BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II 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 golongnan yaitu motor pembakaran luar dan pembakaran dalam. Motor pembakaran dalam (Internal Combustion Engine) ialah motor bakar yang pembakarannya terjadi di dalam pesawat itu sendiri. Motor bakar dapat juga disebut sebagai motor otto. Motor tersebut dilengkapi dengan karburator dan busi. Pada motor bakar bensin karburator mempunyai fungsi untuk melakukan percampuran serta pengabutan udara dengan bahan bakar yang akan dibakar di dalam ruang bakar sedangkan busi mempunyai fungsi untuk penghasil loncatan api yang akan menyalakan gas dari campuran bahan bakar dan udara. Pembakaran bahan bakar dengan udara ini menghasilkan daya. Di dalam siklus otto (siklus ideal) pembakaran tersebut dimisalkan sebagai pemasukan panas pada volume konstanta.[4] Ntienne Leonir 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 dipatenkan di Jerman pada tahun Motor bakar torak menggunakan silinder tunggal atau beberapa silinder. Salah satu fungsi torak disini adalah sebagai pendukung terjadinya pembakaran pada motor bakar. Tenaga panas yang dihasilkan dari pembakaran diteruskan torak ke batang torak, kemudian diteruskan ke poros engkol yang mana poros engkol nantinya akan diubah menjadi gesekan putar. 18

2 2.2 Prinsip Kerja Motor Bakar Empat 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 adalah sebagai berikut : 1. Langkah isap (0-1) merupakan proses tekanan konstan. 2. Langkah kompresi (1-2) ialah proses isentropik. 3. Proses pembakaran volume-konstan (2-3) dianggap sebagai proses pemasukan kalor pada volume konstan. 4. Langkah kerja (3-4) ialah proses isentopik. 5. Proses pembuangan (4-1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada volume-konstan. 6. Langkah buang (1-0) ialah proses tekanan konstan. 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] 19

3 Gambar 2.2 Diagram T-S Siklus otto Katup masuk dan katup buang terbuka tepat ketika pada waktu piston berada pada TMA dan TMB, maka siklus motor 4 (empat) langkah dapat diterangkan sebagai berikut: a. Langkah Hisap Piston bergerak dari TMA ke TMB. Dalam langkah ini, campuran udara dan bahan bakar diisap ke dalam silinder. Katup isap terbuka sedangkan katup buang tertutup. Waktu piston bergerak ke bawah, menyebabkan ruang silinder menjadi vakum, masuknya campuran udara dan bahan bakar ke dalam silinder disebabkan adanya tekanan udara luar (atmospheric pressure). b. Langkah Kompresi Piston bergerak dari TMB ke TMA. Dalam langkah ini, campuran udara dan bahan bakar dikompresikan/dimampatkan. Katup isap dan katup buang tertutup. Waktu torak mulai naik dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA) campuran udara dan bahan bakar yang diisap tadi dikompresikan. Akibatnya tekanan dan temperaturnya menjadi naik, sehingga akan mudah terbakar. c. Langkah Usaha Akibat adanya pembakaran maka pada ruang bakar terjadi panas dan pemuaian yang tiba-tiba. Pemuaian tersebut mendorong piston untuk bergerak 20

4 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[6] 2.3 Proses Pembakaran Motor Bakar Bensin Proses pembakaran pada mesin/motor bensin merupakan sebagian proses perubahan energi (change of energy) untuk menghasilkan kerja mesin. Pada mulanya bensin dicampurkan dengan udara di dalam karburator sebelum dimasukkan ke dalam silinder, proses ini terjadi dalam sistem bahan bakar konvensional (conventional fuel system). Campuran bahan bakar dan udara masuk dengan jumlah tertentu mengikuti volume silinder bersamaan langkah hisap, kemudian dikompresikan hingga volume akhir kompresi (sedikit volume akhir silinder ditambah volume ruang bakar). Akan tetapi karena pembakaran butuh waktu (time) maka pembakaran dilakukan beberapa derajat sebelum piston mencapai Titik Mati Atas 21

5 (TMA). Dalam hal ini pengaturan waktu pengapian dikenal dengan saat pengapian (ignition timing), yaitu waktu dimana busi memercikan api listrik untuk membakar campuran bahan bakar dan udara. Oleh karena pembakaran mesin bensin memerlukan busi maka dikenal pula mesin bensin sebagai SI engine (spark ignition engine). 2.4 Konsep Reaksi Pembakaran Motor Bakar Bensin Reaksi pembakaran adalah reaksi kimia bahan bakar dan oksigen yang diperoleh dari udara yang akan menghasilkan panas dan gas sisa pembakaran yang berlangsung dalam waktu yang sangat cepat. Reaksi pembakaran tersebut akan menghasilkan produk hasil pembakaran yang komposisinya tergantung dari kualitas pembakaran yang terjadi. Dalam pembakaran proses yang terjadi adalah oksidasi dengan reaksi sebagai berikut : Karbon + Oksigen = Koarbon dioksida +panas Hidrogen + Oksigen = uap air + panas Sulfur +oksigen + sulphur dioksida + panas Pembakaran akan dikatakan sempurna apabila campuran bahan bakar dan oksigen (dari udara) mempunyai perbandingan yang tepat (stoichiometric), hingga tidak diperoleh sisa. Bila oksigen terlalu banyak, dikatakan campuran kurus dan hasil pembakarannya menghasilkan api oksidasi. Sebaliknya, bila bahan bakarnya terlalu banyak (tidak cukup oksigen), dikatakan campuran kaya (rich) sehingga pembakaran ini menghasilkan api reduksi. Pada motor bensin, campuran udara dan bahan bakar tersebut dinyalakan dalam silinder oleh bunga api dari busi pada akhir langkah kompresi dengan suhu pembakaran berkisar antara 2100 K sampai 2500 K. waktu pembakaran yang teratur lamanya kira-kira 3 mili detik (0,003 s). Oleh karena reaksi pembakaran yag sangat cepat akan mengakibatkan terjadinya gangguan dalam system pembakaran, antara lain terjadi pembakaran sendiri (self ignition) oleh karena adanya sisa bahan baker yang tidak terbakar. Hal ini disebabkan oleh hal-hal sebagai berikut : angka oktan yang terlalu rendah penyetelan sudut pengapian yang tidak tepat 22

6 busi terlalu panas pendinginan terlalu miskin terbakarnya sisa pembakaran sebelumnya bentuk ruang bakar yang tidak sesuai Gangguan-gangguan pada pembakaran ini akan sangat merugikan efektivitas mesin maka mendapatkan untuk pembakaran yang baik maka diperlukan syaratsyarat sebagai berikut : jumlah udara yang sesuai temperatur yang sesuai dengan penyalaan bahan bakar waktu pembakaran yang cukup kerapatan yang cukup untuk merambatkan api dalam silinder. 2.5 Komponen-Komponen Pembakaran Pada Motor Bakar Bensin Pada proses pembakaran bahan bakar pada motor bakar bensin terdapat beberapa komponen yang berperan penting agar proses pembakaran berjalan dengan baik. Komponen-komponen tersebut antara lain adalah karburator, katup (valve) dan busi Karburator Karbuaror memproses bahan bakar cair menjadi partikel kecil dan dicampur dengan udara sehingga memudahkan penguapan. Prosesnya serupa dengan penyemburan (spray). Pada gambar 2.4 dibawah ini diterangkan prisip dari penyemburan. Sebagai akibat dari derasnya tiupan angin di (a), suatu kondisi vacum (tekanan dibawah atmosfer) terjadi di (b). Perbedaan tekanan antara vacum dan atmosfir udara di (c) menghasilkan semburan terjadi pada gasoline (b). Berdasarkan proses ini, maka semakin cepat aliran udara (a) mengakibatkan semakin besar vacum yang terjadi pada (b) dan semakin banyak gasoline yang disemprotkan/disemburkan. 23

7 gasoline Gambar 2.4 Prinsip kerja karburator Bahan bakar dan udara dibutuhkan motor bensin untuk berjalan. Bahan bakar berupa bensin dicampur dengan udara oleh karburator supaya mudah terbakar dan di alirkan keruang bakar. Dengan kata lain, karburator bekerja sesuai aturan sebagai berikut : Volume campuran udara dan bahan bakar sesuai kebutuhan mesin. Menciptakan campuran udara dan bahan bakar sedemikian rupa tepat sesuai kecepatan mesin. Merubah bensin menjadi partikel-partikel bercampur dengan udara sehingga mudah disemburkan atau dikabutkan Katup (Valve) Pada motor bakar bensin empat langkah poros nok (camshaft) akan berputar setengah dari putaran poros engkol, sehingga masing-masing katup bekerja membuka dan menutup selama dua kali poros engkol. Angka-angka derajat katup masuk sebelum torak mencapai TMA dan akan menutup sesudah torak melewati TMB. Demikian juga beberapa derajat posisi torak setelah melewati TMA katup buang menutup. 24

8 Gambar 2.5 Diagram kerja katup Keterangan : M.B = Katup masuk terbuka M.T = Katup masuk tertutup B.B = Katup buang terbuka B.T = Katup buang tertutup Pada diagram di atas terlihat katup masuk membuka 12 sebelum torak mencapai TMA dan akan menutup setelah torak melewati TMB 40, maka katup masuk terbuka selama = 232. Dilanjutkan dengan langkah kompresi sejak katup masuk sehingga terjadi lentikan api listrik tegangan tinggi dari busi. Misalkan 12 sebelum torak mencapai TMA, maka diperoleh total derajat = (90-40 ) + (90-15 ) = = 125. Setelah langkah kompresi, yang kemudian dilanjutkan dengan langkah usaha yang berlangsung sejak api listrik tegangan tinggi terlentikan dari busi hingga katup buang mulai membuka, yaitu (90-47 ) = 148. Proses pembuangan gas bekas pembakaran dari dalam silinder saat katup buang mulai terbuka hingga katup buang tertutup, yaitu Kemudian pada akhir langkah pembuangan, katup masuk yang masih terbuka dan baru akan menutup setelah torak melewati TMA 21. Kejadian ini dikenal dengan 25

9 sebutan overlap, yaitu dimana katup masuk dan katup buang yang sama-sama terbuka. Adapun tujuan overlap tersebut adalah pembilasan sisa gas bekas yang masih terdapat di dalam ruang bakar dengan bantuan dari gas baru yang masuk dengan cara mendorong gas bekas yang masih tersisa di ruang bakar Busi Busi berfungsi memercikkan api untuk membakar campuran bahan bakar di ruang bakar. Percikan api terjadi di celah antara elektroda tengah dengan elektroda massa, percikan tersebut akibat loncatan arus tegangan tinggi dari elektrode tengah ke elektroda massa. Busi dialiri arus tegangan tinggi yaitu Volt, dan dipasang diruang bakar dengan temperatur sangat inggi, oleh karena itu antara elektrode tengah dan elektrode massa harus dipisahkan oleh isolator yang tingkat isolasinya tinggi dan tahan panas. Busi dilengkapi dengan ulir untuk pemasangan di ruang bakar, agar tidak bocor pada ulir tersebut terdapat ring perapat. Panjang dan diameter ulir harus tepat agar ulir busi mampu menahan tekanan pembakaran. Elektrode busi terbuat dari bahan yang tahan panas dan erosi. Bahan tersebut adalah paduan krom - nikel yang tahan temperatur tinggi. Pada busi spesial terbuat dari platina maupun tungsen. Gambar 2.6 Konstruksi Busi dan percikan api pada busi 26

10 Besar celah busi yang tepat pada suatu kendaraan diperoleh dari ekperimen. Celah yang kecil menyebabkan percikan api kecil dan mudah terselip kotoran, sedangkan celah yang besar membutuhkan tegangan yang lebih tinggi untuk menghasilkan percikan api sehingga bila tegangan kurang tinggi akan terjadi kegagalan percikan pada saat tertentu. Besar celah busi adalah 0,70 1,00 mm, namun lebih tepatnya lihat sepesifikasi kendaraan sebab kendaraan tertentu ada yang spesifikasi celah busi 1,10 mm. Kebutuhan tegangan agar terjadi loncatan api pada busi baru dan lama berbeda. Busi lama tegangan yang dibutuhkan lebih tinggi sebab pada busi lama kemungkinan terdapat kebocoran arus pada rongga busi maupun elektrode busi kotor, sehingga menyebabkan kebutuhan tegangan untuk meloncatkan api lebih tinggi. Semakin tinggi putaran mesin tegangan induksi semakin rendah sebab saat putaran tinggi arus primer semakin kecil akibat waktu mengalirkan arus semakin singkat, selain itu juga dapat disebabkan sudut dweel yang mengecil akibat kontak pemutus arus melayang akibat pegas lemah. Bila tegangan induksi yang dihasilkan kurang dari tegangan yang dibutuhkan maka akan terjadi kegagalan percikan api (misspark), sehingga terjadi kegagalan pembakaran. Kegagalan percikan api sering terjadi saat kendaraan dipercepat karena pada saat tersebut kebutuhan tegangan lebih tinggi. 2.6 Performansi Motor Bakar Empat Langkah Performansi dapat disebut juga sebagai unjuk kerja dari motor bakar bensin. 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 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 27

11 maka aliran udara dibuat turbulen, sehingga diharapkan tingkat homogenitas campuran akan lebih baik Torsi (Torque) Perkalian antara gaya dengan jarak dapat disebut sebagai Torsi. Disaat proses pembakaran pada ruang bakar, dimana piston akan bergerak translasi dan poros engkol yang menghubungkan piston dengan batang piston akan merubah gerak translasi menjadi gerak rotasi. Persamaan (2.1) dapat digunakan untuk menghitung torsi. Dimana : Pb = Daya (W) n = Putaran mesin (rpm) Pengujian torsi yang dilakukan menggunakan timbangan pegas tarik sehingga yang terhubung dengan roda belakang. Maka akan terjadi gaya antara roda belakang pada timbangan pegas tarik dalam pengujian torsi rem.[7] Persamaan (2.2) dapat digunakan untuk menghitung gaya yang diberikan roda belakang. F = g x m Dimana : F = Gaya yang diberikan roda belakang (N) g = Percepatan gravitasi (9,807 m/s2) m = Massa tarik timbangan pegas (kg) Persamaan (2.3) dapat digunakan untuk menghitung torsi roda belakang: τroda = F x r Dimana : τroda = Torsi roda belakang (N.m) F r = Gaya yang diberikan roda belakang (N) = Jari-jari roda belakang (m) 28

12 Putaran pada roda belakang diberikan oleh putaran poros engkol yang terhubung dengan sistem transmisi. Persamaan (2.4) dapat digunakan untuk mencari final ratio. Final Ratio = perbandingan final gear x perbandingan rasio gigi 3 x perbandingan rasio poros engkol dengan transmisi Persamaan (2.5) dapat digunakan untuk menghitung torsi mesin Dimana : τmesin = Torsi mesin (Nm) τroda = Torsi roda belakang (Nm) FR = Final Ratio Daya (Power) Kerja mesin selama waktu tertentu dapat disebut sebagai daya. Besarnya poros engkol yang bekerja dengan pembebanan merupakan daya poros. Daya poros berasal dari langkah kerja disaat campuran udara dan bahan bakar meledak dan menyebabkan piston mengalami dorongan yang menghasilkan kerja pada poros engkol yang mengubah gerak translasi menjadi gerak rotasi. Prestasi mesin motor bakar ditentukan oleh daya poros yang telah dibebankan akibat gesekan seperti pada torak, dinding silinder, poros, dan bantalan. Frekuensi putaran motor atau disebut dengan RPM (Revolution per Minute) mempengaruhi besarnya daya poros dimana semakin banyak putaran poros yang terjadi maka semakin besar daya poros tersebut. Persamaan (2.6) dapat digunakan untuk menghitung daya poros Dimana : τmesin = Torsi mesin (Nm) Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (Specific Fuel Consumption) Konsumsi bahan bakar spesifik adalah parameter unjuk kerja mesin yang berhubungan langsung dengan nilai ekonomis sebuah mesin, karena dengan 29

13 mengetahui hal ini dapat dihitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu. Persamaan (2.7) dapat digunakan untuk menghitung laju aliran massa bahan bakar Jika diketahui rasio massa jenis zat (pertalite/aditif) air maka massa jenis zat tersebut dapat dicari dengan persamaan (2.8) Dimana : ṁ f Sg z ρ z ρ f ρ air V f t f = Laju aliran bahan bakar (kg/jam) = Rasio massa jenis zat = Massa jenis zat (kg/m3) = Massa jenis bahan bakar (kg/m3) = Massa jenis air (kg/m3) = Volume bahan bakar yang diuji (m3) = Waktu menghabiskan bahan bakar sebanyak volume uji (detik) Jika terdapat beberapa jenis campuran zat yang terkandung dalam bahan bakar maka rasio massa jenis campuran bahan bakar-air dihitung dengan persamaan (2.9) Dimana: A = Rasio volume zat aditif-campuran bahan bakar P = Rasio volume pertalite-campuran bahan bakar ρa = Massa jenis zat aditif (kg/m3) ρp = Massa jenis pertalite (kg/m3) Persamaan (2.10) dapat digunakan untuk menghitung besarnya konsumsi bahan bakar spesifik Dimana : sfc = Konsumsi bahan bakar spesifik (g/kwh) 30

14 ṁf Pb = Laju aliran massa bahan bakar (kg/jam) = Daya (Watt) Rasio Udara-Bahan Bakar (Air Fuel Ratio) Perbandingan udara dan bahan bakar yang masuk kedalam ruang bakar adalah AFR. Secara kimia dibutuhkan rasio udara/bahan bakar yang tepat unutk berlangsungnya pembakaran yang sempurna. Rasio udara bahan bakar dalam sistem bahan bakar bervariasi, bergantung pada kondisi operasi saat itu. Hal yang dapat mempengaruhi rasio udara bahan bakar yaitu temperatur mesin, temperatur udara yang dihisap, tekanan udara yang terhisap dan kerapatan udara sekitar. Saat beroperasi dengan beban ringan dengan kecepatan medium, dan rancangan ruang bakar yang baik, campuran bahan bakar miskin (dalam kisaran 16:1-18:1) masih dimungkinkan untuk terbakar. Campuran miskin meningkatkan ekonomi bahan bakar, mengurangi emisi, tetapi juga mengurangi daya keluaran. Campuran udara dan bahan bakar yang stokiometri (14:1-14,7:1) menghasilkan daya keluaran yang optimal. Campuran bahan bakar yang kaya (11,5:1-13,5:1) mengurangi nilai ekonomi bahan bakar tetapi mempunyai daya yang terbesar. Jika campuran udara bahan bakar terlalu miskin (diatas 18:1), campuran tidak akan menyala yang menyebabkan kondisi kegagalan penyalaan.[1] Persamaan (2.11) dapat digunakan untuk menghitung rasio udara-bahan bakar Dimana : ṁaa = Laju Aliran Massa Udara (kg/jam) mmf = Laju aliran bahan bakar (kg/jam) Persamaan ( ) dapat digunakan untuk menghitung laju aliran massa udara

15 Dimana: Pi = Tekanan udara masuk silinder (kpa) Ti R Vd Vc ma Nd n a B S = Temperatur udara masuk silinder (Kelvin) = Konstanta udara (0,287 kj/kg.k) = Volume silinder/displacement (m3) = Volume sisa/clearence (m3) = Massa udara masuk silinder per siklus (kg) = Jumlah silinder (silinder) = Putaran mesin (rpm) = Putaran poros dalam satu siklus (putaran) = Diameter piston (m) = Panjang langkah (m3) RC = Rasio Kompresi Efisiensi Termal ( Thermal Efficiency) Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang dibangkitkan piston karena sejumlah energi hilang akibat adanya rugi-rugi mekanis seperti gesekan, kerja pompa oli dan pompa pendingin, dan panas yang terbuang. Efisiensi termal pembakaran didefinisikan untuk menyatakan fraksi dari bahan bakar yang terbakar. Persamaan (2.16) dapat digunakan untuk menghitung efisiensi termal Dimana : Pb = Daya (Watt) ṁf = Laju aliran bahan bakar (kg/jam) LHV = Nilai kalor bawah bahan bakar (kj/kg) 32

16 2.7 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 (Caloric Value). Berdasarkan 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 bahan bakar (High Heating Value), merupakan nilai kalor yang diperoleh secara eksperimen dengan menggunakan bom kalorimeter dimana hasil pembakaran bahan bakar didinginkan sampai suhu kamar sehingga sabagian besar uap air yang terbentuk dari pembakaran hydrogen mengembun dan melepaskan panas latennya. Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.17).[8] HHV = Dimana : HHV = Nilai kalor atas (kj/kg) T1 T2 M 1 M 2 Cv = Temperatur air pendingin sebelum penyalaan (oc) = Temperatur air pendingin sesudah penyalaan (oc) = Massa cawan sebelum di isi bahan bakar (gr) = Massa cawan sesudah di isi bahan bakar (gr) = Panas jenis bom kalorimeter (2325 Kkal/kg) Dan nilai kalor bawah bahan bakar dapat dihitung dengan persamaan (2.18). LHV = HHV Dimana : LHV = Nilai kalor bawah (kj/kg) HHV = Nilai kalor atas (kj/kg) 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. Besarnya nilai kalor bahan bakar mempengaruhi dari energi ledakan 33

17 yang akan terjadi jika bahan bakar tersebut dibakar atau dinyalakan. Kandungan energi di dalam bahan bakar diukur dengan membakar semua bahan bakar di dalam bom kalorimeter serta mengukur peningkatan temperatur yang terjadi. Energi yang tersedia tergantung wujud air yang dihasilkan dari pembakaran hidrogen. Jika air di dalam produk buangan berwujud gas (uap air), kemudian tidak dapat melepaskan panas penguapannya, maka dihasilkan nilai kalor bersih yang disebut nilai kalor bawah bahan bakar (Lower Heating value). Jika air dikondensasikan kembali ke temperatur asal bahan bakar hingga berwujud cair maka akan menghasilkan nilai kalor kotor (Higher heating value, HHV). Peraturan pengujian berdasarkan ASME (American of Mechanical Engineers) menentukan penggunaan nilai kalor atas (HHV), sedangkan peraturan SAE (Society of Automotive Engineers) menetukan penggunaan nilai kalor bawah (LHV).[9] Dilakukan 5 kali pengujian bom kalorimeter pada setiap bahan bakar yang digunakan dan dicari rata-rata dari nilai kalor bahan bakar dengan menggunakan persamaan (2.19) dan (2.20) 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 (O3) dan peroksiasetil nitrat (PAN) adalah polutan yang terbentuk di atmosfer melalui reaksi fotokimia, hidrolisis atau oksidasi. 34

18 2.8.2 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. 35

19 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. 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) Oksigen (O2) sangat berperan dalam proses pembakaran, dimana oksigen tersebut akan diinjeksikan ke ruang bakar. Dengan tekanan yang sesuai akan mengakibatkan terjadinya pembakaran bahan bakar. 36

20 2.9 Pertalite Pertalite adalah bahan bakar dari Pertamina dengan RON 90. Angka Oktan Riset/Research Octane Number (RON) adalah nilai oktan yang memberikan gambaran tentang kecenderungan bahan bakar untuk mengalami pembakaran tidak normal pada kondisi pengendaraan sedang dan juga pada kecepatan rendah dan dilakukan dengan metode riset. Angka Oktan Motor/Motor Octane Number (MON) adalah nilai oktan yang memberikan gambaran kinerja pengendaraan pada kondisi operasi yang lebih berat, kecepatan tinggi atau kondisi beban tinggi. Indeks Anti Detonasi/Anti Knock Index (AKI) adalah rata-rata dari penjumlahan angka oktan riset dengan angka oktan motor.[11] Pertalite diluncurkan pada 24 Juli 2015 sebagai varian baru bagi konsumen yang ingin BBM dengan kualitas di atas premium tetapi lebih murah dari pertamax. Pertalite memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan premium. Selain itu, RON 90 membuat pembakaran pada mesin kendaraan dengan teknologi terkini lebih baik dibandingkan dengan premium yang memiliki RON 88. Komposisi bahan untuk membuat pertalite adalah heptana 10% dan oktana 90%, selain itu juga ditambahkan zat aditif EcoSAVE. Zat aditif EcoSAVE ini bukan untuk meningkatkan RON tetapi pembakaran lebih bersih, ramah lingkungan dan lebih hemat. 10 C 7 H C 8 H (O 2 + 3,7 N 2 ) 790 CO H 2 O ,5 N 2 Nilai kalor atas (HHV) yang dihasilkan dari pembakaran pertalite secara teori adalah[21] : Pertalite tediri dari 90% oktana dan 10% heptana HHV = HHV = x Nilai HHV Oktana (46,7 Mj/kg) HHV = 42,03 Mj/kg = 10007,14 Kkal/kg 37

21 Berdasarkan keputusan Dirjen Migas No.313.K/10/DJM.T/2013 spesifikasi bahan bakar jenis bensin 90 dapat dilihat pada tabel 2.2 berikut[12]: Tabel 2.1 Standar dan Mutu (Spesifikasi) Bahan Bakar Jenis Bensin 90 (Pertalite) 38

22 Pertalite membuat pembakaran pada mesin kendaraan dengan teknologi terkini lebih baik dibandingkan dengan premium yang memiliki RON 88. Keunggulan pertalite adalah: 1. Durability, pertalite dapat dikategorikan sebagai bahan bakar kendaraan yang memenuhi syarat dasar durability/ketahanan, dimana bbm ini tidak akan menimbulkan gangguan serta kerusakan mesin, karena kandunganoktan 90 lebih sesuai dengan perbandingan kompresi kebanyakan kendaraan bermotor yang beredar di Indonesia. 2. Fuel Economy, kesesuaian oktan 90 Pertalite dengan perbandingan kompresi kebanyakan kendaraan beroperasi sesuai dengan rancangannya. Perbandingan Air Fuel Ratio yang lebih tinggi dengan konsumsi bahan bakar menjadikan kinerja mesin lebih optimal dan efisien untuk menempuh jarak lebih jauh karena perbandingan biaya dengan operasi bahan bakar dalam (Rupiah/kilometer) akan lebih hemat. 3. Performance, kesesuaian angka oktan Pertalite dan aditif yang dikandungnya dengan spesifikasi mesin akan menghasilkan performa mesin yang jauh lebih baik dibandingkan ketika menggunakan oktan 88. Hasilnya adalah torsi mesin lebih tinggi dan kecepatan meningkat.[13] 2.10 Zat Aditif Aditif adalah suatu senyawa yang ditambahkan kedalam senyawa lain. Penggunaan zat aditif secara umum bertujuan untuk mengontrol pembakaran bensin agar menghasilkan energi yang maksimum dan suara ketukan minimum. Zat aditif pada bahan bakar bensin digunakan untuk meningkatkan angka oktan sedangkan pada bahan bakar diesel digunakan untuk meningkatkan angka setana. Penggunaan zat aditif untuk pelumas bertujuan untuk meminimalisir busa dan sebagai peningkat kualitas dan ketahanan pelumas.[14] Jenis-Jenis Zat Aditif Zat aditif yang digunakan sebagai senyawa yang ditambahkan pada motor bakar terbagi menjadi tiga jenis berdasarkan fungsinya, yaitu: 39

23 1. Fungsi bahan pelumasan 2. Fungsi sistem distribusi bahan bakar dan sistem pembakaran 3. Fungsi bahan bakar Manfaat Zat Aditif pada Fungsi Sistem Pelumasan Zat aditif ditambahkan pada oli sebagai bahan pelumas mesin motor bakar yang bertujuan untuk meningkatkan kualitas pelumas[15], antara lain: 1. Viscosity Index Improver, untuk meningkatkan nilai indeks viskositas. Indeks viskositas adalah perubahan nilai viskositas akibat adanya perubahan temperatur. 2. Pour Point Depressant, untuk mencegah aglomerasi kristal lilin parafin akibat temperatur rendah. 3. Anti-Foam untuk mencegah pelumas berbusa akibat adanya udara terperangkap dalam minyak pelumas. 4. Antiwear dan Extreme Pressure, untuk meningkatkan film dalam proses pelumasan sehingga dapat mengurangi keausan permukaan logam. 5. Detergents, untuk menetralisir asam pada larutan minyak pelumas. 6. Dispersants, untuk mencegah sisa pembakaran yang menumpuk pada larutan minyak pelumas. 7. Antirust, untuk melindungi permukaan logam dari korosi atmosfir. 8. Antioxidants, untuk menghambat proses pembusukan yang terjadi secara alami dalam minyak pelumas karena oksidasi dengan udara Manfaat Zat Aditif pada Fungsi Sistem Distribusi Bahan Bakar dan Sistem Pembakaran Zat aditif ditambahkan pada bahan bakar atau diinjeksikan secara langsung ke dalam ruang bakar yang bertujuan untuk membersihkan dan merawat saluran bahan bakar, ruang bakar, dan saluran buang mesin motor bakar[16], antara lain: 1. Fuel System Cleaner, untuk membersihkan tangki bahan bakar, saluran bahan bakar, pompa bahan bakar, saringan bahan bakar, dan karburator dari endapan kotoran pada bahan bakar atau sisa-sisa pembakaran, sehingga bahan bakar dan 40

24 udara dapat bercampur dengan baik dan terbakar sempurna di dalam ruang bakar. 2. Injectors Cleaner untuk membersihkan injektor dari kerak karbon hasil pembakaran, adanya kandungan air pada bahan bakar dan endapan kotoran bahan bakar yang dapat membuat mesin sulit untuk dinyalakan, kehilangan akselarasi dan langsam (Idle) yang tidak stabil. 3. Detergents, untuk menetralisir kotoran pada bahan bakar, endapan kotoran dari udara yang masuk ke dalam ruang bakar dan memberikan pelumasan pada ruang bakar. 4. Gas Treatment, untuk meningkatkan kemampuan membersihkan serta menjaga bahan bakar dari endapan karbon sisa pembakaran, menghilangkan kandungan air pada bahan bakar, dan mencegah pembekuan bahan bakar pada saluran bahan bakar. 5. Ethanol Treatment, untuk mencegah efek korosi pada mesin yang menggunakan bahan bakar campuran Ethanol. 6. Antirust, untuk mencegah pengeroposan mesin akibat korosi yang timbul pada mesin motor bakar yang digunakan di daerah panas dan lembab Manfaat Zat Aditif pada Fungsi Bahan Bakar Zat aditif ditambahkan pada bahan bakar mesin motor bakar yang bertujuan untuk meningkatkan kualitas bahan bakar[16], antara lain: 1. Octane Booster, untuk meningkatkan angka oktan dari bahan bakar. 2. Restore Performance. untuk mengembalikan performansi dan efisiensi mesin yang hilang akibat kualitas bahan bakar yang rendah. 3. Reduce Knocking and Pinging, untuk mengurangi detonasi pada mesin dan ketidakstabilan putaran mesin sehingga suara mesin semakin halus. 4. Maximize Horsepower, untuk meningkatkan torsi dan daya dari mesin. 5. Lubricate Upper Cylinder, untuk melumasi bagian dari permukaan atas piston dengan ruang bakar sehingga tidak terjadi endapan karbon sisa pembakaran yang dapat menyebabkan kerusakan komponen mesin. Kerak karbon yang telah terbentuk akan terkikis oleh pelumas aditif seiring dengan proses pembakaran dan akan dibuang melalui saluran pembakaran. 41

25 Zat Aditif Secara Umum Aditif mempunyai berbagai macam zat kimia yang terkandung di dalamnya dan mempunyai fungsi yang berbeda-beda, secara umum zat kimia tersebut adalah: 1. Tetraethyl Lead (TEL) Zat aditif Tetrathyl Lead akan meningkatkan bilangan oktan bensin. Mengandung senyawa timbal (Pb). Lapisan tipis timbal terbentuk pada atmosfer dan membahayakan alam dan kesehatan makhluk hidup. 2. Senyawa Oksigenat Senyawa oksigenat adalah senyawa organik beroksigen (oksigenat) seperti alkohol (methanol, ethanol, isopropil alkohol) dan Eter (Metil Tertier Butil Eter/MTBE, Etil Tertier Butil Eter/ETBE dan Tersier Amil Metil Eter/TAME) dan minyak Atsiri. Oksigenat cair yang dapat dicampur ke dalam bensin untuk menambah angka oktan dan kandungan oksigennya. Alkohol seperti etanol dapat diperoleh dari fermentasi tumbuh-tumbuhan sehingga termasuk dalam energi terbaharukan. Kadar CO2 di atmosfer pun akan menurun seiring dengan budidaya tumbuhan yang dimanfaatkan untuk pembuatan ethanol.[10] 3. Naphtalene Naftalena adalah salah satu komponen senyawa yang dapat meningkatkan angka oktan. Proses pembakaran berjalan dengan baik dan tidak mudah menguap. Selain itu naftalena tidak meninggalkan getah padat pada bagianbagian mesin. Penggunaan naftalena relatif aman untuk digunakan.[17] 4. Methylcyclopentadienyl Manganese Tricarbonyl (MMT) MMT atau Methylcyclopentadienyl Manganese Tricarbonyl adalah senyawa organik non logam yang digunakan sebagai pengganti bahan aditif TEL. 5. Benzene Benzena banyak digunakan sebagai zat aditif untuk meningkatkan angka oktan seiring dengan penghapusan pengunaan bensin yang mengandung timbal. Benzena dapat meningkatkan kualitas bahan bakar dan menurunkan ketukan pada mesin. Kontaminasi Benzena yang berlebihan mempunyai dampak negatif pada kesehatan. Environmental Protection Agency (EPA) membatasi 42

26 presentase benzene pada bahan bakar rata-rata sebesar 0,62% dengan nilai maksimum 1,3%.[18] 2.11 Kapur Barus Kapur barus bukan lagi barang asing dalam kehidupan kita sehari-hari, karena kapur barus mudah kita temui dalam kehidupan sehari-hari. Kapur barus adalah zat padat berupa lilin berwarna putih dan agak transparan dengan aroma yang khas dan kuat. Zat ini adalah terpenoid dengan rumus kimia C 10 H 16 O. Kapur barus ini mengandung zat Naftalena yang merupakan salah satu senyawa aromatik. Dimana sebutir kapur barus biasanya mengandung mg naphthalene. Kapur barus yang kini beredar dipasaran tidak lagi berupa padatan putih, bahkan sudah memiliki macam-macam warna. Karena baunya yang khas, kapur barus biasanya digunakan untuk mengusir bau tidak sedap bahkan mengusir tikus, serangga dan binatang lainnya. Karena mengalami proses sublimasi, biasanya kapur barus hanya bertahan kurang lebih 3 bulan (tergantung ukuran) Sejarah Kapur Barus Kapur barus dahulu kala dibuat dari potongan kayu batang pohon Cinnamomum camphora yang banyak tumbuh di kawasan Barus. Dimana potongan-potongan kecil kayu ini direbus dan melalui proses penyulingan dan penghabluran diperoleh kristal kamfer sebagai bahan baku untuk diproses di pabrik. Jadi tidak mengherankan kalau akhirnya kamfer ini dalam bahasa Melayu dinamakan kapur barus. Istilah camphor pun sebetulnya juga berasal dari bahasa Sanskerta karpoor atau bahasa Arab kafur yang dalam bahasa kita diserap menjadi kapur. Sejak abad ke 9 Kota Barus terkenal sebagai penghasil bahan baku kamfer, bahkan hingga semua saudagar dari seluruh penjuru dunia berlayar ke Barus untuk membeli kayu penghasil kamfer ini. Cladius Prolomeus, seorang gubernur kerajaan yunani yang berpusat di Iskandariyah Mesir, membuat sebuah peta dan menyebutkan bahwa di pesisir barat Sumatera ada barousai yang dikenal sebagai penghasil wewangian dari kapur. 43

27 Sumber Kapur Barus Perlu diketahui bahwa pohon Kamfer (Cinnamomum camphora) termasuk dalam suku Lauraceae selain dari kayu manis (Cinnamomu iners). Tumbuhan ini dapat tumbuh di dataran tinggi, pegunungan, dengan ciri-cirinya sebagai berikut : 1. memiliki bau khas kulit manis 2. berkelamin ganda (diaceous) 3. pohon, tinggi lebih dri 40 meter 4. kulit batang coklat, dan memiliki retakan vertical 5. bunga majemuk berwarna kuning agak putih 6. buah hijau, setelah tua menjadi biru Gambar 2.7 Pohon Kapur Tumbuhan ini mengandung zat naftalena yang merupakan salah satu senyawa aromatik. Selain tumbuhan Cinnamomum campora pohon kapur atau Dryobalanops aromatica merupakan salah satu tanaman penghasil kapur barus atau kamper. Kapur barus dari pohon Kapur ini telah menjadi komoditi perdagangan internasional sejak abad ke-7 Masehi. Untuk mendapatkan kristal kapur barus dari Pohon Kapur dimulai dengan memilih, menebang, dan memotong-motong batang pohon Kapur (Dryobalanops aromatica). Potonganpotongan batang pohon Kapur kemudian dibelah untuk menemukan kristal-kristal kapur barus yang terdapat di dalam batangnya.[20] 44

28 Kapur Barus sebagai Zat Adiktif untuk Mening katkan Angka Oktan Kapur barus mengandung senyawa nafhtalena yang memungkinkannya menjadi aditif bensin untuk meningkatkan angka oktan. Kualitas oktan Kapur barus yang tinggi menunjukkan kemampuan yang baik dalam menghambat terjadinya knocking pada mesin, hal ini ditunjukkan dengan temperatur autoignition kapur barus yang tinggi yaitu 4660C. Hal ini berarti kapur barus mampu dipanaskan hingga temperatur yang lebih tinggi. Kapur barus memilki sifat pembakaran yang baik, mudah menguap sehingga tidak meninggalkan getah padat pada bagian-bagian mesin. Penggunaan Naftalena sebagai aditif memang belum terkenal karena masih dalam tahap penelitian. Sampai saat ini memang belum diketahui akibat buruk penggunaan naftalena terhadap lingkungan dan kesehatan, namun ia relatif aman untuk digunakan. Naftalena merupakan salah satu jenis hidrokarbon polisiklik aromatik. Naftalena digunakan sebagai reaksi intermediet dari berbagai reaksi kimia industri, seperti reaksi sulfonasi, polimerisasi, dan neutralisasi. Selain itu, naftalena juga berfungsi sebagai fumigan (kamper, dsb), surfaktan, dan sebagainya.[19] 45