Diagram Sankey

 

 

Diagram Sankey

Sumber : Arismunandar, Motor Diesel Putaran Tinggi. 1975 : 29

 

Diagram sankey seperti gambar diatas merupakan diagram yang menjelaskan keseimbangan panas yang masuk dan panas yang keluar serta dimanfaatkan saat pembakaran terjadi. Pada gambar diatas juga menunjukkan bahwa 30-45% dari nilai kalor bahan bakar dapat diubah menjadi kerja efektif. Sisanya merupakan kerugian-kerugian, yaitu kerugian pembuangan (gas buang dengan temperatur 300^o – 600^o C). kerugian pendinginan dan kerugian mekanis (kerugian gesekan yang diubah dalam bentuk kalor yang merupakan beban pendinginan).

·               Kerugian pembuangan

Gas buang yang bertemperatur 300^o – 600^o C, merupakan kerugian karena panas/kalor tersebut tidak dimanfaatkan. Selain itu, karena perbedaan temperatur didalam sistem lebih tinggi dibandingkan diluar sistem, menyebabkan temperatur tersebut berpindah / keluar ke lingkungan

·               Kerugian Pendinginan

Silinder, katup-katup, dan torak akan menjadi panas karena berkontak langsung terhadap gas panas yang bertemperatur tinggi, sehingga dibutuhkan fluida pendinginan berupa air dan udara untuk menjaga komponen tersebut agar tidak rusak, pendinginan ini merupakan kerugian juga karena banyaknya kalor / panas yang hilang akibat diserap oleh fluida pendinginannya

·               Kerugian Mekanis

Merupakan kerugian gesekan yang diubah dalam bentuk kalor yang merupakan beban pendingin.

 Karakteristik Kinerja Motor Diesel

1      Grafik hubungan Putaran dengan Daya Poros dan Fuel Consumption.

a.              Grafik Torsi dengan Putaran

Pada grafik ditunjukkan bahwa semakin tinggi putaran (rpm) maka torsi semakin meningkat sampai mencapai titik maksimum pada putaran tertentu. Hal ini disebabkan karena dibutuhkannya momen putar tinggi pada awal putaran poros kemudian terjadi sifat kelembaman sehingga menurun pada putaran tertentu.

 

 Grafik Hubungan Putaran dengan daya Poros

Sumber : Arismunandar, Motor Diesel Putaran Tinggi. 1975 : 61

 

b.              Grafik Hubungan antara Spesific Fuel Consumption terhadap Putaran

Dari grafik 2.7 terlihat bahwa pemakaian bahan bakar yang dimaksud adalah jumlah putaran/ jumlah sirkulasi bahan bakar yang diperlukan untuk daya yang dihasilkan dan grafik antara fuel consumption dengan putaran cenderung mengalami penurunan. Namun setelah mencapai titik optimum kembali mengalami kenaikan. Hal ini dikarenakan konsumsi bahan bakar yang cenderung tinggi karena diperlukan daya yang besar untuk penggerak awal mesin. Pada putaran setelah titik optimum, grafik mengalami kenaikan. Hal ini dikarenakan pembakaran kurang sempurna sehingga daya mengalami penurunan, inilah yang menyebabkan SCF meningkat. Selain itu dengan naiknya putaran maka daya yang dibutuhkan semakin besar

c.                Grafik Daya Poros terhadap Putaran

Pada grafik terlihat bahwa semakin tinggi nilai putaran maka daya poros mengalami peningkatan sampai mencapai titik maksimum (titik dimana putaran poros lebih rendah daripada putaran dimana daya indikatornya maksimum), kenaikkan itu menunjukkan semakin besarnya daya efektif akibat dari daya indikasi yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar semakin besar akibat putaran yang terus bertambah. Kemudian mengalami penurunan pada putaran yang lebih tinggi. Hal ini disebabkan karena adanya gesekan antara piston dengan silinder dalam ruang bakar, pada bantalan, roda gigi, daya untuk menggerakkan pompa bahan bakar, generator, pompa air, katup,dsb. Dapat disimpulkan bahwa semakin besar putaran menyebabkan gesekan yang terjadi juga besar, sehingga beban daya yang harus ditanggumg daya indikasi semakin besar dan berpengaruh pada daya efektif.

 

2         Grafik hubungan antara momen putar (torsi), daya poros, dan MEP

 

Grafik Hubungan putaran dengan daya, dan MEP

Sumber : Maleev. 1985. Internal Combustion Engine.

a.              Grafik Antara Daya Efektif dan Putaran

Pada grafik terlihat bahwa semakin tinggi putaran, maka daya efektifnya akan mencapai nilai maksimum dengan kata lain daya efektifnya berbanding lurus dengan putaran. Tetapi setelah mencapai titik maksimumnya, nilainya akan menurun. Nilai daya efektif merupakan pengurangan nilai daya indikasi dengan daya mekanis.

b.              Grafik Antara Daya Mekanis dan Putaran

Pada grafik terlihat semain tinggi putaran maka daya mekanis cenderung meningkat. Tingkat kenaikan daya mekanis dibawah daya indikasi dan daya efektif.

c.              Grafik Hubungan Mean Efective Pressure dengan Putaran

Pada grafik hubungan putaran dengan MEP terlihat bahwa grafik mengalami kenaikan seiring dengan kenaikan putaran. Tetapi setelah mencapai titik ultimate, harga tekanan efetif rata-rata mengalami penurunan.

d.              Grafik Hubungan Daya Indikasi dengan Putaran

Pada grafik hubungan daya indikasi dengan putaran terlihat bahwa kurva yang awalnya naik setelah mencapi titik tertentu kurva tersebut akan cenderung menurun. Dikarenakan semakin cepat putaran maka daya yang hilang akibat gesekan juga semain besar sehingga menyebabkan penurunan daya indikasi.

 

3       Grafik Hubungan Efisiensi dengan Compression Rasio

Grafik Hubungan Efisiensi dan compression Ratio

Sumber : Maleev. 1985. Internal Combustion Engine.

 

a.                Perbandingan Antara Efisiensi Mekanis dengan Compression Ratio

Pada grafik terlihat bahwa semakin besar perbandingan kompresi maka efisiensi mekanis akan semakin menurun, karena putaran berbanding lurus dengan perbandingan kompresi, maka semakin tinggi putaran efisiensi mekanis akan menurun diakibatkan gesekan yang terjadi semakin besar.

b.                Perbandingan Efisiensi Indikasi  dengan Compression Ratio

 Pada grafik terlihat bahwa semakin besar perbandingan kompresi maka efisiensi mekanis akan semakin meningkat. Kenaikkan tersebut dikarenakan perbandingan selisih daya indikasi lebih besar dibandingkan kenaikkan panas akibat kompresi.

c.                 Perbandingan Efisiensi Efektif  dan Compression Ratio

 Pada grafik terlihat bahwa semakin besar perbandingan kompresi maka efisiensi efektif akan semakin meningkat. Pada perbandingan kompresi tertentu efisiensi efektif akan mencapai nilai maksimum dan akan sedikit mengalami penurunan akibat adanya kerugian mekanis.

 Pengertian Karakteristik Kinerja Motor Bakar

Karakteristik kinerja motor bakar adalah karakteristik atau bentuk – bentuk hubungan antara indikator kerja sebagai variabel terikat dengan indikator operasionalnya sebagai variabel bebas. Dengan adanya bentuk hubungan antara kedua indikator tersebut maka dapat diketahui kondisi optimum suatu motor bakar harus dioperasikan, atau apakah kondisi suatu motor bakar masih baik dan layak untuk dioperasikan.

 

1.  Indikator Kerja dan Indikator Operasional Motor Bakar

Beberapa indikator kinerja motor bakar yang biasa digunakan untuk mengetahui kinerja suatu motor bakar diantaranya adalah:

1.            Daya Indikatif (Ni)

Daya yang dihasilkan dari reaksi pembakaran bahan bakar dengan udara yang terjadi di ruang bakar.

 

dimana     

2.            Daya Efektif (Ne)

Daya efektif motor bakar adalah proporsional dengan perkalian torsi yang terjadi pada poros output (T) dengan putaran kerjanya (n). Karena putaran kerja poros sering berubah terutama pada mesin kendaraan bermotor, besar torsi pada poros (T) yang dapat dijadikan sebagai indikator kinerja motor bakar. Daya ini dihasilkan oleh poros engkol yang merupakan perubahan kalor di ruang bakar menjadi kerja. Daya efektif dirumuskan sebagai berikut

dimana     T     : Torsi (kg . m)

                 n      : putaran (rpm)

 

3.            Kehilangan Daya / Daya Mekanik (Nf)

Kehilangan daya (Nf) terjadi akibat adanya gesekan pada torak dan bantalan.

Nf  =  Ni – Ne

 

Dimana    : Ni = Daya Indikatif

                   Ne = Daya efektif

                   Nf = Daya mekanis

 

 

4.            Tekanan Efektif Rata Rata (MEP)

Tekanan rata-rata di dalam silinder selama 1 siklus kerja dan menghasilkan daya efektif Ne. Data MEP digunakan untuk mengetahui apakah proses kompresi yang terjadi masih cukup baik, atau untuk mengetahui adanya kebocoran dari dalam silinder.

 

MEP = Pe = 0,45 . Neo . z  (kg/cm²)

                                                                                    Vd . n .i

 

 

5.            Efisiensi Motor Bakar terdiri dari :

 

6.              Beberapa Indikator Kerja yang lain, misalnya konsumsi bahan bakar spesifik (SFC), kandungan polutan dalam gas buang dan neraca panas

 

Indikator operasional motor bakar menunjukkan kondisi operasi dimana motor bakar tersebut dioperasikan. Dua jenis indikator operasional sebagai variabel bebas dalam pengujian karakteristik kinerja suatu motor bakar adalah :

1)             Putaran kerja mesin (rpm)

2)             Beban mesin / Daya efektifnya (Ne) pada putaran kerja konstan

 

Pengujian motor bakar dengan putaran mesin sebagai variabel bebas digunakan untuk mesin mesin transportasi, yang biasanya beroperasi  pada putaran yang berubah ubah. Sedangkan pengujian motor bakar dengan daya efektif sebagai variabel bebas pada putaran konstan digunakan pada motor bakar stasioner yang biasanya beroperasi pada putaran konstan, terutama pada mesin penggerak generator listrik.

 

2.1.2      Jenis Karakteristik Kinerja Motor Bakar

Bentuk hubungan antar masing masing variabel indikator kinerja terhadap variabel, indikator operasional suatu motor bakar didapatkan dengan cara pengujian laboratorium dari mesin yang bersangkutan. Data yang digunakan untuk menggambarkan bentuk hubungan antara variabel tersebut dapat berasal dari pengukuran langsung selama pengujian, atau harus dihitung dari data yang diukur. Data seperti putaran mesin dan temperatur dapat diukur langsung, tetapi daya, torsi, dan efisiensi dihitung berdasarkan pengukuran terhadap parameter pembentuknya.

Pada pengujian dengan putaran mesin sebagai variabel bebas, jenis karakteristik kinerja yang sering diperlukan adalah :

1)             Putaran terhadap daya indikatif (Ni), daya efektif (Ne), dan  daya mekanik (Nf)

2)             Putaran terhadap torsi (T)

3)             Putaran terhadap Mean Efektif Pressure (MEP)

4)             Putaran terhadap spesific fuel consumption (SFC)

5)             Putaran terhadap efisiensi (hi , he ,  hm , hv)

6)             Putaran terhadap komposisi CO₂, CO , O₂ , dan N₂ dalam gas buang

7)             Putaran terhadap keseimbangan panas

8)             Putaran terhadap fuel consumption

Rentang besar putaran dalam pengujian tersebut mulai dari putaran minimum sampai melewati kondisi besar daya maksimum mesin.

 

Siklus Termodinamika Motor Bakar

Siklus aktual dari proses kerja motor bakar sangat komplek untuk digambarkan, karena itu pada umumnya siklus motor bakar didekati dalam bentuk siklus udara standar (air standar cycle). Dalam air standar cycle fluida kerja menggunakan udara, dan pembakaran bahan bakar diganti dengan pemberian panas dari luar. Pendinginan dilakukan untuk mengembalikan fluida kerja pada kondisi awal. Semua proses pembentuk siklus udara standar dalam motor bakar adalah proses ideal, yaitu proses reversibel internal.

 

1. Siklus Otto

Siklus standar udara pada motor bensin disebut Siklus Otto, berasal dari nama penemunya, yaitu Nicholas Otto seorang Jerman pada tahun 1876. Diagram P – V dari Siklus Otto untuk motor bensin dapat dilihat pada gambar.

 

Diagram Siklus Otto Ideal

Sumber : Thermodynamics, Cengel, 1994 : 457

    

Langkah kerja dari Siklus Otto terdiri dari :

1.              Langkah kompresi adiabatis reversibel (1-2)

2.              Langkah penambahan panas pada volume konstan (2-3)

3.              Langkah ekspansi adiabatis reversibel (3-4)

4.              Langkah pembuangan panas secara isokhorik (4-1)

 

Dalam siklus udara standar langkah buang (1-0), dan langkah isap (0-1) tidak diperlukan karena fluida kerja udara tetap berada didalam silinder. Apabila tekanan gas dan volume silinder secara bersamaan pada setiap posisi torak dapat diuraikan maka dapat digambarkan siklus aktual motor bensin yang bentuknya seperti ditunjukkan pada gambar.

Siklus Aktual Otto

Sumber : Thermodynamics, Cengel, 1994 : 457

 

Langkah siklus motor bensin aktual terdiri dari

1.              Langkah Kompresi

2.              Langkah pembakaran bahan bakar dan langkah ekspansi

3.              Langkah pembuangan

4.              Langkah  isap

 

2.2.2   Siklus Diesel

Pada tahun 1890 di Jerman Rudolph Diesel merencanakan sebuah motor dengan menkompresikan udara sampai mencapai temperatur nyala dari bahan bakar, kemudian bahan bakar diinjeksikan dengan laju penyemprotan sedemikian rupa sehingga dihasilkan proses pembakaran pada tekanan konstan. Penyalaan terhadap bahan bakar diakibatkan oleh satu kompresi dan bukan oleh penyalaan busi seperti halnya motor cetus api (S.I Engine)

 

Diagram P-V dan T-S siklus diesel

Sumber : Thermodynamics, Cengel, 1994 : 464

 

            Langkah siklus ini terdiri dari :

1.              Langkah isap (0-1) secara isobarik

2.              Langkah kompresi (1-2) secara isentropik

3.              Langkah pemasukan kalor (2-3) secara isobarik

4.              Langkah kerja (3-4) secara isentropik

5.              Langkah pelepasan kalor secara isokhorik (4-1)

6.              Langkah buang (1-0) secara isobarik

 

2.2.3    Siklus Trinkler

Siklus trinkler merupakan gabungan antara siklus otto dengan siklus diesel. Pada siklus ini pemasukan kalor sebagian pada volume konstan seperti dalam siklus otto, dan sebagian lagi pada tekanan konstan dalam siklus diesel. Kombinasi demikian merupakan gambaran yang lebih baik pada motor-motor pembakaran dalam modern.

 

 Diagram Siklus Dual Motor Diesel

Sumber : Thermodynamics, Cengel, 1994 : 466

 

Langkah kerja siklus dual motor diesel teoritis terdiri dari :

1.              Langkah kompresi adiabatis reversibel (1-2)

2.              Langkah pemberian panas pada volume konstan (2-X)

3.              Langkah pemberian panas pada tekanan konstan (X-3)

4.              Langkah ekspansi adiabatis reversibel (3-4)

5.              Langkah pembuangan panas (4-1)

 

p  Mesin Kalor :

u  Mesin Pembakaran Luar

-        Mesin uap

ü  Macam bahan bakar yang bisa digunakan lebih banyak

ü  Mesin uap lebih bebas getaran

ü  Turbin uap lebih praktis untuk daya tinggi, misal > 2000 PS

u Mesin Pembakaran Dalam

-        Motor Bakar Torak

ü  Mesin lebih sederhana, kompak, ringan

ü  Temperatur seluruh bagian mesin lebih rendah

ü  Lebih efisien

Motor Bakar

Aplikasi pada

•       Automobiles

•        Power Generation

•        Submarines

•        Diesel Locomotive

Motor bakar 4 langkah (four strokes engine)

Setiap satu siklus kerja memerlukan 4 kali langkah kerja, 2 putaran poros engkol

Motor bakar 2 langkah (two strokes engine)

Setiap satu siklus kerja memerlukan 2 kali langkah kerja, 1 kali putaran poros engkol.

Motor bakar 2 langkah tidak mempunyai katup isap maupun katup buang, dan digantikan oleh dua lubang yaitu lubang buang dan lubang isap.

Siklus Ideal Motor Bakar

 

p  Jenis Motor Bakar :

Ø   Motor Bensin (Spark Ignition Engine)

Ø   Motor Diesel (Compression Ignition Engine)

p  Siklus Udara pada Motor Bakar :

Ø   Siklus udara volume-konstan (siklus Otto)

Ø   Siklus udara tekanan-konstan (siklus Diesel)

Ø   Siklus udara tekanan terbatas (siklus Gabungan)

Siklus Ideal Otto

1. Fluida kerja dianggap gas ideal
2. Langkah isap (0 → 1) merupakan proses tekanan konstan.
3. Langkah kompresi (1 → 2) merupakan proses isentropik
4. Proses pembakanan pada volume konstan (2 → 3) adalah proses pemasukan kalor.
5. Langkah kerja (3 → 4) merupakan proses isentropik
6. Langkah pembuangan (4 → 1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada volume konstan.
7. Langkah buang (1 → 0) terjadi pada tekanan konstan