II. TEORI. A. Motor Bakar. I. Motor Bensin 4-Langkah

Transkripsi

1 II. TEORI A. Motor Bakar Motor bakar adalah suatu system yang dapat mengubah energi yang terkandung dalam bahan bakar dan udara berubah menjadi energi panas untuk dapat dimanfaatkan menjadi tenaga gerak atau kerja. Motor bakar pada umumnya dibedakan menjadi dua yaitu motor bensin dan motor diesel. Motor bensin memiliki ciri utama yaitu pembakaran bahan bakar didalam silinder berlangsung pada volume tetap. Pembakaran terjadi sesaat sebelum titik mati atas ( TMA ) pada langkah kompresi dimana campuran bahan bakar dan udara mengalami proses kompresi didalam ruang bakar. Pembakaran diawali dengan loncatan listrik dari busi pada akhir langkah kompresi sehingga dalam waktu singkat campuran bahan bakar tersebut terbakar habis dan menimbulkan kenaikan temperature. Motor diesel memiliki cirri utama pembakaran bahan bakar didalam silinder berlangsung pada tekanan konstan. Cairan bahan bakar diinjeksikan pada kecepatan tinggi melalui nozzle injector, beratomisasi dan mengguap. Uap bahan bakar bercampur dengan udara pada silinder bertemperatur pada tekanan tinggi sehingga terbakar dengan sendirinya. I. Motor Bensin 4-Langkah Motor bensin 4-langkah adalah motor yang dalam satu siklus pembakarannya memerlukan 4-langkah piston atau dua kali putaran poros engkol. ( Ganesan 1996 ). Motor bensin 4-langkah memiliki siklus sebagai berikut : ( 1 ) Langkah hisap ( 2 ) Langkah kompresi ( 3 ) Langkah kerja ( 4 ) Langkah buang

2 Siklus motor bensin 4-langkah dapat dilihat pada gambar 1 Gambar 1. Siklus Motor Bensin 4-langkah 2. Siklus Ideal dan Siklus Aktual a. Siklus Ideal Proses termodinamika dan kimia yang sebenarnya terjadi dalam motor bakar torak amat kompleks untuk dianalisa. Keadan ideal yang digunakan untuk analisa motor bakar adalah keadaan untuk siklus udara sebagai siklus ideal. Siklus udara menggunakan beberapa keadaan yang sama dengan sebenarnya, misalnya mengenai :( Arismunandar,1983 ) ( 1 ) Urutan proses ( 2 ) Perbandingan kompresi ( 3 ) Pemilihan temperature dan tekanan pada suatu keadaan ( 4 ) Penambahaan kalor yang sama persatuan berat udara

3 Untuk motor bensin analisa siklus udara yang digunakan adalah analisa siklus udara volume-konstan. Siklus otto merupakan siklus volume konstan digambarkan dengan grafik P vs V seperti terlihat pada gambar 2 Siklus terdiri dari beberapa proses sebagai berikut : ( Wardono,2004 ) adalah langkah hisap. Udara lingkungan ditarik masuk selama langkah hisap. Katup saluran masuk terbuka sehingga campuran udara bahan bakar dari karburator masuk kedalam ruang bakar. 2. a). 1-2 adalah langkah kompresi. Torak bergerak naik menekan campuran udara bahan bakar dalam ruang bakar, dimana katup masuk dan keluar tertutup. Akibatnya baik temperature maupun tekanannya meningkat. Proses 1-2 berlangsung dalam keadaan isentropic. b). 2-3 adalah proses pembakaran. Pada akhir langkah kompresi saat piston hampir mencapai TMA, campuran bahan bakar udara terbakar akibat loncatan bunga api listrik dari busi.

4 Terbakarnya campuran bahan bakar udara ini menyebabkan tekanan pada ruang bakar yang berada diatas piston naik adalah langkah ekspansi. Kedua katup masih pada posisi tertutup. Gas pembakaran yang terjadi selanjutnya mampu mendorong piston untuk bergerak kembali dari TMA menuju TMB. Dengan bergeraknya piston menuju TMB, maka volume gas pembakaran didalam silinder semakin bertambah, akibatnya temperature dan tekanannya turun. ekspansi ini dianggap berlangsung secara isentropic. 4. a). 4-1 adalah langkah buang volume konstan. Katup buang terbuka dan katup masuk dalam keadaan tertutup. Gas-gas sisa pembakaran dikeluarkan dari silinder pada volume konstan karna pengaruh beda tekanan antara tekanan silinder dan tekanan atmosfer. b). 1-0 adalah langkah buang konstan. Torak bergerak keatas menuju TMA dan mengeluarkan hasil pembakaran yang tersisa. Pembilasan gas-gas sisa pembakaran dan dikeluarkan dari silinder menuju lingkungan. b. Siklus Aktual. Pada kondisi actual siklus motor bakar tidak terjadi pada kondisi volume konstan. Efisiensi siklus actual jauh lebih rendah dari pada siklus udara standar. Hal ini ditandai dengan adanya kehilangan dari sebagian kerja dan efisiensi yang dihasilkan. Kehilangan utama yang terjadi adalah ( Ganesan, 1996 ) : ( 1 ) Variasi temperature dan panas spesifik. ( 2 ) Bahan bakar tidak terbakar sempurna. ( 3 ) Terjadinya perpindahan panas pada dinding ruang bakar. ( 4 ) Blowdown yang terjadi pada langkah buang. ( 5 ) Proses pertukaran gas yang tidak sempurna.

5 B. Zeolit Zeolit merupakan kelompok senyawa berbagai jenis mineral alumino-silikat hidrat dengan logam alkali. Zeolit adalah kristal alumino-silikat yang terbentuk oleh satuansatuan tetrahedral SiO 4 dan AIO 4. satuan tetrahedral ini bergabung satu sama lain melalui atom oksigen, membentuk kerangka tiga dimensi sehingga dihasilkan ruang kosong yang berupa saluran-saluran dan rongga-rongga. Susunan kristal aluminosilikat dapat dilihat pada gambar 3. Zeolit pertama kali ditemukan oleh Cronsted pada tahun 1756 sebagai mineral alumino-silikat yang terhindari dari kation logam alkali dan alkali tanah. Nama zeolit diambil dari bahasa yunani Zeo (mendidih) dan lithos, disebut demikian karena mineral ini apabila dipanaskan berprilaku seperti batu yang mendidih struktur dari zeolit secara umum dapat dilihat pada gambar 4.

6 Gambar 4. Struktur bangun ruang zeolit ( Jennifer, dkk ) Rumus umum yang dipakai adalah Me x/n (AlO 2 ) x (SiO 2 ) y mh 2 O, dimana notasi Me adalah kation logam alkaliatau alkali tanah x,y dan m adalah bilangan-bilangan tertentu sedang n adalah muatan dari ion logam. Rumus tersebut menunjukan struktur atau komposisi atau unit sel dari zeolit dan bagian didalam kurung menunjukkan komposisi kerangkanya perbandingan x/y ( Bekkum, et al, 1991 ). 1. Sifat-sifat zeolit Zeolit merupakan suatu mineral yang sangat luas pengunaannya. Hal ini disebablan karena sifat-sifat zeolit yang meliputi : dehidrasi, adsorben, penyaring molekul dan penukar ion ( Ribeiro, 1984 ). a. Dehidrasi jika molekul-molekul air diuapkan dari dalam rongga zeolit dengan menggunakan panas, maka pada umumnya struktur kerangka zeolit akan mengalami penyusutan, tetapi kerangka dasarnya tidak akan mengalami perubahan secara nyata. Molekul air seolah-olah memiliki posisi yang spesifik tetapi tidak mempunyai fungsi struktur primer dan dapat dilepaskan

7 secara reversible. Dalam keadaan terhidrasi zeloit dapat dipandang sebagai kerangka polianomik yang dikelilingi larutan ion positif dalam air. Fungsi dehidrasi adalah untuk mempertinggi keaktipan zeolit. Setelah dehidrasi kation pada permukaan rongga zeolit menjadi tidak terlindungi, sehingga interaksi dengan molekul adsorbat akan lebih mudah. b. Adsorben dan Penyaring Molekul Dalam penggunaan zeolit sebagai penyaring molekul, akan terjadi dua model pemisah, pertama didasarkan pada efek saringan molekul ( struktur berongga ) dan yang kedua didasarkan pada sifatnya sebagai adsorben yang selektif. Kristal zeolit yang telah terhidrasi merupakan adsorben yang selektif dan mempunyai efektifitas adsorbsi yang tinggi, yaitu dapat memisahkan molekul-molekul berdasarkan ukuran dan konfigurasi molekul,dan merupakan adsorben yang selektif terhadap molekul polar. c. Penukar Ion Kapasitas tukar dari zeolit ini terutama merupakan fungsi dari tingkat penggantian Si dan Al dalam struktur kerangka. Makin besar penggantian, makin besar pula jumlah kation-kation alkali tanah yang dibutuhkan untuk menetralkan muatan listrik yang terjadi. 2. Aktivasi fisik. Proses aktivasi zeolit alam dapat dikelompokan dalam 2 cara yaitu :aktivasi fisik dan aktivasi kimia (suyartono, 1992).

8 a. Aktivasi fisik Pengaktifan zeolit alam secara fisik dilakukan dengan pemanasan proses pemanasan zeolit dilakukan untuk menguapkan molekul-molekul air yang menutupi permukaan aktif zeolit. b. Aktivasi kimia Aktifasi kimia adalah pengaktifan dengan menggunakan bahan-bahan kimia, baik berupa asam maupun basa. Fungsi asam atau basa adalah untuk mencuci kation-kation yang mengotori permukaan zeolit, membuang senyawa pengotor dan mengatur kembali letak atom yang dipertukarkan. Bahan kimia yang dapat digunakan untuk proses aktifasi zeolit alam adalah larutan asam (H 2 SO 4, HCI dan HNO 3 ) dan larutan basa (NaOH dan KOH). Proses kimiawi akan melarutkan beberapa logam alkai dan alkali tanah. Konsentrasi senyawa pengaktif sangat berpengaruh terhadap struktur zeolit.konsentrasi senyawa pengaktif yang terlalu besar dapat merusak struktur zeolit. 3. Adsorbsi Adsorbsi adalah peristiwa penyerapan zat berbentuk gas atau cairan oleh permukaan. Yang diserap disebut adsorbat dan yang menyerap disebut adsorben. Dilihat dari proses terjadinya, adsorbsi dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu adsorbsi fisik dan adsorbsi kimiawi. Pada adsorbsi fisik gaya yang menyebabkan proses. Adsorbsi adalah gaya Vander Walls. Kalor yang dilepaskan dalam proses adbsorbsi fisik adalah sama dengan kalor yang dilepaskan dalam proses kondensasi gas, dimana adsorrbat berupa beberapa

9 lapisan monomolekuler. Adsorbsi dengan mudah dapat dibalik dengan menurunkan tekanan gas atau konsentrasi zat terlarut ( Ribeiro, 1984 ). Zeolit dalam mengadsorbsi molekul didasarkan dalam dua hal, yaitu ukuran molekul dan sifat dari molekul yang diadsorbsi. Ukuran molekul yang lebih besar dari ukuran poritidak dapat melewati zeolit. Molekul gas N 2 berbentuk elips dengan panjang sumbu mayor 4,1 Å dan sumbu minor 3 Å. Gas O 2 juga berbentuk elipsdengan panjang sumbu mayor 3,9 Å dan sumbu minor 2,8 Å. Ukuran pori dari zeolit khususnya zeolit jenis klinoptilolit dengan diameter 4 Å. Sifat dari molekul seperti gas N 2 yang mempunyai 4 kutup (quadrupole) lebih mudah diserap oleh zeolit dibandingkan dengan gas O 2 yang mempunyai 2 kutup (dipole). Zeolit juga sangat mudah menyerap molekul yang bersifat polar seperti 1991H 2 O. ( Bekkum, et al, 1991 ). C. Aktivasi Fisik Zeolit dalam kondisi alami terdapat kandungan molekul-molekul air pada rongga kerangkanya yang menutupi pori-pori aktifnya molekul pada pori zeolit ini bersifat lebih atau mudah terlepas. Kandungan air yang terperangkap dalam rongga zeolit biasanya berkisar % ( Herry, 2005 ). Zeolit dalam keadaan terhidrasi, kation-kation yang berada dalam rongga tersebut akan tertutupi oleh molekul air ini dapat diangkat dalam pemanasan. Dengan pemanasan maka zeolit akan mengalami aktifasi, berupa kemampuan mengikat kation menjadi lebih tinggi. Aktifasi fisik adalah pengaktifan zeolit dengan cara menguapkan molekulmolekul air dalam rongga zeolit yang menutupi permukaan aktif zeolit sehingga kation dipermukaan zeolit menjadi tidak terlindungi, sehingga medan listriknya akan diperluas sampai kedalam rongga dan akan terinteraksi dengan molekul adsorben yang menggakibatkan keefektifan adsorbsi zeolit akan bertambah. Mineral zeolit alam kurang stabil dibandingkan zeolit sintesis sehingga

10 pengaktifan dengan pemanasan umumnya dilaksanakan melalui pemanasan dengan temperature dibawah 350 ºC ( Sucahyo, 1995 ). Pemakaian temperature yang terlalu tinggi mengakibatkan pelepasan aluminium dari struktur kerangka tetrahedral zeolit, karena dapat mengakibatkan terjadinya pemutusan ikatan Si-O-Al. ini telah terjadi pada pemanasan zeolit jenis NH Al ketika dipanaskan pada temperature diatas 500 ºC ( Sucahyo, 1995 ) : 1. Tidak terlalu membahayakan struktur inti, kecuali pada temperature diatas 500 ºC. pengangkatan molekul air dari rongga zeolit mengakibatkan struktur kerangka akan mengalami penyusutan tetapi tidak mengalami perubahan yang nyata terhadap kerangka dasarnya. Penyusutan ini disebabkan hilangnya masa air dalam zeolit. 2. Pengaktifan relative murah. 3. Pengaktifan secara kimia lebih riskan terhadap keselamatan kerangka. Pada reaksi kimia terjadi perpindahan atau perubahan struktur Al dan Si nya. Konsentrasi senyawa pengaktif sangat berpengaruh terhadap struktur zeolit. Pada zeolit klinoptilolit dengan senyawa pengaktif asam klorida, pada konsentrasi tertentu akan menghidrolisa aluminium dari krangka zeolit ( Barrer, 1964 dalam Sucahyo, 1995 ). D. Rasio Udara Bahan Bakar (AFR) Udara harus cukup sempurna membakar semua unsure-unsur bahan bakar yang terdapat dalam ruang baker. Dalam beberapa hal udara lebih banyak dari pada yang diperlukan. Untuk menyatakan keadaan campuran udara-bahan bakar Secara stoikiometri untuk motor bensin memiliki rasio udara bahan bakar (AFR) sebesar 15 : 1 artinya untuk membakar 1 kg bahan bakar maka dibutuhkan 15 kg udara. Sementara untuk operasi normal pada motor bensin AFR berkisar antara 7 20 sedangkan untuk AFR ekonomis berkisar antara

11 Rasio udara-bahan bakar adalah perbandingan antara rasio udara bahan bakar actual dengan rasio udara bahan bakar stoikiometri yang ditulis sebagai berikut : Campuran miskin yaitu apabila kondisi AFR lebih besar dari AFR stoikiometri. Hal ini akan mengakibatkan daya yang dihasilkan tidak maksimal. Selain itu apabila reaksi pembakaran berlangsung pada temperature tinggi nitrogen dalam udara dapat bereaksi sehingga terbentuk oksida nitrogen (NOx). Campuran bahan bakar udara kaya yaitu apabila kondisi AFR lebih rendah dari AFR stoikiometri. Kondisi ini dapat menyebabkan proses pembakaran yang tidak sempurna, juga dapat menyebabkan borosnya bahan bakar dan daya yang dihasilkan tidak maksimal. Selain itu karna pengaruh pembakaran yang tidak sempurna akan menghasilkan UHC dan gas CO pada sisa pembakaran. E. Teori Pembakaran Pembakaran adalah reaksi kimia dimana beberapa elemen dari bahan baker seperti hydrogen dan karbon bereaksi dengan oksigen dalam udara sehingga menghasilkan energi panas dan menyebabkan kenaikkan temperature gas. Pada proses pembakaran ada tiga unsure yang harus dipenuhi yaitu : 1. Bahan baker 2. Oksigen dari udara pembakaran 3. Panas untuk memulai pembakaran Pada motor bensin, campuran bahan baker udara dibentuk dalam karbulator, sehingga diperoleh campuran bahan baker udara yang homogen. Pada campuran

12 yang homogen, molekul dari bahan baker dan udara terdistribusi seragam. Pada proses pembakaran, yaitu setelah akhir dari langkah kompresi, loncatan api listrik dari busi merambat kecampuran bahan baker udara yang homogen dan membakar campuran tersebut. Reaksi kimia pembakaran yang ideal adalah sebagai berikut : C 8 H ,5(O 2 + 3,76 N 2 ) 8 CO H 2 O + 12,5(3,76 N 2 ) Pada reaksi pembakaran diatas dapat dilihat bahwa N2 tidak berpartisipasi dalam reaksi pembakaran, untuk reaksi pembakaran yang sebenarnya adakalanya reaksi kimianya adalah sebagai berikut : CxHy + (O 2 + 3,76 N 2 ) CO 2 + H 2 O + N 2 + H 2 + CO + NOx + UHC, CO, NOx, H 2 dan UHC adalah gas-gas yang dihasilkan dari pembakaran tidak sempurna. Dengan adanya zeolit yang mampu mengikat gas nitrogen, uap air dan gas-gas yang terkandung dalam udara, diharapkan konsentrasi oksigen dalam udara semakin bertambah, sehingga peruses pembakaran menjadi lebih baik dan bahan baker dapat terbakar lebih banyak. Dalam hal ini zeolit hanya berfungsi sebagai filter udara yang akan masuk kedalam ruang baker. Pada proses pembakaran dengan mengunakan zeolit diharapkan pembentukan gas-gas seperti gas CO, gas NOx, dan senyawa UHC yang dapat menimbulkan polusi dan dapat membahayakan kesehatan, dapat dikurangi jumlahnya seminimal mungkin. Proses adsorbsi udara oleh zeolit dapat dilustrasikan seperti pada gambar 5

13 Keterangan : Udara 1 = aliran udara menuju zeolit Udara 2 = aliran udara setelah melewati zeolit A,b,c,d,p,q,r = koefisien molekul gas dalam udara N2 = molekul nitrogen O2 = molekul oksigen H2O = molekul uap G = molekul gas-gas lainnya = molekul gas Nitrogen yang menempel pada ruang pori = molekul uap air (H2O) yang menempel pada pori zeolit Dari proses diatas, besar kofisien p<a,q<c,r<d. F. Parameter Prestasi Motor Bakar Bensin 4 Langkah Salah satu parameter prestasi yang berperan adalah daya engkol sebagai kerja yang dihasilkan dari motor baker dimana semakin besar daya engkol yang dihasilkan maka semakin baik prestasi dari motor baker. Besarnya daya engkol mempengaruhi besarnya pemakaian bahan baker spesifik dimana besarnya pemakaian bahan baker spesifik adalah banyaknya pemakaian bahan baker yang dibutuhkan dalam menghasilkan kerja. Semakin rendah pemakaian bahan baker spesifik maka penggunaan bahan baker menjadi lebih hemat. Dalam laporan ini parameter prestasi yang dibandingkan adalah daya engkol, pemakaian bahan baker spesifik dan rasio udara bahan baker. Berikut ini beberapa rumusan yang digunakan ( Wardono 2004 ).

14

15