Modul 4

SOAL PRE TEST

MODUL 4.

Petunjuk :

Kerjakan semua soal pretest ini sebagai syarat untuk mempelajari modul 4

1. Jelaskan karakteristik utama mesin diesel yang membedakannya dari motor bakar lainnya ? serta mengapa mesin diesel disebut mesin penyalaan kompresi (compression ignition engine) ?

2. Bagaimana efisiensi panas mesin diesel bila dibandingkan dengan efesiensi panas motor bakar lainnya ?

3. Jelaskan metode yang digunakan untuk mensuplai udara segar ke dalam selinder pada mesin diesel ?

4. Sebutkan proses kerja mesin diesel empat langkah ? kemudian jelaskan setiap proses yang terjadi pada mesing-masing langkahnya ?

5. Gambarkan siklus Diesel ? Kemudian jelaskan proses yang terjadi pada siklus diesel tersebut per langkah ?

6. Apa yang dimaksud dengan perbandingan kompresi dan bagaimana pengaruh nilai perbandingan kompresi terhadap kinerja mesin diesel ?

7. Apa yang dimaksud dengan pembakaran pada volume konstan dan pembakaran pada tekanan konstan dan apa keuntungan dan kerugiannya ?

8. Jelaskan prinsip kerja motor diesel dua langkah dan bedakan dengan empat langkah ?

9. Sebutkan bagaimana dan kapan proses pembilasan terjadi pada mesin diesel dua langkah ? kemudian sebutkan jenis-jenis pembilas ?

10. Apa keuntungan dari motor diesel dua langkah ?

Keterangan:

Soal pretest ini berguna untuk mengukur tingkat pemahaman awal para mahasiswa sebelum mempelajari modul 4.

MODUL 4. MOTOR BAKAR DIESEL

Sasaran belajar :

Setelah mempelajari bab ini mahasiswa diharapkan dapat :

1. Menjelaskan sejarah dan karakteristik utama Motor Diesel yang membedakannya dengan motor bensin

2. Menjelaskan cara pengklasifikasian motor diesel serta ciri khas motor diesel.

3. Menyebutkan pengertian motor diesel 4 langkah dan proses kerjanya

4. Menjelaskan tentang proses yang terjadi pada saat langkah isap, kompresi, ekspansi (kerja) dan buang pada motor diesel 4 langkah.

5. Menjelaskan manfaat kompresi serta perbedaannya dengan motor bensin kemudian menghitung volume silinder dan perbandingan kompresi dari sebuah motor diesel

6. Menjelaskan tentang terjadinya proses pembakaran serta 2 buah metode pembakaran pada motor diesel.

7. Menjelaskan tentang mekanisme kerja katup

8. Menjelaskan tentang siklus diesel udara standar (diagram P – V) dan dapat melakukan perhitungan kerja serta effisiensi siklus.

9. Menjelaskan ciri-ciri dan prinsip kerja motor diesel 2 langkah : (langkah isap, kompresi, kerja dan buang)

10. Menjelaskan tentang sistem pembilasan pada motor diesel 2 tak dan prinsip super charging.

4.1. PENDAHULUAN

Motor diesel diciptakan oleh Rudolf Diesel yang berkebangsaan Jerman pada tahun 1898. Motor diesel adalah motor bakar torak yang berbeda dengan motor bensin, proses penyalaannya bukan dengan loncatan api listrik. Pada langkah isap hanyalah udara segar saja yang masuk ke dalam silinder. Pada waktu torak hampir mencapai TMA bahan bakar disemprotkan ke dalam silinder. Terjadilah proses penyalaan untuk pembakaran, pada saat udara di dalam sililnder sudah bertemperatur tinggi.

Perbandingan kompresinya cukup tinggi yaitu berkisar antara 12 s/d 25. Perbandingan kompresi yang rendah pada umumnya digunakan pad motor diesel berukuran besar dengan putaran rendah. Perbandingan kompresi yang tinggi banyak dipakai pada motor diesel berukuran kecil dengan putaran tinggi (± 3000 rpm). Perancang cenderung mempergunakan perbandingan kompresi yang serendah-rendahnya berdasarkan pertimbangan kekuatan material serta mesinnya. Oleh karena itu, pada umumnya motor diesel bekerja dengan perbandingan kompresi antara 13 s/d 17.

Daya poros adalah daya yang berguna yang dibangkitkan oleh daya indicator yang merupakan daya yang dihasilkan dari pembakaran gas di dalam silinder untuk menggerakkan torak. Sebagian daya indicator dibutuhkan untuk mengatasi gesekan mekanik misalnya gesekan antara torak dan dinding silinder dan gesekan antara poros dan bantalannya. Disamping itu daya indicator juga digunakan untuk menggerakkan beberapa asesoris seperti pompa pelumas, pompa air pendingin, pompa bahan bakar dan generator.

Pemakaian bahan bakar dari motor diesel kira-kira 25 % lebih rendah dari motor bensin, sehingga motor diesel lebih hemat daripada motor bensin. Tekanan kerja motor diesel juga lebih lebih tinggi daripada motor bensin karena perbandingan kompresinya yang lebih tinggi. Oleh karena itu motor diesel harus dibuat lebih kuat dan kokoh sehingga lebih berat. Namun motor diesel mengeluarkan suara yang agak berisik dan keras, warna dan bau gas buang hasil pembakaran yang kurang menyenangkan.

Salah satu penggunaan yang menonjol dari mesin diesel adalah sebagai alat transportasi baik di darat dan di air, kereta rel, lokomotif, perahu dan kapal. Dalam banyak instalasi ukuran kecil dan sedang, pada mesin pertanian dan perusahaan industri kecil. Pemakaiannya yang begitu luas disebabkan oleh biaya operasi yang lebih rendah dari mesin lain. Gambar 4 – 1 berikut ini menunjukkan visualisasi sebuah mesin diesel utuh.

Gambar 4 – 1.

Mesin Diesel

4.2. KARAKTERISTIK MESIN-DIESEL

Karakteristik utama dari mesin diesel yang membedakannya dari motor bakar yang lain adalah metoda penyalaan bahan bakar. Dalam mesin diesel bahan bakar diinjeksikan ke dalam silinder, yang berisi udara bertekanan tinggi. Udara tersebut dikompresikan yang mengakibatkan suhu dan tekanannya meningkat, sehingga ketika bahan bakar yang dalam bentuk kabut halus bersinggungan dengan udara panas dan bertekanan tinggi tersebut, maka akan menyala, sehingga tidak dibututhkan alat penyalaan lain dari luar. Oleh karena itu, mesin diesel juga disebut mesin penyalaan kompresi.

Karakteristik mesin diesel lain yang penting adalah bahwa mesin diesel menghasilkan puntiran yang tidak tergantung pada kecepatan. Banyakknya udara yang di hisap ke dalam silinder pada setiap langkah hisap dari torak hanya sedikit dipengaruhi oleh kecepatan mesin. Sehingga jumlah bahan bakar yang dapat dibakar di dalam selinder pada setiap langkah kerja dari torak hampir konstan.

Mesin diesel juga mempunyai efisiensi panas lebih tinggi daripada mesin panas yang lain, menggunakan sedikit bahan bakar untuk penyediaan daya yang sama, serta menggunakan bahan bakar yang lebih murah daripada bensin. Disamping itu mesin diesel juga terdapat beberapa kerugian kalau dibandingkan dengan mesin bensin yaitu :

1. Agak lebih berat untuk daya kuda yang sama.

2. Pada mesin kecepatan tinggi, operasinya agak kasar, terutama pada beban ringan.

3. Harga awal sangat tinggi.

4.3. KLASIFIKASI MESIN DIESEL

Mesin diesel dapat dibagi menjadi beberapa kelompok, yang di bedakan menurut salah satu dari ciri-ciri berikut:

1. Daur operasi,

2. Metoda pengisian silinder,

3. Desain umum, yang mencakup jumlah dan kedudukan silinder, metoda penginjeksian, pembakaran bahan bakar, kecepatan dan sebagainya.

Klasifikasi ini sering tumpang tindih, yaitu mesin dalam kelas yang sama menurut satu ciri, dan merupakan kelas yang berbeda menurut ciri yang lain.

4.3.1. DAUR OPERASI

Mesin diesel dapat dibagi menjadi yang beroperasi pada daur tekanan konstan dan yang beroperasi pada daur kombinasi. Mesin dengan pembakaran pada tekanan konstan adalah mesin besar dengan injeksi udara kecepatan rendah. Mesin yang menggunakan daur kombinasi atau dwi-pembakaran yaitu satu bagian bahan bakar terbakar pada volume konstan seperti pada mesin bensin, dan bagian yang lain terbakar pada tekanan yang mendekati konstan. Dalam mesin yang beroperasi pada daur kombinasi, tekanan menanjak sampai puncaknya selama bagian pertama pembakaran, kemudian tetap mendekati konstan pada pembakaran kedua saat torak bergerak menuju titik mati bawah menuju akhir dari proses pembakaran.

4.3.2. METODE PENGISIAN

Mesin diesel dapat dibagi menjadi mesin empat langkah dan mesin dua langkah. Dalam mesin empat langkah, selama dua langkah dari torak atau satu putaran poros engkol, torak dan silinder bekerja sebagai pompa yang mengeluarkan hasil pembakaran dari pembakaran dalam daur sebelumnya dan mengisi silinder dengan udara segar. Dalam mesin dua langkah, silinder dibilas dan diisi dengan udara segar oleh udara bertekanan yang diberikan oleh suatu pompa atau penghembus dari luar.

Kemudian mesin empat langkah dapat dibagi menjadi mesin penghisapan alamiah dan mesin pengisian lanjut (supercharged). Mesin jenis penghisapan alamiah pengisian udara segarnya ditarik masuk oleh vakum yang dihasilkan ketika torak bergerak menjauhi ruang pembakaran. Sedangkan mesin pengisian lanjut, pengisiannya dimasukkan kedalam silinder pada tekanan yang lebih dari atmosfer. Tekanan udara tinggi ini dihasilkan oleh pompa atau penghembus yang mirip dengan yang digunakan dalam mesin dua langkah.

4.3.3. DISAIN UMUM

Semua mesin dapat dibagi menjadi mesin bekerja tunggal dan mesin bekerja ganda. Disain bekerja ganda hanya digunakan untuk mesin besar. Mesin diesel juga dapat diklasifikasi sebagai mesin horizontal, mesin vertikal, mesin satu-garis, mesin jenis-V, radial dan silinder berlawanan dan torak berlawanan, Juga mesin dengan silinder tungggal dan silinder jamak, dengan dua, tiga, empat, enam dan kadang-kadang 23 silinder.

4.3.4. METODE PENGINJEKSIAN BAHAN BAKAR

Pada mesin diesel, bahan bakar diinjeksikan ke dalam silinder oleh hembusan udara tekanan tinggi, sehingga dinamakan mesin injeksi udara. Perlengkapan injeksi udara terlalu berat dan rumit untuk mesin kecepatan tinggi, dengan lubang kecil, yang menggunakan berbagai jenis injeksi tanpa udara, atau mekanis. Saat ini injeksi mekanis digunakan untuk segala jenis dan ukuran dari mesin diesel.

4.3.5. KECEPATAN

Klasifikasi mesin menurut kecepatannya sebagai mesin kecepatan rendah, menengah dan tinggi mempunyai alasan berdasarkan fakta bahwa factor kecepatan mempengaruhi desain dari mesin serta pemeliharaannya.

4.4. PRINSIP KERJA MESIN DIESEL 4 LANGKAH

Urutan kejadian yang berulang secara teratur dan dalam urutan yang sama disebut sebuah daur (cycle). Beberapa kejadian berikut, membentuk suatu daur dalam mesin diesel diesel 4 langkah yaitu :

1. Mengisi silinder mesin dengan udara segar.

2. Penekanan isi udara yang menaikkan tekanan dan suhu sehingga kalau bahan bakar diinjeksikan, akan segera menyala dan terbakar secara efisien.

3. Pembakaran bahan bakar dan pengembangan gas panas.

4. Mengosongkan hasil pembakaran dari silinder.

Proses-proses yang tersebut diatas dapat dijelaskan secara lebih detail dengan gambar 4 – 2 dibawah ini.

Gambar 4 – 2. Skematik kerja mesin diesel 4 langkah.

Ciri khas dari semua motor diesel

1. Hanya udara yang diisap dan dikompresikan

2. Bahan bakar disemprot ke dalam ruang bakar dalam bentuk kabut.

3. Tidak memerlukan alat perantara untuk pembakaran.

Bahan bakar di injeksikan ke dalam udara yang bertekanan dan bertemperatur tinggi oleh kompresi sehingga bahan bakar menyala dan terbakar. Sebuah mesin diesel output mesinnya dikontrol oleh pengontrolan banyaknya bahan bakar yang diinjeksikan ke ruang bakar. Proses tersebut dapat di gambarkan pada gambar 4.3.

Gambar 4.3

Proses kerja Motor Diesel

4.4.1. PRINSIP KERJA MESIN DIESEL EMPAT LANGKAH (EMPAT TAK)

Prinsip kerja motor diesel empat langkah dapat dijelaskan pada gambar 4-4, dengan penjelasan sebagai berikut ini :

Gambar 4-4. Proses kerja motor bakar diesel 4 langkah

Penjelasan dari proses kerja motor diesel 4 langkah berdasarkan gambar diatas adalah sebagai berikut :

1. Langkah Hisap (intake stroke)

Pada langkah masuk torak bergerak ke bawah. Katup masuk terbuka dan katup pembuangan tertutup. Melalui katup masuk yang terbuka udara mengalir ke dalam silinder. Di saat langkah masuk ini tekanan dalam silinder ± 0,05 bar lebih rendah daripada tekanan atmosfer.

2. Langkah Kompresi (compression stroke)

Pada saat langkah kompresi kedua katup tertutup dan torak bergerak ke atas. Isi silinder bertambah kecil, sehingga udara pembakaran dikompresikan. Tekanan akhir kompresi akhir menjadi ± 32 bar, sedangkan temperatur meningkat menjadi ±550 ^oC.

3. Langkah kerja (combustion stroke)

Sesaat sebelum akhir langkah kompresi bahan bakar cair dalam keadaan kabut disemprotkan ke dalam ruang bakar. Oleh karena tingginya temperature udara pembakaran, bagian-bagian kecil bahan bakar langsung terbakar dengan sendirinya. Akibat pembakaran temperature naik dan tekanan gas pembakaran juga naik. Selanjutnya gas pembakaran berekspansi dan melalukan kerja mekanik.

4. Langkah pembuangan (exhaust stroke)

Pada saat langkah pembuangan torak bergerak ke atas, sedangkan katup pembuangan terbuka dan katup masuk tertutup. Melalui katp pembuangan gas bekas mengalir ke luar. Tekanan dalam silinder dikala seluruh langkah pembuangan ± 0,05 bar lebih tinggi daripada tekanan atmosfer.

Empat kejadian utama diatas ditunjukkan secara skematis ditunjukkan dalam Gambar 4.5. Selama kejadian pertama, atau langkah hisap (section) (Gambar 4-5. A), torak bergerak turun, ditarik oleh batang engkol r , yang diujung bawahnya digerakkan oleh engkol c, sehingga torak bergerak menjauhi kepala silinder, menimbulkan vakum dalam silinder, dan udara luar ditarik atau dihisap ke dalam silinder melalui katup pemasukan i yang terbuka di sekitar awal langkah hisap dan tetap terbuka sampai torak mencapai TMB.

Kalau torak telah melampaui TMB., maka kejadian kedua, atau langkah kompresi, dimulai (Gambar 4 – 5 B): katup pemasukan ditutup dan torak yang didorong ke atas oleh engkol dan batang engkol, menekan udara dalam silinder sehingga menaikkan suhu dan tekanannya. Segera sebelum torak mencapai TMA., maka bahan-bahan cair dalam bentuk semprotan kabut halus dimasukkan sedikit demi sedikit ke dalam udara panas dalam silinder.

A B C D

Gambar 4-5. Skematik Prinsip kerja motor bakar diesel

Bahan bakar menyala dan terbakar selama bagian pertama dari langkah kerja, sehingga menaikkan tekanan dalam silinder. Selama langkah yang ketiga ini, yang disebut langkah kerja atau langkah daya. (Gambar 4-5 C), gas panas mendorong torak turun atau maju. Gas mengembang dari volume silinder yang membesar dan melalui batang engkol dan engkol meneruskan energi yang ditimbulkan kepada poros engkol yang berputar.

Segera sebelum torak mencapai TMB., katup buang e membuka (Gambar 4-5 D) dan hasil pembakaran yang panas dan masih bertekanan tinggi mulai lari melalui lubang buang ke luar. Selama kejadian keempat, atau langkah buang, torak bergerak ke atas, didorong oleh engkol dan batang engkol, mengusir hasil pembakaran yang tersisa. Didekat TMA katup pemasukan dibuka, dan daur dimulai kembali. Seperti dapat dilihat, keempat langkah memerlukan dua putaran dari poros engkol. Jadi dalam mesin empat langkah, satu langkah daya diperolah untuk tiap dua putaran poros engkol.

Katup pemasukan mulai membuka sebelum TMA. dengan 10 sampai 25 derajat perjalanan engkol. Hal ini memungkinkan katup cukup terbuka pada TMA ketika torak memulai langkah hisap. Katup pemasukan ditutup dari 25 sampai 35 derajat setelah TMB. Penginjeksian bahan bakar dimulai dari 7 sampai 26 derajat sebelum TMB. Akhir penginjeksian bahan bakar tergantung pada beban mesin. Untuk melepaskan tekanan gas buang sebelum torak memulai langkah balik, katup buang mulai membuka 30 sampai 60 derajat sebelum TMB. dan menutup 10 sampai 20 derajat setelah TMA.

4.5. SIKLUS DIESEL UDARA STANDART

Siklus Diesel merupakan siklus motor bakar yang mempunyai efisiensi paling rendah. Karena tekanan maksimum yang dihasilkan relativ lebih tinggi, untuk konstruksinya dibuat lebih kokoh yang juga dimanfaatkan untuk menahan goncangan.

Ada beberapa proses pada siklus Diesel seperti ditunjukkan pada gambar 4 - 6 :

Gambar 4-6.

Diagram P – V Siklus Diesel

Proses yang terjadi pada siklus diesel diatas dapat dijelaskan sebagai berikut :

1. Proses 0-1: pembukaan katup isap dan pengisapan udara ke dalam silinder.

2. Proses 1-2: proses kompresi yang berlangsung secara isentropic dimana seluruh katup isap dan katup buang dalam keadaan tertutup. Udara dan bahan bakar dimampatkan secara isentropic.

3. Proses 2-3: proses pembakaran yang berlangsung secara isobaric (tekanan konstan). Pada proses ini bahan bakar diinjeksikan ke dalam silinder yang berisi udara bertekanan tinggi dan bertemperatur tinggi yang melebihi temperature penyulutan bahan bakar sehingga terjadi proses pembakaran secara spontan. Jumlah kalor yang dipindahkan ke system sama dengan :

Q_2-3 = m . c_p . (T₃ – T₂) ………………………………………. (3 – 1)

4. Proses 3-3: proses ekspansi yang berlangsung secara isentropic. Dimana gas hasil pembakaran berekspansi secara isentropic dan juga disebut langkah kerja. Hingga akhir proses ekspansi, katup-katup isap dan buang tetap tertutup.

5. Proses 3-1: yaitu proses pembukaan katup buang yang berlangsung secara isovolumetrik (volume konstan). Pada akhir proses ini diumpamakan bahwa tekanan di dalam silinder sama dengan tekanan atmosfir.

6. Proses 1-0: proses pengeluaran gas hasil pembakaran dari dalam silinder secara isobaric (tekanan konstan). Jumlah kalor yang dibuang dari system sama dengan :

Q_3-1 = m . c_v . (T₃ – T₁) ………………………………………. …… (3 – 2)

Effisiensi Thermal Siklus Diesel adalah :

= …………………… (3 – 3)

Dengan menggunakan hubungan temperature dan volume pada proses 1 – 2 dan 3 – 3, sehingga rumus effisiensi menjadi :

……………………….... (3 -4)

Dimana r_c = adalah perbandingan pancung (cutoff ratio) = V₃/V₂.

Dari persamaan tersebut terlihat bahwa siklus otto lebih effisien daripada siklus diesel.

Contoh soal 3-1.

Sebuah motor diesel udara standart memiliki 6 buah silinder berdiameter 10 cm dan langkah 12 cm. Kecepatan motor ini adalah 2000 ppm. Pada awal kompresi udara berada pada 100 kPa dan 300 K. Jika volume sisa 6.667 persen volume langkah, hitunglah :

a) Perbandingan kompresi

b) Tekanan dan temperature udara setelahh kompresi

c) Effisiensi thermal dan keluaran daya jika udara dipanaskan hingga 1750 K.

T₁ = 300 K

V_r1 = 179.4906 p_r1 = 1.11458 u₁ = 214.36 kJ/kg

Oleh sebab itu,

dan dari table gas pada v_r2 = 11.2182

T₂ = 8625 K p_r2 = 51.3042 h₂ = 891.29 kJ/kg

Tekanan pada tingkat keadaan 2 sama dengan

atau dari hokum gas ideal

(c) Pada T₃ = 1750 K

h₃ = 1941.28 kJ/kg v_r3

oleh sebab itu,

dari table udara pada v_r4 = 9.8999

T₄ = 900,6 K u₄ = 675,29 kJ/kg

Efisiensi termal siklus ini menjadi :

= 1 -

Volume V₁ setiap silinder sama dengan

V₁ = V_keleg + V_perpin

dengan

V_perpin = ;Jadi

V₁ = 0.0667 (942,28 x 10^-6 m³) + 942,28 x 10^-6 m³ = 1,005 x 10^-3 m³

Massa udara untuk 6 silinder

Keluaran kerja sama dengan

W = m_w = (0,007 kg) [(1049,99 – 460,93) kJ/kg] = 4,123 kJ

Dan daya yang dibangkitkan :

Perhatikan bahwa table udara digunakan dalam contoh tersebut untuk memperhitungkan perubahan kalor spesifik terhadap temperature.

4.6. KOMPRESI

Terdapat dua manfaat dalam menekan isi udara selama langkah ke dua atau langkah kompresi:

1. Menaikkan efisiensi panas atau efisiensi total dari mesin dengan menaikkan density pengisian sehingga diperolah suhu yang lebih tinggi selama pembakaran; ini dilakukan pada semua motor bakar, baik dari jenis penyalaan cetus api maupun penyalaan kompresi.

2. Untuk menaikkan suhu udara pengisian sedemikian rupa sehingga kalau kabut halus dari bahan bakar diinjeksikan ke dalamnya, maka bahan bakar akan menyala dan mulai terbakar tanpa memerlukan sumber penyalaan dari luar misalnya busi yang digunakan dalam mesin bensin.

Perbandingan kompresi dari motor bakar adalah perbandingan dari volume (V₁ ) dari gas dalam silinder dengan posisi torak di TMB, terhadap volume (V₂) dari gas dengan torak pada TMA. Perbandingan kompresi ditandai dengan r :

r =

Volume V₂ disebut volume kompresi atau ruang bakar; Volume V₁ sama dengan jumlah perpindahan torak dan volume kompresi.

Biasanya perbandingan kompresi mesin diesel sekitar 12 : 1 sampai 19 : 1. Dengan perbandingan kompresi kurang dari 12 :1 terdapat bahaya bahwa suhu udara tekan tidak cukup tinggi untuk memastikan penyalaan bahan bakar kalau mesin distarter “dingin”.

Batas yang tinggi ditetapkan dengan pertimbangan praktis. Secara teoritis, suatu kenaikan perbandingan kompresi mesin akan menaikkan efisiensi panas dan menurunkan penggunaan bahan bakar. Tetapi, kenaikan perbandingan kompresi akan menaikkan tekanan gas maksimum dan suhu pembakaran. Ini menimbulkan tegangan dan tekanan yang meningkat dalam berbagai bagian dari mesin dan kerugian gesekan yang lebih tinggi. Akibatnya memerlukan bagian mesin yang kuat dan lebih berat, sehingga memperberat mesin secara keseluruhan. Tekanan dan suhu yang lebih tinggi juga meningkatkan keausan mesin sehingga mengurangi keawetan dan keandalannya. Oleh karenanya setiap jenis mesin mempunyai batas yang tidak dianjurkan untuk dilampaui dalam menaikkan kompresi.

4.7. PEMBAKARAN

Terdapat dua metoda yang berbeda dari pembakaran bahan bakar pada mesin diesel:

1. Pembakaran pada volume konstan.

Pembakaran pada volume konstan berarti bahwa selama pembakaran volumenya tidak berubah dan semua energi panas yang ditimbulkan oleh bahan bakar menjadi kenaikan suhu dan tekanan gas. Dalam sebuah mesin, hal ini mengandung pengertian bahwa pembakaran diproses pada kecepatan sedemikian tinggi sehingga torak tidak mempunyai waktu untuk bergerak selama pembakaran. Pembakaran semacam ini diperoleh ketika torak berada di TMA.

Keuntungan dari metoda pembakaran bahan bakar ini adalah efisiensi panas yang tinggi. sedangkan kerugiannya adalah kenaikan tekanan yang sangat mendadak dan mengakibatkan kebisingan pada mesin.

2. Pembakaran pada tekanan konstan

Pembakaran pada tekanan konstan berarti bahwa selama pembakaran suhunya naik dengan kecepatan sedemikian sehingga kenaikan tekanan yang dihasilkan kira-kira cukup untuk melawan pengaruh pertambahan volume disebabkan gerakan torak, namun tekanan tidak berubah. Energi panas yang ditimbulkan oleh bahan bakar sebagian berubah menjadi kenaikan suhu gas dan sebagian lagi menjadi kerja luar yang dilakukan. Dalam mesin dengan pembakaran tekanan konstan, bahan bakar dibakar sedikit demi sedikit sehingga tekanan yang diperoleh pada akhir langkah kompresi dipertahankan selama seluruh kejadian pembakaran. Pembakaran semacam ini digunakan dalam mesin diesel injeksi udara kecepatan rendah.

Keuntungannya adalah mesin berjalan dengan halus sehingga menghasilkan momen puntir lebih merata karena tekanan pembakaran yang diperpanjang. Tetapi tidak sesuai untuk mesin minyak kecepatan tinggi.

Mesin diesel kecepatan tinggi modern beroperasi pada daur yang merupakan kombinasi dari kedua metoda di atas, dan disebut juga daur dwi-pembakaran (dua-combustion); yaitu satu bagian bahan bakar dibakar dengan cepat, hampir dengan volume konstan didekat TMA., sisanya dibakar sewaktu torak mulai bergerak menjauhi TMB. Tetapi tekanan tingginya tidak konstan, melainkan biasanya pertama kali naik kemudian menurun. Secara umum daur ini lebih menyerupai daur pembakaran volume konstan dari pada daur mesin diesel. Keuntungannya effisiensi tinggi dan hemat bahan bakar. Sedangkan kerugiannya adalah sulitnya mencegah operasi yang kasar dan bising.

4.7.1. MEKANISME KATUP

Katup mulai membuka sebelum langkah isap (sebelum TMA) dan menutup setelah TMB (mulai langkah kompresi). Katup buang membuka sebelum mencapai langkah buang dan menutup setelah TMA (setelah memasuki langkah isap. Saat membuka dan menutup katup disebut mekanisme katup, seperti ditunjukkan pada gambar 4.7.

Gambar 4.7. Mekanisme Katup

4.8. PRINSIP KERJA MOTOR DIESEL DUA LANGKAH (DUA TAK)

Pada motor diesel dua langkah, sebuah daur diselesaikan dalam dua langkah, atau satu putaran poros engkol seperti ditunjukkan gambar 4.8, sedangkan pada motor diesel empat langkah memerlukan dua putaran. Perbedaan utama antara mesin dua langkah dan mesin empat langkah adalah metode pengeluaran gas yang telah terbakar dan pengisian silinder dengan udara segar. Dalam mesin empat langkah operasi ini dilakukan oleh torak mesin selama langkah buang dan hisap. Dalam mesin dua langkah operasi ini dilakukan di dekat TMB oleh pompa atau penghembus udara yang terpisah.

GAMBAR 4-8:

motor diesel dua langkah dan bagiannya.

Gambar 4-9 akan menjelaskan prinsip kerja motor diesel dua langkah. langkah kompresi, pembakaran dan ekspansi tidak berbeda dengan kejadian pada mesin empat langkah.

A B C

GAMBAR 4-9 : prinsip kerja motor diesel dua langkah

Pengeluaran gas sisa dan pengisian silinder dengan udara segar dilakukan sebagai berikut: Kalau torak telah menjalani 80 sampai 85 persen dari langkah ekspansi, katup buang e akan terbuka (Gambar 4 - 9 A), gas buang dilepaskan dan mulai keluar dari silinder sehingga tekanan dalam silider mulai tutun. Torak meneruskan gerak menuju TMB dan akhirnya membuka lubang s, yaitu lubang tempat lewat udara yang agak ditekan, sehingga udara mulai memasuki silinder. Udara ini tekanannya agak lebih tinggi daripada gas panas di dalam silinder, sehingga mendorongnya keluar melalui katup e ke udara luar (Gambar 4 - 9 B). Operasi ini disebut membilas, udara yang dimasukkan disebut udara bilas dan lubang tempat lewat udara masuk lubang bilas. Kira-kira pada saat torak pada langkah naik menutup lubang s, maka katup buang e ditutup (Gambar 4 - 9 C) dan langkah kompresi dimulai.

Keuntungan operasi mesin diesel dua langkah adalah penghilangan dua langkah pengisian yang diperlukan dalam operasi empat langkah. Sehingga silinder memberikan satu langkah daya untuk tiap putaran mesin kalau dibandingkan dengan satu langkah daya untuk tiap dua putaran pada mesin daur empat langkah. Kalau semua kondisi yang lain misalnya lubang, langkah, kecepatan dan tekanan gas efektif rata-rata sama, maka mesin dua langkah akan membangkitkan daya dua kali lipat daripada mesin empat langkah. Ini berarti juga bahwa mesin dua langkah, dalam garis besarnya, memiliki berat setengah dari mesin empat langkah dari daya yang sama dan menghasilkan momen puntir yang lebih rata.

Tetapi, harus dicatat bahwa ini hanya benar untuk mesin yang memiliki tekanan efektif rata-rata sama. Jadi mesin dua langkah dengan karter yang membilas, memiliki tekanan efektif rata-rata yang rendah, sehingga membangkitkan daya yang kurang dari mesin empat langkah yang sebanding. Dilain pihak, sebuah mesin empat langkah dengan pengisian lanjut dapat membangkitkan daya yang sama atau bahkan lebih besar daripada mesin dua langkah dari perpindahan yang sama.

Keuntungan ini sangat penting pada kapal dan lokomotif sehingga penggunaan mesin dua langkah pada instalasi ini jauh lebih banyak daripada mesin empat langkah, khususnya dalam unit daya besar. Kerugian dari semua mesin dua langkah, adalah suhu yang tinggi dari torak dan kepala silinder yang disebabkan fakta bahwa pembakaran terjadi pada tiap putaran.

4.8.1. METODE PEMBILASAN

Pada gambar 4 - 9 diatas hanya mengilustrasikan salah satu dari beberapa metoda pembilasan silinder. Dalam beberapa mesin, gas buangnya dibiarkan keluar melalui lubang, yang dibuka oleh torak seperti lubang pembilasan. Berdasarkan pada letak lubang buang terdapat lubang bilas, terdapat dua metoda pembilasan yang dasarnya berbeda:

1. Pembilasan aliran silang (cross flow) ditunjukkan pada (Gambar 4 - 10).

2. Pembilasan lingkar (loop) atau aliran balik (return flow) ditunjukkan (Gambar 4 - 11).

A. Pembilasan aliran silang (cross flow).

Dengan metoda ini torak terlebih dahulu membuka lubang buang e, dan menambah tekanan yaitu pada saat menuju TMB, maka torak membuka lubang bilas s, dan mulai memasukkan udara agak bertekanan yang arusnya diarahkan terutama ke atas, seperti ditunjukkan tanda panah, sehingga mendorong keluar gas buang melalui lubang e. Setelah melampaui TMB, torak terlebih dahulu menutup lubang bilas dan segera setelah itu menutup lubang buang seperti ditunjukkan gambar 4 – 10.

Kenyataannya bahwa lubang buang tertutup setelah setelah lubang bilas memungkinkan sebagian dari udara pengisian lari dari silinder. Hal ini merupakan kerugian dari jenis pembilasan aliran silang. Tetapi, juga mempunyai keuntungan tertentu, yaitu kesederhanaan konstruksi dan pemeliharaan, dengan tidak adanya katup yang harus tetap rapat.

Beberapa mesin besar kecepatan rendah menggunakan skema pembilasan arus silang yang diperbaiki dengan tambahan katup searah yang terletak di dekat lubang bilas. Dalam kasus ini, lubang bilas dibuat sama tinggi atau bahkan agak lebih tinggi daripada lubang buang. Oleh karenanya lubang bilas dibuka oleh torak secara serentak dengan atau sedikit sebelum lubang buang; tetapi, katup searah mencegah gas buang masuk ke dalam penerima udara bilas. Segera setelah tekanan dalam silinder turun di bawah tekanan dalam penerima udara, maka tekanan dalam penerima udara membuka katup searah dan pemasukan udara bilas dimulai. Pembilasan dilanjutkan sampai lubang bilas maupun lubang buang ditutup oleh torak. Skema ini memberikan kenaikan efisiensi pembilasan, yang menghasilkan tekanan efektif rata-rata lebih tinggi.

B. Pembilasan lingkar (loop) atau aliran balik (return flow)

Pembilasan lingkar mirip dengan aliran silang dalam hal urutan pembukaan lubang. Tetapi, arah aliran dan udara berbeda, seperti ditunjukkan dengan tanda panah dalam gambar 4 – 11. Keuntungannya adalah bahwa keseluruhan penerima udara bilas dan penerima gas buang terletak pada sisi yang sama dari silinder, sehingga lebih mudah dicapai. Skema ini terutama sesuai untuk mesin kerja ganda, karena dengan mesin tersebut maka operasi katup buang untuk ruang bakar bawah menjadi sangat rumit.

Gambar 4 - 10. Gambar 4 - 11

Pembilasan Aliran Silang Pembilasan Aliran Lingkar

Kalau digunakan pada mesin kerja ganda (Gambar 4 - 11), skema ini disempurnakan dengan memasang katup buang putar r. Selama pelepasan gas buang maka katup r, terbuka, tetapi katup ini tertutup kalau torak menutupi lubang bilas pada langkah balik. Dengan pengaturan ini untuk melepaskan pengisian udara selama awal langkah kompresi, ketika lubang buang ditutup oleh torak, katup putar dibuka dan dibuat siap untuk daur berikutnya. Panjang torak dibuat tepat sama dengan panjang langkah untuk mengendalikan kejadian pembuangan dan pembilasan secara bergantian oleh tepi atas dan bawah dari torak.

4.8.2. PENGISIAN LANJUT (SUPER CHARGING)

Pengisian lanjut bertujuan menaikkan daya mesin yang perpindahan atau langkah torak dan kecepatannya telah ditentukan. Dalam mesin diesel daya dibangkitkan oleh pembakaran bahan bahan, dan kalau dikehendaki kenaikan daya, bahan bakar harus dibakar lebih banyak sehingga udara harus lebih banyak tersedia, karena setiap pound bahan bakar memerlukan sejumlah udara tertentu. Maka dengan pengisian lanjut didapatkan suatu tekanan yang lebih tinggi pada awal langkah kompresi. Prosesnya dapat dilihat pada gambar 4 – 12. Untuk menaikkan tekanan udara mesin empat langkah, proses pengisian udara tidak dihisap ke dalam silinder, atau tidak dimasukkan dengan penghisapan alamiah oleh torak yang mundur, tetapi didorong masuk dengan tekanan lebih tinggi yang dihasilkan oleh pompa atau penghembus udara yang terpisah.

Gambar 3.12. Turbocharger

Ada tiga jenis penghembus yang digunakan

1. Pompa torak ulak-alik, yang mirip dengan kompresor udara.

2. Penghembus perpindahan positif yang perputar dari jenis Roots, dan

3. Penghembus kecepatan tinggi sentrifugal, biasanya digerakkan oleh turbin gas yang memanfaatkan energi kinetik dari gas buang.

Kalau pengisian lanjut digunakan pada mesin empat langkah, perubahan utama yang diperlukan dalam disain mesin adalah perubahan pengaturan waktu dari katup pemasukan dan pembuangan. Waktu pembukaan katup pemasukan dimajujkan dan penutupan katup buang diperlambat. Kedua katup dirancang untuk tetap terbuka secara serentak untuk sekitar 50 sampai 100 derajat, pemilihannya tergantung pada kecepatan normal mesin. Pembukaan secara serentak ini disebut tumpang tindih (overlapping). Keuntungan yang diperoleh dari tumpang tindih adalah pembilasan yang lebih baik pada ruang bakar. Hasil pengujian menunjukkan bahwa tumpang tindih sebesar 30 sampai 50 derajat akan menaikkan keluaran daya mesin dari sekitar 5 persen, kalau pengisian lanjut sangat kecil, hanya cukup untuk meniadakan vakum dalam silinder utama langkah hisap.

Perlu dicatat bahwa bersamaan dengan kenaikan tekanan efektif rata-rata, pengisian lanjut juga menaikkan tekanan penyalaan maksimum dan suhu maksimum. Sebaliknya, penggunaan bahan bakar biasanya berkurang dengan pengisian lanjut. Hal ini dikarena kenaikan turbulensi udara, pengadukan yang lebih baik antara bahan bakar dan udara pengisian, sehingga pembakaran bahan bakar lebih baik. Dan juga karena efisiensi mekanis dari mesin meningkat dari kenyataan bahwa keluarannya lebih besar daripada kerugian mekanisnya. Mesin dua langkah biasanya telah mempunyai penghembus untuk udara bilas dan pengisian lanjut dapat diperoleh secara mudah dengan menaikkan jumlah dan tekanan udara bilas.

Contoh Soal :

1. Perbandingan kompresi siklus Diesel udara standard sebesar 16. Pada awal langkah kompresi tekanan sebesar 0.1 Mpa dan temepratur 15°C, kalor dipindahkan dalam satu siklus udara sebanyak 1800 kJ/kg udara. Tentukan

1. Tekanan dan temperatur akhir tiap proses siklus
2. Efisiensi termal
3. Tekanan efektif rata-rata
4. Awal kompresi

Penyelesaian :

Awal kompresi:

Akhir kompresi :

Akhir pemberian kalor pada tekanan konstan

q_s = c_p (T₃ – T₂) = 1800 kJ/kg

Akhir ekspansi :

Kalor dibuang
q_r = c_v (T₁ – T₄) = 0.7165 (288 – 1375) = -7778.7 kJ/kg

Efisiensi termal adalah :

Kerja bersih adalah :

w_net = 1800 – 778.7 = 1021.3 kJ/kg

Tekanan Mekanis efektif siklus adalah :

RANGKUMAN

Motor diesel diciptakan oleh Rudolf Diesel yang berkebangsaan Jerman pada tahun 1898. Karakteristik utama dari mesin diesel yang membedakannya dari motor bakar yang lain adalah metoda penyalaan bahan bakar. Dalam mesin diesel bahan bakar diinjeksikan ke dalam silinder, yang berisi udara bertekanan tinggi. Udara tersebut dikompresikan yang mengakibatkan suhu dan tekanannya meningkat, sehingga ketika bahan bakar yang dalam bentuk kabut halus bersinggungan dengan udara panas dan bertekanan tinggi tersebut, maka akan menyala, sehingga tidak dibututhkan alat penyalaan lain dari luar. Oleh karena itu, mesin diesel juga disebut mesin penyalaan kompresi.

Siklus Diesel merupakan siklus motor bakar yang mempunyai efisiensi paling rendah. Karena tekanan maksimum yang dihasilkan relativ lebih tinggi, untuk konstruksinya dibuat lebih kokoh yang juga dimanfaatkan untuk menahan goncangan. Ciri khas dari semua motor diesel adalah :

1. Hanya udara yang diisap dan dikompresikan

2. Bahan bakar disemprot ke dalam ruang bakar dalam bentuk kabut.

3. Tidak memerlukan alat perantara untuk pembakaran.

Terdapat dua metoda yang berbeda dari pembakaran bahan bakar dalam silinder mesin pada mesin diesel yaitu : 1). Pembakaran pada volume konstan berarti bahwa selama pembakaran volumenya tidak berubah dan semua energi panas yang ditimbulkan oleh bahan bakar menjadi kenaikan suhu dan tekanan gas; 2). Pembakaran pada tekanan konstan berarti bahwa selama pembakaran suhunya naik dengan kecepatan sedemikian sehingga kenaikan tekanan yang dihasilkan kira-kira cukup untuk melawan pengaruh pertambahan volume disebabkan gerakan torak, namun tekanan tidak berubah.

Pada motor diesel dua langkah, sebuah daur diselesaikan dalam dua langkah, atau satu putaran poros engkol; sedangkan pada motor diesel empat langkah memerlukan dua putaran. Keuntungan operasi mesin diesel dua langkah adalah penghilangan dua langkah pengisian yang diperlukan dalam operasi empat langkah. Sehingga silinder memberikan satu langkah daya untuk tiap putaran mesin kalau dibandingkan dengan satu langkah daya untuk tiap dua putaran pada mesin daur empat langkah. Kalau semua kondisi yang lain misalnya lubang, langkah, kecepatan dan tekanan gas efektif rata-rata sama, maka mesin dua langkah akan membangkitkan daya dua kali lipat daripada mesin empat langkah.

SOAL POST TEST MODUL 4.

1. Jelaskan keuntungan dan kerugian mesin diesel bila dibandingkan dengan mesin penggerak mula lainnya ?

2. Jelaskan karakteristik utama mesin diesel yang membedakannya dari motor bakar lainnya ? serta mengapa mesin diesel disebut mesin penyalaan kompresi (compression ignition engine) ?

3. Bagaimana efisiensi panas mesin diesel bila dibandingkan dengan efesiensi panas motor bakar lainnya ?

4. Jelaskan metode yang digunakan untuk mensuplai udara segar ke dalam selinder pada mesin diesel ?

5. Sebutkan proses kerja mesin diesel empat langkah ? kemudian jelaskan setiap proses yang terjadi pada mesing-masing langkahnya ?

6. Gambarkan siklus Diesel ? Kemudian jelaskan proses yang terjadi pada siklus diesel tersebut per langkah ?

7. Mengapa siklus diesel disebut siklus tekanan konstan ? apa perbedaan utama dengan siklus otto ?

8. Perbandingan kompresi siklus Diesel udara standard sebesar 18. Pada awal langkah kompresi tekanan sebesar 0.12 Mpa dan temperatur 20°C, kalor dipindahkan dalam satu siklus udara sebanyak 1800 kJ/kg udara. Tentukan

· Tekanan dan temperatur akhir tiap proses siklus e. Efisiensi termal

· Tekanan efektif rata-rata

· Awal kompresi

9. Sebuah motor bakar torak jenis 4 tak diketahui mempunyai tekanan efektif rata-rata (P_{eff rata-rata}) = 6,5 kg/cm³; volume langkah torak per silinder (V_L) adalah 750 cm³ ; jumlah silinder (z) 4 buah; putaran poros engkol (n) 1800 rpm; jumlah bahan bakar yang terpakai G_f = 25,29 kg/jam dengan nilai kalor bahan bakar (Q_c) 10000 kcal/kg, maka tentukan daya indikator rata-rata (P_{eff rata-rata}) dan efffisiensi thermalnya ?

10. Apa yang dimaksud dengan perbandingan kompresi dan bagaimana pengaruh nilai perbandingan kompresi terhadap kinerja mesin diesel ?

11. Apa yang dimaksud dengan pembakaran pada volume konstan dan pembakaran pada tekanan konstan dan apa keuntungan dan kerugiannya ?

12. Jelaskan prinsip kerja motor diesel dua langkah dan bedakan dengan empat langkah ?

13. Sebutkan bagaimana dan kapan proses pembilasan terjadi pada mesin diesel dua langkah ? kemudian sebutkan jenis-jenis pembilas ?

14. Apa keuntungan dari motor diesel dua langkah ?

15. Sebutkan fungsi supercahrger (turbocharger) pada motor diesel ?

BAHAN BACAAN

1. VL. Maleev, M.E.,DR. AM, Ir. Bambang Priambodo. Operasi dan pemeliharaan Mesin Diesel, Erlangga, Jakarta, 1995.

2. Arismunandar, Wiranto, Koichi Tsuda. Motor Diesel Putaran Tinggi, PT. PRADNYA PARAMITA, Jakarta, 1986.

3. Nakoela Soenarta; Shoichi Furuhama, Motor Serbaguna, PT Pradya Paramita, Jakarta, 1985.

4. Arismunandar, wiranto, Penggerak Mula Motor Bakar, ITB Bandung, 1988.

5. Michel A. Saad, Thermodinamika : prinsip dan aplikasi, PT. Prenhallindo, Jakarta. 2000.

6. Ir. Sudarman, MT, Siklus Daya Termal, UMM Press, Malang, 2001.