BAB II TINJAUAN PUSTAKA

(1)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian Dasar

Jika meninjau jenis-jenis mesin, pada umumnya adalah suatu pesawat yang dapat merubah bentuk energi tertentu menjadi kerja mekanik. Misalnya, mesin listrik yang mana adalah sebuah mesin yang kerja mekaniknya diperoleh dari sumber listrik. Sedangkan mesin gas atau mesin bensin adalah mesin yang kerja mekaniknya diperoleh dari sumber pembakaran gas atau bensin.

Selain daripada itu, apabila ditinjau dari cara memperoleh sumber energi termal, jenis mesin kalor dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu :

1. Mesin pembakaran luar (external combustion engine). Mesin pembakaran luar adalah mesin dimana proses pembakaran terjadi diluar mesin, energi termal dari hasil pembakaran dipindahkan ke fluida kerja mesin melalui beberapa dinding pemisah. Contohnya adalah mesin uap.

2. Mesin pembakaran dalam (internal combustion engine). Mesin pembakaran dalam adalah mesin dimana proses pembakaran berlangsung di dalam mesin itu sendiri, sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja. Mesin pembakaran dalam ini umumnya dikenal dengan sebutan motor bakar. Contoh dari mesin kalor pembakaran dalam ini adalah, motor bakar torak dan turbin gas.

Motor diesel adalah jenis khusus dari mesin pembakaran dalam. Karakteristik utama dari mesin diesel yang membedakannya dari motor bakar yang lain terletak pada metode penyalaan bahan bakarnya. Dalam mesin diesel bahan bakar diinjeksikan ke dalam silinder yang berisi udara bertekanan tinggi. Selama proses pengkompresian udara dalam silinder mesin, suhu udara meningkat, sehingga ketika bahan bakar yang berbentuk kabut halus bersinggungan dengan udara panas ini, maka bahan bakar akan menyala dengan sendirinya tanpa bantuan alat penyala lain. Karena alasan inilah mesin diesel juga disebut mesin penyalaaan kompresi (Compression Ignition Engines).

(2)

Motor diesel memiliki perbandingan kompresi sekitar 11:1 hingga 26:1 jauh lebih tinggi dibandingkan motor bakar bensin yang hanya berkisar 6:1 hingga 9:1. Konsumsi bahan bakar spesifik mesin diesel lebih rendah kira-kira 25% dibanding mesin bensin namun perbandingan kompresinya yang lebih tinggi menjadikan tekanan kerjanya juga tinggi.

Sebagai jenis kedua motor bakar torak selain dari pada mesin diesel, motor bensin yang dikenal dengan mesin otto atau mesin Beau Des Rochas, penyalaan bahan bakarnya dilakukan oleh percikan bunga api listrik dari antara kedua elektroda busi. Sehingga mesin bensin dikenal dengan sebutan Spark Ignition Engine.

Disamping itu, klasifikasi motor bakar berdasarkan siklus langkah kerjanya, dibedakan atas dua jenis, yaitu:

1. Motor dua langkah (tak). Pengertian dari motor dua langkah adalah motor yang pada dua langkah piston (satu putaran engkol) sempurna akan menghasilkan satu tenaga kerja (satu langkah kerja).

2. Motor empat langkah (tak). Pengertian dari motor empat langkah adalah motor yang pada setiap empat langkah piston (dua putaran sudut engkol) sempurna menghasilkan satu tenaga kerja (satu langkah kerja).

2.2 Motor Diesel

2.2.1 Sejarah Mesin Diesel

Mesin diesel adalah sejenis mesin pembakaran dalam lebih spesifik lagi sebuah mesin pemicu kompresi dimana bahan bakar dinyalakan oleh suhu tinggi gas yang dikompresi dan bukan oleh alat berenergi lain seperti busi. Mesin ini ditemukan pada tahun 1892 oleh Rudolf Diesel yang menerima paten pada 23 Februari 1893. Diesel menginginkan sebuah mesin untuk dapat digunakan dengan berbagai macam bahan bakar termasuk debu batu bara. Dia mempertunjukkannya pada Exposition Universelle (Pameran Dunia) tahun 1900 dengan menggunakan minyak kacang. Kemudian diperbaiki dan disempurnakan oleh Charles F. Kettering.

(3)

Motor Diesel merupakan motor pembakaran dalam (Internal Combustion Engine), dimana bahan bakarnya disemprotkan kedalam silinder pada waktu torak hampir mencapai titik mati atas (TMA).

Oleh karena udara di dalam silinder mempunyai temperatur yang tinggi, maka bahan bakar akan terbakar dengan sendirinya. Motor Diesel umumnya mempunyai beberapa konstruksi utama diantaranya adalah torak, batang torak, poros engkol, katup, pompa bahan bakar bertekanan tinggi dan mekanisme penggerak lainnya.

Daya yang dihasilkan motor diesel diperoleh melalui pembakaran bahan bakar yang terjadi di dalam silinder. Hal ini menyebabkan gerakan translasi torak didalam silinder yang dihubungkan dengan poros engkol pada bantalannya melalui batang penghubung (Connecting Rod).

2.2.2 Prinsip Kerja Motor Bakar Diesel

Ketika gas dikompresi, suhunya meningkat (seperti dinyatakan oleh Hukum Charles; mesin diesel menggunakan sifat ini untuk menyalakan bahan bakar. Udara disedot ke dalam silinder mesin diesel dan dikompresi oleh piston yang merapat, jauh lebih tinggi dari rasio kompresi dari mesin menggunakan busi. Pada saat piston memukul bagian paling atas, bahan bakar diesel dipompa ke ruang pembakaran dalam tekanan tinggi, melalui nozzle atomising, dicampur dengan udara panas yang bertekanan tinggi. Hasil pencampuran ini menyala dan membakar dengan cepat.

Ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran di atas mengembang, mendorong piston ke bawah dengan tenaga yang kuat dan menghasilkan tenaga dalam arah vertikal. Rod penghubung menyalurkan gerakan ini ke crankshaft yang dipaksa untuk berputar, menghantar tenaga berputar di ujung pengeluaran crankshaft.

Scavenging yang mendorong muatan-gas yang habis terbakar keluar dari silinder, dan menarik udara segar kedalam mesin dilaksanakan oleh ports atau valves. Untuk menyadari kemampuan mesin diesel, penggunaan turbocharger untuk mengkompres udara yang disedot masuk sangat dibutuhkan dan intercooler

(4)

untuk mendinginkan udara yang disedot masuk setelah kompresi oleh turbocharger meningkatkan efisiensi.

Komponen penting dari mesin diesel adalah governor, yang membatasi kecepatan mesin mengontrol pengantaran bahan bakar. Mesin yang menggunakan pengontrolan elektronik canggih mencapai ini melalui Electronic Control Modul (ECM) atau Electronic Control Unit (ECU) yang merupakan komputer dalam mesin. ECM/ECU menerima kecepatan signal mesin melalui sensor dan menggunakan algoritma dan mencari tabel kalibrasi yang disimpan dalam ECM/ECU, dia mengontrol jumlah bahan bakar dan waktu melalui aktuator elektronik atau hidrolik untuk mengatur kecepatan mesin.

Mesin diesel tidak dapat beroperasi pada saat silinder dingin. Beberapa mesin menggunakan pemanas elektronik kecil di dalam silinder untuk memanaskan silinder sebelum penyalaan mesin. Lainnya menggunakan pemanas resistive grid dalam intake manifold untuk menghangatkan udara masuk sampai mesin mencapai suhu operasi. Setelah mesin beroperasi pembakaran bahan bakar dalam silinder dengan efektif memanaskan mesin.

Dalam cuaca yang sangat dingin, bahan bakar diesel mengental dan meningkatkan viskositas dan membentuk kristal lilin atau gel. Ini dapat mempersulit pemompa bahan bakar untuk menyalurkan bahan bakar tersebut ke dalam silinder dalam waktu yang efektif, membuat penyalaan mesin dalam cuaca dingin menjadi sulit, meskipun peningkatan dalam bahan bakar diesel telah membuat kesulitan ini menjadi sangat jarang. Cara umum yang dipakai adalah untuk memanaskan penyaring bahan bakar dan jalur bahan bakar secara elektronik.

(5)

Gambar 2.1 Proses Kerja Motor Diesel Empat Langkah (Lit. 2 hal. 6)

Maka secara ringkas langkah-langkah kerja pada mesin diesel adalah sebagai

berikut:

1. Langkah Hisap

- Piston bergerak dari TMA ke TMB - Katup hisap terbuka.

- Katup buang tertutup.

- Terjadi kevakuman dalam silinder, yang menyebabkan udara murni masuk ke dalam silinder.

2. Langkah Kompresi

- Piston bergerak dari TMB ke TMA. - Katup hisap tertutup.

- Katup buang tertutup.

- Udara dikompresikan sampai tekanan dan suhunya menjadi 30 kg/cm2 dan 500°C.

3. Langkah Usaha

- Katup hisap tertutup. - Katup buang tertutup.

- Injektor menyemprotkan bahan bakar sehingga terjadi pembakaran yang

(6)

4. Langkah Buang

- Piston bergerak dari TMB ke TMA. - Katup hisap tertutup.

- Katup buang terbuka.

- Piston mendorong gas sisa pembakaran keluar.

2.2.3 Siklus Ideal Diesel

Pada motor bakar mesin diesel, siklus yang berlangsung pada proses pembakaran adalah siklus diesel. Pada siklus ini tampak secara jelas dan diuraikan satu per satu proses perpindahan atau aliran yang berlangsung dari satu titik ke titik yang lain. Dengan memperhatikan gambar dan arah perpindahan maka kita akan memahami proses yang berlangsung pada grafik ini.

Gambar 2.2 Diagram P – v dan diagram T – s Siklus Ideal Diesel (Lit. 1 hal. 92)

Proses-proses yang terjadi pada siklus tersebut adalah: a. Proses 6-1. Tekanan konstan udara hisap pada Po.

Katup hisap terbuka dan katup keluar tertutup:

) ( ₁ ₆ 0 1 6 P V V W₋ = − [2.1]

Sumber: (Lit. 5 hal. 93) Po Entropy (s) 2 1 1 4 2 3 5 6 Volume spesifik (v) Tekanan (P) Temperatur (T) 4 3

(7)

Keterangan:

0

P = tekanan pada titik 0 (kPa)

1

V = volume pada titik 1 (m3)

6

1 6−

W = kerja pada titik 6-1 (kJ)

b. Proses 1-2. Langkah kompresi isentropik Semua katup tertutup:

k T T R m W Q P RT m V V r P V V P V V P P r T V V T V V T T m m TDC k c k k k c k k − − = = = = = = = = = = − − − − − 1 / ) ( 0 / ) ( ) / ( ) / ( ) ( ) / ( ) / ( 1 2 2 1 2 1 2 2 2 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 1 2 1 1 1 2 1 1 2

Sumber: (Lit. 5 hal. 93)

Keterangan:

1

2

1

T = temperatur pada titik 1 (K)

2

1

2

2 1−

W = kerja pada siklus 1-2 (kJ) R = konstanta gas (kJ/kg.K)

c. Proses 2-3. Tekanan Konstan Panas Masuk (Pembakaran) semua katup tertutup:

max 3 2 3 2 2 3 3 2 3 2 2 3 2 3 3 2 2 3 2 3 2 3 3 2 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 ( ) ( ) ( ) ( T T V V P u u Q W h h T T C Q Q T T C AF Q T T C m m T T C m Q m Q Q p in p c HV p f a p m c HV f in = − = − − = − = − = = − + = − + = − = = = − − − − η η [2.2] [2.3] [2.4] [2.5] [2.6] [2.7 ] [2.8 ] [2.9 ] [2.10] [2.11]

(8)

Cut of Ratio : 2 3 2 3 V T / T V − = = β [2.12]

Keterangan:

3

2

3

2

T = temperatur pada titik 2 (K) HV

Q = heating value (kJ/kg) in

Q = kalor yang masuk (kJ) c

η = efisiensi pembakaran m

m = massa campuran gas di dalam silinder (kg) p

C = panas jenis gas pada tekanan konstan (kJ/kg.K)

3 2−

d. Proses 3-4: Langkah Insentropik atau langkah ekspansi:

Semua katup tertutup:

Keterangan:

4

3

4

3

[2.13] [2.14] [2.15] [2.16] ) ( ) ( ) 1 /( ) ( ) 1 /( ) ( ) / ( ) / ( ) / ( ) / ( 0 4 3 4 3 3 4 3 3 4 4 4 3 4 3 3 4 3 3 4 1 4 3 3 1 4 3 3 4 4 3 T T C u u k T T R k V P V P W V V P V V P P V V T V V T T Q v k k k k − = − = − − = − − = = = = = = = − − − −

(9)

4

V = volume pada titik 4 (m3) m

m = massa campuran gas di dalam silinder (kg) R = konstanta gas (kJ/kg.K)

4 3−

e. Proses 4-5: Rejeksi panas volume konstan (keluaran berhembus kebawah)

Katup keluar terbuka dan katup hisap tertutup.

BDC v V V V5 = 4 = 1 = [2.17] 0 5 4− = W [2.18] ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 4 1 4 5 4 5 5 4 4 1 4 5 5 4 T T C u u T T C Q Q T T C m T T C m Q Q v v out v m v m out − = − = − = = = − = − = = − −

Sumber: (Lit. 5 hal. 93-94)

Keterangan:

4

5

T = temperatur pada titik 5 (K) m

m = massa campuran gas di dalam silinder (kg) v

C = panas jenis gas pada volume konstan (kJ/kg.K)

5 4−

W = kerja pada titik 4-5 (kJ) f. Proses 5-6: Tekanan Konstan langkah buang di Po.

Katup buang terbuka dan katup hisap tertutup.

) ( ) ( ₆ ₅ ₀ ₆ ₁ 0 6 5 P V V P V V W ₋ = − = − [2.21] Sumber: (Lit. 5 hal. 94)

Keterangan:

0

5

6

6 5−

[2.19] [2.20]

(10)

Effisiensi Thermal Siklus Diesel (Eff. Th):

[ ] [ ]

/ 1 (

[ ] [ ]

/ ) )

(η_t _DIESEL = W_net Q_in = − Q_out Q_in

2.2.4. Siklus Dual Cycle

Diagram tekanan-volume (P-v) pada motor pembakaran dalam yang aktual tidak tergambarkan dengan baik melalui siklus Otto dan siklus Diesel. Siklus yang dapat digunakan untuk memberikan perkiraan variasi tekanan yang lebih baik adalah siklus rangkap (dual cycle) seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3. dibawah ini.

Gambar 2.3 Diagram P – v dan diagram T – s Siklus Dual Cycle (Lit. 4 hal. 68)

Sebagaimana terdapat pada siklus Otto maupun siklus Diesel, proses-proses yang terjadi pada diagram T-s adalah sebagai berikut:

a. Proses 1-2 adalah kompresi isentropik

b. Proses 2-3 adalah penambahan kalor pada volume konstan c. Proses 3-4 adalah penambahan kalor pada tekanan konstan

d. Proses 4-5 adalah ekspansi isentropik sebagai tahap akhir langkah kerja e. Proses 5-1 adalah diakhiri dengan pelepasan kalor pada volume konstan [2.22] 1 4 3 2 1 5 4 3 2 5 s = c s = c v = c p = c v = c P v T s

(11)

2.2.5 Konfigurasi Mesin Diesel

Ada dua kelas mesin diesel yaitu dua langkah (stroke) dan empat langkah (stroke). Banyak mesin diesel besar beroperasi dalam dua langkah. Mesin yang lebih kecil biasanya menggunakan empat langkah. Biasanya kumpulan silinder digunakan dalam kelipatan dua, meskipun berapapun jumlah silinder dapat digunakan selama muatan di crankshaft di tolak-seimbangkan untuk mencegah getaran yang berlebihan. Inline-6 paling banyak diproduksi dalam mesin tugas-medium ke tugas-berat, meskipun V8 dan straight-4 juga banyak diproduksi.

2.2.6 Kelebihan dan kekurangan Mesin Diesel

Mesin diesel lebih besar dari mesin bensin dengan tenaga yang sama karena konstruksi berat diperlukan untuk bertahan dalam pembakaran tekanan tinggi untuk penyalaan. Dan juga dibuat dengan kualitas sama yang membuat penggemar mendapatkan peningkatan tenaga yang besar dengan menggunakan mesin turbocharger melalui modifikasi yang relatif mudah dan murah. Mesin bensin dengan ukuran sama tidak dapat mengeluarkan tenaga yang sebanding karena komponen di dalamnya tidak mampu menahan tekanan tinggi, dan menjadikan mesin diesel kandidat untuk modifikasi mesin dengan hanya menggunakan ongkos dengan biaya murah.

Kekurangannya hanya terletak suara yang berisik juga pada bobot dan dimensi yang dua kali lebih berat dan besar dari mesin bensin, dikarenakan komponen mesin diesel yang di didesain kuat untuk menahan kompresi tinggi, begitu juga akselerasi yang lemot namun bisa di perbaiki melalui penambahan turbo atau yang dikenal sebagai supercharger.

Penambahan turbocharger atau supercharger ke mesin meningkatkan ekonomi bahan bakar dan tenaga. Rasio kompresi yang tinggi membuat mesin diesel lebih efisien dari mesin menggunakan bensin. Peningkatan ekonomi bahan bakar juga berarti mesin diesel memproduksi karbon dioksida yang lebih sedikit.

(12)

2.2.7 Teknologi Diesel Sistem Common Rail

Sistem Common rail menggunakan bahan bakar bertekanan tinggi yang dihasilkan oleh supply pump untuk memperbaiki penggunaan bahan bakar yang ekonomis dan menambah kekuatan (power) mesin, juga mengurangi vibrasi dan noise mesin. Sistem ini menyimpan bahan bakar, yang telah mempunyai tekanan yang dihasilkan oleh supply pump, pada common rail. Dengan menyimpan bahan bakar dengan tekanan tinggi sistem common rail dapat menyediakan bahan bakar dengan tekanan bahan bakar yang stabil, tidak terpengaruh oleh cepatnya mesin atau beban mesin.

ECM menghasilkan arus listrik ke solenoid valve pada injektor, menggunakan EDU, untuk mengatur waktu dan jumlah injeksi bahan bakar, dan juga memonitor tekanan bahan bakar di dalam common rail dengan menggunakan fuel pressure sensor. ECM memerintahkan supply pump untuk menyuplai bahan bakar di dalam common rail dengan menggunakan fuel pressure sensor. ECM memerintahkan supply pump untuk menyuplai bahan bakar yang dibutuhkan untuk memperoleh target tekanan bahan bakar, kira-kira 20 sampai 135 MPa (204 sampai 1,337 kgf/cm2, 2,901 sampai 19,581 psi).

Sebagai tambahan, sistem ini menggunakan 2-Way Valve (TWV) di dalam injektor untuk membuka dan menutup saluran bahan bakar. Walau demikian, waktu dan volume injeksi bahan bakar dapat di atur secara presisi oleh ECM. Sistem common rail menghasilkan dua injeksi bahan bakar yang terpisah. Untuk memperlembut kejutan pembakaran, sistem ini melakukan pilot-injection sebagai bagian injeksi bahan bakar lebih dulu ke injeksi bahan bakar utama. Hal ini dapat membantu mengurangi vibrasi dan noise mesin.

(13)

Gambar 2.4 Sistem Diagram Common Rail (Sistem Bahan Bakar) (Lit. 6 hal. 168)

2.2.8 Perbedaan Diesel Common Rail dengan Diesel Konvensional

Perbedaan antara mesin diesel modern, common rail dengan konvensional adalah cara memasok bahan bakarnya. Terutama, komponen yang berada antara pompa injeksi dan injector. Ada dua komponen utama di sini, yaitu pompa injeksi atau mekanik awam menyebutnya Bosch pump dan injector.

Cara kerja common rail layaknya seperti konsep hidup bersama. Dalam hal ini, semua injector yang bertugas memasok solar langsung ke dalam mesin, menggunakan satu wadah atau rel yang sama dari pompa injector. Caranya sama dengan yang digunakan pada sistem injeksi bensin. Sedangkan mesin diesel konvensional, setiap injector memiliki pasokan solar sendiri-sendiri langsung dari pompa injeksi.

Tekanan bahan bakar dalam rel sangat tinggi. Sekarang, yaitu common rail generasi ke-3, tekananya sudah mencapai 1800 bar. Kalau dikonversi ke PSI yang masih digunakan sekarang menjadi 26.100 PSI. Bandingkan dengan tekanan ban 30 PSI. Atau tabung elpiji 25 bar dan CNG 200 bar. Dengan tekanan setinggi tersebut, pengabutan yang dihasilkan tentu saja semakin bagus. Hasil pembakaran menjadi lebih sempurna dan kerja mesin makin efisien. Sehingga mesin Diesel Common Rail Direct Injection seperti Ford Ranger/Nissan Navara/Chevrolet

(14)

Captiva VCDI lebih terlihat minim asap hitam ketimbang mesin Diesel jaman dahulu.

Sesuai dengan perkembangan mesin diesel, para ahli mengembangkan sistem yang paling mutakhir pada mesin diesel yakni yang dikenal dengan CRDI (Common Rail Direct Injection) teknologi ini telah digunakan oleh Chevrolet Captiva Diesel CRDI/VCDI dengan kapasitas mesin 2000cc 16 katup segaris memuntahkan tenaga 150 Daya Kuda pada kitiran 4000 Rpm dengan torsi max 320 Nm pada putaran 2000 Rpm kemudian diikuti pada saat ini oleh kijang innova denga 16 katup, segaris 4 silinder yang akan menghasilkan tenaga besar namun efisien.

2.3 Parameter Performansi/Unjuk Kerja Mesin Diesel 2.3.1 Tekanan efektif rata-rata (mep)

Selama siklus berlangsung, temperatur dan tekanannya selalu berubah-ubah. Oleh karena itu sebaiknya dicari harga tekanan tertentu (konstan) yang apabila mendorong torak sepanjang langkahnya dapat menghasilkan kerja persiklus yang sama dengan siklus yang dianalisis. Tekanan tersebut dinamai tekanan efektif rata-rata (mep), yang diformulasikan sebagai:

Vd Wnett

mep= [2.23] Sumber: (Lit. 4 hal. 57)

dimana:

mep = tekanan efektif rata-rata (kPa) Vd = volume langkah torak (m3)

Wnett = kerja netto (kJ)

2.3.2 Daya Indikator ( Ẃi )

Merupakan daya yang dihasilkan dalam silinder motor sehingga merupakan basis perhitungan atau penentuan efisiensi pembakaran atau besarnya laju panas akibat pembakaran di dalam silinder.

(15)

Ẃi =

n WnettxN

[2.24]

dimana:

Ẃi = daya indikasi (kW)

N = putaran mesin (putaran/detik)

n = jumlah putaran dalam satu siklus, untuk empat tak n = 2 (putaran/siklus)

nett

W = kerja netto (kJ) 2.3.3 Torsi dan Daya

Daya yang dihasilkan suatu mesin pada poros keluarannya disebut sebagai daya poros (atau biasa dikenal dengan brake power) yang dihitung berdasarkan rumusan:

Ẃb=2π×N×τ [2.25] Sumber: (Lit. 5 hal. 51)

dimana:

Ẃb = daya poros (kW)

N = putaran mesin (putaran/detik) τ = torsi (Nm)

π = 3,14

Seperti yang telah diketahui, dari sejumlah gaya yang dihasilkan mesin, maka sebagian darinya dipakai untuk mengatasi gesekan/friksi antara bagian-bagian mesin yang bergerak, sebagian lagi dipakai untuk mengisap udara dan bahan bakar serta mengeluarkannya dalam bentuk gas buang.

2.3.4 Konsumsi bahan bakar (Sfc)

Konsumsi bahan bakar (Sfc) didefenisikan sebagai jumlah bahan bakar yang dikonsumsi persatuan unit daya yang dihasilkan perjam operasi. Secara tidak langsung konsumsi bahan bakar spesifik merupakan indikasi efisiensi mesin dalam menghasilkan daya dari pembakaran bahan bakar.

(16)

Sfc = ḿf / Ẃb [2.26] Sumber: (Lit. 5 hal.56)

dimana: ḿf n nder jumlahsili N mf × × = dimana:

sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (gr/kwh) ḿf = laju aliran rata-rata bahan bakar (kg/detik) mf = massa bahan bakar (kg)

ma = massa udara (kg) Ẃb = daya poros (kW)

N = putaran mesin (putaran/detik)

2.3.5 Emisi Gas Buang Pada Motor Diesel

Pada prakteknya pembakaran dalam motor tidak pernah terjadi dengan sempurna meskipun sudah dilengkapi dengan kontrol yang canggih. Pada motor diesel, besarnya emisi bentuk opasitas (ketebalan asap) tergantung banyaknya jumlah bahan bakar yang disemprotkan dalam silinder, karena pada motor diesel yang dikompresikan adalah udara murni. Dengan kata lain semakin kaya campuran maka semakin besar konsentrasi NOx, CO dan asap (smoke). Sementara itu semakin kurus campuran konsentrasi NOx, CO dan asap juga semakin kecil.

2.3.5.1 Pembentukan Karbon Monoksida (CO)

Pada proses pembakaran, bila karbon di dalam bahan bakar terbakar dengan sempurna akan menghasilkan CO2 (karbon dioksida). Tetapi jika unsur

oksigen (udara) tidak cukup maka yang terjadi adalah pembakaran tidak sempurna, sehingga karbon di dalam bahan bakar terbakar dalam suatu proses sebagai berikut :

C + ½ O2→ CO

Dengan kata lain, emisi CO dari kendaraan banyak dipengaruhi oleh perbandingan campuran antara udara dengan bahan bakar yang masuk ke ruang

(17)

bakar (Air-Fuel Ratio). Jadi untuk mengurangi CO perbandingan campuran ini harus dibuat kurus (excess air).

Namun akibat lain HC dan NOx lebih mudah timbul dan output motor menjadi berkurang. Emisi karbon monoksida tidak beraroma dan tidak berwarna, namun sangat beracun. Pengaruh buruk pada motor apabila CO berlebihan adalah pembentukan deposit karbon yang berlebihan katup, ruang bakar, kepala piston, dan busi (untuk motor bensin). Deposit yang ditimbulkan tersebut secara alami mengakibatkan fenomena Self-Ignition (dieseling) dan mempercepat kerusakan mesin. Emisi CO berlebihan banyak disebabkan oleh faktor kesalahan pencampuran udara dan bahan bakar yang masuk ke dalam motor.

2.3.5.2 Pembentukan Hidrokarbon (HC)

Pada proses pembakaran, gas buang hidrokarbon yang dihasilkan dibedakan menjadi dua kelompok yaitu bahan bakar yang tidak terbakar dan keluar menjadi gas mentah, atau bahan bakar terpecah karena reaksi panas yang berubah menjadi gugus HC lain dan keluar bersama gas buang. Ada beberapa penyebab utama timbulnya hidrokarbon (HC) diantaranya adalah sebagai berikut :

• Dinding-dinding ruang bakar yang bertemperatur rendah mengakibatkan

hidrokarbon (HC) di sekitar dinding tidak terbakar.

• Terjadi misfiring (gagal pengapian) ini bisa terjadi pada saat motor diakselerasi

ataupun deselerasi.

• Adanya overlap intake valve (kedua valve bersama-sama terbuka) sehingga HC

berfungsi sebagai gas pembilas/pembersih.

• Ignition delay yang panjang merupakan faktor yang mendorong terjadinya

peningkatan emisi HC.

Selain mengganggu kesehatan, emisi HC yang berlebihan juga menyebabkan fenomena photochemical smog (kabut). Karena HC merupakan sebagian bahan bakar yang tidak terbakar, makin tinggi emisi HC berarti tenaga motor makin berkurang dan konsumsi bahan bakar semakin meningkat.

(18)

2.3.5.3 Pembentukan Nitrogen Oksida (NOx)

Nitrogen oksida dihasilkan akibat adanya N2 (nitrogen) dalam campuran udara dan bahan bakar serta suhu pembakaran yang tinggi, sehingga terjadi pembentukan NOx. Biasanya timbul ketika mesin bekerja pada beban yang berat. Bila terdapat N2 dan O2 pada temperatur 1800 - 2000˚ C akan terjadi reaksi pembentukan gas NO seperti di bawah ini : N2 + O2→ 2 NO Selanjutnya gas NO

bereaksi lebih lanjut di udara menjadi NO2. Temperatur pembakaran yang

melebihi 2000˚ C dalam ruang bakar mengakibatkan gas NOx. Sementara itu gas buang terdiri dari 95% NO, 3-4% NO2, sisanya N2O dan N2O3. Substansi NOx

tidak beraroma, namun terasa pedih di mata. Faktor-faktor utama yang mempengaruhi konsentrasi NOx selama pembakaran diantaranya maksimum temperatur yang dapat dicapai dalam ruang bakar, dan perbandingan udara - bahan bakar (AFR). Sehingga solusi untuk mengurangi kandungan NOx dalam gas buang yaitu dengan mengupayakan temperatur ruang bakar tidak mencapai 1800˚ C atau dengan mengusahakan sesingkat mungkin mencapai temperatur maksimum. Cara lain yaitu dengan mengurangi konsentrasi O2.

2.3.5.4 Pembentukan Partikulat (Particulate Matter)

Partikulat dihasilkan oleh adanya residu bahan bakar yang terbakar dalam ruang bakar, dan keluar melalui pipa gas buang. Partikel-partikel seperti jelaga, asap dan debu secara umum terbagi menjadi dua bagian yaitu partikel-partikel yang merupakan emisi langsung biasanya disebut partikel utama (primary particles) dan partikel-partikel hasil transformasi gas lain atau disebut partikel

sekunder (secondary particles). Ukuran partikel bervariasi, dengan ukuran besar cenderung berasal dari faktor geologi, seperti debu dan pasir yang ditiup angin. Sedangkan yang berukuran kecil terutama dari sumber-sumber pembakaran dan perubahan dari gas-gas emisi yang lain, seperti sulfur dioksida menjadi sulfat dan nitrogen oksida menjadi nitrat. Dari sini jelas bahwa emisi gas buang merupakan unsur yang berbahaya. Sebagian besar partikulat mengandung unsur karbon dan kotoran lain berbentuk butiran atau partikel dengan ukuran ± 0,01 – 10 μm. Gas buang diesel sebagian besar berupa partikulat dan berada pada dua fase yang berbeda namun saling menyatu yaitu fase padat, terdiri dari residu atau kotoran, abu, bahan aditif, bahan korosif, keausan metal, dan fase cair terdiri dari minyak pelumas yang

(19)

tak terbakar. Gas buang yang berbentuk cair akan meresap ke dalam fase padat. Buangan ini disebut partikel. Partikel-partikel tersebut berukuran mulai dari 100 mikron hingga kurang dari 0,01 mikron. Partikulat yang berukuran kurang dari 10 mikron memberikan dampak terhadap visibilitas udara karena partikulat tersebut akan memudarkan cahaya. Pembentukan partikel tersebut dapat dilihat pada gambar 2.4 dibawah.

Diesel fuel molecules

Air molecules Incomplete combustion Precursor molecules Nucleation Soot Nuclei Coalescent Coagulation Surface growth Spherule Chain forming coagulation Surface growth Soot Particle

Gambar 2.5 Pembentukan Soot Particle (Lit. 2 hal.15)

Berdasarkan ukurannya partikel dikelompokkan menjadi tiga yaitu :

a. 0,01 – 110 μm disebut partikel smoke/kabut/asap b. 10 – 50 μm disebut dust/debu

c. 50 – 100 μm disebut ash/abu

Penyebab terjadinya partikulat antara lain tekanan injeksi yang terlalu rendah dan saat pengapian yang kurang tepat.

“Particles” “Molecules”

(20)

2.3.5.5 Pembentukan Emisi Asap (Smoke)

Emisi asap (smoke) merupakan polutan utama pada mesin diesel. Pembentukan smoke pada mesin diesel terjadi karena kekurangan oksigen, hal itu terjadi pada inti (core) spray yang mempunyai λ ≤ 0,8. Dalam proses pembakaran berlangsung ketika bahan bakar yang disemprotkan ke dalam silinder yang berbentuk butir-butir cairan yang halus saat keadaan di dalam silinder tersebut sudah bertemperatur dan bertekanan tinggi sehingga butir-butir tersebut akan menguap. Namun jika butir-butir bahan bakar yang terjadi karena penyemrotan itu terlalu besar atau apabila beberapa butir terkumpul menjadi satu, maka akan terjadi dekomposisi. Dekomposisi itu akan menyebabkan terbentuknya karbon-karbon padat (angus). Hal ini disebabkan karena pemanasan udara yang bertemperatur tinggi, tetapi penguapan dan pencampuran dengan udara yang ada di dalam silinder tidak dapat berlangsung sempurna. Terutama pada saat-saat dimana terlalu banyak bahan bakar yang disemprotkan, yaitu pada waktu daya mesin akan diperbesar. Misalnya untuk akselerasi maka angus akan terjadi. Jika angus yang terjadi itu terlalu banyak, gas buang yang keluar dari mesin akan berwarna hitam dan mengotori udara serta mengganggu pemandangan.

2.3.6 Efisiensi mekanis

Besarnya kerugian daya diperhitungkan dalam efisiensi mekanis yang dirumuskan sebagai berikut:

ηm = Ẃb / Ẃi [2.27]

Sumber: (Lit. 5 hal.47)

dimana:

ηm = efisiensi mekanis

Ẃb = daya poros (kW)

(21)

2.3.7 Efisiensi volumetrik

Efisiensi ini didefinisikan sebagai perbandingan antara massa udara yang masuk karena dihisap torak pada langkah hisap dan massa udara pada tekanan dan temperatur atmosfir yang dapat dihisap masuk kedalam volume satuan yang sama.

) /( _a _d a

v =m ρ ×V

η [2.28] Sumber: (Lit. 5 hal. 60)

dimana:

v

η = efisiensi volumetrik a

ρ = massa jenis udara (kg/m3) ma = massa udara (kg)