BAB II DASAR TEORI. 2.1 Motor Pembakaran Dalam. Motor pembakaran di dalam atau yang lazim disebut dengan motor

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

BAB II DASAR TEORI

2.1

Motor Pembakaran Dalam Motor pembakaran di dalam atau yang lazim disebut dengan motor bakar ialah pesawat yang dapat mengubah tenaga yang terkandung di dalam bahan bakar menjad panas dan dari panas diubah menjadi tenaga gerak. Pembakaran itu berlangsung di dalam silinder, karena itulah ia disebut dengan motor pembakaran di dalam (the internal combustion engine). Yang termasuk pembakaran motor di dalam ialah motor bensin, motor diesel dan turbin gas. Sedangkan turbin uap yang dibuat untuk tujuan yang sama dengan motor bakar digolongkan pada pembakaran motor di luar. Proses pembakaran yang terjadi pada motor, tidak lain dari suatu reaksi kimia yang berlangsung pada temperatur yang tinggi dan dalam waktu yang sangat singkat. Reaksi kimia ini disebut suatu reaksi yang exotherm, dimana dari reaksi ini dilepaskan (dihasilkan) sejumlah besar panas. Panas tersebut merupakan tenaga aliran yang kuat dan mendorong piston. Dan akibatnya

UNIVERSITAS MERCU BUANA

6

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

piston bergerak. Gerakan piston merupakan gerak lurus bolak – balik yang disebut juga gerak translasi. Oleh poros engkol dan batang penggerak gerakan ini di ubah menjadi gerak putar.

2.2

Pengertian 4 tak dan 2 tak. 1. Pengertian Motor 4 Tak Motor 4 tak (Four stroke engine) adalah sebuah mesin dimana untuk menghasilkan sebuah tenaga memerlukan empat proses langkah naik – turun piston, dua kali rotasi kruk as, dan satu putaran noken as (camshaft). Untuk memahami prinsip kerja, perlu dimengerti istilah baku yang berlaku dalam teknik otomotif : -

TMA (titik mati atas) atau TDC (top dead center), posisi piston berada pada titik paling atas dalam silinder mesin atau piston berada pada titik paling jauh dari poros engkol (crankshaft).

-

TMB (titik mati bawah) atau BDC (bottom dead center), posisi piston berada pada titik paling bawah dalam silinder mesin atau piston berada pada titik paling dekat dengan poros engkol (crankshaft).


7

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

Gambar 2.1 Mesin 4 tak (sumber : qtussama.wordpress.com) a. Prinsip kerja motor 4 langkah yaitu : Untuk prinsip kerja motor 4 tak atau 4 langkah yaitu : 1. Langkah Hisap Sewaktu piston bergerak dari dari TMA ke TMB, maka tekanan diruang pembakaran menjadi hampa (vakum). Perbedaan tekanan luar yang tinggi dengan tekanan hampa, mengakibatkan udara akan mengalir dan bercampur dengan gas. Selanjutnya gas tersebut masuk melalui katup masuk yang terbuka mengalir masuk dalam ruang cylinder.


8

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

Gambar 2.2 Langkah Hisap (http://materi-tik-ptd.blogspot.com ) Prosesnya adalah 

Piston bergerak dari Titik Mati Atas (TMA) menuju Titik Mati Bawah (TMB).



Katup buang tertutup dan katup masuk terbuka, bahan bakar masuk ke silinder.



Tekanan negatif piston menghisap kabut udara - bahan bakar masuk ke silinder.

2. Langkah Kompresi Setelah melakukan pengisian, piston yang sudah mencapai TMB kembali lagi bergerak menuju TMA, dimana katup masuk dan katup buang tertutup, ini memperkecil ruangan diatas piton, sehingga campuran udara-bahan bakar menjadi padat, tekanan dan suhunya menjadi naik. Tekanannya naik kira – kira tiga kali lipat. Beberapa


9

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

derajat sebelum piston mencapai TMA terjadi letikan bunga api listrik dari busi yang membakat campuran udara – bahan bakar.

Gambar 2.3 Langkah Kompresi (http://materi-tik-ptd.blogspot.com)

Prosesnya sebagai berikut : 

Piston bergerak kembali dari TMB ke TMA



Katup masuk menutup, katup buang tetap tertutup



Bahan bakar termampatkan ke dalam kubah pembakaran (combustion chamber) sehingga suhu dan tekanan akan naik



Sekitar ± 8 derajat sebelum TMA, busi mulai menyalakan bunga api dan memulai proses pembakaran.

3. Langkah Tenaga Dimulai ketika campuran udara / bahan bakar dinyalakan oleh busi. Dengan cepat campuran yang terbakar ini merambat dan terjadilah


10

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

ledakan yang tertahan oleh dinding kepala silinder sehingga menimbulkan tendangan balik bertekanan tinggi yang medorong piston turun ke silinder bore. Gerakan linier dari piston ini dirubah menjadi gerak rotasi oleh poros engkol. Energi rotasi diteruskan sebagai

momentum

menuju

flywheel

yang

bukan

hanya

menghasilkan tenaga, counter balance weight pada kruk as membantu piston melakukan siklus berikutnya.

Gambar 2.4 Langkah tenaga (http://materi-tik-ptd.blogspot.com) Prosesnya sebagai berikut : 

Ledakan tercipta secara sempurna di ruang bakar, dan piston terlempar dari TMA menuju TMB



Katup masuk menutup penuh katup buang menutup tetapi menjelang akhir langkah usaha katup buang mulai sedikit terbuka


11

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN



Terjadi transformasi energi gerak bolak – balik piston menjadi energi rotasi pada poros engkol.

4. Langkah Buang (Exhaust stroke) Pada lagkah buang, piston bergerak dari TMB menuju TMA katup masuk tertutup dan katup buang terbuka, langkah buang ini menjadi sangat penting untuk menghasilkan operasi kinerja mesin yang lembut dan efisien.

Gambar 2.5 Langkah Tenaga (http://materi-tik-ptd.blogspot.com)

Prosesnya adalah : 

Counter balance weight pada poros engkol memberikan gaya untuk menggerakkan piston dari TMB ke TMA



Katup buang terbuka sempurna, katup masuk menutup penuh


12

TUGAS AKHIR 

TEKNIK MESIN

Gas sisa hasil pembakaran didesak keluar oleh piston melalui port exhaust menuju knalpot

b. Over laping Over laping adalah sebuah kondisi dimana kedua katup masuk dan katup keluar berada dalam posisi sedikit terbuka pada akhir langkah buang hingga awal langkah hisap. Berfungsi untuk efisiensi kinerja dalam mesin pembakaran dalam. Adanya hambatan dari kinerja mekanis klep dan inersia udara di dalam manifold, maka sangat diperlukan untuk mulai membuka klep masuk sebelum piston mencapai TMA di akhir langkah buang untuk mempersiapkan langkah hisap. Dengan tujuan untuk menyisihkan semua gas sisa pembakaran, klep buang tetap terbuka hingga setelah TMA. Derajat over laping sangat tergantung dari desain mesin dan seberapa cepat mesin ini ingin bekerja.


13

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

Gambar 2.6 overlaping (Sumber : http://denny333.wordpress.com/)

Manfaat dari proses overlaping : 

Sebagai pembilasan ruang bakar, piston, silinder dari sisa – sisa pembakaran.



Pendingina suhu di ruang bakar



Membantu exhaust scavanging (pelepasan gas buang)



Memaksimalkan proses pemasukan bahan bakar


14

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

2. Pengertian motor 2 tak

Gambar 2.7 mesin 2 tak (sumber : motorlama.com) Pada motor bensin 2 tak, setiap siklus terdiri dari dua langkah piston atau satu kali putaran poros engkol. Jadi satu kali langkah usaha terjadi pada setiap dua langkah piston. Proses yang terjadi pada motor 4 tak, juga teerjadi pada motor dua langkah, hanya masing – masing proses tidak terjadi pada satu langkah penuh. Langkah – langkah tersebut adalah : 1. Langkah naik (Upward stroke) Piston bergerak dari TMB ke TMA. Beberapa saat sebelum piston sampai di TMB. Gas bekas pembakaran sudah mulai dikeluarkan


15

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

dan campuran udara bahan bakar baru pun sudah mulai dimasukkan. Langkah ini merupakan langkah kompresi. Pada waktu piston hampir mencapai TMA busi mengdakan pembakaran. 2. Langkah turun (Downward stroke) Dengan adanya pembakaran pada akhir langkah naik maka terjadi panas dan pemuaian yang tiba – tiba. Piston bergerak dari TMA ke TMB. Sebelum piston mencapai TMB maka lobang buang sudah terbuka. Lubang masuk pun kemudian terbuka pula. Gas baru masuk dan sekaligus mendorong gas bekas keluar. Suatu hal yang sangat penting pada motor dua langkah ini adalah adanya lubang – lubang masuk dan buang sebagai pengganti katup. Piston yang bergerak dari TMB ke TMA dan sebaliknya menutup dan membuka lubang – lubang tersebut. Jadi motor dua langkah umumnya tidak mempunyai katup masuk dan katup buang. Kelemahan yang paling menonjol pada motor dua langkah adalah sangat singkatnya waktu yang tersedia untuk pemasukan dan pembuangan gas bekas. Akibatnya bahan bakar baru, ada yang tercampur dengan gas bekas atau sudah terbuang keluar bersama gas bekas sebelum sempat terbakar. Tapi kelemahan ini telah diusahakan memperkecilnya dengan membuat bermacam sistem pembilasan. Pada motor bensin dua langkah atau 2 tak, karena pemasukan dan pengeluaran gas baru dan gas bekas tidak diatur oleh klep maka terdapat beberapa kelemahan yaitu : UNIVERSITAS MERCU BUANA

16

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

1. Dengan adanya lubang transfer (transfer port) dan lubang buang (exhaust port), maka kompresi tidak dimulai dari TMB. Kerugian ini tidak sama pada masing – masing motor, berkisar antara 20-45%. Berarti lubang buang baru tertutup pada waktu piston sudah bergerak adakalanya 80o putaran sesudah TMB . 2. Terlalu sedikit waktu untuk pemasukan gas baru dan pembuangan gas bekas, sehingga besar kemungkinan sebagian gas bekas tidak sempat keluar dan sebaliknya ada juga gas baru yang sudah keluar sebelum terbakar.

2.3

Kelebihan dan kekurangan mesin 2 tak dan mesin 4 tak 1. Kelebihan dan kekurangan mesin 4 Tak a. Keuntungan 

Karena proses pemasukan, kompresi, kerja, dan buang prosesnya berdiri sendiri - sendiri sehingga lebih presisi, efisien dan stabil, jarak putaran dari rendah ke tinggi lebih lebar (500 – 1000 rpm).



Kerugian langkah karena tekanan balik lebih kecil dibanding mesin dua langkah sehingga pemakaian bahan bakar lebih hemat.



Putaran rendah lebih baik dan panas mesin lebih dapat didinginkan oleh sirkulasi oli.



Langkah pemasukan dan buang lebih panjang sehingga efisiensi pemasukan dan tekanan efektif rata – rata lebih baik.



Panas mesin lebih rendah dibanding mesin dua langkah.


17

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

b. Kerugian 

Komponen dan mekanisme gerak katup lebih kompleks, sehingga perawatan lebih sulit



Suara mekanis lebih gaduh



Langkah kerja terjadi dengan 2 putaran poros engkol, sihingga keseimbangan putar tidak stabil, perlu jumlah silinder lebih dari satu dan sebagai peredam getaran.

c. Ciri Umum Mesin 4 Tak 

Gas buang tidak berwarna (kecuali ada kerusakan)



Bahan bakar lebih irit



Menggunakan satu pelumas unttuk melumasi ruag engkol, piston, dinding silinder dan transmisi

2.

Kelebihan dan kekurangan mesin 2 Tak a. Kelebihan 

Kontruksi sederhana (tanpa mekanisme katup, pompa minyak dan ditribusi pemeliharaan kurang)



Tiap putar satu langkah kerja (mengakibatkan motor berputar halus pada jumlah silinder sedikit)



Tenaga spesifik lebih tinggi (disebabkan oleh kelipatan dua dari jumlah langkah kerjanya dapat mengakibatkan tenaga lebih tinggi dari volume banyak yang sama)


18

TUGAS AKHIR 

TEKNIK MESIN

Pelumas langsung pada start yang dingin (minyak pelumasnya bercampur dengan bahan bakar, sehingga dinding silinder dapat pelumasan langsung. Maka motorlangsung dapat dibebani)

b. Kekurangan 

Efisiensi rendah (disebabkan oleh kerugian bilas dan pengisian silinder buruk tenaga tiap langkah kerja kurang. Akibatnya adalah pemakaian bahan bakar spesifik kurang menguntungkan)



Daya motor terbatas (disebabkan oleh pembatasan volume langkah tiap silinder, frekuensi putar dan jumlah silinder. Pembakaran termis tinggi)



Putaran tidak teratur dari motor tanpa beban (disebabkan oleh tekanan kurang yang rendah di dalam karter beserta katup gas tertutup pengisian karter dan silinder mengecewakan. Ini mengakibatkan “empat langkah” untuk motor dua langkah/2 tak pada putaran stasioner)



Sistem buang paksa (karena sistem buang merupakan bagian dari sistem bilas, maka tiap – tiap perubahan akan berpengaruh buruk pada prestasi motor. Banyak karbon hidrogen tidak terbakar dalam gas buang).

c. Ciri Umum Mesin 2 Tak 

Sistem pelumasannya dicampur kedalam bensin maka gas buang mesin 2 tak berwarna putih



Pemakaian bahan bakar lebih boros


19

TUGAS AKHIR

2.4

TEKNIK MESIN

Siklus termodinamika dari motor torak 2.4.1. Umum Asumsi yang dipergunakan dalam siklus termodinamika: 1. Jumlah medium kerja dalam silinder motor konstan dan beroperasi dalam siklus tertutup. Dalam kondisi nyata siklus terbuka dimana keluaran gas dari siklus sebelumnya harus dibuang dari sirkulasi motor dan medium kerja yang baru dimasukan. 2. panas yang diterima dari atmosfer pada waktu tertentu dari sirkulasi disesuaikan dengan sifat alaminya. Dalam konteks sebenarnya, panas merupakan hasil dari reaksi kimia yang terjadi antara bahan bakar dengan oksigen dalam udara. 3. kapasitas panas pada medium kerja dalam silinder merupakan hal yang konstan dan tidak tegantung dari temperaturnya. 4. proses yang terjadi baik kompresi maupun ekspresi terjadi tanpa pertukaran panas dengan lingkungan (proses adiabatic). Kenyataannya perbedaan temperatur antara medium kerja dengan dinding silinder untuk kedua proses dan puncak menghasilkan kerugian panas.


20

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

2.4.2. Siklus Dari Motor Bakar Torak 1. Siklus Motor 4 Langkah a. Langkah Masuk atau Hisap Pada langkah hisap tekanan dalam silinder hampir tetap dan kirakira 0,1 bar lebih rendah dari pada tekanan atmosfir. Oleh karena perbedaan tekanan terlampau kecil untuk dapat dinyatakan dalam diagram, tekanan atmosfer diumpamakan penghisapan udara pembakaran. b. Langkah Kompresi Pada langkah kompresi tekanan gas naik hingga tercapai tekanan akhir kompresi, kompresi diumpamakan dengan garis kompresi 2 – 6. Jarak Vertikal 1 – 6 menunjukan tekanan akhir kompresi. c. Pembakaran Pada akhir langkah kompresi pembakaran dilangsungkan, tekanan gas meningkat pada isi silinder tetap dari tekanan akhir kompresi sesuai titik 6 d. Langkah Kerja atau Langkah Ekspansi e. Langkah Pembuangan


21

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

2. Siklus Motor 2 Langkah

Gambar 2.8 Siklus Motor 2 Tak (sumber : Crouse ; Angling 1994) Gambar adalah diagram tekanan isi teroritis motor 2 tak. Kompresi mulai pada titik 1 setelah penutup lubang pembuangan. Garis 1-2 adalah garis kompresi. Pada saat digambarkan dengan tekanan titik 2, campuran terbakar dengan ledakan dan tekanan naik hingga titik 3. Garis 2- 3 adalah garis pembakaran. Setelah pembakaran gas berekspansi dan melakukan kerja mekanik. Garis ekspansi digambarkan dengan garis 3-4. Titik 4 adalah permulaan pembuangan gas bekas mengalir ke udara luar. Hal ini digambarkan dengan garis 4-5. Titik 5 adalah permulaan pembilas, campuran baru mengalir kedalam silinder dan


22

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

meledak ke lubang pembuangan. Tekanan dalam silinder hamper sama dengan tekanan

atmosfer. Pembilasan dan

pengisian silinder

digambarkan dnegan garis 5-6-5. Pada saat itu proses berulang kembali. Luas bidang diagram yang diarsir mengumpamakan pada suatu skala tertentu kerja teoritis yang dihasilkan tiap proses kerja.

2.5

Proses Pembakaran Pembakaran pada motor bakar torak adalah proses reaksi kimia antara bahan bakar dan oksigen yang terjadi didalam

ruang bakar, yang

menghasilkan energy kalor. Oksigen ini diperoleh dari campuran bahan bakar dengan udara yang

masuk kedalam mesin. Komposisi dari udara tersebut

sebagian besar tergantung oksigen dan nitrogen serta sebagian kecil dari udara tersebut terkandung gas yang lain, seperti terlihat pada tabel di bawah ini. Tabel 2.1 Komposisi Udara Nama

Simbol

Mol Berat

Oksigen

O2

32,0

Nitrogen

N2

28,02

Argon

A

40,0

CO 2

44,0

-

-

Karbon dioksida Gas lain Total Udara

28,95

(Daryanto,teknik mesin 2003)


23

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

Adapun reaksi pembakaran bahan bakar hidrokarbon secara umum adalah : CnHm + (n+m) (O 2 + 3,764 N 2 ) nCO 2 + m/2 H 2 O +3.674 (n+m/4) N 2 …(2.1) Sedangkan reaksi pembakaran antara bahan bakar bensin dengan karbon adalah :

C8H18 +

O2  8CO2 + 9H2O

Persamaan reaksi kimia diatas menunjukan reaksi pembakaran yang sempurna daari satu mol bahan bakar. Selama proses pembakaran, senyawa hidrokarbon terurai menjadi senyawa-senyawa hidrogen dan karbon yang masing-masing bereaksi dengan oksigen membentuk CO 2 dan H 2 O. pada proses pembakaran dimana terdapat kelebihan udara, α > 1, gas hasil pembakaran akan mengandung O 2 , maka reaksi pembakaran di atas akan berubah menjadi : CnHm+(n+m/4)(O 2 +3,764 N 2 )nCO 2 +m/2 H 2 O+xO2+3.674 α (n+m/4)N 2… (2.2) Dimana : α = koefesien kelebihan udara x = jumlah mol pada sisa oksigen = 0,5 [2α (n + 3/ 4 ) – (2n + m/2)]

untuk komposisi campuran bahan bakar dan udara dimana α<1, maka akan terjadi kekurangan O 2 untuk proses pembakaran. Sehingga membuat reaksi pembakaran berlangsung tidak sempurna. Akibat kekurangan ini, akan terbentuk gas CO serta terdapat sisa gas H 2 dan hidrokarbon HC yang belum sampai terbakar. Reaksi ini dapat dinyatakan dengan persamaan reaksi sebagai berikut : CnHm + α(O 2 +3,764 N 2 )bCO 2 + cH 2 O + dN 2 + eCO+ fH 2 + gHC….….(2.3)


24

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

Jumlah mol dari masing – masing gas buang tersebut dapat diketahui melalui pengukuran dan analisa gas buang. Nitrogen tidak berperan pada proses pembakaran, namun pada temperatur yang tinggi nitrogen akan bereaksi membentuk senyawa NO. setelah proses pembakaran, NO ini masih bereaksi dengan oksigen membentuk NO 2 , yang merupakan gas berbahaya bagi kesehatan.

2.6 Perbandingan Udara – Bahan Bakar Perbandingan antara massa udara untuk pembakaran dengan massa bahan bakar disebut perbandingan udara – bahan bakar atau air fuel ratio (AFR). Secara teoritis AFR berperan penting dalam kesempurnaan pembakaran yang tergantung dari komposisi bahan bakar. Secara praktis, proses pembakaran tergantung sepenuhnya bagaimana udara dan bahan bakar dicampur, sehingga partikel – partikelnya dapat dikombinasi penuh. Besarnya AFR adalah :

AFR =

…………………..(2.4)

Keterangan : ma = massa udara yang dibutuhkan untuk pembakaran (kg) mf = massa bahan bakar yang dipergunakan untuk proses pembakaran (kg) perbandingan yang biasa dipakai untuk mesin konvensional SI yang menggunakan bahan bakar bensin adalah 12≤ A/F ≤18(0,056≤ F/A≤0,083)(5)


25

TUGAS AKHIR

2.7

TEKNIK MESIN

Bahan Bakar Minyak Bahan bakar minyak yang berasal dari minnyak bumi yang mengandung senyawa hidrokarbon yang terdiri dari atom hydrogen dan atom karbon merupakan jenis bahan bakar yang paling banyak digunakan pada motor bakar piston, baik spark ignition engine (SI) maupun compression ignition engine (CI). Pada senyawa hidrokarbon, atom hidrogen dan atom karbon dihubungkan oleh suatu rantai ikatan yang dapat mempengaruhi sifat fisik dan sifat kimia dari hidrokarbon itu sendiri. Selain hidrokarbon, minyak bumi juga mengandung sulfur, oksigen dan nitrogen. Pada bahan bakar untuk mesin SI kita mngenal standar oktan. Suatu bahan bakar diukur dengan mesin CFR (Coordinating Fuel Research), yaitu sebuah mesin penguji yang perbandingan kompresinya dapat diubah-ubah. Didalam pengukuran itu ditetapkan kondisi standar operasinya (putaran, temperatur tekanan, kelembapan udara masuk dan sebagainya).

2.8

Knalpot Knalpot diambil dari bahasa Belanda yang artinya adalah “Saringan Udara” knalpot digunakan untuk pembuangan proses pembakaran. Knalpot alias

gas

buang

itu

bukan

semata

fungsinya

menyalurkan sisa pembakaran. Knalpot masih satu kesatuan dari proses langkah buang. Pada knalpot inilah, efek turbulensi terus menerus terjaga. Dengan knalpot, aliran turbulensi gas buang diubah jadi gaya pendorong piston ke TMB. Kemungkinan mesin dapat hidup tanpa knalpot ada, akan tetapi UNIVERSITAS MERCU BUANA

26

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

resikonya besar dan turbulensi kecil. Setelah bahan bakar meledak, waktu mengembangnya terlalu singkat. Efek pusaran turbulensi buyar, karena cepat dimuntahkan lewat lubang buang dan hilang ditelan udara bebas. Fungsi lain knalpot sebagai peredam getaran. Getaran akibat naik turun piston dari kepala silinder diteruskan ke bodi knalpot, rangka dan sasis, sehingga getaran mesin tidak keterlaluan.

2.8.1

Cara Kerja Knalpot Gas buang sisa pembakaran yang berkecepatan dan bertekanan sangat tinggi pada header pipa nya (leher Knalpot) di buang dan berkumpul di perut knalpot sehingga lebih dari sebagian akan balik (efek turbulensi) ke header ,sehingga membuat tekanan lebih tinggi lagi dan menciptakan kompresi baru (yg lebih tinggi). pada gas buang sebenarnya masih terdapat sisa BBM yg belum terbakar jadi kalau turbulen (gelombang) akan membalikan sisa tersebut ke ruang bakar sehingga pembakaran akan bertambah sekaligus menciptakan tenaga daya dorong yang tinggi jadi kecepatan motor pun bertambah .

2.8.2

Jenis Knalpot 1. knalpot standar konstruksi knalpot standart ini baik bekerja pada putaran bawah. Di dalam silincer knalpot standar meiliki beberapa sekat kamar ini menghambat turbulensi tetapi emisi gas buang yang keluar dari


27

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

dalam silencer knalpot standar sangat baik karena gas buang beracun yang keluar dari dalam silencer knalpot di saring beberapa kali oleh sekat kamar.

Gambar 2.9 Kontruksi saringan knalpot standar

Gambar 2.10 Knalpot standar 2. knalpot free flow konstruksi dari knalpot free flow baik bekerja pada mesin dengan putaran tinggi. Knalpot dimana sistim pelepasan gas buang lebih ringkas dan singakat turbelensinya, sehingga dikenal dengan UNIVERSITAS MERCU BUANA

28

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

sistem pembuangan los (free flow) dan karena ini bermunculan knalpot racing. Secara umum dampak penggunaan knalpot freeflow Dampak positif: a.

Tenaga mesin meningkat hingga 15%

b. Tenaga yang dihasilkan kendaraan lebih kuat, karena tidak ada lagi penghambat (tendangan piston akan semakin mantap dan langsung) c.

Akselerasi mesin meningkat hingga 30%

d. dapat mempercepat pembakaran dalam ruang mesin sehingga dapat mencapai akselerasi maksimum dgn waktu lebih singkat. e. Ruang bakar mesin bersih (kerak berkurang) Dampak negatif: a. Top speed menurun hingga 15% b. Bensin boros c. Umur mesin berkurang. d. Suara bising e. Harga jual motor turun f. Tanpa saringan debu dan kotoran masuk mesin, mengganggu pembakaran, akibat lanjut mesin cepat rusak, Sangat tidak


29

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

disarankan. Sebab akan membuat temperature cenderung lebih panas dari biasanya.

Gambar 2.11 Konstruksi saringan Knalpot Racing

Gambar 2.12 Knalpot racing 2.8.3. Fungsi Knalpot -

Membuang sisa pembakaran dari mesin ke udara

-

Meredam suara dan getaran mesin

-

Dapat membersihkan emisi mesin sebelum dilepas ke udara.

-

Menurunkan suhu udara yang sangat tinggi akibat kompresi di dalam ruang bakar (silinder)


30

TUGAS AKHIR

2.9

TEKNIK MESIN

Emisi Gas Buang Emisi gas buang dapat didefinisikan sebagai gas sisa yang dibuang oleh kendaraan bermotor. Gas sisa yang dikeluarkan oleh kendaraan bermotor tidak hanya melalui sistem pembuangannya akan tetapi sebenarnya ada sumber lain yaitu evaporasi sistem bahan bakar dan emisi dari dalam tangki, bahan bakar sendiri terdiri dari beberapa senyawa hidrokarbon yang terjadi pembakaran

sempurna

dengan

oksigen

yang

akan

menghasilkan

karbondioksida (CO 2 ) dan air (H 2 O) yang tidak berbahaya bagi kesehatan manusia dan lingkungannya. Tetapi pada kondisi yang sebenarnya, pembakaran sempurna pada mesin sangat sulit didapatkan, sehingga dihasilkan gas-gas sisa pembakaran yang berbahaya dan beracun seperti CO, NOx, HC, dan sebagainya. Udara yang dibutuhkan untuk pembakaran dalam ruang bakar diambil dari udara bebas, dimana pada udara bebas mengandung 78% nitrogen, sehingga pada gas buang mengandung polutan Nox. Sebenarnya pada temperatur rendah, nitrogen tidak bereaksi dengan oksigen sehingga polutan Nox tidak dihasilkan oleh reaksi pembakaran, tetapi pada temperatur lebih dari 1800oC, nitrogen akan bereaksi dengan oksigen pada saat pembakaran sehingga menghasilkan polutan Nox. Sedangkan untuk polutan karbon monoksida (CO) dapat dihasilkan oleh reaksi pembakaran yang terjadi adanya temperatur yang rendah pada sekeliling dinding silinder (quenching) dan ketidakseimbangan campuran antara udara dengan bahan bakar dalam ruang bakar. Dengan adanya UNIVERSITAS MERCU BUANA

31

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

temperatur yang rendah disekitar dinding silinder maka pembakaran sulit terjadi karena api sulit mencapai ke dinding silinder.

Gambar 2.13 Sumber Emisi Gas Buang Pada Kendaraan Bermotor

2.9.1 Komposisi Gas Buang Sisa hasil pembakaran berupa air (H 2 O),gas CO atau disebut jjuga karbon monooksida yang beracun, CO 2 atau disebut juga karbon dioksida yang merupakan gas rumah kaca, NO X senyawa nitrogen oksida, HC berupa senyawa

hidrat

arang

sebagai

akibat

ketidaksempurnaan

proses

pembakaran serta partikel lepas. 2.9.2 Dampak Negatif Dari Gas Buang Kerugian yang ditimbulkan dari emisi gas buang adalah : 

Pemicu hipertensi



Penyebab iritasi mata


32

TUGAS AKHIR

2.9.3



Penurunan kecerdasan



Menggangu perkembangan mental anak



Tenggorokan gatal dan batuk-batuk



Mengurangi fungsi reproduksi laki-laki

TEKNIK MESIN

Grafik Hubungan AFR dan Gas Buang


33

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

Gambar 2.14 Hubungan Gas Buang – Campuran Grafik di atas menggambarkan hubungan antara nilai λ dengan gas buang yang dihasilkan mesin. Seperti terlihat pada grafik, konsentrasi emisi CO dan HC menurun pada saat NOx meningkat seiring dengan AFR yang semakin kurus. Sebaliknya, ketika campuran kaya, NOx menurun tetapi CO dan HC meningkat. Hal ini berarti pada mesin bensin sangat sulit untuk mencari upaya penurunan emisi CO, HC dan NO, pada waktu bersamaan, apalagi dengan mengubah campurannya saja. 2.9.4

Pembentukan Karbon Monoksida Karbon monoksida, rumus kimia CO adalah gas yang tidak berwarna, tidak berbau, dan tidak berasa. Karbon monoksida terdiri dari satu atom karbon .yang secara kovalen berikatan dengan satu atom oksigen. Dalam ikatan ini, terdapat dua ikatan kovalen dan satu ikatan kovalen koordinasi antara atom karbon dan oksigen. Karbon monoksida dihasilkan dari pembakran tidak sempurna dari senyawa karbon, sering terjadi dari motor pembakaran dalam. Dampak dari CO tersebut dapat mengurangi jumlah oksigen dalam darah. Secara teoritis gas CO 2 tidak akan terbentuk apabila campuran udara dengan bahan bakar pada saat terjadi reaksi pembakaran lebih dari 16 :1 (campuran miskin). Prosentase gas CO yang dihasilkan oleh mesin akan meningkat jika mesin tersebut dalam kondisi langsam (iddle) dan akan berkurang seiring meningkatnya putaran mesin.


34

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

Data yang ada pada kendaraan penumpang kadar emisi gas CO lebih dari 7% dengan campuran udara – bahan bakar kaya dan hanya 1,25 % untuk campuran stoikiometri. Konsentrasi CO akan jadi lebih rendah pada saat kendaraan berakselerasi dan pada saat kendaraan tersebut berjalan dengan konstan. Sebenarnya gas CO dapat diubah menjadi CO 2 dengan jalan reaksi oksidasi, yaitu : 2 CO + O 2 2 CO 2 Dimana reaksi diatas tersebut dalam reaksi lambat, sehingga tidak dapat mengubah selama CO menjadi CO 2 . Konsentrasi CO dalam gas buang sangat ditentukan oleh AFR dan bervariasi seiring dengan perubahan AFR.

Gambar 2.15 Hubungan Emisi CO dan AFR UNIVERSITAS MERCU BUANA

35

TUGAS AKHIR

2.9.5

TEKNIK MESIN

pembentukan Hidrokarbon (HC) Hidrokarbon yang tidak terbakar merupakan hasil langsung dari pembakaran yang tidak sempurna. Disamping dari hasil pembakaran yang tidak sempurna, hidrokarbon berasala dari penguapan bahan bakar, baik dari sistem bahan bakar itu sendiri, maupun dari tangki bahan bakar. Dampak dari HC tersebut dapat menyebabkan iritasi mata, batuk dan kanker paru –paru. Penguapan bahan bakar ini akan membentuk gas HC yang dilepaskan ke atmosfer. Pada saat campuran udara – bahan bakar dipanaskan pada temperatur yang tinggi dalam ruang bakar, maka akan teroksidasi secara cepat, sehingga terjadi pembakaran yang tidak sempurna dan terdapat bagian dari bahan bakar yang tidak terbakar. Faktor – faktor yang mempengaruhi kadar HC dalam emisi gas buang kendaraan bermotor antara lain adalah : 1. AFR yang tidak tepat Kandungan HC dalam emisi gas buang akan meningkat seiring dengan semakin kayanya campuran udara dan bahan bakar. Hal ini menyebabkan pembakaran menjadi tidak sempurna, karena jika campuran semakin kaya maka jumlah udara dalam campuran akan semakin

sedikit

yang

mengakibatkan

kurangnya

udara

untuk

menunjang proses pembakaran. Dengan demikian bahan bakar tidak terbakar seluruhnya dan keluar bersamaan dengan gas buang. 2. Valve (Overlap Blow By) UNIVERSITAS MERCU BUANA

36

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

Adanya ketika saat piston sedang mengalami langkah kompresi, katup hisap dan buang belum menutup secara sempurna, sehingga ada sebagian campuran udara bahan bakar yang terbuang keluar. 3. Rasio Kompresi Yang Terbuang Rendah Ketika kendaraan mengalami deslerasi atau perlambatan, secara otomatis katup gas udara yang terhisap ke dalam silinder. Pada saat yang sama terdapat sisa bahan bakar di dalam saluran katup masuk ke dalam silinder, karena katup rendah dalam silinder dan campuran udara bahan bakar dalam silinder relative kaya. Dengan rasio kompresi akan mengakibatkan proses penyalaan menjadi kurang sempurna sehingga pembakaran menjadi kurang sempurna. 4. Quenching Faktor lain yang mempengaruhi konsentrasi HC dalam gas buang adalah daerah pendingin (quenching). Pada daerah ini temperatur api dari busi akan menurun secara drastis, sehingga proses penyalaan campuran udara bahan bakar pada daerah ini akan terlambat. Daerah pendingin adalah suatu daerah dimana temperatur nyala api akan menurun secara drastis karena proses penyebaran panas sebelum nyala api sampai ke dingding silinder dan karena perpindahan panas kedinding silinder terlalu besar.


37

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

Gambar 2.16 Hubungan Emisi HC-AFR 2.9.6

Nitrogen Oksida (NOx) Nitrogen dihasilkan akibat adanya N 2 (nitrogen) dalam campuran udara dan bahan bakar, serta suhu pembakaran mencapai 1800oC (3300oF) sehingga terjadi pembentukan NOx. Biasanya timbul ketika mesin bekerja pada beban yang berat. Substansi NOx tidak beraroma, namun terasa pedih di mata, emisi NOx diukur dengan satuan ppm. Kesalahan pencampuran udara-bensin juga sangat mempengaruhi emisi NOx, dimana campuran yang kurus cenderung mengakibatkan NOx meningkat. Perhatikan gambar dibawah ini.


38

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

Gambar 2.17 Hubungan Emisi NOx – Campuran 2.9.7

Karbon Dioksida (CO 2 ) Gas CO2 sangat berguna bagi tumbuhan pada proses asimilasi, dimana substansi CO2 berubah menjadi O2 setelah proses asimilasi. Namun, CO2 juga bersifat menyerap panas sehingga apabila berlebihan akan meningkatkan suhu yang ada di permukaan bumi.

2.10

Pengaruh Emisi Gas Buang Terhadap Lingkungan Secara unum pengaruh emisi gas buang terhadap lingkungan dapat di kelompokkan ke dalam 5 kategori, yaitu: 1. Pengaruh terhadap kesehatan dan keselamatan manusia 2. Pengaruh terhadap tumbuhan dan binatang 3. Pengaruh terhadap material dan bangunan 4. Pengaruh terhadap gangguan baut dan nilai estetika 5. Pengaruh terhadap ekosistem (udara, tanah dan air)


39

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

Pengaruh dan zat-zat yang terkandung dalam emisi gas buang pada kesehatan manusia dapat dijabarkan sebagai berikut : 1. CO (Karbon Monoksida) Senyawa karbon monoksida dapat mengakibatkan antara lain gejala kekurangan oksigen dalam darah, terjadinya sesak nafas dan dalam akumulasi yang cukup tinggi mengakibakan kematian. 2. Pb (Timbal atau Timah Hitam) Timbal atau timah hitam merupakan logam berat yang bila terhisap tidak bisa hilang dari dalam tubuh manusia 3. HC (Hidro Carbon) Hidro Carbon dalam tubuh manusia dapat menyebabkan antara lain rusaknya jaringan lemak dalam tubuh dan tergantungnya fungsi hati. 4. Sox (Sulffur Oksida) Sulfur oksida dalam tubuh manusia dapat mengakibatkan terjadinya sesak pada sistem pernapasan manusia atau bahkan dapat menyebabkan terjadinya bronchitis. 5. NOx (Nitrogen Oksida) Nitrogen oksida merupakan gas yang berbahaya karena mengganggu saraf pusat. Dengan adanya O 2 akan bereaksi membentuk NO 2

yang

mengeluarkan

bau

yang

merangsang

dan

dapat

menyebabkan edema paru – paru bronchitis. NO 2 dalam tubuh manusia dapat mengakibatkan tergannggunya kinerja haemoklobin dan UNIVERSITAS MERCU BUANA

40

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

darah sehingga dapat menyebabkan lemas atau bahkan rusak organ dalam paru – paru. 6. Partikulat Pengaruh partikulat pada tubuh manusi antara lain dapat memicu terjadinya kanker, terjadinya gangguan pernapasan dan dapat mengganggu pernapasan dan dapat mengganggu proses metabolisme tubuh. 2.10.1 Kabut Asap Reaksi kimia yang terjadi antara unsur nitrogen oksida (NO) dengan hidro karbon (HC) yang dipengaruhi oleh radiasi sinar ultra violet menyebabkan kabut asap di udara, dan biasanya terjadi pada saat cuaca panas atau pada hari – hari musim panas. Kabut asap yang terjadi akibat dari emisi gas buang ini sangat merugikan manusia dan lingkungan karena dapat mengakibatkan terjadinya antara lain : 

Iritasi mata dan gangguan pernapasan



Berkurangnya jarak pandang bagi para pengendara kendaraan



Kerusakan kehidupan tumbuhan karena proses fotosintesis terganggu. Untuk mengurangi resiko terjadinya kabut asap akibat dari emisi

gas buang terutama NO dan HC dapat dilakukan dengan cara mengubah unsur – unsur tersebut menjadi lebih tidak berbahaya bagi lingkungan.


41

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

Untuk melakukan hal tersebut dapat dipasang suatu alat katalisator pada sistem gas buang kendaraan bermotor yang disebut catalytic konferter. 2.10.2 Hujan Asam Hujan asam yang terjadi di atmosfer disebabkan oleh reaksi kimia antara NO dan SO 2 yang berasal dari gas buang kendaraan bermotor. SO 2 yang terdapat pada emisi gas buang kendaraan bermotor biasanya disebabkan karena adanya konsentrasi sulfur yang terdapat pada bahan bakar walaupun kadarnya rendah. Konsentrasi asam di atmosfer yang terlalu tinggi akan mengubah keseimbangan pH yang ada sehingga akan menyebabkan kerusakan pada kehidupan tumbuhan, kerusakan struktur bangunan, kerusakan tanah, korosi dan lain-lain.

2.10.3 Penipisan Lapisan Ozon Lapisan ozon (O 3 ) di atmosfer sangat berperan penting dalam mengurangi efek radiasi sinar ultra violet dan dari matahari. Adanya reaksi kimia antara chloro fluoro karbon (CFC), hidro karbon dan oksida nitrogen menyebabkan lapisan ozon terserap karena reaksi tersebut memerlukan O 3 sebagai perantaranya. Akibat dari penyerapan tersebut maka akan terjadi penipisan ozon sehingga intensitas radiasi sinar ultra violet yang sampai ke permukaan bumi menjadi sangat tinggi.


42

TUGAS AKHIR

TEKNIK MESIN

2.10.4 Efek Rumah Kaca (Green House Effect) Adanya kabut asap pada permukaan bumi mengakibatkan permukaan bumi seakan – akan diselimuti oleh suatu lapisan yang menyebabkan panas matahari yang sudah masuk bumi tidak dapat dipantulkan kembali keluar karena lapisan tersebut menghalanginya, sehingga terjadi pemansan global di bumi.


43

BAB II DASAR TEORI. 2.1 Motor Pembakaran Dalam. Motor pembakaran di dalam atau yang lazim disebut dengan motor

Recommend Documents