II. TEORI A. Motor Bakar I. Motor Bensin 4

II. TEORI
A. Motor Bakar
Motor bakar adalah suatu system yang dapat mengubah energi yang terkandung
dalam bahan bakar dan udara berubah menjadi energi panas untuk dapat
dimanfaatkan menjadi tenaga gerak atau kerja. Motor bakar pada umumnya
dibedakan menjadi dua yaitu motor bensin dan motor diesel.
Motor bensin memiliki ciri utama yaitu pembakaran bahan bakar didalam silinder
berlangsung pada volume tetap. Pembakaran terjadi sesaat sebelum titik mati atas (
TMA ) pada langkah kompresi dimana campuran bahan bakar dan udara mengalami
proses kompresi didalam ruang bakar. Pembakaran diawali dengan loncatan listrik
dari busi pada akhir langkah kompresi sehingga dalam waktu singkat campuran bahan
bakar tersebut terbakar habis dan menimbulkan kenaikan temperature.
Motor diesel memiliki cirri utama pembakaran bahan bakar didalam silinder
berlangsung pada tekanan konstan. Cairan bahan bakar diinjeksikan pada kecepatan
tinggi melalui nozzle injector, beratomisasi dan mengguap. Uap bahan bakar
bercampur dengan udara pada silinder bertemperatur pada tekanan tinggi sehingga
terbakar dengan sendirinya.
I. Motor Bensin 4-Langkah
Motor bensin 4-langkah adalah motor yang dalam satu siklus pembakarannya
memerlukan 4-langkah piston atau dua kali putaran poros engkol. ( Ganesan 1996 ).
Motor bensin 4-langkah memiliki siklus sebagai berikut :
( 1 ) Langkah hisap
( 2 ) Langkah kompresi
( 3 ) Langkah kerja
( 4 ) Langkah buang
Siklus motor bensin 4-langkah dapat dilihat pada gambar 1
Gambar 1. Siklus Motor Bensin 4-langkah
2. Siklus Ideal dan Siklus Aktual
a. Siklus Ideal
Proses termodinamika dan kimia yang sebenarnya terjadi dalam motor bakar torak
amat kompleks untuk dianalisa. Keadan ideal yang digunakan untuk analisa motor
bakar adalah keadaan untuk siklus udara sebagai siklus ideal. Siklus udara
menggunakan beberapa keadaan yang sama dengan sebenarnya, misalnya mengenai
:( Arismunandar,1983 )
( 1 ) Urutan proses
( 2 ) Perbandingan kompresi
( 3 ) Pemilihan temperature dan tekanan pada suatu keadaan
( 4 ) Penambahaan kalor yang sama persatuan berat udara
Untuk motor bensin analisa siklus udara yang digunakan adalah analisa siklus udara
volume-konstan. Siklus otto merupakan siklus volume konstan digambarkan dengan
grafik P vs V seperti terlihat pada gambar 2
Siklus terdiri dari beberapa proses sebagai berikut : ( Wardono,2004 )
1.
0-1 adalah langkah hisap.
Udara lingkungan ditarik masuk selama langkah hisap. Katup
saluran
masuk terbuka sehingga campuran udara bahan bakar dari karburator masuk
kedalam ruang bakar.
2. a).
1-2 adalah langkah kompresi.
Torak bergerak naik menekan campuran udara bahan bakar dalam ruang
bakar, dimana katup masuk dan keluar tertutup. Akibatnya baik temperature
maupun tekanannya meningkat.
Proses 1-2 berlangsung dalam keadaan isentropic.
b).
2-3 adalah proses pembakaran.
Pada akhir langkah kompresi saat piston hampir mencapai TMA, campuran
bahan bakar udara terbakar akibat loncatan bunga api listrik dari busi.
Terbakarnya campuran bahan bakar udara ini menyebabkan tekanan pada
ruang bakar yang berada diatas piston naik.
3.
3-4 adalah langkah ekspansi.
Kedua katup masih pada posisi tertutup. Gas pembakaran yang terjadi
selanjutnya mampu mendorong piston untuk bergerak kembali dari TMA
menuju TMB. Dengan bergeraknya piston menuju TMB, maka volume gas
pembakaran didalam silinder semakin bertambah, akibatnya temperature
dan tekanannya turun. ekspansi ini dianggap berlangsung secara isentropic.
4. a).
4-1 adalah langkah buang volume konstan.
Katup buang terbuka dan katup masuk dalam keadaan tertutup. Gas-gas sisa
pembakaran dikeluarkan dari silinder pada volume konstan karna pengaruh
beda tekanan antara tekanan silinder dan tekanan atmosfer.
b).
1-0 adalah langkah buang konstan.
Torak bergerak keatas menuju TMA dan mengeluarkan hasil pembakaran
yang tersisa. Pembilasan gas-gas sisa pembakaran dan dikeluarkan dari
silinder menuju lingkungan.
b. Siklus Aktual.
Pada kondisi actual siklus motor bakar tidak terjadi pada kondisi volume konstan.
Efisiensi siklus actual jauh lebih rendah dari pada siklus udara standar. Hal ini
ditandai dengan adanya kehilangan dari sebagian kerja dan efisiensi yang dihasilkan.
Kehilangan utama yang terjadi adalah ( Ganesan, 1996 ) :
(1)
Variasi temperature dan panas spesifik.
(2)
Bahan bakar tidak terbakar sempurna.
(3)
Terjadinya perpindahan panas pada dinding ruang bakar.
(4)
Blowdown yang terjadi pada langkah buang.
(5)
Proses pertukaran gas yang tidak sempurna.
B. Zeolit
Zeolit merupakan kelompok senyawa berbagai jenis mineral alumino-silikat hidrat
dengan logam alkali. Zeolit adalah kristal alumino-silikat yang terbentuk oleh satuansatuan tetrahedral SiO4 dan AIO4. satuan tetrahedral ini bergabung satu sama lain
melalui atom oksigen, membentuk kerangka tiga dimensi sehingga dihasilkan ruang
kosong yang berupa saluran-saluran dan rongga-rongga. Susunan kristal aluminosilikat dapat dilihat pada gambar 3.
Zeolit pertama kali ditemukan oleh Cronsted pada tahun 1756 sebagai mineral
alumino-silikat yang terhindari dari kation logam alkali dan alkali tanah. Nama zeolit
diambil dari bahasa yunani Zeo (mendidih) dan lithos, disebut demikian karena
mineral ini apabila dipanaskan berprilaku seperti batu yang mendidih struktur dari
zeolit secara umum dapat dilihat pada gambar 4.
Gambar 4. Struktur bangun ruang zeolit ( Jennifer, dkk )
Rumus umum yang dipakai adalah Mex/n (AlO2)x(SiO2)ymH2O, dimana notasi Me
adalah kation logam alkaliatau alkali tanah x,y dan m adalah bilangan-bilangan
tertentu sedang n adalah muatan dari ion logam. Rumus tersebut menunjukan struktur
atau komposisi atau unit sel dari zeolit dan bagian didalam kurung menunjukkan
komposisi kerangkanya perbandingan x/y ( Bekkum, et al, 1991 ).
1. Sifat-sifat zeolit
Zeolit merupakan suatu mineral yang sangat luas pengunaannya. Hal ini
disebablan karena sifat-sifat zeolit yang meliputi : dehidrasi, adsorben, penyaring
molekul dan penukar ion ( Ribeiro, 1984 ).
a.
Dehidrasi
jika molekul-molekul air diuapkan dari dalam rongga zeolit dengan
menggunakan panas, maka pada umumnya struktur kerangka zeolit akan
mengalami penyusutan, tetapi kerangka dasarnya tidak akan mengalami
perubahan secara nyata. Molekul air seolah-olah memiliki posisi yang
spesifik tetapi tidak mempunyai fungsi struktur primer dan dapat dilepaskan
secara reversible. Dalam keadaan terhidrasi zeloit dapat dipandang sebagai
kerangka polianomik yang dikelilingi larutan ion positif dalam air.
Fungsi dehidrasi adalah untuk mempertinggi keaktipan zeolit. Setelah
dehidrasi kation pada permukaan rongga zeolit menjadi tidak terlindungi,
sehingga interaksi dengan molekul adsorbat akan lebih mudah.
b.
Adsorben dan Penyaring Molekul
Dalam penggunaan zeolit sebagai penyaring molekul, akan terjadi dua
model pemisah, pertama didasarkan pada efek saringan molekul
(
struktur berongga ) dan yang kedua didasarkan pada sifatnya sebagai
adsorben yang selektif.
Kristal zeolit yang telah terhidrasi merupakan adsorben yang selektif dan
mempunyai efektifitas adsorbsi yang tinggi, yaitu dapat memisahkan
molekul-molekul
berdasarkan
ukuran
dan
konfigurasi
molekul,dan
merupakan adsorben yang selektif terhadap molekul polar.
c.
Penukar Ion
Kapasitas tukar dari zeolit ini terutama merupakan fungsi dari tingkat
penggantian Si dan Al dalam struktur kerangka. Makin besar penggantian,
makin besar pula jumlah kation-kation alkali tanah yang dibutuhkan untuk
menetralkan muatan listrik yang terjadi.
2. Aktivasi fisik.
Proses aktivasi zeolit alam dapat dikelompokan dalam 2 cara yaitu :aktivasi fisik
dan aktivasi kimia (suyartono, 1992).
a.
Aktivasi fisik
Pengaktifan zeolit alam secara fisik dilakukan dengan pemanasan proses
pemanasan zeolit dilakukan untuk menguapkan molekul-molekul air yang
menutupi permukaan aktif zeolit.
b.
Aktivasi kimia
Aktifasi kimia adalah pengaktifan dengan menggunakan bahan-bahan kimia,
baik berupa asam maupun basa. Fungsi asam atau basa adalah untuk
mencuci kation-kation yang mengotori permukaan zeolit, membuang
senyawa pengotor dan mengatur kembali letak atom yang dipertukarkan.
Bahan kimia yang dapat digunakan untuk proses aktifasi zeolit alam adalah
larutan asam (H2SO4, HCI dan HNO3) dan larutan basa (NaOH dan KOH).
Proses kimiawi akan melarutkan beberapa logam alkai dan alkali tanah.
Konsentrasi senyawa pengaktif sangat berpengaruh terhadap struktur
zeolit.konsentrasi senyawa pengaktif yang terlalu besar dapat merusak
struktur zeolit.
3.
Adsorbsi
Adsorbsi adalah peristiwa penyerapan zat berbentuk gas atau cairan oleh
permukaan. Yang diserap disebut adsorbat dan yang menyerap disebut
adsorben.
Dilihat dari proses terjadinya, adsorbsi dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu
adsorbsi fisik dan adsorbsi kimiawi. Pada adsorbsi fisik gaya yang
menyebabkan proses. Adsorbsi adalah gaya Vander Walls. Kalor yang
dilepaskan dalam proses adbsorbsi fisik adalah sama dengan kalor yang
dilepaskan dalam proses kondensasi gas, dimana adsorrbat berupa beberapa
lapisan monomolekuler. Adsorbsi dengan mudah dapat dibalik dengan
menurunkan tekanan gas atau konsentrasi zat terlarut ( Ribeiro, 1984 ).
Zeolit dalam mengadsorbsi molekul didasarkan dalam dua hal, yaitu ukuran
molekul dan sifat dari molekul yang diadsorbsi. Ukuran molekul yang lebih
besar dari ukuran poritidak dapat melewati zeolit. Molekul gas N2 berbentuk
elips dengan panjang sumbu mayor 4,1 Å dan sumbu minor 3 Å. Gas O2
juga berbentuk elipsdengan panjang sumbu mayor 3,9 Å dan sumbu minor
2,8 Å. Ukuran pori dari zeolit khususnya zeolit jenis klinoptilolit dengan
diameter 4 Å. Sifat dari molekul seperti gas N2 yang mempunyai 4 kutup
(quadrupole) lebih mudah diserap oleh zeolit dibandingkan dengan gas O2
yang mempunyai 2 kutup (dipole). Zeolit juga sangat mudah menyerap
molekul yang bersifat polar seperti 1991H2O. ( Bekkum, et al, 1991 ).
C. Aktivasi Fisik
Zeolit dalam kondisi alami terdapat kandungan molekul-molekul air pada rongga
kerangkanya yang menutupi pori-pori aktifnya molekul pada pori zeolit ini
bersifat lebih atau mudah terlepas. Kandungan air yang terperangkap dalam
rongga zeolit biasanya berkisar 10 – 50 % ( Herry, 2005 ). Zeolit dalam keadaan
terhidrasi, kation-kation yang berada dalam rongga tersebut akan tertutupi oleh
molekul air ini dapat diangkat dalam pemanasan. Dengan pemanasan maka zeolit
akan mengalami aktifasi, berupa kemampuan mengikat kation menjadi lebih
tinggi.
Aktifasi fisik adalah pengaktifan zeolit dengan cara menguapkan molekulmolekul air dalam rongga zeolit yang menutupi permukaan aktif zeolit sehingga
kation dipermukaan zeolit menjadi tidak terlindungi, sehingga medan listriknya
akan diperluas sampai kedalam rongga dan akan terinteraksi dengan molekul
adsorben yang menggakibatkan keefektifan adsorbsi zeolit akan bertambah.
Mineral zeolit alam kurang stabil dibandingkan zeolit sintesis sehingga
pengaktifan dengan pemanasan umumnya dilaksanakan melalui pemanasan
dengan temperature dibawah 350 ºC ( Sucahyo, 1995 ).
Pemakaian temperature yang terlalu tinggi mengakibatkan pelepasan aluminium
dari struktur kerangka tetrahedral zeolit, karena dapat mengakibatkan terjadinya
pemutusan ikatan Si-O-Al. ini telah terjadi pada pemanasan zeolit jenis NH4+ - Al
ketika dipanaskan pada temperature diatas 500 ºC ( Sucahyo, 1995 ) :
1. Tidak terlalu membahayakan struktur inti, kecuali pada temperature diatas
500 ºC. pengangkatan molekul air dari rongga zeolit mengakibatkan
struktur kerangka akan mengalami penyusutan tetapi tidak mengalami
perubahan yang nyata terhadap kerangka dasarnya. Penyusutan ini
disebabkan hilangnya masa air dalam zeolit.
2. Pengaktifan relative murah.
3. Pengaktifan secara kimia lebih riskan terhadap keselamatan kerangka.
Pada reaksi kimia terjadi perpindahan atau perubahan struktur Al dan Si –
nya. Konsentrasi senyawa pengaktif sangat berpengaruh terhadap struktur
zeolit. Pada zeolit klinoptilolit dengan senyawa pengaktif asam klorida,
pada konsentrasi tertentu akan menghidrolisa aluminium dari krangka
zeolit ( Barrer, 1964 dalam Sucahyo, 1995 ).
D. Rasio Udara – Bahan Bakar (AFR)
Udara harus cukup sempurna membakar semua unsure-unsur bahan bakar yang
terdapat dalam ruang baker. Dalam beberapa hal udara lebih banyak dari pada
yang diperlukan. Untuk menyatakan keadaan campuran udara-bahan bakar
Secara stoikiometri untuk motor bensin memiliki rasio udara – bahan bakar
(AFR) sebesar 15
:
1 artinya untuk membakar 1 kg bahan bakar maka
dibutuhkan 15 kg udara. Sementara untuk operasi normal pada motor bensin AFR
berkisar antara 7 – 20 sedangkan untuk AFR ekonomis berkisar antara 14 – 16.
Rasio udara-bahan bakar adalah perbandingan antara rasio udara – bahan bakar
actual dengan rasio udara – bahan bakar stoikiometri yang ditulis sebagai berikut :
Campuran miskin yaitu apabila kondisi AFR lebih besar dari AFR stoikiometri.
Hal ini akan mengakibatkan daya yang dihasilkan tidak maksimal. Selain itu
apabila reaksi pembakaran berlangsung pada temperature tinggi nitrogen dalam
udara dapat bereaksi sehingga terbentuk oksida nitrogen (NOx).
Campuran bahan bakar – udara kaya yaitu apabila kondisi AFR lebih rendah dari
AFR stoikiometri. Kondisi ini dapat menyebabkan proses pembakaran yang tidak
sempurna, juga dapat menyebabkan borosnya bahan bakar dan daya yang
dihasilkan tidak maksimal. Selain itu karna pengaruh pembakaran yang tidak
sempurna akan menghasilkan UHC dan gas CO pada sisa pembakaran.
E. Teori Pembakaran
Pembakaran adalah reaksi kimia dimana beberapa elemen dari bahan baker seperti
hydrogen dan karbon bereaksi dengan oksigen dalam udara sehingga
menghasilkan energi panas dan menyebabkan kenaikkan temperature gas. Pada
proses pembakaran ada tiga unsure yang harus dipenuhi yaitu :
1.
Bahan baker
2.
Oksigen dari udara pembakaran
3.
Panas untuk memulai pembakaran
Pada motor bensin, campuran bahan baker udara dibentuk dalam karbulator,
sehingga diperoleh campuran bahan baker udara yang homogen. Pada campuran
yang homogen, molekul dari bahan baker dan udara terdistribusi seragam. Pada
proses pembakaran, yaitu setelah akhir dari langkah kompresi, loncatan api listrik
dari busi merambat kecampuran bahan baker udara yang homogen dan membakar
campuran tersebut.
Reaksi kimia pembakaran yang ideal adalah sebagai berikut :
C8H18 + 12,5(O2 + 3,76 N2)
8 CO2 + 8 H2O + 12,5(3,76 N2)
Pada reaksi pembakaran diatas dapat dilihat bahwa N2 tidak berpartisipasi dalam
reaksi pembakaran, untuk reaksi pembakaran yang sebenarnya adakalanya reaksi
kimianya adalah sebagai berikut :
CxHy + (O2 + 3,76 N2)
CO2 + H2O + N2 + H2 + CO + NOx + UHC,
CO, NOx, H2 dan UHC adalah gas-gas yang dihasilkan dari pembakaran tidak
sempurna. Dengan adanya zeolit yang mampu mengikat gas nitrogen, uap air dan
gas-gas yang terkandung dalam udara, diharapkan konsentrasi oksigen dalam
udara semakin bertambah, sehingga peruses pembakaran menjadi lebih baik dan
bahan baker dapat terbakar lebih banyak. Dalam hal ini zeolit hanya berfungsi
sebagai filter udara yang akan masuk kedalam ruang baker. Pada proses
pembakaran dengan mengunakan zeolit diharapkan pembentukan gas-gas seperti
gas CO, gas NOx, dan senyawa UHC yang dapat menimbulkan polusi dan dapat
membahayakan kesehatan, dapat dikurangi jumlahnya seminimal mungkin.
Proses adsorbsi udara oleh zeolit dapat dilustrasikan seperti pada gambar 5
Keterangan :
Udara 1
= aliran udara menuju zeolit
Udara 2
= aliran udara setelah melewati zeolit
A,b,c,d,p,q,r
= koefisien molekul gas dalam udara
N2
= molekul nitrogen
O2
= molekul oksigen
H2O
= molekul uap
G
= molekul gas-gas lainnya
= molekul gas Nitrogen yang menempel pada ruang pori
= molekul uap air (H2O) yang menempel pada pori zeolit
Dari proses diatas, besar kofisien p<a,q<c,r<d.
F. Parameter Prestasi Motor Bakar Bensin 4 Langkah
Salah satu parameter prestasi yang berperan adalah daya engkol sebagai kerja
yang dihasilkan dari motor baker dimana semakin besar daya engkol yang
dihasilkan maka semakin baik prestasi dari motor baker. Besarnya daya engkol
mempengaruhi besarnya pemakaian bahan baker spesifik dimana besarnya
pemakaian bahan baker spesifik adalah banyaknya pemakaian bahan baker yang
dibutuhkan dalam menghasilkan kerja. Semakin rendah pemakaian bahan baker
spesifik maka penggunaan bahan baker menjadi lebih hemat. Dalam laporan ini
parameter prestasi yang dibandingkan adalah daya engkol, pemakaian bahan
baker spesifik dan rasio udara – bahan baker. Berikut ini beberapa rumusan yang
digunakan ( Wardono 2004 ).