Motor Bakar

 

Pengertiaan motor bakar

            Motor bakar adalah alat yang berfungsi untuk mengkonversikan energi termal dari pembakaran bahan bakar menjadi energi mekanis, dimana proses  pembakaran berlangsung di dalam silinder mesin itu sendiri sehingga gas  pembakaran bahan bakar yang terjadi langsung digunakan sebagai fluida kerja  untuk melakukan kerja mekanis

 

   Klasifikasi motor bakar

            Pada umumnya motor bakar terbagi menjadi dua golongan utama, yaitu : 

A. Motor bakar pembakaran luar (External combustion engine) 

     Motor pembakaran luar adalah suatu proses pembakaran dimana energi gerak  atau mekanis dibangkitkan di luar ruang bakar. Dalam proses pembakaran  tersebut, energi dalam bahan bakar diubah menjadi energi panas yang terjadi di  luar silinder  motor. Sebagai contoh adalah proses pembakaran yang terjadi  pada mesin uap, dimana proses pembakarannya terjadi didalam ruang bakar  ketel uap. Energi panas yang diberikan merubah air menjadi uap, kemudian  uap dari ketel tersebut disalurkan kedalam silinder. Didalam silinder inilah uap tersebut menggerakan torak atau piston, sehingga tibul tenaga gerak. Motor bakar pembakaran luar memiliki keuntungan sebagai berikut :

1.   jenis-jenis bahan bakar yang dapat digunakan banyak

2.   mampu mengunakan bahan bakar bermutu rendah.

3.   lebih minim getaran

4.   mampu digunakan pada daya yang tinggi

 

B. Motor bakar pembakaran dalam (Internal combustion engine) 

     Motor pembakaran dalam adalah suatu proses pembakaran dimana energi  gerak atau energi mekanis dibangkitkan didalam ruang bakar. Proses  pembakarn silinder terjadi didalam silinder motor. Sebagai contoh adalah  motor bensin dan motor diesel. Didalam ruamg bakar energi mekanis  dibangkitkan oleh gerakan torak yang dihasil dari ledakan  bahan bakar dalam  ruang bakar (combustion chamber). Secara umum motor pembakaran dalam  mempunyai beberapa kelebihan sebagai berikut :

1.   Lebih hemat atau irit dalam pemakaian bahan bakar.

2.   Kontruksi mesin yang lebih sederhana dan lebih kecil.

 

     Pada umumnya motor pembakaran dalam (internal combustion engine) dibedakan dari sistem penyalaan bahan bakar yang diterapkan, yaitu :

1.  Motor bensin (Spark Ignition Engine)

Mesin bensin atau mesin Otto dari Nikolaus Otto adalah sebuah tipe mesin  pembakaran dalam yang menggunakan nyala busi untuk proses pembakaran  (Spark Ignition), dirancang untuk menggunakan bahan bakar bensin. Mesin  bensin berbeda dengan mesin diesel dalam metode pencampuran bahan bakar  dengan udara. Pada mesin bensin, umumnya udara dan bahan bakar dicampur  sebelum masuk ke ruang bakar. Pencampuran udara dan bahan bakar  dilakukan oleh karburator atau sistem injeksi. Bahan bakar yang becampur udara mengalir kedalam ruang bakar dan dikompresikan dalam ruang bakar,  kemudian dipercikan bunga api listrik yang berasal dari busi.

2. Mesin diesel

Mesin diesel adalah Sebuah mesin pemicu kompresi, dimana bahan bakar  dinyalakan oleh suhu tinggi gas yang dikompresi. Ketika udara dikompresi suhunya akan meningkat, mesin diesel menggunakan sifat ini untuk proses pembakaran. Udara di hisap ke dalam ruang bakar mesin diesel dan dikompresi oleh piston yang merapat, jauh lebih tinggi dari rasio kompresi dari mesin bensin. Beberapa saat sebelum piston pada posisi Titik Mati Atas (TMA) atau BTDC (Before Top Dead Center), bahan bakar diesel disuntikkan ke ruang bakar dalam tekanan tinggi melalui nozzle supaya bercampur dengan udara panas yang bertekanan tinggi. Hasil pencampuran ini menyala dan terbakar dengan cepat. Penyemprotan bahan bakar ke ruang bakar mulai dilakukan saat piston mendekati (sangat dekat) TMA untuk menghindari detonasi. Ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran mengembang dengan cepat, mendorong piston ke bawah dan menghasilkan tenaga linear.

 

  Penjelasaan motor otto dan siklus actual dan ideal

            Jenis motor menurut jumlah langkah persiklus, untuk motor pembakaran dalam (internal combustion engine) dapat digolongkan menjadi 2 golongan, yaitu:

A. Motor 2 langkah (2 tak)

     Motor dua langkah adalah motor bakar yang dalam satu proses pembakaran  memerlukan 2 kali langkah kerja. Bahan bakar yang masuk kedalam ruang bakar dicampurkan dengan pelumas (oli samping) sebagai fluida pendingin pada saat proses pembakaran. Pada motor 2 tak proses kerja dilakukan dalam satu putaran poros engkol, pada saat motor sedang berjalan, proses usaha dilakukan berulang-ulang dengan urutan yang sama.

Gambar Kontruksi Motor 2 Tak

     Pada motor 2 tak, gerakan torak(piston) menuju titik mati atas (TMA) disebut langkah  kompresi dan ketika torak bergerak menuju titik mati bawah (TMB) disebut langkah usahan atau pengembangan(ekspansi). Pengisian udara baru dan pembuangan gas hasil pembakaran terjadi hampir bersamaan, yaitu ketika torak berada pada titik mati bawah (TMB). Pengisian bahan bakar baru dalam silinder terjadi ketika tekanan udara melebihi tekanan gas dalam silinder.

Gambar  Siklus Kerja Motor 2 Tak

 

a.    Langkah pengisian

Torak bergerak dari TMA ke TMB. Pada saat saluran bilas masih tertutup  torak, di dalam bak mesin terjadi kompresi terhadap campuran bensin  dengan udara. Diatas torak, gas sisa pembakaran dari hasil pembakaran  sebelumnya sudah mulai terbuang keluar melalui saluran buang. Saat saluran bilas sudah terbuka, campuran bensin dengan udara mengalir melalui saluran bilas terus masuk kedalam ruang bakar.

b.   Langkah kompresi

Proses yang terjadi pada langkah kompresi ketika torak bergerak dari  TMB ke TMA. Rongga bilas dan rongga buang tertutup, terjadi langkah kompresi dan setelah mencapai tekanan tinggi busi memercikan bunga api listrik untuk membakar campuran bensin dengan udara. Pada saat yang bersamaan, di bawah (di dalam bak mesin) bahan bakar yang baru masuk kedalam bak mesin melalui saluran masuk.

c.    Langkah kerja (ekspansi)

Proses yang terjadi pada langkah Kerja (ekspansi) ketika torak kembali dari TMA ke TMB akibat tekanan besar yang terjadi pada waktu pembakaran bahan bakar. Saat itu torak turun sambil mengkompresi bahan bakar baru di dalam bak mesin. Proses ini berakhir pada saat sebelum torak mencapai TMB, yakni ketika lubang buang terbuka.

d.   Langkah buang dan pembilasan

Proses yang terjadi pada langkah buang ketika torak hampir mencapai  TMB, saluran buang terbuka dan gas sisa pembakaran mengalir terbuang keluar. Pada saat yang sama bahan bakar baru masuk kedalam ruang bahan bakar melalui rongga bilas terjadi pembilasan pada ruang engkol. Setelah mencapai TMB kembali, torak mencapai TMB untuk mengadakan langkah sebagai pengulangan dari yang dijelaskan sebelumnya.

 

B. Motor empat langkah (4 tak)

     Motor empat langkah adalah motor yang menyelesaikan satu siklus pembakaran dalam empat langkah torak atau dua kali putaran poros engkol, jadi dal satu siklus kerja telah mengadakan proses pengisian, kompresi dan penyalaan, ekspansi serta pembuangan. Dibandingkan dengan motor 2 tak, motor 4 tak lebih sulit dalam perawatan karena banyak komponen-komponen pada bagian mesinnya.  Pada motor empat tak titik paling atas yang mampu dicapai oleh gerakan torak disebut titik mati atas (TMA), sedangkan titik terendah yang mampu dicapai torak pada silinder disebut titik mati bawah (TMB). Dengan asumsi bahwa katup masuk dan katup buang terbuka tepat pada waktu piston berada pada TMA dan TMB, maka siklus motor 4 (empat) langkah dapat diterangkan sebagai berikut :  

Gambar  Siklus Motor Bakar  4 Langkah

 Untuk lebih jelasnya proses-proses yang terjadi pada motor bakar bensin 4 langkah dapat dijelaskan melalui siklus ideal dari siklus udara volume konstan seperti ditunjukkan pada Gambar 2.12.

Gambar  Diagram P-v Dari Siklus Ideal Motor Bakar Bensin 4-Langkah

 

Keterangan mengenai proses-proses pada siklus udara volume konstan dapat

dijelaskan sebagai berikut:

a.    Proses 0 ke 1 : Langkah hisap (Intake)

Pada langkah hisap campuran udara-bahan bakar dari karburator terhisap  masuk ke dalam silinder dengan bergeraknya piston ke bawah, dari TMA menuju TMB. Katup hisap pada posisi terbuka, sedang katup buang pada posisi tertutup. Di akhir langkah hisap, katup hisap tertutup secara otomatis.

b.   Proses 1 ke 2 : Langkah kompresi 

Pada langkah kompresi katup hisap dan katup buang dalam keadaan tertutup. Selanjutnya piston bergerak ke atas, dari TMB menuju TMA. Akibatnya campuran udara-bahan bakar terkompresi. Proses kompresi ini menyebabkan terjadinya kenaikan temperatur dan tekanan campuran tersebut, karena volumenya semakin kecil.

c.    Proses 2 ke 3 : Langkah pembakaran volume konstan

Pada saat piston hampir mencapai TMA, loncatan nyala api listrik diantara kedua elektroda busi diberikan ke campuran udara-bahan bakar terkompresi sehingga sesaat kemudian campuran udara-bahan bakar ini terbakar. Akibatnya terjadi kenaikan temperatur dan tekanan yang drastis.

d.   Proses 3 ke 4 : Langkah kerja/ekspansi (Expansion)

Kedua katup masih pada posisi tertutup. Gas pembakaran yang terjadi selanjutnya mampu mendorong piston untuk bergerak kembali dari TMA menuju TMB. Dengan bergeraknya piston menuju TMB, maka volume gas pembakaran di dalam silinder semakin bertambah, akibatnya temperatur dan tekanannya turun.

e.    Proses 4 ke 1 : Langkah buang volume konstan (Exhaust)

Saat piston telah mencapai TMB, katup buang telah terbuka secara otomatis sedangkan katup hisap masih pada posisi tertutup. Langkah ini dianggap sebagai langkah pelepasan kalor gas pembakaran yang terjadi pada volume konstan.

f.    Proses 1 ke 0 : Langkah buang tekanan konstan

Selanjutnya piston bergerak kembali dari TMB menuju TMA. Gas pembakaran didesak keluar melalui katup buang (saluran buang) dikarenakan bergeraknya piston menuju TMA. Langkah ini dianggap sebagai langkah pembuangan gas pembakaran pada tekanan konstan.

 

   Persamaan unjuh kerja motor bakar

A. Volume Silinder 

     Volume silinder antara TMA dan TMB disebut volume langkah torak (V1). Sedangkan volume antara TMA dan kepala silinder (tutup silinder) disebut volume sisa (Vs). Volume total (Vt) ialah isi ruang antara torak ketika ia berada di TMB sampai tutup silinder.

 

Vt = V1+Vs

 

 

      

Dimana:

Vt  =  Volume total (m³)

V1  =  Volume langkah torak (m³)

Vs  =  Volume Sisa (m³)

     Dengan demikian besaran dan ukuran motor bakar menurut volume silinder tergantung dari banyaknya silinder yang digunakan dan besarnya volume silinder.

 

B. Perbandingan Kompresi

     Hasil bagi volume total dengan volume sisa disebut sebagai perbandingan kompresi.

Dimana :

V1 = volume langkah torak (m³)

Vs = volume sisa (m³)

 

     Perbandingan kompresi tidak dapat dinaikan tanpa batas, karena motor

pembakaran yang menggunakan busi akan timbul suara menggelitik kalau

perbandingan kompresinya terlalu tinggi.

 

C. Torsi dan Daya Poros

     Dinamometer biasanya digunakan untuk  mengukur torsi sebuah mesin. Adapun mesin yang akan diukur torsinya tersebut diletakkan pada sebuah testbed dan poros keluaran mesin dihubungkan dengan rotor dinamometer. Rotor dihubungkan secara elektromagnetik, hidrolis, atau dengan gesekan mekanis terhadap stator  yang ditumpu oleh bantalan yang mempunyai gesekan kecil. Torsi yang dihasilkan oleh stator ketika rotor tersebut berputar diukur dengan cara menyeimbangkan stator dengan alat pemberat, pegas, atau pneumatik. Hambatan ini akan menimbulkan torsi (T), sehingga nilai daya (P) dapat ditentukan sebagai berikut :

 

 

Dimana :

n = putaran mesin (rpm)

T = torsi (Nm)

    

     Torak yang didorong oleh gas membuat usaha. Baik tekanan maupun suhunya akan turun waktu gas berekspansi. Energi panas diubah menjadi usaha mekanis. Konsumsi energi panas ditunjukkan langsung oleh turunnya suhu. jika toraknya tidak mendapatkan hambatan dan tidak menghasilkan usaha gas tidak akan berubah meskipun tekanannya turun.

 

D. Tekanan Efektif Rata-rata (BMEP)

     Nilai BMEP adalah merupakan tekanan efektif rata-rata (brake mean effective pressure) yang diukur dengan menggunakan sebuah dynamometer dan BMEP menunjukkan besar nilai daya mesin pada tiap satuan volume silinder pada putaran tertentu dan tidak tergantung dari ukuran motor bakar. Besar nilai BMEP dapat dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut :

Dimana : 

P = daya (kW)

N = putaran mesin (rpm)

Vd= volume langkah total silinder (m3)

Z  = sistem siklus (4 langkah =2, 2 langkah =1)

 

E. Efisiensi Thermis

     Perbandingan antara energi yang dihasilkan dan energi yang dimasukkan

pada proses pembakaran bahan bakar disebut efisiensi thermis rem (brake

thermal efficiency) dan ditentukan sebagai berikut :

 

Dimana :

H       = nilai kalor untuk bahan bakar premium = 10500 kcal/kg, Minyak gas  = 10400 kcal/kg. 

SFC  = konsumsi bahan bakar spesifik

     Nilai kalor mempunyai hubungan dengan berat jenis. Pada umumnya semakin tinggi berat jenis maka semakin rendah nilai kalornya.

F. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)

     Konsumsi bahan bakar spesifik (SFC) ditentukan dalam g/PSh atau g/kWh dan lebih umum digunakan dari pada ηbt. Besar nilai SFC adalah kebalikan dari pada ηbt. Penggunaan bahan bakar dalam gram per jam. Dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut :

Dimana :

SFC  = konsunsi bahan bakar spesifik (kg/kWh)

P       = daya mesin (kW)

 

Sedang nilai mf dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut:

 

 

Dimana :

b    =  volume. (cc)

t     = waktu (detik)

ρ_bb = masa jenis bahan bakar (kg/l)

mf = adalah penggunaan bahan bakar per jam pada kondisi tertentu

 

  Fenomena kerugian pada motor bakar

Berikut ini ada 2 jenis tabung induksi yang diterapkan pada sepeda motor 4 langkah:

A. Tabung Induksi dengan Satu Saluran

     Prinsip kerjanya sama dengan tabung induksi pada sepeda motor 2 langkah. Hanya saja dengan volume tabung yang lebih kecil, maka tabung ini dapat bekerja secara optimal pada putaran menegah (di atas 2700 rpm). Misalkan volume tabung induksi 120 cc dengan panjang selang 15 cm dan diameter selang 8 mm, maka dengan menggunakan rumus Hemholtz mengenai resonansi gas pada tabung, akan didapatkan kerja optimal tabung induksi pada putaran mesin 3500 rpm. Dengan demikian, tabung induksi bekerja secara optimal pada putaran menegah.

 

 

B. Tabung Induksi dengan Dua Saluran

     Tabung induksi ini memiliki bahan yang sama dengan tabung induksi dengan 1 saluran. Salah satu lubang terhubung dengan intake manifold, sedangkan lubang yang lainnya dihubungkan dengan saluran udara masuk pada karburator. Penambahan lubang yang dihubungkan dengan karburator bertujuan untuk mencegah terjadinya hambatan yang berlebihan ketika motor berada pada putaran tinggi, sehingga dapat mengurangi kerugian kerja pada proses pengisapan karena hambatan tersebut. Tujuan lain dari penempatan salah satu saluran tabung pada saluran masuk karburator adalah agar ketika terjadi kelebihan suplai campuran bahan bakar dan udara pada tabung induksi tersebut, suplai campuran bahan bakar dan udara tersebut tidak terbuang ke udara bebas, namun kembali terhisap masuk melalui karburator. Dengan volume yang sama dengan tabung induksi 1 saluran, maka tabung induksi inipun akan bekerja pada putaran (rpm) menengah.