BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Motor Bakar Torak Motor bakar torak merupakan salah satu jenis penggerak mula yang mengubah energy thermal menjadi energy mekanik. Energy thermal tersebut diperoleh dari proses pembakaran antara bahan bakar dengan oksigen dari udara. Bila tenaga panas pembakaran penghasil kerja berasal dari luar mesin itu sendiri seperti mesin uap, turbin uap disebut motor bakar pembakaran luar (External Combustion Engine). Bila tenaga panas pembakaran penghasil kerja berasal dari dalam mesin disebut mesin pembakaran dalam (Internal Combustion Engine). Proses pembakaran pada mesin berada dalam ruang bakar dalam silinder. Gas buang hasil pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja yang kemudian menggerakkan torak. Sedangkan torak dihubungkan dengan poros engkol oleh batang penghubung sehingga gerak translasi torak akan menyebabkan gerak rotasi pada poros engkol, begitu juga sebaliknya gerak rotasi pada poros engkol menimbulkan gerak transalasi pada torak. Hal-hal yang khusus pada mesin pembakaran dalam mesin bensin yaitu selama ini penggunaan energy terbesar adalah pada sektor transportasi, salah satunya adalah kendaraan bermotor. Karena inilah motor bensin menjadi pilihan sebagai tenaga penggerak. Ditinjau dari proses penyalaan bahan bakar, motor bakar dibedakan menjadi:
a.
Motor Bakar Bensin Pada motor bensin penyalaan bahan bakar disebabkan karena adanya loncatan bunga api listrik dari dua elektroda busi. Campuran antara bensin dan udara dibakar dalam silinder.
b.
Motor Bakar Diesel Pada motor diesel system penyalaan bahan bakar terjadi karena adanya proses kompresi atau penyalaan sendiri, yaitu dengan mengkompresikan udara dalam silinder hingga mencapai suhu nyala bahan bakar, kemudian bahan bakar disemprotkan dalam silinder yang berisi udara bertekanan dan temperature tinggi, sehingga bahan bakar akan terbakar sendiri. Pada mesin diesel atau dinamakan mesin pembakaran kompresi, bahan bakr dicampur udara memasuki silinder mesin. Solar kemudian diinjeksikan pada udara yang panas itu. Udara yang panas akibat proses kompresi akan membakar bahan bakar. Berdasarkan langkah toraknya, motor bakar torak dibedakan menjadi:
a.
Motor Bakar Dua Langkah Yaitu motor bakar dimana untuk memperoleh satu kali langkah kerja diperlukan dua langkah torak atau satu kali putaran poros engkol
b.
Motor Bakar Empat Langkah Yaitu motor bakar dimana untuk memperoleh satu kali langkah kerja diperlukan empat langkah torak atau dua kali putaran poros engkol. [Nakoela Sunarta: 2002 : hal. 32]
2.2 Siklus Otto Siklus ini dapat digambarkan dengan diagram P vs V seperti terlihat pada gambar di bawah ini:
Gambar 2.1 Siklus Otto Sumber: Arismunandar, W., Penggerak Mula Motor Bakar Torak. 1988. Hal. 15 Proses yang terjadi adalah : 1-2 : Kompresi adiabatic 2-3 : Pembakaran isokhorik 3-4 : Ekspansi / langkah kerja adiabatic 4-1 : Langkah buang isokhorik Mula-mula campuran udara dan uap bensin mengalir dari karburator menuju silinder pada saat piston bergerak ke bawah (langkah masukan).
Selanjutnya campuran udara dan uap bensin dalam silinder ditekan secara adiabatik ketika piston bergerak ke atas (langkah kompresi atau penekanan). Karena ditekan secara adiabatik maka suhu dan tekanan campuran meningkat. Pada saat yang sama, busi memercikkan bunga api sehingga campuran udara dan uap bensin terbakar. Ketika terbakar, suhu dan tekanan gas semakin bertambah. Gas bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi tersebut memuai terhadap piston dan mendorong piston ke bawah (langkai pemuaian). Selanjutnya gas yang terbakar dibuang melalui katup pembuangan dan dialirkan menuju pipa pembuangan (langkah pembuangan). Katup masukan terbuka lagi dan keempat langkah tersebut diulangi kembali. Tujuan dari adanya langkah kompresi atau penekanan adiabatik adalah menaikkan suhu dan tekanan campuran udara dan uap bensin. Proses pembakaran pada tekanan yang tinggi akan menghasilkan suhu dan tekanan (P = F/A) yang sangat besar. Akibatnya gaya dorong (F = PA) yang dihasilkan selama proses pemuaian menjadi sangat besar. Mesin motor atau mobil menjadi lebih bertenaga. Walaupun tidak ditekan, campuran udara dan uap bensin bisa terbakar ketika busi memercikkan bunga api. Tapi suhu dan tekanan gas yang terbakar tidak terlalu tinggi sehingga gaya dorong yang dihasilkan juga kecil. Akibatnya mesin menjadi kurang bertenaga. Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin pembakaran dalam empat langkah di atas bisa dijelaskan seperti ini : Ketika terjadi proses pembakaran, energi potensial kimia dalam bensin + energi dalam udara berubah menjadi kalor alias panas. Sebagian kalor berubah menjadi energi
mekanik batang piston dan poros engkol, sebagian kalor dibuang melalui pipa pembuangan (knalpot). Sebagian besar energi mekanik batang piston dan poros engkol berubah menjadi energi mekanik kendaraan (kendaraan bergerak), sebagian kecil berubah menjadi kalor alias panas sedangkan panas timbul akibat adanya gesekan. Secara termodinamika, siklus Otto memiliki 4 buah proses termodinamika yang terdiri dari 2 buah proses isokhorik (volume tetap) dan 2 buah proses adiabatis (kalor tetap). 2.3 Prinsip Kerja Motor Bakar Empat Langkah Motor bakar 4 (empat) langkah adalah bila 1 (satu) kali proses pembakaran bahan bakar memerlukan 4 (empat) langkah gerakan piston dan 2 (dua) kali putaran poros engkol. Siklus motor bakar 4 (empat) langkah adalah sebagai berikut : a). Langkah Hisap Proses yang terjadi pada langkah isap adalah : 1. Torak bergerak dari TMA ke TMB. 2. Katup masuk terbuka, katup buang tertutup. 3. Campuran bahan bakar dengan udara yang telah tercampur di dalam karburator, masuk kedalam silinder melalui katup masuk. 4. Saat torak berada di TMB katup masuk akan tertutup. b). Langkah Kompresi Proses yang terjadi pada langkah kompresi adalah :
1. Torak bergerak dari TMB ke TMA. 2. Katub masuk dan katup buang kedua-duanya tertutup sehingga gas yang telah dihisap tidak keluar pada waktu di tekan oleh torak yang mengakibatkan tekanan gas akan naik. 3. Beberapa saat sebelum torak mencapai TMA busi mengeluarkan bunga api listrik. 4. Gas bahan bakar yang telah mencapai tekanan tinggi terbakar. 5. Akibat pembakaran bahan bakar, tekanannya akan naik menjadi kira-kira tiga kali lipat. c). Langkah Kerja / Ekspansi Proses yang terjadi pada langkah Kerja (ekspansi) adalah : 1. Saat ini kedua katup masih dalam keadaan tertutup. 2. Gas terbakar dengan tekanan yang tinggi akan mengembang kemudian menekan torak turun ke bawah dari TMA ke TMB. 3. Tenaga ini disalurkan melalui batang penggerak, selanjutnya oleh poros engkol diubah menjadi gerak berputar. d). Langkah Buang Proses yang terjadi pada langkah buang adalah : 1. Katup buang terbuka, katup masuk tertutup. 2. Torak bergerak dari TMB ke TMA.. 3. Gas hasil sisa pembakaran akan terdorong oleh torak ke luar melalui katup buang.
Kerja motor bakar 4 (empat) langkah dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 2.2 Skema gerakan torak dan katup motor 4 langkah Sumber: Arismunandar W., Penggerak Mula Motor Bakar Torak, ITB, Bandung, 1994, Hal. 8
2.4 Tinjauan Terhadap Unjuk Kerja Motor Bensin Pengujian terhadap motor bakar ini adalah untuk mengetahui unjuk kerja dari motor bakar itu sendiri. Motor bakar yang digunakan untuk pengujian dalam penelitian ini adalah motor bensin empat langkah dan unjuk kerja yang dibahas meliputi: 2.4.1 Torsi dan Daya Torsi yang dihasilkan suatu mesin dapat diukur dengan menggunakan torquemeter yang dikopel dengan poros outpun mesin. Oleh karena sifat torquemeter yang bertindak seolah-olah seperti sebuah rem dalam sebuah mesin, maka daya yang dihasilkan poros output ini sering disebut sebagai daya rem (Brake Power).
PB =
2.π .n T ........................................................(2.1) 60
dimana:
PB = Daya Keluaran (Watt) n
= Putaran mesin (rpm)
T
= Torsi (N.m)
[ Sumber: Manual Book of TD 110-115 Test Bed Instrumentation for Small Engines, TQ Education and Trainning Ltd-Product Division 2000. Hal. 3-9. ] 2.4.2 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (Spesifik Fuel Consumption, Sfc) Konsumsi bahan bakar spesifik adalah parameter unjuk kerja mesin yang berhubungan langsung dengan nilai ekonomis sebuah mesin, karena dengan mengetahui hal ini dapat dihitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu. Bila daya rem dalam satuan kW dan laju aliran massa bahan bakar dalam satuan kg/jam, maka: Sfc =
m f x10 3 PB
dimana:
........................................................(2.2)
Sfc
= Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (g/kW.h).
mf
= Laju Aliran Bahan Bakar (kg/jam)
[ Sumber: Manual Book of TD 110-115 Test Bed Instrumentation for Small Engines, TQ Education and Trainning Ltd-Product Division 2000. Hal. 3-20. ]
Besarnya laju aliran massa bahan bakar (mf) dihitung dengan persamaan berikut:
mf =
sg f .V f .10 −3 tf
x3600........................................................(2.3)
dimana:
sgf = specific gravity. Vf = volume bahan bakar yang diuji. tf = waktu untuk menghabiskan bahan bakar sebanyak
volume
uji (detik).
[ Sumber: Manual Book of TD 110-115 Test Bed Instrumentation for Small Engines, TQ Education and Trainning Ltd-Product Division 2000. Hal. 2-7. ] 2.4.3 Perbandingan Udara Bahan Bakar (AFR) Untuk memperoleh pembakaran sempurna, bahan bakar harus dicampur dengan udara dengan perbandingan tertentu. Perbandingan udara bahan bakar ini disebut dengan Air Fuel Ratio (AFR), yang dirumuskan sebagai berikut:
AFR =
ma ……………………………….……………………(2.4) mf
Dimana: AFR
= air fuel ratio
ma
= laju aliran massa udara (kg/jam)
[ Sumber: Manual Book of TD 110-115 Test Bed Instrumentation for Small Engines, TQ Education and Trainning Ltd-Product Division 2000. Hal. 3-11. ] Besarnya laju aliran massa udara (ma) juga diketahui dengan membandingkan hasil pembacaan manometer terhadap kurva viscous flow meter calibration. Kurva kalibrasi ini dikondisikan untuk pengujian pada tekanan udara 1013 mbar dan temperatur 20 °C. Oleh karena itu, besarnya laju aliran udara yang diperoleh harus dikalikan dengan faktor koreksi (Cf) berikut:
C f = 3564 x Pa x
dimana:
(Ta + 114) …………………………………(2.5) Ta2,5
Pa = tekanan udara (Pa) Ta = temperatur udara (K)
[ Sumber: Manual Book of TD 110-115 Test Bed Instrumentation for Small Engines, TQ Education and Trainning Ltd-Product Division 2000. Hal. 2-9. ] 2.4.4 Effisiensi Volumetris Jika sebuah mesin empat langkah dapat menghisap udara pada kondisi isapnya sebanyak volume langkah toraknya untuk setiap langkah isapnya, maka itu merupakan sesuatu yang ideal. Namun hal itu tidak terjadi dalam keadaan sebenarnya, dimana massa udara yang dapat dialirkan selalu lebih sedikit dari perhitungan teoritisnya. Penyebabnya antara lain tekanan yang hilang (losses) pada system induksi dan efek pemanasan yang mengurangi kerapatan udara ketika memasuki silinder mesin. Efisiensi Volumetrik (ηv) dirumuskan dengan persamaan berikut:
ηv =
Berat udara segar yang terisap .............................(2.6) Berat udara sebanyak volume langkah torak
Berat udara segar yang terisap =
ma 2 . ...............................................(2.7) 60 n
Berat udara sebanyak langkah torak = ρ a .VS .......................................(2.8) Dengan mensubstitusikan persamaan di atas, maka besarnya effisiensi volumetris:
ηv =
2 . ma 1 . ....................................................................................(2.9) 60 . n ρ a .VS
dimana:
ρa = kerapatan udara (kg/m3) Vs = volume langkah torak (m3)
[ Sumber: Manual Book of TD 110-115 Test Bed Instrumentation for Small Engines, TQ Education and Trainning Ltd-Product Division 2000. Hal. 313. ] Diasumsikan udara sebagai gas ideal sehingga massa jenis udara dapat diperoleh dari persamaan berikut:
ρa =
Pa ......................................................................................(2.10) R.Ta
dimana:
R = konstanta gas (untuk udara = 29,3 kg.m/kg.K)
[ Sumber: Manual Book of TD 110-115 Test Bed Instrumentation for Small Engines, TQ Education and Trainning Ltd-Product Division 2000. Hal. 3-12. ]
2.4.5 Effisiensi Thermal Brake Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang dibangkitkan piston karena sejumlah energi hilang akibat adanya rugi-rugi mekanis (mechanical losses). Dengan alasan ekonomis perlu dicari kerja maksimum yang dapat dihasilkan dari pembakaran sejumlah bahan bakar. Efisiensi ini sering disebut sebagai Efisiensi Thermal Brake (Brake Thermal Efficiency,
ηb =
ηb)
Daya Keluaran Aktual .........................................................(2.11) Laju panas yang masuk
Laju panas yang masuk Q, dapat dihitung dengan rumus berikut: Q = m f . LHV .....................................................................................(2.12)
dimana
: LHV = nilai kalor bawah bahan bakar (kJ/kg).
Jika daya keluaran (PB) dalam satuan kW, laju aliran bahan bakar mf dalam satuan kg/jam, maka:
ηb =
PB . 3600 .....................................................................(2.13) m f . LHV
[ Sumber: Manual Book of TD 110-115 Test Bed Instrumentation for Small Engines, TQ Education and Trainning Ltd-Product Division 2000. Hal. 3-19. ] 2.5 Nilai Kalor Bahan Bakar Reaksi kimia antara bahan bakar dengan oksigen dari udara menghasilkan panas. Besarnya panas yang ditimbulkan jika satu satuan bahan bakar dibakar sempurna disebut nilai kalor bahan bakar. Berdasarkan asumsi ikut tidaknya panas laten pengembunan uap air dihitung sebagai bagian dari nilai kalor suatu bahan bakar, maka nilai kalor bahan bakar dapat dibedakan menjadi nilai kalor atas dan nilai kalor bawah. Nilai kalor atas (High Heating Value, HHV) merupakan nilai kalor yang diperoleh secara eksperimen dengan menggunakan Bom Kalorimeter dimana hasil pembakaran bahan bakar didinginkan sampai suhu kamar sehingga sebagian besar uap air yang terbentuk dari pembakaran hydrogen mengembun dan melepaskan panas latennya. Data yang diperoleh dari hasil pengujian Bom Kalorimeter adalah temperature air pendingin sebelum dan sesudah penyalaan. Selanjutnya untuk menghitung nilai kalor atas, dapat dihitung dengan persamaan berikut: HHV = ( T2 – T1 – Tkp) x Cv …………………………………… (2.14)
Dimana: HHV = Nilai Kalor Atas (kJ/kg) T1
= Temperatur air pendingin sebelum penyalaan (°C)
T2
= Temperatur air pendingin sesudah penyalaan (°C)
Cv
= Panas Jenis Bom Kalorimeter (73529.6 kJ/kg°C)
Tkp
= Kenaikan temperature akibat kawat penyala (0.05 °C)
[ Sumber : http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/15934/1/sti-jan2006%20(8).pdf ]
Sedangkan nilai kalor bawah dihitung dengan persamaan berikut: LHV = HHV – 3240 ……………………………………. (2.15) [ Sumber : http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/15934/1/sti-jan2006%20(8).pdf ]
2.6 Alkohol Alkohol adalah bahan bakar yang dapat diperbaharui yang dapat diproduksi dengan cara fermentasi material biomassa, seperti tebu, singkong dan jagung. Campuran alkohol dan bensin sangat bagus sebagai bahan bakar untuk mesin motor bakar karena mempunyai nilai oktan yang lebih tinggi dan emisi gas buang yang kecil. Banyak industry otomotif telah mengembangkan campuran bensin dengan alcohol 15% yang dikenal dengan E85, Campuran lebih rendah seperti E10 (10% alcohol) banyak digunakan pada dunia komersil. Keuntungan menggunakan alkohol adalah memiliki sifat pencampuran yang baik dengan bensin, mempunyai kadar oksigen yang tinggi yang diperlukan
dalam proses pembakaran sehingga akan mengurangi pencemaran udara dan bahan pembuat alkohol sangat mudah diperoleh. Namun alkohol juga memiliki kekurangan antara lain nilai kalor yang dikandung jauh lebih rendah daripada bensin, tekanan uap yang tinggi dan daya hidrokopisnya yang tinggi juga. Ditinjau dari nilai kalor, etanol lebih kecil daripada nilai kalor dari bensin premium, sehingga energi yang dihasilkan dari proses pembakaran akan lebih kecil daripada bensin premium. Namun dalam etanol terkandung banyak oksigen sehingga proses pembakaran akan menjadi lebih sempurna dan menghasilkan emisi gas buang yang lebih baik daripada bensin premium. [ Sumber: http://su.wikipedia.org/wiki/Alkohol#Kimia_alkohol ]
2.7 Angka Oktan Angka oktan adalah angka yang menunjukkan seberapa besar tekanan yang bisa diberikan sebelum bensin terbakar secara spontan. Di dalam mesin, campuran udara dan bensin (dalam bentuk gas) ditekan oleh pison sampai dengan volume yang sangat kecil dan kemudian dibakar oleh percikan api yang dihasilkan busi. Karena besarnya tekanan ini, campuran udara dan bensin juga bisa terbakar secara spontan sebelum percikan api dari busi keluar. Jika campuran gas ini terbakar karena tekanan yang tinggi (dan bukan karena percikan api dari busi), maka akan terjadi knocking atau ketukan di dalam mesin. Knocking ini akan menyebabkan mesin cepat rusak, sehingga sebisa mungkin harus dihindari.
Untuk mendapatkan nilai angka oktan dari bensin yang cukup tinggi dapat dilakukan dengan beberapa cara: a.
Memilih minyak bumi dengan kandungan aromat yang cukup tinggi dalam trayek didih gasoline.
b.
Meningkatkan kandungan aromatic melalui pengolahan reformasi atau alkana bercabang dengan alkilasi atau isomerasasi atau olefin bertitik didik rendah.
c.
Menggunakan komponen beroktan tinggi sebagai bahan ramuan seperti alkohol atau eter.
d.
Menambahkan aditif peningkat angka oktan.
[Sumber:
http://otomotif.kompas.com/read/2011/01/18/18104961/Mengenal.Hubungan.Kompre si.dan.Nilai.Oktan ]
2.8 Analisa Kesalahan / Ketakpastian dengan Metode Kline dan Mc Clintock Analisa ini didasarkan perhitungan teoritis, dengan asumsi bahwa nilai penyimpangan data akibat toleransi peralatan (hasil pengukuran), dimana secara matematik dianggap seluruh data hasil pengukuran memberikan penyimpangan maksimum atau minimum. Misalnya hasil pengukuran besarnya Daya yang yang dihasilkan masingmasing pengujian dengan menggunakan bahan bakar Premium, PA-5, PA-7, dan PA-9 adalah :
PB =
2.π .n T 60
Dimana : P = Daya n = Putaran T = Torsi
Toleransi untuk tiap alat ukur yang digunakan: Toleransi Torquemeter = ± 3% (Process Measurement and Analysis, hal. 1051) Toleransi Tachometer = ± 0.01 % (Process Measurement and Analysis, hal 1038) Maka untuk mencari Ketakpastian dapat dihitung dengan: WP = [ (
∂P ∂P x Wn ) 2 + ( x WT ) 2 ]1 / 2 ....................................... (2.16) ∂n ∂T
[ Sumber: Experimental Methods for Engineers, J. P. Holman, hal. 64 ]
