Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Otto Berbahan Bakar Pertalite dengan Campuran Pertalite-Zat Aditif Cair
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Dasar Motor Bakar
Motor bakar adalah mesin yang merubah energi kalor dari proses
pembakaran di dalam ruang bakar (Internal Combustion Engine) menjadi energi
mekanik. Proses pembakaran bahan bakar terjadi pada ruang bakar/Combustion
Chamber. Dalam proses pembakaran bahan bakar diperlukan udara yang telah
bercampur dengan sempurna sehingga menghasilkan energi yang diteruskan ke
piston dan ke poros penggerak. Jenis dari ICE (Internal Combustion Engine)
antara lain mesin Otto 2 langkah, mesin Otto 4 langkah, mesin Diesel dan mesin
Wankel, mesin Jet dan mesin Atkinson. Komponen utama sebuah ICE adalah
piston, silinder dan poros engkol. Pada komponen ini juga terdapat katup masuk
dan katup buang serta pemercik api dan sistem pemasukan bahan bakar. [4]
Motor bakar pembakaran luar (External Combustion Engine) adalah
proses pembakaran bahan bakar terjadi diluar dari motor penggerak. Panas dari
hasil pembakaran bahan bakar tidak langsung diubah menjadi tenaga gerak, tetapi
terlebih dulu melalui media penghantar, kemudian diubah menjadi tenaga
mekanik. Di dalam motor pembakaran luar, bahan bakar dibakar diruang bakar
tersendiri seperti ketel dan akan memanaskan air sehingga uap bertekanan yang
dihasilkan dari pemanasan air digunakan untuk memutar sudut-sudut turbin. Jadi
motor tidak digerakkan oleh gas yang terbakar, akan tetapi digerakkan oleh uap
air. Jenis dari ECE (External Combustion Engine) adalah turbin uap, turbin gas,
mesin uap. Kelebihan ICE adalah mesin yang lebih sederhana, bahan bakar lebih
irit, dan banyak digunakan sebagai tenaga penggerak pada kendaraan. Kelebihan
ECE adalah dapat digunakan bahan bakar berkualitas rendah baik bahan bakar
padat, cair dan gas, kapasitas lebih besar, getaran yang minim karena tidak
terdapat bagian yang bergerak (stasioner).
5
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Proses Pembakaran Luar (atas) dan Proses Pembakaran Dalam
(bawah) [5]
2.2. Minyak Bumi
Hasil penambangan minyak bumi berupa minyak mentah belum dpaat
dipergunakan secara langsung untuk berbagai keperluan. Minyak bumi tersebut
harus diolah terlebih dahulu untuk keperluan bahan bakar kendaraan dan industri.
Pengolahan minyak bumi di pengilangan minyak melalui proses penyulingan
bertingkat (distilasi fraksionasi). Prinsip dasar penyulingan bertingkat adalah
pemisahan suatu campuran berdasarkan perbedaan titik didihnya. Hidrokarbon
yang mempunyai titik didih paling rendah akan menguap/memisahkan diri
terlebih dahulu. Kemudian, disusul hidrokarbon yang terkandung dalam minyak
bumi dapat dipisahkan.
Komponen utama minyak bumi adalah senyawa hidrokarbon, baik
alisiklik maupun aromatik. Kadar unsur karbon dalam minyak bumi dapat
mencapai 80% -85%, sedangkan sisanya merupakan campuran unsur hidrogen
dan unsur-unsur lain. Misalnya nitrogen (0 – 0,5%), belerang (0 – 6%), dan
oksigen (0 – 3,5%). [6]
6
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2. Destilasi Bertingkat[7]
Tabel 2.1 Fraksi-Fraksi Penyulingan Bertingkat Minyak Bumi [8]
Gas
Petroleum eter
Bensin (gasolin)
Jumlah
atom C
1-4
5-6
5 - 12
Titik Didih
(°C)
(-160) - (-30)
30 - 90
70 - 140
Nafta (minyak berat)
6 -12
140 - 180
9 - 14
180 - 250
Bahan bakar rumah tangga dan
mesin jet
12 – 18
18 – 22
22 – 25
20 keatas
25 keatas
350 ke atas
350 ke atas
350 ke atas
350 ke atas
350 ke atas
Bahan bakar diesel, industri
Pelumas
Bahan bakar
Penerangan
Pelapis jalan aspal
Fraksi
Minyak tanah (kerosin),
AVTURaviationturbinekerosene
Solar dan minyak diesel
Pelumas (oli)
Minyak bakar
Parafin/lilin
Aspal/bitumen
Kegunaan
Bahan bakar, sumber hidrogen
Pelarut
Bahan bakar
Zat aditif bensin, bahan dasar
pembuatan senyawa kimia lain
Setelah mengalami proses penyulingan, fraksi-fraksi di atas dapat
langsung dimanfaatkan, tetapi ada yang langsung diolah lebih lanjut sesuai
dengan keperluan, antara lain:
1. Proses Reforming, yaitu proses mengubah bentuk struktur (isomer) dari
rantai karbon lurus menjadi bercabang untuk meningkatkan mutu
bensin.
2. Proses Cracking, yaitu proses pemecahan molekul senyawa yang
panjang menjadi molekul pendek.
7
Universitas Sumatera Utara
3. Proses Polimerisasi, yaitu proses penggabungan molekul-molekul kecil
menjadi molekul besar (isobutana + isobutana → isooktana) bensin
yang berkualitas tinggi.
4. Proses Treating, yaitu proses menghilangkan pengotor pada minyak
supaya lebih murni.
5. Proses Blending, yaitu proses pencampuran atau penambahan zat aditif
pada bensin agar mutu bensin lebih baik, sseperti menambahkan TEL
(Tetra Etil Lead, MTBE (Metil Tertier Butil Eter), AlCl3, H2SO4, dan
1,2 – dibromo etana. [9]
2.3
Pertalite
Fraksi minyak bumi yang paling banyak dimanfaatkan adalah bensin
(Gasoline). Bensin digunakan untuk bahan bakar kendaraan bermotor dan
industri. Bensin yang berasal dari peyulingan merupakan senyawa hidrokarbon
rantai lurus. Hal ini mengakibatkan pembakaran tidak merata dalam mesin
bertekanan tinggi sehingga menimbulkan ketukan (Knocking). Peristiwa tersebut
menyebabkan kerasnya getaran mesin dan mesin menjadi sangat panas yang
mengakibatkan mesin menjadi mudah rusak. Komponen utama bensin adalah nheptana (C7H16) dan isooktana (C8H18). Kualitas bensin ditentukan oleh
kandungan isooktana yang dikenal dengan istilah bilangan oktan. [10]
Angka Oktan Riset/Research Octane Number (RON) adalah nilai oktan
yang memberikan gambaran tentang kecenderungan bahan bakar untuk
mengalami pembakaran tidak normal pada kondisi pengendaraan sedang dan juga
pada kecepatan rendah dan dilakukan dengan metode riset. Angka Oktan
Motor/Motor Octane Number (MON) adalah nilai oktan yang memberikan
gambaran kinerja pengendaraan pada kondisi operasi yang lebih berat, kecepatan
tinggi atau kondisi beban tinggi. Indeks Anti Detonasi/Anti Knock Index (AKI)
adalah rata-rata dari penjumlahan angka oktan riset dengan angka oktan motor.
[11]
8
Universitas Sumatera Utara
Berdasarkan keputusan Dirjen Migas No.313.K/10/DJM.T/2013 [12]:
Tabel 2.2 Standar dan Mutu (Spesifikasi) Bahan Bakar Jenis Bensin 90 (Pertalite)
No.
1
Karakteristik
Bilangan Oktana
Angka Oktana Riset (RON)
Angka Oktana Motor (MON)
Satuan
RON
MON
Batasan
Min.
Maks.
90
-
D 2699
Dilaporkan
D 2700
2
Stabilitas Oksidasi
menit
360
3
Kandungan Sulfur
% m/m
-
4
Kandungan Timbal (Pb)
5
Kandungan Logam
(Mangan, besi)
mg/l
6
Kandungan Oksigen
% m/m
7
Kandungan Olefin
% v/v
8
Kandungan Aromatik
% v/v
9
Kandungan Benzena
Distilasi:
% v/v
10
10% vol. Penguapan
50% vol.penguapan
90% vol. Penguapan
Titik didih akhir
g/l
D 525
0,05
D 3237
Tidak terdeteksi
D 3831
-
2,7
Dilaporkan
D4815
D1319
D 4420
-
74
88
125
O
-
180
O
C
D 86
C
-
215
Residu
%vol
-
2
11
Sedimen
mg/l
-
1
D 5452
12
Unwashed gum
mg/100ml
-
70
D 381
13
Washed Gum
mg/100ml
-
5
D 381
14
Tekanan Uap
kPa
45
69
D 5191 atau
D1298
15
Berat Jenis (pada suhu 15oC)
kg/m3
715
770
16
17
Korosi bilah tembaga
Sulfur Mercaptan
18
Penampilan Visual
Jernih danTerang
19
Bau
Dapat Dipasarkan
20
Warna
21
Kandungan Pewarna
merit
% massa
IP74
D 1319
O
C
D 2622
atau D 4294
atau D 7039
-Injeksi timbal tidak
diijinkan
-Dilaporkan
O
C
Metode Uji
ASTM
Lain
Kelas I
0,002
D 4052 atau
D 323
D 130
D 3227
Hijau
g/100
-
0,13
9
Universitas Sumatera Utara
Pertalite membuat pembakaran pada mesin kendaraan dengan teknologi
terkini lebih baik dibandingkan dengan premium yang memiliki RON 88.
Keunggulan pertalite adalah:
1. Durability, pertalite dapat dikategorikan sebagai bahan bakar kendaraan
yang memenuhi syarat dasar durability/ketahanan, dimana bbm ini tidak
akan menimbulkan gangguan serta kerusakan mesin, karena kandungan
oktan 90 lebih sesuai dengan perbandingan kompresi kebanyakan
kendaraan bermotor yang beredar di Indonesia.
2. Fuel Economy, kesesuaian oktan 90 Pertalite dengan perbandingan
kompresi
kebanyakan
kendaraan
beroperasi
sesuai
dengan
rancangannya. Perbandingan Air Fuel Ratio yang lebih tinggi dengan
konsumsi bahan bakar menjadikan kinerja mesin lebih optimal dan
efisien untuk menempuh jarak lebih jauh karena perbandingan biaya
dengan operasi bahan bakar dalam (Rupiah/kilometer) akan lebih
hemat.
3. Performance, kesesuaian angka oktan Pertalite dan aditif yang
dikandungnya dengan spesifikasi mesin akan menghasilkan performa
mesin yang jauh lebih baik dibandingkan ketika menggunakan oktan
88. Hasilnya adalah torsi mesin lebih tinggi dan kecepatan
meningkat.[13]
2.4. Dasar Aditif
Sesuai namanya, aditif adalah suatu senyawa yang ditambahkan
kedalam senyawa lain (dalam penelitian ini digunakan pada bahan bakar
Gasoline). Penggunaan zat aditif secara umum bertujuan untuk mengontrol
pembakaran bensin agar menghasilkan energi yang maksimum dan suara ketukan
minimum. Zat aditif pada bahan bakar bensin digunakan untuk meningkatkan
angka oktan sedangkan pada bahan bakar diesel digunakan untuk meningkatkan
angka setana. Penggunaan zat aditif untuk pelumas bertujuan untuk meminimalisir
busa dan sebagai peningkat kualitas dan ketahanan pelumas.[14]
10
Universitas Sumatera Utara
2.4.1. Klasifikasi Aditif
Zat aditif yang digunakan sebagai senyawa yang ditambahkan pada
motor bakar terbagi menjadi tiga jenis berdasarkan fungsinya, yaitu:
1.
Fungsi bahan pelumasan
2.
Fungsi sistem distribusi bahan bakar dan sistem pembakaran
3.
Fungsi bahan bakar
2.4.1.1. Manfaat Aditif pada Fungsi Sistem Pelumasan
Zat aditif ditambahkan pada oli sebagai bahan pelumas mesin
motor bakar yang bertujuan untuk meningkatkan kualitas pelumas[15], antara lain:
1. Viscosity Index Improver, untuk meningkatkan nilai indeks
viskositas. Indeks viskositas adalah perubahan nilai viskositas akibat
adanya perubahan temperatur.
2. Pour Point Depressant, untuk mencegah aglomerasi kristal lilin
parafin akibat temperatur rendah.
3. Anti-Foam¸ untuk mencegah pelumas berbusa akibat adanya udara
terperangkap dalam minyak pelumas.
4. Antiwear dan Extreme Pressure, untuk meningkatkan film dalam
proses pelumasan sehingga dapat mengurangi keausan permukaan
logam.
5. Detergents, untuk menetralisir asam pada larutan minyak pelumas.
6. Dispersants, untuk mencegah sisa pembakaran yang menumpuk
pada larutan minyak pelumas.
7. Antirust, untuk melindungi permukaan logam dari korosi atmosfir.
8. Antioxidants, untuk menghambat proses pembusukan yang terjadi
secara alami dalam minyak pelumas karena oksidasi dengan udara.
11
Universitas Sumatera Utara
2.4.1.2. Manfaat Aditif pada Fungsi Sistem Distribusi Bahan Bakar dan
Sistem Pembakaran
Zat aditif ditambahkan pada bahan bakar atau diinjeksikan secara
langsung ke dalam ruang bakar yang bertujuan untuk membersihkan dan merawat
saluran bahan bakar, ruang bakar, dan saluran buang mesin motor bakar[16], antara
lain:
1. Fuel System Cleaner, untuk membersihkan tangki bahan bakar,
saluran bahan bakar, pompa bahan bakar, saringan bahan bakar, dan
karburator dari endapan kotoran pada bahan bakar atau sisa-sisa
pembakaran, sehingga bahan bakar dan udara dapat bercampur
dengan baik dan terbakar sempurna di dalam ruang bakar.
2. Injectors Cleaner¸ untuk membersihkan injektor dari kerak karbon
hasil pembakaran, adanya kandungan air pada bahan bakar dan
endapan kotoran bahan bakar yang dapat membuat mesin sulit untuk
dinyalakan, kehilangan akselarasi dan langsam (Idle) yang tidak
stabil.
3. Detergents, untuk menetralisir kotoran pada bahan bakar, endapan
kotoran dari udara yang masuk ke dalam ruang bakar dan
memberikan pelumasan pada ruang bakar.
4. Gas Treatment, untuk meningkatkan kemampuan membersihkan
serta menjaga bahan bakar dari endapan karbon sisa pembakaran,
menghilangkan kandungan air pada bahan bakar, dan mencegah
pembekuan bahan bakar pada saluran bahan bakar.
5. Ethanol Treatment, untuk mencegah efek korosi pada mesin yang
menggunakan bahan bakar campuran Ethanol.
6. Antirust, untuk mencegah pengeroposan mesin akibat korosi yang
timbul pada mesin motor bakar yang digunakan di daerah panas dan
lembab.
12
Universitas Sumatera Utara
2.4.1.3. Manfaat Aditif pada Fungsi Bahan Bakar
Zat aditif ditambahkan pada bahan bakar mesin motor bakar yang
bertujuan untuk meningkatkan kualitas bahan bakar[17], antara lain:
1. Octane Booster, untuk meningkatkan angka oktan dari bahan bakar.
2. Restore Performance. untuk mengembalikan performansi dan
efisiensi mesin yang hilang akibat kualitas bahan bakar yang rendah.
3. Reduce Knocking and Pinging, untuk mengurangi detonasi pada
mesin dan ketidakstabilan putaran mesin sehingga suara mesin
semakin halus.
4. Maximize Horsepower, untuk meningkatkan torsi dan daya dari
mesin.
5. Lubricate Upper Cylinder, untuk melumasi bagian dari permukaan
atas piston dengan ruang bakar sehingga tidak terjadi endapan
karbon sisa pembakaran yang dapat menyebabkan kerusakan
komponen mesin. Kerak karbon yang telah terbentuk akan terkikis
oleh pelumas aditif seiring dengan proses pembakaran dan akan
dibuang melalui saluran pembakaran.
2.4.2. Zat Aditif Secara Umum
Aditif mempunyai berbagai macam zat kimia yang terkandung di
dalamnya dan mempunyai fungsi yang berbeda-beda, secara umum zat kimia
tersebut adalah:
1.
Tetraethyl Lead (TEL)
Zat aditif Tetrathyl Lead akan meningkatkan bilangan oktan bensin.
Mengandung senyawa timbal (Pb). Lapisan tipis timbal terbentuk pada
atmosfer dan membahayakan alam dan kesehatan makhluk hidup.
2.
Senyawa Oksigenat
Senyawa oksigenat adalah senyawa organik beroksigen (oksigenat)
seperti alkohol (methanol, ethanol, isopropil alkohol) dan Eter (Metil
Tertier Butil Eter/MTBE, Etil Tertier Butil Eter/ETBE dan Tersier Amil
Metil Eter/TAME) dan minyak Atsiri. Oksigenat cair yang dapat
13
Universitas Sumatera Utara
dicampur ke dalam bensin untuk menambah angka oktan dan
kandungan oksigennya. Alkohol seperti etanol dapat diperoleh dari
fermentasi
tumbuh-tumbuhan
sehingga
termasuk
dalam
energi
terbaharukan. Kadar CO2 di atmosfer pun akan menurun seiring dengan
budidaya tumbuhan yang dimanfaatkan untuk pembuatan ethanol.[18]
3.
Naphtalene
Naftalena adalah salah satu komponen yang termasuk Benzena
Aromatic Hidrocarbon dan dapat meningkatkan angka oktan. Proses
pembakaran berjalan dengan baik dan tidak mudah menguap. Selain itu
naftalena tidak meninggalkan getah padat pada bagian-bagian mesin.
Penggunaan naftalena relatif aman untuk digunakan. [19]
4.
Methylcyclopentadienyl Manganese Tricarbonyl (MMT)
MMT atau Methylcyclopentadienyl Manganese Tricarbonyl adalah
senyawa organik non logam yang digunakan sebagai pengganti bahan
aditif TEL.
5.
Benzene
Benzena banyak digunakan sebagai zat aditif untuk meningkatkan
angka oktan seiring dengan penghapusan pengunaan bensin yang
mengandung timbal. Benzena dapat meningkatkan kualitas bahan bakar
dan menurunkan ketukan pada mesin. International Agency for
Research on Cancer (IARC) dalam penelitiannya menyimpulkan bahwa
kontaminasi Benzena yang berlebihan mempunyai dampak negatif pada
kesehatan antara lain akan menyebabkan timbulnya berbagai macam
jenis kanker.[20]
2.5. Motor Bakar Bensin
Motor bakar bensin dikenal dengan motor bakar siklus Otto. Siklus otto
pertama sekali dikembangkan oleh seorang insinyur berkebangsaan Jerman
bernama Nikolaus A. Otto pada tahun 1837. [21]
Ciri khas dari motor bakar bensin adalah mempunyai busi dan karburator
atau injektor. Bahan bakar yang digunakan adalah gasoline. Busi mempunyai
14
Universitas Sumatera Utara
fungsi untuk penghasil loncatan api yang akan menyalakan gas dari campuran
bahan bakar dan udara. Karburator dan injektor mempunyai fungsi yang sama
antara lain untuk melakukan percampuran serta pengabutan udara dengan bahan
bakar yang akan dibakar di dalam ruang bakar .Terdapat beberapa jenis mesin otto
berdasarkan banyak langkahnya antara lain siklus Otto 2 langkah, siklus Otto 4
langkah, siklus Otto 6 langkah. Siklus Otto 2 langkah dan 4 langkah banyak
digunakan pada kendaraan yang beredar sebagai transportasi.
2.5.1. Siklus Otto Ideal
Dalam siklus ini, terjadi penyalaan bunga api dengan menggunakan
busi (spark ignition) yang akan membakar campuran bahan bakar dengan udara
setelah melewati proses pengabutan yang dilakukan oleh karburator atau injektor.
Siklus Otto ideal memiliki 4 langkah disebut juga mesin 4-langkah (four stroke
engine). Gambar 2.3 menjelaskan proses 4 langkah pada siklus Otto:
Gambar 2.3 Pembagian Langkah pada Siklus Otto [22]
Langkah-langkah yang terjadi pada motor bensin siklus Otto ideal adalah
sebagai berikut:
1.
Langkah Kompresi
Pada langkah kompresi terjadi campuran udara dan bahan bakar berada
dalam ruang silinder. Piston akan bergerak mulai dari TMB ke TMA.
15
Universitas Sumatera Utara
Kedua katup dalam keadaan tertutup. Energi yang dibutuhkan
melakukan kompresi ini berasal dari kerja pada langkah sebelumnya
yang tersimpan pada roda gila (flywheel).
2.
Langkah Ekspansi
Pada langkah ekspansi terjadi percikan bunga api oleh busi yang akan
membuat campuran udara dan bahan bakar terbakar (meledak) dan
membuat piston terdorong ke TMB. Kedua katup masih dalam keadaan
tertutup. Akibat dorongan ini piston menghasilkan kerja.
3. Langkah Pembuangan
Pada langkah pembuangan terjadi proses pembuangan gas hasil
pembakaran (exhaust). Katup buang akan terbuka sementara katup
masuk tetap tertutup.
4. Langkah Hisap
Pada langkah hisap terjadi prose masuknya campuran udara dan bahan
bakar kedalam ruang bakar. Katup hisap terbuka sementara katup buang
tertutup.
Dalam kondisi ideal siklus Otto dibatasi dua garis isentropik dan dua
garis isovolume. Gambar 2.4 akan menjelaskan diagram siklus otto ideal.
Gambar 2.4 Diagram P-v dan Diagram T-s Siklus otto Ideal [23]
16
Universitas Sumatera Utara
Masing-masing proses diagram P-v dan T-s pada siklus Otto ideal
adalah sebagai berikut:
1.
Proses titik 1- titik 2 adalah proses kompresi isentropik dimana piston
bergerak dari titik mati bawah (TMB) menuju titik mati atas (TMA).
2.
Proses titik 2 - titik 3 adalah proses perpindahan panas dari bahan bakar
ke fluida kerja (pembakaran). Proses ini terjadi saat piston berada di
TMA atau terjadi secara isovolum.
3.
Proses titik 3 – titik 4 adalah proses ekspansi secara isentropik.
4.
Proses titik 4 – titik 1 adalah proses pembuangan panas ke lingkungan
dimana piston berada pada TMB. [24]
2.6. Unjuk Kerja Motor Bakar Bensin
Performansi dapat disebut juga sebagai unjuk kerja dari motor bakar
bensin. Beberapa hal yang mempengaruhi performansi motor bakar bensin antara
lain seperti rasio udara dan bahan bakar, dan rasio kompresi dari volume silinder
ruang bakar. Kedua hal tersebut saling berpengaruh dengan peningkatan unjuk
kerja mesin, efisiensi mesin dan emisi dari gas buang mesin motor bakar bensin.
2.6.1. Torsi (Torque)
Perkalian antara gaya dengan jarak dapat disebut sebagai Torsi. Disaat
proses pembakaran pada ruang bakar, dimana piston akan bergerak translasi dan
poros engkol yang menghubungkan piston dengan batang piston akan merubah
gerak translasi menjadi gerak rotasi. Persamaan (2.1) dapat digunakan untuk
menghitung torsi.
..................................................................................................2.1
Dimana : Pb = Daya (W)
n = Putaran mesin (rpm)
Pengujian torsi yang dilakukan menggunakan timbangan pegas tarik
sehingga yang terhubung dengan roda belakang. Maka akan terjadi gaya antara
roda belakang pada timbangan pegas tarik dalam pengujian torsi rem
[25]
.
17
Universitas Sumatera Utara
Persamaan (2.2) dapat digunakan untuk menghitung gaya yang diberikan roda
belakang.
F = g x m ....................................................................................................2.2
Dimana : F = Gaya yang diberikan roda belakang (N)
g
= Percepatan gravitasi (9,807 m/s2)
m = Massa tarik timbangan pegas (kg)
Persamaan (2.3) dapat digunakan untuk menghitung torsi roda belakang:
τroda = F x r ............................................................................................2.3
Dimana : τroda = Torsi roda belakang (N.m)
F
= Gaya yang diberikan roda belakang (N)
r
= Jari-jari roda belakang (m)
Putaran pada roda belakang diberikan oleh putaran poros engkol yang
terhubung dengan sistem transmisi. Persamaan (2.4) dapat digunakan untuk
mencari final ratio.
Final Ratio = perbandingan final gear x perbandingan rasio gigi 3
x perbandingan rasio poros engkol dengan transmisi ..........2.4
Persamaan (2.5) dapat digunakan untuk menghitung torsi mesin.
τmesin =
..........................................................................................2.5
Dimana : τmesin = Torsi mesin (Nm)
τroda = Torsi roda belakang (Nm)
FR
= Final Ratio
2.6.2. Daya (Power)
Kerja mesin selama waktu tertentu dapat disebut sebagai daya.
Besarnya poros engkol yang bekerja dengan pembebanan merupakan daya poros.
Daya poros berasal dari langkah kerja disaat campuran udara dan bahan bakar
18
Universitas Sumatera Utara
meledak dan menyebabkan piston mengalami dorongan yang menghasilkan kerja
pada poros engkol yang mengubah gerak translasi menjadi gerak rotasi. Prestasi
mesin motor bakar ditentukan oleh daya poros yang telah dibebankan akibat
gesekan seperti pada torak, dinding silinder, poros, dan bantalan. Frekuensi
putaran motor atau disebut dengan RPM (Revolution per Minute) mempengaruhi
besarnya daya poros dimana semakin banyak putaran poros yang terjadi maka
semakin besar daya poros tersebut[26]. Persamaan (2.6) dapat digunakan untuk
menghitung daya poros.
.........................................................................................2.6
Dimana : τmesin = Torsi mesin (Nm)
2.6.3. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (Specific Fuel Consumption)
Konsumsi bahan bakar spesifik adalah parameter unjuk kerja mesin
yang berhubungan langsung dengan nilai ekonomis sebuah mesin, karena dengan
mengetahui hal ini dapat dihitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk
menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu. Persamaan (2.7) dapat
digunakan untuk menghitung laju aliran massa bahan bakar.
̇
....................................................................................2.7
Jika diketahui rasio massa jenis zat (pertalite/aditif)–air maka massa jenis zat
tersebut dapat dicari dengan persamaan (2.8).
.............................................................................................2.8
Dimana : ̇
= Laju aliran bahan bakar (kg/jam)
= Rasio massa jenis zat
= Massa jenis zat (kg/m3)
= Massa jenis bahan bakar (kg/m3)
= Massa jenis air (kg/m3)
= Volume bahan bakar yang diuji (m3)
= Waktu menghabiskan bahan bakar sebanyak volume uji (detik)
19
Universitas Sumatera Utara
Jika terdapat beberapa jenis campuran zat yang terkandung dalam
bahan bakar maka rasio massa jenis campuran bahan bakar-air dihitung dengan
persamaan (2.9).
....................................................................2.9
Dimana: A = Rasio volume zat aditif-campuran bahan bakar
P = Rasio volume pertalite-campuran bahan bakar
ρa = Massa jenis zat aditif (kg/m3)
ρp = Massa jenis pertalite (kg/m3)
Persamaan (2.10) dapat digunakan untuk menghitung besarnya konsumsi bahan
bakar spesifik.
.........................................................................................2.10
Dimana : sfc = Konsumsi bahan bakar spesifik (g/kWh)
ṁf = Laju aliran massa bahan bakar (kg/jam)
Pb = Daya (Watt)
2.6.4.
Rasio Udara-Bahan Bakar (Air Fuel Ratio)
Perbandingan udara dan bahan bakar yang masuk kedalam ruang bakar
adalah AFR. Secara kimia dibutuhkan rasio udara/bahan bakar yang tepat unutk
berlangsungnya pembakaran yang sempurna. Rasio udara bahan bakar dalam
sistem bahan bakar bervariasi, bergantung pada kondisi operasi saat itu. Hal yang
dapat mempengaruhi rasio udara bahan bakar yaitu temperatur mesin, temperatur
udara yang dihisap, tekanan udara yang terhisap dan kerapatan udara sekitar. Saat
beroperasi dengan beban ringan dengan kecepatan medium, dan rancangan ruang
bakar yang baik, campuran bahan bakar miskin (dalam kisaran 16:1-18:1) masih
dimungkinkan untuk terbakar. Campuran miskin meningkatkan ekonomi bahan
bakar, mengurangi emisi, tetapi juga mengurangi daya keluaran. Campuran udara
dan bahan bakar yang stokiometri (14:1-14,7:1) menghasilkan daya keluaran yang
optimal. Campuran bahan bakar yang kaya (11,5:1-13,5:1) mengurangi nilai
ekonomi bahan bakar tetapi mempunyai daya yang terbesar. Jika campuran udara
20
Universitas Sumatera Utara
bahan bakar terlalu miskin (diatas 18:1), campuran tidak akan menyala yang
menyebabkan kondisi kegagalan penyalaan.[27] Persamaan (2.11) dapat digunakan
untuk menghitung rasio udara-bahan bakar.
̇
Dimana : ̇
̇
................................................................................................2.11
= Laju Aliran Massa Udara (kg/jam)
̇ = Laju aliran bahan bakar (kg/jam)
Persamaan (2.12-2.15) dapat digunakan untuk menghitung laju aliran massa
udara.
.................................................................................. 2.12
.............................................................................................2.13
...............................................................................................2.14
......................................................................... 2.15
Dimana: Pi
= Tekanan udara masuk silinder (kPa)
Ti = Temperatur udara masuk silinder (Kelvin)
R
= Konstanta udara (0,287 kJ/kg.K)
Vd = Volume silinder/displacement (m3)
Vc = Volume sisa/clearence (m3)
ma = Massa udara masuk silinder per siklus (kg)
Nd = Jumlah silinder (silinder)
n
= Putaran mesin (rpm)
a
= Putaran poros dalam satu siklus (putaran)
B
= Diameter piston (m)
S
= Panjang langkah (m3)
RC
= Rasio Kompresi
21
Universitas Sumatera Utara
2.6.5. Efisiensi Volumetris (Volumetric Efficiency)
Jika sebuah mesin empat langkah dapat menghisap udara pada kondisi
isapnya sebanyak volume langkah toraknya untuk setiap langkah isapnya, maka
proses ini ideal. Tetapi dalam kondisi aktual dimana massa udara yang dapat
dihisap selalu lebih sedikit akibat efek pemanasan yang mengurangi kerapatan
udara ketika memasuki silinder mesin. Besar daya dan kinerja yang dapat
diperoleh motor tergantung pada jumlah maksimum udara di dalam silinder
sepanjang siklus. Lebih banyak udara berarti lebih banyak bahan bakar yang
terbakar dan lebih banyak energi yang dapat dikonversikan ke keluaran daya.
Persamaan (2.16) dan (2.17) dapat digunakan untuk menghitung efisiensi
volumetris.
........................................................... 2.16
................................................................................ 2.17
= Kerapatan Udara (kg/m3)
Dimana :
R
= Konstanta udara (287 J/kg.K)
Pa = Tekanan udara (1 atm = 101325 Pa)
Ta = Temperatur udara (kelvin)
2.6.6.
Efisiensi Termal ( Thermal Efficiency)
Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang
dibangkitkan piston karena sejumlah energi hilang akibat adanya rugi-rugi
mekanis seperti gesekan, kerja pompa oli dan pompa pendingin, dan panas yang
terbuang. Efisiensi termal pembakaran didefinisikan untuk menyatakan fraksi dari
bahan bakar yang terbakar. Persamaan (2.18) dapat digunakan untuk menghitung
efisiensi termal.
......................................................2.18
̇
Dimana : Pb
̇
= Daya (Watt)
= Laju aliran bahan bakar (kg/jam)
LHV = Nilai kalor bawah bahan bakar (kJ/kg)
22
Universitas Sumatera Utara
2.7. 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 (Caloric Value).
Berdasarkan asumsi ikut tidaknya panas laten pengembunan uap air dihitung
sebagai bagian dari nilai kalor suatu bahan bakar, maka nilai kalor bahan bakar
dapat dibedakan menjadi nilai kalor atas dan nilai kalor bawah. Nilai kalor atas
bahan bakar (High Heating Value), merupakan nilai kalor yang diperoleh secara
eksperimen dengan menggunakan bom kalorimeter dimana hasil pembakaran
bahan bakar didinginkan sampai suhu kamar sehingga sabagian besar uap air yang
terbentuk dari pembakaran hydrogen mengembun dan melepaskan panas latennya.
Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan (2.19).[28]
(
)
..................................................................2.19
Dimana : HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
T1
= Temperatur air pendingin sebelum penyalaan (oC)
T2
= Temperatur air pendingin sesudah penyalaan (oC)
Tkp
= Kenaikan temperatur akibat kawat penyala (oC)
Cv
= Panas jenis bom kalorimeter (73529,6 kJ/kgoC)
Dan nilai kalor bawah bahan bakar dapat dihitung dengan persamaan (2.20).
LHV = HHV –3240 ................................................................................ 2.20
Dimana : LHV = Nilai kalor bawah (kJ/kg)
HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
Dalam perhitungan efisiensi panas dari motor bakar dapat menggunakan
nilai kalor bawah (LHV) dengan asumsi pada suhu tinggi saat gas buang
meninggalkan mesin tidak terjadi pengembunan uap air. Namun dapat juga
menggunakan nilai kalor atas (HHV) karena nilai tersebut umumnya lebih cepat
tersedia. Besarnya nilai kalor bahan bakar mempengaruhi dari energi ledakan
yang akan terjadi jika bahan bakar tersebut dibakar atau dinyalakan. Kandungan
23
Universitas Sumatera Utara
energi di dalam bahan bakar diukur dengan membakar semua bahan bakar di
dalam bom kalorimeter serta mengukur peningkatan temperatur yang terjadi.
Energi yang tersedia tergantung wujud air yang dihasilkan dari pembakaran
hidrogen. Jika air di dalam produk buangan berwujud gas (uap air), kemudian
tidak dapat melepaskan panas penguapannya, maka dihasilkan nilai kalor bersih
yang disebut nilai kalor bawah bahan bakar (Lower Heating value). Jika air
dikondensasikan kembali ke temperatur asal bahan bakar hingga berwujud cair
maka akan menghasilkan nilai kalor kotor (Higher heating value, HHV).
Peraturan pengujian berdasarkan ASME (American of Mechanical Engineers)
menentukan penggunaan nilai kalor atas (HHV), sedangkan peraturan SAE
(Society of Automotive Engineers) menetukan penggunaan nilai kalor bawah
(LHV).[29]
Dilakukan 5 kali pengujian bom kalorimeter pada setiap bahan bakar yang
digunakan dan dicari rata-rata dari nilai kalor bahan bakar dengan menggunakan
persamaan (2.21) dan (2.22).
∑
............................................................. 2.21
∑
.............................................................. 2.22
24
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Dasar Motor Bakar
Motor bakar adalah mesin yang merubah energi kalor dari proses
pembakaran di dalam ruang bakar (Internal Combustion Engine) menjadi energi
mekanik. Proses pembakaran bahan bakar terjadi pada ruang bakar/Combustion
Chamber. Dalam proses pembakaran bahan bakar diperlukan udara yang telah
bercampur dengan sempurna sehingga menghasilkan energi yang diteruskan ke
piston dan ke poros penggerak. Jenis dari ICE (Internal Combustion Engine)
antara lain mesin Otto 2 langkah, mesin Otto 4 langkah, mesin Diesel dan mesin
Wankel, mesin Jet dan mesin Atkinson. Komponen utama sebuah ICE adalah
piston, silinder dan poros engkol. Pada komponen ini juga terdapat katup masuk
dan katup buang serta pemercik api dan sistem pemasukan bahan bakar. [4]
Motor bakar pembakaran luar (External Combustion Engine) adalah
proses pembakaran bahan bakar terjadi diluar dari motor penggerak. Panas dari
hasil pembakaran bahan bakar tidak langsung diubah menjadi tenaga gerak, tetapi
terlebih dulu melalui media penghantar, kemudian diubah menjadi tenaga
mekanik. Di dalam motor pembakaran luar, bahan bakar dibakar diruang bakar
tersendiri seperti ketel dan akan memanaskan air sehingga uap bertekanan yang
dihasilkan dari pemanasan air digunakan untuk memutar sudut-sudut turbin. Jadi
motor tidak digerakkan oleh gas yang terbakar, akan tetapi digerakkan oleh uap
air. Jenis dari ECE (External Combustion Engine) adalah turbin uap, turbin gas,
mesin uap. Kelebihan ICE adalah mesin yang lebih sederhana, bahan bakar lebih
irit, dan banyak digunakan sebagai tenaga penggerak pada kendaraan. Kelebihan
ECE adalah dapat digunakan bahan bakar berkualitas rendah baik bahan bakar
padat, cair dan gas, kapasitas lebih besar, getaran yang minim karena tidak
terdapat bagian yang bergerak (stasioner).
5
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Proses Pembakaran Luar (atas) dan Proses Pembakaran Dalam
(bawah) [5]
2.2. Minyak Bumi
Hasil penambangan minyak bumi berupa minyak mentah belum dpaat
dipergunakan secara langsung untuk berbagai keperluan. Minyak bumi tersebut
harus diolah terlebih dahulu untuk keperluan bahan bakar kendaraan dan industri.
Pengolahan minyak bumi di pengilangan minyak melalui proses penyulingan
bertingkat (distilasi fraksionasi). Prinsip dasar penyulingan bertingkat adalah
pemisahan suatu campuran berdasarkan perbedaan titik didihnya. Hidrokarbon
yang mempunyai titik didih paling rendah akan menguap/memisahkan diri
terlebih dahulu. Kemudian, disusul hidrokarbon yang terkandung dalam minyak
bumi dapat dipisahkan.
Komponen utama minyak bumi adalah senyawa hidrokarbon, baik
alisiklik maupun aromatik. Kadar unsur karbon dalam minyak bumi dapat
mencapai 80% -85%, sedangkan sisanya merupakan campuran unsur hidrogen
dan unsur-unsur lain. Misalnya nitrogen (0 – 0,5%), belerang (0 – 6%), dan
oksigen (0 – 3,5%). [6]
6
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2. Destilasi Bertingkat[7]
Tabel 2.1 Fraksi-Fraksi Penyulingan Bertingkat Minyak Bumi [8]
Gas
Petroleum eter
Bensin (gasolin)
Jumlah
atom C
1-4
5-6
5 - 12
Titik Didih
(°C)
(-160) - (-30)
30 - 90
70 - 140
Nafta (minyak berat)
6 -12
140 - 180
9 - 14
180 - 250
Bahan bakar rumah tangga dan
mesin jet
12 – 18
18 – 22
22 – 25
20 keatas
25 keatas
350 ke atas
350 ke atas
350 ke atas
350 ke atas
350 ke atas
Bahan bakar diesel, industri
Pelumas
Bahan bakar
Penerangan
Pelapis jalan aspal
Fraksi
Minyak tanah (kerosin),
AVTURaviationturbinekerosene
Solar dan minyak diesel
Pelumas (oli)
Minyak bakar
Parafin/lilin
Aspal/bitumen
Kegunaan
Bahan bakar, sumber hidrogen
Pelarut
Bahan bakar
Zat aditif bensin, bahan dasar
pembuatan senyawa kimia lain
Setelah mengalami proses penyulingan, fraksi-fraksi di atas dapat
langsung dimanfaatkan, tetapi ada yang langsung diolah lebih lanjut sesuai
dengan keperluan, antara lain:
1. Proses Reforming, yaitu proses mengubah bentuk struktur (isomer) dari
rantai karbon lurus menjadi bercabang untuk meningkatkan mutu
bensin.
2. Proses Cracking, yaitu proses pemecahan molekul senyawa yang
panjang menjadi molekul pendek.
7
Universitas Sumatera Utara
3. Proses Polimerisasi, yaitu proses penggabungan molekul-molekul kecil
menjadi molekul besar (isobutana + isobutana → isooktana) bensin
yang berkualitas tinggi.
4. Proses Treating, yaitu proses menghilangkan pengotor pada minyak
supaya lebih murni.
5. Proses Blending, yaitu proses pencampuran atau penambahan zat aditif
pada bensin agar mutu bensin lebih baik, sseperti menambahkan TEL
(Tetra Etil Lead, MTBE (Metil Tertier Butil Eter), AlCl3, H2SO4, dan
1,2 – dibromo etana. [9]
2.3
Pertalite
Fraksi minyak bumi yang paling banyak dimanfaatkan adalah bensin
(Gasoline). Bensin digunakan untuk bahan bakar kendaraan bermotor dan
industri. Bensin yang berasal dari peyulingan merupakan senyawa hidrokarbon
rantai lurus. Hal ini mengakibatkan pembakaran tidak merata dalam mesin
bertekanan tinggi sehingga menimbulkan ketukan (Knocking). Peristiwa tersebut
menyebabkan kerasnya getaran mesin dan mesin menjadi sangat panas yang
mengakibatkan mesin menjadi mudah rusak. Komponen utama bensin adalah nheptana (C7H16) dan isooktana (C8H18). Kualitas bensin ditentukan oleh
kandungan isooktana yang dikenal dengan istilah bilangan oktan. [10]
Angka Oktan Riset/Research Octane Number (RON) adalah nilai oktan
yang memberikan gambaran tentang kecenderungan bahan bakar untuk
mengalami pembakaran tidak normal pada kondisi pengendaraan sedang dan juga
pada kecepatan rendah dan dilakukan dengan metode riset. Angka Oktan
Motor/Motor Octane Number (MON) adalah nilai oktan yang memberikan
gambaran kinerja pengendaraan pada kondisi operasi yang lebih berat, kecepatan
tinggi atau kondisi beban tinggi. Indeks Anti Detonasi/Anti Knock Index (AKI)
adalah rata-rata dari penjumlahan angka oktan riset dengan angka oktan motor.
[11]
8
Universitas Sumatera Utara
Berdasarkan keputusan Dirjen Migas No.313.K/10/DJM.T/2013 [12]:
Tabel 2.2 Standar dan Mutu (Spesifikasi) Bahan Bakar Jenis Bensin 90 (Pertalite)
No.
1
Karakteristik
Bilangan Oktana
Angka Oktana Riset (RON)
Angka Oktana Motor (MON)
Satuan
RON
MON
Batasan
Min.
Maks.
90
-
D 2699
Dilaporkan
D 2700
2
Stabilitas Oksidasi
menit
360
3
Kandungan Sulfur
% m/m
-
4
Kandungan Timbal (Pb)
5
Kandungan Logam
(Mangan, besi)
mg/l
6
Kandungan Oksigen
% m/m
7
Kandungan Olefin
% v/v
8
Kandungan Aromatik
% v/v
9
Kandungan Benzena
Distilasi:
% v/v
10
10% vol. Penguapan
50% vol.penguapan
90% vol. Penguapan
Titik didih akhir
g/l
D 525
0,05
D 3237
Tidak terdeteksi
D 3831
-
2,7
Dilaporkan
D4815
D1319
D 4420
-
74
88
125
O
-
180
O
C
D 86
C
-
215
Residu
%vol
-
2
11
Sedimen
mg/l
-
1
D 5452
12
Unwashed gum
mg/100ml
-
70
D 381
13
Washed Gum
mg/100ml
-
5
D 381
14
Tekanan Uap
kPa
45
69
D 5191 atau
D1298
15
Berat Jenis (pada suhu 15oC)
kg/m3
715
770
16
17
Korosi bilah tembaga
Sulfur Mercaptan
18
Penampilan Visual
Jernih danTerang
19
Bau
Dapat Dipasarkan
20
Warna
21
Kandungan Pewarna
merit
% massa
IP74
D 1319
O
C
D 2622
atau D 4294
atau D 7039
-Injeksi timbal tidak
diijinkan
-Dilaporkan
O
C
Metode Uji
ASTM
Lain
Kelas I
0,002
D 4052 atau
D 323
D 130
D 3227
Hijau
g/100
-
0,13
9
Universitas Sumatera Utara
Pertalite membuat pembakaran pada mesin kendaraan dengan teknologi
terkini lebih baik dibandingkan dengan premium yang memiliki RON 88.
Keunggulan pertalite adalah:
1. Durability, pertalite dapat dikategorikan sebagai bahan bakar kendaraan
yang memenuhi syarat dasar durability/ketahanan, dimana bbm ini tidak
akan menimbulkan gangguan serta kerusakan mesin, karena kandungan
oktan 90 lebih sesuai dengan perbandingan kompresi kebanyakan
kendaraan bermotor yang beredar di Indonesia.
2. Fuel Economy, kesesuaian oktan 90 Pertalite dengan perbandingan
kompresi
kebanyakan
kendaraan
beroperasi
sesuai
dengan
rancangannya. Perbandingan Air Fuel Ratio yang lebih tinggi dengan
konsumsi bahan bakar menjadikan kinerja mesin lebih optimal dan
efisien untuk menempuh jarak lebih jauh karena perbandingan biaya
dengan operasi bahan bakar dalam (Rupiah/kilometer) akan lebih
hemat.
3. Performance, kesesuaian angka oktan Pertalite dan aditif yang
dikandungnya dengan spesifikasi mesin akan menghasilkan performa
mesin yang jauh lebih baik dibandingkan ketika menggunakan oktan
88. Hasilnya adalah torsi mesin lebih tinggi dan kecepatan
meningkat.[13]
2.4. Dasar Aditif
Sesuai namanya, aditif adalah suatu senyawa yang ditambahkan
kedalam senyawa lain (dalam penelitian ini digunakan pada bahan bakar
Gasoline). Penggunaan zat aditif secara umum bertujuan untuk mengontrol
pembakaran bensin agar menghasilkan energi yang maksimum dan suara ketukan
minimum. Zat aditif pada bahan bakar bensin digunakan untuk meningkatkan
angka oktan sedangkan pada bahan bakar diesel digunakan untuk meningkatkan
angka setana. Penggunaan zat aditif untuk pelumas bertujuan untuk meminimalisir
busa dan sebagai peningkat kualitas dan ketahanan pelumas.[14]
10
Universitas Sumatera Utara
2.4.1. Klasifikasi Aditif
Zat aditif yang digunakan sebagai senyawa yang ditambahkan pada
motor bakar terbagi menjadi tiga jenis berdasarkan fungsinya, yaitu:
1.
Fungsi bahan pelumasan
2.
Fungsi sistem distribusi bahan bakar dan sistem pembakaran
3.
Fungsi bahan bakar
2.4.1.1. Manfaat Aditif pada Fungsi Sistem Pelumasan
Zat aditif ditambahkan pada oli sebagai bahan pelumas mesin
motor bakar yang bertujuan untuk meningkatkan kualitas pelumas[15], antara lain:
1. Viscosity Index Improver, untuk meningkatkan nilai indeks
viskositas. Indeks viskositas adalah perubahan nilai viskositas akibat
adanya perubahan temperatur.
2. Pour Point Depressant, untuk mencegah aglomerasi kristal lilin
parafin akibat temperatur rendah.
3. Anti-Foam¸ untuk mencegah pelumas berbusa akibat adanya udara
terperangkap dalam minyak pelumas.
4. Antiwear dan Extreme Pressure, untuk meningkatkan film dalam
proses pelumasan sehingga dapat mengurangi keausan permukaan
logam.
5. Detergents, untuk menetralisir asam pada larutan minyak pelumas.
6. Dispersants, untuk mencegah sisa pembakaran yang menumpuk
pada larutan minyak pelumas.
7. Antirust, untuk melindungi permukaan logam dari korosi atmosfir.
8. Antioxidants, untuk menghambat proses pembusukan yang terjadi
secara alami dalam minyak pelumas karena oksidasi dengan udara.
11
Universitas Sumatera Utara
2.4.1.2. Manfaat Aditif pada Fungsi Sistem Distribusi Bahan Bakar dan
Sistem Pembakaran
Zat aditif ditambahkan pada bahan bakar atau diinjeksikan secara
langsung ke dalam ruang bakar yang bertujuan untuk membersihkan dan merawat
saluran bahan bakar, ruang bakar, dan saluran buang mesin motor bakar[16], antara
lain:
1. Fuel System Cleaner, untuk membersihkan tangki bahan bakar,
saluran bahan bakar, pompa bahan bakar, saringan bahan bakar, dan
karburator dari endapan kotoran pada bahan bakar atau sisa-sisa
pembakaran, sehingga bahan bakar dan udara dapat bercampur
dengan baik dan terbakar sempurna di dalam ruang bakar.
2. Injectors Cleaner¸ untuk membersihkan injektor dari kerak karbon
hasil pembakaran, adanya kandungan air pada bahan bakar dan
endapan kotoran bahan bakar yang dapat membuat mesin sulit untuk
dinyalakan, kehilangan akselarasi dan langsam (Idle) yang tidak
stabil.
3. Detergents, untuk menetralisir kotoran pada bahan bakar, endapan
kotoran dari udara yang masuk ke dalam ruang bakar dan
memberikan pelumasan pada ruang bakar.
4. Gas Treatment, untuk meningkatkan kemampuan membersihkan
serta menjaga bahan bakar dari endapan karbon sisa pembakaran,
menghilangkan kandungan air pada bahan bakar, dan mencegah
pembekuan bahan bakar pada saluran bahan bakar.
5. Ethanol Treatment, untuk mencegah efek korosi pada mesin yang
menggunakan bahan bakar campuran Ethanol.
6. Antirust, untuk mencegah pengeroposan mesin akibat korosi yang
timbul pada mesin motor bakar yang digunakan di daerah panas dan
lembab.
12
Universitas Sumatera Utara
2.4.1.3. Manfaat Aditif pada Fungsi Bahan Bakar
Zat aditif ditambahkan pada bahan bakar mesin motor bakar yang
bertujuan untuk meningkatkan kualitas bahan bakar[17], antara lain:
1. Octane Booster, untuk meningkatkan angka oktan dari bahan bakar.
2. Restore Performance. untuk mengembalikan performansi dan
efisiensi mesin yang hilang akibat kualitas bahan bakar yang rendah.
3. Reduce Knocking and Pinging, untuk mengurangi detonasi pada
mesin dan ketidakstabilan putaran mesin sehingga suara mesin
semakin halus.
4. Maximize Horsepower, untuk meningkatkan torsi dan daya dari
mesin.
5. Lubricate Upper Cylinder, untuk melumasi bagian dari permukaan
atas piston dengan ruang bakar sehingga tidak terjadi endapan
karbon sisa pembakaran yang dapat menyebabkan kerusakan
komponen mesin. Kerak karbon yang telah terbentuk akan terkikis
oleh pelumas aditif seiring dengan proses pembakaran dan akan
dibuang melalui saluran pembakaran.
2.4.2. Zat Aditif Secara Umum
Aditif mempunyai berbagai macam zat kimia yang terkandung di
dalamnya dan mempunyai fungsi yang berbeda-beda, secara umum zat kimia
tersebut adalah:
1.
Tetraethyl Lead (TEL)
Zat aditif Tetrathyl Lead akan meningkatkan bilangan oktan bensin.
Mengandung senyawa timbal (Pb). Lapisan tipis timbal terbentuk pada
atmosfer dan membahayakan alam dan kesehatan makhluk hidup.
2.
Senyawa Oksigenat
Senyawa oksigenat adalah senyawa organik beroksigen (oksigenat)
seperti alkohol (methanol, ethanol, isopropil alkohol) dan Eter (Metil
Tertier Butil Eter/MTBE, Etil Tertier Butil Eter/ETBE dan Tersier Amil
Metil Eter/TAME) dan minyak Atsiri. Oksigenat cair yang dapat
13
Universitas Sumatera Utara
dicampur ke dalam bensin untuk menambah angka oktan dan
kandungan oksigennya. Alkohol seperti etanol dapat diperoleh dari
fermentasi
tumbuh-tumbuhan
sehingga
termasuk
dalam
energi
terbaharukan. Kadar CO2 di atmosfer pun akan menurun seiring dengan
budidaya tumbuhan yang dimanfaatkan untuk pembuatan ethanol.[18]
3.
Naphtalene
Naftalena adalah salah satu komponen yang termasuk Benzena
Aromatic Hidrocarbon dan dapat meningkatkan angka oktan. Proses
pembakaran berjalan dengan baik dan tidak mudah menguap. Selain itu
naftalena tidak meninggalkan getah padat pada bagian-bagian mesin.
Penggunaan naftalena relatif aman untuk digunakan. [19]
4.
Methylcyclopentadienyl Manganese Tricarbonyl (MMT)
MMT atau Methylcyclopentadienyl Manganese Tricarbonyl adalah
senyawa organik non logam yang digunakan sebagai pengganti bahan
aditif TEL.
5.
Benzene
Benzena banyak digunakan sebagai zat aditif untuk meningkatkan
angka oktan seiring dengan penghapusan pengunaan bensin yang
mengandung timbal. Benzena dapat meningkatkan kualitas bahan bakar
dan menurunkan ketukan pada mesin. International Agency for
Research on Cancer (IARC) dalam penelitiannya menyimpulkan bahwa
kontaminasi Benzena yang berlebihan mempunyai dampak negatif pada
kesehatan antara lain akan menyebabkan timbulnya berbagai macam
jenis kanker.[20]
2.5. Motor Bakar Bensin
Motor bakar bensin dikenal dengan motor bakar siklus Otto. Siklus otto
pertama sekali dikembangkan oleh seorang insinyur berkebangsaan Jerman
bernama Nikolaus A. Otto pada tahun 1837. [21]
Ciri khas dari motor bakar bensin adalah mempunyai busi dan karburator
atau injektor. Bahan bakar yang digunakan adalah gasoline. Busi mempunyai
14
Universitas Sumatera Utara
fungsi untuk penghasil loncatan api yang akan menyalakan gas dari campuran
bahan bakar dan udara. Karburator dan injektor mempunyai fungsi yang sama
antara lain untuk melakukan percampuran serta pengabutan udara dengan bahan
bakar yang akan dibakar di dalam ruang bakar .Terdapat beberapa jenis mesin otto
berdasarkan banyak langkahnya antara lain siklus Otto 2 langkah, siklus Otto 4
langkah, siklus Otto 6 langkah. Siklus Otto 2 langkah dan 4 langkah banyak
digunakan pada kendaraan yang beredar sebagai transportasi.
2.5.1. Siklus Otto Ideal
Dalam siklus ini, terjadi penyalaan bunga api dengan menggunakan
busi (spark ignition) yang akan membakar campuran bahan bakar dengan udara
setelah melewati proses pengabutan yang dilakukan oleh karburator atau injektor.
Siklus Otto ideal memiliki 4 langkah disebut juga mesin 4-langkah (four stroke
engine). Gambar 2.3 menjelaskan proses 4 langkah pada siklus Otto:
Gambar 2.3 Pembagian Langkah pada Siklus Otto [22]
Langkah-langkah yang terjadi pada motor bensin siklus Otto ideal adalah
sebagai berikut:
1.
Langkah Kompresi
Pada langkah kompresi terjadi campuran udara dan bahan bakar berada
dalam ruang silinder. Piston akan bergerak mulai dari TMB ke TMA.
15
Universitas Sumatera Utara
Kedua katup dalam keadaan tertutup. Energi yang dibutuhkan
melakukan kompresi ini berasal dari kerja pada langkah sebelumnya
yang tersimpan pada roda gila (flywheel).
2.
Langkah Ekspansi
Pada langkah ekspansi terjadi percikan bunga api oleh busi yang akan
membuat campuran udara dan bahan bakar terbakar (meledak) dan
membuat piston terdorong ke TMB. Kedua katup masih dalam keadaan
tertutup. Akibat dorongan ini piston menghasilkan kerja.
3. Langkah Pembuangan
Pada langkah pembuangan terjadi proses pembuangan gas hasil
pembakaran (exhaust). Katup buang akan terbuka sementara katup
masuk tetap tertutup.
4. Langkah Hisap
Pada langkah hisap terjadi prose masuknya campuran udara dan bahan
bakar kedalam ruang bakar. Katup hisap terbuka sementara katup buang
tertutup.
Dalam kondisi ideal siklus Otto dibatasi dua garis isentropik dan dua
garis isovolume. Gambar 2.4 akan menjelaskan diagram siklus otto ideal.
Gambar 2.4 Diagram P-v dan Diagram T-s Siklus otto Ideal [23]
16
Universitas Sumatera Utara
Masing-masing proses diagram P-v dan T-s pada siklus Otto ideal
adalah sebagai berikut:
1.
Proses titik 1- titik 2 adalah proses kompresi isentropik dimana piston
bergerak dari titik mati bawah (TMB) menuju titik mati atas (TMA).
2.
Proses titik 2 - titik 3 adalah proses perpindahan panas dari bahan bakar
ke fluida kerja (pembakaran). Proses ini terjadi saat piston berada di
TMA atau terjadi secara isovolum.
3.
Proses titik 3 – titik 4 adalah proses ekspansi secara isentropik.
4.
Proses titik 4 – titik 1 adalah proses pembuangan panas ke lingkungan
dimana piston berada pada TMB. [24]
2.6. Unjuk Kerja Motor Bakar Bensin
Performansi dapat disebut juga sebagai unjuk kerja dari motor bakar
bensin. Beberapa hal yang mempengaruhi performansi motor bakar bensin antara
lain seperti rasio udara dan bahan bakar, dan rasio kompresi dari volume silinder
ruang bakar. Kedua hal tersebut saling berpengaruh dengan peningkatan unjuk
kerja mesin, efisiensi mesin dan emisi dari gas buang mesin motor bakar bensin.
2.6.1. Torsi (Torque)
Perkalian antara gaya dengan jarak dapat disebut sebagai Torsi. Disaat
proses pembakaran pada ruang bakar, dimana piston akan bergerak translasi dan
poros engkol yang menghubungkan piston dengan batang piston akan merubah
gerak translasi menjadi gerak rotasi. Persamaan (2.1) dapat digunakan untuk
menghitung torsi.
..................................................................................................2.1
Dimana : Pb = Daya (W)
n = Putaran mesin (rpm)
Pengujian torsi yang dilakukan menggunakan timbangan pegas tarik
sehingga yang terhubung dengan roda belakang. Maka akan terjadi gaya antara
roda belakang pada timbangan pegas tarik dalam pengujian torsi rem
[25]
.
17
Universitas Sumatera Utara
Persamaan (2.2) dapat digunakan untuk menghitung gaya yang diberikan roda
belakang.
F = g x m ....................................................................................................2.2
Dimana : F = Gaya yang diberikan roda belakang (N)
g
= Percepatan gravitasi (9,807 m/s2)
m = Massa tarik timbangan pegas (kg)
Persamaan (2.3) dapat digunakan untuk menghitung torsi roda belakang:
τroda = F x r ............................................................................................2.3
Dimana : τroda = Torsi roda belakang (N.m)
F
= Gaya yang diberikan roda belakang (N)
r
= Jari-jari roda belakang (m)
Putaran pada roda belakang diberikan oleh putaran poros engkol yang
terhubung dengan sistem transmisi. Persamaan (2.4) dapat digunakan untuk
mencari final ratio.
Final Ratio = perbandingan final gear x perbandingan rasio gigi 3
x perbandingan rasio poros engkol dengan transmisi ..........2.4
Persamaan (2.5) dapat digunakan untuk menghitung torsi mesin.
τmesin =
..........................................................................................2.5
Dimana : τmesin = Torsi mesin (Nm)
τroda = Torsi roda belakang (Nm)
FR
= Final Ratio
2.6.2. Daya (Power)
Kerja mesin selama waktu tertentu dapat disebut sebagai daya.
Besarnya poros engkol yang bekerja dengan pembebanan merupakan daya poros.
Daya poros berasal dari langkah kerja disaat campuran udara dan bahan bakar
18
Universitas Sumatera Utara
meledak dan menyebabkan piston mengalami dorongan yang menghasilkan kerja
pada poros engkol yang mengubah gerak translasi menjadi gerak rotasi. Prestasi
mesin motor bakar ditentukan oleh daya poros yang telah dibebankan akibat
gesekan seperti pada torak, dinding silinder, poros, dan bantalan. Frekuensi
putaran motor atau disebut dengan RPM (Revolution per Minute) mempengaruhi
besarnya daya poros dimana semakin banyak putaran poros yang terjadi maka
semakin besar daya poros tersebut[26]. Persamaan (2.6) dapat digunakan untuk
menghitung daya poros.
.........................................................................................2.6
Dimana : τmesin = Torsi mesin (Nm)
2.6.3. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (Specific Fuel Consumption)
Konsumsi bahan bakar spesifik adalah parameter unjuk kerja mesin
yang berhubungan langsung dengan nilai ekonomis sebuah mesin, karena dengan
mengetahui hal ini dapat dihitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk
menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu. Persamaan (2.7) dapat
digunakan untuk menghitung laju aliran massa bahan bakar.
̇
....................................................................................2.7
Jika diketahui rasio massa jenis zat (pertalite/aditif)–air maka massa jenis zat
tersebut dapat dicari dengan persamaan (2.8).
.............................................................................................2.8
Dimana : ̇
= Laju aliran bahan bakar (kg/jam)
= Rasio massa jenis zat
= Massa jenis zat (kg/m3)
= Massa jenis bahan bakar (kg/m3)
= Massa jenis air (kg/m3)
= Volume bahan bakar yang diuji (m3)
= Waktu menghabiskan bahan bakar sebanyak volume uji (detik)
19
Universitas Sumatera Utara
Jika terdapat beberapa jenis campuran zat yang terkandung dalam
bahan bakar maka rasio massa jenis campuran bahan bakar-air dihitung dengan
persamaan (2.9).
....................................................................2.9
Dimana: A = Rasio volume zat aditif-campuran bahan bakar
P = Rasio volume pertalite-campuran bahan bakar
ρa = Massa jenis zat aditif (kg/m3)
ρp = Massa jenis pertalite (kg/m3)
Persamaan (2.10) dapat digunakan untuk menghitung besarnya konsumsi bahan
bakar spesifik.
.........................................................................................2.10
Dimana : sfc = Konsumsi bahan bakar spesifik (g/kWh)
ṁf = Laju aliran massa bahan bakar (kg/jam)
Pb = Daya (Watt)
2.6.4.
Rasio Udara-Bahan Bakar (Air Fuel Ratio)
Perbandingan udara dan bahan bakar yang masuk kedalam ruang bakar
adalah AFR. Secara kimia dibutuhkan rasio udara/bahan bakar yang tepat unutk
berlangsungnya pembakaran yang sempurna. Rasio udara bahan bakar dalam
sistem bahan bakar bervariasi, bergantung pada kondisi operasi saat itu. Hal yang
dapat mempengaruhi rasio udara bahan bakar yaitu temperatur mesin, temperatur
udara yang dihisap, tekanan udara yang terhisap dan kerapatan udara sekitar. Saat
beroperasi dengan beban ringan dengan kecepatan medium, dan rancangan ruang
bakar yang baik, campuran bahan bakar miskin (dalam kisaran 16:1-18:1) masih
dimungkinkan untuk terbakar. Campuran miskin meningkatkan ekonomi bahan
bakar, mengurangi emisi, tetapi juga mengurangi daya keluaran. Campuran udara
dan bahan bakar yang stokiometri (14:1-14,7:1) menghasilkan daya keluaran yang
optimal. Campuran bahan bakar yang kaya (11,5:1-13,5:1) mengurangi nilai
ekonomi bahan bakar tetapi mempunyai daya yang terbesar. Jika campuran udara
20
Universitas Sumatera Utara
bahan bakar terlalu miskin (diatas 18:1), campuran tidak akan menyala yang
menyebabkan kondisi kegagalan penyalaan.[27] Persamaan (2.11) dapat digunakan
untuk menghitung rasio udara-bahan bakar.
̇
Dimana : ̇
̇
................................................................................................2.11
= Laju Aliran Massa Udara (kg/jam)
̇ = Laju aliran bahan bakar (kg/jam)
Persamaan (2.12-2.15) dapat digunakan untuk menghitung laju aliran massa
udara.
.................................................................................. 2.12
.............................................................................................2.13
...............................................................................................2.14
......................................................................... 2.15
Dimana: Pi
= Tekanan udara masuk silinder (kPa)
Ti = Temperatur udara masuk silinder (Kelvin)
R
= Konstanta udara (0,287 kJ/kg.K)
Vd = Volume silinder/displacement (m3)
Vc = Volume sisa/clearence (m3)
ma = Massa udara masuk silinder per siklus (kg)
Nd = Jumlah silinder (silinder)
n
= Putaran mesin (rpm)
a
= Putaran poros dalam satu siklus (putaran)
B
= Diameter piston (m)
S
= Panjang langkah (m3)
RC
= Rasio Kompresi
21
Universitas Sumatera Utara
2.6.5. Efisiensi Volumetris (Volumetric Efficiency)
Jika sebuah mesin empat langkah dapat menghisap udara pada kondisi
isapnya sebanyak volume langkah toraknya untuk setiap langkah isapnya, maka
proses ini ideal. Tetapi dalam kondisi aktual dimana massa udara yang dapat
dihisap selalu lebih sedikit akibat efek pemanasan yang mengurangi kerapatan
udara ketika memasuki silinder mesin. Besar daya dan kinerja yang dapat
diperoleh motor tergantung pada jumlah maksimum udara di dalam silinder
sepanjang siklus. Lebih banyak udara berarti lebih banyak bahan bakar yang
terbakar dan lebih banyak energi yang dapat dikonversikan ke keluaran daya.
Persamaan (2.16) dan (2.17) dapat digunakan untuk menghitung efisiensi
volumetris.
........................................................... 2.16
................................................................................ 2.17
= Kerapatan Udara (kg/m3)
Dimana :
R
= Konstanta udara (287 J/kg.K)
Pa = Tekanan udara (1 atm = 101325 Pa)
Ta = Temperatur udara (kelvin)
2.6.6.
Efisiensi Termal ( Thermal Efficiency)
Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang
dibangkitkan piston karena sejumlah energi hilang akibat adanya rugi-rugi
mekanis seperti gesekan, kerja pompa oli dan pompa pendingin, dan panas yang
terbuang. Efisiensi termal pembakaran didefinisikan untuk menyatakan fraksi dari
bahan bakar yang terbakar. Persamaan (2.18) dapat digunakan untuk menghitung
efisiensi termal.
......................................................2.18
̇
Dimana : Pb
̇
= Daya (Watt)
= Laju aliran bahan bakar (kg/jam)
LHV = Nilai kalor bawah bahan bakar (kJ/kg)
22
Universitas Sumatera Utara
2.7. 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 (Caloric Value).
Berdasarkan asumsi ikut tidaknya panas laten pengembunan uap air dihitung
sebagai bagian dari nilai kalor suatu bahan bakar, maka nilai kalor bahan bakar
dapat dibedakan menjadi nilai kalor atas dan nilai kalor bawah. Nilai kalor atas
bahan bakar (High Heating Value), merupakan nilai kalor yang diperoleh secara
eksperimen dengan menggunakan bom kalorimeter dimana hasil pembakaran
bahan bakar didinginkan sampai suhu kamar sehingga sabagian besar uap air yang
terbentuk dari pembakaran hydrogen mengembun dan melepaskan panas latennya.
Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan (2.19).[28]
(
)
..................................................................2.19
Dimana : HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
T1
= Temperatur air pendingin sebelum penyalaan (oC)
T2
= Temperatur air pendingin sesudah penyalaan (oC)
Tkp
= Kenaikan temperatur akibat kawat penyala (oC)
Cv
= Panas jenis bom kalorimeter (73529,6 kJ/kgoC)
Dan nilai kalor bawah bahan bakar dapat dihitung dengan persamaan (2.20).
LHV = HHV –3240 ................................................................................ 2.20
Dimana : LHV = Nilai kalor bawah (kJ/kg)
HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
Dalam perhitungan efisiensi panas dari motor bakar dapat menggunakan
nilai kalor bawah (LHV) dengan asumsi pada suhu tinggi saat gas buang
meninggalkan mesin tidak terjadi pengembunan uap air. Namun dapat juga
menggunakan nilai kalor atas (HHV) karena nilai tersebut umumnya lebih cepat
tersedia. Besarnya nilai kalor bahan bakar mempengaruhi dari energi ledakan
yang akan terjadi jika bahan bakar tersebut dibakar atau dinyalakan. Kandungan
23
Universitas Sumatera Utara
energi di dalam bahan bakar diukur dengan membakar semua bahan bakar di
dalam bom kalorimeter serta mengukur peningkatan temperatur yang terjadi.
Energi yang tersedia tergantung wujud air yang dihasilkan dari pembakaran
hidrogen. Jika air di dalam produk buangan berwujud gas (uap air), kemudian
tidak dapat melepaskan panas penguapannya, maka dihasilkan nilai kalor bersih
yang disebut nilai kalor bawah bahan bakar (Lower Heating value). Jika air
dikondensasikan kembali ke temperatur asal bahan bakar hingga berwujud cair
maka akan menghasilkan nilai kalor kotor (Higher heating value, HHV).
Peraturan pengujian berdasarkan ASME (American of Mechanical Engineers)
menentukan penggunaan nilai kalor atas (HHV), sedangkan peraturan SAE
(Society of Automotive Engineers) menetukan penggunaan nilai kalor bawah
(LHV).[29]
Dilakukan 5 kali pengujian bom kalorimeter pada setiap bahan bakar yang
digunakan dan dicari rata-rata dari nilai kalor bahan bakar dengan menggunakan
persamaan (2.21) dan (2.22).
∑
............................................................. 2.21
∑
.............................................................. 2.22
24
Universitas Sumatera Utara