BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Motor diesel Motor diesel adalah jenis khusus dari mesin pembakaran dalam karakteristik utama pada mesin diesel yang membedakannya dari motor bakar yang lain, terletak pada metode pembakaran bahan bakarnya. Ditinjau dari cara memperoleh energi thermal ini mesin kalor dibagi menjadi dua golongan, yaitu mesin pembakaran luar dan mesin pembakaran dalam. Pada mesin pembakaran luar atau sering disebut juga sebagai eksternal combustion engine (ECE) proses pembakaran terjadi di luar mesin, energi thermal dari gas hasil pembakaran dipindahkan ke fluida kerja mesin melalui dinding pemisah, Contohnya mesin uap. Pada mesin pembakaran dalam atau sering disebut juga sebagai internal combustion engine(ICE), proses pembakaran berlangsung di dalam motor bakar itu sendiri sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja. Mesin pembakaran dalam umumnya dikenal juga dengan nama motor bakar. Dalam kelompok ini terdapat motor bakar torak dan sistem turbin gas. 2.2 Klasifikasi Motor Bakar Motor bakar torak dapat diklasifikasikan atas motor bensin dan motor diesel. Perbedaan pokok antara kedua mesin ini ada pada sistem penyalaannya. Pada motor bensin penyalaan bahan bakar dilakukan oleh percikan bunga api listrik dari busi. Oleh sebab itu motor bensin dikenal juga dengan sebutan spark ignition engine. Sedangkan pada motor diesel penyalaan bahan bakar terjadi dengan sendirinya, oleh sebab itu bahan bakar disemprotkan/diinjeksikan ke dalam ruang bakar yang berisi udara yang bertekanan dan bertemperatur tinggi. Bahan bakar tersebut terbakar dengan sendirinya oleh udara yang mengandung 21% volume O2, setelah temperatur campuran itu melampaui temperatur nyala bahan bakar, Motor diesel disebut juga dengan compression ignition engin. 2.2.1 Perbedaan motor diesel dan bensin: Jika diperhatikan lebih jauh terdapat banyak perbedaan antara motor bensin dan motor diesel antara lain:
Universitas Sumatera Utara
1. Gas yang diisap pada langkah motor bensin adalah campuran antara bahan bakar dan udara sedangkan pada motor diesel adalah udara murni. 2. Bahan bakar pada motor bensin terbakar oleh loncatan bunga api busi, sedangkan pada motor diesel oleh suhu kompresi tinggi. 3. Motor bensin menggunakan busi sedangkan motor diesel menggunakan injector (nozzel). 2.2.2 Kelebihan dan kekurangan antara motor bensin dan motor diesel Kelebihan motor bensin adalah getarannya lebih halus dan pada ukuran dan kapasitas yang sama mesin motor bensin lebih ringan. Sedangkan kekurangan motor bensin adalah antara lain: •
Motor bensin tidak tahan bekerja terus-menerus dalam waktun yang lama sedangkan diesel sebaliknya.
•
Motor bensin peka pada suhu yang tinggi terutama komponen sistem pengapiannya, sedangkan motor diesel tahan bekerja pada suhu yang tinggi.
•
Bahan bakar motor bensin harus bermutu baik karena peka terhadap bahan bakar, beda dengan dengan motor diesel hampir dapat menggunakan bahan bakar dari berbagai jenis dan mutu. Keduanya baik motor bensin dan diesel keduanya bekerja dengan proses 4 tak dan 2 tak, dimana motor 4 tak adalah motor yang bekerja setiap satu kali pembakaran bahan bakarnya memerlukan 4 kali langkah piston atau 2 kali putaran poros engkol.
2.3 Prinsip Kerja Motor Bakar Motor bensin dan motor diesel bekerja dengan torak bolak balik (naik turun pada motor gerak). Keduanya bekerja pada prinsip 4 langkah dan prinsip ini umumnya digunakan pada teknik mobil. Untuk motor dengan penyalaan busi disebut motor bensin dengan menggunakan bahan bakar bensin (premium), sedangkan untuk motor diesel menggunakan bahan bakar solar atau minyak diesel.
Universitas Sumatera Utara
Dalam proses pembakaran tenaga panas bahan bakar diubah ketenaga mekanik melalui pembakaran bahan bakar didalam motor. Pembakaran adalah proses kimia dimana Karbondioksida dan zat air bergabung dengan oksigen dalam udara.Jika pembakaran berlangsung maka diperlukan : a)Bahan bakar dan udara dimasukkan kedalam motor kemudian b)Bahan bakar dipanaskan hingga suhu tinggi Pembakaran menimbulkan panas dan menghasilkan tekanan, kemudian menghasilkan tenaga mekanik. Campuran masuk kedalam motor mengandung udara dan bahan bakar. Perbandingan campuran kira kira 12-15 berbanding 1 setara 12-15 kg udara dalam 1 kg bahan bakar Yaitu karbon dioksida 85% dan zat asam (Oksigen)15% atau 1/5, bagian dengan karbon dioksida dan zat air, Zat lemas (N) tidak mengambil bagian dalam pembakaran. 2.3.1 Prinsip Kerja motor bensin Langkah-langkah yang terjadi pada motor bensin 4 langkah adalah : 1. Langkah isap Pada langkah isap campuran udara yang telah bercampur pada karburator diisap ke dalam silinder (ruang bakar). Torak bergerak turun dari titik mati atas (TMA) ke titik mati bawah (TMB) yang akan menyebabkan kehampaan (vacum) di dalam silinder, maka dengan demikian campuran udara dan bahan bakar (bensin) akan diisap ke dalam silinder. Selama langkah torak ini, katup isap akan terbuka dan katup buang akan menutup. 2. Langkah Kompresi Pada langkah kompresi, campuran udara dan bahan bakar yang berada di dalam silinder dimampatkan oleh torak, dimana torak akan bergerak dari TMB ke TMA dan kedua katup isap dan buang akan menutup, sedangkan busi akan memercikan bunga api dan bahan bakar mulai terbakar akibatnya terjadi proses pemasukan panas. 3. Langkah Ekspansi Pada langkah ekspansi, campuran udara dan bahan bakar yang diisap telah terbakar.Selama pembakaran sejumlah energi dibebaskan, sehingga suhu dan tekanan dalam silinder naik dengan cepat. Setelah mencapai TMA, piston akan didorong oleh gas bertekanan tinggi menuju TMB. Tenaga mekanis ini diteruskan
Universitas Sumatera Utara
ke poros engkol. Saat sebelum mencapai TMB, katup buang terbuka, gas hasil pembakaran mengalir keluar dan tekanan dalam silinder turun dengan cepat. 4. Langkah buang Pada langkah buang,torak terdorong ke bawah menuju TMB dan naik kembali ke TMA untuk mendorong ke luar gas-gas yang telah terbakar di dalam silinder. Selama langkah ini, katup buang membuka sedangkan katup isap menutup. Pada motor bensin 4-langkah, poros engkol berputar sebanyak dua putaran penuh dalam satu siklus dan telah menghasilkan satu tenaga Siklus otto dapat dilihat pada gambar 2.1 proses yang terjadipada siklus otto adalah: Proses a-b
: kompresi isentropic.
Proses b-c
: Proses pembakaran volume konstan dianggap sebagai proses pemasukan kalor.
Proses c-d
: Proses isentropic udara panas dengan tekanan tinggi mendorong piston turun menuju TMB.
Proses d-a
: Proses pelepasan kalor pada volume konstan piston.
Gambar.2.1 Diagram P-V (sumber:http://willyyanto.wordpress.com/tag/t-s-diagram/)
Universitas Sumatera Utara
2.3.2 Prinsip Kerja Motor Diesel Prinsip kerja engine diesel 4 tak sebenarnya sama dengan prinsip kerja engine otto, yang membedakan adalah cara memasukkan bahan bakarnya. Pada motor diesel bahan bakar di semprotkan langsung ke ruang bakar dengan menggunakan injector. Dibawah ini adalah langkah dalam proses engine diesel 4 tak : 1. Langkah Isap Pada langkah ini piston bergerak dari TMA (Titik Mati Atas) ke TMB (Titik Mati Bawah). Saat piston bergerak ke bawah katup isap terbuka yang menyebabkan ruang didalam silinder menjadi vakum, sehingga udara murni langsung masuk ke ruang silinder melalui filter udara. 2. Langkah kompresi Pada langkah ini piston bergerak dari TMB menuju TMA dan kedua katup tertutup.Karena udara yang berada di dalam silinder didesak terus oleh piston,menyebabkan terjadi kenaikan tekanan dan temperatur, sehingga udara di dalam silinder menjadi sangat panas. Beberapa derajat sebelum piston mencapai TMA, bahan bakar di semprotkan ke ruang bakar oleh injector yang berbentuk kabut. 3. Langkah Usaha Pada langkah ini kedua katup masih tertutup, akibat semprotan bahan bakar di ruang bakar akan menyebabkan terjadi ledakan pembakaran yang akan meningkatkan suhu dan tekanan di ruang bakar. Tekanan yang besar tersebut akan mendorong piston ke bawah yang menyebkan terjadi gaya aksial. Gaya aksial ini dirubah dan diteruskan oleh poros engkol menjadi gaya radial (putar). 4. Langkah Buang Pada langkah ini, gaya yang masih terjadi di flywhell akan menaikkan kembali piston dari TMB ke TMA, bersamaan itu juga katup buang terbuka sehingga udara sisa pembakaran akan di dorong keluar dari ruang silinder menuju exhaust manifold dan langsung menuju knalpot. Begitu seterusnya sehingga terjadi siklus pergerakan piston yang tidak berhenti. Siklus ini tidak akan berhenti selama faktor yang mendukung siklus tersebut tidak ada yang terputus.
Universitas Sumatera Utara
Siklus diesel dapat dilihat pada gambar 2.2 proses yang terjadi pada siklus diesel adalah Proses a-b
:Langkah kompresi.
Proses b-c
:Proses pemasukan kalor pada tekanan konstan.
Proses c-d
:Langkah ekspansi.
Proses d-a
:Proses pembuangan kalor pada volume konstan.
Gambar.2.2 Diagram P-V (sumber:http://willyyanto.wordpress.com/tag/t-s-diagram/) 2.4 Performansi Motor Diesel 2.4.1 Daya Poros Daya mesin adalah besarnya kerja mesin selama waktu tertentu. Pada motor bakar daya yang berguna adalah daya poros, dikarenakan poros tersebut menggerakan beban. Daya poros dibangkitkan oleh daya indikator, yang merupakan daya gas pembakaran yang menggerakan torak selanjutnya menggerakan semua mekanisme, sebagian daya indikator dibutuhkan untuk mengatasi gesekan mekanik, seperti pada torak dan dinding silinder dan gesekan antara poros dan bantalan. Prestasi motor bakar pertama-tama tergantung dari daya yang dapat ditimbulkannya. Semakin tinggi frekuensi putar motor makin tinggi daya yang diberikan hal ini disebabkan oleh semakin besarnya frekuensi semakin banyak langkah kerja yang dialami pada waktu yang sama. Dengan demikian besar daya poros itu adalah : 2π(n.T) PB =
(W)
(2.1) Lit 3 hal 3-9
6000 Dimana : PB = daya (W) T = torsi terukur (Nm) n = putaran mesin (rpm)
Universitas Sumatera Utara
2.4.2 Torsi Torsi adalah perkalian antara gaya dengan jarak. Selama proses usaha maka tekanan-tekanan yang terjadi di dalam silinder motor menimbulkan suatu gaya yang luar biasa kuatnya pada torak. Gaya tersebut dipindahkan kepada pena engkol melalui batang torak, dan mengakibatkan adanya momen putar atau torsi pada
poros engkol.
Untuk
mengetahui
besarnya
torsi digunakan
alat
dynamometer. Biasanya motor pembakaran ini dihubungkan dengan dynamometer dengan maksud mendapatkan keluaran dari motor pembakaran dengan cara menghubungkan poros motor pembakaran dengan poros dynamometer dengan menggunakan kopling elastik. Dengan demikian besarnya torsi tersebut adalah: T = F.l = m.g.l
(2.2) lit 3
dimana : T = torsi (N.m) m = massa yang diukur pada dynamometer (kg) g = percepatan gravitasi (m/s2) l = panjang tuas pada dynamometer (m) 2.4.3 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC) Konsumsi bahan bakar spesifik merupakan salah satu parameter prestasi yang penting di dalam suatu motor bakar. Parameter ini biasa dipakai sebagai ukuran ekonomi pemakaian bahan bakar yang terpakai per jam untuk setiap daya kuda yang dihasilkan. Sebelum menghitung konsumsi bahan bakar spesifik, maka harus menghitung konsumsi bahan bakar terlebih dahulu.
mf = Dengan :
𝑏 𝑡
.
3600 1000
. 𝜌𝑏𝑏 ( kg/jam)
Mf = konsumsi bahan bakar (kg/jam) b = volume bahan bakar yang dipakai dalam pengujian (cc) t = waktu diperlukan dalam detik (s) ρbb = massa jenis bahan bakar (kg/I) maka : Dimana :
SFC =
𝑚𝑓 𝑃
( kg/KWh)
SFC = konsumsi bahan bakar spesifik (kg/kWh)
Universitas Sumatera Utara
Mf = konsumsi bahan bakar (kg/jam) P
= daya (kW)
2.4.4 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(Calorific Value, CV ). 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 experiment dengan menggunakan kalorimeter dimana hasil pembakaran bahan bakar didinginkan sampai suhu kamar sehingga sebagian besar uap air yang terbentuk dari pembakaran hidrogen mengembun dan mengeluarkan panas latennya. Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung bila diketahui komposisi bahan bakarnya dengan menggunakan persamaan berikut: HHV = 33950 C + 144200 �𝐻2 −
𝑂2 8
� + 9400 S
Dimana: HHV = Nilai kalor atas (kj/kg) C
= Persentase karbon dalam bahan bakar
H2
= Persentase hidrogen dalam bahan bakar
O2
= Persentase oksigen dalam bahan bakar
S
= Persentase sulfur dalam bahan bakar Nilai kalor bawah (Low Heating Value,LHV), merupakan nilai kalor bahan
bakar tanpa panas laten yang berasal dari pengembunan uap air. Umumnya kandungan hidrogen dalam bahan bakar cair berkisar 15% yang berarti dalam satu satuan bahan bakar 0,15 bagian merupakan hidrogen. Pada proses pembakaran sempurna, air yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar adalah setengah mol dari jumlah hidrogennya. Selain berasal dari pembakaran hydrogen, uap air yang terbentuk pada proses pembakaran dapat pula berasal dari kandungan air yang memang sudah ada didalam bahan bakar (moisture). Panas laten pengkondensasian uap air pada tekanan parsial 20 KN/m2 (tekanan yang umum timbul pada gas buang) adalah
Universitas Sumatera Utara
sebesar 2400 kj/kg, sehingga besarnya nilai kalor bawah (LHV) dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut: LHV = HHV – 2400 (M + 9 H2) dimana: LHV = Nilai kalor bawah (kj/kg) M
= Persentase kandungan air dalam bahan bakar (moisture) Dalam perhitungan efisiensi panas dari motor bakar, dapat mengggunakan
nilai kalor bawah (LHV) dengan asumsi pada suhu tinggi saat gas buang meninggalkan mesin tidak terjadi pengembunan air. Namun dapat juga menggunakan nilai kalor atas (HHV) karena nilai tersebut umumnya lebih cepat tersedia. Peraturan pengujian berdasarkan ASME (American of Mechanical Enggineers) menentukan penggunaan nilai kalor atas (HHV), Sedangkan peraturan SAE (Society of Automotive Enggineers) menentukan penggunaan nilai kalor bawah (LHV). 2.4.5 Efisiensi Thermal Brake Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energy yang dibangkitkan piston karena sejumlah enegi hilang akibat adanya rugi-rugi mekanis (mechanical losses). Dengan alas an ekonomis perlu dicari kerja maksimium yang dapat dihasilkan dari pembakaran sejumlah bahan bakar. Efisiensi ini disebut juga sebagai efisiensi termal brake (brake thermal efficiency,ηb).
ηb =
𝐷𝑎𝑦𝑎 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟𝑎𝑛 𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙
𝐿𝑎𝑗𝑢 𝑝𝑎𝑛𝑎𝑠 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘
Laju panas yang masuk Q, dapat dihitung dengan rumus berikut: Q = mf . LHV Jika daya keluaran N dalam satuan KW, laju aliran bahan bakar mf dalam satuan kg/jam, maka:
ηb = 2.5 Emisi Gas Buang
𝑁
𝑚𝑓 .
𝐿𝐻𝑉
. 3600
Bahan pencemar (polutan) yang berasal dari kendaraan bermotor dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kategori sebagai berikut :
Universitas Sumatera Utara
1. Sumber Polutan dibedakan menjadi polutan primer atau sekunder. Polutan primer seperti nitrogen oksida (NOx) dan hidrokarbon (HC), langsung dibuangkan ke udara bebas dan mempertahankan bentuknya seperti pada saat pembuangan. Polutan sekunder seperti ozon (O3) dan peroksiasetil nitrat (PAN) adalah polutan yang terbentuk di atmosfer melalui reaksi fotokimia, hidrolisis atau oksidasi. 2. Komposisi Kimia Polutan dibedakan menjadi organik dan inorganik. Polutan organik mengandung karbon dan hidrogen, juga beberapa elemen seperti oksigen, nitrogen, sulfur atau fosfor, contohnya : Hidrokarbon, keton, alkohol, ester dan lain-lain. Polutan inorganik seperti :karbon monoksida(CO), karbonat, nitrogen oksida, ozon dan lainnya. 3. Bahan Penyusun Polutan dibedakan menjadi partikulat atau gas. Partikulat dibagi menjadi padatan dan cairan seperti : debu, asap, abu, kabut dan spray, partikulat dapat bertahan di atmosfer. Sedangkan polutan berupa gas tidak bertahan di atmosfer dan bercampur dengan udara bebas.
a.) Partikulat Polutan partikulat yang berasal dari kendaraan bermotor umumnya merupakan fasa padat yang terdispersi dalam udara dan membentuk asap. Fasa padatan tersebut berasal dari pembakaran tak sempurna bahan bakar dengan udara, sehingga terjadi tingkat ketebalan asap yang tinggi. Selain itu partikulat juga mengandung timbal yang merupakan bahan aditif untuk meningkatkan kinerja pembakaran bahan bakar pada mesin kendaraan. Apabila butir-butir bahan bakar yang terjadi pada penyemprotan kedalam silinder motor terlalu besar atau apabila butir–butir berkumpul menjadi satu, maka akan terjadi dekomposisi yang menyebabkan terbentuknya karbon–karbon padat atau angus. Hal ini disebabkan karena pemanasan udara yang bertemperatur tinggi, tetapi penguapan dan pencampuran bahan bakar dengan udara yang ada didalam silinder tidak dapat berlangsung sempurna, terutama pada saat–saat dimana terlalu banyak bahan bakar disemprotkan yaitu pada waktu daya motor akan
Universitas Sumatera Utara
diperbesar, misalnya untuk akselerasi, maka terjadinya angus itu tidak dapat dihindarkan. Jika angus yang terjadi itu terlalu banyak, maka gas buang yang keluar dari gas buang motor akan bewarna hitam.
b.) Unburned Hidrocarbon (UHC) Hidrokarbon yang tidak terbakar dapat terbentuk tidak hanya karena campuran udara bahan bakar yang gemuk, tetapi bisa saja pada campuran kurus bila suhu pembakarannya rendah dan lambat serta bagian dari dinding ruang pembakarannya yang dingin dan agak besar. Motor memancarkan banyak hidrokarbon kalau baru saja dihidupkan atau berputar bebas (idle) atau waktu pemanasan. Pemanasan dari udara yang masuk dengan menggunakan gas buang meningkatkan penguapan dari bahan bakar dan mencegah pemancaran hidrokarbon. Jumlah hidrokarbon tertentu selalu ada dalam penguapan bahan bakar, di tangki bahan bakar dan dari kebocoran gas yang melalui celah antara silinder dari torak masuk kedalam poros engkol yang disebut dengan blow by gasses (gas lalu). Pembakaran tak sempurna pada kendaraan juga menghasilkan gas buang yang mengandung hidrokarbon. Hal ini pada motor diesel terutama disebabkan oleh campuran lokal udara bahan bakar tidak dapat mencapai batas mampu bakar. c.) Carbon Monoksida (CO) Karbon dan Oksigen dapat bergabung membentuk senyawa karbon monoksida (CO) sebagai hasil pembakaran yang tidak sempurna dan karbon dioksida (CO2) sebagai hasil pembakaran sempurna. Karbon monoksida merupakan senyawa yang tidak berbau, tidak berasa dan pada suhu udara normal berbentuk gas yang tidak berwarna. Gas ini akan dihasilkan bila karbon yang terdapat dalam bahan bakar (kira–kira 85 % dari berat dan sisanya hidrogen) terbakar tidak sempurna karena kekurangan oksigen. Hal ini terjadi bila campuran udara bahan bakar lebih gemuk dari pada campuran stoikiometris dan terjadi selama idling pada beban rendah atau pada output maksimum. Karbon monoksida tidak dapat dihilangkan jika campuran udara bahan bakar gemuk. Bila campuran kurus karbon monoksida tidak terbentuk.
Universitas Sumatera Utara
d.) Oksigen (O2) Oksigen (O2) sangat berperan dalam proses pembakaran, dimana oksigen tersebut akan diinjeksikan keruang bakar. Dengan tekanan yang sesuai akan mengakibatkan terjadinya pembakaran bahan bakar.
Universitas Sumatera Utara
