BAB II. DESAIN, PARAMETER OPERASI dan PERFORMAN MESIN

2.1 TATA NAMA Ada beberapa istilah yang perlu dipahami terlebihdiahulu sebelum membahas mengenai desain dan hubungan antara parameter operasi dan performan mesin. Sebelumnya perhatikan dengan seksama gambar 8 berikut guna Iebih memudahkan dalam pemahaman istilah-istilah dimaksud.

Gambar Goemetri Dasar Motor Bakar 4 Langkah[3]

1

Titik Mati Atas (TMA) atau Top Dead Center (TDC) atau Top Center (TC) atau Inner Dead Center (IDC): titik terjauh pergerakan piston ke atas. Titik Mati Bawah (TMB) atau Bottom Dead Center (BDC) atau Bottom Center (TC) atau Outer Dead Center (BDC) : titik terjauh pergerakan piston ke bawah. Diameter Silinder (cylinder bore), `d` : diameter dalam silinder atau sama dengan diameter piston, biasanya diberi satuan ` mm`. Luas Piston (piston area), ` A ` : luas permukaan piston = d2 / 4 , satuannya cm2. Panjang langkah (stroke), ` L ` : jarak antara TMA dan TMB, satuannya mm. Volume Langkah (Displacement or swept volume), ` Vd atau Vs ` : volume langkah piston dari TMA ke TMB, Vs = A x L = d2 L/ 4, satuannya `cc' atau cm3. Volume Sisa (clearance volume), ` Vc ` : volume ruang bakar di atas piston saat berada di TMA, satuannya `cc' atau cm3. Volume Total (Total volume), ' Vt ` = volume langkah + volume sisa, satuannya `cc' atau cm3. Rasio kompresi (Compression ratio), ` r, ` : perbandingan antara volume total silinder (Vt) dan volume sisa (Vc).rc = Vt Vc + Vs Vs = =1+ Vc Vc Vc

.. (1)

2.2 ANALISIS PERFORMAN MESIN Performan mesin biasanya dinyatakan dengan efisiensi, . Karena pada motor bakar 4 langkah selalu berhubungan dengan pemanfaatan energi panas/kalor, maka efisiensi yang dikaji disini adalah efisiensi thermal. Efisiensi thermal adalah perbandingan energi (kerja/ daya) yang berguna dengan energi yang diberikan oleh bahan bakar. Performan mesin dapat juga dinyatakan dengan daya output engkol dan pemakaian bahan bakar spesifik engkol yang dihasilkan mesin. Daya output engkol menunjukkan daya output yang berguna untuk menggerakkan sesuatu atau beban, sedangkan pemakaian bahan bakar spesifik engkol menunjukkan seberapa efisien suatu mesin menggunakan bahan bakar yang disuplai untuk menghasilkan kerja (daya engkol). Daya output engkol yarg paling tinggi dan pemakaian bahan bakar spesifik yang paling rendah adalah yang paling diharakan dalam pengoperasian suatu motor bakar. Pemakaian bahan bakar spesifik engkol yang rendah berarti hemat petnakaian bahan bakar.

2

Pemahaman mengenai distribusi energi sangat diperlukan untuk memudahkan penganalisaan performan mesin lebih lanjut. Energi bahan bakar (Energy in fuel), 'Ef`, adalah energi yang dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar di dalam silinder. Energi yang diberikan oleh pembakaran bahan bakar dapat ditentukan dengan : Ef = mf . CV ....... kJ/ kg ....... (2 ) Mf = laju pemakaian bahan bakar, kg/ Jam CV = Nilai kalor bahan bakar, kJ/ kg Energi/ daya indikator (indication power), `iP`, dinyatakan dengan daya yang diberikan oleh bahan bakar dikurangi dengan rugi-rugi panas seperti rugi panas akibat gas buang yang mengandung panas, akibat pendinginan, radiasi, dan lain-lain. Daya indikator dapat diartikan sebagai daya yang diberikan bahan bakar (gas pembakaran) untuk mendorong piston. Sedangkan daya engkol (brake power), `bP`, merupakan daya berguna yang besarnya sama dengan daya indikator (daya untuk mendorong piston) dikurangi rugi daya akibat gesekan ( fP ), pemompaan, dan lain-lain. Secara ringkas, dapat dituliskan sebagai berikut : iP = bP + fP....... 2.2.1 Parameter Operasi kW ....... (3)

Parameter operasi sangat erat hubungannya dengan performan mesin. Besarkecilnya harga parameter operasi akan mempengaruhi tinggi-rendahnya performan mesin yang dihasilkan. Parameter operasi yang umum dipergunakan dalam menganalisis performan mesin adalah sebagai berikut[2] Tekanan Efektif Rata-Rata (mep atau Pm) Sama halnya dengan daya (power), tekanan efektif rata-rata (Mean Effective Pressure) juga dibedakan atas dua bentuk yaitu tekanan efektif rata-rata indikator (imep atau Pim) dan tekanan efektif rata-rata engkol (bmep atau Pbm). Simbol `imep' dan `bmep' Iebih sering digunakan dalam perhitungan yang melibatkan tekanan efektif rata-rata. Tekanan efektif rata-rata adalah tekanan rata-rata di dalam silinder motor bakar (motor bakar 4 langkah) yang berdasarkan pada daya output hasil perhitungan ataupun hasil

3

pengukuran langsung. Hubungan antara tekanan efektif rata-rata dengan output adalah sebagai berikut :imep = 60 1.000 iP 60 .000 iP = L A n k Vs n k

Pa atau N/m2 ..(4)

Disini:

iP = daya engkol, kW atau kJ/det L = panjang langkah piston, m A = luas permukaan piston, m2 n = jumlah langkah daya = N/2 untuk motor bakar 4 langkah n = N untuk motor bakar 2 langkah N = kecepatan putaran mesin, rpm k = jumlah silinder

Dengan menggunakan rem prony atau dinamometer dapat ditentukan besarnya harga beban ( F ) yang diterima motor bakar (motor bakar 4 - langkah) pada kondisi operasi tertentu (putaran mesin tertentu). Selanjutnya momen torsi (T) yang diterima mesin ini dapat dihitung dengan mengalikan beban 'F' tadi dengan panjang (jari jari) lengan momen ( R ). Secara ringkas dapat dituliskan dengan : T = F R ( satuan torsi: Nm). Daya engkol dihitung dengan persamaan berikut:bP =bP =

Kerja berguna 2FRN 2NT = = Waktu 60 60 2 N T 2 N T60 1000 = 60000

.

Watt

atau

kW

Jadi tekanan efektif rata-rata engkol, bmep, dapat dapat ditulis sebagai berikut :120000 120000 2 N T 16T 4 T bP = x = = 2 2 L AN k 60000 L ( / 4) d N k L d k Vs k

bmep =

(5)

Hubungan lain yang dapat diberikan disini adalah sebagai berikut :imep = bmep + fmep

dan

bmep bP = imep iP

Pemak aian B ah an B ak ar Sp es ifik (s fc) Pemakaian bahan bakar spesifik (Specific Fuel Consumption) menyatakan seberapa besar daya yang dapat dihasilkan oleh suatu mesin setelah menghabiskan sejumlah bahan bakar dalam selang waktu tertentu. Pemakaian bahan bakar spesifik

4

biasanya dinyatakan dalam kilogram bahan bakar per kilowatt-jam (kg/ kWh). Pemakaian bahan bakar spesifik juga dibedakan atas dua bentuk yaitu pemakaian bahan bakar spesifik indikator (isfc) dan pemakaian bahan bakar spesifik engkol (bsfc). Secara ringkas dituliskan sebagai berikut :sfc = mf Pemakaian bahan bakar per satuan waktu = daya yang dihasilkan Power

. (6)

Disini: mf = Laju pemakaian bahan bakar, kg/ jam. Dengan demikian pemakaian bahan bakar spesifik indikator (isfc) dan pemakaian bahan bakar spesifik engkol (bsfc) dapat dituliskan sebagai berikut :isfc = mf iP mf bP

dan

bsfc =

....... kg/ kWh

Bsfc = 0,2 kg/kWh

genset = 100 kW

Artinya tiap jam genset menghabiskan 20 kg solar / 0,84 kg/lt = 23,8 lt solar Perhandingan Udara Bahan Bakar (A/F atau AFR) Perbandingan/rasio udara-bahan bakar (air-fuel ratio) adalah perbandingan massa antara udara pembakaran dengan bahan bakar yang disuplai ke dalam silinder mesin (ruang bakar). Besarnya rasio udara-bahan bakar ini sangat rnempengaruhi proses pembakaran yang tcrjadi di dalam ruang bakar dan juga terhadap performan mesin itu sendiri. Parameter lain yang lebih sering digunakan untuk menyatakan hubungan antara udara-bahan bakar ini adalah rasio equivalence bahan bakar - udara, atau Iebih dikenal sebagai Equivalence Ratio saja. Equivalence Ratio rnerupakan perhandingan antara rasio bahan bakar - udara aktual terhadap rasio bahan bakar - udara stoikiometri (teoritis). Secara ringkas dapat dituliskan sebagai berikut:

( F A) = ( F A)

a k tu a l

s to ik io m e t ri

( AF) = (AF)

s to ik io mr e t a k tu a l

.. (7)

Untuk campuran miskin-bahan bakar

:

1

Nilai kalor bahan bakar (Calorific Value Of a Fuel) adalah besarnya energi kalor yang dikeluarkan dari permbakaran sempurna satu kilogram bahan bakar pada kondisi pengujian. Calorific Value disebut juga dengan haeting value atau heat of combustion. Saat produk/gas pembakaran didinginkan hingga 25 C, Semua uap air yang dihasilkan dari proses pembakaran dikondensasi (diembunkan). Nilai kalornya disebut higher heating value (HHV) atau nilai kalor kotor dari bahan bakar. Sedangkan nilai kalor rendah (LHV) atau lower heating value atau nilai kalor bersih adalah besarnya kalor yang dilepaskan pada proses pembakaran sementara uap air dalam produk pembakaran tidak diembunkan dan tetap dalam bentuk uap air.

2.3 PERFORMAN MESIN Performan mesin yang erat hubungannya dengan pelepasan kalor dan yang paling umum digunaknn adalah efisiensi thermal indikator ( th ), efisiensi thermal engkol (bth

), dan efisiensi mekanis ( m ). Secara umum efisiensi thermal ( th ), dapat

diartikan dengan perbandingan antara daya berguna yang dhasilkan dengan energi kalor yang diberikan oleh bahan bakar pada saat mesin tersebut beroperasi, dan dapat dituliskan sebagai berikut [2] :th =D aya berguna Energi kalor dari bahan bakar

(8)

Efisiensi Thermal Indikator (

ith

)

6

Dari definisi di atas, maka efisiensi thermal indikator dapat dituliskan sebagai berikut:ith =3600 iP iP = 100 % Ef m f CV

Disini: mf = Laju pemakaian bahan bakar, kg/jam. CV = Nilai kalor bahan bakar, kJ/kg bila laju pemakaian bahan hakar, mf, dalarn satuan kg/detik, maka efisiensi termal indikator dituliskan sebagai berikut :ith =iP 100 % m f CV

Efisiensi Thermal Engkol (bth) Dengan cara yang sama, efisiensi thermal engkol dapat dituliskan sebagai

berikut:bth =3600 bP bP = 100 % Ef m f CV

Bila nilai pemakaian bahan bakar spesifik engkol (bsfc) diketahui, maka dengan mengganti mf = bP. bsfc (persamaan 6), maka besarnya efisiensi thermal engkol dapat ditentukan dengan persamaan berikut :bth =3600 bP 3600 bP 3600 100 % = 100 % = 100 % m f CV bP bsfc CV bsfc CV

. (9)

Efisiensi Mekanis (

m

)

Efisiensi mekanis dinyatakan sebagai rasio daya engkol terhadap daya indikator dan dapat dituliskan sebagai berikut :m =bP bmep = 100 % iP imep

.. (10)

Disamping ketiga efisiensi di atas, ada satu lagi efisiensi yang juga sangat penting untuk dipahami yaitu efisiensi volumetrik ( v ).

7

Efisiensi Volumetrik ( v ) Keluaran mesin dibatasi oleh banyaknya jumlah udara maksimum yang dapat diisap masuk ke dalam silinder selama langkah isap karena hanya sejumlah tertentu dari bahan bakar dapat terbakar secara efektif dengan jumlah udara terisap ini. Efisiensi volumetrik diartikan sebagai kemampuan mengisap mesin dan dinyatakan juga sebagai rasio volume udara yang diisap secara aktual pada kondisi ambient (kondisi udara luar) terhadap volume langkah mesin tersebut. Efisiensi volumetrik dapat dihitung berbasiskan massa atau volume udara.. Akan tetapi, penggunaan yang berbasiskan massa adalah yang lebih banyak digunakan. Secara ringkas dapat dittuliskan sebagai berikut :v =v =M assa udara terisap aktual M assa udara teoritis (volume satu langkah ) pada kondisi ambientVolume udara terisap perlangkah pada kondisi ambient volume langkah

. (11) . (12.a)

Persamaan (12.a) dapat juga dituliskan sebagai berikut :

v =

a Laju volume udara pada kondisi ambient Va = laju volume langkah Vs L A n kma a

ma

. (12.b)

Disini:

= =

laju/ pernakaian udara terisap, kg/ jam density udara terisap, kg/m 3 Pa = R= Ta = tekanan udara terisap, N/m 2 atau Pa konstanta gas ideal / udara = 287 J/(kg. K) temperatur udara terisap, K

a =

Pa R Ta

2.4

CONTOH KASUS Beberapa contoh kasus sangat perlu diberikan dan kemudian dicarikan

solusinya. Hal ini bertujuan untuk lebih memudahkan pemahaman akan kondisikondisi yang nyata. Contoh 1 Sebuah motor diesel 4 - langkah , 4 silinder, memiliki diameter piston 90 mm dan panjang langkah piston sebesar 100 mm. Volume sisa motor ini sebesar 39,76 CC. Hitung berapa kapasitas mesin dan rasio kompresi motor ini ? Jawab:

8

Diketahui : motor bakar diesel 4 langkah; k = 4 ; d = 90 mm = 9 cm ; L= 100 min = 10 cm; Vc = 39,76 cc = 39,76 cm 2 . Volume langkah persilinder, Vs =4 d 2 L =

4

9 2 10 = 636 ,2 cm 3 = 636 ,2 cc

Kapasitas mesin = k . Vs = 4 x 636,2 cc = 2544,8 ccVs +Vc 636 ,2 + 39 ,76 = = 17 Vc 39 ,76 c

Rasio kompresi, rc =

Contoh 2 Motor diesel 4-langkah, 4 silinder, beroperasi pada putaran 2500 rpm, menghabiskan 9,5 liter solar setiap jamnya. Densitas solar = 0,839 kg/liter. Torsi yang dihasilkan sebesar 155 Nm, dan nilai kalor solar yang digunakan, CV = 42.700 kJ/kg, hitung : a). Daya engkol yang dihasilkan (bP) ! b). Konsumsi bahan bakar spesifik engkol (bsfc) ! c). Efisiensi termal engkolnya ( bth ) ! Contoh 3 Motor bensin 4-langkah, 4 silinder, beroperasi pada putaran 3500 rpm. Torsi yang dihasilkan sebesar 135 Nm. Densitas bensin = 0,74 kg/liter. Jika konsumsi bahan bakar = 15 liter/jam dan (A/F) aktualnya sebesar 14, hitung : a). Daya engkol yang ditimbulkan (bP) ! b). Konsumsi bahan bakar spesifik engkol (bsfc) ! c). Laju pemakaian udara tiap menit ! bp=2phiNT/60000 2500 Rpm Solar 54,36 77 HP silinde 4 r 40,55 155 Nm 83 kW 7,97 kg/ja 0,196 05 m 52 kg/kWh eff th N = 2500 rpm T = 155 Nm mf = 9,5 lt/jam = 0,839 kg/lt . 9,5 lt/jam = 7,9705 kg/jam bP = 2x3,14x2500x155/60000 = 40,5583 kW bsfc = mf/ bP = 7,9705 kg/h / 40,5583 kW = 0,1965 kg/kWh

0,233 95 lt/kWh 42,90 12 %

9

nbth = bP/ mf.CV = 40,5583/ (7,9705 x 42700) = 0,429 = 42,90 % bp=2phiNT/60000 3500 Rpm 4 silinder 135 Nm 11,1 kg/jam Contoh 4 Motor bensin 4-Langkah, 1 silinder, memiliki diameter silinder 80 mm, panjang langkah 90 mm, dan beroperasi pada putaran 1500 rpm. Tekanan efektif indikator rata-rata yang dihasilkan 7 bar dengan efisiensi termal indikatornya 30 %. Rasio UdaraBahan bakar adalah 17:1 dan nilai kalor bahan bakar 42.000 kJ/ kg. Jika efisiensi mekanis mesin ini 80 %, hitung: a) c) Daya engkol mesin Pemakaian udara pembakaran setiap jam Jawab : Diketahui : motor Bakar bensin 4 langkah; k = 1; d = 80 mm = 0,08 m; L = 0.09 mm = 0,9 m; N = 3000 rpm; n = N/ 2 ; imep = 7 bar = 7 x 10 6 Pa ; (A/F) = 17; CV = 42.000 kJ/kg. Daya indikator dihitung dengan:th

bensin 66,2935 657 HP 49,455 kW 0,22444 647 kg/kWh

0,26719 817 lt/kWh

b) Bsfc dan isfc dalam satuan kg/kwh

= 30 % ;

m

= 80 %;

im e d 2 N k 7 1 05 0,0 9 0,0 82 3 0 0 0 0 1 p 4 2 = 4 2 = 7,9 k W iP = 6 0.0 0 0 6 0.0 0 0a) b)

Daya engkol, bP =

m

. iP = 0,8 x 7,9 = 6,32bth

kW

Efisiensi thermal engkol, mf bP

=

m

x i th = 0,8 x 0, 3 = 0,24 = 24 %

Pemakaian bahan bakar spesifik engkol bsfc, dicari dengan :bsfc = = 3600 3600 = = 0,357 kg kWh bth CV 0,24 42 .000

Pemakaian bahan bakar spesifik indikator, isfc, dicari dengan:

10

isfc =

m

x bsfc = 0,8 x 0,357 = 0,286 kg/ kWh

laju pemakaian bahan bakar, mf, didapat dari persamaan: m f = bP . bsfc = 6,32 x 0,357 = 2,26 kg/jam c) Laju pemakaian udara pembakaran, ma dapat dihitung dengan: m a = m f x (A/F) = 2,26 x 17 = 38,42 kg/jam Contoh 3 Motor bakar bensin 4-Langkah, satu silinder, memiliki diameter silinder 80 mm, panjanog langkah 90 mm, dengan rasio kompresi = 12, beroperrsi pada putaran mesin 1.500 rpm. Disuplai dengan campuran udara-bahan bakar dengan rasio 15 : 1. ,jika efisiensi volumetrik sebcsar 80 %, tekanan dan temperatur udara masuk sebesar 1 bar dan 27 C, hitung berapa besarnya laju pemakaian bahan bakar pada operasi mesin ini? Jawab: Diketahui : motor bakar bensin 4 - langkah; k = 1 ; d = 80 mm = 0,08 m ; L = 80 mm = 0.08 m; r c = 12; N = 1500 rpm; n = N/2; Pa = 1 bar = 1 x 10 5 Pa ; Ta = 27 C == 300 K. R = 287 J/kg.Ka =Pa 10 5 = = 1,161 kg 3 m R Ta 287 300

Volume langkah diperoleh dari persamaan :

m3 Vs = L A n k = L d 2 N k = 0,0 8 0,0 82 1 5 0 0 1 = 0,3 0 1 6 4 2 4 2 m e n itLaju volume udara pada kondisi isap (kondisi am b i e n t ) diperolch dari persamaan :

Va = v Vs = 0,8 0,3016 = 0,2413 m

3

menit

Laju pemakaian udara dapat dihiitung melalui : ma = Va a = 0,2431 1,161 = 0,28015 kg

menit

= 16,81 kg

jam

Laju pemakaian bahan bakar dapat dihitung dengan persamaan :mf = ma 16 ,81 = = 1,12 kg jam (A/ F) 15

11

BAB III. BAHAN BAKAR

3.1

PENDAHULUAN Bahan bakar sangat erat kaitannya dengan proses pembakaran. Proses

pembakaran akan berlangsung baik, cepat, mulus, hemat dan bersih apabila didukung oleh kualitas bahan bakar yang digunakan. Walaupun sebenanrya masih banyak faktor-faktor lain yang mempengaruhi baik atau tidaknya proses pembakaran yang terjadi di dalam ruang bakar (akan dibahas lebih rinci pada bab selanjutnya). Oleh karena itu, studi mengenai bahan bakar dan proses pembakaran perlu dilakukan guns pencapaian performan motor bakar (motor bakar 4 langkah) yang tinggi. 3.2 BAHAN BAKAR Motor bakar (motor bakar 4 langkah) dapat dioperasikan loada beberapa jenis bahan bakar seperti cair, bahan bakar gas, dan bahkan padat. Berdasarkan atas jenis bahan bakar yang digunakan mesin tersebut harus didesain secara baik, secermat mungkin, dan sesuai. 3.2.1 Bahan bakar Padat Bahan bakar padat sudah tidak lagi diterapkan sekarang ini dikarenakan sulitnya penanganan bahan bakar dan pembuaugannya (residu padat atau abu yang dihasilkan setelah proses pembakaran). Akan tetapi di awal perkembangan motor bakar, bahan yang berupa batu bara bubuk yang sangat halus digunakan. Dibandingkan gas dan cair, bahan bakar padat ini sulit penanganan, penyimpanan, dan pengumpanan (suplainya). Dikarenakan rurnitnya desain sistem umpan bahan bakar, makanva bahan bakar padat ini menjadi tidak efektif digunakan. Berbagai upaya sedang dilakukan untuk merubah batu bara padat rnenjadi bahan bakar gas atau cair untuk digunakan pada motor bakar.

12

3.2.2 Bahan Bakar Gas Bahan bakar gas adalah bahan bakar ideal dan dapat dikatakan sedikit sekali masalah yang dialarni pada penggunaannya untuk motor bakar (motor bakar 4 langkah ). Bahan bakar gas bercampur lebih mudah dengan udara dan tidak memerlukan sistem distribusi yang rumit, dan permasalahan starting awal, seperti yang dialami pada penggunaan bahan bakar cair. Meskipun bahan bakar gas adalah paling ideal untuk motor bakar 4 langkah, tetapi penyimpanan dan penanganannya yang masih rnerupakan kendala besar bila digunakan pada kendaraan bermotor (otomobil). Akibatnya, bahan bakar gas ini umumnya digunakan pada rnesin-mesin tidak bergerak (perusahaan pembangkit daya) yang letaknya dekat dengan sumber bahan bakar gas. Sebagian kecil bahan bakar gas dapat dicairkan dengan ditekan untuk mengurangi volume penyimpanan tetapi upaya ini terbilang sangat mahal clan beresiko tinggi.3.2.3

Bahan Bakar Cair Pada sebagian besar motor bakar 4 - langkah, bahan bakar cair yang berasal dari

petroleum cairlah yang digunakan. Tiga jenis bahan bakar cair komersil yang digunakan adalah benzyl, alkohol, dan petroleum. Akan tetapi petroleum merupakan bahan bakar utama dari motor bakar 4 -- langkah. 3.3 Petroleum Kata petroleum (minyak bumi) berasal dari bahasa Latin, yaitu petra (batuan) dan oleum (minyak). Nama tersebut diterapkan kepada fossil hewan dari tumbuhan yang ditemukan dalam kulit bumi sebagai gas, zat cair, dan zat padat. Minyak bumi terjadi akibat pelapukan atas sisa-sisa hanwan dan tumbuhan renik yang terkubur di dasar laut jutaan tahun yang silam. Keberadaan minyak bumi biasanya disertai dengan adanya gas alam. Gas alam merupakan campuran alkana dengan berat yang sedang. Komposisi gas alam tergantung pada sumbernya. Umurmnya gas alam mengandung 80 % metana (CH 4 ), 7 % etana, 6 % propana, 4 % butana dan isobutana, dan 3 % pentana.

13

Propana dan butana dicairkan pada tckanan tcrtentu, dan dijual sebagai I.iquefied Petroleum.

3.3.1

Struktur Kimia Petroleum Minyak mentah merupakan campuran. Kira-kira 50 % sampai 95 % massanya

adalah hidrokarbon . jenuh yang berupa alkana, siklo alkana, dan senyawa aromatik; hidrokarhon dengan struktur molekul yang berbeda. Petroleum juga mengandung s eju mlah kecil be lerang (sulphur), oksigen, nitrogen, dan kotoran-kotoran seperti air dan pasir. Atom karbon dan hidrogen dapat terikat dengan ikatan yang berbeda dalam molekul hidrokarbon, dan ikatan ini mempengar - uhi sifat fisika dan kimia dari grup hidrokarbon yang berbeda. Kebanyakan bahan bakar petroleum cenderung memiliki karakteristik sesuai dengan kelompok hidrokarbon yang membentuk komponen utama dari bahan bakar tersebut [2,5] . Karbon dan hidrogen bergabung dengan proporsi dan struktur molekul yang berbeda untuk rnembentuk beragam hidrokarbon. Besar kecilnya rasio karbon terhadap hidrogen yang merupakan salah satu dari parameter penting dan sifat ikatannya menentukan karakteristik energi bahan bakar hidrokarbon tersebut. Berdasarkan atas jumlah atom karbon dan hidrogen, petroleum diklasifikasi ke dalam kelompok-kelompok yang berbeda. Perbedaan sifat fisika dan kimia diantara hidrokarbon yang berbeda tergantung pada komposisi kimia dan memperbaruhi sebagian besar proses pembakaran, dan karenanya proporsi bahan bakar dan udara yang dibutuhkan juga berbeda. Minyak bumi vang ditambang di Indonesia umumnya banyak mengandung senyawa hidrokarbon siklik, baik siklo alkana maupun aromatik, sedangkan minyak burni Amerika lebih banyak mengandung alkana, dan minyak bumi Rusia lebih banyak rnengandung siklo alkana[5]. 3.3.2 Proses Pemurnian Petroleum Petroleum merupakan minyak mentah yang belum dapat digunakan untuk banyak keperluan. Minyak mentah (crude petroleum atau crude oil) yang diperoleh dari sumur galian terdiri atas berbagai carnpuran atau fraksi. Untuk dapat digunakan sebagai bahan bakar bagi kendaraan bermotor atau industri, serta penggunaan-penggunaan lainnya, maka minyak mentah perlu diolah terlebih dahulu di pengilangan minyak melalui proses

14

penyulingan fraksionasi atau penyulingan bertingkat ( fractional distillation). Prinsip dasar proses penyulingan bcrtingkat ini adalah berdasarkan perbedaan titik didih. Titik didih beragam hidrokarbon meningkat dengan meningkatnya massa atom (berat molekul) hidrokarbon tersebut. Hidrokarbon yang merniliki berat molekul lebih kecil, memiliki titik didih lebih rendah. Hidrokarbon yang memiliki titik didih lcbih rendah akan rnemisah diri lebih dulu (Iebih dulu menguap), disusul dengan hidrokarbon yang titik didihnya lebih tinggi, sehingga secara bertingkat setiap hidrokarbon dapat dipisahkan. Sebagai contoh, minyak bensin akan lebih dahulu rnemisahkan diri dibanding minyak solar, karena titik didihnya (berat molekulnya) lebih rendah. Secara singkat dapat dijelaskan sebagai berikut : minyak mentah dimasukkan dalam bejana tertutup, kemudian dipanasi oleh kumparan yang berisi aliran uap atau gas panas. Pertama kali campuran dari yang titik didihnya rendah dialirkan keluar sebagai uap. Uap ini disalurkan keluar oleh pipa yang disarnbungkan ke puncak bejana, diernbunkan dengan pendinginan oleh kumparan yang berisi aliran air dingin, dan dimasukkan ke dalam tangki. Suhu minyak rnentah dijaga konstan. Setelah seluruh campuran yang mendidih pada suhu ini dialirkan keluar, atau disuling, rnaka aliran gas panas melalui kumparan pernanas ditingkatkan, suhu rninyak mentah meningkat, dan uapnya disuling, diembunkan dan dialirkan ke tangki yang lain, dan seterusnya. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 9 berikut[2,5]. .

15

Gambar 9. Bagian Distilasi Minyak Mentah [5] Selain itu, untuk memenuhi kebutuhan produk tertentu, hidrokarbon yang berantai panjang dipecah-pecah menjadi Iebih pendek dengan proses perengkahan (cracking). Sebaliknva, hidrokarbonn yang berantai pendck digabungkan menjadi rantai yang lebil panjang mclalui berbagai proses. Beberapa minyak hasil pengolahan dari minyak mentah serta panjang rantai hidrokarbonnya ditunjukkan pada tabel 1 berikut. Tabel 1. Fraksi-fraksi Hasil Distilasi Minyak Bumi [5] Fraksi Gas Petroleum Eter Bensin Solar Pelumas Parafin Aspal Ukuran molekul C1 - C5 C5 - C6 C6 - C12 C12 - C18 C 16 ke atas C20 ke atas C25 ke atas Titik Didih C -160 s.d -30 30 s.d 90 30 s.d 200 180 s.d 400 350 ke atas zat padat residu Kegunaan Bahan bakar dan sumber hidrogen Pelarut Bahan bakar Bahan bakar Pelumas Lilin dan Bahan Bakar Aspal dan Pelapis jalan

Setelah rnengalamai proses fraksionasi, fraksi-fraksi tersebut ada yang diolah dengan proses-proses selanjutnya. Sebagai contoh, proses reforming, polimerisasi, treating, dan blending [ 5 ] . Reforming R e f o r m i n g adalah proses peningkatan mutu bensin dengan merubah bentuk struktur (isomer struktur) dari rantai karbon lurus menjadi bercabang. Reforming dilakukan dengan menggunakan katalis dan pemanasan. C H3 CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 CH 3 C CH 3 CH 3

Polimerisasi

16

Polimerisasi adalah penggabungan molekul-molekul kecil rnenjadi molekul yang lebih besar. Penggabungan isobutana dan isobutena rnerupakan salah satu contoh polimerisasi guna menghasilkan bensin berkualitas tinggi (iso-oktana). CH3 CH3 CH CH3 + CH3 CH3 isobutana Treating Treating merupakan proses penphilngan pengotor pada minyak bumi agar lebih murni. Tahap-tahap treating:

C CH3

= CH2

CH3 CH CH2 CH2 CH3 iso-oktana

CH CH3

isobutena

Copper sweetening, yaitu proses mcnghilangkan pengotor yang berbau tidak sedap, mengunakan logam tembaga. Acid treatment, yaitu proses tmenghilangkan lumpur, rnenggunakan asarn atau oksida asam. Desulfurizing, yaitu proses menghilangkan unsur belerang.

Blending Blending adalah proses pencampuran atau penambahan zat aditif. Bensin merupakan contoh hasil minyak bumi yang paling banyak digunakan di berbagai negara. Untuk Icbih meningkatkan kualitas bensin dilakukan pencampuran dengan senyawa-senyawa tcrtcntu. Salah satunya adalalh tetra ethyl lead (TEL). Penambahan TEL dimaksudkan untuk meningkatkan bilangan oktana bensin. Selain TEL, terdapat beberapa zat lain yang dapat meningkatkan kualitas bensin, diantaranya 1-2 dibromoetana, AlCl3, dan H2SO4. Salah satu aditif yang dapat digunakan untuk bahan bakar diesel (solar) adalah aditif-DTB[' (Di Tert Buthyl Peroxide). Penambahan aditif-DTBP ke dalam bahan bakar solar dapat meningkatkan bilangan setananya[5,6]. 3.4 HIDROKARBON

17

Secara sederhana, senyawa karbon dapat diklasifikasikan ke dalam senyawa hidrokarbon dan turunannya. Senyawa hidrokarbon adalah senyawa yang molekulnya hanya terdiri atas atom-atom karbon dan hidrogen. Senyawa turuan hidrokarbon adalah senyawa hidrokarbon yang satu atom atau lebih atom hidrogen yang terikat pada atom karbonnya diganti oleh atom atau gugus atom lain. Ditinjau dari rantai karbon yang dibentuk, senyawa hidrokarbon dapat dibagi menjadi dua bagian besar, yaitu senyawa hidrokarbon alifatik dan senyawa hidrokarbon siklik[5]. Senyawa Hidrokarbon Alifatik Senyawa hidrokarbon alifatik adalah senvawa hidrokarbon dengan ujung rantai karbon terbuka, dapat ber-bcntuk rantai lurus atau bercabang. Senyawa alifatik dibedakan mejadi seayawa hidrokarbon.jenuh dan senyawa hidrokarbon tak jenuh.

Senyawa hidrokarbon jenuh, yaitu scnyawa hidrokarbon yang dalam rantai karbonnya hanya berikatan tunggal, rnisalnya : H H H H H atau CH3 - CH2 - CH2 -

H - C - C - C - C - C - H CH3 H H H H H

Minyak bumi dan gas alam tergolong hidrokarbon alifatik.

Senyawa hidrokarbon tak jenuh, yaitu senyawa hidrokarbon yang memiliki ikatan rangkap dua atau rangkap tiga pada rantai karbonnya, misalnya : H H - C = C - C - C = C - H H H H H H H H H H atau H H H

H - C = C - C - C -

Senyawa Hidrokarbon Siklik

18

Senyawa hidrokarbon siklik adalah senyawa hidrokabon dengan ujung rantai karbon tertutup. Senyawa siklik dibedakan menjadi senyawa hidrokarbon alisiklik dan senvawa hidrokarbon aromatik.

Senyawa hidrokarbon alisiklik adalah senyawa hidrokarbon golongan alifatik

dengan ujung rantai karbon tertutup, misalnya :

Senyawa hidrokarbon aromtik adalah senyawa hidrokarbon golongan siklik yang digolongkan benzena. sebagai benzena dan turunannya. Misalnya, senyawa yang mengandung cincin benzena atau memiliki bentuk struktur yang serupa dengan

Senyawa yang tergolong hidrokarbon jenuh adalah alkana. Pada hidrokarbon tak jenuh, terdapat satu atau lebih ikatan rangkap dua atau rangkap tiga antar atom karbon. Yang tergolong hidrokarbon tak jenuh adalah alkena (memiliki ikatan rangkap dua antar atom karbon), dan alkuna (memiliki ikatan rangkap tiga antar atom karbon). H H Alkana Rumus umum: C n H2n+2

H - C - C - H H H H H

Contoh: Etana (C 2 H 6 )

Alkena

Rumus umum:

C n H2n

C = C H H

Contoh: Etena (C 2 H 4 )

H - C = C - H

Alkuna

Rumus umum:

C n H2n-2

Contoh: Etuna (C 2 H2 )

19

Bensin merupakan campuran senyawa yang tergolong alkana, dengan zat utam a adalah Oktana (C 8 H18 ), begitu pula halnya dengan bahan bakar diesel/solar (C 16 H34 ). Struktur senyawa alkana yang satu dengan senyawa alkana yang lain dibedakan dengan gugus CH 2 . Sebagai contoh, jika struktur etana (C 2 H 6 atau dapat dituliskan dengan CH 3 -CH 3 ) ditambah dengan Gugus CH 2 - maka diperoleh propana (C 3 H 8 atau dapat dituliskan juga dengan CH 3 CH 2 CH 3 ), dan seterusnya sehingga membentuk suatu deret (deret homolog). Deret homolog adalah suatu deret senyawa-senyawa yang berbeda dari senyawa sebelumnya sebanyak gugus CH 2 . Deret homolog alkana dituliskan sebagai berikut : metana (CH 4 ), etana (C 2 H 6 ), propana (C 3 H 8 ), butana (C 4 H10 ), pentana (C 5 H 12 ), heksana (C 6 H 14 ), heptana (C 7 H16 ), oktana (C 8 H 18 ), nonana (C 9 H20 ), dekana (C10H 22 ), hendekana (C 11 H 24 ), dodekana (C 12 H 26 ), tridekana (C 13 H28 ), tetradekana (C 14 H 30 ), pentadekana (C 15 H32 ), heksadekana (C 16 H34 ), heptadekana (C 17 H 36 ) oktadekana (C 18 H 38 ), nonadekana (C 19 H 30 ), dan seterusnya. Karena alkana merupakan deret homolog, maka deret alkana memiliki sifat kimia yang mirip tetapi sifat fisikannya berbeda, seperti ditunjukkan pada Tabel 2. Tabel 2 Sifat Fisika Alkana Rantai Lurus [5] Nama Metana Etana Propana Butana Pentana Hekasana Heptana Oktana Nonana Dekana Jumlah atom C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Titik Leleh C -182.5 -183.3 -189.7 -138.4 -139.7 -95 -90.6 -56.8 -51 -29.7 Titik Didih C -164 -88.6 -42.1 0.5 36.1 68.9 98.4 124.7 150.8 174.1

Dari tabcl ini juga dapat dilihat bahwa titik leleh dan titik didih umumnya meningkat dengan meningkatnya jumlah atom C. Hal ini disebabkan oleh kenaikan gaya antar molekul yang cenderung meningkat dengan pertambahan massa molekul. 3.5 SIFAT BAHAN BAKAR

20

Ada beberapa sifat bahan bakar yang pcrlu diperhatikan guna pencapaian performan dan juga keandalan yang tinggi dari motor bakar 4 langkah. Sifat-sifat bahan bakar yang dmaksud diantaranya adalah : (1) penguapan, (2) residu karbon, (3) viskositas, (4) kandungan belerang, (5) kandungan abu, endapan dan air, (5) titik nyala, (7) titik tuang;, (8) sifat korosif dan keasaman, dan (9) mutu penyalaan [4] . Penguapan (Volatility) Pcnguapan diartikan sebagai kemampuan menguapnya bahan bakar dalam selang waktu tertentu. Diukur dengan 90 % suhu penyulingan. Makin rendah suhu ini, makin tinggi penguapannya. Untuk mesin kapasitas kecil lebih diperlukan penguapan bahan bakar yang tinggi dari pada untuk mesin kapasitas besar, agar diperoleh penggunaan bahan bakar lebih hemat, suhu gas buang rendah, dan gas asap minimum. Residu Karbon Residu karbon adalah karbon yang tertinggal setelah penguapan dan pembakaran habis suatu bahan yang diuapkan dari minyak contoh dengan pemanasan. Hal ini menunjukkan kecenderungan bahan bakar untuk membentuk endapan karbon pada bagian mesin. Residu karbon maksirnum yang diperbolehkan sebesar 0,10 persen.

Viskositas Fluida diukur dari tahanannya untuk mengalir atau gesekan dalamnya. Viskositas suatu rninyak dinyatakan oleh jumlah detik yang digunakan oleh volume tertentu dari minyak untuk rnengalir melalui lubang berdiameter kecil tertentu. Makin rendah jumlah detiknya, semakin rendah viskositasnya. Seluruh faktor pelumasan/gesekan antara bagian yang bergcrak, keausan, dan kebocorannya, dipengaruhi oleh viskositasnya. Pelumasan bagian dari sistem injeksi bahan bakar misalnya, terutama plunycr dan tangki dari pompa tekanan tinggi, selur-uhnya tergantung pada viskositas bahan bakar, sehingga viskositasnya tidak boleh di bawah nilai rninimum tertentu. Bahan bakar dengan viskositas rendah cenderung untuk mernberi banyak kebocoran pada pompa. Sebaliknya viskositas tidak boleh

21

terlalu jauh melebihi dari yang diperbolehkan karena kenaikan viskositas dalam bahan bakar berarti tahanan yang- lebih tinggi untuk pengatomisasian (pengabutan) selama injeksi. Kelebihan viskositas yang tidak diinginkan ini dapat diatasi dengan menaikkan tekanan injeksi sampai pengabutan yang diinginkan tercapai, atau dengan memanaskan bahan bakar tersebut dalam pemanas khusus. Kandungan Belerang Belerang dalam bahan bakar terbakar ikut terbakar bersama, dan menghasilkan gas yang sangat korosif, yang diembunkan oleh dinding silindcr yang didinginkan, terutama kalau mesin beroperasi dengan beban ringan dan suhu silinder menurun. Korosi yang disebutkan oleh gas belerang umumnya didapati dalam sistem gas buang. Kandungan belerang yang diperbolehkan dalam bahan bakar berkisar tidak lebih dari 0.5 sampai 1,5 %. Kandungan Abu, Belerang, dan Air Abu dan endapan dalam bahan bakar adalah sumber penggerus yang akan mengakibatkan keausan mesin berlebihan. Endapan dapat juga mengakibatkan penyumbatan sistem bahan bakar. Keausan dapat rneningkat karena korosi kalau bahan bakar mengandung air, terutarna air garam. Kandungan abu maksimum yang diperbolehkan adalah 0,01%, kandungan endapan dan air masing-masing 0,05 %. Titik Nyala (Flash point) Titik nyala merupakan suhu paling rendah yang harus dicapai dalam pemanasan bahan bakar untuk menimbulkan uap yang dapat terbakar dalam jumlah yang cukup untuk menyala atau terbakar sesaat ketika disinggungkan dengan suatu nyala api. Bahan bakar yang memiliki titik nyala rendah, berbahaya dalam penyimpanan dan penanganannya. Titik nyala minimum untuk bahan bakar diesel adalah 150 F (65,56 C).

Titik Tuang (pour point) Titik tuang merupakan suhu paling rendah dimana bahan bakar mulai membeku atau berhcnti mengalir. Titik tuang penting untuk menstart dingin suatu mesin

22

diesel dan untuk menangani bahan bakar diantara penyimpanan dan rnesin. Titik tuang maksimum untuk balian bakar adalah 0 F.

Sifat Korosif (Corrosiveness) dan Keasaman (Acidity) Bahan bakar tidak boleh bersifat korosif dan tidak boleh mengandung asam bebas, karena keduanya dapat merusak permukaan Iogam yang bersinggungan dan dalam penyimpangan di dalam silinder mesin. Mutu Penyalaan (Ignition quality) Pengertian mutu penyalaan dari bahan bakar bensin dan diesel adalah berbeda sudut tinjaunya, tetapi yang jelas tujuan akan pentingnya penggunaan bahan bakar dengan penyalaan tinggi adalah Sama, yaitu untuk memperoleh performan mesin yang tinggi. Mutu penyalaan bahan bakar bensin dinyatakan dengan bilangan oktana, sedangkan untuk bahan bakar diesel dinyatakan dengan bilangan setana.

Bilangan Oktana (Octane Number atau disingkat dengan ON) Bilangan oktana menyatakan kemampuan bahan bakar bensin terhadap terjadinya knocking (ketukan mesin yang dahsyat) pada proses pembakarannya, atau secara singkat dinyatakan dengan kemampuan antiknock bahan bakar. Semakin besar bilangan oktana suatu bahan bakar, maka semakin kecil kemungkinan terjadinya knocking pada proses pembakaran bahan bakar tersebut. Bilangan oktana bahan bakar bensin (gasoline) adalah besarnya persentase volume dan iso-oktana dalam campuran iso-oktana (C 8 H 18 atau 2,2,4trimetilpentana) dan normal heptana (n-heptana : C 7 H 16 ). Oktana murni memiliki kemampuan anti-knock sangat baik (ON = 100), sedangkan nheptana murni memiliki kemampuan antiknock sangat buruk (ON = 0). Secara ringkas dituliskan sebagai berikut : Bilangan Oktana = ON = % Iso-oktana + % n-Heptana Sebagai contoh, bahan bakar bensin dengan bilangan oktana 80 artinya di dalam bahan bakar mengandung 80% iso-oktana darl 20 % n-heptana secara volumetrik.

23

Bilangan Setana (Cetane Number atau disingkat dengan CN) Bilangan setana menyatakan mutu bakar atau kemampuan bahan bakar diesel untuk segera terbakar pada proses pembakaran. Semakin besar bilangan setana suatu bahan bakar diesel, maka semakin cepat bahan bakar tersebut dapat terbakar. Dengan perkataan lain, makin besar bilangan setana bahan bakar diesel, makin kecil ignition delay bahan bakar tersebut (artinya waktu yang dibutuhkan untuk membakar bahan bakar tersebut lebih pendek). Ignition delay (penundaan penyalaan) adalah waktu yang dibutuhkan antara awal injeksi bahan bakar ke ruang bakar dan awal terjadinya proses pembakaran. Ignition delay berlangsung sangat cepat (tidak terdeteksi oleh mata manusia), yaitu besarnya hanya dalam satuan milidetik (bisa mencapai 1,2 hingga 1,8 milidetik). Ignition delay yang pendek menyebabkan kenaikan tekanan yang mulus, dan efisiensi mesin yang tinggi. Bilangan setana bahan bakar diesel (diesel fuel) adalah besarnya persentase volume dari iso-oktana dalam campuran setana (C 16 H34 ) dan alfa-metil-naftalen yang mempunyai mutu penyalaan sama dengan bahan bakar yang diuji. Setana murni mempunyai mutu penyalaan sangat baik (CN = 100), sedangkan alfametil-naftalen murni memiliki mutu pcnyalaan sangat buruk (CN = 0). Secara ringkas dituliskan sebagai berikut :

Bilangan Setana = CN = %Setana + % Alfa-metil-naftalen Sebagai contoh, bahan bakar diesel dengan bilangan oktana 52 artinya bahan bakar tersebut setara dengan campuran yang terdiri atas 52% setana dan 48% alfa-metil-naftalen secara volumetrik.

24

BAB IV. PROSES PEMBAKARAN

4.1

PENDAHULUAN Proses pembakaran adalah suatu reaksi kimia dimana unsur-unsur tertentu dari

bahan bakar yakni hidrogen dan karbon bergabung dengan oksigen yang melepaskan energi panas dan menyebabkan meningkatnya temperatur gas pembakarannya. Elemen mampu bakar yang lain, yang tidak disukai dan terkandung dalam jumlah sedikit (di samping karbon dan hidrogen), adalah belerang. Proses pernbakaran dari campuran bahan bakar-udara di dalam ruang bakar merupakan salah satu proses yang mengontrol daya mesin, efisiensi, dan emisinya. Proses pembakaran ini merupakan suatu reaksi fasa gas yang eksotermis dan yang berlangsung sangat cepat, dimana oksigen adalah salah satu dari reaktannya. Pada motor bakar biasanya bahan bakar hidrokarbon terbakar dengan udara (oksigen), sedangkan nitrogen tidak ikut tereaksi. Oksigen adalah satu-satunya unsur di dalam udara yang dibutuhkan untuk membakar molekul - molekul bahan bakar. Proses pembakaran pada motor bakar 4- langkah biasanya berlangsung pada campuran uap bahan bakar - udara homogen atau heterogen[2, 3, 4].. Secara lebih detail dapat dijelaskan bahwa proses pembakaran adalah proses oksidasi (penggabungan) antara rnolekul-molekul oksigen (O) dengan molekul - molekul (partikel-partikel) bahan bakar yaitu C (karbon) clan H (hidrogen) untuk membentuk karbon dioksida (C02) dan uap air (H 20) pada kondisi pembakaran sempurna. Disini proses pembentukan CO2 dan H20 hanya bisa terjadi apabila panas kompresi ataupun panas dari pemantik telah mampu memisah/ memutus ikatan antar partikel oksigen ( O-O ) menjadi partikel O clan O, dan juga mampu memutus ikatan antar partikel bahan bakar (C-H dan/ atau C-C) menjadi partikel C dan H yang berdiri sendiri. Baru selanjutnya partikel O dapat beroksidasi dengan partikel C dan H untuk mernbentuk CO 2 dan H2O. Jadi dapat disimpulkan bahwa proses oksidasi atau proses pembakaran antara udara dan bahan bakar tidak pernah akan terjadi apabila ikatan antar partikel oksigen dan ikatan antar partikel bahan bakar tidak diputus terlebih dahulu[4]. Proses pernbakaran dapat terjadi baik pada kondisi rasio campuran bahan bakar udara di atas atau di bawah kondisi udara stoikiometri. Kondisi udara stokiometri adalah

25

kebutuhan udara minimum yang dibutuhkan untuk membakar seluruh molekul - molekul bahan bakar (kondisi udara teoritis). Proses pembakaran dengan kondisi yang berbeda ini rnenghasilkan panas atau daya output yang berbeda, efisiensi bahan bakar yang berbeda, dan konsentrasi gas buang yang berbeda pula[2, 3, 4, 7]. Proses pembakaran sempurna (terbakarnya seluruh partikel bahan bakar) hanya dapat terjadi apabila seluruh partikel bahan bakar beroksidasi oksigen yang cukup untuk membentuk hanya CO2 dan H2O. Bila udara (oksigen) yang disuplai tidak cukup, maka partikel karbon tidak akan seluruhnya beroksidasi dengan partikel oksigen untuk membentuk CO2, akibatnya terbentuklah produk pembakaran yang lain seperti karbon monoksida (CO), dan mungkin gas buang yang lain (H2, UHC: unburned hydrocarbon, dan lain-lain). Kalau terbentuk CO, maka jumlah panas yang dilepaskan pada proses pembakaran di dalam ruang bakar menjadi jauh lebih kecil ( 30 %) dari panas yang ditimbulkan bila C02 yang terbentuk. Meskipun terdapat kelebihan udara (oksigen), masih terdapat kemungkinan bahwa sebagian partikel bahan bakar tidak akan bersinggungan (bergabung) dengan partikel oksigen. Hal ini disebabkan oleh kemampuan bergabung (beroksidasi) antara partikel bahan bakar (partikel C dan H) dengan partikel oksigen (O) adalah berbeda. Partikel H bergabung lebih cepat dengan partikel O dibanding partikel C, sehingga partikel karbon, C, membentuk CO dan/ atau tidak terbakar, dan muncul sebagai asap dalam gas buang atau diendapkan sebagai jelaga berlemak dalam ruang bakar atau saluran pembuangan. Sejumlah tertentu dari asap juga terbentuk oleh pemecahan/ pemutusan dan pembakaran tidak sempurna dari minyak pelumas. Akan tetapi. asap yang terbentuk dari minyak pelumas berwarna biru, sedangkan asap yang terbentuk dari bahan bakar berwarna kelabu sampai hitam, tergantung pada rasio udara - bahan bakar dan kesempurnaan campuran antara bahan bakar dengan udara[4]. 4.2 LANGKAH PEMBAKARAN PADA MOTOR BAKAR BENSIN 4-LANGKAH Pada motor bakar bensin, campuran bahan bakar - udara yang hampir homogen dibentuk di dalam karburator dan terbakar di dalam silinder mesin. Campuran yang homogen dibentuk di luar silinder mesin dan proses pembakarannya terjadi di dalam silinder tersebut di akhir langkah kompresi. Nyala api dari proses pembakaran tersebut (flame front) merambat ke campuran yang, mudah terbakar (combustible mixture) dengan

26

kecepatan tertentu. Pada campuran gas yang homogen, molekul bahan bakar dan oksigen lebih kurang terdistribusi seragam[2]. Saat campuran uap bahan bakar - udara tersebut diberikan nyala api pada suatu titik, flame front terjadi, dan secara sangat cepat menyebar ke campuran di sekelilingnya. Perambatan nyala api yang disebabkan oleh perpindahan panas dan difusi pembakaran molekul bahan bakar dari zone proses pembakaran ke lapisan campuran segar yang ada didekatnya. flame front merupakan area sempit yang memisahkan campuran segar dari produk pernbakarant[2]. Secara singkat, hubungan antara crank angle (sudut engkol) dengan tekanan yang terjadi pada langkah pembakaran ideal dari motor bakar bensin 4 - langkah seperti yang ditunjukkan pada gambar 10, dimana langkah kompresi terjadi sepanjang g aris kurva (a b), langkah pembakaran terjadi sepanjang garis kurva (b terjadi sepanjang garis kurva (c d) [2] . . c) dan langkah ekspansi

Gambar 10 Diagram p- Teoritis [2] Pada mesin ideal, seperti terlihat pada gambar 10, seluruh kenaikan tekanan selama proses - pembakaran berlangsung pada volume konstan, yaitu pada TMA. Akan tetapi, pada motor bakar bensin 4 - langkah aktual peristiwa ini tidak terjadi. Proses pembakaran rinci dari motor bakar 4 - langkah ditunjukkan pada gambar 11 berikut.

Gambar 11

Langkah Pembakaran Aktual Pada Motor Bakar Bensin 4 Langkah [2]

27

Pada gambarr 11 ini, titik A adalah titik awal terrjadinya loncatan nyala api dari busi (anggap pada 20 o bTDC atau 20 o sebelum TMA), titik B merupakan titik awal terjadinya kenaikan tekanan yang dapat dideteksi (anggap pada 80 bTDC atau 8 sebelum TMA), titik C (anggap pada 100 aTDC atau 100 setelah TMA), titik pencapaian tekanan maksimum di dalam ruang bakar. Jadi ada tiga langkah pada proses pembakaran ini, yaitu

Langkah I ( A B ) merupakan langkah penundaan pembakaran (ignition lag) atau dikatakan juga fasa persiapan pembakaran (prearation phase) dimana pertumbuhan dan perkembangan inti nyala api yang merambat berlangsung. Langka ini merupakan proses yang tergantung pada temperatur dan tekanan, sifat-sifat bahan bakar dan proporsi sisa gas buang yang tidak ikut keluar pada langkah buang dan juga tergantung pada hubungan antara temperature dan laju reaksinya. Meskipun telah diberikan nyala api pada titik A, namun bahan bakar tidak langsung terbakar (memerlukan waktu sesaat, milidetik) untuk melengkapi proses pemutusan ikatan antar partikelnya.

Langkah II( B C ) merupakan proses fisika dan terpusat pada pcnyebaran nyala api rnelalui ruang bakar (dikatakan juga sebagai langkah perambatan nyala api). Titik dua lankah awal ini ditandai dengan mcnyimpangnya kurva proses dari kurva motor (kurva tanpa terjadinya proses pembakaran atau kurva dengan garis putus-putus) Selama langkah II, nyala api merambat pada kecepatan konstan. Perpidahan panas kepada dinding silinder rendah, karena hanya sebagian kecil campuran yang tcrbakar bersentuhan dengan dinding silinder selama periode ini. Laju Pelepasan kalor tergantung pada besarnya turbulensi dan juga pada laju reaksinya. Laju kenaikan tekanan sebanding dengan laju pelepasan kalor, karena selama langkah ini, volume ruang bakar praktis tetap konstan (karena piston dekat TMA)

Langkah III (C D). Titik awal langkah III ini biasanya diambil pada tekanan maksimum yang terjadi. kecepatan nyala api turun selama langkah ini. Laju pembakaran menjadi rendah dikarenakan rendahnya kecepatan nyala api dan berkurangnya permukaan f1ame front. Karena langkah ekspansi dimulai sebelum langkah III ini dengan piston begerak meninggalkan TMA menuju TMB, dapat dikatakan tidak ada kenaikan tekamrn pada langkah ini

28

4.3.

PERAMBATAN NYALA API (flame Front Propagation) Laju perambatan flame front dalam silinder memegang peran yang sangat penting untuk

pencapaian pcrfoman yang tinggi. Dua faktor penting yang menentukan laju flame front melintasi ruang bakar adalah laju reaksi dau laju perpindahan. Laju reaksi merupakan akibat dari proses kombinasi kimia murni dimana mcmbakar campuran yang belum terbakar. Laju perpindahan dikarenakan oleh pergerakan fisika dari flame front relatif terhadap dinding silinder dan juga mcrupakan akibat dari perbedaan tekanan antara gas yang terbakar dan gas yang belum terbakar di dalam ruang bakar. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 12.

Gambar 12 menunjukkan laju perambatan nyala api. Pada area I (A B), perkembangan flame front relatif lambat dikarenakan rendalmya laju perubahan dan rendahnya turbulensi (terjadinya pusaran campuran). Perubahan flame front relatif kecil karena ada massa campuran yang terbakar sangat sedikit. laju rcaksi yang rendah memainkan peran yang sangat penting karena dapat mengakibatkan pergerakan nyala api lambat. Karena busi perlu diletakkan pada lapisan gas yang diam yaitu dekat dengan dinding silinder (pada daeraj kurang turbulensi), sehingga menurunkan laju reaksi dan akibatnya rnenurunkan kecepatan nyala api. Pada Zona I ini dengan waktu perjalanan nyala api 27 % (dari 0 % hingga 27 %) terlihat bahwa nyala api hanya mampu bergerak melintasi ruang bakar sekitar 10 % dari total perjalanannya. Karena flame front meninggalkan zona diam (quiescent zone) dan rnasuk ke area yang lebih turbulen (area II) dimana flame front membakar lebih besar massa campuran. Flamc front maju/ bergerak dengan satngat cepat dan pada laju yang konstan (B C) sebagaimana

29

yang ditunjukkan pada gambar 12. Volume campuran yang tidak terbakar berkurang secara drastis di akhir perjalanan nyala api tersebut dan laju perubahran kembali menjadi sangat lambat, dcngan demikian kccepatan nyala api berkurang, Pada Zona II ini, dengan waktu perjalanan nyala api 56 % (dari 27 % hingga 83%) terlihat bahwa nyala api telah mampu melintasi ruang bakar dengan sangat jauh / tajam yaitu sekitar 85 % (dari 10 % hingga 95 %). 4.4. LANGKAH PEMBAKARAN PADA MOTOR BAKAR DIESEL 4-LANGKAH Proses pembakaran pada motor bakar diesel 4 - langkah biasanya berlangsung pada campuran uap bahan bakar - udara yang heterogen. pada campuran gas yang heterogen. laju pembakaran ditentukan oleh kecepatan difusi bersarna dari uap bahan bakar dan udara, sementara laju reaksi kimia tidak terlalu berperan. Proses penyalaan spontan (spontanneus ignition atau self-ignition) dari campuran bahan bakar - udara, pada temperatur tinggi yang diperolehr dari hasil kompresi tinggi, adalah sangat penting dalam menentukan karaktristik proses pembakaran. Proses pembakaran pada dianggap berlangsung dalam empat periode seperti ditunjukkan pada gambar 13. Empat periode dimaksud yaitu periode ignition delay, periode proses pembakaran yang tajamn (rapid combustion), periode proses pembakaran terkontrol (conrtolled combustion), dan periode setelah pembakaran (after burning)[2]

Gambar 13 Langkah Pembakaran Pada Motor Bakar Diesel 4 - Langkah[2] Periode ignition delay ( I 2 ) : periode penundaan proses pembakaran, yaitu periode antara awal injeksi bahan bakar ( 18 % bTDC) dan awal terjadinya proses pernbakaran atau terdeteksinya kenaikan tekanan atau tcrjadinya penyimpangan kurva proses terhadap kurva motor ( 8 bTDC). Ignition dclay yang terjadi sebesar 0,001 detik ( 1,0 milidetik).

30

Periode rapid combustion ( 2 3 ) : disebut juga dengan proses pembakaran tak terkontrol (uncontrolled combustion), yaitu fasa dimana kenaikan tekanan terjadi dengan sangat cepat. Selama periode delay, butir-butir halus bahan bakar (droplets) memiliki waktu untuk menyebar ke area yang luas di dalam ruang bakar dan udara segar sclalu tersedia di sekitar droplets tersebut. Sebagian besar bahan bakar yang diijeksikan telah menguap dan membentuk campuran mampu bakar dengan udara. Periodc rapid Combustion dihitung dari akhir periode delay atau awal proses pembakaran hingga titik tekanan maksimum. Laju pelepasan kalor adalah maksimum selama periode ini. Tekanan yang dicapai selama periode rapid Combustion ini akan tergantung pada besar kecilnya periode delay, semakin lama periode delay semakin cepat dan semakin tinggi terjadinya kenaikan tekanan di dalam ruang bakar karena bahan bakar lebih banyak tersedia di dalam silinder sebelum laju pembakaran dapat dikontrol.

Periode controled combustion ( 3 4 ) : proses pembakaran terkontrol. Temperatur dan tekanan pada periode kedua telah sangat tinggi. Oleh karena itu, butiran halus bahan bakar yang diinjeksi selama periode kedua terbakar lebih cepat dengan berkurangnya ignition delay secepat butiran halus bahan bakar tersebut bergabung dengan oksigen dan kenaikan tekanan selanjutnya dikontrol oleh laju injeksi bahan bakar. Periode controlled combustion dianggap berakhir pada temperatur siklus maksimum.

Periode After Burning ( setelah titik 4 ). Proses pembakaran tidak berhenti dengan selesainya proses injeksi bahan bakar. Partikel bahan bakar yang tidak terbakar dan yang terbakar sebagian yang meninggalkan ruang bakar dapat terbakar segera saat panas bahan bakar tersebut bersinggungan dengan oksigen. Proses ini terus berlanjur hingga selang waktu tertentu yang disebut dengan periode After Burning.

Biasanya periode ini dimulai dari titik temperatur siklus maksimum dan terus berlangsung hingga sebagian langkah ekspansi. Laju after burning tergantung pada kecepatan difusi dan turbulensi pencampuran dari partikel bahan bakar yang tidak terbakar dan yang terbakar sebagian dengan udara. Selang waktu dari fasa after buring sekitar 70 - 800 CA (crank angle) dari setelah TMA.

31

4.5.

VARIASI RASIO CAMPURAN BAHAN BAKAR - UDARA Sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya bahwa proses pembakaran dapat terjadi

baik pada kondisi rasio campuran bahan bakar - udara di atas atau di bawah kondisi udara stoikeometri. kondisi udara stokiometri adalah kebutuhan udara rninimum yang dibutuhkan untuk membakar seluruh molekul / partikel bahan bakar udara teoritis). Secara teori, proses pembakaran stoikiometri adalah yang diharapkan. Denpan proses pembakaran udara lebih atau campuran miskin - bahan bakar. selurulr molekul bahan bakar (partikel C dan H ) dapat terbakar dan terkonversi menjadi CO2 dan H2O. Akan tetapi, pada proses pembakaran kaya bahan bakar. Oksigen yang dibutuhkan untuk mcmbakar partikel-partikcl bahan bakar tidak tersedia dalam jumlah yang cukup, akibatnya tidak seluruh partikel bahan bakar C dan H terkonversi menjadi produk CO2 dan H2O. Pada proses pembakaran kaya bahan C8, H18 bakar ini. produk yang terbentuk dapat berupa CO2, H2O, N2, CO, dan bahkan hidrogen ataupun UHC Sebagai contoh, reaksi kimia bahan bakar hidrokarbon isooktana dituliskan sebagai berikut :

(bahan bakar bensin) untuk ketiga proses pembakaran yang dimaksudkan di atas dapat

Reaksi Campuran Stoikiometri : C8, H18 + 12,5 ( O2 + 3,76 N2 ) 8CO2 + 9H2O + 47 N2

Reaksi Campuran Miskin-Bahan bakar : C8, H18 + (1,2) 12,5 ( O2 + 3,76 N2 ) 8CO2 + 9H2O + 2,5O2 + 56,4 N2

Reaksi Campuran Kaya-Bahan oakar : C8, H18 + (0,8) 12,5 ( O2 + 3,76 N2 ) 5CO2 + 7H2O + 3CO + 2H2 + 37,6 N2 Dan reaksi kimia di atas, terlihat bahwa untuk reaksi dengan campuran miskin bahan

bakar. produk CO2 dihasilkan lebih banyak dibanding pada reaksi dengan campuran kaya bahan bakar. Jadi dapat dikatakan bahwa panas yang dilepas (daya yang dihasikan) pada reaksi dengan campuran miskin - bahan bakar adalah lebih besar. Hal ini disebabkan oleh panas pembentukan gas CO2 ( hf,= - 393,5 kJ) lebih besar daripada panas pembentukan gas CO ( hf,= - 110,5 kJ), sebagaimana reaksi kimia berikut[3]: Reaksi Cukup Oksigen : C + O2 C02 + 393,5 kJ Reaksi Kurang Oksigen : C + O2 CO + 110,5 kJ

32

Artinya apabila satu mol CO2 yang terbentuk dalamn suatu proses pembakaran, maka akan mengeluarkan panas sebesar 393,5 kJ. Sedangkan apabila yang terbentuk adalah satu mol CO, maka panas yang dikeluarkan hanya sebesar 110,5 kJ ( 30 %). Karena kornposisi produk hasil pembakaran untuk campuran miskin dan kaya bahan bakar sangat berbeda, dan karena rasro bahan bakar - udara stoikiometri tergantung pada komposisi bahan bakar, maka rasio bahan bakar - udara aktual terhadap rasio bahan bakar udara stokeometri, yang dikenal sebagai rasio equivalence bahan bakar udara . merupakan suatu Parameter yang lebih informatif untuk rncnentukan komposisi bahan bakar.

( F A) = ( F A)Untuk campuran stoikiometri

a c tu a l

sto ik e o m trie m

Untuk campuran miskin - bahan bakar

: 1

Untuk campuran kaya - bahan bakar

Akan tetapi dalam praktek, proses pembakaran stoikiometri tidak menjamin oksigen yang cukup ini untuk mengoksidasi seluruh partikel- partikel bahan bakar C dan H. Bahkan, pembakaran yang tidak sempurnapun mungkin masih terjadi pada pembakaran udara lebih (proses pembakaran miskin - bahan bakar). Hal ini disebabkan oleh oksidasi partikel H lebih cepat dibanding partikel C, dengan demikian partikel 'C' tidak akan terbakar seluruhnya. Di samping itu, panas yang ditimbulkan pada campuran miskin - bahan bakar lebih kecil dibanding pada campuran kaya - bahan bakar sebagaimana yang dijelaskan sebelumnya. Hal ini disebabkan oleh bahan bakar tidak seluruhnya terbakar seketika pada operasi mesin aktual. Perlu waktu bagi bahan bakar untuk menguap terlebih dahulu sebelum terbakar. Terbakarnya sedikit bahan bakar pada awal terjadinya proses pembakaran, menyebabkan meningkatnya temperatur dan jumlah uap bahan bakar yang terbakar di dalam silinder (ruang bakar), sehingga tekanannya juga meningkat untuk menghasilkan daya engkol yang lebih besar pula. Meskipun daya engkol yang dihasilkan pada pembakaran kaya - bahan bakar lebih tinggi, namun pemakaian bahan bakar spesifiknya lebih tinggi juga (artinya boros pemakaian bahan bakar). Akan tetapi, campuran yang terlalu jauh dari kondisi stoikiometri

33

(campuran terlalu miskirt atau kaya bahan bakar) dapat menyebabkan tidak terjadinya proses pembakaran, artinya mesin tidak dapat beroperasi [3.7]. Pada mesin bensin, rasio bahan bakar-udara tidak terlalu berubah dengan berubahanya beban putaran mesin, tetapi pada mesin diesel perubahan beban/ putaran mesin ini sangat mempengaruhi perubahan rasio bahan bakar-udara. Pada mesiu diesel suplai udara ke dalamruang bakar pada berbagai putaran mesin hampir mendekati konstan. sementara jumlah bahan bakar yang diinjeksikan ke dalam ruang bakar akan meningkat dengan bcrtambahnya putaran mesin/beban, yang berarti terjadi perubahan Rasio bahan bakar-udara. Operasi mesin diesel beban tinggi pada kondisi mendekati campuran stoikiometri menghasilkan daya output yang tinggi. Akan tetapi, operasi mesin pada kondisi campuran miskin - bahan bakar rnemberikan efisiensi termal yang lebih baik, , Walaupun daya output yang di hasilkan lebih rendah. Partikel UHC (black smoke) terlihat jelas pada operasi mesin dengan rasio udara- bahan bakar, -A/F 18 ( A/F stoikiometri 14,5)[3.4]. Penurunan daya output terlihat sangat tajam dengan menurtinnya equivalence ratio. Oleh karena itu, ukuran mesin menjadi lebih besar jika mesin diesel dioperasikan pada kondisi hampir rnendekati stoikiometri, karena kebutuhan udara untuk membakar partikelpartikel bahan bakar tidak cukup. Akibatnya banyak bahan bakar yang tidak terbakar dan menimbulkan asap hitam (black smoke) pada gas buangrnya. Jadi, mesin diesel selalu dirancang untuk beroperasi dengan udara lebih 15 hingga 40 % (kondisi campuran miskin balian bakar)[2]. DAFTAR PUSTAKA

1.

Arismunandar W., 1983, Penggerak Mula Motor Bakar Torak, Penerbit ITB, Ganesan V., 1996, Internal Combustion Engines, McGraw Hill, New York. Heywood J.B., 1988, Internal Combustion Engines Fundamental, McGraw Maleev V.L., Terjemahan Priambodo B., 1995, Operasi Dan Pemeliharaan Sunarya Y., 2001, Kimia untuk SMU Kelas 1, edisi kesatu, Grafindo Media

Bandung.2. 3.

Hill, Singapore.4.

Mesin Diesel, Erlangga, Jakarta.5.

Pratama, Bandung.

34

6.

Wardono H., 2002, Pengaruh Penambahan Aditif - DTBP Terhadap Ignition

Delay Bahan Bakar Diesel Setana 40, Jurnal PORUS Vol. 5 Nomor 3 - Juli 2002, Universitas Tarumanagara, Jakarta.7.

Wardono H., 2003, Pengaruh Equivalence Ratio Terhadap Daya Engkol dan

Pemakaian Bahan Bakar Spesifik Engkol Motor Bakar Diesel 4 Langkah, Laporan Penelitian DIKS-Unila, Ban

35