BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Motor Bensin
2.1.1
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 dikategorikan pesawat kalor dengan pembakaran dalam (Iternal Combustion Engine). Motor bensin dilengkapi dengan busi dan karburator. Karburator dalam motor bensin merupakan suatu tempat pencampuran bahan bakar dan udara. Setelah pencampuran udara dan bahan bakar terjadi kemudian 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. Tapi saat ini sudah ada motor bensin yang menggunakan injektor sebagai pengganti karburator. Pada motor bensin seperti ini, bahan bakar disemprotkan langsung ke dalam ruang bakar, tanpa melalui pencampuran bahan bakar dan udara pada karburator. Jadi dengan sistem injektor pemakaian bahan bakar menjadi lebih efisien dan pembakaran lebih sempurna. Karena pada sistem ini bahan bakar dikabutkan langsung ke ruang bakar, jadi kemungkinan bahan bakar terbuang lebih sedikit.
10
11
Motor bensin dibedakan menjadi dua jenis yaitu motor bensin 4 langkah dan motor bensin 2 langkah. Motor bensin 2 langkah adalah motor bensin yang memerlukan dua kali langkah torak atau satu kali putaran poros engkol untuk menghasilkan satu kali pembakaran dan satu kali langkah kerja.Sedangkan motor bensin 4 langkah adalah motor bensin yang memerlukan 4 kali langkah torak atau dua kali putaran poros engkol untuk menghasilkan satu pembakaran dan satu langkah kerja. Siklus kerja 4 langkah ini dipertemukan pertama kali oleh seorang ilmuan Jerman Nicholas August Otto pada tahun 1876. 2.1.2
Siklus Otto Siklus mesin 4 langkah dapat dijabarkan dalam siklus Otto udara standar
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.
(a)
(b)
12
(c)
Gambar 2.1 (a) P-V, (b) T-S Diagram, (c) P-V dan T-S diagram
Fase Pemasukan (Campuran Bahan Bakar dan Udara) 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 derajat, 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 dar V1 ke V2, sehingga bobot molekul gas campuran bahan bakar dan udara dalam silinder bertambah.
Fase Pemampatan (Kompresi Gas) Garis T1 – T2 adalah garis fase proses yang menggambarkan langkah pemampatan gas campuran udara dan bahan bakar dalam silinder, ketika
13
katup masuk tertutup dan katup buang tertutup dan piston naik 180 derajat, 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.
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 T 2 ke T3 dan terjadi peledakan gas campuran bahan bakar dan udara oleh percikan api busi.
Fase Pendayaan (Usaha) 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 derajat, ruang silinder membesar. Dalam proses ini volume silinder V membesar dari V1 ke V2, bobot gas campuran tetap, tekanan gas V merosot turun dari P 3 ke P4 dan suhu gas T merosot turun dari T3 ke T4.
Fase Pendinginan Gas Sisa Pembakaran. Garis T4 – T1 adalah proses volume konstan yang mengambarkan proses pendinginan dan pengeluaran tenaga panas hasil pembakaran, ketika katup
14
buang terbuka. dalam proses ini, volume gas tetap pada V 2, bobot gas campuran tetap tekanan gas turun dari P4 ke P1 sehingga suhu gas merosot turun dari T4 ke T1.
Fase Pembuangan (Pengeluaran Gas Sisa Pembakaran). 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.
2.1.3
Proses Pembakaran pada Motor Bensin Pembakaran adalah merupakan suatu proses secara kimiawi yang
berlangsung dengan cepat antara oksigen (O2) dengan unsur yang mudah terbakar dari bahan bakar pada suhu dan tekanan tertentu. Unsur-unsur yang penting di dalam bahan bakar yaitu, karbon, nitrogen dan sulfur. Pada umumnya udara terdiri dari dua komponen utama yaitu oksigen dan nitrogen.
15
Tabel 2.1 Komposisi Oksigen dan Nitrogen Unsur
Persentasi Volume(%)
Persentasi Berat(%)
Oksigen (O2)
20,99
23,15
Nitrogen (N2)
78,03
76,85
Lain-lain
0,98
0
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 + 12,5O2
8CO2 + 9H2O + Energi………… …….(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 + 79/21N2)
8CO2 + 9H2O +
2,5(79/21N2)+Energi ……………………………………………..(2.2) 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
16
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. 2.1.4
Rasio Udara Bahan Bakar Rasio udara adalah suatu perbandingan antara udara dengan bahan bakar
yang akan masuk ke ruang bakar. Rasio udara dan bahan bakar dapat dirumuskan dengan skema sebagai berikut : Dapat diketahui sebelumnya bahwa Bensin merupakan campuran dari isomer-isomer heptana (C7H16), oktana (C8H18) dan unsur mikro lainnya. Perbandingan antara heptana dengan oktana tergantung dari jenis bensin, sebagai contoh bensin dengan RON 88. Untuk mempermudah perhitungan bensin RON 88 terdiri atas 12% heptana dan 88% oktana, dengan Ar. O=16, H=1 dan C=12, maka Mr. C7H16=100; C8H18=114. Anggap massa jenis bensin 0.95 g/cm³, g/cc. Satu liter bensin massanya = massa jenis bensin x volume = 0.95 g/cc x 1000 cc = 950 g. Massa heptana = 12% x 950 g = 114 g. Jumlah mol heptana = massa heptana/Mr.heptana = 114/100 = 1,14 mol. Massa oktana = 88% x 950 g = 836 g. Jumlah mol oktana = massa oktana/Mr.oktana = 836/114 = 7,3 mol
17
Reaksi pembakaran : ........ C7H16 ....+ 11 O2 -------> 7 CO2 . + 8 H2O ........ 2 C8H18 .+ 25 O2 -------> 16 CO2 + 18 H2O Kebutuhan udara (O2) pembakaran heptana = mol heptana x koefisien reaksi O2/koefisien reaksi heptana = 1,14 x 11/1 = 12,54 mol. Kebutuhan udara (O2) pembakaran oktana = mol oktana x koefisien reaksi O2/koefisien reaksi oktana = 7,3 x 25/2 = 91,25 mol. Jumlah oksigen yang dibutuhkan untuk pembakaran = 12,54 + 91,25 = 103,79 mol. Oksigen untuk pembakaran diambil dari udara, anggap udara mengandung 20% oksigen. Maka jumlah mol udara yang dibutuhkan = 103,79/20% = 519 mol. Pada keadaan STP 1 mol udara volumenya 22,4 liter. Maka volume udara yang dibutuhkan untuk membakar 1 liter bensin = 521 x 22,4 liter = 11624,4 liter = 11, 62 meter kubik. Jadi berat udara : berat bahan bakar = 11.62 : 1
Untuk bahan bakar LGV: LGV merupakan senyawa hydrokarbon yang dikenal sebagai butana,
propana, isobutana atau campuran antara butana dengan propana. Perbandingan komposisi propana dengan butana adalah 30 : 70. Berat jenis LPG lebih besar dari udara yaitu, butana memiliki berat jenis dua kali berat udara dan propana memiliki
berat jenis satu setengah kali berat udara.
Secara kimia, reaksi
pembakaran LGV adalah sebagai berikut: 2,16(0,3 C3H8+0,7 C4H10) + 13,07(02+3,76N2)
8 CO2+ 10,15
H2O+13,07(3,76N2) ……………………………………………(2.3)
18
Maka rasio bahan bakar - udara untuk LPG: 1 : 6,05 Berdasarkan rasio bahan bakar di atas, maka diameter saluran udara pada karburator untuk pemakaian bahan bakar LGV dihitung dengan persamaan di bawah. Ukuran diameter saluran udara untuk standar bensin adalah: 3.7 cm Maka:
A1 =
1 π D12 4 A1 =
1 x 3,14 x 3,72 4
= 10,74665 cm2 Ukuran untuk saluran udara untuk LGV:
A1 X 6,05 = A2 12.5 A2 =
A2 =
10,74665 cm 2 x 6,05 = 5,1997 cm2 12,5
1 x π x D22 4
5,1997 cm2 = 0,785 .D22
D22 =
5,1997 cm 2 0,785
D22 = 6,623cm2 D2 =
6,623 cm2
D2 = 2,573 cm ........................(2.4) Dimana :
A1 : Luas penampang pada saluran udara untuk karburator memakai bahan bakar bensin.
19
D1 : Diameter saluran udara untuk karburator memakai bahan bakar bensin. A2 : Luas Penampang pada saluran udara untuk karburator memakai bahan bakar LGV. D2
:
Diameter saluran udara untuk karburator memakai bahan bakar LGV.
2.2 Prinsip Kerja Motor Bensin Empat Langkah Prinsip kerja dari motor bensin empat langkah adalah mengikuti siklus Otto yaitu untuk menghasilkan satu kali tenaga kerja memerlukan empat kali langkah torak dua kali putaran poros engkol. Berikut ini adalah skema langkah keja motor bensin empat langkah:
1) langkah isap
2) langkah kompresi 3) langkah usaha
4) langkah buang
Gambar 2.2 Prinsip Kerja Motor Bensin 4 Langkah (Toyota, 1998) 1. Langkah Isap Torak bergerak ke bawah meninggalkan Titik Mati Atas (TMA) ke Titik Mati Bawah (TMB) sambil mengisap campuran udara dan bensin ke
20
dalam silinder. Selama langkah ini katup isap membuka dan katup buang dalam keadaan menutup. Poros engkol membuat setengah putaran pertama. 2. Langkah Kompresi Torak bergerak dari TMB ke TMA memampatkan campuran udara dan bensin yang berada dalam silinder. Campuran udara dan bensin ini dimampatkan diantara torak 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 torak ke TMB. Selama gerak ini katup-katup isap dan buang dalam keadaan tertutup. Poros engkol membuat setengah putaran yang ketiga. 4. Langkah Buang Torak 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 torak kembali pada kedudukannya semula dan torak telah melakukan 4 gerakan
21
sepenuhnya. Dan kemudian akan kembali melakukan proses yang sama secara berulang-ulang. 2.3 Bahan Bakar Bensin Bahan bakar bensin atau minyak bakar yang dipakai untuk motor bensin adalah jenis gasoline atau petrol. Bensin pada umumnya merupakan suatu campuran dari hasil pengilangan yang mengandung parafin,naphthene dan aromatic dengan perbandingan yang bervariasi.Dewasa ini tersedia tiga jenis bensin, yaitu premium, pertamax, dan pertamax plus. Ketiganya mempunyai mutu atau prilaku (perfomance) yang berbeda. Mutu bensin dipergunakan dengan istilah bilangan oktana (Octane Number). Bensin disebut juga dengan kata lain Petrol atau Gasoline yaitu campuran berbagai hidrokarbon yang diperoleh melalui proses destilasi/pengilangan dari minyak mentah (Crude Oil). Ada beberapa persyaratan yang harus dipenuhi bensin sebagai bahan bakar mesin pembakaran dalam yaitu :
Mudah bercampur dengan udara
Tahan terhadap knocking.
Tidak mudah terbakar sendiri sebelum waktu yang ditentukan.
Tidak memiliki kecenderungan menurunkan efisiensi volumetris mesin.
Murah dan mudah didapat.
Menghasilkan pembakaran bersih, tanpa menyisakan korosi pada komponen peralatan mesin.
Memiliki nilai kalor yang cukup tinggi.
22
2.4 Angka Oktan Angka oktan pada bensin adalah suatu bilangan yang menunjukan kemampuan bertahan terhadap knocking (detonasi). Makin besar angka oktannya, makin besar pula kemampuan bertahan mesin terhadap knocking.Dengan berkurangnya intensitas untuk berdetonasi, maka campuran udara dan bahan bakar yang di kompresikan oleh torak dapat terbakar lebih baik. Sehingga kadar karbon monoksida pada gas buang akan berkurang, dan pemakaian bahan bakar menjadi hemat. Angka oktan tergantung pada struktur senyawa hidrokarbon yang terdapat pada bensin tersebut. Besarnya angka oktan suatu bahan bakar ini tergantung pada prosentase iso oktan dan normal heptana yang terkandung didalamnya. Kalau di dalam suatu bahan bakar terkandung 80 % iso oktan dan 20 % normal heptana maka dapat dikatakan bahwa angka oktan bahan bakar tersebut adalah 80. Iso oktan (C8H18) mempunyai sifat tahan terhadap knocking dan tingkat oktannya adalah 100, sedangkan normal heptana (C7H16) cenderung menambah terhadap terjadinya knocking dan tingkat oktannya adalah nol. Penambahan iso oktan didalam bensin akan menghemat bahan bakar. Dengan bertambahnya isooktan bertambah pula angka oktan. Untuk mesin yang mempunyai perbandingan kompresi yang tinggi memerlukan bahan bakar bensin yang mempunyai kadar oktan yang tinggi untuk menghilangkan terjadinya detonasi. 2.5 Liquefied Gas Vehicle (LGV) Penjelasan umum tentang LGV
23
Definisi tentang LGV LGV merupakan bahan bakar gas yang diformulasikan untuk kendaraan bermotor yang menggunakan spark ignition engine terdiri dari campuran propane (C3) dan butane (C4). Singkatnya, LGV merupakan LPG untuk kendaraan. Adapun kualitas pembakaran LGV setara dengan bensin berkualitas RON 98 (pertamax plus) dan ramah lingkungan. Tekanannya berkisar antara 8-12 bar, jauh lebih kecil ketimbang CNG yang tekanannya mencapai 200 bar. Karena kualitasnya lebih tinggi, harga LGV memang lebih tinggi dibandingkan dengan BBM bersubsidi (premium), tetapi lebih rendah dari harga BBM non subsidi (pertamax cs). LGV lebih fleksibel digunakan untuk daerah-daerah yang jauh dari sumber gas atau tidak memiliki pipa gas bumi. Sementara Compressed Natural Gas (CNG) merupakan bahan bakar gas yang dibuat dengan melakukan kompresi metana (CH4) yang diekstrak dari gas alam. CNG disimpan dan didistribusikan dalam bejana tekan, biasanya berbentuk silinder. CNG memiliki tekanan 200 bar, dengan tangki yang lebih besar ketimbang LGV. Ciri khas LGV Bahan bakar gas LGV mempunyai ciri khas sebagai berikut : 1. Sensitif terhadap api. 2. Mudah terbakar. 3. Tidak berwarna.
24
Sifat khas LGV Perlu diketahui, LGV bersifat FLAMMABLE (mudah terbakar). Dalam batas flammabality, LGV adalah sumber api yang terbuka sehingga letup (percikan api) yang sekecil mungkin dapat segera menyambar gas LGV. Sifat umum LGV Sebagai bahan bakar gas, LGV mudah terbakar apabila terjadi persenyawaan di udara. Untuk mencegah hal-hal yang tidak diinginkan perlu diketahui beberpa sifat umumnya : 1. Tekanan LGV cukup besar, sehingga bila terjadi kebocoran LGV akan membentuk gas secara cepat, memuai dan sangat cepat terbakar. 2. LGV
menghambur di
udara
secara
berlahan sehingga
sulit
mengetahuinya secara dini. 3. Berat jenis LGV lebih besar dari pada udara sehingga cenderung bergerak ke bawah. 4. LGV tidak mengandung racun. 5. Daya pemanasannya cukup tinggi, namun tidak meninggalkan debu (sisa pembakaran). 6. Cara penggunaannya cukup praktis dan mudah. Pada dasarnya tujuan penggunaan LGV adalah semata-mata untuk mempermudah pekerjaan rutin sehari-hari. Dengan konsep cepat, tepat dan
25
aman, LGV siap membantu mempermudah dan memperlancar pekerjaan sehari-hari dan tentunya dapat menghemat waktu dan energi. 2.6 Regulator Regulator merupakan suatu alat untuk mengatur aliran gas yang keluar dari tabung. Regulator standar yang dipakai untuk kompor gas mempunyai laju aliran gas 3 kilogram/jam. Menurut penelitian yang dilakukan oleh salah satu mahasiswa Teknik Mesin Universitas Udayana yang menguji Bio Gas untuk bahan bakar pada sepeda motor 4 langkah 125 cc. (Hendra, 2008), pemakaian regulator standar (3kg/jam) untuk penyaluran bahan bakar gas ke ruang bakar mesin sepeda motor menghasilkan akselerasi yang kurang baik dan putaran idle mesin yang terlalu tinggi, karena kurangnya suplai bahan bakar ke ruang bakar. Untuk dapat menghasilkan akselerasi yang setara atau mendekati dengan akselerasi menggunakan bahan bakar bensin, maka harus menggunakan regulator yang mempunyai laju aliran yang lebih besar,jadi harus menggunakan regulator yang mempunyai laju aliran massa gas yang bervariasi dari 3-10 kg/jam,yang bila dihitung sama dengan
3-10000
gram/jam.Jadi untuk rasio udara dan bahan bakar untuk penggunaan bahan bakar LGV agar energi yang dihasilkan mendekati penggunaan bahan bakar bensin,maka rasio udara dan bahan bakar dapat dirumuskan sebagai berikut: Untuk bahan bakar LGV : 2,16(0,3 C3H8+0,7 C4H10) + 13,07(02+3.76N2)
8 CO2 + 10,15
H2O+13,07(3.76N2)………………………………………………(2.5)
26
Sehingga untuk pemakaian bahan bakar LGV memerlukan 2,16 kali mol bensin agar sebanding dengan energi yang dihasilkan 1 mol bensin.Untuk mendapatkan massa bahan bakar dan oksigen untuk proses pembakaran bensin dan LGV digunakan rumus sebagai berikut: Massa bahan bakar LGV: Massa (0,3C3H8+0,7C4H10) =
mol (0,3C3H8+0,7C4H10) X berat molekul (0,3C3H8+0,7C4H10) = 2,16 x (15+ 46,2) = 2,16 x 61,2 =
132,19 gram................................(2.6)
Massa udara untuk LGV : Massa udara untuk LGV= mol udara untuk LGV X berat molekul udara untuk LGV = =
13,07 x
137,28
1794,25 gram...............................(2.7)
Massa bahan bakar bensin: Massa C8H18= mol C8H18 X berat molekul C8H18 = 1 X114 =114gram.................................... (2.8) Mol udara untuk bensin : Massa udara untuk bensin udara untuk bensin
= mol udara untuk bensin x berat molekul
27
=
12,5 x
137,28
=
1716 gram..................................... (2.8)
Dan untuk mendapatkan volume dari bahan bakar dan udara pada proses pembakaran bahan bakar bensin dan bahan bakar LGV, digunakan rumus sebagi berikut: Volume bahan bakar bensin: Volume = Massa bensin Massa jenis bensin =
0,114 kg 0,7
kg/liter
= 0,163 liter ....................................(2.9) Volume udara pada pembakaran bensin: Volume
=
Massa udara untuk bensin Maasa jenis udara
=
1,716 kg 0,001125 kg/liter
=
1525,3 liter ...............................(2.10)
Dan untuk rasio volume bahan bakar dengan udara pada pembakaran bahan bakar bensin adalah: 1
: 9357,7
Volume bahan bakar LGV: Volume = Massa LGV Massa jenis LGV = 0,13219 kg 0,0015 kg/liter = 88,13 Volume udara pada pembakaran LGV:
liter ..............................(2.11)
28
Volume = Massa udara untuk LGV Massa jenis udara = 1,79425 kg 0,001125 kg/liter = 1595 liter......................................(2.12) Jadi rasio volume bahan bakar dengan udara pada proses pembakaran LGV adalah:
1
: 18,09
Jadi untuk mendapatkan hasil akselerasi yang lebih maksimal dari pemakaian bahan bakar LGV ,maka harus dilakukan pengujian bahan bakar LGV dengan laju aliran massa bahan bakar yang bervariasi,yaitu dari 3 kg/jam
sampai
dengan
10
kg/jam.Karena
dari
latar
belakang
diatas,pemakaian regulator standar(3kg/jam),suplai bahan bakar keruang bakar masih kurang.Sehingga untuk mendapatkan rasio bahan bakar dan udara 1: 18,09 pada proses pembakaran LGV,maka harus dilakukan variasi laju aliran massa bahan bakar yang masuk dalam ruang keruang bakar agar mendapatkan akselerasi kendaraan yang lebih maksimal. 2.7 Converter kits Converter kits adalah peralatan utama pada mesin dengan bahan bakar LPG. Converter kits terdiri dari dua baian utama. Bagian pertama dinamakan regulator tekanan, berfungsi untuk menurunkan tekanan LPG dari tabung menjadi tekanan output. Penurunan tekanan pada regulator mengakibatkan perubahan fasa LPG dari cair ke gas. Untuk membantu proses penguapan, air pendingin mesin dialirkan disekeliling regulator. Bagian kedua, dinamakan
29
dengan regulator aliran. Regulator aliran berupa katup yang dikendalikan oleh kevakuman throtle body. Katup regulator digerakkan oleh lever. Lever berupa pengungkit dengan titik tumpu ditengah. Satu ujung dikaitkan dengan diafragma dan ujung yang lain ditahan oleh pegas lever. Jumlah gas yang mengalir dari regulator tekanan ke ruang diafragma dipengaruhi oleh kekuatan pegas lever dan kevakuman ruang diafragma. Pegas lever dapat diatur dengan memutar baut penyetel yang terdapat pada bagian luar converter kits. kevakuman ruang diafragma tergantung dari kecepatan aliran udara pada throttle body. Converter kits juga dilengkapi dengan katup solenoid dan katup aliran gas pada saluran output. Solenoid berfungsi untuk membuka dan menutup saluran gas didalam converter kits. Solenoid dikendalikan oleh tegangan listrik dari sistem kelistrikan kendaraan. Katup aliran gas berfungsi untuk mengatur kapasitas aliran pada sisi output converter kits. Katup aliran gas dapat diatur untuk mengurangi atau menambah luasan saluran output. Bentuk fisik converter kits LPG ini dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 2.3 Bentuk fisik coverter kits LPG
30
Untuk memasukkan LPG ke saluran manifold, digunakan sebuah diffuser yang dipasang pada sisi depan throtle body. Diffuser memiliki beberapa lubang memanjang yang mengelilingi lingkaran dalam. LPG dalam fasa gas mengalir dari converter kits ke diffuser melalui katup aliran gas ( katup akselerasi). 2.8 Parameter Pengukur Tenaga Mesin 2.8.1 Dinamometer Dinamometer adalah alat untuk mengukur daya mekanik (kecepatan dan torsi) yang
di
keluarkan
mesin.Dinamometer
menggunakan
sensor
untuk
mengindikasikan kecepatan dan torsi. Untuk mengukur tenaga mesin secara langsung belum bisa digunakan .Dua metode yang biasa digunakan dalam industri mesin adalah : 1.
Dinamometer mesin Jika kita ingin mengetahui tenaga dari mesin,maka kita menggunakan dinamometer yang dikhususkan untuk mesin. Ini menyerupai pada manufaktur outputshaft dari mesin kendaraan. Mesin diletakan pada dudukan
kemudian
dihubungkan
pada
dinamometer,biasanya
menggunakan propeler shaft (as kopel ) yang di hubungkan pada bagian belakang dari poros engkol (atau pada roda gila). Hasil dari power yang diukur
dengan
cara
ini
umumnya
disebut
sebagai
“flywheelpower”dinamometer ini membutuhkan pengereman dimana digunakan untuk mengetahui torsi (atau beban) dari mesin tersebut. Pada saat mesin di tahan pada kecepatan tetap dengan beban yang di berikan
31
oleh dinamometer kemudian torsi yang telah diberikan oleh dinamometer harus dengan tepat menyamakan dengan torsi yang dihasilkan oleh mesin. Dari sini akan mendapatkan grafik torsi dari keseluruhan putaran mesin. 2.
Rolling road Dynamometer (Chassis Dynamometer) Rolling road dynamometer dipergunakan untuk mengukur daya output mesin dengan mengetes kendaraan dalam bentuk seutuhnya,digunakan untuk mengetahui performa output,effisiensi energi maksimum dan tingkat kebisingan. Cara kerja rolling road dinamometer: Kendaraan dinaikan ke atas chassis dyno dan letakkan roda di roller kemudian di ikat menggunakan strap. Beban pengereman dihasilkan oleh salah satu roller dengan menggunakan hidrolik atau dengan sistem elektrik sama pada engine-dyno yang mengaplikasikan torsi pada crankshaft dari mesin. Perhitungan umum yang sama, BHP = torsi(ft/lbs) x rpm /5252, bisa digunakan untuk menghitung bhp pada roller dengan mengetahui torsi dan rpm pada roller (bukan rpm pada mesin).
2.9 Parameter Unjuk Kerja Motor Pembakaran Dalam 2.9.1
Proses Pembakaran Pembakaran didalam ruang bakar ( combustion chamber ) suatu motor
bakar merupakan gabungan suatu proses fisika dan proses kimia yang kompleks, meliputi persiapan pembakaran, perkembangan pembakaran, dan proses setelah pembakaran. Proses tersebut tergantung dari jenis dan kecepatan reaksi kimia, keadaan panas dan pertukaran masa selama proses, serta perambatan panas ke
32
sekelilingnya ( Faisal Dasuki; 1977 ). Untuk menghasilkan suatu proses pembakaran, minimal harus ada tiga komponen utama, yaitu bahan bakar, oksigen (udara), dan panas. Panas didapat dari letikan bunga api listrik pada motor bensin ( Spark Ignition Engine) atau tekanan kompresi yang tinggi pada motor diesel (Compression Ignition Engine). Tanpa salah satu komponen diatas mustahil proses pembakaran akan terjadi. Secara praktis prestasi mesin ditunjukkan oleh torsi dan daya. Parameter ini relatif penting untuk mesin dengan variasi kecepatan operasi dan tingkat pembebanan. Daya poros maksimum menggambarkan sebagai kemampuan maksimum mesin. Torsi poros maksimum pada putaran mesin tertentu mengindikasikan kemampuan untuk memperoleh aliran udara (campuran bahan bakar dan udara) yang masuk ke dalam mesin pada putaran mesin tersebut. Tujuan utama dari penggunaan engine adalah daya (mechanical power). 2.9.2
Daya poros efektif Tujuan utama dari penggunaan engine adalah daya (mechanical power).
Daya didefinisikan sebagai laju kerja dan sama dengan perkalian antara gaya dengan kecepatan linear atau torsi dengan kecepatan angular. Sehingga dalam pengukuran daya melibatkan pengukuran gaya atau torsi dan kecepatan. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan dinamometer dan tachometer atau alat lain dengan fungsi yang sama. Daya (Bhp) = 2.9.3
[HP]……………….(2.13)
Torsi Torsi merupakan harga yang ditunjukkan oleh momen motor pada out
put poros engkol (crank shaft). Torsi merupakan perkalian antara gaya yang
33
dihasilkan dari tekanan hasil pembakaran pada torak dikalikan dengan jari-jari lingkar poros engkol. Semakin sempurna pembakaran suatu motor, maka torsi yang terbangkit akan semakin maksimal. Bila radius tenaga yang bekerja adalah “r” (m) dan tenaga yang diberikan adalah “F” (kgf) maka momennya adalah: T = F.r (kgf.m)……………………………………………...(2.14) 2.9.4
Konsumsi Bahan Bakar Spesifik Konsumsi bahan bakar spesifik (spesific fuel consumption) didefenisikan
sebagai jumlah bahan bakar yang dipakai untuk menghasilkan satu satuan daya dalam waktu satu jam dan dirumuskan sebagai: SFC =
[ L/HP.h] ……………….. …………….(2.15)
Dimana untuk FC dapat dirumuskan sebagai : FC = 2.9.5
[L/h]……………………………….(2.16)
Pengukuran Gas Buang Proses pembakaran yang terjadi didalam ruang bakar merupakan
serangkaian kimia yang melibatkan campuran bahan bakar berupa HC dengan oksigen. Proses pembakaran menghasilkan empat macam gas buang berupa CO 2, CO, NOX dan HC. Keempat macam gas buang ini terbentuk pada proses pembakaran sempurna dan tidak sempurna. Pada proses pembakaran sempurna, hasil pembakaran yang terbentuk adalah CO2 dan H2O. Proses pembakaran sempurna dapat dinyatakan dalam reaksi berikut: CXHY + n (O2 + 3,76 N2) → a CO2 + b H2O + 3,76 n N2
34
Sedangkan proses pembakaran tidak sempurna menghasilkan gas buang berupa CO, NOX, HC dan partikulat pengotor lainnya. Proses pembakaran tidak sempurna dapat dituliskan dalam reaksi sebagai berikut: P CXHY + q (O2 + 3.76 N2) → a CO2 + b H2O + c CO + d HC + e NOX + 3,76 n N2 + partikulat pengotor lainnya HC merupakan sisa bahan bakar yang tidak ikut terbakar. CO terbentuk akibat kurangnya kadar O2 dalam proses pembakaran, sehingga yang terbentuk bukanlah CO2 melainkan CO karena HC yang ada berikatan dengan O2. NOX terbentuk pada temperatur tinggi disaat campuran udara dengan bahan bakar berlebihan. Gas analyzer merupakan rangkaian peralatan yang digunakan untuk mendeteksi keberadaan gas buang dalam bentuk CO 2, CO, NOX, HC dan juga kadar O2 yang ikut terbuang. Metode yang umum digunakan dalam proses pendekteksian keberadaan gas buang adalah melalui metode ionisasi. Hasil keluaran gas analyzer berupa konsentrasi gas- gas CO2,CO,NOX,O2 dan HC. Dari hasil yang didapatkan, ternyata terdapat korelasi antara rasio A/F dengan konsentrasi keluaran gas-gas tersebut. Pertimbangan
pengujian
suatu
engine
ditentukan oleh unjuk kerja engine dan kadar emisi gas buang hasil pembakaran. Unjuk kerja menjadi pentingkarena berkaitan dengan tujuan penggunaan engine dan faktor ekonomisnya sedangkan tinggi rendahnya emisi gas buang berhubungan dengan faktor lingkungan. Unjuk rasa suatu engine sangat tergantung pada energi yang dihasilkan dari campuran bahan bakar yang diterima oleh engine dan efisiensi thermis dari engine tersebut (kemampuan engine untuk mengubah energi kimia bahan bakar
35
menjadi kerja efektif dari engine). Bahan bakar bensin mengandung campuran dari beberapa hidrokarbon dan jika terbakar secara sempurna, pada gas buang hanya akan mengandung karbon dioksida (CO2) dan uap air (H2O) serta udara yang tidak ikut dalam proses pembakaran. Namun untuk beberapa alasan, pembakaran yang terjadi adalah tidak sempurna dan akan menghasilkan karbon monoksida(CO), gas beracun yang mematikan dan hidrokarbon yang tidak terbakar (Unburned Hidrocarbon, UBHC) pada gas buang. Disamping CO dan HC, emisi utama yang ketiga adalah oksida dari nitrogen (NO X) yang terbentuk oleh reaksi antara nitrogen dengan oksigen karena temperatur pembakaran yang tinggi, yaitu lebih dari 1100o C [1]. 2.9.6
Emisi Gas Buang Motor Bensin Emisi gas yang dihasilkan oleh pembakaran kendaraan bermotor pada
umumnya berdampak negatif terhadap lingkungan. Sehingga perlu diambil beberapa langkah untuk dapat mengendalikan gas buang yang dihasilkan tersebut. Salah satu caranya adalah dengan pemeriksaan atau uji emisi berkala untuk mengetahui kandungan gas buang kendaraan yang berpotensi mencemari lingkungan. Pada negara-negara yang memiliki standar emisi gas buang kendaraan yang ketat, ada 5 unsur dalam gas buang kendaraan yang akan diukur yaitu senyawa HC, CO, CO2, O2 dan senyawa NOx. Sedangkan pada negaranegara yang standar emisinya tidak terlalu ketat, hanya mengukur 4 unsur dalam gas buang yaitu senyawa HC, CO, CO2 dan O2. (http://rengkodriders.wordpress.com)
36
Bahan bakar bensin mengandung campuran dari beberapa hidrokarbon dan jika terbakar secara sempurna, pada gas buang hanya akan mengandung karbon dioksida (CO2) dan uap air (H2O) serta udara yang tidak ikut dalam proses pembakaran. Namun untuk beberapa alasan, pembakaran yang terjadi adalah tidak sempurna dan akan menghasilkan karbon monoksida (CO), gas beracun yang mematikan dan hidrokarbon yang tidak terbakar (Unburned Hidrocarbon, UBHC) pada gas buang. Disamping CO dan HC, emisi utama yang ketiga adalah oksida dari nitrogen (NOX) yang terbentuk oleh reaksi antara nitrogen dengan oksigen karena pembakaran yang tinggi, yaitu lebih dari 1100 oC. 1.
Karbon Monoksida (CO)
Gas karbonmonoksida adalah gas yang relative tidak stabil dan cenderung bereaksi dengan unsur lain. Karbon monoksida, dapat diubah dengan mudah menjadi CO2 dengan bantuan sedikit oksigen dan panas. Saat mesin bekerja dengan AFR yang tepat, emisi CO pada ujung knalpot berkisar 0.5% sampai 1% untuk mesin yang dilengkapi dengan sistem injeksi atau sekitar 2.5% untuk mesin yang masih menggunakan karburator. Dengan bantuan air injection, maka CO dapat dibuat serendah mungkin mendekati 0%. Apabila AFR sedikit saja lebih kaya dari angka idealnya (AFR ideal = lambda = 1.00) maka emisi CO akan naik secara drastis. Jadi tingginya angka CO menunjukkan bahwa AFR terlalu kaya dan ini bisa disebabkan antara lain karena masalah di fuel injection system seperti fuel pressure yang terlalu tinggi, sensor suhu mesin yang tidak normal, air filter yang kotor, PCV system yang tidak normal, karburator yang kotor atau setelannya yang tidak tepat.Karbon monoksida merupakan gas yang tidak berwarna dan tidak
37
berbau dan gas beracun. Gas ini timbul pada saat kondisi campuran di dalam mesin kaya. Dimana tidak tersedianya cukup oksigen untuk membentuk CO menjadi CO2, sehingga beberapa carbon berakhir menjadi CO. Biasanya untuk mesin bensin kadarnya 0,2% - 0,5%. Kekuatannya berkaitan dengan hemoglobin di dalam darah sangat lebij kuat dari pada oksigen. Bahkan konsentrasi yang rendah pun dapat menyebabkan terjadinya sufokasi. Konsentrasi didalam udara maksimal yang diijinkan adalah 33 mg/ m 3. 2.
Hidrokarbon (HC)
Bensin adalah senyawa hidrokarbon, jadi setiap HC yang didapat di gas buang kendaraan menunjukkan adanya bensin yang tidak terbakar dan terbuang bersama sisa pembakaran. Apabila suatu senyawa hidrokarbon terbakar sempurna (bereaksi dengan oksigen) maka hasil reaksi pembakaran tersebut adalah karbondioksida (CO2) dan air(H¬2O). Walaupun rasio perbandingan antara udara dan bensin (AFR=Air-to-Fuel-Ratio) sudah tepat dan didukung oleh desain ruang bakar mesin saat ini yang sudah mendekati ideal, tetapi tetap saja sebagian dari bensin seolah-olah tetap dapat “bersembunyi” dari api saat terjadi proses pembakaran dan menyebabkan emisi HC pada ujung knalpot cukup tinggi. Untuk mobil yang tidak dilengkapi dengan Catalytic Converter (CC), emisi HC yang dapat ditolerir adalah 500 ppm dan untuk mobil yang dilengkapi dengan CC, emisi HC yang dapat ditolerir adalah 50 ppm.Emisi HC ini dapat ditekan dengan cara memberikan tambahan panas dan oksigen diluar ruang bakar untuk menuntaskan proses pembakaran. Proses injeksi oksigen tepat setelah exhaust port akan dapat menekan emisi HC secara drastis. Saat ini, beberapa mesin mobil
38
sudah dilengkapi dengan electronic air injection reaction pump yang langsung bekerja saat cold-start untuk menurunkan emisi HC sesaat sebelum CC mencapai suhu kerja ideal. Apabila emisi HC tinggi, menunjukkan ada 3 kemungkinan penyebabnya yaitu CC yang tidak berfungsi, AFR yang tidak tepat (terlalu kaya) atau bensin tidak terbakar dengan sempurna di ruang bakar. Apabila mobil dilengkapi dengan CC, maka harus dilakukan pengujian terlebih dahulu terhadap CC denganc aramengukur perbedaan suhu antara inlet CC dan outletnya. Seharusnya suhu di outlet akan lebih tinggi minimal 10% daripada inletnya. Apabila CC bekerja dengan normal tapi HC tetap tinggi, maka hal ini menunjukkan gejala bahwa AFR yang tidak tepat atau terjadi misfire. AFR yang terlalu kaya akan menyebabkan emisi HC menjadi tinggi. Ini bias disebabkan antara lain kebocoran fuel pressure regulator, setelan karburator tidak tepat, filter udara yang tersumbat, sensor temperature mesin yang tidak normal dan sebagainya yang dapat membuat AFR terlalu kaya. Injector yang kotor atau fuel pressure yang terlalu rendah dapat membuat butiran bensin menjadi terlalu besar untuk terbakar dengna sempurna dan ini juga akan membuat emisi HC menjadi tinggi. Apapun alasannya, AFR yang terlalu kaya juga akan membuat emisi CO menjadi tinggi dan bahkan menyebabkan outlet dari “Cylinder Cap” mengalami overheat, tetapi CO dan HC yang tinggi juga bisa disebabkan oleh rembasnya pelumas ke ruang bakar. Apabila hanya HC yang tinggi, maka harus ditelusuri penyebab yang membuat ECU memerintahkan injector untuk menyemprotkan bensin hanya sedikit sehingga AFR terlalu kurus yang menyebabkan terjadinya intermittent misfire.
39
Pada mobil yang masih menggunakan karburator, penyebab misfire antara lain adalah kabel busi yang tidak baik, timing pengapian yang terlalu mundur, kebocoran udara disekitar intake manifold atau mechanical problem yang menyebabkan angka kompresi mesin rendah. Untuk mobil yang dilengkapi dengan sistem EFI, gejala misfire ini harus segera diatasi karena apabila didiamkan, ECU akan terus menerus berusaha membuat AFR menjadi kaya karena membaca bahwa masih ada oksigen yang tidak terbakar ini. Akibatnya “Cylinder Cap” akan mengalami overheat. Gas buang hidrokarbon yang dihasilkan pada SI engine mencapai 6000 ppm, komposisinya setara dengan 1-1,5 % bahan bakar. Pembentukan gas buang HC dipengaruhi oleh komposisi bahan bakar, geometri dari ruang bakar, dan parameter operasi mesin. Gas buang hidrokarbon dapat menyebabkan iritasi dan kanker. 3.
Nitrogen Oxide (NOX)
Emisi NOx tidak dipentingkan dalam melakukan diagnose terhadap mesin. Senyawa NOx adalah ikatan kimia antara unsur nitrogen dan oksigen. Dalam kondisi normal atmosphere, nitrogen adalah gas inert yang amat stabil yang tidak akan berikatan dengan unsur lain. Tetapi dalam kondisi suhu tinggi dan tekanan tinggi dalam ruang bakar, nitrogen akan memecah ikatannya dan berikatan dengan oksigen. Senyawa NOx ini sangat tidak stabil dan bila terlepas ke udara bebas, akan berikatan dengan oksigen untuk membentuk NO2. Inilah yang amat berbahaya karena senyawa ini amat beracun dan bila terkena air akan membentuk asam nitrat. Tingginya konsentrasi senyawa NOx disebabkan karena tingginya konsentrasi oksigen ditambah dengan tingginya suhu ruang bakar. Untuk menjaga
40
agar konsentrasi NOx tidak tinggi maka diperlukan kontrol secara tepat terhadap AFR dan suhu ruang bakar harus dijaga agar tidak terlalu tinggi baik dengan EGR maupun long valve overlap. Normalnya NOx pada saat idle tidak melebihi 100 ppm. Apabila AFR terlalu kurus, timing pengapian yang terlalu tinggi atau sebab lainnya yang menyebabkan suhu ruang bakar meningkat, akan meningkatkan konsentrasi NOx dan ini tidak akan dapat diatasi oleh CC atau sistem EGR yang canggih sekalipun. Tumpukan kerak karbon yang berada di ruang bakar juga akan meningkatkan kompresi mesin dan dapat menyebabkan timbulnya titik panas yang dapat meningkatkan kadar NOx. Mesin yang sering detonasi juga akan menyebabkan tingginya konsentrasi NOx. Gas buang NOx yang dihasilkan engine dapat mencapai 2000 ppm. Nitrogen pada atmosfir merupakan struktur diatomic yang stabil pada temperatur rendah. Akan tetapi pada temperatur tinggi ( 25003000 K) yang terjadi pada ruang bakar, sejumlah N2 berubah menjadi 2N, setelah itu bereaksi dengan O2 sehingga membentuk NO2, Gas NO2 yang keluar dari exhaust kendaraan akan bereaksi dengan sinar matahari dan menghasilkan NO + O + smog, monoatomik oksigen (O) akan bereaksi dengan O 2 menghasilkan O3 (ozon), terbentuknya ozon pada permukaan bumi dapat menyebabkan radang paru- paru, dan juga berbahaya untuk tanaman.
