BAB II
LANDASAN TEORI
Bensin digunakan sebagai bahan bakar untuk mesin bensin dimana bensin tercampur dengan udara sebelum masuk ruang bakar. Akan tetapi seiring dengan perubahan jaman dan kemajuan teknologi cadangan bensin menipis dan banyak alternatif bahan bakar yang digunakan untuk mengganti bensin tersebut, adapun bensin tidak diganti melainkan dicampurkan guna menghemat ketersediaan bensin. Alternatif di antaranya yaitu mengganti bensin dengan bahan bakar gas ataupun mencampurkannya. Dalam tugas akhir saya kali ini akan dibahas performa motor bensin dengan menggunakan campuran bahan bakar LPG dan bensin tanpa menggunakan konverter kit.
2.1 Motor Bensin
Motor bensin adalah suatu jenis mesin pada kendaraan yang mengubah energi kimia menjadi energi gerak dengan pembakaran dalamnya. Motor bensin empat langkah adalah motor yang pada setiap empat torak/piston (dua putaran engkol) sempurna menghasilkan satu tenaga kerja (satu langkah kerja).
Motor bensin merupakan motor bakar yang pembakarannya berlangsung didalam silinder (internal combustion) dimana gas pembakaran yang telah dihasilkan pada saat proses pembakaran berfungsi sebagai fluida kerja. Pada motor bakar menggunakan silinder yang didalamnya terdapat torak yang bergerak translasi (bolak-balik). Di dalam silinder itulah terjadi pembakaran antara bahan bakar dengan oksigen.
Motor bakar memiliki satu atau beberapa silinder sebagai tempat proses pembakaran bahan bakar. Silinder tersebut dilengkapi dengan 2 katup pada tutupnya, yaitu katup hisap dan katup buang. Katup-katup tersebut dapat memutuskan dan menghubungkan ruang silinder dengan atmosfer.
Katup hisap dan katup buang digerakkan oleh poros cam melalui poros engkol akibat adanya gerak translasi pada torak. Pada saat yang tepat masing-masing katup akan terbuka dan tertutup. Jika katup hisap terbuka (katup buang tertutup) maka udara segar atau campuran bahan bakar udara terhisap masuk ke dalam silinder. Ini terjadi karena tekanan dalam silinder lebih besar dari tekanan yang ada di dalam katup hisap dan sebaliknya katup buang terbuka sesudah ekspansi maka gas pembakaran yang berada dalam silinder dapat dikeluarkan, akibat
dari tekanan silinder yang lebih tinggi dari tekanan atmosfer menyebabkan mesin dapat berputar.
2.2 Prinsip Kerja Motor Bensin Empat Langkah
Dalam siklus kerja motor bensin empat langkah terdapat empat langkah dalam menghasilkan satu tenaga kerja berikut tahapannya:
1. Langkah Pemasukan
Langkah pemasukan di mulai dengan piston pada titik mati atas dan berakhir ketika piston mencapai titik mati bawah. Untuk menaikkan massa yang terhisap, katup masuk terbuka saat langkah ini dan menutup setelah langkah ini berakhir.
2. Langkah Kompresi
Langkah kompresi terjadi ketika kedua katup tertutup dan campuran didalam silinder terkompresi ke bagian kecil dari volume awalnya. Sesaat sebelum akhir langkah kompresi , pembakaran dimulai dan tekanan silinder naik dengan sangat cepat.
3. Langkah Keja atau Ekspansi
Langkah kerja atau ekspansi dimulai saat piston pada titik mati atas dan berakhir sekitar 45° sebelum titik mati bawah. Gas bertekanan tinggi menekan piston turun dan memaksa engkol berputar. Ketika piston mencapai 45° sebelum titik mati bawah, katup buang terbuka untuk memulai proses pembuangan dan menurunkan tekanan silinder hingga mendekati tekanan pembuangan.
4. Langkah Pembuangan
Langkah pembuangan dimulai ketika piston mencapai titik mati bawah. Ketika katup buang membuka, piston menyapu keluar sisa gas pembakaran hingga piston mencapai titik mati atas. Bila piston mencapai titik mati atas, katup masuk membuka dan katup buang tertutup, dan siklus kembali ke langkah pertama pemasukan.
2.3 Bahan Bakar
Bahan bakar adalah suatu apapun yang bisa diubah menjadi energi. Biasanya bahan bakar mengandung energi panas yang dapat dilepaskan dan dimanipulasi. Kebanyakan bahan bakar digunakan manusia melalui proses pembakaran (reaksi redoks) dimana bahan bakar tersebut akan melepaskan panas setelah direaksikan dengan oksigen di udara. Proses lain untuk melepaskan energi dari bahan bakar adalah reaksi nuklir (seperti Fisi nuklir atau Fusi nuklir). Hidrokarbon (termasuk didalamnya bensin dan solar) sejauh ini merupakan jenis bahan bakar yang paling sering digunakan manusia, bahan bakar lainnya yang bisa digunakan adalah logam radioaktif. Bahan bakar juga merupakan bagian yang sangat penting dalam proses pembakaran, karena dapat memberikan energi pada fluida kerja (udara) melaui proses pembakaran didalam ruang bakar, ada 2 jenis bahan bakar yang digunakan pada motor bakar biasanya bahan bakar yang dipergunakan pada motor bakar yaitu : bahan bakar berebentuk gas dan cair.
Pada umumnya bahan bakar yang digunakan ialah bahan bakar cair yang berasal dari minyak bumi. Minyak bumi merupakan sumber energi fosil berupa ikatan hidrokarbon cair (fluida) yang dapat dibedakan dalam kelompok, yaitu : alkanes atau parrafin (CnH2n+n), cycloalkanes atau naphthene (n(CH2)), dan aromatics (Cn H2n+2). Selain dari unsur ketiga
kelompok tersebut, minyak bumi mengikat beberapa unsur sulfur, nitrogen, oxygen, nickel, chlorine, dan arsenic dalam jumlah yang relatif kecil.
Ikatan karbon untuk minyak bumi memiliki rantai unsur karbon 5 – 17, pada kondisi tekanan normal (atm) memiliki temperatur didih diatas 36 °C atau 97 °F. Berdasarkan berat atom, kelompok hidrokarbon untuk minyak bumi tersebut memiliki sifat umum sebagai berikut :
1. Alaknes atau parrafin merupakan senyawa hidrokarbon yang jenuh (saturated) dan memiliki rantai ikatan tidak terbatas.
2. Cycloalkanes atau naphthenes merupakan senyawa hidrokarbon jenuh dan membentuk struktur pada dua rantai terakhir.
3. Aromatic merupakan senyawa hidrokarbon yang sangat stabil dan membentuk struktur melingkar pada rantainya serta beraroma.
Pada proses pengolahan minyak bumi tau pengilangan (refinery), produk minyak bumi dapat dibedakan menjadi : gasoline, kerosene, destilate fuel oil,jet fuel,residual fuel oil, lubricating oil, dan sebagainya. Proses dari minyak bumi dibedakan menjadi tiga proses, yaitu :
1. Secara fisika (physical process), proses ini merupakan langkah pemisahan berdasarkan sifat fisiknya (temperatur didih dan kondensasi).
2. Secara kimia (chemycal process), proses ini bertujuan untuk mengubah struktur molekul sesuai dengan produk yang diinginkan, antara lain dengan cracking system.
3. Secara kilang (treating procss), proses ini dikenal dengan refinery yang merupakan produk pengolah crude dari unsur atau senyawa yang tidak diinginkan.
2.4 Spesifikasi Dasar Bahan Bakar
Pada setiap bahan bakar baik itu yang berasal dari minyak bumi, batu bara, dan gas alam memiliki sifat yang hampir sama, hanya mungkin perbedaan yang sangat mencolok hanya pada berat jenisnya. Adapun spesifikasi bahan bakar adalah sebagai berikut :
1. Nilai Kalor
Jumlah panas yang dihasilkan oleh sejumlah bahan bakar mempunyai nilai maksimum tertentu. Jumlah panas yang dihasilkan maksimum oleh tiap satu satuan berat atau volume bahan bakar yang sempurna, dinamakan nilai kalor. Besarya diukur dalam kilo joule (Kj) tiap kilogram (Kg). Nilai kalor bahan bakar tergantung pada susunan hidrokarbonnya, nilai tersebut diukur dengan menggunakan bomb kalorimeter.
Bila jumlah bahan bakar dibakar dalam tabung kalorimeter, hasil reaksi hidrogen dengan oksigen membentuk uap air. Uap air yang mengembun inilah yang dinamakan nilai kalor atas (High Heating Value). Pada motor bakar sesungguhnya uap air itu tidak mengembun, melainkan berwujud uap dimana uap tersebut keluar bersama gas buang. Jumlah panas yang ditimbulkan dari uap tersebut dinamakan nilai kalor bawah (Low Heating Value). Niai kalor bawah lebih kecil dari nilai kalor atas dan selisih dari kedua kalor tersebut menghasilkan kalor untuk mencairkan (mengembunkan) uap air yang terbentuk dari proses pembakaran. Nilai kalor atas (High Heating Value) bahan bakar lebih banyak digunakan dalam perhitungan, karena lebih mencerminkan jumlah energi totalnya.
2. Berat Jenis (Spesific Grafty)
Berat jenis (Spesific grafity) adalah suatu perbandingan berat dari bahan bakar tertentu dengan berat dari air dengan isi yang sama dimana suhu dari bahan bakar dan suhu dari air adalah sama tingginya (rata-rata 60 °F). Kegunaan berat jenis adalah menghitung berat bahan bakar, dimana berat isi telah diketahui.
3. Kandungan Air
Kadar air yang banyak dalam bahan bakar akan menyebabkan terhambatnya proses pembakaran di dalam ruang bakar, terlebih pula air asin (air laut) di dalam bahan bakar akan merusak komponen yang ada di dalamnya.
4. Kandungan Belerang
Belerang ini pada dasarnya memiliki sifat yang merusak dalam proses pembakaran, belerang ini beroksidasi dan menjadi belerang oksidasi (SO2) atau belerang trioksida (SO3). Bila gas dioksida tersebut bersinggungan atau menempel pada logam, maka akan berubah menjadi asam sulfat dan meyebabkan logam tersebut berkarat.
5. Kadar Abu
Kadar abu adalah sisa minyak yang tertinggal setelah semua bagian yang dapat terbakar di dalam bahan bakar. Abu ini berasal dari butir debu di udara maupun partikel oksida logam dari proses pengilangan bahan bakar itu sendiri.
6. Viskositas
Viskositas adalah suatu ukuran dari besarnya perlawanan suatu bahan bakar untuk mengalir atau ukuran dari besarnya tahanan geser dalam suatu fluida. Makin tinggi harga viskositasnya, makin besar tahanan gesernya. Viskositas bahan bakar sangat erat kaitannya dengan injeksi pada burner dengan nozle dan pengkabutan minyak pada karburator, viskositas juga bisa berhubungan erat terhadap kemampuan rawat mesin.
7. Volatilitas
Volatilitas adalah kecenderungan suatu cairan berubah menjadi gas. hal ini penting dalam pembentukan dan nilai campuran udara dan bahan bakar pada saat terjadi penyalaan. Apabila volatilitas suatu bahan bakar terlalu tinggi maka partikel bahan bakar akan cepat menguap. Semburan lebih banyak berupa hidrokarbon sehingga jumlah bahan bakar cair yang bercampur dengan udara lebih sedikit. Penguapan yang lebih cepat akan mengurangi temperatur udara sehingga temperatur campuran relatif lebih rendah, namun campuran menjadi lebih jenuh dan keduanya memperlambat timbulnya penyalaan.
8. Titik Nyala (Flash Point)
Titik nyala suatu bahan bakar ialah suhu terendah dimana uap yang terdapat diatas permukaan dapat membentuk campuran dengan udara, yang mana akan timbul nyala api dalam waktu yang cepat, apabila permukaan minyak tersebut didekatkan dengan api.
9. Titik Beku (Freezing Point)
Titik beku pada bahan bakar sangat penting sekali dalam proses starting awal mesin pada kondisi dingin, dimana jika temperatur titik beku minyak kurang dari temperatur
lingkungannya maka akan menyebabkan minyak berubah menjadi kristal-kristal es baik di dalam karburator maupun pada saluran bahan bakar.
10. Indeks Antiknock
Tiap jenis bahan bakar memiliki nilai oktan yang berbeda, dimana nilai oktan tersebut berkaitan dengan knocking. Knocking ialah kondisi penyalaan dini, hal itu terjadi ketika api yang ditimbulkan oleh busi mengakibatkan pembakaran yang cepat di dekat busi. Bagian yang telah terbakar suhunya naik dan karena ekspansinya maka sisa bahan bakar terbakar dengan sendirinya. Bila semua campuran udara dan bahan bakar yang belum terbakar ini tiba-tiba terbakar maka akan terjadi kenaikan tekanan yang tiba-tiba-tiba-tiba sehingga akan menghasilkan suara knocking (pukulan). Hal ini harus dihindari karena akan mengakibatkan kinerja mesin menjadi berkurang dan merusak komponen di dalamnya.
Untuk itu setiap jenis bahan bakar memiliki nilan RON (Research Octane Number) ialah kemampuan bahan bakar menahan detonasi saat mesin akan berakselerasi, dan juga nilai MO (Motor Octane Number) adalah kemampuan bahan bakar menahan detonasi saat mesin berputar pada rpm tinggi. Nilai MON selalu lebih rendah dibandingkan nilai RON dan perbandingan antara nilai keduanya (RON-MON) disebut fuel sensitivity yang mana sensitivitas tersebut berpengaruh pada performansi motor bakar sedangkan hasil rata-rata dari RON dan MON (RON+MON/2) ialah PON (Pump Octane Number) dimana dikenal sebagai karakteristik antiknock index yang mana standar nilai PON tersebut digunakan di Amerika sebagai karakteristik antiknock.
2.5 Karakteristik Bahan Bakar (fisika dan kimia)
pada setiap bahan bakar memiliki karakteristik yang berbeda-beda karena adanya perbedaan pada proses pengolahan minyak bumi, sehingga menyebabkan setiap bahan bakar yang dihasilkan memiliki karakteristik yang berbeda baik itu dari sifat fisik maupun kimia.
2.5.1 Bensin Premium RON 88
Bensin merupakan bahan bakar cair yang berasal dari minyak bumi dan mengandung unsur karbon serta hidrogen, yang mana telah melalui proses pengolahan secara kimia maupun fisika. Bensin sendiri merupakan senyawa hidrokarbon yang memiliki sifat mudah menguap pada suhu biasa, tidak berwarna, jernih, berbau, titik nyala rendah, berat jenis ( 0,72-0,78g/mL), dapat melarutkan minyak dan karet, dan juga dapat meninggalkan sisa karbon
pada ruang bakar. Dengan mudahnya bensin menguap dalam suhu biasa, maka dalam karburator bensin mudah bercampur dengan udara.
Satu sifat lagi dari bensin adalah mempunyai sifat antiknock yang tinggi, maksudnya ialah suatu jenis bahan bakar yang memiliki daya tahan terhadap detonasi. Bensin dengan nilai oktan rendah yaitu yang bersifat heptana normal (n-C7H16) sangat mudah berdetonasi
sedangkan bensin dengan nilai oktan tinggi yang bersifat iso-oktana (C8H18) lebih sukar
berdetonasi. Bilangan oktana ialah bilangan bulat yang terdekat pada persen volume iso-oktana (dengan indeks oktan sebesar 100) dengan campuran heptana normal (indeks oktan sebesar 0).
Selain itu ada sifat umum bensin yang berpengaruh pada mesin yaitu : 1. Mutu Bahan Bakar
2. Volatilitas
3. Stabilitas Dalam Penyimpanan 4. Korosivitas
Pada bensin harus memiliki nilai oktan yang tinggi agar kualitas mutu bahan bakar menjadi semakin baik dan mesin tidak cepat berdetonasi. Untuk volatilitas sendiri berpengaruh pada saat pengoperasian mesin yaitu : kemampuan starting, distribusi campuran, pemanasan, carburator icing, sumbatan uap (Vapour Lock), dan pembakaran tidak sempurna (pengenceran bahan bakar).
Stabilitas terhadap penguapan sangat diperlukan selama penyimpanan, penanganan dan distribusi. Stabilitas penyimpanan terhadap oksidasi meliputi pembentukan getah, warna dan pengendapan (Lead Precipaton). Dengan adanya senyawa olefin dalam bensin menyebabkan terjadinya oksidasi dan polimerisasi yang mengakibatkan terbentuknya polimer yang berupa zat elastis yang disebut retah (gum). Zat tersebut dapat mengendap dalam tangki, saringan dan silinder sehingga mengakibatkan sistem penyaluran bahan bakar menjadi macet atau tersumbat. Pembentukan getah (gum) ini dapat dipercepat dengan adanya kontak langsung dengan matahari dan timbulnya getah itu sendiri dapat diperlambat dengan menggunakan zat antioxydant inhibitors.
Pengkaratan (Korosivitas) terjadi pada elemen-elemen mesin yang diakibatkan oleh senyawa-senyawa kotoran pada hidrokarbon seperti asam organik, basa, dan sulfur. Biasanya pengkaratan itu terjadi setelah proses pembakaran didalam ruang bakar mesin. Asal mula terjadinya senyawa kotoran hidrokarbon ialah akibat dari proses pengolahan minyak bumi yang kurang sempurna dan akibat dari proses penanganan. Senyawa sulfur tidak selamanya korosif seperti senyawa sulfida, polisulfida, dan sebagainya. Sedangkan H2S, CO, dan S
adalah senyawa yang sangat korosif. Akan tetapi senyawa polisulfida pun bisa menjadi korosif bila berada pada kondisi temperatur yang tinggi.
Tabel 2.1 Sifat fisik dan kimia pada bensin RON 88
Karakteristik Nilai
Rumus kimia C8H18
Berat Jenis @ 60 (kg/L) 0,72-0,78 gr/ml
Titik didih (°F) 85-437
(°C) 30-225
Nilai kalor bawah (MJ/kg) 43,5
Tekanan penguapan (kJ/kg) 400
Tekanan uap @ 100 F (KPa) 62-90
Angka oktan riset (RON) 91-100
Angka oktan motor (MON) 82-92
Angka Cetane <15
Stoikiometri rasio udara/bahan bakar 14,6
Kemampuan nyala uap 0,6-8
2.5.2 Gas LPG
ELPIJI merupakan merk dagang dari LPG atau Liquefied Petroleum Gas Merupakan campuran dari berbagai hydrocarbon, sebagai hasil penyulingan minyak mentah berbentuk gas. Dengan menambah tekanan atau menurunkan suhunya membuat menjadi cairan. Inilah yang kita kenal dengan bahan bakar gas cair. Elpiji merupakan senyawa hydrocarbon yang dikenal sebagai Butana (C4H10), Propana (C3H8), Isobutana atau campuran antara Butana dengan Propana. Tekanan uap ELPIJI sebesar 4 - 9 kg/cm2 dan nilai kalori : 21.000 BTU/lb. Perbandingan komposisi, propana (C3H8) : butana (C4H10) = 30: 70. Secara umum sifat ELPIJI adalah sebagai berikut :
a. Berat jenis gas ELPIJI lebih besar dari udara, yaitu :
1. Butana mempunyai berat jenis dua kali berat jenis udara. 2. Propana mempunyai berat jenis satu setengah kali berat udara. b. Tidak mempunyai sifat pelumasan terhadap metal.
c. Merupakan solvent yang baik terhadap karet, sehingga perlu diperhatikan terhadap kemasan atau tabung yang dipakai.
d. Tidak berwarna baik berupa cairan maupun dalam bentuk gas.
e. Tidak berbau. Sehingga untuk keamanan, ELPIJI komersial perlu ditambah zat odor, yaitu
ethyl mercaptane yang berbau menyengat seperti petai.
f. Tidak mengandung racun.
g. Bila menguap di udara bebas akan menbentuk lapisan karena kondensasi sehingga adanya aliran gas.
h. Setiap kilo gram ELPIJI cair dapat berubah menjadi kurang lebih 500 liter gas ELPIJI. i. LPG menghambur di udara secara perlahan sehingga sukar mengetahuinya secara dini. j. Tekanan gas LPG cukup besar, sehingga bila terjadi kebocoran LPG akan membentuk gas
secara cepat, memuai dan sangat mudah terbakar.
Jenis produk yang ditawarkan PERTAMINA agar dimanfaatkan oleh konsumen adalah jenis ELPIJI campuran antara Propana dan Butana. Ciri-cirinya adalah :
1. Berbentuk cair.
2. Mempunyai daya pemanasan yang tinggi karena mempunyai nilai kalori yang relatif lebih tinggi per-satuan beratnya dibanding bahan bakar lain untuk kegunaan yang sama. 3. Tingkat polusi udara dari gas buang rendah dan tidak meninggalkan residu apabila
menguap.
4. Bersih, tidak beracun, tidak berwarna, mudah dan aman dalam pengangkutan dan penyimpanannya.
5. Tidak menyebabkan pengkaratan pada besi dan tabung kemasan. Jenis ELPIJI yang ada dipasaran adalah :
a. Bahan bakar untuk kebutuhan rumah tangga, industri dan komersial yaitu bahan bakar ELPIJI campuran yang disebut ELPIJI CAMPURAN.
b. Bahan bakar ELPIJI untuk kebutuhan khusus dan komersial yaitu bahan bakar ELPIJI PROPANA.
c. Bahan bakar ELPIJI untuk kebutuhan komersial yaitu ELPIJI BUTANA.
2.5.3 Campuran LPG dan Bensin RON 88
Pada motor yang menggunakan bahan bakar bensin, nilai oktan memegang mutu bahan bakar, dimana semakin besar nilai oktannya maka semakin baik pula daya tahan motor tersebut terhadap knocking. Ketidakcocokan nilai oktan berbagai mesin mengakibatkan berbagai kerugian pembakaran, misalnya knocking yaitu terjadi akibat proses pembakaran diluar kontrol. Hal ini dapat dipengaruhi karena sisa gas buang yang banyak tersisa didalam
ruang bakar dan adanya hot-spot pada ruang bakar atau memang spesifikasi bahan bakar yang kurang bagus, sehingga cenderung untuk detonasi (penyalaan dini).
Untuk meningkatkan nilai oktan bensin salah satu caranya yaitu mencampurkan bensin dengan bahan bakar yang nilai oktannya lebih tinggi seperti gas LPG sebagai campurannya. Pencampuran bahan bakar tersebut diharapkan menyatu karena didalam ruang bakar bahan bakar berubah menjadi gas. hasil oktan nilai bahan bakar tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus perbandingan proporsional dengan mencari nilai rata-rata masing-masing perbandingan campuran dari setiap bahan bakar yang dipakai. Rumusnya sebagai berikut :
Ob=( ) ( )( ) ...(2.1) Dimana : Ob = Nilai oktan campuran bahan bakar
Op = Nilai oktan bensin Ot = Nilai oktan gas LPG Vp = Volume bensin (liter) Vt = Volume gas LPG (kilogram)
2.6 Sistem Bahan Bakar
Bensin digunakan sebagai sumber bahan bakar dalam pengapian untuk menggerakkan piston dan selanjutnya dilanjutkan oleh tangkai roda untuk memutar crankshaft. Di mesin 4 tak, proses tersebut berturut-turut adalah hisap (intake), pemampatan (compression), bakar
(power) dan buang (exhaust). Bensin akan masuk dari karburator saat proses hisap, yang
selanjutnya akan dibakar setelah dimampatkan untuk menghasilkan tenaga untuk menggerakkan mesin.
sebelum dilakukan pembakaran, udara dan bensin harus dicampur terlebih dahulu sehingga menjadi berbentuk kabut (gas). Di sinilah dibutuhkan suatu sistem, yaitu sistem bahan bakar. Komponen dalam sistem ini berturut-turut adalah sebagai berikut:
Gambar 2.2 Sistem Bahan Bakar Motor Bensin (Sumber : Wiranto Arismunandar, 1983)
Perjalanan bahan bakar ini mulai dari bahan bakar yang ditampung oleh tangki lalu di pompa oleh pompa bahan bakar untuk kemudian disaring oleh filter (penyaring) setelah itu baru bahan bakar dimasukkan ke dalam karburator, dimana bahan bakar dicampur dengan udara yang telah disaring oleh filter udara. Pompa bahan bakar digunakan untuk mensirkulasikan bahan bakar dari tangki menuju karburator, sehingga bahan bakar mendapat tenaga untuk dapat masuk ke dalam karburator.
Untuk kebersihan bahan bakar dari kotoran yang dapat mengganggu aliran atau menyumbat saluran bahan bakar terutama di dalam karburator, maka dipergunakan saringan bahan bakar. Dengan adanya penyaringan ini diharapkan bahan bakar yang masuk ke dalam ruang bakar benar-benar bersih dan bebas dari segala kotoran. Sedangkan untuk menyaring udara dari berbagai kotoran, diperlukan juga saringan udara.
Sebelum masuk ke dalam silinder, udara mengalir melalui karburator yang mengatur pemasukan, pencampuran, dan pengabutan bahan bakar kedalam arus udara sehingga diperoleh perbandingan campuran yang sesuai dengan kecepatan dan beban motor yang berubah-ubah. Penyempurnaan campuran bahan bakar-udara tersebut berlangsung baik di dalam saluran isap (intake manifold) maupun dalam silinder. Selepas dari itu, hasil dari
proses pembakaran yang berupa gas buang dikeluarkan melalui saluran buang (exhaust anifold). Untuk itu campuran yang akan masuk haruslah homogen serta perbandingannya
sama untuk setiap silinder. Campuran yang kaya diperlukan dalam keadaan tanpa beban dan beban penuh, sedangkan campuran miskin dalam keadaan operasi normal.
2.7 Proses Pembakaran
Dalam mesin SI, campuran yang mudah terbakar umumnya disuplai oleh karburator dan pembakaran dimulai dengan penyalaan elektrik yang diberikan oleh busi. Persamaan kimia untuk pembakaran untuk sembarang hidrokarbon dapat secara mudah ditulisakan. Untuk C8H18 (iso-oktan), persamaan pembakarannya adalah:
C8H18 + 12.5 O2 = 8 CO2 + 9 H2O
1. Batasan Pembakaran
Eksperimen menunjukan bahwa pembakaran campuran hanya mungkin terjadi dalam batas tertentu dari perbandingan bahan bakar dan udara. Batasan pembakaran ini berhubungan erat dengan perbandingan campuran, pada sisi skala miskin dan kaya, dimana panas yang dibebaskan oleh busi tidak cukup untuk memulai pembakaran disekitar campuran yang belum terbakar. Secara umum disetujui bahwa api akan menjalar bila temperatur gas yang terbakar melebihi 1500 K untuk campuran hidrokarbon-udara.
Dengan demikian pada temperatur kamar, perbandingan bahan bakar-udara relatif harus berada disekitar 0,5 dan 2,1. Untuk bahan bakar hidrokarbon, perbandingan bahan bakar-udara stoikiometrik sekitar 1:15 sehingga perbandingan bahan bakar-bakar-udara harus disekitar 1:30 dan 1:7.
2. Tahap Pembakaran Dalam Motor Bensin
Menurut Ricardo, pembakaran dapat dibayangkan sebagai perkembangan dalam dua tahap. Pertama, pertumbuhan dan perkembangan dari penjalaran sendiri nukleus api, disebut kelambatan pembakaran atau fasa persiapan. Yang berikutnya adalah menyebarnya api keseluruh ruang bakar. Yang pertama adalah proses kimia yang tergantung pada sifat bahan bakar, temperatur dan tekanan, proporsi gas buang, dan juga koefisien temperatur bahan bakar, yaitu hubungan antara temperatur dan laju percepatan dari oksidasi atau pembakaran.
Tahap yang kedua adalah mekanikal, murni dan sederhana. Titik awal tahap kedua adalah terjadinya kenaikan tekanan yang dapat dilihat pada diagram indikator, yaitu titik dimana garis pembakaran terpisah dari garis kompresi. Dalam Gambar 2.2, titik 1 menunjukkan penyalaan busi (28° sebelum TMA)23, 2 titik di mana kenaikan tekanan dapat dideteksi (8° sebelumTMA), dan 3 kenaikan tekanan tinggi yang dapat dicapai. Dengan demikian 12 mewakili tahap pertama (sekitar 20° putaran poros engkol) dan 23 tahap kedua.
Walaupun titik 3 menandai selesainya perjalanan api, bukan berarti semua panas bahan bakar telah dibebaskan. Beberapa reaksi kimia berikutnya, seperti reasosiasi dan yang lainnya, yang umumnya disebut after burning, berlanjut pada langkah kompresi.
Gambar 2.3 Tahap pembakaran mesin bensin
2.8 Proses Thermodinamika
Konversi energi yang terjadi pada motor bakar torak berdasarkan pada siklus termodinamika. Proses sebenarnya sangat komplek, sehingga analisa dilakukan pada kondisi ideal dengan fluida kerja udara. Idealisasi proses tersebut sebagai berikut :
a. Fluida kerja dari awal proses hingga akhir proses.
b. Panas jenis dianggap konstan meskipun terjadi perubahan temperatur pada udara.
c. Proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara adiabatik, tidak terjadi perpindahan panas antara gas dan dinding silinder.
d. Sifat-sifat kimia fluida kerja tidak berubah selama siklus berlangsung.
e. Motor 2 (dua) langkah mempunyai siklus termodinamika yang sama dengan motor 4 (empat) langkah.
Gambar 2. 4 Diagram P-V dan T-S siklus otto (Cengel & Boles, 1994 : 451)
Pada siklus otto atau siklus volume konstan proses pembakaran terjadi pada volume konstan, sedangkan siklus otto tersebut ada yang berlangsung dengan 4 (empat) langkah atau 2 (dua) langkah. Untuk mesin 4 (empat) langkah siklus kerja terjadi dengan 4 (empat) langkah piston atau 2 (dua) poros engkol. Adapun langkah dalam siklus otto yaitu gerakan piston dari titik puncak (TMA=titik mati atas) ke posisi bawah (TMB=titik mati bawah) dalam silinder. Gambar diagram P-V dan T-S siklus otto dapat dilihat pada (gambar 2.5) dibawah sebagai berikut :
Gambar 2. 5 Diagram P-V dan T-S siklus otto (Cengel & Boles, 1994 : 458)
Proses siklus otto sebagai berikut :
Proses 1-2 : proses kompresi isentropic (adiabatic reversible) dimana piston bergerak menuju (TMA=titik mati atas) mengkompresikan udara sampai volume clearance sehingga tekanan dan temperatur udara naik.
Proses 2-3 : pemasukan kalor konstan, piston sesaat pada (TMA=titik mati atas) bersamaan kalor suplai dari sekelilingnya serta tekanan dan temperatur meningkat hingga nilai maksimum dalam siklus.
Proses 3-4 : proses isentropik udara panas dengan tekanan tinggi mendorong piston turun menuju (TMB = titik mati bawah), energi dilepaskan disekeliling berupa internal energi.
Proses 4-1 : proses pelepasan kalor pada volume konstan piston sesaat pada (TMB = titik mati bawah) dengan mentransfer kalor ke sekeliling dan kembali ke langkah pada titik awal.
2.9 Emisi Gas Buang
Pada proses pembakaran tentu diperlukan oksigen dan oksigen ini didapat dari udara bebas. Para pakar telah mengidentifikasi bahwa udara terdiri dari,Oxygen (O2) sebanyak 21%, Nitogen (N2) 78% dan 1% sisanya adalah gas-gas lainnya. Ikatan Hydrocarbon (HC) pada bahan bakar (BB) akan hanya bereaksi dengan oksigen pada saat proses pembakaran sempurna, dan menghasilkan air (H2O) serta karbondioksida (CO2) sedangkan Nitrogen akan keluar sebagai N2. Sayangnya pada kondisi-kondisi tertentu pembakaran menjadi tidak sempurna dan hal ini menghasilkan gas-gas buang yang berbahaya bagi kehidupan, seperti terbentuknya karbon monoksida (CO) dan juga Nitrogen oksida (NOx). Teoritis pembakaran sempurna didapat dengan perbandingan udara/BB (Air to fuel ratio) adalah 14,7 dan sering disebut sebagai Stoichiometry dan sering disebut juga sebagai perbandingan Lambda=1. Air to Fuel Ratio (sering disingkat AFR) > 14,7 disebut sebagai Lean Combustion sedangkan sebaliknya disebut sebagai Rich combustion.
Perhatikan Diagram dibawah ini,
Gambar 2.6 Diagram Emisi Gas Buang
Pada pembakaran ideal sudah disebutkan diatas akan menghasilkan H2O, CO2 serta N2,
Namun secara praktis pembakaran pada mesin tidaklah sempurna walau pada mesin dengan technologi tinggi sekalipun.
Pada diagram diatas bisa dilihat, garis hitam adalah garis stoichiometry dimana pada pembakaran ini akan didapat nilai kurang lebihnya dan menjadi baku mutu emisi.
CO max 2.5% (1.5% max diberlakukan untuk kendaraan injeksi) HC < 300ppm
CO2 harus lebih besar dari 12% dan maksimum teoritis adalah 15.5% O2 < 2%
Sampai sini jelas, hasil printout diatas masih memenuhi kriteria lulus uji emisi, walau bisa dibilang kurang sempurna. Bisa dilihat pada printout tidak terdapatnya informasi pada suhu dan RPM berapa uji emisi ini di lakukan. Karena itulah, saat ingin Uji emisi, pastikan Alat uji terkalibrasi dan juga pastikan uji emisi dilakukan pada beberpa RPM yang biasanya dilakukan pada rpm idle serta rpm berkisar 2000 hingga 3000rpm.
2.10 Parameter Unjuk Kerja Mesin Bensin
1. Daya Poros (Ne)
Daya pros pada motor bensin adalah daya efektif yang dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar solar untuk menggerakkan motor. Daya poros adalah hasil kali torsi dan kecepatan sudut dimana untuk memperoleh parameter tersebut digunakan alat ukur, yaitu torsimeter untuk mengukur momen putar dan tachometer untuk mengukur putaran poros.
Ne = T . . 10-3 (kW) ...(2.2)
( )...(2.3) atau
( )...(2.4)
Dimana: T= Torsi atau Momen Inersia (Nm) n= Putaran Poros (rpm)
2. Konsumsi Bahan Bakar (mf)
Konsumsi bahan bakar ialah penggunaan bahan bakar per satuan waktu. Pemakaian ini sangat bergantung dari massa jenis bahan bakar. Semakin kecil konsumsi bahan bakar per
Mf = ( )...(2.5) Dimana : V = Volume injeksi bahan bakar (mL) = 50 ml
bb= Berat jenis bahan bakar (g/mL) t = Waktu injeksi bahan bakar (detik)
3. Pemakaian Bahan Bakar spesifik (Be)
Konsumsi bahan bakar spesifik ialah laju aliran bahan bakar per satuan daya keluaran atau daya poros. Hal ini untuk mengukur sejauh mana keefisienan motor Bensin yang digunakan untuk mensuplai bahan bakar terhadap kerja yang dihasilkan
( )...(2.6)
4. Efisiensi Thermal (th)
Efisiensi thermal adalah besarnya energi thermal yang mampu termanfaatkan menjadi daya poros. Makin Besar efisiensi thermal makin baik kinerja dari motor Bensin tersebut.
...(2.7) Dimana : Mf = Konsumsi Bahan bakar
Ne = Daya Poros (kW)
LHV= Nilai Kalor Bawah bahan bakar
5. Energi Bahan Bakar
Energi bahan bakar merupakan daya input dari motor Bensin
( )...(2.8) Dimana : Mf = Konsumsi Bahan bakar
LHV= Nilai Kalor Bawah bahan bakar
6. Keseimbangan Energi
Keseimbangan energi merupakan salah satu parameter penting untuk mengetahui kinerja dari seluruh sistem motor bensin. Keseimabangan energi memiliki parameter pengukuran tersendiri yaitu dengan mengetahui unsur suhu dari seluruh sistem, berikut
adalah skema parameter suhu motor bensin yang ada di laboratorium teknik konversi energi :
Gambar 2.7 Paramter Suhu Motor Bensin
Prinsip keseimbangan energi digunakan untuk mengetahui energi dalam bentuk panas yang dignakan secara efektif pada suatu sistem. Skema keseimbangan energi seperti skema dibawah ini :
Gambar 2.8 Skema Keseimbangan Energi Energi bahan bakar+udara Kerugian pendinginan Kerja indikator Kerugian pembuangan Kerugian mekanis Kerja efektif
a. Energi Masuk
( ) ...(2.9) Dimana : Mf = Konsumsi Bahan bakar
LHV= Nilai Kalor Bawah bahan bakar b. Energi Keluar
Ne = T . . 10-3 (kW) ...(2.10)
( ) atau
( )...(2.11)
Dimana: T= Torsi atau Momen Inersia (Nm) n= Putaran Poros (rpm)
Energi yang terbuang melalui air pendingin
Eap = ma x cp x (TB6-TB5) (kW) ...(2.12) Dimana: ma = masaa aliran air pendingin, (kg/s)
ma = vol x kerapatan air cp = panas spesifik air
TB6 = temperatur air pendingin keluar (°C) TB5 = temperatur air pendingin masuk (°C)
Energi yang terbuang melalui gas buang
Egb = ( )( )( ) ( )...(2.13) Dimana: mak = massa aliran air ke kalorimter
Cp = panas spesifik air (4,18 kJ/kg °C) TB2 = temperatur air pendingin masuk (°C) TB4 = temperatur air pendingin keluar (°C) TA7 = temperatur gas keluar dari mesin (°C) TA1 = temperatur udara sekitar (°C)
TB1 = temperatur gas buang masuk pada kalorimeter (°C) TB3 = temperatur gas buang keluar pada kalorimeter (°C)
Rugi-rugi lain
Rugi-rugi lain ini termasuk energi radiasi, konveksi atau yang tak dapat dihitung Er = Ebb – (Ne + Eap + Egb) (kW)...(2.14)
Dimana: Er = energi buang yang hilang tak terhitung Ebb = energi bahan bakar
Ne = daya poros
Eap = energi ke air pendingin Egb = energi ke gas buang
