Motor Bakar Emisi Gas Buang

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Motor Bakar

Salah satu jenis penggerak mula yang banyak dipakai adalah mesin kalor, yaitu mesin yang menggunakan energi thermal untuk melakukan kerja mekanik atau yang mengubah energi thermal menjadi energi mekanik. Ditinjau dari cara memperoleh energi thermal ini mesin kalor dibagi menjadi dua golongan, yaitu mesin pembakaran luar dan mesin pembakaran luar. Pada mesin pembakaran luar atau sering disebut juga sebagai external combustion engine ECE proses pembakaran terjadi di luar mesin, energi thermal dari gas hasil pembakaran dipindahkan ke fluida kerja mesin melalui dinding pemisah. Contohnya mesin uap. Pada mesin pembakaran dalam atau sering disebut juga sebagai internal combustion engine ICE, proses pembakaran berlangsung di dalam motor bakar itu sendiri sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja. Mesin pembakaran dalam umumnya dikenal juga dengan nama motor bakar. Dalam kelompok ini terdapat motor bakar torak dan sistem turbin gas.

2.2 Klasifikasi Motor Bakar

Motor bakar torak dapat diklasifikasikan atas mesin bensin dan mesin diesel. Perbedaan pokok antara kedua mesin ini ada pada sistem penyalaannya. Pada motor bensin penyalaan bahan bakar dilakukan oleh percikan bunga api listrik dari busi. Oleh sebab itu mesin bensin dikenal juga dengan sebutan spark ignition engine. Sedangkan pada mesin diesel penyalaan bahan bakar terjadi dengan sendirinya, oleh sebab itu bahan bakar disemprotkandiinjeksikan ke dalam ruang bakar yang berisi udara yang bertekanan dan bertemperatur tinggi. Bahan bakar tersebut terbakar dengan sendirinya oleh udara yang mengandung 21 volume O 2 setelah temperatur campuran itu melampaui temperatur nyala bahan bakar. Mesin diesel disebut juga dengan compression ignition engine. Universitas Sumatera Utara

2.2.1 Perbedaan Mesin Diesel Dan Mesin Bensin:

Jika diperhatikan lebih jauh terdapat banyak perbedaan antara mesin bensin dan mesin diesel, antara lain [9] : 1. Cara pemberian Dan penyalaan Bahan bakar Perbedaan utama terletak pada bagaimana memulai sesuatu pembakaran dalam ruang silinder. Mesin besin mengawali pembakaran dengan disuplainya listrik tegangan tinggi, sehingga menimbulkan percikan bunga api di antara celah busi untuk memulai pembakaran gas. Motor diesel memanfaatkan udara yang dikompresi untuk memulai pembakaran bahan bakar solar. Dengan perbandingan kompresinya sangat tinggi sampai berkisar 22 : 1, akibatnya tekanan naik secara mendadak berlangsung dalam beberapa milidetik suhunya dapat mencapai 900-1000 derajat celcius. Suhu setinggi itu dapat menyalakan bahan bakar solar menjelang akhir langkah kompresi, solar disemprotkan ke udara yang sangat panas itu. Akibatnya, bahan bakar langsung terbakar sebab titik nyala solar sendiri Cuma 400 Celcius. Karena pembakaran terjadi akibat tekanan kompresi yang sangat tinggi tadi, maka mesin diesel di sebut juga mesin penyalaan kompresi compression igniton engine. Sedangkan mesin bensin di kenal dengan mesin penyalaan bunga api spark ignition engine. Dalam mesin bensin bahan bakar dan udara dicampur di luar silinder yaitu dalam karburator dan saluran masuk manifold. Sebaliknya mesin diesel tidak ada campuran pendahuluan udara dan bahan bakar di luar silinder, hanya udara yang diterima ke dalam silinder melalui saluran masuk. 2. Perbandingan Kompresi mesin diesel dan Bensin Perbandingan kompresi adalah perbandingan volume udara dalam silinder sebelum langkah kompresi dengan volume sesudah langkah kompresi. Perbandingan kompresi untuk motor-motor bensin adalah berkisar 8 : 1 sedangkan perbandingan yang umum untuk motor-motor diesel adalah 16- 22 : 1. Perbandingan kompresi yang tinggi pada motor diesel menimbulkan kenaikan suhu udara cukup tinggi untuk menyalakan bahan bakar tanpa ada letikan bunga api. Hal ini menyebabkan motor diesel Universitas Sumatera Utara mempunyai efisiensi yang besar sebab kompresi yang tinggi menghasilkan pemuaian yang besar dari gas-gas hasil pembakaran dalam silinder. Karena itu tenaganya sangat kuat. Efisiensi tinggi yang dihasilkan pembakaran motor diesel harus diimbangi dengan kekuatan komponen- komponennya agar dapat menahan gaya-gaya pembakaran yang sangat besar. 3. Disain Komponen Mesin Diesel dan Bensin Untuk komponen mesin diesel harus dibuat kokoh dan kuat untuk dapat menahan gaya pembakaran yang sangat besar. Pada umumnya bagian- bagian yang dikuatkan adalah torak, pena torak, batang penghubung, dan poros engkol serta sejumlah bantalan utama untuk mendukung poros engkol.

2.2.2 Kelebihan Dan Kekurangan Antara Mesin Bensin Dan Mesin diesel

Berikut ini adalah perbandingan kelebihan dan kekurangan antara mesin bensin dan mesin diesel [7] : 1. Getaran kenyamanan pengendara dan penumpang Mesin bensin lebih halus dibandingkan mesin diesel. Hal ini disebabkan karena mesin diesel menggunakan mekanisme kompresi tinggi dalam proses pembakarannya lebih tinggi dibandingkan mesin bensin. Namun secara konstan teknologi mesin diesel semakin canggih dan sanggup membuat mesin diesel modern jauh lebih halus dibandingkan mesin diesel konvensional. 2. Performa Mesin bensin memiliki Horse Power Daya Kuda lebih besar dibandingkan mesin Diesel. Namun mesin Diesel memiliki torsi yang lebih besar terutama pada putaran bawah. Akibatnya pengendara mobil bermesin bensin akan merasakan kelincahan mobilnya. Sedangkan bagi pengendara mobil Diesel akan merasakan manfaatnya ketika harus membawa beban berat atau menempuh medan yang ekstrim. 3. Durability Ketahanankeawetan Mesin diesel memang terkenal bandel. Bila dirawat dengan benar mesin Universitas Sumatera Utara diesel bisa bekerja lebih lama daripada mesin bensin. Ini juga menjadi salah satu faktor penentu mengapa mesin-mesin industri rata-rata menggunakan teknologi diesel. 4. Efisiensi Mobil bermesin Diesel dapat dikatakan lebih efisien dari mobil bermesin diesel dengan kapasitas yang sama. Belum lagi bila dihitung perbedaan harga perliter antara bensin pertamax dengan solar. Langkah Toyota Indonesia mengeluarkan Kijang Innova versi Diesel walaupun sedikit lebih mahal menjadi indikasi strong point teknologi mesin Diesel yang tidak dimiliki mesin Bensin. 5. Ramah Lingkungan Mesin bensin jelas lebih unggul namun kehadiran bio solar mulai mengecilkan perbedaan ini. Tetapi tetap saja mesin bensin lebih unggul terutama dengan adanya Catalytic Converter.

2.3 Prinsip Kerja Motor Bakar

Mesin bensin dan mesin diesel bekerja dengan torak bolak balik naik turun pada mesin gerak. Keduanya bekerja pada prinsip 4 langkah dan prinsip ini umumnya digunakan pada teknik mobil. Untuk mesin dengan penyalaan busi disebut mesin bensin dengan menggunakan bahan bakar bensin premium, sedangkan untuk mesin diesel menggunakan bahan bakar solar atau minyak diesel. Dalam proses pembakaran tenaga panas bahan bakar diubah ketenaga mekanik melalui pembakaran bahan bakar didalam mesin. Pembakaran adalah proses kimia dimana Karbondioksida dan zat air bergabung dengan oksigen dalam udara. Jika pembakaran berlangsung maka diperlukan : aBahan bakar dan udara dimasukkan kedalam mesin, bBahan bakar dipanaskan hingga suhu tinggi Pembakaran menimbulkan panas dan menghasilkan tekanan, kemudian menghasilkan tenaga mekanik. Campuran masuk kedalam mesin mengandung udara dan bahan bakar. Universitas Sumatera Utara

2.3.1 Prinsip Kerja Mesin Bensin

Langkah-langkah yang terjadi pada mesin bensin 4 langkah adalah : 1. Langkah isap Pada langkah isap, campuran udara yang telah bercampur pada karburator diisap ke dalam silinder ruang bakar. Torak bergerak turun dari titik mati atas TMA ke titik mati bawah TMB yang akan menyebabkan kehampaan vacum di dalam silinder, maka dengan demikian campuran udara dan bahan bakar bensin akan diisap ke dalam silinder. Selama langkah torak ini, katup isap akan terbuka dan katup buang akan menutup. 2. Langkah Kompresi Pada langkah kompresi, campuran udara dan bahan bakar yang berada di dalam silinder dimampatkan oleh torak, dimana torak akan bergerak dari TMB ke TMA dan kedua katup isap dan buang akan menutup, sedangkan busi akan memercikan bunga api dan bahan bakar mulai terbakar akibatnya terjadi proses pemasukan panas. 3. Langkah Ekspansi Pada langkah ekspansi, campuran udara dan bahan bakar yang diisap telah terbakar. Selama pembakaran, sejumlah energi dibebaskan, sehingga suhu dan tekanan dalam silinder naik dengan cepat. Setelah mencapai TMA, piston akan didorong oleh gas bertekanan tinggi menuju TMB. Tenaga mekanis ini diteruskan ke poros engkol. Saat sebelum mencapai TMB, katup buang terbuka, gas hasil pembakaran mengalir keluar dan tekanan dalam silinder turun dengan cepat. 4. Langkah buang Pada langkah buang, torak terdorong ke bawah menuju TMB dan naik kembali ke TMA untuk mendorong ke luar gas-gas yang telah terbakar di dalam silinder. Selama langkah ini, katup buang membuka sedangkan katup isap menutup. Untuk lebih jelas, prinsip kerja mesin bensin dapat dilihat pada gambar 2.1. Universitas Sumatera Utara Gambar 2.1 Prinsip Kerja Mesin Bensin [13]

2.3.2 Prinsip Kerja Mesin Diesel

Prinsip kerja mesin diesel 4 tak sebenarnya sama dengan prinsip kerja mesin otto, yang membedakan adalah cara memasukkan bahan bakarnya. Pada mesin diesel bahan bakar di semprotkan langsung ke ruang bakar dengan menggunakan injector. Dibawah ini adalah langkah dalam proses mesin diesel 4 langkah : 1. Langkah Isap Pada langkah ini piston bergerak dari TMA Titik Mati Atas ke TMB Titik Mati Bawah. Saat piston bergerak ke bawah katup isap terbuka yang menyebabkan ruang didalam silinder menjadi vakum,sehingga udara murni langsung masuk ke ruang silinder melalui filter udara. 2. Langkah kompresi Pada langkah ini piston bergerak dari TMB menuju TMA dan kedua katup tertutup. Karena udara yang berada di dalam silinder didesak terus oleh piston,menyebabkan terjadi kenaikan tekanan dan temperatur,sehingga udara di dalam silinder menjadi sangat panas. Beberapa derajat sebelum piston mencapai TMA, bahan bakar di semprotkan ke ruang bakar oleh injector yang berbentuk kabut. 3. Langkah Usaha Pada langkah ini kedua katup masih tertutup, akibat semprotan bahan bakar di ruang bakar akan menyebabkan terjadi ledakan pembakaran yang akan meningkatkan suhu dan tekanan di ruang bakar. Tekanan yang besar tersebut akan mendorong piston ke bawah yang menyebkan terjadi gaya aksial. Gaya aksial ini dirubah dan diteruskan oleh poros engkol menjadi gaya radial putar. Universitas Sumatera Utara 4. Langkah Buang Pada langkah ini, gaya yang masih terjadi di flywhell akan menaikkan kembali piston dari TMB ke TMA, bersamaan itu juga katup buang terbuka sehingga udara sisa pembakaran akan di dorong keluar dari ruang silinder menuju exhaust manifold dan langsung menuju knalpot Begitu seterusnya sehingga terjadi siklus pergerakan piston yang tidak berhenti. Siklus ini tidak akan berhenti selama faktor yang mendukung siklus tersebut tidak ada yang terputus. Untuk lebih jelas, prinsip kerja mesin diesel dapat dilihat pada gambar 2.2. Langkah isap Langkah kompresi Langkah usaha Langkah Buang Gambar 2.2 Prinsip Kerja Mesin Diesel [8] 2.4 Siklus Ideal 2.4.1 Siklus Otto Siklus otto dapat dilihat pada gambar 2.3. Proses yang terjadi pada siklus otto adalah sebagai berikut: Proses 6-1 : langkah isap Proses 1-2 : kompresi isentropic Proses 2-3 : proses pembakaran volume konstan dianggap sebagai proses pemasukan kalor Proses 3-4 : proses isentropik udara panas dengan tekanan tinggi mendorong piston turun menuju TMB Proses 4-5 : proses pelepasan kalor pada volume konstan piston Proses 5-6 : langkah buang pada tekanan konstan Universitas Sumatera Utara Gambar 2.3 Diagram P-V dan T-S Siklus Otto [5]

2.4.2 Siklus Diesel

Siklus diesel dapat dilihat pada gambar 2.4. Proses yang terjadi pada siklus diesel adalah sebagai berikut: Proses 6-1 : langkah isap Proses 1-2 : langkah kompresi Proses 2-3 : proses pemasukan kalor pada tekanan konstan Proses 3-4 : langkah ekspansi Proses 4-5 : proses pembuangan kalor pada volume konstan Proses 5-6 : langkah buang pada tekanan konstan Gambar 2.4 Diagram P-V dan T-S Siklus Diesel [5] Universitas Sumatera Utara 2.5 Performansi Mesin Diesel 2.5.1 Daya Poros Daya mesin adalah besarnya kerja mesin selama waktu tertentu. Pada motor bakar daya yang berguna adalah daya poros, dikarenakan poros tersebut menggerakan beban. Daya poros dibangkitkan oleh daya indikator , yang merupakan daya gas pembakaran yang menggerakan torak selanjutnya menggerakan semua mekanisme, sebagian daya indikator dibutuhkan untuk mengatasi gesekan mekanik, seperti pada torak dan dinding silinder dan gesekan antara poros dan bantalan. Prestasi motor bakar pertama-tama tergantung dari daya yang dapat ditimbulkannya. Semakin tinggi frekuensi putar motor makin tinggi daya yang diberikan hal ini disebabkan oleh semakin besarnya frekuensi semakin banyak langkah kerja yang dialami pada waktu yang sama. Dengan demikian besar daya poros itu adalah : � � = 2�.�.� 60 2.1 lit.3 hal 3-9 Dimana : P B = daya W T = torsi Nm n = putaran mesin Rpm

2.5.2 Torsi

Torsi adalah perkalian antara gaya dengan jarak. Selama proses usaha maka tekanan-tekanan yang terjadi di dalam silinder motor menimbulkan suatu gaya yang luar biasa kuatnya pada torak. Gaya tersebut dipindahkan kepada pena engkol melalui batang torak , dan mengakibatkan adanya momen putar atau torsi pada poros engkol. Untuk mengetahui besarnya torsi digunakan alat dynamometer. Biasanya motor pembakaran ini dihubungkan dengan dynamometer dengan maksud mendapatkan keluaran dari motor pembakaran dengan cara menghubungkan poros motor pembakaran dengan poros dynamometer dengan menggunakan kopling elastik. Universitas Sumatera Utara P B = 2�. �.� 60 T = � � . 60 2�.� 2.2 lit.3 hal 3-9

2.5.3 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik SFC

Konsumsi bahan bakar spesifik merupakan salah satu parameter prestasi yang penting di dalam suatu motor bakar. Parameter ini biasa dipakai sebagai ukuran ekonomi pemakaian bahan bakar yang terpakai per jam untuk setiap daya kuda yang dihasilkan. SFC = � � ̇ � 10 3 � � 2.3 lit.3 hal 3-2 ṁ f = ��� � 8 � 10 −3 � � 3600 2.4 lit.3 hal 2-7 Dengan : SFC = konsumsi bahan bakar spesifik kgkw.h P B = daya W ṁ f = konsumsi bahan bakar sgf = spesifik grafity t = waktu jam

2.5.4 Efisiensi Thermal Brake

Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang dibangkitkan piston karena sejumlah enegi hilang akibat adanya rugi-rugi mekanis mechanical losses. Dengan alasan ekonomis perlu dicari kerja maksimium yang dapat dihasilkan dari pembakaran sejumlah bahan bakar. Efisiensi ini disebut juga sebagai efisiensi termal brake brake thermal efficiency, η b . Jika daya keluaran P B dalam satuan KW, laju aliran bahan bakar m f dalam satuan kgjam, maka: η b = � � � � . �� � 3600 2.4 lit.3 hal 3-20 Universitas Sumatera Utara

2.6 Emisi Gas Buang

Bahan pencemar polutan yang berasal dari kendaraan bermotor dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kategori sebagai berikut :

1. Sumber

Polutan dibedakan menjadi polutan primer atau sekunder. Polutan primer seperti nitrogen oksida NO x dan hidrokarbon HC langsung dibuangkan ke udara bebas dan mempertahankan bentuknya seperti pada saat pembuangan. Polutan sekunder seperti ozon O 3 dan peroksiasetil nitrat PAN adalah polutan yang terbentuk di atmosfer melalui reaksi fotokimia, hidrolisis atau oksidasi.

2. Komposisi Kimia

Polutan dibedakan menjadi organik dan inorganik. Polutan organik mengandung karbon dan hidrogen, juga beberapa elemen seperti oksigen, nitrogen, sulfur atau fosfor, contohnya : hidrokarbon, keton, alkohol, ester dan lain-lain. Polutan inorganik seperti : karbon monoksida CO, karbonat, nitrogen oksida, ozon dan lainnya.

3. Bahan Penyusun

Polutan dibedakan menjadi partikulat atau gas. Partikulat dibagi menjadi padatan dan cairan seperti : debu, asap, abu, kabut dan spray, partikulat dapat