UNIVERSITAS INDONESIA EFEK PERUBAHAN ALIRAN...

EFEK PERUBAHAN ALIRAN GAS BUANG DALAM KNALPOT UNTUK DITERAPKAN

PROGRAM STUDI TEKNIK PERKAPALAN

UNIVERSITAS INDONESIA

EFEK PERUBAHAN ALIRAN GAS BUANG DALAM UNTUK DITERAPKAN PADA MESIN KAPAL

KLOTOK 10 HP

SKRIPSI

Martinus Putra 0806338374

FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK PERKAPALAN

DEPOK JULI 2012

EFEK PERUBAHAN ALIRAN GAS BUANG DALAM PADA MESIN KAPAL


Efek perubahan..., Martinus Putra, FT UI, 2012

EFEK PERUBAHAN ALIRAN GAS BUANG DALAM KNALPOT UNTUK DITERAPKAN

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk me


ii

UNIVERSITAS INDONESIA

EFEK PERUBAHAN ALIRAN GAS BUANG DALAM UNTUK DITERAPKAN PADA MESIN KAPAL

KLOTOK 10 HP

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

Martinus Putra 0806338374

FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK PERKAPALAN

DEPOK JULI 2012

EFEK PERUBAHAN ALIRAN GAS BUANG DALAM PADA MESIN KAPAL

mperoleh gelar Sarjana Teknik



iii

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS

Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri,

dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk

telah saya nyatakan dengan benar.

Nama : Martinus Putra

NPM : 0806338374

Tanda Tangan :

Tanggal : 2012


iv

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi ini diajukan oleh :

Nama : Martinus Putra

NPM : 0806338374

Program Studi : Teknik Perkapalan

Judul Skripsi : Efek Perubahan Aliran Gas Buang Dalam Knalpot

Untuk Diterapkan pada Mesin Kapal Klotok 10 HP

Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima

sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana pada

Program Studi Teknik Perkapalan, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

DEWAN PENGUJI

Pembimbing : Prof. Dr. Ir. Yanuar, M.Eng, M.Sc

Penguji 1 : Dr. Ir. Sunaryo, M.Sc.

Penguji 2 : Ir. Marcus Alberth Talahatu, M.T.

Penguji 3 : Ir. Hadi Tresno Wibowo, M.T

Penguji 4 : Ir. Mukti Wibowo

Ditetapkan di : Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok

Tanggal : 2012


v

KATA PENGANTAR / UCAPAN TERIMA KASIH

Puji syukur kepada Tuhan Yesus yang telah memberikan rahmat dan

bimbingannya selama saya mengerjakan skripsi ini sehingga dapat selesai tepat

waktu. Selain itu, saya juga ingin berterima kasih kepada seluruh pihak yang telah

membantu segala sesuatunya dalam menyelesaikan skripsi ini, yaitu :

1. Prof. Dr. Ir. Yanuar, M.Eng, M.Sc selaku pembimbing skripsi. Terima kasih

atas segala bimbingan dan pembelajaran yang telah diberikan selama ini.

2. Gunawan, S.T, M.T dan M.Baqi, S.T, M.T yang telah memberikan segala

pengetahuan dan pengalaman selama kegiatan perkuliahan.

3. Sigit Pamungkas sebagai partner kerja dalam melakukan penelitian ini.

Terima kasih atas kerja-samanya dan semoga semakin sukses

4. Kepada seluruh keluarga yang tercinta, Haris Widjaja, Lucia Tjandrawati,

Maria Leonita, dan Christina Natalia yang telah memberikan kasih sayang,

perhatian dan dukungan tanpa batas dari saya kecil hingga sampai saat ini.

5. Kepada Ragil Tri Indrawati dan Edwin Dwi Novianto atas segala kerja sama,

semangat dan dukungan selama masa perkuliahan kapal. Begitu juga dengan

teman-teman Naval Architecture UI 2008 yang makin kompak.

6. "Brother from another mother", Julius Antoni, Albertus Barca, dan Edwin

Handoko atas segala semangat dan kegembiraan selama masa muda kita.

7. Segenap keluarga Antiokhia MKK : Dennise, Vicky, Mario, Dian, Otto,

Basted, Cinthia, Ivan, Ellen, Fabian, Rejem, Donny, Revi, Ozie, Verena atas

segala perjuangan yang telah kita lalui bersama di dalam Antiokhia MKK

yang menjadi pengalaman yang tidak akan terlupakan sepanjang masa.

8. Ignatia Theodora Niken Hidyarni yang telah memberikan semangat,

dukungan, cinta dan doa selama 3 tahun terakhir. Semoga segala sesuatunya

berjalan dengan lancar sesuai dengan rencana-Nya.

9. Last but not least, Bapak Partono Bunadi dan Bapak Rendra Pramono dari

PT. Dharma Polimetal yang telah memprakarsai penelitian ini.

Depok , Juli 2012

Martinus Putra


vi

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di bawah ini:

Nama : Martinus Putra NPM : 0806338374 Program Studi : Teknik Perkapalan Fakultas : Teknik Jenis Karya : Skripsi

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif (Non-Exclusive Royalty-Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul:

"Efek Perubahan Aliran Gas Buang Dalam Knalpot Untuk Diterapkan pada Mesin Kapal Klotok 10 HP"

beserta perangkat yang ada (bila diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif ini, Universitas Indonesia berhak menyimpan, mengalihmedia/formatkan, mengelolanya dalam bentuk pangkalan media (database), mendistribusikannya, dan menampilkan/mempublikasikannya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta izin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta. Segala bentuk tuntutan hukum yang timbul atas pelanggaran Hak Cipta dalam karya ilmiah ini menjadi tanggung jawab saya pribadi.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di : Depok Tanggal : 2012

Yang menyatakan,

Martinus Putra


vii

ABSTRAK

Nama : Martinus Putra Program Studi : S1 Reguler Teknik Perkapalan Judul : Efek Perubahan Aliran Gas Buang Dalam Knalpot Untuk Diterapkan pada Mesin Kapal Klotok 10 HP

Kapal klotok adalah sarana transportasi utama di daerah pedalaman Kalimantan yang mengutamakan sungai-sungai sebagai penghubung daerah-daerah pedalaman dengan dunia luar. Dalam kesehariannya, kapal ini menimbulkan suara yang amat berisik dan apabila terpapar suara tersebut dalam jangka waktu tertentu dapat menyebabkan gangguan pendengaran. Oleh karena itu, rancangan knalpot menjadi sangat penting untuk meredam suara tersebut. Di sisi lain, knalpot juga akan berpengaruh terhadap performa mesin. Akan tetapi, kedua hal tersebut saling berkompensasi sehingga harus dicari rancangan knalpot yang mampu meredam suara berisik dan meningkatkan performa mesin. Dalam penelitian ini akan dilihat efek perubahan aliran gas buang dengan memodifikasi knalpot muffler onesebanyak 4 knalpot. Dari hasil penelitian didapatkan bahwa knalpot variasi 3 mampu menaikkan tenaga sebesar 0.5 HP dengan menurunnya nilai backpressuresebanyak 404 Pa. Selain itu knalpot variasi 3 juga mampu menghasilkan kebisingan suara dibawah 90 dB. Juga mampu melakukan penghematan bahan bakar sebanyak 3% dari knalpot standard. Dari hasil ini dapat diketahui bahwa knalpot variasi 3 merupakan modifikasi yang paling tepat.

Kata kunci: kapal klotok, kebisingan, knalpot, backpressure, temperatur gas buang, aliran gas buang.


viii

ABSTRACT

Name : Martinus Putra Study Program : Naval Architecture Title : The Effect of Exhaust Gas Flow Modification in The Muffler to Applied on " Klotok Boat " Engine 10 HP

Klotok boat is the main means of transport in remote areas of Borneo that prioritizes the rivers as a link rural areas to the outside world. In daily life, these boats are very loud noise and when exposed to noise in a set period of time can cause hearing loss. Therefore, the design of the exhaust becomes very important to muffle the sound. On the other hand, the exhaust will also affect the engine performance. However, two things are mutually compensated so it should look for the exhaust design that can reduce noise and increase engine performance. In this research would be seen the effect of changes in the exhaust stream by modifying one of 4 muffler exhaust muffler. From the result showed that the exhaust pipe 3 is able to increase the power variation of 0.5 HP with a decrease in value as much as 404 Pa backpressure. Besides exhaust variation 3 is also able to produce audible noise below 90 dB. Also able to save fuel as much as 3% of the standard exhaust. From these results it can be seen that the variation 3 is the best modification.

Key words: klotok boat, noise, exhaust backpressure, the flow of exhaust gas, exhaust gas temperature.


ix

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL....................................................................................... ii HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS........................................... iii HALAMAN PENGESAHAN........................................................................ iv KATA PENGANTAR/UCAPAN TERIMA KASIH...................................... v HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI..................... vi ABSTRAK..................................................................................................... vii ABSTRACT.................................................................................................. viii DAFTAR ISI................................................................................................... ix DAFTAR TABEL DAN GRAFIK................................................................. xi DAFTAR GAMBAR......................................................................................xii DAFTAR PUSTAKA................................................................................... xiii

BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang .......................................................................... 1 1.2 Perumusan Masalah .......................................................................... 3 1.3 Tujuan Penelitian .......................................................................... 4 1.4 Batasan Penelitian .......................................................................... 4 1.5 Metode Penelitian .......................................................................... 4 1.6 Sistematika Penulisan .......................................................................... 5

BAB 2 LANDASAN TEORI 2.1 Siklus Mesin Otto 4-Langkah .............................................................. 7

2.1.1. Langkah Hisap .......................................................................... 7 2.1.2. Langkah Kompresi .............................................................. 8

2.1.3. Langkah Kerja .......................................................................... 10 2.1.4. Langkah Pembuangan ............................................................. 11

2.1.5. Hukum Termodinamika Pada Mesin Otto 4-Langkah .............. 13 2.1.5.1. Siklus Ideal Mesin Otto 4 Langkah .......................... 13 2.1.5.2. Siklus Aktual Mesin Otto 4 Langkah .............. 15 2.1.5.3. Overlapping .............................................................. 17 2.2 Sistem Pembuangan Gas Sisa Pembakaran ...................................... 21

2.2.1. Kebisingan .......................................................................... 25 2.2.2. Knalpot ...................................................................................... 28 2.2.3. Performa Knalpot .............................................................. 30 2.3 Aliran Gas Kompresibel .............................................................. 35 2.3.1. Aliran Fanno .......................................................................... 37 2.3.1.1 Model Fanno .............................................................. 38 2.3.1.2 Kurva Fanno .............................................................. 40


x

BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Rancangan Pengambilan Data ................................................ 42 3.1.1. Pengambilan Data Kebisingan Suara .................................... 43 3.1.2. Pengambilan Data Temperatur ................................................ 44 3.1.3. Pengambilan Data Tenaga dan Torsi .................................... 45 3.1.4. Pengambilan Data Backpressure .................................... 46 3.1.5. Pengambilan Data Debit Aliran Gas Buang ........................ 47 3.1.6. Pengambilan Data Konsumsi Bahan Bakar ........................ 50 3.2 Spesifikasi Knalpot Standard, V1, V2, V3, dan V4 ........................ 51

BAB 4 PENGOLAHAN DAN ANALISIS DATA 4.1. Hasil Eksperimen ....................................................................... 59 4.2. Analisa Eksperimen ....................................................................... 67

BAB 5 PENUTUP 5.1 Kesimpulan Penelitian ....................................................................... 70 5.2 Diskusi Penelitian ....................................................................... 74

DAFTAR PUSTAKA ...................................................................... 75 LAMPIRAN .............................................................................................. 76


xi

DAFTAR TABEL DAN GRAFIK

Tabel 1 Data Kebisingan Suara ...................................................... 59 Tabel 2 Data Insertion Loss .................................................................. 60 Tabel 3 Data Kecepatan Suara Gas Buang .......................................... 60 Tabel 4 Data Backpressure .................................................................. 61 Tabel 5 Data Debit Gas Buang ...................................................... 61 Tabel 6 Data Tenaga Mesin .................................................................. 62 Tabel 7 Data Torsi Mesin .................................................................. 62 Tabel 8 Data Konsumsi Bahan Bakar 5 Menit .............................. 62 Tabel 9 Karakteristik Knalpot Standard .......................................... 70 Tabel 10 Karakteristik Knalpot Variasi 1 .......................................... 71 Tabel 11 Karakteristik Knalpot Variasi 2 .......................................... 71 Tabel 12 Karakteristik Knalpot Variasi 3 .......................................... 72 Tabel 13 Karakteristik Knalpot Variasi 4 .......................................... 72 Tabel 14 Perbandingan Variasi Knalpot .......................................... 73

Grafik 1 Efek Terhadap Kebisingan Suara .......................................... 63 Grafik 2 Efek Terhadap Insertion Loss ...................................................... 63 Grafik 3 Efek Terhadap Kecepatan Suara Gas Buang .............................. 64 Grafik 4 Efek Terhadap Backpressure ...................................................... 64 Grafik 5 Efek Terhadap Debit Gas Buang .......................................... 65 Grafik 6 Efek Terhadap Tenaga Mesin ...................................................... 65 Grafik 7 Efek Terhadap Torsi Mesin ...................................................... 66 Grafik 8 Efek Terhadap Konsumsi Bahan Bakar .............................. 66


xii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Langkah Hisap ................................................................. 8 Gambar 2.2 Langkah Kompresi ................................................................. 9 Gambar 2.3 Rasio Kompresi ................................................................. 9 Gambar 2.4 Langkah Kerja ................................................................. 11 Gambar 2.5 Langkah Pembuangan ................................................................. 12 Gambar 2.6 Siklus Otto 4-Langkah ..................................................... 12 Gambar 2.7 Siklus Otto Ideal dan Persamaan Termodinamika ................. 13 Gambar 2.8 Diagram p-V Siklus Aktual Otto 4-Langkah ............................. 15 Gambar 2.9 Katup Masuk Terbuka ..................................................... 17 Gambar 2.10 Katup Buang Tertutup ..................................................... 17 Gambar 2.11 Katup Masuk Tertutup ..................................................... 18 Gambar 2.12 Katup Buang Terbuka ..................................................... 19 Gambar 2.13 Katup Buang Tertutup ..................................................... 20 Gambar 2.14 Siklus Aktual Overlapping ..................................................... 20 Gambar 2.15 Pembuangan Gas Sisa ..................................................... 21 Gambar 2.16 Gambaran Umum Sistem Pembuangan ............................. 21 Gambar 2.17 Tingkat Kebisingan ................................................................. 27 Gambar 2.18 Absortive Muffler ................................................................. 28 Gambar 2.19 Reactive Muffler ................................................................. 29 Gambar 2.20 Skema Insertion Loss ................................................................. 31 Gambar 2.21 Skema Transmission Loss ..................................................... 31 Gambar 2.22 Pengukuran Tekanan Pada Katup Buang ............................. 32 Gambar 2.23 Efek Backpressure ................................................................. 33 Gambar 2.24 Fenomena Berlebihnya Backpressure ......................................... 34 Gambar 2.25 Fenomena Kurangnya Backpressure ......................................... 35 Gambar 2.26 Kontrol Volume Aliran Gas Pada Luas Penampang Konstan .... 38 Gambar 2.27 Diagram T-s Aliran Fanno ..................................................... 40 Gambar 2.28 Efek Gesekan pada Aliran Fanno................................................ 41 Gambar 3.1 Posisi dan Orientasi Pengambilan Data Kebisingan ................. 43 Gambar 3.2 Termokopel Tipe-K dan Digital Indikator ............................. 44 Gambar 3.3 Pengujian Dyno di PT.KS NUSA ......................................... 45 Gambar 3.4 Skema Pengukuran Backpressure ......................................... 46 Gambar 3.5 Pengukuran Backpressure ..................................................... 46 Gambar 3.6 Penjelasan Tabung Pitot-Statik ......................................... 47 Gambar 3.7 Pengambilan Data Flowrate ..................................................... 49 Gambar 3.8 Skema Penelitian ................................................................. 49 Gambar 3.9 Skema Penelitian Konsumsi Bahan Bakar ............................. 50


1 Universitas Indonesia

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Motor pembakaran dalam adalah mesin kalor yang mengubah energi kimia

menjadi energi mekanis. Energi kimia ini didapat dari bahan bakar yang pertama-

tama diubah menjadi energi termal melalui proses pembakaran atau oksidasi

dengan campuran udara di dalam ruang bakar. Energi ini akan meningkatkan

temperatur dan tekanan di dalam ruang bakar yang akan menggerakan suatu

mekanisme untuk menghasilkan gerak rotasi sesuai yang diharapkan.

Terdapat 2 jenis motor pembakaran dalam yang dikenal secara umum

yaitu mesin Otto dan mesin Diesel. Pada tahun 1876, Nikolaus August Otto

berhasil menciptakan sebuah mesin yang mengkompresi campuran minyak dan

udara sebelum terjadi pembakaran. Kemudian pada tahun 1897, Rudolf Diesel

berhasil menjalankan mesin Diesel pertamanya yang berhasil membuktikan

bahwa bahan bakar dapat dipantik tanpa menggunakan percikan api.[10]

Seiring dengan perkembangan jaman dan kebutuhan manusia yang

semakin banyak maka penggunaan kedua mesin di atas menjadi semakin luas.

Pemanfaatan mesin ini paling banyak digunakan untuk keperluan transportasi

darat dan laut. Dimana mesin Otto lebih banyak digunakan dan dikembangkan

untuk transportasi darat dan mesin Diesel pada transportasi laut.

Transportasi laut ini lebih banyak digunakan untuk angkutan sungai dan

danau, biasanya digunakan di daerah Sumatra, Kalimantan, dan Papua. Menurut

Kementerian Perhubungan, angkutan sungai ini berfungsi untuk menunjang dan

mendorong aktivitas masyarakat agar perkembangan di setiap daerah dapat

terjadi. Di Kalimantan Tengah misalnya, penggunaan angkutan sungai ini

merupakan unsur yang amat penting dalam mendukung perkembangan ekonomi

di daerah-daerah terpencil. Hal ini disebabkan karena hampir seluruh daerahnya

dihubungkan oleh sungai sehingga dimanfaatkan untuk sarana transportasi dan

distribusi barang. Barang-barang yang didistribusikan adalah barang kebutuhan

pokok dan komoditas hasil perkebunan, pertambangan, dan industri.

Untuk mendistribusikan barang-barang tersebut sering digunakan sebuah

kapal yang sering dikenal dengan nama kapal klotok. Disebut kapal klotok karena


2

Universitas Indonesia

suara yang dihasilkan dari mesin berbunyi tok-tok-tok-tok dalam frekuensi yang

sangat cepat, biasanya berkapasistas 8-16 HP (tenaga kuda) dengan ukuran perahu

1-5 GT (gross tonnage)[9]. Bunyi yang dihasilkan tersebut sangat berisik

sehingga dapat dikategorikan sebagai polusi suara, dimana polusi suara ini lama

kelamaan dapat merugikan kesehatan manusia.

Grafik Bobot Sektor Angkutan Sungai, Darat, dan Lainnya

Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa penggunaan angkutan sungai lebih

banyak sedikit daripada angkutan darat sampai pada tahun 2008. Dengan semakin

bertambahnya jumlah penduduk di Indonesia maka kebutuhan pokok di setiap

daerah menjadi semakin meningkat sehingga penggunaan kapal klotok menjadi

bertambah banyak setiap tahunnya. Hal ini menyebabkan polusi suara yang tidak

berkurang malahan bertambah sehingga dibutuhkan suatu penelitan khusus untuk

dapat mengurangi kebisingan tersebut.

Dalam Peraturan Menteri Lingkungan Hidup No. 07 Tahun 2009

disebutkan bahwa batas maksimal kebisingan motor bermesin di bawah 80 cc

adalah 80 desibel (dB) dan motor bermesin 80-175 cc maksimal 90 dB.

Sedangkan untuk yang bermesin diatas 175 cc kebisingan tak boleh lebih dari 90

dB. Maka dari itu, dibutuhkan suatu penelitian untuk dapat menemukan jawaban

untuk dapat mengurangi polusi suara yang dihasilkannya. Penelitian ini akan

berfokus terhadap pengembangan muffler sehingga ke depannya dapat diketahui

muffler seperti apa yang paling baik.


3


Dalam dunia kendaraan bermotor, sistem pembuangan membawa gas sisa

hasil pembakaran dari ruang bakar ke lingkungan. Gas buang keluar dari ruang

pembakaran melalui sebuah pipa menuju exhaust manifold , catalytic converter ,

dan muffler sebelum ke luar ke atmosfir [1]. Aliran gas buang ini memiliki

tekanan yang dapat menimbulkan suara bising apalagi ketika putaran mesin

semakin tinggi.

Selain itu terdapat pula isu lain pada kendaraan bermotor yaitu masalah

konsumsi bahan bakar. Hampir seluruh masyarakat di Indonesia akan mencari dan

menggunakan kendaraan bermotor yang paling hemat. Ternyata muffler juga

dapat berpengaruh terhadap konsumsi bahan bakar dan dapat dilihat dari

parameter backpressure. Backpressure ini harus dijaga serendah mungkin, karena

apabila backpressure ini terlalu besar maka akan mengakibatkan berkurangnya

efisiensi volumetrik dan konsumsi bahan bakar spesifik.[3] Sehingga secara tidak

langsung rancangan muffler akan berpengaruh terhadap performa mesin tersebut.

Kebisingan dan backpressure merupakan dua hal dasar untuk mengetahui

performa dari suatu muffler. Mungkin saja terdapat rancangan muffler yang tidak

menimbulkan kebisingan akan tetapi performa mesin hanya berada pada kondisi

standard, sebaliknya apabila ingin menciptakan rancangan muffler yang performa

nya lebih baik daripada standard maka kebisingan suara akan muncul. Berhubung

setiap motor bakar memiliki karakteristiknya masing-masing, maka diperlukan

rancangan muffler yang berbeda-beda untuk setiap motor bakar.

1.2 Perumusan Masalah

Berdasarkan paparan di atas maka permasalahan dalam penelitian ini

adalah:

a. Bagaimanakah efek pengunaan muffler one pada mesin X 10 HP.

b. Bagaimanakah efek penambahan lubang pada input pipe dan transfer

pipe muffler one pada mesin X 10 HP.

c. Bagaimanakah efek modifikasi sistem aliran gas buang dalam muffler

one pada motor mesin X 10 HP.


4


1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini untuk mendapatkan optimasi desain knalpot pada

mesin 4 langkah dengan kapasitas 10 HP dengan mengetahui hubungan antara

torsi dengan tenaga, tenaga dengan backpressure, dan rpm dengan desibel.

1.4 Batasan Masalah

Penelitian ini hanya menggunakan mesin 4 langkah berkapasitas 10 HP

dengan menggunakan 4 jenis variasi muffler one yang akan diukur tingkat

kebisingan, besarnya aliran gas buang, backpressure, dan tenaga.

1.5 Metode Penelitian

Dalam penulisan tugas akhir ini, penulis melakukan beberapa metode

dalam penulisan, yaitu:

1. Studi literatur dan berdiskusi bersama Dosen Pembimbing

Untuk mendapatkan pemahaman dasar mengenai penelitian yang

akan dilakukan dibutuhkan beberapa literatur seperti jurnal, artikel, buku-

buku yang dapat dicari melalui media cetak maupun media elektronik.

Dengan dasar pemahaman tersebut maka kegiatan berdiskusi dengan

pembimbing menjadi lebih terarah dan dapat menghasilkan suatu

pemahaman yang jelas.

2. Mengatur peralatan eksperimen

Dalam melakukan penelitian ini dibutuhkan beberapa instrumen

seperti Sound Level Meter, Termokopel, Tabung Pitot, Manometer-U, dan

Tachometer. Masing-masing instrumen tersebut disusun sedemikian rupa

sehingga dapat digunakan untuk mengambil data sesuai dengan parameter

yang ditetapkan terlebih dahulu pada setiap motor bakar.

3. Pengumpulan data

Setelah peralatan eksperimen berhasil disusun, maka pengambilan

data dapat segera dilakukan pada mesin 10 HP. Karena data yang akan

diambil pada penelitian ini cukup banyak maka dibutuhkan waktu yang


5


cukup lama setiap kali dilakukan pengambilan data dan juga pengambilan

data ini dilakukan terus menerus hingga seluruh data yang diharapkan

sudah didapatkan.

4. Pengolahan data

Dari data yang diambil maka dapat dilakukan perhitungan secara

teoritis berdasarkan apa yang tertera di dasar teori. Diharapkan setelah

seluruh data yang didapatkan sudah diolah dan dibuat grafiknya, maka

dapat dihasilkan suatu pemaparan yang lebih jelas mengenai karakteristik

muffler.

5. Analisis data

Dari hasil grafik yang didapatkan maka akan dapat ditarik

kesimpulan suatu karakteristik knalpot yang lebih baik daripada knalpot

standard dengan beberapa parameter yang sudah ditetapkan. Parameter

tersebut adalah kebisingan knalpot, insertion loss, kecepatan suara, debit

gas buang, tenaga mesin. torsi mesin, backpressure, dan konsumsi bahan

bakar. Dari seluruh parameter tersebut akan dibuat suatu penilaian

terhadap efeknya perubahan aliran gas buang yang nanti akan ditotal

nilainya.

1.6 Sistematika Penulisan

Penulisan tugas akhir ini meliputi beberapa bab, yaitu:

BAB I Bab ini membahas mengenai latar belakang permasalahan,

tujuan penelitian, metode penelitian, batasan permasalahan yang

dibahas dalam tugas akhir ini, metode penulisan dalam hal ini

bagaimana penulis mendapatkan informasi mengenai penelitian

ini serta sistematika penulisan.

BAB II Bab ini menjelaskan mengenai landasan teori yang berhubungan

dan digunakan dalam menyelesaikan masalah yang dibahas.


6


BAB III Bab ini menjelaskan mengenai rancangan alat uji, peralatan-

peralatan pendukung dalam pengujian, kondisi dalam pengujian

serta prosedur pengujian dan pengambilan data.

BAB IV Bab ini menjelaskan mengenai pengolahan data, menampilkan

data penelitian, grafik yang didapat dari pengujian, hasil dari

pengujian serta analisis dari hasil penelitian.

BAB V Bab ini merupakan bab penutup, pada bab ini diberikan

kesimpulan serta saran seandainya penelitian ini akan dilanjutkan

suatu saat sehingga memperoleh hasil yang lebih akurat.



BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Siklus Mesin Otto 4-Langkah

2.1.1 Langkah Hisap

Langkah ini bergerak dari titik mati atas (TMA) ke titik mati bawah

(TMB) dengan katup masuk terbuka dan katup buang tertutup. Gerakan ini

meningkatkan volume di dalam ruang bakar,dimana secara berurutan akan

menciptakan tekanan vakum. Karena tekanan vakum ini lah, udara dari luar dapat

masuk ke dalam ruang bakar secara alamiah karena tekanan mengalir dari tinggi

ke rendah. Ketika udara mengalir melalui sistem pemasukan, bahan bakar

ditambahkan dengan besaran tertentu dengan menggunakan injeksi atau pun

karburator.

Ketika piston bergerak ke atas dan mendekati 28o sebelum TMA,sebagai

ukuran dari putaran crankshaft, camshaft lobe mulai mengangkat cam follower.

Hal ini menyebabkan pushrod untuk bergerak ke atas dan menggerakan rocker

arm. Ketika hal ini terjadi, rocker arm menekan katup masuk ke bawah sehingga

katup tersebut mulai terbuka. Langkah hisap mulai terjadi ketika katup buang

masih terbuka. Aliran daripada gas buang akan menciptakan tekanan rendah di

dalam ruang bakar dan akan membantu menarik udara dari luar.

Piston kemudian melanjutkan gerakannya hingga mencapai TMA ketika

udara masuk dan gas buang keluar. Pada 12o setelah TMA, camshaft exhaust lobe

mulai berputar sehingga katup buang akan tertutup. Katup ini akan tertutup penuh

pada 23o setelah TMA Hal ini dilakukan melalui per katup, dimana akan tertekan

ketika katup akan terbuka, memaksa rocker arm dan cam follower melawan

gerakan cam lobe ketika berputar. Jarak waktu ketika kedua katup terbuka secara

bersamaan disebut valve overlap dan hal ini dibutuhkan agar udara dari luar

membantu membersihkan gas buang yang masih tertinggal di ruang bakar hingga

habis dan membantu mendinginkan silinder piston. Pada kebanyakan mesin, 30-

50 kali dari volume silinder yang dibuang dari ruang bakar ketika overlap terjadi.

Udara dingin yang berlebihan ini juga menciptakan efek pendinginan terhadap

beberapa bagian mesin.


8


Ketika piston sudah melewati TMA dan mulai untuk bergerak ke bawah

dari dari lubang silinder, pergerakan ini menciptakan daya sedot dan kemudian

menarik udara ke dalam silinder.

Gambar 2.1 Langkah Hisap, Howell, 2008

2.1.2 Langkah Kompresi

Ketika piston mencapai TMB, katup masuk tertutup dan piston kembali

bergerak menuju TMA dengan seluruh katup tertutup. Hal ini menghasilkan

kompresi terhadap campuran udara-bahan bakar, sehingga meningkatkan tekanan

dan temperatur di dalam ruang bakar. Ketika hampir mencapai akhir daripada

langkah kompresi, busi akan menyala dan menginisiasi terjadinya pembakaran.

Tekanan meningkat berdasarkan rasio kompresi daripada motor bakar itu

sendiri, yaitu rasio antara volume silinder penuh ketika piston berada di luar

daripada langkahnya dengan volume sisa ketika piston berada di TMA. Rasio

kompresi motor bakar bensin biasanya berkisar antara 6-9 dan tekanan pada ujung

kompresi sekitar 620-827.4 kN/m2.


9


Gambar 2.2 Langkah Kompresi, Howell, 2008

Gambar 2.3 Rasio Kompresi, mechanic-info.blogspot.com


10


2.1.3 Langkah Kerja/ Tenaga

Dengan seluruh katup tertutup, tekanan tinggi tercipta dengan proses

pembakaran yang mendorong piston menjauh dari TMA. Ini adalah langkah yang

menghasilkan kerja dari siklus mesin. Ketika piston bergerak dari TMA ke TMB,

volume silinder bertambah, menyebabkan tekanan dan temperatur menurun

drastis. Kemudian piston kembali bergerak ke TMA akibat momentum daripada

flywheel, dan mendorong seluruh gas sisa pembakaran keluar melalui katup

buang. Tekanannya akan berada sedikit di atas tekanan atmosfir yang besarnya

tergantung daripada tahanan aliran yang diakibatkan dari katup buang dan

silencer/muffler. Dari hal ini terlihat bahwa hanya terdapat satu langkah kerja

untuk 4 langkah piston, atau setiap 2 revolusi dari crankshaft, 3 langkah lainnya

sering disebut sebagai langkah idle, dimana langkah ini membentuk suatu bagian

yang tidak terpisahkan dari suatu siklus.

Pembakaran dari campuran udara-bahan bakar muncul hanya dalam

periode waktu yang sangat cepat tetapi dengan batasan waktu tertentu ketika

piston mendekat ke TMA. Hal ini dimulai ketika langkah kompresi mendekati

akhir sedikit sebelum TMA dan terus berlangsung hingga tercipta langkah kerja

sedikit setelah TMA. Pembakaran merubah komposisi dari campuran gas buang

sisa pembakaran dan meningkatkan temperatur pada silinder secara drastis ke

angka tertingginya. Sehingga secara tidak langsung tekanan di dalam silinder juga

akan mencapai titik tertingginya secara bergantian.

Tepat sebelum langkah kompresi selesai, percikan api dari loncatan listrik

akan memicu terjadinya pembakaran yang menyebabkan meningkatnya tekanan

dan temperatur di dalam silinder. Pembakaran selesai ketika piston berhenti dan

diikuti dengan ekspansi daripada gas panas. Tekanan daripada gas tersebut

menggerakan piston dan memutar crankshaft sehingga mobil/motor dapat

bergerak melawan hambatan luar dan mengembalikan momentum flywheel yang

hilang ketika langkah idle. Tekanan akan menurun ketika volume bertambah.


11


Gambar 2.4 Langkah Kerja/Tenaga, Howell, 2008

2.1.4 Langkah Pembuangan

Ketika piston bergerak mendekati 480 TMB, cam lobe dari katup buang

mulai mendorong cam follower ke atas dan menyebabkan katup buang terbuka.

Kemudian gas buang mulai mengalir ke luar yang disebabkan karena tekanan

silinder dan menuju ke exhaust manifold. Setelah melalui TMB, piston kemudian

bergerak ke atas dan memiliki akselerasi maksimal sekitar 63o sebelum TMA.

Dari titik ini piston akan mengalami perlambatan, dan ketika kecepatan piston

menurun, kecepatan dari gas buang keluar dari silinder akan menciptakan tekanan

sedikit di atas tekanan atmosfir. Pada 28o sebelum TMA, katup masuk terbuka dan

siklus akan berjalan kembali.

Langkah pembuangan menyelesaikan proses pembakaran. Pembukaan

kembali katup masuk menjadi sinyal dimulainya siklus baru, dimana muncul pada

setiap silinder dalam suatu mesin. Siklus pembakaran akan terus berulang pada

kecepatan yang sangat tinggi selama mesin terus berjalan.


12


Gambar 2.5 Langkah Pembuangan, Howell, 2008

Gambar 2.6 Siklus Otto 4 Langkah, Encylopedia Britannica, Inc


13


2.1.5 Hukum Termodinamika Pada Mesin Otto 4 Langkah

2.1.5.1 Siklus Ideal Mesin Otto 4 Langkah

Pada motor pembakaran dalam, campuran bahan bakar dan udara dipantik

di dalam silinder. Gas hasil pembakaran yang panas mendorong piston dimana

piston ini berhubungan dengan crankshaft untuk menghasilkan kerja. Pembakaran

ini bukan suatu proses yang kontinyu, tetapi merupakan suatu proses yang terjadi

dengan sangat cepat pada interval waktu tertentu. Mesin ini dikatakan 4 langkah

karena terdapat 4 langkah gerakan piston dalam satu kali siklus.

Gambar 2.7 Siklus Ideal dan Persamaan Termodinamik Mesin Otto

Pada gambar di atas terdapat diagram p-V siklus Otto ideal. Langkah hisap

(1-2) dan langkah buang (6-1) terjadi dalam kondisi tekanan konstan dan tidak

berpengaruh terhadap besarnya kerja yang dapat dihasilkan. Selama langkah

kompresi (2-3) terjadi, kerja diberikan kepada campuran udara-bahan bakar oleh

piston. Jika diasumsikan bahwa tidak terdapat panas yang masuk ketika proses

kompresi berlangsung, maka dapat diketahui hubungan antara perubahan volume

dan perubahan tekanan dan temperatur dari persamaan entropi gas.


14


Perlu diketahui bahwa rasio daripada volume pada awal kompresi dengan

volume pada akhir kompresi disebut rasio kompresi (r), sehingga,

P3/P2 = r γ

T3/T2 = r γ-1

Dimana P adalah tekanan , T adalah temperatur dan γ (gamma) merupakan ratio

daripada kalor spesifik. Selama proses pembakaran (3-4), volume dijaga konstan

dan kalor dilepaskan sehingga terjadi perubahan temperatur,

T4 = T3+ f * Q/cv Disini Q merupakan kalor yang dilepaskan dan f merupakan rasio antara udara-

bahan bakar dalam pembakaran, dan cv adalah kalor spesifik ketika volume

konstan. Dari persamaan kesetimbangan, dapat diketahui bahwa

P4 = P3 * (T4/T3) Ketika langkah kerja (4-5) berlangsung, kerja dihasilkan oleh gas hasil

pembakaran pada piston. Rasio ekspansi merupakan kebalikan dari rasio kompresi

sehingga,

P5 / P4 = r -γ

T5 / T4 = r (1-γ)

Kerja daripada mesin Otto dapat diketahui dengan cara menghitung luas yang

dihasilkan pada p-V diagram. Berhubung proses 2-3 dan 4-5 merupakan garis

lengkung atau kurva, maka akan lebih mudah menghitung kerja dengan

menggunakan persamaan berikut ini,

W = cv * [(T4-T3)-(T5-T2)] Bila kerja mesin Otto ini dikalikan dengan banyaknya putaran mesin per detik

maka dapat diketahui besarnya tenaga yang dihasilkan dari mesin Otto,

P = W * cps Dalam ilmu termodinamika, proses 2-3 dan 4-5 berlangsung secara

isentropik adiabatik, yang berarti bahwa pada proses tersebut entropi daripada

fluida yang bekerja tetap konstan dan tidak terjadi perpindahan panas dari dalam

atau pun dari luar atau sering juga diistilahkan dengan diinsulasi sempurna.

Sedangkan dalam proses 3-4 dan 5-6, proses isokhorik terjadi,yaitu proses dimana


15


volume daripada fluida yang bekerja dijaga konstan, maka dari itu terjadi

perubahan parameter tekanan dan temperatur daripada fluida kerja.

2.1.5.2 Siklus Aktual Mesin Otto 4 Langkah

Gambar 2.8 P-V Diagram Siklus Aktual Mesin Otto 4 Langkah

Pada kenyataannya, siklus mesin Otto yang terjadi tidak seperti yang

diperkirakan pada siklus ideal. Siklus aktual besarnya selalu lebih kecil daripada

siklus ideal. Hal ini menunjukkan bahwa masih banyak asumsi-asumsi yang

diberikan pada perhitungan siklus ideal yang sebenarnya asumsi tersebut secara

aktual terjadi dan mempengaruhi hasil perhitungan, terutama besarnya kerja yang

dilakukan oleh mesin Otto.

Pada gambar 2.8 dapat dilihat perubahan volume dan tekanan setiap waktu

pada mesin Otto 4 langkah. Terlihat bahwa terdapat garis-garis yang tidak selurus


16


pada diagram p-V ideal dan juga terdapat garis horizontal yang menunjukkan

tekanan atmosfir. Tekanan yang berada di bawah atmosfir dikenal dengan istilah

tekanan vakum, sedangkan garis dibawah diagram tersebut menunjukkan volume

silinder dan gerakan piston.

Langkah hisap terjadi pada titik A, dan tekanan semakin menurun hingga

piston mencapai TMA dan kembali ke TMB, tekanan vakum mulai tercipta yang

secara tidak langsung berfungsi untuk membuat campuran udara-bahan bakar

mengalir masuk ke dalam ruang bakar. Langkah ini terus berjalan hingga

beberapa derajat setelah piston melalui TMB dan berakhir pada titik B. Kemudian

langkah kompresi dimulai, dimana terjadi peningkatan tekanan dan penurunan

volume secara drastis dan loncatan bunga api dari busi muncul pada titik C.

Tekanan naik kembali secara mendadak ketika terjadi proses pembakaran (kurva

CD). Kenaikan tekanan tersebut mengakibatkan piston dapat kembali bergerak ke

arah TMB dan gas sisa pembakaran terekspansi ketika piston bergerak ke TMB.

Tekanan nya menurun ketika volumenya bertambah dari D ke E. Langkah

pembuangan dimulai pada titik E, beberapa derajat sebelum TMB. Tekanan nya

turun mendadak hingga piston mencapai TMB. Dan ketika piston kembali

bergerak menuju TMA , terjadi sedikit penurunan tekanan ketika gas sisa

pembakaran akan dibuang. Langkah pembuangan terus berlanjut hingga beberapa

derajat setelah TMA sampai pada titik G sehingga terjadi fenomena overlapping,

yang mengakibatkan gas sisa pembakaran terdorong keluar silinder akibat mulai

masuknya campuran udara-bahan bakar.


17


2.1.5.3 Overlapping

Gambar 2.9 Katup Masuk Terbuka , ISKY Racing Cams , California

Pada diagram valve timing dan silinder di atas, katup masuk mulai terbuka

30o sebelum TMA atau sebelum piston memulai langkah hisap. Hal ini

dimaksudkan agar katup mulai terbuka duluan secara perlahan sehingga ketika

piston mencapai TMA, katup akan sudah terbuka secara penuh, sehingga

campuran udara-bahan bakar bisa masuk sepenuhnya ke dalam ruang bakar untuk

menghasilkan pembakaran agar dapat menciptakan suatu kerja mesin yang

optimal.

Gambar 2.10 Katup Buang Tertutup, ISKY Racing Cams , California

Setelah piston mencapai dan melewati TMA, katup buang masih sedikit

terbuka dan mulai tertutup secara perlahan. Gas sisa yang masih terbakar pada


18


mulut pipa mengandung column inertia yang besar. Pada putaran mesin yang

tinggi, terjadi fenomena pembilasan akibat column inertia. Dimana gaya tersebut

membantu menarik campuran udara-bahan bakar ke dalam ruang bakar selama

peristiwa overlap terjadi. Setelah 30o dari TMA, katup buang akan tertutup

sepenuhnya.

Gambar 2.11 Katup Masuk Tertutup , ISKY Racing Cams , California

Langkah hisap terus terjadi ketika piston menuju TMB dan menarik

campuran udara-bahan bakar ke dalam silinder hingga mencapai TMB dan

kembali bergerak menuju TMA untuk melakukan langkah kompresi. Jika katup

masuk tertutup lebih dahulu ketika piston mencapai TMB, maka akan terjadi

kehilangan energi ketika mesin berada pada putaran tinggi. Hal ini terjadi karena

langkah hisap masih akan terus berjalan dan membentuk energi kinetik serta terus

mengisi ruang bakar. Kurang lebih sekitar 700 setelah TMB, katup masuk akan

tertutup dan langkah hisap selesai. Menurut diagram di atas, dapat dihitung bahwa

katup masuk terbuka selama 2800 putaran crankshaft.


19


Gambar 2.12 Katup Keluar Terbuka , ISKY Racing Cams , California

Piston terus menuju ke TMA untuk melakukan langkah kompresi, untuk

mengkompresi campuran udara-bahan bakar hingga 1/10 volume yang masuk

ketika langkah hisap terjadi. Sesaat sebelum piston mencapai TMA, busi akan

menyala untuk memicu terjadinya pembakaran yang terpropagasi di dalam ruang

bakar. Ketika piston mencapai TMA, campuran udara-bahan bakar yang menyala

mengembang dan menciptakan langkah kerja dan mendorong piston untuk

bergerak ke TMB. 700 sebelum piston mencapai TMB, katup buang terbuka untuk

memulai terjadinya langkah buang sebelum langkah kerja selesai sepenuhnya. Hal

ini dilakukan agar gas sisa pembakaran yang memiliki tekanan dapat keluar dari

ruang bakar secara alamiah sehingga akan mengurangi beban piston ketika

kembali bergerak ke atas untuk menekan gas sisa pembakaran ke luar silinder.


20


Gambar 2.13. Katup Buang Tertutup, ISKY Racing Cams , California

Piston kembali bergerak ke arah TMA untuk menyelesaikan langkah

buangnya. Sekitar 300 setelah piston mencapai TMA katup buang akan tertutup

kembali. Periode terbuka nya katup buang terjadi selama 2800 putaran crankshaft.

Langkah ini menyelesaikan satu siklus dari mesin 4 langkah.

Gambar 2.14. Siklus Aktual Overlapping, The Goodheart-Willcox Co., Inc


21


2.2 Sistem Pembuangan Gas Sisa Pembakaran

Ketika piston hampir mendekati TMA, busi menyala dan memicu

terjadinya pembakaran yang mengakibatkan piston kembali bergerak ke TMB

untuk melakukan langkah kerja. Piston memindahkan energi dari hasil

pembakaran untuk menggerakan crankshaft dan kemudian katup buang terbuka

untuk memulai terjadinya pembuangan gas sisa pembakaran keluar dari silinder.

Berhubung tekanan gas buang tersebut masih cukup tinggi, hal ini menyebabkan

keluarnya gas sisa pembakaran secara cepat (blowdown). Gelombang tekanan

terus tercipta selama katup buang terbuka. Gas buang ini dapat bergerak dengan

kecepatan rata-rata hingga 105 m/s, tetapi gelombang tekanan bergerak pada

kecepatan suara.

Gambar 2.15. Pembuangan Gas Sisa , http://www.southernskies.net

Gas buang ini akan dengan cepat menuju primary header pipe/ kepala pipa

knalpot yang kemudian akan menuju ke dalam muffler/ knalpot. Di dalam knalpot

ini, gas buang kembali berekspansi seiring dengan menjalarnya gelombang

tekanan tersebut ke seluruh bagian dalam knalpot sesuai rancangan nya dan

berakhir keluar di tail-pipe/ mulut knalpot.

Gambar 2.16. Gambaran Umum Sistem Pembuangan


http://www.southernskies.net/

22


Berdasarkan visualisasi di atas, terdapat 2 fenomena yang terjadi di dalam

sistem pembuangan yaitu pergerakan partikel gas dan aktivitas gelombang

tekanan. Perbedaan tekanan absolut antara dalam silinder dan atmosfir

menentukkan kecepatan gerak partikel gas. Seiring dengan gas yang terus

mengalir dan berekspansi maka kecepatannya berkurang. Sedangkan gelombang

tekanan yang terjadi memiliki kecepatan yang tergantung dari kecepatan suara.

Selagi kecepatan gelombang menurun ketika gas terus mengarah ke luar,

kecepatannya akan meningkat kembali ketika gelombang tersebut kembali

mengarah menuju silinder. Pada dasarnya, kecepatan gelombang memang lebih

cepat daripada kecepatan partikel gas. Gelombang berperilaku jauh berbeda dari

partikel gas ketika melalui persimpangan pipa di dalam knalpot. Gelombang

mengalami pantulan kembali ke arah silinder dengan tekanan negatif. Besarnya

gelombang balik ini tergantung dari geometri di dalam knalpot. Ide dasarnya

adalah untuk menyelaraskan refleksi gelombang balik dengan periode waktu

ketika overlap terjadi di dalam silinder. Tekanan balik ini membantu silinder

melakukan langkah hisap ketika katup masuk terbuka dan membantu

mengeluarkan gas sisa pembakaran keluar dari silinder sebelum katup buang

tertutup. Apabila kecepatan partikel gas terlalu tinggi maka akan menyebabkan

tahanan yang terlalu besar sehingga akan merugikan tenaga maksimal, sedangkan

bila kecepatannya terlalu kecil akan merugikan tenaga pada torsi rendah.

Rancangan sistem pembuangan ini merupakan suatu tindakan

penyeimbangan antara seluruh kejadian kompleks yang terjadi di dalam mesin dan

ketepatan waktunya. Bahkan dengan panjang dan diameter pipa knalpot yang

paling optimal, rancangan knalpot dapat semakin mengoptimalkan performa

mesin. Pada dasarnya, seluruh rancangan akan diuji untuk menghasilkan kurva

tenaga yang paling baik dan optimal. Sebenarnya berbagai macam rancangan

sistem pembuangan terus berkembang dari teori yang ada, tetapi yang kebanyakan

masih dilakukan adalah dengan melakukan eksperimen secara trial and error.

Tidak ada rancangan sistem pembuangan yang ideal untuk seluruh

aplikasi. Itu semua tergantung dari rancangan nya dan tujuannya, setiap rancangan

dapat menghasilkan efek-efek yang berbeda untuk mencapai suatu tujuan tertentu.


23


Terdapat beberapa pertimbangan yang harus dipahami terlebih dahulu sebelum

melakukan modifikasi knalpot yaitu :

Tenaga mana yang ingin didapatkan, low-end, mid-range atau top-end

Apakah mesin anda akan menggunakan cam dengan nilai lift, timing, dan

overlapping yang berbeda dari standard?

Lebih baik dipahami terlebih dahulu hubungan antara torsi dan

horsepower

Sistem pembuangan mana yang ingin digunakan,untuk performa atau

gaya.

Istilah maximum power dan maximum performance sering menjadi

bahasan di dunia modifikasi knalpot. Akan tetapi pada kenyataanya, tidak

mungkin suatu sistem pembuangan dapat menghasilkan kedua hal tersebut. Ketika

membandingkan 2 kurva horsepower pada grafik dyno test, kurva yang

menunjukkan tenaga rata-rata terbesar adalah tenaga yang mampu mencakup jarak

tertentu dengan waktu yang lebih cepat dan mengandung tenaga maksimal yang

mungkin didapat.

Suatu sistem pembuangan tidak dapat memproduksi tenaga lebih banyak

dengan sendirinya. Tenaga mesin ditentukan dari jumlah campuran udara-bahan

bakar yang terbakar di dalam silinder. Namun demikian, efisiensi pembakaran dan

proses pemompaan mesin dipengaruhi oleh sistem pembuangan. Rancangan

sistem pembuangan yang baik dapat mengurangi kerugian pompa mesin.

Sehingga, objektif untuk menciptakan suatu sistem pembuangan yang high

performace adalah mengurangi kerugian pompa mesin dimana akan menaikkan

efisiensi volumetrik. Hal ini akan meningkatkan efisiensi bahan bakar karena

dibutuhkan bukaan katup throttle yang lebih kecil untuk menghasilkan kecepatan

yang sama.

Kebanyakan modifikasi mesin yang dilakukan adalah untuk

memaksimalkan jumlah campuran udara-bahan bakar yang masuk ke dalam

silinder dan aliran gas buang dari mesin. Aliran campuran udara-bahan bakar yang

masuk ke dalam silinder merupakan topik yang berbeda, tetapi sangat dipengaruhi

oleh aliran gas buang, khususnya ketika terjadi fenomena overlapping. Bahan

bakar membutuhkan oksigen untuk terbakar, berdasarkan volume, pada udara


24


biasa terdapat 21% oksigen, 78% nitrogen, dan sisanya merupakan campuran

daripada gas-gas yang lain. Apabila kadar volume oksigen hanya sekitar 1/5 dari

volume udara total, maka suatu mesin membutuhkan jumlah volume udara 5

kalinya agar mendapatkan kadar oksigen yang dibutuhkan untuk menciptakan

suatu pembakaran yang sempurna. Secara teoritis, suatu mesin standar akan

memiliki tenaga maksimum yang sebanding dengan jumlah udara yang masuk ke

dalam ruang bakar. Ini berarti bahwa mesin berkapasitas 80 cc akan menghasilkan

tenaga maksimum yang sama dengan mesin berkapasitas 100 cc apabila volume

udara yang mengalir ke dalam ruang bakar adalah sama.

Salah satu isu yang menjadi bagian penting dari rancangan sistem

pembuangan adalah hubungan antara volume aliran gas dan kecepatan aliran gas.

Suatu mesin membutuhkan kecepatan aliran setinggi mungkin untuk

menghasilkan respons throttle yang cepat dan torsi antara rentang low-mid dari

kurva tenaga. Mesin yang sama juga membutuhkan aliran volume gas sebanyak

mungkin antara rentang mid-high untuk menghasilkan performa yang maksimal.

Ketika katup buang terbuka terjadi gelombang energi yang muncul akibat

berekspansinya gas pembakaran secara cepat. Gelombang ini masuk ke dalam

pipa pembuangan menuju keluar dengan kecepatan 390-510 m/s. Gelombang ini

merupakan energi murni yang mirip dengan gelombang kejut dari suatu ledakan.

Secara simultan, gelombang energi dan gas sisa pembakaran masuk ke dalam pipa

pembuangan menuju keluar dengan kecepatan yang lebih rendah yaitu 45-90 m/s.

Biasanya tenaga maksimum dicapai ketika kecepatan gas sebesar 72-90 m/s.

Karena gelombang energi bergerak 5 kali lebih cepat dari gas sisa

pembakaran, maka gelombang energi akan tiba lebih dahulu daripada gas sisa

pembakarannya. Ketika gelombang energi tersebut menemui suatu daerah

bertekanan rendah seperti pipa dengan diameter yang lebih besar dan knalpot

dengan diameter yang lebih besar, suatu gelombang pemecah terpantul kembali

menuju katup buang tanpa mengalami kerugian kehilangan kecepatan gas buang.

Gelombang balik yang kembali mengarah ke katup buang berhadapan

dengan gas buang sehingga keduanya saling melewati satu sama lain, dengan

sedikit kehilangan energi dan turbulensi kemudian terus melanjutkan gerakan

masing-masing. Saat yang paling kritis pada langkah buang adalah saat dimana


25


gelombang balik tersebut datang, efeknya akan berbeda bila gelombang balik

tersebut datang ketika katup buang terbuka dan tertutup. Jika katup buang tertutup

ketika gelombang balik datang, maka gelombang tersebut akan terpantul kembali

ke arah keluaran knalpot dan mendisipasi energi ketika melakukan gerakan bolak

balik. Ketika katup buang terbuka dan gelombang tersebut datang, efek aliran gas

buangnya tergantung pada bagian dimana gelombang tersebut menumbuk katup

buang yang terbuka.

Sebenarnya terdapat beberapa faktor lain yang mempengaruhi perilaku dari

gas buang. Gelombang harmonic, amplifikasi gelombang, dan penggagalan

gelombang mempengaruhi skema daripada sistem pembuangan. Interaksi dari

semua variable ini sangat kompleks sehingga sangat sulit untuk dipelajari

sepenuhnya secara bersamaan. Hingga sekarang belum ditemukan suatu

persamaan yang dapat menghasilkan suatu rancangan sistem pembuangan yang

sempurna. Bahkan sebuah rancangan di dalam komputer harus melalu uji dyno,

track, dan uji jalan untuk menentukkan konfigurasi sistem yang dibutuhkan untuk

hasil tertentu. Perlu diingat bahwa pilihan dan kombinasi dari karburator, saringan

udara, camshaft, pemantik, dan sistem pembuangan yang digunakan dengan

hubungan yang tepat satu sama lain dalam suatu aplikasi berkendara akan selalu

menghasilkan kualitas yang paling baik.

2.2.1 Kebisingan

Kebisingan adalah suatu keadaan dimana terdapat suara-suara dan getaran-

getaran yang tidak diinginkan. Suara muncul akibat perubahan tekanan pada suatu

media (udara), yang disebabkan oleh getaran atau turbulensi. Amplitudo dari

perubahan tekanan ini dinyatakan sebagai level suara dan perubahan dari level

tersebut juga berpengaruh terhadap frekuensi suaranya. Level suara diukur dalam

satuan desibel (dB) yang merupakan skala logaritmik pada perubahan tekanan

terhadap suatu tingkat tekanan tertentu. Efek daripada kebisingan ini biasanya

dipengaruhi oleh durasi dan tingkat dari kebisingan itu sendiri. Dalam durasi yang

lama dengan tingkat kebisingan yang tinggi akan lebih merusak pendengaran dan

secara umum lebih dianggap menggangu [8].


26


Kendaraan bermotor menghasilkan berbagai macam suara seperti,

akselerasi mesin, kontak ban dengan jalanan, rem, klakson, dan alarm. Menurut

laporan OECD, “ Sejauh ini transportasi merupakan sumber utama dari

kebisingan dibandingkan dengan bangunan atau industri ”[5]. Sepeda motor, truk,

dan bus memilki kontribusi yang besar terhadap kebisingan di jalanan[6]. Pada

kecepatan rendah, kebisingan tersebut muncul dari mesin kendaraan tersebut,

tetapi pada kecepatan tinggi kecepatan aerodinamis dan gesekan ban dan jalan

lebih mendominasi[7]. Beberapa faktor yang mempengaruhi kebisingan di jalanan

adalah :

Tipe Kendaraan. Sepeda motor, truk, bus dan kendaraan lainnya dengan

sistem pembuangan gas yang salah menyebabkan tingkat kebisingan yang

tinggi

Tipe Mesin. Mesin diesel tua lebih berisik dibandingkan dengan mesin

bensin dan gas. Sedangkan mesin hybrid dan elektrik merupakan yang

paling tenang.

Karakteristik berkendara. Kecepatan pelan lebih menghasilkan kebisingan

yang rendah. Kebisingan tercipta ketika suatu kendaraan berakselerasi atau

menanjak. Berkendara secara agresif dengan akselerasi cepat dan

pengereman mendadak meningkatkan kadar kebisingan yang terjadi.


27


Gambar 2.17. Tingkat Kebisingan , American Academy of Audiology, 2008


28


2.2.2 Knalpot (Muffler)

Apabila suatu mesin dijalankan tanpa adanya knalpot, maka akan muncul

suara kebisingan yang sangat mengganggu kenyamanan manusia. Di dalam

knalpot terdapat suatu rangkaian perpipaan yang berfungsi untuk mengurangi

kebisingan suara yang tercipta dari suatu mesin kendaraan bermotor. Gelombang

tekanan berintensitas tinggi yang dihasilkan dari pembakaran di dalam silinder

mesin berpropagasi sepanjang pipa gas pembuangan. Gelombang ini terus

berulang yang ditentukan berdasarkan f = (putaran mesin x jumlah silinder)/120

untuk mesin 4-langkah.

Secara umum terdapat 2 jenis muffler yaitu absortive muffler dan reactive

muffler. Absortive muffler adalah muffler yang dirancang khusus menggunakan

peredam untuk menyerap gelombang suara yang keluar dari mesin tanpa

memperdulikan tekanan gas buang.

Gambar 2.18. Absortive Muffler, www.dbnoisereduction.com

Sedangkan reactive muffler adalah muffler yang dirancang menggunakan

ruang resonansi untuk menghilangkan gelombang suara yang dipantulkan pada

dinding-dinding muffler sesuai dengan metode superposisi. Knalpot jenis ini


http://www.dbnoisereduction.com/

29


dirancang berdasarkan prinsip peredaman Helmholtz. Dalam prinsip ini terdapat

suatu rongga atau celah yang dipasang di dalam knalpot dimana pada frekuensi

suara tertentu, rongga tersebut akan beresonansi yang mengakibatkan gelombang

suara tersebut terpantul kembali ke arah mesin. Dalam beberapa rancangan,

terdapat beberapa rongga di dalam knalpot yang berbeda dimensinya untuk

menahan frekuensi tertentu.

Gambar 2.19. Reactive Muffler, www.dbnoisereduction.com

Getaran yang dilepaskan oleh gas pembuangan adalah penyebab dari

munculnya suara bising pada mesin. Ketika mesin melakukan langkah ekspansi,

katup pembuangan akan terbuka dan tekanan yang tersisa di dalam silinder

mendorong gas buang keluar sebagai getaran dalam sistem pembuangan. Getaran

ini berada di antara 0.1-0.4 atmosfir pada amplitudonya dengan durasi getaran

antara 2-5 milisekon. Umumnya, mesin kendaraan bermotor menghasilkan suara

bising antara 100-130 dB tergantung dari jenis dan tipe daripada mesin tersebut.

Padahal, dengan suara bising lebih dari 80 dB dapat membahayakan manusia [2].

Dalam penelitian ini akan dilakukan beberapa modifikasi pada muffler

untuk mendapatkan hasil yang optimal dari segi pengurangan kebisingan sehingga

dibutuhkan beberapa pertimbangan berdasarkan parameter sebagai berikut [4]:


30


1. Insertion Loss , yaitu perbedaan antara dua tingkat tekanan suara yang

diukur pada titik yang sama sebelum dan setelah muffler diletakkan dalam

sistem

2. Dynamic Insertion, yaitu perbedaan antara dua tingkat tekanan suara yang

diukur ketika muffler beroperasi pada kondisi aliran rata-rata.

3. Transmission Loss, yaitu perbandingan antara tekanan suara antara

tekanan yang dihasilkan muffler dengan tekanan bunyi yang dihantarkan

oleh muffler.

4. Attenuation, yaitu penurunan tekanan bunyi dalam desibel antara dua titik

dalam sistem akustik. Penurunan ini diukur persatuan panjang saluran

pada sisi muffler, tetapi tidak terlalu dekat dengan ujung saluran dan

dikalikan dengan panjang total.

5. Noise Reduction, yaitu perbedaan antara tekanan suara yang diukur pada

inlet dan outlet muffler.

Menurut Munjal, et al. (1973), kriteria dari rancangan muffler adalah

sebagai berikut:

Mufflers dengan sekat pipa tambahan akan lebih baik daripada hanya

dengan sekat-sekat yang simpel

Tidak akan terdapat perbedaan yang signifikan pada insertion loss antara

muffler dengan sekat pipa tambahan dengan muffler yang menggunakan

sekat aliran balik

Semakin banyak jumlah sekat, maka nilai insertion loss akan semakin baik

Dalam panjang yang sama, peningkatan jumlah sekat secara umum akan

meningkatkan nilai insertion loss pada frekuensi tinggi tetapi akan bersifat

mengurangi pada frekuensi rendah

Semakin besar perbandingan luas penampang daripada sekat, semakin

besar pula nilai insertion loss.

2.2.3 Performa Knalpot

Untuk mengetahui seberapa bagus efek penggunaan knalpot pada suatu

motor bakar maka diperlukan suatu karakteristik penilaian terhadap performa

knalpot. Terdapat tiga karakteristik performa knalpot yang biasa di cari yaitu [11]:


31


1. Insertion Loss (dB)

Nilai ini didapat berdasarkan besarnya pengurangan tingkat kebisingan

suara yang dihasilkan dengan menggunakan knalpot.

Dalam bentuk persamaannya dapat ditulis sebagai berikut,

IL = 10 log10 ( Wref/Wmuffler)

Gambar 2.20. Skema Insertion Loss, Muffler Basics, SIDLAB

2. Transmission Loss (dB)

Nilai ini ditentukan berdasarkan perbedaan tingkat kebisingan pada sisi

masuk daripada knalpot dengan yang ditransmisikan oleh knalpot

Dalam bentuk persamaannya dapat ditulis seperti dibawah ini,

TL = 10 log10 (Wincident/Wtransmitted)

Gambar 2.21 Skema Transmission Loss, Muffler Basics, SIDLAB

Spektrum kebisingan gas buang akan selalu mengandung suara kuat yang

berhubungan dekat dengan pemantikan campuran udara-bahan bakar di dalam

silinder. Dalam mesin 4-langkah setiap silinder menyala satu kali setiap putaran

crankshaft. Bunyi ini secara umum merupakan suara terbesar dalam spektrum

kebisingan gas buang. [12]


32


Cylinder Firing Rate

CFR = RPM / 60 untuk mesin 2-langkah

CFR = RPM / 120 untuk mesin 4-langkah

Engine Firing Rate

EFR = N * CFR, dimana N adalah jumlah silinder

3. Backpressure (psi)

Backpressure adalah tekanan static tambahan yang disebabkan oleh

knalpot pada mesin melalui hambatan pada aliran gas buang.[11]. Tekanan

ini hanya dapat berpengaruh ketika katup buang terbuka dan ketika terjadi

overlapping.

Gambar 2.22. Pengukuran Tekanan Pada Katup Buang,http://www.veryuseful.com/mustang/tech/engine/exhaustScavenging

Perhatikan tekanan tinggi yang muncul sebelum katup buang terbuka

sebelum TMB. Gas buang harus melawan tekanan tinggi tersebut sebelum keluar

dari ruang bakar. Setelah berhasil menghadapi tekanan tersebut, gas buang mulai

mengalir cepat dan menciptakan tekanan negatif. Semakin negatif tekanannya

berarti tekanan dalam sistem menjadi semakin vakum. Karena itu secara alamiah

sistem akan menarik keluar gas buang keluar dari dalam ruang bakar, fenomena

ini sering disebut dengan istilah pembilasan. Selain membantu mengeluarkan gas

buang keluar dari dalam silinder, hal ini juga membantu menarik jumlah

campuran udara-bahan bakar semakin banyak pada saat overlapping. Semakin


http://www.veryuseful.com/mustang/tech/engine/exhaustScavenging

33


cepat gas buang mengalir maka semakin vakum suatu sistem dibuatnnya. Yang

diincar adalah untuk mendapatkan tekanan negatif sebesar-besarnya sebelum

overlapping terjadi.

Pada saat overlapping terjadi, terdapat gelombang tekanan yang mengarah

balik ke dalam mesin yang sering disebut dengan reversion. Gelombang ini lah

yang mengganggu sistem pemasukan udara-bahan bakar ketika overlapping

terjadi dengan mengurangi kadar oksigen yang masuk ke dalam silinder.

Berkurangnya kadar oksigen menyebabkan berkurangnya tenaga yang dihasilkan.

Dapat dilihat bahwa tekanan pada katup buang masih negatif tetapi makin lama

semakin hilang. Gelombang reversion ini akan mengurangi kecepatan aliran gas

buang karena tekanan gas buang sekarang harus mendorong tekanan daripada

gelombang ini untuk keluar. Berkurangnya kecepatan aliran gas buang berarti

semakin hilangnya tekanan negatif atau vakum.

Gambar 2.23. Efek Backpressure


34


Setiap mesin memiliki karakteristik sistem pembuangan yang berbeda-

beda, sehingga sudah sewajarnya setiap mesin memiliki batasan backpressure

yang dibutuhkan oleh mesin tersebut. Apabila suatu sistem pembuangan

menghasilkan backpressure yang lebih tinggi dari yang ditentukan, maka akan

terdapat sebagian gas sisa pembakaran yang terperangkap di dalam silinder

setelah fenomena overlapping terjadi dan bercampur dengan campuran udara-

bahan bakar yang masuk ketika langkah hisap terjadi. Oleh karena itu, campuran

baru ini akan menghasilkan ledakan yang lebih lemah ketika langkah kerja terjadi.

Hal ini akan mengakibatkan berkurangnya tenaga mesin.

Gambar 2.24. Fenomena Berlebihnya Backpressure, WALKER Exhaust Systems

Sebaliknya, ketika suatu mesin memiliki nilai backpressure yang lebih

rendah daripada yang ditentukan. Maka gas buang akan keluar lebih cepat dari

ruang bakar ketika langkah pembuangan terjadi. Ketika terjadi overlapping, gas

sisa pembakaran akan lebih mudah mengalir dan lebih cepat menuju sistem

pembuangan. Oleh sebab itu, terdapat sebagian campuran udara-bahan bakar yang

masuk akan memiliki jeda waktu untuk ikut keluar melalui katup buang setelah

mendorong gas sisa pembakaran keluar dari ruang bakar. Hal ini juga

menyebabkan berkurangnya tenaga mesin, karena lebih sedikitnya jumlah

campuran udara-bahan bakar yang terbakar. Karena gas buang akan mengalir

lebih cepat dari sistem ke atmosfir maka tingkat kebisingan akan semakin tinggi

juga.


35


Gambar 2.25 Fenomena Kurangnya Backpressure, WALKER Exhaust

Systems

2.3 Aliran Gas Kompresibel

Aliran ini muncul dalam berbagai proses alamiah dan teknologi. Ketika

suatu fluida bergerak dengan kecepatan tertentu yang dapat dibandingkan dengan

kecepatan suaranya, maka perubahan massa jenis menjadi hal yang signifikan,

biasanya aliran inilah yang disebut dengan kompresibel. Beberapa jenis aliran

tidak bisa didapatkan pada fluida cair, karena membutuhkan tekanan yang sangat

tinggi dalam orde 1000 atm untuk menghasilkan kecepatan sonik. Di lain sisi,

pada fluida gas dengan perbandingan tekanan 2:1, bisa didapatkan aliran sonik

tersebut. Oleh karena itu, aliran kompresibel ini lebih banyak dipelajari dengan

menggunakan fluida gas.

Terdapat suatu parameter tertentu untuk mengklasifikasi aliran

kompresibel yaitu dengan menggunakan angka Mach (Ma). Persamaannya adalah

sebagai berikut,

�� ; � � √��

Dimana : v = kecepatan aliran fluida ; a = kecepatan suara dari fluida tersebut ; k

= perbandingan dari kalor spesifik ( Cp/Cv) ; R = konstanta gas ; T = Temperatur

gas.


36


Klasifikasi aliran berdasarkan angka Mach dapat dilihat dibawah ini :

Ma < 0.3 : Aliran inkompresibel, dimana efek massa jenis

diabaikan

0.3 < Ma < 0.8 : Aliran subsonik, dimana efek massa jenis penting,

tetapi tidak muncul gelombang kejut (shock waves).

0.8 < Ma < 1.2 : Aliran transonik, dimana gelombang kejut mulai

muncul dan memisahkan aliran subsonik dengan

supersonik.

1.2 < Ma < 3.0 : Aliran supersonik, dimana gelombang kejut akan selalu

muncul tetapi tidak terdapat daerah subsonik.

Ma > 3.0 : Aliran hipersonik, dimana perubahan gelombang kejut

dan aliran lainnya sangat kuat.

Dalam membahas aliran kompresibel maka perubahan massa jenis menjadi

signifikan, dimana perubahan temperatur dan tekanan akan menyebabkan

berubahnya massa jenis. Untuk lebih mempermudah penjelasan ini maka

diasumsikan keseluruhan proses aliran yang terjadi dianggap adiabatik reversibel

atau isentropik.

Berikut ini adalah beberapa persamaan dasar untuk menjelaskan aliran

kompresibel :

1. Kesetimbangan Massa

ṁ � ṁ�

� � � �� ; � �� ....................................................................(1)

2. Kesetimbangan Momentum

�� ṁ��

��ṁ��

� � �� ṁ�� ṁ�

� � ��

� ��


37


� � ��

�..........................(2)

3. Kesetimbangan Energi

��

� ��

��

��

�....................................................(3)

Untuk gas ideal dengan kalor spesifik yang konstan, ∆� � �� ∆�, maka

� ��

��

��

��....................................................(4)

4. Perubahan Entropi

�� ln�� ln ��

�� 0................................(5)

5. Persamaan Keadaan ( Equations Of State) ��

� ��

.....................................................................(6)

Terdapat 2 jenis aliran kompresibel yaitu aliran internal dan eksternal.

Contohnya saja, aliran gas alam dalam pipa, aliran gas buang pada motor bakar,

juga aliran dalam turbin gas merupakan aliran internal. Sedangkan aliran pada

sayap pesawat terbang, baling-baling, dll merupakan aliran eksternal. Untuk lebih

memahami aliran tersebut dibutuhkan suatu permodelan aliran yang dikenal

dengan nama aliran Fanno atau aliran Rayleigh. Aliran Fanno lebih banyak

digunakan untuk memodelkan aliran internal sedangkan aliran Rayleigh untuk

aliran eksternal.

2.3.1. Aliran Fanno

Berhubung dalam penelitian kali ini berbicara mengenai aliran gas buang

pada suatu motor bakar, maka permodelan aliran Fanno akan menjadi dasar

analisis dari penelitan kali ini. Sebagai awalan, dalam model aliran ini terdapat

beberapa asumsi yaitu, aliran ini berada dalam permodelan 1 dimensi, aliran ini


38


bersifat tetap (steady), adiabatis (tidak terdapat perpindahan kalor), dan terdapat

friksi antara fluida dengan penampang.

Gambar 2.26. Kontrol Volume Aliran Gas pada Luas Penampang Konstan

2.3.1.1. Model Fanno

Dari hukum kesetimbangan massa dapat dituliskan:

ṁ � � � � ��

ρ U � ρ� �2 .................................................(7)

Berdasarkan hukum kesetimbangan energi dengan asumsi bahwa aliran ini

bersifat adiabatis dan friksi yang terjadi tidak berubah menjadi energi kalor, maka:

T � T�

T ��

�� T� �

��

�� ....................................(8)

Bentuk rumus turunan adalah sebagai berikut:

¡¢ £� � £ ¤¥�

�¦ � 0 .....................................(9)

Untuk mempermudah, diasumsikan fluida yang mengalir adalah gas sempurna,

maka rumus menjadi:

� � � � ��

� ��

......................................................(10)


39


Dengan asumsi bahwa aliran ini bersifat satu dimensi, maka gaya yang bekerja

pada fluida adalah friksi dengan dinding penampang sehingga berdasarkan hukum

kesetimbangan momentum menghasilkan,

� £� � §¨ £ ¨ � ṁ £� ............................................(11)

Rumus luas penampang:

� © ª«�

¬ .........................................................................(12)

Dengan mensubstitusikan variabel D dengan Dh, maka luas penampang dimana

terdapat shear stress adalah:

£ ¨ � ® £x .............................................................(13)

Memasukkan faktor friksi Fanning:

¯ � °±�� ¥

� .........................................................................(14)

Dengan menggunakan persamaan (12) dan mensubstitusikan persamaan (14) ke

dalam persamaan momentum (11) menghasilkan:

�© ª�

¬£� � ® £² ¯

�� £�....................(15)

Membagi persamaan di atas dengan luas penampang A, maka menghasilkan:

�£� �¬ � ³´ª

¤�� ¦ � �� £�...................................(16)

Hukum kedua termodinamika merupakan persamaan terakhir untuk menentukkan

arah aliran yang terjadi:

�� µ � ..........................................................................(17)


40


2.3.1.2. Kurva Fanno

Diasumsikan terdapat suatu gas dengan properti R, k, dan Cp mengalir

dalam suatu luas penampang A. Dengan keadaan tertentu pada titik 1 (masuk),

properti inlet P1, T1, ρ1, V1, dan s1. Properti gas pada titik 2 (keluar), P2, T2, ρ2,

V2, dan s2 dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan 1-6 untuk setiap

gaya gesekan tertentu. Dengan mengetahui kecepatan dan temperatur, maka nilai

Ma dapat ditentukan pada titik masuk dan keluar.

Salah satu cara praktis untuk menentukkan kondisi 2 adalah dengan cara

mengasumsikan beberapa nilai untuk T2, dan menghitung properti lain untuk

setiap asumsi yang dibuat menggunakan persamaan 1-6. Hasil perhitungan yang

diplot pada suatu diagram T-s disebut dengan garis Fanno, dari diagram tersebut

dapat dibahas beberapa observasi sebagai berikut:

Gambar 2.27. Diagram T-s Aliran Fanno

1. Seluruh kondisi yang memenuhi hukum konservasi massa, energi,

momentum begitu juga dengan hubungan properti nya terlihat pada garis

Fanno ini. Oleh karena itu, untuk kondisi masuk tertentu fluida tidak dapat

muncul di luar garis Fanno pada diagram T-s ini. Perlu diingat bahwa

apabila tidak terdapat friksi, properi dari aliran akan tetap konstan

sepanjang luas penampang yang ada.

2. Gesekan dinding menyebabkan entropi meningkat, sehingga suatu proses

selalu mengikuti garis Fanno. Pada titik entropi maksimum, nilai Ma = 1.


41


Seluruh kondisi diatas titik tersebut adalah daerah subsonik dan

dibawahnya adalah supersonik.

3. Gesekan pada dinding meningkatkan nilai Ma pada aliran subsonik,

tetapipada aliran supersonik malah mengurangi nilai Ma. Pada kedua

kondisi sama-sama mendekati nilai Ma =1

4. Kesetimbangan energi membutuhkan temperatur stagnasi tetap konstan

selama aliran Fanno terjadi. Tetapi temperatur aktual dapat berubah.

Kecepatan meningkat dan temperatur menurun ketika aliran subsonik,

tetapi sebalik nya pada aliran supersonik.

5. Persamaan kontinuitas menunjukan bahwa densitas dan kecepatan

bergerak secara proporsional. Sehingga , efek daripada gesekan adalah

untuk mengurangi densitas pada aliran subsonik ( kecepatan dan nilai Ma

meningkat), tetapi malah meningkat pada aliran supersonik ( kecepatan

dan nilai Ma menurun).

Efek friksi pada properti aliran Fanno dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Perhatikan bahwa efek gesekan pada kebanyakan properti di aliran subsonik

saling berlawanan dengan aliran supersonik. Namun, efek daripada gesekan selalu

mengurangi besarnya tekanan stagnasi tidak pengaruh apakah aliran tersebut

subsonik atau supersonik. Tetapi gesekan tidak mempunyai efek apapun terhadap

temperatur stagnasi karena gesekan menyebabkan energi mekanik berubah

menjadi energi kalor.

Gambar 2.28. Efek Gesekan pada Aliran Fanno



BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Rancangan Pengambilan Data

Dalam penelitian kali ini akan dilihat beberapa efek yang terjadi dari

perubahan aliran gas buang di dalam knalpot. Efek yang ingin dilihat adalah efek

terhadap kebisingan suara, temperatur, backpressure, torsi dan tenaga mesin.

Masing-masing efek tersebut dapat dilihat dengan menggunakan peralatan dan

sistem tertentu.

Berhubung mesin kapal klotok biasanya adalah mesin-mesin yang

kapasitasnya tidak terlalu besar maka dalam penelitian ini digunakan mesin X

dengan kapasitas yang biasanya digunakan untuk kapal klotok yaitu sekitar 9,3

HP. Diharapkan data yang didapat nantinya dapat diselaraskan dengan mesin

kapal klotok dengan kapasitas yang sama. Sehingga hasil dari penelitian ini dapat

dikembangkan untuk penggunaan pada kapal klotok di daerah aliran sungai.

Berikut adalah spesifikasi teknis daripada Mesin X yang digunakan :

Spesifikasi Mesin X

Berat kosong : 105 kg Kapasitas tangki bahan bakar : 3,7 liter Tipe mesin : Otto, 4 langkah, SOHC, pendinginan udara Diameter x langkah : 52,4 x 57,9 mm Volume langkah : 124,8 cc Perbandingan kompresi : 9,0 : 1 Daya maksimum : 9,3 PS/7.500 rpm Torsi maksimum : 1,03 kgf.m /4.000 rpm

Prosedur Pengambilan Data

Langkah-langkah dalam melakukan pengambilan data adalah sebagai berikut :

1. Mempersiapkan mesin dan 4 variasi knalpot yang akan digunakan.

2. Memasang knalpot standard pada mesin dan menempatkan seluruh alat

ukur yang digunakan. ( Termokopel, Sound Level Meter, Pitot Tube, dan

Manometer)

3. Menghidupkan mesin pada kondisi rpm idle (± 1050) selama 5-10 menit.

4. Melakukan pengambilan data temperatur, desibel, dan delta h selama 3

menit.


43


5. Mengatur bukaan gas agar menaikkan rpm sebanyak 500

6. Melakukan pengambilan data seperti pada langkah 4.

7. Pengambilan data dilakukan dari rpm idle hingga (± 5500)

8. Mengulangi langkah 1-7 untuk setiap variasi knalpot.

Hasil eksperimen untuk dapat membuat grafik antara rpm vs tekanan, rpm

vs temperatur, rpm vs aliran, dan rpm vs desibel untuk setiap jenis knalpot. Dari

grafik-grafik dan hasil simulasi tersebut akan muncul suatu kesimpulan yang

dapat menjelaskan apa sebenarnya yang terjadi di dalam knalpot tersebut dan

dapat terlihat variasi knalpot seperti apa yang paling optimal dalam segi

kebisingan dan performa mesin. Diharapkan juga dapat diketahui batas

backpressure yang optimal agar motor tidak menghasilkan suara yang terlalu

bising dan memiliki performa mesin yang baik.

3.1.1 Pengambilan Data Kebisingan Suara

Untuk melakukan pengambilan data kebisingan suara dibutuhkan suatu

alat ukur yang dikenal dengan nama sound level meter. Selain itu, menurut

referensi dari Society of Automotive Engineers, Inc telah diatur lokasi dan

orientasi dari sound level meter untuk mengukur kebisingan suara suatu motor

dengan membentuk sudut 450 dengan jarak 0.5 m.

Gambar 3.1 Posisi dan Orientasi Pengambilan Data Kebisingan Suara


44


Alat ukur yang digunakan adalah sound level meter dengan merek Lutron SL-

4012 dengan spesifikasi seperti berikut ini,

SOUND LEVEL METER, Model : SL-4012

* 30 - 130 dB, Auto range, Manual range.

* Frequency & time weighting meet IEC 61672 class 2.

* A & C frequency weighting.

* Fast / Slow time weighting, Data hold.

* Peak hold, Memory (max., min.).

* Size : 268 x 68 x 29 mm.

3.1.2 Pengambilan Data Temperatur

Dalam penelitian ini ingin diketahui seberapa besar perubahan temperatur

yang terjadi dengan perbedaan knalpot yang terpasang dan dilakukan pada 2 titik

yaitu tepat setelah gas buang keluar dari mesin dan pada titik gas buang sebelum

masuk ke dalam knalpot.

Untuk mengukur temperatur tersebut maka dibutuhkan suatu termokopel

tipe K dan suatu indikator digital untuk memunculkan besarnya suhu gas buang

pada 2 titik tersebut.

Gambar 3.2. Termokopel Tipe-K dan Digital Indikator

Termokopel tipe K merupakan campuran dari bahan Chromel pada sisi

positif dan Alumel pada sisi negatif. Rentang pengukuran temperatur yang dapat

dilakukan oleh termokopel jenis ini adalah dari -200 hingga 1250 0C. Sedangkan

Digital Indicator berasal dari Autonics dengan seri TC4S.


45


3.1.3 Pengambilan Data Torsi dan Tenaga Mesin

Dalam melakukan pengambilan data ini diperlukan sebuah peralatan yang

cukup canggih dan dikenal dengan nama chassis dynamometers. Alat ini dimiliki

oleh salah satu bengkel di Jl. Pramuka 69 yaitu Bengkel KS Nusa. Merek mesin

yang digunakan adalah Dyno Dynamics 450DS AWD Dynamometer dengan

kapasitas :

Mengukur Tenaga pada Ban dari 1HP (0.76 kW) hingga 2,400 HP(1800

kW)

Mengukur Torsi pada Ban hingga 12,500 Nm.

Batas kecepatan maksimum sebesar 250 km/jam

Gambar 3.3 Pengujian Dynotest di Bengkel KS. Nusa


46


3.1.4 Pengambilan data Backpressure

Menurut referensi yang didapatkan untuk mengukur backpressure dari

suatu knalpot seperti pada skema dibawah ini,

Gambar 3.4 Skema Pengukuran Backpressure , Corky Bell, Bentley

Publishers

Pada setiap bagian 1, 2, dan 3 dipasang alat pengukur tekanan untuk

membaca tekanan gas buang yang mengalir pada posisi tersebut. Yang digunakan

dalam penelitian ini adalah pengukuran pada no.3, yang hanya akan mengukur

backpressure akibat adanya muffler pada sistem aliran gas buang. Dalam

melakukan pengukuran ini, diperlukan beberapa peralatan untuk membuat suatu

sistem manometer-U untuk membaca perubahan tekanan yang terjadi sepanjang

pipa knalpot sebelum masuk ke dalam muffler. Berikut adalah gambaran

sistematis alat ukurnya ,

Gambar 3.5 Pengukuran Backpressure menggunakan Manometer-U


47


3.1.5 Pengambilan Data Flowrate

Dalam pengambilan data ini dibutuhkan suatu pitot tube yang berfungsi

untuk mengukur beda tekanan statik dan tekanan total yang nantinya berdasarkan

persamaan empiris dapat didapatkan seberapa besar aliran gas buang yang masuk

ke dalam muffler. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar dibawah ini,

Gambar 3.6 Penjelasan Pitot Tube

Dengan menghubungkan pitot tube dengan manometer u, maka perbedaan

tekanan antara tekanan total dan tekanan statik bisa didapatkan dengan membaca

perbedaan ketinggian pada manometer.


48


Dengan menggunakan persamaan Bernoulli dibawah ini,

dengan:

γ = Berat Jenis dari Fluida

g = Konstanta Gravitasi

p = Tekanan pada titik 1 dan 2

h = Ketinggian pada titik 1 dan 2

v = Kecepatan pada titik 1 dan 2

Apabila h1=h2, dan v=0, maka persamaan di atas dapat ditulis ulang menjadi,

dengan:

p2 - p1 = Δp

γ = ρ gas . g

Maka besarnya kecepatan dapat diketahui dengan rumus,

; ∆� � �. �. ∆��

Dengan menggunakan rumus debit yaitu :

� � �. � ; A = Luas Permukaan Bidang Kontak

Maka, debit aliran gas yang mengalir dapat dihitung.


49


Berikut adalah gambar pengambilan data menggunakan pitot tube ,

Gambar 3.7 Pengambilan Data Flowrate

Gambar 3.8 Skema Penelitian

Mesin 10 HP


50


3.1.6. Pengambilan Data Konsumsi Bahan Bakar

Dalam melakukan pengambilan data dibawah ini dibutuhkan beberapa

peralatan seperti tangki bensin buatan, selang bensin, bensin, gelas ukur, dan

stopwatch. Pengambilan data ini dilakukan dalam 3 variasi putaran mesin yaitu

idle, middle, dan high. Setiap variasi putaran dilakukan pengambilan data

sebanyak 3 kali, dimana setiap pengambilan data dilakukan selama 5 menit

dengan masukan bahan bakar awal sebanyak 100 ml. Kemudian akan diukur

kembali berapa banyak bahan bakar yang tersisa setelah dilakukan penggunaan

selama 5 menit. Pengambilan data seperti di atas dilakukan untuk setiap jenis

variasi knalpot. Berikut ini adalah skema penelitian pengambilan data konsumsi

bahan bakar,

Gambar 3.9. Skema Penelitian Konsumsi Bahan Bakar


51


3.2. Spesifikasi Knalpot Standard, V1, V2, V3, dan V4

Pada penelitian ini dilakukan pengambilan data terhadap 4 variasi knalpot

untuk mengetahui efek perubahan aliran gas buang pada motor 9,3 HP. Variasi ini

dilakukan menggunakan software Solidworks. Pertama-tama akan dibuat part-part

dari knalpot yang selanjutnya dapat di assembly menjadi satu kesatuan knalpot.

Berikut ini adalah bagian-bagian knalpot tersebut :

1. Baffle Plate

2. Body Inner


52


3. Input Pipe-Standard

4. Input Pipe-Variasi I


53


5. Input Pipe-Variasi III

6. Input Pipe-Variasi IV


54


7. Transfer Pipe-Standard

8. Transfer Pipe-Variasi II


55


9. Transfer Pipe-Variasi III

10. Elbow Variasi III-1


56


11. Elbow Variasi III-2

Setelah membuat bagian-bagian knalpot di Solidworks maka bagian -bagian

tersebut akan di assembly menjadi 4 variasi knalpot, berikut hasil assembly

masing-masing knalpot :

Assembly Knalpot Standard

Assembly Knalpot Variasi I


57


Assembly Knalpot Variasi II

Assembly Knalpot Variasi III

Assembly Knalpot Variasi IV


58


Diagram Alir Penelitian

Mulai

Studi Pustaka

Penentuan Data Parameter Penelitian dan menyiapkan peralatan penelitian

Modifikasi rancangan Knalpot menggunakan software Solidworks

Melakukan riset sesuai dengan parameter yang sudah ditetapkan

Analisis dan Evaluasi

Lap. Penelitian

Selesai

Membuat knalpot uji sesuai dengan yang sudah direncanakan seperti pada gambar CAD



BAB IV

PENGOLAHAN DAN ANALISIS DATA

4.1. Hasil Eksperimen

Dalam penelitian ini digunakan 5 jenis knalpot yang berbeda untuk dapat

mengetahui efek perubahan aliran gas buang yang terjadi terhadap kebisingan

suara, kecepatan suara fluida, insertion loss, backpressure, torsi, dan tenaga

mesin. Dengan melakukan beberapa perhitungan menggunakan Microsoft Excel

dan Origin 8, maka dapat dihasilkan beberapa grafik yang dapat menggambarkan

efek perubahan aliran gas buang terhadap beberapa parameter yang sudah

ditentukan. Berikut adalah data-data yang telah diolah yang kemudian akan dibuat

menjadi grafik.

Desibel (dB)

RPM Knalpot Lepas

Knalpot Standard

Knalpot V1

Knalpot V2

Knalpot V3

Knalpot V4

1050 70.53 62.86 65.28 64.63 65.62 70.78 1545 81.2 67.28 70.29 68.88 69.79 73.23 2070 84.15 71.46 74.23 72.56 73.08 78.91 2550 85.41 73.47 78.34 75.18 75.48 82.06 3060 87.38 75.58 80.55 78.56 78.27 83.92 3540 89.43 78.04 82.42 82.66 81.74 86.12 4020 91.93 80.67 84.38 83.84 84.02 87.33 4515 95.06 84.45 86.23 86.55 86.87 89.44 5070 100.13 86.29 88.14 88.19 88.05 90.8 5550 102.22 87.65 90.25 90.44 89.68 92.62

Tabel 1. Data Kebisingan Suara (dB)


60


Insertion Loss (dB)

RPM Knalpot Standard Knalpot V1 Knalpot V2 Knalpot V3 Knalpot V4

1050 7.67 5.25 5.9 4.91 0.25 1545 13.92 10.91 12.32 11.41 7.97 2070 12.69 9.92 11.59 11.07 5.24 2550 11.94 7.07 10.23 9.93 3.35 3060 11.8 6.83 8.82 9.11 3.46 3540 11.39 7.01 6.77 7.69 3.31 4020 11.26 7.55 8.09 7.91 4.6 4515 10.61 8.83 8.51 8.19 5.62 5070 13.84 11.99 11.94 12.08 9.33 5550 14.57 11.97 11.78 12.54 9.6

Tabel 2. Data Insertion Loss (dB)

Kecepatan Suara (m/s)

RPM Knalpot Lepas

Knalpot Standard Knalpot V1 Knalpot V2 Knalpot V3 Knalpot V4

1050 359.07222 371.49748 377.13102 369.54621 374.19069 371.71365 1545 367.96683 380.57666 386.07775 385.14028 390.11405 383.7298 2070 381.36739 407.58628 410.97206 403.57543 415.29845 407.14258 2550 381.36739 418.33391 415.25009 412.19192 419.34085 412.67886 3060 381.84104 424.81271 418.33391 418.14184 426.08722 426.51121 3540 383.20608 436.56348 427.40492 430.63491 444.22467 445.30837 4020 387.06483 456.17984 453.1763 446.74921 459.95035 464.7285 4515 394.77092 468.73022 465.11727 463.17017 474.18274 476.71714 5070 395.58404 482.82861 477.85323 473.71663 486.10346 491.6901 5550 399.82581 495.39304 490.83161 486.43387 491.36323 506.26006

Tabel 3. Data Kecepatan Suara Gas Buang


61


Backpressure (Pa)

RPM Knalpot Standard Knalpot V1 Knalpot V2 Knalpot V3 Knalpot V4

1050 74.556 64.746 35.316 45.126 98.1 1545 196.2 117.72 123.606 103.986 198.162 2070 329.616 325.692 255.06 251.136 286.452 2550 417.906 376.704 300.186 300.186 339.426 3060 596.448 421.83 406.134 376.704 412.02 3540 694.548 482.652 466.956 425.754 519.93 4020 788.724 541.512 559.17 508.158 759.294 4515 873.09 606.258 651.384 568.98 867.204 5070 977.076 672.966 763.218 688.662 1012.392 5550 1165.428 814.23 827.964 761.256 1088.91

Tabel 4. Data Tekanan Balik (Pa)

Debit Gas Buang (m3/s)

RPM Knalpot Lepas

Knalpot Standard Knalpot V1 Knalpot V2 Knalpot V3 Knalpot V4

1050 0.00281 0.00344 0.00319 0.00281 0.00301 0.00405 1545 0.00531 0.00531 0.00438 0.00451 0.00405 0.00587 2070 0.00689 0.00664 0.00587 0.00542 0.00547 0.00713 2550 0.00729 0.0077 0.00705 0.00689 0.00615 0.00806 3060 0.00902 0.00886 0.00795 0.00759 0.00668 0.00948 3540 0.01 0.00954 0.00883 0.00823 0.00733 0.01047 4020 0.011 0.01025 0.00968 0.00924 0.00795 0.01191 4515 0.01181 0.01087 0.01058 0.00983 0.0087 0.013 5070 0.01255 0.01203 0.01105 0.01063 0.00945 0.01414 5550 0.01382 0.01291 0.01196 0.01137 0.01031 0.01535

Tabel 5. Data Debit Gas Buang (m3/s)


62


Tenaga Mesin (HP)

RPM Knalpot Standard

Knalpot V1

Knalpot V2

Knalpot V3

Knalpot V4

3789 4.1 4.1 4.1 4.1 4.14211 4.7 4.7 4.7 4.8 4.84632 5.2 5.3 5.3 5.3 5.45053 5.7 5.8 5.8 5.9 65474 6.1 6.3 6.3 6.4 6.65895 6.6 6.7 6.8 6.9 6.96316 6.9 7 7.1 7.2 7.16737 7.1 7.1 7.3 7.5 7.27158 7.1 7.2 7.3 7.6 7.27579 7.1 7 7.3 7.5 7.18000 6.7 6.8 7.1 7.3 6.88421 6.4 6.6 6.6 6.8 6.5

Tabel 6. Tenaga Mesin (Horsepower)

Torsi Mesin (Nm)

RPM Knalpot

Standard Knalpot

V1 Knalpot

V2 Knalpot

V3 Knalpot

V4 3789 7.64558 7.56425 7.64558 7.65914 7.645584211 7.93026 7.9167 7.9167 7.99804 7.970934632 7.99804 8.07938 8.16071 8.21494 8.296275053 7.99804 8.1336 8.24205 8.29627 8.458945474 7.97093 8.17427 8.24205 8.37761 8.540285895 7.97093 8.1336 8.20138 8.29627 8.377616316 7.76759 7.80826 7.99804 8.1336 7.889596737 7.48291 7.48291 7.72692 7.97093 7.645587158 7.07623 7.21179 7.26602 7.56425 7.157577579 6.83222 6.66955 6.94067 7.07623 6.669558000 5.91042 6.01886 6.28998 6.42554 6.018868421 5.34106 5.58507 5.53085 5.69352 5.44951

Tabel 7. Torsi Mesin (Nm)

RPM Knalpot STD

Knalpot V1

Knalpot V2

Knalpot V3

Knalpot V4

Idle 11 11.67 12 12 12.67 Middle 23.33 24.33 23.67 21.67 23.67

High 38.33 39 38.33 37.33 38.33

Tabel 8. Konsumsi Bahan Bakar 5 menit


63


Grafik 1. Efek Terhadap Kebisingan Suara

Grafik 2. Efek Terhadap Insertion Loss


64


Grafik 3. Efek Terhadap Kecepatan Suara

Grafik 4. Efek Terhadap Backpressure


65


Grafik 5. Efek Terhadap Debit Gas Buang

Grafik 6. Efek Terhadap Tenaga Mesin


66


Grafik 7. Efek Terhadap Torsi Mesin

Grafik 8. Efek Konsumsi Bahan Bakar 5 menit


67


4.2 Analisis Eksperimen

Secara umum, dari grafik yang ada dapat diketahui bahwa untuk knalpot

variasi 1 dan 2 tidak memiliki banyak perbedaan dengan knalpot standard. Hal ini

disebabkan oleh dua faktor, yaitu faktor modifikasi bentuk knalpot dan alat ukur.

Bila dilihat pada bab sebelumnya, dapat dilihat bahwa perbedaan variasi 1 dan 2

hanya terjadi pada jumlah lubang yang terdapat pada input pipe dan transfer pipe.

Untuk dapat melihat lebih detail perbedaan yang terjadi antara variasi 1 dan 2

dibutuhkan seperangkat alat ukur yang cukup rumit dan mahal, sehingga penulis

memberikan 2 modifikasi knalpot tambahan, yaitu variasi 3 dan 4 dengan asumsi

dapat menghasilkan perbedaan yang cukup tegas dan hasilnya sesuai dengan data

dan grafik di atas. Pada knalpot variasi 3 dan 4 dibuat suatu rancangan yang

berbeda, yaitu dengan prinsip memperpanjang aliran gas buang dan

memperpendek aliran gas buang.

Pada grafik 1 dapat dilihat bahwa knalpot standard akan memberikan

tingkat kebisingan suara yang paling rendah. Di sisi lain, sangat jelas terlihat

bahwa modifikasi sekecil apa pun yang dilakukan terhadap knalpot standard akan

meningkatkan kebisingan suara yang akan muncul. Untuk knalpot variasi 1, 2, dan

3 menunjukkan tingkat kebisingan suara yang relatif sama yaitu sekitar 65-90 dB.

Sedangkan kebisingan maksimal terjadi ketika mesin dijalankan tanpa

menggunakan knalpot yaitu sebesar 70-102 dB. Untuk knalpot variasi 4 dapat

dilihat bahwa tingkat kebisingan nya merupakan yang paling tinggi dibandingkan

variasi knalpot lainnya yaitu sebesar 70-92 dB.

Selanjutnya pada grafik 2 dapat diketahui suatu parameter performa

knalpot yang sering disebut dengan istilah insertion loss yaitu kemampuan suatu

knalpot meredam kebisingan yang muncul, nilai ini didapatkan dengan cara

mengurangi nilai tingkat kebisingan setiap jenis knalpot variasi dengan tingkat

kebisingan ketika mesin berjalan tanpa menggunakan knalpot. Dari grafik ini

dapat dibuktikan bahwa knalpot standard paling baik dalam meredam suara

kebisingan yang muncul yaitu sekitar 7-15 dB, sedangkan knalpot variasi 4

merupakan yang paling buruk sebesar 0-9 dB. Untuk knalpot variasi 2 ,ternyata

kemampuan meredam suaranya sedikit lebih baik dibandingkan dengan knalpot

variasi 1, sedangkan untuk knalpot variasi 3 kemampuan meredam suara


68


kebisingan untuk setiap kenaikan rpm nya sedikit lebih kecil dibandingkan dengan

knalpot variasi 1 dan 2.

Kemudian pada grafik 3 dapat dilihat kecepatan suara gas buang untuk

setiap kenaikan putaran mesin. Kecepatan suara gas buang ini berasal dari suatu

fungsi temperatur. Ketika mesin tidak menggunakan knalpot, maka perubahan

yang terjadi untuk setiap kenaikan rpm tidak besar, rentang perubahannya berkisar

dari 359 - 399 m/s. Sedangkan untuk knalpot standard, nilainya berkisar dari 371-

495 m/s, untuk knalpot variasi 1 berkisar antara, 377-490 m/s, untuk variasi 2

antara 369-486 m/s , untuk variasi 3 dari 374-491 m/s, dan untuk knalpot variasi 4

berkisar dari 371-506 m/s.

Pada grafik 4 dapat dilihat efek perubahan aliran gas buang yang terjadi

terhadap nilai tekanan-balik (backpressure). Dari grafik di atas dapat dilihat

bahwa knalpot standard dan knalpot variasi 4 memiliki nilai tekanan balik yang

lebih besar dibandingkan dengan variasi lainnya. Nilai backpressure knalpot

standard > knalpot variasi 4 > knalpot variasi 2 > knalpot variasi 1 > knalpot

variasi 3. Nilai backpressure pada knalpot standard mencapai 1165 Pa, sedangkan

pada variasi 3 sebesar 761 Pa. Pada knalpot variasi 1 dan 2 mencapai 814 Pa dan

827 Pa dan pada knalpot variasi 4 mencapai 1088 Pa.

Selanjutnya pada grafik 5, dapat terlihat besarnya debit aliran gas buang

yang keluar dari knalpot. Dari sini diketahui bahwa nilai debit terbesar dimiliki

oleh knalpot variasi 4, diikuti dengan knalpot lepas, kemudian knalpot standar,

knalpot variasi 1, knalpot variasi 2, dan knalpot variasi 3. Dimana besarnya adalah

sebagai berikut, 0.01535 m3/s, 0.01382 m3/s, 0.01291 m3/s, 0.01196 m3/s,

0.01137 m3/s, dan 0.01031 m3/s.

Kemudian pada grafik 6 dapat diketahui konfigurasi knalpot mana yang

menghasilkan tenaga yang paling tinggi. Dari grafik ini dapat diketahui bahwa

tenaga tertinggi dimiliki pada knalpot variasi 3 yaitu sebesar 7.6 HP pada ban,

kemudian diikuti oleh variasi 2 yang mencapai tenaga 7.3 HP, lalu knalpot variasi

1 dan variasi 4 ternyata menghasilkan tenaga yang sama sebesar 7.2 HP, dan yang

terakhir adalah knalpot standar yang hanya mencapai 7.1 HP.

Pada grafik ketujuh dapat dilihat torsi yang dimiliki mesin akibat

perubahan aliran gas buang di dalam knalpot. Dapat dilihat bahwa torsi tertinggi


69


dimiliki oleh knalpot variasi 4 dimana nilai tertingginya adalah 8.54 Nm, diikuti

dengan variasi 3 sebesar 8.37 Nm, variasi 2 sebesar 8.24 Nm, variasi 1 sebesar

8.17 Nm dan knalpot standar sebesar 7.99 Nm.

Di dalam grafik 8 terdapat banyaknya pemakaian bahan bakar dalam

setiap kenaikan putaran mesin dari idle, middle, dan high. Secara garis besar, tidak

terdapat perbedaan yang cukup jauh antara knalpot std dengan seluruh variasi

knalpot lainnya. Akan tetapi dari keseluruhan hasil grafik terlihat bahwa knalpot

V3 mengkonsumsi bahan bakar yang lebih sedikit dibandingkan dengan knalpot

lainnya pada putaran mesin middle dan high. Sedangkan pada putaran mesin idle,

memang terlihat bahwa konsumsi bahan bakar paling sedikit dimiliki oleh knalpot

standar. Dari hasil ini dapat diketahui bahwa efek perubahan aliran gas buang

akan mempengaruhi konsumsi bahan bakar walaupun hanya sedikit. Percobaan

kali ini hanya dilakukan selama 5 menit sehingga hasilnya tidak terlalu signifkan

perbedaannya, apabila digunakan untuk jangka waktu yang panjang, tampaknya

knalpot V3 akan menghasilkan penggunaan bahan bakar yang paling sedikit. Pada

putaran menengah dan tinggi, knalpot V3 menghabiskan 21.67 ml dan 37.33 ml

bensin selama 5 menit. Pemakaian ini sedikit lebih kecil dibandingkan dengan

variasi lainnya sebanyak 1-2 ml.



BAB V

PENUTUP

5.1. Kesimpulan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui efek perubahan aliran gas

buang dalam knalpot. Karena terdapat berbagai macam variasi knalpot yang ada,

maka dalam kesimpulan ini akan diperjelas bagaimana pengaruh efek-efek yang

terjadi untuk setiap jenis knalpot yang ada, dimana knalpot standar lah yang akan

menjadi dasar pertimbangan. Berikut ini adalah data-data karakteristik knalpot

standar, knalpot variasi 1, variasi 2, variasi 3 , dan variasi 4.

Karakteristik Knalpot Standar dB m3/s Pa dB m/s

RPM Desibel Flowrate Backpressure Insertion Loss Kecepatan Suara 1050 62.86 0.00344 74.556 7.67 371.49748 1545 67.28 0.00531 196.2 13.92 380.57666 2070 71.46 0.00664 329.616 12.69 407.58628 2550 73.47 0.0077 417.906 11.94 418.33391 3060 75.58 0.00886 596.448 11.8 424.81271 3540 78.04 0.00954 694.548 11.39 436.56348 4020 80.67 0.01025 788.724 11.26 456.17984 4515 84.45 0.01087 873.09 10.61 468.73022 5070 86.29 0.01203 977.076 13.84 482.82861 5550 87.65 0.01291 1165.428 14.57 495.39304

Tabel 9. Karakteristik Knalpot Standar


Perpustakaan

Inserted Text

71


Karakteristik Knalpot V1 dB m3/s Pa dB m/s


Tabel 10. Karakteristik Knalpot V1





72









Berikut adalah tabel hasil penelitian:

Tabel 14

Kesimpulan dari hasil penelitian ini

1. Untuk meningkatkan tenaga sebesar 0.5 HP diperlukan penurunan

backpressure sekitar 400 Pa

2. Terbukti bahwa untuk meningkatkan performa mesin dibutuhkan suatu

kompensasi yaitu meningkatnya kebisingan suara.

3. Knalpot variasi 4 memiliki performa yang lebih baik

knalpot lainnya ketika berada di rpm rendah. Namun ketika berada pada rpm

tinggi, tenaganya hilang akibat bertambah besarnya nilai

mendadak.

4. Knalpot variasi 3 merupakan knalpot yang performanya paling baik

dibandingkan yang lainnya karena mampu meningkatkan tenaga mesin

sebesar 0.5 HP dengan tingkat kebisingan suara yang cukup rendah, selain itu

pada grafik torsi dapat terlihat bahwa luasanya lebih besar, hal ini

menunjukkan bahwa knalpot ini memiliki tenaga yang cuku

rpm yang lebar.

mampu menghasilkan penggunaan yang lebih hemat pada putaran mesin

menengah dan tinggi.


Berikut adalah tabel hasil penelitian:

1 : Efek Terburuk ; 5 : Efek Terbaik

Tabel 14. Perbandingan Variasi Knalpot

esimpulan dari hasil penelitian ini adalah:

Untuk meningkatkan tenaga sebesar 0.5 HP diperlukan penurunan

sekitar 400 Pa

Terbukti bahwa untuk meningkatkan performa mesin dibutuhkan suatu

kompensasi yaitu meningkatnya kebisingan suara.

Knalpot variasi 4 memiliki performa yang lebih baik dibandingkan dengan


tinggi, tenaganya hilang akibat bertambah besarnya nilai backpressure

Knalpot variasi 3 merupakan knalpot yang performanya paling baik

an yang lainnya karena mampu meningkatkan tenaga mesin



menunjukkan bahwa knalpot ini memiliki tenaga yang cuku

Dan dari pemakaian konsumsi bahan bakar, knalpot V3


menengah dan tinggi.

73


Untuk meningkatkan tenaga sebesar 0.5 HP diperlukan penurunan

Terbukti bahwa untuk meningkatkan performa mesin dibutuhkan suatu

dibandingkan dengan


backpressure secara

Knalpot variasi 3 merupakan knalpot yang performanya paling baik

an yang lainnya karena mampu meningkatkan tenaga mesin



menunjukkan bahwa knalpot ini memiliki tenaga yang cukup pada rentang

Dan dari pemakaian konsumsi bahan bakar, knalpot V3



74


5.2. Diskusi Penelitian

Penelitian ini menghasilkan data-data yang dapat dikatakan hasilnya sesuai

dengan teori yang ada. Seperti teori mengenai backpressure yaitu jika ingin

menciptakan suara yang tenang dibutuhkan backpressure yang tinggi sedangkan

untuk menaikkan performa mesin dibutuhkan backpressure yang lebih rendah.

Hal ini terbukti dari data tenaga mesin antara knalpot standar dengan knalpot

variasi 3, dimana ia mampu menaikan tenaga mesin sebesar 0.5 HP. Di sisi lain,

penulis sengaja membuat variasi 4 untuk mendapatkan tenaga yang lebih besar

lagi, namun ternyata pada kenyataannya nilai backpressure yang terjadi menjadi

lebih besar dari knalpot variasi 3. Hal ini tampaknya disebabkan oleh kurang

lengkapnya bagian daripada knalpot variasi 4, dimana dibutuhkan sambungan dari

input-pipe ke output-pipe. Kekurangan ini menyebabkan meningkatnya nilai

backpressure secara mendadak dan seketika itu juga torsi mesin juga menurun

mendadak seperti yang dapat dilihat pada grafik. Hal ini disebabkan masih

terdapat ruangan antara input-pipe dan output-pipe yang pada rpm tersebut akan

terisi penuh sehingga menahan aliran gas buang yang akan mau keluar dari mesin.

Namun fenomena ini justru memberikan ide dalam merancang suatu

knalpot yaitu bahwa sebenarnya dapat diciptakan suatu rancangan knalpot yang

nilai backpressure nya dapat dikendalikan sesuai dengan kegunaan mesin. Dalam

perkembangannya, fenomena modifikasi knalpot ini juga dapat diterapkan pada

mesin kapal klotok yang relatif ukuran mesinnya lebih kecil dibandingkan dengan

kapal-kapal lainnya. Hanya saja, perlu diteliti lebih lanjut bagaimanakah

fenomena perubahan aliran gas buang yang terjadi ketika menggunakan mesin

diesel, tentunya akan ada beberapa perbedaan dikarenakan proses mesin diesel

memiliki tekanan kompresi yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan mesin

bensin. Apabila pada mesin bensin dapat meningkatkan tenaga, seharusnya pada

mesin diesel juga dapat terjadi.


75


DAFTAR PUSTAKA

[1] Mohiuddin, AKM, et al.2005. Experimental Study of Noise and Backpressurefor Silencer Design Characteristics. Journal of Applied Sciences, 1292-1298, ISSN 1812-5654.

[2] Rahman, M. et al.2005. Design and Construction of a Muffler for Engine Exhaust Noise Reduction. Proceedings of the International Conference on Mechanical Engineering, 28-30 December, Dhaka, Bangladesh.

[3] Yasuda, Takashi, et al.2010. Predictions and experimental studies of tail pipe noise of an automotive muffler using a one dimensional CFD model. Journal of Applied Acoustic 71,pp 701-707, Elsevier.

[4] Surojo, Soeadgihardo Siswantoro.2005. Pengaruh Volume Knalpot terhadap Tingkat Kebisingan pada Motor Bensin. Forum Teknik Vol.29 No.1, Jogjakarta.

[5] OECD(1990), Environmental Policies for Cities in the 1990s, www.oecd.org, cited in Jakarta, p.29

[6] MacKenzie, Dower & Chen (1992), The Going Rate, World Resources Institute, www.wri.org, p. 21.

[7] Homberger, Kell & Perkins (1992), Fundamentals of Traffic Engineering, 13th

edition, Institute of Transportation Studies, UCB (www.its.berkeley.edu), p. 31-3

[8] Suter, Alice H. Noise and its Effects, Administrative Conference of The United States, November 1991

[9] Mao Tokan, Fransiskus. Pemetaan Potensi Perikanan Sebagai Dasar Pengelolaan Sumber Daya Perikanan Pulau Bawean.Malang.2006

[10] Sugiarto, Bambang. Motor Pembakaran Dalam.2002.ISBN : 979-97726-7-2

[11] Mohiuddin, et.al. Experimental Investigation and Simulation of Muffler Performance. Proceedings of The International Conference on Mechanical Engineering. Dhaka, Bangladesh.2007

[12] Lilly, Jerry G. Engine Exhaust Noise Control. ASHRAE Technical Committee Sound & Vibration. JGL Acoustics, Inc.


http://www.its.berkeley.edu/

http://www.wri.org/

http://www.oecd.org/

76


LAMPIRAN

Data Mentah

Knalpot Lepas


77


Knalpot Standar


78


Knalpot Variasi 1


79


Knalpot Variasi 2


80


Knalpot Variasi 3


81


Knalpot Variasi 4


82


Tenaga dan Torsi


83


Konsumsi Bahan Bakar

Knalpot STD 1 2 3 Rata-rata

RPM Idle 11 11 11 11

Middle 24 23 23 23.333333High 38 39 38 38.333333

Knalpot V1 1 2 3 Rata-rata

RPM Idle 11 12 12 11.666667

Middle 25 23 25 24.333333High 40 37 40 39


RPM Idle 12 12 12 12

Middle 24 24 23 23.666667High 37 39 39 38.333333


RPM Idle 12 12 12 12

Middle 21 22 22 21.666667High 37 37 38 37.333333


RPM Idle 13 12 13 12.666667

Middle 24 23 24 23.666667High 39 37 39 38.333333


UNIVERSITAS INDONESIA EFEK PERUBAHAN ALIRAN...

Documents

Transcript of UNIVERSITAS INDONESIA EFEK PERUBAHAN ALIRAN...