chapter ii, mesin diesel

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian Dasar

Jika meninjau jenis-jenis mesin, pada umumnya adalah suatu pesawat

yang dapat merubah bentuk energi tertentu menjadi kerja mekanik. Misalnya,

mesin listrik yang mana adalah sebuah mesin yang kerja mekaniknya diperoleh

dari sumber listrik. Sedangkan mesin gas atau mesin bensin adalah mesin yang

kerja mekaniknya diperoleh dari sumber pembakaran gas atau bensin.

Selain daripada itu, apabila ditinjau dari cara memperoleh sumber energi

termal, jenis mesin kalor dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu :

1. Mesin pembakaran luar (external combustion engine). Mesin pembakaran luar

adalah mesin dimana proses pembakaran terjadi diluar mesin, energi termal

dari hasil pembakaran dipindahkan ke fluida kerja mesin melalui beberapa

dinding pemisah. Contohnya adalah mesin uap.

2. Mesin pembakaran dalam (internal combustion engine). Mesin pembakaran

dalam adalah mesin dimana proses pembakaran berlangsung di dalam mesin itu

sendiri, sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai

fluida kerja. Mesin pembakaran dalam ini umumnya dikenal dengan sebutan

motor bakar. Contoh dari mesin kalor pembakaran dalam ini adalah, motor

bakar torak dan turbin gas.

Motor diesel adalah jenis khusus dari mesin pembakaran dalam.

Karakteristik utama dari mesin diesel yang membedakannya dari motor bakar

yang lain terletak pada metode penyalaan bahan bakarnya. Dalam mesin diesel

bahan bakar diinjeksikan ke dalam silinder yang berisi udara bertekanan tinggi.

Selama proses pengkompresian udara dalam silinder mesin, suhu udara

meningkat, sehingga ketika bahan bakar yang berbentuk kabut halus

bersinggungan dengan udara panas ini, maka bahan bakar akan menyala dengan

sendirinya tanpa bantuan alat penyala lain. Karena alasan inilah mesin diesel juga

disebut mesin penyalaaan kompresi (Compression Ignition Engines).

Universitas Sumatera Utara

Motor diesel memiliki perbandingan kompresi sekitar 11:1 hingga 26:1

jauh lebih tinggi dibandingkan motor bakar bensin yang hanya berkisar 6:1 hingga

9:1. Konsumsi bahan bakar spesifik mesin diesel lebih rendah kira-kira 25%

dibanding mesin bensin namun perbandingan kompresinya yang lebih tinggi

menjadikan tekanan kerjanya juga tinggi.

Sebagai jenis kedua motor bakar torak selain dari pada mesin diesel, motor

bensin yang dikenal dengan mesin otto atau mesin Beau Des Rochas, penyalaan

bahan bakarnya dilakukan oleh percikan bunga api listrik dari antara kedua

elektroda busi. Sehingga mesin bensin dikenal dengan sebutan Spark Ignition

Engine.

Disamping itu, klasifikasi motor bakar berdasarkan siklus langkah

kerjanya, dibedakan atas dua jenis, yaitu:

1. Motor dua langkah (tak). Pengertian dari motor dua langkah adalah motor yang

pada dua langkah piston (satu putaran engkol) sempurna akan menghasilkan

satu tenaga kerja (satu langkah kerja).

2. Motor empat langkah (tak). Pengertian dari motor empat langkah adalah motor

yang pada setiap empat langkah piston (dua putaran sudut engkol) sempurna

menghasilkan satu tenaga kerja (satu langkah kerja).

2.2 Motor Diesel

2.2.1 Sejarah Mesin Diesel

Mesin diesel adalah sejenis mesin pembakaran dalam lebih spesifik lagi

sebuah mesin pemicu kompresi dimana bahan bakar dinyalakan oleh suhu tinggi

gas yang dikompresi dan bukan oleh alat berenergi lain seperti busi.

Mesin ini ditemukan pada tahun 1892 oleh Rudolf Diesel yang menerima paten

pada 23 Februari 1893. Diesel menginginkan sebuah mesin untuk dapat

digunakan dengan berbagai macam bahan bakar termasuk debu batu bara. Dia

mempertunjukkannya pada Exposition Universelle (Pameran Dunia) tahun 1900

dengan menggunakan minyak kacang. Kemudian diperbaiki dan disempurnakan

oleh Charles F. Kettering.


Motor Diesel merupakan motor pembakaran dalam (Internal Combustion

Engine), dimana bahan bakarnya disemprotkan kedalam silinder pada waktu torak

hampir mencapai titik mati atas (TMA).

Oleh karena udara di dalam silinder mempunyai temperatur yang tinggi,

maka bahan bakar akan terbakar dengan sendirinya. Motor Diesel umumnya

mempunyai beberapa konstruksi utama diantaranya adalah torak, batang torak,

poros engkol, katup, pompa bahan bakar bertekanan tinggi dan mekanisme

penggerak lainnya.

Daya yang dihasilkan motor diesel diperoleh melalui pembakaran bahan

bakar yang terjadi di dalam silinder. Hal ini menyebabkan gerakan translasi torak

didalam silinder yang dihubungkan dengan poros engkol pada bantalannya

melalui batang penghubung (Connecting Rod).

2.2.2 Prinsip Kerja Motor Bakar Diesel

Ketika gas dikompresi, suhunya meningkat (seperti dinyatakan oleh

Hukum Charles; mesin diesel menggunakan sifat ini untuk menyalakan bahan

bakar. Udara disedot ke dalam silinder mesin diesel dan dikompresi oleh piston

yang merapat, jauh lebih tinggi dari rasio kompresi dari mesin menggunakan busi.

Pada saat piston memukul bagian paling atas, bahan bakar diesel dipompa ke

ruang pembakaran dalam tekanan tinggi, melalui nozzle atomising, dicampur

dengan udara panas yang bertekanan tinggi. Hasil pencampuran ini menyala dan

membakar dengan cepat.

Ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran di atas

mengembang, mendorong piston ke bawah dengan tenaga yang kuat dan

menghasilkan tenaga dalam arah vertikal. Rod penghubung menyalurkan gerakan

ini ke crankshaft yang dipaksa untuk berputar, menghantar tenaga berputar di

ujung pengeluaran crankshaft.

Scavenging yang mendorong muatan-gas yang habis terbakar keluar dari

silinder, dan menarik udara segar kedalam mesin dilaksanakan oleh ports atau

valves. Untuk menyadari kemampuan mesin diesel, penggunaan turbocharger

untuk mengkompres udara yang disedot masuk sangat dibutuhkan dan intercooler


untuk mendinginkan udara yang disedot masuk setelah kompresi oleh

turbocharger meningkatkan efisiensi.

Komponen penting dari mesin diesel adalah governor, yang membatasi

kecepatan mesin mengontrol pengantaran bahan bakar. Mesin yang menggunakan

pengontrolan elektronik canggih mencapai ini melalui Electronic Control Modul

(ECM) atau Electronic Control Unit (ECU) yang merupakan komputer dalam

mesin. ECM/ECU menerima kecepatan signal mesin melalui sensor dan

menggunakan algoritma dan mencari tabel kalibrasi yang disimpan dalam

ECM/ECU, dia mengontrol jumlah bahan bakar dan waktu melalui aktuator

elektronik atau hidrolik untuk mengatur kecepatan mesin.

Mesin diesel tidak dapat beroperasi pada saat silinder dingin. Beberapa

mesin menggunakan pemanas elektronik kecil di dalam silinder untuk

memanaskan silinder sebelum penyalaan mesin. Lainnya menggunakan pemanas

resistive grid dalam intake manifold untuk menghangatkan udara masuk sampai

mesin mencapai suhu operasi. Setelah mesin beroperasi pembakaran bahan bakar

dalam silinder dengan efektif memanaskan mesin.

Dalam cuaca yang sangat dingin, bahan bakar diesel mengental dan

meningkatkan viskositas dan membentuk kristal lilin atau gel. Ini dapat

mempersulit pemompa bahan bakar untuk menyalurkan bahan bakar tersebut ke

dalam silinder dalam waktu yang efektif, membuat penyalaan mesin dalam cuaca

dingin menjadi sulit, meskipun peningkatan dalam bahan bakar diesel telah

membuat kesulitan ini menjadi sangat jarang. Cara umum yang dipakai adalah

untuk memanaskan penyaring bahan bakar dan jalur bahan bakar secara

elektronik.


Gambar 2.1 Proses Kerja Motor Diesel Empat Langkah (Lit. 2 hal. 6)

Maka secara ringkas langkah-langkah kerja pada mesin diesel adalah sebagai

berikut:

1. Langkah Hisap

- Piston bergerak dari TMA ke TMB

- Katup hisap terbuka.

- Katup buang tertutup.

- Terjadi kevakuman dalam silinder, yang menyebabkan udara murni

masuk ke dalam silinder.

2. Langkah Kompresi

- Piston bergerak dari TMB ke TMA.

- Katup hisap tertutup.


- Udara dikompresikan sampai tekanan dan suhunya menjadi 30 kg/cm2

dan 500°C.

3. Langkah Usaha



- Injektor menyemprotkan bahan bakar sehingga terjadi pembakaran yang

menyebabkan piston bergerak dari TMA ke TMB.


4. Langkah Buang

- Piston bergerak dari TMB ke TMA.


- Katup buang terbuka.

- Piston mendorong gas sisa pembakaran keluar.

2.2.3 Siklus Ideal Diesel

Pada motor bakar mesin diesel, siklus yang berlangsung pada proses

pembakaran adalah siklus diesel. Pada siklus ini tampak secara jelas dan diuraikan

satu per satu proses perpindahan atau aliran yang berlangsung dari satu titik ke

titik yang lain. Dengan memperhatikan gambar dan arah perpindahan maka kita

akan memahami proses yang berlangsung pada grafik ini.

Gambar 2.2 Diagram P – v dan diagram T – s Siklus Ideal Diesel (Lit. 1 hal. 92)

Proses-proses yang terjadi pada siklus tersebut adalah:

a. Proses 6-1. Tekanan konstan udara hisap pada Po.

Katup hisap terbuka dan katup keluar tertutup:

)( 61016 VVPW −=− [2.1]

Sumber: (Lit. 5 hal. 93)

Po

Entropy (s)

2

1

1

4

2 3

5

6

Volume spesifik (v)

Tekanan (P) Temperatur (T)

4

3


Keterangan:

0P = tekanan pada titik 0 (kPa)

1V = volume pada titik 1 (m3)


16−W = kerja pada titik 6-1 (kJ)

b. Proses 1-2. Langkah kompresi isentropik

Semua katup tertutup:

kTTRmWQ

PRTmVVrPVVPVVPP

rTVVTVVTT

m

mTDC

kc

kk

kc

kk

−−==

=====

===

−

−

−−−

1/)(0

/)()/()/(

)()/()/(

1221

21

222

12112112

11

1211

12112


Keterangan:



1T = temperatur pada titik 1 (K)




21−W = kerja pada siklus 1-2 (kJ)

R = konstanta gas (kJ/kg.K)

c. Proses 2-3. Tekanan Konstan Panas Masuk (Pembakaran) semua katup tertutup:

max3

232233232

232332

23

232332

)()(

)()(

)()1(

)()()(

TTVVPuuQWhhTTCQQ

TTCAFQTTCmmTTCmQmQQ

pin

pcHV

pfapmcHVfin

=−=−−=

−=−==

−+=

−+=−===

−−

−

−

η

η

[2.2]

[2.3]

[2.4]

[2.5]

[2.6]

[2.7 ]

[2.8 ]

[2.9 ]

[2.10]

[2.11]


Cut of Ratio :

2323 /TTVV =−=β [2.12]


Keterangan:





HVQ = heating value (kJ/kg)

inQ = kalor yang masuk (kJ)

cη = efisiensi pembakaran

mm = massa campuran gas di dalam silinder (kg)

pC = panas jenis gas pada tekanan konstan (kJ/kg.K)


d. Proses 3-4: Langkah Insentropik atau langkah ekspansi:

Semua katup tertutup:


Keterangan:






[2.13]

[2.14]

[2.15]

[2.16] )()(

)1/()()1/()()/()/(

)/()/(

0

4343

34334443

4334334

1433

14334

43

TTCuukTTRkVPVPW

VVPVVPPVVTVVTT

Q

v

kk

kk

−=−=−−=−−=

===

==

=

−

−−

−




R = konstanta gas (kJ/kg.K)


e. Proses 4-5: Rejeksi panas volume konstan (keluaran berhembus kebawah)

Katup keluar terbuka dan katup hisap tertutup.

BDCvVVV === 145 [2.17]

054 =−W [2.18]

)()()()()(

41454554

414554

TTCuuTTCQQTTCmTTCmQQ

vvout

vmvmout

−=−=−===−=−==

−

−

Sumber: (Lit. 5 hal. 93-94)

Keterangan:




vC = panas jenis gas pada volume konstan (kJ/kg.K)


f. Proses 5-6: Tekanan Konstan langkah buang di Po.

Katup buang terbuka dan katup hisap tertutup.

)()( 16056065 VVPVVPW −=−=− [2.21]


Keterangan:





[2.19]

[2.20]


Effisiensi Thermal Siklus Diesel (Eff. Th):

[ ] [ ] [ ] [ ])/(1/)( inoutinnetDIESELt QQQW −==η


2.2.4. Siklus Dual Cycle

Diagram tekanan-volume (P-v) pada motor pembakaran dalam yang aktual

tidak tergambarkan dengan baik melalui siklus Otto dan siklus Diesel. Siklus yang

dapat digunakan untuk memberikan perkiraan variasi tekanan yang lebih baik

adalah siklus rangkap (dual cycle) seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3. dibawah

ini.

Gambar 2.3 Diagram P – v dan diagram T – s Siklus Dual Cycle (Lit. 4 hal. 68)

Sebagaimana terdapat pada siklus Otto maupun siklus Diesel, proses-

proses yang terjadi pada diagram T-s adalah sebagai berikut:

a. Proses 1-2 adalah kompresi isentropik

b. Proses 2-3 adalah penambahan kalor pada volume konstan

c. Proses 3-4 adalah penambahan kalor pada tekanan konstan

d. Proses 4-5 adalah ekspansi isentropik sebagai tahap akhir langkah kerja

e. Proses 5-1 adalah diakhiri dengan pelepasan kalor pada volume konstan

[2.22]

1

4

3

2

1

5

4 3

2 5 s = c

s = c

v = c

p = c

v = c

P

v

T

s


2.2.5 Konfigurasi Mesin Diesel

Ada dua kelas mesin diesel yaitu dua langkah (stroke) dan empat langkah

(stroke). Banyak mesin diesel besar beroperasi dalam dua langkah. Mesin yang

lebih kecil biasanya menggunakan empat langkah. Biasanya kumpulan silinder

digunakan dalam kelipatan dua, meskipun berapapun jumlah silinder dapat

digunakan selama muatan di crankshaft di tolak-seimbangkan untuk mencegah

getaran yang berlebihan. Inline-6 paling banyak diproduksi dalam mesin tugas-

medium ke tugas-berat, meskipun V8 dan straight-4 juga banyak diproduksi.

2.2.6 Kelebihan dan kekurangan Mesin Diesel

Mesin diesel lebih besar dari mesin bensin dengan tenaga yang sama

karena konstruksi berat diperlukan untuk bertahan dalam pembakaran tekanan

tinggi untuk penyalaan. Dan juga dibuat dengan kualitas sama yang membuat

penggemar mendapatkan peningkatan tenaga yang besar dengan menggunakan

mesin turbocharger melalui modifikasi yang relatif mudah dan murah. Mesin

bensin dengan ukuran sama tidak dapat mengeluarkan tenaga yang sebanding

karena komponen di dalamnya tidak mampu menahan tekanan tinggi, dan

menjadikan mesin diesel kandidat untuk modifikasi mesin dengan hanya

menggunakan ongkos dengan biaya murah.

Kekurangannya hanya terletak suara yang berisik juga pada bobot dan

dimensi yang dua kali lebih berat dan besar dari mesin bensin, dikarenakan

komponen mesin diesel yang di didesain kuat untuk menahan kompresi tinggi,

begitu juga akselerasi yang lemot namun bisa di perbaiki melalui penambahan

turbo atau yang dikenal sebagai supercharger.

Penambahan turbocharger atau supercharger ke mesin meningkatkan

ekonomi bahan bakar dan tenaga. Rasio kompresi yang tinggi membuat mesin

diesel lebih efisien dari mesin menggunakan bensin. Peningkatan ekonomi bahan

bakar juga berarti mesin diesel memproduksi karbon dioksida yang lebih sedikit.


2.2.7 Teknologi Diesel Sistem Common Rail

Sistem Common rail menggunakan bahan bakar bertekanan tinggi yang

dihasilkan oleh supply pump untuk memperbaiki penggunaan bahan bakar yang

ekonomis dan menambah kekuatan (power) mesin, juga mengurangi vibrasi dan

noise mesin. Sistem ini menyimpan bahan bakar, yang telah mempunyai tekanan

yang dihasilkan oleh supply pump, pada common rail. Dengan menyimpan bahan

bakar dengan tekanan tinggi sistem common rail dapat menyediakan bahan bakar

dengan tekanan bahan bakar yang stabil, tidak terpengaruh oleh cepatnya mesin

atau beban mesin.

ECM menghasilkan arus listrik ke solenoid valve pada injektor,

menggunakan EDU, untuk mengatur waktu dan jumlah injeksi bahan bakar, dan

juga memonitor tekanan bahan bakar di dalam common rail dengan menggunakan

fuel pressure sensor. ECM memerintahkan supply pump untuk menyuplai bahan

bakar di dalam common rail dengan menggunakan fuel pressure sensor. ECM

memerintahkan supply pump untuk menyuplai bahan bakar yang dibutuhkan

untuk memperoleh target tekanan bahan bakar, kira-kira 20 sampai 135 MPa (204

sampai 1,337 kgf/cm2, 2,901 sampai 19,581 psi).

Sebagai tambahan, sistem ini menggunakan 2-Way Valve (TWV) di dalam

injektor untuk membuka dan menutup saluran bahan bakar. Walau demikian,

waktu dan volume injeksi bahan bakar dapat di atur secara presisi oleh ECM.

Sistem common rail menghasilkan dua injeksi bahan bakar yang terpisah. Untuk

memperlembut kejutan pembakaran, sistem ini melakukan pilot-injection sebagai

bagian injeksi bahan bakar lebih dulu ke injeksi bahan bakar utama. Hal ini dapat

membantu mengurangi vibrasi dan noise mesin.


Gambar 2.4 Sistem Diagram Common Rail (Sistem Bahan Bakar)

(Lit. 6 hal. 168)

2.2.8 Perbedaan Diesel Common Rail dengan Diesel Konvensional

Perbedaan antara mesin diesel modern, common rail dengan konvensional

adalah cara memasok bahan bakarnya. Terutama, komponen yang berada antara

pompa injeksi dan injector. Ada dua komponen utama di sini, yaitu pompa injeksi

atau mekanik awam menyebutnya Bosch pump dan injector.

Cara kerja common rail layaknya seperti konsep hidup bersama. Dalam

hal ini, semua injector yang bertugas memasok solar langsung ke dalam mesin,

menggunakan satu wadah atau rel yang sama dari pompa injector. Caranya sama

dengan yang digunakan pada sistem injeksi bensin. Sedangkan mesin diesel

konvensional, setiap injector memiliki pasokan solar sendiri-sendiri langsung dari

pompa injeksi.

Tekanan bahan bakar dalam rel sangat tinggi. Sekarang, yaitu common rail

generasi ke-3, tekananya sudah mencapai 1800 bar. Kalau dikonversi ke PSI yang

masih digunakan sekarang menjadi 26.100 PSI. Bandingkan dengan tekanan ban

30 PSI. Atau tabung elpiji 25 bar dan CNG 200 bar. Dengan tekanan setinggi

tersebut, pengabutan yang dihasilkan tentu saja semakin bagus. Hasil pembakaran

menjadi lebih sempurna dan kerja mesin makin efisien. Sehingga mesin Diesel

Common Rail Direct Injection seperti Ford Ranger/Nissan Navara/Chevrolet


Captiva VCDI lebih terlihat minim asap hitam ketimbang mesin Diesel jaman

dahulu.

Sesuai dengan perkembangan mesin diesel, para ahli mengembangkan

sistem yang paling mutakhir pada mesin diesel yakni yang dikenal dengan CRDI

(Common Rail Direct Injection) teknologi ini telah digunakan oleh Chevrolet

Captiva Diesel CRDI/VCDI dengan kapasitas mesin 2000cc 16 katup segaris

memuntahkan tenaga 150 Daya Kuda pada kitiran 4000 Rpm dengan torsi max

320 Nm pada putaran 2000 Rpm kemudian diikuti pada saat ini oleh kijang

innova denga 16 katup, segaris 4 silinder yang akan menghasilkan tenaga besar

namun efisien.

2.3 Parameter Performansi/Unjuk Kerja Mesin Diesel

2.3.1 Tekanan efektif rata-rata (mep)

Selama siklus berlangsung, temperatur dan tekanannya selalu berubah-

ubah. Oleh karena itu sebaiknya dicari harga tekanan tertentu (konstan) yang

apabila mendorong torak sepanjang langkahnya dapat menghasilkan kerja

persiklus yang sama dengan siklus yang dianalisis. Tekanan tersebut dinamai

tekanan efektif rata-rata (mep), yang diformulasikan sebagai:

Vd

Wnettmep = [2.23]


dimana:

mep = tekanan efektif rata-rata (kPa)

Vd = volume langkah torak (m3)

Wnett = kerja netto (kJ)

2.3.2 Daya Indikator ( Ẃi )

Merupakan daya yang dihasilkan dalam silinder motor sehingga

merupakan basis perhitungan atau penentuan efisiensi pembakaran atau besarnya

laju panas akibat pembakaran di dalam silinder.


Ẃi = n

WnettxN [2.24]


dimana:

Ẃi = daya indikasi (kW)

N = putaran mesin (putaran/detik)

n = jumlah putaran dalam satu siklus, untuk empat tak n = 2

(putaran/siklus)

nettW = kerja netto (kJ)

2.3.3 Torsi dan Daya

Daya yang dihasilkan suatu mesin pada poros keluarannya disebut sebagai

daya poros (atau biasa dikenal dengan brake power) yang dihitung

berdasarkan rumusan:

Ẃb τπ ××= N2 [2.25]


dimana:

Ẃb = daya poros (kW)


τ = torsi (Nm)

π = 3,14

Seperti yang telah diketahui, dari sejumlah gaya yang dihasilkan

mesin, maka sebagian darinya dipakai untuk mengatasi gesekan/friksi

antara bagian-bagian mesin yang bergerak, sebagian lagi dipakai untuk

mengisap udara dan bahan bakar serta mengeluarkannya dalam bentuk gas

buang.

2.3.4 Konsumsi bahan bakar (Sfc)

Konsumsi bahan bakar (Sfc) didefenisikan sebagai jumlah bahan bakar

yang dikonsumsi persatuan unit daya yang dihasilkan perjam operasi.

Secara tidak langsung konsumsi bahan bakar spesifik merupakan indikasi

efisiensi mesin dalam menghasilkan daya dari pembakaran bahan bakar.


Sfc = ḿf / Ẃb [2.26]

Sumber: (Lit. 5 hal.56)

dimana:

ḿf n

nderjumlahsiliNmf ××=

dimana:

sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (gr/kwh)

ḿf = laju aliran rata-rata bahan bakar (kg/detik)

mf = massa bahan bakar (kg)

ma = massa udara (kg)



2.3.5 Emisi Gas Buang Pada Motor Diesel

Pada prakteknya pembakaran dalam motor tidak pernah terjadi dengan

sempurna meskipun sudah dilengkapi dengan kontrol yang canggih. Pada motor

diesel, besarnya emisi bentuk opasitas (ketebalan asap) tergantung banyaknya

jumlah bahan bakar yang disemprotkan dalam silinder, karena pada motor diesel

yang dikompresikan adalah udara murni. Dengan kata lain semakin kaya

campuran maka semakin besar konsentrasi NOx, CO dan asap (smoke).

Sementara itu semakin kurus campuran konsentrasi NOx, CO dan asap juga

semakin kecil.

2.3.5.1 Pembentukan Karbon Monoksida (CO)

Pada proses pembakaran, bila karbon di dalam bahan bakar terbakar

dengan sempurna akan menghasilkan CO2 (karbon dioksida). Tetapi jika unsur

oksigen (udara) tidak cukup maka yang terjadi adalah pembakaran tidak

sempurna, sehingga karbon di dalam bahan bakar terbakar dalam suatu proses

sebagai berikut :

C + ½ O2 → CO

Dengan kata lain, emisi CO dari kendaraan banyak dipengaruhi oleh

perbandingan campuran antara udara dengan bahan bakar yang masuk ke ruang


bakar (Air-Fuel Ratio). Jadi untuk mengurangi CO perbandingan campuran ini

harus dibuat kurus (excess air).

Namun akibat lain HC dan NOx lebih mudah timbul dan output motor

menjadi berkurang. Emisi karbon monoksida tidak beraroma dan tidak berwarna,

namun sangat beracun. Pengaruh buruk pada motor apabila CO berlebihan adalah

pembentukan deposit karbon yang berlebihan katup, ruang bakar, kepala piston,

dan busi (untuk motor bensin). Deposit yang ditimbulkan tersebut secara alami

mengakibatkan fenomena Self-Ignition (dieseling) dan mempercepat kerusakan

mesin. Emisi CO berlebihan banyak disebabkan oleh faktor kesalahan

pencampuran udara dan bahan bakar yang masuk ke dalam motor.

2.3.5.2 Pembentukan Hidrokarbon (HC)

Pada proses pembakaran, gas buang hidrokarbon yang dihasilkan

dibedakan menjadi dua kelompok yaitu bahan bakar yang tidak terbakar dan

keluar menjadi gas mentah, atau bahan bakar terpecah karena reaksi panas yang

berubah menjadi gugus HC lain dan keluar bersama gas buang. Ada beberapa

penyebab utama timbulnya hidrokarbon (HC) diantaranya adalah sebagai berikut :

• Dinding-dinding ruang bakar yang bertemperatur rendah mengakibatkan

hidrokarbon (HC) di sekitar dinding tidak terbakar.

• Terjadi misfiring (gagal pengapian) ini bisa terjadi pada saat motor diakselerasi

ataupun deselerasi.

• Adanya overlap intake valve (kedua valve bersama-sama terbuka) sehingga HC

berfungsi sebagai gas pembilas/pembersih.

• Ignition delay yang panjang merupakan faktor yang mendorong terjadinya

peningkatan emisi HC.

Selain mengganggu kesehatan, emisi HC yang berlebihan juga

menyebabkan fenomena photochemical smog (kabut). Karena HC merupakan

sebagian bahan bakar yang tidak terbakar, makin tinggi emisi HC berarti tenaga

motor makin berkurang dan konsumsi bahan bakar semakin meningkat.


2.3.5.3 Pembentukan Nitrogen Oksida (NOx)

Nitrogen oksida dihasilkan akibat adanya N2 (nitrogen) dalam campuran

udara dan bahan bakar serta suhu pembakaran yang tinggi, sehingga terjadi

pembentukan NOx. Biasanya timbul ketika mesin bekerja pada beban yang berat.

Bila terdapat N2 dan O2 pada temperatur 1800 - 2000˚ C akan terjadi reaksi

pembentukan gas NO seperti di bawah ini : N2 + O2 → 2 NO Selanjutnya gas NO

bereaksi lebih lanjut di udara menjadi NO2. Temperatur pembakaran yang

melebihi 2000̊ C dalam ruang bakar mengakibatkan gas NOx. Sementara itu gas

buang terdiri dari 95% NO, 3-4% NO2, sisanya N2O dan N2O3. Substansi NOx

tidak beraroma, namun terasa pedih di mata. Faktor-faktor utama yang

mempengaruhi konsentrasi NOx selama pembakaran diantaranya maksimum

temperatur yang dapat dicapai dalam ruang bakar, dan perbandingan udara -

bahan bakar (AFR). Sehingga solusi untuk mengurangi kandungan NOx dalam

gas buang yaitu dengan mengupayakan temperatur ruang bakar tidak mencapai

1800˚ C atau dengan mengusahakan sesingkat mungkin mencapai temperatur

maksimum. Cara lain yaitu dengan mengurangi konsentrasi O2.

2.3.5.4 Pembentukan Partikulat (Particulate Matter)

Partikulat dihasilkan oleh adanya residu bahan bakar yang terbakar dalam

ruang bakar, dan keluar melalui pipa gas buang. Partikel-partikel seperti jelaga,

asap dan debu secara umum terbagi menjadi dua bagian yaitu partikel-partikel

yang merupakan emisi langsung biasanya disebut partikel utama (primary

particles) dan partikel-partikel hasil transformasi gas lain atau disebut partikel

sekunder (secondary particles). Ukuran partikel bervariasi, dengan ukuran besar

cenderung berasal dari faktor geologi, seperti debu dan pasir yang ditiup angin.

Sedangkan yang berukuran kecil terutama dari sumber-sumber pembakaran dan

perubahan dari gas-gas emisi yang lain, seperti sulfur dioksida menjadi sulfat dan

nitrogen oksida menjadi nitrat. Dari sini jelas bahwa emisi gas buang merupakan

unsur yang berbahaya. Sebagian besar partikulat mengandung unsur karbon dan

kotoran lain berbentuk butiran atau partikel dengan ukuran ± 0,01 – 10 μm. Gas

buang diesel sebagian besar berupa partikulat dan berada pada dua fase yang berbeda

namun saling menyatu yaitu fase padat, terdiri dari residu atau kotoran, abu, bahan

aditif, bahan korosif, keausan metal, dan fase cair terdiri dari minyak pelumas yang


tak terbakar. Gas buang yang berbentuk cair akan meresap ke dalam fase padat.

Buangan ini disebut partikel. Partikel-partikel tersebut berukuran mulai dari 100

mikron hingga kurang dari 0,01 mikron. Partikulat yang berukuran kurang dari 10

mikron memberikan dampak terhadap visibilitas udara karena partikulat tersebut akan

memudarkan cahaya. Pembentukan partikel tersebut dapat dilihat pada gambar 2.4

dibawah.

Diesel fuel molecules

Air molecules Incomplete combustion

Precursor molecules Nucleation

Soot Nuclei

Coalescent Coagulation Surface growth

Spherule Chain forming coagulation Surface growth

Soot Particle

Gambar 2.5 Pembentukan Soot Particle

(Lit. 2 hal.15)

Berdasarkan ukurannya partikel dikelompokkan menjadi tiga yaitu :

a. 0,01 – 110 μm disebut partikel smoke/kabut/asap

b. 10 – 50 μm disebut dust/debu

c. 50 – 100 μm disebut ash/abu

Penyebab terjadinya partikulat antara lain tekanan injeksi yang terlalu rendah dan

saat pengapian yang kurang tepat.

“Particles”

“Molecules”

20mm


2.3.5.5 Pembentukan Emisi Asap (Smoke)

Emisi asap (smoke) merupakan polutan utama pada mesin diesel.

Pembentukan smoke pada mesin diesel terjadi karena kekurangan oksigen, hal itu

terjadi pada inti (core) spray yang mempunyai λ ≤ 0,8. Dalam proses pembakaran

berlangsung ketika bahan bakar yang disemprotkan ke dalam silinder yang

berbentuk butir-butir cairan yang halus saat keadaan di dalam silinder tersebut

sudah bertemperatur dan bertekanan tinggi sehingga butir-butir tersebut akan

menguap. Namun jika butir-butir bahan bakar yang terjadi karena penyemrotan itu

terlalu besar atau apabila beberapa butir terkumpul menjadi satu, maka akan

terjadi dekomposisi. Dekomposisi itu akan menyebabkan terbentuknya karbon-

karbon padat (angus). Hal ini disebabkan karena pemanasan udara yang

bertemperatur tinggi, tetapi penguapan dan pencampuran dengan udara yang ada

di dalam silinder tidak dapat berlangsung sempurna. Terutama pada saat-saat

dimana terlalu banyak bahan bakar yang disemprotkan, yaitu pada waktu daya

mesin akan diperbesar. Misalnya untuk akselerasi maka angus akan terjadi. Jika

angus yang terjadi itu terlalu banyak, gas buang yang keluar dari mesin akan

berwarna hitam dan mengotori udara serta mengganggu pemandangan.

2.3.6 Efisiensi mekanis

Besarnya kerugian daya diperhitungkan dalam efisiensi mekanis yang

dirumuskan sebagai berikut:

ηm = Ẃb / Ẃi [2.27]

Sumber: (Lit. 5 hal.47)

dimana:

ηm = efisiensi mekanis


Ẃi = daya indikasi (kW)


2.3.7 Efisiensi volumetrik

Efisiensi ini didefinisikan sebagai perbandingan antara massa udara yang

masuk karena dihisap torak pada langkah hisap dan massa udara pada

tekanan dan temperatur atmosfir yang dapat dihisap masuk kedalam

volume satuan yang sama.

)/( daav Vm ×= ρη [2.28]


dimana:

vη = efisiensi volumetrik

aρ = massa jenis udara (kg/m3)

ma = massa udara (kg)

Vd = volume langkah torak (m3)


chapter ii, mesin diesel

Documents