Mechanical Engineering Ismanto Alpha's

I. TEORI DASAR


Berdasarkan jenisnya, motor bakar dibedakan atas 2, yaitu motor bakar 4-langkah dan motor bakar 2-langkah. Pada saat ini motor bakar 4-langkah jauh lebih diminati dari pada motor bakar 2-langkah, karena pada motor bakar 4-langkan lebih hemat bahan bakar, kerja operasi yang lebih besar, dan daya tahan yang tinggi. Berdasarkan atas siklusnya motor bakar 4-langkah dikelompokkan ke dalam dua bagian besar yaitu motor bakar siklus volume konstan (dikenal sebagai motor bakar siklus otto atau motor bakar bensin), dan motor bakar siklus tekanan konstan (dikenal sebagi motor bakar siklus diesel atau motor bakar diesel).
Motor Diesel merupakan sebuah mesin pembangkit tenaga, yaitu dengan memberikan input tertentu, maka mesin tersebut menghasilkan sejumlah tenaga yang diharapkan. Untuk menghasilkan tenaga tersebut mesin/motor Diesel menganut sebuah siklus. Siklus merupakan suatu proses yang terulang-ulang. Siklus motor terdiri dari 4 proses yaitu isap, kompresi, usaha, dan buang.
Proses isap pada motor Diesel, terjadi aliran udara masuk ke-dalam silinder. Masuknya udara kedalam silinder karena perbedaan tekanan antara di luar dan di dalam silinder. Perbedaan tersebut karena gerakan piston dari TMA ke TMB, dan untuk menambah jumlah udara ditambah dengan peralatan yang dikenal dengan blower, turbo-charger, atau turbocharger intercooler. Peralatan tersebut untuk memaksa udara luar masuk kedalam silinder, sehingga jumlahnya men-jadi lebih banyak. Besarnya jumlah udara yang masuk kedalam dibaandingkan dengan besarnya ruangan silinder disebut dengan efisiensi/rendamen volumetric (ηv). Pada proses isap ruang di dalam silinder terhubungan dengan udara luar, melalui saluranatau katup masuk yang terbuka.

Penggunaan Motor Diesel.
Pemakaian motor Bensin bila dibandingkan dengan pemakaian motor diesel dalam memenuhi kebutuhan masyarakat, tergolong hanya untuk kebutuhan ringan. Sementara pemakaian motor diesel men-jangkau kebutuhan masyarakat baik yang ringat sampai dengan yang berat. Pemakaian motor Diesel cocok untuk memenuhi kendaraan, baik untuk penumpang atau komersiil (barang); untuk kebutuhan pertanian (traktor pertanian); untuk kebutuhan pembangunan jalan; untuk kebutuhan kompresor udara dan pembangkit tenaga listrik (power plant), dan berbagai kebutuhan masyarakat yang berat-berat. Sehingga ukuran motor Diesel untuk kebutuhan yang berat-berat, jauh lebih besar dibandingkan dengan ukuran terbesar motor bensin.
Berikut ini beberapa contoh pemakaian motor Diesel untuk memenuhi kebutuhan masyarakat.
1. Sebuah motor diesel yang dikembangkan dibawah 10 hp
2. Motor diesel 6 silinder 504 in3 untuk traktor.
3. Traktor-traktor yang sedang digunakan untuk pembangunan
4. Motor diesel 2 tak bentuk V dengan diameter silinder 9 1/16 in dan langkah 10 in, untuk kereta api, kapal, dan pembangkit tenaga listrik.
5. Belahan motor Diesel 2 tak opposed piston 12 silinder, turbochaeger, untuk industri, kapal, dan pembangkit.
6. Motor Diesel 12 silinder jenis bintang, bahan bakar double, 2125 hp.

A. Komponen Utama Motor Bakar 4-Langkah
Untuk dapat memudahkan pemahaman mengenai motor bakar 4-langkah ini, perlu untuk mengetahui komponen-komponen utama motor bakar 4-langkah ini, beserta fungsinya masing-masing. Pada dasarnya komponen motor bakar (motor bensin dan diesel) adalah sama, perbedaannya hanya terletak hanya pada komoponen untuk sistem pengapian bahan bakar. Sistem pengapian pada motor bensin dilengkapi dengan karburator dan busi, sedangkan pada motor diesel menggunakan injector dan atomizer. Untuk lebih jelasnya komponen utama motor bakar 4-langkah ini dapat diuraikan sebagai berikut :
• Silinder : Berfungsi sebagai tempat berlangsungnya keempat langkah proses pada motor bakar.
• Piston : Komponen mesin yang berbentuk silinder yang dipasang di dalam silender yang bergerak translasi (kebawah dan keatas). Pada piston terdapat cincin piston (piston rings) sebagai penyekat yang mencegah agar gas terkompresi dan gas pembakaran tidak bocor keluar dan membatasi minyak pelumas supaya tidak terlalu banyak masuk kedalam ruang bakar.
• Kepala silinder : berfungsi sebagai penutup satu ujung atau bagian atas silinder, dan umumnya merupakan tempat dudukan kedua katup dan saluran (isap dan buang), busi, injector, dan bahkan prechamber dan swirl chamber pada motor diesel ijeksi tak langsung.
• Saluran isap (inlet manifold) dan saluran buang (exhaust manifold) : berfungsi sebagai pengantar masuknya udara atau udara-bahan bakar ke dalam silinder, dan pengatur keluarnya gas pembakaran ke saluran buang.
• Batang engkol (connecting rod) : berfungsi sebagai penghubung piston dengan poros engkol dan meneruskan gaya yang berasal dari gas pembakaran dari piston ke poros engkol.
• Poros engkol (crankshaft) : berfungsi sebagai pengubah gerak bolak-balik dari piston menjadi gerak putar.
• Busi (spark plug) (untuk motor bakar bensin ) atau injector (untuk motor bakar diesel) : berfungsi sebagai pembuat terjadinya proses pembakaran bahan bakar, dan biasanya terletak pada kepala silinder.
• Kerangka mesin atau blok silinder(crankcase) : berfungsi sebagai tempat silinder dan poros engkol bertumpu, dan berfungsi sebagai pelindung bagian yang bergerak terhadap kotoran serta dapat juga sebagai tempat penyimpan minyak pelumas.
• Roda gaya atau roda gila (fly wheel) : berfungsi sebagai gudang energi yang menjaga agar poros engkol dapat tetap berputar untuk menggerakkan torak ketika melakukan langkah buang, langkah isap dan langkah kompresi.
• Mekanisme katup : berfungsi sebagai pengatur terbuka atau tertutupnya katup isap dan katup buang.

B. Siklus operasi motor bakar 4–langkah
Proses pembakaran di dalam motor bakar 4-langkah terjadi secara periodik. Gas pembakaran yang sudah tidak terpakai harus dikosongkan dari dalam silinder mesin sebelum terjadi proses berikutnya. Jadi pada langkah isap benar-benar hanya fluida segar (udara dan bahan bakar pada motor bensin dan udara saja pada motor diesel) yang terisi di dalam silinder mesin sehingga pada langkah kompresi hanya fluida segar inilah yang ditekan untuk dinaikkan temperature dan tekanannya. Untuk lebih jelasnya keempat langkah proses yang terjadi pada motor bakar 4-langkah dapat dilihat pada Gambar 1.












Gambar 1. Siklus operasi motor bakar 4 – langkah

Motor bakar diesel dikenal juga sebagai motor bakar penyalaan kompresi (Compression ignition engines). Berbeda halnya dengan motor bakar bensin yang menggunakan busi untuk dapat melangsungkan proses pembakaran bahan bakar di dalam silinder, pada motor bakar diesel ini proses penyalaan dapat terjadi dengan sendiri (tanpa butuh tambahan energi dari busi).

Sekalipun mesin diesel memiliki kekurangan dalam hal kebisingan dibandingkan mesin bensin. Mesin diesel karena keunggulan effisiensi bahan bakar menjadi pilihan banyak pengguna motor bakar untuk kendaraannya. Sebagai efek dari semakin ketatnya peraturan terhadap pencemaran lingkungan hidup, mesin diesel menjadi salah satu pilihan dalam pemakaian sistem internal-combustion engine. Internal-combustion engine ini kita temui dalam sistem mobil, kapal, alat pembangkit listrik portable, bus, traktor dsb. Salah satu keunggulan mesin diesel adalah sistem pembakarannya menggunakan Compression-ignition ( pembakaran-tekan), yang tidak memerlukan busi.

Kedua pollutant ini saling bertolak belakang dalam pemunculannya. Smoke/soot/asap terbentuk ketika bahan bakar tidak mampu tercampur dengan baik dengan ogsigen sehingga reaksi pembakaran tidak sempurna, dalam kondisi seperti ini suhu pembakaran tidak terlalu tinggi ( < 1800 °C ) NOx atau Nitrogen Oxide tidak banyak terbentuk. Namun ketika pencampuran bahan bakar dan udara terjadi dengan baik sehingga pembakaran sempurna tercapai, maka suhu pembakaran tinggi ( > 1800 °C ), hal ini mengakibatkan
terjadinya reaksi antara gas N2 yang ada di udara dengan oksigen membentuk senyawa Nitrogen Oxide, sekalipun produksi smoke/soot/asap akan mengecil.
Proses pembakaran yang terjadi di dalam silinder pada motor diesel ini dikarenakan bahan bakar solar yang akan dikontakkan dengan udara terkompresi bertemperature dan bertekanan sangat tinggi dalam silinder, dimasukkan dengan cara disemprotkan pada tekanan tinggi, sehingga dihasilkan butir-butir bahan bakar yang sangat halus. Akibatnya panas yang terkandung yang diberikan oleh udara terkompresi tadi dapat membakar butir-butir halus bahan bakar ini. Oleh karena itu, pada motor diesel ini tidak dipergunakan busi untuk memantik bahan bakar agar terbakar, seperti halnya pada motor bensin. Untuk lebih jelasnya proses yang terjadi pada motor bakar diesel ini dapat dijelaskan melalui siklus ideal dari siklus udara tekanan konstan, seperti ditunjukkan pada gambar berikut ini :





2 3




4
0 1

Gambar 3. Diagram P – V dari siklus udara tekanan konstan

C. Zeolit
Kata “zeolit” berasal dari kata Yunani zein yang berarti membuih dan lithos yang berarti batu. Zeolit merupakan mineral hasil tambang yang bersifat lunak dan mudah kering. Warna dari zeolit adalah putih keabu-abuan, putih kehijau-hijauan, atau putih kekuning-kuningan. Ukuran kristal zeolit kebanyakan tidak lebih dari 10–15 mikron (Mursi Sutarti, 1994)
Zeolit terbentuk dari abu vulkanik yang telah mengendap jutaan tahun silam. Sifat-sifat mineral zeolit sangat bervariasi tergantung dari jenis dan kadar mineral zeolit. Zeolit mempunyai struktur berongga biasanya rongga ini diisi oleh air serta kation yang bisa dipertukarkan dan memiliki ukuran pori tertentu. Oleh karena itu zeolit dapat dimanfaatkan sebagai penyaring molekuler, senyawa penukar ion, sebagai filter dan katalis.

Struktur Zeolit
Kerangka dasar struktur zeolit terdiri dari unit-unit tetrahedral [AlO4] dan [SiO4] yang saling berhubungan melalui atom O (Barrer, 1987).

Gambar Kerangka utama zeolit

Dalam struktur tersebut Si4+ dapat diganti Al3+ (gambar 2), sehingga rumus umum komposisi zeolit dapat dinyatakan sebagai berikut:



Gambar Unit pembangun zeolit
Sedangkan struktur penyusun zeolit dapat dilihat dari gambar 3 (Weller, 1994)

Gambar Struktur Penyusun Zeolit

Sifat – sifat Zeolit
Zeolit adalah batuan mineral yang mempunyai bentuk kristal padat dengan struktur ruang yang seragam, zeolit terdiri dari unsure aluminium, silikon dan oksigen. Zeolit pertama kali ditemukan oleh Axel Frederick Cronstredt pada tahun 1756. Kata zeolit diambil dari bahasa Yunani yaitu dari kata “zeo” yang berarti untuk merebus dan “lithos” yang berarti batu. Zeolit berdasarkan asalnya secara umum dibedakan menjadi dua, yaitu zeolit alam dan zeolit buatan. Zeolit alam adalah zeolit yang berasal dari batu gunung berapi, yang diperoleh dengan cara penambangan. Zeolit alam yang banyak digunakan saat ini yaitu zeolit chabazit, erionit, mordenit dan klinoptilolit. Sedangkan zeolit buatan yang berasal dari hasil percobaan dan pada umumnya zeolit buatan lebih bersifat hidrofobia (tidak dapat mengadsorbsi air) karena memiliki perbandingan Si/Al yang lebih besar dari 10. hal ini berbeda dengan zeolit alam yang umumnya kandungn Si/Al kurang dari 10 yang bersifat hidrofilik (dapat mengadsorbsi air).
M . [(Al O ) (SiO ) ] . wH O
Rumus kimia zeolit menunjukan adanya tiga komponen yang merupakan bagian dari zeolit, yaitu :
• Kerangka aluminosilikat [(Al O ) (SiO ) ]
• Logam alkali (M )
• Air (wH O)
Struktur kimia pada zeolit terbentuk dari ikatan Al O dan SiO yang saling terikat satu sama lain akibt dari pemakaian oksigen secara bersama-sama dari ion Al dan ion Si.




Gambar 4. Struktur Ikatan Ion-Ion Zeolit.





Gambar 5. Salah Satu Jenis Batu Zeolit.


Zeolit mempunyai sifat-sifat sebagai berikut :
- Sebagai pengayak molekul
Zeolit memiliki kemampuan sebagai pengayak molekul, yaitu kemampuan untuk memilih satu atau lebih komponen dari campuran gas atau cairan sehingga hanya komponen tertentu yang dapat melewati ruang pori zeolit. Hal ini dikarenakan bentuk tuang pori zeolit yang seragam dan hanya molekul yang lebih kecil dari ukuran pori yang dapat melewati pori. Kemampuan sebagai pengayak ini yang menjadi dasar dari berbagai aplikasi zeolit saat ini.
- Sebagai penukar kation
Kation adalah ion yang bermuatan positif. Mekanisme penukaran kation didasari pada sifat sorspsi zeolit yang bermuatan negatif terhadap ion yang bermuatan positif. Pada zeolit, logam alkali sebagai kation mempunyai ikatan yang mudah diputuskan dengan kerangka zeolit, sehingga kation dapat dipertukarkan dengan kation lain.
- Sebagai katalis
Katalis adalah zat yang mampu meningkatkan laju suatu reaksi kimia namun zat tersebut tidak ikut bereaksi. Zeolit bertindak sebagai katalisator yang dapat mengikat sejumlah gas atau cairan pada permukaannya berdasarkan adsorbsi.
- Kestabilan termal
Zeolit memiliki ketahanan terhadap suhu yang tinggi, yaitu sampai 1000 C. Kerangka zeolit tidak berubah walaupun penggunaan zeolit dilakukan pada lingkungan yang bersifat asam dan bersuhu tinggi.
- Afinitas terhadap molekul tertentu
Zeolit memiliki afinitas terhadap molekul-molekul baik polar maupun non polar. Afinitas terhadap molekul-molekul polar seperti molekul H O merupakan sifaat yang dimiliki setiap jenis zeolit dengan kandungan Si/Al kurang dari 10.
- Mudah dimodifikasi
Zeolit dapat dimodifikasi dengan menggunakan kation logam dengan muatan yang sama seperti besi dan boron. Dengan modifikasi, kemampuan zeolit sebagai adsorben, katalis dan pengayak dapat lebih ditingkatkan. Selain dapat meningkatkan kemampuan zeolit, odifikasi juga dapat dilakukan dengan car pengurangan unsur aluminium atau penambahan unsur silikon untuk mendapatkan kandungan Si/Al yang bernilai 10 atau lebih.

D. Proses Pembakaran
Cara kerja mesin 4 langkah (4 tak) ada empat macam yaitu : langkah hisap, langkah kompresi, langkah pembakaran dan langkah buang.

Langkah hisap. Piston bergerak kebawah (gambar 1), katup hisap terbuka dan katup buang menutup. Campuran udara dan bahan bakar dihisap masuk (melalui katup hisap)


Langkah kompresi. Piston bergerak keatas kedua katup menutup. Udara dan bahan bakar dimampatkan


Langkah pembakaran. Sesaat sebelum piston mencapai puncak busi memercikan bunga api dan membaka campuran oksigen dan udara. Tekanan meningkat dan mendorong piston kebawah (kedua katup menutup). Daya mekanik inilah yang dimanfaatkan untuk menggerakan mesin.

Langkah buang. Setelah piston mencapai akhir dari langkah, katup buang membuka piston bergerak keatas mendorong sisa pembakaran keluar menuju knolpot.

Siklus ini terus berulang (piston bergerak keatas dan kebawah). Gerakan piston keatas dan kebawah ini dimanfaatkan dengan cara merubahnya menjadi gerakan memutar dan dihubungkan ke gear box.

Komponen-komponen mesin 4 tak adalah: Busi berfungsi untuk memercikaan api, katup berfungsi untuk menutup menutup lubang silinder, piston berfungsi untuk mengatur volume ruang pembakaran, batang penghubung berfungsi untuk menghubungkan piston dengan crankshaft, crankshaft merubah gerakan naik turun piston (vertikal) menjadi gerakan memutar.

E. Parameter-parameter yang akan dihiting
Parameter-parameter dari prestasi mesin dapat dihitung dengan rumus-rumus berikut ini :
1. Daya Engkol, bp
Daya engkol dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :


TAP = 1,001 TRD
2. Laju Pemakaian Udara, ma
Laju pemakaian udara teoritis, ma,th, pada tekanan 1,013bar dan temperatur 200C ditentukan seperti dibawah ini :
ma,th = 1,0135 Man + 1,211 ……kg/jam
Untuk kondisi tekanan dan temperatur yang berbeda, kalikan ma,th tersebut dengan factor koreksi fc, berikut :

Maka, laju pemakaian bahan bakar aktual, mact :
mact = fc . ma, th ……kg/jam
3. Laju Pemakaian Bahan Bakar, mf
Laju pemakaian 8 ml bahan bakar, mf dapat dihitung dengan persamaan berikut :
mf = sgf x 8 . 10-3/ t ……kg/sec >> dijadikan kg/jam
t = waktu pemakaian 8ml bahan bakar, detik
4. Pemakaian Bahan Bakar Spesifik Engkol, bsfc
bsfc dapat dihitung menggunakan persamaan berikut :
……kg/kWh
5. Perbandingan Udara-Bahan Bakar, A/F
Perbandingan udara-bahan bakar actual dapat dihitung dari persamaan berikut:

6. Tekanan Efektif Rata-Rata Engkol, bmep
Tekanan efektif rata-rata engkol dapat ditentukan dengan persamaan di bawah ini :
……Pa
Untuk motor bakar 4-langkah, 1 silinder, bmep dapat dihitung dengan persamaan berikut :
……Pa
7. Efisiensi Thermal Engkol, ηbth
Efisiensi thermal engkol dapat dihitung menggunakan persamaan berikut :

Untuk bahan bakar Solar, CV = 42.000 kJ/kg
Untuk bahan bakar Bensin, CV = 41.000 kJ/kg
8. Efisiensi Volumetrik, ηv
Efisiensi volumetric dapat dihitung dengan persamaan berikut :

Untuk motor bakar 4-langkah, 1 silinder, ηv dapat dihitung dengan persamaan berikut :


ρa = density udara pembakaran, kg/m3
Ra = Konstanta universal udara = 287 J/(kg.K)
Ta = Temperatur udara pembakaran, K
9. Hilang Panas Pada Gas Buang, Q L
Persentase hilang panas pada gas buang dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :

10. Koefisien Udara Lebih, α
Koefisien udara lebih dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:

Ambil (A/F) = 14,5 untuk motor diesel
Ambil (A/F) = 15 untuk motor bensin