BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Teori Motor Bakar. Motor bakar torak merupakan internal combustion engine, yaitu mesin yang fluida kerjanya dipanaskan dengan pembakaran bahan bakar di ruang mesin tersebut. Fluida kerja motor bakar torak adalah udara. Motor bakar torak mempergunakan beberapa silinder yang didalamnya terdapat torak yang bergerak translasi (bolakbalik). Didalam silinder itulah terjadi pembakaran antara bahan bakar dengan oksigen dari udara. Gas pembakaran yang dihasilkan oleh proses tersebut mampu menggerakkan torak yang oleh batang penghubung (batang penggerak) dihubungkan dengan poros engkol. Gerak translasi torak tadi menyebabkan gerak rotasi pada poros engkol dan sebaliknya. Pada motor bakar tidak terdapat proses perpindahan kalor dari gas pembakaran ke fluida kerja, karena itu jumlah komponen motor bakar lebih sedikit dari pada komponen mesin lainnya. Disamping itu temperatur seluruh bagian mesinnya jauh lebih rendah daripada temperatur gas pembakaran yang maksimum sehingga motor bakar torak bisa lebih efisien. Motor bakar torak terbagi menjadi dua jenis utama, yaitu : motor bensin (otto) dan motor diesel,namun yang akan dibahas mengenai motor bensin (otto) 7

2 2.2 Motor Bensin Empat Langkah Motor yang membutuhkan empat langkah torak dan dua kali putaran poros engkol untuk menyeleseikan satu siklus kerja dinamakan motor empat langkah. Empat langkah tersebut adalah langkah hisap dan langkah kompresi pada putaran poros pertama dan langkah ekspansi/usaha/kerja dan langkah buang pada putaran poros kedua. Keempat langkah terjadi terus menerus dan berulang-ulang membentuk siklus yang dinamakan siklus kerja (lihat gambar 2.2). Gambar 2.1 Siklus kerja motor empat langkah (sumber: ilmuteknik-kurniatullah.blogspot.com) Kepala silinder motor empat langkah selain berguna untuk menempatkan busi pemercik api, juga terdapat saluran masuk dan saluran buang yang pembukaan dan penutupan saluran diatur oleh masing-masing satu buah katup. Katup pada saluran masuk disebut katup hisap dan katup pada saluran buang disebut katup buang. Katup hisap memisahkan ruang silinder dengan atmosfir melalui saluran masuk dan pengabut bahan bakar yang disebut karburator, sedang katup buang memisahkan 8

3 ruang silinder dengan udara terbuka (atmosfir) melalui saluran buang dan knalpot (muffler) Prinsip Kerja Motor Bensin Empat Langkah Motor bensin empat langkah membutuhkan empat langkah torak untuk menyelesaikan satu siklus kerja, yaitu langkah hisap, kompresi, kerja dan buang. Setiap langkah pada masing-masing kerja terjadi begitu teratur bergantian dan tidak terjadi penumpukan langkah untuk masing-masing gerakan torak. Selain melalui cara kerja, motor bensin empat langkah juga dapat ditinjau melalui siklus Otto Ideal,. Siklus ini dapat digambarkan dengan grafik P V. Langkah langkah yang terjadi pada motor bensin 4 langkah dapat dilihat pada gambar 2.3 dibawah ini: Gambar 2.2 Diagram P V siklus Otto Ideal (sumber Arismunandar, 2002:15 ) 9

4 Langkah langkah yang terjadi pada motor bensin 4 langkah adalah : 1. Langkah hisap Pada langkah hisap ( 0 1 ), Langkah hisap bahan bakar dimana torak bergerak turun dari TMA (Titik Mati Atas) menuju ke TMB (Titik Mati Bawah) dengan posisi katup hisap terbuka dan katup buang tertutup. Akibat dari langkah piston turun ini maka campuran bahan bakar dengan udara akan terhisap ke dalam ruang bakar.. 2. Langkah kompresi Pada langkah kompresi ( 1 2 ), campuran udara dan bahan bakar yang berada di dalam silinder dimampatkan oleh torak, dimana torak bergerak dari TMB menuju TMA, kedua katup hisap dan buang dalam keadaan menutup rapat. Karena ruang silinder tertutup dan pergerakan torak membuat volume ruang silinder semakin kecil, maka campuran gas segar termampatkan yang mengakibatkan tekanan tinggi dan temperatur tinggi. Sesaat sebelum torak mencapai TMA ( 8 o sebelum TMA) busi memercikkan bunga api, sehingga campuran bahan bakar dan udara yang dikompresikan pada tekanan tinggi dan temperatur tinggi meledak dan terbakar akibatnya terjadi pemasukan panas pada langkah ( 2-3 ). 3. Langkah Kerja Pada langkah usaha ( 3 4 ), Dalam gerakan ini, campuran udara bensin yang dihisap telah dibakar dan menyebabkanterbakar dan menghasilkan tenaga yang mendorong torak ke bawah meneruskan tenagapenggerak yang nyata. Selama gerak ini katup hisap dan katup buang masih tertutup. Torak telahmelakukan tiga langkah dan poros engkol berputar satu setengah putaran.cepat. 10

5 4. Langkah Buang Pada langkah buang ( 4 1 ) Dalam gerak ini, torak terdorong ke bawah, ke TMB dan naik kembali ke TMA untuk mendorong gas-gas yang telah terbakar dari silinder. Selama gerak ini kerja katup buang saja yang terbuka. Bila torak mencapai TMA sesudah melakukan pekerjaan seperti di atas, torak akan kembali pada keadaan untuk memulai gerak hisap. Sekarang motor telah melakukan 4 gerakan penuh, hisap-kompresi-kerja-buang. Poros engkol berputar 2 putaran, dan telah menghasilkan satu tenaga. Di dalam mesin sebenarnya, membuka dan menutupnya katup tidak terjadi tepat pada TMA dan TMB, tetapi akan berlaku lebih cepat atau lambat, ini dimaksudkan untuk lebih efektif lagi untuk aliran gas. 2.3 Prinsip Kerja Motor Bensin Dua Langkah Yang dimaksud dengan motor bensin 2 tak adalah setiap 2 kali langkah piston atau 1kali putaran poros engkol menghasilkan 1 kali langkah usaha 11

6 Gambar 2.3. Motor bensin 2 tak P (sumber: ilmuteknik-kurniatullah.blogspot.com) Pada prinsipnya langkah yang terjadi pada motor bensin 2 tak dan 4 tak adalah langkah hisap, kompresi, usaha dan buang, pada motor 2 tak langkah isap dam kompresi bersamaan dalam 1 langkah sedangkan usaha dan buang dalam 1 langkah. 12

7 2.4 Parameter Yang Mempengaruhi Kemampuan Mesin Yang dimaksud dengan kemampuan mesin adalah prestasi dari suatu mesin yang erat hubungannya dengan daya mesin yang dihasilkan serta daya guna dari mesin tersebut. Ada beberapa parameter yang mempengaruhi kemampuan mesin yang dapat diperincikan sebagai berikut : Volume Langkah Torak, (V L ) Volume langkah torak dari seluruh silinder pada suatu mesin diukur dari TMA sampai TMB. Volume langkah ini selanjutnya akan mempangaruhi volume gas yang masuk ke seluruh silinder, sedangkan gas yang masuk ini nantinya akan menghasilkan energi pembakaran setelah gas tersebut dibakar. Apabila gas yang masuk jumlahnya banyak maka energi yang dihasilkan juga besar. Harga volume langkah torak dapat ditentukan dari persamaan dibawah ini, apabila diketahui ukuran-ukuran langkahnya dan diameter silindernya. V L 2 D 2 L Dimana : V L = Volume langkah, (cm 3 ) D = Diameter silinder, (cm) L = Langkah piston, (cm) z = Jumlah silinder 13

8 2.4.2 Perbandingan Kompresi Perbandingan kompresi menunjukkan berapa banyak campuran udara-bahan bakar yang dihisap selama langkah hisap dikompresikan dalam silinder selama langkah kompresi. Dengan kata lain perbandingan kompresi adalah perbandingan dari silinder dan volume ruang bakar dengan torak pada posisi TMB dengan volume ruang bakar dengan torak TMA. Dan nilainya dapat dihitung sebagai berikut : VolumeRuangBakar( V1 ) VolumeSilinder( V2 ) Perbandingan Kompresi = VolumeRuangBakar( V ) Harga besar dari perbandingan kompresi pada suatu mesin sangat bergantung kepada besarnya volume ruang bakar dimana apabila volume ruang bakar mengecil maka harga perbandingan kompresi membesar atau sebaliknya. Apabila harga perbandingan kompresi besar, maka akan besar pula harga tekanan kompresinya yang selanjutnya akan menaikkan tekanan pembakarannya. Setelah diketahui sebelumnya bahwa apabila tekanan pembakaran membesar, maka daya mesin yang dihasilkan juga besar Momen Torsi Momen Torsi diperoleh dari hasil pengukuran BHP (Daya) pada dinamometer dan tachometer untuk mengukur kecepatan putaran (rpm) pada poros engkol, Momen torsi dapat dihitung dengan rumus (sumber : daftar pustaka No.1 hal 72) 14

9 Dimana : BHP M t n π = Daya poros efektif, (kw) = Momen torsi, (Nm) = Putaran mesin, (rpm) = phi (konstanta) Tekanan Efektif Rata-rata, (BMEP) Tekanan efektif rata-rata didefinisikan sebagai tekanan efektif dari fluida kerja terhadap torak sepanjang langkahnya untuk menghasilkan kerja persiklus, yang dapat dihitung dengan menggunakan rumus (sumber : daftar pustaka No.1 hal 72) Keterangan : BMEP = Tekanan efektif rata-rata, (kg/cm 2 ) BHP = Daya poros, (kw) V L = Volume langkah torak, (m 3 ) z n a = Jumlah silinder, = Putaran poros mesin, (rpm) = Jumlah siklus perputaran, ( a = 0,5 untuk motor 4 langkah) 15

10 2.4.5 Pemakaian Bahan Bakar, (FC) Pemakaian bahan bakar dinyatakan dalam kg/ltr untuk mencari besarnya pemakaian bahan bakar dalam Kilogram per Liter, maka digunakan rumus sebagai berikut : (sumber : daftar pustaka No.1 hal 72) Dimana : M f V bb t bb = Laju aliran massa bahan bakar, (kg/jam) = Pemakaian bahan bakar, (cc) = Waktu pemakaian bahan bakar per 30 cc, (detik) bb = Massa jenis bahan bakar bensin, (0,73 gr/cm 3 ) Pemakaian Bahan Bakar, (M f ) Pemakaian bahan bakar dinyatakan dalam kg/jam, untuk mencari besarnya pemakaian bahan bakar, maka digunakan rumus sebagai berikut : (sumber : daftar pustaka No.1 hal 72) 16

11 Dimana : M f = Laju aliran massa bahan bakar, (kg/jam) V bb =Volume bahan bakar, (m 3 ) t bb = Waktu pemakaian bahan bakar per 100 cc, (detik) bb = Massa jenis bahan bakar bensin, (0,73 kg/m 3 ) Pemakaian Bahan Bakar Spesifik, (BSFC) Pemakaian bahan bakar spesifik merupakan parameter yang berhubungan erat dengan efisiensi thermal motor. Pemakaian bahan bakar spesifik ini didefinisikan sebagai banyaknya bahan bakar yang terpakai setiap jam untuk menghasilkan setiap kw dari daya motor, dapat dihitung dengan rumus Dimana : (sumber : daftar pustaka No.1 hal 72) BSFC = Pemakaian bahan bakar spesifik, (kg/jam.kw) M f BHP = Laju aliran mass bahan bakar, (kg/jam) = Daya poros (kw) Parameter biasanya dipakai sebagai ukuran ekonomis pemakaian bahan bakar karena B e menyatakan banyaknya bahan bakar yang terpakai pada setiap jam untuk 17

12 setiap daya yang dihasilkan. Harga BSFC yang lebih rendah merupakan efisiensi yang lebih tinggi. 2.5 Bahan Bakar Bensin Bensin digunakan sebagai sumber bahan bakar dalam pengapian untuk menggerakkan piston dan selanjutnya dilanjutkan oleh tangkai rod untuk memutar crankshaft. Bensin akan masuk dari karburator saat proses hisap, yang selanjutnya akan dibakar setelah dimampatkan untuk menghasilkan tenaga untuk menggerakkan mesin. Ada beberapa contoh bensin yang sering dikenal oleh masyarakat umum, yaitu : bensin oktan 88, bensin oktan 92, dan bensin oktan 95. Ada beberapa parameter yang dugunakan untuk menentukan kelayakan atau mutu dari suatu bensin berdasarkan sifat fisika dan kimia antara lain: a. Angka Oktan b. Distilasi c. Tekanan uap d. Massa jenis e. Korosi Bilah Tembaga dll Biofuel Biofuel adalah bahan bakar berupa padatan, cairan ataupun gas yang dihasilkan dari bahan-bahan organik. Biofuel dapat dihasilkan secara langsung dari tanaman atau secara tidak langsung dari limbah industri, komersial, atau pertanian. Ada tiga cara untuk pembuatan biofuel antara lain pembakaran limbah organik kering (seperti buangan rumah tangga, limbah industri dan pertanian), fermentasi 18

13 limbah basah (seperti kotoran hewan) tanpa oksigen untuk menghasilkan biogas, atau fermentasi tebu atau jagung untuk menghasilkan alkohol dan ester serta energi dari hutan (menghasilkan kayu dari tanaman yang cepat tumbuh sebagai bahan bakar). Biofuel menawarkan kemungkinan memproduksi energi tanpa meningkatkan kadar karbon di atmosfir karena berbagai tanaman yang digunakan untuk memproduksi biofuel mengurangi kadar karbondioksida di atmosfir, tidak seperti bahan bakar fosil yang mengembalikan karbon yang tersimpan di bawah permukaan tanah selama jutaan tahun ke udara. Dengan begitu biofuel lebih bersifat karbon netral dan sedikit meningkatkan konsentrasi gas-gas rumah kaca di atmosfir (meski ada keraguan apakah keuntungan ini bisa dicapai di dalam prakteknya atau tidak). Penggunaan biofuel akan mengurangi ketergantungan pada minyak bumi serta meningkatkan keamanan energi Ethanol Bahan bakar ethanol merupakan biofuel paling umum di dunia, bahan bakar alkohol ini diproduksi dengan cara fermentasi gula yang dihasilkan dari gandum, jagung, sugar beet, sugar cane, molasses dan gula atau starch yang dapat dibuat minuman beralkohol (seperti kentang dan sisa buah, dll). Produksi ethanol menggunakan digesti enzyme untuk menghasilkan gula dari starch, fermentasi gula, distilasi dan pengeringan. Proses ini membutuhkan banyak energi untuk pemanasannya. Ethanol dapat digunakan dalam mesin bensin sebagai pengganti bensin, ethanol dapat dicampur dengan bensin dengan persentase tertentu. Kebanyakan mesin bensin dapat beroperasi menggunakan campuran ethanol sampai 15% dengan bensin. Bensin dengan ethanol memiliki angka oktan yang lebih tinggi, yang berarti 19

14 mesin dapat terbakar lebih panas dan lebih efisien. Ethanol sangat korosif terhadap sistem pembakaran, selang dan gasket karet, aluminum, dan ruang pembakaran.. Untuk campuran ethanol konsentrasi tinggi atau 100%, maka mesin perlu dilakukan modifikasi. Ethanol yang menyebabkan korosif tidak dapat disalurkan melalui pipa bensin, oleh karena itu diperlukan truk tangki stainless-steel yang lebih mahal, meningkatkan konsumsi biaya dan energi yang dibutuhkan untuk mengantar ethanol ke konsumen. Banyak produsen kendaraan sekarang ini memproduksi kendaraan bahan bakar fleksibel, yang dapat beroperasi dengan kombinasi bioethanol dan bensin, sampai dengan 100% bioethanol. Tabel 2.1 Perbandingan Bahan Bakar Bahan Bakar Rumus Mr Kalor Pembakaran (kj mol ¹) Metana CH Propana C3H Butana C4H9OH Isobutana C4H9OH Metanol CH3OH Etanol C2H5OH Bensin C8H Minyak tanah C12H (sumber :energy biofuel ) 20