BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Motor Bensin Motor bensin yang mengerakkan mobil penumpang, truk, sepeda motor, skuter, dan jenis kendaraan lain saat ini merupakan perkembangan dan perbaikan mesin yang sejak semula dikenal dengan motor Otto. Motor bensin dilengkapi dengan busi dan karburator. Busi berfungsi sebagai penghasil loncatan api yang akan menyalakan campuran udara dengan bahan bakar. Sedangkan karburator merupakan tempat pencampuran udara dan bahan bakar. Pada motor bensin, campuran udara dan bahan bakar yang dihisap ke dalam silinder dimampatkan dengan torak kemudian dibakar untuk memperoleh tenaga panas. Gas-gas yang terbakar akan meningkatkan suhu dan tekanan di dalam silinder, sehingga torak yang berada di dalam silinder akan bergerak turun-naik (bertranslasi) akibat menerima tekanan yang tinggi Cara Kerja Motor Bensin Empat Langkah Motor bensin dapat dibedakan atas 2 jenis yaitu motor bensin 2-langkah dan motor bensin 4-langkah. Pada motor bensin 2-langkah, siklus terjadi dalam dua gerakan torak atau dalam satu putaran poros engkol. Sedangkan motor bensin 4- langkah, pada satu siklus tejadi dalam 4-langkah. Langkah langkah yang terjadi pada motor bensin 4 langkah dapat dilihat pada gambar 2.1 dibawah ini : Gambar 2.1. Diagram P-V Siklus Otto Ideal

2 Proses yang terjadi pada siklus otto adalah sebagai berikut: Proses 0-1 : langkah isap Proses 1-2 : kompresi isentropic Proses 2-3 : proses pembakaran volume konstan dianggap sebagai proses pemasukan kalor Proses 3-4 : proses isentropik udara panas dengan tekanan tinggi mendorong piston turun menuju TMB Proses 4-1 : proses pelepasan kalor pada volume konstan piston Proses 1-0 : langkah buang pada tekanan konstan Langkah kerja yang terjadi pada motor bensin 4 langkah adalah : 1. Langkah isap Dalam langkah ini, campuran bahan bakar dan bensin di hisap ke dalam silinder. Katup hisap membuka sedangkan katup buang tertutup. Waktu torak bergerak dari titik mati atas (TMA) ke titik mati bawah (TMB), menyebabkan ruang silinder menjadi vakum dan menyebabkan masuknya campuran udara dan bahan bakar ke dalam silinder yang disebabkan adanya tekanan udara luar. 2. Langkah Kompresi Dalam langkah ini, campuran udara dan bahan bakar dikompresikan. Katup hisap dan katup buang tertutup. Waktu torak naik dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA), campuran yang dihisap tadi dikompresikan. Akibatnya tekanan dan temperaturnya akan naik, sehingga akan mudah terbakar. Saat inilah percikan api dari busi terjadi. Poros engkol berputar satu kali ketika torak mencapai titk mati atas (TMA). 3. Langkah Kerja Dalam langkah ini, mesin menghasilkan tenaga untuk menggerakkan kendaraan. Saat torak mencapai titik mati atas (TMA) pada saat langkah kompresi, busi memberikan loncatan bunga api pada campuran yang telah dikompresikan. Dengan adanya pembakaran, kekuatan dari tekanan gas pembakaran yang tinggi mendorong torak ke bawah. Usaha ini yang menjadi tenaga mesin.

3 4. Langkah Pembuangan Dalam langkah ini, gas yang sudah terbakar, akan dibuang ke luar silinder. Katup buang membuka sedangkan katup hisap tertutup.waktu torak bergerak dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA), mendorong gas bekas keluar dari silinder. Pada saat akhir langkah buang dan awal langkah hisap kedua katup akan membuka sedikit (valve overlap) yang berfungsi sebagai langkah pembilasan (campuran udara dan bahan bakar baru mendorong gas sisa hasil pembakaran). Ketika torak mencapai TMA, akan mulai bergerak lagi untuk persiapan langkah berikutnya, yaitu langkah hisap. Poros engkol telah melakukan 2 putaran penuh dalam satu siklus yang terdiri dari empat langkah yaitu, 1 langkah hisap, 1 langkah kompresi, 1 langkah usaha, 1 langkah buang yang merupakan dasar kerja dari pada mesin empat langkah. Pada motor bensin 4-langkah, poros engkol berputar sebanyak dua putaran penuh dalam satu siklus dan telah menghasilkan satu tenaga. Cara kerja motor bensin 4 langkah ini dapat dilihat pada gambar 2.2 berikut: Gambar 2.2 Cara kerja motor bensin 4 langkah Performansi Motor Bakar Ada beberapa hal yang mempengaruhi performansi mesin otto, 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

4 tetapi semakin besar perbandingan kompresi akan menimbulkan knocking pada motor yang berpotensi menurunkan daya motor, bahkan bisa 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 aliran udara dibuat turbulen, sehingga diharapkan tingkat homogenitas campuran akan lebih baik. Parameter mesin diukur untuk menentukan karakteristik pengoperasian pada motor bakar. Parameter dan performansi mesin dapat dilihat dari rumusrumus dibawah ini. (Pulkrabek,2004 dan Heywood,1998) Torsi dan Daya Torsi yang dihasilkan suatu mesin dapat diukur dengan menggunakan dynamometer yang dikopel dengan poros output mesin. Oleh karena sifat dynamometer yang bertindak seolah-olah seperti sebuah rem dalam sebuah mesin, maka daya yang dihasilkan poros output ini sering disebut sebagai daya rem (Brake Power). PP BB = 2 ππ nn TT...(2.1)[lit 7 hal 46] 60 Dimana : PP BB = Daya keluaran (Watt) N T = putaran mesin (rpm) = Torsi (N.m) 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 :

5 SSSSSS = ṁff 103 PP BB...(2.2) [lit 7 hal 51] Dimana : Sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (g/kw.h). mm f = laju aliran bahan bakar (kg/jam) Besarnya laju aliran massa bahan bakar (mm f) dihitung dengan persamaan berikut : ṁff = ssssssssssssss 10 3 Dimana : sgf = spesific gravity VV ff tt ff tttt (2.3) [lit 7 hal 51] = volume bahan bakar yang diuji = waktu untuk menghabiskan bahan bakar (detik) Effisiensi Thermal Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang dibangkitkan piston karena sejumlah energi hilang akibat adanya rugi rugi mekanis (mechanical losses). Dengan alasan ekonomis perlu dicari kerja maksimum yang dapat dihasilkan dari pembakaran sejumlah bahan bakar. Efisiensi ini sering disebut sebagai efisiensi termal brake (brake thermal efficiency, ηη bb ) ηη bb = DDDDDDDD kkkkkkkkkkkkkkkk aaaaaaaaaaaa LLLLLLLL pppppppppp yyyyyyyy mmmmmmmmmm...(2.4) [lit 7 hal 47] Laju panas yang masuk Q, dapat dihitung dengan rumus berikut : QQ = ṁff LLLLLL...(2.5) [lit 8 hal 59] Dimana, LHV = nilai kalor bahan bakar (kj/kg) Jika daya keluaran (PP BB ) dalam satuan kw, laju aliran bahan bakar mm ff dalam satuan kg/jam, maka: ηη bb = PP BB mm ff.llllll (2.6) [lit 7 hal 52] Rasio Udara - Bahan Bakar (AFR) Energi yang masuk kedalam sebuah mesin QQ iiii berasal dari pembakaran bahan bakar hidrokarbon. Udara digunakan untuk menyuplai oksigen yang dibutuhkan untuk mendapatkan reaksi kimia didalam ruang bakar. Agar terjadinya

6 reaksi pembakaran, jumlah oksigen dan bahan bakar harus tepat. Yang dirumuskan sebagai berikut: AAAAAA = mm aa mm ff = ṁ aa ṁ ff...(2.7) [lit 7 hal 53] mm aa = PP ii (VV dd +VV cc ) RR.TT ii...(2.8) [lit 7 hal 53] Dimana: mm aa = massa udara di dalam silinder per siklus mm ff ṁ aa ṁ ff PP ii TT ii RR VV dd VV cc = 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 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 nilai kalor bawah. Nilai kalor atas (High Heating Value,HHV), merupakan nilai kalor yang diperoleh secara eksperimen dengan menggunakan bom kalorimeter dimana hasil pembakaran bahan bakar didinginkan sampai suhu kamar sehingga sebagian besar uap air yang terbentuk dari pembakaran hidrogen mengembun dan melepaskan panas latennya. Data yang diperoleh dari hasil pengujian bom kalorimeter adalah temperatur air pendingin sebelum dan sesudah penyalaan. Selanjutnya untuk menghitung nilai kalor atas, dapat dihitung dengan persamaan berikut: HHV = (T2 T1 Tkp) x Cv...(2.9) [lit 14 hal 12]

7 Dimana: HHV = Nilai kalor atas (kj/kg) T1 T2 Cv Tkp = Temperatur air pendingin sebelum penyalaan ( 0 C). = Temperatur air pendingin sesudah penyalaan ( 0 C). = Panas jenis bom kalorimeter ( kj/kg 0 C). = Kenaikan temperatur akibat kawat penyala ( C). Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung bila diketahui komposisi bahan bakarnya dengan menggunakan persamaan Dulong : HHV = (H 2 - OO 2 ) S... (2.10) [lit 9 hal 61] 8 Dimana: HHV = Nilai kalor atas (kj/kg) C = Persentase karbon dalam bahan bakar H 2 O 2 S = Persentase hidrogen dalam bahan bakar = Persentase oksigen dalam bahan bakar = 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/m 2 (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 H 2 )... (2.11) [lit 14 hal 6 ] H 2 = 26 15d... (2.12) [lit 5 hal 7-11] Dimana: LHV = Nilai Kalor Bawah (kj/kg) M = Persentase kandungan air dalam bahan bakar (moisture)

8 Dalam perhitungan efisiensi panas dari motor bakar, dapat menggunakan nilai kalor bawah (LHV) dengan asumsi pada suhu tinggi saat gas buang meninggalkan mesin tidak terjadi pengembunan uap air. Namun dapat juga menggunakan nilai kalor atas (HHV) karena nilai tersebut umumnya lebih cepat tersedia. Peraturan pengujian berdasarkan ASME (American of Mechanical Enggineers) menentukan penggunaan nilai kalor atas (HHV), sedangkan peraturan SAE (Society of Automotive Engineers) menentukan penggunaan nilai kalor bawah (LHV). 2.3 Super Fuel Super Fuel Powermax adalah gasohol peningkat oktan yang dibuat khusus untuk meningkatkan oktan BBM Premium. Powermax adalah Fuel Additive inovasi putra Indonesia dalam bidang suplemen bahan bakar yang kinerjanya mampu mendisfersikan air kedalam bahan bakar sehingga terjadi emulsi antara air, Powermax dan bahan bakar yang menjadikannya solusi dalam masalah penghematan pemakaian bahan bakar, mengatasi masalah polusi gas buang. Powermax oktan 115 dikembangkan dari bioetanol. Pada kendaraan yang diproduksi mulai tahun 2000 ke atas umumnya telah bermesin injeksi dengan tingkat kompresi yang tinggi, sehingga memerlukan bensin oktan tinggi. Tambahan Super Fuel 5-10% dalam BBM (bensin Premium), terbukti membuat gas buang kendaraan aman dari polusi dan ramah lingkungan, karena Super Fuel Powermax mampu membuat bahan bakar (bensin) terbakar sempurna dalam ruang bakar bakar.

9 Gambar 2.3 a) Bahan bakar super fuel, b) premium murni dan campuran dengan super fuel kadar 5-15% Pengujian yang pernah dilakukan badan lembaga minyak dan gas sebagai berikut: Tabel 2.1 Perbandingan premium dengan campuran premium-super fuel Sumber : http//:lemigas.esdm.go.id

10 Pengujian test uji yang pernah dilakukan Honda Accord 2007 sebagai berikut: Tabel 2.2 Hasil test uji emisi Honda Accord 2007 Gases Values Analysis Value Udm Residu CO 0.02 % Vol OK CO₂ 11.6 % Vol OK HC 74 ppm Vol OK O₂ 4.51 % Vol OK COC 0.03 % Vol NO ppm Vol Lamda Fact % Vol Oil T. Mv mvlamda 0.0 C RPM 920 RPM Sumber : http//:lemigas.esdm.go.id 2.4 Generator Set Generator set atau sering disebut genset adalah sebuah perangkat yang berfungsi menghasilkan daya listrik. Disebut sebagai generator set dengan pengertian adalah satu set peralatan gabungan dari dua perangkat berbeda yaitu mesin dan generator atau alternator. Mesin sebagai perangkat pemutar sedangkan generator atau alternator sebagai perangkat pembangkit listrik. Mesin dapat berupa perangkat mesin diesel berbahan bakar solar atau mesin berbahan bakar bensin, sedangkan generator atau alternator merupakan kumparan atau gulungan tembaga yang terdiri dari stator (kumparan statis ) dan rotor (kumparan berputar).

11 Gambar 2.4 Generator Set 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. 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) Dimana: P = Daya (Watt) V = Tegangan ( Volt) I = Arus (Ampere) Tipe Generator Set Genset dapat dibedakan dari jenis mesin penggeraknya, dimana dikenal tipe-tipe mesin yaitu mesin diesel dan mesin non diesel /bensin. Mesin diesel dikenali dari bahan bakarnya berupa solar, sedangkan mesin non diesel berbahan bakar bensin premium. Di pasaran, genset dengan mesin non diesel atau berbahan bakar premium biasa diaplikasikan pada genset berkapasitas kecil atau dalam kapasitas maksimum VA atau 10 kva, sedangkan genset diesel berbahan bakar solar diaplikasikan pada genset berkapasitas > 10 kva. Hal terkait dengan tenaga

12 yang dihasilkan oleh diesel lebih besar daripada mesin non diesel, dimana cara kerja pembakaran diesel yang lebih sederhana yaitu tanpa busi, lebih hemat dalam pemeliharaan, lebih responsif dan bertenaga. Selain itu untuk aplikasi industri dimana bahan bakar diesel (solar) lebih murah daripada bensin (gasoline). Dalam aplikasi dijumpai bahwa genset 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 2.5 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 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.

13 2.5.2 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 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.

14 b.) Hidrocarbon (HC) 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 (CO 2 ) 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.

15 d.) Oksigen (O 2 ) Oksigen (O 2 ) sangat berperan dalam proses pembakaran, dimana oksigen tersebut akan diinjeksikan ke ruang bakar. Dengan tekanan yang sesuai akan mengakibatkan terjadinya pembakaran bahan bakar. Nitrogen monoksida (NO) merupakan gas yang tidak berwarna dan tidak berbau sebaliknya nitrogen dioksida (NO 2 ) berwarna coklat kemerahan dan berbau tajam. NO merupakan gas yang berbahaya karena mengganggu saraf pusat. NO terjadi karena adanya reaksi antara N 2 dan O 2 pada temperature tinggi di atas 1210 o C. Persamaan reaksinya adalah sebagai berikut: O 2 2O N 2 + O NO + N N + O 2 NO + O