Pengaruh Penggunaan Blower Elektrik Sebagai Supercharger Terhadap Performansi Mesin Otto Berkapasitas 100 Cc Dengan Campuran Bahan Bakar Pertalite Dan Etanol 10%”
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Supercharger
Supercharger (juga dikenal dengan blower), adalah sebuah kompresor gas
digunakan untuk memompa udara ke silinder mesin pembakaran dalam. Massa
oksigen tambahan yang dipaksa masuk ke silinder membuat mesin membakar
lebih banyak bahan bakar, dan meningkatkan efisiensi volumetrik mesin dan
membuatnya lebih bertenaga
Supercharger mesin pertama dunia yang bisa digunakan dan diuji diciptakan
oleh Dugald Clerk, dimana dia menggunakannya pertama kali pada mesin 2-tak
pada tahun 1878. Sebuah supercharger memampatkan asupan udara untuk
tekanan atmosfer yang meningkatkan densitas saluran udara masuk ke ruang
bakar. Daya dihasilkan ketika campuran udara dan bahan bakar dibakar di dalam
sebuah silinder mesin. Jika udara dipaksa lebih banyak ke dalam silinder, maka
bahan bakar akan lebih banyak yang akan terbakar.
Supercharger fungsional pertama digunakan oleh insinyur Jerman Gottlieb
Daimler, yang menerima paten untuk memasang supercharger pada pembakaran
internal mesin pada 1885. Louis Renault mematenkan sentrifugal supercharger di
Perancis pada tahun 1902. Sebuah mobil balap “supercharged” pertama oleh Lee
Chadwick dari Pennsylvania pada tahun 1908, yang dilaporkan, mencapai
kecepatan 100 mil per jam (160 km / jam).
Supercharger
adalah alat yang memaksa udara kedalam silinder dan
menciptakan tekanan atmosfir yaitu 1 bar untuk meningkatkan output
mesin.Ketika katup buang terbuka, piston mendorong gas buang keluar ke dalam
sistem knalpot, pada tekanan atmosfer normal. Semua sistem ini berada pada
tekanan udara yang sama. Pada mesin tersebut, timing katup, timing camshaft &
ukuran knalpot sangat penting untuk mendapatkan output daya yang
maksimum.Umumnya output mesin ditentukan oleh jumlah campuran bahan
bakar,dibakar selama waktu yang ditentukan dan bertambar besar seiring
bertambahnya campuran udara bahan bakar.itu artinya untuk meningkatkan output
7
Universitas Sumatera Utara
volume langkah mesin harus ditingkatkan.Masalahnya dengan menambah volume
langkah mesin,berat juga bertambah sedangkan factor-fakator seperti hilangnya
friksi,vibrasi dan suara bagian yang membatasi peningkatan taran mesin.
Supercharger memnuhi persyaratan yang merupakan merupakan kebalikan
dari output mesin,sementara menjaga agar bentuknya sederhana dan ringan
dengan menyuplai volume udara da bahan bakar lebih banyak tanpa mengubah
ukuran mesin.Turbocharger dikendalikan gas buangan dan supercharger
dikendalikan mesin.
Supercharger
membutuhkan
sumber
putaran
untuk
menggerakan
komponennya, sumber putarannya biasanya diambil dari tenaga mesin dan ada
juga dari baterai (supercharger elecktric), sehingga hal ini akan mengurangi
performansi mesin. Namun semua itu akan tertutupi oleh daya yang dihasilkan
setelah penggunaan alat ini. Keunggulan dari supercharger ini, efek peningkatan
performansi mesin terasa lebih spontan dibanding penggunaan turbocharger,
dimana mulai dari putaran rendah sudah terjadi kenaikkan tenaga. Tidak seperti
halnya pada penggunaan turbocharger, dimana efek penambahan performansi
mesin akan dirasakan pada saat rpm 2500 ke atas, sehingga akan terasa kurang
pada hal akselerasi pada rpm rendah, ditambah dengan tenaga yang digunakan
untuk memutar turbin berasal dari gas buang pembakaran, sehingga akan
menghambat pelepasan kalor dari ruang bakar.
Gambar 2.1 Supercharger
8
Universitas Sumatera Utara
2.1.1 Blower Elektrik
Mengantisipasi regulasi yang harus dijalankan negara-negara dunia pada
tahun 2012, yaitu tentang emisi gas buang yang makin ketat. Di samping itu, juga
memenuhi keinginan konsumen secara umum di seluruh dunia, yaitu kendaraan
yang irit konsumsi bahan bakar, sekaligus ramah lingkungan. Di ndonesia sendiri
penggunaan electric supercharger sudah ada penggunaanya sejak tahun 1990.
Tujuan utama penggunaan supercharger ini adalah untuk mesin berkapasitas kecil
agar tidak terlalu mempengaruhi performa mesin, Supercharger ini biayanya lebih
murah dibandingkan dengan versi mekanis atau yang diputar oleh mesin (drive
belt). Pemasangannya pun dinilai lebih gampang karena tak banyak lagi
modifikasi.
Turbocharger yang digerakan oleh gas buang ernergi ynag diperoleh secara
gratis tetapi penggunaan turbocharger tersebut hanya lancer pada putaran sedangtingga (diatas 2.500 rpm) pada puran rendah tekanan gas buang masih rendah
akibatnya, mesin kurang kurang responsive paada putaran rendah. Sedangkan
Electric supercharger ini menggunakan daya yang berasal dari energi listrik yang
bisa diperoleh dari baterai pada kendaraan, sehingga penggunaan daya dapat
langsung dipakai pada mesin saat putaran rendah,Hasilnya konsumsi bahan bakar
menjadi irit dan juga nayaman untuk dikendarai nuntuk kegiatan sehari-hari
2.2
Mesin Otto
Nikolaus August Otto (14 Juni 1832 – 28 Januari 1891) ialah penemu
mesin pembakaran dalam asal Jerman. Sebagai lelaki muda ia mulai percobaan
dengan mesin gas dan pada 1864 ikut serta dengan 2 kawan untuk membentuk
perusahaannya sendiri. Perusahaan itu dinamai N. A. Otto & Cie., yang
merupakan perusahaan pertama yang menghasilkan mesin pembakaran dalam.
Perusahaan ini masih ada sampai kini dengan nama Deutz AG.
Mesin atmosfer pertamanya selesai pada Mei 1867. 5 tahun kemudian ia disusul
oleh Gottlieb Daimler dan Wilhelm Maybach dan bersama mereka ciptakan
gagasan putaran empat tak atau putaran Otto.
9
Universitas Sumatera Utara
Pertama kali dibuat pada 1876, tak itu merupakan gerakan naik atau turun
pada piston silinder. Paten Otto dibuat tak berlaku pada 1886 saat ditemukan
bahwa penemu lain, Alphonse Beau de Rochas, telah membuat asas putaran 4 tak
dalam selebaran yang diterbitkan sendirian. Menurut studi sejarah terkini, penemu
Italia Eugenio Barsanti dan Felice Matteucci mempatenkan versi efisien karya
pertama dari mesin pembakaran dalam pada 1854 di London (nomor paten 1072).
Mesin Otto dalam banyak hal paling tidak diilhami dari penemuan itu.
2.3
Prinsip Kerja Mesin Otto 4 tak
Disebut mesin empat langkah atau empat tak karena Motor bakar empat
langkah adalah mesin pembakaran dalam, yang dalam satu kali siklus pembakaran
akan mengalami empat langkah piston. Sekarang ini, mesin pembakaran dalam
pada mobil, sepeda motor, truk, pesawat terbang, kapal, alat berat dan sebagainya,
umumnya menggunakan siklus empat langkah. Empat langkah tersebut meliputi
langkah hisap (pemasukan), kompresi, tenaga dan langkah buang. Yang secara
keseluruhan memerlukan dua putaran poros engkol (crankshaft) per satu siklus
pada mesin bensin atau mesin diesel.Gambar dibawah merupakan prinsip cara
kemesin otto 4tak
(a)
(b )
( c)
(d)
Gambar 2. 2 Prinsip kerja mesin otto 4 langkah
10
Universitas Sumatera Utara
1. Langkah pertama
Piston bergerak dari TMA ke TMB, posisi katup masuk terbuka dan katup
keluar tertutup, mengakibatkan udara (mesin diesel) atau gas (sebagian besar
mesin bensin) terhisap masuk ke dalam ruang bakar. Proses udara atau gas
sebelum masuk ke ruang bakar dapat dilihat pada sistem pemasukan.
2. Langkah kedua
Piston bergerak dari TMB ke TMA, posisi katup masuk dan keluar
tertutup, mengakibatkan udara atau bakar terkompresi. gas dalam ruang
Beberapa saat sebelum piston sampai pada posisi TMA, waktu penyalaan
(timing ignition) terjadi (pada mesin bensin berupa nyala busi sedangkan
pada mesin diesel berupa semprotan (suntikan) bahan bakar).
3. Langkah ketiga
Gas yang terbakar dalam ruang bakar akan meningkatkan tekanan dalam
ruang bakar, mengakibatkan piston terdorong dari TMA ke TMB. Langkah ini
adalah proses yang akan menghasilkan tenaga.
4. Langkah keempat
Piston bergerak dari TMB ke TMA, posisi katup masuk tertutup dan katup
keluar terbuka, mendorong sisa gas pembakaran menuju ke katup keluar yang
sedang terbuka untuk diteruskan ke lubang pembuangan.
Pada ujung langkah ini, piston berada pada posisi TMB untuk
menyelesaikan siklus yang pertama (mesin satu siklus), sehingga isi silindernya
berupa sisa pembakaran. Piston bergerak kembali ke atas membersihkan gas
buang melalui katup buang (langkah pembuangan), kemudian piston turun
kembali ke bawah mengambil campuran udara-bahan bakar yang baru melalui
katup hisap (langkah hisap). Sebagai catatan bahwa tekanan dalam silinder di atas
tekanan lingkungan saat langkah buang dan berada di bawah tekanan lingkungan
saat langkah hisap. Analisis termodinamika untuk kondisi aktual tersebut dapat
disederhanakan bila digunakan asumsi udara-standar yang berlaku sebagai gasideal. Karenaitu, siklus untuk kondisi aktual dimodifikasi menjadi sistem tertutup
yang disebut sebagai siklus Otto ideal.
11
Universitas Sumatera Utara
Siklus otto merupakan siklus ideal untuk mesin torak dengan pengapian
nyala bunga api. Pada mesin pembakaran dengan sistem pengapian nyala api,
campuran bahan bakar dan udara dibakar dengan menggunakan percikan bunga
api dari busi. Piston bergerak dalam empat langkah ( disebut juga mesin dua
siklus) dalam silinder. Skema berikut memperlihatkan setiap langkah piston dan
pernyataan prosesnya pada diagram P-v dan T-s untuk kondisi aktual mesin
pengapian empat langkah.
Gambar 2. 3 Diagram P-v dan T-s Mesin otto 4 langkah
Siklus Otto ideal terdiri dari empat proses reversibel internal, yaitu proses 1-2
kompresi isentropik, proses 2-3 penambahan kalor pada volume tetap, proses 3-4
ekspansi isentropik, dan proses 4-1 pelepasan kalor pada volume tetap. Karena
siklus Otto ideal ini merupakan sistem tertutup, maka ada beberapa asumsi yang
digunakan yaitu (1) mengabaikan perubahan energi kinetik dan potensial, dan (2)
tidak ada kerja yang timbul selama proses perpindahan kalor.
Efisiensi termal siklus Otto ideal ini tergantung dari besarnya rasio
kompresi mesin dan rasio kalor spesifik dari fluida kerjanya. Efisiensi siklus
akan naik bila rasio kompresi semakin besar. Berikut siklus motor otto empat
langkah secara singkat :
12
Universitas Sumatera Utara
a) Langkah Hisap
•
Piston bergerak dari TMA ke TMB
•
Katup hisap terbuka dan katup buang tertutup
•
Terjadi kevakuman dalam silinder, yang menyebabkan campuran udara
dan bahan bakar masuk ke dalam silinder
b) Langkah Kompresi
•
Piston bergerak dari TMB ke TMA
•
Katup hisap tertutup dan katup buang tertutup
•
Pada akhir langkah kompresi busi memercikkan bunga api
c) Langkah Usaha
•
Piston bergerak dari TMA ke TMB
•
Katup hisap tertutup dan katup buang tertutup
•
Hasil pembakaran menekan piston
d) Langkah buang
•
Piston bergerak dari TMB ke TMA
•
Katup hisap tertutup
•
Katup buang terbuka
•
Piston mendorong gas sisa pembakaran keluar
2.4
Performansi Motor Bakar
Bagian ini membahas tentang performansi mesin pembakaran dalam.
Parameter mekanik yang termasuk dalam subbab ini adalah torsi, daya,
perbandingan udara bahan bakar, konsumsi bahan bakar spesifik dan effisiensi
dari pembakaran di dalam mesin.
Perfonmansi motor bakar dipengaruhi oleh berbagai hal, diantaranya
perbandingan kompresi, homogenitas campuran bahan bakar dengan udara, angka
oktan bahan bakar serta tekanan udara masuk kedalam ruang bakar. Apabila
perbandingan udara pada ruang bakar semakin besar, maka efisiensi motor bakar
13
Universitas Sumatera Utara
tersebut akan semakin tinggi akan tetapi dapat menimbulkan knocking pada motor
yang menimbulkan berkurangnya daya pada motor tersebut. Untuk mengatasi
masalah ini bisa diimbangi dengan meningkatkan angka oktan bahan bakar yang
dingunakan, akan tetapi perlu diketahui, apabila angka oktannya terlalu tinggi,
maka performansi motor tersebut juga tidak maksimal.
2.4.1 Nilai Kalor Bahan Bakar
Reaksi kimia antara bahan bakar dengan oksigen dari udara menghasilkan
panas. Besarnya panas yang ditimbulkan jika satu satuan bahan bakar dibakar
sempurna disebut nilai kalor bahan bakar (Calorific Value, CV). Bedasarkan
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 (High Heating Value,HHV), merupakan nilai kalor yang
diperoleh secara eksperimen dengan menggunakan kalorimeter dimana hasil
pembakaran bahan bakar didinginkan sampai suhu kamar sehingga sebagian besar
uap air yang terbentuk dari pembakaran hidrogen mengembun dan melepaskan
panas latennya. Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung
dengan perhitungan sebagi berikut:
V = ( 2– 1 – kp)
v ....................................................................... (2.1)
Dimana:
HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
T1 = Temperatur air pendingin sebelum penyalaan (0C)
T2 = Temperatur air pendingin sesudah penyalaan (0C)
Tkp = Kenaikan temperatur akibat kawat penyala (0,05 0C)
Cv = Panas jenis bom kalorimeter (KJ/Kg0C)
14
Universitas Sumatera Utara
Nilai kalor bawah (low Heating Value, LHV), merupakan nilai kalor bahan bakar
tanpa panas laten yang berasal dari pengembunan uap air. Umumnya kandungan
hidrogen dalam bahan bakar cair berkisar 15 % yang berarti setiap satu satuan
bahan bakar, 0,15 bagian merupakan hidrogen. Pada proses pembakaran
sempurna, air yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar adalah setengah dari
jumlah hidrogennya.
Selain berasal dari pembakaran hidrogen, uap air yang terbentuk pada proses
pembakaran dapat pula berasal dari kandungan air yang memang sudah ada
didalam bahan bakar (moisture). Panas laten pengkondensasian uap air pada
tekanan parsial 20 kN/m2 (tekanan yang umum timbul pada gas buang) adalah
sebesar 2400 kJ/kg, sehingga besarnya nilai kalor bawah (LHV) yang di dapat
darihasil pengujian bom kalormeter :
�HV = HV – 2400 (15% + 9H2)………………............................... (2.2)
Dimana:
LHV = Nilai Kalor Bawah (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. Peraturan
pengujian berdasarkan ASME (American of Mechanical Enggineers) menentukan
penggunaan nilai kalor atas (HHV), sedangkan peraturan SAE (Society of
Automotive Engineers) menentukan penggunaan nilai kalor bawah (LHV).
2.4.2 Torsi
Torsi adalah perkalian antara gaya dengan jarak. Selama proses usaha maka
tekanan-tekanan yang terjadi di dalam silinder motor menimbulkan suatu gaya
yang luar biasa kuatnya pada torak. Untuk mengetahui besarnya torsi digunakan
alat dynamometer. Biasanya motor pembakaran ini dihubungkan dengan
dynamometer dengan maksud mendapatkan keluaran dari motor pembakaran
15
Universitas Sumatera Utara
dengan
cara
menghubungkan
poros
motor
pembakaran
dengan
poros
dynamometer dengan menggunakan kopling elastik.
Pada percobaan ini, alat yang digunakan untuk mengukur torsi motor adalah
dengan timbangan pegas. Dimana timbangan pegas ini diikat pada roda belakang
sepeda motor yang akan diuji nantinya. Maka didapat torsi pada roda dari hasil
pembacaan pada timbangan pegas dengan menggunakan persamaan :
N
=
......................................................................................... (2.3)
Troda = F x r .............................................................................................. (2.4)
Dimana :
F
= Gaya (N)
G =Percepatangravitasi (9,86m/s2)
m = Massa (Kg)
Troda= Torsi pada roda (Nm)
= Jari – jari roda (m)
r
Dengan rumus diatas akan didapat torsi pada roda, sedangkan torsi pada motor
dapat dihitung dengan membagikan torsi pada roda terhadap perbandingan rasio
(final rasio), adapun perbandingan rasio dapat diketahui dengan rumus berikut :
final rasio = Perbandingan rasio antara transmisi dengan poros engkol x perbandingan
putaran roda dan putarn mesin
(45/12) X 2500/1000) = 9,375 .................................................................... (2.5)
Jadi torsi mesin dapat diketahui dengan rumus berikut :
(2.6)
Dimana :
Tmesin
= torsi pada mesin (Nm)
16
Universitas Sumatera Utara
Sedangkan untuk percobaan dengan menggunakan blower, maka torsi pada mesin
yang telah didapat akan dikurangkan lagi dengan torsi yang digunakan oleh
blower, sehingga rumus menjadi :
Tmesin =
�
�
�
�
.............................................................................................. (2.7)
Dimana :
Tblower = Torsi pada blower (Nm)
Adapun rumus untuk mencari Tblower adalah sebagai berikut :
Tblower =
�
�
�
−�
�
�
............................................................................. (2.8)
Dimana :
PB = Daya blower (W)
n = Putaran blower (rpm)
2.4.3 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,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 :
PB =
Dimana :
�.
6
T ............................................................................................... (2.9)
PB = Daya mesin ( W )
n = putaran mesin ( rpm )
17
Universitas Sumatera Utara
2.4.4 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)
Konsumsi bahan bakar spesifik merupakan salah satu parameter prestasi
mesin yang penting di dalam suatu motor bakar. Parameter ini biasa dipakai
sebagai ukuran ekonomi pemakaian bahan bakar yang terpakai per-jam untuk
setiap daya yang dihasilkan. Adapun persamaan yang digunakan adalah sebagai
berikut :
SFC =
ṁf =
ṁ
.
��
.
.
3
3
.................................................................................................. (2.10)
x 3600........................................................................................ (2.11)
Dimana :
SFC = Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (Kg/kW.h)
PB = Daya (W)
̇f = Laju aliran bahan bakar (gr/jam)
t
= Waktu (jam)
2.4.5 Efisiensi Thermal
Efisiensi thermal merupakan perbandingan antara daya keluaran aktual
terhadap laju panas rata-rata yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar.
Kinerja yang dihasilkan motor 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 thermal brake (thermal efficiency, ηb). Jika daya keluaran (PB)
dalam satuan W, laju aliran bahan bakar (mf) dalam satuan kg/jam, maka:
ηb =
� �.
−3
.���
x 3600...................................................................................... (2.12)
Dimana :
ηb
: Efisiensi Thermal Brake
LHV : Nilai Kalor Bahan Bakar (Kj/Kg)
18
Universitas Sumatera Utara
2.4.6 Rasio Udara - Bahan Bakar (AFR)
Energi yang masuk kedalam sebuah mesin berasal dari pembakaran bahan
bakar hidrokarbon. Udara digunakan untuk menyuplai oksigen yang dibutuhkan
untuk mendapatkan reaksi kimia didalam ruang bakar. Agar terjadi reaksi
pembakaran, jumlah oksigen dan bahan bakar yang masuk ke ruang bakar harus
tepat.
Adapun perbandingan udara dan bahan bakar tersebut dapat dirumuskan sebagai
berikut:
�
AFR =
=
ṁ�
ṁ
............................................................................................ (2.13)
Dimana:
ma = massa udara di dalam silinder per siklus (Kg/cyl-cycle)
mf = massa bahan bakar di dalam silinder per siklus (Kg/cyl-cycle)
̇a = laju aliran udara didalam ruang bakar (Kg/jam)
̇f = laju aliran bahan bakar didalam ruang bakar (Kg/jam)
Untuk menghitung laju aliran udara didalam ruang bakar, digunakan persamaan
berikut :
�=
�
�=
�� � + �
�.��
Vd =
Vc =
�
.
.
6
6
�
�
)............................................................................ (2.14)
................................................................................................. (2.15)
................................................................................................... (2.16)
− 1 ................................................................................................... (2.17)
Dimana :
Pi = tekanan udara masuk ruang bakar (kpa)
19
Universitas Sumatera Utara
Vd = Volume langkah (m3)
Vc = Volume sisa (m3)
R = Konstanta udara
Ti = Temperatur udara masuk ruang bakar (K)
B = Bore (m)
S = Stroke (m)
rc = Rasio Kompresi
2.4.7 Efisiensi Volumetris
Efisiensi volumetris ηV merupakan volume campuran udara-bahan bakar
yang masuk ke dalam silinder. Campuran udara-bahan bakar yang memasuki
silinder ketika langkah isap inilah yang akan menghasilkan daya. Efisiensi
volumetris ηV mengindikasikan jumlah campuran udara-bahan bakar relatif
terhadap tekanan udara atmosfer.
ɳv =
ρ =
�
� .
��
� .��
................................................................................................... (18)
.................................................................................................... (19)
Dimana :
ɳv =Efisiensi Volumetris
ρ = Density udara (Kg/m3)
2.5
Emisi Gas Buang
Emisi gas buang adalah sisa hasil pembakaran bahan bakar di dalam mesin
pembakaran dalam, mesin pembakaran luar, mesin jet yang dikeluarkan melalui
sistem pembuangan mesin.Sisa hasil pembakaran berupa air (H2O), gas CO atau
disebut juga karbon monooksida yang beracun, CO2 atau disebut juga karbon
dioksida yang merupakan gas rumah kaca, NOx senyawa nitrogen oksida, HC
berupa senyawa Hidrat arang sebagai akibat ketidak sempurnaan proses
pembakaran serta partikel lepas. Polutan dibedakan menjadi polutan primer atau
20
Universitas Sumatera Utara
sekunder. Polutan primer seperti nitrogen oksida (NOX) dan hidrokarbon (HC)
langsung dibuangkan ke udara bebas dan mempertahankan bentuknya seperti pada
saat pembuangan. Polutan sekunder seperti ozon (O3) dan peroksiasetil nitrat
(PAN) adalah polutan yang terbentuk di atmosfer melalui reaksi fotokimia,
hidrolisis atau oksidasi.
2.5.1 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, karbonat, nitrogen oksida,
ozon dan lainnya.
2.5.2 Bahan Penyusun
Polutan dibedakan menjadi partikulat atau gas. Partikulat dibagi menjadi
padatan dan cairan seperti ; debu, asap, abu, kabut dan spray, partikulat dapat
bertahan di atmosfer. Sedangkan polutan berupa gas tidak bertahan di atmosfer
dan bercampur dengan udara bebas. Bahan pencemar (polutan) yang berasal dari
mesin
otto
diklasifikasikan
menjadi
beberapa
yaitu
partikulat,unburned
hydrocarbon (UHC),karbon monoksida (C0),oksigen (O2 ) dan hidrokarbon (HC).
2.6 Sistem Bahan Bakar Ijeksi (EFI)
2.6.1 Perkembangan Sistem Bahan Bakar Injeksi
Sistem bahan bakar tipe injeksi merupakan langkah inovasi yang sedang
dikembangkan untuk diterapkan pada sepeda motor. Tipe injeksi sebenarnya
sudah mulai diterapkan pada sepeda motor dalam jumlah terbatas pada tahun
1980-an, dimulai dari sistem injeksi mekanis kemudian berkembang menjadi
sistem injeksi elektronis.
Injeksi bahan bakar adalah sebuah teknologi yang digunakan dalam mesin
pembakaran dalam untuk mencampur bahan bakar dengan udara sebelum dibakar.
21
Universitas Sumatera Utara
Penggunaan injeksi bahan bakar akan meningkatkan tenaga mesin bila
dibandingkan dengan penggunaan karburator, karena injektor membuat bahan
bakar tercampur secara homogen. Hal ini, menjadikan injeksi bahan bakar dapat
mengontrol pencampuran bahan bakar dan udara yang lebih tepat, baik dalam
proporsi dan keseragaman.
Injeksi bahan bakar dapat berupa mekanikal, elektronik atau campuran dari
keduanya. Sistem awal berupa mekanikal, namun sekitar tahun 1980-an mulai
banyak menggunakan sistem elektronik. Sistem elektronik modern menggunakan
banyak sensor untuk memonitor kondisi mesin, dan sebuah unit kontrol elektronik
menghitung jumlah bahan bakar yang diperlukan. Oleh karena itu, injeksi bahan
bakar dapat meningkatkan efisiensi bahan bakar dan mengurangi polusi, dan juga
memberikan tenaga keluaran yang lebih.
2.6.2 Prinsip Kerja Sistem EFI
Sistem bahan bakar injeksi atau yang kita kenal dengan EFI, yaitu suatu
sistem yang penyaluran bahan bakarnya menggunakan pompa pada tekanan
tertentu. Pada mesin EFI umumnya proses penginjeksian bahan bakar ada di
bagian ujung intake manifold atau saluran masuk sebelum katup masuk. Sehingga
ketika katup masuk membuka pada langkah hisap, udara yang masuk ke ruang
bakar sudah bercampur dengan bensin.
2.6.3 Dasar Sistem EFI
Secara umum, sistem EFI dapat dibagi menjadi tiga bagian/sistem utama,
yaitu; a) sistem bahan bakar (fuel system), b) sistem kontrol elektronik (electronic
control system), dan c) sistem induksi/pemasukan udara (air induction system).
Ketiga sistem utama ini akan dibahas satu persatu di bawah ini. Jumlah
komponen-komponen yang terdapat pada sistem EFI bisa berbeda pada setiap
jenis sepeda mesin. Semakin lengkap komponen sistem EFI yang digunakan, tentu
kerja sistem EFI akan lebih baik sehingga bisa menghasilkan unjuk kerja mesin
yang lebih optimal pula.
22
Universitas Sumatera Utara
2.7
Sejarah Penggunaan Alkohol Sebagai Bahan Bakar Alternatif
(Bio) Etanol telah digunakan manusia sejak zaman prasejarah sebagai bahan
pemabuk dalam minuman beralkohol. Residu yang ditemukan pada peninggalan
keramik yang berumur 9000 tahun dari China bagian utara menunjukkan bahwa
minuman beralkohol telah digunakan oleh manusia prasejarah dari masa Neolitik.
Campuran dari (Bio) etanol yang mendekati kemrunian untuk pertama kali
ditemukan oleh Kimiawan Muslim yang mengembangkan proses distilasi pada
masa Kalifah Abbasid dengan peneliti yang terkenal waktu itu adalah Jabir ibn
Hayyan (Geber), Al-Kindi (Alkindus) dan al-Razi (Rhazes). Catatan yang disusun
oleh Jabir ibn Hayyan (721-815) menyebutkan bahwa uap dari wine yang
mendidih mudah terbakar. Al-Kindi (801-873) dengan tegas menjelaskan tentang
proses distilasi wine. Sedangkan (Bio) etanol absolut didapatkan pada tahun 1796
oleh Johann Tobias Lowitz, dengan menggunakan distilasi saringan arang.
Antoine Lavoisier menggambarkan bahwa (Bio) etanol adalah senyawa
yang terbentuk dari karbon, hidrogen dan oksigen. Pada tahun 1808 Nicolas
Théodore de Saussure dapat menentukan rumus kimia etanol. Limapuluh tahun
kemudian (1858), Archibald Scott Couper menerbitkan rumus bangun etanol.
Dengan demikian etanol adalah salah satu senyawa kimia yang pertama kali
ditemukan rumus bangunnya. Etanol pertama kali dibuat secara sintetis pada tahu
1829 di Inggris oleh Henry Hennel dan S.G.Serullas di Perancis. Michael Faraday
membuat etanol dengan menggunakan hidrasi katalis asam pada etilen pada tahun
1982 yang digunakan pada proses produksi etanol sintetis hingga saat ini.
Pada tahun 1840 etanol menjadi bahan bakar lampu di Amerika Serikat,
pada tahun 1880-an Henry Ford membuat mobil quadrycycle dan sejak tahun
1908 mobil Ford model T telah dapat menggunakan (bio) etanol sebagai bahan
bakarnya. Namun pada tahun 1920an bahan bakar dari petroleum yang harganya
lebih murah telah menjadi dominan menyebabkan etanol kurang mendapatkan
perhatian. Akhir-akhir ini, dengan meningkatnya harga minyak bumi, (bio) etanol
kembali mendapatkan perhatian dan telah menjadi alternatif energi yang terus
dikembangkan.
23
Universitas Sumatera Utara
2.8
(Bio) etanol dari Tanaman tebu
(Bio) etanol merupakan energi alternatif yang ramah lingkungan dan makin
banyak diproduksi dibanding energialternatif lain. Tanaman tebu (Saccharum
officinarum L) adalah satu anggota familia rumput-rumputan (Graminae) yang
merupakan tanaman asli tropika basah, namun masih dapat tumbuh baik dan
berkembang di daerah subtropika, pada berbagai jenis tanah dari daratan rendah
hingga ketinggian 1.400 m diatas permukaan laut (dpl). Adapun klasisfikasi
tanaman tebu secara biologi yaitu:
Kerajaan
: plantae
Divisi
: magnoliophyta
Kelas
: liliopsida
Ordo
: poales
Famili
: poaceae
Genus
: saccharum
Species
: saccharum afficinarum
Gambar 2.4 Tanaman Tebu
Penggunaan bensin yang dicampur dengan etanol pada kendaraan berbahan bakar
bensin biasa hanya diperbolehkan dalam kadar yang rendah saja. Hal ini karena
etanol bersifat korosif dan dapat merusak beberapa material di dalam mesin dan
sistem bahan bakar. Mesinnya sendiri pun harus dikonfigurasi ulang sehingga
24
Universitas Sumatera Utara
memiliki rasio kompresi yang tinggi, agar dapat memanfaatkan kelebihan yang
dimiliki oleh etanol, yang nantinya bisa berpengaruh pada efisiensi bahan bakar
dan emisi gas buang yang lebih baik.
2.9
Pertalite
Pertalite adalah bahan bakar yang memiliki RON 90 membuat pembakaran
pada mesin kendaraan dengan teknologi terkini lebih baik dibandingkan dengan
Premium yang memiliki RON 88. Sehingga sesuai digunakan untuk kendaraan
roda dua, hingga kendaraan multi purpose vehicle ukuran menengah. Hasil uji
yang dilakukan Pertamina, untuk kendaraan seperti Toyota Avanza/Daihatsu
Xenia, satu liter Pertalite mampu menempuh jarak 14,78 Km. Sementara, satu liter
Premium mampu menempuh jarak 13,93 Km.
Pertalite memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan Premium. Pertalite
direkomendasikan untuk kendaraan yang memiliki kompresi 9,1-10,1 dan mobil
keluaran tahun 2000 ke atas, terutama yang telah menggunakan teknologi setara
dengan Electronic Fuel Injection (EFI) dan catalytic converters (pengubah
katalitik).
Komposisi pertalit :
Untuk membuat Pertalite komposisi bahannya adalah nafta yang memiliki RON
65-70, agar RON-nya menjadi RON 90 maka dicampurkan HOMC (High Octane
Mogas Component), HOMC bisa juga disebut Pertamax, percampuran HOMC
yang memiliki RON 92-95, selain itu juga ditambahkan zat aditif EcoSAVE. Zat
aditif EcoSAVE ini bukan untuk meningkatkan RON tetapi agar mesin menjadi
bertambah halus, bersih dan irit.
Keterangan :
1. Nafta Nafta adalah material yang memiliki titik didih antara gasolin dan
kerosin yang digunakan untuk :
1. Pelarut dry cleaning (pencuci)
2. Pelarut karet
3. Bahan awal etilen
4. Bahan bakar jet dikenal sebagai JP-4
25
Universitas Sumatera Utara
2. HOMC yaitu merupakan produk naphtha (komponen minyak bumi) yang
memiliki struktur kimia bercabang dan ring (lingkar) berangka
oktan tinggi (daya bakar lebih sempurna dan instant cepat), Oktan diatas
92, bahkan ada yang 95, sampai 98 lebih. Kebanyakan merupakan hasil
olah lanjut Naphtha jadi ber-angka oktane tinggi atau hasil perengkahan
minyak berat menjadi HOMC. Terbentuknya oktane number tinggi adalah
hasil perengkahan katalitik ataupun sintesa catalityc di reaktor kimia Unit
kilang RCC/FCC/RFCC atau Plat Forming atau proses polimerisasi
katalitik lainnya.
26
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Supercharger
Supercharger (juga dikenal dengan blower), adalah sebuah kompresor gas
digunakan untuk memompa udara ke silinder mesin pembakaran dalam. Massa
oksigen tambahan yang dipaksa masuk ke silinder membuat mesin membakar
lebih banyak bahan bakar, dan meningkatkan efisiensi volumetrik mesin dan
membuatnya lebih bertenaga
Supercharger mesin pertama dunia yang bisa digunakan dan diuji diciptakan
oleh Dugald Clerk, dimana dia menggunakannya pertama kali pada mesin 2-tak
pada tahun 1878. Sebuah supercharger memampatkan asupan udara untuk
tekanan atmosfer yang meningkatkan densitas saluran udara masuk ke ruang
bakar. Daya dihasilkan ketika campuran udara dan bahan bakar dibakar di dalam
sebuah silinder mesin. Jika udara dipaksa lebih banyak ke dalam silinder, maka
bahan bakar akan lebih banyak yang akan terbakar.
Supercharger fungsional pertama digunakan oleh insinyur Jerman Gottlieb
Daimler, yang menerima paten untuk memasang supercharger pada pembakaran
internal mesin pada 1885. Louis Renault mematenkan sentrifugal supercharger di
Perancis pada tahun 1902. Sebuah mobil balap “supercharged” pertama oleh Lee
Chadwick dari Pennsylvania pada tahun 1908, yang dilaporkan, mencapai
kecepatan 100 mil per jam (160 km / jam).
Supercharger
adalah alat yang memaksa udara kedalam silinder dan
menciptakan tekanan atmosfir yaitu 1 bar untuk meningkatkan output
mesin.Ketika katup buang terbuka, piston mendorong gas buang keluar ke dalam
sistem knalpot, pada tekanan atmosfer normal. Semua sistem ini berada pada
tekanan udara yang sama. Pada mesin tersebut, timing katup, timing camshaft &
ukuran knalpot sangat penting untuk mendapatkan output daya yang
maksimum.Umumnya output mesin ditentukan oleh jumlah campuran bahan
bakar,dibakar selama waktu yang ditentukan dan bertambar besar seiring
bertambahnya campuran udara bahan bakar.itu artinya untuk meningkatkan output
7
Universitas Sumatera Utara
volume langkah mesin harus ditingkatkan.Masalahnya dengan menambah volume
langkah mesin,berat juga bertambah sedangkan factor-fakator seperti hilangnya
friksi,vibrasi dan suara bagian yang membatasi peningkatan taran mesin.
Supercharger memnuhi persyaratan yang merupakan merupakan kebalikan
dari output mesin,sementara menjaga agar bentuknya sederhana dan ringan
dengan menyuplai volume udara da bahan bakar lebih banyak tanpa mengubah
ukuran mesin.Turbocharger dikendalikan gas buangan dan supercharger
dikendalikan mesin.
Supercharger
membutuhkan
sumber
putaran
untuk
menggerakan
komponennya, sumber putarannya biasanya diambil dari tenaga mesin dan ada
juga dari baterai (supercharger elecktric), sehingga hal ini akan mengurangi
performansi mesin. Namun semua itu akan tertutupi oleh daya yang dihasilkan
setelah penggunaan alat ini. Keunggulan dari supercharger ini, efek peningkatan
performansi mesin terasa lebih spontan dibanding penggunaan turbocharger,
dimana mulai dari putaran rendah sudah terjadi kenaikkan tenaga. Tidak seperti
halnya pada penggunaan turbocharger, dimana efek penambahan performansi
mesin akan dirasakan pada saat rpm 2500 ke atas, sehingga akan terasa kurang
pada hal akselerasi pada rpm rendah, ditambah dengan tenaga yang digunakan
untuk memutar turbin berasal dari gas buang pembakaran, sehingga akan
menghambat pelepasan kalor dari ruang bakar.
Gambar 2.1 Supercharger
8
Universitas Sumatera Utara
2.1.1 Blower Elektrik
Mengantisipasi regulasi yang harus dijalankan negara-negara dunia pada
tahun 2012, yaitu tentang emisi gas buang yang makin ketat. Di samping itu, juga
memenuhi keinginan konsumen secara umum di seluruh dunia, yaitu kendaraan
yang irit konsumsi bahan bakar, sekaligus ramah lingkungan. Di ndonesia sendiri
penggunaan electric supercharger sudah ada penggunaanya sejak tahun 1990.
Tujuan utama penggunaan supercharger ini adalah untuk mesin berkapasitas kecil
agar tidak terlalu mempengaruhi performa mesin, Supercharger ini biayanya lebih
murah dibandingkan dengan versi mekanis atau yang diputar oleh mesin (drive
belt). Pemasangannya pun dinilai lebih gampang karena tak banyak lagi
modifikasi.
Turbocharger yang digerakan oleh gas buang ernergi ynag diperoleh secara
gratis tetapi penggunaan turbocharger tersebut hanya lancer pada putaran sedangtingga (diatas 2.500 rpm) pada puran rendah tekanan gas buang masih rendah
akibatnya, mesin kurang kurang responsive paada putaran rendah. Sedangkan
Electric supercharger ini menggunakan daya yang berasal dari energi listrik yang
bisa diperoleh dari baterai pada kendaraan, sehingga penggunaan daya dapat
langsung dipakai pada mesin saat putaran rendah,Hasilnya konsumsi bahan bakar
menjadi irit dan juga nayaman untuk dikendarai nuntuk kegiatan sehari-hari
2.2
Mesin Otto
Nikolaus August Otto (14 Juni 1832 – 28 Januari 1891) ialah penemu
mesin pembakaran dalam asal Jerman. Sebagai lelaki muda ia mulai percobaan
dengan mesin gas dan pada 1864 ikut serta dengan 2 kawan untuk membentuk
perusahaannya sendiri. Perusahaan itu dinamai N. A. Otto & Cie., yang
merupakan perusahaan pertama yang menghasilkan mesin pembakaran dalam.
Perusahaan ini masih ada sampai kini dengan nama Deutz AG.
Mesin atmosfer pertamanya selesai pada Mei 1867. 5 tahun kemudian ia disusul
oleh Gottlieb Daimler dan Wilhelm Maybach dan bersama mereka ciptakan
gagasan putaran empat tak atau putaran Otto.
9
Universitas Sumatera Utara
Pertama kali dibuat pada 1876, tak itu merupakan gerakan naik atau turun
pada piston silinder. Paten Otto dibuat tak berlaku pada 1886 saat ditemukan
bahwa penemu lain, Alphonse Beau de Rochas, telah membuat asas putaran 4 tak
dalam selebaran yang diterbitkan sendirian. Menurut studi sejarah terkini, penemu
Italia Eugenio Barsanti dan Felice Matteucci mempatenkan versi efisien karya
pertama dari mesin pembakaran dalam pada 1854 di London (nomor paten 1072).
Mesin Otto dalam banyak hal paling tidak diilhami dari penemuan itu.
2.3
Prinsip Kerja Mesin Otto 4 tak
Disebut mesin empat langkah atau empat tak karena Motor bakar empat
langkah adalah mesin pembakaran dalam, yang dalam satu kali siklus pembakaran
akan mengalami empat langkah piston. Sekarang ini, mesin pembakaran dalam
pada mobil, sepeda motor, truk, pesawat terbang, kapal, alat berat dan sebagainya,
umumnya menggunakan siklus empat langkah. Empat langkah tersebut meliputi
langkah hisap (pemasukan), kompresi, tenaga dan langkah buang. Yang secara
keseluruhan memerlukan dua putaran poros engkol (crankshaft) per satu siklus
pada mesin bensin atau mesin diesel.Gambar dibawah merupakan prinsip cara
kemesin otto 4tak
(a)
(b )
( c)
(d)
Gambar 2. 2 Prinsip kerja mesin otto 4 langkah
10
Universitas Sumatera Utara
1. Langkah pertama
Piston bergerak dari TMA ke TMB, posisi katup masuk terbuka dan katup
keluar tertutup, mengakibatkan udara (mesin diesel) atau gas (sebagian besar
mesin bensin) terhisap masuk ke dalam ruang bakar. Proses udara atau gas
sebelum masuk ke ruang bakar dapat dilihat pada sistem pemasukan.
2. Langkah kedua
Piston bergerak dari TMB ke TMA, posisi katup masuk dan keluar
tertutup, mengakibatkan udara atau bakar terkompresi. gas dalam ruang
Beberapa saat sebelum piston sampai pada posisi TMA, waktu penyalaan
(timing ignition) terjadi (pada mesin bensin berupa nyala busi sedangkan
pada mesin diesel berupa semprotan (suntikan) bahan bakar).
3. Langkah ketiga
Gas yang terbakar dalam ruang bakar akan meningkatkan tekanan dalam
ruang bakar, mengakibatkan piston terdorong dari TMA ke TMB. Langkah ini
adalah proses yang akan menghasilkan tenaga.
4. Langkah keempat
Piston bergerak dari TMB ke TMA, posisi katup masuk tertutup dan katup
keluar terbuka, mendorong sisa gas pembakaran menuju ke katup keluar yang
sedang terbuka untuk diteruskan ke lubang pembuangan.
Pada ujung langkah ini, piston berada pada posisi TMB untuk
menyelesaikan siklus yang pertama (mesin satu siklus), sehingga isi silindernya
berupa sisa pembakaran. Piston bergerak kembali ke atas membersihkan gas
buang melalui katup buang (langkah pembuangan), kemudian piston turun
kembali ke bawah mengambil campuran udara-bahan bakar yang baru melalui
katup hisap (langkah hisap). Sebagai catatan bahwa tekanan dalam silinder di atas
tekanan lingkungan saat langkah buang dan berada di bawah tekanan lingkungan
saat langkah hisap. Analisis termodinamika untuk kondisi aktual tersebut dapat
disederhanakan bila digunakan asumsi udara-standar yang berlaku sebagai gasideal. Karenaitu, siklus untuk kondisi aktual dimodifikasi menjadi sistem tertutup
yang disebut sebagai siklus Otto ideal.
11
Universitas Sumatera Utara
Siklus otto merupakan siklus ideal untuk mesin torak dengan pengapian
nyala bunga api. Pada mesin pembakaran dengan sistem pengapian nyala api,
campuran bahan bakar dan udara dibakar dengan menggunakan percikan bunga
api dari busi. Piston bergerak dalam empat langkah ( disebut juga mesin dua
siklus) dalam silinder. Skema berikut memperlihatkan setiap langkah piston dan
pernyataan prosesnya pada diagram P-v dan T-s untuk kondisi aktual mesin
pengapian empat langkah.
Gambar 2. 3 Diagram P-v dan T-s Mesin otto 4 langkah
Siklus Otto ideal terdiri dari empat proses reversibel internal, yaitu proses 1-2
kompresi isentropik, proses 2-3 penambahan kalor pada volume tetap, proses 3-4
ekspansi isentropik, dan proses 4-1 pelepasan kalor pada volume tetap. Karena
siklus Otto ideal ini merupakan sistem tertutup, maka ada beberapa asumsi yang
digunakan yaitu (1) mengabaikan perubahan energi kinetik dan potensial, dan (2)
tidak ada kerja yang timbul selama proses perpindahan kalor.
Efisiensi termal siklus Otto ideal ini tergantung dari besarnya rasio
kompresi mesin dan rasio kalor spesifik dari fluida kerjanya. Efisiensi siklus
akan naik bila rasio kompresi semakin besar. Berikut siklus motor otto empat
langkah secara singkat :
12
Universitas Sumatera Utara
a) Langkah Hisap
•
Piston bergerak dari TMA ke TMB
•
Katup hisap terbuka dan katup buang tertutup
•
Terjadi kevakuman dalam silinder, yang menyebabkan campuran udara
dan bahan bakar masuk ke dalam silinder
b) Langkah Kompresi
•
Piston bergerak dari TMB ke TMA
•
Katup hisap tertutup dan katup buang tertutup
•
Pada akhir langkah kompresi busi memercikkan bunga api
c) Langkah Usaha
•
Piston bergerak dari TMA ke TMB
•
Katup hisap tertutup dan katup buang tertutup
•
Hasil pembakaran menekan piston
d) Langkah buang
•
Piston bergerak dari TMB ke TMA
•
Katup hisap tertutup
•
Katup buang terbuka
•
Piston mendorong gas sisa pembakaran keluar
2.4
Performansi Motor Bakar
Bagian ini membahas tentang performansi mesin pembakaran dalam.
Parameter mekanik yang termasuk dalam subbab ini adalah torsi, daya,
perbandingan udara bahan bakar, konsumsi bahan bakar spesifik dan effisiensi
dari pembakaran di dalam mesin.
Perfonmansi motor bakar dipengaruhi oleh berbagai hal, diantaranya
perbandingan kompresi, homogenitas campuran bahan bakar dengan udara, angka
oktan bahan bakar serta tekanan udara masuk kedalam ruang bakar. Apabila
perbandingan udara pada ruang bakar semakin besar, maka efisiensi motor bakar
13
Universitas Sumatera Utara
tersebut akan semakin tinggi akan tetapi dapat menimbulkan knocking pada motor
yang menimbulkan berkurangnya daya pada motor tersebut. Untuk mengatasi
masalah ini bisa diimbangi dengan meningkatkan angka oktan bahan bakar yang
dingunakan, akan tetapi perlu diketahui, apabila angka oktannya terlalu tinggi,
maka performansi motor tersebut juga tidak maksimal.
2.4.1 Nilai Kalor Bahan Bakar
Reaksi kimia antara bahan bakar dengan oksigen dari udara menghasilkan
panas. Besarnya panas yang ditimbulkan jika satu satuan bahan bakar dibakar
sempurna disebut nilai kalor bahan bakar (Calorific Value, CV). Bedasarkan
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 (High Heating Value,HHV), merupakan nilai kalor yang
diperoleh secara eksperimen dengan menggunakan kalorimeter dimana hasil
pembakaran bahan bakar didinginkan sampai suhu kamar sehingga sebagian besar
uap air yang terbentuk dari pembakaran hidrogen mengembun dan melepaskan
panas latennya. Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung
dengan perhitungan sebagi berikut:
V = ( 2– 1 – kp)
v ....................................................................... (2.1)
Dimana:
HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
T1 = Temperatur air pendingin sebelum penyalaan (0C)
T2 = Temperatur air pendingin sesudah penyalaan (0C)
Tkp = Kenaikan temperatur akibat kawat penyala (0,05 0C)
Cv = Panas jenis bom kalorimeter (KJ/Kg0C)
14
Universitas Sumatera Utara
Nilai kalor bawah (low Heating Value, LHV), merupakan nilai kalor bahan bakar
tanpa panas laten yang berasal dari pengembunan uap air. Umumnya kandungan
hidrogen dalam bahan bakar cair berkisar 15 % yang berarti setiap satu satuan
bahan bakar, 0,15 bagian merupakan hidrogen. Pada proses pembakaran
sempurna, air yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar adalah setengah dari
jumlah hidrogennya.
Selain berasal dari pembakaran hidrogen, uap air yang terbentuk pada proses
pembakaran dapat pula berasal dari kandungan air yang memang sudah ada
didalam bahan bakar (moisture). Panas laten pengkondensasian uap air pada
tekanan parsial 20 kN/m2 (tekanan yang umum timbul pada gas buang) adalah
sebesar 2400 kJ/kg, sehingga besarnya nilai kalor bawah (LHV) yang di dapat
darihasil pengujian bom kalormeter :
�HV = HV – 2400 (15% + 9H2)………………............................... (2.2)
Dimana:
LHV = Nilai Kalor Bawah (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. Peraturan
pengujian berdasarkan ASME (American of Mechanical Enggineers) menentukan
penggunaan nilai kalor atas (HHV), sedangkan peraturan SAE (Society of
Automotive Engineers) menentukan penggunaan nilai kalor bawah (LHV).
2.4.2 Torsi
Torsi adalah perkalian antara gaya dengan jarak. Selama proses usaha maka
tekanan-tekanan yang terjadi di dalam silinder motor menimbulkan suatu gaya
yang luar biasa kuatnya pada torak. Untuk mengetahui besarnya torsi digunakan
alat dynamometer. Biasanya motor pembakaran ini dihubungkan dengan
dynamometer dengan maksud mendapatkan keluaran dari motor pembakaran
15
Universitas Sumatera Utara
dengan
cara
menghubungkan
poros
motor
pembakaran
dengan
poros
dynamometer dengan menggunakan kopling elastik.
Pada percobaan ini, alat yang digunakan untuk mengukur torsi motor adalah
dengan timbangan pegas. Dimana timbangan pegas ini diikat pada roda belakang
sepeda motor yang akan diuji nantinya. Maka didapat torsi pada roda dari hasil
pembacaan pada timbangan pegas dengan menggunakan persamaan :
N
=
......................................................................................... (2.3)
Troda = F x r .............................................................................................. (2.4)
Dimana :
F
= Gaya (N)
G =Percepatangravitasi (9,86m/s2)
m = Massa (Kg)
Troda= Torsi pada roda (Nm)
= Jari – jari roda (m)
r
Dengan rumus diatas akan didapat torsi pada roda, sedangkan torsi pada motor
dapat dihitung dengan membagikan torsi pada roda terhadap perbandingan rasio
(final rasio), adapun perbandingan rasio dapat diketahui dengan rumus berikut :
final rasio = Perbandingan rasio antara transmisi dengan poros engkol x perbandingan
putaran roda dan putarn mesin
(45/12) X 2500/1000) = 9,375 .................................................................... (2.5)
Jadi torsi mesin dapat diketahui dengan rumus berikut :
(2.6)
Dimana :
Tmesin
= torsi pada mesin (Nm)
16
Universitas Sumatera Utara
Sedangkan untuk percobaan dengan menggunakan blower, maka torsi pada mesin
yang telah didapat akan dikurangkan lagi dengan torsi yang digunakan oleh
blower, sehingga rumus menjadi :
Tmesin =
�
�
�
�
.............................................................................................. (2.7)
Dimana :
Tblower = Torsi pada blower (Nm)
Adapun rumus untuk mencari Tblower adalah sebagai berikut :
Tblower =
�
�
�
−�
�
�
............................................................................. (2.8)
Dimana :
PB = Daya blower (W)
n = Putaran blower (rpm)
2.4.3 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,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 :
PB =
Dimana :
�.
6
T ............................................................................................... (2.9)
PB = Daya mesin ( W )
n = putaran mesin ( rpm )
17
Universitas Sumatera Utara
2.4.4 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)
Konsumsi bahan bakar spesifik merupakan salah satu parameter prestasi
mesin yang penting di dalam suatu motor bakar. Parameter ini biasa dipakai
sebagai ukuran ekonomi pemakaian bahan bakar yang terpakai per-jam untuk
setiap daya yang dihasilkan. Adapun persamaan yang digunakan adalah sebagai
berikut :
SFC =
ṁf =
ṁ
.
��
.
.
3
3
.................................................................................................. (2.10)
x 3600........................................................................................ (2.11)
Dimana :
SFC = Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (Kg/kW.h)
PB = Daya (W)
̇f = Laju aliran bahan bakar (gr/jam)
t
= Waktu (jam)
2.4.5 Efisiensi Thermal
Efisiensi thermal merupakan perbandingan antara daya keluaran aktual
terhadap laju panas rata-rata yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar.
Kinerja yang dihasilkan motor 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 thermal brake (thermal efficiency, ηb). Jika daya keluaran (PB)
dalam satuan W, laju aliran bahan bakar (mf) dalam satuan kg/jam, maka:
ηb =
� �.
−3
.���
x 3600...................................................................................... (2.12)
Dimana :
ηb
: Efisiensi Thermal Brake
LHV : Nilai Kalor Bahan Bakar (Kj/Kg)
18
Universitas Sumatera Utara
2.4.6 Rasio Udara - Bahan Bakar (AFR)
Energi yang masuk kedalam sebuah mesin berasal dari pembakaran bahan
bakar hidrokarbon. Udara digunakan untuk menyuplai oksigen yang dibutuhkan
untuk mendapatkan reaksi kimia didalam ruang bakar. Agar terjadi reaksi
pembakaran, jumlah oksigen dan bahan bakar yang masuk ke ruang bakar harus
tepat.
Adapun perbandingan udara dan bahan bakar tersebut dapat dirumuskan sebagai
berikut:
�
AFR =
=
ṁ�
ṁ
............................................................................................ (2.13)
Dimana:
ma = massa udara di dalam silinder per siklus (Kg/cyl-cycle)
mf = massa bahan bakar di dalam silinder per siklus (Kg/cyl-cycle)
̇a = laju aliran udara didalam ruang bakar (Kg/jam)
̇f = laju aliran bahan bakar didalam ruang bakar (Kg/jam)
Untuk menghitung laju aliran udara didalam ruang bakar, digunakan persamaan
berikut :
�=
�
�=
�� � + �
�.��
Vd =
Vc =
�
.
.
6
6
�
�
)............................................................................ (2.14)
................................................................................................. (2.15)
................................................................................................... (2.16)
− 1 ................................................................................................... (2.17)
Dimana :
Pi = tekanan udara masuk ruang bakar (kpa)
19
Universitas Sumatera Utara
Vd = Volume langkah (m3)
Vc = Volume sisa (m3)
R = Konstanta udara
Ti = Temperatur udara masuk ruang bakar (K)
B = Bore (m)
S = Stroke (m)
rc = Rasio Kompresi
2.4.7 Efisiensi Volumetris
Efisiensi volumetris ηV merupakan volume campuran udara-bahan bakar
yang masuk ke dalam silinder. Campuran udara-bahan bakar yang memasuki
silinder ketika langkah isap inilah yang akan menghasilkan daya. Efisiensi
volumetris ηV mengindikasikan jumlah campuran udara-bahan bakar relatif
terhadap tekanan udara atmosfer.
ɳv =
ρ =
�
� .
��
� .��
................................................................................................... (18)
.................................................................................................... (19)
Dimana :
ɳv =Efisiensi Volumetris
ρ = Density udara (Kg/m3)
2.5
Emisi Gas Buang
Emisi gas buang adalah sisa hasil pembakaran bahan bakar di dalam mesin
pembakaran dalam, mesin pembakaran luar, mesin jet yang dikeluarkan melalui
sistem pembuangan mesin.Sisa hasil pembakaran berupa air (H2O), gas CO atau
disebut juga karbon monooksida yang beracun, CO2 atau disebut juga karbon
dioksida yang merupakan gas rumah kaca, NOx senyawa nitrogen oksida, HC
berupa senyawa Hidrat arang sebagai akibat ketidak sempurnaan proses
pembakaran serta partikel lepas. Polutan dibedakan menjadi polutan primer atau
20
Universitas Sumatera Utara
sekunder. Polutan primer seperti nitrogen oksida (NOX) dan hidrokarbon (HC)
langsung dibuangkan ke udara bebas dan mempertahankan bentuknya seperti pada
saat pembuangan. Polutan sekunder seperti ozon (O3) dan peroksiasetil nitrat
(PAN) adalah polutan yang terbentuk di atmosfer melalui reaksi fotokimia,
hidrolisis atau oksidasi.
2.5.1 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, karbonat, nitrogen oksida,
ozon dan lainnya.
2.5.2 Bahan Penyusun
Polutan dibedakan menjadi partikulat atau gas. Partikulat dibagi menjadi
padatan dan cairan seperti ; debu, asap, abu, kabut dan spray, partikulat dapat
bertahan di atmosfer. Sedangkan polutan berupa gas tidak bertahan di atmosfer
dan bercampur dengan udara bebas. Bahan pencemar (polutan) yang berasal dari
mesin
otto
diklasifikasikan
menjadi
beberapa
yaitu
partikulat,unburned
hydrocarbon (UHC),karbon monoksida (C0),oksigen (O2 ) dan hidrokarbon (HC).
2.6 Sistem Bahan Bakar Ijeksi (EFI)
2.6.1 Perkembangan Sistem Bahan Bakar Injeksi
Sistem bahan bakar tipe injeksi merupakan langkah inovasi yang sedang
dikembangkan untuk diterapkan pada sepeda motor. Tipe injeksi sebenarnya
sudah mulai diterapkan pada sepeda motor dalam jumlah terbatas pada tahun
1980-an, dimulai dari sistem injeksi mekanis kemudian berkembang menjadi
sistem injeksi elektronis.
Injeksi bahan bakar adalah sebuah teknologi yang digunakan dalam mesin
pembakaran dalam untuk mencampur bahan bakar dengan udara sebelum dibakar.
21
Universitas Sumatera Utara
Penggunaan injeksi bahan bakar akan meningkatkan tenaga mesin bila
dibandingkan dengan penggunaan karburator, karena injektor membuat bahan
bakar tercampur secara homogen. Hal ini, menjadikan injeksi bahan bakar dapat
mengontrol pencampuran bahan bakar dan udara yang lebih tepat, baik dalam
proporsi dan keseragaman.
Injeksi bahan bakar dapat berupa mekanikal, elektronik atau campuran dari
keduanya. Sistem awal berupa mekanikal, namun sekitar tahun 1980-an mulai
banyak menggunakan sistem elektronik. Sistem elektronik modern menggunakan
banyak sensor untuk memonitor kondisi mesin, dan sebuah unit kontrol elektronik
menghitung jumlah bahan bakar yang diperlukan. Oleh karena itu, injeksi bahan
bakar dapat meningkatkan efisiensi bahan bakar dan mengurangi polusi, dan juga
memberikan tenaga keluaran yang lebih.
2.6.2 Prinsip Kerja Sistem EFI
Sistem bahan bakar injeksi atau yang kita kenal dengan EFI, yaitu suatu
sistem yang penyaluran bahan bakarnya menggunakan pompa pada tekanan
tertentu. Pada mesin EFI umumnya proses penginjeksian bahan bakar ada di
bagian ujung intake manifold atau saluran masuk sebelum katup masuk. Sehingga
ketika katup masuk membuka pada langkah hisap, udara yang masuk ke ruang
bakar sudah bercampur dengan bensin.
2.6.3 Dasar Sistem EFI
Secara umum, sistem EFI dapat dibagi menjadi tiga bagian/sistem utama,
yaitu; a) sistem bahan bakar (fuel system), b) sistem kontrol elektronik (electronic
control system), dan c) sistem induksi/pemasukan udara (air induction system).
Ketiga sistem utama ini akan dibahas satu persatu di bawah ini. Jumlah
komponen-komponen yang terdapat pada sistem EFI bisa berbeda pada setiap
jenis sepeda mesin. Semakin lengkap komponen sistem EFI yang digunakan, tentu
kerja sistem EFI akan lebih baik sehingga bisa menghasilkan unjuk kerja mesin
yang lebih optimal pula.
22
Universitas Sumatera Utara
2.7
Sejarah Penggunaan Alkohol Sebagai Bahan Bakar Alternatif
(Bio) Etanol telah digunakan manusia sejak zaman prasejarah sebagai bahan
pemabuk dalam minuman beralkohol. Residu yang ditemukan pada peninggalan
keramik yang berumur 9000 tahun dari China bagian utara menunjukkan bahwa
minuman beralkohol telah digunakan oleh manusia prasejarah dari masa Neolitik.
Campuran dari (Bio) etanol yang mendekati kemrunian untuk pertama kali
ditemukan oleh Kimiawan Muslim yang mengembangkan proses distilasi pada
masa Kalifah Abbasid dengan peneliti yang terkenal waktu itu adalah Jabir ibn
Hayyan (Geber), Al-Kindi (Alkindus) dan al-Razi (Rhazes). Catatan yang disusun
oleh Jabir ibn Hayyan (721-815) menyebutkan bahwa uap dari wine yang
mendidih mudah terbakar. Al-Kindi (801-873) dengan tegas menjelaskan tentang
proses distilasi wine. Sedangkan (Bio) etanol absolut didapatkan pada tahun 1796
oleh Johann Tobias Lowitz, dengan menggunakan distilasi saringan arang.
Antoine Lavoisier menggambarkan bahwa (Bio) etanol adalah senyawa
yang terbentuk dari karbon, hidrogen dan oksigen. Pada tahun 1808 Nicolas
Théodore de Saussure dapat menentukan rumus kimia etanol. Limapuluh tahun
kemudian (1858), Archibald Scott Couper menerbitkan rumus bangun etanol.
Dengan demikian etanol adalah salah satu senyawa kimia yang pertama kali
ditemukan rumus bangunnya. Etanol pertama kali dibuat secara sintetis pada tahu
1829 di Inggris oleh Henry Hennel dan S.G.Serullas di Perancis. Michael Faraday
membuat etanol dengan menggunakan hidrasi katalis asam pada etilen pada tahun
1982 yang digunakan pada proses produksi etanol sintetis hingga saat ini.
Pada tahun 1840 etanol menjadi bahan bakar lampu di Amerika Serikat,
pada tahun 1880-an Henry Ford membuat mobil quadrycycle dan sejak tahun
1908 mobil Ford model T telah dapat menggunakan (bio) etanol sebagai bahan
bakarnya. Namun pada tahun 1920an bahan bakar dari petroleum yang harganya
lebih murah telah menjadi dominan menyebabkan etanol kurang mendapatkan
perhatian. Akhir-akhir ini, dengan meningkatnya harga minyak bumi, (bio) etanol
kembali mendapatkan perhatian dan telah menjadi alternatif energi yang terus
dikembangkan.
23
Universitas Sumatera Utara
2.8
(Bio) etanol dari Tanaman tebu
(Bio) etanol merupakan energi alternatif yang ramah lingkungan dan makin
banyak diproduksi dibanding energialternatif lain. Tanaman tebu (Saccharum
officinarum L) adalah satu anggota familia rumput-rumputan (Graminae) yang
merupakan tanaman asli tropika basah, namun masih dapat tumbuh baik dan
berkembang di daerah subtropika, pada berbagai jenis tanah dari daratan rendah
hingga ketinggian 1.400 m diatas permukaan laut (dpl). Adapun klasisfikasi
tanaman tebu secara biologi yaitu:
Kerajaan
: plantae
Divisi
: magnoliophyta
Kelas
: liliopsida
Ordo
: poales
Famili
: poaceae
Genus
: saccharum
Species
: saccharum afficinarum
Gambar 2.4 Tanaman Tebu
Penggunaan bensin yang dicampur dengan etanol pada kendaraan berbahan bakar
bensin biasa hanya diperbolehkan dalam kadar yang rendah saja. Hal ini karena
etanol bersifat korosif dan dapat merusak beberapa material di dalam mesin dan
sistem bahan bakar. Mesinnya sendiri pun harus dikonfigurasi ulang sehingga
24
Universitas Sumatera Utara
memiliki rasio kompresi yang tinggi, agar dapat memanfaatkan kelebihan yang
dimiliki oleh etanol, yang nantinya bisa berpengaruh pada efisiensi bahan bakar
dan emisi gas buang yang lebih baik.
2.9
Pertalite
Pertalite adalah bahan bakar yang memiliki RON 90 membuat pembakaran
pada mesin kendaraan dengan teknologi terkini lebih baik dibandingkan dengan
Premium yang memiliki RON 88. Sehingga sesuai digunakan untuk kendaraan
roda dua, hingga kendaraan multi purpose vehicle ukuran menengah. Hasil uji
yang dilakukan Pertamina, untuk kendaraan seperti Toyota Avanza/Daihatsu
Xenia, satu liter Pertalite mampu menempuh jarak 14,78 Km. Sementara, satu liter
Premium mampu menempuh jarak 13,93 Km.
Pertalite memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan Premium. Pertalite
direkomendasikan untuk kendaraan yang memiliki kompresi 9,1-10,1 dan mobil
keluaran tahun 2000 ke atas, terutama yang telah menggunakan teknologi setara
dengan Electronic Fuel Injection (EFI) dan catalytic converters (pengubah
katalitik).
Komposisi pertalit :
Untuk membuat Pertalite komposisi bahannya adalah nafta yang memiliki RON
65-70, agar RON-nya menjadi RON 90 maka dicampurkan HOMC (High Octane
Mogas Component), HOMC bisa juga disebut Pertamax, percampuran HOMC
yang memiliki RON 92-95, selain itu juga ditambahkan zat aditif EcoSAVE. Zat
aditif EcoSAVE ini bukan untuk meningkatkan RON tetapi agar mesin menjadi
bertambah halus, bersih dan irit.
Keterangan :
1. Nafta Nafta adalah material yang memiliki titik didih antara gasolin dan
kerosin yang digunakan untuk :
1. Pelarut dry cleaning (pencuci)
2. Pelarut karet
3. Bahan awal etilen
4. Bahan bakar jet dikenal sebagai JP-4
25
Universitas Sumatera Utara
2. HOMC yaitu merupakan produk naphtha (komponen minyak bumi) yang
memiliki struktur kimia bercabang dan ring (lingkar) berangka
oktan tinggi (daya bakar lebih sempurna dan instant cepat), Oktan diatas
92, bahkan ada yang 95, sampai 98 lebih. Kebanyakan merupakan hasil
olah lanjut Naphtha jadi ber-angka oktane tinggi atau hasil perengkahan
minyak berat menjadi HOMC. Terbentuknya oktane number tinggi adalah
hasil perengkahan katalitik ataupun sintesa catalityc di reaktor kimia Unit
kilang RCC/FCC/RFCC atau Plat Forming atau proses polimerisasi
katalitik lainnya.
26
Universitas Sumatera Utara