4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Etanol

2.1.1 Pengertian Ethanol

Menurut Logsdon, (1994) Bioetanol ( C2H50H ) adalah cairan yang

tidak berwarna, larut dalam air, semua pelarut organik, serta memiliki bau

khas alkohol. Bioetanol dapat dipandang sebagai turunan dari etana, C2H6,

dengan salah satu atom H digantikan dengan gugus hidroksil, gugus

hidroksil akan membangkitkan polaritas pada molekul dan menimbulkan

ikatan hidrogen antar molekul.

Sifat- sifat kimia dan fisik bioetanol sangat tergantung pada gugus

hidroksil. Studi spektroskopi inframerah menunjukkan bahwa pada keadaan

cair, ikatan-ikatan hidrogen terbentuk karena tarik menarik antara hidrogen-

hidroksil satu molekul dengan oksigen-hidroksil dari molekul yang lain.

Ikatan hidrogen mengakibatkan etanol cair sebagian besar terdimerisasi

dalam keadaan uap molekul-molekul bioetanol bertabiat monomeric.

Pernyataan Seader, Kurtyka, (1984). Bahwa pada tekanan >0,114 bar

(11,510 a) etanol dan air dapat membentuk larutan azeotrop (larutan yang

mendidih seperti cairan murni komposisi uap dan cairan sama). Pada

keadaan atmosferik (l atm) campuran ini terdiri dari etanol 95,57% (massa)

atau 97,3% (volume) atau 89,43% (mol), dan air 4,43% (massa) atau 2,7%

(volume) atau 10,57% (mol). Pada kondisi ini larutan mendidih pada

temperatur 78,15oc

2.2 Motor Bakar 4 Langkah

2.2.1 Defini Motor Bakar

Wiranto Arismunandar, (1988). Motor bakar adalah salah satu jenis

dari mesin kalor, mesin yang dapat mengubah energi termal untuk

melakukan kerja mekanik. Energi dapat diperoleh dari proses pembakaran,

yang terjadi diruang bakar, proses pembakaran dan juga perubahan energi

tersebut dilaksanakan di dalam mesin dan dilakukan di luar mesin.

5

2.2.2 Siklus Otto

Jenis motor bakar piston yang bekerja berlandasakan siklus volume

konstan karena saat pemasukan kalor (langkah pembakaran) dan

pengeluaran kalor terjadi pada volume konstan. Siklus ini adalah siklus yang

ideal, seperti yang terlihat pada diagram P – V .

Gambar 2.1 Diagram P – V Siklus Otto (siklus volume konstan)

Berikut prinsip kerja motor bakar :

A. Proses dan perhitungan ditiap titik :

1. Proses 0 – 1 (Langkah Hisap) :

Po = P 1

2. Proses 1 – 2 (Kompresi adibatis) :

1

1

2 krT

T ; krP

P

1

2

3. Proses 2 – 3 (Proses pembakaran) :

11

W

QFTT .23 ;

2

3

23T

TPP

4. Proses 3 – 4 (Proses Ekspansi / langkah kerja) :

6

krT

T 1

3

4 ; krP

P 3

4

5. Proses 4-1 (proses pembuangan)

B. Panas yang ditambahkan selama pembakan volume tetap :

23 TTCvQm

Panas yang dilepaskan selama proses panas volume tetap :

14 TTCvQk

C. Jumlah kerja siklus (∆w) :

1423 TTTTCv

D. Efisiensi thermal :

1

2

1

2

3

1

41

23

14

33

1423

11

1

12

1

11

kth

th

th

m

kmth

r

T

T

T

TT

T

TT

TT

TT

TTCv

TTCvTTCv

Q

QQ

2.3 Komponen Pada Motor Bakar

2.3.1 Silinder Cop

Kepala silinder berfungsi untuk menempatkan mekanisme katup,

ruang bakar dan juga sebagai tutup silinder. Kepala silinder ditempatkan di

atas blok silinder, syarat utama kepala silinder yaitu harus tahan terhadap

tekanan dan temperatur yang tinggi selama mesin bekerja, untuk menahan

tekanan hasil pembakaran dan panas yang timbul, maka kepala silinder

7

harus mempunyai kekuatan yang tinggi, kekerasan yang tinggi, dan

mempunyai sifat red hardness yang baik.

Menurut Petrovsky, (1962:546) Material kepala silinder yang

direncanakan adalah besi tuang C 4 32 – 52.

Untuk menghitung tebal kepala silinder,didapatkan menggunakan

rumus sebagai berikut, Maleev, (1982)

d

z

S

PDCH ..

Dimana : H = Tebal kepala silinder

C = Konstanta: 0,31

Di = Diameter dalam silinder liner

Pz = Tekanan gas maksimum

Sd = Tegangan yang diijinkan untuk besi tuang

2.3.2 Silinder Blok

Silinder blok berfungsi sebagai tempat untuk menghasilkan energi

panas dari proses pembakaran. Silinder blok terbagi menjadi dua yaitu

silinder liner dan silinder blok.

Silinder blok harus dilengkapi dengan rangka pada bagian dinding

luar untuk memberikan kekuatan silinder blok dan membantu meradiasikan

panas yang terjadi.

Menurut R.S.Khurmi dan J.K.Gupta, (2005) Material yang digunakan

untuk silinder blok adalah Aluminium 6061 dengan kekuatan tarik 276 dan

safety factor 1,95, dan material yang digunakan pada silinder liner adalah

baja 45 X.

Untuk merancang silinder blok dilakuakan perhitungan – perhitungan

sebagai berikut, Petrovsky, (1971 :96) :

iCP

zND

me

i...3,52

..

Dimana : Ne = Daya kuda

I = Jumlah silinder

8

Cm = Kecepatan rata – rata piston

Z = perbandingan langkah, motor 4 tak yaitu 2

Pe = Tekanan efektif rata-rata

2.3.3 Poros Engkol

Poros engkol berfungsi untuk merubah gerak turun naik piston

menjadi gerak putar yang akhirnya menggerakkan roda penerus. Tenaga

yang digunakan untuk menggerakkan roda kendaraan dihasilkan oleh

gerakan batang torak dan dirubah menjadi gerakan putaran pada poros

engkol. Poros engkol menerima beban besar dari piston dan batang piston

serta berputar pada kecepatan tinggi.

Menurut L.Mott Robert, P.E, (2004) untuk merancang poros engkol

menggunakan material dari baja campuran nikel chrom.

Untuk merancang poros engkol perlu dicari dulu gaya tekanan dan

tekanan yang terjadi diruang bakar, gaya tekanan dan tekanan rata-rata,

dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut :

anZV

NP

l

z

450000 dan

Dimana : P = Tekanan Efektif Rata-Rata

a = siklus 0,5

F = gaya tekanan

2.3.4 Piston

Piston berfungsi menerima tekanan hasil pembakaran campuran gas

dan meneruskan tekanan untuk memutar poros engkol melalui batang

piston.

Menurut Kovakh, (1979 : 438). Material yang digunakan adalah

allumunium cooper alloy.

9

Sehingga untuk merancang piston dapat menggunakan rumus

sebagai berikut :

1. Volume ruang bakar (Vc) :

Vc =

2. Kecepatan Rata-Rata Torak (cm/det) dari TMB – TMA :

30

LNV

3. Diameter piston :

Di =

4. Tinggi Piston :

H = (0,9 - 1,3) Di

5. Tinggi dari puncak piston sampai alur ring teratas :

h = ( 0,06 - 0,09) Di

6. Tebal puncak piston, Kovakh (1979 : 439) :

0,07 – 0,08 =

7. Tinggi alur ring piston, Kovakh (1979 : 439) :

h1 = (0,03 - 0,05) Di

8. Tinggi piston skrit Kovakh (1979 : 439) :

H2 = (0,68 - 0,74) H

9. Jarak dari dasar piston hingga sumbu piston pena piston :

H1 = (0,41 - 0,61) H

10

2.3.5 Pena Piston

Pena piston berfungsi menghubungkan piston dengan small end yang

terdapat pada batang piston melalui bushing, dan meneruskan tekanan

pembakaran yang diterima piston ke batang piston.

Material yang digunakan pada pena piston adalah baja paduan (alloy

steel).

Maka untuk merancang pena piston menggunakan rumus sebagai

berikut, Kovakh (1979 : 459) :

1. Diameter dalam pena piston :

Din = dex . rd

2. Panjang pena piston :

Lpp = 0,80 . Di

3. Jarak senter kedua boss :

Li =

4. Momen bending maksimal, Petrovsky (1962:372) :

= (

5. Tegangan bending yang terjadi :

=

6. Tegangan geser yang terjadi :

=

2.3.6 Ring Piston

Ring piston berfungsi untuk menahan pembakaran yang terjadi di

ruang bakar. Ring piton pada motor bakar 4 langkah terdiri menjadi dua

bagian yaitu piston ring kompresi dan Piston ring oli,

11

Menurut Petrovsky, (1962:374) Material yang dipakai untuk piston

ring kompresi dan piston ring oli menggunakan besi tuang. Untuk

menghitungan ring piston sebagai berikut :

a. Lebar ring piston :

b = (0,029 - 0,033)Di

b. Tebal ring piston :

h = (0,6 - 1,0)b

c. Jarak antara ujung ring sebelum masuk kedalam silinder :

L = (0,10 – 0,18)Di

d. Jarak antara ujung ring setelah masuk piston :

Li = 0,35 . h

e. Momen bengkok yang terjadi :

f. Momen tahanan pada ring kompresi :

W = b . h2

g. Tegangan bengkok yang terjadi σb :

σb =

2.3.7 Batang Piston

Batang piston berfungsi menerima tenaga dari piston yang diperoleh

dari pembakaran dan meneruskannya ke poros engkol. Bagian ujung batang

piston yang berhubungan dengan pin piston disebut small end. Sedangkan

yang berhubungan dengan poros engkol disebut big end.

12

Poros engkol berputar pada kecepatan tinggi di dalam big end, dan

mengakibatkan temperatur menjadi naik. Untuk menghindari hal tersebut,

maka metal dipasangkan dalam big end. Metal ini dilumasi dengan oli dan

sebagian dari oli ini dipercikkan dari lubang oli ke bagian dalam piston

untuk mendinginkan piston.

Menurut Petrovsky, (1962:378) Material untuk batang penggerak dari

baja karbon grade 45, untuk merancang batang penggerak dapat

menggunakan rumus :

1. Small end :

a. Panjang small end bearing Khovakh, (1979:439) :

bb = (0,40)Di

b. Diameter small end :

= 2 x Ro

2. big end :

a. Diameter crank pin :

Dcp = (0,66 – 0,68)Di

3. Panjang connecting rod dapat dicari dengan ( Maleev, 1975 : 517 )

Lc = (4 – 4,475)R sehingga ( R = ½ . stroke piston)

2.3.8 Poros Nok

Nok berfungsi untuk membuka dan menutup katup sesuai dengan

timing yang ditentukan. Gigi penggerak distributor dan nok penggerak

pompa bensin juga dihubungkan dengan poros nok.

Menurut Khovakh, (1979:531). Material nok yang digunakan adalah

alloy steel 18 X HBA, untuk perancangan camshaft menggunakan rumus :

a. Tinggi pembukaan maksimum (htmaks) :

i

dht thr)28,025,0(max

13

Dimana : dthr = Diameter lubang laluan gas = 2,25 cm

i = (1,4 - 1,75) , dipilih 1,4

b. Jari-jari lingkaran dasar poros bubungan (ρbc) :

ρbc = (1,6 − 2,4)× ht max

c. Jari-jari bagian bulat poros bubungan (ρrp) :

ρrp = ρbc − ∆rp

d. Jari-jari sisi busur (p1)

p1 = (1,0 − 2,0)× htmax

e. Kurva pembukaan katup (ϕo)

2

1802

cf

o

ad

o

QQ

f. Jari-jari busur (Pn) menggunakan rumus :

o

obcn ht

cos1

cosmax

g. Tinggi clearance (C) menggunakan rumus :

C = ρbc + htmax −ρn

2.3.9 Katup

Katup berfungsi untuk memasukkan campuran bahan bakar dan

membuang gas bekas hasil pembakaran dari dalam ruang bakar, katup

mempunyai dua jenis yaitu katup masuk dan katup buang.

Menurut Khovakh.M, (1979:514). Material katup masuk yang

digunakan adalah Alloy tool steel X 18 H 25 C, sedangkan katup

pengeluaran disebut katup buang (exhaust valve). Material katup buang

dipilih Alloy tool steel dengan perlakuan panas X 14 H 14 B. Untuk

merancang katup ini menggunakan rumus :

14

1. Dimensi throat :

Dthr = (0,42 - 0,46)Di

2. Diameter maksimum kepala katup :

d = (1,06 - 1,16)dthr

3. Diameter minimum kepala katup, Khovakh (1979: 523) :

dex = (0,95 - 1)dthr

4. Diameter batang katup :

ds = (0,18 - 0,23)dthr

5. Tinggi dari puncak dalam silinder ke kepala katup :

h1 = (0,025 - 0,045)dthr

6. Tinggi kepala katup :

h2 = (0,10 - 0,13)dthr

7. Lebar dudukan katup :

b = (0,10 - 0,12)dthr

8. Luas pembukaan katup

αmax = π(dthr + hmax cosθsinθ)hmax.cosθ

2.3.10 Pemanasan Induksi Bahan Bakar

Elektromagnetic 1Induction Heater merupakan alat untuk

memanaskan bahan bakar yang berupa gulungan kawat nikelin. Dimana

voltase dan arus yang dilewatkan di gulungan berasal dari baterai motor.

Pemanas digunakan untuk memanaskan bioetanol sebelum masuk ke

injektor sehingga didapatkan temperatur bioetanol sesuai dengan yang

diinginkan. Sistem pemanasan dari pemanas ini adalah bahan bakar

dipanaskan sampai suhu yang diinginkan, sehingga thermostat akan

15

mengirimkan sinyal untuk mematikan pemanas jika temperatur telah sesuai

dengan yang dikehendaki. Adapun skema pemanas seperti gambar berikut

ini :

Gambar 2.2 pemanas induksi bahan bakar

Keterangan :

1. Termocouple inlet heater

2. Elemen pemanas

3. Heater

4. Isolator

5. Reley

6. Pengontrol pemanas

7. Sumber DC

8. Thermocouple outlet heater

9. Injector

10. Intake valve

11. Intek manifol

2.3.11 Volume silinder

Volume silinder yaitu besarnya volume langkah ditambah volume

ruang bakar. Volume langkah dihitung dari volume diatas piston saat posisi

piston di TMB sampai garis TMA. Sedangkan volume ruang bakar dihitung

volume diatas piston saat posisi piston berada di TMA, juga disebut volume

16

sisa. besarnya volume langkah atau isi langkah piston adalah luas lingkaran

dikalikan panjang piston, dengan persamaan :

VL = A . L ; dimana A = π/4 . D

VL = π/4 . D. L

Volume/isi silinder adalah sebesar :

Vt = VL + Vs

Dimana : VL = Volume Langkah (cm3) atau (cc)

A = Luas penampang silinder (cm)

D = Diameter silinder (cm)

L = Panjang langkah piston (cm)

Vt = Volume total atau isi silinder (cc)

Vs = Volume sisa atau volume ruang bakar (cc)

Untuk menentukan perbandingan kompresi (r) motor dapat dicari

dengan persamaan :

r = (VL + Vs)/Vs

Untuk menghitung gaya (F dalam Newton) yang bekerja pada piston,

dapat menggunakan persamaan momen atau torsi ( τ dalam Newton meter)

dari spesifikasi mesin yaitu ;

τ = F x L

Dan untuk mengetahui tekanan (P dalam Pascal) yang bekerja pada

piston dapat menggunakan persamaan ;

P = F/A

Untuk mengetahui muatan volume silinder, pada motor ukuran standar

besarnya diameter silinder sama dengan diameter piston atau ( Ø piston = Ø

silinder) dikalikan langkah piston. Sedangkan untuk pada motor dengan

permukaan piston dengan kontur radius gelombang sinus dapat diasumsikan

; ukuran diameter silinder lebih kecil dari pada ukuran diamter piston atau

diameter piston lebih besar dari pada diameter silinder ( Ø piston > Ø

silinder) dikalikan langkah piston.