6 BAB II TEORI DASAR 2.1 Pengertian Mesin Diesel. Mesin diesel adalah sejenis mesin pembakaran dalamlebih spesifik lagi, sebuah mesin pemicu kompresi dimana bahan bakar dinyalakan oleh suhu tinggi gas yang dikompresi, dan bukan oleh alat berenergi lain (seperti busi). Mesin ini ditemukan pada tahun 1892 oleh Rudolf Diesel yang menerima paten pada 23 Februari 1893. Diesel menginginkan sebuah mesin untuk dapat digunakan dengan berbagai macam bahan bakar termasuk debu batu bara. Ketika udara dikompresi suhunya akan meningkat (seperti dinyatakan oleh Hukum Charles. Mesin diesel menggunakan sifat ini untuk proses pembakaran. Udara disedot ke dalam ruang bakar mesin diesel dan dikompresi oleh piston yang merapat, jauh lebih tinggi dari rasio kompresi dari mesin bensin. Beberapa saat sebelum piston pada posisi Titik Mati Atas (TMA) atau BTDC (Before Top Dead Center), bahan bakar diesel disuntikkan ke ruang bakar dalam tekanan tinggi melalui nozzle supaya bercampur dengan udara panas yang
7 bertekanan tinggi. Hasil pencampuran ini menyala dan membakar dengan cepat. Penyemprotan bahan bakar ke ruang bakar mulai dilakukan saat piston mendekati (sangat dekat) TMA untuk menghindari detonasi. Penyemprotan bahan bakar yang langsung ke ruang bakar di atas piston dinamakan injeksi langsung (direct injection) sedangkan penyemprotan bahan bakar kedalam ruang khusus yang berhubungan langsung dengan ruang bakar utama dimana piston berada dinamakan injeksi tidak langsung (indirect injection). Ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran mengembang dengan cepat, mendorong piston ke bawah dan menghasilkan tenaga linear. Batang penghubung (connecting rod) menyalurkan gerakan ini ke crankshaft dan oleh crankshaft tenaga linear tadi diubah menjadi tenaga putar. Tenaga putar pada ujung poros crankshaft dimanfaatkan untuk berbagai keperluan. Untuk meningkatkan kemampuan mesin diesel, umumnya ditambahkan komponen : Turbocharger atau supercharger untuk memperbanyak volume udara yang masuk ruang bakar karena udara yang masuk ruang bakar didorong oleh turbin pada turbo/supercharger. Intercooler untuk mendinginkan udara yang akan masuk ruang bakar. Udara yang panas volumenya akan mengembang begitu juga sebaliknya, maka dengan didinginkan bertujuan supaya udara yang menempati ruang bakar bisa lebih banyak. Tipe mesin diesel : Ada dua kelas mesin diesel: dua-stroke dan empat-stroke. banyak mesin diesel besar bertipe mesin dua tak. Mesin yang lebih kecil biasanya menggunakan tipe mesin empat tak.
8 Biasanya jumlah silinder dalam kelipatan dua, meskipun berapapun jumlah silinder dapat digunakan selama poros engkol dapat diseimbangkan untuk mencegah getaran yang berlebihan. Inline-6 paling banyak diproduksi dalam mesin tugas-medium ke tugas-berat, meskipun V8 dan straight-4 juga banyak diproduksi. Motor Diesel Motor diesel termasuk jenis kelompok motor pembakaran dalam (internal combustion engines), dimana proses pembakarannya didalam silinder. Motor diesel ini menggunakan bahan bakar cair yang dimasukkan ke dalam ruang pembakaran silinder motor dengan diinjeksikan menggunakan pompa injeksi. Bahan bakar masuk ke dalam silinder atau ruang pembakaran dalam bentuk yang lebih halus maka dipergunakan pengabut (nozzle). Masukkan kedalam silinder pada langkah pemasukkan adalah udara murni. Pada langkah kompresi, udara murni ini dimampatkan hingga menghasilkan panas yang cukup untuk menyalakan bahan bakar yang diinjeksikan ke dalam ruang pembakaran motor. Motor diesel sering disebut juga motor penyalan kompresi (compression ignition engines). Sejarah Mesin Diesel : Seorang penemu/peneliti bernama Street melakukan penelitiannya. Perkembangan motor pembakaran dalam (ICE) pada tahun 1794. hasil dari perkembangan tersebut adalah motor diesel sekarang. Selanjutnya dikembangkan oleh seorang insinyur muda berkewarganegaraan Perancis yang bernama Sadi Carnet pada tahun 1824. Idenya dijadikan dasar dalam perkmbangan motor diesel. Dia menyatakan bahwa udara murni yang dimampatkan tersebut dengan perbandingan 15:1 akan menghasilkan udara yang panas untuk menyalakan kayu kering. Udara yang digunakan untuk pembakaran motor
9 hendaknya dikompresikan dengan perbandingan yang besar sebelum dinyalakan. Dia juga menyatakan bahwa dinding silinder hendaknya didinginkan, karena panas dari dari pembakaran akan mempengaruhi kinerja motor. Pada tahun 1876 Dr. Nickolas Otto mebuat konstruksi motor pembakaran dalam 4 langkah yang menggunakan bahan bakar bensin menggunakan penyalaan api. Pada tahun 1892 seorang insinyur muda berkewarganegaraan German yang bernama Dr. Rudolf Diesel berhasil membuat motor penyalaan kompresi menggunakan bahan bakar serbuk batu bara menggunakan prinsip penyalan bahan bakar dan udara. Dengan perkembangan sistem pompa injeksi bahan bakar yang benar-benar dapat disebut mini oleh seorang penemu yang berkewarganegaraan german bernama Robert Bosch pada tahun 1927 membebaskan motor diesel dari masalah memakan tempat. Sistem injeksi pompa Robert Bosch yang ukurannya mini dari karburator, beratnya ringan dan governer yang menyatu (built-in) sehingga tidak ada lagi sistem pengabutan udara yang banyak makan tempat untuk kompresor,pipa-pipa dan pengontrol klep. Pompa injeksi motor diesel dapat diatur sesuai pembebanan, sedangkan kondisi kecepatan motor dapat atau lebih baik dari karburator motor bensin. Dengan perkembangan pompa rotari yang lebih kecil penampilannya juga bobotnya yang lebih ringan yang dikembangkan oleh Vernon Rosa pada tahun 1950-an. Motor diesel akhirnya memasuki perkembangan pemakaian dan pemasaran yang lebih luas. Perkembangan lain dari motor diesel adalah dengan penambahan sebuah turbocarjer yaitu alat untuk memasukkan (memompakan) udara ke dalam saluran masuk (intake manifold). Pompa turbocharger ini digerakkan oleh gas buang yang kedalam turbocarjer tersebut. Dengan adanya turbocarjer ini maka akan menurunkan asap gas buang. Akhirnya motor
10 diesel seperti ini keadaanya sekarang menjadi motor yang benar-benar efisien, ringan dan bebas polusi udara. Keunggulan motor diesel dibandingkan pembakaran yang lain adalah : 1. Motor diesel lebih irit dalam pemakaian bahan bakar dengan motor bensin, motor diesel lebih efisien 20-30%. 2. Motor diesel lebih kuat dan mempunyai daya tahan yang lebih lama. 3. Motor diesel lebih besar tenaganya sehingga motor diesel dapat menjadi motor penggerak (primover). 4. Motor diesel mengakibatkan polusi udara yang lebih kecil. 5. Motor diesel tidak dipengaruhi oleh cuaca. Kelemahan/Kekurangannya antara lain adalah : 1. Perbandingan tenaga terhadap berat motor masih lebih besar dibandingkan motor bensin. 2. Motor diesel tetap lebih sukar dihidupkan pertama kali dibandingkan motor bensin. 3. Harga inisial (dasar) motor diesel lebih mahal karena motor diesel lebih kompleks dan lebih berat dibandingkan motor bensin. 4. Perawatan dan servis pada umumnya tidak dapat dikerjakan oleh bengkel lokal. Penggunaan atau aplikasi motor diesel sebagai motor penggerak (primover) sangatlah berkembang pesat dan akan terus berkembang. Motor diesel banyak dipergunakan untuk keperluan transportasi seperti truk,bis,kapal dll. Untuk kepentingan pertanian, motor diesel digunakan pada traktor untuk mengolah lahan pertanian. Pada industri kontruksi bangunan
11 dan pertambangan, motor diesel digunakan sebagai primover untuk mesin-mesin pengeruk dan pemindah tanah, buldozer dan lain-lain. 2.2 HHO Generator HHO generator adalah suatu alat yang berfungsi sebagai pembangkit berbasis motor bakar menjadi hybrid hydrogen, dengan memproduksi dan menyuntikkan gas hidroksi (HHO) sebagai bahan tambahan ke dalam saluran udara masuk (intake manifold), dan akan menyempurnakan proses pembekaran yang terjadi didalam ruang bakar, sehingga menghemat penggunaan bahan bakar. Sebagai sumber energi alternatif pengganti bahan bakar fosil ini bernama hidrogen (H2) dibanding semua energi terbarukan seperti yang telah disebut di atas, hidrogen memiliki beberapa keunggulan antara lain, bahan bakar hidrogen berfungsi sama seperti bahan bakar dari fosil kelebihannya hidrogen tidak akan menimbulkan polusi udara, karena ketika terbakar hidrogen melepas energi berupa panas dan menghasilkan air sebagai bahan buangnya (2H2 + O2 2H2O) sama sekali tidak mengeluarkan karbon. Jadi penggunaan hidrogen sebagai bahan bakar sangatlah membantu mengurangi polusi udara (meskipun pembakaran hidrogen juga menghasilkan polusi berupa hidrogen oksidasi dalam jumlah kecil). 2.3 Sejarah HHO Generator Teknologi penghematan bahan bakar dengan menggunakan air ini diawali dengan keberadaan dan perkembangan penggunaan alat bahan bakar air berupa kendaraan berbahan bakar air. (Water car) yang telah dirilis sejak tahun 1908 oleh beberapa peneliti
12 dan ilmuan ilmuan berikut percobaan yang dilakukan oleh beberapa ilmuan dalam kaitannya dengan penggunaan air sebagai bahan bakar. BBA oleh Nicola Tesla dan Stanley Meyer Pada tahun 1943 kedua orang tersebut telah mengembangkan penggunaan bahan bakar air namun karena alasan bisnis hasil temuannya dihilangkan, bahkan bukan hanya temuannya tetapi juga hasil penelitiannya, kemudian Nicola Tesla dipenjara dan dihukum mati tahun 1943 dan Stanley Meyer dari Amerika Serikat terbunuh tahun 1998. Brown Gas atau Yull Brown yang berasal dari Sydney Australia pada tahun 1974 berhasil mengembangkan BBA untuk menggerakkan mesin, bahan bakar air ini sebenarnya merupakan campuran gas hidrogen-hidrogen-oksigen yang dihasilkan dari elektrolisa air. Dalam tabung elektrolisa dipasang kumparan magnetik untuk memecahkan campuran air destilasi dan soda kue hingga menjadi campuran gas hidrogen-hidrogen-oksigen (HHO). Hidrogen bersifat eksplosif dan oksigen mendukung pembakaran, gas ini ditampung dalam tabung elektrolisa yang dialirkan kedalam ruang pembakaran mesin dan akan bercampur dengan gas hidrokarbon dari bahan bakar minyak, sehingga terjadi penghematan dalam tingkat yang signifikan. Jelang tahun 2006 ke tahun 2007 teknologi ini mulai berkembang pesat pada tahun 2008 teknologi ini makain banyak mendapat perhatian yang cukup besar dan beberapa negara sepeti india, jerman, afrika selatan, kanada, cinadan indonesia, khususnya pada negara pecinta hemat bahan bakar di indonesia. Cukup banyak juga beberapa peneliti yang
13 melakukan eksperimen dengan teknologi ini. Seperti voll johanes bosco di palu, Ir. FX agus unggul santoso dosen sanata dharma, joko suprapto di jawa timur, dan beberapa penelitian dan kaum awan yang yang sudah mulai menerapkan dan meneliti teknologi penghematan bahan bakar ini. Elektrolisa air merupakan kunci utama dalam mengubah air menjadi energi. Dalam proses elektrolisis digunakan sumber energi yang berfungsi untuk memecah molekul H2O menjadi unsur-unsur asalnya. Pada katoda, dua molekul air bereaksi dengan menangkap dua elektron, dan akan tereduksi menjadi gas H2 dan OH -. Sedangkan pada anoda, dua molekul air terurai menjadi gas O2 dan melepaskan 4H + serta mengalirkan elektron ke katoda. Ilustrasi tentang reaksi elektrolisis H2O dapat dilihat pada gambar dibawah. Pada proses elektrolisis ini, akan timbul gelembung berupa gas H2 yang dapat dikumpulkan menjadi energi. Gambar : 2.2 Proses Elektrolisasi Air
14 2.4 Teknologi Elektrolisa HHO (Hydrogen-Oxygen) Teknologi pemanfaatan air sebagai energi telah banyak dikembangkan, dari beberapa teknologi yang ada, semuanya menggunakan proses elektrolisis air sebagai prinsip dasarnya. Hingga saat ini sudah ditemukan teknologi untuk memanfaatkan air sebagai energi yaitu fuel cell sistem HOD (Hydrogen Oxygen Demand) yaitu sistem pembangkit tenaga listrik dari hasil pencampuran H2 dengan O2 lansung pada saat listrik dibutuhkan, dan elektrolisa HHO (Hydrogen-Oxygen). Teknologi elektrolisa HHO lebih murah dan lebih efisien. Teknologi optimalisasi air dengan fuelcell memiliki kelemahan terhadap biaya yang diperlukan dan efisiensi terhadap penerapannya. Sedangkan untuk sistem HOD memiliki kelemahan terhadap tingginya biaya yang diperlukan dan masih sulit untuk menampung gas hidrogen dalam satu tempat. Perbandingan yang lebih lengkap tentang teknologi optimalisasi air sebagai alternatif energi dapat dilihat pada tabel berikut ini. Sudah lebih dari 80 tahun proses elektrolisa ini dipergunakan secara komersial, seperti halnya penyepuhan emas, perak dan lain sebagainya. Prinsip Elektrolisa pada air biasa adalah untuk memecahkan ikatan kimia air (H2O) menjadi H2 dan O2, diperlukan tegangan listrik searah (DC), yang dialirkan melalui lempengan plat stainless.
15 Gambar : 2.3 Elektrolisasi air (H2O) 2.5 HIDROGEN DARI PROSES ELEKTROLISA Proses elektrolisis telah digunakan secara luas, tapi pemanfaatannya masih terbatas untuk kapasitas kecil, mengingat efisiensi termalnya yang sangat rendah. Namun demikian pada saat ini telah banyak peneliti yang berhasil meningkatkan efisiensi termal proses elektrolisis. Sel elektrolisis yang bekerja pada suhu dan tekanan tinggi, mampu memisahkan hidrogen dan oksigen dengan tingkat efisiensi yang signifikan. Pada prinsipnya, hidrogen bisa diperoleh dengan memecah senyawa yang paling banyak mengandung unsur hidrogen. Sampai saat ini, produksi hidrogen skala komersial yang paling maju adalah produksi hidrogen berbasis bahan bakar fosil dan air. Untuk produksi hidrogen dengan bahan baku bahan bakar fosil, steam reforming metana merupakan proses yang paling maju di dunia. Lebih dari 85% kebutuhan hidrogen dunia dipasok dengan sistem produksi steam reforming metana. Produksi hidrogen dengan bahan baku air yang sudah komersial adalah proses elektrolisis. Sayangnya, karena proses elektrolisis membutuhkan listrik dalam jumlah besar sebagai pemicu terjadinya reaksi, sehingga proses
16 ini memberikan efisiensi termal total yang relatif rendah. Proses elektrolisis hanya bisa ekonomis jika tersedia listrik dalam jumlah besar dengan harga murah. Dengan berjalannya waktu banyak penelitian dilakukan yang mengarah pada penyempurnaan, bahkan melebihi nilai standar dari perhitungan Faraday, sehingga menjadikan gas H2 lebih bermanfaat bagi kebutuhan manusia dalam menggunakan energi, karena H2 dapat diperoleh dari air dan air cukup banyak ada dimana-mana, sehingga dapat dikatakan bahwa H2 adalah sumber energi masa depan yang berkelimpahan dan murah. Berdasarkan penelitian akhir-akhir ini dapat disimpulkan bahwa kegunaannya gas hydrogen bagi masyarakat luas dapat diterapkan untuk untuk kompor rumah tangga, dan pemanas ruangan serta di industri pada burner, uap air panas (steam), metode pengelasan dan lain sebagainya. Elektrolisa ada 2 macam : Elektrolisa Basah (wet cell electrolyse) : yaitu lempengan plat kathoda dan dicelupkan kedalam air. Elektrolisa Kering (Dry cell electrolyse = Drycell) : disini lempengan plat kathoda dan anoda berada disebelah luar dan airnya disebelah dalam. 2.5.1 Elektrolisa basah (wet cell elektrolyse) Elektrolisa Basah adalah dengan memasukan kedua plat kondensator tersebut kedalam air destilasi atau air RO (Reverse Osmosis = air murni), apabila kedua elektroda tersebut diberi tegangan listrik maka akan terjadi proses pemisahan H2 dan O2, kemudian hasil H2 tersebut perlu dihitung dan didata dari hasil percobaan, selain itu perlu diteliti
17 variabel-variabel yang mempengaruhi produksi H2 tersebut, sehingga dapat diambil kesimpulan penggunaan elektrolisa yang paling efisien & efektif. Keuntungan generator gas HHO tipe wet cell adalah : 1. Gas yang dihasilkan umumnya lebih banyak dan stabil. 2. Perawatan generator lebih muda. 3. Rancangan bangun pembuatan generator lebih mudah. Pada tipe wet cell atau tipe basah, area luasan elektroda platnya terendam air untuk proses elektrolisis menghasilkan gas HHO. Gambar : 2.4.1 elektrolisasi basah (wet cell elektrolyse) Pada penjelasan gambar di atas, sebagai berikut : Anoda adalah elektroda yang berupa logam sebagai penghantar listrik dimana sel elektrokimia yang terpolarisasi arus listrik mengalir di dalamnya. Arus listrik berlawanan arah pergerakan elektron, proses elektrokimia yang terus menerus melepaskan elektroda anoda cenderung menjadi bermuatan positif dan menarik anion
18 dari larutan (elektrolit) serta menjauhkan kation, sehingga memaksa elektroda teroksidasi. Katoda adalah elektroda negatif dalam elektrolisis, katoda merupakan electron dengan potensial negatif terhadap anoda. Dimana anoda dan katoda adalah bahan konduktor yang memungkinkan arus dapat melewatinya. Hal ini biasanya terbuat dari logan seperti tembaga, seng, nikel dan lain-lain. Anoda dan katoda menpunyai elektroda positif dan negative. Perangkat akan memulai memberikan aruslistrik ketika elektroda tersebut dihubungkan dan rangkaiannya tertutup. 2.5.2 Elektrolisa kering (Dry cell electrolyse = Dry cell) Elektrolisa Kering (Dry electrolyze) adalah proses plat kondensotornya tidak direndam kedalam larutan akan tetapi platnya berada disebelah luar dan larutannya didalam plat tersebut. Gambar : 2.4.2 Elektrolisa Kering (Dry electrolyze)
19 Pada proses Dry cell panas yang ditimbulkan oleh plat kondensator dapat dibuang langsung keluar, sehingga tidak membuat larutan menjadi lebih panas, dibandingkan dengan elektrolisa biasa atau elektrolisa basah (Wet Electrolyze). Keuntungan generator HHO tipy dry cell adalah : 1. Air yang di elektrolisa hanya seperlunya, yaitu hanya air yang terjebak diantara lempengan cell. 2. Panas yang ditimbulkan relative kecil karena selalu terjadi sirkulasi antara air panas dan air dingin di reservoir. 3. Arus listrik yang digunakan relatif lebih kecil, karena daya yang terkonversi menjadi semakin panas semakin sedikit. Besarnya plat elektroda yang terendam air adalah area terjadinya elektrolisis untuk menghasilkan gas HHO. Pada elektroda Kathoda terjadi penambahan elektron (e ), sehingga reaksi kimia yang terjadi sbb; Kathode (reduksi) : 2H + (cair) + 2e H2(gas) Anode (oxidasi : 2H2O(l) O2(gas) + 4H + (cair) + 4e ; (l = Larutan) Pada eletroda Anoda, terjadi proses oxidasi dimana pelepasan elektron bergerak ke arah elektroda kathoda.
20 Reaksi kimia penyeimbangan, reaksi air dengan larutan basa sbb: Kathode (reduksi): 2H2O(l) + 2e H2(gas) + 2OH (cair) Anode (oxidasi : 4OH (cair) O2(gas) + 2H2O(l) + 4e Sehingga dapat ditulis untuk keseluruhan reaksi pemecahan H2 & O2 ; Reaksi keseluruhan: 2H2O(l) 2H2(gas) + O2(gas) Dari persamaan reaksi kimia yang terjadi, jumlah volume H2 gas besarnya atau volumenya adalah 2X lebih banyak dari jumlah volume O2 gas. Rumus pembakaran ( Premium ) Reaksi pembakaran : C(s) + O2(g) + aditif Cox + HC + Nox + Energi. Rumus pembakaran premium yang bercampur dengan Hidrogen C8H18 + O2 + Aditif + 2H2(g) Cox + HC + Nox + 2H2O(l) + Energi