Download motor bakar empat silinder and more Study notes Machine Learning in PDF only on Docsity!
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Motor Bakar Motor bakar adalah mesin kalor atau mesin konversi energi yang mengubah energi kimia bahan bakar menjadi energi mekanik berupa kerja.Ditinjau dari cara memperoleh energi thermalnya, maka motor bakar dapat dibagi menjadi 2 golongan yaitu motor pembakaran luar dan pembakaran dalam. Motor pembakaran dalam ( Internal Combustion Engine ) ialah motor bakar yang pembakarannya terjadi di dalam pesawat itu sendiri [1] Motor bakar dapat juga disebut sebagai motor otto. Motor tersebut dilengkapi dengan busi dan karburator. Busi menghasilkan loncatan bunga api listrik yang membakar campuran bahan bakar dan udara karena motor ini cenderung disebut spark ignition engine. Pembakaran bahan bakar dengan udara ini menghasilkan daya. Di dalam siklus otto (siklus ideal) pembakaran tersebut dimisalkan sebagai pemasukan panas pada volume konstanta. Ntienne Lenoir yang lahir pada tahun 1822 dan meniggal dunia pada tahun 1900 adalah seorang berkebangsaan Perancis yang pertama kali menemukan motor bakar 2 tak. Sedangkan August Otto yang hidup antara 1832 sampai 1891 adalah seorang berkebangsaan Jerman yang membuat cikal bakal ramainya industri Mobil sipenemu mesin 4 tak. Pada tahun 1860, Otto mendengar kabar ada ilmuwan jenius yang bernama Leonir, yang mampu membuat mesin pembakar dengan dua dorongan putaran alias 2 tak. Sayangnya mesin 2 tak ini memakai bahan bakar gas. Otto menilai ini kurang praktis. Otto kemudian menciptakan karburator, sayangnya ditolak lembaga paten, karena ada yang mendahului. Namun ia menyempurnakan mesin 2 tak dengan 4 dorongan alias 4 langkah. Hasil ini dipatekan di Jerman pada tahun 1863. Mendapat formula jitu. Lalu ia membuat mesin yang dibiayai oleh Eugene Langen. Konstruksi buatannya mendapatkan medali World Fair di Paris 1867.
2.1.1 Prinsip Kerja Motor Bakar 4 Langkah
Yang dimaksud dengan motor bakar 4 (empat) langkah adalah bila 1 (satu) kali proses pembakaran terjadi pada setiap 4 (empat) langkah gerakan piston atau 2 (dua) kali putaran poros engkol. Pada dasarnya prinsip kerja pada motor bakar terdiri dari 5 hal yaitu:
- Pengisian campuran udara dan bahan bakar
- Pemampatan/pengkompresian campuran udara dan bahan bakar
- Pembakaran campuran udara dan bahan bakar
- Pengembangan gas hasil pembakaran
- Pembuangan gas bekas Siklus ideal volume kostan ini adalah siklus untuk mesin otto. Siklus volume konstan sering disebut dengan siklus ledakan (explostion cycle) karena secara teoritis proses pembakaran terjadi sangat cepat dan menyebabkan peningkatan tekanan yang tiba-tiba.Penyalaan untuk proses pembakaran dibantu dengan loncatan bunga api. Nikolaus August Otto menggunakan siklus ini untuk membuat mesin sehingga siklus ini sering disebut dengan siklus otto.
Gambar 2.1 Diagram P-v siklus otto [5]
bergerak dari TMA ke TMB. Kedua katup masih dalam keadaan tertutup rapat sehingga seluruh tenaga panas mendorong piston untuk bergerak.
d. Langkah Buang Piston bergerak dari TMB ke TMA. Dalam langkah ini, gas yang terbakar dibuang dari dalam silinder. Katup buang terbuka, piston bergerak dari TMB ke TMA mendorong gas bekas pembakaran ke luar dari silinder.Ketika torak mencapai TMA, akan mulai bergerak lagi untuk persiapan berikutnya, yaitu langkah isap
Gambar 2.3 Prinsip kerja motor 4 (empat) langkah [17]
2.1.2 Parameter Prestasi Motor Bakar 4 Langkah Secara praktis prestasi mesin ditunjukan oleh torsi dan daya. Parameter inirelatif penting untuk mesin dengan variasi kecepatan operasi dan tingkat pembebanan. Daya poros maksimum menggambarkan sebagai kemampuanmaksimum mesin. Torsi poros maksimum pada kecepatan tertentumengindikasikan kemampuan untuk rnemperoleh aliran udara (atau campuranudara dengan bahan bakar) yang tinggi yang masuk ke dalam mesin padakecepatan tersebut. Sewaktu mesin dioperasikan pada waktu yang lama konsumsi bahan bakar dan efisiensi mesin menjadi sangat penting. Daya berbanding lurus dengan luas piston sedang torsi berbanding lurus dengan volume langkah. Parameter tersebut relatif penting digunakan pada mesin yang berkemampuan kerja dengan variasi kecepatan operasi dan tingkat pembebanan. Daya maksimum didefinisikan sebagai kemampuan
maksimum yang bisa dihasilkan oleh suatu mesin. Adapun torsi poros pada kecepatan tertentu mengindikasikan kemampuan untuk memperoleh aliran udara (dan juga bahan bakar) yang tinggi kedalam mesin pada kecepatan tersebut. Parameter prestasi mesin dapat dilihat dari berbagai hal diantara yang terdapat dalam gambar 2.4 berikut :
Gambar 2.4 Diagram Alir Prestasi Mesin [1]
2.1.3 Performansi Mesin Otto Ada beberapa hal yang mempengaruhi performansi motor bakar, antara lain besarnya perbandingan kompresi, tingkat homogenitas campuran bahan bakar dengan udara, angka oktan bensin sebagai bahan bakar, tekanan udara masuk ruang bakar. Semakin besar perbandingan udara motor akan semakin efisien, akan tetapi semakin besar perbandingan kompresi akan menimbulkan knocking pada motor yang berpotensi menurunkan daya motor, bahkan bias menimbulkan kerusakan serius pada komponen motor. Untuk mengatasi hal ini maka harus dipergunakan bahan bakar yang memiliki angka oktan tinggi. Angka oktan pada bahan bakar motor Otto menunjukkan kemampuannya menghindari terbakarnya campuran udara bahan bakar sebelum waktunya ( self ignition ) yang menimbulkan knocking tadi.Untuk memperbaiki kualitas campuran bahan bakar dengan udara maka
Pada motor bakar, daya dihasilkan dari proses pembakaran didalam silinder dan biasanya disebut dengan daya indiaktor. Daya tersebut dikenakan pada torak yang bekerja bolak balik didalam silinder mesin. Jadi didalam silinder mesin, terjadi perubahan energi dari energi kimia bahan bakar dengan proses pembakaran menjadi energi mekanik pada torak. Daya indikator adalah merupakan sumber tenaga persatuan waktu operasi mesin untuk mengatasi semua beban mesin. Mesin selama bekerja mempunyai komponen-komponen yang saling berkaitan satu dengan lainnya membentuk kesatuan yang kompak
3****. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (specific fuel consumption, sfc) Konsumsi bahan bakar spesifik adalah parameter unjuk kerja mesin yang berhubungan langsung dengan nilai ekonomis sebuah mesin, karena dengan mengetahui hal ini dapat dihitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu. Bila daya rem dalam satuan kW dan laju aliran massa bahan bakar dalam satuan kg/jam, maka :
SFC = ..............................................................(2.4)[Lit. 11 hal. 56]
ṁf = x 3600........................................(2.5)[Lit. 11 hal. 56]
Dengan : SFC = konsumsi bahan bakar spesifik (kg/kw.h) P (^) B = daya (W) = konsumsi bahan bakar
sgf = spesifik grafity t = waktu (jam)
4. Effisiensi Thermal Brake Daya aktual yang dihasilkan oleh mesin selalu lebih kecil daripada energi yang seharusnya dihasilkan. Hal ini terjadi dikarenakan oleh adanya rugi-rugi mekanis (mechanical losses). Semakin tinggi daya aktual yang
dihasilkan oleh mesin, maka efisiensi pun akan semakin tinggi. Efisiensi inilah yang sering disebut dengan efisiensi thermal brake (brake thermal efficiency 𝜂𝜂𝑏𝑏).
ηb = x 3600.........................................................(2.6) [Lit. 3 hal. 59]
2.1.4 Teori Pembakaran Pembakaran merupakan proses reaksi kimia, yaitu elemen tertentu dari bahan bakar setelah dinyalakan dan digabung dengan oksigen akan menimbulkan panas sehingga menaikkan suhu dan tekanan. Elemen yang dapat terbakar atau (combustable) yang utama adalah karbon (C) dan hidrogen (H), elemen yang lain namun umumnya hanya sedikit terkandung dalam bahan bakar adalah sulfur (S). Oksigen yang diperlukan untuk pembakaran diperoleh dari udara bebas yang merupakan campuran dari oksigen dan nitrogen. Nitrogen atau zat lemas adalah unsur kimia yang biasanya ditemukan sebagai gas tanpa warna, tanpa bau, tanpa rasa dan merupakan gas diatomic bukan logam yang stabil, sangat sulit bereaksi dengan unsure atau senyawa lainnya. Dinamakan zat lemas karena zat ini bersifat malas, tidak aktif bereaksi dengan unsure lainnya dan tidak berpartisipasi dalam pembakaran. Selama proses pembakaran, butiran minyak bahan bakar dipisahkan menjadi elemen komponennya yaitu hydrogen dan karbon dan masing-masing bergabung dengan oksigen dari udara secara terpisah. Hidrogen bergabung dengan oksigen untuk membentuk air dan karbon bergabung dengan oksigen menjadi karbondioksida. Jika oksigen yang tersedia tidak cukup, maka sebagian dari karbon akan bergabung dengan oksigen dalam bentuk karbon monoksida. Pembentukan karbon monoksida hanya menghasilkan 30 % panas dibandingkan panas yang timbul oleh pembentukan karbondioksida.
2.1.5 Nilai Kalor Bahan Bakar
AFR = ..........................................................(2.9)[Lit. 11 hal. 56]
ma = ...........................................................(2.10)[Lit. 11 hal. 56]
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
2.2 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 2.5 ).
Gambar 2.5 Penyulingan Minyak [1]
2.2.1 Bahan Bakar Bensin Bensin merupakan bahan bakar yang digunakan pada mesin otto 2 langkah dan 4 langkah. Bensin (premium, super) merupakan bahan bakar cair yang digunakan oleh kebanyakan motor-motor bensin. Bensin adalah bahan bakar cair yang mudah menguap, pada suhu 60 derajat celcius kurang lebih 35-60% sudah menguap dan akan menguap 100% kira-kira pada suhu diatas 100 derajat celcius. Premium adalah bahan bakar minyak jenis distilat berwarna kekuningan yang jernih dan mempunyai nilai oktan 88. Bensin premium mempuyai sifat anti ketukan yang baik dan dapat dipakai pada mesin dengan batas kompresi hingga 9,0 : 1 pada semua jenis kondisi, namun tidak baik jika digunakan pada motor bensin dengan kompresi tinggi karena dapat menyebabkan knocking. Bensin premium produk Pertamina memiliki kandungan maksimum sulfur (S) 0,05%, timbal (Pb) 0,013% (jenis tanpa timbal) dan Pb 0,3% (jenis dengan timbal), oksigen (O) 2,72%, pewarna 0,13 gr/100 l, tekanan uap 62 kPa, titik didih 215 ºC, serta massa jenis (suhu 15ºC). [23]
2.3 Bahan Bakar Gas
Pasteour menjadi landasan untuk penelitian biogas hingga saat ini. Alat pencerna anaerobik pertama dibangun pada tahun 1900 [24]
2.3.2 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 (CH 4 ) dan karbon dioksida (CO 2 ). Biogas dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar alternatif yang berasal dari sumber energi terbarukan.. 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 [12]
2.3.3 Karakteristik Bahan Bakar Biogas Kandungan komposisi biogas dapat berbeda-beda tergantung dari bahan pembuatnya. Kandungan utama dari biogas adalah gas metana (CH 4 ) dan karbon dioksida (CO 2 ) kandungan gas lainnya ialah karbon monoksida (CO), nitrogen (N), hidrogen sulfide (H 2 S), oksigen (O 2 ), hidrogen (H 2 ), dan ammonia (NH 3 ). Sifat fisik dan kimiawi biogas dipengaruhi oleh bahan baku pembuat biogas tersebut dan nilainya berbeda-beda akan tetapi tidak terlalu jauh. Secara umum komposisi kandungan biogas ditunjukan pada table 2.1. Tabel 2.1 Komposisi kandungan biogas
Sumber : Biogas Composistion and qualities [13]
Biogas memiliki beberapa sifat fisik secara umum yaitu : Tabel 2.2 Sifat fisik biogas [21] Sifat Fisik Keterangan Titik Bakar 650-750 0 C Specific Gravity 0, Desnsitas 1,2 kg/m 3 RON 130 Nilai Kalor 17 - 30 MJ/kg Laju Nyala 0,25 m/s
Adapun sifat kimiawi dari biogas secara umum adalah :
- Biogas mudah terbakar bila bercampur dengan oksigen flash point -188 0 C.
58 27,8 33,50 0,07760 12,890 559 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 Sumber : David Ludington, 2006
2.3.5 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.
Gambar 2.6 Proses pemurnian biogas [15]
2.3.6 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- 55 oC, dimana pada suhu tersebut mikro organisme mampu merombak bahan bahan organik secara optimal.
Berikut ini skema proses pembuatan biogas pada gambar 2. 7.
Gambar 2.7 Proses pembuatan biogas sederhana [12]
Proses pembuatan biogas dalam perkembangan saat ini dibagi menjadi 3 jenis yaitu :
- Fixed Dome Plant
- Emisi gas buang yang rendah.
- Menghasilkan pupuk organic yang berkulitas tinggi.
- Memerlukan biaya instalasi yang cukup besar.
- Belum dapat dikemas dalam bentuk cair dalam tabung.
- Belum dikenal masyarakat luas.
2.4 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 pembuanganmesin 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 batas emisi gas buang.
2.4.1. Sumber Polutan dibedakan menjadi polutan primer atau sekunder.Polutan primer seperti nitrogen oksida (NOx) dan hidrokarbon (HC) langsung dibuangkan ke udara bebas dan mempertahankan bentuknya seperti pada saat pembuangan. Polutan sekunder seperti ozon (O 3 ) dan peroksiasetil nitrat (PAN) adalah polutan yang terbentuk di atmosfer melalui reaksi fotokimia, hidrolisis atau oksidasi.
2.4.2 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.
2.4.3. 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. Apabila butir-butir bahan bakar yang terjadi pada penyemprotan kedalam silinder motor terlalu besar atau apabila butir–butir berkumpul menjadi satu, maka akan terjadi dekomposisi yang menyebabkan terbentuknya karbon–karbon padat atau angus. Hal ini disebabkan karena pemanasan udara yang bertemperatur tinggi, tetapi penguapan dan pencampuran bahan bakar dengan udara yang ada di dalam silinder tidak dapat berlangsung sempurna, terutama pada saat– saat dimana terlalu banyak bahan bakar disemprotkan yaitu pada waktu daya motor akan diperbesar, misalnya untuk akselerasi, maka terjadinya angus itu tidak dapat dihindarkan. Jika angus yang terjadi itu terlalu banyak, maka gas buang yang keluar dari gas buang motor akan bewarna hitam.
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.
