Kajian Performansi Dan Emisi Gas Buang Mesin Otto Berbahan Bakar Biogas Dan Premium Menggunakan Blower Sebagai Turbocharger Dan Knalpot Yang Dimodifikasi Menjadi Catalytic Converter
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 thermalnya, maka motor bakar dapat dibagi menjadi 2
golongan yaitu motor pembakaran luar dan pembakaran dalam. Motor
pembakaran dalam (Internal Combustion Engine) ialah motor bakar yang
pembakarannya terjadi di dalam pesawat itu sendiri [1]
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.
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 dipatekan 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.
2.1.1 Prinsip Kerja Motor Bakar 4 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 bakar terdiri dari 5 hal yaitu:
1. Pengisian campuran udara dan bahan bakar
2. Pemampatan/pengkompresian campuran udara dan bahan bakar
3. Pembakaran campuran udara dan bahan bakar
4. Pengembangan gas hasil pembakaran
5. Pembuangan gas bekas
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.
Gambar 2.1 Diagram P-v siklus otto [5]
Gambar 2.2 Diagram T-S Siklus otto [5]
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:
a. 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).
b. 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 akan mudah terbakar.
c. Langkah Usaha
Akibat adanya pembakaran maka pada ruang bakar terjadi panas
dan pemuaian yang tiba-tiba. Pemuaian tersebut mendorong piston untuk
bergerak dari TMA ke TMB. Kedua katup masih dalam keadaan tertutup
rapat sehingga seluruh tenaga panas mendorong piston untuk bergerak.
d. 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 [17]
2.1.2 Parameter Prestasi Motor Bakar 4 Langkah
Secara praktis prestasi mesin ditunjukan oleh torsi dan daya.
Parameter inirelatif penting untuk mesin dengan variasi kecepatan operasi
dan tingkat pembebanan. Daya poros maksimum menggambarkan sebagai
kemampuanmaksimum mesin. Torsi poros maksimum pada kecepatan
tertentumengindikasikan kemampuan untuk rnemperoleh aliran udara (atau
campuranudara dengan bahan bakar) yang tinggi yang masuk ke dalam
mesin padakecepatan tersebut. Sewaktu mesin dioperasikan pada waktu
yang lama konsumsi bahan bakar dan efisiensi mesin menjadi sangat
penting.
Daya berbanding lurus dengan luas piston sedang torsi berbanding
lurus dengan volume langkah. Parameter tersebut relatif penting digunakan
pada mesin yang berkemampuan kerja dengan variasi kecepatan operasi dan
tingkat pembebanan. Daya maksimum didefinisikan sebagai kemampuan
maksimum yang bisa dihasilkan oleh suatu mesin. Adapun torsi poros pada
kecepatan tertentu mengindikasikan kemampuan untuk memperoleh aliran
udara (dan juga bahan bakar) yang tinggi kedalam mesin pada kecepatan
tersebut.
Parameter prestasi mesin dapat dilihat dari berbagai hal diantara
yang terdapat dalam gambar 2.4 berikut :
Gambar 2.4 Diagram Alir Prestasi Mesin [1]
2.1.3 Performansi Mesin Otto
Ada beberapa hal yang mempengaruhi performansi 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 bias 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 maka
aliran udara dibuat turbulen, sehingga diharapkan tingkat homogenitas
campuran akan lebih baik.
1. Torsi
Torsi adalah ukuran kemampuan mesin untuk melakukan kerja,
jadi torsi adalah suatu energi. Besaran torsi adalah besaran turunan yang
biasa digunakan untuk menghitung energi yang dihasilkan dari benda yang
berputar pada porosnya..
Biasanya motor pembakaran ini dihubungkan dengan dynamometer
dengan maksud mendapatkan keluaran dari motor pembakaran dengan cara
menghubungkan poros motor pembakaran dengan poros dynamometer
dengan menggunakan kopling elastik.
...................................................................(2.1) [Lit. 3 hal.
PB =
46]
...........................................................................(2.2)[Lit. 3 hal. 46]
T=
Dimana :
PB = Daya ( W )
T = Torsi ( Nm )
N = Putaran mesin (rpm)
2. Daya
Power yang dihitung dengan satuan Kw (Kilo watts) atau Horse
Power (HP) mempunyai hubungan erat dengan torque. Power dirumuskan
sebagai berikut :
PB =
...................................................................(2.3)[Lit. 3 hal. 46]
Dimana :
P = Daya (Watt)
N = putaran mesin (rpm) T = Torsi (N.m)
Pada motor bakar, daya dihasilkan dari proses pembakaran didalam
silinder dan biasanya disebut dengan daya indiaktor. Daya tersebut
dikenakan pada torak yang bekerja bolak balik didalam silinder mesin. Jadi
didalam silinder mesin, terjadi perubahan energi dari energi kimia bahan
bakar dengan proses pembakaran menjadi energi mekanik pada torak. Daya
indikator adalah merupakan sumber tenaga persatuan waktu operasi mesin
untuk mengatasi semua beban mesin. Mesin selama bekerja mempunyai
komponen-komponen
yang
saling
berkaitan
satu
dengan
lainnya
membentuk kesatuan yang kompak
3. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (specific fuel consumption, sfc)
Konsumsi bahan bakar spesifik adalah parameter unjuk kerja mesin
yang berhubungan langsung dengan nilai ekonomis sebuah mesin, karena
dengan mengetahui hal ini dapat dihitung jumlah bahan bakar yang
dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu.
Bila daya rem dalam satuan kW dan laju aliran massa bahan bakar
dalam satuan kg/jam, maka :
..............................................................(2.4)[Lit. 11 hal. 56]
SFC =
ṁf=
x 3600........................................(2.5)[Lit. 11 hal. 56]
Dengan :
SFC = konsumsi bahan bakar spesifik (kg/kw.h)
PB = daya (W)
= konsumsi bahan bakar
sgf = spesifik grafity
t = waktu (jam)
4. Effisiensi Thermal Brake
Daya aktual yang dihasilkan oleh mesin selalu lebih kecil daripada
energi yang seharusnya dihasilkan. Hal ini terjadi dikarenakan oleh adanya
rugi-rugi mekanis (mechanical losses). Semakin tinggi daya aktual yang
dihasilkan oleh mesin, maka efisiensi pun akan semakin tinggi. Efisiensi
inilah yang sering disebut dengan efisiensi thermal brake (brake thermal
efficiency ��).
ηb =
x 3600.........................................................(2.6) [Lit. 3 hal. 59]
2.1.4 Teori Pembakaran
Pembakaran merupakan proses reaksi kimia, yaitu elemen tertentu
dari bahan bakar setelah dinyalakan dan digabung dengan oksigen akan
menimbulkan panas sehingga menaikkan suhu dan tekanan. Elemen yang
dapat terbakar atau (combustable) yang utama adalah karbon (C) dan
hidrogen (H), elemen yang lain namun umumnya hanya sedikit terkandung
dalam bahan bakar adalah sulfur (S). Oksigen yang diperlukan untuk
pembakaran diperoleh dari udara bebas yang merupakan campuran dari
oksigen dan nitrogen.
Nitrogen atau zat lemas adalah unsur kimia yang biasanya
ditemukan sebagai gas tanpa warna, tanpa bau, tanpa rasa dan merupakan
gas diatomic bukan logam yang stabil, sangat sulit bereaksi dengan unsure
atau senyawa lainnya. Dinamakan zat lemas karena zat ini bersifat malas,
tidak aktif bereaksi dengan unsure lainnya dan tidak berpartisipasi dalam
pembakaran. Selama proses pembakaran, butiran minyak bahan bakar
dipisahkan menjadi elemen komponennya yaitu hydrogen dan karbon dan
masing-masing bergabung dengan oksigen dari udara secara terpisah.
Hidrogen bergabung dengan oksigen untuk membentuk air dan karbon
bergabung dengan oksigen menjadi karbondioksida. Jika oksigen yang
tersedia tidak cukup, maka sebagian dari karbon akan bergabung dengan
oksigen dalam bentuk karbon monoksida. Pembentukan karbon monoksida
hanya menghasilkan 30 % panas dibandingkan panas yang timbul oleh
pembentukan karbondioksida.
2.1.5 Nilai Kalor Bahan Bakar
Panas dihasilkan oleh reaksi kimia antara oksigen dengan bahan
bakar di ruang bakar. 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), yaitu Nilai Pembakaran
bila di dalam gas hasil pembakaran terdapat H2O berbentuk cairan atau pun
merupakan nilai kalor yang diperoleh secara eksperimen dengan
menggunakan
calorimeter
dimana
hasil
pembakaran
bahan
bakar
didinginkan sampai suhu kamar sehingga sebagian besar uap air yang
terbentuk dari pembakaran hydrogen mengembun dan melepaskan panas
latennya. Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung bila
diketahui komposisi bahan bakarnya dengan menggunakan persamaan
Dulong:
HHV = 33950 + 144200 (H2- ) + 9400S....................(2.7) [Lit. 11 hal. 56]
Dimana: HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
C
= Persentase karbon dalam bahan bakar
H2
= Persentase hidrogen dalam bahan bakar
O2
= Persentase oksigen dalam bahan bakar
S
= Persentase sulfur dalam bahan bakar
LHV = HHV – 2400 (M + 9 H2).....................................(2.8) [Lit. 11 hal. 56]
Dimana: LHV = Nilai Kalor Bawah (kJ/kg)
M
= Persentase kandungan air dalam bahan bakar (moisture)
2.1.6 Rasio Udara-Bahan Bakar
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 terjadinya reaksi pembakaran, jumlah oksigen dan bahan bakar
harus tepat. Yang dirumuskan sebagai berikut:
AFR =
ma =
Dimana:
..........................................................(2.9)[Lit. 11 hal. 56]
...........................................................(2.10)[Lit. 11 hal. 56]
massa udara di dalam silinder per siklus
massa bahan bakar di dalam silinder per siklus
laju aliran udara didalam mesin
laju aliran bahan bakar di dalam mesin
tekanan udara masuk silinder
temperatur udara masuk silinder
konstanta udara
volume langkah (displacement)
volume sisa
2.2 Bahan Bakar Hidrokarbon
Bahan bakar adalah suatu materi yang bisa terbakar dan bisa diubah
menjadi energi. Bahan bakar hidrokarbon adalah bahan bakar yang didominasi
oleh susunan unsur Hidrogen dan Karbon.
Pada proses pembakaran terbuka, umumnya bahan bakar yang digunakan
tersususun dari bahan hidrokarbon seperti solar dan kerosin yang di peroleh dari
hasil proses penyulingan minyak bumi atau minyak mentah ( Gambar 2.5 ).
Gambar 2.5 Penyulingan Minyak [1]
2.2.1 Bahan Bakar Bensin
Bensin merupakan bahan bakar yang digunakan pada mesin otto 2
langkah dan 4 langkah. Bensin (premium, super) merupakan bahan bakar
cair yang digunakan oleh kebanyakan motor-motor bensin. Bensin adalah
bahan bakar cair yang mudah menguap, pada suhu 60 derajat celcius kurang
lebih 35-60% sudah menguap dan akan menguap 100% kira-kira pada suhu
diatas 100 derajat celcius. Premium adalah bahan bakar minyak jenis distilat
berwarna kekuningan yang jernih dan mempunyai nilai oktan 88. Bensin
premium mempuyai sifat anti ketukan yang baik dan dapat dipakai pada
mesin dengan batas kompresi hingga 9,0 : 1 pada semua jenis kondisi,
namun tidak baik jika digunakan pada motor bensin dengan kompresi tinggi
karena dapat menyebabkan knocking. Bensin premium produk Pertamina
memiliki kandungan maksimum sulfur (S) 0,05%, timbal (Pb) 0,013% (jenis
tanpa timbal) dan Pb 0,3% (jenis dengan timbal), oksigen (O) 2,72%,
pewarna 0,13 gr/100 l, tekanan uap 62 kPa, titik didih 215 ºC, serta massa
jenis (suhu 15ºC). [23]
2.3 Bahan Bakar Gas
Bahan Bakar Gas merupakan Bahan bakar hidrokarbon dengan fase gas
yang telah dimampatkan. Secara umum lebih dari 80% komponen gas bumi yang
dipakai sebagai BBG merupakan gas metana, 10%-15% gas etana, dan sisanya
adalah gas karbon dioksida, dan gas-gas lain. Bahan bakar gas dapat
dikelompokkan ke dalam dua bagian utama yaitu gas alam (natural gas) dan gas
buatan (manufactured gas).
Gas alam umumnya berada di tempat yang sama dengan endapan minyak
dan batubara. Sedangkan gas buatan diproduksi dari kayu, tanah gambut,
batubara, minyak, dan sebagainya. Komponen mampu bakar dari gas adalah
metana,
karbondioksida,
dan
hidrogen
dalam
jumlah
yang
bervariasi.
Karakteristik dari gas sangat tergantung pada komponen yang ada dalam gas
tersebut. Berdasarkan sumbernya bahan bakar gas dapat dibagi 2 yaitu :
Bahan bakar yang secara alami didapat kandari alam:
- Gas alam
- Metan dari penambangan batubara
Bahan bakar gas yang terbuat dari bahan bakar padat
- Gas yang terbentuk dari batubara
- Gas yang terbentuk dari limbah dan biomasa
- Dari proses industri lainnya (gas blast furnace)
Biogas merupakan gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik atau
fermentasi dengan kandungan methana 55-65 %.
2.3.1 Sejarah Biogas
Gas methan (biogas) ini sudah lama digunakan oleh warga Mesir,
China, dan Roma kuno untuk dibakar dan digunakan sebagai penghasil
panas. Sejarah penemuan proses anaerobik digestion untuk menghasilkan
biogas
tersebar
terhadap gas yang
dibenua Eropa. Penemuan ilmuan Alessandro Volta
dikeluarkan dirawa-rawa terjadi pada tahun 1770,
beberapa decade kemudian Avogadro mengidentifikasikan tentang gas
Methana. Setelah tahun 1875 dipastikan bahwa biogas merupakan produk
dari proses anaerobik digestion. Tahun 1884
Pateour melakukan
penelitian tantang biogas menggunakan kotoran hewan. Era penelitian
Pasteour menjadi landasan untuk penelitian biogas hingga saat ini. Alat
pencerna anaerobik pertama dibangun pada tahun 1900 [24]
2.3.2 Definisi Biogas
Biogas merupakan gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik
atau fermentasi dari bahan-bahan organik termasuk diantaranya; kotoran
manusia
dan
hewan,
limbah
domestik
(rumah
tangga),
sampah
biodegradable atau setiap limbah organik yang biodegradable dalam kondisi
anaerobik. Kandungan utama dalam biogas adalah metana (CH4) dan karbon
dioksida (CO2). Biogas dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar alternatif
yang berasal dari sumber energi terbarukan. .
Saat ini pemanfaatan Biogas yaitu digunakan sebagai bahan bakar
altrenatif pengganti bahan bakar fosil, salah satunya Biogas digunakan
sebagai pengganti LPG untuk kompor gas rumah tangga, selain itu Biogas
juga digunakan sebagai bahan bakar untuk mengoperasikan generator listrik
[12]
2.3.3 Karakteristik Bahan Bakar Biogas
Kandungan komposisi biogas dapat berbeda-beda tergantung dari
bahan pembuatnya. Kandungan utama dari biogas adalah gas metana (CH4)
dan karbon dioksida (CO2) kandungan gas lainnya ialah karbon monoksida
(CO), nitrogen (N), hidrogen sulfide (H2S), oksigen (O2), hidrogen (H2),
dan ammonia (NH3).
Sifat fisik dan kimiawi biogas dipengaruhi oleh bahan baku
pembuat biogas tersebut dan nilainya berbeda-beda akan tetapi tidak terlalu
jauh.
Secara umum komposisi kandungan biogas ditunjukan pada table
2.1.
Tabel 2.1 Komposisi kandungan biogas
Sumber : Biogas Composistion and qualities[13]
Biogas memiliki beberapa sifat fisik secara umum yaitu :
Tabel 2.2 Sifat fisik biogas [21]
Sifat Fisik
Keterangan
Titik Bakar
650-750 0C
Specific Gravity
0,55
Desnsitas
1,2 kg/m3
RON
130
Nilai Kalor
17 - 30 MJ/kg
Laju Nyala
0,25 m/s
Adapun sifat kimiawi dari biogas secara umum adalah :
1. Biogas mudah terbakar bila bercampur dengan oksigen flash point
-188 0C.
2. Biogas sulit untuk disimpan dalam tabung praktis karena biogas dapat
berubah fase menjadi cair pada suhu -1780C.
3. Biogas tidak menghasilkan karbon monoksida bila dibakar sehingga
aman untuk penggunakan rumah tangga.
4. Biogas tidak memiliki warna dan tidak berbau.
2.3.4 Nilai Kalor Biogas
Dengan menggunakan rumus pembakaran, berat dari uap air yang
dihasilkan dapat dihitung.
CH4 + O2 >>> CO2 + 2H2O
16.042 + 64 >>> 44.011 + 36.032
36.032/16.042 = 2.246 lb H2O/lb CH4
Dengan mengasumsikan panas kondensasi air sebesar 1040 Btu/lb,
maka panas kondensasi pembakaran metana sekitar 2336 Btu per pound
metana yang dibakar. HHV dan LHV untuk pembakaran metana dapat kita
lihat sebagai berikut.
HHV = 23,890 Btu/lb or 994.7 Btu/ft3*
LHV = 21,518 Btu/lb or 896.0 Btu/ft3*
* At 68 °F and 14.7 psia.
Berikut ini adalah sifat-sifat biogas tiap %CH4 yang dikandungnya :
Tabel 2.3 Nilai LHV biogas tiap % CH4 yang dikandungnya [9]
Biogas Kering (CH4 dan CO2) pada 32 F & 1 atm
%
Densitas
%Volume
g mol
Berat
ft3/lb
3
CH 4
wt
lbs
d.g/ft
CH4
d.g
40
42
44
46
48
50
52
54
56
32,8
32,3
31,7
31,1
30,6
30,0
29,5
28,9
28,4
19,60
20,90
22,30
23,70
25,20
26,70
28,30
30,00
31,70
0,09160
0,09000
0,08850
0,08690
0,08540
0,08380
0,08220
0,08070
0,07910
10,920
11,110
11,300
11,500
11,710
11,930
12,160
12,390
12,640
LHV
Btu/ft3
385
405
424
443
463
482
501
520
540
58
60
62
64
66
68
70
27,8
33,50
0,07760
12,890
27,2
35,40
0,07600
13,160
26,7
37,30
0,07440
13,430
26,1
39,30
0,07290
13,720
25,6
41,40
0,07130
14,020
25,0
43,70
0,06980
14,340
24,4
46,00
0,06820
14,660
Sumber : David Ludington, 2006
559
578
598
617
636
655
675
2.3.5 Pemurnian Biogas (Purifikasi biogas)
Pemurnian (purifikasi) biogas adalah cara untuk meningkatkan
nilai kalor dari biogas. Pemurnian biogas dilakukan untuk menghilangkan
gas CO2, H2O dan H2S yang terkandung dalam biogas,seiring dengan
hilangnya gas gas tersebut maka kandungan gas methana dalam biogas akan
meningkat yaitu sekitar 70-95%. Dengan pemurnian biogas, maka biogas
akan semakin baik digunakan untuk pembakaran.
Menurut Ryckebosch (2011) pemurnian biogas dapat dilakukan
melalui dua langkah utama yaitu menghilangkan trace components seperti
hidrogen sulfida dan uap air yang menyebabkan korosi dan menghilangkan
gas karbon dioksida untuk meningkatkan nilai kalor.
Proses pemurnian biogas dapat dilakukan dengan berbagai metode
pemurnian diantaranya menggunakan water scrubbing, penyerapan kimia
menggunakan MEA dan DEA pressure swing adsorption dan cryogenic
separation.
Gambar 2.6 Proses pemurnian biogas [15]
2.3.6 Proses Pembuatan Biogas
Pada dasarnya pembuatan biogas sangat sederhana, yaitu hanya
dengan memasukkan substrat seperti kotoran ternak, limbah pertanian,
limbah rumah tangga ke dalam digester yang anaerob yang kemudian akan
menghasilkan biogas dan dapat disimpan di dalam tangki penyimpanan
kemudian dapat digunakan.
Prinsip pembuatan biogas adalah adanya dekomposisi bahan
organik secara anaerobik (tertutup dari udara bebas) untuk menghasilkan
gas yang sebagian besar adalah berupa gas metan (yang memiliki sifat
mudah terbakar) dan karbon dioksida, gas inilah yang disebut biogas. Proses
dekomposisi
anaerobik
dibantu
oleh
sejumlah
mikroorganisme,
terutamabakteri metan. Suhu yang baik untuk proses fermentasi adalah 3055oC, dimana pada suhu tersebut mikro organisme mampu merombak bahan
bahan organik secara optimal.
Berikut ini skema proses pembuatan biogas pada gambar 2.7.
Gambar 2.7 Proses pembuatan biogas sederhana [12]
Proses pembuatan biogas dalam perkembangan saat ini dibagi
menjadi 3 jenis yaitu :
1. Fixed Dome Plant
Pada fixed dome plant, digesternya tetap. Penampung gas ada pada
bagian atas digester. Ketika gas mulai timbul, gas tersebut menekan
slurry ke bak slurry. Jika pasokan kotoran ternak terus menerus, gas
yang timbul akan terus menekan slurry hingga meluap keluar dari bak
slurry. Gas yang timbul digunakan/dikeluarkan lewat pipa gas yang
diberi katup/kran.
2. Floating Drum Plant
Floating drum plant terdiri dari satu digester dan penampung gas yang
bisa bergerak. Penampung gas ini akan bergerak keatas ketika gas
bertambah dan turun lagi ketika gas berkurang, seiring dengan
penggunaan dan produksi gasnya.
3. Jenis Balon
Reaktor balon merupakan jenis reaktor yang banyak digunakan pada
skala rumah tangga yang menggunakan bahan plastik sehingga lebih
efisien dalam penanganan dan perubahan tempat biogas. reaktor ini
terdiri dari satu bagian yang berfungsi sebagai digester dan penyimpan
gas masing masing bercampur dalam satu ruangan tanpa sekat. Material
organik terletak dibagian bawah karena memiliki berat yang lebih besar
dibandingkan gas yang akan mengisi pada rongga atas.
2.3.7 Kelebihan dan Kekurangan Biogas
Biogas memiliki beberapa kelebihan dan keuntungan dibandingkan
dengan bahan bakar gas lainnya seperti LPG dan CNG. Berikut ini adalah
beberapa kelebihan dan kekurangan biogas :
•
Kelebihan :
1. Energi yang terbaharukan dan tidak membutuhkan material yang
masih di gunakan sehingga tidak mengganggu keseimbangan
karbon dioksida.
2. Energi yang dihasilkan biogas dapat menggantikan bahan bakar
fosil (nilai kalor tinggi).
3. Ramah lingkungan.
4. Harga biogas murah.
5. Emisi gas buang yang rendah.
•
6. Menghasilkan pupuk organic yang berkulitas tinggi.
Kekurangan :
1. Memerlukan biaya instalasi yang cukup besar.
2. Belum dapat dikemas dalam bentuk cair dalam tabung.
3. Belum dikenal masyarakat luas.
2.4 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 pembuanganmesin.
Untuk mesin Diesel emisi gas buang yang dilihat adalah opasitas (ketebalan
asap), kandungan HC dan CO. Adapun Standart emisi gas buang berdasarkan
peraturan menteri negara lingkungan hidup nomor 05 tahun 2006 tentang ambang
batas emisi gas buang.
2.4.1. Sumber
Polutan dibedakan menjadi polutan primer atau 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.
2.4.2 Komposisi Kimia
Polutan dibedakan menjadi organik dan inorganik. Polutan organik
mengandung karbon dan hidrogen, juga beberapa elemen seperti oksigen,
nitrogen, sulfur atau fosfor, contohnya : hidrokarbon, keton, alkohol, ester
dan lain-lain. Polutan inorganik seperti : karbon monoksida (CO), karbonat,
nitrogen oksida, ozon dan lainnya.
2.4.3. 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.
a.) Partikulat
Polutan partikulat yang berasal dari kendaraan bermotor umumnya
merupakan fasa padat yang terdispersi dalam udara dan membentuk
asap. Fasa padatan tersebut berasal dari pembakaran tak sempurna
bahan bakar dengan udara, sehingga terjadi tingkat ketebalan asap
yang tinggi. Selain itu partikulat juga mengandung timbal yang
merupakan bahan aditif untuk meningkatkan kinerja pembakaran
bahan bakar pada mesin kendaraan.
Apabila butir-butir bahan bakar yang terjadi pada penyemprotan
kedalam silinder motor terlalu besar atau apabila butir–butir
berkumpul menjadi satu, maka akan terjadi dekomposisi yang
menyebabkan terbentuknya karbon–karbon padat atau angus. Hal ini
disebabkan karena pemanasan udara yang bertemperatur tinggi, tetapi
penguapan dan pencampuran bahan bakar dengan udara yang ada di
dalam silinder tidak dapat berlangsung sempurna, terutama pada saat–
saat dimana terlalu banyak bahan bakar disemprotkan yaitu pada
waktu daya motor akan diperbesar, misalnya untuk akselerasi, maka
terjadinya angus itu tidak dapat dihindarkan. Jika angus yang terjadi
itu terlalu banyak, maka gas buang yang keluar dari gas buang motor
akan bewarna hitam.
b.) Unburned Hidrocarbon (UHC)
Hidrokarbon yang tidak terbakar dapat terbentuk tidak hanya
karena campuran udara bahan bakar yang gemuk, tetapi bisa saja pada
campuran kurus bila suhu pembakarannya rendah dan lambat serta
bagian dari dinding ruang pembakarannya yang dingin dan agak besar.
Motor memancarkan banyak hidrokarbon kalau baru saja dihidupkan
atau berputar bebas (idle) atau waktu pemanasan.
Pemanasan dari udara yang masuk dengan menggunakan gas
buang meningkatkan penguapan dari bahan bakar dan mencegah
pemancaran hidrokarbon. Jumlah hidrokarbon tertentu selalu ada
dalam penguapan bahan bakar, di tangki bahan bakar dan dari
kebocoran gas yang melalui celah antara silinder dari torak masuk
kedalam poros engkol, yang disebut dengan blow by gasses (gas
lalu).Pembakaran tak sempurna pada kendaraan juga menghasilkan
gas buang yang mengandung hidrokarbon. Hal ini pada motor diesel
terutama disebabkan oleh campuran lokal udara bahan bakar tidak
dapat mencapai batas mampu bakar.
c.) Karbon Monoksida (CO)
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
selama idling pada beban rendah atau pada output maksimum. Karbon
monoksida tidak dapat dihilangkan jika campuran udara bahan bakar
gemuk. Bila campuran kurus karbon monoksida tidak terbentuk.
d.) Oksigen (O2)
Oksigen (O2) sangat berperan dalam proses pembakaran, dimana
oksigen tersebut akan diinjeksikan ke ruang bakar. Dengan tekanan
yang sesuai akan mengakibatkan terjadinya pembakaran bahan bakar.
Nitrogen monoksida (NO) merupakan gas yang tidak berwarna dan
tidak berbau sebaliknya nitrogen dioksida (NO2) berwarna coklat
kemerahan dan berbau tajam. NO merupakan gas yang berbahaya
karena mengganggu saraf pusat. NO terjadi karena adanya reaksi
antara N2 dan O2 pada temperature tinggi di atas 1210oC. Persamaan
reaksinya adalah sebagai berikut:
O2
2O
N2+O
NO+N
N+O2
NO+O
2.5 Turbocharger
Turbocharger 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 turbocharger memampatkan asupan udara untuk tekanan
atmosfer di atas yang meningkatkan densitas saluran udara masuk ke mesin. 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 lebih dapat dibakar dan kekuasaan yang lebih diproduksi dengan stroke
masing-masing. Sebuah supercharger memampatkan asupan udara untuk tekanan
atmosfer di atas yang meningkatkan densitas saluran udara masuk ke mesin.
Mesin beroperasi dengan udara terkompresi pada tekanan atmosfer, yaitu 1
bar. Ketika katup intake silinder terbuka, tekanan atmosfer mendorong udara ke
dalam silinder ketika piston diturunkan. Ketika katup buang terbuka, piston
mendorong gas buang keluar ke dalam sistem knalpot, lagi pada tekanan atmosfer
normal. Karena baik asupan dan knalpot ujung sistem ini adalah pada tekanan
udara yang sama, tidak ada aliran alami udara melalui sistem. Pada mesin
tersebut, timing katup, timing camshaft & knalpot ukuran sangat penting untuk
mendapatkan output daya maksimum.
Dalam sistem supercharger, ada laju aliran massa udara yang lebih besar,
yaitu kerapatan yang lebih tinggi dan kecepatan aliran udara. Tekanan udara
meningkat dalam perjalanan ke mesin, daya lebih dihasilkan oleh pembakaran,
dan gas buang keluar jauh lebih cepat, membuat timing dan knalpot ukuran
kurang penting. Meskipun beberapa dari kekuatan tambahan dihasilkan harus
digunakan untuk menggerakkan pompa konpresor, hasil bersih lebih total daya
dari sistem. Supercharger membutuhkan sumber putaran untuk menggerakan
komponennya, sumber putarannya biasanya diambil dari tenaga mesin. Prinsip
kerjanya yaitu terdapat turbin di dalam supercharger yang berputar sesuai dengan
putaran yang disalurkan dari mesin, kemudian putaran ini akan mengkompresikan
udara yang dihisap dari poros turbin kemudian mengalir mengikuti bentuk
daripada supercharger (rumah keong) kemudian keluar dan masuk menuju ke
saluran intake daripada mesin dan menekan udara dan bahan bakar masuk ke
dalam ruang bakar. Keunggulan dari supercharger ini adalah efeknya lebih
spontan, dari putaran rendah sudah terjadi kenaikkan tenaga (Arismunandar,
Wiranto.1988).
Gambar 2.8 Turbocharger [22]
2.6 Turbocharger Elektrik
Mengantisipasi regulasi yang harus dijalankan negara-negara dunia pada
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.
Caranya, dengan menawarkan supercharger listrik (electric supercharger).
Tujuannya, agar mesin bekerja makin efisien. Supercharger atau turbocharger
listrik bukanlah temuan baru. Di Indonesia alat sudah dipasarkan sejak awal 1990an.
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. Hebatnya lagi, supercharger ini
ditarget untuk mesin yang berkapasitas kecil. Pasalnya, supercharger ini tidak
mempengaruhi langsung kinerja mesin. Bisa bekerja pada seluruh kondisi kerja
mesin.Di lain hal, supercharger konvensional, untuk memutarnya, dibutuhkan
tenaga langsung dari mesin. Tepatnya, untuk memutarnya, turbocharger
mengkonsumsi sebagian kecil tenaga yang dihasilkan mesin.
Turbocharger yang digerakkan oleh gas buang – energi diperoleh secara
gratis – hanya lancar bekerja pada putaran sedang dan tinggi (di atas 2.500 rpm).
Pada putaran rendah, dengan tekanan gas buang yang masih lemah, terjadi gejala
yang disebut “turbo lag”. Akibatnya, mesin kurang rensposif pada putaran rendah.
Dengan supercharger, apalagi digerakkan oleh listrik (mengambil tenaga dari
bateri 12 volt), sejak awal mesin bekerja udara tambahan sudah bisa dipasok ke
dalam mesin. Dengan ini, tenaga atau torsi bisa diperoleh pada putaran lebih
rendah. Hasilnya, selain irit bahan bakar, membuat mesin enak dan nyaman
dikendarai di jalanan yang makin macet.
Gambar 2.9 Prinsip kerja Turbocharger [19]
Diharapkan pula, dengan supercharger ini, penggunaan mesin ber-cc lebih
kecil makin berkembang. Hal ini tidak hanya menguntungkan pemakai mesin dari
konsumsi bahan bakar, harga juga bisa ditekan karena pajaknya lebih murah.
2.7 Catalytic Converter
Kendaraan bermotor menggunakan bahan bakar sebagai sumber energi agar
dapat bergerak. Energi tersebut diaktifkan dengan cara membakar bahan bakar.
Bahan bakar kendaraan mengandung campuran senyawa hidrokarbon (Senyawa
yang mengandung unsur karbon dan hidrogen). Ketika dibakar, unsur-unsur
tersebut akan menghasilkan gas Nitrogen (N2), karbon dioksida (CO2), dan uap air
(H2O) yang dikenal dengan istilah gas buangan.
Gas-gas buangan seperti gas nitrogen, karbon dioksida, dan uap air hanya
dihasilkan jika pembakaran bahan bakar berlangsung sempurna.Artinya, seluruh
senyawa hidrokarbon habis bereaksi, tidak ada yang tersisa.Akan lain halnya jika
pembakaran tidak sempurna. Bahan bakar yang tidak terbakar sempurna akan
menghasilkan gas karbon monoksida (CO2), hidrokarbon, atau volatile organic
compounds (VOCs), dan oksida nitrogen.
Upaya lain yang dapat dilakukan yaitu dengan cara mengusap katalitik
konverter di kendaraan. Alat ini dapat mengubah oksida nitrogen, CO, dan HC
menjadi gas yang tidak berbahaya.Oksida dioksida, sedangkan hidrokarbon yang
tidak terbakar diubah menjadi karbon dan uap air
Gambar 2.10 Catalytic Converter [16]
2.7.1 Prinsip Kerja Catalytic Converter
Alat katalitik konverter tersusun dari dua katalis, yaitu katalis reduksi
atau reduction catalyst dan catalyst oksidasi (oxidization catalyst). Kedua katalis
ini dilapisi logam, seperti platinum, rodium, dan paladium.Baik katalis reduksi
maupun katalis oksidasi, struktur permukaannya di desain sedemikian rupa untuk
memaksimalkan permukaan katalis sekaligus meminimalkan jumlah katalis yang
dipakai.Perlu diketahui, harga katalis logam mahal.Ada dua jenis struktur
permukaan, yaitu struktur sarang lebah (honeycomb) dan keramik (ceramic
beads). Struktur sarang lebah lebih paling banyak digunakan.
Katalis reduksi berfungsi mengurangi emisi oksida nitrogen dengan cara
mengubahnya menjadi gas nitrogen dan oksigen. Logam platinum dan rodium
berfungsi sebagai katalis untuk mempercepat reaksi.Ketika molekul NO atau NO2
bersinggungan dengan katalis logam, permukaan katalis memecah oksida nitrogen
menjadi atom nitrogen dan atom oksigen.Atom nitrogen ditahan di permukaan
katalis, sedangkan unsur oksigen diubah menjadi molekul O2. Selanjutnya, atom
nitrogen yang tertahan dalam katalis berikatan dengan atom nitrogen lainnya
sehingga membentuk gas nitrogen (N2).
Katalis reduksi berfungsi mengurangi emisi oksida nitrogen dengan cara
mengubahnya menjadi gas nitrogen dan oksigen. Logam platinum dan rodium
berfungsi sebagai katalis untuk mempercepat reaksi.Ketika molekul NO atau NO2
bersinggungan dengan katalis logam, permukaan katalis memecah oksida nitrogen
menjadi atom nitrogen dan atom oksigen.Atom nitrogen ditahan di permukaan
katalis, sedangkan unsur oksigen diubah menjadi molekul O2.Selanjutnya, atom
nitrogen yang tertahan dalam katalis berikatan dengan atom nitrogen lainnya
sehingga membentuk gas nitrogen (N2).
Untuk menjelaskan reaksi-reaksi yang terjadi di dalam katalitik konverter,
ahli kimia biasanya menggunakan persamaan reaksi sebagai berikut.
Katalis reduksi: NOx –> O2 + N2
Katalis oksidasi : 2CO + O2 –> 2CO2
Seluruh proses tersebut dikendalikan oleh alat yang memonitor arus gas
buangan. Informasi yang diperoleh dipakai lagi sebagai kendali sistem injeksi
bahan bakar.Sebuah alat sensor oksigen diletakkan diantara mesin dan
konventer.Sensor ini memberi informasi ke komputer mesin seberapa banyak
oksigen yang ada di saluran gas buangan. Komputer akan mengurangi atau
menambah jumlah oksigen sesuai rasio udara bahan bakar. Sistem pengendalian
membuat komputer mesin memastikan kondisi mesin mendekati rasio stoikiometri
dan memastikan ketersediaan oksigen di dalam saluran buangan untuk proses
oksidasi hidrokarbon dan karbon monoksida yang belum terbakar.
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 thermalnya, maka motor bakar dapat dibagi menjadi 2
golongan yaitu motor pembakaran luar dan pembakaran dalam. Motor
pembakaran dalam (Internal Combustion Engine) ialah motor bakar yang
pembakarannya terjadi di dalam pesawat itu sendiri [1]
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.
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 dipatekan 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.
2.1.1 Prinsip Kerja Motor Bakar 4 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 bakar terdiri dari 5 hal yaitu:
1. Pengisian campuran udara dan bahan bakar
2. Pemampatan/pengkompresian campuran udara dan bahan bakar
3. Pembakaran campuran udara dan bahan bakar
4. Pengembangan gas hasil pembakaran
5. Pembuangan gas bekas
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.
Gambar 2.1 Diagram P-v siklus otto [5]
Gambar 2.2 Diagram T-S Siklus otto [5]
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:
a. 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).
b. 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 akan mudah terbakar.
c. Langkah Usaha
Akibat adanya pembakaran maka pada ruang bakar terjadi panas
dan pemuaian yang tiba-tiba. Pemuaian tersebut mendorong piston untuk
bergerak dari TMA ke TMB. Kedua katup masih dalam keadaan tertutup
rapat sehingga seluruh tenaga panas mendorong piston untuk bergerak.
d. 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 [17]
2.1.2 Parameter Prestasi Motor Bakar 4 Langkah
Secara praktis prestasi mesin ditunjukan oleh torsi dan daya.
Parameter inirelatif penting untuk mesin dengan variasi kecepatan operasi
dan tingkat pembebanan. Daya poros maksimum menggambarkan sebagai
kemampuanmaksimum mesin. Torsi poros maksimum pada kecepatan
tertentumengindikasikan kemampuan untuk rnemperoleh aliran udara (atau
campuranudara dengan bahan bakar) yang tinggi yang masuk ke dalam
mesin padakecepatan tersebut. Sewaktu mesin dioperasikan pada waktu
yang lama konsumsi bahan bakar dan efisiensi mesin menjadi sangat
penting.
Daya berbanding lurus dengan luas piston sedang torsi berbanding
lurus dengan volume langkah. Parameter tersebut relatif penting digunakan
pada mesin yang berkemampuan kerja dengan variasi kecepatan operasi dan
tingkat pembebanan. Daya maksimum didefinisikan sebagai kemampuan
maksimum yang bisa dihasilkan oleh suatu mesin. Adapun torsi poros pada
kecepatan tertentu mengindikasikan kemampuan untuk memperoleh aliran
udara (dan juga bahan bakar) yang tinggi kedalam mesin pada kecepatan
tersebut.
Parameter prestasi mesin dapat dilihat dari berbagai hal diantara
yang terdapat dalam gambar 2.4 berikut :
Gambar 2.4 Diagram Alir Prestasi Mesin [1]
2.1.3 Performansi Mesin Otto
Ada beberapa hal yang mempengaruhi performansi 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 bias 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 maka
aliran udara dibuat turbulen, sehingga diharapkan tingkat homogenitas
campuran akan lebih baik.
1. Torsi
Torsi adalah ukuran kemampuan mesin untuk melakukan kerja,
jadi torsi adalah suatu energi. Besaran torsi adalah besaran turunan yang
biasa digunakan untuk menghitung energi yang dihasilkan dari benda yang
berputar pada porosnya..
Biasanya motor pembakaran ini dihubungkan dengan dynamometer
dengan maksud mendapatkan keluaran dari motor pembakaran dengan cara
menghubungkan poros motor pembakaran dengan poros dynamometer
dengan menggunakan kopling elastik.
...................................................................(2.1) [Lit. 3 hal.
PB =
46]
...........................................................................(2.2)[Lit. 3 hal. 46]
T=
Dimana :
PB = Daya ( W )
T = Torsi ( Nm )
N = Putaran mesin (rpm)
2. Daya
Power yang dihitung dengan satuan Kw (Kilo watts) atau Horse
Power (HP) mempunyai hubungan erat dengan torque. Power dirumuskan
sebagai berikut :
PB =
...................................................................(2.3)[Lit. 3 hal. 46]
Dimana :
P = Daya (Watt)
N = putaran mesin (rpm) T = Torsi (N.m)
Pada motor bakar, daya dihasilkan dari proses pembakaran didalam
silinder dan biasanya disebut dengan daya indiaktor. Daya tersebut
dikenakan pada torak yang bekerja bolak balik didalam silinder mesin. Jadi
didalam silinder mesin, terjadi perubahan energi dari energi kimia bahan
bakar dengan proses pembakaran menjadi energi mekanik pada torak. Daya
indikator adalah merupakan sumber tenaga persatuan waktu operasi mesin
untuk mengatasi semua beban mesin. Mesin selama bekerja mempunyai
komponen-komponen
yang
saling
berkaitan
satu
dengan
lainnya
membentuk kesatuan yang kompak
3. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (specific fuel consumption, sfc)
Konsumsi bahan bakar spesifik adalah parameter unjuk kerja mesin
yang berhubungan langsung dengan nilai ekonomis sebuah mesin, karena
dengan mengetahui hal ini dapat dihitung jumlah bahan bakar yang
dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu.
Bila daya rem dalam satuan kW dan laju aliran massa bahan bakar
dalam satuan kg/jam, maka :
..............................................................(2.4)[Lit. 11 hal. 56]
SFC =
ṁf=
x 3600........................................(2.5)[Lit. 11 hal. 56]
Dengan :
SFC = konsumsi bahan bakar spesifik (kg/kw.h)
PB = daya (W)
= konsumsi bahan bakar
sgf = spesifik grafity
t = waktu (jam)
4. Effisiensi Thermal Brake
Daya aktual yang dihasilkan oleh mesin selalu lebih kecil daripada
energi yang seharusnya dihasilkan. Hal ini terjadi dikarenakan oleh adanya
rugi-rugi mekanis (mechanical losses). Semakin tinggi daya aktual yang
dihasilkan oleh mesin, maka efisiensi pun akan semakin tinggi. Efisiensi
inilah yang sering disebut dengan efisiensi thermal brake (brake thermal
efficiency ��).
ηb =
x 3600.........................................................(2.6) [Lit. 3 hal. 59]
2.1.4 Teori Pembakaran
Pembakaran merupakan proses reaksi kimia, yaitu elemen tertentu
dari bahan bakar setelah dinyalakan dan digabung dengan oksigen akan
menimbulkan panas sehingga menaikkan suhu dan tekanan. Elemen yang
dapat terbakar atau (combustable) yang utama adalah karbon (C) dan
hidrogen (H), elemen yang lain namun umumnya hanya sedikit terkandung
dalam bahan bakar adalah sulfur (S). Oksigen yang diperlukan untuk
pembakaran diperoleh dari udara bebas yang merupakan campuran dari
oksigen dan nitrogen.
Nitrogen atau zat lemas adalah unsur kimia yang biasanya
ditemukan sebagai gas tanpa warna, tanpa bau, tanpa rasa dan merupakan
gas diatomic bukan logam yang stabil, sangat sulit bereaksi dengan unsure
atau senyawa lainnya. Dinamakan zat lemas karena zat ini bersifat malas,
tidak aktif bereaksi dengan unsure lainnya dan tidak berpartisipasi dalam
pembakaran. Selama proses pembakaran, butiran minyak bahan bakar
dipisahkan menjadi elemen komponennya yaitu hydrogen dan karbon dan
masing-masing bergabung dengan oksigen dari udara secara terpisah.
Hidrogen bergabung dengan oksigen untuk membentuk air dan karbon
bergabung dengan oksigen menjadi karbondioksida. Jika oksigen yang
tersedia tidak cukup, maka sebagian dari karbon akan bergabung dengan
oksigen dalam bentuk karbon monoksida. Pembentukan karbon monoksida
hanya menghasilkan 30 % panas dibandingkan panas yang timbul oleh
pembentukan karbondioksida.
2.1.5 Nilai Kalor Bahan Bakar
Panas dihasilkan oleh reaksi kimia antara oksigen dengan bahan
bakar di ruang bakar. 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), yaitu Nilai Pembakaran
bila di dalam gas hasil pembakaran terdapat H2O berbentuk cairan atau pun
merupakan nilai kalor yang diperoleh secara eksperimen dengan
menggunakan
calorimeter
dimana
hasil
pembakaran
bahan
bakar
didinginkan sampai suhu kamar sehingga sebagian besar uap air yang
terbentuk dari pembakaran hydrogen mengembun dan melepaskan panas
latennya. Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung bila
diketahui komposisi bahan bakarnya dengan menggunakan persamaan
Dulong:
HHV = 33950 + 144200 (H2- ) + 9400S....................(2.7) [Lit. 11 hal. 56]
Dimana: HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
C
= Persentase karbon dalam bahan bakar
H2
= Persentase hidrogen dalam bahan bakar
O2
= Persentase oksigen dalam bahan bakar
S
= Persentase sulfur dalam bahan bakar
LHV = HHV – 2400 (M + 9 H2).....................................(2.8) [Lit. 11 hal. 56]
Dimana: LHV = Nilai Kalor Bawah (kJ/kg)
M
= Persentase kandungan air dalam bahan bakar (moisture)
2.1.6 Rasio Udara-Bahan Bakar
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 terjadinya reaksi pembakaran, jumlah oksigen dan bahan bakar
harus tepat. Yang dirumuskan sebagai berikut:
AFR =
ma =
Dimana:
..........................................................(2.9)[Lit. 11 hal. 56]
...........................................................(2.10)[Lit. 11 hal. 56]
massa udara di dalam silinder per siklus
massa bahan bakar di dalam silinder per siklus
laju aliran udara didalam mesin
laju aliran bahan bakar di dalam mesin
tekanan udara masuk silinder
temperatur udara masuk silinder
konstanta udara
volume langkah (displacement)
volume sisa
2.2 Bahan Bakar Hidrokarbon
Bahan bakar adalah suatu materi yang bisa terbakar dan bisa diubah
menjadi energi. Bahan bakar hidrokarbon adalah bahan bakar yang didominasi
oleh susunan unsur Hidrogen dan Karbon.
Pada proses pembakaran terbuka, umumnya bahan bakar yang digunakan
tersususun dari bahan hidrokarbon seperti solar dan kerosin yang di peroleh dari
hasil proses penyulingan minyak bumi atau minyak mentah ( Gambar 2.5 ).
Gambar 2.5 Penyulingan Minyak [1]
2.2.1 Bahan Bakar Bensin
Bensin merupakan bahan bakar yang digunakan pada mesin otto 2
langkah dan 4 langkah. Bensin (premium, super) merupakan bahan bakar
cair yang digunakan oleh kebanyakan motor-motor bensin. Bensin adalah
bahan bakar cair yang mudah menguap, pada suhu 60 derajat celcius kurang
lebih 35-60% sudah menguap dan akan menguap 100% kira-kira pada suhu
diatas 100 derajat celcius. Premium adalah bahan bakar minyak jenis distilat
berwarna kekuningan yang jernih dan mempunyai nilai oktan 88. Bensin
premium mempuyai sifat anti ketukan yang baik dan dapat dipakai pada
mesin dengan batas kompresi hingga 9,0 : 1 pada semua jenis kondisi,
namun tidak baik jika digunakan pada motor bensin dengan kompresi tinggi
karena dapat menyebabkan knocking. Bensin premium produk Pertamina
memiliki kandungan maksimum sulfur (S) 0,05%, timbal (Pb) 0,013% (jenis
tanpa timbal) dan Pb 0,3% (jenis dengan timbal), oksigen (O) 2,72%,
pewarna 0,13 gr/100 l, tekanan uap 62 kPa, titik didih 215 ºC, serta massa
jenis (suhu 15ºC). [23]
2.3 Bahan Bakar Gas
Bahan Bakar Gas merupakan Bahan bakar hidrokarbon dengan fase gas
yang telah dimampatkan. Secara umum lebih dari 80% komponen gas bumi yang
dipakai sebagai BBG merupakan gas metana, 10%-15% gas etana, dan sisanya
adalah gas karbon dioksida, dan gas-gas lain. Bahan bakar gas dapat
dikelompokkan ke dalam dua bagian utama yaitu gas alam (natural gas) dan gas
buatan (manufactured gas).
Gas alam umumnya berada di tempat yang sama dengan endapan minyak
dan batubara. Sedangkan gas buatan diproduksi dari kayu, tanah gambut,
batubara, minyak, dan sebagainya. Komponen mampu bakar dari gas adalah
metana,
karbondioksida,
dan
hidrogen
dalam
jumlah
yang
bervariasi.
Karakteristik dari gas sangat tergantung pada komponen yang ada dalam gas
tersebut. Berdasarkan sumbernya bahan bakar gas dapat dibagi 2 yaitu :
Bahan bakar yang secara alami didapat kandari alam:
- Gas alam
- Metan dari penambangan batubara
Bahan bakar gas yang terbuat dari bahan bakar padat
- Gas yang terbentuk dari batubara
- Gas yang terbentuk dari limbah dan biomasa
- Dari proses industri lainnya (gas blast furnace)
Biogas merupakan gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik atau
fermentasi dengan kandungan methana 55-65 %.
2.3.1 Sejarah Biogas
Gas methan (biogas) ini sudah lama digunakan oleh warga Mesir,
China, dan Roma kuno untuk dibakar dan digunakan sebagai penghasil
panas. Sejarah penemuan proses anaerobik digestion untuk menghasilkan
biogas
tersebar
terhadap gas yang
dibenua Eropa. Penemuan ilmuan Alessandro Volta
dikeluarkan dirawa-rawa terjadi pada tahun 1770,
beberapa decade kemudian Avogadro mengidentifikasikan tentang gas
Methana. Setelah tahun 1875 dipastikan bahwa biogas merupakan produk
dari proses anaerobik digestion. Tahun 1884
Pateour melakukan
penelitian tantang biogas menggunakan kotoran hewan. Era penelitian
Pasteour menjadi landasan untuk penelitian biogas hingga saat ini. Alat
pencerna anaerobik pertama dibangun pada tahun 1900 [24]
2.3.2 Definisi Biogas
Biogas merupakan gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik
atau fermentasi dari bahan-bahan organik termasuk diantaranya; kotoran
manusia
dan
hewan,
limbah
domestik
(rumah
tangga),
sampah
biodegradable atau setiap limbah organik yang biodegradable dalam kondisi
anaerobik. Kandungan utama dalam biogas adalah metana (CH4) dan karbon
dioksida (CO2). Biogas dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar alternatif
yang berasal dari sumber energi terbarukan. .
Saat ini pemanfaatan Biogas yaitu digunakan sebagai bahan bakar
altrenatif pengganti bahan bakar fosil, salah satunya Biogas digunakan
sebagai pengganti LPG untuk kompor gas rumah tangga, selain itu Biogas
juga digunakan sebagai bahan bakar untuk mengoperasikan generator listrik
[12]
2.3.3 Karakteristik Bahan Bakar Biogas
Kandungan komposisi biogas dapat berbeda-beda tergantung dari
bahan pembuatnya. Kandungan utama dari biogas adalah gas metana (CH4)
dan karbon dioksida (CO2) kandungan gas lainnya ialah karbon monoksida
(CO), nitrogen (N), hidrogen sulfide (H2S), oksigen (O2), hidrogen (H2),
dan ammonia (NH3).
Sifat fisik dan kimiawi biogas dipengaruhi oleh bahan baku
pembuat biogas tersebut dan nilainya berbeda-beda akan tetapi tidak terlalu
jauh.
Secara umum komposisi kandungan biogas ditunjukan pada table
2.1.
Tabel 2.1 Komposisi kandungan biogas
Sumber : Biogas Composistion and qualities[13]
Biogas memiliki beberapa sifat fisik secara umum yaitu :
Tabel 2.2 Sifat fisik biogas [21]
Sifat Fisik
Keterangan
Titik Bakar
650-750 0C
Specific Gravity
0,55
Desnsitas
1,2 kg/m3
RON
130
Nilai Kalor
17 - 30 MJ/kg
Laju Nyala
0,25 m/s
Adapun sifat kimiawi dari biogas secara umum adalah :
1. Biogas mudah terbakar bila bercampur dengan oksigen flash point
-188 0C.
2. Biogas sulit untuk disimpan dalam tabung praktis karena biogas dapat
berubah fase menjadi cair pada suhu -1780C.
3. Biogas tidak menghasilkan karbon monoksida bila dibakar sehingga
aman untuk penggunakan rumah tangga.
4. Biogas tidak memiliki warna dan tidak berbau.
2.3.4 Nilai Kalor Biogas
Dengan menggunakan rumus pembakaran, berat dari uap air yang
dihasilkan dapat dihitung.
CH4 + O2 >>> CO2 + 2H2O
16.042 + 64 >>> 44.011 + 36.032
36.032/16.042 = 2.246 lb H2O/lb CH4
Dengan mengasumsikan panas kondensasi air sebesar 1040 Btu/lb,
maka panas kondensasi pembakaran metana sekitar 2336 Btu per pound
metana yang dibakar. HHV dan LHV untuk pembakaran metana dapat kita
lihat sebagai berikut.
HHV = 23,890 Btu/lb or 994.7 Btu/ft3*
LHV = 21,518 Btu/lb or 896.0 Btu/ft3*
* At 68 °F and 14.7 psia.
Berikut ini adalah sifat-sifat biogas tiap %CH4 yang dikandungnya :
Tabel 2.3 Nilai LHV biogas tiap % CH4 yang dikandungnya [9]
Biogas Kering (CH4 dan CO2) pada 32 F & 1 atm
%
Densitas
%Volume
g mol
Berat
ft3/lb
3
CH 4
wt
lbs
d.g/ft
CH4
d.g
40
42
44
46
48
50
52
54
56
32,8
32,3
31,7
31,1
30,6
30,0
29,5
28,9
28,4
19,60
20,90
22,30
23,70
25,20
26,70
28,30
30,00
31,70
0,09160
0,09000
0,08850
0,08690
0,08540
0,08380
0,08220
0,08070
0,07910
10,920
11,110
11,300
11,500
11,710
11,930
12,160
12,390
12,640
LHV
Btu/ft3
385
405
424
443
463
482
501
520
540
58
60
62
64
66
68
70
27,8
33,50
0,07760
12,890
27,2
35,40
0,07600
13,160
26,7
37,30
0,07440
13,430
26,1
39,30
0,07290
13,720
25,6
41,40
0,07130
14,020
25,0
43,70
0,06980
14,340
24,4
46,00
0,06820
14,660
Sumber : David Ludington, 2006
559
578
598
617
636
655
675
2.3.5 Pemurnian Biogas (Purifikasi biogas)
Pemurnian (purifikasi) biogas adalah cara untuk meningkatkan
nilai kalor dari biogas. Pemurnian biogas dilakukan untuk menghilangkan
gas CO2, H2O dan H2S yang terkandung dalam biogas,seiring dengan
hilangnya gas gas tersebut maka kandungan gas methana dalam biogas akan
meningkat yaitu sekitar 70-95%. Dengan pemurnian biogas, maka biogas
akan semakin baik digunakan untuk pembakaran.
Menurut Ryckebosch (2011) pemurnian biogas dapat dilakukan
melalui dua langkah utama yaitu menghilangkan trace components seperti
hidrogen sulfida dan uap air yang menyebabkan korosi dan menghilangkan
gas karbon dioksida untuk meningkatkan nilai kalor.
Proses pemurnian biogas dapat dilakukan dengan berbagai metode
pemurnian diantaranya menggunakan water scrubbing, penyerapan kimia
menggunakan MEA dan DEA pressure swing adsorption dan cryogenic
separation.
Gambar 2.6 Proses pemurnian biogas [15]
2.3.6 Proses Pembuatan Biogas
Pada dasarnya pembuatan biogas sangat sederhana, yaitu hanya
dengan memasukkan substrat seperti kotoran ternak, limbah pertanian,
limbah rumah tangga ke dalam digester yang anaerob yang kemudian akan
menghasilkan biogas dan dapat disimpan di dalam tangki penyimpanan
kemudian dapat digunakan.
Prinsip pembuatan biogas adalah adanya dekomposisi bahan
organik secara anaerobik (tertutup dari udara bebas) untuk menghasilkan
gas yang sebagian besar adalah berupa gas metan (yang memiliki sifat
mudah terbakar) dan karbon dioksida, gas inilah yang disebut biogas. Proses
dekomposisi
anaerobik
dibantu
oleh
sejumlah
mikroorganisme,
terutamabakteri metan. Suhu yang baik untuk proses fermentasi adalah 3055oC, dimana pada suhu tersebut mikro organisme mampu merombak bahan
bahan organik secara optimal.
Berikut ini skema proses pembuatan biogas pada gambar 2.7.
Gambar 2.7 Proses pembuatan biogas sederhana [12]
Proses pembuatan biogas dalam perkembangan saat ini dibagi
menjadi 3 jenis yaitu :
1. Fixed Dome Plant
Pada fixed dome plant, digesternya tetap. Penampung gas ada pada
bagian atas digester. Ketika gas mulai timbul, gas tersebut menekan
slurry ke bak slurry. Jika pasokan kotoran ternak terus menerus, gas
yang timbul akan terus menekan slurry hingga meluap keluar dari bak
slurry. Gas yang timbul digunakan/dikeluarkan lewat pipa gas yang
diberi katup/kran.
2. Floating Drum Plant
Floating drum plant terdiri dari satu digester dan penampung gas yang
bisa bergerak. Penampung gas ini akan bergerak keatas ketika gas
bertambah dan turun lagi ketika gas berkurang, seiring dengan
penggunaan dan produksi gasnya.
3. Jenis Balon
Reaktor balon merupakan jenis reaktor yang banyak digunakan pada
skala rumah tangga yang menggunakan bahan plastik sehingga lebih
efisien dalam penanganan dan perubahan tempat biogas. reaktor ini
terdiri dari satu bagian yang berfungsi sebagai digester dan penyimpan
gas masing masing bercampur dalam satu ruangan tanpa sekat. Material
organik terletak dibagian bawah karena memiliki berat yang lebih besar
dibandingkan gas yang akan mengisi pada rongga atas.
2.3.7 Kelebihan dan Kekurangan Biogas
Biogas memiliki beberapa kelebihan dan keuntungan dibandingkan
dengan bahan bakar gas lainnya seperti LPG dan CNG. Berikut ini adalah
beberapa kelebihan dan kekurangan biogas :
•
Kelebihan :
1. Energi yang terbaharukan dan tidak membutuhkan material yang
masih di gunakan sehingga tidak mengganggu keseimbangan
karbon dioksida.
2. Energi yang dihasilkan biogas dapat menggantikan bahan bakar
fosil (nilai kalor tinggi).
3. Ramah lingkungan.
4. Harga biogas murah.
5. Emisi gas buang yang rendah.
•
6. Menghasilkan pupuk organic yang berkulitas tinggi.
Kekurangan :
1. Memerlukan biaya instalasi yang cukup besar.
2. Belum dapat dikemas dalam bentuk cair dalam tabung.
3. Belum dikenal masyarakat luas.
2.4 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 pembuanganmesin.
Untuk mesin Diesel emisi gas buang yang dilihat adalah opasitas (ketebalan
asap), kandungan HC dan CO. Adapun Standart emisi gas buang berdasarkan
peraturan menteri negara lingkungan hidup nomor 05 tahun 2006 tentang ambang
batas emisi gas buang.
2.4.1. Sumber
Polutan dibedakan menjadi polutan primer atau 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.
2.4.2 Komposisi Kimia
Polutan dibedakan menjadi organik dan inorganik. Polutan organik
mengandung karbon dan hidrogen, juga beberapa elemen seperti oksigen,
nitrogen, sulfur atau fosfor, contohnya : hidrokarbon, keton, alkohol, ester
dan lain-lain. Polutan inorganik seperti : karbon monoksida (CO), karbonat,
nitrogen oksida, ozon dan lainnya.
2.4.3. 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.
a.) Partikulat
Polutan partikulat yang berasal dari kendaraan bermotor umumnya
merupakan fasa padat yang terdispersi dalam udara dan membentuk
asap. Fasa padatan tersebut berasal dari pembakaran tak sempurna
bahan bakar dengan udara, sehingga terjadi tingkat ketebalan asap
yang tinggi. Selain itu partikulat juga mengandung timbal yang
merupakan bahan aditif untuk meningkatkan kinerja pembakaran
bahan bakar pada mesin kendaraan.
Apabila butir-butir bahan bakar yang terjadi pada penyemprotan
kedalam silinder motor terlalu besar atau apabila butir–butir
berkumpul menjadi satu, maka akan terjadi dekomposisi yang
menyebabkan terbentuknya karbon–karbon padat atau angus. Hal ini
disebabkan karena pemanasan udara yang bertemperatur tinggi, tetapi
penguapan dan pencampuran bahan bakar dengan udara yang ada di
dalam silinder tidak dapat berlangsung sempurna, terutama pada saat–
saat dimana terlalu banyak bahan bakar disemprotkan yaitu pada
waktu daya motor akan diperbesar, misalnya untuk akselerasi, maka
terjadinya angus itu tidak dapat dihindarkan. Jika angus yang terjadi
itu terlalu banyak, maka gas buang yang keluar dari gas buang motor
akan bewarna hitam.
b.) Unburned Hidrocarbon (UHC)
Hidrokarbon yang tidak terbakar dapat terbentuk tidak hanya
karena campuran udara bahan bakar yang gemuk, tetapi bisa saja pada
campuran kurus bila suhu pembakarannya rendah dan lambat serta
bagian dari dinding ruang pembakarannya yang dingin dan agak besar.
Motor memancarkan banyak hidrokarbon kalau baru saja dihidupkan
atau berputar bebas (idle) atau waktu pemanasan.
Pemanasan dari udara yang masuk dengan menggunakan gas
buang meningkatkan penguapan dari bahan bakar dan mencegah
pemancaran hidrokarbon. Jumlah hidrokarbon tertentu selalu ada
dalam penguapan bahan bakar, di tangki bahan bakar dan dari
kebocoran gas yang melalui celah antara silinder dari torak masuk
kedalam poros engkol, yang disebut dengan blow by gasses (gas
lalu).Pembakaran tak sempurna pada kendaraan juga menghasilkan
gas buang yang mengandung hidrokarbon. Hal ini pada motor diesel
terutama disebabkan oleh campuran lokal udara bahan bakar tidak
dapat mencapai batas mampu bakar.
c.) Karbon Monoksida (CO)
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
selama idling pada beban rendah atau pada output maksimum. Karbon
monoksida tidak dapat dihilangkan jika campuran udara bahan bakar
gemuk. Bila campuran kurus karbon monoksida tidak terbentuk.
d.) Oksigen (O2)
Oksigen (O2) sangat berperan dalam proses pembakaran, dimana
oksigen tersebut akan diinjeksikan ke ruang bakar. Dengan tekanan
yang sesuai akan mengakibatkan terjadinya pembakaran bahan bakar.
Nitrogen monoksida (NO) merupakan gas yang tidak berwarna dan
tidak berbau sebaliknya nitrogen dioksida (NO2) berwarna coklat
kemerahan dan berbau tajam. NO merupakan gas yang berbahaya
karena mengganggu saraf pusat. NO terjadi karena adanya reaksi
antara N2 dan O2 pada temperature tinggi di atas 1210oC. Persamaan
reaksinya adalah sebagai berikut:
O2
2O
N2+O
NO+N
N+O2
NO+O
2.5 Turbocharger
Turbocharger 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 turbocharger memampatkan asupan udara untuk tekanan
atmosfer di atas yang meningkatkan densitas saluran udara masuk ke mesin. 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 lebih dapat dibakar dan kekuasaan yang lebih diproduksi dengan stroke
masing-masing. Sebuah supercharger memampatkan asupan udara untuk tekanan
atmosfer di atas yang meningkatkan densitas saluran udara masuk ke mesin.
Mesin beroperasi dengan udara terkompresi pada tekanan atmosfer, yaitu 1
bar. Ketika katup intake silinder terbuka, tekanan atmosfer mendorong udara ke
dalam silinder ketika piston diturunkan. Ketika katup buang terbuka, piston
mendorong gas buang keluar ke dalam sistem knalpot, lagi pada tekanan atmosfer
normal. Karena baik asupan dan knalpot ujung sistem ini adalah pada tekanan
udara yang sama, tidak ada aliran alami udara melalui sistem. Pada mesin
tersebut, timing katup, timing camshaft & knalpot ukuran sangat penting untuk
mendapatkan output daya maksimum.
Dalam sistem supercharger, ada laju aliran massa udara yang lebih besar,
yaitu kerapatan yang lebih tinggi dan kecepatan aliran udara. Tekanan udara
meningkat dalam perjalanan ke mesin, daya lebih dihasilkan oleh pembakaran,
dan gas buang keluar jauh lebih cepat, membuat timing dan knalpot ukuran
kurang penting. Meskipun beberapa dari kekuatan tambahan dihasilkan harus
digunakan untuk menggerakkan pompa konpresor, hasil bersih lebih total daya
dari sistem. Supercharger membutuhkan sumber putaran untuk menggerakan
komponennya, sumber putarannya biasanya diambil dari tenaga mesin. Prinsip
kerjanya yaitu terdapat turbin di dalam supercharger yang berputar sesuai dengan
putaran yang disalurkan dari mesin, kemudian putaran ini akan mengkompresikan
udara yang dihisap dari poros turbin kemudian mengalir mengikuti bentuk
daripada supercharger (rumah keong) kemudian keluar dan masuk menuju ke
saluran intake daripada mesin dan menekan udara dan bahan bakar masuk ke
dalam ruang bakar. Keunggulan dari supercharger ini adalah efeknya lebih
spontan, dari putaran rendah sudah terjadi kenaikkan tenaga (Arismunandar,
Wiranto.1988).
Gambar 2.8 Turbocharger [22]
2.6 Turbocharger Elektrik
Mengantisipasi regulasi yang harus dijalankan negara-negara dunia pada
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.
Caranya, dengan menawarkan supercharger listrik (electric supercharger).
Tujuannya, agar mesin bekerja makin efisien. Supercharger atau turbocharger
listrik bukanlah temuan baru. Di Indonesia alat sudah dipasarkan sejak awal 1990an.
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. Hebatnya lagi, supercharger ini
ditarget untuk mesin yang berkapasitas kecil. Pasalnya, supercharger ini tidak
mempengaruhi langsung kinerja mesin. Bisa bekerja pada seluruh kondisi kerja
mesin.Di lain hal, supercharger konvensional, untuk memutarnya, dibutuhkan
tenaga langsung dari mesin. Tepatnya, untuk memutarnya, turbocharger
mengkonsumsi sebagian kecil tenaga yang dihasilkan mesin.
Turbocharger yang digerakkan oleh gas buang – energi diperoleh secara
gratis – hanya lancar bekerja pada putaran sedang dan tinggi (di atas 2.500 rpm).
Pada putaran rendah, dengan tekanan gas buang yang masih lemah, terjadi gejala
yang disebut “turbo lag”. Akibatnya, mesin kurang rensposif pada putaran rendah.
Dengan supercharger, apalagi digerakkan oleh listrik (mengambil tenaga dari
bateri 12 volt), sejak awal mesin bekerja udara tambahan sudah bisa dipasok ke
dalam mesin. Dengan ini, tenaga atau torsi bisa diperoleh pada putaran lebih
rendah. Hasilnya, selain irit bahan bakar, membuat mesin enak dan nyaman
dikendarai di jalanan yang makin macet.
Gambar 2.9 Prinsip kerja Turbocharger [19]
Diharapkan pula, dengan supercharger ini, penggunaan mesin ber-cc lebih
kecil makin berkembang. Hal ini tidak hanya menguntungkan pemakai mesin dari
konsumsi bahan bakar, harga juga bisa ditekan karena pajaknya lebih murah.
2.7 Catalytic Converter
Kendaraan bermotor menggunakan bahan bakar sebagai sumber energi agar
dapat bergerak. Energi tersebut diaktifkan dengan cara membakar bahan bakar.
Bahan bakar kendaraan mengandung campuran senyawa hidrokarbon (Senyawa
yang mengandung unsur karbon dan hidrogen). Ketika dibakar, unsur-unsur
tersebut akan menghasilkan gas Nitrogen (N2), karbon dioksida (CO2), dan uap air
(H2O) yang dikenal dengan istilah gas buangan.
Gas-gas buangan seperti gas nitrogen, karbon dioksida, dan uap air hanya
dihasilkan jika pembakaran bahan bakar berlangsung sempurna.Artinya, seluruh
senyawa hidrokarbon habis bereaksi, tidak ada yang tersisa.Akan lain halnya jika
pembakaran tidak sempurna. Bahan bakar yang tidak terbakar sempurna akan
menghasilkan gas karbon monoksida (CO2), hidrokarbon, atau volatile organic
compounds (VOCs), dan oksida nitrogen.
Upaya lain yang dapat dilakukan yaitu dengan cara mengusap katalitik
konverter di kendaraan. Alat ini dapat mengubah oksida nitrogen, CO, dan HC
menjadi gas yang tidak berbahaya.Oksida dioksida, sedangkan hidrokarbon yang
tidak terbakar diubah menjadi karbon dan uap air
Gambar 2.10 Catalytic Converter [16]
2.7.1 Prinsip Kerja Catalytic Converter
Alat katalitik konverter tersusun dari dua katalis, yaitu katalis reduksi
atau reduction catalyst dan catalyst oksidasi (oxidization catalyst). Kedua katalis
ini dilapisi logam, seperti platinum, rodium, dan paladium.Baik katalis reduksi
maupun katalis oksidasi, struktur permukaannya di desain sedemikian rupa untuk
memaksimalkan permukaan katalis sekaligus meminimalkan jumlah katalis yang
dipakai.Perlu diketahui, harga katalis logam mahal.Ada dua jenis struktur
permukaan, yaitu struktur sarang lebah (honeycomb) dan keramik (ceramic
beads). Struktur sarang lebah lebih paling banyak digunakan.
Katalis reduksi berfungsi mengurangi emisi oksida nitrogen dengan cara
mengubahnya menjadi gas nitrogen dan oksigen. Logam platinum dan rodium
berfungsi sebagai katalis untuk mempercepat reaksi.Ketika molekul NO atau NO2
bersinggungan dengan katalis logam, permukaan katalis memecah oksida nitrogen
menjadi atom nitrogen dan atom oksigen.Atom nitrogen ditahan di permukaan
katalis, sedangkan unsur oksigen diubah menjadi molekul O2. Selanjutnya, atom
nitrogen yang tertahan dalam katalis berikatan dengan atom nitrogen lainnya
sehingga membentuk gas nitrogen (N2).
Katalis reduksi berfungsi mengurangi emisi oksida nitrogen dengan cara
mengubahnya menjadi gas nitrogen dan oksigen. Logam platinum dan rodium
berfungsi sebagai katalis untuk mempercepat reaksi.Ketika molekul NO atau NO2
bersinggungan dengan katalis logam, permukaan katalis memecah oksida nitrogen
menjadi atom nitrogen dan atom oksigen.Atom nitrogen ditahan di permukaan
katalis, sedangkan unsur oksigen diubah menjadi molekul O2.Selanjutnya, atom
nitrogen yang tertahan dalam katalis berikatan dengan atom nitrogen lainnya
sehingga membentuk gas nitrogen (N2).
Untuk menjelaskan reaksi-reaksi yang terjadi di dalam katalitik konverter,
ahli kimia biasanya menggunakan persamaan reaksi sebagai berikut.
Katalis reduksi: NOx –> O2 + N2
Katalis oksidasi : 2CO + O2 –> 2CO2
Seluruh proses tersebut dikendalikan oleh alat yang memonitor arus gas
buangan. Informasi yang diperoleh dipakai lagi sebagai kendali sistem injeksi
bahan bakar.Sebuah alat sensor oksigen diletakkan diantara mesin dan
konventer.Sensor ini memberi informasi ke komputer mesin seberapa banyak
oksigen yang ada di saluran gas buangan. Komputer akan mengurangi atau
menambah jumlah oksigen sesuai rasio udara bahan bakar. Sistem pengendalian
membuat komputer mesin memastikan kondisi mesin mendekati rasio stoikiometri
dan memastikan ketersediaan oksigen di dalam saluran buangan untuk proses
oksidasi hidrokarbon dan karbon monoksida yang belum terbakar.