Motor Bakar

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

A.           Motor Bakar

Salah satu jenis penggerak mula yang banyak dipakai adalah motor kalor. Motor kalor yaitu motor yang menggunakan energi termal untuk melakukan kerja mekanik, atau motor yang mengubah energi termal menjadi energi mekanik. Energi itu dapat diperoleh dengan proses pembakaran. Ditinjau dari cara memperoleh energi termal, mesin kalor dibagi menjadi dua golongan, yaitu motor pembakaran luar dan motor pembakaran dalam.

Motor pembakaran luar proses pembakarannya terjadi diluar mesin. Energi termal dari gas hasil pembakaran dipindahkan ke fluida kerja melalui beberapa dinding pemisah, sebagai contoh motor uap. Motor pembakaran dalam pada umumnya dikenal dengan motor bakar. Proses pembakarannya berlangsung didalam motor bakar itu sendiri sehingga gas hasil pembakaran sekaligus menjadi fluida kerja. Motor bakar torak menggunakan satu atau beberapa silinder yang didalamnya terdapat torak yang bergerak translasi. Pembakaran antara bahan bakar dengan oksigen dari udara terjadi didalam silinder. Gas pembakaran yang dihasilkan mampu menggerakan torak yang dihubungkan dengan poros engkol memakai batang penghubung (connecting rod). Gerak translasi torak menyebabkan gerak rotasi pada poros engkol dan sebaliknya gerak rotasi poros engkol menyebabkan gerak translasi pada torak.

Tabel 2.1

Penggolongan Motor Kalor

Golongan	Kelompok Jenis	Gerak	Daya Mesin *	Aplikasi
Motor bakar luar (external combustion engine)	Motor uap torak	Translasi	Kecil dan sedang	Lokomotif
	Turbin uap	Rotasi	Sedang dan besar	Pusat tenaga listrik, kapal laut
	Mesin udara panas	Translasi	Kecil	Tidak ada
	Turbin gas siklus tertutup	Rotasi	Sedang dan besar	Pusat tenaga listrik, kapal laut
Motor bakar dalam (internal combustion engine)	Motor bensin	Translasi dan rotasi (motor wankel)	Kecil dan sedang	Kendaraan jalan darat, kapal laut kecil, industry pesawat terbang
	Motor diesel	Translasi	Kecil dan sedang	Kendaraan jalan barat, kapal laut, industry, pusat
	Motor gas	Translasi	Kecil dan sedang	Indusri pusat tenaga
	Turbin gas	Rotasi	Sedang dan besar	Pusat tenaga listrik, pesawat terbang
	Propulsi pancar gas	Rotasi	Sedang dan besar	Pesawat terbang

(Arismunandar W, 2005:7)

*Kecil, dibawah 1000 kW

  Sedang, antara 1000 - 10000 kW

  Besar, diatas 10000 kW

B.            Motor Bensin

Kendaraan yang dipergunakan saat ini hampir semua bekerja dengan siklus empat langkah. Siklus empat langkah sudah dipergunakan sejak tahun 1876, yaitu pada waktu Dr. N.A. Otto berhasil membuat motor bakar torak dengan siklus kerja empat langkah yang pertama. Motor bensin merupakan perkembangan dan perbaikan motor yang sejak semula dikenal dengan motor Otto. Motor tersebut dilengkapi dengan busi dan karburator. Karburator merupakan tempat bercampurnya bahan bakar dan udara (oksigen). Busi menghasilkan loncatan api listrik untuk menyalakan campuran bahan bakar dan udara.

Campuran bahan bakar dan udara sangat mudah terbakar. Campuran bahan bakar dan udara kemudian masuk ke dalam silinder yang akan dinyalakan oleh loncatan api listrik dari busi menjelang akhir langkah kompresi. Ledakan pembakaran bahan bakar dan udara menyebabkan motor menghasilkan daya. Didalam siklus Otto (ideal) pembakaran tersebut dimisalkan sebagai pemasukan panas pada volume konstan.

Motor bensin merupakan motor pembakaran dalam dan menggunakan bensin (premium)/ pertamax sebagai bahan bakarnya. Sistem penyalaannya merupakan sistem penyalaan busi, yaitu campuran bahan bakar dan udara yang dikompresikan diberikan percikan api oleh busi, oleh karena itu motor bensin disebut juga spark ignition engine. Motor bensin terdiri terdiri dari dua jenis, yaitu motor bensin dua langkah dan empat langkah. Motor bensin dua langkah adalah motor yang membutuhkan dua kali langkah torak dan satu kali putaran poros engkol untuk menghasilkan satu kali usaha/ kerja. Motor bensin empat langkah adalah motor yang membutuhkan empat kali langkah torak dan dua putaran poros engkol untuk menghasilkan satu kali usaha/ kerja.

C.           Prinsip Kerja Motor Dua Langkah

Gambar 2.1 Siklus Kerja Motor Otto Dua Langkah

(http://motomodif-world.blogspot.com/2009/01/langkah-kerja-motor-bensin-2-tak.html)

1.             Piston Bergerak Dari TMB Menuju TMA

Gambar 2.2 Langkah Kompresi dan Langkah Hisap Motor Dua Langkah

(http://motomodif-world.blogspot.com/2009/01/langkah-kerja-motor-bensin-2-tak.html)

Motor dua langkah dalam satu gerakan piston terjadi dua kejadian atau proses. Saat piston bergerak dari TMB menuju ke TMA terjadi langkah kompresi dan langkah hisap. Langkah kompresi terjadi sesaat setelah ruang bilas tertutup ini terjadi diatas piston. Langkah hisap terjadi ketika saluran hisap mulai terbuka kemudian campuran bahan bakar dan udara menuju ke crankcase dan ini terjadi dibawah piston. Kejadian tersebut terjadi secara bersamaan.

2.             Piston Bergerak Dari TMA Menuju TMB

Gambar 2.3 Langkah Usaha dan Langkah Buang Motor Dua Langkah

(http://motomodif-world.blogspot.com/2009/01/langkah-kerja-motor-bensin-2-tak.html)

Siklus ini terjadi langkah usaha dan langkah buang yang berlangsung tidak bersamaan. Terjadi langkah usaha terlebih dahulu kemudian saluran bilas dan saluran buang terbuka, yang terjadi pada langkah ini adalah kejadian diatas piston, sebelum piston mencapai ke TMA busi akan memercikan loncatan api listrik sehingga campuran bahan bakar dan udara terbakar sehigga menimbulkan daya dorong pada piston yang bergerak menuju TMB. Kejadian dibawah piston, ketika piston bergerak menuju TMB akibat daya dorong, campuran bahan bakar dan udara pada crankcase akan terdesak dan menuju kesaluran bilas, sesaat setelah saluran bilas terbuka oleh pergerakan piston campuran bahan bakar dan udara akan masuk dan sisa pembakaran akan keluar melalui saluran buang (exhaust port).

D.           Proses Termodinamika Motor Otto Dua Langkah

1.             Siklus Ideal Motor Otto Dua Langkah

Siklus udara volume konstan (siklus Otto) seperti pada gambar 2.3 P (tekanan) V (volume). Sifat ideal yang dipergunakan serta keterangan mengenai proses siklus adalah seperti dibawah ini:

Gambar 2.4 Diagram P-V Motor Otto Dua Langkah

(Ganesan V. Internal Combustion Engine. Second edition.New Delhi. Tata Mc Graw -Hill)

Keterangan:

P          = Tekanan (Kg/Cm²)

V         = Volume Spesifik (M³/Kg)

Q_m         = Kalor Masuk (Kcal/Kg)

Q_k          = Kalor Keluar (Kcal/Kg)

Siklus dianggap tertutup, artinya siklus ini berlangsung dengan fluida kerja yang sama atau gas yang berada didalam silinder pada titik satu dapat dikeluarkan dari dalam silinder pada waktu langkah buang, pada langkah isap berikutnya akan masuk sejumlah fluida kerja yang sama.

2.             Siklus Sebenarnya Motor Otto Dua Langkah

Gambar 2.5 Siklus Sebenarnya Motor  Dua Langkah

(Arismunandar W. 2005:31)

Siklus sebenarnya terjadi pada keadaan yang sesungguhnya, pada siklus sebenarnya ini terjadi banyak kerugian yang disebabkan beberapa hal, antara lain yaitu (Arismunandar W, 2005:29):

a.  Kebocoran fluida kerja karena penyekatan oleh cincin torak dan katup tidak dapat sempurna.

b.  Fluida kerja bukanlah udara yang dapat dianggap sebagai gas ideal dengan kalor spesifik yang konstan selama proses siklus berlangsung.

c.  Saat torak berada di Titik Mati Atas, tidak terdapat pemasukan kalor seperti pada siklus udara. Kenaikan tekanan dan temperatur fluida kerja disebabkan oleh proses pembakaran antara bakan bakar dan udara di dalam silinder.

d. Proses pembakaran tidak terjadi sekaligus, dalam arti memerlukan waktu. Proses pembakaran harus sudah dimulai beberapa derajat sudut engkol sebelum torak mencapai Titik Mati Atas dan berakhir beberapa derajat sudut engkol sesudah torak bergerak kembali dari Titik Mati Atas menuju Titik Mati Bawah.

e.  Kerugian kalor yang disebabkan oleh perpindahan kalor dari fluida kerja ke fluida pendingin, terutama pada langkah kompresi, usaha, dan pada waktu gas buang meninggalkan silinder. Perpindahan kalor tersebut terjadi karena adanya perbedaan antara temperatur fluida kerja dengan fluida pendingin. Fluida pendingin diperlukan untuk mendinginkan bagian mesin yang menjadi panas untuk mencegah bagian tersebut dari kerusakan.

f.   Kerugian energi kalor yang dibawa oleh gas buang dari dalam silinder ke atmosfer sekitarnya. Energi tersebut tidak dapat dimanfaatkan untuk melakukan kerja mekanik.

g.  Terdapat kerugian energi akibat gesekan fluida kerja dengan dinding pemasukannya.

E.            Kepala Silinder (Cylinder Head)

Kepala silinder terlihat tidak begitu menarik namun desain memiliki pengaruh besar seberapa baik engine akan bekerja. Pabrik menggunakan berbagai bentuk eksternal dan pola sirip pendinginan, tetapi kebutuhan utama adalah daerah pendinginan harus cukup luas untuk mendinginkan engine. Beberapa orang percaya bahwa kepala silinder harus memiliki sirip radial agar lebih baik. Sirip konvensional pun sangat memadai, ini berbicara tentang perhitungan luas permukaan bukan pola dari sirip (Grahambell, A :8).

Lebih penting lagi adalah dari bentuk ruang bakar dan posisi dari busi. Selama bertahun-tahun banyak sekali desain ruang bakar yang telah dicoba, tetapi hanya beberapa saja yang sesuai untuk menghasilkan engine dengan tenaga yang besar. Untuk memahami jenis ruang bakar maka harus memahami apa itu detonasi dan bagaimana mengatasi masalahnya. Detonasi terjadi ketika sebagian dari campuran bahan bakar dan udara terbakar secara spontan setelah pembakaran normal terjadi. Detonasi dapat menyebabkan kerusakan pada komponen engine.

Kondisi yang dapat menujukan detonasi adalah campuran bahan bakar dan udara, kompresi tinggi, temperatur yang tinggi dan pembakaran lanjutan. Sebuah piston dengan bagian atas yang tinggi atau suhu dari pembakaran dapat menyebabkan terjadinya detonasi.

Peneliti telah menemukan bahwa gas yang luar biasa yang terdapat di ruang bakar yang disebut gas sisa pembakaran yang dapat memicu ledakan. Gas ini dipanaskan oleh logam sekitarnya bagian atas piston, ruang pembakaran, jika percikan api mencapai tepi luar dari ruang bakar dengan sangat cepat ini mengakibatkan gas sisa tidak cukup waktu untuk memanaskan endapan detonasi. Kunci untuk menghindari detonasi adalah menjaga gas buang tetap dingin dan mengurangi waktu perambatan api menuju gas buang. Langkah yang jelas akan memenuhi syarat kedua dengan membuat ruang bakar sekecil mungkin dan menempatkan posisi busi ditengah ruang bakar. Ruang bakar yang kecil dan posisi busi ditengah akan mengurangi perjalanan api (Grahambell, A :8-9).

Kepala silinder berfungsi sebagai penutup lubang silinder pada blok silinder dan tempat dudukan busi. Kepala silinder bertumpu pada bagian atas blok silinder. Titik tumpunya disekat dengan gasket (paking) untuk menjaga agar tidak terjadi kebocoran kompresi, disamping itu agar permukaan metal kepala silinder dan permukaan bagian atas blok silinder tidak rusak. Kepala silinder biasanya dibuat dari bahan Aluminium campuran (Aluminium Alloy), supaya tahan karat , tahan pada suhu tinggi serta ringan. Biasanya bagian luar kontruksi kepala silinder bersirip, ini untuk membantu melepaskan panas pada mesin berpendingin udara.

Kepala silinder

Gambar 2.6 Kepala Silinder Yamaha Rx-King

http://sparepartmotorbrj.blogspot.com/2013/03/head-cylinder-rx-kng.html

Tabel 2.2

Perbedaan Kontruksi Kepala Silinder Motor Dua Langkah Dan Empat Langkah

(http://syahrulyensya.wordpress.com/2011/04/06/teknik-sepeda-motor/)

F.            Ruang Bakar dan Bentuk/ Design Ruang Bakar

Internal combustion engine ruang bakar merupakan yang sangat penting karena disinilah terjadinya konversi energi dari energi panas menjadi energi mekanik dengan melalui proses pembakaran. Ruang bakar adalah ruangan yang dibentuk diantara kepala silinder dengan piston bagian atas, dengan maksud agar pembakaran dapat terlaksana dengan sempurna dan menyeluruh.

Untuk memaksimalkan tenaga para perancang membuat desain ruang bakar dengan berbagai bentuk sesuai kebutuhan engine. Desain untuk motor diesel dan Otto tentu berbeda, motor Otto empat langkah dan dua langkah pun banyak perbedaan. Motor Otto empat langkah ada empat tipe ruang bakar yang banyak digunakan diantaranya tipe hemispherical, tipe baji, tipe bak mandi dan pent roof. Pada motor Otto dua langkah tipe ruang bakar semuanya menggunakan tipe hemispherical (setengah bulat) namun perbadaan dilihat dari bentuk squish dan penempatan busi. Buku Two Stroke Performance Tuning yang ditulis A. Grahambell ada tiga tipe ruang bakar yang banyak digunakan pada motor dua langkah, diantaranya:

1.      Quiescent Chamber With Offset Spark Plug

Gambar 2.7 Tipe Ruang Bakar Quiescent Chamber With Offset Spark Plug

(Grahambell A, :15)

Tipe jenis ini menempatkan busi ditepi ruang bakar dan tanpa dilengkapi dengan squish, tipe ini sudang jarang digunakan karena posisi busi yang berada disamping akan menyebabkan detonasi disudut terjauh dari busi.

2.      Squish Chamber With Central Spark Plug

Gambar 2.8 Tipe Ruang Bakar Squish Chamber With Central Spark Plug

(Grahambell A, :15)

Tipe squish chamber with central spark plug merupakan penyempurnaan  dari tipe sebelumnya dengan menempatkan busi ditengah ruang bakar dan menggunakan squish disekeliling ruang bakar, ini akan menyempurnakan pembakaran karena posisi busi ditengah dan ruang bakar menjadi lebih sempit.

3.      Offset Squish Tipe Combustion Chamber

Gambar 2.9 Tipe Ruang Bakar Offset Squish Combustion Chamber

(Grahambell A, :16)

Tipe offset squish ini banyak digunakan motor-motor dalam dunia balap internasional seperti di motor TZ 250 yang digunakan di arena Road Race dan YZ 125 di arena Moto Cross. Tipe ini dapat meminimalisir silinder dan distorsi pada piston serta turbulensi yang lebih baik, terutama untuk membuang gas sisa pembakaran.

G.           Perhitungan Termodinamika (Siklus Otto)

Proses termodinamika merupakan sebuah proses yang terjadi di dalam silinder. Proses ini merupakan proses yang mengubah dari energi kimia menjadi energi panas, yang kemudian akan diubah kembali menjadi energi mekanik.  Proses termodinamika pada motor Otto dua langkah adalah sebagai berikut:

1.      Langkah Hisap

Campuran bahan bakar dan udara yang masuk ke silinder pada saat langkah hisap berlangsung pada Po = 0,9053 atm = 9351,75 kg/m2. Pada siklus sebenarnya terjadi penurunan tekanan. Akibat dari pembesaran volume di dalam silinder maka tekanan akhir langkah hisap adalah:

P­­₁ =  Po .  η_v                                            

Dimana :         

P₁ = Tekanan akhir langkah hisap (kg/m²)

P_o = Tekanan awal pengisian (kg/m²) 

Temperatur awal pemasukan (temperatur sekeliling kota Bandung) To =18⁰-30⁰C. menurut Arismunandar. 1988:102, dalam keadaan yang sebenarnya udara yang masuk ke dalam silinder menyerap kalor dari katup isap, dinding silinder, serta bagian motor lainnya yang panas. Karena itu temperatur langkah hisap menjadi lebih tinggi dari temperatur udara atmosfer karena adanya penyerapan kalor, maka temperatur langkah hisap dicari dengan rumus:

                                            (Khovakh, 1971: 98)

Dimana :

To        = Temperatur pemasukan (temperatur sekeliling) =18⁰-30⁰C  

T      = Temperatur preheating  = (0 – 20 K)                          

                diambil 10 K.                                                            (Khovakh, 1971: 96)

T_res       = Temperatur residu gas (900 – 1000K) diambil 950K

(H Sunarto Untung  : 4)

γ_res        = Koefisien residu gas

γ_res        =                                           (H Sunarto Untung : 4)

dimana :

P_res  = Tekanan residu gas

       = (1,1-1,25) P_o diambil 1,175                                              (Khovakh,1971: 95)

r      = Perbandingan kompresi (data spesifikasi)

Menurut Khovakh (1976:98), besarnya panas awal pemasukan (T₁) berkisar antara 310-350 K.

2.         Langkah Kompresi

Langkah kompresi adalah langkah pemampatan campuran bahan bakar dan udara didalam ruangan silinder, sehingga terjadi kenaikan tekanan dan temperatur. Proses kompresi dianggap adiabatik, yaitu tidak ada pemasukan dan pengeluaran panas. Perhitungan pada langkah ini, harus diketahui nilai eksponen adiabatik untuk reaktan (k). Rumus yang digunakan adalah sebagai berikut:

                                                                                         (H Sunarto Untung : 11)

Mencari temperatur pada langkah kompresi digunakan rumus:

                                                          (H Sunarto Untung : 11)

Dimana :

r  = Perbandingan kompresi

T₁           = Temperatur akhir langkah hisap (K)

T₂         = Temperatur pada saat langkah kompresi (K)

P₁         = Tekanan akhir langkah hisap (kg/m²)

P₂         = Tekanan pada saat langkah kompresi (kg/m²)

3.      Proses Pembakaran

Proses pembakaran adalah proses pemasukan kalor pada campuran bahan bakar dengan udara yang telah dikompresikan. Perhitungan kalor yang masuk ke silinder dapat dicari dengan menggunakan rumus sebagai berikut:

Qm = Gf. Qc. = Ga . f . Qc                             (Arismunandar W, 2002: 28)

Dimana :

Qm  = Besarnya kalor yang masuk pada proses pembakaran (kkal/jam)

Gf    = Jumlah bahan bakar yang masuk ke silinder (kg/jam)

Qc   = Nilai kalor bawah bahan bakar (kkal/kg)

Ga   = Jumlah udara yang masuk ke silinder (kg/jam)

f      = Perbandingan bahan bakar-udara

       = Gf/Ga

Jumlah udara yang masuk ke dalam silinder selama langkah hisap adalah :

 Kg/jam                                      (Khovakh, 1976:268)

Dimana :

Ad        = Luas penampang penturi (m²)

Ad        =

        = Density (kerapatan) pada saat udara masuk ke dalam silinder (Kg/m³)

        = koefesien udara dalam venturi

     = perbandingan tekanan udara pada saat masuk ke karburator dengan tekanan pada venturi.

g          = Gaya gravitasi

Jumlah campuran bahan bakar dengan udara yang masuk ke silinder adalah :

G = Gf + Ga   (kg/jam)                                               (Khovakh, 1971: 268)

Dimana :

G     = Jumlah campuran udara dan bahan bakar yang masuk ke silinder

          (kg/jam)

Gf   = Jumlah bahan bakar yang masuk ke silinder

       = F/A. Ga  (kg/jam)

F/A = Perbandingan bahan bakar dengan udara (1:15)

Besarnya kerapatan udara ini dapat diperoleh dari hubungan:

P.V = G.R.T                                                                         (H Sunarto Untung : 6)

   atau

Dimana

    = Konstanta gas udara = 29,3 Kgm/Kg K                (H Sunarto Untung : 6)

     = Temperatur udara saat masuk ke karburator (temperatur sekeliling) 18⁰-30⁰C          (H Sunarto Untung : 6)

Temperatur akhir dari proses pembakaran dapat diketahui dengan rumus:

(H Sunarto Untung : 12)

Dimana :  

G         = Banyaknya campuran udara dan bahan bakar yang masuk ke  

   silinder (kg/jam)

Cv       = Panas jenis campuran udara dan bahan bakar pada volume

   konstan (kkal/kgK)

Cv =                                                              (H Sunarto Untung : 13)

Dimana :

J     = Faktor pengubah satuan = 425 kgm/kkal

Rm = 27,91 kgm/ K

Cpm = Panas jenis campuran bahan bakar dan udara

         =                                     (H Sunarto Untung : 13)

Dimana :

Cpu   = 0,22 + 0,0000306 . T

Cpbb = 0,105 + 0,000486 . T             (Obert, 1968 : 721, Diktat Motor Bakar : 13)

Persamaan di atas hanya berlaku untuk satuan british, sehingga untuk menghitung harus dikonversikan dahulu kesatuan british lalu hasilnya dikembalikan kesatuan matrik.

Tekanan akhir pada proses pembakaran dapat diketahui dengan rumus:

(H Sunarto Untung : 14)

 

Dimana :  

P₂           = Tekanan pada saat langkah kompresi (kg/m²)

T₂           = Temperatur pada saat langkah kompresi (K)

T₃           = Temperatur akhir proses pembakaran (K)

P₃           = Tekanan pada akhir proses pembakaran (Kg/m²)

4.      Langkah Usaha

Langkah usaha adalah langkah yang mengubah tekanan hasil pembakaran menjadi gerakan mekanis dengan menggunakan perantaraan torak.  Pada langkah ini tidak terjadi pemasukan dan pengeluaran kalor, maka kerja dianggap adiabatis. Untuk perhitungan pada langkah ini, nilai k yang digunakan adalah k produk.

Tekanan pada akhir langkah usaha dapat dicari dengan menggunakan rumus sebagai berikut:

(H Sunarto Untung : 15)

Dimana :

                                                                (H Sunarto Untung : 15)

Temperatur pada akhir langkah usaha dapat dicari dengan rumus:

(H Sunarto Untung : 15)

5.      Langkah Buang (Pengeluaran Kalor)

Setelah torak mencapai TMB, sejumlah kalor dikeluarkan dari silinder. Proses ini berlangsung pada volume konstan. Jumlah kalor yang dikeluarkan adalah:

(H Sunarto Untung : 16)

     (Kkal/jam)

Dimana :

Qk = Jumlah kalor yang dikeluarkan (Kkal/jam)

G   = Banyaknya campuran udara dan bahan bakar yang masuk ke dalam

         silinder     (Kg/jam)

Cv = Panas jenis campuran udara dan bahan bakar pada volume konstan

        (Kkal/Kg K)

Selanjutnya pada proses langkah buang, gas sisa didorong ke luar oleh piston yang bergerak dari TMB ke TMA pada tekanan konstan.

Besarnya efisiensi siklus Motor bakar Otto adalah :

(Arismunandar W, 2002 : 22)

6.      Pembilasan (Scavenging)

Motor dua langkah gas buang didesak didesak keluar dari dalam silinder melalui lubang buang oleh udara atau campuran bahan bakar-udara yang dimasukan kedalam silinder. Sudah tentu ini akan menyebabkan sebagian dari campuran bahan bakar-udara akan ikut keluar bersama dengan gas buang. Motor bensin dua langkah ini barang tentu sangat merugikan sebab bahan bakar terbuang percuma. Motor Diesel hanya udara yang melakukan pembilasan sehingga hanya ada kerugian daya pembilasan saja. Berdasarkan hal tersebut motor dua langkah banyak digunakan motor Diesel yang besar atau pada motor Otto berukuran kecil.

Jumlah bahan bakar yang dapat terbakar tergantung pada jumlah udara yang ada didalam silinder. Kita tinjau berapa banyak udara yang masuk kedalam silinder selama langkah hisap. Perlu diketahui, udara yang masuk kedalam silinder menyerap kalor dari katup hisap, dinding silinder, serta bagian lain yang panas. Temperatur udara menjadi lebih tinggi daripada temperatur udara atmosfer sehingga berat jenisnya menjadi lebih rendah. Dalam keadaan ideal jumlah udara yang masuk kedalam silinder untuk motor dua langkah adalah sebagai berikut:

G_ai = V_t × _ai × z × n × 60                              (Arismunandar W, 2005:107)

Dimana:

G_ai           = berat udara mengalir masuk kedalam mesin yang ideal, kg/jam

V_t           = volume total dari satu silinder

             = V_L (  r/r-1 ). m³                                (Arismunandar W, 2005:107)

_ai          = berat jenis udara pada kondisi masuk (atmosfer), kg/m³

z           =  jumlah silinder

n          =  putaran poros engkol, rpm

r           =  perbandingan kompresi

Motor dua langkah perbandingan antara jumlah udara yang mengalir kedalam silinder yang sebenarnya terhadap yang ideal merupakan ukuran tentang banyaknya kelebihan udara yang diperlukan untuk melaksanakan pembilasan. Angka perbandingan tersebut disebut perbandingan pembilasan, R_p. Jadi:

R_p =                        (Arismunandar W, 2005:109)

Dimana:

c = kecepatan torak rata-rata, m/menit

A_T = luas penampang silinder

G_a = berat udara mengalir masuk kedalam mesin yang sebenarnya, kg/jam

Berapa banyak udara atau campuran bahan bakar udara yang tertinggal didalam silinder. Jumlah tersebut sangat menentukan besarnya daya yang dapat dihasilkan motor. Perlulah didefinisikan parameter yang lain yaitu efisiensi pembilasan, η_p.

η_p =                         (Arismunandar W, 2005:109)

G_{a tinggal} = berat udara yang tinggal didalam silinder.

Efisiensi pembilasan akan menunjukan seberapa jauh gas pembakaran dapat diganti oleh udara atau campuran bahan bakar-udara, justru pada saat pembilasan selesai.

Hubungan antara R_p dan η_p dapat diperkirakan dengan mempergunakan persamaan:

η_p=                                        (Arismunandar W, 2005:109)

Hubungan tersebut sebenarnya bergantung pada bentuk, ukuran, dan susunan lubang buang dan lubang isap. Bentuk kepala torak/piston, kepala silinder, dan ruang bakar. Kecepatan torak; saat pembukaan dan penutupan lubang buang dan isap dan sebagainya.

Harga R_p bertambah kecil apabila kecepatan torak bertambah tinggi, disamping itu R_p bergantung pada perbandingan tekanan buang terhadap isap. Makin besar perbandingan tersebut maka makin besar juga harga R_p. Biasanya harga R_p berkisar antara 0,8 dan 1,4.

Apabila f’ adalah perbandingan bahan bakar dan udara yang tinggal di dalam silinder dan η’_e adalah efisiensi termal berdasarkan energi bahan bakar yang ada didalam silinder, maka daya poros yang dihasilkan adalah

N_e= η’_e.η_p.f’.Q_c.V_L. .zn          (Arismunandar W, 2005:110)

Dan

P_{e rata-rata} = η’_e.η_p.G_ai.f’.Q_c

= η’_e.η_p.f’.Q_c.  (Arismunandar W, 2005:110)

Konstruksi motor dua langkah dengan pembilasan ruang engkol (crankcase scavenging) adalah yang paling sederhana. Udara pembilas yang ada didalam ruang engkol ditekan oleh torak setiap kali torak itu bergerak dari TMA ke TMB. Saat torak akan membuka lubang buang, pada saat itu tekanan gas gas buang lebih besar dari pada tekanan udara atmosfer maka gas buang akan keluar dari silinder. Torak akan berangsur membuka lubang isap dan mengalirkan udara atau campuran bahan bakar dan udara dari ruang engkol kedalam silinder melalui lubang tersebut. Gerakan dari TMB ke TMA, berangsur torak menutup lubang isap dan sesudah itu menutup lubang buang sehingga terjadi langkah kompresi. Volume ruang engkol akan menjadi besar yang disebabkan pergerakan torak yang menuju TMA ini mengakibatkan tekan menurun lebih rendah dari tekanan udara atmosfer, maka terhisaplah campuran udara dan bahan bakar ke ruang engkol melalui lubang pada dinding silinder dibawah torak yang pada waktu tersebut tidak dalam keadaan tertutup oleh torak. Selama itu terdapat hubungan antara saluran isap dengan ruang engkol (torak berada disebelah atas lubang isap).

Gambar 2.10 Pembilasan Ruang Engkol (Crankcase Scavenging)

(Arismunandar W, 2005:112)

Proses pengisapan campuran bahan bakar dan udara kedalam ruang engkol akan berhenti setelah lubang isap tertutup kembali oleh torak, yaitu pada saat torak bergerak kembali dari TMA ke TMB. Dengan cara pembilasan seperti ini tidak dapat diharapkan tercapai P_{e rata-rata} yang tinggi jika dibandingkan dengan menggunakan pompa bilas khusus.

Umumnya pembilasan ruang engkol digunakan pada motor dua langkah berukuran kecil saja. Bahan bakarnya dicampur dengan pelumas dengan perbandingan 20:1, ini dimaksudkan agar campuran tersebut sekaligus berfungsi sebagai pelumas poros engkol dan dinding silinder. Gas buang yang dihasilkan sudah tentu tidak dapat diharapkan bersih. Motor dua langkah dengan pembilasan ruang engkol, tekanan dari campuran yang masuk ke dalam silinder tidak banyak berbeda dengan tekanan buang, oleh karena itu perbandingan pembilasan R_p selalu lebih kecil dari satu.

Kebaikan proses bilas sangat bergantung pada kebersihan saluran buang. Prestasi motor dua langkah sangat peka terhadap kondisi saluran isap dan saluran buang. Adanya endapan atau kerak pada lubang isap, lubang buang serta saluran buang akan mengganggu kelancaran proses pembilasan. Berdasarkan kesulitan dan kerugian pembilasan pada motor dua langkah, boleh dikatakan pada kecepatan torak rata-rata dan kondisi operasi serta ukuran mesin yang sama, motor dua langkah hanya dapat menghasilkan kurang lebih 1,6 kali daya motor empat langkah.

H.           Prestasi Motor

Motor bakar adalah suatu motor yang mengkonversi energi dari energi kimia menjadi energi mekanik, jadi daya  yang berguna akan langsung dimamfaatkan sebagai penggerak daya pada poros.  Proses perubahan energi dari mulai proses pembakaran sampai menghasilkan daya pada  poros motor bakar melewati beberapa tahapan dan tidak mungkin perubahan energinya  100%. Selalu ada kerugian yang dihasikan dari selama proses perubahan, hal ini sesuai  dengan hukum termodinamika kedua yaitu "tidak mungkin membuat sebuah mesin yang  mengubah semua panas atau energi yang masuk memjadi kerja". Jadi selalu ada  "keterbatasan" dan "keefektifitasan" dalam proses perubahan, ukuran inilah yang  dinamakan efisiensi.

Kemampuan mesin motor bakar untuk merubah energi yang masuk yaitu bahan  bakar sehingga menghasilkan daya berguna disebut kemampuan motor atau prestasi  motor. Gambar 2.11 adalah penggambaran proses perubahan energi bahan bakar.

Gambar 2.11 Keseimbangan Energi Pada Motor Bakar

http://www.boxpdf.com/ddata/2.pdf

Motor bakar tidak mungkin mengubah semua energi bahan bakar menjadi  daya berguna. Dari gambar terlihat daya berguna bagiannya hanya 25% yang artinya  mesin hanya mampu menghasilkan 25% daya berguna yang bisa dipakai sebagai  penggerak dari 100% bahan bakar. Energi yang lainnya dipakai untuk menggerakan  aksesoris atau peralatan bantu, kerugian gesekan dan sebagian terbuang ke lingkungan  sebagai panas gas buang dan melalui air pendingin.

Prestasi motor adalah kemampuan dari suatu motor dalam mencapai performance yang baik. Performance itu sendiri yaitu suatu istilah yang digunakan untuk menyatakan hubungan antara daya (power), kecepatan (speed) dan konsumsi bahan bakar (fuel consumtion).

Prestasi motor dapat ditentukan atau dinilai dalam dua metode, yaitu:

1.        Metode perhitungan analisis (analytical calculation), metode ini didasarkan atas data teoritis. Berdasarkan spesifikasi engine, penulis menggunakan metode ini untuk menentukan prestasi motor.

2.        Metode percobaan (experimental method), metode ini merupakan data-data hasil pengujian engine.

1.             Daya Motor

Daya merupakan suatu gaya penggerak yang berasal dari gas pembakaran yang merubah gerak translasi torak menjadi rotasi pada poros engkol. Gerak translasi merupakan daya indikator sedangkan gerak rotasi atau daya poros merupakan daya yang digunakan untuk menggerakan beban.

Arismunandar W (2005:32) menjelaskan bahwa “ sebagian dari daya indikator yang dibutuhkan untuk mengatasi gesekan mekanik (gesekan antara torak dan dinding silinder, gesekan antara poros dan bantalannya, dan lain-lain)”. Daya indikator juga dimanfaatkan sebagai daya untuk menggerakan beberapa kelengkapan motor seperti pompa pelumas, pompa air pendingin, pompa bahan bakar dan generator. Wiranto menjelaskan daya poros dapat dituliskan dengan rumus:

Ne= Ni-(Ng+Na)                                               (Arismunandar W, 2005:32)

Dimana:

Ne= daya poros atau daya efektif (PS)

Ni= daya efektif (PS)

Ng= daya gesekan (PS)

Na= daya aksesoris (PS)

Parameter-parameter seperti daya poros efektif, momen punter, dan pemakaian bahan bakar spesifik efektif dijelaskan oleh Arismunandar W. (2002:32) dengan menggunakan persamaan berikut ini:

a.         Daya Poros Efektif

Ne= Ni x ηmek                                                  (Arismunandar W, 2002:32)

Dimana akan ada beberapa kerugian dari motor seperti pompa pelumas, pompa air pendingin, pompa bahan bahar, dan lain-lain. Wiranto menjelaskan bahwa daya poros:

Ne= daya poros efektif (PS)

ηmek= 0,70- 0,85 %                                             (Arismunandar W, 2005:36)

Ni= daya indicator (PS)

b.         Momen Puntir

Besarnya momen puntir dari suatu motor tergantung pada daya dan putarannya, dilambangkan dengan T.

T=                                               (Arismunandar W, 2005:32)

T= momen punter (Kg.m)

Ne= daya poros efektif (PS)

n= putaran poros engkol per menit

c.         Pemakaian Bahan Bakar Spesifik Efektif

Bahan bakar spesifik efektif (Be) merupakan pemakaian bahan bakar yang dikonsumsi tiap jam untuk menghasilkan satu satuan daya kuda. Pemakaian bahan bakar spesifik efektif dapat diperoleh dengan rumus.

Be= (Kg/PS.jam)                                            (Arismunandar W, 2005:34)

Dimana:

Be = pemakaian bahan bakar spesifik efektif (Kg/PS.jam)

Gf = jumlah bahan bakar yang masuk ke dalam silinder (Kg/jam)

Ne = daya efektif (PS)