BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Bahan Bakar Hidrokarbon
Bahan bakar adalah suatu materi yang bisa terbakar dan bisa diubah menjadi energi. Bahan bakar hidrokarbon adalah bahan bakar yang didominasi oleh susunan unsur Hidrogen dan Karbon. Pada proses pembakaran terbuka, umumnya bahan bakar yang digunakan tersususun dari bahan hidrokarbon seperti solar dan kerosin yang di peroleh dari hasil proses penyulingan minyak bumi atau minyak mentah ( Gambar 2.1 ).
Gambar 2.1 Penyulingan Minyak
Sumber : id.wikipedia.org/wiki/Crude_Oil_Distillation 2.1.1 Bahan Bakar Diesel
Bahan bakar diesel yang sering disebut solar (light oil) merupakan suatu campuran hidrokarbon yang diperoleh dari penyulingan minyak mentah pada temperatur 200oC–340 oC.Minyak solar ini biasa disebut juga Gas Oil, Automotive Diesel Oil, High Speed Diesel (Pertamina: 2005).
Minyak solar yang sering digunakan adalah hidrokarbon rantai lurus hetadecene (C16H34) dan alpha-methilnapthalene (Darmanto, 2006).
2.1.2 Karakteristik Bahan Bakar Diesel (Solar)
Dapat menyala dan terbakar sesuai dengan kondisi ruang bakar adalah syarat umum yang harus dipenuhi oleh suatu bahan bakar. Minyak solar sebagai bahan bakar memiliki karakteristik yang dipengaruhi oleh banyak sifat-sifat seperti Cetane Number (CN), penguapan (volality), residu karbon, viskositas, belerang, abu dan endapan, titik nyala, titik tuang, sifat korosi, mutu nyala dan (Mathur, Sharma, 1980).
a. Cetane Number (CN)
Mutu penyalaan yang diukur dengan indeks yang disebut Cetana. Mesin diesel memerlukan bilangan cetana sekitar 50. Bilangan cetana bahan bakar adalah persen volume dari cetana dalam campuran cetana dan alpha-metyl naphthalene. Cetana mempunyai mutu penyalaaan yang sangat baik dan alpha-metyl naphthalene mempunyai mutu penyalaaan yang buruk. Bilangan cetana 48 berarti bahan bakar cetana dengan campuran yang terdiri atas 48% cetana dan 52% alpha- metyl naphthalene. Angka CN yang tinggi menunjukkan bahwa minyak soloar dapat menyala pada temperatur yang relatif rendah dan sebaliknya angka CN yang rendah menunjukkan minyak solar baru dapat menyala pada temperatur yang relatif tinggi.
b. Penguapan (Volality)
Penguapan dari bahan bakar diesel diukur dengan 90% suhu penyulingan. Ini adalah suhu dengan 90 % dari contoh minyak yang telah disuling, semakin rendah suhu ini maka semakin tinggi penguapannya.
c. Residu karbon.
d. Viskositas.
Viskositas minyak dinyatakan oleh jumlah detik yang digunakan oleh volume tertentu dari minyak untuk mengalir melalui lubang dengan diameter kecil tertentu, semakin rendah jumlah detiknya berarti semakin rendah viskositasnya. e. Belerang atau Sulfur.
Belerang dalam bahan bakar terbakar bersama minyak dan menghasilkan gas yang sangat korosif yang diembunkan oleh dinding-dinding silinder, terutama ketika mesin beroperasi dengan beban ringan dan suhu silinder menurun; kandungan belerang dalam bahan bakar tidak boleh melebihi 0,5 %-1,5 %. f. Kandungan abu dan endapan.
Kandungan abu dan endapan dalam bahan bakar adalah sumber dari bahan mengeras yang mengakibatkan keausan mesin. Kandungan abu maksimal yang diijinkan adalah 0,01% dan endapan 0,05%.
g. Titik nyala.
Titik nyala merupakan suhu yang paling rendah yang harus dicapai dalam pemanasan minyak untuk menimbulkan uap terbakar sesaat ketika disinggungkan dengan suatu nyala api. Titik nyala minimum untuk bahan bakar diesel adalah 60 oC.
h. Titik Tuang.
Titik tuang adalah suhu minyak mulai membeku/berhenti mengalir. Titik tuang minimum untuk bahan bakar diesel adalah -15 oC.
i. Sifat korosif.
Bahan bakar minyak tidak boleh mengandung bahan yang bersifat korosif dan tidak boleh mengandung asam basa.
j. Mutu penyalaan.
penyalaan dan penstarteran ketika mesin dalam keadaan dingin tetapi juga jenis pembakaran yang diperoleh dari bahan bakar. Bahan bakar dengan mutu penyalaan yang baik akan memberikan mutu operasi mesin yang lebih halus, tidak bising, terutama akan menonjol pada beban ringan.
Minyak solar yang dihasilkan harus memiliki standar dan mutu (spesifikasi) yang memenuhi persyaratan yang bisa dilihat dalam tabel 2.1 di bawah ini :
Tabel 2.1 Spesifukasi minyak solar
Sumber: Surat Keputusan Dirjen Migas 3675/K/24/DJM/2006
2.2 Bahan Bakar Gas (BBG)
kayu, tanah gambut, batubara, minyak, dan sebagainya. Komponen mampu bakar dari gas adalah metana, karbondioksida, dan hidrogen dalam jumlah yang bervariasi. Karakteristik dari gas sangat tergantung pada komponen yang ada dalam gas tersebut. Berdasarkan sumbernya bahan bakar gas dapat dibagi 2 yaitu :
Bahan bakar yang secara alami didapat kandari alam: - Gas alam
- Metan dari penambangan batubara
Bahan bakar gas yang terbuat dari bahan bakar padat - Gas yang terbentuk dari batubara
- Gas yang terbentuk dari limbah dan biomasa - Dari proses industri lainnya (gas blast furnace)
Biogas merupakan gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik atau fermentasi dengan kandungan methana 55-65 %.
2.2.1 Sejarah Biogas
Gas methan (biogas) ini sudah lama digunakan oleh warga Mesir, China, dan Roma kuno untuk dibakar dan digunakan sebagai penghasil panas.
Kegiatan produksi biogas di India telah dilakukan semenjak abad ke-19. Alat pencerna anaerobik pertama dibangun pada tahun 1900 (Burhani Rahman,http://www.energi.lipi.gi.id).
2.2.2 Definisi Biogas
Biogas merupakan gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik atau fermentasi dari bahan-bahan organik termasuk diantaranya; kotoran manusia dan hewan, limbah domestik (rumah tangga), sampah biodegradable atau setiap limbah organik yang biodegradable dalam kondisi anaerobik. Kandungan utama dalam biogas adalah metana (CH4) dan karbon dioksida (CO2). Biogas dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar alternatif yang berasal dari sumber energi terbarukan.
Energi yang terkandung dalam biogas tergantung dari konsentrasi metana (CH4). Semakin tinggi kandungan metana maka semakin besar kandungan energi (nilai kalor) pada biogas, dan sebaliknya semakin kecil kandungan metana semakin kecil nilai kalor. Kualitas biogas dapat ditingkatkan dengan memperlakukan beberapa parameter yaitu : Menghilangkan hidrogen sulphur, kandungan air dan karbon dioksida (CO2).
Saat ini pemanfaatan Biogas yaitu digunakan sebagai bahan bakar altrenatif pengganti bahan bakar fosil, salah satunya Biogas digunakan sebagai pengganti LPG untuk kompor gas rumah tangga, selain itu Biogas juga digunakan sebagai bahan bakar untuk mengoperasikan generator listrik.
2.2.3 Karakteristik Bahan Bakar Biogas
Kandungan komposisi biogas dapat berbeda-beda tergantung dari bahan pembuatnya. Kandungan utama dari biogas adalah gas metana (CH4) dan karbon dioksida (CO2) kandungan gas lainnya ialah karbon monoksida (CO), nitrogen (N), hidrogen sulfide (H2S), oksigen (O2), hidrogen (H2), dan ammonia (NH3).
Sifat fisik dan kimiawi biogas dipengaruhi oleh bahan baku pembuat biogas tersebut dan nilainya berbeda-beda akan tetapi tidak terlalu jauh.
Tabel 2.2 Komposisi kandungan biogas
Sumber : Biogas Composistion and qualities (Omid dkk, 2011) Biogas memiliki beberapa sifat fisik secara umum yaitu : Tabel 2.3 Sifat fisik biogas
Sifat Fisik Keterangan
Titik Bakar 650-750 0C
Specific Gravity 0,55
Desnsitas 1,2 kg/m3
RON 130
Nilai Kalor 17 - 30 MJ/kg
Laju Nyala 0,25 m/s
Adapun sifat kimiawi dari biogas secara umum adalah :
2. Biogas sulit untuk disimpan dalam tabung praktis karena biogas dapat berubah fase menjadi cair pada suhu -1780C.
3. Biogas tidak menghasilkan karbon monoksida bila dibakar sehingga aman untuk penggunakan rumah tangga.
4. Biogas tidak memiliki warna dan tidak berbau. 2.2.4 Nilai Kalor Biogas
Dengan menggunakan rumus pembakaran, berat dari uap air yang dihasilkan dapat dihitung.
CH4 + O2 >>> CO2 + 2H2O 16.042 + 64 >>> 44.011 + 36.032 36.032/16.042 = 2.246 lb H2O/lb CH4
Dengan mengasumsikan panas kondensasi air sebesar 1040 Btu/lb, maka panas kondensasi pembakaran metana sekitar 2336 Btu per pound metana yang dibakar. HHV dan LHV untuk pembakaran metana dapat kita lihat sebagai berikut.
HHV = 23,890 Btu/lb or 994.7 Btu/ft3* LHV = 21,518 Btu/lb or 896.0 Btu/ft3*
* At 68 °F and 14.7 psia.
Berikut ini adalah table sifat-sifat biogas tiap %CH4 yang dikandungnya : Tabel 2.4 Nilai LHV biogas tiap % CH4 yang dikandungnya (David Ludington,
60 27,2 35,40 0,07600 13,160 578
62 26,7 37,30 0,07440 13,430 598
64 26,1 39,30 0,07290 13,720 617
66 25,6 41,40 0,07130 14,020 636
68 25,0 43,70 0,06980 14,340 655
70 24,4 46,00 0,06820 14,660 675
Biogas Kering
Sumber : David Ludington, 2006 2.2.5 Pemurnian Biogas (Purifikasi biogas)
Pemurnian (purifikasi) biogas adalah cara untuk meningkatkan nilai kalor dari biogas. Pemurnian biogas dilakukan untuk menghilangkan gas CO2, H2O dan H2S yang terkandung dalam biogas,seiring dengan hilangnya gas gas tersebut maka kandungan gas methana dalam biogas akan meningkat yaitu sekitar 70-95%. Dengan pemurnian biogas, maka biogas akan semakin baik digunakan untuk pembakaran.
Menurut Ryckebosch (2011) pemurnian biogas dapat dilakukan melalui dua langkah utama yaitu menghilangkan trace components seperti hidrogen sulfida dan uap air yang menyebabkan korosi dan menghilangkan gas karbon dioksida untuk meningkatkan nilai kalor.
Proses pemurnian biogas dapat dilakukan dengan berbagai metode pemurnian diantaranya menggunakan water scrubbing, penyerapan kimia menggunakan MEA dan DEA pressure swing adsorption dan cryogenic separation.
2.2.6 Proses Pembuatan Biogas
Pada dasarnya pembuatan biogas sangat sederhana, yaitu hanya dengan memasukkan substrat seperti kotoran ternak, limbah pertanian, limbah rumah
tangga ke dalam digester yang anaerob yang kemudian akan menghasilkan biogas
dan dapat disimpan di dalam tangki penyimpanan kemudian dapat digunakan.
Prinsip pembuatan biogas adalah adanya dekomposisi bahan organik secara anaerobik (tertutup dari udara bebas) untuk menghasilkan gas yang sebagian besar adalah berupa gas metan (yang memiliki sifat mudah terbakar) dan karbon dioksida, gas inilah yang disebut biogas. Proses dekomposisi anaerobik dibantu oleh sejumlah mikroorganisme, terutamabakteri metan. Suhu yang baik untuk proses fermentasi adalah 30-55oC, dimana pada suhu tersebut mikro organisme mampu merombak bahan bahan organik secara optimal. Berikut ini skema proses pembuatan biogas :
Gambar 2.3 Proses pembuatan biogas sederhana
Sumber : http://denipriyatin.blogspot.com,teknik-dan-analisa-pembuatan-biogas Proses pembuatan biogas dalam perkembangan saat ini dibagi menjadi 3 jenis yaitu :
1. Fixed Dome Plant
slurry. Gas yang timbul digunakan/dikeluarkan lewat pipa gas yang diberi katup/kran.
2. Floating Drum Plant
Floating drum plant terdiri dari satu digester dan penampung gas yang bisa bergerak. Penampung gas ini akan bergerak keatas ketika gas bertambah dan turun lagi ketika gas berkurang, seiring dengan penggunaan dan produksi gasnya.
3. Jenis Balon
Reaktor balon merupakan jenis reaktor yang banyak digunakan pada skala rumah tangga yang menggunakan bahan plastik sehingga lebih efisien dalam penanganan dan perubahan tempat biogas. reaktor ini terdiri dari satu bagian yang berfungsi sebagai digester dan penyimpan gas masing masing bercampur dalam satu ruangan tanpa sekat. Material organik terletak dibagian bawah karena memiliki berat yang lebih besar dibandingkan gas yang akan mengisi pada rongga atas.
2.2.7 Kelebihan dan Kekurangan Biogas
Biogas memiliki beberapa kelebihan dan keuntungan dibandingkan dengan bahan bakar gas lainnya seperti LPG dan CNG. Berikut ini adalah beberapa kelebihan dan kekurangan biogas :
Kelebihan :
1. Energi yang terbaharukan dan tidak membutuhkan material yang masih di gunakan sehingga tidak mengganggu keseimbangan karbon dioksida.
2. Energi yang dihasilkan biogas dapat menggantikan bahan bakar fosil (nilai kalor tinggi).
3. Ramah lingkungan. 4. Harga biogas murah.
5. Emisi gas buang yang rendah.
Kekurangan :
1. Memerlukan biaya instalasi yang cukup besar.
2. Belum dapat dikemas dalam bentuk cair dalam tabung. 3. Belum dikenal masyarakat luas.
2.3 Sistem Dua Bahan Bakar (Dual Fuel System)
Dual fuel system solar-biogas adalah sistem bahan bakar yang menggunakan dua jenis bahan bakar sekaligus di dalam bekerjanya motor bakar sebagai motor penggerak yaitu bahan liquid (solar) dan bahan bakar gas (biogas) melalui sedikit modofikasi mixer mesin pada bagian intake manifold mesin diesel dan menggunakan gas injector untuk menyuplai biogas. Biogas yang masuk bercampur dengan udara di mixer kemudian masuk ke dalam ruang bakar , kemudian dari sisi lain bahan bakar liquid (solar) akan masuk sekaligus. Bahan bakar yang terdiri dari solar,biogas, dan udara akan dikompresi di ruang bakar untuk selanjutnya terbakar dan menghasilkan energy. Berikut adalah gambar mesin dengan sistem dua bahan bakar ( dual fuel sistem).
Gambar 2. 4 Mesin dengan sistem dua bahan bakar Sumber : Dual Fuel VTec conversions fromTecnoVeritas.
2.4 Mesin Diesel
mesin pembakaran dalam (internal combustion engine). Mesin diesel pertama kali ditemukan oleh Rudolf Diesel pada tahun 1892. Prinsip kerja pembakaran motor diesel yaitu udara segar dihisap masuk kedalam silinder atau ruang bakar kemudian udara tersebut dikompressi oleh torak sehingga udara memiliki temperatur dan tekanan yang tinggi, dan sebelum torak mencapai titik mati atas, bahan bakar disemprotkan ke ruang bakar dan terjadilah pembakaran.
Agar bahan bakar diesel dapat terbakar dengan sendirinya, maka perbandingan kompresi mesin diesel harus berkisar antara 15 – 22, sedangkan tekanan kompresinya mencapai 20 – 40 bar dengan suhu 500 – 700 0C. Aplikasi dari motor diesel banyak pada industri-industri sebagai motor stasioner ataupun untuk kendaraan-kendaraan dan kapal laut dengan ukuran yang besar. Hal ini dikarenakan motor diesel mengkonsumsi bahan bakar ± 25% lebih rendah dari motor bensin, lebih murah dan perawatannya lebih sederhana (Kubota, S., dkk, 2001).
Mesin diesel menghasilkan tekanan kerja yang tinggi, itu sebabnya konstruksi motor diesel lebih kokoh dan lebih besar. Disamping itu, mesin diesel menghasilkan bunyi yang lebih keras, warna dan bau gas yang kurang menyenangkan. Namun dipandang dari segi ekonomi, bahan bakar serta polusi udara, motor diesel masih lebih disukai (Mathur, 1980).
Menurut Willard W.P (1996) efisiensi termis motor diesel berada di bawah 50% sedangkan menurut Khovakh (1979), efisiensi termis berkisar pada 29% - 42% dan sisanya adalah kerugian-kerugian energi. Energi kalor yang dimanfaatkan oleh mesin tidaklah terlalu besar,sisanya merupakan kerugian - kerugian energi, diantaranya energi kalor yang hilang akibat pendinginan mesin, energi kalor yang hilang bersama gas buang, energi kalor yang hilang akibat pembakaran tidak sempurna, energi kalor yang hilang karena kebocoran gas, dan kehilangan lainnya akibat radiasi dan konveksi.
Gambar 2.5 P-v Diagram
Keterangan Gambar:
P = Tekanan (atm)
V = Volume Spesifik (m3/kg)
qin = Kalor yang masuk (kJ)
qout = Kalor yang dibuang (kJ)
Gambar 2.6 Diagram T-S mesin diesel Keterangan Gambar :
T = Temperatur (K)
S = Entropi (kJ/kg.K)
q
in = Kalor yang masuk (kJ)Keterangan Grafik:
1-2 Kompresi Isentropik
2-3 Pemasukan Kalor pada Tekanan Konstan
3-4 Ekspansi Isentropik
4-1 Pengeluaran Kalor pada Tekanan Konstan
2.4.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel
Prinsip kerja mesin diesel 4 tak sebenarnya sama dengan prinsip kerja mesin otto, yang membedakan adalah cara memasukkan bahan bakarnya. Pada mesin diesel bahan bakar di semprotkan langsung ke ruang bakar dengan menggunakan injector. Dibawah ini adalah langkah dalam proses mesin diesel 4 langkah :
Gambar 2.7 Prinsip kerja mesin diesel
( Sumber : www. Scribd.Com /compression engine) Keterangan :
1. Langkah Isap
Pada langkah ini piston bergerak dari TMA (Titik Mati Atas) ke TMB (Titik Mati Bawah). Saat piston bergerak ke bawah katup isap terbuka yang menyebabkan ruang didalam silinder menjadi vakum,sehingga udara murni langsung masuk ke ruang silinder melalui filter udara.
2. Langkah kompresi
Karena terkompresi suhu dan tekanan udara tersebut naik hingga mencapai 35 atm dengan temperatur 500⁰ - 800⁰ (pada perbandingan kompresi 20 : 1).
3. Langkah Usaha
Poros engkol masih terus berputar, beberapa derajat sebelum torak mencapai TMA di akhir langkah kompresi, bahan bahar diinjeksikan ke dalam ruang bakar. Karena suhu udara kompresi yang tinggi terjadilah pembakaran yang menghasilkan tekanan eksplosif yang mendorong piston bergerak dari TMA ke TMB. Kedua katup masih dalam keadaan tertutup. Gaya dorong ke bawah diteruskan oleh batang piston ke poros engkol untuk dirubah menjadi gerak rotasi. Langkah usaha ini berhenti ketika katup buang mulai membuka beberapa derajat sebelum torak mencapai TMB.
4. Langkah Buang
Pada langkah ini, gaya yang masih terjadi di flywhell akan menaikkan kembali piston dari TMB ke TMA, bersamaan itu juga katup buang terbuka sehingga udara sisa pembakaran akan di dorong keluar dari ruang silinder menuju exhaust manifold dan langsung menuju knalpot.
2.4.2 Performansi Mesin Diesel a. Nilai Kalor Bahan Bakar.
Reaksi kimia antara bahan bakar dengan oksigen dari udara menghasilkan panas. Besarnya panas yang ditimbulkan jika satu satuan bahan bakar dibakar sempurna disebut nilai kalor bahan bakar (Calorific Value, CV). Bedasarkan asumsi ikut tidaknya panas laten pengembunan uap air dihitung sebagai bagian dari nilai kalor suatu bahan bakar, maka nilai kalor bahan bakar dapat dibedakan menjadi nilai kalor atas dan nili kalor bawah.
HHV = 33950 + 144200 (H2- ) + 9400 S ... (2.1)
Dimana: HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
C = Persentase karbon dalam bahan bakar H2 = Persentase hidrogen dalam bahan bakar O2 = Persentase oksigen dalam bahan bakar S = Persentase sulfur dalam bahan bakar
Nilai kalor bawah (low Heating Value, LHV), merupakan nilai kalor bahan bakar tanpa panas laten yang berasal dari pengembunan uap air. Umumnya kandungan hidrogen dalam bahan bakar cair berkisar 15 % yang berarti setiap satu satuan bahan bakar, 0,15 bagian merupakan hidrogen. Pada proses pembakaran sempurna, air yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar adalah setengah dari jumlah mol hidrogennya.
Selain berasal dari pembakaran hidrogen, uap air yang terbentuk pada proses pembakaran dapat pula berasal dari kandungan air yang memang sudah ada didalam bahan bakar (moisture). Panas laten pengkondensasian uap air pada tekanan parsial 20 kN/m2 (tekanan yang umum timbul pada gas buang) adalah sebesar 2400 kJ/kg, sehingga besarnya nilai kalor bawah (LHV) dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut :
LHV = HHV – 2400 (M + 9 H2) ... (2.2) Dimana: LHV = Nilai Kalor Bawah (kJ/kg)
M = Persentase kandungan air dalam bahan bakar (moisture)
b. Daya Poros
Daya mesin adalah besarnya kerja mesin selama waktu tertentu. Pada motor bakar daya yang berguna adalah daya poros, dikarenakan poros tersebut menggerakan beban. Daya poros dibangkitkan oleh daya indikator , yang merupakan daya gas pembakaran yang menggerakan torak selanjutnya menggerakan semua mekanisme, sebagian daya indikator dibutuhkan untuk mengatasi gesekan mekanik, seperti pada torak dan dinding silinder dan gesekan antara poros dan bantalan. Prestasi motor bakar pertama-tama tergantung dari daya yang dapat ditimbulkannya. Semakin tinggi frekuensi putar motor makin tinggi daya yang diberikan hal ini disebabkan oleh semakin besarnya frekuensi semakin banyak langkah kerja yang dialami pada waktu yang sama. Dengan demikian besar daya poros itu adalah :
... (2.3)
Dimana : PB = daya ( W ) T = torsi ( Nm )
n = putaran mesin ( Rpm ) c. Torsi
Torsi adalah perkalian antara gaya dengan jarak. Selama proses usaha maka tekanan-tekanan yang terjadi di dalam silinder motor menimbulkan suatu gaya yang luar biasa kuatnya pada torak. Gaya tersebut dipindahkan kepada pena engkol melalui batang torak , dan mengakibatkan adanya momen putar atau torsi pada poros engkol. Untuk mengetahui besarnya torsi digunakan alat dynamometer.
Biasanya motor pembakaran ini dihubungkan dengan dynamometer dengan maksud mendapatkan keluaran dari motor pembakaran dengan cara menghubungkan poros motor pembakaran dengan poros dynamometer dengan menggunakan kopling elastik.
PB = ... (2.4)
T = ... (2.5)
Dimana :
PB = Daya ( W ) T = Torsi ( Nm )
N = Putaran mesin ( rpm )
d. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)
Konsumsi bahan bakar spesifik merupakan salah satu parameter prestasi yang penting di dalam suatu motor bakar. Parameter ini biasa dipakai sebagai ukuran ekonomi pemakaian bahan bakar yang terpakai per jam untuk setiap daya kuda yang dihasilkan.
SFC = ... (2.6)
... (2.7)
Dengan :
SFC = konsumsi bahan bakar spesifik (kg/kw.h) PB = daya (W)
= konsumsi bahan bakar sgf = spesifik grafity t = waktu (jam)
e. Efisiensi Thermal
dapat dihasilkan dari pembakaran sejumlah bahan bakar. Efisiensi ini disebut juga sebagai efisiensi termal brake (thermal efficiency, ηb).
Jika daya keluaran PB dalam satuan KW, laju aliran bahan bakar mf dalam satuan kg/jam, maka:
ηb = 3600 ... (2.8)
f.Rasio Udara - Bahan Bakar (AFR)
Energi yang masuk kedalam sebuah mesin berasal dari pembakaran bahan bakar hidrokarbon. Udara digunakan untuk menyuplai oksigen yang dibutuhkan untuk mendapatkan reaksi kimia didalam ruang bakar. Agar terjadinya reaksi pembakaran, jumlah oksigen dan bahan bakar harus tepat. Yang dirumuskan sebagai berikut:
... .(2.9)
...(2.10)
Dimana: massa udara di dalam silinder per siklus massa bahan bakar di dalam silinder per siklus laju aliran udara didalam mesin
laju aliran bahan bakar di dalam mesin tekanan udara masuk silinder
temperatur udara masuk silinder konstanta udara
volume langkah (displacement) volume sisa
g. Brake mean Effective Preasure (bmep)
Brake mean effective preasure (bmep) adalah tekanan rata rata ruang bakar untuk setiap satu kali siklus pembakaran. Untuk mesin 4 tak dengan 2 kali putaran mesin setiap satu siklus pembakaran, nilai tekanan efektif rata-rata dapat dicari dengan menggunakan rumus:
4 T = (bmep) Vd ... (2.11)
Dimana : = Daya keluaran (Watt)
N = Putaran mesin (rpm)
T = Torsi (N.m)
bmep = Tekanan efektif rata-rata (kPa)
Vd = Volume ruang bakar (m3)
2.5 Generator
Generator atau alternator merupakan kumparan atau gulungan tembaga yang terdiri dari stator (kumparan statis ) dan rotor (kumparan berputar). Generator akan dikopel pengan mesin penngerak yang selanjutnya akan menghasilka daya.
Dalam ilmu fisika yang sederhana dapat dijelaskan bahwa mesin memutar rotor pada generator sehingga timbul medan magnet pada kumparan stator generator, medan magnit yang timbul pada stator dan berinteraksi dengan rotor yang berputar akan menghasilkan arus listrik sesuai hukum Lorentz.
Gambar 2.9 Generator
Arus listrik yang dihasilkan oleh generator akan memiliki perbedaan tegangan di antara kedua kutub generatornya sehingga apabila dihubungkan dengan beban akan menghasilkan daya listrik, atau dalam rumusan fisika sebagai P dapat diperoleh dengan:
P = V x I ... .(2.13)
V= Tegangan (Volt)
I = Arus ( Ampere)
Dalam aplikasi dijumpai bahwa generator terdiri dari genset 1 phasa atau 3 phasa. Pengertian 1 phasa atau 3 phasa adalah merujuk pada kapasitas tegangan yang dihasilkan oleh genset tersebut. Tegangan 1 phasa artinya tegangan yang dibentuk dari kutub L yang mengandung arus dengan kutub N yang tidak berarus, atau berarus No.l atau sering dikenal sebagai Arde atau Ground. Sedangkan tegangan 3 phase dibentuk dari dua kutub yang bertegangan. Genset tiga phase menghasilkan tiga kali kapasitas genset 1 phase. Pada sistem kelistrikan PLN, kapasitas 3 phase yang dihasilkan untuk aplikasi rumah tangga adalah 380 Volt, sedangkan kapasitas 1 phase adalah 220 Volt.
Daya listrik dalam ilmu fisika merupakan besaran vektor, artinya besaran yang memiliki besar dan arah, tegangan dan arus yang dihasilkan merupakan gelombang sinusoidal dengan frekuensi tertentu. Di Indonesia, frekuensi tegangan dan arus ditetapkan sebesar 50 Hz, dimana hal ini mengikuti standar frekuensi di Belanda atau negara-negara Eropa, sedangkan di negara Amerika Serikat dan Kanada menggunakan frekuensi 60 Hz.
2.6 Emisi Gas Buang
Emisi gas buang adalah sisa hasil pembakaran bahan bakar di dalam mesin pembakaran dalam, mesin pembakaran luar, mesin jet yang dikeluarkan melalui sistem pembuangan mesin.
Untuk mesin Diesel emisi gas buang yang dilihat adalah opasitas (ketebalan asap), kandungan HC dan CO. Adapun Standart emisi gas buang berdasarkan peraturan menteri negara lingkungan hidup nomor 05 tahun 2006 tentang ambang
Gambar 2.10 standar Uji Emisi Gas Buang
Sumber : Peraturan Menteri Negara Lingkungan Hidup Nomor 05 Tahun 2006 Tentang Ambang Batas Emisi Gas Buang
2.6.1. Sumber
2.6.2 Komposisi Kimia
Polutan dibedakan menjadi organik dan inorganik. Polutan organik mengandung karbon dan hidrogen, juga beberapa elemen seperti oksigen, nitrogen, sulfur atau fosfor, contohnya : hidrokarbon, keton, alkohol, ester dan lain-lain. Polutan inorganik seperti : karbon monoksida (CO), karbonat, nitrogen oksida, ozon dan lainnya.
2.6.3. Bahan Penyusun
Polutan dibedakan menjadi partikulat atau gas. Partikulat dibagi menjadi padatan dan cairan seperti : debu, asap, abu, kabut dan spray, partikulat dapat bertahan di atmosfer. Sedangkan polutan berupa gas tidak bertahan di atmosfer dan bercampur dengan udara bebas.
a.) Partikulat
Polutan partikulat yang berasal dari kendaraan bermotor umumnya merupakan fasa padat yang terdispersi dalam udara dan membentuk asap. Fasa padatan tersebut berasal dari pembakaran tak sempurna bahan bakar dengan udara, sehingga terjadi tingkat ketebalan asap yang tinggi. Selain itu partikulat juga mengandung timbal yang merupakan bahan aditif untuk meningkatkan kinerja pembakaran bahan bakar pada mesin kendaraan.
b.) Unburned Hidrocarbon (UHC)
Hidrokarbon yang tidak terbakar dapat terbentuk tidak hanya karena campuran udara bahan bakar yang gemuk, tetapi bisa saja pada campuran kurus bila suhu pembakarannya rendah dan lambat serta bagian dari dinding ruang pembakarannya yang dingin dan agak besar. Motor memancarkan banyak hidrokarbon kalau baru saja dihidupkan atau berputar bebas (idle) atau waktu pemanasan.
Pemanasan dari udara yang masuk dengan menggunakan gas buang meningkatkan penguapan dari bahan bakar dan mencegah pemancaran hidrokarbon. Jumlah hidrokarbon tertentu selalu ada dalam penguapan bahan bakar, di tangki bahan bakar dan dari kebocoran gas yang melalui celah antara silinder dari torak masuk kedalam poros engkol, yang disebut dengan blow by gasses (gas lalu).Pembakaran tak sempurna pada kendaraan juga menghasilkan gas buang yang mengandung hidrokarbon. Hal ini pada motor diesel terutama disebabkan oleh campuran lokal udara bahan bakar tidak dapat mencapai batas mampu bakar.
c.) Karbon 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 senyawa yang tidak berbau, tidak berasa dan pada suhu udara normal berbentuk gas yang tidak berwarna. Gas ini akan dihasilkan bila karbon yang terdapat dalam bahan bakar (kira–kira 85 % dari berat dan sisanya hidrogen) terbakar tidak sempurna karena kekurangan oksigen. Hal ini terjadi bila campuran udara bahan bakar lebih gemuk dari pada campuran stoikiometris, dan terjadi selama idling pada beban rendah atau pada output maksimum. Karbon monoksida tidak dapat dihilangkan jika campuran udara bahan bakar gemuk. Bila campuran kurus karbon monoksida tidak terbentuk.
d.) Oksigen (O2)
mengakibatkan terjadinya pembakaran bahan bakar. Nitrogen monoksida (NO) merupakan gas yang tidak berwarna dan tidak berbau sebaliknya nitrogen dioksida (NO2) berwarna coklat kemerahan dan berbau tajam. NO merupakan gas yang berbahaya karena mengganggu saraf pusat. NO terjadi karena adanya reaksi antara N2 dan O2 pada temperature tinggi di atas 1210oC. Persamaan reaksinya adalah sebagai berikut:
O2 2O
N2+O NO+N
N+O2 NO+O
2. 7 Proses Pembakaran dan Bahan Bakar
Proses pembakaran adalah suatu reaksi kimia cepat antara bahan bakar (hidrokarbon) dengan oksigen dari udara. Proses pembakaran ini tidak terjadi sekaligus tetapi memerlukan waktu dan terjadi dalam beberapa tahap.
Gambar 2. 11 Grafik tekanan versus sudut engkol
Sesudah melampaui periode persiapan pembakaran, bahan bakar akan terbakar dengan cepat, hal tersebut dapat dilihat pada grafik sebagai garis lurus yang menanjak, karena proses pembakaran tersebut terjadi dalam suatu proses pengecilan volume (selama itu torak masih bergerak menuju TMA). Sampai torak bergerak kembali beberapa derajat sudut engkol sesudah TMA, tekanannya masih bertambah besar tetapi laju kenaikan tekanannya berkurang. Hal ini disebabkan karena kenaikan tekanan yang seharusnya terjadi dikompensasi oleh bertambah besarnya volume ruang bakar sebagai akibat bergeraknya torak dari TMA ke TMB.
Periode pembakaran. Ketika terjadi kenaikan tekanan yang berlangsung dengan cepat (garis tekanan yang curam dan lurus, garis BC pada grafik) dinamai periode pembakaran cepat (2). Periode pembakaran ketika masih terjadi kenaikan tekanan sampai melewati tekanan yang maksimum dalam tahap berikutnya (garis CD), dinamai periode pembakaran terkendali (3). Dalam hal terakhir ini jumlah bahan bakar yang masuk ke dalam silinder sudah mulai berkurang, bahkan mungkin sudah dihentikan. Selanjutnya dalam periode pembakaran lanjutan (4) terjadi proses penyempurnaan pembakaran dan pembakaran dari bahan bakar yang belum sempat terbakar. Laju kenaikan tekanan yang terlalu tinggi tidaklah dikehendaki karena dapat menyebabkan beberapa kerusakan. Maka haruslah diusahakan agar periode persiapan pembakaran terjadi sesingkat-singkatnya sehingga belum terlalu banyak bahan bakar yang siap untuk terbakar selama waktu persiapan pembakaran. Karena itu segenap usaha haruslah ditujukan untuk mempersingkat periode persiapan pembakaran, antara lain dengan cara sebagai berikut :
1. Menggunakan perbandingan kompresi yang tinggi 2. Memperbesar tekanan dan temperatur udara masuk
3. Memperbesar volume silinder sedemikian rupa sehingga dapat diperoleh perbandingan luas dinding terhadap volume yang sekecil-kecilnya untuk mengurangi kerugian panas
5. Menggunakan jenis bahan bakar yang sebaik-baiknya
6. Mengusahakan adanya gerakan udara yang turbulen untuk menyempurnakan proses pencampuran bahan bakar udara
7. Menggunakan jumlah udara untuk memperbesar kemungkinan bertemunya bahan bakar dengan oksigen dari udara.
Hal tersebut terakhir merupakan persyaratan mutlak bagi motor Diesel karena proses pencampuran bahan bakar-udara hanya terjadi dalam waktu yang singkat. Jadi, bahan bakar yang sebaiknya digunakan pada motor Diesel adalah jenis bahan bakar yang dapat segera terbakar (sendiri), yaitu yang dapat memberikan periode persiapan pembakaran yang pendek. Sebagai bahan bakar standar dipergunakan bahan bakar hidrokarbon rantai lurus, yaitu hexadecane atau cetane (C16H34) dan alpha-methylnaphtalene.
Gambar 2.12 C16H34 (hidrokarbon rantai lurus)
C16H34 adalah bahan bakar dengan periode persiapan pembakaran yang pendek, kepadanya diberikan angka 100 (bilangan setana = 100). Sedangkan alpha-methylnaphtalene mempunyai periode pembakaran yang panjang, jadi tidak baik dipergunakan sebagai bahan bakar motor Diesel, kepadanya diberikan angka 0 (bilangan setana = 0).
Bahan bakar dengan bilangan setana yang lebih tinggi menunjukkan kualitas bahan bakar yang lebih baik untuk motor diesel. Bahan bakar motor Diesel komersial yang diperdagangkan mempunyai bilangan setana antara 35-55. Pada umumnya boleh dikatakan bahan bakar hidrokarbon dengan struktur atom rantai lurus mempunyai bilangan setana lebih tinggi daripada bahan bakar dengan struktur atom yang rumit. Motor Diesel kecepatan tinggi sebaiknya menggunakan bahan bakar dengan bilangan setana yang tinggi.
