Polimerisasi adalah penggabungan molekul-molekul kecil rnenjadi molekul yang lebih besar. Penggabungan isobutana dan isobutena rnerupakan salah satu contoh polimerisasi guna menghasilkan bensin berkualitas tinggi (iso-oktana). CH 3 CH 3 –
CH – CH 3 + CH 3 –
C
= CH 2
CH 3
CH 3
isobutana
isobutena
CH 3 – CH – CH 2 – CH 2 – CH 3
CH CH 3
iso-oktana
Treating
Treating merupakan proses penphilngan pengotor pada minyak bumi agar lebih murni. Tahap-tahap treating : •
Copper sweetening , yaitu proses mcnghilangkan pengotor yang berbau tidak sedap, mengunakan logam tembaga.
•
Acid treatment , yaitu proses tmenghilangkan lumpur, rnenggunakan asarn atau oksida asam.
•
Desulfurizing , yaitu proses menghilangkan unsur belerang.
Blending
Blending adalah proses pencampuran atau penambahan zat aditif. Bensin merupakan contoh hasil minyak bumi yang paling banyak digunakan di berbagai negara. Untuk Icbih meningkatkan kualitas bensin dilakukan pencampuran dengan senyawa-senyawa tcrtcntu. Salah satunya adalalh tetra ethyl lead (TEL) . Penambahan TEL dimaksudkan untuk meningkatkan bilangan oktana bensin. Selain TEL, terdapat beberapa zat lain yang dapat meningkatkan kualitas bensin, diantaranya 1-2 dibromoetana, AlCl3, dan H 2SO 4. Salah satu aditif yang dapat digunakan untuk bahan bakar diesel (solar) adalah aditif-DTB[' ( Di Tert Buthyl
Peroxide). Penambahan aditif-DTBP
ke
dalam
bahan
bakar solar dapat
meningkatkan bilangan setananya [5,6].
3.4
HIDROKARBON
17
Secara sederhana, senyawa karbon dapat diklasifikasikan ke dalam senyawa hidrokarbon dan turunannya. Senyawa hidrokarbon adalah senyawa yang molekulnya hanya terdiri atas atom-atom karbon dan hidrogen. Senyawa turuan hidrokarbon adalah senyawa hidrokarbon yang satu atom atau lebih atom hidrogen yang terikat pada atom karbonnya diganti oleh atom atau gugus atom lain. Ditinjau dari rantai karbon yang dibentuk, senyawa hidrokarbon dapat dibagi menjadi dua bagian besar, yaitu senyawa hidrokarbon alifatik dan senyawa hidrokarbon
siklik [5] .
Senyawa Hidrokarbon Alifatik
Senyawa hidrokarbon alifatik adalah senvawa hidrokarbon dengan ujung rantai karbon terbuka, dapat ber - bcntuk rantai lurus atau bercabang. Senyawa alifatik dibedakan mejadi seayawa hidrokarbon jenuh dan senyawa hidrokarbon tak jenuh. . •
Senyawa hidrokarbon jenuh, yaitu scnyawa hidrokarbon yang dalam rantai karbonnya hanya berikatan tunggal, rnisalnya : H
H
H
H
H
H - C - C - C - C - C - H
atau
CH3 - CH2 - CH2 -
CH3 H
H
H
H
H
Minyak bumi dan gas alam tergolong hidrokarbon alifatik. •
Senyawa hidrokarbon tak jenuh, yaitu senyawa hidrokarbon yang memiliki ikatan rangkap dua atau rangkap tiga pa da rantai karbonnya, misalnya : H
H
H - C = C - C - C = C - H
atau
H
H
H - C = C - C - C -
H H
H
H
H
H
H
H
H
Senyawa Hidrokarbon Siklik
18
Senyawa hidrokarbon siklik adalah senyawa hidrokabon dengan ujung rantai karbon tertutup. Senyawa siklik dibedakan menjadi senyawa hidrokarbon alisiklik dan senvawa hidrokarbon aromatik. •
Senyawa hidrokarbon alisiklik adalah senyawa hidrokarbon golongan alifatik
dengan ujung rantai karbon tertutup, misalnya :
•
Senyawa hidrokarbon aromtik adalah senyawa hidrokarbon golongan siklik yang digolongkan
sebagai
benzena
dan
turunannya.
Misalnya,
senyawa
yang
mengandung cincin benzena atau memiliki bentuk struktur yang serupa dengan benzena.
Senyawa yang tergolong hidrokarbon jenuh adalah alkana. Pada hidrokarbon tak jenuh, terdapat satu atau lebih ikatan rangkap dua atau rangkap tiga antar atom karbon. Yang tergolong hidrokarbon tak jenuh adalah alkena (memiliki ikatan rangkap dua antar atom karbon), dan alkuna (memiliki ikatan rangkap tiga antar atom karbon).
H
H
H - C - C - H H
H
H
H
C = C H
Alkana
Rumus umum:
C n H2n+2
Contoh: Etana (C 2 H 6)
Alkena
Rumus umum:
C n H2n
Contoh: Etena (C 2 H 4)
H
H - C = C - H
Alkuna
Rumus umum:
C n H2n-2
Contoh: Etuna (C 2H2 )
19
Bensin merupakan campuran senyawa yang tergolong alkana, dengan zat utam a adalah Oktana (C 8H 18 ), begitu pula halnya dengan bahan bakar diesel/solar (C16 H 34 ). Struktur senyawa alkana yang satu dengan senyawa alkana yang lain dibedakan dengan gugus CH 2 . Sebagai contoh, jika struktur etana (C 2H 6 atau dapat dituliskan dengan CH 3 -CH 3) ditambah dengan Gugus – CH 2 - maka diperoleh propana (C 3H 8 atau dapat dituliskan juga dengan CH 3 – CH 2 – CH 3), dan seterusnya sehingga membentuk suatu deret (deret homolog). Deret homolog adalah suatu deret senyawa-senyawa yang berbeda dari senyawa sebelumnya sebanyak gugus –CH2 . Deret homolog alkana dituliskan sebagai berikut : metana (CH4 ), etana (C2 H 6), propana (C3 H 8), butana (C 4 H10 ), pentana (C 5 H 12 ), heksana (C 6H 14 ), heptana (C 7H16 ), oktana (C 8 H 18 ), nonana (C 9 H20 ), dekana (C10H 22 ), hendekana (C 11 H 24 ), dodekana (C 12 H 26 ), tridekana (C13 H 28 ), tetradekana
(C14 H 30 ), pentadekana
(C15 H32 ), heksadekana
(C16 H34 ), heptadekana
(C 17 H 36 ) oktadekana (C 18 H 38 ), nonadekana (C 19 H 30 ), dan seterusnya.
Karena alkana merupakan deret homolog, maka deret alkana memiliki sifat kimia yang mirip tetapi sifat fisikannya berbeda, seperti ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2 Sifat Fisika Alkana Rantai Lurus [5] Nama Metana Etana Propana Butana Pentana Hekasana Heptana Oktana Nonana Dekana
Jumlah atom ºC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Titik Leleh ºC -182.5 -183.3 -189.7 -138.4 -139.7 -95 -90.6 -56.8 -51 -29.7
Titik Didih ºC -164 -88.6 -42.1 0.5 36.1 68.9 98.4 124.7 150.8 174.1
Dari tabcl ini juga dapat dilihat bahwa titik leleh dan titik didih umumnya meningkat dengan meningkatnya jumlah atom C. Hal ini disebabkan oleh kenaikan gaya antar molekul yang cenderung meningkat dengan pertambahan massa molekul.
3.5
SIFAT BAHAN BAKAR
20
Ada beberapa sifat bahan bakar yang pcrlu diperhatikan guna pencapaian performan dan juga keandalan yang tinggi dari motor bakar 4 – langkah. Sifat-sifat bahan bakar yang dmaksud diantaranya adalah : (1) penguapan,
(2) residu karbon,
(3) viskositas, (4) kandungan belerang, (5) kandungan abu, endapan dan air, (5) titik nyala, (7) titik tuang;, (8) sifat korosif dan keasaman, dan (9) mutu penyalaan [4] .
Penguapan (Volatility)
Pcnguapan diartikan sebagai kemampuan menguapnya bahan bakar dalam selang waktu tertentu. Diukur dengan 90 % suhu penyulingan. Makin rendah suhu ini, makin tinggi penguapannya. Untuk mesin kapasitas kecil lebih diperlukan penguapan bahan bakar yang tinggi dari pada untuk mesin kapasitas besar, agar diperoleh penggunaan bahan bakar lebih hemat, suhu gas buang rendah, dan gas asap minimum.
Residu Karbon
Residu karbon adalah karbon yang tertinggal setelah penguapan dan pembakaran habis suatu bahan yang diuapkan dari minyak contoh dengan pemanasan. Hal ini menunjukkan kecenderungan bahan bakar untuk membentuk endapan karbon pada bagian mesin. Residu karbon maksirnum yang diperbolehkan sebesar 0,10 persen.
Viskositas
Fluida diukur dari tahanannya untuk mengalir atau gesekan dalamnya. Viskositas suatu rninyak dinyatakan oleh jumlah detik yang digunakan oleh volume tertentu dari minyak untuk rnengalir melalui lubang berdiameter kecil tertentu. Makin rendah
jumlah
detiknya,
semakin
rendah
viskositasnya.
Seluruh
faktor
pelumasan/gesekan antara bagian yang bergcrak, keausan, dan kebocorannya, dipengaruhi oleh viskositasnya. Pelumasan bagian dari sistem injeksi bahan bakar misalnya, terutama plunycr dan tangki dari pompa tekanan tinggi, selur -uhnya tergantung pada viskositas bahan bakar, sehingga viskositasnya tidak boleh di bawah nilai rninimum tertentu. Bahan bakar dengan viskositas rendah cenderung untuk mernberi banyak kebocoran pada pompa. Sebaliknya viskositas tidak boleh
21
terlalu jauh melebihi dari yang diperbolehkan karena kenaikan viskositas dalam bahan bakar berarti tahanan yang - lebih tinggi untuk pengatomisasian (pengabutan) selama injeksi. Kelebihan viskositas yang tidak diinginkan ini dapat diatasi dengan menaikkan tekanan injeksi sampai pengabutan yang diinginkan tercapai, atau dengan memanaskan bahan bakar tersebut dalam pemanas khusus.
Kandungan Belerang
Belerang dalam bahan bakar terbakar ikut terbakar bersama, dan menghasilkan gas yang sangat korosif, yang diembunkan oleh dinding silindcr yang didinginkan, terutama kalau mesin beroperasi dengan beban ringan dan suhu silinder menurun. Korosi yang disebutkan oleh gas belerang umumnya didapati dalam sistem gas buang. Kandungan belerang yang diperbolehkan dalam bahan bakar berkisar tidak lebih dari 0.5 sampai 1,5 %.
Kandungan Abu, Belerang, dan Air
Abu dan endapan dalam bahan bakar adalah sumber penggerus yang akan mengakibatkan keausan mesin berlebihan. Endapan dapat juga mengakibatkan penyumbatan sistem bahan bakar. Keausan dapat rneningkat karena korosi kalau bahan bakar mengandung air, terutarna air garam. Kandungan abu maksimum yang diperbolehkan adalah 0,01%, kandungan endapan dan air masing-masing 0,05 %.
Titik Nyala (Flash point)
Titik nyala merupakan suhu paling rendah yang harus dicapai dalam pemanasan bahan bakar untuk menimbulkan uap yang dapat terbakar dalam jumlah yang cukup untuk menyala atau terbakar sesaat ketika disinggungkan dengan suatu nyala api. Bahan bakar yang memiliki titik nyala rendah, berbahaya dalam penyimpanan dan penanganannya. Titik nyala minimum untuk bahan bakar diesel adalah 150 °F (65,56 °C).
Titik Tuang ( pour point )
Titik tuang merupakan suhu paling rendah dimana bahan bakar mulai membeku atau berhcnti mengalir. Titik tuang penting untuk menstart dingin suatu mesin
22
diesel dan untuk menangani bahan bakar diantara penyimpanan dan rnesin. Titik tuang maksimum untuk balian bakar adalah 0 ºF.
Sifat Korosif (Corrosiveness) dan Keasaman ( Acidity)
Bahan bakar tidak boleh bersifat korosif dan tidak boleh mengandung asam bebas, karena keduanya dapat merusak permukaan Iogam yang bersinggungan dan dalam penyimpangan di dalam silinder mesin.
Mutu Penyalaan (Ignition quality)
Pengertian mutu penyalaan dari bahan bakar bensin dan diesel adalah berbeda sudut tinjaunya, tetapi yang jelas tujuan akan pentingnya penggunaan bahan bakar dengan penyalaan tinggi adalah Sama, yaitu untuk memperoleh performan mesin yang tinggi. Mutu penyalaan bahan bakar bensin dinyatakan dengan bilangan oktana, sedangkan untuk bahan bakar diesel dinyatakan dengan bilangan setana. •
Bilangan Oktana (Octane Number atau disingkat dengan ON)
Bilangan oktana menyatakan kemampuan bahan bakar bensin terhadap terjadinya
knocking
(ketukan
mesin
yang
dahsyat)
pada
proses
pembakarannya, atau secara singkat dinyatakan dengan kemampuan anti-
knock bahan bakar. Semakin besar bilangan oktana suatu bahan bakar, maka semakin kecil kemungkinan terjadinya knocking pada proses pembakaran bahan bakar tersebut. Bilangan oktana bahan bakar bensin (gasoline) adalah besarnya persentase volume dan iso-oktana dalam campuran iso-oktana (C 8 H 18 atau 2,2,4trimetilpentana) dan normal heptana (n-heptana : C7 H 16 ). Oktana murni memiliki kemampuan anti-knock sangat baik (ON = 100), sedangkan nheptana murni memiliki kemampuan antiknock sangat buruk (ON = 0). Secara ringkas dituliskan sebagai berikut : Bilangan Oktana = ON = % Iso-oktana + % n-Heptana
Sebagai contoh, bahan bakar bensin dengan bilangan oktana 80 artinya di dalam bahan bakar mengandung 80% iso-oktana darl 20 % n-heptana secara volumetrik.
23
•
Bilangan Setana (Ce tane Number atau disingkat dengan CN)
Bilangan setana menyatakan mutu bakar atau kemampuan bahan bakar diesel untuk segera terbakar pada proses pembakaran. Semakin besar bilangan setana suatu bahan bakar diesel, maka semakin cepat bahan bakar tersebut dapat terbakar. Dengan perkataan lain, makin besar bilangan setana bahan bakar diesel, makin kecil ignition delay bahan bakar tersebut (artinya waktu yang dibutuhkan untuk membakar bahan bakar tersebut lebih pendek). Ignition delay (penundaan penyalaan) adalah waktu yang dibutuhkan antara awal injeksi bahan bakar ke ruang bakar dan awal terjadinya proses pembakaran. Ignition delay berlangsung sangat cepat (tidak terdeteksi oleh mata manusia), yaitu besarnya hanya dalam satuan milidetik (bisa mencapai 1,2 hingga 1,8 milidetik). Ignition
delay yang pendek menyebabkan kenaikan tekanan yang mulus, dan efisiensi mesin yang tinggi. Bilangan setana bahan bakar diesel ( diesel fuel ) adalah besarnya persentase volume dari iso-oktana dalam campuran setana (C 16 H34 ) dan alfa-metil-naftalen yang mempunyai mutu penyalaan sama dengan bahan bakar yang diuji. Setana murni mempunyai mutu penyalaan sangat baik (CN = 100), sedangkan alfametil-naftalen murni memiliki mutu pcnyalaan sangat buruk (CN = 0). Secara ringkas dituliskan sebagai berikut :
Bilangan Setana = CN = %Setana + % Alfa-metil-naftalen
Sebagai contoh, bahan bakar diesel dengan bilangan oktana 5 2 artinya bahan bakar tersebut setara dengan campuran yang terdiri atas 52% setana dan 48% alfa-metil-naftalen secara volumetrik.
24
BAB IV. PROSES PEMBAKARAN
4.1
PENDAHULUAN
Proses pembakaran adalah suatu reaksi kimia dimana unsur-unsur tertentu dari bahan bakar yakni hidrogen dan karbon bergabung dengan oksigen yang melepaskan energi panas dan menyebabkan meningkatnya temperatur gas pembakarannya. Elemen mampu bakar yang lain, yang tidak disukai dan terkandung dalam jumlah sedikit (di samping karbon dan hidrogen), adalah belerang. Proses pernbakaran dari campuran bahan bakar-udara di dalam ruang bakar merupakan salah satu proses yang mengontrol daya mesin, efisiensi, dan emisinya. Proses pembakaran ini merupakan suatu reaksi fasa gas yang eksotermis dan yang berlangsung sangat cepat, dimana oksigen adalah salah satu dari reaktannya. Pada motor bakar biasanya bahan bakar hidrokarbon terbakar dengan udara (oksigen), sedangkan nitrogen tidak ikut tereaksi. Oksigen adalah satu-satunya unsur di dalam udara yang dibutuhkan untuk membakar molekul - molekul bahan bakar. Proses pembakaran pada motor bakar 4- langkah biasanya berlangsung pada campuran uap bahan bakar - udara homogen atau heterogen [2, 3, 4].. Secara lebih detail dapat dijelaskan bahwa proses pembakaran adalah proses oksidasi (penggabungan) antara rnolekul-molekul oksigen (‘O’) dengan molekul - molekul (partikel-partikel) bahan bakar yaitu ‘C’ (karbon) clan ‘H’ (hidrogen) untuk membentuk karbon dioksida (C0 2) dan uap air (H 20) pada kondisi pembakaran sempurna. Disini proses pembentukan CO2 dan H20 hanya bisa terjadi apabila panas kompresi ataupun panas dari pemantik telah mampu memisah/ memutus ikatan antar partikel oksigen ( O-O ) menjadi partikel ‘O’ clan ‘O’, dan juga mampu memutus ikatan antar partikel bahan bakar (C-H dan/ atau C-C) menjadi partikel ‘C’ dan ‘H’ yang berdiri sendiri. Baru selanjutnya partikel ‘O’ dapat beroksidasi dengan partikel ‘C’ dan ‘H’ untuk mernbentuk CO 2 dan H 2O. Jadi dapat disimpulkan bahwa proses oksidasi atau proses pembakaran antara udara dan bahan bakar tidak pernah akan terjadi apabila ikatan antar partikel oksigen dan ikatan antar partikel bahan bakar tidak diputus terlebih dahulu [4] .
Proses pernbakaran dapat terjadi baik pada kondisi rasio campuran bahan bakar udara di atas atau di bawah kondisi udara stoikiometri. Kondisi udara stokiometri adalah
25
kebutuhan udara minimum yang dibutuhkan untuk membakar seluruh molekul - molekul bahan bakar (kondisi udara teoritis). Proses pembakaran dengan kondisi yang berbeda ini rnenghasilkan panas atau daya output yang berbeda, efisiensi bahan bakar yang berbeda, dan konsentrasi gas buang yang berbeda pula [2, 3, 4, 7]. Proses pembakaran sempurna (terbakarnya seluruh partikel bahan bakar) hanya dapat terjadi apabila seluruh partikel bahan bakar beroksidasi oksigen yang cukup untuk membentuk hanya CO 2 dan H2O. Bila udara (oksigen) yang disuplai tidak cukup, maka partikel karbon tidak akan seluruhnya beroksidasi dengan partikel oksigen untuk membentuk CO2, akibatnya terbentuklah produk pembakaran yang lain seperti karbon monoksida (CO), dan mungkin gas buang yang lain (H 2, UHC: unburned hydrocarbon , dan lain-lain). Kalau terbentuk CO, maka jumlah panas yang dilepaskan pada proses pembakaran di dalam ruang bakar menjadi jauh lebih kecil (± 30 %) dari panas yang ditimbulkan bila C02 yang terbentuk. Meskipun terdapat kelebihan udara (oksigen), masih terdapat kemungkinan bahwa sebagian partikel bahan bakar tidak akan bersinggungan (bergabung) dengan partikel oksigen. Hal ini disebabkan oleh kemampuan bergabung (beroksidasi) antara partikel bahan bakar (partikel ‘C’ dan ‘H’) dengan partikel oksigen (‘O’) adalah berbeda. Partikel ‘H’ bergabung lebih cepat dengan partikel ‘O’ dibanding partikel ‘C’, sehingga partikel karbon, ‘C’, membentuk CO dan/ atau tidak terbakar, dan muncul sebagai asap dalam gas buang atau diendapkan sebagai jelaga berlemak dalam ruang bakar atau saluran pembuangan. Sejumlah tertentu dari asap juga terbentuk oleh pemecahan/ pemutusan dan pembakaran tidak sempurna dari minyak pelumas. Akan tetapi. asap yang terbentuk dari minyak pelumas berwarna biru, sedangkan asap yang terbentuk dari bahan bakar berwarna kelabu sampai hitam, tergantung pada rasio udara - bahan bakar dan kesempurnaan campuran antara bahan bakar dengan udara [4] .
4.2
LANGKAH PEMBAKARAN PADA MOTOR BAKAR BENSIN 4-LANGKAH
Pada motor bakar bensin, campuran bahan bakar - udara yang hampir homogen dibentuk di dalam karburator dan terbakar di dalam silinder mesin. Campuran yang homogen dibentuk di luar silinder mesin dan proses pembakarannya terjadi di dalam silinder tersebut di akhir langkah kompresi. Nyala api dari proses pembakaran tersebut ( flame front ) merambat ke campuran yang , mudah terbakar (combustible mixture) dengan
26
kecepatan tertentu. Pada campuran gas yang homogen, molekul bahan bakar dan oksigen lebih kurang terdistribusi seragam [2] . Saat campuran uap bahan bakar - udara tersebut diberikan nyala api pada suatu titik, flame front terjadi, dan secara sangat cepat menyebar ke campuran di sekelilingnya. Perambatan nyala api yang disebabkan oleh perpindahan panas dan difusi pembakaran molekul bahan bakar dari zone proses pembakaran ke lapisan campuran segar yang ada didekatnya. flame front merupakan area sempit yang memisahkan campuran segar dari produk pernbakarant[2] . Secara singkat, hubungan antara crank angle (sudut engkol) dengan tekanan yang terjadi pada langkah pembakaran ideal dari motor bakar bensin 4 - langkah seperti yang ditunjukkan pada gambar 10, dimana langkah kompresi terjadi sepanjang garis kurva (a b), langkah pembakaran terjadi sepanjang garis kurva (b terjadi sepanjang garis kurva (c
c) dan langkah ekspansi
d) [2] . .
Gambar 10 Diagram p- θ Teoritis [2] Pada mesin ideal, seperti terlihat pada gambar 10, seluruh kenaikan tekanan selama proses - pembakaran berlangsung pada volume konstan, yaitu pada TMA. Akan tetapi, pada motor bakar bensin 4 - langkah aktual peristiwa ini tidak terjadi. Proses pembakaran rinci dari motor bakar 4 - langkah ditunjukkan pada gambar 11 berikut.
Gambar 11
Langkah Pembakaran Aktual Pada Motor Bakar Bensin 4 – Langkah [2]
27
Pada gambarr 11 ini, titik ‘A’ adalah titik awal terrjadinya loncatan nyala api dari busi (anggap pada 20 o bTDC atau 20o sebelum TMA), titik ‘B’ merupakan titik awal terjadinya kenaikan tekanan yang dapat dideteksi (anggap pada 8 0 bTDC atau 8 ° sebelum TMA), titik ‘C’ (anggap pada 10 0 aTDC atau 100 setelah TMA), titik pencapaian tekanan maksimum di dalam ruang bakar. Jadi ada tiga langkah pada proses pembakaran ini, yaitu •
Langkah I ( A
B ) merupakan langkah penundaan pembakaran ( ignition lag ) atau
dikatakan juga fasa persiapan pembakaran ( prearation phase) dimana pertumbuhan dan perkembangan inti nyala api yang merambat berlangsung. Langka ini merupakan proses yang tergantung pada temperatur dan tekanan, sifat-sifat bahan bakar dan proporsi sisa gas buang yang tidak ikut keluar pada langkah buang dan juga tergantung pada hubungan antara temperature dan laju reaksinya. Meskipun telah diberikan nyala api pada titik ‘A’, namun bahan bakar tidak langsung terbakar (memerlukan waktu sesaat, milidetik) untuk melengkapi proses pemutusan ikatan antar partikelnya. •
Langkah II( B
C ) merupakan proses fisika dan terpusat pada pcnyebaran nyala api
rnelalui ruang bakar (dikatakan juga sebagai langkah perambatan nyala api). Titik dua lankah awal ini ditandai dengan mcnyimpangnya kurva proses dari kurva motor (kurva tanpa terjadinya proses pembakaran atau kurva dengan garis putus-putus) Selama langkah II, nyala api merambat pada kecepatan konstan. Perpidahan panas kepada dinding silinder rendah, karena hanya sebagian kecil campuran yang tcrbakar bersentuhan dengan dinding silinder selama periode ini. Laju Pelepasan kalor tergantung pada besarnya turbulensi dan juga pada laju reaksinya. Laju kenaikan tekanan sebanding dengan laju pelepasan kalor, karena selama langkah ini, volume ruang bakar praktis tetap konstan (karena piston dekat TMA) •
Langkah III (C
D). Titik awal langkah III ini biasanya diambil pada tekanan
maksimum yang terjadi. kecepatan nyala api turun selama langkah ini. Laju pembakaran menjadi rendah dikarenakan rendahnya kecepatan nyala api dan berkurangnya permukaan f1ame front. Karena langkah ekspansi dimulai sebelum langkah III ini dengan piston begerak meninggalkan TMA menuju TMB, dapat dikatakan tidak ada kenaikan tekamrn pada langkah ini
28
4.3. PERAMBATAN NYALA API ( flame Front Propagation)
Laju perambatan flame front dalam silinder memegang peran yang sangat penting untuk pencapaian pcrfoman yang tinggi. Dua faktor penting yang menentukan laju flame front melintasi ruang bakar adalah laju reaksi dau laju perpindahan. Laju reaksi merupakan akibat dari proses kombinasi kimia murni dimana mcmbakar campuran yang belum terbakar. Laju perpindahan dikarenakan oleh pergerakan fisika dari flame front relatif terhadap dinding silinder dan juga mcrupakan akibat dari perbedaan tekanan antara gas yang terbakar dan gas yang belum terbakar di dalam ruang bakar. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 12.
Gambar 12 menunjukkan laju perambatan nyala api. Pada area I (A
B),
perkembangan flame front relatif lambat dikarenakan rendalmya laju perubahan dan rendahnya turbulensi (terjadinya pusaran campuran). Perubahan flame front relatif kecil karena ada massa campuran yang terbakar sangat sedikit. laju rcaksi yang rendah memainkan peran yang sangat penting karena dapat mengakibatkan pergerakan nyala api lambat. Karena busi perlu diletakkan pada lapisan gas yang diam yaitu dekat dengan dinding silinder (pada daeraj kurang turbulensi), sehingga menurunkan laju reaksi dan akibatnya rnenurunkan kecepatan nyala api. Pada Zona I ini dengan waktu perjalanan nyala api ± 27 % (dari 0 % hingga ± 27 %) terlihat bahwa nyala api hanya mampu bergerak melintasi ruang bakar sekitar 10 % dari total perjalanannya. Karena flame front meninggalkan zona diam ( quiescent zone ) dan rnasuk ke area yang lebih turbulen (area II) dimana flame front membakar lebih besar massa campuran. Flamc
front maju/ bergerak dengan satngat cepat dan pada laju yang konstan (B
C) sebagaimana
29
yang ditunjukkan pada gambar 12. Volume campuran yang tidak terbakar berkurang secara drastis di akhir perjalanan nyala api tersebut dan laju perubahran kembali menjadi sangat lambat, dcngan demikian kccepatan nyala api berkurang, Pada Zona II ini, dengan waktu perjalanan nyala api ± 56 % (dari ± 27 % hingga ± 83%) terlihat bahwa nyala api telah mampu melintasi ruang bakar dengan sangat jauh / tajam yaitu sekitar 85 % (dari 10 % hingga ± 95 %). 4.4. LANGKAH PEMBAKARAN PADA MOTOR BAKAR DIESEL 4-LANGKAH
Proses pembakaran pada motor bakar diesel 4 - langkah biasanya berlangsung pada campuran uap bahan bakar - udara yang heterogen. pada campuran gas yang heterogen. laju pembakaran ditentukan oleh kecepatan difusi bersarna dari uap bahan bakar dan udara, sementara laju reaksi kimia tidak terlalu berperan. Proses penyalaan spontan ( spontanneus
ignition atau self-ignition ) dari campuran bahan bakar - udara, pada temperatur tinggi yang diperolehr dari hasil kompresi tinggi, adalah sangat penting dalam menentukan karaktristik proses pembakaran. Proses pembakaran pada dianggap berlangsung dalam empat periode seperti ditunjukkan pada gambar 13. Empat periode dimaksud yaitu periode ignition delay , periode proses pembakaran yang tajamn (rapid combustion), periode proses pembakaran terkontrol (conrtolled combustion ), dan periode setelah pembakaran ( after burning )[2]
Gambar 13 Langkah Pembakaran Pada Motor Bakar Diesel 4 - Langkah [2]
Periode ignition delay ( I
2 ) : periode penundaan proses pembakaran, yaitu periode antara
awal injeksi bahan bakar ( ± 18 % bTDC) dan awal terjadinya proses pernbakaran atau terdeteksinya kenaikan tekanan atau tcrjadinya penyimpangan kurva proses terhadap kurva motor (± 8 ° bTDC). Ignition dclay yang terjadi sebesar 0,001 detik ( 1,0 milidetik).
30
•
Periode rapid combustion ( 2
3 ) : disebut juga dengan proses pembakaran tak
terkontrol (uncontrolled combustion), yaitu fasa dimana kenaikan tekanan terjadi dengan sangat cepat. Selama periode delay , butir-butir halus bahan bakar ( droplets ) memiliki waktu untuk menyebar ke area yang luas di dalam ruang bakar dan udara segar sclalu tersedia di sekitar droplets tersebut. Sebagian besar bahan bakar yang diijeksikan telah menguap dan membentuk campuran mampu bakar dengan udara. Periodc rapid Combustion dihitung dari akhir periode delay atau awal proses pembakaran hingga titik tekanan maksimum. Laju pelepasan kalor adalah maksimum selama periode ini. Tekanan yang dicapai selama periode rapid Combustion ini akan tergantung pada besar kecilnya periode delay, semakin lama periode delay semakin cepat dan semakin tinggi terjadinya kenaikan tekanan di dalam ruang bakar karena bahan bakar lebih banyak tersedia di dalam silinder sebelum laju pembakaran dapat dikontrol. •
Periode controled combustion ( 3
4 ) : proses pembakaran terkontrol. Temperatur
dan tekanan pada periode kedua telah sangat tinggi. Oleh karena itu, butiran halus bahan bakar yang diinjeksi selama periode kedua terbakar lebih cepat dengan berkurangnya ignition delay secepat butiran halus bahan bakar tersebut bergabung dengan oksigen dan kenaikan tekanan selanjutnya dikontrol oleh laju injeksi bahan bakar. Periode controlled combustion dianggap berakhir pada temperatur siklus maksimum. •
Periode After Burning ( setelah titik 4 ). Proses pembakaran tidak berhenti dengan selesainya proses injeksi bahan bakar. Partikel bahan bakar yang tidak terbakar dan yang terbakar sebagian yang meninggalkan ruang bakar dapat terbakar segera saat panas bahan bakar tersebut bersinggungan dengan oksigen. Proses ini terus berlanjur hingga selang waktu tertentu yang disebut dengan periode After Burning .
Biasanya periode ini dimulai dari titik temperatur siklus maksimum dan terus berlangsung hingga sebagian langkah ekspansi. Laju after burning tergantung pada kecepatan difusi dan turbulensi pencampuran dari partikel bahan bakar yang tidak terbakar dan yang terbakar sebagian dengan udara. Selang waktu dari fasa after buring sekitar 70 - 80 0 CA ( crank angle) dari setelah TMA.
31
4.5.
VARIASI RASIO CAMPURAN BAHAN BAKAR - UDARA
Sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya bahwa proses pembakaran dapat terjadi baik pada kondisi rasio campuran bahan bakar - udara di atas atau di bawah kondisi udara stoikeometri. kondisi udara stokiometri adalah kebutuhan udara rninimum yang dibutuhkan untuk membakar seluruh molekul / partikel bahan bakar udara teoritis). Secara teori, proses pembakaran stoikiometri adalah yang diharapkan. Denpan proses pembakaran udara lebih atau campuran miskin - bahan bakar. selurulr molekul bahan bakar (partikel ‘C’ dan ‘H’ ) dapat terbakar dan terkonversi menjadi CO2 dan H2O. Akan tetapi, pada proses pembakaran kaya bahan bakar. Oksigen yang dibutuhkan untuk mcmbakar partikel-partikcl bahan bakar tidak tersedia dalam jumlah yang cukup, akibatnya tidak seluruh partikel bahan bakar ‘C’ dan ‘H’ terkonversi
menjadi produk CO2 dan H2O. Pada proses pembakaran kaya bahan
bakar ini. produk yang terbentuk dapat berupa CO 2, H2O, N2, CO, dan bahkan hidrogen ataupun UHC Sebagai contoh, reaksi kimia bahan bakar hidrokarbon isooktana
C 8, H18
(bahan bakar bensin) untuk ketiga proses pembakaran yang dimaksudkan di atas dapat dituliskan sebagai berikut : •
Reaksi Campuran Stoikiometri : C8, H18 + 12,5 ( O 2 + 3,76 N2 ) 8CO2 + 9H2O + 47 N 2
•
Reaksi Campuran Miskin-Bahan bakar : C8, H18 + (1,2) 12,5 ( O 2 + 3,76 N 2 ) 8CO2 + 9H2O + 2,5O2 + 56,4 N2
•
Reaksi Campuran Kaya-Bahan oakar : C8, H18 + (0,8) 12,5 ( O 2 + 3,76 N 2 ) 5CO2 + 7H2O + 3CO + 2H 2 + 37,6 N2 Dan reaksi kimia di atas, terlihat bahwa untuk reaksi dengan campuran miskin – bahan
bakar. produk CO 2 dihasilkan lebih banyak dibanding pada reaksi dengan campuran kaya bahan bakar. Jadi dapat dikatakan bahwa panas yang dilepas (daya yang dihasikan) pada reaksi dengan campuran miskin - bahan bakar adalah lebih besar. Hal ini disebabkan oleh panas pembentukan gas CO2 (∆ hf ,= - 393,5 kJ) lebih besar daripada panas pembentukan gas CO (∆ hf ,= - 110,5 kJ), sebagaimana reaksi kimia berikut [3]: Reaksi Cukup Oksigen : C + O 2 C02 + 393,5 kJ Reaksi Kurang Oksigen : C + ½ O2 CO + 110,5 kJ
32
Artinya apabila satu mol CO 2 yang terbentuk dalamn suatu proses pembakaran, maka akan mengeluarkan panas sebesar 393,5 kJ. Sedangkan apabila yang terbentuk adalah satu mol CO, maka panas yang dikeluarkan hanya sebesar 110,5 kJ ( ± 30 %). Karena kornposisi produk hasil pembakaran untuk campuran miskin dan kaya bahan bakar sangat berbeda, dan karena rasro bahan bakar - udara stoikiometri tergantung pada komposisi bahan bakar, maka rasio bahan bakar - udara aktual terhadap rasio bahan bakar udara stokeometri, yang dikenal sebagai rasio equivalence bahan bakar – udara Φ . merupakan suatu Parameter yang lebih informatif untuk rncnentukan komposisi bahan bakar.
φ
=
F A a c t u a l
( F A)
s t o i k e o m tmr ie
Untuk campuran miskin - bahan bakar
:Φ <1
Untuk campuran stoikiometri
:Φ =1
Untuk campuran kaya - bahan bakar
:Φ >1
Akan tetapi dalam praktek, proses pembakaran stoikiometri tidak menjamin oksigen yang cukup ini untuk mengoksidasi seluruh partikel- partikel bahan bakar ‘C’ dan ‘H’. Bahkan, pembakaran yang tidak sempurnapun mungkin masih terjadi pada pembakaran udara lebih (proses pembakaran miskin - bahan bakar). Hal ini disebabkan oleh oksidasi partikel ’H’ lebih cepat dibanding partikel ’C’, dengan demikian partikel 'C' tidak akan terbakar seluruhnya. Di samping itu, panas yang ditimbulkan pada campuran miskin - bahan bakar lebih kecil dibanding pada campuran kaya - bahan bakar sebagaimana yang dijelaskan sebelumnya. Hal ini disebabkan oleh bahan bakar tidak seluruhnya terbakar seketika pada operasi mesin aktual. Perlu waktu bagi bahan bakar untuk menguap terlebih dahulu sebelum terbakar. Terbakarnya sedikit bahan bakar pada awal terjadinya proses pembakaran, menyebabkan meningkatnya temperatur dan jumlah uap bahan bakar yang terbakar di dalam silinder (ruang bakar), sehingga tekanannya juga meningkat untuk menghasilkan daya engkol yang lebih besar pula. Meskipun daya engkol yang dihasilkan pada pembakaran kaya - bahan bakar lebih tinggi, namun pemakaian bahan bakar spesifiknya lebih tinggi juga (artinya boros pemakaian bahan bakar). Akan tetapi, campuran yang terlalu jauh dari kondisi stoikiometri
33
(campuran terlalu miskirt atau kaya bahan bakar) dapat menyebabkan tidak terjadinya proses pembakaran, artinya mesin tidak dapat beroperasi
[3.7]
.
Pada mesin bensin, rasio bahan bakar-udara tidak terlalu berubah dengan berubahanya beban putaran mesin, tetapi pada mesin diesel perubahan beban/ putaran mesin ini sangat mempengaruhi perubahan rasio bahan bakar-udara. Pada mesiu diesel suplai udara ke dalamruang bakar pada berbagai putaran mesin hampir mendekati konstan. sementara jumlah bahan bakar yang diinjeksikan ke dalam ruang bakar akan meningkat dengan bcrtambahnya putaran mesin/beban, yang berarti terjadi perubahan Rasio bahan bakar-udara. Operasi mesin diesel beban tinggi pada kondisi mendekati campuran stoikiometri menghasilkan daya output yang tinggi. Akan tetapi, operasi mesin pada kondisi campuran miskin - bahan bakar rnemberikan efisiensi termal yang lebih baik, , Walaupun daya output yang di hasilkan lebih rendah. Partikel UHC ( black smoke ) terlihat jelas pada operasi mesin dengan rasio udara- bahan bakar, -A/F ≤ 18 ( A/F stoikiometri ≈ 14,5)[3.4]. Penurunan daya output terlihat sangat tajam dengan menurtinnya equivalence ratio. Oleh karena itu, ukuran mesin menjadi lebih besar jika mesin diesel dioperasikan pada kondisi hampir rnendekati stoikiometri, karena kebutuhan udara untuk membakar partikel partikel bahan bakar tidak cukup. Akibatnya banyak bahan bakar yang tidak terbakar dan menimbulkan asap hitam (black smoke) pada gas buangrnya. Jadi, mesin diesel selalu dirancang untuk beroperasi dengan udara lebih 15 hingga 40 % (kondisi campuran miskin balian bakar)[2]. DAFTAR PUSTAKA
1.
Arismunandar W., 1983, ” Penggerak Mula Motor Bakar Torak ”, Penerbit ITB,
Bandung. 2.
Ganesan V., 1996, “Internal Combustion Engines” , McGraw Hill, New York.
3.
Heywood J.B., 1988, “Internal Combustion Engines Fundamental” , McGraw
Hill, Singapore. 4.
Maleev V.L., Terjemahan Priambodo B., 1995, “Operasi Dan Pemeliharaan
Mesin Diesel”, Erlangga, Jakarta. 5.
Sunarya Y., 2001, “Kimia untuk SMU Kelas 1” , edisi kesatu, Grafindo Media
Pratama, Bandung.
34
