemakaian panas diperkecil dan keausun pada alur cincin torak berkurang. b. Pemuaian diarahkan ke sisi sumbu pena torak -Torak Bimetal Strip baja disisipkan disekitar mata pena torak. Torak akan rnemuai ke arah Sumbu pena torak, dengan penarnbahan strip baja akan mengatur pemuaian panas ( Efek dari bimetel). Torak bimetal juga sering disebut torak Autothermis. III. METODE PENELITIAN Desain penelitan Desain penelitian ini termasuk desain praeksperimental dengan studi observasi tunggal (one-shot case study), karena objek penelitiannya hanya merupakan kelompok perlakuan dan tidak memiliki kelompok kontrol. Hal ini dikarenakan dalam desain ini, suatu perlakuan (X) yaitu variasi bentuk permukaan piston, dikenakan pada suatu objek penelitian, yaitu motor bensin Yamaha dan kemudian dilakukan pengamatan terhadap konsumsi bahan bakarnya. Populasi dan sampel Pada penelitian tersebut, karena jenis motor maupun jenis karburatornya sudah tertentu, juga karakteristik motor, maka teknik sampling yang digunakan adalah teknik purposif random sample, yaitu dengan contoh : 1. Motor bensin yang digunakan sepeda motor Yamaha 2. Karburator yang digunakan yaitu merek Mikuni 3. Komposisi campuran bahan bakar dan udara saat idle tetap Pelaksanaan penelitian Tahap persiapan a. Dalam setiap perlakuan dilakukan penggantian piston dengan bentuk kepala piston berbeda, agar mendekati ketelitian hasil pengamatan, maka setiap perlakuan dilaksanakan tiga kali pengukuran dan setiap kali selesai percobaan busi dibersihkan. b. Pengamatan dilaksanakan setelah motor berada pada temperatur kerja mesin, yaitu setelah tidak lagi terjadi kenaikan temperatur mesin dalam waktu yang relatif singkat. c. Beban motor dioperasikan pada beban nol atau beban motor itu sendiri. Sehingga pengamatan ini dilakukan dalam kondisi stasioner. d. Motor dalam kondisi stasioner. e. Karena pengamatan ini dilakukan dalam kondisi stasioner, maka putaran motor untuk setiap perlakuan yang dilakukan, masih dalam batas putaran yang diijinkan yaitu pada putaran rendah, menengah dan tinggi. Tahap pelaksanaan a. Setiap kali perlakuan, pemakaian bahan bakar yang ditetapkan adalah 10 ml. Pada setiap ulangan diusahakan awalan pencatatan waktu dilakukan beberapa saat setelah mesin dioperasikan dan suhu motor konstan. b. Pengisian bahan bakar ke dalam gelas ukur dilakukan, setelah pengoperasian motor dihentikan. IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Untuk pembahasan diperlukan pengolahan data berupa perhitunganperhitungan prestasi mesin, data diambil dari hasil penelitian. Hasil perhitungan ditabelkan seperti dibawah ini Tabel Kinerja Motor Permukaan piston datar Put uji hp rata Be rata ηe rata #1 0.901 0.630 9% #2 0.908 0.95 0.612 0.59 9% #3 1.049 0.531 11% #1 2.039 0.329 #2 2.217 2.17 0.293 0.30 20% #3 2.248 0.298 #1 2.387 0.281 20% #2 2.189 2.32 0.322 0.30 18% #3 2.398 0.291 20% 10% 17
#1 2.517 0.301 #2 2.605 2.57 0.290 0.29 20% #3 2.584 0.291 20% #1 1.098 Permukaan piston cekung 0.445 #2 1.098 1.05 0.448 0.47 #3 0.948 0.517 11% #1 1.941 0.300 #2 2.122 1.90 0.278 0.31 21% #3 1.629 0.359 16% #1 2.188 0.329 18% #2 2.356 2.29 0.308 0.32 #3 2.335 0.312 18% #1 2.700 0.401 #2 2.570 2.56 0.423 0.42 #3 2.412 0.447 #1 1.084 Permukaan piston cembung 0.456 #2 1.295 1.16 0.382 0.43 15% #3 1.105 0.448 #1 2.173 0.336 #2 2.141 2.17 0.343 0.34 #3 2.197 0.330 #1 2.554 0.385 15% #2 2.294 2.37 0.433 0.42 #3 2.268 0.434 #1 2.777 0.429 #2 2.635 2.79 0.445 0.43 #3 2.953 0.406 Analisa data 20% 12% 18% Untuk menganalisa kinerja motor masing-masing permukaan piston dibuatlah grafik perbandingan kinerja motor yang dihasilkan, Grafik 1. Perbandingan daya dan jenis permukaan piston pada putaran motor tertentu Grafik 2. Perbandingan konsumsi bahan bakar spesifik dan jenis permukaan piston pada putaran motor tertentu Grafik 3. Perbandingan efisiensi dan jenis permukaan piston pada putaran motor tertentu Pada grafik 1) dapat dilihat bahwa untuk daya cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya putaran sampai putaran rpm untuk semua jenis permukaan piston tetapi terjadi perbedaan terhadap besaran daya yang terjadi pada putaran rpm dimana untuk permukaan cembung lebih besar ( 2.170 hp) berhim-pitan dengan permukaan datar 2.168 hp sementara permukaan cekung lebih rendah, sedangkan pada putaran rpm ketiga permukanan memiliki besar daya yang hampir sama. Pada putaran rpm untuk permukaan datar berhimpitan dan untuk grafik 2) dapat dilihat bahwa untuk konsumsi bahan bakar spesifik cenderung menurun seiring dengan meningkatnya putaran sampai putaran rpm untuk semua jenis permukaan piston tetapi terjadi perbedaan pada konsumsi bahan bakar spesifik yang terjadi pada putaran rpm dimana untuk permukaan cembung lebih besar ( 0.336 kg/jam/hp) mulai naik sampai putaran berhimpitan dengan permukaan cekung ( 0.424 kg/jam/hp). 18
Sedangkan pada grafik 3) dapat dilihat bahwa untuk effisiensi cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya putaran sampai putaran rpm untuk semua jenis permukaan piston tetapi terjadi perbedaan terhadap effisiensi yang terjadi mulai putaran rpm dimana untuk permukaan cembung dan permukaan cekung cenderung bergerak turun sampai putaran rpm. Sementara permukaan datar terus naik sampai 20 % pada putaran rpm V. PENUTUP Kesimpulan Bentuk kepala piston mempengaruhi terhadap kinerja motor bakar hal ini dapat buktikan dalam penelitian ini. Pengujian dilakukan terhadap tiga bentuk kepala piston yang berbeda. Adapun kesimpulannya adalah sebagai berikut : 1. Dari ke tiga bentuk kepala piston yang diuji tampak peningkatan kinerja motor pada bentuk kepala piston cekung daya yang di hasilkan menempati posisi teratas 5,36 hp Ini disebabkan pada ruang kompresi semakin besar dan pembakaran semakin sempurna. 2. Peningkatan tersebut diikuti dengan peningkatan konsumsi bahan bakar 0,21 kg / km /hp pada putaran rpm, tetapi efisiensi (%) terbesar 26,3 % pada putaran rpm. Ini disebabkan karena pada saat langkah hisap volume silinder lebih besar dari pada menggunakan piston cembung dan datar, mengakibatkan hisapan bahan bakar semakin banyak. DAFTAR PUSTAKA 1. Arismunandar; W. Buku Motor Bakar Torak. Institut Teknologi Bandung, Bandung : 2008 2. Dimaranggono; A. Unjuk kerja motor menggunakan torak flat di banding torak dome, Universitas Negeri Semarang: 2009 3. Jama; J. Buku Teknik Sepeda Motor Jilid 1. Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan, Jakarta : 2008 4. Koeswara; E. Pengaruh bobot piston terhadap kinerja motor, Universitas Surakarta: 2011 5. Software inertia dynodesign tools, DTEG: 2010 6. NEW STEEP 1 : Toyota training. Jakarta: 1995 7. Ulinnuha; C. A. Korek Skubek. Motor Plus, Edisi 12. Jakarta ; 2010 8. Syarif; A Analisis pengaruh oversize terhadap kinerja motor, Universitas Gunadarma: 2006 9. VEDC : Sistem pelumasan torakmalang: 1999 10. www.ahas.org. Supra Fit Parts catalog edisi I : PT. Astra Honda Motor 19