BAB II DASAR TEORI
2.1. Pengertian Motor Bakar
Motor bakar adalah salah satu jenis mesin kalor, yaitu mesin yang mengubah energi termal untuk melakukan kerja mekanik atau mengubah tenaga kimia bahan bakar menjadi tenaga mekanis. Sebelum menjadi tenaga mekanis, energi kimia bahan bakar diubah dulu menjadi energi termal atau panas melalui pembakaran bahan bakar dengan udara. Pembakaran ini ada yang dilakukan di dalam mesin kalor itu sendiri dan ada pula yang dilakukan di luar mesin kalor.
Dengan demikian mesin kalor terdiri atas :
1. Mesin pembakaran dalam atau sering disebut Internal Combustion Engine (ICE), yaitu dimana proses pembakarannnya berlangsung didalam motor bakar,
sehingga panas dari hasil pembakaran langsung bisa diubah menjadi tenaga mekanik. Misalnya : pada turbin gas, motor bakar torak dan mesin propulasi pancar gas.
2. Mesin pembakaran luar atau sering disebut sebagai External combustion engine (ECE), yaitu proses pembakaran bahan bakar terjadi di luar mesin itu, sehingga untuk melaksanakan pembakaran digunakan mesin tersendiri. Panas dari hasil pembakaran bahan bakar tidak langsung diubah menjadi tenaga gerak, tetapi terlebih dulu melalui media penghantar, baru kemudian diubah menjadi tenaga mekanik. Misalnya pada ketel uap dan turbin uap.
1. Mesin pembakaran dalam yaitu : a. Pemakaian bahan bakar irit.
b. Berat tiap satuan tenaga mekanis lebih kecil.
c. Konstruksi lebih sederhana, karena tidak memerlukan ketel uap, kondensor dan sebagainya.
2. Mesin pembakaran luar yaitu :
a. Dapat memakai semua bentuk bahan bakar.
b. Dapat memakai bahan bakar yang bermutu rendah.
c. Cocok untuk melayani beban-beban besar dalam satu poros. d. Lebih cocok dipakai untuk daya tinggi.
Motor pembakaran dalam sendiri terbagi menjadi dua jenis utama, yaitu Motor Bensin (Otto) dan Motor Diesel. Perbedaan kedua jenis motor tersebut sangat jelas sekali yaitu jika motor bensin menggunakan bahan bakar bensin (premium), sedangkan motor diesel menggunakan bahan bakar solar. Perbedaan yang utama juga terletak pada sistem penyalaannya, di mana pada motor bensin digunakan busi sebagai sistem penyalaannya sedangkan pada motor diesel memanfaatkan suhu kompresi yang tinggi untuk dapat membakar bahan bakar solar.
2.2. Siklus thermodinamika
Gambar 2.1. Diagram P vs V dari siklus volume konstan (Sumber : Soenarta & Furuhama, 1995)
Penjelasan :
a. Fluida kerja dianggap sebagai gas ideal dengan kalor spesifik yang konstan. b. Langkah isap (0-1) merupakan proses tekanan-konstan.
c. Langkah kompresi (1-2) ialah proses isentropik.
d. Proses pembakaran volume konstan (2-3) dianggap sebagai proses pemasukan kalor pada volume konstan.
e. Langkah kerja (3-4) ialah proses isentropik.
f. Proses pembuangan (4-1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada volume konstan.
g. Langkah buang (1-0) ialah proses tekanan konstan.
dari dalam silinder pada waktu langkah buang, tetapi pada langkah isap berikutnya akan masuk sejumlah fluida yang sama.
2.3. Prinsip Kerja Motor Bakar
Prinsip kerja motor bakar dibedakan menjadi 2 yaitu motor 4 langkah dan 2 langkah.
2.1 Motor bensin 4 langkah
Motor bensin empat langkah adalah motor yang setiap satu kali pembakaran bahan bakar memerlukan 4 langkah dan 2 kali putaran poros engkol, dapat dilihat pada (gbr.2.2).
Gambar 2.2. Skema Gerakan Torak 4 langkah (Sumber : Arismunandar, 2002)
Prinsip kerja motor 4 langkah dapat dijelaskan sebagai berikut : Langkah isap :
1. Torak bergerak dari TMA ke TMB
2. Katup masuk terbuka, katup buang tertutup.
4. Saat torak berada di TMB katup masuk akan tertutup. Langkah kompresi :
1. Torak bergerak dari TMB ke TMA.
2. Katup masuk dan katup buang kedua-duanya tertutup sehingga gas yang telah diisap tidak keluar pada waktu ditekan oleh torak yang mengakibatkan tekanan gas akan naik.
3. Beberapa saat sebelum torak mencapai TMA busi mengeluarkan bunga api. 4. Gas bahan bakar yang telah mencapai tekanan tinggi terbakar.
5. Akibat pembakaran bahan bakar, tekanannya akan naik menjadi kira-kira tiga kali lipat.
Langkah kerja / ekspansi :
1. Saat ini kedua katup masih dalam keadaan tertutup.
2. Gas terbakar dengan tekanan yang tinggi akan mengembang kemudian menekan torak turun kebawah dari TMA ke TMB.
3. Tenaga ini disalurkan melalui batang penggerak, selanjutnya oleh poros engkol diubah menjadi gerak beputar.
Langkah pembuangan :
1. Katup buang terbuka, katup masuk tertutup. 2. torak bergerak dari TMB ke TMA.
3. Gas sisa pembakaran terdorong oleh torak keluar melalui katup buang. 2.2 Motor Bensin 2 Langkah
Gambar 2.3. Skema Gerakan Torak 2 Langkah (Sumber ; www.keveney.com )
Pada gambar di atas merupakan kerja pada motor 2 langkah, jika piston bergerak naik dari titik mati bawah ke titik mati atas maka saluran bilas dan saluran buang akan tertutup. Dalam hal ini bahan bakar dan udara dalam ruang bakar dikompresikan. Sementara itu campuran bahan bakar dan udara masuk ruang engkol, beberapa derajat sebelum piston mencapai titik mati atas, busi akan meloncatkan api sehingga terjadi pambakaran bahan bakar.
Prinsip kerja dari motor 2 langkah : Langkah hisap :
1. Torak bergerak dari TMA ke TMB.
2. Pada saat saluran bilas masih tertutup oleh torak, didalam bak mesin terjadi kompresi terhadap campuran bensin dengan udara.
3. Di atas torak, gas sisa pembakaran dari hasil pembakaran sebelumnya sudah mulai terbuang keluar saluran buang.
Langkah kompresi :
1. Torak bergerak dari TMB ke TMA.
2. Rongga bilas dan rongga buang tertutup, terjadi langkah kompresi dan setelah mencapai tekanan tinggi busi memercikkan bunga api listrik untuk membakar campuran bensin dengan udara tadi.
3. Pada saat yang bersamaan, dibawah (di dalam bak mesin) bahan bakar yang baru masuk kedalam bak mesin melalui saluran masuk.
Langkah kerja/ekspansi :
1. Torak kembali dari TMA ke TMB akibat tekanan besar yang terjadi pada waktu pembakaran bahan bakar
2. Saat itu torak turun sambil mengkompresi bahan bakar baru di dalam bak mesin.
Langkah buang :
1. Menjelang torak mencapai TMB, saluran buang terbuka dan gas sisa pembakaran mengalir terbuang keluar.
2. Pada saat yang sama bahan bakar baru masuk ke dalam ruang bahan bakar melalui rongga bilas.
3. Setelah mencapai TMB kembali, torak mencapai TMB untuk mengadakan langkah sebagai pengulangan dari yang dijelaskan di atas.
2.4. Sistem pada Motor Bakar 2.4.1 Sistem Bahan Bakar
bahan bakar dan udara itu sudah tercampur dengan baik sebelum dinyalakan oleh busi. Pada motor bakar sering memakai sistem bahan bakar menggunakan karburator. Pada gambar (2.4) diterangkan skema sistem penyaluran bahan bakar.
Gambar 2.4. Skema sistem penyaluran bahan bakar (Sumber : Arismunandar, 1983)
Campuran itu haruslah homogen serta perbandingannya sama untuk setiap silinder, campuran yang kaya (rich fuel) diperlukan dalam keadaan tanpa beban dan beban penuh sedangkan campuran yang miskin (poor fuel) diperlukan untuk operasi normal.
2.4.2. Bahan Bakar
Bensin premium mempunyai sifat anti ketukan yang baik dan dapat dipakai pada mesin kompresi tinggi pada saat semua kondisi. Sifat-sifat penting yang diperhatikan pada bahan bakar bensin adalah :
a) Kecepatan menguap (volatility)
b) Kualitas pengetukan (kecenderungan berdetonasi) c) Kadar belerang
d) Titik nyala e) Berat jenis a. Angka Oktan
Angka oktan pada bensin adalah suatu bilangan yang menunjukkan sifat anti ketukan /berdetonasi. Dengan kata lain, makin tinggi angka oktan semakin berkurang kemungkinan untuk terjadi detonasi (knocking). Dengan berkurangnya intensitas untuk berdetonasi, maka campuran bahan bakar dan udara yang dikompresikan oleh torak menjadi lebih baik sehingga tenaga motor akan lebih besar dan pemakaian bahan bakar menjadi lebih hemat.
Bensin yang cenderung ke arah sifat heptana normal disebut bernilai oktan rendah (angka oktan rendah) karena mudah berdetonasi, sebaliknya bahan bakar yang lebih cenderung ke arah sifat iso-oktan (lebih sukar berdetonasi) dikatakan bernilai oktan tinggi (angka oktan tinggi). Misalnya, suatu bensin dengan angka oktan 90 akan lebih sukar berdetonasi daripada dengan bensin beroktan 70. Jadi kecenderungan bensin untuk berdetonasi di nilai dari angka oktannya Iso-oktan murni diberi indeks 100, sedangkan heptana normal murni diberi indeks 0. Dengan demikian, suatu bensin dengan angka oktan 90 berarti bahwa bensin tersebut mempunyai kecenderungan berdetonasi sama dengan campuran yang terdiri atas 90% volume iso-oktan dan 10% volume heptana normal.
Tabel 2.1. Angka oktan untuk bahan bakar
Jenis bahan bakar Angka oktan
b. Kestabilan Kimia dan Kebersihan Bahan Bakar
Kestabilan kimia bahan bakar sangat penting, karena berkaitan dengan kebersihan bahan bakar yang selanjutnya berpengaruh terhadap sistem pembakaran dan sistem saluran. Pada temperatur tinggi, sering terjadi polimer yang berupa endapan-endapan gum. Endapan gum (getah) ini berpengaruh kurang baik terhadap sistem saluran, misalnya pada katup-katup dan saluran bahan bakar.
2.4.3. Sistem Pembakaran
dipengaruhi oleh keadaan dari keseluruhan proses pembakaran, sebagaimana diketahui bahwa bensin mengandung unsur-unsur karbon dan hidrogen.
Ada 3 teori mengenai terbentuknya hidrogen tersebut :
1. Hidrokarbon terbakar bersama-sama dengan oksigen sebelum karbon bergabung dengan oksigen
2. Karbon terbakar lebih dahulu daripada oksigen
3. Senyawa hidrokarbon terlebih dahulu bergabung dengan oksigen dan membentuk senyawa (hidroxilasi) yang kemudian dipecah secara thermis. (Yaswaki, K, 1994).
Dalam pembakaran hidrokarbon tidak terjadi gejala apabila kondisinya memungkinkan untuk proses hidroxilasi, hal ini akan terjadi apabila campuran terdahulu (premixture) antara bahan bakar dengan udara mempunyai waktu yang cukup, sehingga memungkinkan masuknya oksigen kedalam senyawa hidrokarbon (Yaswaki, K, 1994).
Bila oksigen dan hidrokarbon ini tidak tercampur dengan baik, maka akan terjadi proses cracking dimana akan timbul asap, pembakaran semacam ini disebut pembakaran tidak normal
Ada 2 kemungkinan yang dapat terjadi pada pembakaran motor bensin : 1. Pembakaran normal, dimana bahan bakar dapat terbakar seluruhnya pada saat
dan keadaan yang dikehendaki
1. Pembakaran Normal
Mekanisme pembakaran normal dalam motor bensin dimulai pada saat terjadinya loncatan bunga api pada busi, kemudian api membakar gas bakar yang berada disekelilingnya sehingga semua partikelnya terbakar habis. Di dalam pembakaran normal, pembagian nyala api terjadi merata diseluruh bagian. Pada keadaan yang sebenarnya pembakaran bersifat komplek, yang mana berlangsung pada beberapa phase. Dengan timbulnya energi panas, maka tekanan dan temperatur naik secara mendadak, sehingga piston terdorong menuju TMB. Grafik di bawah merupakan grafik pembakaran normal pada motor bensin.
Gambar. 2.5. Pembakaran campuran udara-bensin dan tekanan dalam silinder (Sumber : Anonim, 1996)
tekanan dan temperatur mulai point 2, sesaat sebelum piston mencapai TMA, dan pembakaran point 3 sesaat sesudah piston mencapai TMA.
2. Pembakaran Tidak Normal
Pembakaran tidak normal dapat menimbulkan knocking dan atau preignition yang memungkinkan timbulnya gangguan pada motor bensin.
a. Knocking
Seperti telah diterangkan sebelumnya, pada peristiwa pembakaran normal api menyebar keseluruh bagian ruang bakar dengan kecepatan konstan dan busi berfungsi sebagai pusat penyebaran. Dalam hal ini campuran bahan bakar dan udara yang belum terbakar terdesak oleh gas yang sudah terbakar, sehingga tekanan dan suhunya naik sampai mencapai keadaan hampir terbakar. Jika pada saat ini gas tadi terbakar dengan sendirinya, maka akan timbul ledakan (detonasi) yang menghasilkan gelombang kejutan berupa suara ketukan (knocking noise).
b. Sebab-sebab terjadinya knocking
Lapisan yang telah terbakar akan berekspansi. Pada kondisi lapisan yang tidak homogen ekspansi lapisan gas tadi akan mendesak lapisan gas lain yang belum terbakar, sehingga tekanan dan suhunya naik. Bersamaan dengan adanya radiasi dari ujung lidah api, lapisan gas yang terdesak akan terbakar tiba-tiba. Peristiwa ini akan menimbulkan letupan (detonasi), mengakibatkan terjadinya gelombang tekanan yang kemudian menumbuk piston dan dinding silinder sehingga terdengarlah suara ketukan (knocking).
c. Hal-hal yang menyebabkan knocking
1) Perbandingan kompresi yang tinggi, tekanan kompresi, suhu pemanasan campuran dan suhu silinder yang tinggi.
2) Masa pengapian yang cepat.
3) Putaran mesin rendah dan penyebaran api lambat.
4) Penempatan busi dan konstruksi ruang bakar tidak tepat, serta jarak penyebaran api terlampau jauh.
Gambar.2.6. Proses terjadinya detonasi (Sumber : Suratman, 2003) 2.4.4. Sistem Pengabutan
Untuk membentuk campuran bahan bakar dan udara diperlukan alat yang disebut karburator. Karburator memiliki beberapa bagian komponen yang masing-masing mempunyai tugas tertentu untuk memenuhi fungsi yang dibebankan pada karburator. Berikut ini adalah merupakan satu persatu bagian tersebut beserta fungsinya, yaitu :
2. Klep / jarum pelampung (floater valve), berfungsi mengatur masuknya bahan bakar ke dalam mangkok karburator.
3. Pelampung (floater), berfungsi untuk mengatur agar tetap posisi bahan bakar di dalam mangkok karburator.
4. Skep / Katup Gas (throtle valve), berfungsi mengatur banyaknya gas yang masuk ke dalam silinder.
5. Pemancar jarum (main nozzle / needle jet), berfungsi memancarkan bahan bakar waktu akselerasi, besarnya diatur oleh terangkatnya jarum skep.
6. Jarum Skep / Jarum Gas (needle jet), berfungsi mengatur besarnya semprotan bahan bakar dari main nozzle pada waktu akselerasi. 7. Pemancar Besar (main jet), berfungsi memancarkan bahan bakar
pada waktu putaran tinggi.
8. Pemancar kecil / stasioner (slow jet), berfungsi memancarkan bahan bakar waktu langsam / stasioner.
9. Sekrup Gas / Baut Gas (throttle screw), berfungsi menyetel posisi skep.
10. Sekrup Udara / Baut Udara (air screw), berfungsi mengatur banyaknya udara yang akan dicampur dengan bahan bakar.
Gambar 2.7. Konstruksi karburator ( Sumber : Suratman, 2003 ) 2.4.5. Sistem Pengapian
Fungsi pengapian adalah memulai pembakaran atau menyalakan campuran bahan bakar dan udara pada saat dibutuhkan, sesuai dengan beban dan putaran motor. Sumber api diambil dari tenaga listrik tegangan tinggi yang dapat memercikkan letusan api diantara elektroda busi tersebut. Sedangkan listrik tegangan tinggi tersebut diperoleh dengan memanfaatkan magnet atau kumparan induksi dalam koil.
Sistem penyalaan terutama terdiri atas : 1. Baterai
2. Kumparan penyala (ignition coil) 3. Distributor
Penyalaan api pada motor bakar, umumnya dibagi atas 2 macam sistem pengapian, yaitu :
a) Sistem pengapian dengan magnet
Sistem pengapian dengan magnet dapat di tunjukan pada gambar 2.8. berikut ini :
Gambar 2.8. Rangkaian sistem pengapian dengan magnet (Sumber : Yasswaki Kiyaku; DM Murdhana, 1998) b) Sistem pengapian dengan baterai
Sistem pengapian dengan baterai dapat di tunjukan pada gambar 2.9. berikut ini :
2.5. Bagian-bagian Motor a. Silinder
Silinder adalah sebagai tempat pembakaran campuran bahan bakar dengan udara untuk mendapatkan tekanan dan temperatur yang tinggi. Akibat adanya tekanan tinggi dan gesekan-gesekan dinding torak dengan dinding silindernya, maka pembuatan silinder harus dikerjakan dengan halus, teliti dan baik. Bahan logam yang dipergunakan adalah bahan yang berkualitas baik sehingga tahan lama, tahan gesekan, serta tahan terhadap temperatur tinggi. Pada umumnya silinder dibuat dari baja tuang untuk mesin besar dan untuk mesin kecil terbuat dari bahan logam alumunium paduan.
Gambar. 2.10. Blok silinder
(Sumber : Yasswaki Kiyaku; DM Murdhana, 1999)
b. Kepala silinder
c. Torak
Torak atau piston terbuat dari bahan alumunium paduan yang mempunyai sifat :
a. Ringan
b. Penghantar panas yang baik c. Pemuaian kecil
d. Tahan terhadap keausan akibat gesekan
e. Kekuatan yang tinggi terutama pada temperatur tinggi
Gambar. 2.11. Torak dan Pena Torak (Sumber : Croese; Anglin, 1994) d. Cincin Torak
Cincin torak tebagi dua jenis dasar : 1. Cincin kompresi
Cincin kompresi yang secara normal dipasang pada bagian atas terdiri dari dua cincin. Pada dasarnya cincin kompresi berfungsi untuk memisahkan (sil / perapat) agar mencegah gas dalam ruang pembakaran melewati bak mesin.
2. Ring Pengontrol Oli
Ring ini dipasang pada bagian bawah dan merupakan ring tunggal yang berfungsi untuk meratakan minyak pada dinding silinder dan mengalirkan kembali ke panci oli. Ring oli pada dasarnya terdiri dari tiga jenis, yaitu : a. Ring oli besi tuang (Slotted cast iron oil ring) yang dibuat satu buah b. Ring oli bentuk segmen terdiri dari dua atau empat buah
c. Satu ekspander atau pengembang yang dipasang dibelakang segmen berfungsi sebagai pendorong keluar pada dinding silinder
e. Pena Torak
Pena torak berfungsi sebagai pengikat torak terhadap batang penggerak. Selain itu, pena torak juga berfungsi sebagai pemindah tenaga torak ke batang penggerak agar gerak bolak-balik dari torak dapat diubah menjadi gerak berputar pada poros engkol. Pena torak terbuat dari bahan baja paduan yang bermutu tinggi agar tahan terhadap beban yang sangat besar
f. Batang Penggerak
bolak-balik torak kedalam gerakan putaran dari poros engkol dan roda gigi, batang penggerak pada umumnya dibuat dari campuran baja.
g. Poros Engkol
Pada umumnya poros engkol dibuat dari bahan baja. Poros engkol berfungsi mengubah gerakan bolak-balik yang diterima dari torak menjadi gerakan berputar. Pada poros engkol biasanya terdapat counter weight yang berfungsi untuk membalance gaya-gaya yang tidak seimbang dari komponen poros engkol atau dari komponen mesin yang berputar pada poros engkol. Bagian poros engkol yang berfungsi sebagai poros disebut journal yang ditumpu oleh dua buah lempengan bantalan yang disebut bantalan utama (main bearing). Bantalan utama juga berfungsi sebagai penumpu dari poros engkol agar tidak mudah terpuntir dan berubah bentuk.
Gambar 2.12. Poros Engkol dan bagian-bagiannya (Sumber : Crouse; Anglin, 1994)
h. Roda Gaya atau Roda Penerus
pada saat langkah kerja. Roda penerus atau disebut juga roda gila dalam pembuatannya harus dibalance dengan teliti agar putaran mesin rata tanpa getaran-getaran.
i. Bak Mesin
Bak mesin merupakan tempat penempatan poros engkol dan gigi transmisi. Bak mesin umumnya dibuat dari bahan logam alumunium paduan. Pada jenis motor 2 langkah pada bagian bak mesinnya terdapat saluran yang dihubungkan dengan karburator sebagai pemasukan bahan bakar. Pada motor 4 langkah bak mesin merupakan tempat minyak pelumas sekaligus juga sebagai pendingin minyak pelumas didalam sirkulasinya.
2.6. Prestasi Motor Bakar a. Volume Silinder
Volume silinder antara TMA dan TMB disebut volume langkah torak (V1). Sedangkan volume TMA dan kepala silinder (tutup silinder) disebut volume sisa (Vs). Volume total (Vt) ialah isi ruang antara torak ketika berada di TMB sampai tutup silinder.
V1 = V1 + Vs ... (2.1)
Dengan demikian besaran dan ukuran motor bakar menurut volume silinder tergantung dari banyaknya silinder yang digunakan dan besarnya volume silinder (Kiyaku & Murdhana, 1998).
b. Perbandingan kompresi
Hasil bagi volume total dengan volume sisa disebut sebagai perbandingan kompresi
Jadi, bila suatu motor mempunyai volume total 56 cu.in dan volume sisa 7 cu.in, maka perbandingan kompresinya adalah ;
8
Hal diatas menunjukkan bahwa selama langkah kompresi, muatan yang ada di atas torak dimampatkan 8 kali lipat dari volume terakhirnya. Makin tinggi perbandingan kompresi, maka makin tinggi tekanannya dan temperatur akhir kompresi. (Kiyaku & Murdhana, 1998).
b. Daya Mesin
Unjuk kerja motor bakar pertama-tama tergantung dari daya yang ditimbulkan (Soenarto & Furuhama, 1995).
Gambar 2.13. Alat Tes Prestasi Motor Bakar (Sumber : Soenarta & Furuhama, 1995)
Pada gambar (2.13) di atas menunjukkan peralatan yang dipergunakan untuk mengukur nilai yang berhubungan dengan keluaran motor pembakaran yang seimbang dengan hambatan atau beban pada kecepatan putaran konstan (n), kalau n berubah, maka motor pembakaran menghasilkan daya untuk mempercepat atau memperlambat bagian yang berputar. Motor pembakaran ini dihubungkan dengan dinamometer dengan maksud mendapatkan keluaran dari motor pembakaran dengan cara menghubungkan poros motor yang akan mengaduk air yang ada didalamnya. Hambatan ini akan menimbulkan torsi ( T ), sehingga nilai daya (P) dapat ditentukan sebagai berikut :
P
6000 . . 2 nT
Dimana :
n = putaran mesin (rpm) T = torsi (N.m)
Torak yang didorong oleh gas membuat usaha. Baik tekanan maupun suhunya akan turun waktu gas berekspansi. Energi panas diubah menjadi usaha mekanis. Konsumsi energi panas ditunjukkan langsung oleh turunnya suhu. Kalau toraknya tidak mendapatkan hambatan dan tidak menghasilkan usaha gas tidak akan berubah meskipun tekanannya turun.
c. Tekanan Efektif rata-rata
Besar nilai Pi merupakan tekan efektif rata-rata indikator (indikator mean Effective pressure : IMEP )
Nilai Pi, dapat ditemukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut
s
Dengan menggunakan nilai Pi dapat memudahkan perhitungan besar usaha indikator Wi pada tekanan konstan selama torak pada langkah ekspansi. Pada mesin 4 langkah besar nilai Pi terjadi setiap 2 putaran, sehingga besar nilai Ni indikator dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :
Pada mesin 2 langkah besara nilai Pi dihasilkan pada tiap putaran, maka secara teoritis nilai Ni akan menjadi dua kali lebih besar jika dibandingkan dengan persamaan 4, tetapi pada umumnya besar nilai Pi pada mesin 2 langkah lebih kecil dibanding dengan mesin 4 langkah. Nilai Ni disebut sebagai keluaran indikator yang menyatakan keluaran, disebabkan adanya tekanan pada torak.
Daya yang dapat dimanfaatkan untuk memutar mesin disebut sebagai keluaran efektif (brake mean out put), nilai Ne dapat dirumuskan sebagai berikut :
Ne = V1 . N . BMEP .2 (kW)...(2.6)
Besar keluaran efektif dapat diukur menggunakan sebuah dinamometer. Nilai BMEP adalah merupakan tekanan efektif rata-rata (brake mean effective pressure ). Besar nilai Ne yan ditentukan oleh produk dari volume langkah V1, kecepatan putaran dan BMEP yang berhubungan dengan tekanan gas rata-rata merupakan keluaran suatu pembakaran yang bermanfaat. BMEP adalah besar nilai yang menunjukkan daya mesin setiap satuan volume silinder pada putaran tertentu dan tidak tergantung dari ukuran motor bakar (Soenarta & Furuhama, 1995).
Besar nilai BMEP dapat dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut :
n
Vd = volume langkah total silinder
d. Menentukan Efisiensi Energi 1. Efisiensi Thermis
Perbandingan antara energi yang dihasilkan dan energi yang dimasukkan pada proses pembakaran bahan bakar disebut efisiensi thermis rem (brake thermal efficiency) dan ditentukan sebagai berikut ;
(%) SFC = konsumsi bahan bakar sfesifik
(sumber : Soenarto & Furuhama, 1995)
Nilai kalor mempunyai hubungan dengan berat jenis. Pada umumnya semakin tinggi berat jenis maka semakin rendah nilai kalornya (Kiyaku & Murdhana, 1998).
Besar efisiensi thermis (bt ) bervariasi tergantung dari tipe motor dan
cara pengoperasiannya. Angka ini akan naik sampai 84 % untuk motor diesel dengan putaran rendah, sedang pada motor diesel biasanya 34 – 50 %, motor otto 25 – 33%, pada motor dua langkah maka akan semakin turun lagi (Soenarta &Furuhama, 1995).
2. Konsumsi Bahan Bakar
SFC = konsumsi bahan bakar sfesifik (kg/kWh) P = daya mesin (kW)
Sedangkan nilai mf dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
Kg jam
mf = adalah penggunaan bahan bakar per jam pada kondisi tertentu (Soenarta & Furuhama, 1995)
Nilai kalor mempunyai hubungan berat jenis pada umumnya semakin tinggi berat jenis maka semakin rendah kalornya. Pembakaran dapat berlangsung dengan sempurna, tetapi juga dapat tidak sempurna. Jika bahan bakar tidak mengandung bahan-bahan yang tidak dapat terbakar, maka pembakaran akan sempurna sehingga hasil pembakaran berupa gas pembakaran saja.
akan terjadi selain gas-gas pembakaran, juga sisa-sisa pembakaran yang lama, apabila dibiarkan lama kelamaan akan menjadi liat bahkan menjadi keras. Akibat yang demikian, maka panas yang terjadi tidak banyak, sehingga suhu dari gas pembakaran turun dan tekanan gas akan turun pula.
Jadi dapat disimpulkan bahwa pembakaran yang kurang sempurna dapat berakibat :
1. Kerugian panas dalam motor jadi besar, sehingga efisiensi motor menjadi turun. Usaha dari motor turun pula pada penggunaan bahan bakar yang tetap.
2. Sisa pembakaran terdapat pula pada lubang pembuangan antara katup dan dudukannya, terutama pada katup buang sehingga katup tidak dapat menutup dengan rapat.
3. Sisa pembakaran yang telah menjadi keras yang melekat antara torak dan dinding silinder menghalangi pelumasan, sehingga torak dan silinder mudah aus.
2.7. Teknologi Kawasaki Untuk Mengurangi Emisi Gas Buang
Kawasaki mencatat gas buang Ninja sebagai berikut: 0,49 gram/km karbon monoksida (CO), 0,55 gram/km hidrokarbon(HC), dan 0,016 gram/km nitrogen oksida (NOx). Teknologi yang digunakan kawasaki yaitu Super KIPS (Kawasaki Integrated Powervalve System), , HSAS (high performance secondary air system), converter katalis, super electrofussion cylinder, serta memakai karburator.
a. Super KIPS
berfungsi membuka pada putaran/rpm tinggi yang berfungsi terutama untuk menghasilkan tenaga ( power ) yang maksimal. Dengan adanya klep tersebut, pada waktu putaran mesin rendah, campuran sisa pembakaran termasuk didalamnya unsur HC, yang pada mesin 2-tak biasa akan terbuang, dapat dicegah untuk keluar sehingga kadar HC yang dihasilkan menjadi rendah dalam sisa gas buangnya.
Bagian terpenting dari Super KIPS adalah adanya klep (valve) yang difungsikan pada lubang pembuangan. Katup/klep ini berfungsi karena mekanisme tertentu di dalam mesin. Katup ini berfungsi membuka pada kecepatan/RPM di atas 7000-8500. Katup ini akan berfungsi membuka pada RPM tinggi, agar pembuangan gas sisa pembakaran dapat berlangsung lebih sempurna. Sebaliknya katup ini akan berfungsi menutup pada RPM rendah untuk menghindarkan terbuangnya campuran bensin-udara yang baru masuk ke ruang bakar dan karter.
Gambar 2.14. Super KIPS b. HSAS
putaran mesin tinggi) reed valve tertutup. Pada waktu klep Super KIPS membuka (pada RPM tinggi) HSAS berfungsi menutup, sebaliknya pada waktu putaran mesin rendah klep Super KIPS menutup, HSAS berfungsi membuka, pada saat terbuka itulah udara segar masuk ke exhaust chamber. Kegunaan utama HSAS adalah mempercepat reaksi oksidasi dalam catalylic converter dengan cara menginduksi udara segar ke dalam campuran gas sisa pembakaran serta membentuk campuran gas yang padat oksigen.
Gambar 2.15. Perangkat dalam HSAS c. Catalytic Converter
.
Gambar 2.16. Catalytic Converter d. Super Electrofusion Cylinder
dalamnya sehingga terhindar adanya gesekan langsung antara dinding silinder dengan piston. Jadi disamping lapisan hasil elektro-fusi tersebut sangat kuat, lapisan itu menjamin pelumasan yang terus menerus bagi gesekan piston dengan dindingnya. Boleh dikatakan dengan sistem elektrofusi ini silinder tidak perlu di korter ( oversize ) disamping bahwa sistem ini menjamin pemakaian oli yang cukup, yang tentu juga mengurangi kemungkinan terbakarnya oli secara berlebihan yang menyebabkan knalpot mengeluarkan polusi berupa asap putih.
Gambar 2.17. Super Electrofussion Cylinder 2.8. Emisi Gas Buang
Emisi gas buang didefinisikan sebagai zat/unsur dari pembakaran di dalam ruang bakar yang dilepas ke udara yang ditimbulkan oleh kendaraan bermotor. Pembakaran di ruang bakar yang tidak sempurna menyebabkan emisi yang bersifat polutan, seperti HC, CO, NOx, Pb Sox, dan lainnya.
a. Carbon Monoksida (CO)
Karbon dan Oksigen dapat bergabung membentuk senyawa karbon monoksida (CO) sebagai hasil pembakaran yang tidak sempurna dan karbon
dioksida (CO2) sebagai hasil pembakaran sempurna. Karbon monoksida merupakan
yang tidak berwarna. Tidak seperti senyawa CO mempunyai potensi bersifat racun yang berbahaya karena mampu membentuk ikatan yang kuat dengan pigmen darah yaitu hemoglobin.
Pada konsentrasi normal, karbon monoksida di udara bebas tidak berpengaruh besar terhadap property maupun mahluk hidup. Pada konsentrasi yang lebih tinggi, karbon monoksida dapat secara serius mempengaruhi metabolisme pernapasan manusia. Karbon monoksida mempunyai afinitas terhadap hemoglobin dalam darah (COHb) yang lebih tinggi daripada oksigen; dengan demikian mengurangi kemampuan darah untuk membawa oksigen. Kekurangan oksigen dalam aliran darah dan jaringan tubuh akan menurunkan kinerja tubuh dan pada akhirnya dapat menimbulkan kerusakan pada organ-organ tubuh. Gejala yang umumnya timbul akibat pemaparan terhadap karbon monoksida dalam konsentrasi tinggi untuk waktu yang lama adalah gangguan sistem saraf, lambatnya refleks dan penurunan kemampuan penglihatan.
b. Nitrogen Oksida (NOx)
Senyawa nitrogen oksida yang sering menjadi pokok pembahasan dalam
masalah polusi udara adalah NO dan NO2. Kedua senyawa ini terbuang langsung
ke udara bebas dari hasil pembakaran bahan bakar. NO2 yang mudah larut dalam
air dapat membentuk asam nitrit atau asam nitrat menurut reaksi:
2 NO2 + H2O ---- HNO3 + HNO2 (asam nitrat dan asam nitrit)
3 NO3 + HO ---- 2 HNO3 + NO (asam nitrat dan nitrogen oksida)
Asam nitrat dan asam nitrit akan jatuh bersama dengan hujan dan bergabung
yang merupakan sari makanan bagi tumbuhan. Dengan kemampuan yang tinggi
untuk menyerap sinar ultraviolet, NO2 memainkan peranan penting dalam
pembentukan kontaminan ozon (O3). Tidak seperti gas polutan lainnya yang
mempunyai daya destruktif tinggi terhadap kesehatan manusia, NO merupakan gas inert dan ‘hanya’ bersifat racun. Sama halnya dengan CO, NO mempunyai afinitas yang tinggi terhadap oksigen dibandingkan dengan hemoglobin dalam darah. Dengan demikian pemaparan terhadap NO dapat mengurangi kemampuan darah membawa oksigen sehingga tubuh kekurangan oksigen dan mengganggu fungsi
metabolisme. Namun NO2 dapat menimbulkan iritasi terhadap paru-paru. Pada
tumbuhan, NO tidak bersifat merusak namun NO2 menimbulkan sedikit kerusakan
pada tumbuhan. Polutan sekunder dari NOx seperti PAN dan O3 justru mempunyai
daya perusak yang lebih tinggi pada tumbuhan. Konsentrasi NO2 yang tinggi pada udara bebas dapat memudarkan warna tekstil, memberi warna kuning pada tekstil berwarna putih, dan mengoksidasi logam.
c. Hidrokarbon (HC)
Pembakaran tak sempurna pada kendaraan juga menghasilkan gas buang yang mengandung hidrokarbon, termasuk di dalamnya senyawa alifatik dan aromatik yang terdapat dalam bahan bakar. Senyawa alifatik terdapat dalam beberapa macam gugus yaitu alkana, alkena, alkuna.
ozon (O3). Salah satu senyawa alkena yang cukup banyak terdapat pada gas buang
kendaraan adalah etilen. Penelitian menunjukkan bahwa etilen dapat mengganggu pertumbuhan tomat dan lada, juga merusak struktur dari anggrek. Alkuna, meskipun lebih reaktif dari alkena namun jarang ditemukan di udara bebas dan tidak menjadi masalah utama dalam pencemaran udara akibat gas buang kendaraan. d. Pengendalian Emisi Gas Buang
Sistem-sistem untuk pengendalian emisi gas buang adalah sebagai berikut. 1. Sistem injeksi udara
yang lebih banyak dari biasanya serta memerlukan daya yang lebih besar untuk menggerakkan kompresor.
2. Sistem resirkulasi gas buangan (EGR)
Metode yang efektif untuk mengurangi emisi oksida-oksida nitrogen adalah mencairkan campuran udara dan bahan bakar yang masuk dengan gas buangan yang relatif diam, yang keluar dari peralatan buangan dan dialirkan ke peralatan penyerap. Tujuan dari resirkulasi sekitar 15 persen gas buangan dengan cara ini adalah untuk mengurangi pembentukan awal dari oksida nitrit, oksida utama dari emisi buangan nitrogen, dengan menurunkan kecepatan api dan suhu puncak yang dicapai dalam ruang-ruang pembakaran mesin. Dalam praktiknya, ternyata penting untuk memodifikasi sistem tersebut agar resirkulasi gas buangan dapat dihilangkan di bawah suhu operasi normal untuk meningkatkan respons mesin dan juga selama waktu idle untuk menghindari operasi yang kasar, dan mengurangi operasi dalam full-throttle untuk mendapatkan kinerja mesin maksimum. Untuk memenuhi persyaratan-persyaratan ini, dipasang sebuah katup pengukur aliran yang biasa disebut katup EGR pada sistem itu dan dibuat agar peka terhadap depresi peralatan penyerap dan suhu pendingin. Jika digunakan sendiri, sistem ini pada akhirnya tidak mampu mencapai level emisi NOx rendah yang dituntut oleh undang-undang Amerika.
3. Sistem reaktor termal
yang tertutup rapat dan berkapasitas lebih besar yang berperan sebagai ruang pembakaran sekunder. Jadi ia memungkinkan terjadinya pembakaran lanjutan terhadap gas-gas buangan dengan meningkatkan efek-efek dari suhu dan waktu dalam perjalanan mereka dari mesin ke sistem pembuangan. Untuk membantu oksidasi lanjutan dari hidrokarbon dan karbon monoksida yang masih ada dalam aliran pembuangan, sebuah kompresor penginjeksi udara yang digerakkan oleh mesin kadang-kadang digunakan untuk memaksa udara bersih masuk ke dalam reaktor termal; cara lainnya, mesin adalah mesin dijalankan dengan campuran yang sangat rendah. Ketika menggunakan cara ini, reaktor-reaktor termal dapat dibagi ke dalam reaktor termal besar dan kecil. Suhu internal dari reaktor termal bisa mencapai 10000C dan karena itu perlu dibuat dari material yang mahal, juga menimbulkan macam-macam masalah akibat suhu underbonnet yang sangat tinggi.
4. Konverter Katalitis
baja nirkarat, yang tidak hanya melindungi elemen itu terhadap vibrasi sistem pembakaran tetapi juga mengakomodasi karakteristik ekspansi dan kontraksi termalnya yang cepat. Substrat dan medium penopangnya selanjutnya ditutup di dalam casing yang terbuat dari baja nirkarat. Sebaliknya, substrat metalik dapat dilas pada casing baja nirkarat agar lebih tahan lama. Casing itu sendiri dibentuk dengan ujung-ujung kerucut yang berhubungan dengan perpipaan sistem pembuangan dan tujuannya adalah untuk membantu aliran gas melalui konverter.
Gambar 2.18. Catalytic Converter
