BAB II

DASAR TEORI

II.1. Parameter Unjuk Kerja Motor Pembakaran Dalam.

Keandalan suatu motor pembakaran dalam dapat dilihat dari dua sisi, yaitu dari

sisi unjuk kerja serta dari sisi kandungan gas buang yang dihasilkan. Untuk pemilihan

keandalan motor maka kedua sisi tersebut harus dan dilihat dari nilai positifnya.

Untuk dapat menentukan karakteristik unjuk kerja suatu motor pembakaran dalam

maka dibutuhkan beberapa parameter, antara lain :

1. Torsi

2. Daya

3. Tekanan efektif rata-rata (BMEP, Brake Mean Effective Pressure)

4. Pemakaian bahan bakar spesifik (SFC, Spesific Fuel Consumption)

5. Effesiensi termis

Agar dapat melihat unjuk kerja motor dengan mudah maka semua hasil perhitungan

akan disajikan dalam bentuk grafis sebagai fungsi dari putaran mesin terhadap parameter-

parameter unjuk kerja.

Keandalan motor pembakaran dalam yang dikaitkan dengan kandungan gas buang

ditunjukan untuk melihat jumlah kandungan gas buang hasil pembakaran : CO2, CO, O2,

dan HC.

II.1.1. Torsi, T.

Pada poros engine (Gbr 2.1) dengan jari-jari r akan bekerja gaya sebesar F, maka

poros mesin menghasilkan Torsi sebesar :

Torsi = F.r [kg.m] (2.1)

Dimana :

F = Beban dari dynamometer [kg]

R = panjang lengan dynamometer = 0,47 m

II.1.2. Daya Poros Effektif Pengamatan, bp.

Dalam satu putaran poros engine, titik tertentu yang berada pada diameter terluar

rotor (jari-jari r) akan bergerak sepanjang 2.π.r jika di diameter terluar bekerja gaya F,

maka gaya tersebut pada gambar 1 melakukan kerja sebesar :

Kerja = 2.π.R.F (untuk 1 putaran poros) (2.2)

Gambar 2.1 Kerja poros motor.

(untuk n putaran permenit) (2.2a)

Satuan kerja persatuan waktu adalah daya, sehingga :

Daya, [hp] (2.3)

Dimana :

F = Beban dari dynamometer [kg]

R = panjang lengan dynamometer = 0,47 m

N = putaran motor [rpm]

75 kg.m = 1 hp.s

sehingga didapat :

Pembacaan yang dilakukan dynamometer adalah pembacaan daya effektif

pengamatan, bp dan untuk memudahkan pembacaan pada dynamometer maka pada test

bench (dynamometer) lengan skala dirubah dengan membagi konstanta 1,5 :

(2.4)

II.1.3. Daya Gesek Pengamatan, fp.

Daya gesek pengamatan adalah daya yang diperlukan oleh motor untuk mengatasi

hambatan karena gesekan dalam mekanisme motor. Daya gesek pengamatan ini juga dari

kondisi atmosfir saat pengujian. Besarnya hambatan gesek dapat ditentukan dari

effesiensi mekanis motor.

Standar pengujian SAE J816b memberikan rekomendasi persamaan empiris

effesiensi mekanis motor pembakaran dalam berpengalaman cetus sebagai fungsi putaran

dan tekanan effektif rata-rata pengamatan :

(2.5)

Dimana :

= effesiensi mekanis [%]

bmep = Tekanan effektif rata-rata pengamatan [kPa]

x = koefisien dalam persamaan effesiensi mekanis

=

y = koefisien dalam persamaan effesiensi mekanis

=

Daya gesek pengamatan akan mengurangi daya effektif pengamatan, sehingga

dapat ditulis persamaan berikut :

(2.6)

Dimana :

= effesiensi mekanis [%]

Daya indikatif pengamatan adalah daya total yang dihasilkan oleh piston pada ,

motor pembakaran

II.1.7. Faktor Koreksi, Cs.

Pada saat pengukuran terhadap parameter-parameter unjuk kerja motor

pembakaran dalam, selalu dipengaruhi oleh kondisi lingkungan berupa tekanan atmosfir,

temperatur dan kandungan uap air (humidity) udara sekitarnya. Agar dihasilkan

pengukuran parameter-parameter performa motor yang dapat dibandingkan dengan

kondisi lingkungan yang berbeda maka standar pengujian SAE J816b merekomendasikan

untuk memakai faktor koreksi (correction factor, Cs) dalam perhitungan parameter daya

dan bmep.

Sedangkan pada kondisi yang sebenarnya dimana pengaruh dari kondisi atmosfir

udara luar tidak banyak berpengaruh terhadap konsumsi bahan bakar maka factor koreksi

tidak dapat digunakan oleh standar pengujian SAE J816b pada perhitungan konsumsi

bahan bakar spesifik.

Batasan bagi parameter-parameter pengujian yang dapat menggunakan factor

koreksi, jika kondisi pengujian :

- tekanan atmosfir : 28 ÷ 30 in Hg (95 ÷ 101 kPa)

- temperatur udara : 60 ÷ 110 (15.5 ÷ 43.3 )

Besar dari factor koreksi dapat ditulis pada persamaan empiris berikut :

(2.15)

Dimana :

= Tekanan parsial udara kering standar [kPa]

= Tekanan parsial udara kering saat pengukuran [kPa]

= Temperatur standar ruang [ ]

t = Temperatur ruang kondisi pengukuran [ ]

II.1.8. Daya Terkoreksi.

Dengan menambahkan faktor koreksi maka pada perbandingan campuran udara-

bahan bakar yang sama akan diperoleh besar daya dan tekanan efektif rata-rata

terkoreksi:

(2.16)

(2.17)

II.1.9. Reaksi Pembakaran.

Reaksi pembakaran alam motor bakar berpenyalaan cetus merupakan reaksi

penggabungan oksigen (yang didapat dari udara) dengan unsur yang terbakar (bahan

bakar) dengan bantuan energi panas yang sangat tinggi. Dari reaksi pembakaran tersebut

akan dihasilkan gas-gas sisa pembakaran.

II.1.9. 1. Sifat-sifat udara.

Udara kering adalah campuran dari berbagai macam gas yang terkandung dengan

komposisi seperti dalam Tabel 2.1. Pada semua perhitungan, volume udara kering

disumsikan mengandung 21% oksigen dan 79% gas nitrogen yang bersifat lebam. Karena

kandungan utama udara adalah oksigen dan nitrogen (pada Tabel 2.1, %volume>1) maka

kandungan gas-gas lain yang jumlahnya kecil akan termasuk dalam kandungan nitrogen

(menjadi nitrogen tidak murni).

Tabel 2.1

Kandungan Massa Udara Kering

GasAnalisa

Volumetris, %

Fraksi

Mol

Berat

Molekul,

Berat Relatif

20.99 0.2099 32.00 6.717

78.03 0.7803 28.016 21.861

0.94 0.0094 39.944 0.376

0.03 0.0003 44.003 0.013

0.01 0.0001 2.016 .......

100.00 1.000 28.967=

II.1.9. 2. Analisa gas buang

Dari pengujian motor pembakaran dalam berpenyalaan cetus akan dihasilkan

kandungan gas buang dalam prosentase volume dan ppm (part permillion), antara lain :

1. Gas (% volume)

2. gas (% volume)

3. Gas (% volume)

4. Gas (% volume)

Selain kandungan gas-gas, masih ada kandungan gas dan partikulat lain yang

dihasilkan dari pembakaran bahan bakar tetapi jumlahnya sangat kecil sehingga alat ukur

gas buang tidak dapat mendeteksi. Sedangkan kandungan HC pada sisa gas buang

umumnya berupa Gas .

Reaksi pembakaran aktual adalah reaksi pembakaran reaktan yang tidak sempurna

antara bahan bakar bensin dan udara sehingga dihasilkan gas buang , , , ,

, dan .

(2.18)

Reaksi pembakaran teoritis adalah reaksi pembakaran yang sempurna pada

reaktan antara bahan bakar bensin dan udara dengan semua reaktan habis terbakar

sehingga menghasilkan produk gas buang , , dan .

(2.19)

II.2. Proses Pembakaran Pada Motor Bensin

II.2.1. Siklus Aktual Motor Bensin

Effisiensi siklus yang sebenarnya dari motor bensin jauh dibawah effisiensi

idealnya (siklus Otto), disebabkan karena berbagai kehilangan (losses) yang terjadi

selama proses aktual berlangsung. Kehilangan-kehilangan tersebut adalah :

1. Kehilangan karena variasi panas spesifik terhadap temperatur.

2. Kehilangan karena distorsi.

3. Kehilangan panas berlangsung.

4. Kehilangan pada proses pembuangan gas sisa pembakaran.

5. Kehilangan karena pembakaran yang tak terselaikan (incomplete

combustion).

6. Kehilangan pada proses pumping.

Pada siklus teoritis, pembakaran diasumsikan terjadi secara serentak. Kenyataan

pada siklus aktual pembakaran terjadi dalam selang waktu tertentu. Akibatnya

pembakaran harus dimulai sebelum piston mencapai TDC (top death centre) hal ini yang

menjadikan effesiensi motor berkurang. Semakin tinggi putaran mesin maka waktu yang

tersedia untuk pembakaran juga semakin sedikit, sedang lamanya proses pembakaran

relatif tetap, untuk itu saat pencetusan bunga api pun dilakukan lebih awal (timing).

Kualitas campuran juga mempengaruhi saat pencetusan, semakin miskin campuran

semakin sulit untuk terbakar sehingga saat penyalaan juga lebih dimajukan (advance).

Sedangkan campuran yang semakin kaya cenderung semakin mudah terbakar, saat ini

membutuhkan penyalaan yang lebih tertunda. Hubungan saat pengapian dengan torsi

maksimum ditunjukkan oleh gambar 2.2.

Gambar 2.2. hubungan timing terhadap torsi maksimum

II.2.2. Pembakaran Pada Motor Bensin

Pembakaran didefinisikan sebagai reaksi kimia yang cepat antara hidrogen dan

karbon pada bahan bakar dengan oksigen yang terkandung dalam udara dan

membebaskan energi dalam bentuk panas.

Proses pembakaran diawali dengan proses penyalaan sejumlah kecil campuran

udara bahan bakar oleh percikan bunga api (spark) diantara elektroda busi (plug), dan

untuk dapat terjadinya bunga api maka diantara celah elektroda harus terjadi beda

potensial yang tingi hingga tercipta loncatan bunga api (breakdown voltage). Besarnya

harga breakdown voltage ini dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti : lebar celah

elektroda, kondisi campuran, kompresi rasio, temperatur elektroda.

Proses pembakaran dalam motor bensin umumnya dibagi dalam empat phase

berdasarkan jumlah pelepasan energi hasil pembakaran, yaitu :

1. phase pencetusan bunga api. Adalah phase dimana sejumlah energi panas

dilepaskan melalui elektrode busi untuk mengawali pembakaran.

2. phase pembentukan nyala (flame development phase). Phase yang berawal dari

sesaat setelah bunganapi dicetuskan sampai suatu kondisi dimana sejumlah kecil

massa gas di dalam silinder terbakar dan melepaskan kira-kira 10% energi

pembakaran.

3. phase perambatan nyala (rapid burning phase). Merupakan phase setelah phase

pembetukan nyala sampai akhir perambatan nyala. Biasanya 90% energi

pembakaran sudah dilepaskan.

4. phase pemadaman nyala (flame extinguishing phase). Merupakan phase yang

mengakhiri proses pembakaran.

Kecepatan perambatan nyala sangat tergantung pada hal-hal berikut :

1. Rasio campuran udara bahan bakar. Laju pembakaran tercepat dicapai pada rasio

ekuivalen . Untuk campuran lebih kaya dari rasio tersebut maka

kecepatan sedikit menurun. Pengaruh yang besar terjadi jika campuran lebih

miskin dari rasio diatas, dimana kecepatan pembakaran menurun dengan drastis.

2. Rasio kompresi. Kompresi rasio yang semakin tinggi akan meningkatkan

kecepatan pembakaran.

3. Temperatur dan tekanan intake. Peningkatan pada temperatur dan tekanan masuk

meningkatkan kecepatan pembakaran.

4. Turbulensi. Turbulensi memegang peranan penting dalam proses pembakaran.

Gerakan gas yang turbulen di dalam ruang bakar secara intensif meningkatkan

laju proses pembakaran.

5. Kecepatan motor. Kecepatan pembakaran naik seiring dengan naiknya putaran

motor yang berhubungan dengan turbulensi.

Pengapian yang terjadi menjadi tiga phase yaitu : breakdown phase, arc phase, glow

phase. Setiap phase yang terjadi merupakan rentetan proses terjadinya energi pengapian

yang akan digunakan selanjutnya dalam proses pembakaran campuran bahan bakar.

II.3. Pengapian dengan Busi