BABII
TINJAUANPUSTAKA
2.1. Biogas
Biogas adalah gas yang dihasilkan oleh mikroorganisme ( bakteri ) melalui
proses anaerobik (fermentasi) dari bahan-bahan organik seperti kotoran manusia
dan hewan, tumbuhan, limbah rumah tangga, limbah pertanian, sampah atau
limbah organik yang mudah dicerna dalam kondisi anaerobik. Proses penguraian
bahan organik secara anaerob (tanpa oksigen) disebut juga dengan anerobic
digestion dan peralatan yang digunakan dalam proses disebut sebagai digester
(Aguilar 2001). Komponen utama yang terkandung pada biogas adalah metana (CH4) dan karbondioksida (CO2). Secara umum komposisi biogas dapat dilihat
pada tabel berikut ini :
Tabel 2.1. Komposisi biogas
No Komposisi Persentase (%)
1 Metana (CH4) 55 – 75
2 Karbondioksida (CO2) 25 – 45
3 Nitrogen (N2) 0 – 0,3
4 Hidrogen (H2) 1 – 5
5 Hidrogen Sulfida (H2S) 0 – 3
6 Oksigen (O2) 0,1 – 0,5
(Sumber : basic information on biogas, 2012)
Gas metana (CH4) adalah komponen penting dan utama dari biogas karena
merupakan bahan bakar yang berguna dan memiliki nilai kalor yang cukup tinggi
yakni sekitar 4800kkal/m³(Harahap, 1978) serta mempunyai sifat tidak berbau dan
tidak berwarna. Jika gas yang dihasilkan dari proses fermentasi anaerobik ini dapat
terbakar, berarti mengandung sedikitnya 45% gas metana. Untuk gas metana murni
(100%) mempunyai nilai kalor 8900kkal/m3. Ketika dibakar 1ft3 gas bio
metana. Karena kalorinya yang cukup tinggi itulah maka biogas dapat digunakan
untuk penerangan, memasak, menggerakkan mesin dan sebagainya.
Berikut ini adalah sifat-sifat umum biogas, yaitu :
1. Gas yang tidak berwarna
2. Gas tidak berbau
3. Merupakan komponen hidrokarbon yang terpendek
4. CH4 di atmosfer bereaksi dengan ozon membentuk CO2 dan H2O
5. Memiliki daya nyala yang sangat tinggi (flameable)
6. Tergolong sebagai gas rumah kaca (GRK)
7. Sumber metana terbesar adalah makhluk hidup (sebagian besar dari rayap,
kotoran mamalia) yang diperkirakan kadar emisinya sekitar 15, 75 dan 100
juta ton/tahun secara berturut-turut dan sedikitnya dari pertanian
8. Bila bereaksi dengan O2 akan menghasilkan CO2 dan H2O
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
(Sumber : Wikipedia, 2005)
2.1.1. Nilai Potensial Biogas
Metana dalam biogas memiliki karakteristik memiliki sifat mudah terbakar
(flammable) dan dapat mengakibatkan ledakan. Hasil pembakarannya relatif lebih
bersih daripada batubara, dan menghasilkan energi yang lebih besar dengan emisi
karbondioksida yang lebih sedikit. Biogas merupakan bahan bakar alternatif terbaik,
karena biogas dapat menjadi bahan bakar ramah lingkungan memiliki kandungan
energi dalam jumlah yang besar, dan limbah biogas (residu) yang dapat dimanfaatkan
sebagai pupuk. Hal ini menunjukkan betapa banyak nilai potensial biogas yang harus
diperhatikan, agar kita lebih serius memanfaatkan serta mengembangkannya sebagai
bahan bakar alternatif seperti yang telah dikembangkan di negara lain baik negara asia
maupun negara amerika dan eropa. Berikut ini dapat kita lihat nilai kesetaraan biogas
Tabel 2.2. Nilai kesetaraan biogas dengan sumber energi lain
Bahan Bakar Kesetaraan Jumlah
Biogas 1 m3
Elpiji 0,46 kg
Minyak tanah 0,62 liter
Minyak Solar 0,52 liter
Bensin 0,8 liter
Kayu bakar 3,5 kg
(Sumber : Hermawan,dkk, 2007)
2.1.2. Proses Pembentukan Biogas
Biogas dibentuk dengan proses pencernaan anaerob dengan bantuan
bakteri penghasil biogas. Bakteri ini terdiri dari beberapa jenis bakteri yaitu
bakteri penghasil gas metana dan bakteri asam yang tidak menghasilkan metana.
Keberadaan kedua jenis bakteri ini harus dalam keadaan seimbang untuk memastikan
proses di dalam digester berjalan dengan efektif (Rahman, 2009). Terdapat beberapa tahap yang harus dilalui dalam proses pembentukan biogas yaitu dimulai
dari tahap hidrolisis, asidogenesis, asitogenesis, dan tahap yang terakhir
metanogenesis.
Gambar 2.1. Proses pembentukan biogas (Sumber : AL SEADI 2001)
Hidrolisis merupakan penguraian senyawa kompleks menjadi senyawa
sederhana. Pada tahap pertama ini, bahan-bahan organik seperti karbohidrat, lipid,
dan protein didegradasi menjadi senyawa dengan rantai pendek seperti peptida,
bakteri hidrolisa seperti steptococci, bacteriodes, dan beberapa jenis enterobactericeae.
Asidogenesis merupakan pembentukan asam dari senyawa sederhana.
Clostridium merupakan jenis bakteri asidogen yang mengubah asam organik,
alkohol dan keton-keton (seperti ethanol, methanol, glyicerol dan aceton).
Syntrobacter dan syntrophomonas wolfei merupakan contoh bakteri asitogen
mengubah fatty acid dan alkohol menjadi asetat, hidrogen, dan karbondioksida
dengan bantuan bakteri methanogen. Ethanol, propinonicacid, dan asam butirat
dapat terkonversi menjadi asam asetat oleh bakteri asitogen.
Metanogenesis merupakan tahapan terakhir dan sekaligus yang paling
menentukan, yakni melakukan penguraian produk dan sintetis tahap sebelumnya
untuk menghasilkan gas metana (CH4). Hasil lain dari proses ini berupa
karbondioksida, air dan sejumlah kecil senyawa gas lainnya. Proses pembentukan
gas metana dengan bantuan bakteri pembentuk metana seperti mathanobacterium,
mathanobacillus, methanosacaria, dan methanococcus. Tahap ini mengubah asam
lemak rantai pendek menjadi H2, CO2, dan asetat.
2.1.3. Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Produksi Biogas
Banyak faktor yang mempengaruhi keberhasilan produksi biogas, antara lain:
1. Bahan Baku
Bahan baku isian berupa bahan organik seperti kotoran ternak, limbah
pertanian, sisa dapur dan sampah organik. Bahan isian harus terhindar dari bahan
anorganik seperti pasir, batu, kaca dan plastik.
Bahan baku dalam bentuk selulosa lebih mudah dicerna oleh bakteri
anaerobik. Sebaliknya, pencernaan akan lebih sukar dilakukan bakteri anaerob jika
bahan bakunya banyak mengandung zat kayu atau lignin. Kotoran sapi dan kerbau
sangat baik dijadikan bahan baku karena banyak mengandung selulosa (Paimin,
2001).
2. Rasio Karbon Dan Nitrogen (C/N)
Karbon dan Nitrogen adalah sumber makanan utama bagi bakteri anaerob,
sehingga pertumbuhan optimum bakteri sangat dipengaruhi unsur ini, dimana
membentuk struktur sel bakteri. Nitrogen amonia pada konsentrasi yang tinggi
dapat menghambat proses fermentasi anaerob. Konsentrasi yang baik berkisar
200– 1500 mg/lt dan bila melebihi 3000 mg/lt akan bersifat toxic. Proses
fermentasi anaerob akan berlangsung optimum bila rasio C:N bernilai 30:1,
dimana jumlah karbon 30 kali dari jumlah nitrogen.
C/N rasio dengan nilai 30 (C/N = 30/1 atau karbon 30 kali dari jumlah
nitrogen) akan menciptakan proses pencernaan pada tingkat yang optimum, bila
kondisi yang lain juga mendukung. Bila terlalu banyak karbon, nitrogen akan
habis terlebih dahulu. Hal ini akan menyebabkan proses berjalan dengan lambat.
Bila nitrogen terlalu banyak (CN rasio rendah; misalnya 30/15), maka karbon
habis terlebih dahulu dan proses fermentasi berhenti tidak boleh dicampur .
Ternak ruminansia seperti sapi, kambing dan domba rata-rata lebih lama
dalam menghasilkan gas bio dibandingkan dengan ternak non ruminansia.
Lamanya produksi gas bio disebabkan oleh mutu pakan yang lebih rendah,
sehingga rasio C/N tinggi akibatnya perkembangan mikroba pembentuk gas lebih
lama dibandingkan yang bermutu tinggi. Tinggi rendahnya mutu ini tergantung
pada nilai N (nitrogen) di dalam ransum. Namun demikian nilai N juga tergantung
pada C (karbon). Jadi, perbandingan C dan N akan menentukan lama tidaknya
proses pembentukan gas bio.
Mikroorganisme membutuhkan nitrogen dan karbon untuk proses
asimilasi. Karbon digunakan sebagai energi sedangkan nitrogen digunakan untuk
membangun struktur sel. Bakteri penghasil metana menggunakan karbon 30 kali
lebih cepat dari pada nitrogen.
Untuk menentukan bahan organik digester adalah dengan melihat
rasio/perbandingan antara Karbon (C) dan Nitrogen (N). Beberapa percobaan
menunjukkan bahwa metabolisme bakteri anaerobik akan baik pada rasio C/N
antara 20-30. Jika rasio C/N tinggi, Nitrogen akan cepat dikonsumsi bakteri
anaerobik guna memenuhi kebutuhan proteinnya, sehingga bakteri tidak akan
bereaksi kembali saat kandungan Karbon tersisa. Jika rasio C/N rendah, Nitrogen
akan terlepas dan berkumpul membentuk amoniak sehingga akan meningkatkan nilai
Untuk menjaga rasio C/N, bahan organik rasio tinggi dapat dicampur bahan organik
rasio C/N rendah. Rasio C/N beberapa bahan organik dapat dilihat pada Tabel 2.3.
Tabel 2.3. Rasio C/N beberapa bahan organik
Bahan Organik Rasio C/N
Kotoran bebek 8
Kotoran manusia 8
Kotoran ayam 10
Kotoran kambing 12
Kotoran babi 18
Kotoran domba 19
Kotoran kerbau/sapi 24
Enceng Gondok (water hyacinth) 25
Kotoran gajah 43
Jerami (jagung) 60
Jerami (padi) 70
Jerami (gandum) 90
Serbuk gergaji > 200
Sumber: Karki and Dixit (1984)
3. Kandungan Bahan Kering
Bahan isian dalam pembuatan biogas harus berupa bubur. Bentuk bubur
ini dapat diperoleh bila bahan bakunya mempunyai kandungan air yang tinggi.
Bahan baku dengan kadar air yang rendah dapat dijadikan berkadar air tinggi
dengan menambahkan air ke dalamnya dengan perbandingan tertentu sesuai
dengan kadar bahan kering bahan tersebut. Bahan baku yang paling baik
mengandung 7-9 % bahan kering (Paimin, 2001).
Setiap kotoran atau bahan baku akan berbeda sifat pengencerannya.
Kotoran sapi segar misalnya, mempunyai kadar bahan kering 18 %. Agar
diperoleh kandungan bahan isian sebesar 7-9 % bahan kering, bahan baku tersebut
perlu diencerkan dengan air dengan perbandingan 1:1 (bahan baku : air). Adonan
Ternyata kotoran masing-masing jenis ternak mempunyai kandungan
bahan kering yang berbeda-beda. Perbedaan bahan kering yang dikandung
berbagai macam kotoran ternak akan membuat penambahan air yang berlainan.
Untuk lebih jelasnya dapat diterangkan seperti pada tabel di bawah ini.
Tabel 2.4. Perkiraan Produksi Dan Kandungan bahan kering kotoran beberapa
jenis ternak
Jenis Ternak Bobot
Ternak (kg)
Gas metana dapat diproduksi pada 3 tingkat temperature sesuai dengan
bakteri yang hadir. Bakteri psyhriphilic 0-7 oC, bakteri mesophilic pada
temperatur 13-40 oC sedangkan termophilic pada temperatur 55-60 oC.
Temperatur yang optimal untuk digester adalah temperatur 30-35 oC, kisaran
temperatur ini mengkombinasikan kondisi terbaik untuk pertumbuhan bakteri dan
produksi metana di dalam digester dengan lama proses yang pendek. Temperatur
yang tinggi atau pada tingkat termophilic jarang digunakan karena sebagian besar
bahan sudah dicerna dengan baik pada tingkat temperatur mesophilic, selain itu
Dekomposisi bahan-bahan organik dibawah kondisi anaerobik
menghasilkan suatu gas yang sebagian besar terdiri atas campuran metana dan
arang oksida. Gas ini dikenal sebagai gas rawa ataupun bio gas. Campuran gas ini
adalah hasil dari fermentasi atau peranan anaerobic disebabkan sejumlah besar
mikroorganisme terutama bakteri metana. Suhu yang baik untuk proses fermentasi
adalah 30 oC hingga kira-kira 55 oC (Kamaruddin, dkk, 1995).
Temperatur yang tinggi akan memberikan hasil biogas yang baik namun
suhu tersebut sebaiknya tidak boleh melebihi suhu kamar. Bakteri ini hanya dapat
subur bila suhu disekitarnya berada pada suhu kamar. Suhu yang baik untuk
proses pembentukan biogas berkisar antara 20-40 oC dan suhu optimum antara
28-30 oC.
5. Derajat Keasaman (pH)
Derajat keasaman (pH) sangat berpengaruh terhadap pertumbuhan
aktivitas bakteri. Kisaran pH optimal untuk produksi metana adalah 7-7,2 tetapi
pada kisaran 7,2-8,0 masih diizinkan. Untuk mencegah penurunan pH pada awal
pencernaan dan menjaga pH pada kisaran yang diizinkan, maka dibutuhkan buffer
yakni dengan penambahan larutan kapur.
Derajat keasaman sangat berpengaruh terhadap kehidupan mikroorganisme.
Derajat keasaman yang optimum bagi kehidupan mikroorganisme adalah 6,8-7,8.
Pada tahap awal fermentasi bahan organik akan terbentuk asam (asam organik)
yang akan menurunkan pH. Untuk mencegah terjadinya penurunan pH dapat
dilakukan dengan menambahkan larutan kapur (Ca(OH)2) atau kapur CaCO3.
6. Lama Fermentasi
Secara umum menurut Sweeten (1979), yang disitasi oleh Fontenot (1983),
menerangkan bahwa proses fermentasi/pencernaan limbah ternak di dalam tangki
pencerna dapat berlangsung 60-90 hari, tetapi menurut Sahidu (1983), hanya
berlangsung 60 hari saja dengan terbentuknya gas bio pada hari ke-5 dengan suhu
pencernaan 28 oC, sedangkan menurut Hadi, gas bio sekitar 10-24 hari.
Produksi biogas sudah terbentuk sekitar 10 hari. Setelah 10 hari fermentasi
penambahan waktu fermentasi dari 10 hari hingga 30 hari meningkatkan produksi
biogas sebesar 50%.
Pada hari ke 30 fermentasi jumlah gas bio yang terbentuk mencapai maksimal,
dan setelah 30 hari fermentasi terjadi penurunan jumlah gas bio (Sembiring,
2004).
Tabel 2.5. Produksi biogas dan Lama cerna (Retention time) kotoran ternak di dalam tangki pencerna
Jenis Kotoran Ternak Lama Cerna (hari)
Sapi 60-80
(Sumber : Uli et al, 1989. Biogas Plant in Animal Husbandry)
2.2. Liquified Petroleum Gas (LPG)
LPG (liquified petroleum gas), gas minyak bumi yang dicairkan atau yang
sering disebut elpiji adalah campuran dari berbagai unsur hidrokarbon yang berasal
dari gas alam. Dengan menambah tekanan dan menurunkan suhunya, LPG berubah
menjadi cair. Komponennya didominasi propana (C3H8) dan butane(C4H10). Elpiji
juga mengandung hidrokarbon ringan lain dalam jumlah kecil, misalnya etana (C2H6)
dan pentana (C5H12).
LPG terdiri dari campuran utama propana dan butana dengan sedikit
persentasi hidrokarbon tidak jenuh (propilen dan butilen dan beberapa fraksi C2 yang
lebih ringan dan C5 yang lebih berat. Senyawa yang terdapat dalam LPG adalah
propan (C3H8), proilen (C3H6), normal dan iso-butan (C4H10) dan butilen (C4H8). LPG
merupakan campuran dari hidrokarbon tersebut yang berbentuk gas pada tekanan
atmosfer, namun dapat diembunkan menjadi bentuk cair pada suhu normal, dengan
Dalam kondisi atmosfer, elpiji akan berbentuk gas. Volume elpiji dalam
bentuk cair lebih kecil dibandingkan dalam bentuk LPG untuk berat yang sama.
Karena itu elpiji dipasarkan dalam bentuk cair dalam tabung-tabung logam
bertekanan. Untuk memungkinkan terjadinya ekspansi panas (thermal expansion) dari
cairan yang dikandungnya, tabung elpiji tidak diisi secara penuh, hanya sekitar
80-85% dari kapasitasnya. Rasio antara volume gas bila menguap dengan gas dalam
keadaan cair bervariasi tergantung komposisi, tekanan dan temperatur, tetapi biasaya
250:1.
Tekanan di mana elpiji berbentuk cair, dinamakan tekanan uap-nya, juga
bervariasi tergantung komposisi dan temperatur; sebagai contoh, dibutuhkan tekanan
sedir 220 kPa (2.2 bar) bagi butana murni pada 20 °C (68 °F) agar mencair, dan sedir
2.2 MPa (22 bar) bagi propana murni pada 55 °C (131 °F).
Menurut spesifikasinya, elpiji dibagi menjadi tiga jenis yaitu elpiji campuran,
elpiji propana dan elpiji butana. Spesifikasi masing-masing elpiji tercantum dalam
keputusan Direktur Jendral Minyak dan Gas Bumi Nomor: 25K/36/DDJM/1990.
Elpiji yang dipasarkan Pertamina adalah elpiji campuran.
LPG (liquified petroleum gas) atau sering disebut elpiji mempunyai sifat
sebagai berikut:
• Cairan dan gasnya sangat mudah terbakar
• LPG tidak beracun, tidak berwarna dan biasanya berbau menyengat. Dengan
adanya bau, maka akan dapat terdeteksi kebocoran pada tabung penyimpang
LPG.
• LPG dikirimkan sebagai cairan yang bertekanan di dalam tangki atau silinder. • Cairan dapat menguap jika dilepas dan menyebar dengan cepat.
• LPG ini lebih berat dibanding udara sehingga akan banyak menempati daerah yang rendah.
2.3.Motor Bakar
Motorbakaradalahmesin kalor yangmenggunakan energi termal untuk
melakukan kerja mekanik yaitu dengan cara
merubahenergikimiadaribahanbakarmenjadienergipanas(thermal) sehingga
prosespembakaranbahanbakar,makamotor bakar dapatdibagi menjadi 2 bagian
dengan kelebihanmasing-masing, yaitu:
1. Mesin Pembakaran Luar(External Combustion Engine)
Mesin pembakaranluar adalah mesin dimana proses pembakaran terjadi di luar mesin, energi termal dari hasil pembakaran dipindahkan ke fluida
kerja mesin melalui beberapa dinding pemisah.
Contohnya :
a. Steamengine(mesinuaptorak),panaspembakarandidalamruang bakar
akan memanasiairyangkemudianmenjadi uap sehinggauap tersebut
akanmenggerakkan torak.
b. Turbin gas dan turbin uap
Kelebihannya:
1. Dapatdigunakanbahanbakarberkualitasrendahbaikbahanbakar padat,
cairmaupun gas.
2. Kapasitas besar, seperti : pusat pembangkit tenaga listrik, pusat
pembangkittenagauap,dalam haliniuntukpenggerak turbindan proses
produksi.
3. Padaumumnyatidakterdapatbagianyangbergeraktranslasibolak- balik
sehingga getaran yang terjadi kecil.
2. Mesin Pembakaran Dalam(InternalCombustionEngine)
Mesin pembakaran dalam adalah mesin dimana proses pembakaran berlangsung di dalam mesin itu sendiri, sehingga gas pembakaran yang
terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja.
Contohnya :
a. Motorbakar torak :mesinbensin denganpenyalaanloncatan bungaapi,
mesindieseldenganpenyalaankompresi,mesin wankeldengangerak torak berputar (rotary).
Kelebihannya:
1. Mesin lebih sederhana, kompak, ringan
2. Bahan bakarlebihirit.
4. Lebih efisien
5. Investasi awal lebih kecil.
6. Cocok untuk tenaga penggerak padakendaraan.
2.3.1. Mesin Otto
Mesin ottoadalah sebuah ti
menggunakan nyala busi untuk proses pembakaran, dirancang untuk
menggunakan bahan bakar gasoline atau yang sejenis. Mesin otto dilengkapi dengan busi dan karburator. Busi berfungsi sebagai penghasil loncatan api
yang akan menyalakan campuran udara dengan bahan bakar, karena hal ini
maka mesin otto disebut juga sebagai Spark Ignition Engine. Sedangkan
karburator merupakan tempat pencampuran udara dan bahan bakar.
Mesin ottoberbeda
bahanbakar denganudara,danmesinotto selalumenggunakanpenyalaanbusi
untukprosespembakaran.Padamesindiesel, hanyaudara yangdikompresikan
dalam ruangbakardandengansendirinyaudaratersebutterpanaskan,bahanbakar
diinjeksikan kedalam ruangbakardiakhirlangkahkompresiuntukbercampur
denganudarayangsangatpanas,padasaatkombinasiantara jumlahudara,jumlah
bahanbakar,dantemperaturdalam kondisitepatmakacampuranudaradanbakar
tersebutakanterbakardengansendirinya.Siklus otto(ideal) pembakarantersebut
Gambar 2.2 DiagramP-vsiklus ottoaktual dan ideal
KeteranganGambar:
P = Tekanan(atm)
V = VolumeSpesifik (m3/kg)
q
in= Kaloryang masuk(kJ)q
out= Kaloryang dibuang (kJ)Gambar 2.3 DiagramT-Ssiklus otto
KeteranganGambar:
T = Temperatur (K)
S = Entropi(kJ/kg.K)
q
in= Kaloryang masuk(kJ)q
out= Kaloryang dibuang (kJ)Keterangansiklus:
1-2 Kompresi Isentropik
2-3 Pemasukan Kalor pada VolumeKonstan
3-4 Ekspansi Isentropik
Padamesinotto,padaumumnyaudaradanbahanbakardicampursebelum
masukkeruangbakar,sebagiankecilmesinottomodernmengaplikasikaninjeksibahanb
akarlangsungkesilinderruangbakartermasukmesinotto2langkah
untukmendapatkanemisigasbuang yangramahlingkungan. Pencampuranudara
danbahan bakardilakukanoleh karburatoratausisteminjeksi, keduanya
mengalamiperkembangandarisistem manualsampaidenganpenambahansensor-
sensorelektronik.SistemInjeksiBahanbakardimesinottoterjadidiluarsilinder,
tujuannyauntukmencampurudara denganbahanbakarseproporsional mungkin, hal
ini disebutEFI.
(A) (B)
Gambar 2.4 Sistem pencampuran udara + bahan bakar dengan karburator (A) dan
sistem injeksi (B)
2.3.1.1. Mesin otto4 Langkah
Mesinotto empatlangkahadalahmesinpembakarandalam yangdalam
satusiklus pembakaranterjadiempatlangkahpiston.Empatlangkahtersebut
meliputi,langkahhisap (pemasukan),kompresi,tenaga danlangkah buangyang
secarakeseluruhanmemerlukanduaputaranporosengkol(crankshaft) persatu
Gambar 2.5 Mesin otto4 langkah
Prinsip kerja motor ottoempat langkah adalahsebagai berikut :
1. Langkah Hisap
Dalamlangkahini,campuranbahanbakardanudaradihisapkedalamruangbakar
, Katuphisapmembukasedangkankatupbuangtertutup.Waktutorak
bergerakdarititikmati atas (TMA)ke titikmatibawah(TMB),menyebabkan
ruangsilindermenjadivakum danmenyebabkanmasuknyacampuranudaradan bahan
bakarke dalamsilinder yang disebabkan adanya tekanan udara luar.
Gambar 2.6 Langkah hisap mesin otto 4 langkah
2. Langkah Kompresi
Dalam langkah ini, campuran udara dan bahan bakar dikompresikan.
Katuphisap dankatupbuangtertutup.Waktutoraknaikdarititikmatibawah
(TMB)ketitikmatiatas(TMA), campuranyangdihisap tadidikompresikan.
Saatinilah percikanapi daribusiterjadi.Poros engkol berputarsatukaliketika torak
mencapai titk matiatas (TMA).
Gambar 2.7 Langkah kompresi mesin otto 4 langkah
3. Langkah Usaha
Dalamlangkahini,mesinmenghasilkantenagadimanageraktranslasi
pistondiubahmenjadigerak rotasioleh porosengkol danselanjutnyaakan
menggerakkankendaraan.Saattorakmencapaititikmatiatas(TMA) padasaat langkah
kompresi, busi memberikan loncatan bunga api pada campuran udara dan
bahanbakaryang telahdikompresikan.Denganadanyapembakaran,kekuatan
daritekanangaspembakaranyang tinggimendorongtorakkebawah.Usahaini yang
menjadi tenaga mesin.
Gambar 2.8 Langkah usaha mesin otto 4 langkah
4. Langkah Buang
Dalamlangkahini,gasyangsudahterbakar,akandibuangkeluarsilinder.
Katup buang membukasedangkan katup hisap tertutup.Waktu torak bergerak dari
titikmatibawah(TMB)ketitikmatiatas(TMA),mendoronggasbekaskeluar
(campuranudaradanbahanbakar barumendoronggassisahasilpembakaran). Ketika
torak mencapaiTMA, akan mulaibergerak lagiuntuk persiapan langkah berikutnya,
yaitu langkahhisap.Porosengkoltelahmelakukan2putaranpenuh dalam satu siklus
yang terdiri dari empat langkah yaitu, 1 langkah hisap, 1
langkahkompresi,1langkahusaha,1langkah buangyangmerupakandasarkerja dari
pada mesin empat langkah.
Gambar 2.9 Langkah buang mesin otto 4 langkah
ProsesKerjaadalahkeseluruhanlangkahyangberurutanuntukterjadinya
satusikluskerjadarimotor.Proseskerjainiterjadiberurutandanberulang-ulang,
pistonmotorbergerak bolakbalik dari titik matiatas (TMA) ketitikmatibawah
(TMB) dan dari titik mati bawah (TMB) ke titikmati atas (TMA) pada langkah
selanjutnya.
Padamotorempatlangkah,proseskerjamotordiselesaikandalam empat
langkah piston.
∼ Langkah pertama yaitu piston bergerak dari TMA ke TMB, disebut
langkah pengisian.
∼ LangkahkeduayaitupistonbergerakdariTMBkeTMAdisebutlangkah kompresi.
∼ LangkahketigapistonbergerakdariTMAkeTMBdisebutlangkahusaha.
Pada langkah usaha ini terjadilah proses pembakaran bahan bakar
(campuranudaradanbahanbakar)didalam silindermotor/ruang pembakaran
yang menghasilkan tenaga yang mendorong piston dari TMA ke TMB.
∼ Langkah keempat yaitu piston bergerak dari TMB ke TMA disebut
langkah pembuangan.Gas hasil pembakarandidorong oleh piston keluar
menghasilkansatulangkahusaha(yangmenghasilkan tenaga)diperlukan
empat langkah piston.
Empatlangkahpistonberartisamadenganduakaliputaran porosengkol.
Padamotor dua langkah proses kerja motornya untukmendapatkan satu kali
langkahusahahanya diperlukan dua kalilangkah piston. Motordua langkah yang
palingsederhana,pintu masukataulubangmasukdanlubangbuangterlelangkah
berhadap-hadapan yaituberada padasisi bawah pada dindingsilinder motor.
Proses kerjanya adalah sebagai berikut.:
∼ PistonberadaTMB,kedualubang(masukdanbuang)samasamaterbuka
yang mendorong pistonke bawah dari TMA keTMB.
∼ Langkahusahaterakhirterjadilahpembuangangasbekasbegituterbuka
diperlukan dualangkah piston. Dilihatdariputaranporosengkolnyadiperlukan satu
kali putaran poros engkol.
2.3.Dinamometer
Dewasa ini dinamometer digunakan pengukuran pada seluruh
perkembangan dari mesin, mulai dari percobaan dan pengetesan motor bersilinder
tunggal sampai motor pesawat terbang. Tetapi dalam hal ini jika mesin dalam
keadaan tetap atau diam maka pengukuran dayannya sederhana dan mudah dibuat,
Ukuran atau besaran untuk kerja suatu motor biasanya dalam bentuk torsi dan
tenaga kuda.
Torsi adalah gaya putar yang dihasilkan oleh poros engkol atau
kemampuan motor untuk melakukan kerja, tetapi disini torsi merupakan jumlah
gaya putar yang diberikan ke suatu mesin atau motor bakar terhadap panjang
lengannya. Torsi biasanya diberi simbol
τ
, satuan untuk torsi dalam satuan SIadalah Nm.
Untuk pengujian torsi digunakan rope brake dynamometer atau
dinamometer rem tali. Cara kerja rope brake dynamometer hampir sama dengan
prony brake dynamometer hanya rem ini terdiri dari tali di sekeliling roda atau
puli. Bahan tali ini biasanya kulit, ujung tali yang satu dikaitkan pada spring
balance dan ujung yang satu lagi dikaitkan pada beban. Seperti terlihat pada gambar di bawah ini penyerapan daya dilakukan oleh tali karena gesekan dengan
roda atau puli.
Gambar 2.10Rope brake dynamometer
τ
= (W-S)r N.mDimana :
τ
= Torsi (N.m)W = Beban pengereman (kg)
r = Jari-jari puli (m)
2.4.Performansi Motor Bakar
Bagianini membahastentangperformansimesinpembakarandalam. Parameter
mekanik yang termasuk dalam subbab ini adalah torsi, daya,
perbandinganudarabahanbakar,konsumsibahanbakarspesifikdaneffisiensi dari
pembakaran di dalam mesin.
2.4.1. Torsidan Daya
Torsi yang dihasilkan suatu mesin dapat diukur dengan menggunakan
dinamometer yang dikopel dengan poros output mesin. Oleh karena sifat
dinamometeryangbertindakseolah-olahsepertisebuahrem dalam sebuahmesin,
maka dayayang dihasilkan poros output ini sering juga disebut dengan brake
power.Torsididefinisikansebagaigayayang bekerjapadajarakmomendan memiliki
satuan N-matau lbf-ft.Torsi merupakan gaya yang ditimbulkan oleh gaya piston
turun dikalikan jarak dari tengah crank pin ke titik tengah crankshaft. Torsi untuk
mesin tertentu ditentukan oleh gaya piston menekan connectingrod yang disebut
combustion force.Gaya ini akan diteruskan ke roda, gaya impulsif dari sebuah
kendaraan akan kecil jika torsi mesin kecil, gaya impulsif dari kendaraan akan
tinggi jika torsi mesin tinggi.
Daya didefinisikan sebagai usaha dari mesin persatuan waktu. Daya mesin akan
meningkat secara proporsional terhadap rpm karena jumlah kerja dalam tiap
waktu meningkat ketika rpm mesin tinggi. Bagaimana pun juga saa trpm mesin
meningkat, komponen dinamis tidak dapat berjalan melewati nilai tertentu, atau
mesin tidak dapat memasukkan atau mengeluarkan lebih cepat dari nilai limit,
ataudaya mesin yang dipakai untuk mengendalikan mesin itu sendiri terbuang
dengan percuma jika rpmnya melebihi standarnya.
τ
=Torsi (Nm)Gambar 2.11 Daya dan torsi sebagai fungsi putaran
Baiktorsi dandaya adalahfungsi dari putaranmesin.Padaputaranrendah,
torsimeningkat denganmeningkatnyaputaranmesin.Putaranmesinmeningkat
lebihlanjut,torsimencapaimaksimum dankemudianmenurunsepertiyang
ditunjukkan padagambardiatas. Torsimenurunkarenamesin tidakdapat udara
yangoptimalpada kecepatanyang lebihtinggi.Ditunjukkandayameningkat
seiringputaranmeningkat kemudianmenjadimaksimal dankemudianmenurun
padaputaranmesinyanglebihtinggi.Halini dikarenakankerugian gesekan
meningkatdanmenjadifaktordominanpadakecepatan yangsangattinggi.Untuk mobil
bensin, daya maksimum terjadi pada kisaran 6000 hingga 7000 RPM, sekitar
satusetengah kali torsi maksimum.
2.4.2. KonsumsiBahan Bakar Spesifik (SFC)
Konsumsi bahan bakar spesifik adalah parameter unjuk kerja mesin
dengan hal ini maka dapat dihitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk
menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu.
Secara umum konsumsi bahan bakar spesifik didefinisikan dengan :
sfc =
ṁfẆ ... (2.7)
Dimana:
sfc=Konsumsi bahan bakar spesifik / Specific Fuel Consumption(gr/kWh)
ṁf =Laju aliranbahan bakarke mesin (kg/sec)
Ẇ= Daya poros(kW)
2.4.3. Efisiensi Mesin
Waktuyangdiperlukanuntukprosespembakaransuatu siklus mesin sangatlah
singkatdan pada umumnya tidak semua bahan bakarhabis terbakaroleh oksigen
atau bahkan temperatur sekitar tidak mendukung reaksi kimia yang
terjadi,fenomenainiterjadikarena mesinbekerjadi lingkunganyangberbeda-
bedadanvariasiputaranyangnilainyasangatberubah-ubahsesuaiakselerasi
yangdibutuhkan.Kemungkinanterburuksebahagiankecil molekulbahanbakar tidak
bereaksi dan terbawa ke aliran pembuangan (exhaust). Effisiensi
pembakaranηcmenerangkanseberapabanyakbahanbakaryangbereaksidan terbakar. ηcmemilikinilaiyangberkisardari0.95sampai0.98ketikamesin
bekerja.Untuksatusiklusmesinpadasatusilinder,panasyangditambahkan adalah:
Qin = mfQHVηc ... (2.8)
Untuk keadaan steady:
Q̇in = ṁfQHVηc ... (2.9)
Effisiensi termalnya adalah :
ηt = W/Qin = Ẇ /Q̇in =ηf/η
c ... (2.10)
Dimana:
mf=massa bahan bakar (kg/siklus)
ṁf=Laju aliranbahan bakarke ruang bakar (kg/sec)
QHV=Nilai kalordari bahan bakar (Kj/kg)
ηc = Effisiensi pembakaran (0,95 - 0,98)
