BAB II
DASAR TEORI
2.1. Pengertian Umum Motor Bakar
Motor bakar merupakan salah satu jenis mesin kalor yang banyak dipakai saat ini. Sedangkan mesin kalor adalah mesin yang menggunakan energi panas untuk melakukan kerja mekanis atau mengubah tenaga panas menjadi tenaga mekanis. Energi atau tenaga panas tersebut diperoleh dari hasil pembakaran.
Ditinjau dari cara memperoleh tenaga panas, mesin kalor dapat dibedakan menjadi dua yaitu mesin dengan pembakaran dalam dan mesin dengan pembakaran luar. Mesin pembakaran dalam adalah mesin yang melakukan proses pembakaran bahan bakar di dalam mesin tersebut dan gas pembakaran yang terjadi berfungsi sebagai fluida kerja. Mesin pembakaran dalam umumnya disebut motor bakar. Jadi motor bakar adalah mesin kalor yang menggunakan gas panas hasil pembakaran bahan bakar di dalam mesin untuk melakukan kerja mekanis. Mesin pembakaran luar adalah mesin di mana proses pembakaran bahan bakar terjadi di luar mesin dan energi panas dari gas pembakaran dipindahkan ke fluida mesin melalui beberapa dinding pemisah, misal ketel uap.
2.2. Prinsip Kerja Motor Bensin
Gambar 2.1. Mekanisme Torak
Secara garis besar, dapat dijelaskan bahwa prinsip kerja dari motor bensin yaitu bahan bakar yang berupa campuran bensin dan udara dibakar untuk memperoleh tenaga panas yang selanjutnya digunakan untuk melakukan kerja mekanis.
Campuran antara bensin dan udara dihisap ke dalam silinder selanjutnya dikompresi oleh torak yang berakibat timbulnya panas dan tekanan yang besar pada gas tersebut. Campuran bensin dan udara yang telah dikompresi selanjutnya dibakar oleh percikan bunga api dari busi.
Hasil dari pembakaran tersebut akan menghasilkan tekanan yang sangat tinggi sehingga mendorong torak ke bawah. Daya yang berasal dari torak tersebut diteruskan ke batang torak (conecting rod) dan diubah oleh poros engkol menjadi kerja mekanik. Sedangkan gas hasil pembakaran akan dibuang keluar silinder.
2.3. Klasifikasi Motor Bensin
Menurut prinsip kerjanya motor bensin dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu motor bensin 2 langkah dan motor bensin 4 langkah.
2.3.1. Motor Bensin 2 Langkah
Motor bensin 2 langkah adalah motor bensin yang setiap siklus kerjanya dalam 2 langkah torak atau 1 kali putaran poros. Prinsip kerja motor bensin 2 langkah dalam 1 kali siklus kerja dapat dijelaskan sebagai berikut :
HISAP & KOMPRESI EKSPANSI BUANG
Gambar 2.2. Proses Kerja Motor Bensin 2 Langkah
Torak bergerak dari TMB ke TMA, saluran masuk terbuka dan campuran bensin dan udara masuk ke ruang engkol. Sementara itu di atas torak terjadi langkah kompresi sehingga menghasilkan suhu dan tekanan yang tinggi dan mengakibatkan torak terdorong ke TMB. Pada saat torak menuju TMB, torak menutup saluran masuk dan memperkecil ruang engkol. Hal ini mengakibatkan campuran bensin dan udara bergerak ke atas torak melalui saluran bilas. Pada saat torak sampai TMB, saluran bilas dan saluran buang terbuka sehingga campuran bensin dan udara dari ruang engkol masuk ke ruang bakar.
Sifat-sifat motor bensin 2 langkah :
Konstruksi lebih sederhana dan biaya pembuatan lebih murah.
Pembuangan gas kurang sempurna dan kesulitan untuk mempertinggi kecepatan.
Dengan ukuran langkah torak dan kecepatan yang sama akan menghasilkan daya yang lebih besar.
2.3.2. Motor Bensin 4 Langkah
Motor Bensin 4 Langkah adalah motor bensin yang setiap siklus kerjanya dalam 4 langkah torak atau 2 kali putaran poros. Adapun rangkaian proses dan langkah-langkah torak adalah sebagai berikut :
Gambar 2.3. Proses Kerja Motor Bensin 4 Langkah
Proses Pengisian
Pengisian campuran bensin dan udara terjadi pada langkah pertama yaitu saat torak bergerak dari TMA ke TMB, di mana katup masuk terbuka dan katup buang tertutup.
Proses Kompresi
Terjadi pada langkah kedua. Yaitu torak bergerak dari TMB ke TMA. Pada langkah ini kedua katup tertutup.
Proses Pembakaran
Beberapa saat menjelang akhir kompresi, saat sebelum torak mencapai TMA, busi memercikkan bunga api dan membakar campuran bensin dan udara. Akibatnya temperatur dan tekanan gas pembakaran dalam silinder meningkat.
Proses Kerja/Ekspansi
Proses ini terjadi pada langkah ketiga yaitu torak bergerak dari TMA ke TMB. Tekanan yang tinggi hasil pembakaran digunakan untuk mendorong torak ke bawah dan memutar poros engkol untuk melakukan kerja mekanik.
Proses Pembuangan
Terjadi pada langkah keempat, torak bergerak dari TMB ke TMA. Pada langkah ini katup buang terbuka dan katup masuk tertutup. Gas hasil pembakaran dibuang keluar silinder melalui katup buang.
Sifat-sifat motor bensin 4 langkah :
Dalam 4 langkah torak terdapat 1 langkah ekspansi.
Pemakaian bahan bakar lebih hemat dan kerugian dari gas-gas yang terbuang kecil sekali.
Konstruksinya lebih rumit dan biaya pembuatan lebih mahal.
Dengan ukuran piston dan putaran yang sama menghasilkan daya yang lebih kecil.
Pembuangan gas lebih sempurna.
2.4. Keuntungan Motor Bensin
Dibandingkan dengan motor diesel, motor bensin memiliki beberapa keuntungan di antaranya :
Tekanan kompresi yang dibutuhkan lebih kecil.
Konstruksi mesin lebih kecil dan tidak perlu sekokoh mesin diesel.
Berat mesin lebih ringan.
Getaran yang dihasilkan lebih kecil dengan suara yang halus.
Tidak memerlukan baterai terlalu besar pada awal penyalaan.
Konstruksi ruang bakar lebih sederhana.
2.5. Proses Keliling Motor Bensin 4 Langkah
Yang dimaksud dengan proses keliling pada motor bensin 4 langkah berdasarkan proses kerja motor adalah suatu keadaan gas di dalam silinder motor dimulai dari pengisian gas di dalam silinder dan diakhiri dengan pembuangan gas hasil pembakaran. Di dalam silinder hasil pembakaran yang berupa panas diubah menjadi usaha desak di atas penghisap. Oleh karena volume dan tekanan di dalam silinder besarnya tidak sama, maka keadaan di dalam silinder itu dapat dilukiskan dalam bentuk diagram P-V. Diagram P-V yaitu garis-garis yang melukiskan hubungan antara tekanan dan volume gas dengan segala perubahannya.
2.5.1. Diagram P-V Teoritis Motor Bensin 4 Langkah
Diagram P-V teoritis pada proses pembakaran bahan bakar motor bensin 4 langkah adalah sebagai berikut:
0 – 1 : Garis Hisap
Torak bergerak ke kanan untuk langkah isap. Pada kecepatan pengisap tertentu, garis akan berada di bawah garis atm, jadi ada tekanan bawah atau vakum.
1 – 2 : Garis Kompresi
Volume gas dimampatkan pada waktu penghisap bergerak ke sisi tutup. Tekanan naik hingga mencapai 7 atm sebelum titik mati atas (TMA) busi dinyalakan.
2 – 3 : Garis Pembakaran
Pembakaran terjadi dengan cepat sekali, suhu gas naik, sedangkan dalam waktu yang sangat cepat volume gas hanya berubah sedikit. Tekanan meningkat maksimum 28 atm.
3 – 4 : Garis Usaha atau Garis Ekspansi
Selama ini gas pembakaran mendesak penghisap dan volume gas tersebut membesar maka tekanan akan turun.
4 – 1 : Pembuangan Pendahuluan
Tekanan turun sesuai dengan tekanan atmosfer, sedangkan besar gas pembakaran (70 %) telah dikeluarkan.
1 – 0 : Gas Pembuangan
Sisa gas didesak keluar oleh penghisap, karena kecepatan gerak penghisap, terjadilah kenaikan tekanan sedikit di atas 1 atm.
Gambar 2.4. Diagram P-V Teoritis Motor Bensin 4 Langkah ...............1
2.5.2. Diagram P-V Sebenarnya Motor Bensin 4 Langkah
Proses ini sering disebut proses otto yaitu proses yang terdapat pada motor bensin 4 langkah, di mana pembakarannya menggunakan busi dan proses dan proses pembakaran terjadi dengan volume tetap.
Gambar 2.5. Diagram P-V Sebenarnya Motor Bensin 4 Langkah ..........2
Keterangan:
0 – a : Langkah hisap
Pada waktu torak bergerak ke kanan, udara bercampur bahan bakar masuk ke dalam silinder. Karena torak dalam keadaan bergerak, maka tekanannya turun sehingga lebih kecil daripada tekanan udara luar, begitu juga suhunya. Garis langkah hisap dapat dilihat pada diagram di atas. Penurunan tekanan ini bergantung pada kecepatan aliran. Pada motor yang tidak menggunakan super charge tekanan terletak antara 0,85-0,9 atm terhadap tekanan udara luar.
a – b : Langkah kompresi
Dalam proses ini kompresi berjalan adiabatik.
b – c : Langkah Pembakaran
Pembakaran terjadi pada volume tetap sehingga suhu naik.
c – d : Langkah Ekspansi atau Langkah Kerja
Pada langkah ini terjadi proses adiabatik karena cepatnya gerak torak sehingga dianggap tidak ada panas yang keluar maupun masuk.
d – a : Langkah Pembuangan Pendahuluan
Terjadi proses isokhorik yaitu panas keluar dari katup pembuangan.
a – 0 : Langkah Pembuangan
Sisa gas pembakaran didesak keluar oleh torak. Karena kecepatan gerak torak, terjadilah kenaikan tekanan sedikit di atas 1 atm.
2.6. Termodinamika
Dalam perhitungan thermodinamika, maka kita harus mengetahui diagram proses pembakaran.
Keadaan titik a
Keadaan awal kompresi, di mana torak bergerak dari TMA ke TMB dan mendorong udara pembakaran.
Temperatur awal kompresi (Ta)
Adalah temperatur campuran bahan bakar yang berada dalam silinder saat torak melakukan langkah kompresi.
...................................3
Dimana :
Ta = Temperatur awal kompresi ( oK)
To = Temperatur udara luar ( oK)
Tr = temperatur gas bekas ( oK)
γr = koefisien gas bekas
∆tw = Kenaikan udara karena menerima suhu dari dinding
Efisiensi pemasukan (Charge Efficiency)
Adalah perbandingan jumlah pemasukan udara segar sebenarnya yang dikompresikan di dalam silinder mesin yang sedang bekerja dan jumlah volume langkah pada tekanan dan temperatur udara luar (Po dan To).
...............................4
Dimana :
ε = Perbandingan kompresi
Po = Tekanan udara luar (kg/cm2)
Pa = Tekanan awal kompresi (kg/cm2)
Keadaan titik b
Adalah akhir langkah kompresi di mana tekanan dan temperatur udara pembakaran sangat tinggi dan merupakan awal proses pembakaran bahan bakar.
1. Tekanan Akhir Kompresi
Adalah tekanan campuran bahan bakar silinder pada akhir langkah kompresi.
Pc = Pa. ε n1 …...……………….5
Dimana :
Pc = Tekanan akhir kompresi (kg/cm2)
n1 = Koefisien Polytropic
2. Temperatur Akhir Kompresi
Adalah temperatur campuran bahan bakar silinder pada akhir langkah kompresi.
Tc = Ta. ε (n1 – 1) ……………………6
Keadaan titik puncak c
Pada keadaan ini proses pembakaran terus berlangsung pada volume tetap.
Nilai Kalor Pembakaran Bahan Bakar (Ql)
Adalah jumlah panas yang mampu dihasilkan dalam pembakaran 1 Kg bahan bakar. Untuk bensin (gasoline) besarnya Ql = 9530 Kkal/ Kg.
Kebutuhan Udara Teoritis
Adalah kebutuhan udara yang diperlukan untuk membakar bahan bakar jika jumlah oksigen di udara sebesar 21 % sesuai dengan perhitungan.
................................7
Dimana :
Lo = Kebutuhan udara teoritis (mol/kg)
C = Kandungan Karbon (%)
H = Kandungan Hydrogen (%)
O = Kandungan Oksigen (%)
Koefisien Pembakaran
Adalah koefisien yang menunjukkan perubahan molekul yang terjadi selama proses pembakaran bahan bakar.
....................................8
Dimana:
μO = Koefisien pembakaran
Mg = Jumlah molekul yang terbakar
Lo’ = Jumlah udara sebenarnya untuk pembakaran bahan bakar (mol/kg)
α = koefisien kelebihan udara
Koefisien Pembakaran Molekul
Menunjukkan perubahan molekul yang terjadi sebelum dan sesudah pembakaran.
...................................9
Temperatur Pembakaran Pada Volume Tetap
Adalah temperatur hasil gas pembakaran campuran bahan bakar untuk motor bensin.
.........10
Dimana :
Tz = Temperatur pembakaran pada volume tetap atau temperatur pada akhir pembakaran (oK)
ς2 = Heat Utilization Coefficient (Koefisien Perbandingan Panas)
Q1 = Nilai pembakaran bahan bakar (Kkal/kg)
Mcv = Kapasitas udara panas pada volume tetap (Kkal/mol per oC)
Mcp = Kapasitas panas dari gas pada tekanan tetap (Kkal/mol per oC)
Tekanan Akhir Pembakaran
.................................11
Dimana :
Pz = Tekanan akhir (kg/cm2)
Perbandingan Tekanan Dalam Silinder Selama Pembakaran
Adalah rasio yang menunjukkan perbandingan tekanan akhir pembakaran dengan tekanan awal pembakaran.
.............................12
Keadaan titik d
Keadaan ini merupakan langkah akhir kompresi.
Perbandingan Ekspansi Pendahuluan
Adalah rasio yang menunjukkan perubahan yang terjadi pada gas hasil pembakaran campuran bahan bakar pada awal langkah kompresi.
...............................13
Perbandingan Kompresi Selanjutnya
Adalah rasio yang menunjukkan perubahan pada gas hasil pembakaran selama langkah ekspansi.
...............................14
Tekanan Gas Pada Akhir Ekspansi
...............................15
Temperatur Akhir Ekspansi
...............................16
Tekanan Rata-rata Indikator Teoritis
Adalah besarnya tekanan rata-rata yang dihasilkan oleh pembakaran campuran bahan bakar yang bekerja pada torak.
...............................17
Tekanan Rata-rata Indikator Sebenarnya
Adalah besar tekanan rata-rata yang dihasilkan dari pembakaran campuran bahan bakar.
Pi = Pit.φ ...............................18
Dimana :
φ = faktor koreksi (0,95 – 0,98)
Tekanan Efektif Rata-rata
Adalah besarnya tekanan rata-rata efektif yang bekerja pada permukaan torak
Pe = ηm. Pi ...............................19
Dimana :
ηm = rendemen mekanik
2.7. Faktor-faktor Kemampuan Motor
Faktor-faktor yang menentukan motor dalam beroperasi adalah sebagai berikut:
Volume Silinder
Volume Silinder pada motor adalah volume dari jumlah silinder pada motor tersebut. Volume silinder ditentukan ketika torak pada posisi TMB.
Vd = π/4. D2. L. Z ...............................20
Dimana :
Vd = Volume yang ditempuh oleh torak selama melakukan langkah kerja
D = Diameter silinder
L = Langkah torak
z = Jumlah silinder
Daya Indikator
Adalah panas pembakaran bahan bakar di atas torak yang dikurangi kerugian-kerugian panas karena gas buang.
................................21
Dimana :
Ni = Daya indikator (HP)
Pi = Tekanan rata-rata indikator (kg/cm2)
D = Diameter silinder (m)
L = Langkah torak (m)
N = Putaran mesin
i = Jumlah silinder
z = Jumlah pembakaran tiap langkah, untuk motor 4 langkah = 2
Daya Efektif
Adalah daya indikator dikurangi dengan kerugian-kerugian gesekan, di mana besar kecilnya kerugian akan mempengaruhi rendemen mekanik. Daya efektif ini merupakan tenaga yang menggerakkan poros engkol.
Ne = Ni. ηm ...............................22
Pemakaian Bahan Bakar
Pemakain Bahan Bakar Indikator
Adalah jumlah bahan bakar yang diperlukan untuk menghasilkan tekanan indikator.
...............................23
Konsumsi bahan bakar spesifik efektif (F)
Adalah jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan kerja efektif.
...............................24
Pemakain Bahan Bakar Tiap Jam
Fh = Fe. Ne ...............................25
2.8. Perhitungan Neraca Panas
Persamaan keseimbangan neraca panas pada mesin adalah :
Qf = Qe + Qcool + Qeg + Qrest ...............................26
1. Panas yang didapat dari pembakaran
Qf = Fh. Q1 (Kkal/jam) ...............................27
Dimana :
Q1 = Nilai pembakaran terendah bahan bakar (Kkal/ kg)
Fh = Kebutuhan bahan bakar tiap jam
2. Panas yang berguna pada efektif mesin
Qe = 632. Ne (Kkal/jam) ...............................28
3. Panas yang terbawa oleh media pendingin
Qcool = 0,31 Qf ...............................29
4. Panas yang terbawa karena pancaran dan gesekan (sisa)
Qres = Qf – Qe – Qcool – Qeg ...............................30
1 Petrovsky.N, Marine Internal Combustion Engines, Mir Publishers. Moscow, hal 14
2 Ibid, hal 18
3 Ibid, hal 29
4 Ibid, hal 31
5 Ibid, hal 32
6 Ibid, hal 32
7 Ibid, hal 37
8 Ibid, hal 40
9 Ibid, hal 40
10 Ibid, hal 46
11 Ibid, hal 50
12 Ibid, hal 14
13 Ibid, hal 50
14 Ibid, hal 14
15 Ibid, hal 52
16 Ibid, hal 52
17 Ibid, hal 54
18 Ibid, hal 55
19 Ibid, hal 61
20 Ibid, hal 22
21 Ibid, hal 58
22 Ibid, hal 61
23 Ibid, hal 64
24 Ibid, hal 63
25 Ibid, hal 63
26 Ibid, hal 65
27 Ibid, hal 65
28 Ibid, hal 65
29 Ibid, hal 68
30 Ibid, hal 66
