Kemampuan atau Prestasi Mesin
Motor bakar adalah suatu mesin yang pada prosesnya mengkonversi energi dari energi kimia yang terkandung pada bahan bakar menjadi sebuah energi mekanik pada poros motor bakar. Jadi daya yang berguna akan langsung dimanfaatkan sebagai penggerak yaitu daya pada poros.
Proses perubahan energi disini mulai dari proses pembakaran hingga menghasilkan daya pada poros motor bakar. Yang tentu saja melewati beberapa tahapan dan tidak mungkin perubahan energinya penuh 100%.
Selalu ada kerugian atau terbuang 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 menjadi kerja sepenuhnya tanpa ada kerugian".
Jadi selalu ada "keterbatasan" dan "ke efektifitasan" pada saat proses perubahan, ukuran inilah yang biasa disebut dengan efisiensi. Kemampuan pada mesin motor bakar untuk merubah energi yang masuk (bahan bakar) sehingga menghasilkan keluaran daya yang berguna ini yang disebut dengan kemampuan mesin atau prestasi mesin. Pada gambar 1 dibawah ini adalah penggambaran dari proses perubahan energi bahan bakar.
Pada motor bakar tidak mungkin untuk bisa mengubah semua energi bahan bakar menjadi daya berguna tanpa sedikitpun yang terbuang. Dari gambar diatas terlihat bahwa daya yang berguna bagiannya hanya 25% yang artinya mesin hanya mampu menghasilkan 25% bersih daya berguna yang dapat digunakan sebagai penggerak dari 100% bahan bakar.
Energi yang lainnya digunakan untuk menggerakan aksesoris atau peralatan bantu, kerugian gesekan dan sebagian lainya terbuang ke lingkungan bisa sebagai panas gas buang atau melalui air pendingin.
Besaran torsi adalah besaran turunan yang biasa diapakai untuk menghitung energi yang dihasilkan oleh benda yang berputar pada porosnya.
Kemudian perumusan dari torsi adalah sebagai berikut. Jika suatu benda berputar dan memiliki besar gaya sentrifugal sebesar F, dan benda berputar pada porosnya dengan jari-jari sebar b, dari data tersebut torsinya yaitu:
T = F x b (N.m)
dengan:
T = Torsi benda berputar (N.m)
F = gaya sentrifugal yang terjadi dari benda yang berputar (N)
b = jarak benda ke pusat rotasi (m)
Karena adanya torsi ini yang membuat benda berputar terhadap porosnya, kemudian benda tersebut akan berhenti, jika ada usaha yang melawan torsi tersebut dengan besar yang sama dari arah berlawanan.
Pada motor bakar jika ingin mengetahui daya poros, maka harus diketahui dulu torsinya. Pengukuran torsi pada poros motor bakar bisa memakai alat yang dinamakan Dinamometer. Prinsip kerja dari alat Dinamometer ini adalah dengan memberi beban yang berlawanan terhadap arah putaran hingga putaran mendekati 0 rpm, Beban ini nilainya yaitu sama dengan torsi poros.
Seperti yang terlihat pada gambar 2 yaitu prinsip dasar dari dinamometer. Dari gambar tersebut bisa dilihat pengukuran torsi pada poros (rotor) dengan prinsip pengereman dengan stator dan beban sebesar w.
Mesin dinyalakan yang selanjutnya pada poros dihubungkan dengan dinamometer. Untuk mengukur torsi mesin pada poros mesin diberi rem yang dihubungkan dengan beban w pengereman atau pembebanan. Pembebanan diteruskan hingga poros mesin hampir berhenti berputar. Beban maksimum yang terbaca yaitu gaya pengereman yang besarnya sama dengan gaya putar poros mesin F.
Dari definisi diatas diketahui bahwa perkalian antara gaya dengan jaraknnya adalah sebuah torsi, dengan definisi tersebut Torsi pada poros bisa diketahui dengan rumus berikut:
T = w x b (Nm)
dengan:
T = torsi mesin (Nm)
w = beban (kg)
b = jarak pembebanan atau rem dengan pusat perputaran
Pada mesin sebenarnya pembebanan adalah komponen-komponen yang ada pada mesin itu sendiri yaitu aksesoris mesin seperti (kipas radiator, pompa pelumas, pompa air), generator listrik (penyalan busi, listrik penerangan, pengisian aki), gesekan mesin dan komponen yang lainnya.
Dari perhitungan torsi diatas bisa diketahui jumlah energi yang dihasikan oleh sebuah mesin pada poros. Jumlah energi yang dihasikan oleh mesin setiap waktunya disebut dengan daya mesin. Dan energi yang diukur pada poros mesin daya-nya disebut dengan daya poros
Daya tersebut diproses pada torak yang bekerja secara bolak balik didalam silinder mesin. Jadi proses terjadi didalam silinder mesin, ini terjadi perubahan energi dari energi kimia bahan bakar dan proses pembakaran menjadi energi mekanik dalam torak.
Daya indikator yaitu merupakan sumber tenaga persatuan waktu dari operasi mesin untuk mengatasi semua beban yang ada di mesin. Mesin selama bekerja memiliki komponen-komponen yang saling berkaitan satu dengan yang lainnya dan membentuk kesatuan yang kompak. Komponen-komponen mesin ini juga merupakan beban yang harus diatasi oleh daya indikator.
Contohnya seperti: kipas radiator, pompa pelumas untuk sistem pelumasan, pompa air untuk sistem pendingin, dan lain lain, komponen ini biasa disebut dengan aksesoris mesin. Aksesoris ini dianggap sebagai parasit bagi mesin karena mengambil sebagian daya dari daya indikator.
Disamping ada komponen-komponen mesin yang menjadi beban, kerugian karena gesekan antar komponen pada mesin disini juga merupakan parasit bagi mesin, dengan alasan yang sama yaitu mengambil sebagian daya dari indikator.
Seperti pada gambar 1 terlihat bahwa daya untuk meggerakan aksesoris dan untuk mengatasi gesekan ini membutuhkan 5%. Untuk lebih memudahkan pemahaman, dibawah ini adalah perumusan dari masing masing daya. Dengan satuan daya memakai HP (hourse power)
Ne = Ni − (Ng + Na) (HP)
dengan:
Ne = daya efektif atau daya poros (HP)
Ni = daya indikator (HP)
Ng = kerugian daya gesek (HP)
Na = kerugian daya asesoris (HP)
Seperti halnya manusia yang harus makan dan minum untuk melakukan aktifitas kerja, dan secara alamiah harus ada yang dibuang (tau sendirilah). Jika proses ini tidak berjalan dengan semestinya, manusia bisa dinyatakan dalam keadaan sakit dan tidak dapat melakukan perkerjaan. Pada kondisi ini seandainya manusia adalah mesin maka manusia tersebut dalam keadaan sakit/rusak.
Konsep efisiensi ini menjelaskan bahwa perbandingan antar energi yang berguna dengan energi yang masuk secara alamiah tidak pernah sampai mencapai 100%. Pada motor bakar ada beberapa definisi dari efisiensi yang akan menggambarkan kondisi efektifitas mesin bekerja, yaitu:
Karena efisiensi dari panas indikator adalah pada siklus aktual, maka fluidanya adalah bahan bakar dengan udara, sehingga untuk perhitungan energi kalor adalah sebagai berikut:
dengan
Ni = Daya indikator (watt)
= laju kalor yang masuk per kg bahan bakar (kcal/kg.jam)
= laju bahan bakar yang dipakai (kg/jam)
Qc = Nilai dari kalor bahan bakar per kcal/kg
Jadi efisiensi mekanis adalah perbandingan antara daya poros dan daya indikator dan dirumuskan dengan persamaan berikut ini:
Jika
dan 
maka dua persamaan tersebut disubsitusikan pada
menjadi jadi sudah jelas bahwa daya poros yang dihasilkan oleh daya indikator harus dikalikan dengan efisiensi mekaniknya yaitu: ηe = ηm x ηi
Karena menyerap panas temperatur udara menjadi naik dan membuat massa jenis menurun disamping itu menaikkan nilai viskositasnya.
Dengan kondisi tersebut udara menjadi lebih sulit mengalir dan massa per satuan volumenya juga menjadi berkurang.
Untuk mendefinisikan jumlah udara yang masuk ke dalam ruang silinder, dirumuskan ukuran keefektifan aliran udaran yang masuk yaitu efisiensi volumetri.
Perumusannya yaitu sebagai berikut:
Hubungan efisiensi volumetrik dengan tekanan rata-rata efektif yaitu:
Prata-rata = ηe . ηv . f . Qc . γai . 0,0427 kg/cm2
dari perumusan di atas terlihat bahwa tekanan efektif rata-rata bergantung dari nilai dari ηV.
Proses perubahan energi disini mulai dari proses pembakaran hingga menghasilkan daya pada poros motor bakar. Yang tentu saja melewati beberapa tahapan dan tidak mungkin perubahan energinya penuh 100%.
Selalu ada kerugian atau terbuang 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 menjadi kerja sepenuhnya tanpa ada kerugian".
Jadi selalu ada "keterbatasan" dan "ke efektifitasan" pada saat proses perubahan, ukuran inilah yang biasa disebut dengan efisiensi. Kemampuan pada mesin motor bakar untuk merubah energi yang masuk (bahan bakar) sehingga menghasilkan keluaran daya yang berguna ini yang disebut dengan kemampuan mesin atau prestasi mesin. Pada gambar 1 dibawah ini adalah penggambaran dari proses perubahan energi bahan bakar.
Pada motor bakar tidak mungkin untuk bisa mengubah semua energi bahan bakar menjadi daya berguna tanpa sedikitpun yang terbuang. Dari gambar diatas terlihat bahwa daya yang berguna bagiannya hanya 25% yang artinya mesin hanya mampu menghasilkan 25% bersih daya berguna yang dapat digunakan sebagai penggerak dari 100% bahan bakar.
Energi yang lainnya digunakan untuk menggerakan aksesoris atau peralatan bantu, kerugian gesekan dan sebagian lainya terbuang ke lingkungan bisa sebagai panas gas buang atau melalui air pendingin.
Torsi dan Daya Mesin
Torsi adalah ukuran dari kemampuan mesin untuk melakukan kerja, jadi torsi adalah suatu energi.Besaran torsi adalah besaran turunan yang biasa diapakai untuk menghitung energi yang dihasilkan oleh benda yang berputar pada porosnya.
Kemudian perumusan dari torsi adalah sebagai berikut. Jika suatu benda berputar dan memiliki besar gaya sentrifugal sebesar F, dan benda berputar pada porosnya dengan jari-jari sebar b, dari data tersebut torsinya yaitu:
T = F x b (N.m)
dengan:
T = Torsi benda berputar (N.m)
F = gaya sentrifugal yang terjadi dari benda yang berputar (N)
b = jarak benda ke pusat rotasi (m)
Karena adanya torsi ini yang membuat benda berputar terhadap porosnya, kemudian benda tersebut akan berhenti, jika ada usaha yang melawan torsi tersebut dengan besar yang sama dari arah berlawanan.
Pada motor bakar jika ingin mengetahui daya poros, maka harus diketahui dulu torsinya. Pengukuran torsi pada poros motor bakar bisa memakai alat yang dinamakan Dinamometer. Prinsip kerja dari alat Dinamometer ini adalah dengan memberi beban yang berlawanan terhadap arah putaran hingga putaran mendekati 0 rpm, Beban ini nilainya yaitu sama dengan torsi poros.
Seperti yang terlihat pada gambar 2 yaitu prinsip dasar dari dinamometer. Dari gambar tersebut bisa dilihat pengukuran torsi pada poros (rotor) dengan prinsip pengereman dengan stator dan beban sebesar w.
Mesin dinyalakan yang selanjutnya pada poros dihubungkan dengan dinamometer. Untuk mengukur torsi mesin pada poros mesin diberi rem yang dihubungkan dengan beban w pengereman atau pembebanan. Pembebanan diteruskan hingga poros mesin hampir berhenti berputar. Beban maksimum yang terbaca yaitu gaya pengereman yang besarnya sama dengan gaya putar poros mesin F.
Dari definisi diatas diketahui bahwa perkalian antara gaya dengan jaraknnya adalah sebuah torsi, dengan definisi tersebut Torsi pada poros bisa diketahui dengan rumus berikut:
T = w x b (Nm)
dengan:
T = torsi mesin (Nm)
w = beban (kg)
b = jarak pembebanan atau rem dengan pusat perputaran
Pada mesin sebenarnya pembebanan adalah komponen-komponen yang ada pada mesin itu sendiri yaitu aksesoris mesin seperti (kipas radiator, pompa pelumas, pompa air), generator listrik (penyalan busi, listrik penerangan, pengisian aki), gesekan mesin dan komponen yang lainnya.
Dari perhitungan torsi diatas bisa diketahui jumlah energi yang dihasikan oleh sebuah mesin pada poros. Jumlah energi yang dihasikan oleh mesin setiap waktunya disebut dengan daya mesin. Dan energi yang diukur pada poros mesin daya-nya disebut dengan daya poros
Perhitungan Daya Mesin (Power)
Pada motor bakar, daya yang dihasilkan dari proses pembakaran berada didalam silinder dan biasanya disebut dengan daya indikator.Daya tersebut diproses pada torak yang bekerja secara bolak balik didalam silinder mesin. Jadi proses terjadi didalam silinder mesin, ini terjadi perubahan energi dari energi kimia bahan bakar dan proses pembakaran menjadi energi mekanik dalam torak.
Daya indikator yaitu merupakan sumber tenaga persatuan waktu dari operasi mesin untuk mengatasi semua beban yang ada di mesin. Mesin selama bekerja memiliki komponen-komponen yang saling berkaitan satu dengan yang lainnya dan membentuk kesatuan yang kompak. Komponen-komponen mesin ini juga merupakan beban yang harus diatasi oleh daya indikator.
Contohnya seperti: kipas radiator, pompa pelumas untuk sistem pelumasan, pompa air untuk sistem pendingin, dan lain lain, komponen ini biasa disebut dengan aksesoris mesin. Aksesoris ini dianggap sebagai parasit bagi mesin karena mengambil sebagian daya dari daya indikator.
Disamping ada komponen-komponen mesin yang menjadi beban, kerugian karena gesekan antar komponen pada mesin disini juga merupakan parasit bagi mesin, dengan alasan yang sama yaitu mengambil sebagian daya dari indikator.
Seperti pada gambar 1 terlihat bahwa daya untuk meggerakan aksesoris dan untuk mengatasi gesekan ini membutuhkan 5%. Untuk lebih memudahkan pemahaman, dibawah ini adalah perumusan dari masing masing daya. Dengan satuan daya memakai HP (hourse power)
Ne = Ni − (Ng + Na) (HP)
dengan:
Ne = daya efektif atau daya poros (HP)
Ni = daya indikator (HP)
Ng = kerugian daya gesek (HP)
Na = kerugian daya asesoris (HP)
Efisiensi Mesin
Efisiensi mesin disini menggambarkan tingkat efektifitas dari mesin bekerja. Secara alamiah pada setiap proses yang membutuhkan energi, dan menghasilkan kerja untuk melakukan proses, kemudian ada energi yang harus terbuang.Seperti halnya manusia yang harus makan dan minum untuk melakukan aktifitas kerja, dan secara alamiah harus ada yang dibuang (tau sendirilah). Jika proses ini tidak berjalan dengan semestinya, manusia bisa dinyatakan dalam keadaan sakit dan tidak dapat melakukan perkerjaan. Pada kondisi ini seandainya manusia adalah mesin maka manusia tersebut dalam keadaan sakit/rusak.
Konsep efisiensi ini menjelaskan bahwa perbandingan antar energi yang berguna dengan energi yang masuk secara alamiah tidak pernah sampai mencapai 100%. Pada motor bakar ada beberapa definisi dari efisiensi yang akan menggambarkan kondisi efektifitas mesin bekerja, yaitu:
- Efisiensi panas
- Efisiensi panas indikator
- Efisiensi panas efektif
- Efisiensi mekanik
A. Efisiensi Termal (panas)
Efisiensi termal atau panas adalah konsep dasar dari efisiensi siklus ideal yang didefinisikan perbandingan antara energi yang berguna dan energi yang masuk. Energi berguna adalah pengurangan antara energi yang masuk dengan energi yang terbuang. Jadi efisiensi panas bisa dirumuskan dengan persamaan berikut:B. Efisiensi Termal Indikator
Efisiensi termal indikator adalah efisiensi panas dari siklus aktual diagram indikator. Energi berguna dari diagram indikator yaitu kerja indikator dan energi masuknya yaitu energi dari proses pembakaran perkilogramnya. Untuk perumusannya sebagai berikut:Karena efisiensi dari panas indikator adalah pada siklus aktual, maka fluidanya adalah bahan bakar dengan udara, sehingga untuk perhitungan energi kalor adalah sebagai berikut:
dengan
Ni = Daya indikator (watt)
Qc = Nilai dari kalor bahan bakar per kcal/kg
C. Efisiensi termal efektif
Efisiensi termal efektif adalah perbandingan daya poros atau daya efektif dengan laju kalor masuknya. Perumusannya adalah sebagai berikutD. Efisiensi mekanik
Semua beban mesin disini diatasi dengan sumber energi dari proses pembakaran yang akan menghasilkan energi mekanik. Energi mekanik yang terukur pada diagram indikator adalah kerja indikator. Kerja indikator persatuan waktu inilah yang kemudian ditransfer mejadi kerja poros persatuan waktu. Dan besarnya nilai efektifitas dari transfer daya indikator yang menjadi daya poros adalah efisiensi mekanis.Jadi efisiensi mekanis adalah perbandingan antara daya poros dan daya indikator dan dirumuskan dengan persamaan berikut ini:
Jika
maka dua persamaan tersebut disubsitusikan pada
menjadi
E. Efisiensi volumetrik
Udara yang dihisap masuk ke silinder selalu banyak mengalami hambatan aliran sehingga aliran udara ini banyak kehilangan energi. Disamping itu udara hisap juga akan menyerap panas dari saluran hisap terutama yang ada pada ujung saluran hisap yang ada katup masuknya.Karena menyerap panas temperatur udara menjadi naik dan membuat massa jenis menurun disamping itu menaikkan nilai viskositasnya.
Dengan kondisi tersebut udara menjadi lebih sulit mengalir dan massa per satuan volumenya juga menjadi berkurang.
Untuk mendefinisikan jumlah udara yang masuk ke dalam ruang silinder, dirumuskan ukuran keefektifan aliran udaran yang masuk yaitu efisiensi volumetri.
Perumusannya yaitu sebagai berikut:
Hubungan efisiensi volumetrik dengan tekanan rata-rata efektif yaitu:
Prata-rata = ηe . ηv . f . Qc . γai . 0,0427 kg/cm2
dari perumusan di atas terlihat bahwa tekanan efektif rata-rata bergantung dari nilai dari ηV.
F. Laju Penggunaan Bahan Bakar Spesifik
Laju penggunaan bahan bakar secara spesifik atau spesific fuel consumtion (SFC) adalah jumlah bahan bakar (kg) per waktunya untuk mendapatkan daya sebesar 1 Hp. Jadi SFC adalah ukuran ekonomi penggunaan bahan bakar. Perhitungan untuk mengetahui SFC adalah sebagai berikut: