BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Dasar Jika meninjau jenis-jenis mesin, pada umumnya adalah suatu pesawat yang dapat merubah bentuk energi tertentu menjadi kerja mekanik. Misalnya, mesin listrik yang mana adalah sebuah mesin yang kerja mekaniknya diperoleh dari sumber listrik. Sedangkan mesin gas atau mesin bensin adalah mesin yang kerja mekaniknya diperoleh dari sumber pembakaran gas atau bensin. Selain daripada itu, apabila ditinjau dari cara memperoleh sumber energi termal, jenis mesin kalor dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu : 1. Mesin pembakaran luar (external combustion engine). Mesin pembakaran luar adalah mesin dimana proses pembakaran terjadi diluar mesin, energi termal dari hasil pembakaran dipindahkan ke fluida kerja mesin melalui beberapa dinding pemisah. Contohnya adalah mesin uap. 2. Mesin pembakaran dalam (internal combustion engine). Mesin pembakaran dalam adalah mesin dimana proses pembakaran berlangsung di dalam mesin itu sendiri, sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja. Mesin pembakaran dalam ini umumnya dikenal dengan sebutan motor bakar. Contoh dari mesin kalor pembakaran dalam ini adalah, motor bakar torak dan turbin gas. Motor diesel adalah jenis khusus dari mesin pembakaran dalam. Karakteristik utama dari mesin diesel yang membedakannya dari motor bakar yang lain terletak pada metode penyalaan bahan bakarnya. Dalam mesin diesel bahan bakar diinjeksikan ke dalam silinder yang berisi udara bertekanan tinggi. Selama proses pengkompresian udara dalam silinder mesin, suhu udara meningkat, sehingga ketika bahan bakar yang berbentuk kabut halus bersinggungan dengan udara panas ini, maka bahan bakar akan menyala dengan sendirinya tanpa bantuan alat penyala lain. Karena alasan inilah mesin diesel juga disebut mesin penyalaaan kompresi (Compression Ignition Engines). Universitas Sumatera Utara
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Dasar
Jika meninjau jenis-jenis mesin, pada umumnya adalah suatu pesawat
yang dapat merubah bentuk energi tertentu menjadi kerja mekanik. Misalnya,
mesin listrik yang mana adalah sebuah mesin yang kerja mekaniknya diperoleh
dari sumber listrik. Sedangkan mesin gas atau mesin bensin adalah mesin yang
kerja mekaniknya diperoleh dari sumber pembakaran gas atau bensin.
Selain daripada itu, apabila ditinjau dari cara memperoleh sumber energi
termal, jenis mesin kalor dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu :
1. Mesin pembakaran luar (external combustion engine). Mesin pembakaran luar
adalah mesin dimana proses pembakaran terjadi diluar mesin, energi termal
dari hasil pembakaran dipindahkan ke fluida kerja mesin melalui beberapa
dinding pemisah. Contohnya adalah mesin uap.
2. Mesin pembakaran dalam (internal combustion engine). Mesin pembakaran
dalam adalah mesin dimana proses pembakaran berlangsung di dalam mesin itu
sendiri, sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai
fluida kerja. Mesin pembakaran dalam ini umumnya dikenal dengan sebutan
motor bakar. Contoh dari mesin kalor pembakaran dalam ini adalah, motor
bakar torak dan turbin gas.
Motor diesel adalah jenis khusus dari mesin pembakaran dalam.
Karakteristik utama dari mesin diesel yang membedakannya dari motor bakar
yang lain terletak pada metode penyalaan bahan bakarnya. Dalam mesin diesel
bahan bakar diinjeksikan ke dalam silinder yang berisi udara bertekanan tinggi.
Selama proses pengkompresian udara dalam silinder mesin, suhu udara
meningkat, sehingga ketika bahan bakar yang berbentuk kabut halus
bersinggungan dengan udara panas ini, maka bahan bakar akan menyala dengan
sendirinya tanpa bantuan alat penyala lain. Karena alasan inilah mesin diesel juga
disebut mesin penyalaaan kompresi (Compression Ignition Engines).
Universitas Sumatera Utara
Motor diesel memiliki perbandingan kompresi sekitar 11:1 hingga 26:1
jauh lebih tinggi dibandingkan motor bakar bensin yang hanya berkisar 6:1 hingga
9:1. Konsumsi bahan bakar spesifik mesin diesel lebih rendah kira-kira 25%
dibanding mesin bensin namun perbandingan kompresinya yang lebih tinggi
menjadikan tekanan kerjanya juga tinggi.
Sebagai jenis kedua motor bakar torak selain dari pada mesin diesel, motor
bensin yang dikenal dengan mesin otto atau mesin Beau Des Rochas, penyalaan
bahan bakarnya dilakukan oleh percikan bunga api listrik dari antara kedua
elektroda busi. Sehingga mesin bensin dikenal dengan sebutan Spark Ignition
Engine.
Disamping itu, klasifikasi motor bakar berdasarkan siklus langkah
kerjanya, dibedakan atas dua jenis, yaitu:
1. Motor dua langkah (tak). Pengertian dari motor dua langkah adalah motor yang
pada dua langkah piston (satu putaran engkol) sempurna akan menghasilkan
satu tenaga kerja (satu langkah kerja).
2. Motor empat langkah (tak). Pengertian dari motor empat langkah adalah motor
yang pada setiap empat langkah piston (dua putaran sudut engkol) sempurna
menghasilkan satu tenaga kerja (satu langkah kerja).
2.2 Motor Diesel
2.2.1 Sejarah Mesin Diesel
Mesin diesel adalah sejenis mesin pembakaran dalam lebih spesifik lagi
sebuah mesin pemicu kompresi dimana bahan bakar dinyalakan oleh suhu tinggi
gas yang dikompresi dan bukan oleh alat berenergi lain seperti busi.
Mesin ini ditemukan pada tahun 1892 oleh Rudolf Diesel yang menerima paten
pada 23 Februari 1893. Diesel menginginkan sebuah mesin untuk dapat
digunakan dengan berbagai macam bahan bakar termasuk debu batu bara. Dia
mempertunjukkannya pada Exposition Universelle (Pameran Dunia) tahun 1900
dengan menggunakan minyak kacang. Kemudian diperbaiki dan disempurnakan
oleh Charles F. Kettering.
Universitas Sumatera Utara
Motor Diesel merupakan motor pembakaran dalam (Internal Combustion
Engine), dimana bahan bakarnya disemprotkan kedalam silinder pada waktu torak
hampir mencapai titik mati atas (TMA).
Oleh karena udara di dalam silinder mempunyai temperatur yang tinggi,
maka bahan bakar akan terbakar dengan sendirinya. Motor Diesel umumnya
mempunyai beberapa konstruksi utama diantaranya adalah torak, batang torak,
poros engkol, katup, pompa bahan bakar bertekanan tinggi dan mekanisme
penggerak lainnya.
Daya yang dihasilkan motor diesel diperoleh melalui pembakaran bahan
bakar yang terjadi di dalam silinder. Hal ini menyebabkan gerakan translasi torak
didalam silinder yang dihubungkan dengan poros engkol pada bantalannya
melalui batang penghubung (Connecting Rod).
2.2.2 Prinsip Kerja Motor Bakar Diesel
Ketika gas dikompresi, suhunya meningkat (seperti dinyatakan oleh
Hukum Charles; mesin diesel menggunakan sifat ini untuk menyalakan bahan
bakar. Udara disedot ke dalam silinder mesin diesel dan dikompresi oleh piston
yang merapat, jauh lebih tinggi dari rasio kompresi dari mesin menggunakan busi.
Pada saat piston memukul bagian paling atas, bahan bakar diesel dipompa ke
ruang pembakaran dalam tekanan tinggi, melalui nozzle atomising, dicampur
dengan udara panas yang bertekanan tinggi. Hasil pencampuran ini menyala dan
membakar dengan cepat.
Ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran di atas
mengembang, mendorong piston ke bawah dengan tenaga yang kuat dan
menghasilkan tenaga dalam arah vertikal. Rod penghubung menyalurkan gerakan
ini ke crankshaft yang dipaksa untuk berputar, menghantar tenaga berputar di
ujung pengeluaran crankshaft.
Scavenging yang mendorong muatan-gas yang habis terbakar keluar dari
silinder, dan menarik udara segar kedalam mesin dilaksanakan oleh ports atau
valves. Untuk menyadari kemampuan mesin diesel, penggunaan turbocharger
untuk mengkompres udara yang disedot masuk sangat dibutuhkan dan intercooler
Universitas Sumatera Utara
untuk mendinginkan udara yang disedot masuk setelah kompresi oleh
turbocharger meningkatkan efisiensi.
Komponen penting dari mesin diesel adalah governor, yang membatasi
kecepatan mesin mengontrol pengantaran bahan bakar. Mesin yang menggunakan
pengontrolan elektronik canggih mencapai ini melalui Electronic Control Modul
(ECM) atau Electronic Control Unit (ECU) yang merupakan komputer dalam
mesin. ECM/ECU menerima kecepatan signal mesin melalui sensor dan
menggunakan algoritma dan mencari tabel kalibrasi yang disimpan dalam
ECM/ECU, dia mengontrol jumlah bahan bakar dan waktu melalui aktuator
elektronik atau hidrolik untuk mengatur kecepatan mesin.
Mesin diesel tidak dapat beroperasi pada saat silinder dingin. Beberapa
mesin menggunakan pemanas elektronik kecil di dalam silinder untuk
memanaskan silinder sebelum penyalaan mesin. Lainnya menggunakan pemanas
resistive grid dalam intake manifold untuk menghangatkan udara masuk sampai
mesin mencapai suhu operasi. Setelah mesin beroperasi pembakaran bahan bakar
dalam silinder dengan efektif memanaskan mesin.
Dalam cuaca yang sangat dingin, bahan bakar diesel mengental dan
meningkatkan viskositas dan membentuk kristal lilin atau gel. Ini dapat
mempersulit pemompa bahan bakar untuk menyalurkan bahan bakar tersebut ke
dalam silinder dalam waktu yang efektif, membuat penyalaan mesin dalam cuaca
dingin menjadi sulit, meskipun peningkatan dalam bahan bakar diesel telah
membuat kesulitan ini menjadi sangat jarang. Cara umum yang dipakai adalah
untuk memanaskan penyaring bahan bakar dan jalur bahan bakar secara
elektronik.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Proses Kerja Motor Diesel Empat Langkah (Lit. 2 hal. 6)
Maka secara ringkas langkah-langkah kerja pada mesin diesel adalah sebagai
berikut:
1. Langkah Hisap
- Piston bergerak dari TMA ke TMB
- Katup hisap terbuka.
- Katup buang tertutup.
- Terjadi kevakuman dalam silinder, yang menyebabkan udara murni
masuk ke dalam silinder.
2. Langkah Kompresi
- Piston bergerak dari TMB ke TMA.
- Katup hisap tertutup.
- Katup buang tertutup.
- Udara dikompresikan sampai tekanan dan suhunya menjadi 30 kg/cm2
dan 500°C.
3. Langkah Usaha
- Katup hisap tertutup.
- Katup buang tertutup.
- Injektor menyemprotkan bahan bakar sehingga terjadi pembakaran yang
menyebabkan piston bergerak dari TMA ke TMB.
Universitas Sumatera Utara
4. Langkah Buang
- Piston bergerak dari TMB ke TMA.
- Katup hisap tertutup.
- Katup buang terbuka.
- Piston mendorong gas sisa pembakaran keluar.
2.2.3 Siklus Ideal Diesel
Pada motor bakar mesin diesel, siklus yang berlangsung pada proses
pembakaran adalah siklus diesel. Pada siklus ini tampak secara jelas dan diuraikan
satu per satu proses perpindahan atau aliran yang berlangsung dari satu titik ke
titik yang lain. Dengan memperhatikan gambar dan arah perpindahan maka kita
akan memahami proses yang berlangsung pada grafik ini.
Gambar 2.2 Diagram P – v dan diagram T – s Siklus Ideal Diesel (Lit. 1 hal. 92)
Proses-proses yang terjadi pada siklus tersebut adalah:
a. Proses 6-1. Tekanan konstan udara hisap pada Po.
Katup hisap terbuka dan katup keluar tertutup:
)( 61016 VVPW −=− [2.1]
Sumber: (Lit. 5 hal. 93)
Po
Entropy (s)
2
1
1
4
2 3
5
6
Volume spesifik (v)
Tekanan (P) Temperatur (T)
4
3
Universitas Sumatera Utara
Keterangan:
0P = tekanan pada titik 0 (kPa)
1V = volume pada titik 1 (m3)
6V = volume pada titik 6 (m3)
16−W = kerja pada titik 6-1 (kJ)
b. Proses 1-2. Langkah kompresi isentropik
Semua katup tertutup:
kTTRmWQ
PRTmVVrPVVPVVPP
rTVVTVVTT
m
mTDC
kc
kk
kc
kk
−−==
=====
===
−
−
−−−
1/)(0
/)()/()/(
)()/()/(
1221
21
222
12112112
11
1211
12112
Sumber: (Lit. 5 hal. 93)
Keterangan:
1P = tekanan pada titik 1 (kPa)
2P = tekanan pada titik 2 (kPa)
1T = temperatur pada titik 1 (K)
2T = temperatur pada titik 2 (K)
1V = volume pada titik 1 (m3)
2V = volume pada titik 2 (m3)
21−W = kerja pada siklus 1-2 (kJ)
R = konstanta gas (kJ/kg.K)
c. Proses 2-3. Tekanan Konstan Panas Masuk (Pembakaran) semua katup tertutup:
max3
232233232
232332
23
232332
)()(
)()(
)()1(
)()()(
TTVVPuuQWhhTTCQQ
TTCAFQTTCmmTTCmQmQQ
pin
pcHV
pfapmcHVfin
=−=−−=
−=−==
−+=
−+=−===
−−
−
−
η
η
[2.2]
[2.3]
[2.4]
[2.5]
[2.6]
[2.7 ]
[2.8 ]
[2.9 ]
[2.10]
[2.11]
Universitas Sumatera Utara
Cut of Ratio :
2323 /TTVV =−=β [2.12]
Sumber: (Lit. 5 hal. 93)
Keterangan:
3P = tekanan pada titik 3 (kPa)
2P = tekanan pada titik 2 (kPa)
3T = temperatur pada titik 3 (K)
2T = temperatur pada titik 2 (K)
HVQ = heating value (kJ/kg)
inQ = kalor yang masuk (kJ)
cη = efisiensi pembakaran
mm = massa campuran gas di dalam silinder (kg)
pC = panas jenis gas pada tekanan konstan (kJ/kg.K)
32−W = kerja pada titik 2-3 (kJ)
d. Proses 3-4: Langkah Insentropik atau langkah ekspansi:
Semua katup tertutup:
Sumber: (Lit. 5 hal. 93)
Keterangan:
4P = tekanan pada titik 4 (kPa)
3P = tekanan pada titik 3 (kPa)
3T = temperatur pada titik 3 (K)
4T = temperatur pada titik 4 (K)
3V = volume pada titik 3 (m3)
[2.13]
[2.14]
[2.15]
[2.16] )()(
)1/()()1/()()/()/(
)/()/(
0
4343
34334443
4334334
1433
14334
43
TTCuukTTRkVPVPW
VVPVVPPVVTVVTT
Q
v
kk
kk
−=−=−−=−−=
===
==
=
−
−−
−
Universitas Sumatera Utara
4V = volume pada titik 4 (m3)
mm = massa campuran gas di dalam silinder (kg)
R = konstanta gas (kJ/kg.K)
43−W = kerja pada titik 3-4 (kJ)
e. Proses 4-5: Rejeksi panas volume konstan (keluaran berhembus kebawah)
Katup keluar terbuka dan katup hisap tertutup.
BDCvVVV === 145 [2.17]
054 =−W [2.18]
)()()()()(
41454554
414554
TTCuuTTCQQTTCmTTCmQQ
vvout
vmvmout
−=−=−===−=−==
−
−
Sumber: (Lit. 5 hal. 93-94)
Keterangan:
4T = temperatur pada titik 4 (K)
5T = temperatur pada titik 5 (K)
mm = massa campuran gas di dalam silinder (kg)
vC = panas jenis gas pada volume konstan (kJ/kg.K)
54−W = kerja pada titik 4-5 (kJ)
f. Proses 5-6: Tekanan Konstan langkah buang di Po.