Perbandingan Pembakaran Udara Stoikiometri

8

BAB II

KAJIAN TEORI

A. Motor Bensin Empat Langkah

Menurut Bosch (2001), motor bensin pembakaran dalam

menggunakan siklus Otto. Sistem pengapian membakar campuran udara

dan bahan bakar dan dalam prosesnya mengubah energi kimia pada bahan

bakar menjadi energi kinetik.

Hasil dari pembakaran menyebabkan piston menghasilkan gerakan

bolak-balik (reciprocating) di dalam silinder, sedangkan setang piston

mengubah gerakan bolak-balik pada piston menjadi gerak putar pada

poros engkol yang kemudian diteruskan menuju roda gila. Kecepatan putar

poros engkol disebut juga kecepatan mesin (engine speed) atau kecepatan

putar mesin per menit (engine rpm).

1. Prinsip Kerja Motor Empat Langkah

Prinsip kerja motor empat langkah menggunakan mekanisme

katup untuk mengontrol siklus pemasukan dan pembuangan campuran

udara dan bahan bakar peda mesin. Katup-katup tersebut membuka

dan menutup saluran masuk dan buang pada silinder untuk menyuplai

campuran udara dan bahan bakar kedalam silinder dan mengeluarkan

gas sisa pembakaran keluar dari silinder.

9

a. Langkah Hisap

Diawali piston berada pada TMA (Titik Mati Atas), piston

bergerak menuju TMB (Titik Mati Bawah) dan meningkatkan

volume silinder, campuran udara dan bahan bakar terhisap masuk

kedalam silinder melalui saluran masuk dimana posisi katup masuk

terbuka sedangkan katup buang tertutup.

Ruang bakar di dalam silinder mencapai volume maksimum

(Vh+Vc) di TMB.

b. Langkah Kompresi

Katup hisap dan katup buang dalam kondisi tertutup, piston

bergerak dari TMB menuju TMA menyebabkan volume ruang

bakar menyempit dan mengkompresikan campuran udara dan

bahan bakar didalamnya menyebakan temperatur dan tekanan

didalam silinder meningkat.

Pada TMA ruang bakar mencapai volume minimum (Vc).

c. Langkah Kerja

Sebelum piston mencapai TMA, busi menyulut campuran

udara dan bahan bakar pada sudut pengapian (ignition angle) yang

tepat. Campuran udara dan bahan bakar terbakar seluruhnya saat

piston beberapa derajat melewati TMA.

Katup hisap dan katup buang masih tertutup dan panas

pembakaran meningkatkan tekanan dalam silinder mendorong

piston bergerak menuju TMB dan menghasilkan tenaga.

10

d. Langkah Buang

Katup buang terbuka sesaat sebelum piston mencapai TMB.

Gas sisa pembakaran bertekanan tinggi keluar dengan sendirinya

dari silinder melalui saluran buang (exhaust manifold), kemudian

sisa gas buang keluar terdorong oleh piston yang bergerak dari

TMB menuju TMA.

Ketika piston mencapai TMA, mulai bergerak untuk siklus

kerja berikutnya yaitu langkah hisap setiap dua kali putaran poros

engkol atau empat kali pergerakan piston. Untuk lebih jelasnya

lihat gambar 2.1

Gambar 2.1 Siklus Kerja Motor Empat Langkah

Sumber: Bosch (2001:5)

2. Waktu pembukaan katup

Mekanisme pembukaan katup dirancang sedemikian rupa

sehingga poros nok (camshaft) berputar satu kali untuk menggerakkan

11

katup hisap dan katup buang setiap dua kali putaran poros engkol

(crankshaft) (Toyota Astra Motor, 2000:3-19) .

Waktu pembukaan katup mengatur waktu dimana katup masuk

dan katup buang mulai membuka atau menutup berdasarkan derajat

putaran poros engkol. Aliran gas (gas flow) dan pengaruh getaran

kolom gas (gas-column vibration effect) digunakan untuk

meningkatkan pengisian campuran udara dan bahan bakar pada ruang

bakar dan mengeluarkan gas sisa pembakaran. Hal inilah yang

menyebabkan mengapa dibutuhkan overlapping katup (Bosch,

2001:5).

3. Kompresi

Perbandingan kompresi menunjukkan berapa jauh campuran

udara dan bahan bakar yang dihisap selama langkah hisap

dikompresikan dalam silinder selama langkah kompresi (Toyota Astra

Motor, 2000:1-7).

Nilainya dapat dirumuskan dengan = (Vh+Vc)/Vc dimana Vh

menunjukkan volume ruang bakar dengan piston berada pada posisi

TMB sedangkan Vc menunjukkan volume ruang bakar dengan piston

berada pada posisi TMA (Bosch, 2001:6).

Menurut Bosch (2001), rasio kompresi sangat berpengaruh

terhadap:

a. Torsi yang dihasilkan oleh mesin

b. Keluaran tenaga yang dihasilkan oleh mesin

12

c. Konsumsi bahan bakar, dan

d. Emisi gas buang sisa pembakaran

Mesin bensin mempunyai rasio kompresi () antara 7-13

tergantung tipe mesin dan prinsip pemasukan bahan bakarnya. Mesin

dengan rasio kompresi antara 14-24 umumnya digunakan untuk mesin

diesel dan tidak dapat digunakan untuk mesin bensin. Mesin bensin

memiliki kualitas anti-knock yang sangat terbatas, dan dengan tekanan

kompresi yang tinggi menyebabkan temperatur yang tinggi pula pada

ruang bakar menyebabkan pembakaran yang tidak terkendali pada

bahan bakar bensin. Hal tersebut dapat menyebabkan detonasi yang

dapat merusak mesin.

4. Perbandingan udara dan bahan bakar

Perbandingan udara yang dibutuhkan untuk membakar 14,7 kg

udara membutuhkan 1 kg bahan bakar yang kemudian disebut

perbandingan campuran udara dan bahan bakar stoikiometri

(stoichiometric ratio) 14,7:1 (Bosch, 2001:6).

Faktor udara ekses (excess-air factor) mengindikasikan

seberapa jauh perbandingan udara dan bahan bakar aktual dengan

perbandingan udara dan bahan bakar teoritis 14,7:1. =1 menunjukkan

bahwa mesin berjalan dengan perbandingan udara dan bahan bakar

stoikiometri.

Jika 1 (dibawah

13

batasan =1,6) menunjukkan mesin tersebut mengalami kelebihan

udara (campuran miskin).

Besarnya campuran udara dan bahan bakar dimana mesin dapat

bekerja tanpa mengalami gangguan berada pada rentang 8:1 hingga 18,5:1,

hal tersebut dapat dijelaskan:

a. 8 bagian udara berdasarkan berat dikombinasikan dengan 1

bagian bahan bakar (8:1) merupakan campuran paling kaya yang

dapat diterima oleh mesin dan masih dapat melakukan pengapian.

b. 18,5 bagian udara dicampur dengan 1 bagian bahan bakar (18,5:1)

merupakan campuran paling miskin. Campuran udara dan bahan

bakar yang terlalu kaya atau terlalu miskin menyebabkan

pembakaran tidak normal atau mesin tidak dapat berjalan sama

sekali (Halderman & Linder, 2006: 87). Untuk lebih jelasnya lihat

gambar 2.2

Gambar 2.2 Mesin tidak akan bekerja jika campuran bahan bakar

terlalu kaya atau terlalu miskin

Sumber: Halderman & Linder (2006:87)

14

B. Bahan Bakar dan Proses Pembakaran pada Motor Bensin 4 Langkah

1. Bahan bakar

Menurut Supraptono, bahan bakar adalah bahan-bahan yang

digunakan dalam proses pembakaran. Tanpa adanya bahan bakar,

proses pembakaran tidak mungkin berlangsung. Menurut asalnya,

bahan bakar dibagi menjadi tiga golongan, yaitu bahan bakar nabati,

bahan bakar mineral, dan bahan bakar fosil. Sedangkan ditinjau

menurut bentuknya, bahan bakar dibagi menjadi tiga jenis yaitu bahan

bakar berbentuk cair, padat, dan gas.

Setiap bahan bakar memiliki karakteristik dan nilai pembakaran

yang berbedabeda. Karakteristik inilah yang menentukan sifatsifat

dalam proses pembakaran, sifat yang kurang menguntungkan dapat di

sempurnakan dengan jalan menambah bahan-bahan kimia ke dalam

bahan bakar tersebut, dengan harapan akan mempengaruhi daya anti

detonasi atau daya letup dari bahan bakar, inilah yang disebut dengan

bilangan oktan (octane number). Pada bahan bakar motor bensin,

sedangkan pada bahan bakar motor Diesel sangat di pengaruhi oleh

bilangan setana (cetane number).

Pada motor bensin empat langkah bahan bakar yang digunakan

adalah bensin. Bensin berasal dari kata benzena, sebenarnya zat ini

berasal dari gas tambang yang mempunyai sifat beracun dan

merupakan persenyawaan dari hidrokarbon tak jenuh, artinya dapat

bereaksi dengan mudah terhadap unsur unsur lain dan merupakan

15

komposisi isooctane dengan normal-heptana. Kualitas bensin

dinyatakan dengan angka oktan, atau octane number (Supraptono,

2004:13).

Menurut Arismunandar dalam Pratama (2010:8), nilai oktan

suatu bahan bakar merupakan bilangan yang menyatakan persen

volume iso-oktana dalam campuran yang terdiri dari iso-oktana dan

heptana normal yang mempunyai kecenderungan berdetonasi sama

dengan bahan bakar tersebut.

Bilangan oktan untuk bensin adalah sama dengan banyaknya

persen iso-oktana dalam campuran itu. Semakin tinggi nilai oktan

bahan bakar menunjukkan daya bakarnya semakin tinggi.

(Supraptono, 2004:13)

Di Indonesia bensin dibedakan menjadi tiga macam berdasarkan

bilangan oktannya, yaitu:

a. Premium

Premium merupakan bensin yang berwarna kekuning-

kuningan, jika ditambahkan TEL (Tetra Ethyl Lead) sebagai

penambah nilai oktan maka bensin tersebut mengandung timbal

yang berbahaya bagi kesehatan. Warna kuning tersebut akibat

adanya zat pewarna tambahan. Penggunaan premium pada

umumnya untuk bahan bakar motor bensin. RON (Research

Octane Number) bensin premium umumnya berada di bawah 90.

16

b. Pertamax

Pertamax merupakan bensin tanpa timbal yang dipasarkan

dengan warna kebiruan dan memiliki RON (Research Octane

Number) sebesar 92 dan dianjurkan untuk motor bensin dengan

perbandingan kompresi yang tinggi.

c. Pertamax plus

Pertamax plus merupakan bensin tanpa timbal yang

dipasarkan dengan warna merah. Pertamax plus ini memiliki RON

(Research Octane Number) sebesar 95. Angka oktan pertamax plus

adalah yang tertinggi jika dibandingkan dengan premium dan

pertamax. Dengan karakteristik tersebut sangat dianjurkan bila

pertamax plus digunakan pada mesin dengan rasio kompresi tinggi.

Seperti yang telah dicontohkan di atas bahwa kualitas suatu

bensin dapat diketahui dari oktannya. Oktan suatu bahan bakar

merupakan bilangan yang menyatakan persen volume iso-oktana

dalam campuran yang terdiri dari iso-oktana dan heptana normal

yang mempunyai kecenderungan berdetonasi sama dengan bahan

bakar tersebut.

Menurut Arismunandar dalam Pratama (2010:8), salah satu

cara meningkatkan nilai oktan suatu bahan bakar adalah dengan

menambahkan TEL yang mempunyai rumus kimia Pb(C2H5)4 ke

dalam bahan bakar tersebut. Namun cara ini akan menyebabkan

17

gas buang mengandung timah hitam yang beracun dan merusak

lingkungan.

Saat perusahaan pengolah minyak dibawah regulasi EPA

(Environmental Protection Agency) menghilangkan TEL dari

bensin, mereka mengembangkan metode lain untuk menaikkan

nilai oktan bahan bakar. Bahan tambah untuk meningkatkan nilai

oktan bahan bakar dapat dikelompokkan menurut tiga kategori:

a. Aromatic hydrocarbons (hidrokarbon yang mengandung

cincin benzena), seperti xylene dan toluene.

b. Alkohol, seperti etanol (ethyl alcohol), metanol (methyl

alcohol), dan Tertiary Butyl Alcohol (TBA).

c. Metallic compounds, seperti Methylcyclopentadienyl

Manganese Tricarbonyl (MMT).

Propana dan butana juga biasa digunakan pada bensin

sebagai peningkat nilai oktan (Handerman & Linder, 2006:84).

2. Proses pembakaran pada motor bensin 4 langkah

Dalam proses pembakaran setiap macam bahan bakar selalu

membutuhkan sejumlah udara agar bahan bakar dapat terbakar

secara sempurna. Namun dalam kenyataanya tidak hanya proses

pembakaran secara sempurna saja yang terjadi pada motor bensin

empat langkah, proses pembakaran tidak sempurna juga sering

terjadi. Berikut ini akan dijelaskan kedua proses pembakaran

tersebut:

18

a. Pembakaran Sempurna (Normal)

Proses pembakaran dikatakan sempurna bila campuran bahan

bakar dan udara dapat terbakar seluruhnya pada waktu dan keadaan

yang dikehendaki. Selain itu, pembakaran sempurna terjadi bila

seluruh iso-oktana (C8H18) dapat bereaksi seluruhnya menjadi CO2

dan H2O. Berikut ini adalah reaksi pembakaran sempurna:

C8H18 + 12,5O2 + 47N2 8CO2 + 9H2O + 47N2

2C8H18 + 25O2 + 94N2 16CO2 + 18H2O + 94N2

(Toyota Astra Motor, 1995:3-8)

Mekanisme pembakaran normal dalam motor bensin dapat

dibagi menjadi empat fase seperti dijelaskan pada gambar dibawah.

Gambar 2.3 Grafik Pembakaran Campuran Udara-Bensin dan

Perubahan Tekanan di Dalam Silinder

Sumber: Toyota Astra Motor, (1995:2-3)

19

1) Fase penyalaan

Periode ini merupakan fase awal busi memercikkan bunga

api, dimana partikel-partikel bahan bakar telah dicampur dengan

udara masuk ke ruang bakar.

Fase ini dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu:

a) Temperatur dari nyala api yang dikeluarkan oleh elektroda

busi.

b) Sifat alami bahan bakar.

c) Temperatur dan tekanan didalam silinder.

d) Laju aliran campuran udara dan bahan bakar yang masuk

ke dalam silinder.

e) Besarnya rasio udara dan bahan bakar yang masuk ke

dalam silinder (Heisler, 1995:169). Untuk lebih jelasnya

perhatikan gambar dibawah.

Gambar 2.4 Hubungan antara temperatur penyalaan dengan waktu

reaksi pembakaran

Sumber: Heisler (1995:170)

20

Gambar 2.5 Hubungan antara temperatur penyalaan, waktu

penyalaan dengan rasio udara dan bahan bakar.

Sumber: Heisler (1995:170)

2) Fase perambatan api (pembakaran explosive)

Pada akhir langkah pertama, campuran akan terbakar di

beberapa tempat di dalam silinder. Nyala api busi ini akan

merambat dengan kecepatan tinggi sehingga seolah-olah

campuran terbakar sekaligus.

Waktu yang dibutuhkan dalam fase perambatan api

dipengaruhi oleh intensitas turbulensi campuran yang masuk

kedalam ruang bakar.

Waktu pembakaran terjadi dengan lambat ketika campuran

udara dan bahan bakar dalam silinder stagnan atau tidak terjadi

turbulensi. Sebaliknya, waktu pembakaran semakin cepat saat

turbulensi campuran udara dan bahan bakar semakin meningkat,

biasanya seiring dengan peningkatan kecepatan mesin diikuti

dengan meningkatnya turbulensi campuran udara dan bahan

21

bakar di dalam ruang bakar. Durasi dari fase perambatan api

selalu konstan terhadap sudut pergerakan poros engkol (Heisler

1995:170).

3) Fase pembakaran puncak (tekanan pembakaran

maksimum)

Akibat nyala api di dalam silinder, maka terjadi kenaikan

tekanan akibat pembakaran tersebut. Tekanan pembakaran akan

mencapai tingkat maksimum pada posisi tertentu dari piston.

Untuk memperoleh tenaga yang tinggi dari hasil pembakaran,

maka tekanan pembakaran diusahakan mencapai maksimum

setelah piston berada 10 setelah TMA.

Pada fase ini udara yang tersisa semakin sulit bereaksi

dengan uap bahan bakar sehingga laju pembakaran menurun,

kondisi ini disebut after burning.

Pada saat yang sama, terjadi produksi panas akibat reaksi

kimia proses pembakaran menghasilkan langkah kerja.

Energi panas yang dilepaskan hilang melalui dinding

silinder dan kepala piston, selanjutnya piston bergerak turun

memperbesar volume ruang bakar mengakibatkan tekanan

didalam silinder menurun dengan drastis (Heisler, 1995:170).

22

4) Fase akhir pembakaran

Fase ini merupakan fase akhir dari proses pembakaran

dimana tekanan di dalam ruang bakar turun karena piston

bergerak turun dan proses pembakaran berakhir.

b. Pembakaran Tidak Sempurna (Tidak Stoikiometri)

Proses pembakaran tidak sempurna (tidak stoikiometri)

terjadi bila terdapat sebagian bahan bakar yang tidak ikut terbakar

atau pembakaran yang terjadi bila iso-oktana (C8H18) tidak dapat

bereaksi seluruhnya menjadi CO2 dan H2O melainkan menjadi CO,

HC, dan H2O. Reaksi pembakaran tidak sempurna dapat dituliskan

sebagai berikut:

C8H18 + 7O2 6CO + 8H2O + 2HC

Ada beberapa macam pembakaran tidak sempurna,

diantaranya adalah sebagai berikut:

1) Detonasi

Detonasi atau knocking merupakan proses terbakarnya

sendiri campuran bahan bakar dan udara yang berada terjauh

dari busi, karena terdesak oleh penekanan piston maupun oleh

perambatan nyala api pembakaran yang merambat dengan cepat

sehingga temperaturnya dapat melampaui temperatur penyalaan

sendiri dan akibatnya akan meledak. Detonasi yang cukup berat

dapat menimbulkan suara gemelitik pada dinding silinder,

23

akibatnya akan mempercepat keausan silinder dan cicin piston.

Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar dibawah.

Gambar 2.6 Proses pembakaran normal

Sumber: Heisler, (1995:79)

Gambar 2.7 Proses pembakaran saat terjadi detonasi


Gambar 2.8 Variasi tekanan silinder saat terjadi detonasi


24

Menurut Heisler (1995:174), beberapa hal yang dapat

menyebabkan timbulnya detonasi adalah:

(a) Perbandingan kompresi yang cukup tinggi.

(b) Pemakaian bahan bakar bernilai oktan rendah.

(c) Penyetelan waktu pengapian yang terlalu maju sehingga

tekanan puncak dalam silinder terjadi sebelum TMA.

(d) Campuran udara dan bahan bakar yang terlalu kaya

meningkatkan temperatur pembakaran dan tekanan.

Menyebabkan kemungkinan terjadinya detonasi semakin

besar.

(e) Pendinginan pada ruang bakar tidak normal diakibatkan oleh

sistem pendinginan yang kurang baik.

(f) Pengkabutan yang berlebihan pada ruang bakar atau kepala

piston.

Menurut Arismunandar dalam Pratama (2010), cara untuk

mencegah terjadinya detonasi pada motor bensin adalah:

(a) Mengurangi tekanan dan temperatur campuran bahan bakar

dan udara yang masuk ke dalam silinder.

(b) Mengurangi perbandingan kompresi.

(c) Memperlambat saat penyalaan.

(d) Menaikkan kecepatan putaran poros engkol untuk

memperoleh arus turbulen pada campuran yang akan

mempercepat rambatan nyala api.

25

(e) Memperkecil diameter piston untuk memperpendek jarak

perambatan nyala api. Hal ini bisa ditempuh dengan

menggunakan busi lebih dari satu.

(f) Membuat konstruksi ruang bakar yang sedemikian rupa

sehingga bagian yang terjauh dari busi mendapat pendinginan

lebih baik. Hal ini dapat ditempuh dengan cara memperbesar

perbandingan antara luas permukaan dan volume sehingga

diperoleh ruang yang sempit.

Menurut Heisler (1995:174), pengaruh detonasi pada

ruang bakar dibagi menjadi tiga yaitu:

(a) Menghilangkan lapisan batas perlindungan gas stagnan yang

selalu tersedia pada permukaan ruang bakar menyebabkan

lebih banyak panas yang akan disalurkan melalui dinding

silinder, sehingga temperatur dalam ruang bakar menjadi

lebih tinggi dan dapat memicu terjadinya pre-ignition.

(b) Menghilangkan lapisan oli (oil-film) yang melindungi dan

melumasi dinding silinder menyebabkan meningkatnya

gesekan antara dinding silinder dan cincin piston.

(c) Gelombang getaran detonasi membebani kerja piston

menimbulkan beban getaran pada pena piston, dan small-end

bearing setang piston. Jika berlangsung terus menerus dapat

menghilangkan lapisan pelumas dan merusak small-end joint.

26

2) Pre-ignition

Pre-ignition merupakan proses terbakarnya sendiri

campuran bahan bakar dan udara sebelum terjadinya loncatan

bunga api busi yang disebabkan oleh kelebihan panas

(overheated) yang terdapat pada elektroda tengah dari busi,

katup buang, kepala piston, karbon deposit (hot spot) dan gasket

yang menonjol pada ruang bakar.

Hasil pembakaran dan perambatan api yang dihasilkan

oleh hot spot serupa dengan hasil pembakaran dan perambatan

api yang dihasilkan oleh percikan bunga api busi, perbedaannya

hanya terletak pada kecepatan reaksi pembakaran. Percikan

bunga api busi menghasilkan waktu pengapian yang sesuai dan

terkontrol sedangkan hot spot menghasilkan reaksi pembakaran

yang tidak dapat diprediksi.

Pembakaran yang lebih awal mengakibatkan waktu

pembakaran gas dalam silinder yang lebih lama dan

meningkatkan perpindahan panas pada dinding silinder,

akibatnya temperatur penyalaan sendiri (self-ignition

temperature) akan berlangsung lebih awal. Konsekuensinya

tekanan puncak dalam silinder (dalam keadaan normal terjadi

pada posisi antara 10-15 setelah TMA) berada pada posisi

lebih awal sebelum TMA, hal ini mengakibatkan tekanan

silinder dan temperatur maksimum terjadi sebelum TMA dan

27

menghasilkan tenaga yang mendorong piston berlawanan

selama langkah kompresi.

Pre-ignition pada mesin satu silinder akan menghasilkan

penurunan kecepatan dan tenaga secara konstan. Sedangkan bila

terjadi pada mesin multi silinder pada kecepatan tinggi piston

yang mengalami pre-ignition menghasilkan tenaga negatif dan

membebani piston pada silinder lain. Untuk lebih jelasnya lihat

gambar 2.9.

Gambar 2.9 Variasi tekanan silinder saat terjadi pre-ignition


Jika pre-ignition terjadi bersamaan saat busi mulai

memercikkan bunga api maka pembakaran akan terlihat seperti

pembakaran normal. Namun, ketika mesin dimatikan (pada

sistem pengapian konvensional) mesin akan tetap melakukan

pembakaran sampai temperatur pada ruang bakar tidak sanggup

lagi untuk melakukan pembakaran (Heisler, 1995:175).

28

3) Post-ignition

Post-ignition terjadi didalam ruang bakar diakibatkan oleh

hot spot yang mengakibatkan waktu penyalaan berlangsung

sepanjang langkah kompresi.

Saat mesin berada pada suhu kerja dan pengapian

dimatikan, hot spot akan terus menyalakan campuran udara dan

bahan bakar selama fase pembakaran puncak. Saat pengapian

dimatikan dan throttle valve ditutup, pembakaran akan berlanjut

setiap kali mencapai temperatur pembakaran sendiri (self-

ignition temperature, setelah beberapa waktu temperatur puncak

pada ruang bakar menurun drastis hingga hot spot tidak mampu

lagi untuk membakar campuran udara dan bahan bakar dan

mesin akan berhenti bekerja (Heisler, 1995:176).

C. Emisi Gas Buang Motor Bensin

Emisi gas buang merupakan zat pencemar yang dihasilkan dari

proses pembakaran motor bensin. Zat pencemar dari hasil pembakaran

atau uap bahan bakar bensin ini dapat dibagi menjadi tiga macam yaitu CO

(carbon monoxide), HC (hydrocarbon), dan NOx (nitrogen oxide). Tetapi

ada pula zat pencemar yang berupa timah hitam (Pb), hal ini disebabkan

karena bensin mengandung TEL. Bila bensin terbakar, maka akan terjadi

reaksi dengan oksigen membentuk CO2 (carbon dioxide) dan H2O. Emisi

29

gas buang atau polutan yang paling sering diperhatikan adalah CO, HC,

CO2 dan O2. Dua gas yang disebutkan terakhir bukan merupakan polutan

tetapi terus diperhatikan karena menjadi indikator efisiensi pembakaran

(Erjavec, 2000:726).

Menurut Obert (1973:368), ada empat sumber pengeluaran polutan

motor bakar antara lain:

Gambar 2.10 Lokasi emisi pada motor bakar


1. Pipa gas buang (knalpot) merupakan sumber emisi yang paling utama

sekitar 65-85 persen yaitu mengeluarkan hidrocarbon (HC) yang

terbakar maupun tidak terbakar, nitrogen oksida (NOx), karbon

monoksida (CO) yang paling banyak dan campuran alkohol, aldehida,

keton, penol, asam, ester, ether, epoksida, peroksida, dan oksigenat

yang lain.

2. Bak oli adalah sumber kedua emisi sekitar 20 persen yang

mengeluarkan hidrokarbon yang terbakar maupun tidak yang

dikarenakan blow-by gas.

30

3. Tangki bahan bakar sekitar 5% berasal dari bensin yang menguap

karena cuaca panas.

4. Karburator adalah faktor lainnya, terutama ketika mengendarai pada

kondisi stop and go (kondisi macet) dengan cuaca panas. Kerugian

penguapan dan bahan bakar mentah sekitar 5-10 persen.

Berikut ini akan dijelaskan prinsip produksi masing-masing zat

pencemar yang dihasilkan oleh motor bensin:

1. Karbon Monoksida (CO)

Gas CO dihasilkan oleh pembakaran yang tidak normal karena

kekurangan oksigen pada campuran udara dan bensin. Ketika dalam

pembakaran terdapat cukup oksigen maka akan terbentuk CO2. CO2

bukan termasuk polutan namun digunakan oleh tumbuhan untuk

memproduksi oksigen. CO biasanya ditemukan pada saluran

pembuangan (exhaust), tetapi bisa juga ditemui pada crankcase. CO

mempunyai sifat tidak berwarna dan tidak berasa, namun dalam

konsentrasi tinggi merupakan zat yang beracun (Erjavec, 2000:726).

Nilai konsentrasi maksimum pada tempat kerja dari CO adalah 33

mg/m3 (Shfer & Basshuysen, 1995:6)

Gas CO tidak akan terjadi jika pembakaran dilakukan di luar

silinder. Jika rasio udara dan bahan bakar semakin kaya, maka jumlah

gas CO yang dihasilkan juga semakin meningkat. Pada campuran

stoikiometri, jumlah gas CO yang dihasilkan sangat rendah. Jika

campuran semakin miskin, jumlah emisi CO juga semakin rendah.

31

Besarnya emisi CO merupakan indikator yang baik untuk campuran

udara dan bahan bakar kaya (Erjavec, 2000:727)

Menurut Toyota Astra Motor (1992:13), terdapat tiga

kemungkinan terbentuknya gas CO, yaitu:

a. Pada oksidasi berikutnya CO akan berubah menjadi CO2 yang

reaksinya dapat ditulis sebagai berikut:

C + 1/2O2 CO

2CO + O2 2CO2

Tetapi reaksi tersebut berjalan lambat dan tidak dapat merubah

seluruh sisa CO menjadi CO2. Jadi pada campuran yang miskin

sekalipun masih akan meghasilkan CO.

b. Pembakaran yang tidak merata karena tidak meratanya distribusi

bahan bakar di dalam ruang bakar.

c. Temperatur di sekeliling silinder rendah, sehingga pada daerah

quenching cenderung temperaturnya terlalu rendah untuk terjadi

pembakaran. Akibatnya api tidak dapat mencapai daerah ini di

dalam silinder. Daerah quenching merupakan daerah di dalam

silinder di bagian bawah permukaan kepala silinder, di bawah

permukaan katup dan di atas piston.

32

Gambar 2.11 Grafik Hubungan Lambda () Terhadap Emisi CO dengan Variasi Saat Pengapian

Sumber: Bosch, (2003:48)

Pada gambar 2.11 dapat dilihat bahwa pada saat campuran kaya

emisi gas CO cenderung naik ( < 1), sedangkan pada saat campuran

miskin emisi CO cenderung turun ( > 1) karena udara yang

mengandung oksigen cukup untuk memenuhi reaksi dengan karbon

sehingga membentuk CO2.

CO jika terhirup oleh manusia akan mengikat hemoglobin dalam

darah (240 kali lebih kuat dari pada oksigen). Akibatnya darah

kekurangan oksigen dan dapat mengganggu saraf pusat. Pada

konsentrasi rendah dapat menyebabkan pusing, penurunan kerja fisik

dan mental, sedangkan pada konsentrasi tinggi dapat menyebabkan

kematian (Heisler, 1995:694)

2. Hidrokarbon (HC)

Hidrokarbon dihasilkan dari bahan bakar yang tidak terbakar

saat proses pembakaran. Ketika nyala pembakaran menyentuh dinding

33

silinder yang bertemperatur lebih rendah maka akan meninggalkan

molekul hidrokarbon yang tidak terbakar (Erjavec, 2000:726)

Menurut Toyota Astra Motor (1995:2-11), bentuk gas buang HC

dapat dibedakan atas:

a. Bahan bakar yang tidak terbakar dan keluar sebagai gas mentah.

b. Bahan bakar y ang terpecah karena reaksi panas sehingga berubah

menjadi gugusan HC lain yang ikut keluar bersama gas buang.

Menurut Toyota Astra Motor (1992:14), penyebab utama

timbulnya HC adalah:

a. Perbandingan udara dan bahan bakar tidak benar.

Ketika campuran miskin sekali konsentrasi HC menjadi

naik. Hal ini dikarenakan kurangnya bahan bakar yang menyebabkan

rambatan api menjadi lambat. Sehingga bahan bakar sudah dibuang

sebelum terbakar sempurna.

b. Kompresi rendah.

Pada saat kendaran berjalan menurun, throttle valve

tertutup. Akibatnya hanya sedikit udara yang melalui venturi untuk

kemudian tercampur dengan bensin masuk ke silinder. Kompresi

menjadi rendah dan campuran menjadi kaya. Rendahnya kompresi

dan kurangnya oksigen tersebut menimbulkan pembakaran tidak

sempurna (missfiring), sehingga di dalam gas buang terdapat HC

mentah.

34

c. Overlap katup.

Overlap merupakan membukanya katup masuk dan katup

buang secara bersama-sama selama waktu yang singkat. Overlap

katup menyebabkan sebagian HC terbuang melalui katup buang

sebelum terbakar.

d. Quenching.

Quenching merupakan turunnya temperatur nyala api

secara tiba-tiba pada daerah quenching di dalam silinder. Turunnya

temperatur tersebut menyebabkan sebagian bahan bakar tidak terbakar

terutama pada daerah quenching dan bahan bakar yang tidak terbakar

akan dikeluarkan pada saat langkah buang.

Emisi hidrokarbon memiliki sifat berbau, mudah menguap, dan

bereaksi lebih lanjut dengan NOx menjadi senyawa fotokimia dan

dapat menyebabkan hujan asam. Senyawa fotokimia yang terbentuk

dari emisi HC dapat mengakibatkan mata pedih, sakit tenggorokan,

dan gangguan pernafasan. Hidrokarbon juga bersifat carcinogens atau

dapat menyebabkan kanker.

3. Nitrogen oksida (NOx)

Nitrogen oksida dihasilkan melalui temperatur pembakaran yang

tinggi. Saat temperatur pembakaran mencapai 1.370 C, nitrogen dan

oksigen dalam udara bergabung sehingga menghasilkan nitrogen

oksida. Selama udara di atmosfir masih mengandung 78% nitrogen,

35

gas tersebut tidak dapat dicegah memasuki ruang bakar (Erjavec,

2000:727).

Huruf x pada NOx menyatakan banyaknya atom oksigen yang

terdapat pada gas tersebut. Terdapat berbagai macam NOx yang

dihasilkan seperti NO, NO2, NO3, N2O, N2O3 dan sebagainya

(Erjavec, 2000:727).

Gas NO mempunyai sifat tidak berwarna, tidak berasa, dan tidak

berbau saat keluar dari mesin, namun ketika bersentuhan dengan

oksiden pada atmosfir berubah menjadi NO2 yang bersifat kemerahan

dan dapat menimbulkan hujan asam. Nilai konsentrasi maksimum

pada tempat kerja dari NO adalah 9 mg/m3 (Shfer & Basshuysen,

1995:6).

4. Timah Hitam (Pb)

Timah hitam (Pb) merupakan logam berat berbahaya yang dapat

menyerang saraf dan mempengaruhi kinerja otak. Timah hitam dapat

masuk kedalam tubuh manusia melalui dua cara yaitu masuk ke paru-

paru melalui sistem pernapasan dan masuk ke lambung melalui

makanan yang terkontaminasi timah hitam atau melalui atmosfir

(Heisler, 1995:694)

Timah hitam dapat ditemukan pada bensin yang mengandung

TEL yang mempunyai rumus kimia Pb(C2H5)4 untuk meningkatkan

nilai oktan. Ketika proses pembakaran berlangsung di ruang bakar,

maka TEL tersebut berubah menjadi partikel halus yang berupa timah

36

hitam dan ikut keluar ketika langkah buang. Nilai konsentrasi

maksimum pada tempat kerja dari Pb adalah 0,1 mg/m3 (Shfer &

Basshuysen, 1995:6)

D. Etanol

Etanol adalah alkohol yang paling digunakan dalam kehidupan

sehari-hari karena sifat yang tidak beracun bahan ini banyak dipakai

sebagai pelarut dalam dunia farmasi dan industri makanan dan minuman.

Etanol sering ditulis dengan rumus C2H5OH.

Etanol dapat digunakan sebagai campuran bensin dalam kuantitas

yang bervariasi untuk mengurangi konsumsi BBM dan juga untuk

mengurangi polusi udara. Etanol bisa digunakan dalam bentuk murni

ataupun sebagai campuran untuk bahan bakar bensin maupun hidrogen.

Seperti bensin, etanol terdiri dari hidrogen dan karbon tetapi etanol

berisi oksigen dalam struktur kimianya. Oksigen yang terdapat pada etanol

menjadikanya sebagai bahan bakar yang lebih bersih dibandingkan dengan

bensin premium. Etanol dapat dibuat dari proses pemasakan, fermentasi

dan distilasi beberapa jenis tanaman seperti tebu, jagung, singkong atau

tanaman lain yang kandungan karbohidatnya tinggi. Bahkan dalam

beberapa penelitian ternyata etanol juga dapat dibuat dari selulosa atau

limbah hasil pertanian (biomassa). Sehingga etanol memiliki potensi

cukup cerah sebagai pengganti bensin (Handayani, tanpa tahun).

37

Penggunaan alkohol sebagai tambahan bahan bakar bensin

mempunyai kelebihan dan kekurangan sebagai berikut:

Kelebihan

1. Alkohol dapat menyerap kelembaban dalam tangki bahan bakar.

2. Penambahan alkohol sebesar 10% dapat meningkatkan nilai

oktan sebesar 3 poin.

3. Alkohol dapat membersihkan sistem bahan bakar.

4. Alkohol dapat mengurangi emisi CO karena mengandung unsur

oksigen.

Kekurangan

1. Penggunaan alkohol dapat menyumbat saringan bahan bakar

oleh kotoran akibat sifat membersihkan pada saluran bahan

bakar dan pompa bahan bakar.

2. Alkohol meningkatkan volatility bahan bakar sebersar 0,5 psi

dapat menyebabkan masalah saat berkendara pada cuaca panas.

3. Alkohol menurunkan nilai panas campuran udara bahan bakar

sebesar 60.000-70.000 BTU per galon alkohol dengan 130.000

BTU per galon bensin.

4. Alkohol dapat menyerap air lalu terpisah dari bensin, terutama

saat temperatur rendah. Alkohol dan air yang terpisah dan

mengendap didasar tangki bahan bakar menyebabkan mesin

sulit dihidupkan selama cuaca dingin. Alkohol tidak mudah

38

menguap pada temperatur rendah (Halderman & Linder,

2006:85-86).

E. Biopremium

Biopremium adalah campuran antara bioetanol yang berasal dari

bahan organik dengan bensin yang berasal dari minyak bumi, yang sering

juga dikenal dengan sebutan biofuel. Berbeda dengan bensin dan solar

yang berasal dari minyak bumi. Biofuel mempunyai sifat dapat

diperbaharui, artinya bahan bakar ini dapat dibuat oleh manusia dari

bahan-bahan yang bisa ditumbuhkan atau dikembangbiakkan.

Pemakaian etanol murni secara langsung pada mesin bensin akan

sulit karena diperlukan banyak modifikasi. Pada temperatur rendah etanol

akan sulit terbakar, sehingga dengan etanol murni mesin akan sulit

starting. Pencampuran etanol dengan bensin akan mempermudah starting

pada temperatur rendah. Sifat etanol murni yang korosif dapat merusak

komponen mesin seperti alumunium, karet , timah, plastik dll. Mencampur

etanol dengan bensin akan menghasilkan gasohol atau biopremium.

Selama ini pabrikan mobil Ford telah mengembangkan mobil

berbahan bakar etanol mulai dari E20 sampai E85, E20 berarti 20% etanol

dan 80% bensin. Keuntungan dari pencampuran ini adalah bahwa etanol

cenderung akan menaikkan bilangan oktan dan mengurangi emisi CO2.

Biopremium dengan porsi bioetanol hingga 20% bisa langsung digunakan

39

pada mesin otomotif tanpa menimbulkan masalah teknis dan sangat ramah

lingkungan.

Tabel 2.1 Perbandingan beberapa sifat etanol dengan bensin

Sumber: www.afdc.doe.gov

F. Nanas

Nanas (Ananas comosus L.Merr) merupakan salah satu tanaman

buah yang banyak dibudidayakan di daerah tropis dan subtropis. Tanaman

ini mempunyai banyak manfaat terutama pada buahnya. Industri

pengolahan buah nanas di Indonesia menjadi prioritas tanaman yang

dikembangkan, karena memiliki potensi ekspor. Menurut data dari Biro

Pusat Statistik tahun 2005, volume ekspor terbesar untuk komoditas

holtikultura berupa nanas olahan yaitu 49,32% dari total ekspor

holtikultura Indonesia tahun 2004 (Ristiani dkk, 2008).

40

Penyebaran tanaman nanas menjangkau setiap propinsi di Indonesia.

Sentra produksi kulit nanas terdapat di beberapa daerah seperti Sumatera

Utara, Riau, Sumatera Selatan, Jawa Barat dan Jawa Timur. Namun

tanaman buah nanas ini ditanam luas di seluruh Indonesia. Sebagai variasi

pemanfaatan buah nanas, selain dikonsumsi secara segar, maka kulit

nanasnya pun dapat dimanfaatkan untuk pembuatan etanol (Ristiani dkk,

2008).

Tanaman nanas dapat tumbuh optimum pada kondisi lahan yang

menjamin perkembangan perakaran yang baik. Tekstur tanah yang

dikehendaki adalah lempung, lempung berdebu, dan lempung liat berpasir.

Nanas dapat ditanam pada tekstur yang lebih halus atau lebih kasar, tetapi

kurang baik jika ditanam pada tanah yang bertekstur terlalu kasar atau

terlalu halus. Tanah yang ideal untuk pertanaman nanas adalah tanah yang

memiliki kedalaman efektif lebih dari 50 cm. Tanaman nanas juga dapat

tumbuh baik pada tanah gambut yang sudah matang dengan ketebalan

gambut kurang dari 50 cm. (http://binaukm.com/2010/05/peta-komoditi-

nanas-nanas-dalam-usaha-budidaya-nanas-nanas/, diakses 10 Februari

2011)

Indonesia memiliki kondisi lahan perkebunan yang sesuai dengan

kriteria yang diharapkan untuk dijadikan lahan perkebunan nanas. Hal ini

terbukti perkebunan nanas tersebar luas diberbagai wilayah di Indonesia.

Beberapa daerah yang cukup dominan menghasilkan dalam buah nanas

41

adalah Jawa Barat, Lampung, Sumatera Utara, Riau, Bangka Belitung

Sumatera Selatan dan Jawa Timur.

Nanas merupakan salah satu jenis buah-buahan yang banyak

dihasilkan di Indonesia. Dari data statistik, produksi nanas di Indonesia

untuk tahun 2009 adalah sebesar 1.558.196 ton. Dengan semakin

meningkatnya produksi nanas, maka limbah yang dihasilkan akan semakin

meningkat pula.

Limbah kulit nanas banyak kita jumpai di pasar pasar buah dan

juga industri pengalengan nanas. Limbah yang dihasilkan di pasar pasar

buah kebanyak tidak dimanfaatkan dan langsung dibuang ke tempat

penampungan sampah. Menurut Suprapti (2001), limbah nanas berupa

kulit, ati/ bonggol buah atau cairan buah/ gula dapat diolah menjadi

produk lain seperti sari buah atau sirup. Menurut Kumalaningsih (1993),

secara ekonomi kulit nanas masih bermanfaat untuk diolah menjadi pupuk

dan pakan ternak.

G. Bioetanol dari Limbah Nanas

Menurut Purwanto (2011), pembuatan bioetanol dari limbah nanas

meliputi beberapa proses yaitu:

1. Fermentasi

Fermentasi adalah proses produksi energi dalam sel dalam

keadaan anaerobik (tanpa oksigen). Proses fermentasi

dimaksudkan untuk mengubah glukosa pada limbah nanas

42

menjadi etanol/bioetanol (alkohol) dengan menggunakan yeast.

Alkohol yang diperoleh dari proses fermentasi ini, biasanya

alkohol dengan kadar 8 sampai 10 persen volume.

Proses fermentasi biasanya dilakukan selama beberapa

hari dengan jumlah yeast yang optimal untuk menghasilkan

jumlah bioetanol dengan kadar alkohol paling tinggi.

Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Purwanto

(2011), proses fermentasi optimal untuk pembuatan bioetanol

dari limbah nanas dilakukan selama tiga hari dengan jumlah

yeast sebanyak 20 gram.

2. Distilasi

Distilasi atau penyulingan adalah suatu metode pemisahan

bahan kimia berdasarkan perbedaan kecepatan atau kemudahan

menguap (volatilitas) bahan. Dalam penyulingan, campuran zat

dididihkan sehingga menguap, dan uap ini kemudian

didinginkan kembali ke dalam bentuk cairan. Zat yang memiliki

titik didih lebih rendah akan menguap lebih dulu.

Dalam pembuatan etanol, distilasi dilakukan untuk

memisahkan alkohol dengan air dengan memperhitungkan

perbedaan titik didih kedua bahan tersebut yang kemudian

diembunkan kembali. Pada dasarnya titik didih etanol adalah

780C sedangkan air memiliki titik didih 100

0C sehingga pada

proses distilasi tersebut alkohol akan terlebih dahulu menguap

43

dibandingkan air dan kemudian alkohol yang menguap tersebut

diembunkan lagi dan ditampung ditempat yang berbeda.

Gambar 2.12 Alat destilasi

Sumber: http://id.wikipedia.org/wiki/Distilasi, diakses 21

Oktober 2010

3. Distilasi Azeotropik

Distilasi azeotropik merujuk pada teknik-teknik yang

digunakan untuk memecah azeotrop dalam distilasi. Dalam

rekayasa kimia, salah satu teknik untuk memecah titik azeotrop

adalah dengan penambahan komponen lain untuk menghasilkan

azeotrop heterogen yang dapat mendidih pada suhu lebih

rendah, misalnya penambahan benzena atau garam pada

campuran air dan alkohol.

Labu Kaca

Termometer

Gelas ukur

Kompor listrik

Kondensor liebig

konektor

Bioetanol Hasil Fermentasi

Limbah Nanas

Air Pendingin

44

Gambar 2.13 Grafik sistem azeotrop

Sumber: http://majarimagazine.com/2007/11/proses-distilasi-

campuran-biner/, diakses 7 Maret 2011

Titik A pada pada kurva merupakan boiling point

campuran pada kondisi sebelum mencapai azeotrop. Campuran

kemudian dididihkan dan uapnya dipisahkan dari sistem

kesetimbangan uap cair (titik B). Uap ini kemudian didinginkan

dan terkondensasi (titik C). Kondensat kemudian dididihkan,

didinginkan, dan seterusnya hingga mencapai titik azeotrop.

Pada titik azeotrop, proses tidak dapat diteruskan karena

komposisi campuran akan selalu tetap. Pada gambar di atas, titik

azeotrop digambarkan sebagai pertemuan antara kurva saturated

vapor dan saturated liquid. (ditandai dengan garis vertikal putus-

putus)

Banyak metode yang bisa digunakan untuk

menghilangkan titik azeotrop pada campuran heterogen. Contoh

campuran heterogen yang mengandung titik azeotrop yang

45

paling populer adalah campuran ethanol-air, campuran ini

dengan metode distilasi biasa tidak bisa menghasilkan ethanol

teknis (99% lebih) melainkan maksimal hanya sekitar 96,25 %.

Hal ini terjadi karena konsentrasi yang lebih tinggi harus

melewati terlebih dahulu titik azeotrop, dimana komposisi

kesetimbangan cair-gas ethanol-air saling bersilangan. Beberapa

metode yang populer digunakan adalah :

1. Pressure Swing Distillation

2. Extractive Distillation (Purwanto, 2011:34-36).

Dari beberapa proses tersebut didapatkan kandungan

bioetanol dari limbah nanas dengan spesifikasi seperti

ditunjukkan pada tabel dibawah.

Tabel 2.2 Perbandingan beberapa sifat bioetanol dari limbah nanas

Parameter Satuan Hasil Analisa

Nilai Kalori Kcal/kg 5592,28

Kadar Etanol % 94,98

Pour Point C -16,00

Flash point C 30,00

Density Kg/l 0,8261

Viscosity cPs 5,00

Sumber: Purwanto (2011).

46

H. Persyaratan Alat Uji Emisi Kendaraan Berbahan Bakar Bensin

Menurut Kementerian Lingkungan Hidup (dalam Warju, 2009:124),

persyaratan alat uji emisi kendaraan berbahan bakar bensin adalah sebagai

berikut:

a. Alat uji harus memenuhi standar ISO 3930/OIML R-99 tentang

standar alat uji emisi kendaraan berbahan bakar bensin.

b. Alat uji harus mampu mengukur konsentrasi CO, CO2, HC, O2, dan

lambda () pada putaran stasioner (idle).

c. Pastikan alat uji emisi memiliki sertifikat kalibrasi yang masih

berlaku.

d. Peralatan uji harus mendapatkan perawatan rutin 6 bulan sekali.

I. Standar Ambang Batas Emisi Kendaraan Bermotor Di Indonesia

Sesuai dengan peraturan menteri negara lingkungan hidup nomor 05

Tahun 2006 tentang ambang batas emisi gas buang kendaraan bermotor

lama, batas maksimum emisi gas buang berbahaya dapat dilihat pada tabel

berikut.

Tabel 2.3 Ambang Batas Emisi Kendaraan Bermotor Tipe L

Kategori Tahun

Pembuatan

Parameter Metode

Uji CO (% Vol) HC (ppm)

Sepeda Motor 2 Langkah < 2010 4.5 12000 Idle

Sepeda Motor 4 Langkah < 2010 5.5 2400 Idle

Sepeda Motor (2 Langkah

dan 4 Langkah) 2010 4.5 2000 Idle

Sumber: Kemen LH No. 05 Tahun 2006

Documents

Perbandingan Pembakaran Udara Stoikiometri