MOTOR BAKAR

1.      MOTOR BAKAR

Secara umum pengertian motor bakar diartikan sebagai pesawat yang dapat mengubah suatu bentuk energi thermal menjadi bentuk energi mekanik. Motor bakar dapat pula diartikan sebagai pesawat dan energi kerja mekaniknya diperoleh dari pembakaran bahan bakar dalam pesawat itu sendiri. Oleh karena itu, motor bakar yang pembakarannya terjadi di dalam pesawat itu sendiri disebut pesawat tenaga dengan pembakaran dalam (Internal Combustion Engine).

Pada mulanya perkembangan motor bakar torak dengan motor bakar bensin ditemukan oleh Nichollus Otto pada tahun 1876. Karena  bentuknya kecil dan tenaganya besar juga mudah dihidupkan dan sangat praktis, maka memberikan kemungkinan untuk dapat mempergunakan motor tersebut diberbagai lapangan kerja dengan aneka macam ragamnya.

Motor bakar torak menggunakan silinder tunggal atau beberapa silinder. Salah satu fungsi torak disini adalah sebagai pendukung terjadinya pembakaran pada motor bakar. Tenaga panas yang dihasilkan dari pembakaran diteruskan torak ke batang torak, kemudian diteruskan ke poros engkol yang mana poros engkol nantinya akan diubah menjadi gesekan putar.

Motor bakar terbagi menjadi 2 (dua) jenis utama, yaitu motor diesel dan motor bensin. Perbedaan umum terletak pada sistem penyalaan. Penyalaan pada motor bensin dinyalakan oleh loncatan bunga api listrik yang dipercikan oleh busi atau juga sering disebut juga spark ignition engine. Sedangkan pada motor diesel penyalaan terjadi karena kompresi yang tinggi di dalam silinder kemudian bahan bakar disemprotkan oleh nozzle atau juga sering disebut juga Compression Ignition Engine.

2.      PROSES PEMBAKARAN

Secara umum pembakaran didefinisikan sebagai reaksi kimia atau reaksi persenyawaan bahan bakar oksigen (O₂) sebagai oksidan dengan temperaturnya lebih besar dari titik nyala. Mekanisme pembakarannya sangat dipengaruhi oleh keadaan dari keseluruhan proses pembakaran dimana atom-atom dari komponen yang dapat bereaksi dengan oksigen yang dapat membentuk produk yang berupa gas. (Sharma, S.P, 1978, hal. 65).

Untuk memperoleh daya maksimum dari suatu operasi hendaknya komposisi gas pembakaran dari silinder (komposisi gas hasil pembakaran) dibuat seideal mungkin, sehingga tekanan gas hasil pembakaran bisa maksimal menekan torak dan mengurangi terjadinya detonasi. Komposisi bahan bakar dan udara dalam silinder akan menentukan kualitas pembakaran dan akan berpengaruh terhadap performance mesin dan emisi gas buang.

Sebagaimana telah kita ketahui sebagai bahan bakar motor bensin terutama yang mengandung unsur-unsur karbon dan hidrogen yang dikenal dengan 3 (tiga) teori mengenai pembakaran hidrogen tersebut.

a.       Hidrokarbon terbakar bersama-sama dengan oksigen sebelum karbon bergabung dengan oksigen.

b.      Karbon terbakar lebih dahulu daripada hidrogen.

c.       Senyawa hidrokarbon terlebih dahulu bergabung dengan oksigen dan membentuk senyawa (hidrolisasi) yang kemudian dipecah secara terbakar.

Dalam sebuah mesin terjadi beberapa tingkatan pembakaran yang digambarkan dalam sebuah grafik dengan hubungan antara tekanan dan perjalanan engkol. Berikut adalah gambar dari grafik tingkatan pembakaran :

Gambar 1. Tingkat pembakaran dalam sebuah mesin (Maleev.V.L, 1995 : 160)

Proses atau tingkatan pembakaran dalam sebuah mesin terbagi menjadi empat tingkat atau periode yang terpisah. Periode-periode tersebut adalah :

1.      Keterlambatan pembakaran (Delay Periode)

Periode pertama dimulai dari titik 1 yaitu mulai disemprotkannya bahan bakar sampai masuk kedalam silinder, dan berakhir pada titik 2. perjalanan ini sesuai dengan perjalanan engkal sudut a. Selama periode ini berlangsung tidak terdapat kenaikan tekanan melebihi kompresi udara yang dihasilkan oleh torak. Dan bahan bakar masuk terus menerus melalui nosel.

2.      Pembakaran cepat

Pada titik 2 terdapat sejumlah bahan bakar dalam ruang bakar, yang dipecah halus dan  sebagian menguap kemudian siap untuk dilakukan pembakaran. Ketika bahan bakar dinyalakan yaitu pada titik 2, akan menyala dengan cepat yang mengakibatkan kenaikan tekanan mendadak sampai pada titik 3 tercapai. Periode ini sesuai dengan perjalanan sudut engkol b. yang membentuk tingkat kedua.

3.      Pembakaran Terkendali

Setelah titik 3, bahan bakar yang belum terbakar dan bahan bakar yang masih tetap disemprotkan (diinjeksikan) terbakar pada kecepatan yang tergantung pada kecepatan penginjeksian serta jumlah distribusi oksigen yang masih ada dalam udara pengisian. Periode inilah yang disebut dengan periode terkendali atau disebut juga pembakaran sedikit demi sedikit yang akan berakhir pada titik 4 dengan berhentinya injeksi. Selama tingkat ini tekanan dapat naik, konstan ataupun turun. Periode ini sesuai dengan pejalanan engkol sudut c, dimana sudut c tergantung pada beban yang dibawa beban mesin, semakain besar bebannya semakin besar c.

4.      Pembakaran pasca (after burning)

Bahan bakar sisa dalam silinder ketika penginjeksian berhenti dan akhirnya terbakar. Pada pembakaran pasca tidak terlihat pada diagram, dikarenakan pemunduran torak mengakibatkan turunnya tekanan meskipun panas panas ditimbulkan oleh pembakaran bagian akhir bahan bakar.

Dalam pembakaran hidrokarbon yang biasa tidak akan terjadi gejala apabila memungkinkan untuk proses hidrolisasi. Hal ini hanya akan terjadi bila pencampuran pendahuluan antara bahan bakar dengan udara mempunyai waktu yang cukup sehingga memungkinkan masuknya oksigen ke dalam molekul hidrokarbon.

Bila oksigen dan hidrokarbon tidak bercampur dengan baik maka terjadi proses cracking dimana pada nyala akan timbul asap. Pembakaran semacam ini disebut pembakaran tidak sempurna.

Ada 2 (dua) kemungkinan yang terjadi pada pembakaran mesin berbensin, yaitu:

a.       Pembakaran normal (sempurna), dimana bahan bakar dapat terbakar seluruhnya pada saat dan keadaan yang dikehendaki. Mekanisme pembakaran normal dalam motor bensin dimulai pada saat terjadinya loncatan api busi. Selanjutnya api membakar gas yang berada disekelilingnya dan menjalar ke seluruh bagian sampai semua partikel gas terbakar habis.

b.      Pembakaran tidak sempurna (tidak normal), dimana sebagian bahan bakar tidak ikut terbakar atau tidak terbakar bersama-sama pada saat dan keadaan yang dikehendaki. Pada pembakaran tidak sempurna terjadi 2 (dua) peristiwa, yaitu knocking (ketukan) dan pre-ignition.

3.      PRINSIP KERJA MOTOR BAKAR TORAK

Berdasarkan prinsipnya, terdapat 2 (dua) prinsip pada motor bakar torak, yaitu: 4 (empat) langkah dan 2 (dua) langkah. Adapun prinsip kerja motor bakar  4 (empat) langkah dan 2 (dua) langkah adalah sebagai berikut:

1.                  Prinsip Kerja Motor Bakar 4 (empat) Langkah

  Pengertian yang dimaksud dengan motor bakar 4 (empat) langkah adalah bila 1 (satu) kali proses pembakaran terjadi pada setiap 4 (empat) langkah gerakan piston atau 2 (dua) kali putaran poros engkol. Dengan anggapan bahwa katup masuk dan katup buang terbuka tepat pada waktu piston berada pada TMA dan TMB, maka siklus motor 4 (empat) langkah dapat diterangkan sebagai berikut :

a.       Langkah Hisap

Piston bergerak dari TMA ke TMB. Pada ruangan di atas piston terjadi pembesaran volume yang menyebabkan tekanan menjadi kurang. Tekanan kurang tersebut mengakibatkan terjadinya hisapan terhadap campuran udara bahan bakar dari karburator. Keadaan katup masuk terbuka dan katup buang tertutup.

b.      Langkah Kompresi

         Piston bergerak dari TMB ke TMA mengadakan kompresi terhadap campuran udara bahan bakar yang baru masuk pada langkah pengisian. Tekanan dan temperatur menjadi naik sedemikian rupa sehingga campuran bahan bakar udara berada dalam keadaan yang mudah sekali untuk terbakar. Sebelum langkah kompresi berakhir maka busi mengadakan pembakaran kedua katup tertutup.

c.       Langkah Usaha

         Akibat adanya pembakaran maka pada ruang bakar terjadi panas dan pemuaian yang tiba-tiba. Pemuaian tersebut mendorong piston untuk bergerak dari TMA ke TMB. Kedua katup masih dalam keadaan tertutup rapat sehingga seluruh tenaga panas mendorong piston untuk bergerak.

d.      Langkah Buang

         Pada langkah buang ini katup masuk tertutup sedangkan katup buang terbuka. Piston bergerak dari TMB menuju TMA mendesak gas sisi pembakaran keluar melalui katup buang dan saluran buang (exhaust manifold) menuju atmosfer.

   Gambar 2. Prinsip kerja motor 4 (empat) langkah

      (Wiranto Arismunandar, 2002 : 8)

2.                  Motor Bensin 2 (dua) Langkah

            Pada motor bensin 2 (dua) langkah, setiap siklus terdiri dari 2 (dua) langkah piston atau 1 (satu) kali putaran poros engkol. Proses yang terjadi pada motor 4 (empat) langkah, juga terjadi 1 (satu) langkah penuh. Langkah-langkah tersebut adalah:

a.       Langkah Naik

                Piston bergerak dari TMB ke TMA. Beberapa saat sebelum piston sampai di TMB, gas bekas hasil pembakaran sudah mulai dikeluarkan dan campuran udara bahan bakar barupun sudah mulai dimasukkan. Langkah ini merupakan langkah kompresi. Pada waktu piston hampir mencapai TMA busi mengadakan pembakaran.

b.      Langkah Turun

                Dengan adanya pembakaran pada akhir langkah naik maka menyebabkan terjadi nya panas dan pemuaian yang tiba-tiba. Piston bergerak dari TMA ke TMB. Sebelum piston mencapai TMB maka lubang buang sedah terbuka. Lubang masukpun kemudian terbuka pula, gas baru masuk dan sekaligus mendorong gas bekas keluar.

            Suatu hal yang sangat penting pada motor 2 (dua) langkah ialah 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 2 (dua) langkah umumnya tidak mempunyai katup masuk dan katup buang.

Kelemahan yang paling menonjol pada motor 2 (dua) langkah yaitu sangat singkatnya waktu yang tersedia untuk pemasukkan 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 2 (dua) langkah, karena pemasukan dan pengeluaran gas baru dan gas bekas tidak diatur oleh klep maka terdapat beberapa kelemahan, yaitu :

1.      Dengan adanya lubang transfer dari lubang buang 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 ada kalanya 80⁰ 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.

                   Gambar 3. Prinsip kerja motor 2 (dua) langkah

                 (Arends BPM; H Berenschot, 1980)

4.     KLASIFIKASI  MOTOR BAKAR

Motor bakar dapat diklasifikasikan menjadi 2 (dua) macam. Adapun pengklasifikasian motor bakar adalah sebagai berikut:

A.           Berdasar Sistem Pembakarannya

1.      Mesin bakar dalam

Pada mesin pembakaran dalam fluida kerja yang dihasilkan pada mesin itu sendiri, sehingga gas hasil pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida. Contoh : mesin pembakaran dalam yaitu motor bakar torak                                                                          misalnya motor 2 tak dan motor 4 tak.

2.      Mesin bakar luar

Pada mesin pembakaran luar fluida kerja yang dihasilkan terdapat di luar mesin tersebut. Energi thermal dan gas hasil pembakaran dipindahkan ke dalam mesin melalui beberapa dinding pemisah.

Hal-hal yang dimiliki pada mesin pembakaran luar yaitu :

a.                        Dapat memakai semua bentuk bahan bakar.

b.                       Dapat memakai bahan bakar bermutu rendah.

c.                        Cocok untuk melayani beban-beban besar dalam satu poros.

d.                       Lebih cocok dipakai untuk daya tinggi.

Contoh : mesin pembakaran luar yaitu pesawat tenaga uap, pelaksanaan pembakaran bahan bakar dilakukan diluar mesin.

B.            Berdasar Sistem Penyalaan

1.        Motor bensin

                    Motor bensin dapat juga disebut sebagai motor otto. Motor tersebut dilengkapi dengan busi dan karburator. Busi menghasilkan loncatan bunga api listrik yang membakar campuran bahan bakar dan udara karena motor ini cenderung disebut spark ignition engine. Pembakaran bahan bakar dengan udara ini menghasilkan daya. Di dalam siklus otto (siklus ideal) pembakaran tersebut dimisalkan sebagai pemasukan panas pada volume konstanta

2.        Motor diesel

                    Motor diesel adalah motor bakar torak yang berbeda dengan motor bensin. Proses penyalaannya bukan menggunakan loncatan bunga api listrik. Pada waktu torak hampir mencapai titik TMA bahan bakar disemprotkan ke dalam ruang bakar. Terjadilah pembakaran pada ruang bakar pada saat udara udara dalam silinder sudah bertemperatur tinggi. Persyaratan ini dapat terpenuhi apabila perbandingan kompresi yang digunakan cukup tinggi, yaitu berkisar 12-25. (Wiranto Arismunandar, 1988:89).

                    Mekanisme pembakaran motor Diesel dikenal dengan sebutan penyalaan kompresi. Bahan bakar dikompresi sampai tekanan 25 s/d 32 Kg/cmagar mencapai titik nyala dan bahan bakar terbakar dengan sendirinya. (Daryanto : 1995).

                                    Motor diesel dapat dipandang sebagai sistem yang menerima energi, mengubah sebagian energy menjadi kerja dan membuang sebagian energi lain. Aliran energi masuk berasal dari udara dan bahan bakar.Energi yang hilang berupa energi thermal yang terbawa oleh gas buang, energi hilang dari radiator dan rugi gesekan.

C.     Berdasar Perbandingan Langkah Piston dengan Diameter Lubang Cylinder

Mesin dapat digolongkan menjadi 3 golongan melalui perbandingan langkah piston dengan diameter lubang cylinder, yaitu:

1.      Long stroke engine : yaitu yang langkah pistonnya lebih panjang dari pada  diameter silinder.

2.      Square Engine : yaitu mesin yang langkah pistonnya sama dengan diamter silinder.

3.      Short Stroke : yaitu mesin yang langkah pistonnya lebih pendek dari diameter silinder

Pada kecepatan mesin yang sama (rpm sama) kecepatan piston pada square engine atau over-square engine lebih rendah dari pada long stroke engine. Artinya cylinder, piston dan O-Ring tingkat keausannya dapat berkurang dengan menggunakan square engine atau over-square engine, karena itulah jenis mesin ini banyak dipakai pada mobil penumpang.

Gambar 4. perbandingan langkah piston dengan diameter lubang cylinder

5.    BAHAN BAKAR MOTOR BAKAR

Bahan bakar (fuel) adalah segala sesuatu yang dapat di bakar misalnya kertas, kain, batu bara, minyak tanah, bensin dsb. Untuk melalukan pembakaran diperlukan 3 (tiga) unsur, yaitu:

a.       Bahan bakar

b.      Udara

c.       Suhu untuk memulai pembakaran

Panas atau kalor yang timbul karena pembakaran bahan bakar tersebut disebut hasil pembakaran atau nilai kalor (heating value).

Ada 3 (tiga) jenis bahan bakar, yaitu:

a.       Bahan bakar padat

b.      Bahan bakar cair

c.       Bahan bakar gas

Kriteria utama yang harus dipenuhi bahan bakar yang akan digunakan dalam motor bakar adalah sebagai berikut:

a.       Proses pembakaran bahan bakar dalam silinder harus secepat mungkin dan panas yang dihasilkan harus tinggi.

b.      Bahan bakar yang digunakan harus tidak meninggalkan endapan atau deposit setelah pembakaran karena akan menyebabkan kerusakan pada dinding silinder.

c.       Gas sisa pembakaran harus tidak berbahaya pada saat dilepas ke atmosfer.