Pembakaran dan perubahan tenaga panas menjadi tenaga mekanis

1. NERACA PANAS

Ö Suhu dalam silinder motor bakar 1200 – 1600 ^oC

Ö Suhu dalam silinder motor uap ± 300 ^oC

2. TENAGA PANAS MENJADI TENAGA MEKANIS

Ö Semua bentuk enersi dapat saling berubah bentuk.

Enersi dalam suatu sistem tertutup dan terisolir adalah konstan.

Ö Benda gas dapat dimampatkan: volumenya berbanding terbalik dengan tekanan asal temperaturnya tidak berubah (Hk Boyle)

Ö Perubahan temperatur suatu gas, mengakibatkan berubahnya volume dan tekanan (Hk Charles)

Kebenaran hukum ini jelas dilihat pada Diagram PV motor diesel:

· Udara masuk dalam ruang pembakaran. Volume mengecil selama langkah tekanan, memperbesar temperatur dan tekanan.

· Bahan bakar yang disemprotkan, akhirnya membakar udara yang bertemperatur tinggi dan menghasilkan tenaga yang menekan piston pada langkah tenaga.

· Tekanan yang dihasilkan tergantung pada tingkat pembakaran dan jumlah panas yang tertahan dalam gas tidak terbuang melalui dinding silinder atau exhaust system.

Dalam suatu motor, enersi yang ada sebagian diubah menjadi kerja, tetapi sebagian besar hilang dalam bentuk panas.

v Efisiensi Thermal: perbandingan enersi untuk kerja yang diterima piston (indicative work = P_i) dengan enersi yang tersedia hasil pembakaran bahan bakar.

E_t motor bensin 4 langkah = ± 40 %,

--- rasio kompresi 8 : 1

E_t motor diesel 4 langkah = ± 50 %,

--- rasio kompresi 18 : 1

Tenaga yang menekan piston (P_i) digunakan untuk:

· mengatasi gesekan dan kehilangan tenaga mekanis lain (piston, ring, bearing, pompa oli, kipas, pendingin, generator),

· menggerakan beban, tenaga tersedia pada fly wheel.

v Efisiensi mekanis: perbandingan enersi untuk kerja efektip (P_e) dengan enersi yang diterima piston (P_i).

E_m motor bensin/diesel = ± 70 %.

v Efisiensi keseluruhan (brake thermal eff’cy)

E_tm = E_t x E_m

atau

3. TENAGA MOTOR

3.1. Indicative Power (tenaga di dalam silinder), P_i : tenaga yang menekan piston.

Ö Tekanan rata-rata dalam silinder selama power stroke p_i

p_i motor bensin = 6,5 – 11,0 kg/cm²

atau = (6,5 – 11,9) 10⁵ N/m²

p_i motor diesel = 6,2 – 8,8 kg/cm²

atau = (6,2 – 8,8) 10⁵ N/m²

p_i dapat dihitung dari PV diagram motor, PV diagram hanya dapat ditentukan dalam laboratorium dengan alat tertentu.

Ö Rata-rata gaya yang diberikan pada piston:

Gaya = p_i x (p/4) D² D = diameter piston

satuan: N = N/m² x m²

 

 

Ö Indicative power

N = kecepatan rotasi putaran, s = jarak langkah piston n = jumlah silinder 2 = jumlah putaran menghasilkan satu langkah tenaga (4 tak)

3.2. Tenaga Efektif (brake power = P_e)

Tenaga efektif adalah tenaga yang tersedia pada fly wheel.

Kehilangan tenaga () = friction power dari motor, dapat diukur dengan electric dynamometer yang menjalankan motor tersebut.

3.3. Efisiensi Konversi dalam Motor

Efisiensi keseluruhan (brake thermal efficiency) adalah brake power (efective power P_e) yang dihasilkan motor dibagi nilai panas bahan bakar.

Ö Contoh: motor menghasilkan tenaga efektif 50 kW selama 1 jam (diukur dengan dinamometer, misal prony brake).

ü 50 kWh = 43.000 kcal (1 kWh = 860 kcal), pada fly wheel.

ü Jika konsumsi bahan bakar motor 250 gr/kWh (diukur selama test dengan dynamometer), berarti selama 1 jam dengan 50 kW membutuhkan 12,5 kg solar (250 gr/kWh x 50 kWh).

ü Nilai panas 1 kg solar = 10.000 kcal

ü Nilai panas 12,5 kg solar = 125.000 kcal

ü Efisiensi keseluruhan = 43.000 kcal /125.000 kcal = 34 %

Bahan bakar	Berat bhn bakar/lt	Nilai panas per lt atau panas per kg
Bensin	725 gr/lt	7.300 kcal/lt atau 10.100 kcal/kg
Solar	800 gr/lt	7.850 kcal/lt atau 9.800 kcal/kg

3.4. Kopel Motor

Kopel (maksimum) suatu motor penting, karena menentukan besarnya tenaga tarik maksimum.

N = kecepatan rotasi (-/s)

4. PENGUKURAN TENAGA EFEKTIP MOTOR/ TENAGA PTO

Pengukuran tenaga efektip motor dapat dilakukan:

· Digandengkan langsung pada motor

· Melalui PTO shaft traktor, (10 – 15 % dari P_e hilang karena gesekan pada transmisi)

4.1. Alat Pengukur Tenaga Efektip / Tenaga PTO (dynamometer)

a. Absorption dynamometer

mengukur besarnya tenaga, sementera itu merubahnya ke enersi bentuk lain biasanya panas.

1. Prony brake

Dinamometer, memanfaatkan adjustable brake band untuk me-rem pulley. Rem menahan pulley agar tidak berputar lebih jauh, oleh suatu lengan yang dihubungkan dengan alat pengukur gaya (F, Newton).

Dengan radius lengan torsi (R, meter) dan kecepatan rotasi (N, putaran per detik). Nilai tenaga terukur diperoleh dengan rumus:

atau

2. Hydraulic dynamometer

Alat ini bekerja dengan prinsip mengubah kerja menjadi panas. Media kerja biasanya air (water brake) yang ada dalam suatu ruang tertutup, dan karena gesekan, temperaturnya akan naik.

Bagian luar berputar pada as dihubungkan dengan lengan torsi. Rumus tenaga, sama dengan prony brake, ketelitiannya dapat lebih baik.

3. Air brake

Seperti hydraulic dynamometer, disini tenaga dialihkan ke udara oleh kipas, dan tergantung pada besarnya kipas dan jarak kipas dari as. Alat ini ketelitiannya kurang.

b. Transmission dynamometer cradled engine

Sebuah motor bakar atau motor listrik ditempelkan pada suatu kereta dengan rangka yang ditunjang oleh bearing. Dengan lengan torsi dan skala, keluaran reaksi torsi terhadap mesin yang diputar, diukur. Tenaga dihitung dari torsi dan rpm as keluaran.

c. Electric current dynamometer

Menggunakan generator listrik, dan tenaga ditentukan dengan mengukur output dari generator. Dalam hal ini perlu diketahui efisiensi generator.

Masukan tenaga listrik terukur:

d. Torsion dynamometer

Torque meter strain gauge type. Strain gauge elektris tersedia dalam berbagai bentuk untuk mengukur torsi PTO. Alat ini disambungkan pada PTO. As lain dari mesin yang di test dihubungkan ujung lain dari alat.

Semua torsi disalurkan ke alat, dan suatu alat pengukur digunakan untuk mengukur torsi.

4.2. Mengukur performa motor traktor

Perhatikan contoh hasil test suatu motor traktor pada Gambar

Tenaga maksimum

Menaikan beban dynamometer sampai batas kecepatan mesin yang ditetapkan pabrik, akan memberi tenaga maksimum yang dapat diperoleh.

Kurva torsi

Kurva torsi yang dikehendaki adalah menaik maksimum jauh di sebelah kiri (pada kecepatan rendah). Ini menunjukan kemampuan untuk menarik.

Perubahan torsi akan merubah kecepatan motor.

Kebutuhan bahan bakar

Biasanya menggunakan satuan gr per kWh. Efisiensi dari konversi bahan bakar menjadi kerja adalah paling tinggi pada titik torsi maksimum.

Contoh:

Kebutuhan b. bakar motor diesel 250 gr/kWh. Jika motor tsb menghasilkan tenaga 50 kWh selama 1 jam akan membutuhkan 0,250 kg/kWh x 50 kWh = 12,5 kg solar/jam pada beban penuh. Pada traktor biasanya bekerja pada 40 % tenaga maksimum, kebutuhan bahan bakar adalah 5 kg/jam.

Untuk perkiraan: kebutuhan b. bakar untuk 40 % dari tenaga maksimum (rated brake power) adalah 1 lt/jam per 10 rated brake hp. Pada motor 50 kWh = 50 kWh x 1,36 hp/kWh = 67,5 hp, konsumsinya = 6,75 lt/jam atau 5 kg/jam.

5. PENGUKURAN TENAGA DRAWBAR

Berbagai drawbar dynamometer tersedia untuk mengukur tenaga drawbar traktor (spring, hydraulic, dan strain gauge dynamometer). Dalam semua pengukuran tersebut dapat menggunakan rumus:

5.1. Efisiensi tenaga tarik

Kebutuhan tenaga suatu mesin: kebutuhan fungsinya (drawbar power), tenaga untuk mengatasi rolling resistance, kehilangan tenaga karena slip, dan kehilangan tenaga pada gear box dan final drive.

Brake power = tenaga yang dihasilkan motor yang tersedia pada roda gila (watt)

Pgearbox = kehilangan tenaga pada gearbox dan final drive dari traktor

Prr = tenaga yang hilang karena rolling resistance roda

% slip = % slip dari roda penarik (penggerak)

Efisiensi tenaga tarik merupakan perbandingan drawbar power dengan brake power (yang merupakan input tenga pada gearbox).

Efisiensi tenaga tarik pada permukaan berbatu, tanah keras dan tanah olahan adalah 85 %, 75 % dan 45 %. Keadaan ini adalah pada penggunaan 2/3 drawbarpull maksimum. Untuk penggunaan drawbar pull yang lebih besar efisiensi akan berkurang.