BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Landasan Teori Apabila meninjau mesin apa saja, pada umumnya adalah suatu pesawat yang dapat mengubah bentuk energi tertentu menjadi kerja mekanik. Misalnya mesin listrik, merupakan mesin yang kerja mekaniknya diperoleh dari sumber listrik. Sedangkan mesin gas atau mesin bensin adalah mesin yang kerja mekaniknya diperoleh dari sumber pembakaran gas atau bensin. Mesin bensin dikategorikan sebagai mesin kalor. Yang dimaksud dengan mesin kalor disini adalah mesin yang menggunakan sumber energi thermal untuk menghasilkan kerja mekanik, atau mesin yang dapat merubah energi thermal menjadi energi mekanik. Selanjutnya jika ditinjau dari cara memperoleh sumber energi thermal, jenis mesin kalor dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu, mesin pembakaran dalam (internal combustion engine) dan mesin pembakaran luar (external combustion engine). Yang dimaksud dengan mesin pembakaran dalam adalah mesin dimana proses pembakaran berlangsung didalam mesin itu sendiri, sedangkan yang dimaksud dengan mesin pembakaran luar adalah mesin dimana proses pembakarannya terjadi diluar mesin, energy thermal dari hasil pembakaran dipindahkan ke fluida kerja mesin melalui beberapa dinding pemisah. Mesin pembakaran dalam ini umumnya dikenal dengan sebutan motor bakar, contoh dari mesin kalor pembakaran dalam ini adalah, motor bakar torak dan sistem turbin gas. Selanjutnya jenis motor bakar torak itu sendiri terdiri dari dua bagian utama yaitu, motor bensin dikenal dengan mesin Otto dan mesin Diesel. 18
Perbedaan pokok antara kedua mesin ini adalah pada sistem penyalaannya. Pada motor bensin penyalaan bahan bakar dilakukan oleh percikan bunga api listrik dari antara kedua elektroda busi. Oleh karena itu motor bensin dikenal juga dengan sebutan Spark Ignition Engine. Didalam mesin diesel penyalaan bahan bakar terjadi dengan sendirinya, oleh karena itu bahan bakar disemprotkan kedalam ruang bakar yang berisi udara yang bertekanan dan bersuhu timggi. Bahan bakar itu terbakar dengan sendirinya oleh udara yang mengandung oksigen bersuhu melampaui suhu titik nyala (flash point) dari bahan bakar. Mesin ini dikenal juga dengan sebutan Compression Ignition Engine. 2.2. Prinsip kerja motor bensin Motor bensin dengan gerakan torak bolak balik (bergerak naik turun pada motor tegak). Motor bensin bekerja menurut prinsip 4 langkah teridiri dari : Langkah isap Piston bergerak dari TMA (titik mati atas) menuju titik mati bawah (TMB). katup isap terbuka, dan katup buang ditutup, karena terjadi tekanan dalam silinder terjadilah kevakuman pada waktu torak bergerak ke TMB (titik mati atas), selanjutnya campuran udara dan bahan bakar mengalir kedalam silinder melalui katup masuk untuk mengisi ruang silinder. 19
Gambar 2.1 Langkah hisap [14] Langkah Kompresi Setelah mencapai TMB (titik mati bawah), piston bergerak kembali menuju TMA (titik mati atas), dan kedua katup dalam keadaan tertutup. Dengan demikian campuran udara dan bahan bakar yang berada didalam silinder ditekan dan dimampatkan oleh torak yang bergerak ke TMA (titik mati atas), akibatnya tekanan dan suhu dalam silinder naik sehingga bahan bakar sangat mudah untuk terbakar. Gambar 2.2. Langkah kompresi [14] 20
Langkah kerja Pada saat piston bergerak dari TMA (titik mati atas) menuju TMB (titik mati bawah), katup isap dan katup buang ditutup. Sesaat piston menjelang titik mati atas, busi menyalakan percikan api seketika campuran udara dan bahan bakar terbakar secara cepat. Dengan terjadinya ledakan, maka menghasilkan tekanan sangat tinggi untuk mendorong piston ke TMB (titik mati bawah), sebagai tenaga atau usaha yang dihasilkan mesin. Gambar 2.3. Langkah usaha [14] Langkah buang Piston bergerak dari TMB (titik mati bawah) menuju TMA (titik mati atas). Katup isap tertutup dan katup buang terbuka. Pada proses ini gas yang telah dibakar dibuang oleh dorongan piston ke atas dan selanjutnya mengalir melalui katup buang. Pada posisi ini poros engkol telah berputar dua kali dalam satu siklus dari empat langkah. 21
Gambar 2.4. Langkah buang [14] Gambar 2.5. Prinsip kerja motor bensin 4 silinder [14] 22
2.3. Sistem Catalytic converter Catalytic converter merupakan salah satu inovasi terbesar di industri otomotif. Pasalnya, peranti ini mampu mengubah zat zat hasil pembakaran seperti, hidrokarbon (HC). Karbon dioksida (CO) dan NOx, menjadi zat yang lebih ramah lingkungan. Catalytic converter punya batas pemakaian, yang bila waktunya harus diganti. Inidikasinya, bila tercium bau bensin dari ujung knalpot meskipun mesin bergerak halus dan efisien. Karena harganya mahal, maka perhatian lebih pada problem problem kecil yang bisa mengurangi usia pakai catalytic converter. Gambar 2.6. catalytic converter [9] Catalytic converter berfungsi untuk menyaring berbagai macam racun yang diakibatkan dari hasil pembakaran (CO, HC, NO x dan timbal ) yang ditimbulkan karena kondisi mesin yang tidak sempurna bisa dari pengapian, teknologi kompresi dan kebocoran air atau oli dari saluran dalam mesin. Catalytis converter memiliki suhu kerja normal sebesar 300 0 C 500 0 C. penyebab catalytic converter kotor adalah pemakaian bensin 23
bertimbal. Karena timbal terbawa dalam gas buang dan menyangkut didalam catalytic converter. Kinerja catalytic converter lebih maksimal dalam menangkap racun karena adanya sensor O 2. Kerja sensor O 2 mengirim data ke ECU untuk mengoreksi O 2 yang diterima catalytic converter. Jika data yang diterima ECU kurang bensin maka ECU akan memerintahkan injector menambah debit semprotannya begitu juga sebaliknya, sampai didapat campuran ideal antara bensin dan udara. Catalytic converter yang kotor juga menyebabkan kerja sensor oksigen tidak maksimal, menyebabkan udara dan bensin tidak seimbang. Bentuk catalytic converter seperti tabung. Bahannya terbuat dari keramik ataupun metal dengan ukuran lubang penyaring antara 1 dan 2 mm. Secara umum ada dua jenis catalytic converter yang dipakai, yaitu jenis pellet dan monolithic, jenis monolithic merupakan catalytic converter banyak dipakai saat ini. Alasaannya, jenis tersebut memiliki tahanan gas buang yang kecil, lebih ringan dan cepat panas dibandingkan jenis pellet Gambar 2.7. catalytic converter jenis pellet [9] 24
Ada dua tipe jenis catalytic converter, 3way catalyst dan 2 way catalyst. 3 way catalyst digunakan pada mesin mobil dan motor yang menggunakan bahan bakar bensin (premium). 3 way catalyst mengandung platinum dan rhodium yang mampu mengurangi CO, HC, dan NOx. Ada tiga tahap dalam proses ini yaitu : 1. Reduksi Nitrogen dan Oksida menjadi nitrogen dan oksigen : 2NO x xo 2 N 2 2. Oksida Carbon Monoksida menjadi Karbondioksida : 2CO O 2 2CO 2 3. Oksidasi senyawa hidrokarbon yang tak terbakar (HC) menjadi karbondioksida dan air : 2C x H y (2x y / 2) O 2 2 x CO 2 yh 2 O Reaksi reaksi diatas akan berjalan efisien bila mesin bekerja dengan perbandingan 14,7 bagian udara dengan 1kg bahan bakar. Gambar 2.8. catalytic converter 3 way catalyst [9] Sedangkan 2 way catalyst digunakan pada mesin diesel. Jenis 2 way catalyst menggunakan material platinum dan palladium, yang dapat mengurangi CO dan HC karena pada daur mesin Diesel tidak dihasilkan 25
Nitrogen Oksida (NO x ), maka daur yang terjadi hanyalah daur nomor 2 atau 3 saja. Gambar 2.9. catalytic converter 2 way catalyst [9] Gambar 2.10. catalytic converter jenis monolithic [9] Catalytic converter sangat peka terhadap logam logam lain yang biasanya terkandung dalam bensin ataupun solar misalnya timbal pada premium, belerang pada solar, lalu seng, mangan, fosfor, silicon, dan sebagainya. Logam logam tersebut bisa merusak komponem dari catalytic converter. Oleh karena itu teknologi ini tidak bisa digunakan disemua daerah terutama daerah yang premiumnnya belum diganti dengan premium tanpa timbal. 26
Catalytic converter ditempatkan dibelakang exhaust manifold atau diantara muffler dengan header. Karena catalytic converter cepat panas ketika mesin dinyalakan. Selain itu, sensor bisa segera bekerja untuk menginformasikan kebutuhan campuran bahan bakar yang tepat ke Engine Control Machine. Peranti catalytic converter baru bekerja efektif ketika kondisinya panas. Pipa buang adalah pipa baja yang mengalirkan gas sisa pembakaran dari exhaust manifold ke udara bebas. Konstruksinya dibagi menjadi beberapa bagian, yaitu pipa bagian depan, tengah, dan belakang. Susunannya sengaja dibuat demikian untuk mempermudah saat penggantian catalytic converter atau muffler, tanpa perlu melepas keseluruhan konstruksi sistem pembuangan. Muffler berfungsi untuk mengurangi tekanan dan mendinginkan gas sisa pembakaran. Kalau gas ini langsung disalurkan ke udara tanpa muffler, gas akan mengembang dengan cepat diiringi dengan suara ledakan yang cukup keras. 2.4. Siklus ideal Otto Agar dapat lebih mudah memahami diagram p v motor bakar torak, maka dilakukan terlebih dahulu idealisasi. Proses yang terjadi sebenarnya berbeda dengan proses ideal. Beberapa idealisasi pada siklus ideal antara lain : a. Fluida kerja dalam silinder adalah udara, dianggap gas ideal dengan konstanta kalor yang konstan. b. Proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara isentropik 27
c. Proses pembakaran dianggap sebagai proses pemanasan dalam d. Pada akhir proses ekspansi, yaitu pada saat torak mencapai TMB, fluida kerja didinginkan sehingga tekanan dan temperatur turun mencapai tekanan dan temperatur atmosfer. e. Tekanan fluida kerja didalam silinder selama langkah buang dan langkah isap adalah konstan dan sama dengan tekanan atmosfer. P 3 T 3 Q in 4 2 4 2 Q out 1 1 V s Gambar 2.11. Diagrham P v dan T s siklus Otto Proses siklus thermodinamikanya sebagai berikut : a. proses 0-1 (Langkah Hisap) : Menghisap udara pada tekanan konstan, katup masuk terbuka dan katup buang tertutup campuran bahan bakar udara mengalir ke dalam silinder melalui lubang katup masuk. P 0 = P 1 Lit.7 hal 74 28
b. Proses 1 2 (kompresi Isentropik) : semua katup tertutup, campuran bahan bakar dan udara yang berada didalam silinder ditekan dan di mampatkan oleh torak yang bergerak ke TMA, akibatnya tekanan dan suhu dalam silinder naik menjadi P 2 dan T 2. P 1 V 1 = m m RT 1... Lit.7 hal 78 V 1 = V d + V c = ( ) T 2 = T 1 ( ) = ( ) P 2 =P 1 ( ) W 1-2 = ( ) ( ) = (V d + V c ) / V c. Lit.7 hal 41 Dimana : P 1 = tekanan pada titik 1 (kpa) P 2 = tekanan pada titik 2 (kpa) T 2 = temperatur spesifik pada titik 1 (K) T 2 = temperatur spesifik pada titik 2 (K) V 1 = volume pada titik 1 (m) 29
V 2 = volume pada titik 2 (m) W 1-2 = kerja pada siklus 1-2 (Kj) m m = massa campuran gas ideal dalam silinder (kg) c = rasio kompresi k = c p / c v = rasio kalor spesifik c. Proses 2-3 : proses penambahan kalor pada volume konstan Q 2-3 = Q m = m f Q HV n c = m m c v (T 3 T 2 ). Lit.7 hal 75 =( ) V 2 = V 3 Dimana : T 3 = T maks dan P 3 =P maks Cv = panas jenis gas pada volume konstan (kj/kg K) P 3 = tekanan pada titik 3 (kpa) Q Hv = heating value (kj/kg) Q in T 3 = kalor yang masuk = temperatur pada titik 3 (K) c = efesiensi pembakaran 30
d. Proses 3-4 : Ekspansi Isentropik = ( ) = ( ) Lit.7 hal 76 ( ) = ( ) = Kerja ekspansi dari titik 3 ke titik 4 dari siklus otto juga merupakan proses isentropis, persamaannya ditunjukkan sebagai berikut : W 3-4 = ( ) ( ) `Dimana : P 4 = tekanan pada titik 4 (kpa) T 3 = temperatur pada titik 3 (K) T 4 = temperature pada titik 4 (K) W 3-4 = kerja (kj) V 3 = volume pada titik 3 (m 3 ) V 4 = volume pada titik 4 (m 3 ) e. Proses 4-1 : Proses pembuangan kalor pada volume konstan Q 4-1 = Q out = m m c v (T 1 T 4 )... Lit.7 hal 76 31
= ( ) = W nett = W 1-2 + W 3-4 V 4 = V 1 th = dimana : Q out = kalor yang dibuang (kj) T 4 = temperatur pada titik 4 (K) W nett = kerja netto (kj) th = efisiensi thermal 2.5. Siklus Aktual Gambar 2.12. Diagram siklus aktual [14 ] Siklus aktual dari mesin otto. Fluida kerjanya adalah campuran bahan bakar udara, jadi ada proses pembakaran untuk sumber panas. Pada langkah 32
isap, tekanannya lebih rendah dibandingkan dengan langkah buang. Proses pembakaran dimulai dari penyalaan busi (ignition) sampai akhir pembakaran. Proses kompresi dan ekspansi tidak adiabatis, karena terdapat kerugian panas yang keluar ruang bakar. 2.6. Parameter Performance mesin 2.6.1. Tekanan efektif rata rata Selama siklus berlangsung, temperatur dan tekanannya selalu berubah ubah, oleh karena itu sebaiknya dicari harga tekanan tertentu (konstan) yang apabila mendorong torak sepanjang langkahnya dapat menghasilkan kerja persiklus yang sama dengan siklus yang dianalisis. Tekanan tersebut dinamai tekanan efektif rata rata yang diformulasikan sebagai : mep =.. Lit.7 hal 49 dimana : mep = tekanan efektif rata rata (kpa) Vd = volume langkah torak (m 3 ) W nett = kerja netto dalam satu siklus (kj) 2.6.2. Daya Indikator (W i ) Merupakan daya yang dihasilkan dalam silinder motor sehingga merupakan basis perhitungan atau penentuan efisiensi pembakaran atau besarnya laju perpindahan panas akibat pembakaran didalam silinder 33
W i. Lit.7 hal 51 dimana : W i = daya indikasi (kw) N = putaran mesin n = jumlah putaran dalam satu siklus, untuk 4 tak n = 2 langkah 2.6.3. Daya poros ( W b ) Daya yang dihasilkan suatu mesin pada poros keluarannya disebut sebagai daya poros (biasa dikenal dengan sebutan brake horse power) yang dihitung berdasarkan rumus : W b = 2 x N. Lit.7 hal 51 dimana : W b = daya poros (kw) N = putaran mesin torsi (Nm) Seperti yang telah diketahui, dari sejumlah gaya yang dihasilkan mesin, maka sebagian darinya untuk mengatasi gesekan/friksi antara bagian 34
bagian mesin yang bergerak, sebagian lagi dipakai untuk mengisap udara dan bahan bakar serta mengeluarkannya dalam bentuk gas buang. 2.6.4. Konsumsi bahan bakar ( sfc) Konsumsi bahan bakar didefinisikan. sebagai jumlah bahan bakar yang dikonsumsi persatuan unit daya yang dihasilkan perjam operasi secara tidak langsung, konsumsi bahan bakar spesifik merupakan indikasi efisiensi mesin dalam menghasilkan daya dari pembakaran bahan bakar. sfc =. Lit.7 hal 56 dimana : = dimana sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (gr/kwh ) = laju aliran rata rata bahan bakar (kg/detik) m f = massa bahan bakar (kg) m a = massa udara 35
2.6.5. Efisisensi thermal Efisiensi thermal suatu mesin didefenisikan sebagai perbandingan antara energi keluaran dengan energi kimia yang masuk yang dikandung bahan bakar dalam bentuk bahan bakar yang dihisap kedalam ruang bakar Efisiensi thermal sesuai defenisinya merupakan parameter untuk mengukur efisiensi bahan bakar. th = 1 ( T 1 / T 2 ) Lit.7 hal 76 dimana : th efisiensi thermal 2.6.6. Efisiensi mekanis Besarnya kerugian daya diperhitungkan dalam efisiensi mekanis yang dirumuskan sebagai berikut : m = W b / Wi... Lit.7 hal 64 dimana : m = efisiensi mekanis 2.6.7. Efisiensi volumetrik Efisiensi ini didefenisikan sebagai perbandingan antara massa udara yang masuk karena dihisap torak pada langkah hisap dan massa udara pada 36
tekanan dan temperatur atmosfir yang dapat dihisap masuk kedalam volume sapuan yang sama. v = m a / ( a x V d ).. Lit.7 hal 76 dimana : v = efisiensi volumetrik a = massa jenis udara (kg/m 3 ) 37