BAB II KAJIAN PUSTAKA. 2.1 Gas Buang Pada Motor Bakar Pembakaran Dalam

Transkripsi

1 BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Gas Buang Pada Motor Bakar Pembakaran Dalam Untuk meningkatkan unjuk kerja mesin perlu dilakukan penelitian lebih lanjut seperti halnya perbaikan sistem aliran gas buang, karena gas buang dapat dimanfaatkan kembali untuk menurunkan temperatur pembakaran yang sangat tinggi. Dengan pemanfaatan kembali sejumlah tertentu gas buang dimungkinkan adanya dampak yang lebih baik terhadap kualitas emisi gas buang itu sendiri. Penggunaan exhaust gas recirculation(egr) dianjurkan sebagai metoda untuk menigkatkan unjuk kerja mesin pada beban rendah dan mengurangi emisinya (Selim M. Y. E., 2003). Penggunaan EGR pada mesin Diesel berbahan bakar Biodiesel mampu menurunkan senyawa CO dan HC dalam emisi gas buang (Pay Kani, et al.,2011) Berdasarkan Abd-Alla G. H., 2001, pemanfaatan EGR, memungkinkan diperolehnya gas buang dengan konsentrasi gas NO yang lebih rendah. Jaffar Hussain et al., 2012 meneliti efek dari Exhaust Gas Recirculation (EGR) terhadap kinerja motor bakar torak tiga silinder dan karakteristik emisinya, didapatkan hasil penurunan Nox dan suhu yang lebih rendah di knalpot kendaraan. Dalam Alain Maiboom et al.,2008, laju aliran EGR yang tinggi dan tekanan yang konstan sebagai suatu cara menurunkan NO x secara drastis, tetapi meningkatkan brake specific fuel consumption (BSFC) dan emisi lainnya seperti CO dan HC. 5

2 6 Mohsen Ghazikhani et al., (2014) melalui investigasi eksperimental suhu knalpot dan pengaruh rasio emisi dan kinerja mesin bensin-etanol dua-langkah didapatkan hasil yang paling menonjol dengan etanol aditif yang mengurangi polusi CO yang dihasilkan sebesar 35%. Pada penelitian tentang pengaruh perbandingan kompresi dan EGR, terhadap performa, pembakaran dan emisi, mesin Diesel Injeksi Langsung, menunjukkan, dengan meningkatkan perbandingan kompresi mesin dan EGR, memberikan hasil pada adanya peningkatan performansi (Kumar, et al, 2013) Sementara dalam, Panu Karjalainen et al., (2014) yang meneliti tentang partikel gas buang kendaraan bensin modern: di laboratorium dan di lapangan, penelitian ini menunjukkan bahwa kendaraan bensin modern dapat memancarkan empat jenis partikel gas knalpot. Perbedaan karakteristik partikel dan pembentukan harus diperhitungkan dalam pengembangan strategi dan teknologi kontrol emisi, dalam penilaian dampak emisi partikel terhadap lingkungan dan kesehatan manusia. Emisi gas buang motor diesel sangat berbahasya, mengandung hampir 40 polutan yang membahayakan, campuran partikel karbon yang amat kecil ukurannya, kurang dari satu micrometer (micron), dalam(john et al., 2006) Aktivitas kendaraan bermotor menghasilkan emisi gas buang sebagai akibat dari pembakaran bahan bakar minyak yang terjadi dalam mesin. Semakin baik sistem pembakaran tersebut, akan semakin baik pula kualitas emisi gas buangnya, karena kadar polutannya akan lebih rendah bila dibandingkan dengan gas buang yang berasal dari industri. Artinya, kalau pembakaran dalam mesin

3 7 terjadi dengan sempurna, maka gas buang akan mengandung lebih sedikit polutan atau bahan bahan yang bersifat racun. Tetapi mesin kendaraan belum dapat menghasilkan sistem pembakaran yang sempurna karena beberapa sebab, baik yang bersifat teknis maupun non teknis, seperti kondisi pengemudian, jenis mesin, alat pengendali emisi, bahan bakar, suhu operasi dan faktor lain yang semuanya itu membuat pola emisi gas buang kendaraan bermotor menjadi rumit, sehingga masih ada bahan bakar yang menjadi sisa yang belum terbakar secara sempurna ( A. Tri Tugaswati, 1998). Walaupun emisi gas buang kendaraan bermotor terutama terdiri dari senyawa yang tidak berbahaya seperti Nitrogen, Karbon Dioksida, dan Uap Air, tetapi di dalamnya terkandung juga senyawa lain dengan jumlah cukup besar yang dapat membahayakan kesehatan maupun lingkungan serta partikel debu (A. Tri Tugaswati) Adanya reaksi di udara yang mengubah Nitrogen Monoksida (NO) menjadi Nitrogen Oksida(NO 2 ) yang lebih reaktif dan reaksi kimia antara berbagai Oksida Nitrogen dengan senyawa Hidrokarbon yang menghasilkan Ozon dan Oksidasi lainnya, yang dapat menyebabkan asap awan fotokimia (photochemical smog). yang dapat menyebabkan mata perih, sakit tenggorokan dan paru serta mengakibatkan sesak nafas. Bahaya ini, khususnya terkait dengan anak-anak, orang tua dan mereka yang menderita sakit jantung dan paru (Great, 1994).

4 8 Dengan rekayasa resirkulasi gas buang yang dilakukan dalam penelitian ini, diharapkan mampu memberikan kontribusi pada usaha menurunkan emisi gas buang yang merugikan kesehatan manusia dan juga mampu meningkatkan unjuk kerja mesin. 2.2 Motor Bakar Motor bakar adalah mesin atau pesawat tenaga yang merupakan mesin kalor dengan menggunakan energi thermal dan potensial untuk melakukan kerja mekanik dengan merubah energi kimia dari bahan bakar menjadi energi panas (thermal) dan potensial sehingga menghasilkan energi mekanik. Motor bakar torak menggunakan beberapa gerak mesin yang di dalamnya terdapat torak yang bergerak bolak-balik dan bergerak putar (rotary engine). Dimana di dalam silinder terjadi pembakaran campuran antara udara dengan bahan bakar dengan merubah tenaga panas dan potensial menjadi tenaga gerak sehingga proses tersebut mampu menggerakkan torak yang oleh batang penggerak dihubungkan ke poros engkol Klasifikasi Motor Bakar Berdasarkan jenis bahan bakar yang umum digunakan motor bakar digolongkan atas dua, yaitu : 1. Motor bakar bensin dengan penyalaan loncatan bunga api dari busi. 2. Motor bakar diesel dengan penyalaan kompresi. Berdasarkan proses dan prinsip kerja motor bakar dapat dibedakan atas dua bagian, yaitu : 1. Motor bakar 2 langkah (2 tak).

5 9 2. Motor bakar 4 langkah (4 tak). Pada motor bakar empat langkah ini, untuk menghasilkan satu kali langkah kerja diperlukan empat kali langkah torak dan dua kali putaran poros engkol. Keuntungannya : Pergantian gas hasil pembakaran dan udara sangat baik karena memiliki langkah tersendiri. Pemakaian bahan bakar lebih hemat dan putaran mesin lebih halus. Kerugiannya: Perawatan yang lebih teliti karena dilengkapi dengan mekanisme katup. Adapun prinsip kerja pada motor bensin 4 langkah hampir sama dengan prinsip kerja pada motor diesel 4 langkah. Di bawah ini disajikan gambar yang berkenaan dengan proses/langkah yang dilalui sebuah mesin bensin empat langkah dalam satu siklusnya. Gambar 2.1. Prinsip Kerja Motor Bensin 4 langkah Sumber : Nakoela Soenarta dan Shoici Furuhama, h. 7

6 10 Keterangan gambar : a. Langkah Isap Piston bergerak dari TMA ke TMB dimana katup isap terbuka dan katup buang tertutup, campuran bahan bakar dan udara (gas baru) masuk ke dalam silinder melalui saluran isap. b. Langkah Kompresi Pada langkah ini torak yang bergerak dari TMA ke TMB dimana katup Isap dan katup Buang tertutup, campuran bahan bakar dan udara mengalami pemampatan (kompressi) secara adiabatik sehingga tekanan dan temperatur gas meningkat. c. Langkah Kerja Gas yang bertekanan tinggi mendorong torak dari TMA ke TMB berlangsung secara adiabatis/isentropis. Pada saat itu katup isap dan katup buang tertutup akibatnya peristiwa ini menghasilkan tenaga gerak (mekanis) pada motor. d. Langkah Buang Gas bekas dan panas yang masih berada di dalam silinder didorong torak dari TMB ke TMA keluar melalui katup buang yang terbuka dengan sendirinya, sehingga tekanan gas sama dengan tekanan udara luar dan peristiwa ini berlangsung secara volume tetap. Semua proses di atas berlangsung secara terus menerus dan berulang-ulang untuk membentuk siklus yang tertutup selama motor bakar bekerja.

7 Pembakaran dan Gas Buang Pembakaran terjadi karena ada tiga komponen yang bereaksi, yaitu bahan bakar, oksigen dan panas. Jika salah satu komponen tersebut tidak ada maka tidak akan timbul reaksi pembakaran. Gambar 2.2 Proses Pembakaran Sempurna Sumber : Analisa Kinerja Mesin Bensin Berdasarkan Hasil Uji Emisi, h Hukum Termodinamika dalam Mesin Otto Empat Langkah Siklus Otto adalah siklus termodinamika yang paling banyak digunakan dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto. Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin pembakaran dalam empat langkah di atas biasa dijelaskan seperti ini : Ketika terjadi proses pembakaran, energi potensial kimia dalam bensin ditambahi energi dalam udara berubah menjadi kalor atau panas. Sebagian kalor berubah menjadi energi mekanik batang piston dan poros engkol, sebagian kalor dibuang melalui pipa pembuangan (knalpot). Sebagian besar energi mekanik batang piston dan poros engkol berubah menjadi energi mekanik kendaraan (kendaraan bergerak), sebagian kecil berubah menjadi kalor atau panas sedangkan panas timbul akibat

8 12 adanya gesekan. Secara termodinamika, siklus Otto memiliki 4 buah proses termodinamika yang terdiri dari 2 buah proses isokhorik (volume tetap) dan 2 buah proses adiabatis (kalor tetap). Dengan Proses yang terjadi adalah : Gambar 2.3 Diagram P-V Sumber : en.wikipedia.org/otto_cycle#diagram for_otto_cycle-stages Dari diagram P-V di dalam halaman sebelumnya, 1-2 :Kompresi adiabatis 2-3 : Pembakaran isokhorik 3-4 : Ekspansi / langkah kerja adiabatis 4-1 : Langkah buang isokhorik 2.4 Kondisi Overlapping Kerja Katup Motor Bensin Pada setiap mesin bensin empat langkah akan terdapat paling sedikit sepasang katup pada setiap silindernya, yakni satu katup Isap dan satu katup Buang. Pada saat mesin hidup, katup tersebut akan mengalami kondisi atau periode "katup tumpang tindih"(overlap) pada akhir langkah buang dan awal langkah Isap, dimana kedua katup terbuka. Katup Isap dibuka sebelum gas buang

9 13 telah benar-benar meninggalkan silinder, dan kecepatan yang cukup membantu dalam mengisap masuk campuran baru, bahan bakar dan udara. 2.5 Unjuk Kerja Siklus Gambar 2.4 Diagram Katup Sumber : Joel Rayner, h. 512 Dari sejumlah proses yang telah diuraikan berdasarkan diagram P-V diatas kemudian dapat dituliskan hubungan antar parameter yang ada dalam sistem yang bekerja dengan siklus tersebut. Dengan mengetahui kondisi awal(p 1, V 1 da, T 1 ), maka dapat dilakukan penyelesaian untuk menghitung efisiensinya. Dari proses yang berlangsung pada siklus ini, berlaku : T 1 /T 2 = (V 1 /V 2 ) (γ-1)...1 Sehingga dapat diperoleh : ( ) = T 1 r (γ-1) v...2 Juga berlaku P 1 V γ 1 = P 2 V γ dimana : T 1 ; V 1 = Temperatur dan Volume di titik 1 T 2 ; V 2 = Temperatur dan Volume di titik 2 r v = Perbandingan kompresi

10 14 Dengan memperhatikan V 3 = V 2 P 3 /T 3 =P 2 /T Sehingga...5 ( )...6 Maka :...7 Untuk, maka ( )...8 Dari proses volume konstan titik 4-1,,...9 Karenanya dapat dilihat juga bahwa Proses yang berlangsung sepanjang titik 3-4, adalah proses ekspansi adiabatik atau isentropik, dimana fluida kerja melakukan kerja. Sedangkan pada proses yang berlangsung sepanjang titik 1-2, adalah proses kompresi adiabatik, dimana fluida kerja memerlukan kerja dari luar sistem. Kerja dalam siklus dapat diperoleh dengan menghitung kerja yang dihasilkan proses ekspansi dikurangi kerja selama proses kompresi, sebagai, = Luas dibawah kurva 3-4 Luas di bawah kurva 1-2. =...10

11 15 =...11 (untuk PV = mrt) Menghitung kerja tiap siklus juga dapat ditentukan dengan ; = Kalor Masuk dikurangi Kalor Yang Dibuang. Kalor diterima/masuk dalam proses 2-3 adalah : Kalor yang dibuang dalam proses 4-1 adalah : Efisiensi termal siklus = = = = Bentuk atau Susunan Perpindahan Panas Susunan Perpindahan Panas yang di bahas pada rancangan ini adalah Perpindahan Panas Dinding Berbentuk Pipa Perpindahan panas adalah energi yang berpindah karena adanya perbedaan temperatur, bahwa besarnya laju perpindahan kalor untuk sebuah pipa yang panjangnya L, ( )...13 Besarnya Tahanan termal untuk sejumlah (n) lapis dinding silinder, ( ) ( )...14

12 16 Pada bentuk dengan konfigurasi geometri tertentu diperlukan pendekatan mengikuti geometri saluran yang ada. Seperti diuraikan tentang laju aliran panas dalam Ҫengel Yunus A.,2004, dimana...15 Dengan : = Laju aliran panas (W) S = Faktor bentuk konduksi (m) k = Konduktivitas thermal medium (W/m. o C) 2.7 Reaksi Kimia Pembakaran Dalam proses pembakaran maka tiap macam bahan bakar selalu membutuhkan sejumlah udara tertentu agar bahan bakar tadi dapat dibakar secara sempurna. Sebagai contoh. dengan bahan bakar bensin, maka untuk dapat membakar sempurna dibutuhkan udara kira-kira 15 kali berat bahan bakarnya, atau kira-kira 60 kali isinya, bila bahan bakar tadi menjadi gas. Ini dapat ditelusuri dari persamaan kimia pada pembakaran iso oktan (C 8 H 18 ). C 8 H 18 12,5 (O 2 + 3,76 N 2 ) 8 CO 2 + 9H 2 O + 47N 2 1 mol, + Udara 59,5 mol, Gas terbakar 64 mol, g 1716 g 1831 g 1212 kcal Nilai kalor 114 g Bahan bakar Besaran di atas diperoleh dari berat atom C, H,O dan N. Volume gasnya juga dapat dihitung dari volume tiap mol pada suhu dan tekanan normal yang besarnya 22,4 liter. Tiap liter dari campuran gas itu menghasilkan panas kira-kira 0,9 kcal. Perkalian antara nilai panas ini dengan efisiensi thermis merupakan daya satu liter dari pada motor otto. Dalam praktek nilai ini hampir sama bagi berbagai macam bahan bakar seperti alkohol. Untuk 1 gram bensin menghasilkan panas 10,6 kcal, karena demikian bensin 1 liter yang massanya 740 g menghasilkan 7.850

13 17 kcal/liter. Perbandingan udara dan bahan bakar seperti diuraikan di atas adalah perbandingan teoritis atau perbandingan stoichiometric. Biasanya perbandingan ini ditentukan dengan beratnya. 2.8 Pembangkitan Daya Melalui Mekanisme Engkol Daya yang dihasilkan motor dengan siklus Otto ( dalam penelitian ini, Bensin) diperoleh dari hasil pembakaran bahan bakar dan udara yang telah ditekan(dikompresi) oleh torak dan menghasilkan gas dengan temperatur dan tekanan tinggi. Gas yang bertekanan tinggi ini, mendorong torak menggerakkan mesin agar berputar. Usaha dan Daya sebagai berikut ditentukan : Usaha = Gaya(tekanan gas x luas penampang torak) x jarak gerak Pada gambar 2.5 di bawah ini tampaak mekanisme Engkol yang mengubah bolakbalik torak menjadi berputar yang mudah dimanfaatkan. Apabila tekanan gas besarnya sebagai p, maka gaya gaya P yang bekerja pada torak, besarnya : P = 0,785 D 2 p.(16) Gaya ini diuraikan menjadi komponen R, yang tegak lurus dinding dan komponen F yang bekerja searah dengan tangkai torak dan membuat sudut Ø dengan garis vertikal(geseran antara torak dan dinding silinder diabaikan). Kalau momen torsi menggerakkan mesin, maka dudukan mesin harus dapat menahan reaksinya yang mempunyai persamaan sebagai : Tr = Rh... (17)

14 18 Gaya R, mendorong torak sedemikian rupa, sehingga bergerak di dalam silinder dari satu sisi ke sisi lainnya dan membentur di dinding silinder. Fenomena ini dinamakan pukulan torak, yang merupakan sumber suara gaduh yang kasar. 2.9 Metode Uji Dynamometer Gambar 2.5 Mekanisme Poros Engkol Sumber : Nakoela Soenarta h. 13 Mesin, digunakan untuk menggerakkan elemen elemen lainnya. Torsi, yang biasanya diukur dalam Nm(Newton meter), diukur dengan memasang perangkat pengukur yang disebut Dynamometer, yang telah berkembang bentuk dan jenisnya. Bentuk Rope Brake dan Prony Brake, telah jarang dipergunakan, hanya digunakan dalam ilustrasi untuk memahami prinsip dasar saja. Jenis rope brake, talinya melingkar mengelilingi roda gila (flywheel), pangkalnya diikat dan ujung lainnya dibebani, seperti gambar di halaman berikut.

15 19 Gambar 2.6 Rope Brake Sumber Joel Rayner, h. 572 Jenis rope brake ini, biasanya hanya untuk kecepatan putar yang relatif rendah. Pendinginan diperlukan untuk menjaga suhu flywheel tetap rendah. Perhitungannya mengikuti : D = Diameter flywheel, m d = diameter rope, m M = load mass, kg m s = spring balance reading, kg T = Torsi yang bekerja, diperoleh dari Gaya tangensial yang bekerja dalam jarijari flywheel x jari-jari, dimana gaya tersebut bekerja. Sehingga perhitungan torsi menjadi :. Karena d, diasumsikan sangat kecil, sehingga.

16 20 Jenis lain yakni Prony Brake, dimana padanya terdapat sepatu rem(brake shoes),yang dipergunakan untuk menjepit bagian roda gila(flywheel), sementara kekuatan menjepit akan diatur dengan mengencangkan atau mengendurkan mur penguncinya. Batang beban (load bar), digantungkan sejumlah massa dan batang beban harus tetap dapat dipertahankan pada posisi horizontal. Seperti halnya rope brake, dalam prony brake juga diperlukan pendinginan untuk menjaga temperatur flywheel tetap rendah. Dengan M = Massa dalam gantungan, kg Gambar 2.7 Prony Brake Sumber : Joel Rayner, h. 573 r = jarak antara pusat flywheel dan gantungan, m T = Torsi yang terjadi, Nm Maka akan dapat dihitung torsi sebagai : T = 9.81 M.r

17 21 Gambar 2.8 Pengukuran Daya Motor Sumber : Nakoela Soenarta h.17 Gambar 2.8 menunjukkan peralatan yang digunakan untuk mengukur nilai yang berhubungan dengan keluaran motor pembakaran. Suatu dynamometer mengukur hasil motor pembakaran yang seimbang dengan hambatan atau beban pada kecepatan putaran (n) konstan. Kalau kecepatan putar (n) berubah, maka motor pembakaran menghasilkan daya untuk mempercepat atau memperlambat bagian yang berputar, dan daya ini tidak dapat ditunjukkan oleh dynamometer. Biasanya motor pembakaran ini dihubungkan dengan dynamometer, dengan maksud mendapatkan keluaran dari motor pembakaran dengan cara menghubungkan poros motor pembakaran dengan poros dynamometer menggunakan kopling elastik Laju Aliran Massa dalam Gas Buang Sistem pembuangan gas hasil pembakaran suatu motor bakar, bekerja dengan pendekatan persamaan Bernoulli. Persamaan Bernoulli dinyatakan sebagai konstan sepanjang garis-arus...(2-18)

18 22 Laju aliran massa ( )= Sistem pembuangan dalam kendaraan bermotor dirancang untuk menghantarkan gas hasil pembakaran dari ruang bakar menuju udara luar/atmosfir. Untuk mengurangi dampak ekspansi gas buang ke udara secara tiba-tiba, saluran buang disertai dengan peredam suara, untuk mereduksi frekuensi tinggi yang dihasilkan gas buang tersebut. Dalam merancang knalpot harus dilakukan dengan cermat baik dalam menentukan bentuk maupun ukurannya, karena akan sangat berpengaruh pada sifat akustik yang diperoleh dan juga berkaitan dengan tekanan balik yang dapat direduksinya. Gambar 2.9 Knalpot Yamaha MIO-J