BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Motor Otto
Motor otto merupakan salah satu dari jenis motor pembakaran dalam. Motor ini menggunakan campuran bahan bakar dengan udara yang dikompresikan di dalam ruang bakar sebelum terjadinya pembakaran. Selanjutnya, energi yang timbul dari proses pembakaran tersebut akan mendorong piston dan diteruskan keporos untuk digunakan sebagai daya yang berguna.
2.1.1 Prinsip Kerja Motor Otto
Tujuan utama dari motor otto adalah mengkonversikan bahan bakar, dalam hal ini premium yang telah dicampur dengan udara menjadi daya yang berguna. Dengan kata lain mengubah energi kimia menjadi energi mekanis.
Pada prinsip kerja motor otto campuran bahan bakar dengan udara dimasukkan ke dalam ruang tertutup yang disebut ruang bakar (
combustion chamber
) dengan cara dihisap sebagai akibat mekanisme piston. Selanjutnya di dalam ruang bakar campuran tersebut dikompresikan sehingga tekanan menjadi meningkat drastic. Campuran bahan bakar bertekanan tinggi tersebut selanjutnya dengan percikan api yang berasal dari busi. Energi yang dihasilkan akan mendorong piston. Pemanfaatan daya pada motor otto terletak pada piston, engkol dan poros engkol (crankshaft
). Gerakan translasi (naik turun) pada pistonakan diubah menjadi gerkan rotasi pada poros engkol. Gerakan pada poros engkol inilah yang nantinya akan dimanfaatkan untuk menggerakkan beban. Gambaran sederhana mengenai komponen dalam mesin Otto dapat dilihat pada gambar di bawah ini :Gambar 2.1. Motor Otto dan komponen – komponennya
Berdasarkan langkah kerjanya, motor Otto dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu motor dua langkah dan motor empat langkah. Pada motor dua langkah, langkah kerja dihasilkan pada satu kali putaran poros engkol sedangkan pada motor empat langkah, langkah kerja dihasilkan pada dua kali putaran poros engkol.
Secara ideal siklus motor Otto empat langkah dapat dijelaskan sebagai berikut : 1. Langkah Hisap (Intake Stroke)
Katup hisap terbuka dan torak bergerak dari atas dari atas (dinamakan titik mati atas: TMA) menuju ke batas bawah (dinamakan titik mati bawah: TMB), maka campuran udara dan bahan bakar mengalir masuk ke dalam silinder.
Proses masuknya campuran udara dan bahan bakar pada langkah hisap dapat terjadi karena pergerakan piston menuju titik mati bawah (TMB) menghasilkan tekanan dalam silinder menjadi lebih kecil daripada tekanan atmosfir.
2. Langkah Kompresi (Compression Stroke)
Katup hisap tertutup dan torak bergerak menekan campuran udara dan bahan bakar yang menimbulkan kenaikan tekanan dan berkurangnya volume silinder. Sewaktu torak mendekat pada TMA (± 3o), ditimbulkan percikan api listrik yang dihasilkan oleh busi dengan dua ujung elektrodanya. Percikan api listrik ini membakar campuran udara dan bahan bakar sehingga mulai timbul pembakaran. Proses berlangsung secara isentropis. Periode penyalaan (iqnition Timing) sangat di pengaruhi oleh jenis bahan bakar yang digunakan.
Gambar 2.3. Proses langkah kompresi
3. Langkah Ekspansi / Kerja (Power Stroke)
Campuran udara dan bahan bakar yang terbakar berturutan menimbulkan tekanan yang lama kelamaan menjadi maksimum. Tekanan maksimum ini menekan torak ke bawah dan baik tekanan maupun suhu dari gas pembakaran mulai mengurang. Gaya gerak yang ditimbulkan oleh gerakan torak ini diteruskan kepada poros engkol melalui tangkai torak dan engkol dengan demikian poros engkol dipaksa untuk berputar mengatasi tahanan geseran. Proses ekspansi ini berlangsung secara isentropis dan dalam keadaan katup hisap dan buang tertutup.
Gambar 2.4. Proses langkah ekspansi / kerja
4. Langkah Buang (Exhaust Stroke)
Katup buang terbuka dan gas sisa pembakaran ditekan keluar oleh torak yang bergerak ke atas menuju udara luar melalui exhaust manifold dan dengan demikian selanjutnya dimulai lagi langkah hisap untuk siklus selanjutnya.
2.2 Angka Oktan Bahan Bakar 2.2.1 Sejarah dan Pengertian
Mulanya bensin adalah produk utama dalam industri minyak bumi yang merupakan campuran kompleks dari ratusan hidrokarbon dan memiliki rentang pendidihan antara 20 – 200 oC. Bensin adalah bahan bakar mesin siklus otto yang banyak digunakan sebagai bahan bakar alat transportasi darat (mobil). Kinerja yang dikehendaki dari bensin adalah anti knocking.
Knocking adalah peledakan campuran (uap bensin dengan udara) di dalam silinder mesin dengan siklus otto sebelum busi menyala. Peristiwa knocking ini sangat mengurangi daya mesin. Hidrokarbon rantai lurus cenderung membnagkitkan knocking. Sementara hidrokarbon bercabang, siklik maupun aromatik cenderung bersifat anti knocking. Tolok ukur kualitas anti knocking sering disebut sebagai bilangan oktan (octane number). Skalanya didasarkan kepada n-heptana memiliki bilangan oktan nol dan isooktan memiliki bilangan seratus.
Bensin dikatakan memilki bilangan oktan X, dengan 0 < X > 100, jika kualitas pembakaran bensin tersebut setara denga kualitas pembakaran campuran X% vokume isooktan dan (100-X)% volume n-heptana. Untuk skala bilangan oktan yang lebih besar dari 100 dirumuskan sebagai berikut :
Bilangan Oktan = 100 +
3
100
−
PN
Dengan PN(Performance Number)
= 100 xisooktan
dihasilkan
yang
mesin
daya
mesin
dihasilkan
yang
mesin
daya
Penambahan senyawa-senyawa organik logam berat dapat meningkatkan bilangan oktan bensin. Senyawa yang paling efektif dalam meningkatkan bilangan oktan adalah TEL (Tetra Ethyl Lead, Pb(C2H5)4). Senyawa ini larut dalam bensin dan dapat mengakibatkan kenaikkan yang besar pada bilangan oktan bensin yang ditambahkan. Kenaikkan bilangan oktan karena penambahan TEL semakin kecil jika bilangan oktan semula semakin besar. Tetapi penambahan TEL atau senyawa-senyawa logam berat lainnya dapat mencemari atmosfer dan menjadi racun bagi orang yang menghirupnya, maka digunakanlah senyawa-senyawa pengganti logam berat tersebut yaitu senyawa
alkohol dan eter seperti metanol (CH3OH), etanol (C2H5OH), Metil Tersier Butil Eter (MTBE), Etil Tersier Butil Eter (ETBE) dan Tersier Amil Metil Eter (TAME).
Aditif yang berasal dari eter memiliki afinitas terhadap air yang lebih kecil daripada aditif yang berasal dari alkohol. Bensin yangh dicampuri eter lebih tidak menarik air dari udara bebas (adanya air akan merusak mutu bensin).
2.2.2 Research Octane Number (RON), Motor Octane Number (MON) dan Ati
Knocking Index (AKI)
Dalam menentukan standar referensi bahan bakar, saat ini yang umum digunakan adalah Research Octane Number (RON, menandakan performa pada kondisi normal) dan (MON, menandakan performa saat kecepatan tinggi). Angka oktan pada dunia otomotif ditentukan dari pengujian pada mesin dengan silinder tunggal dengan rasio kompresi yang bervariasi (4:1 s/d 18:1) yang dikenal sebagai Cooperative Fuels Research (CFR) engine.
Eropa dan Indonesia menggunakan RON, sedangkan di negara lain seperti Amerika digunakkan Anti Knocking Index (AKI). AKI adalah nilai rata-rata dari RON dan MON.
Secara umum nilai RON lebih tinggi dari nilai MON, terkecuali pada beberapa jenis hidrokarbon murni. Perbedaan nilai antara RON dan MON berkisar pada 0 s/d 15. Variasi nilai angka oktan pada bahan bakar hidrokarbon murni yang memiliki titik uap antara 30 oF s/d 350 oF dengan nilai di bawah 0 sampai di atas 100.
Karakteristik utama yang diperlukan dalam bensin adalah sifat pembakarannya yang biasanya diukur dengan bilangan oktan. Bilangan oktan merupakan ukuran kecenderungan bensin untuk mengalami pembakaran yang tidak normalsehingga menimbulkan ketukan pada mesin. Semakin tinggi bilangan oktannya maka semakin berkurang kecenderungannya untuk mengalami ketukan dan semakin tinggi kemampuannya untuk digunakan pada rasio kompresi yang lebih tinggi tanpa mengalami ketukan.
2.3 Bahan Bakar
2.3.1 Hasil Pengolahan Minyak Bumi
Hasil pengolahan minyak bumi yang didapatkan dari proses pengolahan minyak bumi di atas menurut jenisnya dapat dikatagorikan Bahan Bakar Minyak (BBM) dan Bahan Bakar Minyak (Non BBM).
Yang termasuk dalam katagori bahan bakar minyak (BBM) antara lain bensin (gasoline), minyak tanah (kerosene), minyak bakar, minyak diesel, minyak solar, avtur (aviation turbine) dan avgas (aviation gasoline).
Sementara untuk kategori bukan bahan bakar minyak (Non BBM) antara lain bahan bakar gas (BBG), bahan bakar gas cair (LPG), metanol, pertasol, lilin (wax), aspal dan BTX (benzene, toluene, xylene)
2.3.2 Bahan Bakar Hidrokarbon
Alasan utama mengapa bahan bakar digolongkan sebagai bahan bakar hidrokarbon disebabkan karen akomponen utama yang menyusunnya didominasi oleh unsur hidrogen dan karbon (umumnya 86% karbon dan 14% hidrogen), disamping unsur lainnya yang sangat kecil jumlahnya dan dapt diabaikan. Hidrokarbon bisa dibedakan dalam dua kategori, yaitu saturated dan unsaturated hydrocarbon.
Hidrokarbon merupakan komponen utama dari pembentukkan minyak bumi, senyawa hidrokarbon sebagai pembentuk utama dari minyak bumi dapat digolongkan dalam tiga jenis, yaitu parafin, naphtenik atau siklo parafin dan aromatik.
Parafin merupakan senyawa hidrokarbon jenuh yang mempunyai rumusan umum CnH2n+2. Minyak mentah yang disusun dari golongan parafin disebut parafin basecrude. Pada temperatur ruang, dapat berupa gas ataupun cair. Contoh : methane, ethane, propane, butane, isobutane, pentane dan hexane.
Naphtenik adalah senyawa hidrokarbon jenuh yang mempunyai sifat siklik, yang mempunyai rumusan umum CnH2n. Minyak mentah yang disusun dari golongan naphta disebut naphtenik base crude. Pada temperatur ruang, naphtenik dalam bentuk cair. Contoh : cyclohexane, methyl cyclopentane.
Golongan aromatik merupakan senyawa hidrokarbon tidak jenuh yang tertutup, yang mempunyai rumusan umum CnH2n-6. Sedangkan minyak mentah yang tersusun
dari golongan aromatik disebut aromatik base crude. Umumnya berada dalam bentuk cair. Contoh : benzene, napthalene.
2.3.3 Bahan Bakar Bensin (Gasoline)
Bahan bakar bensin adalah bahan bakar yang termasuk dalam kategori Unsurated Hydrocarbone yang digunakan pada motor bensin (SI-Spark Ignition Engine). Bensin yang digunakan sebagai bahan bakar harus memnuhi spesifikasi yang berlaku di Indonesia sebagaimana yang telah ditetapkan pemerintah melalui surat Keputusan Direktur Jendral Minyak dan Gas Bumi No. 22K/72/DDJM/1990 dan No. 18K/72/DDJM/1990. Bensin yang digunakan juga harus memiliki bilangan oktan yang tinggi dan bebas dari zat-zat yang dapat membahayakan kesehatan dan lingkungan bila dilepaskan ke udara seperti timbal. Indonesia memproduksi lebih dari satu jenis bensin, yaitu : premium, pertamax dan pertamax plus.
Bensin tersusun dari bermacam-macam senyawa hidrokarbon. Senyawa yang umumnya ditemukan dalam bensin diantaranya parafin atau alkana (± 53%), sikloparafin atau naphthenes (± 24%), aromatics (± 18%) dan sejumlah kecil olefin.
Bensin
Parafin (>53%) Sikloparafin (>24%) Aromatic (<18%) Olefin C8 – C9 C4 – C7 C6 Æ Benzene
C7 Æ Benzene C8 Æ Benzene
Bahan bakar bensin memiliki sifat-sifat utama yang berbeda dengan bahan bakar lain. Sifat yang dimiliki oleh bensin diantaranya adalah mudah menguap pada temperatur normal, tidak berwarna, tembus pandang, berbau, mempunyai titik nyala rendah (-10 sampai 15oC), bermassa jenis rendah (0,60 – 0,78 kg/m3), dapat melarutkan oli dan karet, menghasilkan panas dalam jumlah yang besar (9.500 – 10.500 kcal/kg) dan sedikit meninggalkan karbon setelah dibakar.
Bensin juga memiliki syarat-syarat tertentu dalam mendukung kondisi pengoperasian. Bensin harus mudah terbakar, artinya pembakaran terjadi secara serentak di dalam ruang bakar dengan sedikit mungkin adanya knocking. Bensin juga harus mampu membentuk uap dengan mudah untuk memberikan campuran udara dan bahan bakar dengan tepat saat mesin dihidupkan dalam kondisi mesin dingin. Disamping itu bensin tidak beroksidasi dan bersifat pembersih. Selama disimpan, perubahan kualitas dan perubahan bentuk yang dialami bensin diusahakan sedikit mungkin. Selain itu bensin juga harus mampu mencegah pengendapan pada sistem pemasukkan (intake).
2.4 Ethanol
Sebagaimana diketahui bahwa ethanol memiliki nilai oktan yang lebih tinggi dibandingkan dengan premium. Ethanol apabila dicampur dengan premium dapat meningkatkan nilai oktan, dimana nilai oktan untuk ethanol 98% adalah sebesar 115, selain itu ethanol mengandung 30% oksigen, sehingga campuran ethanol dengan premium dapat masuk kategori
high octane gasoline (HOG),
dimana campuran 15% ethanol setara dengan Pertamax (RON 92) dan campuran sebanyak 24% ethanol setara dengan Pertamax Plus (RON 95).Hal ini menunjukkan bahwa ethanol dapat dimanfaatkan sebagai aditif penggan MTBE untuk meningkatkan efisiensi pembakaran dan menghasilkan gas buang yang lebih bersih. Pada tahun 2003, pasar HOG menurut Pertamina adalah sebesar 1750 KL/hari, dimana 1400 KL/hari berasal dari Pertamax (RON 92) dan 350 KL/hari berasal dari Pertamax Plus (RON 95). Pada tahun yang sama ethanol diperkirakan dapat memasok 294 KL/hari, dimana 210 KL/hari ethanol yang dipasok setara dengan Pertamax dan 84 KL/hari yang dipasok setara dengan Pertamax Plus.
Penggunaan ethanol sebagai pengganti atau substitusi Premium telah dilaksanakan di berbagai negara seperti, Amerika Serikat, Jerman, Belanda, Selandia Baru, Brasil tetapi hanya Brasil dan Amerika Serikat yang telah menerapkan teknologi mesin kendaraan untuk ethanol 85% (E85) secara komersial. Di Amerika Serikat sejumlah 3 juta kendaraan dengan sistem dual fuel atau FFV
(Flexible Fuel Vehicles)
2.4.1 Karakteristik Ethanol
Ethanol yang sering disebut etil alkohol rumus kimianya adalah C2H5OH, bersifat cair pada temperatur kamar. Ethanol dapat dibuat dari proses pemasakan, fermentasi dan distilasi jenis tanaman seperti tebu, jagung, singkong atau tanaman lain yang kandungan karbohidratnya tinggi. Bahkan dalam beberapa penelitian ternyata ethanol juga dapat dibuat dari selulosa atau limbah hasil pertanian (biomassa).
Beberapa karakteristik yang dimiliki ethanol yang dapat mempengaruhi kerja mesin bensin adalah :
• Bilangan Oktan
Ethanol memiliki angka oktan yang lebih tinggi daripada premium yaitu research octane 108 dan motor octane 92. Angka oktan pada bahan bakar mesin otto menunjukkan kemampuannya menghindari terbakarnya campuran udara dan bahan bakar sebelum waktunya. Jika campuran udara dengan bahan bakar terbakar sebelum waktunya akan menimbulkan knocking yang berpotensi menurunkan daya mesin, bahkan bisa menimbulkan kerusakan serius pada komponen mesin.
• Nilai Kalor
Nilai kalor suatu bahan bakar menunjukkan seberapa energi yang terkandung didalamnya. Nilai kalor ethanol sekitar 67% nilai kalor premium, hal ini karena adanya oksigen dalam struktur ethanol. Berarti untuk mendapatkan energi yang sama jumlah ethanol yang diperukan akan lebih besar. Adanya oksigen dalam ethanol juga mengakibatkan campuran menjadi lebih ”miskin/lean” jika dibandingkan dengan premium.
• Volatility
Volatility suatu bahan bakar menunjukkan kemampuannya untuk menguap. Sifat ini penting, karena jika bahan bakar tidak cepat menguap maka bahan bakar akan sulit bercampur dengan udara pada saat terjadi pembakaran.
• Panas Laten Penguapan
Ethanol memiliki satu molekul OH dalam susunan molekulnya. Oksigen yang inheren di dalam molekul ethanol tersebut membantu penyempurnaan pembakaran antara campuran bahan bakar dan udara dalam silinder.
No Keterangan Unit Ethanol Premium
1 Sifat Termal : a. Nilai kalor
b. Panas penguapan pada 20o C c. Tekanan uap pada 38º C d. Angka oktan motor e. Angka oktan riset f. Index cetan
g. Suhu pembakaran sendiri
h. Perbandingan nilai bakar terhadap premium
(kkal/liter) (kkal/liter) (Bar) (MON) (RON) (o C) 5023,3 6,4 0,2 94,0 111,0 3,0 363,0 0,6 8308,0 1,8 0,8 82,0 91,0 10,0 221,0 – 260,0 1,0 2 Sifat Kimia a. Analisis berat : C H O C/H
b. Keperluan udara (kg udara / kg bahan bakar)
52,1 13,1 34,7 4,0 9,0 87,0 13,0 0 6,7 14,8 3 Sifat Fisika 1. Berat Jenis 2. Titik didih
3. Kelarutan dalam air
(g/cm) (o C) 0,8 78,0 Ya 0,7 32,0 – 185,0 Tidak
2.5 Zat Aditif Pada Bensin 2.5.1 Tetraethyl Lead (TEL)
Zat aditif yang masih digunakan di Indonesia hingga saat ini adalah Tetraethyl Lead (TEL). Namun penggunaan zat aditif tersebut diduga sebagai menyebab utama keberadaan timbal di atmosfer. Para ahli lingkungan meneliti sampai sejauh mana mekanisme transportasi timbal di atmosfer serta dampak yang ditimbulkannya terhadap kehidupan manusia dan lingkungan.
Timbal adalah neurotoksin – racun penyerang syaraf yang bersifat akumulatif clan dapat merusak pertumbuhan otak pada anak-anak. Studi mengungkapkan bahwa dampak timbal sangat berbahaya pada anak-anak karena berpotensi menurunkan
tingkat kecerdasan (IQ). Selain itu, timbal (Pb) sebagai salah satu komponen polutan udara mempunyai efek toksit yang luas pada manusia.
Ada beberapa pertimbangan mengapa timbal digunakan sebagai aditif bensin, diantaranya adalah timbal memiliki sensifitas tinggi dalam meningkatkan angka oktan, dimana setiap tambahan 0,1 gram timbal per liter bensin mampu menaikkan angka oktan sebesar 1,5 – 2 satuan angka oktan. Disamping itu, timbal merupakan komponen dengan harga relatif murah untuk kebutuhan peningkatan 1 satuan oktan dibandingkan dengan menggunakan senyawa lainnya. Perimbangan lain adalah bahwa pemakaian timbal dapat menekan kebutuhan aromat sehingga proses produksi relatif lebih murah dibandingkan produksi bensin tanpa timbal.
Berbagai pertimbangan di atas menyimpulkan bahwa dengan menambahkan senyawa timbal pada bensin berangka oktan rendah akan didapatkan bensin dengan angka oktan tinggi melalui proses produksi berbiaya murah meski berdampak inefisiensi pada perawatan mesin dibandingkan dengan proses produksi bensin dengan senyawa lainnya. Dampak positif lainnya bahwa adanya timbal dalam bensin juga bermanfaat dengan kemampuannya memberikan fungsi pelumasan pada kedudukan katup dalam proses pembakaran khususnya untuk kendaraan produksi tahun lama. Adanya fungsi pelumasan ini mendorong dudukan katup terlindung dari proses keausan sehingga lebih awet untuk mobil yang diproduksi tahun lama.
Satu hal yang menjadi kegalauan kita, bahwa timbal pada bensin memiliki dampak negatif terhadap lingkungan hidup termasuk pada kesehatan manusia. Dampak negatif ini adalah bahwa timbal dalam dalam udara menurut penelitian merupakan penyebab potensial terhadap peninggkatan akumulasi kandungan timbal dalam darah terutama pada anak-anak. Akumulasi timbal dalam darah yang relatif tinggi akan menyebabakan sindrom saluran pencernaan, kesadaran (cognitive effect), anemia, kerusakan ginjal, hipertensi, neuromuscular dan konsekuensi pathophysiologis serta kerusakan syaraf pusat dan perubahan tingkah laku. Pada kondisi lain, akumulasi timbal dalam darah ini juga menyebabkan gangguan fertilitas, keguguran janin, serta menurunkan tingkat kecerdasan (IQ) pada anak-anak. Penyerapan timbal secara terus menerus melalui pernafasan dapat berpengaruh pula pada sistem haemopoietic.
2.5.2 Methylcyclopentadienyl Manganese Tricarbonyl (MMT)
Methylcyclopentadienyl Manganese Tricarbonyl (MMT) adalah senyawa organologam yang digunakan sebagai pengganti bahan aditif TEL, dan telah digunakan selama dua puluh tahun terakhir di Kanada, Amerika Serikat serta beberapa negara Eropa lainnya. RVP-nya rendah yaitu 2,43 psi dan penggunaannya dibatasi hingga 18 mg Mn/liter bensin. Indeks pencampuran RVP yang rendah menguntungkan dalam proses pencampuran bensin karena mengurangi tekanan uap bahan bakar RVP sehingga emisi uap selama operasi dan penggunaan bahan bakar pada kendaraan bermotor berkurang. Penggunaan MMT hingga 18 mg Mn/liter bensin dapat meningkatkan angka oktan bensin sebesar 2 poin, namun masih kurang menguntungkan jika dibandingkan dengan peningkatan angka oktan yang lebih tinggi yang dihasilkan senyawa oksigenat. Dalam penerapannya MMT memiliki tingkat toksisitas yang lebih rendah daripada TEL.
2.5.3 Naftalena
Naftalena adalah salah satu komponen yang termasuk benzema aromatik hidrokarbon, tetapi tidak termasuk polisiklik. Naftalena memiliki kemiripan sifat yang memungkinkannya menjadi aditif bensin untuk meningkatkan angka oktan. Sifat-sifat tersebut antara lain : sifat pembakaran yang lebih baik, mudah menguap sehingga tidak meninggalkan getah padat pada bagian-bagian mesin. Penggunaan naftalena sebagai aditif memang belum terkenal karena masih dalam tahap penelitian. Sampai saat ini memang belum diketahui akibat buruk penggunaan naftalena terhadap lingkungan dan kesehatan, namu ia relatif aman untuk digunakan.
2.6 Proses Pembakaran Dalam Mesin
Pada kondisi sebenarnya, pembakaran dalam mesin tidak pernah terjadi dengan sempurna meskipun mesin sudah dilengkapi dengan sistem kontrol yang canggih. Pembakaran tidak sempurna selain menaikkan konsumsi bahan bakar, juga menghasilkan gas buang yang beracun seperti CO, HC, NOx, Pb, SOx dan sebagainya. Berikut ini dimana reaksi pembakaran umum hidrokarbon dengan udara adalah sebagai berikut :
Keseimbangan ( C ) Æ x = a Keseimbangan ( H ) Æ y = 2b Keseimbangan ( O2 ) Æ 2n = 2a + b
2n = 2x + (y / 2) atau n = x + (y/4) Keseimbangan akhir :
CxHy + (x + (y/4))(O2 + 3,76N2 x CO2 + y/2 H2O + 3,76 (x + (y/4)) N2 Sebagai contoh kalau bahan bakarnya premium, maka untuk dapat membakar sempurna dibutuhkan udara kira-kira 15 kali berat bahan bakarnya atau kira-kira 60 kali isinya kalau bahan bakar tadi menjadi gas. Ini dapat ditelusuri dari persamaan kimia pada pembakaran isoktan (C8H18) dengan menggunakan reaksi pembakaran umum diatas sebagai berikut :
C8H18 + (8 + (18/4))(O2 + 3,76N2) Æ 8CO2 + 18/2 H2O + 3,76 (8 + (18/4)) N2 C8H18 + 12,5 (O2 + 3,76 N2) 8 CO2 + 9 H2O + 47 N2
Dalam mesin, proses pembakaran bensin terjadi dalam beberapa tahap. Tahap awal adalah bercampurnya bensin dan udara homogen dengan perabandingan berat 1 : 14,7. Kemudian campuran tersebut dimampatkan oleh gerakan piston hingga tekanan dalam silinder lebih kurang 12 bar sehingga menimbulkan panas. Setelah itu campuran tersebut bereaksi dengan panas yang dihasilkan oleh percikan api dari busi dan terjadilah pembakaran pada tekanan tinggi sehingga timbul ledakan dahsyat.
Proses pembakaran mesin bensin tidak terjadi dengan sempurna karena banyak alasan antara lain waktu pembakaran singkat, overlapping katup, udara yang masuk tidak murni hanya oksigen, bahan bakar yang masuk tidak murni C8H18 dan kompresi tidak terjamin rapat semua.
2.7 Emisi Pembakaran Motor Pembakaran Dalam
Keberadaan motor pembakaran dalam (internal combustion engine) memberikan manfaat bagi dunia industri. Sayangnya, juga memberikan efek negatif bagi lingkungan dan kesehatan manusia, terutama jika tidak bekerja pada kondisi yang ideal. Pada kondisi yang ideal pembakaran bahan bakar berada pada titik stokiometri, yaitu titik dimana diperlukan 14,7 unit udara untuk membakar satu unit bahan bakar. Kadang kala campuran udara bahan bakar dapat menjadi lean (air-fuel ratio lebih dari 14,7) atau rich (air-fuel ratio kurang dari 14,7). Sayangnya keadaan ideal tidak pernah terjadi, sehingga muncul zat berbahaya pada emisi gas buang motor seperti karbon monoksida, hidrokarbon, nitrogen oksida, sulfur oksida, timbal, nitrogen, oksigen, partikulat, air dan lain-lain.
2.7.1 Karbon Monoksida
Bila karbon di dalam bahan bakar terbakar dengan sempurna, akan terjadi rekasi yang menghasilkan CO2.
C + O2Æ CO2
Apabila unsur oksigen (udara) tidak cukup, maka pembakaran tidak sempurna sehingga karbon di dalam bahan bakar terbakar dalam suatu proses yang menghasilkan emisi karbon monoksida.
C + ½ O2Æ CO
Dengan kata lain, emisi CO dari kendaraan banyak dipengaruhi oleh perbandingan campuran antara udara dengan bahan bakar yang masuk ke ruang bakar (AFR). Jadi untuk mengurangi CO, perbandingan campuran ini harus dibuat kurus (excess air). Namun akibat lain HC dan NOx lebih mudah timbul serta output mesin menjadi berkurang.
2.7.2 Hidrokarbon (HC)
Sumber emisi hidrokarbon dibagi menjadi dua bagian yaitu bahan bakar yang tidak terbakar dan keluar menjadi gas mentah dan bahan bakar terpecah karena reaksi panas berubah menjadi gugusan HC lain yang keluar bersama gas buang.
Secara umum, hidrokarbon timbul karena sekitar dinding ruang bakar bertemperatur rendah, dimana temperatur itu tidak mampu melakukan pembakaran, adanya missing (mis fire) dan adanya overlapping katup (kedua katup sama-sama terbuka) sehingga merupakan gas pembilas/pembersih.
2.7.3 Nitrogen Oksida (NOx)
Jika terdapat unsur N2 dan O2 pada temperatur 1800o s/d 2000oC, akan terjadi reaksi pembentukkan gas NO seperti berikut :
N2 + O2Æ 2 NO
Dimana udara NO mudah berubah menjadi NO2. NOx di dalam gas buang terdiri dari 95% NO, 3 – 4% NOx dan sisanya N2O, N2O3 dan sebagainya.
2.7.4 Sulfur Oksida (SOx)
Bahan bakar bensin mengandung unsur belerang/sulfur (S). Pada saat terjadi pembakaran, Sulfur (S) akan bereaksi dengan hidrogen (H) dan oksigen (O) untuk membentuk senyawa sulfat dan sulfur oksida.
SO2 + H2O Æ H2SO3 (asam sulfit) SO3 + H2O Æ H2SO4 (asam sulfat)
2.7.5 Plumbum/Timbal (Pb)
Timah hitam dalam bensin tidak bereaksi dalam proses pembakaran sehingga setelah pembakaran akan keluar tetap sebagai timah hitam (Pb).
2.7.6 Nitrogen (N2)
Udara yang digunakan untuk pembakaran dalam mesin sebagian besar terdiri dari inert gas, yaitu N2. Pada saat terjadi pembakaran sebagian kecil N
bereaksi dengan O2 membentuk NO2. Sebagian besar lainnya tetap berupa N2 hingga keluar dari mesin.
Pembakaran yang tidak sempurna dalam mesin menyisakan oksigen ke udara (O2). Oksigen yang tersisa ini semakin kecil bila pembakaran terjadi semakin sempurna.
2.7.8 Partikulat
Partikulat terdiri dari C (karbon) yang masih berupa butiran partikel dan residu atau kotoran lain yang dihasilkan oleh pembakaran pada motor diesel. Partikulat sebagian besar dihasilkan oleh adanya residu dalam bahan bakar. Residu tersebut tidak ikut terbakar dalam ruang bakar, tetapi terbuang dalam pipa gas buang.
2.7.9 H2O
H2O merupakan hasil reaksi pembakaran dalam ruang bakar, dimana air yang dihasilkan tergantung dari mutu bahan bakar. Makin banyak uap air di dalam pipa gas buang, mengindikasikan pembakaran semakin baik. Semakin besar uap air yang dihasilkan, pipa knalpot tetap kelihatan bersih, ini sekaligus menunjukkan makin bersih emisi yang dihasilkan.
2.8 Perhitungan Karaktristik Mesin Otto
Pengolahan data dibutuhkan untuk membuktikan ada tidaknya peningkatan dari senyawa aditif yang dicampurkan kepada premium terhadap performa dari mesin, penghematan konsumsi bahan bakar dan komposisi gas buangnya. Parameter yang telah dicatat selama pengujian akan dimasukkan ke dalam perhitungan lanjut dan keluarannya dinamakan data olahan. Hasil akhir dari tiap bahan bakar yang didapat akan dibandingkan dengan bahan bakar premium sebagai pembanding (dasar acuan) dan dipresentasikan ke dalam bentuk grafik karakteristik mesin otto. Berikut ini akan diuraikan metode perhitungan untuk mendapatkan karakteristik motor otto sesuai dengan
Engine Test Bed Manual.
2.8.1 Laju Konsumsi Bahan Bakar (FC)
Konsumsi bahan bakar per satuan waktu (FC – Fuel Comsumption) dapat ditentukan melalui persamaan sebagai berikut :
1000
3600
x
t
b
FC
=
[ L/hr] Dimana : b = konsumsi bahan bakar (l
)t = waktu konsumsi bahan bakar ( detik )
2.8.2 Daya ( BHP,
Brake Horse Power
)Keluaran daya motor dapat diukur dengan bantuan susunan pengereman (braking) atau dinamometer untuk memberikan momen puntir guna menahan putaran poros, atau bisa bisa juga digunakan untuk setiap mesin dalam menunjukkan bahwa daya yang dimaksud adalah daya yang ditransmisikan melalui poros. Besarnya BHP dapat ditentukan berdasarkan persamaan sebagai berikut :
60
N
x
L
x
W
x
2π
BHP
=
x 1,34.10-3 [ hp ]Dimana : L = Panjang lengan torsi dynamometer ( 0,358 m ) W = Beban pada dynamometer ( N )
N = Kecepatan putar dynamometer ( rpm ) 1 watt = 1,34 x 10-3 ( HP )
2.8.3 Laju Konsumsi Bahan Bakar (SFC)
Persamaan untuk menghitung Konsumsi Bahan Bakar Spesific adalah sebagai berikut :
BHP
FC
2.8.4 Efisiensi Thermal ( ηth )
Efisiensi thermal dari motor otto menyatakan besarnya efektifitas energi bahan bakar yang disuplai ke ruang bakar dalam menghasilkan kerja. Efisiensi thermal dapat ditentukan melalui persamaan sebagai berikut :
ηth =
Qf
BHP
x
J
x 100Dimana : J = Faktor Konversi = 632 kKal/Hp.jam Qf = H x FC x γ
H = Nilai kalor bawah = 11000 ( kkal/kg ) FC = Laju konsumsi bahan bakar ( l/jam) γ = Berat spesifik bahan bakar ( kg/l )
