Abd-Alla G. H. - sinta.unud.ac.id II... · tekanan yang konstan sebagai suatu cara menurunkan NO x ... Perawatan yang lebih teliti karena dilengkapi ... Mobil dan sepeda motor berbahan

5

BAB II

KAJIAN PUSTAKA

2.1 Gas Buang Pada Motor Bakar Pembakaran Dalam

Untuk meningkatkan unjuk kerja mesin perlu dilakukan penelitian lebih

lanjut seperti halnya perbaikan sistem aliran gas buang, karena gas buang dapat

dimanfaatkan kembali untuk menurunkan temperatur pembakaran yang sangat

tinggi. Dengan pemanfaatan kembali sejumlah tertentu gas buang dimungkinkan

adanya dampak yang lebih baik terhadap kualitas emisi gas buang itu sendiri.

Penggunaan exhaust gas recirculation(EGR) dianjurkan sebagai metoda

untuk menigkatkan unjuk kerja mesin pada beban rendah dan mengurangi

emisinya (Selim M. Y. E., 2003).

Penggunaan EGR pada mesin Diesel berbahan bakar Biodiesel mampu

menurunkan senyawa CO dan HC dalam emisi gas buang (Pay Kani, et al.,2011)

Berdasarkan Abd-Alla G. H., 2001, pemanfaatan EGR, memungkinkan

diperolehnya gas buang dengan konsentrasi gas NO yang lebih rendah.

Jaffar Hussain et al., 2012 meneliti efek dari Exhaust Gas Recirculation

(EGR) terhadap kinerja motor bakar torak tiga silinder dan karakteristik emisinya,

didapatkan hasil penurunan Nox dan suhu yang lebih rendah di knalpot

kendaraan.

Dalam Alain Maiboom et al.,2008, laju aliran EGR yang tinggi dan

tekanan yang konstan sebagai suatu cara menurunkan NOx secara drastis, tetapi

meningkatkan brake specific fuel consumption (BSFC) dan emisi lainnya seperti

CO dan HC.

6

Mohsen Ghazikhani et al., (2014) melalui investigasi eksperimental suhu knalpot

dan pengaruh rasio emisi dan kinerja mesin bensin-etanol dua-langkah didapatkan

hasil yang paling menonjol dengan etanol aditif yang mengurangi polusi CO yang

dihasilkan sebesar 35%.

Pada penelitian tentang pengaruh perbandingan kompresi dan EGR,

terhadap performa, pembakaran dan emisi, mesin Diesel Injeksi Langsung,

menunjukkan, dengan meningkatkan perbandingan kompresi mesin dan EGR,

memberikan hasil pada adanya peningkatan performansi (Kumar, et al, 2013)

Sementara dalam, Panu Karjalainen et al., (2014) yang meneliti tentang

partikel gas buang kendaraan bensin modern: di laboratorium dan di lapangan,

penelitian ini menunjukkan bahwa kendaraan bensin modern dapat memancarkan

empat jenis partikel gas knalpot. Perbedaan karakteristik partikel dan

pembentukan harus diperhitungkan dalam pengembangan strategi dan teknologi

kontrol emisi, dalam penilaian dampak emisi partikel terhadap lingkungan dan

kesehatan manusia.

Emisi gas buang motor diesel sangat berbahasya, mengandung hampir 40

polutan yang membahayakan, campuran partikel karbon yang amat kecil

ukurannya, kurang dari satu micrometer (micron), dalam(John et al., 2006)

Aktivitas kendaraan bermotor menghasilkan emisi gas buang sebagai

akibat dari pembakaran bahan bakar minyak yang terjadi dalam mesin. Semakin

baik sistem pembakaran tersebut, akan semakin baik pula kualitas emisi gas

buangnya, karena kadar polutannya akan lebih rendah bila dibandingkan dengan

gas buang yang berasal dari industri. Artinya, kalau pembakaran dalam mesin

7

terjadi dengan sempurna, maka gas buang akan mengandung lebih sedikit polutan

atau bahan bahan yang bersifat racun. Tetapi mesin kendaraan belum dapat

menghasilkan sistem pembakaran yang sempurna karena beberapa sebab, baik

yang bersifat teknis maupun non teknis, seperti kondisi pengemudian, jenis mesin,

alat pengendali emisi, bahan bakar, suhu operasi dan faktor lain yang semuanya

itu membuat pola emisi gas buang kendaraan bermotor menjadi rumit, sehingga

masih ada bahan bakar yang menjadi sisa yang belum terbakar secara sempurna (

A. Tri Tugaswati, 1998).

Walaupun emisi gas buang kendaraan bermotor terutama terdiri dari

senyawa yang tidak berbahaya seperti Nitrogen, Karbon Dioksida, dan Uap Air,

tetapi di dalamnya terkandung juga senyawa lain dengan jumlah cukup besar yang

dapat membahayakan kesehatan maupun lingkungan serta partikel debu (A. Tri

Tugaswati)

Adanya reaksi di udara yang mengubah Nitrogen Monoksida (NO)

menjadi Nitrogen Oksida(NO2) yang lebih reaktif dan reaksi kimia antara

berbagai Oksida Nitrogen dengan senyawa Hidrokarbon yang menghasilkan Ozon

dan Oksidasi lainnya, yang dapat menyebabkan asap awan fotokimia

(photochemical smog). yang dapat menyebabkan mata perih, sakit tenggorokan

dan paru serta mengakibatkan sesak nafas. Bahaya ini, khususnya terkait dengan

anak-anak, orang tua dan mereka yang menderita sakit jantung dan paru (Great,

1994).

8

Dengan rekayasa resirkulasi gas buang yang dilakukan dalam penelitian

ini, diharapkan mampu memberikan kontribusi pada usaha menurunkan emisi gas

buang yang merugikan kesehatan manusia dan juga mampu meningkatkan unjuk

kerja mesin.

2.2 Motor Bakar

Motor bakar adalah mesin atau pesawat tenaga yang merupakan mesin

kalor dengan menggunakan energi thermal dan potensial untuk melakukan kerja

mekanik dengan merubah energi kimia dari bahan bakar menjadi energi panas

(thermal) dan potensial sehingga menghasilkan energi mekanik.

Motor bakar torak menggunakan beberapa gerak mesin yang di dalamnya

terdapat torak yang bergerak bolak-balik dan bergerak putar (rotary engine).

Dimana di dalam silinder terjadi pembakaran campuran antara udara dengan

bahan bakar dengan merubah tenaga panas dan potensial menjadi tenaga gerak

sehingga proses tersebut mampu menggerakkan torak yang oleh batang penggerak

dihubungkan ke poros engkol.

2.2.1 Klasifikasi Motor Bakar

Berdasarkan jenis bahan bakar yang umum digunakan motor bakar

digolongkan atas dua, yaitu :

1. Motor bakar bensin dengan penyalaan loncatan bunga api dari busi.

2. Motor bakar diesel dengan penyalaan kompresi.

Berdasarkan proses dan prinsip kerja motor bakar dapat dibedakan atas

dua bagian, yaitu :

1. Motor bakar 2 langkah (2 tak).

9

2. Motor bakar 4 langkah (4 tak).

Pada motor bakar empat langkah ini, untuk menghasilkan satu kali langkah

kerja diperlukan empat kali langkah torak dan dua kali putaran poros engkol.

Keuntungannya :

Pergantian gas hasil pembakaran dan udara sangat baik karena memiliki

langkah tersendiri.

Pemakaian bahan bakar lebih hemat dan putaran mesin lebih halus.

Kerugiannya:

Perawatan yang lebih teliti karena dilengkapi dengan mekanisme katup.

Adapun prinsip kerja pada motor bensin 4 langkah hampir sama dengan

prinsip kerja pada motor diesel 4 langkah. Di bawah ini disajikan gambar yang

berkenaan dengan proses/langkah yang dilalui sebuah mesin bensin empat

langkah dalam satu siklusnya.

Gambar 2.1. Prinsip Kerja Motor Bensin 4 langkah

Sumber : Nakoela Soenarta dan Shoici Furuhama, h. 7

10

Keterangan gambar :

a. Langkah Isap

Piston bergerak dari TMA ke TMB dimana katup isap terbuka dan katup

buang tertutup, campuran bahan bakar dan udara (gas baru) masuk ke

dalam silinder melalui saluran isap.

b. Langkah Kompresi

Pada langkah ini torak yang bergerak dari TMA ke TMB dimana katup

Isap dan katup Buang tertutup, campuran bahan bakar dan udara

mengalami pemampatan (kompressi) secara adiabatik sehingga tekanan

dan temperatur gas meningkat.

c. Langkah Kerja

Gas yang bertekanan tinggi mendorong torak dari TMA ke TMB

berlangsung secara adiabatis/isentropis. Pada saat itu katup isap dan katup

buang tertutup akibatnya peristiwa ini menghasilkan tenaga gerak

(mekanis) pada motor.

d. Langkah Buang

Gas bekas dan panas yang masih berada di dalam silinder didorong torak

dari TMB ke TMA keluar melalui katup buang yang terbuka dengan

sendirinya, sehingga tekanan gas sama dengan tekanan udara luar dan

peristiwa ini berlangsung secara volume tetap. Semua proses di atas

berlangsung secara terus menerus dan berulang-ulang untuk membentuk

siklus yang tertutup selama motor bakar bekerja.

11

2.2.2 Pembakaran dan Gas Buang

Pembakaran terjadi karena ada tiga komponen yang bereaksi, yaitu bahan

bakar, oksigen dan panas. Jika salah satu komponen tersebut tidak ada maka tidak

akan timbul reaksi pembakaran.

Gambar 2.2 Proses Pembakaran Sempurna

Sumber : Analisa Kinerja Mesin Bensin Berdasarkan Hasil Uji Emisi, h.9

2.3 Hukum Termodinamika dalam Mesin Otto Empat Langkah

Siklus Otto adalah siklus termodinamika yang paling banyak digunakan

dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol

Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto.

Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin pembakaran

dalam empat langkah di atas biasa dijelaskan seperti ini : Ketika terjadi proses

pembakaran, energi potensial kimia dalam bensin ditambahi energi dalam udara

berubah menjadi kalor atau 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 atau panas sedangkan panas timbul akibat

12

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). Dengan Proses yang terjadi adalah :

Gambar 2.3 Diagram P-V Sumber : en.wikipedia.org/Otto_cycle#Diagram–for_Otto_cycle-stages

Dari diagram P-V di dalam halaman sebelumnya,

1-2 :Kompresi adiabatis

2-3 : Pembakaran isokhorik

3-4 : Ekspansi / langkah kerja adiabatis

4-1 : Langkah buang isokhorik

2.4 Kondisi Overlapping Kerja Katup Motor Bensin

Pada setiap mesin bensin empat langkah akan terdapat paling sedikit

sepasang katup pada setiap silindernya, yakni satu katup Isap dan satu katup

Buang. Pada saat mesin hidup, katup tersebut akan mengalami kondisi atau

periode "katup tumpang tindih"(overlap) pada akhir langkah buang dan awal

langkah Isap, dimana kedua katup terbuka. Katup Isap dibuka sebelum gas buang

13

telah benar-benar meninggalkan silinder, dan kecepatan yang cukup membantu

dalam mengisap masuk campuran baru, bahan bakar dan udara.

Gambar 2.4 Diagram Katup

Sumber : Joel Rayner, h. 512

2.5 Unjuk Kerja Siklus

Dari sejumlah proses yang telah diuraikan berdasarkan diagram P-V

diatas kemudian dapat dituliskan hubungan antar parameter yang ada dalam

sistem yang bekerja dengan siklus tersebut. Dengan mengetahui kondisi awal(P1 ,

V1 da, T1), maka dapat dilakukan penyelesaian untuk menghitung efisiensinya.

Dari proses yang berlangsung pada siklus ini, berlaku :

T1/T2 = (V1/V2)(γ-1)

....................................................1

Sehingga dapat diperoleh : (

) = T1 rv

(γ-1) ..............................2

Juga berlaku P1V1γ = P2V2

γ ...................................................................................3

dimana : T1 ; V1 = Temperatur dan Volume di titik 1

T2 ; V2 = Temperatur dan Volume di titik 2

rv = Perbandingan kompresi

14

Dengan memperhatikan V3 = V2

P3 /T3 =P2 /T2..................................................................................4

Sehingga

..................................................5

(

)

....................................................................................................6

Maka :

...................................................................7

Untuk

,

maka (

)

........................................................................................8

Dari proses volume konstan titik 4-1, ,

....................................................................................................9

Karenanya dapat dilihat juga bahwa

Proses yang berlangsung sepanjang titik 3- 4, adalah proses ekspansi

adiabatik atau isentropik, dimana fluida kerja melakukan kerja. Sedangkan pada

proses yang berlangsung sepanjang titik 1-2, adalah proses kompresi adiabatik,

dimana fluida kerja memerlukan kerja dari luar sistem.

Kerja dalam siklus dapat diperoleh dengan menghitung kerja yang dihasilkan

proses ekspansi dikurangi kerja selama proses kompresi, sebagai,

∮ = Luas dibawah kurva 3-4 – Luas di bawah kurva 1-2.

∮

=

........................................................................10

15

=

...........................................................11

(untuk PV = mRT)

Menghitung kerja tiap siklus juga dapat ditentukan dengan ;

∮ ∮ = Kalor Masuk dikurangi Kalor Yang Dibuang.

Kalor diterima/masuk dalam proses 2-3 adalah :

Kalor yang dibuang dalam proses 4-1 adalah :

Efisiensi termal siklus =

=

=

=

....................12

2.6. Bentuk atau Susunan Perpindahan Panas

Susunan Perpindahan Panas yang di bahas pada rancangan ini adalah Perpindahan

Panas Dinding Berbentuk Pipa

Perpindahan panas adalah energi yang berpindah karena adanya perbedaan

temperatur, bahwa besarnya laju perpindahan kalor untuk sebuah pipa yang

panjangnya L,

(

) ..........................................................................................13

Besarnya Tahanan termal untuk sejumlah (n) lapis dinding silinder,

(

⁄ )

(

⁄ )

⁄

.................................................14

16

Pada bentuk dengan konfigurasi geometri tertentu diperlukan pendekatan

mengikuti geometri saluran yang ada. Seperti diuraikan tentang laju aliran panas

dalam Ҫengel Yunus A.,2004, dimana ̇ ̇ .....................................15

Dengan : ̇ = Laju aliran panas (W)

S = Faktor bentuk konduksi (m)

k = Konduktivitas thermal medium (W/m. oC)

2.7 Reaksi Kimia Pembakaran

Dalam proses pembakaran maka tiap macam bahan bakar selalu

membutuhkan sejumlah udara tertentu agar bahan bakar tadi dapat dibakar secara

sempurna. Sebagai contoh. dengan bahan bakar bensin, maka untuk dapat

membakar sempurna dibutuhkan udara kira-kira 15 kali berat bahan bakarnya,

atau kira-kira 60 kali isinya, bila bahan bakar tadi menjadi gas. Ini dapat ditelusuri

dari persamaan kimia pada pembakaran iso oktan (C8H18).

+ + +

Besaran di atas diperoleh dari berat atom C, H,O dan N. Volume gasnya juga

dapat dihitung dari volume tiap mol pada suhu dan tekanan normal yang besarnya

22,4 liter. Tiap liter dari campuran gas itu menghasilkan panas kira-kira 0,9 kcal.

Perkalian antara nilai panas ini dengan efisiensi thermis merupakan daya satu liter

dari pada motor otto. Dalam praktek nilai ini hampir sama bagi berbagai macam

bahan bakar seperti alkohol. Untuk 1 gram bensin menghasilkan panas 10,6 kcal,

karena demikian bensin 1 liter yang massanya 740 g menghasilkan 7.850

C8H18

1 mol,

114 g

12,5 (O2 + 3,76 N2)

Udara 59,5 mol,

1716 g

8 CO2 + 9H2O + 47N2

Gas terbakar 64 mol,

1831 g

1212 kcal

Nilai kalor 114 g

Bahan bakar

17

kcal/liter. Perbandingan udara dan bahan bakar seperti diuraikan di atas adalah

perbandingan teoritis atau perbandingan stoichiometric. Biasanya perbandingan

ini ditentukan dengan beratnya.

2.8 Pembangkitan Daya Melalui Mekanisme Engkol

Daya yang dihasilkan motor dengan siklus Otto ( dalam penelitian ini, Bensin)

diperoleh dari hasil pembakaran bahan bakar dan udara yang telah

ditekan(dikompresi) oleh torak dan menghasilkan gas dengan temperatur dan

tekanan tinggi. Gas yang bertekanan tinggi ini, mendorong torak menggerakkan

mesin agar berputar.

Usaha dan Daya sebagai berikut ditentukan :

Usaha = Gaya(tekanan gas x luas penampang torak) x jarak gerak

Pada gambar 2.5 di bawah ini tampaak mekanisme Engkol yang mengubah bolak-

balik torak menjadi berputar yang mudah dimanfaatkan. Apabila tekanan gas

besarnya sebagai p, maka gaya gaya P yang bekerja pada torak, besarnya :

P = 0,785 D2p ……………………………………………………………….(16)

Gaya ini diuraikan menjadi komponen R, yang tegak lurus dinding dan komponen

F yang bekerja searah dengan tangkai torak dan membuat sudut Ø dengan garis

vertikal(geseran antara torak dan dinding silinder diabaikan).

Kalau momen torsi menggerakkan mesin, maka dudukan mesin harus dapat

menahan reaksinya yang mempunyai persamaan sebagai :

Tr = Rh …………………………………………………….………………..…(17)

18

Gaya R, mendorong torak sedemikian rupa, sehingga bergerak di dalam silinder

dari satu sisi ke sisi lainnya dan membentur di dinding silinder. Fenomena ini

dinamakan pukulan torak, yang merupakan sumber suara gaduh yang kasar.

Gambar 2.5 Mekanisme Poros Engkol

Sumber : Nakoela Soenarta h. 13

2.9 Metode Uji Dynamometer

Mesin, digunakan untuk menggerakkan elemen elemen lainnya. Torsi, yang

biasanya diukur dalam Nm(Newton meter), diukur dengan memasang perangkat

pengukur yang disebut Dynamometer, yang telah berkembang bentuk dan

jenisnya.

Bentuk Rope Brake dan Prony Brake, telah jarang dipergunakan, hanya

digunakan dalam ilustrasi untuk memahami prinsip dasar saja. Jenis rope brake,

talinya melingkar mengelilingi roda gila (flywheel), pangkalnya diikat dan ujung

lainnya dibebani, seperti gambar di halaman berikut.

19

Gambar 2.6 Rope Brake

Sumber Joel Rayner, h. 572

Jenis rope brake ini, biasanya hanya untuk kecepatan putar yang relatif rendah.

Pendinginan diperlukan untuk menjaga suhu flywheel tetap rendah.

Perhitungannya mengikuti :

D = Diameter flywheel, m

d = diameter rope, m

M = load mass, kg

ms = spring balance reading, kg

T = Torsi yang bekerja, diperoleh dari Gaya tangensial yang bekerja dalam jari-

jari flywheel x jari-jari , dimana gaya tersebut bekerja. Sehingga perhitungan torsi

menjadi :

. Karena d, diasumsikan sangat kecil,

sehingga

.

20

Jenis lain yakni Prony Brake, dimana padanya terdapat sepatu rem(brake

shoes),yang dipergunakan untuk menjepit bagian roda gila(flywheel), sementara

kekuatan menjepit akan diatur dengan mengencangkan atau mengendurkan mur

penguncinya. Batang beban (load bar), digantungkan sejumlah massa dan batang

beban harus tetap dapat dipertahankan pada posisi horizontal. Seperti halnya rope

brake, dalam prony brake juga diperlukan pendinginan untuk menjaga temperatur

flywheel tetap rendah.

Gambar 2.7 Prony Brake

Sumber : Joel Rayner, h. 573

Dengan M = Massa dalam gantungan, kg

r = jarak antara pusat flywheel dan gantungan, m

T = Torsi yang terjadi, Nm

Maka akan dapat dihitung torsi sebagai : T = 9.81 M.r

21

Gambar 2.8 Pengukuran Daya Motor

Sumber : Nakoela Soenarta h.17

Gambar 2.8 menunjukkan peralatan yang digunakan untuk mengukur nilai yang

berhubungan dengan keluaran motor pembakaran. Suatu dynamometer mengukur

hasil motor pembakaran yang seimbang dengan hambatan atau beban pada

kecepatan putaran (n) konstan. Kalau kecepatan putar (n) berubah, maka motor

pembakaran menghasilkan daya untuk mempercepat atau memperlambat bagian

yang berputar, dan daya ini tidak dapat ditunjukkan oleh dynamometer. Biasanya

motor pembakaran ini dihubungkan dengan dynamometer, dengan maksud

mendapatkan keluaran dari motor pembakaran dengan cara menghubungkan poros

motor pembakaran dengan poros dynamometer menggunakan kopling elastik.

2.10 Laju Aliran Massa dalam Gas Buang

Sistem pembuangan gas hasil pembakaran suatu motor bakar, bekerja

dengan pendekatan persamaan Bernoulli. Persamaan Bernoulli dinyatakan sebagai

konstan sepanjang garis-arus..............................................(2-18)

22

Laju aliran massa ( ̇)=

Sistem pembuangan dalam kendaraan bermotor dirancang untuk

menghantarkan gas hasil pembakaran dari ruang bakar menuju udara

luar/atmosfir. Untuk mengurangi dampak ekspansi gas buang ke udara secara

tiba-tiba, saluran buang disertai dengan peredam suara, untuk mereduksi frekuensi

tinggi yang dihasilkan gas buang tersebut.

Dalam merancang knalpot harus dilakukan dengan cermat baik dalam

menentukan bentuk maupun ukurannya, karena akan sangat berpengaruh pada

sifat akustik yang diperoleh dan juga berkaitan dengan tekanan balik yang dapat

direduksinya.

Gambar 2.9 Knalpot Yamaha MIO-J