BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Bahan Bakar Hidrokarbon
Bahan bakar adalah suatu materi yang bisa terbakar dan bisa diubah menjadi energi. Bahan bakar hidrokarbon adalah bahan bakar yang didominasi oleh susunan unsur Hidrogen dan Karbon. Pada proses pembakaran terbuka, umumnya bahan bakar yang digunakan tersususun dari bahan hidrokarbon seperti solar dan kerosin yang di peroleh dari hasil proses penyulingan minyak bumi atau minyak mentah ( Gambar 2.1 ).
Gambar 2.1 Penyulingan Minyak
(Sumber : http://id.wikipedia.org/wiki/Kilang_minyak)
2.2 Bahan Bakar Diesel
Bahan bakar diesel yang sering disebut solar (light oil) merupakan suatu campuran hidrokarbon yang diperoleh dari penyulingan minyak mentah pada temperatur 200 oC–340 oC.Minyak solar ini biasa disebut juga Gas Oil, Automotive Diesel Oil, High Speed Diesel.
Minyak solar ini digunkan untuk bahan bakar mesin “Compression Ignition” (udara yang dikompresi menimbulkan tekanan dan panas yang tinggi
2.3 Karakteristik Bahan Bakar Diesel (Solar)
Dapat menyala dan terbakar sesuai dengan kondisi ruang bakar adalah syarat umum yang harus dipenuhi oleh suatu bahan bakar. Minyak solar sebagai bahan bakar memiliki karakteristik yang dipengaruhi oleh banyak sifat-sifat seperti Cetane Number (CN), penguapan (volality), residu karbon, viskositas, belerang, abu dan endapan, titik nyala, titik tuang, sifat korosi, mutu nyala.
a. Cetane Number (CN)
Mutu penyalaan yang diukur dengan indeks yang disebut Cetana. Mesin diesel memerlukan bilangan cetana sekitar 50. Bilangan cetana bahan bakar adalah persen volume dari cetana dalam campuran cetana dan alpha-metyl naphthalene. Cetana mempunyai mutu penyalaaan yang sangat baik dan alpha-metyl naphthalene mempunyai mutu penyalaaan yang buruk. Bilangan cetana
48 berarti bahan bakar cetana dengan campuran yang terdiri atas 48% cetana
dan 52% alpha- metyl naphthalene. Angka CN yang tinggi menunjukkan bahwa minyak soloar dapat menyala pada temperatur yang relatif rendah dan sebaliknya angka CN yang rendah menunjukkan minyak solar baru dapat menyala pada temperatur yang relatif tinggi.
b. Penguapan (Volality)
Penguapan dari bahan bakar diesel diukur dengan 90% suhu penyulingan. Ini adalah suhu dengan 90 % dari contoh minyak yang telah disuling, semakin rendah suhu ini maka semakin tinggi penguapannya.
c. Residu karbon
d. Viskositas
Viskositas minyak dinyatakan oleh jumlah detik yang digunakan oleh volume tertentu dari minyak untuk mengalir melalui lubang dengan diameter kecil tertentu, semakin rendah jumlah detiknya berarti semakin rendah viskositasnya.
e. Belerang atau Sulfur
Belerang dalam bahan bakar terbakar bersama minyak dan menghasilkan gas yang sangat korosif yang diembunkan oleh dinding-dinding silinder, terutama ketika mesin beroperasi dengan beban ringan dan suhu silinder menurun; kandungan belerang dalam bahan bakar tidak boleh melebihi 0,5 %-1,5 %.
f. Kandungan abu dan endapan
Kandungan abu dan endapan dalam bahan bakar adalah sumber dari bahan mengeras yang mengakibatkan keausan mesin. Kandungan abu maksimal yang diijinkan adalah 0,01% dan endapan 0,05%.
g. Titik nyala
Titik nyala merupakan suhu yang paling rendah yang harus dicapai dalam pemanasan minyak untuk menimbulkan uap terbakar sesaat ketika disinggungkan dengan suatu nyala api. Titik nyala minimum untuk bahan bakar diesel adalah 60 oC.
h. Titik Tuang
Titik tuang adalah suhu minyak mulai membeku/berhenti mengalir. Titik tuang minimum untuk bahan bakar diesel adalah -15 oC.
i. Sifat korosif
j. Mutu penyalaan
Nama ini menyatakan kemampuan bahan bakar untuk menyala ketika diinjeksikan ke dalam pengisian udara tekan dalam silinder mesin diesel. Suatu bahan bakar dengan mutu penyalaan yang baik akan siap menyala, dengan sedikit keterlambatan penyalaan bahan bakar dengan mutu penyalaan yang buruk akan menyala dengan sangat terlambat. Mutu penyalaan adalah salah satu sifat yang paling penting dari bahan bakar diesel untuk dipergunakan dalam mesin kecepatan tinggi. Mutu penyalaan bahan bakar tidak hanya menentukan mudahnya penyalaan dan penstarteran ketika mesin dalam keadaan dingin tetapi juga jenis pembakaran yang diperoleh dari bahan bakar. Bahan bakar dengan mutu penyalaan yang baik akan memberikan mutu operasi mesin yang lebih halus, tidak bising, terutama akan menonjol pada beban ringan.
Minyak solar yang dihasilkan harus memiliki standar dan mutu (spesifikasi) yang memenuhi persyaratan yang bisa dilihat dalam tabel 2.1 di bawah ini :
Tabel 2.1 Spesifikasi minyak solar sesuai Surat Keputusan Dirjen Migas
3675K/DJM/2006
No Karakteristik Unit Batasan Metode Uji ASTM/lain
19 Partikulat Mg/l - - D-2276 20 Penampilan Visual - Jernih dan Terang
21 Warna No.ASTM - 3.0 D-1500
2.4 Magnet
2.4.1 Asal Kemagnetan
Kata magnet berasal dari bahasa Yunani yaitu magnes atau magnetis lithos
yang berarti batu dari magnesia. Magnet merupakan benda yang dapat menarik benda-benda lain di sekitarnya seperti besi, baja, dan kobalt. Kemagnetan adalah suatu penomena material yang memperlihatkan suatu pengaruh gaya tarik atau gaya tolak terhadap material lain. Gaya bekerja pada sustu jarak tertentu dan dapat dianalisis dalam bentuk medan magnet. Seluruh material yang mempunyai sifat magnet seperti besi, nikel, dan kobalt, mempunyai kutub utara (N, north) dan kutub selatan (S, south). Kutub yang sejenis akan tolak-menolak dan kutub yang tidak sejenis akan tarik menarik. Gambar 2.2 berikut memperlihatkan peristiwa ini.
Gambar 2.2 Kutub-kutub magnet
(Sumber : http://sistimlistrikaliranatas.blogspot.com/2013/01/medan-magnet.html)
bersifat sebagai magnet kecil. Sebuah magnet merupakan gabungan dari spin elektron (magnet-magnet kecil) yang arah spin (utara-selatan)-nya sama
2.4.2 Medan Magnet
Medan magnet adalah daerah disekitar magnet yang dipengaruhi oleh gaya magnet. Area medan magnet itu biasa ditunjukkan dengan garis-garis gaya magnet. Garis-garis gaya magnet tersebut saling bertemu di ujung kedua kutubnya. Efek kemagnetan dapat dihasilkan melalui berbagai macam cara. Melalui eksperimen, orang mendapatkan bahwa arus listrik (muatan) yang bergerak menimbulkan medan magnet. Peristiwa ini dimanfaatkan untuk membuat elektromagnet, yaitu magnet yang bekerja apabila dialiri arus listrik. Elektromagnet digunakan dalam motor listrik, dalam bel listrik, dan juga dalam generator listrik.
Medan magnet juga dapat dihasilkan oleh sebatang magnet permanen, yang sifat kemagnetannya tidak tergantung dari ada atau tidaknya aliran listrik. Magnet permanen dibuat melalui sebuah proses khusus sehingga kekuatan magnetnya tidak akan hilang sekejap dan dapat bertahan dalam jangka waktu yang cukup lama. Berikut ini (Gambar 2.3) medan magnet dan garis gaya magnet.
Gambar 2.3 Garis-garis gaya magnet
(Sumber : http://materisdn.blogspot.com/2014/12/pengertian-medan-magnet.html)
1. Spin inti. Beberapa inti, seperti atom hidrogen, memiliki keadaan spin tetap yang menghasilkan medan magnet
2. Spin elektron. Elektron mempunyai spin yang dapat berputar menurut arah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam atau - Spin dari partikel bermuatan dapat menimbulkan medan magnet kecil atau momen magnet.
3. Pergerakan Orbital Elektron. Elektron yang berputar mengelilingi intinya akan menimbulkan medan magnet.
Setiap benda yang memiliki sifat kemagnetan dapat disebut magnet. Bila magnet diletakkan pada serbuk besi, serbuk besi akan menempel pada ujung-ujung dari magnet dan tidak ada yang menempel pada bagian tengah magnet. Bagian magnet yang mempunyai kemagnetan yang kuat disebut kutub magnet. Kutub magnet ada dua macam yaitu Utara (U) dan Selatan (S).
Bila serbuk besi ditaburkan di atas kaca dan sebuah magnet yang berbentuk tapal kuda ditempatkan di bawah kaca, serbuk besi akan membentuk formasi seperti gambar dibawah. Ini menandakan bahwa serbuk besi dipengaruhi oleh kedua kutub utara (U) dan selatan (S) dari magnet tersebut.
Gambar 2.4 Formasi serbuk besi yang dipengaruhi medan magnet
(Sumber : https://fembrisma.wordpress.com/science/kemagnetan/)
Bila kutub U suatu magnet dan kutub S magnet lainnya didekatkan satu dengan yang lainnya di bawah sepotong kaca, dengan serbuk besi tersebar di atasnya, dengan mudah dikatakan bahwa saling tertarik satu dengan yang lainnya, Karakteristik yang dimiliki oleh Fluksi magnet diantaranya adalah :
1. Fluksi magnet dimulai dari kutub U dan berakhir di kutub S suatu magnet atau
magnet-magnet.
2. Arah dari fluksi magnet adalah sesuai dengan arah kutub U jarum magnet bila jarum
berada dalam fluksi
Seperti halnya sabuk karet, garis gaya magnet di dalam fluksi berusaha sependek mungkin, sejajar dan sedekat mungkin dengan poros U-S dari medan magnet. Pada saat yang sama, cenderung menolak garis gaya magnet lainnya yang searah, sehingga juga cenderung membentuk busur keluar dari poros U-S.
2.4.3 Magnetic Flux Density
Magnetic Flux Density (magnetic field strengh) adalah jumlah fluks magnet yg keluar dari kutub magnet tiap satuan luas. Dapat dinyatakan dalam satuan Tesla atau Gauss (1 T = 10" G). Kuat medan magnet ini menunjukkan energi magnet yang dapat diberikan oleh suatu sumber magnet. Dalam penggunaannya sebagai penghemat bahan bakar, besar kuat medan magnet yang optimal sangatlah bervariasi, terutama sekali tergantung dari jenis bahan bakar yang digunakan, laju aliran bahan bakar, dan volume silinder (cc) mesin yang menggunakannya. Magnetizer Inc. secara umum menyebutkan nilai gauss rata-rata antara 1000 - 3500 untuk kendaraan yang berbahan bakar bensin. Ronald J. (US Patent no. 5,829,420) menyarankan nilai 1500 - 1750 Gauss untuk bahan bakar hidrokarbon umum. Sedangkan Peter Kulish merekomendasikan kekuatan gauss 4500 - 12000 untuk mengubah bentuk isomer dari parahidrogen menjadi orto.
2.4.4 Sifat kemagnetan Bahan
menyebabkan sifat paramagnetik dan feromagnetik. Seperti diketahui, semua elektron dalam atom bergerak mengelilingi inti atom, dan karena tiap elektron berputar terus-menerus pada sumbunya, maka semua atom dapat diduga juga akan memperlihatkan sifat kemagnetan.
Sifat kemagnetan bahan bermacam-macam, ada yang lemah, sedang dan bahkan ada pula yang kuat. Sifat kemagnetan secara langsung dipengaruhi juga oleh arah spin elektron yang dimiliki oleh atom-atom penyusun material tersebut. Sifat-sifat kemagnetan yang secara umum dikenal adalah :
1. Diamagnetik. Bahan diamagnetik keseluruhan spin elektronnya saling berpasangan sehingga keadaan akhir spinnya seimbang. Komponen diamagnetik akan mengalami penolakan secara lemah oleh magnet. Contohnya: Bismuth, timbal, antimon, air raksa, emas, air, phosphor, dan tembaga.
2. Paramagnetik. Bahan paramagnetik memiliki beberapa elektron yang spin-spinnya tidak berpasangan. Komponen paramagnetik akan ditarik oleh magnet, namun tidak akan terlalu kuat. Contoh: platina, magnesium, dan alumunium
3. Ferromagnetik. Pada substansi dasar ferromagnet terdapat spin-spin elektron yang tidak berpasangan dan tertahan dalam posisi sejajar oleh proses yang disebut kopling ferromagnetik (ferromagnetic coupiing). Komponen Ferromagnetik seperti baja secara kuat tertarik menuju magnet. Contoh : nikel, baja, besi, dan kobalt.
2.5 Efek Magnetisasi Pada Bahan Bakar Solar
2.5.1 Reaktifitas Molekul
Adanya medan magnet statis yang besar, awan elektron mengelilingi molekul sehingga molekul tersebut bersifat magnet terpolarisasi dan memberikan kenaikan pada medan kecil. Posisi inti atom, pada medan tersebut sesungguhnya tidak tergantung sekitarnya, akan tetapi juga sekeliling molekul sendiri. Pada keadaan cair, reorientasi molekul terjadi secara acak.
sekunder yang arahnya berlawanan dengan arah medan magnet yang diberikan. Dibeberapa unit struktur molekul, elektron banyak terlokalisasi di beberapa bagian. Medan magnet yang diberikan menyebabkan perputaran di lain bidang denagan beragam.
Pada bahan bakar solar, ketika solar masih berada dalam tangkinya, molekul hidrokarbon yang merupakan penyusun utama bensin cenderung untuk saling tertarik satu sama lain, membentuk molekul-molekul yang bergerombol
(clustering). Pengelompokkan ini akan terus berlangsung, sehingga menyebabkan molekul-molekul hidrokarbon tidak saling terpisah atau tidak terdapat cukup waktu untuk saling berpisah pada saat bereaksi dengan oksigen di dalam ruang bakar. Akibat buruk yang ditimbulkannya adalah ketidaksempurnaan pembakaran yang dapat dibuktikan secara sederhana dengan ditemuinya kandungan HC pada gas buang.
Adanya suatu medan magnet permanen yang cukup kuat pada molekul hidrokarbon yang bersifat diamagnetik akan menyebabkan reaksi penolakan antar molekul hidrokarbon (declustering) sehingga terbentuk jarak yang optimal antar molekul hidrokarbon. Hal tersebut akan meningkatkan interaksi antara molekul hidrokarbon dengan oksigen. Partikel-partikel atom yang membentuk molekul hidrokarbon tersebut akan terpengaruh oleh medan magnet sehingga arahnya akan semakin sejajar atau tereorientasi sesuai dengan arah medan magnet.
2.5.2 Prinsip Kerja Magnet Pada Saluran Bahan Bakar
Gambar 2.5 Mekanisme kerja magnet
(Sumber : http://www.chem-is-try.org/wp-content/uploads/2009/09/gambar_14_21.JPG)
Pada saat bahan bakar melalui selang, kekuatan magnetisasi didalam magnet yang di tempel di saluran bahan bakar menyebabkan terpecahnya ikatan karbon dalam bahan bakar menjadi bagian-bagian kecil ikatan ion. Ion positif akan tertarik oleh kutub negatif magnet sedangkan untuk ion negatif akan tertarik oleh kutub positif magnet sehingga ion positif dan ion negatif akan mengalir secara teratur setelah melewati medan magnet. Ikatan kecil dan beraturan inilah yang menyebabkan mudahnya oksigen bereak si dengan bahan bakar pada proses pembakaran. Efeknya bahan bakar akan lebih mudah terbakar didalam ruang bakar atau terjadinya pembakaran sempurna.
2.6 Catalytic Converter
Meningkatnya jumlah kedaraan bermotor saat ini berimbas pada kualitas udara yang buruk di daerah perkotaan menuntut pabrikan motor berinovasi, salah satunya adalah catalytic converter yang terdapat pada mobil keluaran saat ini. Alat tersebut diperkenalkan ke publik pada tahun 1975 di Amerika Serikat, kebijakan tersebut sejalan dengan niat EPA dalam mengurangi intensitas pencemaran udara gas buang dikarenakan proses pembakaran kendaraan bermotor.
Catalytic converter pada knalpot kendaraan bermotor ditempatkan dibelakang
Gambar 2.6 Catalitic Converter (Sumber : http://www.automotive-emissions-troubleshooting.com/images/converter.gif)
Ada dua jenis catalytic converter dipasaran. Tipe universal fit dapat dipilih berdasarkan ukuran yang sesuai kemudian dilas di bagian saluran gas buang. Tipe
direct fit merupakan tipe catalytic converter yang hanya menggunakan baut untuk memasangnya di area saluran gas buang. Tipe universal merupakan jenis termurah daripada tipe direct fit, akan tetapi tipe direct fit lebih mudah pemasangannya daripada tipe universal fit.
2.6.1 Tipe –Tipe Katalitik Konverter
Katalitik Konverter dibagi menjadi 2 berdasarkan jumlah polutan yang direaksikan :
1. Two Waykonverter
Didalam converter jenis ini terdapat dua reaksi simultan: a. Oksidasi karbon monoksida menjadi karbon dioksida
2. Three way converter
Di dalam converter jenis ini terdapat 3 reaksi simultan:
a. Reaksi reduksi nitrogen oksida menjadi nitrogen dan oksigen b. Reaksi oksidasi karbon monoksida menjadi karbon dioksida
c. Reaksi oksidasi senyawa hidrokarbon yang tidak terbakar menjadi karbon dioksida dan air
Berikut penjelasan tahapan kerja dari Catalytic Converter
1. Tahap awal dari proses yang dilakukan pada katalitik konverter adalah
reduction catalyst. Tahap ini menggunakan platinum dan rhodium untuk membantu mengurangi emisi NOx. Ketika molekul NO atau NO2 bersinggungan dengan katalis, sirip katalis mengeluarkan atom nitrogen dari molekul dan menahannya. Sementara oksigen yang ada diubah ke bentuk O2. Atom nitrogen yang terperangkap dalam katalis tersebut diikat dengan atom nitrogen lainnya sehingga terbentuk format N2. Rumus kimianya sebagai berikut: 2NO => N2 + O2 atau 2NO2 => N2 + 2O2. 2. Tahap kedua dari proses di dalam katalitik konverter adalah oxidization
catalyst. Proses ini mengurangi hidrokarbon yang tidak terbakar di ruang bakar dan CO dengan membakarnya (oxidizing) melalui katalis platinum dan palladium. Katalis ini membantu reaksi CO dan HC dengan oksigen yang ada di dalam gas buang. Reaksinya sebagai berikut; 2CO + O2 => 2CO2.
Setiap kendaraan memiliki jumlah sensor yang berbeda, tergantung dengan kebutuhan dan teknologi mesinnya. Umumnya kendaraan yang menggunakan sistem injeksi menggunakan dua sensor oksigen yang berbeda tempat. Sensor tersebut berfungsi memberikan informasi ke ECS agar mengatur kembali pasokan udara kedalam ruang bakar.
2.6.2 Fungsi Lain Dari Katalitik Konverter
Katalitik Konverter yang digunakan pada saluran buang mesin ato lebih dikenal dengan knalpot mesin atau kendaraan memiliki fungsi lain yakni sebagai pengurang kebisingan (noise silencer) dimana dilakukan modifikasi pada daerah sekitar exhaust muffler.
Salah satu karakteristik sebuah muffler adalah seberapa besar backpressure/BP (tendangan balik) yang dihasilkan. Pada muffler knalpot bawaan pabrik motor yang beredar di tanah air umumnya terbentuk lubang, pemantul dan putaran pipa yang harus dilewati gas buang. Disain seperti ini diharapkan menghasilkan suara knalpot yang bersahabat dengan lingkungan, akan tetapi akibanya menghasilkan tendangan balik yang besar yang berakibat pada kurangnya daya mesin.
Untuk mengatasi BP yang besar tersebut dirancanglah tipe muffler yang menghasilkan BP kecil yang disebut “glass pack”. Tipe muffler ini hanya mengandalkan penyerapan untuk mengurangi kebisingan dengan tanpa memberikan halangan bagi aliran gas buang. Gas buang menglir lurus melalui pipa yang berlubang yang terbungkus lapisan glass wool, sehingga BP-nya kecil dan sebagian kecil suara di redam oleh glass wool tsb.
Tipe muffler secara umum dibagi menjadi 2, muffler berdasarkan sifatnya yaitu :
1. Sound Absorption 2. Sound Cancelation
2.6.2.1 Sound Absorption Muffler/Silencer
yang harus diredam (perhitungan menyusul di artikel berikutnya). Bentuk yang umum dari silencer jenis ini seperti gambar di bawah ini.
Gambar 2.7 Sound Absorption Muffler/Silencer
(Sumber: http://www.peerlessmfg.com/assets/pmfg/images/content/silencers/ImageC.jpg)
2.6.2.2Sound Cancelation Muffler/Silencer
Dalam silencer ini terdapat beberapa elemen yang tersusun secara paralen dan serial yang bertujuan, untuk menghasilkan gelombang pantulan dengan fasa terbalik yang diarahkan kembali ke sumbernya, sehingga penjumlahan dari dua gelombang tersebut akan salingt menghilangkan (cancelation). Biasanya digunakan pada motor standart. Bentuknya seperti gambar di bawah ini :
Gambar 2.8 Sound Cancelation Muffler/Silencer
(Sumber:http://s121.photobucket.com/user/mavin42/media/Vehicles/Muffler_Cutaway.jp
Namun saat ini telah umum dikembangkan muffler yang merupakan kombinasi dari tipe absorption dan cancelation, yang tujuannya adalah menghasilkan muffler dengan BP sekecil mungkin dan suara sesuai dengan standar perundangan yg berlaku. Bentuknya ditunjukkan pada gambar di bawah ini :
Gambar 2.9 Muffler yang merupakan kombinasi dari tipe absorption dan
cancelation
(Sumber :
http://motogokil.files.wordpress.com/2013/10/hybrid-muffler2.jpg?w=480&h=320)
Terlihat pada pinggirnya terdapat glass wool yang berfungsi sebagai penyerap energi suara yang masuk melalui dinding yng berlubang. Dan pada bagian tengah terdapat plat-plat yang berfungsi sebagai penghilang suara knalpot Sehingga suara (panah biru) yang keluar kecil, sementara aliran gas buang tidak terganggu.
2.7 Mesin Diesel
dikompressi oleh torak sehingga udara memiliki temperatur dan tekanan yang tinggi, dan sebelum torak mencapai titik mati atas, bahan bakar disemprotkan ke ruang bakar dan terjadilah pembakaran.
Agar bahan bakar diesel dapat terbakar dengan sendirinya, maka perbandingan kompresi mesin diesel harus berkisar antara 15 – 22, sedangkan tekanan kompresinya mencapai 20 – 40 bar dengan suhu 500 – 700 0C. Aplikasi dari motor diesel banyak pada industri-industri sebagai motor stasioner ataupun untuk kendaraan-kendaraan dan kapal laut dengan ukuran yang besar. Hal ini dikarenakan motor diesel mengkonsumsi bahan bakar ± 25% lebih rendah dari motor bensin, lebih murah dan perawatannya lebih sederhana (Kubota, S., dkk, 2001).
Mesin diesel menghasilkan tekanan kerja yang tinggi, itu sebabnya konstruksi motor diesel lebih kokoh dan lebih besar. Disamping itu, mesin diesel menghasilkan bunyi yang lebih keras, warna dan bau gas yang kurang menyenangkan. Namun dipandang dari segi ekonomi, bahan bakar serta polusi udara, motor diesel masih lebih disukai (Mathur, 1980).
Menurut Willard W.P (1996) efisiensi termis motor diesel berada di bawah 50% sedangkan menurut Khovakh (1979), efisiensi termis berkisar pada 29% - 42% dan sisanya adalah kerugian-kerugian energi. Energi kalor yang dimanfaatkan oleh mesin tidaklah terlalu besar,sisanya merupakan kerugian - kerugian energi, diantaranya energi kalor yang hilang akibat pendinginan mesin, energi kalor yang hilang bersama gas buang, energi kalor yang hilang akibat pembakaran tidak sempurna, energi kalor yang hilang karena kebocoran gas, dan kehilangan lainnya akibat radiasi dan konveksi.
2.7.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel
Gambar 2.10 Prinsip kerja mesin diesel
(Sumber : http://maotomotip5120.blogspot.com/2014/09/mesin-diesel.html)
Keterangan : 1. Langkah Isap
Pada langkah ini piston bergerak dari TMA (Titik Mati Atas) ke TMB (Titik Mati Bawah). Saat piston bergerak ke bawah katup isap terbuka yang menyebabkan ruang didalam silinder menjadi vakum, sehingga udara murni langsung masuk ke ruang silinder melalui filter udara.
2. Langkah kompresi
Poros engkol terus berputar, piston bergerak dari TMB ke TMA, kedua katup tertutup. Udara murni yang terhisap tadi terkompresi dalam ruang bakar. Karena terkompresi suhu dan tekanan udara tersebut naik hingga mencapai 35 atm dengan temperatur 500⁰ - 800⁰ (pada perbandingan kompresi 20 : 1).
3. Langkah Usaha
4. Langkah Buang
Pada langkah ini, gaya yang masih terjadi di flywhell akan menaikkan kembali piston dari TMB ke TMA, bersamaan itu juga katup buang terbuka sehingga udara sisa pembakaran akan di dorong keluar dari ruang silinder menuju exhaust manifold dan langsung menuju knalpot.
2.7.2 Bentuk Ruang Bakar Mesin Diesel
Ruang bakar pada motor diesel lebih rumit dibanding ruang bakar motor bensin. Bentuk ruang bakar pada motor diesel sangat menentukan kemampuan mesin, sebab ruang bakar tersebut dirancanakan dengan tujuan agar campuran bahan udara dan bahan bakar menjadi homogen dan mudah terbakar sekaligus.
Ruang bakar motor diesel digolongkan menjadi 2 tipe, yaitu: a. Tipe ruang bakar tambahan (auxiliary combustion chamber) b. Tipe ruang bakar tambahan (auxiliary combustion chamber)
2.7.2.1 Keuntungan Dan Kerugian Tipe Ruang Bakar Langsung (Direct
Combustion Chamber)
Keuntungan ruang bakar langsung adalah:
Efisiensi panas lebih tingi, pemakaian bahan bakar lebih hemat karena bentuk ruang bakar yang sederhana.
Start dapat mudah dilakukan pada waktu mesin dingin tanpa menggunakan alat bantu start busi pijar (glow plug).
Cocok untuk mesinmesin besar karena konstruksi kepala silinder sederhana.
Kerugian ruang bakar langsung adalah: Memerlukan kualitas bahan bakar yang baik Memerlukan tekanan injeksi yang lebih tinggi.
Sering terjadi gangguan nozzle, umur nozzle lebih pendek karena menggunakan nozzle lubang banyak (multiple hole nozzle).
2.7.2.2 Keuntungan Dan Kerugian Tipe Ruang Bakar Tambahan (Auxiliary
Combustion Chamber)
Tipe ruang bakar tambahan terdapat dalm 3 macam, yaitu: 1) Ruang bakar kamar muka (precombustion chamber) 2) Ruang bakar pusar (swirl chamber)
3) Ruang bakar air cell (Air cell combustion chamber)
1. Ruang bakar muka
Dalam ruang bakar ini bahan bakar solar disemprotkan ke dalam ruang bakar muka oleh nozzle injeksi. Sebagian bahan bakr yang tidak terbakar di ruang bakar muka didorong melalui saluran kecil antara ruang bakar muka dan ruang bakar utama. Percampuran yang baik dan terbakar seluruhnya berada pada ruang bakar utama.
Keuntungan ruang bakar muka adalah:
Jenis bahan bakar yang digunakan lebih luas, karena turbulensinya sangat baik untuk pengabutan.
Perawatan pompa injeksi lebih mudah karena tekanan injeksi lebih rendah dan tidak terlalu peka terhadap perubahan saat injeksi.
Detonasi berkurang serta mesin bekerja lebih baik karena menggunakan nozzle lubang banyak.
Kerugian ruang bakar muka adalah:
terbakar masuk ke ruang bakar utama melalui saluran tersebut. Selanjutnya capuran tersebut akan terbakar di tuang bakar utama.
Keuntungan ruang bakar pusar adalah:
Dapat menghasilkan putaran tinggi, karena turbulensi yang sangat baik pada saat kompresi.
Gangguan pada nozzle berkurang karena menggunakan nozzle tipe pin. Putaran mesin lebih tinggi dan operasinya lebih lembut, menyebabkan
jenis ini cocok untuk mobil.
Kerugian ruang bakar pusar adalah: Konstruksi kepala silinder rumit.
Efisiensi panas dan pemakaian bahan bakar lebih boros dibandingkan dengan tipe ruang bakar langsung
Penggunaan alat pemanas tidak begitu efektif, sebab ruang bakar sangat luas.
Detonasi lebih besar pada kecepatan rendah.
3. Ruang bakar Air Cell
Pada ruang bakar air cell ini bahan bakar disemprotkan langsung ke dalam air cell dan terbakar langsung di ruang bakar utama. Sebagian bahan bakar yang yang disemprotkan ke air cell dan terbakar, mengakibatkan tekanan dalam air cell bertambah. Bila torak bergerak ke TMB, udara dalam air cell keluar ke ruang bakar utama membantu menyempurnakan pembakaran. Pada ruang bakar ini tidak memerlukan pemanas.
Keuntungan ruang bakar air cell adalah:
Mesin bekerja lebih lembut karena pembakaran terjadi secara berangsur-angsur.
Tidak memerlukan pemanas.
Kerugian ruang bakar air cell adalah:
Saat injeksi bahan bakar sangat mempengaruhi kemampuan mesin. Suhu gas buang sangat tinggi karena pembakaran lanjut sangat panjang. Bahan bakar boros.
2.7.3 Performansi Motor Bakar
2.7.3.1 Torsi
Torsi adalah perkalian antara gaya dengan jarak. Selama proses usaha maka tekanan-tekanan yang terjadi di dalam silinder motor menimbulkan suatu gaya yang luar biasa kuatnya pada torak. Gaya tersebut dipindahkan kepada pena engkol melalui batang torak, dan mengakibatkan adanya momen putar atau torsi pada poros engkol. Untuk mengetahui besarnya torsi digunakan alat
dynamometer. Biasanya motor pembakaran ini dihubungkan dengan dynamometer
dengan maksud mendapatkan keluaran dari motor pembakaran dengan cara menghubungkan poros motor pembakaran dengan poros dynamometer dengan menggunakan kopling elastik.
PB = ………. (2.1)
T =
……….… (2.2)
2.7.3.2 Daya Poros
semakin banyak langkah kerja yang dialami pada waktu yang sama. Dengan demikian besar daya poros itu adalah :
Dimana : PB = daya ( W ) T = torsi ( Nm )
n = putaran mesin ( Rpm )
2.7.3.3 Rasio Udara - Bahan Bakar (AFR)
Energi yang masuk kedalam sebuah mesin berasal dari pembakaran bahan bakar hidrokarbon. Udara digunakan untuk menyuplai oksigen yang dibutuhkan untuk mendapatkan reaksi kimia didalam ruang bakar. Agar terjadinya reaksi pembakaran, jumlah oksigen dan bahan bakar harus tepat. Yang dirumuskan sebagai berikut:
………(2.4)
………..(2.5)
Dimana: massa udara di dalam silinder per siklus massa bahan bakar di dalam silinder per siklus
laju aliran udara didalam mesin laju aliran bahan bakar di dalam mesin tekanan udara masuk silinder
temperatur udara masuk silinder
konstanta udara
volume langkah (displacement)
2.7.3.4 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)
Konsumsi bahan bakar spesifik merupakan salah satu parameter prestasi yang penting di dalam suatu motor bakar. Parameter ini biasa dipakai sebagai ukuran ekonomi pemakaian bahan bakar yang terpakai per jam untuk setiap daya kuda yang dihasilkan.
SFC = ……… (2.6)
……… (2.7)
Dengan :
SFC = konsumsi bahan bakar spesifik (kg/kw.h) PB = daya (W)
= konsumsi bahan bakar sgf = spesifik grafity t = waktu (jam)
2.7.3.5 Efisiensi Thermal
Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang dibangkitkan piston karena sejumlah enegi hilang akibat adanya rugi-rugi mekanis (mechanical losses). Dengan alasan ekonomis perlu dicari kerja maksimium yang dapat dihasilkan dari pembakaran sejumlah bahan bakar. Efisiensi ini disebut juga sebagai efisiensi termal brake ( brake thermal efficiency, ηb).
Jika daya keluaran PB dalam satuan KW, laju aliran bahan bakar mf dalam satuan kg/jam, maka:
Laju panas yang masuk dapat dihitung dengan rumus berikut :
Qf =
(kW) ……….... (2.9) Dimana : LHV = Nilai kalor pembakaran bahan bakar (kJ/Kg)
Jadi eefisiensi termal dapat dihitung dengan rumus :
ηb = × 100 %………... (2.10)
2.7.3.6 Efisiensi Volumetris
Efisiensi Volumetris menunjukkan perbandingan antara jumlah udara yang terhisap sebenarnya terhadap jumlah udara yang terhisap sebanyak volume langkah torak untuk setiap langkah isap.
Efisiensi Volumetris ( ) =
……… (2.11)
(untuk mesin 4 langkah)
Dimana : = Laju aliran massa udara (kg/jam)
N = Putaran mesin (rpm) = Densitas udara (kg/m3)
= Volume langkah torak (m3) =0,00023 m3 [berdasarkan spesifikasi mesin]
2.8 Nilai Kalor Bahan Bakar
dari nilai kalor suatu bahan bakar, maka nilai kalor bahan bakar dapat dibedakan menjadi nilai kalor atas dan nilai kalor bawah.
Nilai kalor atas (High Heating Value,HHV), merupakan nilai kalor yang diperoleh secara eksperimen dengan menggunakan kalorimeter dimana hasil pembakaran bahan bakar didinginkan sampai suhu kamar sehingga sebagian besar uap air yang terbentuk dari pembakaran hidrogen mengembun dan melepaskan panas latennya. Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung bila diketahui komposisi bahan bakarnya dengan menggunakan persamaan
Dulong :
HHV = 33950 + 144200 (H2- ) + 9400 S……… (2.10)
Dimana: HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
C = Persentase karbon dalam bahan bakar H2 = Persentase hidrogen dalam bahan bakar O2 = Persentase oksigen dalam bahan bakar S = Persentase sulfur dalam bahan bakar
Nilai kalor bawah ( low Heating Value, LHV ), merupakan nilai kalor bahan bakar tanpa panas laten yang berasal dari pengembunan uap air. Umumnya kandungan hidrogen dalam bahan bakar cair berkisar 15 % yang berarti setiap satu satuan bahan bakar, 0,15 bagian merupakan hidrogen. Pada proses pembakaran sempurna, air yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar adalah setengah dari jumlah mol hidrogennya.
LHV = HHV – 2400 (M + 9 H2) ... (2.11)
Dimana: LHV = Nilai Kalor Bawah (kJ/kg)
M = Persentase kandungan air dalam bahan bakar (moisture)
