10

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Motor Bensin

2.1.1 Penjelasan Umum

Motor bensin merupakan suatu motor yang menghasilkan tenaga dari

proses pembakaran bahan bakar di dalam ruang bakar. Karena pembakaran ini

berlangsung di dalam ruang bakar maka motor ini dikategorikan pesawat kalor

dengan pembakaran dalam (Iternal Combustion Engine).

Motor bensin dilengkapi dengan busi dan karburator. Karburator dalam

motor bensin merupakan suatu tempat pencampuran bahan bakar dan udara.

Setelah pencampuran udara dan bahan bakar terjadi kemudian dari karburator

diisap ke dalam ruang bakar melalui katup masuk. Kemudian di dalam ruang

bakar loncatan bunga api listrik dari busi menjelang akhir langkah kompresi

membakar campuran tersebut sehingga terjadilah pembakaran yang kemudian

menghasilkan daya motor. Tapi saat ini sudah ada motor bensin yang

menggunakan injektor sebagai pengganti karburator. Pada motor bensin seperti

ini, bahan bakar disemprotkan langsung ke dalam ruang bakar, tanpa melalui

pencampuran bahan bakar dan udara pada karburator. Jadi dengan sistem injektor

pemakaian bahan bakar menjadi lebih efisien dan pembakaran lebih sempurna.

Karena pada sistem ini bahan bakar dikabutkan langsung ke ruang bakar, jadi

kemungkinan bahan bakar terbuang lebih sedikit.

11

Motor bensin dibedakan menjadi dua jenis yaitu motor bensin 4 langkah

dan motor bensin 2 langkah. Motor bensin 2 langkah adalah motor bensin yang

memerlukan dua kali langkah torak atau satu kali putaran poros engkol untuk

menghasilkan satu kali pembakaran dan satu kali langkah kerja.Sedangkan motor

bensin 4 langkah adalah motor bensin yang memerlukan 4 kali langkah torak atau

dua kali putaran poros engkol untuk menghasilkan satu pembakaran dan satu

langkah kerja. Siklus kerja 4 langkah ini dipertemukan pertama kali oleh seorang

ilmuan Jerman Nicholas August Otto pada tahun 1876.

2.1.2 Siklus Otto

Siklus mesin 4 langkah dapat dijabarkan dalam siklus Otto udara standar

yang terdiri dari 6 fase yaitu: pemasukan, pemampatan, pemanasan, pendayaan,

pendinginan dan pembuangan. Enam fase siklus ini dapat digambarkan dalam

diagram PVT (Pressure, Volume, Temprature) sebagai berikut.

(a) (b)

12

Gambar 2.1 (a) P-V, (b) T-S Diagram, (c) P-V dan T-S diagram

Fase Pemasukan (Campuran Bahan Bakar dan Udara)

Garis T0 – T1 adalah garis fase proses tekanan tetap dan suhu tetap yang

menggambarkan langkah pemasukan gas campuran udara dan bahan bakar

pada tekanan dan suhu tetap dari karburator ke silinder mesin, ketika katup

masuk membuka dan piston turun 180 derajat, ruang silinder membesar.

Dalam proses ini, tekanan gas P dan suhu gas T tetap dan setara tekanan dan

suhu standar normal udara luar, karena katup masuk terbuka. Volume

silinder V membesar dar V1 ke V2, sehingga bobot molekul gas campuran

bahan bakar dan udara dalam silinder bertambah.

Fase Pemampatan (Kompresi Gas)

Garis T1 – T2 adalah garis fase proses yang menggambarkan langkah

pemampatan gas campuran udara dan bahan bakar dalam silinder, ketika

(c)

13

katup masuk tertutup dan katup buang tertutup dan piston naik 180 derajat,

ruang silinder mengecil. Dalam proses ini volume silinder dan volume gas

V mengecil dari V1 ke V2, bobot molekul gas campuran bahan bakar dan

udara tetap.Tekanan gas P meningkat dari P1 ke P2 dan suhu gas T

meningkat dari T1 ke T2.

Fase Pemanasan dan Pembakaran Gas

Garis T2 – T3 adalah proses pada volume tetap yang mengambarkan proses

pemanasan dan penyalaan dan pembakaran gas campuran bahan bakar dan

udara oleh percikan api busi, ketika kedua katup tertutup. Dalam proses ini

volume gas tetap pada V1, tetapi karena pemanasan, tekanan gas meningkat

naik dari P2 ke P3, sehingga suhu meningkat naik dari T2 ke T3 dan terjadi

peledakan gas campuran bahan bakar dan udara oleh percikan api busi.

Fase Pendayaan (Usaha)

Garis T3 – T4 adalah garis proses yang menggambarkan langkah pendayaan

karena pembakaran gas campuran udara dan bahan bakar dalam silinder

ketika kedua katup tertutup sehingga silinder turun 180 derajat, ruang

silinder membesar. Dalam proses ini volume silinder V membesar dari V1

ke V2, bobot gas campuran tetap, tekanan gas V merosot turun dari P3 ke P4

dan suhu gas T merosot turun dari T3 ke T4.

Fase Pendinginan Gas Sisa Pembakaran.

Garis T4 – T1 adalah proses volume konstan yang mengambarkan proses

pendinginan dan pengeluaran tenaga panas hasil pembakaran, ketika katup

14

buang terbuka. dalam proses ini, volume gas tetap pada V2, bobot gas

campuran tetap tekanan gas turun dari P4 ke P1 sehingga suhu gas merosot

turun dari T4 ke T1.

Fase Pembuangan (Pengeluaran Gas Sisa Pembakaran).

Garis T1 – T0 adalah fase proses tekanan tetap yang menggambarkan

langkah pembuangan sisa pembakaran, piston naik, ruang silinder

mengecil, dimana tekanan gas P dan suhu gas T tetap setara tekanan

atmosfer (udara luar) karena katup buang terbuka. Volume silinder V

mengecil dari V2 ke V1, sehingga bobot gas sisa pembakaran berkurang.

2.1.3 Proses Pembakaran pada Motor Bensin

Pembakaran adalah merupakan suatu proses secara kimiawi yang

berlangsung dengan cepat antara oksigen (O2) dengan unsur yang mudah terbakar

dari bahan bakar pada suhu dan tekanan tertentu. Unsur-unsur yang penting di

dalam bahan bakar yaitu, karbon, nitrogen dan sulfur. Pada umumnya udara terdiri

dari dua komponen utama yaitu oksigen dan nitrogen.

15

Tabel 2.1 Komposisi Oksigen dan Nitrogen

Unsur Persentasi Volume(%) Persentasi Berat(%)

Oksigen (O2) 20,99 23,15

Nitrogen (N2) 78,03 76,85

Lain-lain 0,98 0

Di dalam suatu pembakaran, energi kimia diubah menjadi energi panas

dimana pada setiap terjadi pembakaran akan selalu menghasilkan gas buang yang

meliputi komponen-komponen gas buang antara lain: CO2, NO2, H2O, SO2, dan

CO. Proses pembakaran menghasilkan perubahan energi bahan bakar menjadi

tenaga gerak, perubahan energi bersumber dari hasil pembakaran bahan bakar.

Dalam pembakaran yang sempurna secara teoritis, reaksi pembakaran adalah

sebagai berikut:

C8H18 + 12,5O2 8CO2 + 9H2O + Energi………… …….(2.1)

Tetapi dalam prakteknya, udara mengandung ± 21 % O2 dan ± 79% N2. Serta

pembakaran yang 100 % sempurna hanya didapat dalam laboratorium. Sehingga

dalam prakteknya, pembakaran akan berlangsung :

C8H18 + 12,5(O2 + 79/21N2) 8CO2 + 9H2O +

2,5(79/21N2)+Energi ……………………………………………..(2.2)

Jadi untuk pembakaran 1 mol bahan bakar memerlukan udara

pembakaran (12,5) mol udara, serta menghasilkan 8 mol CO2, 9 mol H2O,

12,5(79/21) mol N2 dan Energi. Pembakaran bahan bakar pada motor bensin

dimulai dengan pemasukan campuran udara dan bahan bakar dari karburator

16

menuju ruang bakar lewat katup masuk yang kemudian dinyalakan oleh percikan

nyala api dari busi pada tekanan tertentu. Percikan nyala api busi tersebut

kemudian membakar campuran yang telah siap untuk terbakar dengan kecepatan

yang sangat tinggi. Sehingga terjadilah suatu pembakaran yang kemudian bisa

mendorong torak dari Titik Mati Atas ke Titik Mati Bawah untuk menggerakkan

poros engkol dan terjadilah putaran atau usaha pada motor.

2.1.4 Rasio Udara Bahan Bakar

Rasio udara adalah suatu perbandingan antara udara dengan bahan bakar

yang akan masuk ke ruang bakar. Rasio udara dan bahan bakar dapat dirumuskan

dengan skema sebagai berikut :

Dapat diketahui sebelumnya bahwa Bensin merupakan campuran dari

isomer-isomer heptana (C7H16), oktana (C8H18) dan unsur mikro lainnya.

Perbandingan antara heptana dengan oktana tergantung dari jenis bensin, sebagai

contoh bensin dengan RON 88.

Untuk mempermudah perhitungan bensin RON 88 terdiri atas 12%

heptana dan 88% oktana, dengan Ar. O=16, H=1 dan C=12, maka Mr.

C7H16=100; C8H18=114. Anggap massa jenis bensin 0.95 g/cm³, g/cc. Satu liter

bensin massanya = massa jenis bensin x volume = 0.95 g/cc x 1000 cc = 950 g.

Massa heptana = 12% x 950 g = 114 g. Jumlah mol heptana = massa

heptana/Mr.heptana = 114/100 = 1,14 mol.

Massa oktana = 88% x 950 g = 836 g. Jumlah mol oktana = massa

oktana/Mr.oktana = 836/114 = 7,3 mol

17

Reaksi pembakaran :

........ C7H16 ....+ 11 O2 -------> 7 CO2 . + 8 H2O

........ 2 C8H18 .+ 25 O2 -------> 16 CO2 + 18 H2O

Kebutuhan udara (O2) pembakaran heptana = mol heptana x koefisien

reaksi O2/koefisien reaksi heptana = 1,14 x 11/1 = 12,54 mol. Kebutuhan udara

(O2) pembakaran oktana = mol oktana x koefisien reaksi O2/koefisien reaksi

oktana = 7,3 x 25/2 = 91,25 mol. Jumlah oksigen yang dibutuhkan untuk

pembakaran = 12,54 + 91,25 = 103,79 mol.

Oksigen untuk pembakaran diambil dari udara, anggap udara mengandung

20% oksigen. Maka jumlah mol udara yang dibutuhkan = 103,79/20% = 519 mol.

Pada keadaan STP 1 mol udara volumenya 22,4 liter. Maka volume udara yang

dibutuhkan untuk membakar 1 liter bensin = 521 x 22,4 liter = 11624,4 liter = 11,

62 meter kubik. Jadi berat udara : berat bahan bakar = 11.62 : 1

Untuk bahan bakar LGV:

LGV merupakan senyawa hydrokarbon yang dikenal sebagai butana,

propana, isobutana atau campuran antara butana dengan propana. Perbandingan

komposisi propana dengan butana adalah 30 : 70. Berat jenis LPG lebih besar dari

udara yaitu, butana memiliki berat jenis dua kali berat udara dan propana

memiliki berat jenis satu setengah kali berat udara. Secara kimia, reaksi

pembakaran LGV adalah sebagai berikut:

2,16(0,3 C3H8+0,7 C4H10) + 13,07(02+3,76N2) 8 CO2+ 10,15

H2O+13,07(3,76N2) ……………………………………………(2.3)

18

Maka rasio bahan bakar - udara untuk LPG: 1 : 6,05

Berdasarkan rasio bahan bakar di atas, maka diameter saluran udara pada

karburator untuk pemakaian bahan bakar LGV dihitung dengan persamaan di

bawah. Ukuran diameter saluran udara untuk standar bensin adalah: 3.7 cm

Maka:

A1 = 4

1π D1

2

A1 = 4

1x 3,14 x 3,72

= 10,74665 cm2

Ukuran untuk saluran udara untuk LGV:

05,65.12

1 XA

= A2

A2 = 5,12

74665,10 2cmx 6,05 = 5,1997 cm2

A2 = 4

1x π x D2

2

5,1997 cm2 = 0,785 .D22

D22 =

785,0

1997,5 2cm

D22 = 6,623cm2

D2 = 623,6 cm2

D2 = 2,573 cm ........................(2.4)

Dimana : A1 : Luas penampang pada saluran udara untuk

karburator memakai bahan bakar bensin.

19

D1 : Diameter saluran udara untuk karburator

memakai bahan bakar bensin.

A2 : Luas Penampang pada saluran udara untuk

karburator memakai bahan bakar LGV.

D2 : Diameter saluran udara untuk karburator

memakai bahan bakar LGV.

2.2 Prinsip Kerja Motor Bensin Empat Langkah

Prinsip kerja dari motor bensin empat langkah adalah mengikuti siklus

Otto yaitu untuk menghasilkan satu kali tenaga kerja memerlukan empat kali

langkah torak dua kali putaran poros engkol.

Berikut ini adalah skema langkah keja motor bensin empat langkah:

1) langkah isap 2) langkah kompresi 3) langkah usaha 4) langkah buang

Gambar 2.2 Prinsip Kerja Motor Bensin 4 Langkah (Toyota, 1998)

1. Langkah Isap

Torak bergerak ke bawah meninggalkan Titik Mati Atas (TMA) ke Titik

Mati Bawah (TMB) sambil mengisap campuran udara dan bensin ke

20

dalam silinder. Selama langkah ini katup isap membuka dan katup buang

dalam keadaan menutup. Poros engkol membuat setengah putaran

pertama.

2. Langkah Kompresi

Torak bergerak dari TMB ke TMA memampatkan campuran udara dan

bensin yang berada dalam silinder. Campuran udara dan bensin ini

dimampatkan diantara torak dan dasar atas silinder (ruang bakar). Selama

langkah ini katup isap dan katup buang berada dalam keadaan tertutup.

Pada gerak kompresi ini poros engkol membuat setengah putaran yang

kedua.

3. Langkah Kerja

Bila telah mencapai TMA, campuran udara dan bensin yang dimampatkan

tadi dibakar oleh percikan api listrik yang keluar dari busi, menyebabkan

terbakarnya gas-gas dan menimbulkan tenaga yang mendorong torak ke

TMB. Selama gerak ini katup-katup isap dan buang dalam keadaan

tertutup. Poros engkol membuat setengah putaran yang ketiga.

4. Langkah Buang

Torak bergerak ke TMA mendorong gas-gas yang telah terbakar keluar

melalui katup buang. Katup isap dalam keadaan tertutup dan katup buang

membuka selama torak bergerak ke TMA. Selama gerak buang ini poros

engkol membuat setengah putaran keempat, pada akhirnya torak kembali

pada kedudukannya semula dan torak telah melakukan 4 gerakan

21

sepenuhnya. Dan kemudian akan kembali melakukan proses yang sama

secara berulang-ulang.

2.3 Bahan Bakar Bensin

Bahan bakar bensin atau minyak bakar yang dipakai untuk motor

bensin adalah jenis gasoline atau petrol. Bensin pada umumnya merupakan

suatu campuran dari hasil pengilangan yang mengandung parafin,naphthene

dan aromatic dengan perbandingan yang bervariasi.Dewasa ini tersedia tiga

jenis bensin, yaitu premium, pertamax, dan pertamax plus. Ketiganya

mempunyai mutu atau prilaku (perfomance) yang berbeda. Mutu bensin

dipergunakan dengan istilah bilangan oktana (Octane Number). Bensin

disebut juga dengan kata lain Petrol atau Gasoline yaitu campuran berbagai

hidrokarbon yang diperoleh melalui proses destilasi/pengilangan dari minyak

mentah (Crude Oil). Ada beberapa persyaratan yang harus dipenuhi bensin

sebagai bahan bakar mesin pembakaran dalam yaitu :

Mudah bercampur dengan udara

Tahan terhadap knocking.

Tidak mudah terbakar sendiri sebelum waktu yang ditentukan.

Tidak memiliki kecenderungan menurunkan efisiensi volumetris mesin.

Murah dan mudah didapat.

Menghasilkan pembakaran bersih, tanpa menyisakan korosi pada

komponen peralatan mesin.

Memiliki nilai kalor yang cukup tinggi.

22

2.4 Angka Oktan

Angka oktan pada bensin adalah suatu bilangan yang menunjukan

kemampuan bertahan terhadap knocking (detonasi). Makin besar angka

oktannya, makin besar pula kemampuan bertahan mesin terhadap

knocking.Dengan berkurangnya intensitas untuk berdetonasi, maka campuran

udara dan bahan bakar yang di kompresikan oleh torak dapat terbakar lebih

baik. Sehingga kadar karbon monoksida pada gas buang akan berkurang, dan

pemakaian bahan bakar menjadi hemat. Angka oktan tergantung pada struktur

senyawa hidrokarbon yang terdapat pada bensin tersebut.

Besarnya angka oktan suatu bahan bakar ini tergantung pada prosentase

iso oktan dan normal heptana yang terkandung didalamnya. Kalau di dalam

suatu bahan bakar terkandung 80 % iso oktan dan 20 % normal heptana maka

dapat dikatakan bahwa angka oktan bahan bakar tersebut adalah 80. Iso oktan

(C8H18) mempunyai sifat tahan terhadap knocking dan tingkat oktannya

adalah 100, sedangkan normal heptana (C7H16) cenderung menambah

terhadap terjadinya knocking dan tingkat oktannya adalah nol. Penambahan

iso oktan didalam bensin akan menghemat bahan bakar. Dengan

bertambahnya isooktan bertambah pula angka oktan. Untuk mesin yang

mempunyai perbandingan kompresi yang tinggi memerlukan bahan bakar

bensin yang mempunyai kadar oktan yang tinggi untuk menghilangkan

terjadinya detonasi.

2.5 Liquefied Gas Vehicle (LGV)

Penjelasan umum tentang LGV

23

Definisi tentang LGV

LGV merupakan bahan bakar gas yang diformulasikan untuk

kendaraan bermotor yang menggunakan spark ignition engine terdiri dari

campuran propane (C3) dan butane (C4). Singkatnya, LGV merupakan

LPG untuk kendaraan. Adapun kualitas pembakaran LGV setara dengan

bensin berkualitas RON 98 (pertamax plus) dan ramah lingkungan.

Tekanannya berkisar antara 8-12 bar, jauh lebih kecil ketimbang CNG

yang tekanannya mencapai 200 bar.

Karena kualitasnya lebih tinggi, harga LGV memang lebih tinggi

dibandingkan dengan BBM bersubsidi (premium), tetapi lebih rendah dari

harga BBM non subsidi (pertamax cs). LGV lebih fleksibel digunakan

untuk daerah-daerah yang jauh dari sumber gas atau tidak memiliki pipa

gas bumi. Sementara Compressed Natural Gas (CNG) merupakan bahan

bakar gas yang dibuat dengan melakukan kompresi metana (CH4) yang

diekstrak dari gas alam. CNG disimpan dan didistribusikan dalam bejana

tekan, biasanya berbentuk silinder. CNG memiliki tekanan 200 bar,

dengan tangki yang lebih besar ketimbang LGV.

Ciri khas LGV

Bahan bakar gas LGV mempunyai ciri khas sebagai berikut :

1. Sensitif terhadap api.

2. Mudah terbakar.

3. Tidak berwarna.

24

Sifat khas LGV

Perlu diketahui, LGV bersifat FLAMMABLE (mudah terbakar). Dalam

batas flammabality, LGV adalah sumber api yang terbuka sehingga letup

(percikan api) yang sekecil mungkin dapat segera menyambar gas LGV.

Sifat umum LGV

Sebagai bahan bakar gas, LGV mudah terbakar apabila terjadi

persenyawaan di udara.

Untuk mencegah hal-hal yang tidak diinginkan perlu diketahui beberpa

sifat umumnya :

1. Tekanan LGV cukup besar, sehingga bila terjadi kebocoran LGV akan

membentuk gas secara cepat, memuai dan sangat cepat terbakar.

2. LGV menghambur di udara secara berlahan sehingga sulit

mengetahuinya secara dini.

3. Berat jenis LGV lebih besar dari pada udara sehingga cenderung

bergerak ke bawah.

4. LGV tidak mengandung racun.

5. Daya pemanasannya cukup tinggi, namun tidak meninggalkan debu

(sisa pembakaran).

6. Cara penggunaannya cukup praktis dan mudah.

Pada dasarnya tujuan penggunaan LGV adalah semata-mata untuk

mempermudah pekerjaan rutin sehari-hari. Dengan konsep cepat, tepat dan

25

aman, LGV siap membantu mempermudah dan memperlancar pekerjaan

sehari-hari dan tentunya dapat menghemat waktu dan energi.

2.6 Regulator

Regulator merupakan suatu alat untuk mengatur aliran gas yang keluar

dari tabung. Regulator standar yang dipakai untuk kompor gas mempunyai

laju aliran gas 3 kilogram/jam. Menurut penelitian yang dilakukan oleh salah

satu mahasiswa Teknik Mesin Universitas Udayana yang menguji Bio Gas

untuk bahan bakar pada sepeda motor 4 langkah 125 cc. (Hendra, 2008),

pemakaian regulator standar (3kg/jam) untuk penyaluran bahan bakar gas ke

ruang bakar mesin sepeda motor menghasilkan akselerasi yang kurang baik

dan putaran idle mesin yang terlalu tinggi, karena kurangnya suplai bahan

bakar ke ruang bakar. Untuk dapat menghasilkan akselerasi yang setara atau

mendekati dengan akselerasi menggunakan bahan bakar bensin, maka harus

menggunakan regulator yang mempunyai laju aliran yang lebih besar,jadi

harus menggunakan regulator yang mempunyai laju aliran massa gas yang

bervariasi dari 3-10 kg/jam,yang bila dihitung sama dengan 3-10000

gram/jam.Jadi untuk rasio udara dan bahan bakar untuk penggunaan bahan

bakar LGV agar energi yang dihasilkan mendekati penggunaan bahan bakar

bensin,maka rasio udara dan bahan bakar dapat dirumuskan sebagai berikut:

Untuk bahan bakar LGV :

2,16(0,3 C3H8+0,7 C4H10) + 13,07(02+3.76N2) 8 CO2 + 10,15

H2O+13,07(3.76N2)………………………………………………(2.5)

26

Sehingga untuk pemakaian bahan bakar LGV memerlukan 2,16 kali mol

bensin agar sebanding dengan energi yang dihasilkan 1 mol bensin.Untuk

mendapatkan massa bahan bakar dan oksigen untuk proses pembakaran

bensin dan LGV digunakan rumus sebagai berikut:

Massa bahan bakar LGV:

Massa (0,3C3H8+0,7C4H10) = mol (0,3C3H8+0,7C4H10) X berat

molekul (0,3C3H8+0,7C4H10)

= 2,16 x (15+ 46,2)

= 2,16 x 61,2

= 132,19 gram................................(2.6)

Massa udara untuk LGV :

Massa udara untuk LGV= mol udara untuk LGV X berat molekul

udara untuk LGV

= 13,07 x 137,28

= 1794,25 gram...............................(2.7)

Massa bahan bakar bensin:

Massa C8H18= mol C8H18 X berat molekul C8H18

= 1 X114

=114gram.................................... (2.8)

Mol udara untuk bensin :

Massa udara untuk bensin = mol udara untuk bensin x berat molekul

udara untuk bensin

27

= 12,5 x 137,28

= 1716 gram..................................... (2.8)

Dan untuk mendapatkan volume dari bahan bakar dan udara pada proses

pembakaran bahan bakar bensin dan bahan bakar LGV, digunakan rumus

sebagi berikut:

Volume bahan bakar bensin: Volume = Massa bensin

Massa jenis bensin

= 0,114 kg

0,7 kg/liter

= 0,163 liter ....................................(2.9)

Volume udara pada pembakaran bensin:

Volume = Massa udara untuk bensin

Maasa jenis udara

= 1,716 kg

0,001125 kg/liter

= 1525,3 liter ...............................(2.10)

Dan untuk rasio volume bahan bakar dengan udara pada pembakaran

bahan bakar bensin adalah: 1 : 9357,7

Volume bahan bakar LGV:

Volume = Massa LGV

Massa jenis LGV

= 0,13219 kg

0,0015 kg/liter

= 88,13 liter ..............................(2.11)

Volume udara pada pembakaran LGV:

28

Volume = Massa udara untuk LGV

Massa jenis udara

= 1,79425 kg

0,001125 kg/liter

= 1595 liter......................................(2.12)

Jadi rasio volume bahan bakar dengan udara pada proses pembakaran

LGV adalah: 1 : 18,09

Jadi untuk mendapatkan hasil akselerasi yang lebih maksimal dari

pemakaian bahan bakar LGV ,maka harus dilakukan pengujian bahan bakar

LGV dengan laju aliran massa bahan bakar yang bervariasi,yaitu dari 3

kg/jam sampai dengan 10 kg/jam.Karena dari latar belakang

diatas,pemakaian regulator standar(3kg/jam),suplai bahan bakar keruang

bakar masih kurang.Sehingga untuk mendapatkan rasio bahan bakar dan

udara 1: 18,09 pada proses pembakaran LGV,maka harus dilakukan variasi

laju aliran massa bahan bakar yang masuk dalam ruang keruang bakar agar

mendapatkan akselerasi kendaraan yang lebih maksimal.

2.7 Converter kits

Converter kits adalah peralatan utama pada mesin dengan bahan bakar LPG.

Converter kits terdiri dari dua baian utama. Bagian pertama dinamakan

regulator tekanan, berfungsi untuk menurunkan tekanan LPG dari tabung

menjadi tekanan output. Penurunan tekanan pada regulator mengakibatkan

perubahan fasa LPG dari cair ke gas. Untuk membantu proses penguapan, air

pendingin mesin dialirkan disekeliling regulator. Bagian kedua, dinamakan

29

dengan regulator aliran. Regulator aliran berupa katup yang dikendalikan oleh

kevakuman throtle body. Katup regulator digerakkan oleh lever. Lever berupa

pengungkit dengan titik tumpu ditengah. Satu ujung dikaitkan dengan

diafragma dan ujung yang lain ditahan oleh pegas lever. Jumlah gas yang

mengalir dari regulator tekanan ke ruang diafragma dipengaruhi oleh

kekuatan pegas lever dan kevakuman ruang diafragma. Pegas lever dapat

diatur dengan memutar baut penyetel yang terdapat pada bagian luar

converter kits. kevakuman ruang diafragma tergantung dari kecepatan aliran

udara pada throttle body.

Converter kits juga dilengkapi dengan katup solenoid dan katup aliran gas

pada saluran output. Solenoid berfungsi untuk membuka dan menutup saluran

gas didalam converter kits. Solenoid dikendalikan oleh tegangan listrik dari

sistem kelistrikan kendaraan. Katup aliran gas berfungsi untuk mengatur

kapasitas aliran pada sisi output converter kits. Katup aliran gas dapat diatur

untuk mengurangi atau menambah luasan saluran output. Bentuk fisik

converter kits LPG ini dapat dilihat pada gambar berikut :

Gambar 2.3 Bentuk fisik coverter kits LPG

30

Untuk memasukkan LPG ke saluran manifold, digunakan sebuah diffuser

yang dipasang pada sisi depan throtle body. Diffuser memiliki beberapa

lubang memanjang yang mengelilingi lingkaran dalam. LPG dalam fasa gas

mengalir dari converter kits ke diffuser melalui katup aliran gas ( katup

akselerasi).

2.8 Parameter Pengukur Tenaga Mesin

2.8.1 Dinamometer

Dinamometer adalah alat untuk mengukur daya mekanik (kecepatan dan torsi)

yang di keluarkan mesin.Dinamometer menggunakan sensor untuk

mengindikasikan kecepatan dan torsi. Untuk mengukur tenaga mesin secara

langsung belum bisa digunakan .Dua metode yang biasa digunakan dalam industri

mesin adalah :

1. Dinamometer mesin

Jika kita ingin mengetahui tenaga dari mesin,maka kita menggunakan

dinamometer yang dikhususkan untuk mesin. Ini menyerupai pada

manufaktur outputshaft dari mesin kendaraan. Mesin diletakan pada

dudukan kemudian dihubungkan pada dinamometer,biasanya

menggunakan propeler shaft (as kopel ) yang di hubungkan pada bagian

belakang dari poros engkol (atau pada roda gila). Hasil dari power yang

diukur dengan cara ini umumnya disebut sebagai

“flywheelpower”dinamometer ini membutuhkan pengereman dimana

digunakan untuk mengetahui torsi (atau beban) dari mesin tersebut. Pada

saat mesin di tahan pada kecepatan tetap dengan beban yang di berikan

31

oleh dinamometer kemudian torsi yang telah diberikan oleh dinamometer

harus dengan tepat menyamakan dengan torsi yang dihasilkan oleh mesin.

Dari sini akan mendapatkan grafik torsi dari keseluruhan putaran mesin.

2. Rolling road Dynamometer (Chassis Dynamometer)

Rolling road dynamometer dipergunakan untuk mengukur daya output

mesin dengan mengetes kendaraan dalam bentuk seutuhnya,digunakan

untuk mengetahui performa output,effisiensi energi maksimum dan tingkat

kebisingan.

Cara kerja rolling road dinamometer:

Kendaraan dinaikan ke atas chassis dyno dan letakkan roda di roller

kemudian di ikat menggunakan strap. Beban pengereman dihasilkan oleh

salah satu roller dengan menggunakan hidrolik atau dengan sistem elektrik

sama pada engine-dyno yang mengaplikasikan torsi pada crankshaft dari

mesin. Perhitungan umum yang sama, BHP = torsi(ft/lbs) x rpm /5252,

bisa digunakan untuk menghitung bhp pada roller dengan mengetahui torsi

dan rpm pada roller (bukan rpm pada mesin).

2.9 Parameter Unjuk Kerja Motor Pembakaran Dalam

2.9.1 Proses Pembakaran

Pembakaran didalam ruang bakar ( combustion chamber ) suatu motor

bakar merupakan gabungan suatu proses fisika dan proses kimia yang kompleks,

meliputi persiapan pembakaran, perkembangan pembakaran, dan proses setelah

pembakaran. Proses tersebut tergantung dari jenis dan kecepatan reaksi kimia,

keadaan panas dan pertukaran masa selama proses, serta perambatan panas ke

32

sekelilingnya ( Faisal Dasuki; 1977 ). Untuk menghasilkan suatu proses

pembakaran, minimal harus ada tiga komponen utama, yaitu bahan bakar, oksigen

(udara), dan panas. Panas didapat dari letikan bunga api listrik pada motor bensin

( Spark Ignition Engine) atau tekanan kompresi yang tinggi pada motor diesel

(Compression Ignition Engine). Tanpa salah satu komponen diatas mustahil

proses pembakaran akan terjadi. Secara praktis prestasi mesin ditunjukkan oleh

torsi dan daya. Parameter ini relatif penting untuk mesin dengan variasi kecepatan

operasi dan tingkat pembebanan. Daya poros maksimum menggambarkan sebagai

kemampuan maksimum mesin. Torsi poros maksimum pada putaran mesin

tertentu mengindikasikan kemampuan untuk memperoleh aliran udara (campuran

bahan bakar dan udara) yang masuk ke dalam mesin pada putaran mesin tersebut.

Tujuan utama dari penggunaan engine adalah daya (mechanical power).

2.9.2 Daya poros efektif

Tujuan utama dari penggunaan engine adalah daya (mechanical power).

Daya didefinisikan sebagai laju kerja dan sama dengan perkalian antara gaya

dengan kecepatan linear atau torsi dengan kecepatan angular. Sehingga dalam

pengukuran daya melibatkan pengukuran gaya atau torsi dan kecepatan.

Pengukuran dilakukan dengan menggunakan dinamometer dan tachometer atau

alat lain dengan fungsi yang sama.

Daya (Bhp) = [HP]……………….(2.13)

2.9.3 Torsi

Torsi merupakan harga yang ditunjukkan oleh momen motor pada out

put poros engkol (crank shaft). Torsi merupakan perkalian antara gaya yang

33

dihasilkan dari tekanan hasil pembakaran pada torak dikalikan dengan jari-jari

lingkar poros engkol. Semakin sempurna pembakaran suatu motor, maka torsi

yang terbangkit akan semakin maksimal. Bila radius tenaga yang bekerja adalah

“r” (m) dan tenaga yang diberikan adalah “F” (kgf) maka momennya adalah:

T = F.r (kgf.m)……………………………………………...(2.14)

2.9.4 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik

Konsumsi bahan bakar spesifik (spesific fuel consumption) didefenisikan

sebagai jumlah bahan bakar yang dipakai untuk menghasilkan satu satuan daya

dalam waktu satu jam dan dirumuskan sebagai:

SFC = [ L/HP.h] ……………….. …………….(2.15)

Dimana untuk FC dapat dirumuskan sebagai :

FC = [L/h]……………………………….(2.16)

2.9.5 Pengukuran Gas Buang

Proses pembakaran yang terjadi didalam ruang bakar merupakan

serangkaian kimia yang melibatkan campuran bahan bakar berupa HC dengan

oksigen. Proses pembakaran menghasilkan empat macam gas buang berupa CO2,

CO, NOX dan HC. Keempat macam gas buang ini terbentuk pada proses

pembakaran sempurna dan tidak sempurna. Pada proses pembakaran sempurna,

hasil pembakaran yang terbentuk adalah CO2 dan H2O. Proses pembakaran

sempurna dapat dinyatakan dalam reaksi berikut:

CXHY + n (O2 + 3,76 N2) → a CO2 + b H2O + 3,76 n N2

34

Sedangkan proses pembakaran tidak sempurna menghasilkan gas buang

berupa CO, NOX, HC dan partikulat pengotor lainnya. Proses pembakaran tidak

sempurna dapat dituliskan dalam reaksi sebagai berikut:

P CXHY + q (O2 + 3.76 N2) → a CO2 + b H2O + c CO + d HC + e

NOX + 3,76 n N2 + partikulat pengotor lainnya

HC merupakan sisa bahan bakar yang tidak ikut terbakar. CO terbentuk

akibat kurangnya kadar O2 dalam proses pembakaran, sehingga yang terbentuk

bukanlah CO2 melainkan CO karena HC yang ada berikatan dengan O2. NOX

terbentuk pada temperatur tinggi disaat campuran udara dengan bahan bakar

berlebihan. Gas analyzer merupakan rangkaian peralatan yang digunakan untuk

mendeteksi keberadaan gas buang dalam bentuk CO2, CO, NOX, HC dan juga

kadar O2 yang ikut terbuang. Metode yang umum digunakan dalam proses

pendekteksian keberadaan gas buang adalah melalui metode ionisasi. Hasil

keluaran gas analyzer berupa konsentrasi gas- gas CO2,CO,NOX,O2 dan HC. Dari

hasil yang didapatkan, ternyata terdapat korelasi antara rasio A/F dengan

konsentrasi keluaran gas-gas tersebut. Pertimbangan pengujian suatu engine

ditentukan oleh unjuk kerja engine dan kadar emisi gas buang hasil pembakaran.

Unjuk kerja menjadi pentingkarena berkaitan dengan tujuan penggunaan engine

dan faktor ekonomisnya sedangkan tinggi rendahnya emisi gas buang

berhubungan dengan faktor lingkungan.

Unjuk rasa suatu engine sangat tergantung pada energi yang dihasilkan

dari campuran bahan bakar yang diterima oleh engine dan efisiensi thermis dari

engine tersebut (kemampuan engine untuk mengubah energi kimia bahan bakar

35

menjadi kerja efektif dari engine). Bahan bakar bensin mengandung campuran

dari beberapa hidrokarbon dan jika terbakar secara sempurna, pada gas buang

hanya akan mengandung karbon dioksida (CO2) dan uap air (H2O) serta udara

yang tidak ikut dalam proses pembakaran. Namun untuk beberapa alasan,

pembakaran yang terjadi adalah tidak sempurna dan akan menghasilkan karbon

monoksida(CO), gas beracun yang mematikan dan hidrokarbon yang tidak

terbakar (Unburned Hidrocarbon, UBHC) pada gas buang. Disamping CO dan

HC, emisi utama yang ketiga adalah oksida dari nitrogen (NOX) yang terbentuk

oleh reaksi antara nitrogen dengan oksigen karena temperatur pembakaran yang

tinggi, yaitu lebih dari 1100o C [1].

2.9.6 Emisi Gas Buang Motor Bensin

Emisi gas yang dihasilkan oleh pembakaran kendaraan bermotor pada

umumnya berdampak negatif terhadap lingkungan. Sehingga perlu diambil

beberapa langkah untuk dapat mengendalikan gas buang yang dihasilkan tersebut.

Salah satu caranya adalah dengan pemeriksaan atau uji emisi berkala untuk

mengetahui kandungan gas buang kendaraan yang berpotensi mencemari

lingkungan. Pada negara-negara yang memiliki standar emisi gas buang

kendaraan yang ketat, ada 5 unsur dalam gas buang kendaraan yang akan diukur

yaitu senyawa HC, CO, CO2, O2 dan senyawa NOx. Sedangkan pada negara-

negara yang standar emisinya tidak terlalu ketat, hanya mengukur 4 unsur dalam

gas buang yaitu senyawa HC, CO, CO2 dan O2.

(http://rengkodriders.wordpress.com)

36

Bahan bakar bensin mengandung campuran dari beberapa hidrokarbon

dan jika terbakar secara sempurna, pada gas buang hanya akan mengandung

karbon dioksida (CO2) dan uap air (H2O) serta udara yang tidak ikut dalam proses

pembakaran. Namun untuk beberapa alasan, pembakaran yang terjadi adalah tidak

sempurna dan akan menghasilkan karbon monoksida (CO), gas beracun yang

mematikan dan hidrokarbon yang tidak terbakar (Unburned Hidrocarbon, UBHC)

pada gas buang. Disamping CO dan HC, emisi utama yang ketiga adalah oksida

dari nitrogen (NOX) yang terbentuk oleh reaksi antara nitrogen dengan oksigen

karena pembakaran yang tinggi, yaitu lebih dari 1100oC.

1. Karbon Monoksida (CO)

Gas karbonmonoksida adalah gas yang relative tidak stabil dan cenderung

bereaksi dengan unsur lain. Karbon monoksida, dapat diubah dengan mudah

menjadi CO2 dengan bantuan sedikit oksigen dan panas. Saat mesin bekerja

dengan AFR yang tepat, emisi CO pada ujung knalpot berkisar 0.5% sampai 1%

untuk mesin yang dilengkapi dengan sistem injeksi atau sekitar 2.5% untuk mesin

yang masih menggunakan karburator. Dengan bantuan air injection, maka CO

dapat dibuat serendah mungkin mendekati 0%. Apabila AFR sedikit saja lebih

kaya dari angka idealnya (AFR ideal = lambda = 1.00) maka emisi CO akan naik

secara drastis. Jadi tingginya angka CO menunjukkan bahwa AFR terlalu kaya

dan ini bisa disebabkan antara lain karena masalah di fuel injection system seperti

fuel pressure yang terlalu tinggi, sensor suhu mesin yang tidak normal, air filter

yang kotor, PCV system yang tidak normal, karburator yang kotor atau setelannya

yang tidak tepat.Karbon monoksida merupakan gas yang tidak berwarna dan tidak

37

berbau dan gas beracun. Gas ini timbul pada saat kondisi campuran di dalam

mesin kaya. Dimana tidak tersedianya cukup oksigen untuk membentuk CO

menjadi CO2, sehingga beberapa carbon berakhir menjadi CO. Biasanya untuk

mesin bensin kadarnya 0,2% - 0,5%. Kekuatannya berkaitan dengan hemoglobin

di dalam darah sangat lebij kuat dari pada oksigen. Bahkan konsentrasi yang

rendah pun dapat menyebabkan terjadinya sufokasi. Konsentrasi didalam udara

maksimal yang diijinkan adalah 33 mg/ m3.

2. Hidrokarbon (HC)

Bensin adalah senyawa hidrokarbon, jadi setiap HC yang didapat di gas buang

kendaraan menunjukkan adanya bensin yang tidak terbakar dan terbuang bersama

sisa pembakaran. Apabila suatu senyawa hidrokarbon terbakar sempurna (bereaksi

dengan oksigen) maka hasil reaksi pembakaran tersebut adalah karbondioksida

(CO2) dan air(H¬2O). Walaupun rasio perbandingan antara udara dan bensin

(AFR=Air-to-Fuel-Ratio) sudah tepat dan didukung oleh desain ruang bakar

mesin saat ini yang sudah mendekati ideal, tetapi tetap saja sebagian dari bensin

seolah-olah tetap dapat “bersembunyi” dari api saat terjadi proses pembakaran dan

menyebabkan emisi HC pada ujung knalpot cukup tinggi.

Untuk mobil yang tidak dilengkapi dengan Catalytic Converter (CC), emisi HC

yang dapat ditolerir adalah 500 ppm dan untuk mobil yang dilengkapi dengan CC,

emisi HC yang dapat ditolerir adalah 50 ppm.Emisi HC ini dapat ditekan dengan

cara memberikan tambahan panas dan oksigen diluar ruang bakar untuk

menuntaskan proses pembakaran. Proses injeksi oksigen tepat setelah exhaust port

akan dapat menekan emisi HC secara drastis. Saat ini, beberapa mesin mobil

38

sudah dilengkapi dengan electronic air injection reaction pump yang langsung

bekerja saat cold-start untuk menurunkan emisi HC sesaat sebelum CC mencapai

suhu kerja ideal.

Apabila emisi HC tinggi, menunjukkan ada 3 kemungkinan penyebabnya yaitu

CC yang tidak berfungsi, AFR yang tidak tepat (terlalu kaya) atau bensin tidak

terbakar dengan sempurna di ruang bakar. Apabila mobil dilengkapi dengan CC,

maka harus dilakukan pengujian terlebih dahulu terhadap CC denganc

aramengukur perbedaan suhu antara inlet CC dan outletnya. Seharusnya suhu di

outlet akan lebih tinggi minimal 10% daripada inletnya. Apabila CC bekerja

dengan normal tapi HC tetap tinggi, maka hal ini menunjukkan gejala bahwa AFR

yang tidak tepat atau terjadi misfire. AFR yang terlalu kaya akan menyebabkan

emisi HC menjadi tinggi. Ini bias disebabkan antara lain kebocoran fuel pressure

regulator, setelan karburator tidak tepat, filter udara yang tersumbat, sensor

temperature mesin yang tidak normal dan sebagainya yang dapat membuat AFR

terlalu kaya. Injector yang kotor atau fuel pressure yang terlalu rendah dapat

membuat butiran bensin menjadi terlalu besar untuk terbakar dengna sempurna

dan ini juga akan membuat emisi HC menjadi tinggi. Apapun alasannya, AFR

yang terlalu kaya juga akan membuat emisi CO menjadi tinggi dan bahkan

menyebabkan outlet dari “Cylinder Cap” mengalami overheat, tetapi CO dan HC

yang tinggi juga bisa disebabkan oleh rembasnya pelumas ke ruang bakar.

Apabila hanya HC yang tinggi, maka harus ditelusuri penyebab yang membuat

ECU memerintahkan injector untuk menyemprotkan bensin hanya sedikit

sehingga AFR terlalu kurus yang menyebabkan terjadinya intermittent misfire.

39

Pada mobil yang masih menggunakan karburator, penyebab misfire antara lain

adalah kabel busi yang tidak baik, timing pengapian yang terlalu mundur,

kebocoran udara disekitar intake manifold atau mechanical problem yang

menyebabkan angka kompresi mesin rendah. Untuk mobil yang dilengkapi

dengan sistem EFI, gejala misfire ini harus segera diatasi karena apabila

didiamkan, ECU akan terus menerus berusaha membuat AFR menjadi kaya

karena membaca bahwa masih ada oksigen yang tidak terbakar ini. Akibatnya

“Cylinder Cap” akan mengalami overheat. Gas buang hidrokarbon yang

dihasilkan pada SI engine mencapai 6000 ppm, komposisinya setara dengan 1-1,5

% bahan bakar. Pembentukan gas buang HC dipengaruhi oleh komposisi bahan

bakar, geometri dari ruang bakar, dan parameter operasi mesin. Gas buang

hidrokarbon dapat menyebabkan iritasi dan kanker.

3. Nitrogen Oxide (NOX)

Emisi NOx tidak dipentingkan dalam melakukan diagnose terhadap mesin.

Senyawa NOx adalah ikatan kimia antara unsur nitrogen dan oksigen. Dalam

kondisi normal atmosphere, nitrogen adalah gas inert yang amat stabil yang tidak

akan berikatan dengan unsur lain. Tetapi dalam kondisi suhu tinggi dan tekanan

tinggi dalam ruang bakar, nitrogen akan memecah ikatannya dan berikatan dengan

oksigen. Senyawa NOx ini sangat tidak stabil dan bila terlepas ke udara bebas,

akan berikatan dengan oksigen untuk membentuk NO2. Inilah yang amat

berbahaya karena senyawa ini amat beracun dan bila terkena air akan membentuk

asam nitrat. Tingginya konsentrasi senyawa NOx disebabkan karena tingginya

konsentrasi oksigen ditambah dengan tingginya suhu ruang bakar. Untuk menjaga

40

agar konsentrasi NOx tidak tinggi maka diperlukan kontrol secara tepat terhadap

AFR dan suhu ruang bakar harus dijaga agar tidak terlalu tinggi baik dengan EGR

maupun long valve overlap. Normalnya NOx pada saat idle tidak melebihi 100

ppm. Apabila AFR terlalu kurus, timing pengapian yang terlalu tinggi atau sebab

lainnya yang menyebabkan suhu ruang bakar meningkat, akan meningkatkan

konsentrasi NOx dan ini tidak akan dapat diatasi oleh CC atau sistem EGR yang

canggih sekalipun. Tumpukan kerak karbon yang berada di ruang bakar juga akan

meningkatkan kompresi mesin dan dapat menyebabkan timbulnya titik panas

yang dapat meningkatkan kadar NOx. Mesin yang sering detonasi juga akan

menyebabkan tingginya konsentrasi NOx. Gas buang NOx yang dihasilkan engine

dapat mencapai 2000 ppm. Nitrogen pada atmosfir merupakan struktur diatomic

yang stabil pada temperatur rendah. Akan tetapi pada temperatur tinggi ( 2500-

3000 K) yang terjadi pada ruang bakar, sejumlah N2 berubah menjadi 2N, setelah

itu bereaksi dengan O2 sehingga membentuk NO2, Gas NO2 yang keluar dari

exhaust kendaraan akan bereaksi dengan sinar matahari dan menghasilkan NO +

O + smog, monoatomik oksigen (O) akan bereaksi dengan O2 menghasilkan O3

(ozon), terbentuknya ozon pada permukaan bumi dapat menyebabkan radang

paru- paru, dan juga berbahaya untuk tanaman.