Sistem Pembakaran, Prinsip Kerja Motor Bakar Dan Motor Bakar Bensin 4 Langkah

•   Prinsip Kerja Motor Bakar

Motor bakar adalah salah satu motor penggerak mula yang sering disebut sebagai Mesin Kalor, yaitu mesin yang mengubah energi thermal menjadi energi mekanik. Energi itu sendiri diperoleh dari proses pembakaran. Ditinjau dari cara memperoleh energi thermal ini, maka mesin kalor dapat dibagi menjadi dua golongan, yaitu mesin pembakaran luar dan mesin pembakaran dalam. Mesin pembakaran luar proses pembakarannya terjadi di luar mesin, energi thermal dari hasil pembakaran dipindahkan ke fluida kerja melalui beberapa dinding pemisah, contohnya disini adalah mesin uap (Krisna, 2015).

Mesin pembakaran dalam adalah mesin yang mana proses pembakarannya terjadi di dalam mesin itu sendiri, sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai benda kerja, umumnya dikenal dengan nama motor bakar. Dalam kelompok ini terdapat motor bakar torak, sistem turbin gas dan propulsi pancar gas. Motor bakar torak menggunakan satu atau lebih silinder, yang didalamnya terdapat torak yang bergerak translasi (bolak-balik). Di dalam silinder itulah terjadi pembakaran antara bahan bakar dengan oksigen dari udara. Energi yang dihasilkan dari proses tersebut mampu menggerakkan torak yang oleh batang penghubung dihubungkan dengan poros engkol. Gerak translasi torak tadi menyebabkan gerak rotasi pada poros engkol dan demikian sebaliknya. Pada motor bakar tidak terdapat proses perpindahan kalor dari gas pembakaran ke fluida kerja. Oleh sebab itu jenis mesin ini jumlah komponennya lebih sedikit dari pada komponen mesin pembakaran luar, seperti mesin uap. Motor bakar torak juga dapat dibagi lagi menjadi dua jenis yaitu: motor bensin dan motor diesel. Perbedaan yang pertama terletak pada sistem penyalaannya, kedua dari jenis bahan bakarnya, ketiga dari siklusnya. Bahan bakar pada motor bensin dinyalakan oleh loncatan api listrik diantara dua elektrode busi. Karena itu motor bensin juga dinamai Spark Ignition Engines. Dalam motor diesel terjadi proses penyalaan sendiri, yaitu karena bahan bakar disemprotkan ke dalam silinder yang berisi udara yang bertemperatur dan bertekanan tinggi, sebab itu mesin diesel dinamakan mesin Comprossion Ignition Engines. (Aris Munandar , 1994).

Arief (1984), Arismunandar (1994) menjelaskan bahwa karbon merupakan salah satu unsur yang dapat terbakar dan menjadi bagian utama dari setiap senyawa hidrokarbon. Karbon lebih lambat dan lebih sulit terbakar daripada hidrogen maupun Sulfur, meskipun karbon memiliki temperatur penyalaan lebih rendah (407⁰ C atau 765⁰ F) dari pada hidrogen, karbon merupakan zat padat temperatur tinggi dan relatif lebih lambat terbakar. Akibatnya dalam setiap proses pembakaran teoritis, akan dianggap bahwa sulfur dan hidrogen keduanya terbakar sempurna sebelum karbon terbakar. Terlebih lagi akan dianggap bahwa semua karbon akan teroksida menjadi karbonmonoksid (CO) sebelum semua bagian itu menjadi karbon dioksida (CO₂).

2 C + O₂       =     2 CO

Pada reaksi ini, 2 mol karbon (24,02 kg) bereaksi dengan 1 mol oksigen (32 kg) menghasilkan 2 mol Karbonmonoksid (56,02 kg).

Apabila terdapat oksigen yang cukup memadahi, karbonmonoksid itu akan teroksidasi menjadi karbon dioksida dengan melepaskan energi tambahan.

2 CO + O₂       =      2 CO₂

Jadi, 2 mol Karbonmonoksid (56,02 Kg) bereaksi dengan 1 mol oksigen (32 kg) menghasilkan 2 mol karbon dioksida (88,02 kg).  Dengan demikian untuk membakar sempurna 1 kg karbon dibutuhkan. 32/24,02 atau 1,33 kg oksigen Perbandingan ini sangat berguna dalam menghitung kebutuhan oksigen bagi bahan bakar hidrokarbon.

Nilai pembakaran tinggi dan rendah dari karbon adalah 32.778 kj / kg.

Hidrogen mempunyai temperatur penyalaan yang paling tinggi diantara ketiga unsur dapat terbakar tersebut (582 ⁰C atau 1080 ⁰F), tetapi karena ia berupa gas kinetika perubahan hidrogen berlangsung cepat, akibatnya bila terdapat udara yang cukup, hidrogen akan terbakar sempurna menjadi air, barangkali sebelum karbon teroksidasi menjadi karbonmonoksid.

2 H₂ + O₂    =      2 H₂O

Dua mol hidrogen (4,032 kg) bereaksi dengan 1 mol oksigen (32 kg ) menghasilkan 2 mol air (36,032 kg), massa  oksigen yang dibutuhkan untuk membakar sempurna satu satuan massa hidrogen adalah 32 / 4,032 atau 7,94 kg O₂ / kg H₂, Nilai pembakaran tinggi hidrogen adalah 142.097 kj / kg

Komposisi udara dalam pembakaran kira – kira 21 % oksigen, per volume per mol, dan sisanya yang 79 % lagi terutama terdiri dari nitrogen dengan sejumlah kecil argon, karbon dioksida dan gas – gas lain.

Adapun persamaan reaksi pembakaran yang terjadi pada bahan bakar bensin dan kebutuhan udara untuk membakar 1 kg bahan bakar bensin adalah:

C₈H₁₈ + 12,5 (O₂ + 3,76 N₂)    =       8CO₂ + 9 H₂O + 47 N₂

Maka perbandingan kebutuhan udara adalah :

Karena m udara = 28,95 kg / kg mol dan m C8H18 = 117

Maka =

Di mana: AFR = Air Fuel ratio

•  Prinsip Kerja Motor Bensin 4 Langkah

Motor 4 (empat) langkah adalah mesin pembakaran dalam yang dalam satu kali siklus pembakaran akan mengalami empat langkah piston. Pada motor 4 langkah, untuk satu siklus kerja secara lengkap torak harus melakukan 4 langkah kerja, dimana empat langkah tersebut adalah langkah isap, langkah kompresi, langkah usaha dan langkah buang.

2.1.2.1  Langkah isap

Pada langkah isap, campuran udara dan bahan bahar dihisap masuk ke dalam silinder. Hal ini terjadi karena gerak piston dari TMA ke TMB yang mengakibatkan kevakuman di atas torak. Selama langkah ini katup isap terbuka dan katup buang tertutup.

•   Langkah kompresi

Pada tahap ini, campuran udara dan bahan bakar tersebut dikompresikan oleh torak dengan gerakannya dari TMB ke TMA. Selama langkah ini berlangsung, semua katup baik itu isap maupun katup buang tertutup. Akibat dari kompresi ini, tekanan dan temperatur campuran bahan bakar tadi menjadi meningkat. Sesaat sebelum mencapai TMA busi memercikkan bunga api listrik untuk membakar campuran bahan bakar dan udara. Pembakaran ini disertai dengan lonjakan tekanan di ruang bakar. Tekanan ini mampu mendorong torak bergerak turun dari TMA ke TMB.

•   Langkah usaha

Sementara itu, kedua katup masih tertutup. Torak mulai bergerak dari TMA ke TMB sebagai akibat dari dorongan yang dihasilkan dari ledakan pembakaran. Gerakan translasi batang torak ini mengakibatkan terjadinya gerakan rotasi yang terjadi di poros engkol. Pada saat inilah terjadi proses langkah tenaga atau langkah ekspansi. Dimana volume gas pembakaran di dalam silinder bertambah besar dan tekanan menurun. Sementara itu kedua katup masih tertutup.

•  Langkah buang

Sesaat sebelum torak telah mencapai TMB, katup buang sudah terbuka sedangkan katup isap tertutup. Torak bergerak kembali ke TMA mendesak gas pembakaran keluar dari dalam silinder melalui saluran buang. Proses pengeluaran gas pembakaran ini disebut langkah buang. Setelah langkah buang selesai dimulai lagi dari langkah isap dan seterusnya. Satu siklus dikatakan lengkap apabila keempat langkah itu terlaksana yaitu langkah isap, langkah tekan (kompresi), langkah tenaga dan langkah buang.

Gambar . Bagan kerja proses motor bensin 4 langkah

•   Diagram P-V Siklus Ideal Motor Bensin 4 Langkah

Gambar  Diagram PV motor bensin 4 langkah

Adapun proses terdiri dari :

Proses 0 - 1 Proses langlah isap.

Proses 1 - 2 Langkah kompresi adiabatikreversible (isentropik).

Proses 2 - 3 Proses pembakaran pada volume konstan.

Proses 3 - 4 Langkah kerja (langkah expansi, adiabatik, reversible).

Proses 4 - 1 Proses pembuangan kalor pada volume konstan. Proses 1 - 0 Proses buang pada tekanan konstan.