Kajian Studi Perbandingan Performansi Mesin Otto Empat Langkah Dengan Bahan Bakar Pertamax 92 dan Variasi Bahan Bakar Campuran Pertamax 92-Kapur Barus

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1

Motor Bakar
Motor bakar adalah mesin kalor atau mesin konversi energi yang

mengubah energi kimia bahan bakar menjadi energi mekanik berupa kerja.
Ditinjau dari cara memperoleh energi thermal nya, maka motor bakar dapat dibagi
menjadi 2 golongnan yaitu motor pembakaran luar dan pembakaran dalam. Motor
pembakaran dalam (Internal Combustion Engine) ialah motor bakar yang
pembakarannya terjadi di dalam pesawat itu sendiri.
Motor bakar dapat juga disebut sebagai motor otto. Motor tersebut
dilengkapi dengan busi dan karburator. Busi menghasilkan loncatan bunga api
listrik yang membakar campuran bahan bakar dan udara karena motor ini
cenderung disebut spark ignition engine. Pembakaran bahan bakar dengan udara
ini menghasilkan daya. Di dalam siklus otto (siklus ideal) pembakaran tersebut
dimisalkan sebagai pemasukan panas pada volume konstanta.[4]
Ntienne Lenoir yang lahir pada tahun 1822 dan meniggal dunia pada tahun
1900 adalah seorang berkebangsaan Perancis yang pertama kali menemukan
motor bakar 2 tak. Sedangkan August Otto yang hidup antara 1832 sampai 1891

adalah seorang berkebangsaan Jerman yang membuat cikal bakal ramainya
industri Mobil sipenemu mesin 4 tak. Pada tahun 1860, Otto mendengar kabar ada
ilmuwan jenius yang bernama Leonir, yang mampu membuat mesin pembakar
dengan dua dorongan putaran alias 2 tak. Sayangnya mesin 2 tak ini memakai
bahan bakar gas. Otto menilai ini kurang praktis. Otto kemudian menciptakan
karburator, sayangnya ditolak lembaga paten, karena ada yang mendahului.
Namun ia menyempurnakan mesin 2 tak dengan 4 dorongan alias 4 langkah. Hasil
ini dipatenkan di Jerman pada tahun 1863. Mendapat formula jitu, lalu ia
membuat mesin yang dibiayai oleh Eugene Langen. Konstruksi buatannya
mendapatkan medali World Fair di Paris 1867.
Motor bakar torak menggunakan silinder tunggal atau beberapa silinder.
Salah satu fungsi torak disini adalah sebagai pendukung terjadinya pembakaran
5

Universitas Sumatera Utara

pada motor bakar. Tenaga panas yang dihasilkan dari pembakaran diteruskan
torak ke batang torak, kemudian diteruskan ke poros engkol yang mana poros
engkol nantinya akan diubah menjadi gesekan putar.

2.2

Prinsip Kerja Motor Bakar Empat Langkah
Yang dimaksud dengan motor bakar 4 (empat) langkah adalah bila 1 (satu)

kali proses pembakaran terjadi pada setiap 4 (empat) langkah gerakan piston atau
2 (dua) kali putaran poros engkol. Pada dasarnya prinsip kerja pada motor adalah
sebagai berikut :
1. Langkah isap (0-1) merupakan proses tekanan konstan.
2. Langkah kompresi (1-2) ialah proses isentropik.
3. Proses pembakaran volume-konstan (2-3) dianggap sebagai proses pemasukan
kalor pada volume konstan.
4. Langkah kerja (3-4) ialah proses isentopik.
5. Proses pembuangan (4-1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada
volume-konstan.
6. Langkah buang (1-0) ialah proses tekanan konstan.
Siklus ideal volume kostan ini adalah siklus untuk mesin otto. Siklus
volume konstan sering disebut dengan siklus ledakan (explostion cycle) karena
secara teoritis proses pembakaran terjadi sangat cepat dan menyebabkan
peningkatan tekanan yang tiba-tiba. Penyalaan untuk proses pembakaran dibantu

dengan loncatan bunga api. Nikolaus August Otto menggunakan siklus ini untuk
membuat mesin sehingga siklus ini sering disebut dengan siklus otto.

6

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.1 Diagram P-v Siklus Otto [5]

Gambar 2.2 Diagram T-S Siklus Otto

Katup masuk dan katup buang terbuka tepat ketika pada waktu piston
berada pada TMA dan TMB, maka siklus motor 4 (empat) langkah dapat
diterangkan sebagai berikut:
1. Langkah Hisap
Piston bergerak dari TMA ke TMB. Dalam langkah ini, campuran udara dan
bahan bakar diisap ke dalam silinder. Katup isap terbuka sedangkan katup
buang tertutup. Waktu piston bergerak ke bawah, menyebabkan ruang silinder
menjadi vakum, masuknya campuran udara dan bahan bakar ke dalam silinder
disebabkan adanya tekanan udara luar (atmospheric pressure).

2. Langkah Kompresi
Piston bergerak dari TMB ke TMA. Dalam langkah ini, campuran udara dan
bahan bakar dikompresikan/dimampatkan. Katup isap dan katup buang
tertutup. Waktu torak mulai naik dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati
atas (TMA) campuran udara dan bahan bakar yang diisap tadi dikompresikan.
Akibatnya tekanan dan temperaturnya menjadi naik, sehingga
3. Langkah Usaha
Akibat adanya pembakaran maka pada ruang bakar terjadi panas dan
pemuaian yang tiba-tiba. Pemuaian tersebut mendorong piston untuk bergerak
7

Universitas Sumatera Utara

dari TMA ke TMB. Kedua katup masih dalam keadaan tertutup rapat sehingga
seluruh tenaga panas mendorong piston untuk bergerak.
4. Langkah Buang
Piston bergerak dari TMB ke TMA. Dalam langkah ini, gas yang terbakar
dibuang dari dalam silinder. Katup buang terbuka, piston bergerak dari TMB
ke TMA mendorong gas bekas pembakaran ke luar dari silinder.Ketika torak
mencapai TMA, akan mulai bergerak lagi untuk persiapan berikutnya, yaitu

langkah isap.

Gambar 2.3 Prinsip Kerja Motor 4 (Empat) Langkah [6]

2.3

Komponen Motor Bakar yang Mempengaruhi Proses Pembakaran
Bagian komponen utama motor bakar yang dinamis adalah bagian

komponen yang melakukan gerakan mekanik yang berupa gerakan translasi
mapun rotasi dimana gerakan ini timbul dari hasil reaksi pembakaran dalam
silinder kerja. Bagian komponen utama motor yang dinamis ini berlaku dalam
semua pesawat kerja.. Adapun bagian komponen utama motor bakar yang dinamis
yang mempengaruhi proses pembakaran ini antara lain :
1. Silinder
Silinder merupakan tempat terjadinya pembakaran pada motor bakar dalam (
internal combustion engine) .Pada silinder berlaku hukum Boyle dan hukum
Gay Lussac. Pada silinder, terjadi perubahan bentuk tenaga, yang semula
adalah tenaga kimia (pada bahan bakar), kemudian dirubah menjadi tenaga
8

Universitas Sumatera Utara

panas (pada saat proses pembakaran), yang akhirnya dirubah menjadi tenaga
mekanik (yaitu terjadinya putaran poros engkol).
Berlakunya hukum Boyle pada silinder, karena proses terjadi pada ruang
tertutup. Berdasarkan hukum Boyle, pada ruang tertutup, maka perkalian dari
tekanan dan volume adalah tetap, asalkan suhunya tetap. Sedangkan hukum
Gay Lussac berlaku pada kondisi terjadinya kenaikan suhu.
Pada motor letup (atau motor eksplosi) (misalnya motor bensin), pembakaran
terjadi pada waktu yang singkat. Suhu tinggi untuk memulai terjadinya
pembakaran tersebut dihasilkan dari elektroda busi. Sesuai dengan namanya,
motor letup atau motor letusan, dikarenakan pembakaran terjadi cepat sekali.
Pembakaran pada silinder ini terjadi pada saat torak berada di Titik Mati Atas
(TMA).
Ada istilah perbandingan kompresi (compression ratio), yaitu perbandingan
volume silinder pada saat torak berada pada Titik Mati Bawah (TMB)
terhadap volume silinder pada saat torak berada di TMA.
Pada motor bensin, fluida yang dikompresi (atau ditekan) pada silinder adalah
campuran bahan bakar dan udara. Pada motor diesel, yang masuk ke silinder

melalui saluran pemasukan (atau saluran hisap) adalah udara murni, jadi pada
motor diesel tersebut, yang ditekan (atau dikompresi) juga hanya udara murni.
Pada motor diesel, kompresi yang dilakukan pada silinder dilakukan agar
menghasilkan suhu yang cukup tinggi untuk memulai pembakaran. Proses
pembakaran pada silinder motor diesel terjadi setelah bahan bakar dimasukkan
(atau disemprotkan) ke dalam silinder (melalui nozzle).
Secara umum, tujuan kompresi adalah untuk mempertinggi rendemen panas
(thermal efficiency). Rendemen panas merupakan hasil bagi dari daya mekanis
yang dihasilkan pada silinder, dengan daya kimia yang terkandung pada bahan
bakar. Nilai compression ratio untuk motor diesel adalah 18 : 1, sedangkan
untuk motor bensin adalah 8 : 1. Perbandingan kompresi motor diesel pada
umumnya berkisar antara 12 dan 20 [21].
Pada motor diesel, tekanan pada silinder dapat mencapai 30 kg/cm2, dan
temperatur pada silinder dapat mencapai 550 oC (Arismunandar dan Tsuda,
1986).
9

Universitas Sumatera Utara

2. Torak

Torak bergerak naik turun didalam silinder untuk langkah hisap, kompressi,
pembakaran, dan pembuangan. Fungsi utama torak untuk menerima tekanan
pembakaran dan meneruskan tekanan untuk memutarkan poros engkol melalui
batang torak ( connetcting rod ). Torak terus menerus menerima temperature
dan tekanan yang tinggi sehingga hartus dapat tahan saat engine beroperasi
pada kecepatan tinggi untuk periode yang lama. Pada umumnya torak terbuat
dari paduan alumunium, selain lebih ringan radiasi panasnya juga lebih efisien
dibandingkan material lainya.
Pada saat torak menjadi panas akan terjadi sedikit pemuaian dan
mengakibatkan diameternya akan bertmbah. Hal ini menyabakan adanya gaya
gesek besar yang dapat merusak dinding silinder sehingga kinerja mesin
menjadi berkurang dan menyebabkan over heating. Untuk mencegah hal ini
pada engine harus ada semacam celah yaitu jarak yang tersedia untuk
temperatur ruang yaitu kurang lebih 25º antara torak dan silinder. Jarak ini
disebut piston clearance celah ini bervariasi dan ini tergantung dari model
mesinnya, dan pda umumnya antara 0,02-0,12 mm. Pegas torak mempunyai
peranan dalam proses pembakaran diantaranya adalah Mencegah kebocoran
campuran udara dan bahan bakar dan gas pembakaran yang melalui celah
antara torak dan dinding silinder.
3. Batang Torak ( Connecting Rod )

Batang torak ( connecting rood ) menghubungkan torak ke poros engkol dan
selanjutya meneruskan tenaga yang dihasilkan oleh torak ke pores engkol.
Bagian ujung batang torak yang berhubungan dengan pena torak sidebut small
rod. Sedang yang lainnya yang berhubungan dengan poros engkol disebut big
end. Crank pin berputar pada kecepatan tinggi didalam big end, dan
mengakibatkan temperature mejadi tinggi. Untuk menghindari hal tersebut
yang diakibatkan panas, metal dipasangkan didalam big end. Metal harus
dilumasi dengan oli dan sebagian dari oli dipercikan dari lubang oli kebagian
dalam torak untuk mendinginkan torak.

10

Universitas Sumatera Utara

4. Pena Torak (Piston Pin)
Pena torak menghubungkan torak dengan bagian ujung yang kecil (small end)
pada batang torak. Dan meneruskan tekanan pembakaran yang berlaku pada
batang torak. Pena torak berlubang didalamnya untuk mengurangi berat yang
berlebihan dan kedua ujung ditahan oleh bussing pena torak ( piston pin boss).
Pada kedua ujung pena ditahan oleh dua buah pegas pengunci 9 snap ring ).

Pada mesin dua langkah pena torak dilapisi bantalan yang berupa bearing.
5. Poros Engkol ( Crank Shaft )
Tenaga yang digunakan untuk menggerkan roda kendaraan dihasilkan oleh
gerakan batang torak dan dirubah menjadi gerak putar pada poros engkol.
Poros engkol menerima beban yang besar dari torak dan batang torak serta
berputar pda kecepatan tinggi. Dengan alasa tersebut poros engkol umumnya
dibuat dari baja carbon dengan tingkatan serta mempunyai daya tahan yag
tinggi.
6. Roda Penerus ( Fly Weel )
Roda penerus dibuat dari baja tuang denan mutu yang tinggi yan diikat oleh
baut pada bagian belakang poros engkol pada kendaraan yang menggunakan
transmisi manual. Poros engkol menerima tenaga putar ( rotational force ) dari
torak selama langkah usaha. Tapi tenaga itu hilang pada langkah-langkah
lainnya seperti, inertia loss, dan kehilangan akibat gesekan.
Roda penerus menyimpan tenaga putar ( inertia ) selama proses langkah
lainya kecuali langkah usaha oleh sebab itu poros engkol berputar secara
terus-menerus. Hal ini menyebabkan engine berputar dengan lembut
diakibatkan getaran tenaga yang dihasilkan.
7. Karburator (motor bensin)
Sistem karburasi mempunyai output yaitu terjadinya pencampuran bahan

bakar (bensin) dan udara dengan perbandingan tertentu. Pada pencampuran di
karburator tersebut, cairan dijadikan kabut, istilahnya dikabutkan, kemudian
kabut tersebut dicampur denggan udara.
Guna karburator adalah merubah bahan bakar cair menjadi kabut, memberikan
campuran bahan bakar ke dalam silinder, dan mencampur bahan bakar dan
udara dengan perbandingan tertentu.
11

Universitas Sumatera Utara

8. Pump Injection (pada motor disel)
Injection pump merupakan pompa tekan bahan bakar, yang merupakan suatu
sistem yang merubah bahan bakar cair menjadi kabut (pada nozzle) yang
ditekan oleh injection pump. Makin besar tekanannya maka makin halus
ukuran partikel bahan bakar yang dihasilkan.
Fungsi kompresi pada motor diesel adalah : menaikkan efisiensi panas
(thermal efficiency), dan menghasilkan suhu yang tinggi untuk memulai
pembakaran.
9. Sistem Pendingin (radiator)
Suhu yang dihasilkan pada silinder motor bakar oleh sistem penyalaan dapat
mencapai 1200 oC. Torak dan silinder terbuat dari logam. Jika panas cukup
tinggi, maka kekuatan logam berkurang, bahkan bisa meleleh. Utulah
sebabnya diperlukan sistem pendinginan pada motor bakar. Pendinginan
sebenarnya merugikan, sebab mengurangi rendemen panas. Namun demikian,
pendinginan harus ada, agar motor tidak rusak. Pendinginan juga berguna
untuk mencegah agar minyak pelumas pada motor bakar tidak terbakar.
Sistem pendinginan dipasang pada sepanjang selah torak pada silinder motor
bakar.

2.4

Performansi Motor Bakar Empat Langkah
Performansi dapat disebut juga sebagai unjuk kerja dari motor bakar

bensin. Ada beberapa hal yang mempengaruhi performa motor bakar, antara lain
besarnya perbandingan kompresi, tingkat homogenitas campuran bahan bakar
dengan udara, angka oktan bensin sebagai bahan bakar, tekanan udara masuk
ruang bakar. Semakin besar perbandingan udara motor akan semakin efisien, akan
tetapi semakin besar perbandingan kompresi akan menimbulkan knocking pada
motor yang berpotensi menurunkan daya motor, bahkan bisa menimbulkan
kerusakan serius pada komponen motor. Untuk mengatasi hal ini maka harus
dipergunakan bahan bakar yang memiliki angka oktan tinggi. Angka oktan pada
bahan bakar motor Otto menunjukkan kemampuannya menghindari terbakarnya
campuran udara bahan bakar sebelum waktunya (self ignition) yang menimbulkan
knocking tadi. Untuk memperbaiki kualitas campuran bahan bakar dengan udara
12

Universitas Sumatera Utara

maka aliran udara dibuat turbulen, sehingga diharapkan tingkat homogenitas
campuran akan lebih baik.

2.4.1

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.[7]
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:
τ roda = F x r..............................................................................................2.3
Dimana : τ roda = Torsi roda belakang (N.m)
F

= Gaya yang diberikan roda belakang (N)

r

= Jari-jari roda belakang (m)

13

Universitas Sumatera Utara

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.
…................................................................................... 2.5
Dimana : τmesin = Torsi mesin (Nm)
τroda

= Torsi roda belakang (Nm)

FR

= Final Ratio

2.4.2 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 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)
2.4.3 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
14

Universitas Sumatera Utara

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 (permax 92/aditif)–air maka massa jenis zat
tersebut dapat dicari dengan persamaan (2.8).

.............................................................................. 2.8
Dimana : ṁf

= Laju aliran bahan bakar (kg/jam)

Sgz = Rasio massa jenis zat
ρz

= Massa jenis zat (kg/m3)

ρf

= Massa jenis bahan bakar (kg/m3)

ρair

= Massa jenis air (kg/m3)

Vf

= Volume bahan bakar yang diuji (m3)

tf

= Waktu menghabiskan bahan bakar sebanyak volume uji (detik)

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 pertamax 92-campuran bahan bakar
ρa = Massa jenis zat aditif (kg/m3)
ρp = Massa jenis pertamax 92 (kg/m3)

Persamaan (2.10) dapat digunakan untuk menghitung besarnya konsumsi bahan
bakar spesifik.
................................................................................ 2.10

15

Universitas Sumatera Utara

Dimana : sfc = Konsumsi bahan bakar spesifik (g/kWh)
ṁf = Laju aliran massa bahan bakar (kg/jam)
Pb = Daya (Watt)

2.4.4 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
bahan bakar terlalu miskin (diatas 18:1), campuran tidak akan menyala yang
menyebabkan kondisi kegagalan penyalaan.[1] Persamaan (2.11) dapat digunakan
untuk menghitung rasio udara-bahan bakar.

̇

̇

........................................................................................ 2.11
Dimana : ̇ ṁ� = Laju Aliran Massa Udara (kg/jam)
�f = Laju aliran bahan bakar (kg/jam)

Persamaan (2.12-2.15) dapat digunakan untuk menghitung laju aliran massa
udara.
............................................................................... 2.12

........................................................................................ 2.13
16

Universitas Sumatera Utara

.................................................................................... 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

2.4.5 Emisi Gas Buang
Emisi gas buang adalah gas sisa pembakaran kendaraan yang dilepaskan
ke lingkungan. Efek yang ditimbulkan berbahaya jika terhirup oleh manusia dan
menimbulkan polusi udara. Umumnya senyawa berbahaya yang dilepaskan
kendaraan bermotor adalah karbon monoksida.
Karbon dan Oksigen dapat bergabung membentuk senyawa karbon
monoksida (CO) sebagai hasil pembakaran yang tidak sempurna dan karbon
dioksida (CO2) sebagai

hasil

pembakaran

sempurna.Karbon

monoksida

merupakan senyawa yang tidak berbau, tidak berasa dan pada suhu udara normal
berbentuk gas yang tidak berwarna. Gas ini akan dihasilkan bila karbon yang
terdapat dalam bahan bakar (kira–kira 85 % dari berat dan sisanya hidrogen)
terbakar tidak sempurna karena kekurangan oksigen. Hal ini terjadi bila campuran
udara bahan bakar lebih gemuk dari pada campuran stoikiometris, dan terjadi

17

Universitas Sumatera Utara

selama idling pada beban rendah atau pada output maksimum. Karbon monoksida
tidak dapat dihilangkan jika campuran udara bahan bakar berlebih.
Kendaraan bermotor memiliki ambang batas emisi gas buang guna
mengendalikan pelepasan senyawa berbahaya ke lingkungan. Pada Tabel 2.1 akan
ditunjukkan ambang batas emisi gas buang pada kendaraan bermotor. Kategori L
merupakan kendaraan bermotor roda 2 (dua), sedangkan kategori M, N, dan O
merupakan kendaraan bermotor roda 4 (empat) atau lebih.

2.4.6 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
ṁf

= Daya (Watt)
= Laju aliran bahan bakar (kg/jam)

LHV = Nilai kalor bawah bahan bakar (kJ/kg)

2.5

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
18

Universitas Sumatera Utara

teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan (2.19).[8]
.......................................................... 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
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).[9]
19

Universitas Sumatera Utara

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

2.6

Pertamax 92
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]
Untuk menentukan nilai kalor pertamax sendir dapat dicari melalui sifat
kimianya sebagai berikut :

20

Universitas Sumatera Utara

10 (C7H16) + 92 C10H24 + 1235 (0+3,7 N2)

790CO2 + 890 H2O + 4569,5 N2

Energi kalor setiap satu liter massa bensin Q heptana + Q oktana.
Q heptana = m.C.ΔT
= 75052,64 x 8/100
= 1434,07 Kkalori
Q oktana = m.C.ΔT
= 648267 x 92/100
= 142449 Kkalori
ΔT

= 1434,07 + 142449
= 143,88 Mkal

Pertamax92 untuk heptana 8 % dan otana 92 % melalui persamaan ( m C
ΔT ) diperloleh untuk Q heptana 1434,07 Kkal dan Q oktana diperoleh 142449
Kkal. Dan untuk kalor jenis ΔQ didapat 143,88 Mkal.
Pertamax92 % Oktana :
Cpertamax = 92/100 (46,7 Mj/kg) Nilai kalor yang dihasilkan sesuai dari literature [22]
Cpertamax = 42,96 mj/kg (Untuk nilai HHV)

C

= 92/100 (42,5 mj/kg)

C

= 39,1 Mj/kg (Untuk nilai LHV)

Berdasarkan keputusan Dirjen Migas No.313.K/10/DJM.T/2013 standar
mutu bahan bakar pertamax dapat dilihat pada tabel 2.1.[12]

21

Universitas Sumatera Utara

Tabel 2.1 Standar dan Mutu (Spesifikasi) Bahan Bakar Jenis Bensin 92
(Pertamax)

Pertamax 92 dengan rumus molekul C10H24 membuat pembakaran pada
mesin kendaraan dengan teknologi terkini lebih baik dibandingkan dengan
premium yang memiliki RON 88.
Keunggulan pertamax 92 adalah:
22

Universitas Sumatera Utara

1. Durability, pertamax 92 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 92
lebih sesuai dengan perbandingan kompresi kebanyakan kendaraan bermotor
yang beredar di Indonesia.
2. Fuel Economy, kesesuaian oktan 92 Pertamax 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 Pertamax 92 dan aditif yang
dikandungnya dengan spesifikasi mesin akan menghasilkan performa mesin
yang jauh lebih baik dibandingkan ketika menggunakan oktan 88 ataupun 90.
Hasilnya adalah torsi mesin lebih tinggi dan kecepatan meningkat.[13]

2.7

Zat Aditif
Aditif adalah suatu senyawa yang ditambahkan kedalam suatu senyawa

yang ditambahkan kedalam senyawa lain. 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]

2.7.1 Jenis-Jenis Zat 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
23

Universitas Sumatera Utara

2.7.2

Manfaat Zat 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.

2.7.3

Manfaat Zat 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

24

Universitas Sumatera Utara

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

2.7.4

Manfaat Zat Aditif pada Fungsi Bahan Bakar
Zat aditif ditambahkan pada bahan bakar mesin motor bakar yang

bertujuan untuk meningkatkan kualitas bahan bakar[16], 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.

25

Universitas Sumatera Utara

2.7.5

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 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.[10]
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.[17]
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
26

Universitas Sumatera Utara

mempunyai dampak negatif pada kesehatan antara lain akan menyebabkan
timbulnya berbagai macam jenis gangguan kesehatan.[18]

2.8

Kapur Barus
Kapur barus atau naftalena adalah hidrokarbon kristalin aromatik

berbentuk padatan berwarna putih dengan rumus molekul C10H8 dan berbentuk
dua cincin benzena yang bersatu. Senyawa ini bersifat volatil, mudah menguap
walau dalam bentuk padatan. Uap yang dihasilkan bersifat mudah terbakar.
Naftalena paling banyak dihasilkan dari destilasi tar batu bara, dan sedikit dari
sisa fraksionasi minyak bumi. Senyawa ini bersifat volatil, mudah menguap walau
dalam bentuk padatan. Uap yang dihasilkan bersifat mudah terbakar. Naftalena
paling banyak dihasilkan dari destilasi tar batu bara, dan sedikit dari sisa
fraksionasi minyak bumi. Naftalena merupakan suatu bahan keras yang putih
dengan bau tersendiri, dan ditemui secara alami dalam bahan bakar fosil seperti
batu bara dan minyak.[19]

2.8.1 Sejarah Kapur Barus
Kapur

barus

dahulu

kala

dibuat

dari

potongan

kayu

batang

pohon Cinnamomum camphora yang banyak tumbuh di kawasan Barus. Dimana
potongan-potongan kecil kayu ini direbus dan melalui proses penyulingan dan
penghabluran diperoleh kristal kamfer sebagai bahan baku untuk diproses di
pabrik. Jadi tidak mengherankan kalau akhirnya kamfer ini dalam bahasa
Melayu dinamakan ’kapur barus’. Istilah camphor pun sebetulnya juga berasal
dari bahasa Sanskerta karpoor atau bahasa Arab kafur yang dalam bahasa kita
diserap menjadi ’kapur’. Sejak abad ke 9 Kota Barus terkenal sebagai penghasil
bahan baku kamfer, bahkan hingga semua saudagar dari seluruh penjuru dunia
berlayar ke Barus untuk membeli kayu penghasil kamfer ini. Cladius Prolomeus,
seorang gubernur kerajaan yunani yang berpusat di Iskandariyah Mesir, membuat
sebuah peta dan menyebutkan bahwa di pesisir barat Sumatera ada barousai yang
dikenal sebagai penghasil wewangian dari kapur.

27

Universitas Sumatera Utara

2.8.2 Sumber Kapur Barus
Perlu diketahui bahwa pohon Kamfer (Cinnamomum camphora) termasuk
dalam suku Lauraceae selain dari kayu manis (Cinnamomu iners). Tumbuhan ini
dapat tumbuh di dataran tinggi, pegunungan, dengan ciri-cirinya sebagai berikut :
1. memiliki bau khas kulit manis
2. berkelamin ganda (diaceous)
3. pohon, tinggi lebih dri 40 meter
4. kulit batang coklat, dan memiliki retakan vertical
5. bunga majemuk berwarna kuning agak putih
6. buah hijau, setelah tua menjadi biru
Tumbuhan ini mengandung zat naftalena yang merupakan salah satu
senyawa aromatik. Dimana sebutir kapur barus biasanya mengandung 250-500
mg naphthalene.

Gambar 2.4 Pohon Kapur

Selain tumbuhan Cinnamomum campora pohon kapur atau Dryobalanops
aromatica merupakan salah satu tanaman penghasil kapur barus atau kamper.
Kapur barus dari pohon Kapur ini telah menjadi komoditi perdagangan
internasional sejak abad ke-7 Masehi. Untuk mendapatkan kristal kapur barus dari
Pohon Kapur dimulai dengan memilih, menebang, dan memotong-motong batang
pohon Kapur (Dryobalanops aromatica). Potongan-potongan batang pohon Kapur
kemudian dibelah untuk menemukan kristal-kristal kapur barus yang terdapat di
dalam batangnya.[20]
28

Universitas Sumatera Utara

2.8.3 Kapur Barus sebagai Zat Adiktif untuk Meningkatkan Angka Oktan
Kapur barus (naftalena) adalah salah satu komponen yang termasuk
benzena aromatik hidrokarbon, tetapi tidak termasuk polisiklik. Naftalena
memiliki kemiripan sifat yang memungkinkannya menjadi aditif bensin untuk
meningkatkan angka oktan. Sifat-sifat tersebut antara lain: sifat pembakaran yang
baik, mudah menguap sehingga tidak meninggalkan getah padat pada bagianbagian mesin. Penggunaan Naftalena sebagai aditif memang belum terkenal
karena masih dalam tahap penelitian. Sampai saat ini memang belum diketahui
akibat buruk penggunaan naftalena terhadap lingkungan dan kesehatan, namun ia
relatif aman untuk digunakan. Satu molekul napthalena merupakan perpaduan dari
sepasang cincin benzena. Naftalena merupakan salah satu jenis hidrokarbon
polisiklik aromatik .
Naftalena digunakan sebagai reaksi intermediet dari berbagai reaksi kimia
industri, seperti reaksi sulfonasi, polimerisasi, dan neutralisasi. Selain itu,
naftalena juga berfungsi sebagai fumigan (kamper, dsb), surfaktan, dan
sebagainya.[19]

29

Universitas Sumatera Utara