Kajian Eksperimental Perbandingan performansi mesin Otto Dengan Bahan Bakar Premium Dengan Campuran Bahan Bakar biogas Dan Lpg

BABII

TINJAUANPUSTAKA

2.1. Biogas

Biogas adalah gas yang dihasilkan oleh mikroorganisme ( bakteri ) melalui proses anaerobik (fermentasi) dari bahan-bahan organik seperti kotoran manusia dan hewan, tumbuhan, limbah rumah tangga, limbah pertanian, sampah atau limbah organik yang mudah dicerna dalam kondisi anaerobik. Proses penguraian bahan organik secara anaerob (tanpa oksigen) disebut juga dengan anerobic digestion dan peralatan yang digunakan dalam proses disebut sebagai digester (Aguilar 2001). Komponen utama yang terkandung pada biogas adalah metana (CH4) dan karbondioksida (CO2). Secara umum komposisi biogas dapat dilihat

pada tabel berikut ini :

Tabel 2.1. Komposisi biogas

No Komposisi Persentase (%)

1 Metana (CH4) 55 – 75

2 Karbondioksida (CO2) 25 – 45

3 Nitrogen (N2) 0 – 0,3

4 Hidrogen (H2) 1 – 5

5 Hidrogen Sulfida (H2S) 0 – 3

6 Oksigen (O2) 0,1 – 0,5

(Sumber : basic information on biogas, 2012)

Gas metana (CH4) adalah komponen penting dan utama dari biogas karena merupakan bahan bakar yang berguna dan memiliki nilai kalor yang cukup tinggi yakni sekitar 4800kkal/m³(Harahap, 1978) serta mempunyai sifat tidak berbau dan tidak berwarna. Jika gas yang dihasilkan dari proses fermentasi anaerobik ini dapat terbakar, berarti mengandung sedikitnya 45% gas metana. Untuk gas metana murni

(100%) mempunyai nilai kalor 8900kkal/m3. Ketika dibakar 1ft3 gas bio

metana. Karena kalorinya yang cukup tinggi itulah maka biogas dapat digunakan untuk penerangan, memasak, menggerakkan mesin dan sebagainya.

Berikut ini adalah sifat-sifat umum biogas, yaitu : 1. Gas yang tidak berwarna

2. Gas tidak berbau

3. Merupakan komponen hidrokarbon yang terpendek

4. CH4 di atmosfer bereaksi dengan ozon membentuk CO2 dan H2O

5. Memiliki daya nyala yang sangat tinggi (flameable) 6. Tergolong sebagai gas rumah kaca (GRK)

7. Sumber metana terbesar adalah makhluk hidup (sebagian besar dari rayap, kotoran mamalia) yang diperkirakan kadar emisinya sekitar 15, 75 dan 100 juta ton/tahun secara berturut-turut dan sedikitnya dari pertanian

8. Bila bereaksi dengan O2 akan menghasilkan CO2 dan H2O

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

(Sumber : Wikipedia, 2005)

2.1.1. Nilai Potensial Biogas

Metana dalam biogas memiliki karakteristik memiliki sifat mudah terbakar (flammable) dan dapat mengakibatkan ledakan. Hasil pembakarannya relatif lebih bersih daripada batubara, dan menghasilkan energi yang lebih besar dengan emisi karbondioksida yang lebih sedikit. Biogas merupakan bahan bakar alternatif terbaik, karena biogas dapat menjadi bahan bakar ramah lingkungan memiliki kandungan energi dalam jumlah yang besar, dan limbah biogas (residu) yang dapat dimanfaatkan sebagai pupuk. Hal ini menunjukkan betapa banyak nilai potensial biogas yang harus diperhatikan, agar kita lebih serius memanfaatkan serta mengembangkannya sebagai bahan bakar alternatif seperti yang telah dikembangkan di negara lain baik negara asia maupun negara amerika dan eropa. Berikut ini dapat kita lihat nilai kesetaraan biogas dengan sumber energi lain yang saat ini digunakan sebagai bahan bakar oleh manusia.

Tabel 2.2. Nilai kesetaraan biogas dengan sumber energi lain Bahan Bakar Kesetaraan Jumlah

Biogas 1 m3

Elpiji 0,46 kg

Minyak tanah 0,62 liter Minyak Solar 0,52 liter Bensin 0,8 liter Kayu bakar 3,5 kg (Sumber : Hermawan,dkk, 2007)

2.1.2. Proses Pembentukan Biogas

Biogas dibentuk dengan proses pencernaan anaerob dengan bantuan bakteri penghasil biogas. Bakteri ini terdiri dari beberapa jenis bakteri yaitu bakteri penghasil gas metana dan bakteri asam yang tidak menghasilkan metana. Keberadaan kedua jenis bakteri ini harus dalam keadaan seimbang untuk memastikan proses di dalam digester berjalan dengan efektif (Rahman, 2009). Terdapat beberapa tahap yang harus dilalui dalam proses pembentukan biogas yaitu dimulai dari tahap hidrolisis, asidogenesis, asitogenesis, dan tahap yang terakhir metanogenesis.

Gambar 2.1. Proses pembentukan biogas (Sumber : AL SEADI 2001)

Hidrolisis merupakan penguraian senyawa kompleks menjadi senyawa sederhana. Pada tahap pertama ini, bahan-bahan organik seperti karbohidrat, lipid, dan protein didegradasi menjadi senyawa dengan rantai pendek seperti peptida, asam amino, gula sederhana. Penguraian senyawa ini dilakukan oleh kelompaok

K b

L

P

t

h

G l

A

A

id l

Asam

karbo

Hidro

gen C

Hidro

gen

A

Metan

&

M t

bakteri hidrolisa seperti steptococci, bacteriodes, dan beberapa jenis enterobactericeae.

Asidogenesis merupakan pembentukan asam dari senyawa sederhana. Clostridium merupakan jenis bakteri asidogen yang mengubah asam organik, alkohol dan keton-keton (seperti ethanol, methanol, glyicerol dan aceton). Syntrobacter dan syntrophomonas wolfei merupakan contoh bakteri asitogen mengubah fatty acid dan alkohol menjadi asetat, hidrogen, dan karbondioksida dengan bantuan bakteri methanogen. Ethanol, propinonicacid, dan asam butirat dapat terkonversi menjadi asam asetat oleh bakteri asitogen.

Metanogenesis merupakan tahapan terakhir dan sekaligus yang paling menentukan, yakni melakukan penguraian produk dan sintetis tahap sebelumnya untuk menghasilkan gas metana (CH4). Hasil lain dari proses ini berupa

karbondioksida, air dan sejumlah kecil senyawa gas lainnya. Proses pembentukan gas metana dengan bantuan bakteri pembentuk metana seperti mathanobacterium, mathanobacillus, methanosacaria, dan methanococcus. Tahap ini mengubah asam lemak rantai pendek menjadi H2, CO2, dan asetat.

2.1.3. Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Produksi Biogas

Banyak faktor yang mempengaruhi keberhasilan produksi biogas, antara lain: 1. Bahan Baku

Bahan baku isian berupa bahan organik seperti kotoran ternak, limbah pertanian, sisa dapur dan sampah organik. Bahan isian harus terhindar dari bahan anorganik seperti pasir, batu, kaca dan plastik.

Bahan baku dalam bentuk selulosa lebih mudah dicerna oleh bakteri anaerobik. Sebaliknya, pencernaan akan lebih sukar dilakukan bakteri anaerob jika bahan bakunya banyak mengandung zat kayu atau lignin. Kotoran sapi dan kerbau sangat baik dijadikan bahan baku karena banyak mengandung selulosa (Paimin, 2001).

2. Rasio Karbon Dan Nitrogen (C/N)

Karbon dan Nitrogen adalah sumber makanan utama bagi bakteri anaerob, sehingga pertumbuhan optimum bakteri sangat dipengaruhi unsur ini, dimana Karbon dibutuhkan untuk mensuplai energi dan Nitrogen dibutuhkan untuk

membentuk struktur sel bakteri. Nitrogen amonia pada konsentrasi yang tinggi dapat menghambat proses fermentasi anaerob. Konsentrasi yang baik berkisar 200– 1500 mg/lt dan bila melebihi 3000 mg/lt akan bersifat toxic. Proses fermentasi anaerob akan berlangsung optimum bila rasio C:N bernilai 30:1, dimana jumlah karbon 30 kali dari jumlah nitrogen.

C/N rasio dengan nilai 30 (C/N = 30/1 atau karbon 30 kali dari jumlah nitrogen) akan menciptakan proses pencernaan pada tingkat yang optimum, bila kondisi yang lain juga mendukung. Bila terlalu banyak karbon, nitrogen akan habis terlebih dahulu. Hal ini akan menyebabkan proses berjalan dengan lambat. Bila nitrogen terlalu banyak (CN rasio rendah; misalnya 30/15), maka karbon habis terlebih dahulu dan proses fermentasi berhenti tidak boleh dicampur .

Ternak ruminansia seperti sapi, kambing dan domba rata-rata lebih lama dalam menghasilkan gas bio dibandingkan dengan ternak non ruminansia. Lamanya produksi gas bio disebabkan oleh mutu pakan yang lebih rendah, sehingga rasio C/N tinggi akibatnya perkembangan mikroba pembentuk gas lebih lama dibandingkan yang bermutu tinggi. Tinggi rendahnya mutu ini tergantung pada nilai N (nitrogen) di dalam ransum. Namun demikian nilai N juga tergantung pada C (karbon). Jadi, perbandingan C dan N akan menentukan lama tidaknya proses pembentukan gas bio.

Mikroorganisme membutuhkan nitrogen dan karbon untuk proses asimilasi. Karbon digunakan sebagai energi sedangkan nitrogen digunakan untuk membangun struktur sel. Bakteri penghasil metana menggunakan karbon 30 kali lebih cepat dari pada nitrogen.

Untuk menentukan bahan organik digester adalah dengan melihat rasio/perbandingan antara Karbon (C) dan Nitrogen (N). Beberapa percobaan menunjukkan bahwa metabolisme bakteri anaerobik akan baik pada rasio C/N antara 20-30. Jika rasio C/N tinggi, Nitrogen akan cepat dikonsumsi bakteri anaerobik guna memenuhi kebutuhan proteinnya, sehingga bakteri tidak akan bereaksi kembali saat kandungan Karbon tersisa. Jika rasio C/N rendah, Nitrogen akan terlepas dan berkumpul membentuk amoniak sehingga akan meningkatkan nilai PH bahan. Nilai PH yang lebih tinggi dari 8,5 akan dapat meracuni bakteri anaerobik.

Untuk menjaga rasio C/N, bahan organik rasio tinggi dapat dicampur bahan organik rasio C/N rendah. Rasio C/N beberapa bahan organik dapat dilihat pada Tabel 2.3.

Tabel 2.3. Rasio C/N beberapa bahan organik Bahan Organik Rasio C/N

Kotoran bebek 8

Kotoran manusia 8

Kotoran ayam 10

Kotoran kambing 12

Kotoran babi 18

Kotoran domba 19

Kotoran kerbau/sapi 24

Enceng Gondok (water hyacinth) 25

Kotoran gajah 43

Jerami (jagung) 60

Jerami (padi) 70

Jerami (gandum) 90

Serbuk gergaji > 200

Sumber: Karki and Dixit (1984)

3. Kandungan Bahan Kering

Bahan isian dalam pembuatan biogas harus berupa bubur. Bentuk bubur ini dapat diperoleh bila bahan bakunya mempunyai kandungan air yang tinggi. Bahan baku dengan kadar air yang rendah dapat dijadikan berkadar air tinggi dengan menambahkan air ke dalamnya dengan perbandingan tertentu sesuai dengan kadar bahan kering bahan tersebut. Bahan baku yang paling baik mengandung 7-9 % bahan kering (Paimin, 2001).

Setiap kotoran atau bahan baku akan berbeda sifat pengencerannya. Kotoran sapi segar misalnya, mempunyai kadar bahan kering 18 %. Agar diperoleh kandungan bahan isian sebesar 7-9 % bahan kering, bahan baku tersebut perlu diencerkan dengan air dengan perbandingan 1:1 (bahan baku : air). Adonan tersebut lalu diaduk sampai tercampur rata (Paimin, 2001).

Ternyata kotoran masing-masing jenis ternak mempunyai kandungan bahan kering yang berbeda-beda. Perbedaan bahan kering yang dikandung berbagai macam kotoran ternak akan membuat penambahan air yang berlainan. Untuk lebih jelasnya dapat diterangkan seperti pada tabel di bawah ini.

Tabel 2.4. Perkiraan Produksi Dan Kandungan bahan kering kotoran beberapa jenis ternak

Jenis Ternak Bobot Ternak (kg)

Produksi Kotoran (kg/Hari)

Bahan Kering (%)

Sapi

~ Betina potong 520 29 12

~ Betina perah 640 50 14

Ayam

~ Petelur 2 0,1 26

~ Pedaging 1 0,06 25

Babi

~ Dewasa 90 7 9

Domba 40 2 26

(Sumber : Fontenot et al,1993)

4. Temperatur

Gas metana dapat diproduksi pada 3 tingkat temperature sesuai dengan bakteri yang hadir. Bakteri psyhriphilic 0-7 oC, bakteri mesophilic pada temperatur 13-40 oC sedangkan termophilic pada temperatur 55-60 oC. Temperatur yang optimal untuk digester adalah temperatur 30-35 oC, kisaran temperatur ini mengkombinasikan kondisi terbaik untuk pertumbuhan bakteri dan produksi metana di dalam digester dengan lama proses yang pendek. Temperatur yang tinggi atau pada tingkat termophilic jarang digunakan karena sebagian besar bahan sudah dicerna dengan baik pada tingkat temperatur mesophilic, selain itu bakteri termophilic mudah mati karena perubahan temperatur (Fry, 1974).

Dekomposisi bahan-bahan organik dibawah kondisi anaerobik menghasilkan suatu gas yang sebagian besar terdiri atas campuran metana dan arang oksida. Gas ini dikenal sebagai gas rawa ataupun bio gas. Campuran gas ini adalah hasil dari fermentasi atau peranan anaerobic disebabkan sejumlah besar mikroorganisme terutama bakteri metana. Suhu yang baik untuk proses fermentasi adalah 30 oC hingga kira-kira 55 oC (Kamaruddin, dkk, 1995).

Temperatur yang tinggi akan memberikan hasil biogas yang baik namun suhu tersebut sebaiknya tidak boleh melebihi suhu kamar. Bakteri ini hanya dapat subur bila suhu disekitarnya berada pada suhu kamar. Suhu yang baik untuk proses pembentukan biogas berkisar antara 20-40 oC dan suhu optimum antara 28-30 oC.

5. Derajat Keasaman (pH)

Derajat keasaman (pH) sangat berpengaruh terhadap pertumbuhan aktivitas bakteri. Kisaran pH optimal untuk produksi metana adalah 7-7,2 tetapi pada kisaran 7,2-8,0 masih diizinkan. Untuk mencegah penurunan pH pada awal pencernaan dan menjaga pH pada kisaran yang diizinkan, maka dibutuhkan buffer yakni dengan penambahan larutan kapur.

Derajat keasaman sangat berpengaruh terhadap kehidupan mikroorganisme. Derajat keasaman yang optimum bagi kehidupan mikroorganisme adalah 6,8-7,8. Pada tahap awal fermentasi bahan organik akan terbentuk asam (asam organik) yang akan menurunkan pH. Untuk mencegah terjadinya penurunan pH dapat dilakukan dengan menambahkan larutan kapur (Ca(OH)2) atau kapur CaCO3.

6. Lama Fermentasi

Secara umum menurut Sweeten (1979), yang disitasi oleh Fontenot (1983), menerangkan bahwa proses fermentasi/pencernaan limbah ternak di dalam tangki pencerna dapat berlangsung 60-90 hari, tetapi menurut Sahidu (1983), hanya berlangsung 60 hari saja dengan terbentuknya gas bio pada hari ke-5 dengan suhu pencernaan 28 oC, sedangkan menurut Hadi, gas bio sekitar 10-24 hari.

Produksi biogas sudah terbentuk sekitar 10 hari. Setelah 10 hari fermentasi sudah terbentuk kira-kira 0.1-0.2 m3/kg dari berat bahan kering. Peningkatan

penambahan waktu fermentasi dari 10 hari hingga 30 hari meningkatkan produksi biogas sebesar 50%.

Pada hari ke 30 fermentasi jumlah gas bio yang terbentuk mencapai maksimal, dan setelah 30 hari fermentasi terjadi penurunan jumlah gas bio (Sembiring, 2004).

Tabel 2.5. Produksi biogas dan Lama cerna (Retention time) kotoran ternak di dalam tangki pencerna

Jenis Kotoran Ternak Lama Cerna (hari)

Sapi 60-80

Sapi + Jerami 10 % 60-100

Babi 40-60

Babi + Jerami 10 % 60-80

Ayam 80

Kambing/Domba 80-100

(Sumber : Uli et al, 1989. Biogas Plant in Animal Husbandry)

2.2. Liquified Petroleum Gas (LPG)

LPG (liquified petroleum gas), gas minyak bumi yang dicairkan atau yang sering disebut elpiji adalah campuran dari berbagai unsur hidrokarbon yang berasal dari gas alam. Dengan menambah tekanan dan menurunkan suhunya, LPG berubah menjadi cair. Komponennya didominasi propana (C3H8) dan butane(C4H10). Elpiji

juga mengandung hidrokarbon ringan lain dalam jumlah kecil, misalnya etana (C2H6)

dan pentana (C5H12).

LPG terdiri dari campuran utama propana dan butana dengan sedikit persentasi hidrokarbon tidak jenuh (propilen dan butilen dan beberapa fraksi C2 yang

lebih ringan dan C5 yang lebih berat. Senyawa yang terdapat dalam LPG adalah

propan (C3H8), proilen (C3H6), normal dan iso-butan (C4H10) dan butilen (C4H8). LPG

merupakan campuran dari hidrokarbon tersebut yang berbentuk gas pada tekanan atmosfer, namun dapat diembunkan menjadi bentuk cair pada suhu normal, dengan tekanan yang cukup besar.

Dalam kondisi atmosfer, elpiji akan berbentuk gas. Volume elpiji dalam bentuk cair lebih kecil dibandingkan dalam bentuk LPG untuk berat yang sama. Karena itu elpiji dipasarkan dalam bentuk cair dalam tabung-tabung logam bertekanan. Untuk memungkinkan terjadinya ekspansi panas (thermal expansion) dari cairan yang dikandungnya, tabung elpiji tidak diisi secara penuh, hanya sekitar 80-85% dari kapasitasnya. Rasio antara volume gas bila menguap dengan gas dalam keadaan cair bervariasi tergantung komposisi, tekanan dan temperatur, tetapi biasaya 250:1.

Tekanan di mana elpiji berbentuk cair, dinamakan tekanan uap-nya, juga bervariasi tergantung komposisi dan temperatur; sebagai contoh, dibutuhkan tekanan sedir 220 kPa (2.2 bar) bagi butana murni pada 20 °C (68 °F) agar mencair, dan sedir 2.2 MPa (22 bar) bagi propana murni pada 55 °C (131 °F).

Menurut spesifikasinya, elpiji dibagi menjadi tiga jenis yaitu elpiji campuran, elpiji propana dan elpiji butana. Spesifikasi masing-masing elpiji tercantum dalam keputusan Direktur Jendral Minyak dan Gas Bumi Nomor: 25K/36/DDJM/1990. Elpiji yang dipasarkan Pertamina adalah elpiji campuran.

LPG (liquified petroleum gas) atau sering disebut elpiji mempunyai sifat sebagai berikut:

• Cairan dan gasnya sangat mudah terbakar

• LPG tidak beracun, tidak berwarna dan biasanya berbau menyengat. Dengan

adanya bau, maka akan dapat terdeteksi kebocoran pada tabung penyimpang LPG.

• LPG dikirimkan sebagai cairan yang bertekanan di dalam tangki atau silinder. • Cairan dapat menguap jika dilepas dan menyebar dengan cepat.

• LPG ini lebih berat dibanding udara sehingga akan banyak menempati daerah yang rendah.

2.3.Motor Bakar

Motorbakaradalahmesin kalor yangmenggunakan energi termal untuk

melakukan kerja mekanik yaitu dengan cara

merubahenergikimiadaribahanbakarmenjadienergipanas(thermal) sehingga menghasilkanenergimekanik.Dilihat dari

prosespembakaranbahanbakar,makamotor bakar dapatdibagi menjadi 2 bagian dengan kelebihanmasing-masing, yaitu:

1. Mesin Pembakaran Luar(External Combustion Engine)

Mesin pembakaranluar adalah mesin dimana proses pembakaran terjadi di luar mesin, energi termal dari hasil pembakaran dipindahkan ke fluida kerja mesin melalui beberapa dinding pemisah.

Contohnya :

a. Steamengine(mesinuaptorak),panaspembakarandidalamruang bakar akan memanasiairyangkemudianmenjadi uap sehinggauap tersebut akanmenggerakkan torak.

b. Turbin gas dan turbin uap

Kelebihannya:

1. Dapatdigunakanbahanbakarberkualitasrendahbaikbahanbakar padat, cairmaupun gas.

2. Kapasitas besar, seperti : pusat pembangkit tenaga listrik, pusat pembangkittenagauap,dalam haliniuntukpenggerak turbindan proses produksi.

3. Padaumumnyatidakterdapatbagianyangbergeraktranslasibolak- balik sehingga getaran yang terjadi kecil.

2. Mesin Pembakaran Dalam(InternalCombustionEngine)

Mesin pembakaran dalam adalah mesin dimana proses pembakaran berlangsung di dalam mesin itu sendiri, sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja.

Contohnya :

a. Motorbakar torak :mesinbensin denganpenyalaanloncatan bungaapi, mesindieseldenganpenyalaankompresi,mesin wankeldengangerak torak berputar (rotary).

Kelebihannya:

1. Mesin lebih sederhana, kompak, ringan 2. Bahan bakarlebihirit.

4. Lebih efisien

5. Investasi awal lebih kecil.

6. Cocok untuk tenaga penggerak padakendaraan.

2.3.1. Mesin Otto

Mesin ottoadalah sebuah ti menggunakan nyala busi untuk proses pembakaran, dirancang untuk menggunakan bahan bakar gasoline atau yang sejenis. Mesin otto dilengkapi dengan busi dan karburator. Busi berfungsi sebagai penghasil loncatan api yang akan menyalakan campuran udara dengan bahan bakar, karena hal ini maka mesin otto disebut juga sebagai Spark Ignition Engine. Sedangkan karburator merupakan tempat pencampuran udara dan bahan bakar.

Mesin ottoberbeda bahanbakar denganudara,danmesinotto selalumenggunakanpenyalaanbusi untukprosespembakaran.Padamesindiesel, hanyaudara yangdikompresikan dalam ruangbakardandengansendirinyaudaratersebutterpanaskan,bahanbakar diinjeksikan kedalam ruangbakardiakhirlangkahkompresiuntukbercampur denganudarayangsangatpanas,padasaatkombinasiantara jumlahudara,jumlah bahanbakar,dantemperaturdalam kondisitepatmakacampuranudaradanbakar tersebutakanterbakardengansendirinya.Siklus otto(ideal) pembakarantersebut dimisalkan dengan pemasukan panas pada volume konstan.

Gambar 2.2 DiagramP-vsiklus ottoaktual dan ideal KeteranganGambar:

P = Tekanan(atm)

V = VolumeSpesifik (m3/kg)

q

in= Kaloryang masuk(kJ)

q

out= Kaloryang dibuang (kJ)

Gambar 2.3 DiagramT-Ssiklus otto KeteranganGambar:

T = Temperatur (K) S = Entropi(kJ/kg.K)

q

in= Kaloryang masuk(kJ)

q

out= Kaloryang dibuang (kJ)

Keterangansiklus: 1-2 Kompresi Isentropik

2-3 Pemasukan Kalor pada VolumeKonstan 3-4 Ekspansi Isentropik

Padamesinotto,padaumumnyaudaradanbahanbakardicampursebelum

masukkeruangbakar,sebagiankecilmesinottomodernmengaplikasikaninjeksibahanb akarlangsungkesilinderruangbakartermasukmesinotto2langkah

untukmendapatkanemisigasbuang yangramahlingkungan. Pencampuranudara danbahan bakardilakukanoleh karburatoratausisteminjeksi, keduanya mengalamiperkembangandarisistem manualsampaidenganpenambahansensor- sensorelektronik.SistemInjeksiBahanbakardimesinottoterjadidiluarsilinder,

tujuannyauntukmencampurudara denganbahanbakarseproporsional mungkin, hal ini disebutEFI.

(A) (B)

Gambar 2.4 Sistem pencampuran udara + bahan bakar dengan karburator (A) dan sistem injeksi (B)

2.3.1.1. Mesin otto4 Langkah

Mesinotto empatlangkahadalahmesinpembakarandalam yangdalam satusiklus pembakaranterjadiempatlangkahpiston.Empatlangkahtersebut meliputi,langkahhisap (pemasukan),kompresi,tenaga danlangkah buangyang secarakeseluruhanmemerlukanduaputaranporosengkol(crankshaft) persatu sikluspadamesin bensin.

Gambar 2.5 Mesin otto4 langkah

Prinsip kerja motor ottoempat langkah adalahsebagai berikut : 1. Langkah Hisap

Dalamlangkahini,campuranbahanbakardanudaradihisapkedalamruangbakar , Katuphisapmembukasedangkankatupbuangtertutup.Waktutorak bergerakdarititikmati atas (TMA)ke titikmatibawah(TMB),menyebabkan ruangsilindermenjadivakum danmenyebabkanmasuknyacampuranudaradan bahan bakarke dalamsilinder yang disebabkan adanya tekanan udara luar.

Gambar 2.6 Langkah hisap mesin otto 4 langkah 2. Langkah Kompresi

Dalam langkah ini, campuran udara dan bahan bakar dikompresikan. Katuphisap dankatupbuangtertutup.Waktutoraknaikdarititikmatibawah (TMB)ketitikmatiatas(TMA), campuranyangdihisap tadidikompresikan. Akibatnyatekanandantemperaturnyaakannaik,sehingga akanmudahterbakar.

Saatinilah percikanapi daribusiterjadi.Poros engkol berputarsatukaliketika torak mencapai titk matiatas (TMA).

Gambar 2.7 Langkah kompresi mesin otto 4 langkah 3. Langkah Usaha

Dalamlangkahini,mesinmenghasilkantenagadimanageraktranslasi

pistondiubahmenjadigerak rotasioleh porosengkol danselanjutnyaakan menggerakkankendaraan.Saattorakmencapaititikmatiatas(TMA) padasaat langkah kompresi, busi memberikan loncatan bunga api pada campuran udara dan bahanbakaryang telahdikompresikan.Denganadanyapembakaran,kekuatan daritekanangaspembakaranyang tinggimendorongtorakkebawah.Usahaini yang menjadi tenaga mesin.

Gambar 2.8 Langkah usaha mesin otto 4 langkah 4. Langkah Buang

Dalamlangkahini,gasyangsudahterbakar,akandibuangkeluarsilinder.

Katup buang membukasedangkan katup hisap tertutup.Waktu torak bergerak dari titikmatibawah(TMB)ketitikmatiatas(TMA),mendoronggasbekaskeluar

(campuranudaradanbahanbakar barumendoronggassisahasilpembakaran). Ketika torak mencapaiTMA, akan mulaibergerak lagiuntuk persiapan langkah berikutnya, yaitu langkahhisap.Porosengkoltelahmelakukan2putaranpenuh dalam satu siklus yang terdiri dari empat langkah yaitu, 1 langkah hisap, 1 langkahkompresi,1langkahusaha,1langkah buangyangmerupakandasarkerja dari pada mesin empat langkah.

Gambar 2.9 Langkah buang mesin otto 4 langkah

ProsesKerjaadalahkeseluruhanlangkahyangberurutanuntukterjadinya satusikluskerjadarimotor.Proseskerjainiterjadiberurutandanberulang-ulang,

pistonmotorbergerak bolakbalik dari titik matiatas (TMA) ketitikmatibawah (TMB) dan dari titik mati bawah (TMB) ke titikmati atas (TMA) pada langkah selanjutnya.

Padamotorempatlangkah,proseskerjamotordiselesaikandalam empat langkah piston.

∼ Langkah pertama yaitu piston bergerak dari TMA ke TMB, disebut langkah pengisian.

∼ LangkahkeduayaitupistonbergerakdariTMBkeTMAdisebutlangkah kompresi.

∼ LangkahketigapistonbergerakdariTMAkeTMBdisebutlangkahusaha. Pada langkah usaha ini terjadilah proses pembakaran bahan bakar (campuranudaradanbahanbakar)didalam silindermotor/ruang pembakaran yang menghasilkan tenaga yang mendorong piston dari TMA ke TMB.

∼ Langkah keempat yaitu piston bergerak dari TMB ke TMA disebut langkah pembuangan.Gas hasil pembakarandidorong oleh piston keluar silindermotor.Jadipadamotorempatlangkah proseskerjamotoruntuk

menghasilkansatulangkahusaha(yangmenghasilkan tenaga)diperlukan empat langkah piston.

Empatlangkahpistonberartisamadenganduakaliputaran porosengkol. Padamotor dua langkah proses kerja motornya untukmendapatkan satu kali

langkahusahahanya diperlukan dua kalilangkah piston. Motordua langkah yang palingsederhana,pintu masukataulubangmasukdanlubangbuangterlelangkah berhadap-hadapan yaituberada padasisi bawah pada dindingsilinder motor.

Proses kerjanya adalah sebagai berikut.:

∼ PistonberadaTMB,kedualubang(masukdanbuang)samasamaterbuka

kemudiancampuranudaradanbahanbakardimasukkankedalam silinder melalui lubangmasuk.

∼ GerakanpistondariTMBkeTMA,makalubangmasukakantertutupdan

tertutuppulalubangbuang,makaterjadilah langkahkompresi.Padaakhir langkahkompresiini terjadilahpembakarangasbahanbakar.Dengan terjadinya pembakarangasbahanbakarmakadihasilkantenaga pembakaran yang mendorong pistonke bawah dari TMA keTMB.

∼ Langkahusahaterakhirterjadilahpembuangangasbekasbegituterbuka

lubangbuang.Sesudahituterbuka pulalubangmasuksehinggaterjadi pemasukkangasbarusekaligusmendorongmendoronggas bekaskeluar melalui lubang buang.

Dengandemikianpadamotordualangkah prosesmotoruntuk menghasilkansatukalilangkahusaha/pembakarangasdalam silinder,hanya diperlukan dualangkah piston. Dilihatdariputaranporosengkolnyadiperlukan satu kali putaran poros engkol.

2.3.Dinamometer

Dewasa ini dinamometer digunakan pengukuran pada seluruh perkembangan dari mesin, mulai dari percobaan dan pengetesan motor bersilinder tunggal sampai motor pesawat terbang. Tetapi dalam hal ini jika mesin dalam keadaan tetap atau diam maka pengukuran dayannya sederhana dan mudah dibuat, tetapi untuk keadaan dinamis sukar untuk menentukan pengukuran dayanya.

Ukuran atau besaran untuk kerja suatu motor biasanya dalam bentuk torsi dan tenaga kuda.

Torsi adalah gaya putar yang dihasilkan oleh poros engkol atau kemampuan motor untuk melakukan kerja, tetapi disini torsi merupakan jumlah gaya putar yang diberikan ke suatu mesin atau motor bakar terhadap panjang lengannya. Torsi biasanya diberi simbol

τ

, satuan untuk torsi dalam satuan SI adalah Nm.

Untuk pengujian torsi digunakan rope brake dynamometer atau dinamometer rem tali. Cara kerja rope brake dynamometer hampir sama dengan prony brake dynamometer hanya rem ini terdiri dari tali di sekeliling roda atau puli. Bahan tali ini biasanya kulit, ujung tali yang satu dikaitkan pada spring balance dan ujung yang satu lagi dikaitkan pada beban. Seperti terlihat pada gambar di bawah ini penyerapan daya dilakukan oleh tali karena gesekan dengan roda atau puli.

Gambar 2.10Rope brake dynamometer

τ

= (W-S)r N.m

Dimana :

τ

= Torsi (N.m)

W = Beban pengereman (kg) S = Beban pengimbang (kg)

r = Jari-jari puli (m)

2.4.Performansi Motor Bakar

Bagianini membahastentangperformansimesinpembakarandalam. Parameter mekanik yang termasuk dalam subbab ini adalah torsi, daya, perbandinganudarabahanbakar,konsumsibahanbakarspesifikdaneffisiensi dari pembakaran di dalam mesin.

2.4.1. Torsidan Daya

Torsi yang dihasilkan suatu mesin dapat diukur dengan menggunakan dinamometer yang dikopel dengan poros output mesin. Oleh karena sifat dinamometeryangbertindakseolah-olahsepertisebuahrem dalam sebuahmesin, maka dayayang dihasilkan poros output ini sering juga disebut dengan brake power.Torsididefinisikansebagaigayayang bekerjapadajarakmomendan memiliki satuan N-matau lbf-ft.Torsi merupakan gaya yang ditimbulkan oleh gaya piston turun dikalikan jarak dari tengah crank pin ke titik tengah crankshaft. Torsi untuk mesin tertentu ditentukan oleh gaya piston menekan connectingrod yang disebut combustion force.Gaya ini akan diteruskan ke roda, gaya impulsif dari sebuah kendaraan akan kecil jika torsi mesin kecil, gaya impulsif dari kendaraan akan tinggi jika torsi mesin tinggi.

Daya didefinisikan sebagai usaha dari mesin persatuan waktu. Daya mesin akan meningkat secara proporsional terhadap rpm karena jumlah kerja dalam tiap waktu meningkat ketika rpm mesin tinggi. Bagaimana pun juga saa trpm mesin meningkat, komponen dinamis tidak dapat berjalan melewati nilai tertentu, atau mesin tidak dapat memasukkan atau mengeluarkan lebih cepat dari nilai limit, ataudaya mesin yang dipakai untuk mengendalikan mesin itu sendiri terbuang dengan percuma jika rpmnya melebihi standarnya.

�̇=2πNτ 60

...(2.1)

Dimana :

Ẇ=Dayaporos(kW) N=Putaran mesin (rpm)

τ

=Torsi (Nm)

Gambar 2.11 Daya dan torsi sebagai fungsi putaran

Baiktorsi dandaya adalahfungsi dari putaranmesin.Padaputaranrendah, torsimeningkat denganmeningkatnyaputaranmesin.Putaranmesinmeningkat lebihlanjut,torsimencapaimaksimum dankemudianmenurunsepertiyang ditunjukkan padagambardiatas. Torsimenurunkarenamesin tidakdapat udara yangoptimalpada kecepatanyang lebihtinggi.Ditunjukkandayameningkat seiringputaranmeningkat kemudianmenjadimaksimal dankemudianmenurun padaputaranmesinyanglebihtinggi.Halini dikarenakankerugian gesekan meningkatdanmenjadifaktordominanpadakecepatan yangsangattinggi.Untuk mobil bensin, daya maksimum terjadi pada kisaran 6000 hingga 7000 RPM, sekitar satusetengah kali torsi maksimum.

2.4.2. KonsumsiBahan Bakar Spesifik (SFC)

Konsumsi bahan bakar spesifik adalah parameter unjuk kerja mesin yang yang berhubungan langsung dengan nilai ekonomis sebuah mesin, karena

dengan hal ini maka dapat dihitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu.

Secara umum konsumsi bahan bakar spesifik didefinisikan dengan :

sfc =

ṁf

Ẇ ... (2.7)

Dimana:

sfc=Konsumsi bahan bakar spesifik / Specific Fuel Consumption(gr/kWh)

ṁf =Laju aliranbahan bakarke mesin (kg/sec) Ẇ= Daya poros(kW)

2.4.3. Efisiensi Mesin

Waktuyangdiperlukanuntukprosespembakaransuatu siklus mesin sangatlah singkatdan pada umumnya tidak semua bahan bakarhabis terbakaroleh oksigen atau bahkan temperatur sekitar tidak mendukung reaksi kimia yang terjadi,fenomenainiterjadikarena mesinbekerjadi lingkunganyangberbeda- bedadanvariasiputaranyangnilainyasangatberubah-ubahsesuaiakselerasi

yangdibutuhkan.Kemungkinanterburuksebahagiankecil molekulbahanbakar tidak bereaksi dan terbawa ke aliran pembuangan (exhaust). Effisiensi

pembakaranηcmenerangkanseberapabanyakbahanbakaryangbereaksidan terbakar. ηcmemilikinilaiyangberkisardari0.95sampai0.98ketikamesin

bekerja.Untuksatusiklusmesinpadasatusilinder,panasyangditambahkan adalah:

Q_in = m_fQ_HVη_c ... (2.8) Untuk keadaan steady:

Q̇_in = ṁ_fQ_HVη_c ... (2.9) Effisiensi termalnya adalah :

η_t = W/Q_in = Ẇ /Q̇_in =η_f/η

c ... (2.10)

Dimana:

mf=massa bahan bakar (kg/siklus)

ṁf=Laju aliranbahan bakarke ruang bakar (kg/sec)

QHV=Nilai kalordari bahan bakar (Kj/kg)

ηc = Effisiensi pembakaran (0,95 - 0,98) ηf = Effisiensi konversi bahan bakar

menghasilkansatulangkahusaha(yangmenghasilkan tenaga)diperlukan empat langkah piston.

Empatlangkahpistonberartisamadenganduakaliputaran porosengkol. Padamotor dua langkah proses kerja motornya untukmendapatkan satu kali

langkahusahahanya diperlukan dua kalilangkah piston. Motordua langkah yang palingsederhana,pintu masukataulubangmasukdanlubangbuangterlelangkah berhadap-hadapan yaituberada padasisi bawah pada dindingsilinder motor.

Proses kerjanya adalah sebagai berikut.:

∼ PistonberadaTMB,kedualubang(masukdanbuang)samasamaterbuka

kemudiancampuranudaradanbahanbakardimasukkankedalam silinder melalui lubangmasuk.

∼ GerakanpistondariTMBkeTMA,makalubangmasukakantertutupdan

tertutuppulalubangbuang,makaterjadilah langkahkompresi.Padaakhir langkahkompresiini terjadilahpembakarangasbahanbakar.Dengan terjadinya pembakarangasbahanbakarmakadihasilkantenaga pembakaran yang mendorong pistonke bawah dari TMA keTMB.

∼ Langkahusahaterakhirterjadilahpembuangangasbekasbegituterbuka

lubangbuang.Sesudahituterbuka pulalubangmasuksehinggaterjadi pemasukkangasbarusekaligusmendorongmendoronggas bekaskeluar melalui lubang buang.

Dengandemikianpadamotordualangkah prosesmotoruntuk menghasilkansatukalilangkahusaha/pembakarangasdalam silinder,hanya diperlukan dualangkah piston. Dilihatdariputaranporosengkolnyadiperlukan satu kali putaran poros engkol.

2.3.Dinamometer

Dewasa ini dinamometer digunakan pengukuran pada seluruh perkembangan dari mesin, mulai dari percobaan dan pengetesan motor bersilinder tunggal sampai motor pesawat terbang. Tetapi dalam hal ini jika mesin dalam keadaan tetap atau diam maka pengukuran dayannya sederhana dan mudah dibuat, tetapi untuk keadaan dinamis sukar untuk menentukan pengukuran dayanya.

Ukuran atau besaran untuk kerja suatu motor biasanya dalam bentuk torsi dan tenaga kuda.

Torsi adalah gaya putar yang dihasilkan oleh poros engkol atau kemampuan motor untuk melakukan kerja, tetapi disini torsi merupakan jumlah gaya putar yang diberikan ke suatu mesin atau motor bakar terhadap panjang lengannya. Torsi biasanya diberi simbol

τ

, satuan untuk torsi dalam satuan SI adalah Nm.

Untuk pengujian torsi digunakan rope brake dynamometer atau dinamometer rem tali. Cara kerja rope brake dynamometer hampir sama dengan prony brake dynamometer hanya rem ini terdiri dari tali di sekeliling roda atau puli. Bahan tali ini biasanya kulit, ujung tali yang satu dikaitkan pada spring balance dan ujung yang satu lagi dikaitkan pada beban. Seperti terlihat pada gambar di bawah ini penyerapan daya dilakukan oleh tali karena gesekan dengan roda atau puli.

Gambar 2.10Rope brake dynamometer

τ

= (W-S)r N.m Dimana :

τ

= Torsi (N.m)

W = Beban pengereman (kg) S = Beban pengimbang (kg)

r = Jari-jari puli (m)

2.4.Performansi Motor Bakar

Bagianini membahastentangperformansimesinpembakarandalam. Parameter mekanik yang termasuk dalam subbab ini adalah torsi, daya, perbandinganudarabahanbakar,konsumsibahanbakarspesifikdaneffisiensi dari pembakaran di dalam mesin.

2.4.1. Torsidan Daya

Torsi yang dihasilkan suatu mesin dapat diukur dengan menggunakan dinamometer yang dikopel dengan poros output mesin. Oleh karena sifat dinamometeryangbertindakseolah-olahsepertisebuahrem dalam sebuahmesin, maka dayayang dihasilkan poros output ini sering juga disebut dengan brake power.Torsididefinisikansebagaigayayang bekerjapadajarakmomendan memiliki satuan N-matau lbf-ft.Torsi merupakan gaya yang ditimbulkan oleh gaya piston turun dikalikan jarak dari tengah crank pin ke titik tengah crankshaft. Torsi untuk mesin tertentu ditentukan oleh gaya piston menekan connectingrod yang disebut combustion force.Gaya ini akan diteruskan ke roda, gaya impulsif dari sebuah kendaraan akan kecil jika torsi mesin kecil, gaya impulsif dari kendaraan akan tinggi jika torsi mesin tinggi.

Daya didefinisikan sebagai usaha dari mesin persatuan waktu. Daya mesin akan meningkat secara proporsional terhadap rpm karena jumlah kerja dalam tiap waktu meningkat ketika rpm mesin tinggi. Bagaimana pun juga saa trpm mesin meningkat, komponen dinamis tidak dapat berjalan melewati nilai tertentu, atau mesin tidak dapat memasukkan atau mengeluarkan lebih cepat dari nilai limit, ataudaya mesin yang dipakai untuk mengendalikan mesin itu sendiri terbuang dengan percuma jika rpmnya melebihi standarnya.

�̇=2πNτ 60

...(2.1)

Dimana :

Ẇ=Dayaporos(kW) N=Putaran mesin (rpm)

τ

=Torsi (Nm)

Gambar 2.11 Daya dan torsi sebagai fungsi putaran

Baiktorsi dandaya adalahfungsi dari putaranmesin.Padaputaranrendah, torsimeningkat denganmeningkatnyaputaranmesin.Putaranmesinmeningkat lebihlanjut,torsimencapaimaksimum dankemudianmenurunsepertiyang ditunjukkan padagambardiatas. Torsimenurunkarenamesin tidakdapat udara yangoptimalpada kecepatanyang lebihtinggi.Ditunjukkandayameningkat seiringputaranmeningkat kemudianmenjadimaksimal dankemudianmenurun padaputaranmesinyanglebihtinggi.Halini dikarenakankerugian gesekan meningkatdanmenjadifaktordominanpadakecepatan yangsangattinggi.Untuk mobil bensin, daya maksimum terjadi pada kisaran 6000 hingga 7000 RPM, sekitar satusetengah kali torsi maksimum.

2.4.2. KonsumsiBahan Bakar Spesifik (SFC)

Konsumsi bahan bakar spesifik adalah parameter unjuk kerja mesin yang yang berhubungan langsung dengan nilai ekonomis sebuah mesin, karena

dengan hal ini maka dapat dihitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu.

Secara umum konsumsi bahan bakar spesifik didefinisikan dengan :

sfc =

ṁf

Ẇ ... (2.7) Dimana:

sfc=Konsumsi bahan bakar spesifik / Specific Fuel Consumption(gr/kWh) ṁf =Laju aliranbahan bakarke mesin (kg/sec)

Ẇ= Daya poros(kW)

2.4.3. Efisiensi Mesin

Waktuyangdiperlukanuntukprosespembakaransuatu siklus mesin sangatlah singkatdan pada umumnya tidak semua bahan bakarhabis terbakaroleh oksigen atau bahkan temperatur sekitar tidak mendukung reaksi kimia yang terjadi,fenomenainiterjadikarena mesinbekerjadi lingkunganyangberbeda- bedadanvariasiputaranyangnilainyasangatberubah-ubahsesuaiakselerasi

yangdibutuhkan.Kemungkinanterburuksebahagiankecil molekulbahanbakar tidak bereaksi dan terbawa ke aliran pembuangan (exhaust). Effisiensi

pembakaranηcmenerangkanseberapabanyakbahanbakaryangbereaksidan terbakar. ηcmemilikinilaiyangberkisardari0.95sampai0.98ketikamesin

bekerja.Untuksatusiklusmesinpadasatusilinder,panasyangditambahkan adalah:

Q_in = m_fQ_HVη_c ... (2.8) Untuk keadaan steady:

Q̇_in = ṁ_fQ_HVη_c ... (2.9) Effisiensi termalnya adalah :

η_t = W/Q_in = Ẇ /Q̇_in =η_f/η

c ... (2.10)

Dimana:

mf=massa bahan bakar (kg/siklus)

ṁf=Laju aliranbahan bakarke ruang bakar (kg/sec) QHV=Nilai kalordari bahan bakar (Kj/kg)

ηc = Effisiensi pembakaran (0,95 - 0,98) ηf = Effisiensi konversi bahan bakar