[Materi 2] Klasifikasi Motor Pembakaran dan Perhitungan Unjuk Kerja Motor Pembakaran Dalam

image
2.1 Definisi Motor Bakar

Motor bakar adalah mesin atau pesawat yang menggunakan energi panas untuk melakukan kerja mekanik, yaitu dengan cara merubah energi kimia dari bahan bakar (bensin/solar) menjadi energi panas, kemudian menggunakan energi tersebut untuk melakukan kerja mekanik. Energi panas diperoleh dari pembakaran bahan bakar pada mesin itu sendiri.

Apabila ditinjau dari cara memperoleh energi panas tersebut, proses pembakaran bahan bakar , maka motor bakar dapat dibagi menjadi 2 golongan yaitu :

  • Motor Pembakaran Luar / External Combustion Engine , dan
  • Motor Pembakaran Dalam / Internal Combustion Engine.
    image
    .
    2.2 Klasifikasi Motor Bakar
    Ditinjau dari cara memperoleh energi panas tersebut, proses pembakaran bahan bakar, maka motor bakar dapat dibagi menjadi 2 golongan yaitu :
    a. Motor Pembakaran Luar / External Combustion Engine, dan
    b. Motor Pembakaran Dalam / Internal Combustion Engine.
    2.2.1 Motor Pembakaran Luar
    Pada motor pembakaran luar ini, proses pembakaran bahan bakar terjadi di luar mesin tersebut, sehingga untuk melakukan pembakaran digunakan mesin tersendiri. Panas dari hasil pembakaran bahan bakar tidak langsung diubah menjadi tenaga gerak, tetapi terlebih dulu melalui media penghantar, baru kemudian diubah menjadi tenaga mekanik. Contohnya : Pada ketel uap, boiler, mesin uap, turbin uap.
    2.2.1.1 Mesin Turbin Uap Pembangkit Tenaga Listrik
    Turbin uap adalah komponen konversi energi utama dalam sebuah pembangkit listrik tenaga termal. Turbin uap berfungsi untuk mengubah energi panas dari uap menjadi energi mekanik (putaran) sebagai penggerak generator untuk menghasilkan energi listrik. Biasanya turbin uap langsung terkopel dengan generator sehingga sering disebut steam turbine generator
    Prinsip kerja dari turbin uap yaitu uap masuk kedalam turbin melalui nosel. Nosel tersebut berfungsi mengubah energi panas dari uap menjadi energi kinetis. Tekanan uap pada saat keluar dari nosel lebih kecil dari pada saat masuk ke dalam nosel, akan tetapi sebaliknya kecepatan uap keluar nosel lebih besar dari pada saat masuk ke dalam nosel. Uap yang memancar keluar dari nosel diarahkan ke sudu-sudu turbin yang berbentuk lengkungan dan dipasang disekeliling rotor turbin. Uap yang mengalir melalui celah antara sudu turbin itu dibelokkan mengikuti arah lengkungan dari sudu turbin. Perubahan kecepatan uap ini menimbulkan gaya yang mendorong dan kemudian memutar poros turbin yang menghasilkan energi mekanik.
    2.2.2 Motor Pembakaran Dalam
    Pada motor pembakaran dalam, proses pembakaran bahan bakar terjadi di dalam mesin tersebut, sehingga panas dari hasil pembakaran langsung bisa diubah menjadi tenaga mekanik/gerak. Contohnya : Pada turbin gas, motor bakar torak, dan mesin propulsi. Motor Pembakaran dalam adalah mesin kalor yang mengkonversi energi kimia dalam bahan bakar menjadi energi mekanis. Energi kimia dalam bahan bakar pertama-tama diubah menjadi energi thermal melalui proses pembakaran atau oksidasi dengan bantuan udara dalam ruang bakar. Energi tersebut akan menaikkan temperatur dan tekanan didalam ruang bakar sehingga tekanan tinggi tersebut akan menggerakkan mekanisme mekanis pada mesin. Mekanisme ini akhirnya akan menyebabkan adanya rotasi yang merupakan keluaran yang diharapkan pada umumnya.
    Beberapa ilmuwan yang turut andil dalam penemuan Motor Pembakaran Dalam / Internal Combustion Engine :
  • Tahun 1680, Fisikawan Belanda, Dhristian Huygens mendesain mesin pembakaran dalam yang menggunakan bahan bakar bubuk mesiu, tapi tidak pernah dibuat secara fisik, hanya desain saja.
  • Tahun 1807, Francois Isaac de Rivaz dari Switzerland menemukan mesin pembakaran dalam yang menggunakan bahan bakar campuran hidrogen dan oksigen. Rivaz membuat mobil dengan mesin temuannya itu, tapi tidak berhasil.
  • Tahun 1824, Insinyur Inggris, Samuel Brown, mengadaptasi mesin uap Newcomen, dengan melakukan pembakaran gas sebagai tenaga, bukan uap. Sebagai alat angkut barang ke bukit Shooter (Shooter’s hill) di London
  • Tahun 1859, Belgia melahirkan seoarang alhi tehnik Jean Joseph Etienne Lenoir. Sebagai penemu, ia juga mematenkan temuannya di tahun 1860, yaitu: mesin 2 tak dengan bahan bakar gas batubara dengan sistim pembakaran lompatan bunga api electrik. Tahun 1863 Lenoir mengembangkan temuan mesinnya menggunakan bahan bakar minyak tanah (petroleum) yang mampu menempuh perjalanan 50 mil ( +75 km).
  • Tahun 1862, Alphonse Beau de Rochas, insinyur sipil perancis mematenkan temuannya tentang mesin 4 tak tapi tidak pernah membuatnya dalam bentuk jadi.
  • Tahun 1864, Insinyur Austria, Siegfried Marcus, membuat mesin satu cylinder dengan menggunakan karborator kasar, dan menggunakan mesin itu dipasang pada gerobak pedati. Beberapa tahun kemudian ia merancang sebuah alat angkut yang berkecepatan 10 mph (mill per Hour/mill perjam).
  • Tahun 1873, George Braxton, insinyur Amerika mengembangkan mesin 2 langkah dengan bahan bakar kerosin, dia menggunakan dua buah pompa cylinder luar. Tapi pengembangan itu gagal.
  • Tahun 1876, Nikolaus August Otto, adalah seorang penemu berkebangsaan Jerman menciptakan mesin dengan empat (4) langkah pembakaran atau 4 tak. Didasarkan atas temuan mesin 2 tak Lenoir. Otto terpikir gagasan sebuah mesin dasar model baru, yang bergerak atas dasar empat (4) langkah putaran (berbeda dengan mesin sederhana Lenoir yang bekerja atas dasar dua (2) langkah putaran).
  • Tahun 1885, Gottlieb Daimler, menemukan sistem mesin dan membuat prototipe mesin gas modern ( modern gas engine ), dengan bentuk cylinder vertikal, yang menginjeksikan gasolin melalui karborator (dipatenkan tahun 1887).
  • Tahun 1886, 29 Januari, Karl Benz menerima hak patennya atas mobil dengan bahan bakar gas (a gas-fueled Car).
  • Tahun 1889, Daimler mengembangkan mesin 4 tak dengan bentuk valve jamur dan 2 V-slant Cylinder.
  • Tahun 1890, Wilhem Maybach membangun pertama kali mesin 4 tak - 4 Cylinder .

2.2.2.1 Mesin Turbin Gas Propulsi
Turbin gas propulsi atau dikenal mesin pesawat terbang merupakan salah satu mesin pembakaran dalam / Internal Combustion Engine. Mesin ini secara sederhana beroperasi dalam 4 langkah sama seperti mesin torak 4 tak, yaitu intake, kompresi, pembakaran, pembuangan (exhaust).
image
Cara kerjanya adalah sebagai berikut :

  • Udara dari depan pesawat masuk ke mesin melewati inlet . Inlet ini berupa difuser, yaitu bagian untuk merubah kecepatan udara yang tinggi menjadi tekanan yang tinggi dengan cara menurunkan kecepatan. Perlu di ketahui bahwa kompresor akan optimal bekerja ketika udara masuk berkecepatan rendah.
  • Udara berkecepatan rendah dan tekanan tinggi diatas kemudian memasuki kompresor untuk dikompresi atau dinaikkan tekananya, penaikan tekanan ini sangatlah tinggi dan rapat, semakin tinggi maka performa mesin akan semakin baik. Penaikan tekanan ini disertai dengan naiknya suhu.
  • Setelah udara memiliki tekanan dan suhu yang tinggi, udara tersebut dicampur dengan bahan bakar sehingga dengan mudah terbakar dan menghasilkan ledakan di dalam ruang bakar. Berbeda dengan mesin piston, pada turbin gas, pemantikan (busi) hanya dilakukan sekali pada saat starter , mirip seperti menyalakan kompor gas.
  • Udara hasil pembakaran yang sangat panas dan berkecepatan tinggi ini kemudian menggerakkan turbin. Turbin berfungsi merubah energi panas dan energi dari kecepatan udara tersebut menjadi putaran yang sangat tinggi. Adapun turbin tersebut dihubungkan dengan kompresor, sehingga kompresor dapat menjalankan fungsinya seperti penjelasan ke-1 sehingga mesin akan berputar secara kontinyu.
  • Setelah melewati turbin, energi dari udara masih cukup tinggi. Energi tekanan dan suhu yang tinggi tersebut diubah menjadi energi kecepatan dengan menggunakan nozzle , keluar dari nozzle , udara memiliki kecepatan yang sangat tinggi sehingga menghasilkan gaya dorong atau kita kenal dengan thrust yang sangat tinggi pula. Gaya dorong inilah yang dimanfaatkan untuk mendorong pesawat.

Mesin jet memiliki banyak jenis yang dipakai oleh pesawat pada umumnya yaitu turbojet, turboprop, turboshaft, dan turbofan .

.
2.3 Formula Perhitungan Daya Mesin Pembakaran Dalam 2 Langkah dan 4 Langkah
Untuk mengetahui unjuk kerja motor pembakaran dalam yang beroperasi pada kondisi tertentu, beberapa parameter dasar harus diukur :
a. Pengukuran kecepatan putar
Salah satu dari pengukuran dasar adalah pengukuran kecepatan putar. Terdapat banyak macam peralatan pengukuran kecepatan putar yang tersedia di pasaran. Mulai dari tachometer mekanik sampai digital dan triggered electrical tachometer.

b. Pengukuran konsumsi bahan bakar
Terdapat dua (2) metode pengukuran dasar konsumsi bahan bakar :
• Metode Grafimetrik
Metode ini mengukur laju aliran massa bahan bakar yang dikonsumsi mesin. Metode grafimetrik hampir sama dengan metode volumetrik, namun dalam metode ini tabung berisi bahan bakar ditimbang sehingga berat bahan bakar yang dikonsumsi selama selang waktu tertentu dapat diukur dan dicatat.
• Metode Volumetrik
Metode ini mengukur laju aliran volume bahan bakar yang dikonsumsi mesin. Metode yang paling sederhana dengan metode ini adalah metode burrete (gelas ukuran). Pada metode ini bahan bakar ditempatkan dalam burrete. Dari burrete ini bahan bakar dialirkan ke dalam mesin melalui selang. Volume bahan bakar yang dikonsumsi selama selang waktu tertentu kemudian dicatat.

c.Pengukuran daya
Pengukuran BHP adalah salah satu yang terpenting dari pengukuran-pengukuran dalam jadwal pengujian suatu mesin. Pengukuran ini melibatkan torsi dan kecepatan putar poros keluaran mesin. Alat pengukur torsi ini disebut dengan dinamometer. Untuk menghitung daya yang dihasilkan oleh motor bensin dapat dilakukan pengukuran menggunakan dynamometer menggunakan rumus :
image
Dimana :
BHP = Brake Horse Power (dk)
P = Gaya aksi dynamometer (Newton)
R = Panjang lengan dynamometer (m)
Nd = Putaran motor (rpm)
X = Faktor pengkonversi

.
2.4 Kelebihan dan Kekurangan Motor Pembakaran Luar dan Dalam

Kelebihan motor pembakaran luar dibandingkan dengan motor pembakaran dalam :

  • Cocok untuk dipakai pada kendaraan dengan daya tinggi.
  • Dapat menggunakan bahan bakar dengan kualitas atau mutu yang rendah.
  • Cocok untuk melayani beban-beban besar di dalam satu poros
  • Dapat memakai semua jenis bahan bakar (bahan bakar cair, bahan bakar padat atau bahan bakar gas).

Contoh kendaraan yang menggunakan motor pembakaran luar yaitu : kereta api uap dan kapal uap.

Kekurangan pembakaran luar:

  • Konstruksi rumit
  • Banyak memakan tempat

Kelebihan motor pembakaran dalam dibandingkan dengan motor pembakaran luar :

  • Lebih cepat dan lebih mudah untuk dijalankan (dioperasikan).
  • Konstruksi mesin lebih sederhana (kecil) karena tidak seperti pada mesin pembakaran luar yang memerlukan komponen tambahan, misalnya pada mesin uap maka mesin tersebut memerlukan ketel uap.
  • Karena konstruksi mesin sederha maka mesin pembakaran dalam ini tidak memerlukan tempat yang luas atau tidak memakan tempat dibandingkan dengan mesin pembakaran luar
  • Pemakaian bahan bakar yang digunakan akan lebih hemat karena mesin pembakaran dalam memiliki efiiensi panas yang lebih baik.

Kekurangan pembakaran dalam:

  • Tidak bisa menggunakan bahan bakar yang sambarang
  • Membutuhkan kompresi yang tinggi untuk memanaskan ruang bakar yang berguna untuk penguapan bahan bakar.

.
Referensi:
-ppt mata kuliah Konversi dan Konservasi Energi prodi teknik mesin UPN Veteran Jakarta
-h*ttp://aeroengineering.co.id/2016/06/cara-kerja-turbin-gas-propulsi-mesin-pesawat-terbang/

-h*ttp://digilib.polban.ac.id/files/disk1/144/jbptppolban-gdl-gerrygumel-7176-3-bab2–1.pdf

-Bambang Sugiarto, Motor Pembakaran Dalam. Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia, 2005