4
BAB II DASAR TEORI
2.1
Motor Bakar Motor bakar adalah sebuah mekanisme yang menstransformasikan energi
panas menjadi energi mekanik melalui sebuah konstruksi mesin. Perubahan, energi panas menjadi energi mekanik dalam motor bakar dikarenakan adanya suatu proses pembakaran dari campuran bahan bakar dengan oksigen yang kemudian tenaga hasil dari proses pembakaran diubah menjadi energi mekanik. Menurut cara menghasilkan energi panas, motor bakar dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu motor pembakaran dalam dan motor pembakaran luar. Motor pembakaran dalam adalah suatu motor dimana proses pembakaran dilakukan di dalam konstruksi mesin dan tempat terjadinya proses pembakaran disebut dengan ruang bakar, contoh mesin pembakaran dalam yaitu motor bensin, motor diesel, turbin gas. Sedangkan motor pembakaran luar adalah suatu motor dimana proses perubahan energi panas atau proses pembakarannya terjadi diluar konstruksi mesin, contohnya adalah turbin uap maupun turbin nuklir. Adanya beberapa faktor-faktor khususnya seperti mesin motor bensin, dan motor diesel yang berbentuk kompak dan ringan sehingga mudah diaplikasikan serta mampu menghasilkan tenaga yang optimal menyebabkan motor bensin dan motor diesel lebih banyak digunakan pada umumnya sebagai tenaga penggerak baik pada sepeda motor atau mobil dibandingkan motor pembakaran lainya.
3.2
Hukum Utama Termodinamika
2.2.1 Penjelasan Umum Termodinamika adalah cabang ilmu fisika yang mengutarakan hukum-hukum pertukaran panas ke dalam bentuk tenaga mekanis atau sebaliknya. Ada tiga hukum utama termodinamika yaitu hukum termodinamika pertama, hukum termodinamika kedua dan hukum termodinamika ketiga. Ketiga hukum ini bersama sama dengan hukum termodinamika ke-nol yang merupakan dasar pengukuran temperatur akan membentuk suatu dasar dalam membangun pengetahuan termodinamika.
5
Hukum termodinamika pertama merupakan hasil pengujian yang meliputi semua perubahan siklus, termasuk perubahan yang menyangkut pemberian panas pada sistem dan pelaksanaan kerja oleh sistem selama proses siklus tersebut. Jadi jumlah aljabar transfer kerja adalah sebanding dengan jumlah aljabar transfer panas. Hukum termodinamika kedua dapat memberikan jawaban tentang beberapa hal diantaranya: 1.
Menentukan efisiensi paling tinggi yang mungkin dari suatu mesin panas atau koefisien prestasi yang maksimum dari suatu mesin pendingin.
2.
Menentukan apakah suatu proses mungkin berlangsung atau tidak.
3.
Menentukan arah atau derajat suatu reaksi kimia.
4.
Menentukan sekala temperatur yang tidak tergantung pada sifat-sifat fisik tiap zat.
5.
Mendefinisikan suatu sifat yang sangat berguna yang disebut entropi. Hukum termodinamika ketiga mengatakan bahwa panas tidak dapat
dipindahkan dari derajat yang lebih rendah ke derajat yang lebih tinggi tanpa adanya kerja dari luar, pada kenyataannya juga tampak panas tidak pernah mengalir dari temperatur rendah ke temperatur yang lebih tinggi.
2.2.2 Proses Termodinamika pada Siklus Motor Perubahan panas menjadi usaha mekanis di dalam silinder suatu motor dapat diselidiki secara teoritis dengan mengikuti proses termodinamika. Dari penyelidikan tersebut kita dapat menilai, dalam keadaan yang bagaimana suatu motor harus bekerja agar diperoleh keadaan yang paling menguntungkan, atau dengan kata lain dalam keadaan yang bagaimana suatu motor harus bekerja agar dihasilkan efisiensi termis yang optimum. Siklus motor bakar dibentuk dari lima rangkaian proses, yaitu 1. Proses pengisian. 2. Proses kompresi. 3. Proses pengapian. 4. Proses ekspansi. 5. Proses pembuangan.
6
Untuk melaksanakan kelima proses tersebut pada motor
empat langkah
diperlukan empat langkah torak sedangkan pada motor dua langkah diperlukan dua langkah torak. Proses kompresi dan proses ekspansi berlangsung secara adiabatis, selain proses tersebut juaga ada proses isobaris dan isovolume (isokhorik). Ketiga proses itulah yang dirangkaikan membentuk suatu siklus motor bakar. Proses-proses ini dapat dinyatakan dalam hubungan tekanan–volume (P-V) dengan menganggap bahwa : 1.
Muatan dalam silinder memenuhi sifat-sifat gas sempurna, yang disebut sebagai udara standar.
2.
Panas jenis muatan konstan pada tiap keadaan dan tiap proses.
3.
Proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara adiabatis
4.
Massa yang dikerjakan itu berjumlah konstan
5.
Tidak terdapat kerugian mekanis pada tiap langkah
6.
Bahan bakar menguap sempurna dan tercampur homogen pada udara Katup-katup dan saluran masuk atau buang terbuka dan tertutup tepat pada
titik-titik matinya. Dalam thermodinamika, gas yang dipergunakan sebagai benda kerja umumnya semuanya dianggap bersifat sebagai gas ideal. Hal ini disebabkan karena sifat-sifat gas ideal hanya berbeda sedikit dari sifat-sifat gas yang sebenarnya. Gas ideal (sempurna) adalah gas dimana tenaga ikat molekul-molekulnya dapat diabaikan.
Jadi setiap gas Bila tenaga ikat molekul-molekulnya dapat
diabaikan tergolong dalam gas ideal
2.3
Motor Bensin
2.3.1 Penjelasan Umum Motor bensin merupakan suatu motor yang menghasilkan tenaga dari proses pembakaran bahan bakar di dalam ruang bakar. Karena pembakaran ini berlangsung di dalam ruang bakar maka motor ini dikatagorikan pesawat kalor dengan pembakaran dalam (Internal Combustion Engine). Motor bensin dilengkapi dengan busi dan karburator. Karburator dalam motor bensin merupakan suatu tempat pencampuran bahan bakar dan udara agar terjadi
7
campuran berbentuk gas supaya dapat terbakar oleh percikan bunga api busi dalam ruang bakar. Setelah pencampuran udara dan bahan bakar berbentuk gas kemudian campuran tersebut dari karburator diisap ke dalam ruang bakar melalui katup masuk. Kemudian di dalam ruang bakar loncatan bunga api listrik dari busi menjelang akhir langkah kompresi membakar campuran tersebut sehingga terjadilah pembakaran yang kemudian menghasilkan daya motor. Motor bensin dibedakan menjadi 2 jenis yaitu motor bensin 4 langkah dan motor bensin 2 langkah. Motor bensin 2 langkah adalah motor bensin yang memerlukan 2 kali langkah torak
atau 1 kali putaran poros engkol untuk
menghasilkan 1 kali pembakaran dan 1 kali langkah kerja. Sedangkan motor bensin 4 langkah adalah motor bensin yang memerlukan 4 kali langkah torak atau 2 kali putaran poros engkol untuk menghasilkan 1 pembakaran dan 1 langkah kerja. Siklus kerja 4 langkah ini dipertemukan pertama kali oleh seorang ilmuan Jerman bernama Nicholas August Otto pada tahun 1876.
2.3.2 Siklus Otto Siklus mesin 4 langkah dapat dijabarkan dalam siklus Otto yang terdiri dari 6 fase yaitu: pemasukan, pemampatan, pemanasan, pendayaan, pendinginan dan pembuangan. Enam fase siklus ini dapat digambarkan dalam diagram PVT (Pressure, Volume, Temprature) sebagai berikut : ENERGI
Qin = heat input Qout= heat output V
ENERGI
FLOW
= constan
T
FLOW
3
Qin = heat input Qout= heat output V
V=c = constan Q in
2
4 Q out V=c
1
S
P – V Diagram
T – S Diagram Gambar 2.1 P-V dan T-S Diagram
8
1.
Fase Pemasukan
Garis T0 – T1 adalah garis fase proses tekanan tetap dan suhu tetap yang menggambarkan langkah pemasukan gas campuran udara dan bahan bakar pada tekanan dan suhu tetap dari karburator ke silinder mesin, ketika katup masuk membuka dan piston turun 180°, ruang silinder membesar. Dalam proses ini, tekanan gas (P) dan suhu gas (T) tetap dan setara tekanan dan suhu standar normal udara luar, karena katup masuk terbuka. Volume silinder (V) membesar dari V1 ke V2, sehingga bobot molekul gas campuran bahan bakar dan udara dalam silinder bertambah. 2.
Fase Pemampatan (Kompresi Gas)
Garis T1 – T2 adalah garis fase proses yang menggambarkan langkah pemampatan gas campuran udara dan bahan bakar dalam silinder, ketika katup masuk tertutup dan katup buang tertutup dan piston naik 180°, ruang silinder mengecil. Dalam proses ini volume silinder dan volume gas (V) mengecil dari V1 ke V2, bobot molekul gas campuran bahan bakar dan udara tetap. Tekanan gas (P) meningkat dari P1 ke P2 dan suhu gas (T) meningkat dari T1 ke T2. 3.
Fase Pemanasan dan Pembakaran Gas
Garis T2 – T3 adalah proses pada volume tetap yang mengambarkan proses pemanasan dan penyalaan dan pembakaran gas campuran bahan bakar dan udara oleh percikan api busi, ketika kedua katup tertutup. Dalam proses ini volume gas tetap pada V1, tetapi karena pemanasan, tekanan gas meningkat naik dari P2 ke P3, sehingga suhu meningkat naik dari T2 ke T3 dan terjadi peledakan gas campuran bahan bakar dan udara oleh percikan api busi. 4.
Fase Pendayaan
Garis T3 – T4 adalah garis proses yang menggambarkan langkah pendayaan karena pembakaran gas campuran udara dan bahan bakar dalam silinder ketika kedua katup tertutup sehingga silinder turun 180°, ruang silinder membesar. Dalam proses ini volume silinder (V) membesar dari V1 ke V2, bobot gas campuran tetap, tekanan gas (V) merosot turun dari P3 ke P4 dan suhu gas (T) merosot turun dari T3 ke T4. 5.
Fase Pendinginan Gas Sisa Pembakaran
Garis T4 – T1 adalah proses volume konstan yang mengambarkan proses pendinginan dan pengeluaran tenaga panas hasil pembakaran, ketika katup buang terbuka. dalam
9
proses ini, volume gas tetap pada V2, bobot gas campuran tetap tekanan gas turun dari P4 ke P1 sehingga suhu gas merosot turun dari T4 ke T1. 6.
Fase Pembuangan
Garis T1 – T0 adalah fase proses tekanan tetap yang menggambarkan langkah pembuangan sisa pembakaran, piston naik, ruang silinder mengecil, dimana tekanan gas P dan suhu gas T tetap setara tekanan atmosfer (udara luar) karena katup buang terbuka. Volume silinder (V) mengecil dari V2 ke V1, sehingga bobot gas sisa pembakaran berkurang.
2.3.3 Prinsip Kerja Motor Bensin 4 Langkah Prinsip kerja dari motor bensin 4 langkah adalah mengikuti siklus Otto yaitu untuk menghasilkan 1 kali tenaga kerja memerlukan 4 kali langkah torak atau 2 kali putaran poros engkol. Berikut ini adalah skema langkah kerja motor bensin 4 langkah:
1) langkah isap
2) langkah kompresi
3)langkah usaha
4)langkah buang
Gambar 2.2 Prinsip Kerja Motor Bensin 4 Langkah
1.
Langkah Isap Piston bergerak ke bawah meninggalkan Titik Mati Atas (TMA) ke Titik
Mati Bawah (TMB) sambil mengisap campuran udara dan bensin ke dalam silinder. Selama langkah ini katup isap membuka dan katup buang dalam keadaan menutup. Poros engkol membuat setengah putaran pertama.
10
2.
Langkah Kompresi
Piston bergerak dari TMB ke TMA memampatkan campuran udara dan bensin yang berada dalam silinder. Campuran udara dan bensin ini dimampatkan diantara piston dan dasar atas silinder (ruang bakar). Selama langkah ini katup isap dan katup buang berada dalam keadaan tertutup. Pada gerak kompresi ini poros engkol membuat setengah putaran yang kedua. 3.
Langkah Kerja
Bila telah mencapai TMA , campuran udara dan bensin yang dimampatkan tadi dibakar oleh percikan api listrik yang keluar dari busi, menyebabkan terbakarnya gas-gas dan menimbulkan tenaga yang mendorong piston ke TMB. Selama gerak ini katup-katup isap dan buang dalam keadaan tertutup. Pada gerak ini poros engkol membuat setengah putaran yang ketiga. 4.
Langkah Buang
Piston bergerak ke TMA mendorong gas-gas yang telah terbakar keluar melalui katup buang. Katup isap dalam keadaan tertutup dan katup buang membuka selama torak bergerak ke TMA. Selama gerak buang ini poros engkol membuat setengah putaran keempat, pada akhirnya piston kembali pada kedudukannya semula dan piston telah melakukan 4 gerakan sepenuhnya. Dan kemudian akan kembali melakukan proses yang sama secara berulang-ulang.
2.3.4 Waktu Pengapian Motor Bensin Campuran udara dan bahan bakar yang akan mengalami proses pembakaran di dalam ruang bakar terlebih dahulu akan dikompresikan untuk menaikkan tekanannya. Setelah torak mendekati titik mati atas yaitu beberapa derajat engkol (d.e) sebelum mencapai titik mati atas, campuran tersebut dibakar oleh percikan bunga api dari busi. Meskipun telah dipercikkan bunga api, campuran udara dan bahan bakar tersebut baru akan mulai terbakar beberapa saat setelah dipercikkan bunga api. Dengan terbakarnya campuran udara dan bahan bakar pada ruang bakar akan mengalami kenaikan tekanan dan temperatur. Torak dalam hal ini akan tetap bergerak setelah mencapai TMA terus menuju TMB karena poros engkol yang terus berputar.
11
Gambar 2.3. Kurva Pembakaran Gas pada Ruang Bakar
Pada gambar 2.3 terlihat kurva antara tekanan di dalam silinder dengan sudut engkol (posisi torak). Percikan bunga api terjadi pada titik A, gas mulai terbakar pada titik B, tekanan maksimum dicapai pada titik C dan akhir pembakarannya terjadi pada titik D. Saat terjadi percikan bunga api sampai campuran gas mulai terbakar disebut dengan keterlambatan penyalaan (ignition delay).
2.3.5 Pembukaan dan Penutupan Katup Pada Motor Empat Langkah Terbuk.a dan terturupnya katup-katup pada terutama motor empat langkah tidak terjadi pada saat torak berada tepat pada titik matinya. Demikian pula halnya dengan proses penyalaan tidak tepat terjadi saat torak berada pada TMA. Untuk menjelaskan hal tersebut digunakan diagram pengaturan pembukaan dan penutupan yang ditautkan dengan derajat engkol (d.e) dan dapat dilihat pada Gambar 2.4. Katup hisap dibuka saat torak beberapa derajat hampir mencapi TMA atau pada saat engkol ada pada titik A. Katu hisap tertutup beberapa saat setelah torak mencapai TMB, yaitu pada saat engkol berada pada titik B. Proses kompresi dimulai pada titik B, penyalaan pada titik C, putaran pertama selesai setelah mengadakan pengisian kompresi dan penyalaan. Katup buang dibuka beberapa saat sebelum torak mencapai TMB dan ditutup beberapa saat sesudah torak mencapai TMA
12
Gambar 2.4 Diagram Pengaturan katup
Dari diagaram tersebut teraktual bahwa kedua katup pernah terbuka bersamasama sebesar sudut AOE, sudut tersebut dinamakan sudut impitan katup. Dengan dibuka dan ditutupnya katup sesudah dan sebelum torak mencapai titik matinya maka pengisian muatan segar dan pembuangan gas hasil pembakaran dapat berlangsung lebih baik. Katup hisap mulai dibuka sebelum torak mencapai TMA, dengan harapan bahwa pada awal langkah pengisian luas permukaan saluran sudah cukup besar. Demikian pula halnya jika katup hisap diberi tutupan susulan, hambatan aliran muatan pada akhir pengisian akan kecil. Alasan utama mengapa pembukaan awal dan penutupan susulan pada katup masuk sangat diperlukan adalah untuk menambah tekanan muatan pada akhir langkah pengisian menjadi kecil sedangkan jumlah muatan yang masuk ke dalam silinder makin besar. Penutupan susulan pada katup buang dimaksudkan agar penampang saluran gas cukup lebar pada akhir langkah buang sehingga tekanan alirannya menjadi kecil. Sebab itu tenaga yang diperlukan untuk mendorong gas bekas atau kerugian usahanya menjadi kecil, dan pengeluaran gas menjadi besar.
13
2.4
Bahan Bakar dan Proses Pembakaran
2.4.1
Definisi Bahan Bakar Bahan bakar (fuel) merupakan bahan / material yang dikonsumsi untuk
menghasilkan energi atau bahan yang apabila dibakar dapat meneruskan proses pembakaran tersebut dengan sendirinya, disertai dengan pengeluaran kalor. Bahan bakar dibakar dengan tujuan untuk memperoleh kalor tersebut, untuk digunakan baik secara langsung maupun tak langsung. Sebagai contoh penggunan kalor dari proses pembakaran secara langsung adalah kalor diubah menjadi energi mekanik misalnya pada motor bakar, kalor diubah menjadi energi listrik misalnya pada pembangkit listrik tenaga diesel, tenaga gas dan tenaga uap. Beberapa macam bahan bakar yang dikenal adalah bahan bakar fosil seperti batubara, minyak bumi, dan gas bumi. Bahan bakar nuklir seperti uranium dan plutonium. Bahan bakar fosil dan bahan bakar organik lainnya umumnya tersusun dari unsur-unsur C (karbon), H (hidrogen), O (oksigen), N (nitrogen), S (belerang), P (fosfor) dan unsur-unsur lainnya dalam jumlah kecil, namun unsur-unsur kimia yang penting adalah C, H dan S, yaitu unsur-unsur yang jika terbakar menghasilkan kalor. Nilai kalor adalah kalor yang dihasilkan oleh pembakaran sempurna 1 kilogram atau satu satuan berat bahan bakar padat atau cair atau 1 meter kubik atau 1 satuan volume bahan bakar gas, pada keadaan baku. Nilai kalor atas atau “gross heating value” atau “higher heating value” adalah kalor yang dihasilkan oleh pembakaran sempurna satu satuan berat bahan bakar padat atau cair, atau satu satuan volume bahan bakar gas, pada tekanan tetap, suhu 25 oC, apabila semua air yang mula - mula berwujud cair setelah pembakaran mengembun menjadi cair kembali. Nilai kalor bawah atau “net heating value” atau “lower heating value” adalah kalor yang besarnya sama dengan nilai kalor atas dikurangi kalor yang diperlukan oleh air yang terkandung dalam bahan bakar dan air yang terbentuk dari pembakaran bahan bakar untuk menguap pada 25 oC dan tekanan tetap. Air dalam sistem, setelah pembakaran berwujud uap air pada 25 oC.
14
2.4.2
Proses Pembakaran Pada Motor Bensin Pembakaran dapat didefinisikan sebagai proses secara kimiawi yang
berlangsung dengan cepat antara Oksigen (O2) dengan unsur yang mudah terbakar dari bahan bakar pada suhu dan tekanan tertentu. Secara umum hanya terdapat tiga unsur yang penting di dalam bahan bakar, yaitu Karbon, Hidrogen, dan Sulfur. Pada umumnya udara diasumsikan terdiri dari dua komponen utama yaitu Oksigen dan Nitrogen dengan komposisi sebagai berikut: Tabel 2.1 Komposisi Oksigen dan Nitrogen
Unsur
Persentasi Volume(%)
Persentasi Berat(%)
Oksigen (02)
20.99
23.15
Nitrogen (N2)
78.03
76.85
0.98
0
Lain-lain
Di dalam suatu pembakaran, energi kimia diubah menjadi energi panas dimana pada setiap terjadi pembakaran akan selalu menghasilkan gas buang yang meliputi komponen-komponen gas buang antara lain: CO2, NO2, H2O, SO2, dan CO. Proses pembakaran menghasilkan perubahan energi bahan bakar menjadi tenaga gerak, perubahan energi bersumber dari hasil pembakaran bahan bakar. Dalam pembakaran yang sempurna secara teoritis, reaksi pembakaran adalah sebagai berikut :
C8H18 + 12,5 O2
8 CO2 + 9 H2O + E
.....… …….....………(2.1)
Tetapi dalam prakteknya, udara mengandung ± 21 % O2 dan ± 79% N2. Serta pembakaran yang 100 % sempurna hanya didapat dalam laboratorium. Sehingga dalam prakteknya, pembakaran akan berlangsung :
C8H18 + 12,5 (O2 + 79/21 N2)
8 CO2 + 9 H2O + 12,5 (79/21 N2) + E
.............................................................................................................…...(2.2)
15
Jadi untuk pembakaran 1 mol bahan bakar memerlukan udara pembakaran 12,5 mol udara, serta menghasilkan 8 mol CO2, 9 mol H2O, 12,5 (79/21) mol N2 dan Energi. Pembakaran bahan bakar pada motor bensin dimulai dengan pemasukan campuran udara dan bahan bakar dari karburator menuju ruang bakar lewat katup masuk yang kemudian dinyalakan oleh percikan nyala api dari busi pada tekanan tertentu. Percikan nyala api busi tersebut kemudian membakar campuran yang telah siap untuk terbakar dengan kecepatan yang sangat tinggi. Sehingga terjadilah suatu pembakaran yang kemudian bisa mendorong torak dari titik mati atas ke titik mati bawah untuk menggerakkan poros engkol dan terjadilah putaran atau usaha pada motor
2.4.3 Biogas Biogas adalah gas yang dihasilkan oleh bakteri apabila bahan organik mengalami proses fermentasi dalam reaktor (biodigester) dalam kondisi anaerob (tanpa udara)(Suyitno, 2010). Proses fermentasi merupakan suatu oksidasi-reduksi didalam system biologi yang menghasilkan energi, dimana sebagai donor dan ekseptor elektronya digunakan senyawa organik. Fermentasi anaerobik menghasilkan biogas yang terdiri dari metana sebanyak 50 - 70 persen, karbon dioksida 25 - 45 persen, sedikit hidrogen, nitrogen, dan hidrogen sulfida.
2.4.4 Pemanfaatan Biogas Sebagai Bahan Bakar Manfaat energi biogas adalah sebagai pengganti bahan bakar khususnya minyak tanah dan dipergunakan untuk memasak. Dalam skala besar, biogas dapat digunakan sebagai pembangkit energi listrik. Di samping itu, dan proses produksi biogas akan dihasilkan sisa kotoran ternak yang dapat langsung dipergunakan sebagai pupuk organik tanaman/budidaya pertanian. Limbah biogas yaitu kotoran ternak yang telah hilang gasnya (Slurry) merupakan pupuk organik yang sangat kaya akan unsur-unsur yang dibutuhkan oleh tanaman. Bahkan, unsur-unsur-unsur seperti protein, selulose, lignin dan lain-lain tidak bisa digantikan oleh pupuk kimia. Pupuk organik dari biogas telah dicobakan pada tanaman jagung, bawang merah, dan padi. Komposisi gas yang terdapat di dalam biogas dapat dilihat pada label berikut :
16
Tabel 2.2 Komposisi gas yang terdapat dalam biogas yang belum di murnikan
Jenis Gas
Volume (%)
Methana (CH4)
55 – 75
Karbondioksida (CO2)
25 – 45
Hidrogen (H2)
1–5
Hidrogen Sulfida (H2S)
0–3
Nitrogen (N2)
0 – 0,3
Sumber : id.wikipedia.org
Nilai kalor dari 1 m3 biogas sekitar 6000 watt jam yang setara dengan setengah liter minyak diesel. Oleh karena itu biogas sangat cocok digunakan sebagai bahan bakar alteratif yang ramah lingkungan pengganti minyak tanah, LPG, butana, batubara, maupun bahan-bahan lain yang berasal dari fosil.
Kesetaraan biogas dapat dilihat dari tabel berikut:
Tabel 2.3 Biogas dibandingkan dengan bahan bakar lain
Keterangan
Bahan Bakar Lain Elpiji 0,46 kg Minyak tanah 0,62 liter
1 m3 Biogas
Minyak solar 0,52 liter Bensin 0,80 liter Gaskota 1,50 m3 Kayu bakar 3,50 kg
Sumber : Wahyuni, 2010
Biogas dapat dipergunakan dengan cara yang sama seperti gas-gas mudah terbakar yang lain. Pembakaran biogas dilakukan dengan mencampurnya dengan sebagian oksigen (O2). Namun demikian untuk mendapatkan hasil pembakaran yang optimal, perlu dilakukan pra kondisi sebelum biogas dibakar yaitu melalui proses pemurnian/penyaringan karena biogas mengandung beberapa gas lain yang tidak menguntungkan. Sebagai salah satu contoh, kandungan gas Hidrogen Sulfida yang tinggi yang terdapat dalam biogas jika dicampur dengan oksigen dengan
17
perbandingan 1 : 20, maka akan menghasilkan gas yang mudah meledak. Tetapi sejauh ini belum pernah dilaporkan terjadinya ledakan pada sistem biogas sederhana.
2.4.5 Alat pemasukan biogas ke tabung Cara pemasukan biogas ke dalam tabung adalah dengan menggunakan alat yang fungsinya mirip dengan regulator namun alat ini berfungsi untuk memasukkan biogas saja. Alat ini terbuat dari besi berlobang/pipa, plat besi dan pengencang. Dengan bantuan kompresor untuk mengisikan biogasnya ke dalam tabung.
Adapun desainnya adalah:
1
2 3 4 5 6 7 Gambar 2.5 Alat pemasukan biogas dan alat pengencang
Keterangan Gambar: 1. Pemutar. 2. Plat penjepit. 3. Plat atas penekan pipa besi. 4. Pipa besi penekan plat bawah. 5. Pipa saluran masuk biogas. 6. Plat bawah. 7. Pipa besi yang masuk kekatup tabung.
18
2.4.6 Rasio Udara Dengan Bahan Bakar (AFR) Rasio udara dengan bahan bakar adalah suatu perbandingan antara udara dengan bahan bakar yang akan masuk ke ruang bakar. Rasio udara dan bahan bakar dapat dirumuskan : Reaksi pembakaran bahan bakar premium dengan udara adalah :
1,02 (0,88 C8H18 + 0,12 C7H16) + 12,53 (O2 + 79/21 N2) 9,06 H2O + 12,53 (79/21 N2) + E
8 CO2 +
..........................................................(2.6)
Maka rasio udara - bahan bakar untuk premium (AFR) adalah : =
12,53 mol udara 1,02 mol premium
=
12,28 mol udara 1 mol premium
=
12,28 mol udara x 137,33 Mr udara 1 mol premium x 112,32 Mr premium
=
15,01 kg udara 1 kg premium
Rasio udara dengan bahan bakar untuk bahan bakar biogas adalah sebagai berikut : Biogas merupakan senyawa methane (CH4). Kandungan methana pada biogas yang telah dimurnikan di asumsikan adalah 80%. Secara kimia, reaksi pembakaran methane dengan udara adalah sebagai berikut:
5(0,8 CH4) + 9(O2 + 79/21 N2)
4CO2 + 10H2O + 9(79/21 N2) +
.............................................................……………………….......….(2.7)
Maka rasio udara - bahan bakar untuk biogas (AFR) adalah : =
9 mol udara 4 mol methane
=
2,25 mol udara 1 mol methane
E
19
=
2,25 mol udara x 137 ,33 Mr udara 1 mol methane x 12,8 Mr methane
=
24,14 kg udara 1 kg methane
Ukuran diameter saluran udara untuk karburator berbahan bakar premium pada sepeda motor adalah 2,57 cm.
Maka luas saluran udara untuk premium adalah :
A1=
1 π D12 …………………………….……………………….......….(2.8) 4
A1 =
1 x 3,14 x 2,572 4
= 5,184 cm2
Ukuran saluran udara untuk biogas:
A1 A2 = ….…………………….……………………….......…..(2.9) 2,25 12,28
A2 = A2 =
5,184 cm 2 x 2,25 = 0,95 cm2 12,28
1 x π x D22 4
0,95 cm2 = 0,785 D22 D22 =
0,95cm 2 0,785
D2 = 1,1 cm. = 11 mm
Dimana :
A1 :
Luas penampang saluran udara untuk karburator memakai bahan bakar premium.
20
D1 :
Diameter saluran udara untuk karburator memakai bahan bakar premium.
A2 :
Luas penampang saluran udara untuk konverter memakai bahan bakar biogas.
D2 :
Diameter saluran udara untuk konverter memakai bahan bakar biogas.
2.5
Pengkonversian Biogas
2.5.1 Konverter Biogas Konverter merupakan peralatan yang digunakan sebagai pencampur udara dengan biogas sebelum masuk ke ruang bakar. Peralatan ini menggantikan fungsi karburator sebagai pencampur antara bahan bakar dan udara. Konverter ini di desain agar ukurannya sama dengan lubang manifold. Dimana besar saluran manifold adalah 2,8 cm. Sehingga dipakailah pipa besi yang ukurannya sama. Pipa masuk biogas pun disesuaikan dengan menggunakan pipa besi agar selang yang dipakai bisa presisi. Selang yang dipakai adalah selang LPG yang ada dipasaran. Konverter ini berisi tutup dengan lubang dengan ukuran tertentu di bagian depan. Ukuran lubang udara ini yang nantinya besarnya bervariasi. Tutupnya terbuat dari plastik dop yang beredar dipasaran sebagai penutup pipa. Adapun gambar dari konverter adalah sebagai berikut: 1
3
2
Gambar 2.6 Konverter biogas
Keterangan : 1. saluran masuk biogas ke konverter 2. saluran masuk udara ke konverter 3. saluran keluar campuran bahan bakar dengan udara ke manifold.
21
2.5.2 Regulator Regulator merupakan suatu alat atau katup untuk mengatur laju alir massa gas yang keluar dari tabung biogas. Regulator yang digunakan adalah regulator gas high presure LPG yang beredar dipasaran. Yang nantinya mengatur rekanan biogas yang keluar dari tabung menuju ke konverter. Yang besarnya divariasikan dengan udara masuk ke konverter.
1
2
4
Gambar 2.7 Regulator High Presure.
Keterangan : 1. Pengatur tekanan keluar regulator. 2. Pressure gauge regulator. 3. Saluran masuk regulator. 4. Saluran keluar regulator.
3
