BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Motor Bakar
Motor bakar pembakaran dalam (Internal Combustion Engine) merupakan pesawat kalori yang merubah energi kimia dari bahan bakar menjadi energi mekanis. Energi kimia dari bahan bakar yang bercampur dengan udara diubah terlebih dahulu menjadi energi termal melalui pembakaran atau oksidasi, sehingga temperatur dan tekanan gas pembakaran di dalam silinder meningkat. Gas ber tekanan tinggi di dalam silinder berekspansi dan mendorong torak bergerak translasi dan menghasilkan gerak rotasi poros engkol sebagai keluaran mekanis motor. Demikian pula sebaliknya, gerak rotasi poros engkol akan menghasilkan gerak translasi pada torak sehingga terjadi gerak bolak -balik torak di dalam silinder. Disebut motor pembakaran dalam karena proses pembakaran bahan bakar berlangsung di dalam, motor bakar itu sendiri (lit 13 hal 55).
Motor pembakaran dalam banyak digunakan dalam berbagai aktivitas manusia, baik sebagai motor penggerak untuk pompa air, generator, mesin pemotong rumput, maupun sebagai sarana transportasi untuk menunjang mobilitas manusia dan barang (lit 13 hal 55).
Gambar 2.1 A.(Proses Pembakaran Dalam/ICE) dan B.(Proses Pembakaran Luar/ECE) (lit 14 hal 55)
2.2 Bahan Bakar Bensin
membuat bensin standar, yaitu bensin yang dibuat dari senyawa n-heptana dan isooktana. Angka yang digunakan untuk menunjukan mutu bensin ini disebut bilangan oktan atau bilangan oktana. Semakin tinggi bilangan oktan bensin, semakin baik mutu bensin tersebut (lit 14 hal 55).
Bahan bakar bensin merupakan campuran senyawa hidrokarbon cair yang sangat mudah menguap. Bensin terdiri dari parafin, naptalene, aromatic ,dan olefin, bersama-sama dengan beberapa senyawa organik lain dan kontaminan. Struktur molekulnya dari C4 – C9.
Angka Oktan Riset/Research Octane Number (RON) Ini adalah cara yang paling umum digunakan di seluruh dunia. RON ditentukan dengan uji coba
menggunakan test engine dengan variasi compression ratio. Hasilnya akan
dibandingkan untuk mendapatkan campuran yang tepat untuk iso-oktana dan
n-heptana. karakteristik bahan bakar yang menggambarkan kemampuan bahan bakar
akan atau tidak menyala sendiri. Peringkat oktan didasarkan pada ukuran kemampuan bahan bakar menahan detonasi. Semakin tinggi peringkat oktan, semakin kecil kemungkinan untuk menghasilkan ledakan dini (pre-ignition). Kecenderungan penyalaan dini menimbulkan gejala ketukan (knocking). Motor dengan rasio kompresi rendah dapat menggunakan bahan bakar dengan angka oktan lebih rendah, tetapi motor kompresi tinggi harus menggunakan bahan bakar oktan tinggi untuk menghindari pengapian sendiri dan ketukan (lit 14 hal 55).
Angka Oktan Motor/Motor Oktane Number (MON) ini adalah Cara lain untuk menetapkan bilangan oktan adalah MON. Metode ini dilakukan
dengan engine test yang sama dengan RON namun menggunakan rotation per
minute (rpm) yang lebih tinggi yaitu 900. RON menggunakan 600 rpm. Perbedaan
lain adalah MON menggunakan pre-heated fuel dan variasi dari ignition timing.
PON atau (Posted Octane Number) beberapa negara seperti Canada, USA,
Brazil dan beberapa lainnya menggunakan rata-rata dari RON dan MON, yang
disebut Anti Knock Index (AKI), biasa ditulis sebagai (R+M)/2.
memenuhi Surat Keputusan Dirjen Migas Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral Nomor 3674. K Tahun 2006 tentang spesifikasi BBM RON 91 / 92.
Tabel Metode Uji Standar dan Mutu (Spesifikasi) Bahan Bakar Jenis Bensin 92 (Pertamax)
Tabel 2.2 Berdasarkan keputusan Dirjen Migas No.3674.K/24/DJM./2006:
Sumber: (Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia Direktorat Jenderal
Minyak dan Gas Bumi)
Pertamax membuat pembakaran pada mesin kendaraan dengan teknologi terkini lebih baik dibandingkan dengan premium yang memiliki RON 88 dan pertalite dengan oktan 90. Keunggulan pertamax adalah:
1. Durability, pertamax dikategorikan sebagai bahan bakar kendaraan yang memenuhi syarat dasar durability/ketahanan, dimana bbm ini tidak akan menimbulkan gangguan serta kerusakan mesin, karena kandungan oktan 92 lebih
NO. KARAKTERISTIK SATUAN BATASAN METODEUJI
7. KandunganSilikon mg/kg - - IICP-AES(Merujuk metodeinhousedengan
batasandeteksi=1mg/kg 17. BeratJenis(padasuhu15oC) kg/m3 715 770 D4052/D1298
18. KorosiBilahtembaga merit Kelas1 D130
19. UjiDoctor Negatif IP30
20. BelerangMercap tan %massa - 0,002 D3227 21. PenampilanVisual Jernihdanterang
22. Warna Biru
sesuai dengan perbandingan kompresi kebanyakan kendaraan bermotor yang beredar di Indonesia (lit 16 hal 55).
2. Fuel Economy, kesesuaian oktan 92 Pertamax dengan perbandingan kompresi kebanyakan kendaraan beroperasi sesuai dengan rancangannya. Perbandingan Air Fuel Ratio yang lebih tinggi dengan konsumsi bahan bakar menjadikan kinerja mesin lebih optimal dan efisien untuk menempuh jarak lebih jauh karena perbandingan biaya dengan operasi bahan bakar dalam (Rupiah/kilometer) akan lebih hemat (lit 16 hal 55).
3. Performance, kesesuaian angka oktan Pertamax dan aditif yang dikandungnya dengan spesifikasi mesin akan menghasilkan performa mesin yang jauh lebih baik dibandingkan ketika menggunakan oktan 88 dan 90. Hasilnya adalah torsi mesin lebih tinggi dan kecepatan meningkat (lit 16 hal 55).
2.3 Motor Bakar Bensin
Motor bakar bensin dikenal dengan motor bakar siklus Otto. Siklus otto pertama sekali dikembangkan oleh seorang insinyur berkebangsaan Jerman bernama Nikolaus A. Otto pada tahun 1837.
Pada motor bakar bensin, campuran udara bahan bakar dinyalakan oleh percikan bunga api listrik diantara kedua elektrode busi sehingga motor bensin juga dikenal sebagai motor pengapian percik (Spark ignition Engines). Busi mempunyai fungsi untuk penghasil loncatan api yang akan menyalakan gas dari campuran bahan bakar dan udara. Karburator dan injektor mempunyai fungsi yang sama antara lain untuk melakukan percampuran serta pengabutan udara dengan bahan bakar yang akan dibakar di dalam ruang bakar. Terdapat beberapa jenis mesin otto berdasarkan banyak langkahnya antara lain siklus Otto 2 langkah, siklus Otto 4 langkah, siklus Otto 6 langkah. Siklus Otto 2 langkah dan 4 langkah banyak digunakan pada kendaraan yang beredar sebagai transportasi (lit 1 hal 55).
2.3.1 Siklus Otto Ideal
Otto ideal memiliki 4 langkah disebut juga mesin 4-langkah (four stroke engine). Gambar 2.3 menjelaskan proses 4 langkah pada siklus Otto: (lit 15 hal 55).
Gambar 2.2 Pembagian Langkah pada Siklus Otto (lit 15 hal 55).
Langkah-langkah yang terjadi pada motor bensin siklus Otto ideal adalah sebagai berikut:
1. Langkah hisap
Diawali dengan posisi torak di TMA dan berakhir dengan posisi torak di TMB, yang mana menghisap campuran bahan bakar dengan udara ke dalam silinder. Untuk meningkatkan massa campuran yang dihisap, katup masuk terbuka sesaat sebelum langkah hisap dimulai dan menutup setelah berakhirnya langkah tersebut. 2. Langkah kompresi
Ketika kedua katup tertutup di mana campuran di dalam silinder dimampatkan dan volumenya diperkecil. Menjelang akhir langkah kompresi, pembakaran diaktifkan dan tekanan silinder naik dengan cepat (lit 15 hal 55).
3. Langkah ekspansi
untuk berputar. Ketika torak mendekati TMB, katup buang terbuka untuk mengawali proses buang dan tekanan silinder turun mendekati tekanan buang. 4. Langkah buang
Di mana sisa gas yang dibakar keluar dari silinder ketika torak bergerak ke arah TMA. Ketika torak mendekati TMA, katup masukan akan terbuka. Sesaat setelah TMA, katup buang menutup dan siklus dimulai lagi (lit 15 hal 55).
Dalam kondisi ideal siklus Otto dibatasi dua garis isentropik dan dua garis isovolume. Gambar 2.3 akan menjelaskan diagram siklus otto ideal.
Gambar 2.3 Diagram P-v dan Diagram T-s Siklus otto Ideal
2.4 Unjuk Kerja Motor Bakar Bensin
Performansi dapat disebut juga sebagai unjuk kerja dari motor bakar bensin. Beberapa hal yang mempengaruhi performansi motor bakar bensin antara lain seperti rasio udara dan bahan bakar, dan rasio kompresi dari volume silinder ruang bakar. Kedua hal tersebut saling berpengaruh dengan peningkatan unjuk kerja mesin, efisiensi mesin dan emisi dari gas buang mesin motor bakar bensin.
2.4.1 Torsi Poros
2.1.
= ��...(2.1) (lit 15 hal 55). Dimana : F = Gaya (N)
G = Percepatan gravitasi (9,86 m/s2) M = Massa (Kg)
Untuk menghitung torsi pada roda, dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.2.
T roda = F x r...(2.2) (lit 15 hal 55). Dimana : T roda = Torsi pada roda (Nm)
r = jari-jari roda = ½ diameter roda
Torsi pada mesin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.3.
T mesin = ...(2.3) (lit 15 hal 55). Dimana : Tmesin = Torsi mesin (Nm)
2.4.2 Daya Poros
Kerja mesin selama waktu tertentu dapat disebut sebagai daya. Besarnya poros engkol yang bekerja dengan pembebanan merupakan daya poros. Daya poros berasal dari langkah kerja disaat campuran udara dan bahan bakar meledak dan menyebabkan piston mengalami dorongan yang menghasilkan kerja pada poros engkol yang mengubah gerak translasi menjadi gerak rotasi. Prestasi mesin motor bakar ditentukan oleh daya poros yang telah dibebankan akibat gesekan seperti pada torak, dinding silinder, poros, dan bantalan. Frekuensi putaran motor atau disebut dengan RPM (Revolution per Minute) mempengaruhi besarnya daya poros dimana semakin banyak putaran poros yang terjadi maka semakin besar daya poros tersebut. Daya poros dapat dicari dengan persamaan 2.4.
PB = ...(2.4) (lit 15 hal 55). Dimana : PB = Daya keluaran (W)
2.4.3 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (Specific Fuel Consumption)
Konsumsi bahan bakar spesifik adalah parameter unjuk kerja mesin yang berhubungan langsung dengan nilai ekonomis sebuah mesin, karena dengan mengetahui hal ini dapat dihitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu. SFC dapat dicari dengan menggunakan persamaan 2.5.(Pulkrabek,Willard W.1997)
Sfc = ...(2.5) (lit 15 hal 55). Dimana : Sfc = Konsumsi bahan bakar spesifik (gr/kW.h)
Mf = Laju aliran bahan bakar (gr/jam) P = Daya (W)
Besarnya laju aliran masssa bahan bakar dihitung dengan persamaan 2.6.
ṁf = ...(2.6) (lit 15 hal 55). Dimana : �f = massa jenis bahan bakar (kg/m3)
V = volume bahan bakar yang habis terpakai (m3) tf = waktu untuk menghabiskan bahan bakar (s)
2.4.4 Air Fuel Ratio (AFR)
Perbandingan udara dan bahan bakar yang masuk kedalam ruang bakar adalah AFR yang didapat dengan menggunakan persamaan 2.7 – 2.11.
AFR = = ...(2.7) (lit 15 hal 55). Dimana : �� = massa udara di dalam silinder per siklus (kg/cyl-cycle)
�� = massa bahan bakar di dalam silinder per siklus (kg/cyl-cycle) ṁ� = laju aliran udara didalam mesin (gr/jam)
ṁ� = laju aliran bahan bakar di dalam mesin (gr/jam)
Dimana : ṁₐ= laju aliran udara (gr/jam)
mₐ = laju aliran udara per siklus (kg/cyl-cycle)
Dimana : mₐ = laju aliran udara per siklus (kg/cyl-cycle)
�� = tekanan udara masuk silinder (1atm = 100 kPa)
�� = temperatur udara masuk silinder
�= konstanta udara (0,287 kJ/kg.K)
� = volume langkah (m3)
� = volume langkah (m3)
... (2.10) (lit 15 hal 55). Dimana : Vd = volume langkah (m3)
B = bore (m) S = stroke (m)
Dimana : Vc = volume langkah (m3) r = rasio kompresi
2.4.5 Efisiensi Volumetris
Jika sebuah mesin empat langkah dapat menghisap udara pada kondisi isapnya sebanyak volume langkah toraknya untuk setiap langkah isapnya, maka proses ini ideal. Tetapi dalam kondisi aktual dimana massa udara yang dapat dialirkan selalu lebih sedikit dari perhitungan teoritis. Hal tersebut terjadi akibat efek pemanasan yang mengurangi kerapatan udara ketika memasuki silender mesin. Efisiensi Volumetris dapat dicari dengan persamaan 2.12 dan 2.13.
...(2.12) (lit 15 hal 55). ... (2.13) (lit 15 hal 55). Dimana : η�
=
efisiensi volumetris (%)��= massa udara dalam silinder per siklus (kg/cyl-cycle)
�d = volume langkah (m3)
�= densitas udara (kg/m3)
2.4.6 Efisiensi Thermal
Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang dibangkitkan piston karena sejumlah energi hilang akibat adanya rugi-rugi mekanis seperti gesekan, kerja pompa oli dan pompa pendingin, dan panas yang terbuang. Maka Efisiensi Thermal dapat dicari dengan persamaan 2.14.
ηb = ...(2.14) (lit 15 hal 55). Dimana : LHV = Nilai kalor bawah bahan bakar (kJ/kg)
2.5 Nilai Kalor Bahan Bakar
Reaksi kimia antara bahan bakar dengan oksigen dari udara menghasilkan panas. Besarnya panas yang ditimbulkan jika satu satuan bahan bakar dibakar sempurna disebut nilai kalor bahan bakar (Caloric Value, CV). Berdasarkan asumsi ikut tidaknya panas laten pengembunan uap air dihitung sebagai bagian 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 bom kalorimeter dimana hasil pembakaran bahan bakar didinginkan sampai suhu kamar sehingga sabagian besar uap air yang terbentuk dari pembakaran hydrogen mengembun dan melepaskan panas latennya. Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung bila diketahui komposisi bahan bakarnya dengan menggunakan persamaan 2.15.
HHV = (T2 – T1 – Tkp) x Cv...(2.15) (lit 15 hal 55).
Dimana: HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
T1 = Temperatur air pendingin sebelum penyalaan (0C). T2 = Temperatur air pendingin sesudah penyalaan (0C). Cv = Panas jenis bom kalorimeter (73529.6 kJ/kg 0C). Tkp = Kenaikan temperatur akibat kawat penyala (0.05 0C). Dan nilai kalor bawah dapat dihitung dengan persamaan 2.16.
LHV = HHV –3240 ...(2.16) (lit 15 hal 55). Dimana : LHV = Nilai kalor bawah (kJ/kg)
Jika diketahui komposisi bahan bakar maka besarnya nilai kalor atas dapat dihitung juga dengan menggunakan persamaan Dulong.[9 Hal 43]
HHV = 33950 C + 144200 ( H2- ) + 9400 S ...(2.17) (lit 15 hal 55). 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 hidrogen.
Selain berasal dari pembakaran hidrogen, uap air yang terbentuk pada proses pembakaran dapat pula berasal dari kandungan air yang memang sudah ada di dalam bahan bakar. Panas laten pengkondisian uap air pada tekanan parsial 20 kN/m2 (tekanan yang umum timbul pada gas buang) adalah sebesar 2400 kJ/kg, sehingga besarnya nilai kalor bawah (LHV) dapat dihitung berdasarkan persamaan 2.18.
LHV = HHV – 2400 (M + 9 H2) ...(2.18) (lit 15 hal 55). Dimana: LHV = Nilai Kalor Bawah (kJ/kg)
M = Persentase kandungan air dalam bahan bakar (moisture)
2.6 Sejarah Etanol
Etanol telah digunakan manusia sejak zaman prasejarah dari masa Neolitik. Campuran dari etanol yang mendekati kemurnian untuk pertama kali ditemukan oleh Kimiawan Muslim yang mengembangkan proses distilasi pada masa Kalifah Abbasid dengan peneliti yang terkenal waktu itu adalah Jabir ibn Hayyan (Geber), Al-Kindi (Alkindus) dan al-Razi (Rhazes). Catatan yang disusun oleh Jabir ibn Hayyan (721-815) menyebutkan bahwa uap dari wine yang mendidih mudah terbakar. Al-Kindi (801-873) dengan tegas menjelaskan tentang proses distilasi wine. Sedangkan etanol absolut didapatkan pada tahun 1796 oleh Johann Tobias Lowitz, dengan menggunakan distilasi saringan arang.
Antoine Lavoisier menggambarkan bahwa etanol adalah senyawa yang terbentuk dari karbon, hidrogen dan oksigen. Pada tahun 1808 Nicolas-Théodore de Saussure dapat menentukan rumus kimia etanol. Limapuluh tahun kemudian (1858), Archibald Scott Couper menerbitkan rumus bangun etanol. Dengan demikian etanol adalah salah satu senyawa kimia yang pertama kali ditemukan rumus bangunnya. Etanol pertama kali dibuat secara sintetis pada tahu 1829 di Inggris oleh Henry Hennel dan S.G.Serullas di Perancis. Michael Faraday membuat etanol dengan menggunakan hidrasi katalis asam pada etilen pada tahun 1982 yang digunakan pada proses produksi etanol sintetis hingga saat ini.
Pada tahun 1840 etanol menjadi bahan bakar lampu di Amerika Serikat, pada tahun 1880-an Henry Ford membuat mobil quadrycycle dan sejak tahun 1908 mobil Ford model T telah dapat menggunakan etanol sebagai bahan bakarnya. Namun pada tahun 1920an bahan bakar dari petroleum yang harganya lebih murah telah menjadi dominan menyebabkan etanol kurang mendapatkan perhatian. Akhir-akhir ini, dengan meningkatnya harga minyak bumi, etanol kembali mendapatkan perhatian dan telah menjadi alternatif energi yang terus dikembangkan (lit 20 hal 56).
2.6.1 Etanol
tidak mengandung timbal dan bisa diuraikan oleh mikroorganisme sehingga tidak mencemari udara/lingkungnan. Disamping itu, etanol bisa didapat dari hasil fermentasi tumbuh-tumbuhan sehingga di alam ketersediannya cukup melimpah dan juga dapat dibudidayakan (lit 20 hal 56).
Alkohol adalah bahan bakar dari jenis oksigenat. Molekul alcohol memiliki satu atau lebih oksigen yang memberikan kontribusi untuk pembakaran. Alkohol dinamai sesuai molekul dasar dari hidrokarbon turunannya, misalnya metanol atau metil alkohol (CH3OH), etanol atau etil alkohol (C2H5OH), propanol (C3H7OH), butanol (C4H9OH). Secara teoritis, setiap molekul organik dari jenis alkohol dapat digunakam sebagai bahan bakar (lit 20 hal 56).
Penggunaan etanol sebagai bahan bakar mobil selama bertahun-tahun telah dilakukan di berbagai negara di dunia. Brazil adalah pemakai yang terkemuka, di mana pada tahun 1900-an, 4,5 juta kendaraan dioperasikan dengan bahan bakar 93% etanol. Selama beberapa tahun, etanol telah tersedia pada stasiun pompa bahan bakar di Brazil (lit 20 hal 56).
Dua kombinasi campuran yang umum adalah E85 (85% etanol) dan E10 (10% etanol). E85 pada dasarnya suatu bahan bakar alkohol dengan 15% bensin ditambahkan untuk meniadakan sebagian permasalahan dalam penggunaan alkohol murni yaitu start dingin, tangki mudah terbakar, dan lain-lain. E10 mengurangi penggunaan bensin dengan tanpa memerlukan modifikasi motor mobil. Motor berbahan bakar fleksibel dapat beroperasi pada setiap rasio etanol-bensin (lit 20 hal 56).
Etanol merupakan bahan bakar dari tumbuhan yang memiliki sifat menyerupai minyak premium. etanol adalah etanol yang dihasilkan dari fermentasi glukosa (gula) yang dilanjutkan dengan proses distilasi. Proses distilasi dapat menghasilkan etanol dengan kadar 95% volume, untuk digunakan sebagai bahan bakar (biofuel) perlu lebih dimurnikan lagi hingga mencapai 99 % yang lazim disebut fuel grade etanol (lit 20 hal 56).
Bahan baku pembuatan etanol dibagi menjadi tiga kelompok, yaitu : 1. Bahan sukrosa
2. Bahan berpati
Bahan-bahan yang termasuk ke dalam kelompok ini adalah bahan-bahan yang mengandung pati. Bahan tersebut antara lain, tepung-tepung ubi ganyong, jagung, sagu, bonggol pisang, ubi kayu, ubi jalar, dan lain-lain.
3. Bahan berselulosa
Bahan berselulosa (lignoselulosa) artinya adalah bahan tanaman yang mengandung selulosa (serat), antara lain kayu, jerami, batang pisa ng, dan lain-lain.
