BAB III

TINJAUAN PUSTAKA

3.1 Motor Bakar

Motor bakar (combustion engine) adalah salah satu jenis dari mesin kalor,

yaitu mesin yang mengubah energi thermal untuk melakukan kerja mekanik atau

dengan kata lain dapat disebut sebagai mesin yang mengubah energi kimia bahan

bakar menjadi energi mekanis melalui proses pembakaran. berdasakan proses

kerjanya, motor bakar dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu mesin pembakaran

dalam (internal combustion engine) dan mesin pembakaran luar (external combustion

engine).

A. Mesin Pembakaran Dalam (Internal Combustion Engine)

Mesin pembakaran dalam merupakan salah satu jenis mesin kalor dimana

dalam proses kejanya terjadi di dalam mesin itu sendiri, sehingga gas hasil

pembakaran yang terjadi dimanfaatkan secara langsung sebagai fluida kerja untuk

menggerakkan komponen mesin tersebut. Berdasarkan prinsip kerjanya, mesin

pembakaran dalam dapat dibedakan dalam 3 jenis, yaitu mesin 2 langkah, mesin 4

langkah dan mesin rotary wankle. Berdasarkan jenis bahan bakarnya, mesin

pembakaran dalam dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu mesin premium, diesel,

dan gas. Meskpun demikian, pada prinsipnya, apapun jenis bahan bakar yang

digunakan pada mesin pembakaran dalam akan terlebih dahulu dirubah dalam bentuk

gas agar dapat terbakar dengan mudah.

1. Mesin dua langkah

Mesin dua langkah adalah mesin yang memerlukan dua kali langkah piston

dan satu kali putaran poros engkol untuk memperoleh tenaga dalam satu kali siklus

usaha.

Sebelum mesin memulai siklus kerjanya, harus terlebih dahulu diberikan gerak awal.

Gerak awal dapat dilakukan dengan bantuan mekanis secara langsung melalui engkol

(manual), atau dengan menggunakan motor starter.

a. Siklus kerja mesin dua langkah bensin / premium

Langkah pertama

Piston bergerak dari titik mati bawah atau selanjutnya disebut TMB menuju

titik mati atas atau selanjutnya disebut TMA. Maka campuran bahan bakar, udara dan

pelumas terhisap masuk ke dalam ruang engkol (crank case). Percampuran antara

bahan bakar, udara dan pelumas ini dilakukan oleh karburator atau sistem injeksi

(Lihat Sistem bahan bakar). Pada saat yang bersamaan, ketika piston melewati

saluran masuk dan saluran buang, piston melakukan langkah kompresi campuran

bahan bakar, udara dan pelumas dalam silinder.

Gambar 2.1. langkah pertama

Langkah kedua

Piston bergerak dari TMA ke TMB. beberapa saat sebelum piston mencapai

TMA, busi memercikkan bunga api listrik dan membakar campuran bahan bakar,

udara dan pelumas, sehingga terjadilah proses pembakaran. Akibat proses pembakaran

tersebut, manimbulkan ledakan dan efek dorongan terhadap piston, sehingga piston

bergerak dari TMA menuju TMB sebagai langkah usaha untuk menggerakkan

komponen lain dalam mesin. Bersamaan dengan gerak piston menuju TMB, Saluran

buang yang berada pada salah satu sisi dinding silinder terbuka dan gas hasil

pembakaran di dalam silinder keluar melalui saluran buang. Beberapa saat kemudian,

piston akan melewati saluran masuk yang berada pada sisi silinder lainnya. (Posisi

masing-masing lubang tergantung dari desain perancang yang umumnya saluran

buang berada lebih tinggi dibandingkan saluran masuk, sehingga lebih dulu terbuka

sebelum saluran masuk terbuka). Semakin jauh piston meninggalkan TMA menuju

TMB, tekanan di ruang engkol semakin meningkat. Pada saat saluran masuk terbuka,

campuran bahan bakar, udara, dan pelumas yang berada diruang engkol mengalami

tekanan sehingga terpompa masuk ke dalam ruang bakar sekaligus mendorong gas

yang ada dalam ruang bakar keluar melalui lubang pembuangan, dan selanjutnya

siklus akan terus berulang.

Gambar 2.2. Langkah kedua

b. Siklus kerja mesin dua langkah solar / disel

Langkah pertama

Piston bergerak dari TMB menuju TMA. Ketika piston melewati saluran

masuk udara yang berada pada dinding silinder, terjadilah proses kompresi terhadap

udara yang ada diruang silinder.

Gambar 2.3. langkah pertama

Langkah kedua

Beberapa saat sebelum piston mencapai TMA, bahan bakar di injeksikan

kedalam silinder oleh injektor. Meski tanpa menggunakan busi, bahan bakar akan

terbakar dengan sendirinya karena ketika bahan bakar di injeksikan, temperatur udara

yang telah dikompresikan didalam ruang silinder sudah cukup untuk membuat bahan

bakar terbakar dan terjadilah proses pembakaran. Akibat proses pembakaran tersebut,

manimbulkan ledakan berupa pemuaian campuran bahan bakar dan udara yang

dimampatkan dalam tekanan dan temperatur tinggi, dan menimbulkan efek dorongan

terhadap piston, sehingga piston bergerak dari TMA menuju TMB sebagai langkah

usaha untuk menggerakkan komponen lain dalam mesin. Beberapa saat sebelum

piston mencapai salusan masuk udara, katup buang terbuka. Dan ketika saluran

masuk udara terbuka, udara bertekanan dari turbo charger atau blower masuk ke

dalam ruang silinder sekaligus mendorong gas sisa hasil pembakaran keluar dari ruang

silinder melalui saluran keluar. Dan selanjutnya siklus berulang.

Gambar 2.4. langkah kedua

2. Mesin empat langkah

Mesin empat langkah adalah mesin yang memerlukan empat kali langkah

piston dan dua kali putaran poros engkol untuk memperoleh tenaga dalam satu kali

langkah usaha.

a. Siklus kerja mesin empat langkah mesin bensin / premium

Langkah hisap

Katup masuk terbuka sedangkan katup buang tertutup. Piston bergerak dari

TMA menuju TMB. Pada saat yang bersamaan, campuran bahan bakar dan udara

terhisap masuk kedalam silinder akibat adanya kevakuman pada ruang silinder yang

disebabkan oleh pergerakan pison dari TMA ke TMB yang menimbulkan peningkatan

volume silinder secara cepat dan menimbulkan efek kevakuman karna tekanan yang

rendah pada ruang silinder.

Gambar 2.5. langkah hisap

Langkah kompresi

Kedua katup tertutup. Piston bergerak dari TMB menuju TMA. Campuran

udara dan bahan bakar yang ada di dalam silinder di kompresikan oleh piston

sehingga terjadi peningkatan temperatur dan tekanan dalam silinder.

Gambar 2.6. langkah kompresi

Langkah usaha

Kedua katup masih tertutup. Diakhir langkah kompresi, beberapa saat sebelum

piston mencapai TMA, busi memercikkan bunga api listrik dan membakar campuran

bahan bakar dan terjadilah proses pembakaran. Akibat proses pembakaran tersebut,

menimbulkan ledakan berupa pemuaian campuran bahan bakar dan udara yang

dimampatkan dalam tekanan dan temperatur tinggi, dan menimbulkan efek dorongan

terhadap piston, sehingga piston bergerak dari TMA menuju TMB sebagai langkah

usaha untuk menggerakkan komponen lain dalam mesin.

Gambar 2.7. langkah usaha

Langkah Buang

Katup masuk masih tertutup sedangkan katup buang terbuka. Piston bergerak

dari TMB menuju TMA. Gas sisa hasil pembakaran terdorong oleh piston dan keluar

dari silinder melalui saluran pembuangan, Dan selanjutnya siklus kerja akan terus

berulang.

Gambar 2.8. langkah buang

b. Siklus kerja mesin empat langkah mesin diesel

Langkah hisap

Katup masuk terbuka sedangkan katup buang tertutup. Piston bergerak dari

TMA menuju TMB. Pada saat yang bersamaan, udara terhisap masuk kedalam

silinder akibat adanya kevakuman pada ruang silinder yang disebabkan oleh

pergerakan pison dari TMA menuju TMB yang menimbulkan peningkatan volume

silinder secara cepat dan menimbulkan efek kevakuman karna tekanan yang rendah

pada ruang silinder.

Gambar 2.9. langkah hisap

Langkah kompresi

Kedua katup tertutup. Piston bergerak dari TMB menuju TMA. Udara yang

ada di dalam silinder di kompresikan oleh piston sehingga terjadi peningkatan

temperatur dan tekanan pada udara yang di kompresikan di dalam silinder.

Gambar 2.10. langkah kompresi

Langkah usaha

Kedua katup masih tertutup. Diakhir langkah kompresi, beberapa saat sebelum

piston mencapai TMA, bahan bakar di injeksikan kedalam silinder oleh injektor.

Meski tanpa menggunakan busi, bahan bakar akan terbakar dengan sendirinya karena

ketika bahan bakar di injeksikan, temperatur di ruang silinder sudah cukup untuk

membuat bahan bakar terbakar dan terjadilah proses pembakaran. Akibat proses

pembakaran tersebut, menimbulkan ledakan berupa pemuaian campuran bahan bakar

dan udara yang dimampatkan dalam tekanan dan temperatur tinggi, dan menimbulkan

efek dorongan terhadap piston, sehingga piston bergerak dari TMA menuju TMB

sebagai langkah usaha untuk menggerakkan komponen lain dalam mesin.

Gambar 2.11. langkah usaha

Langkah Buang

Katup masuk masih tertutup sedangkan katup buang terbuka. Piston bergerak

dari TMB menuju TMA. Gas sisa hasil pembakaran terdorong oleh piston dan keluar

dari silinder melalui saluran pembuangan, Dan selanjutnya siklus kerja akan terus

berulang.

Gambar 2.12. langkah buang

3. Mesin rotary wankle

Mesin wankel atau disebut juga mesin rotary adalah mesin pembakaran dalam

yang digerakkan oleh tekanan yang dihasilkan oleh pembakaran diubah menjadi

gerakan berputar pada rotor yang menggerakkan sumbu.

Gambar 2.13. mesin rotary wankle

Mesin ini dikembangkan oleh insinyur Jerman Felix Wankel. Yang memulai

penelitiannya pada tahun 1950 di NSU Motorenwerke AG (NSU) dan prototypenya

yang bisa bekerja pada tahun 1957. NSU selanjutnya melisensikan konsepnya kepada

beberapa perusahaan lain di seliruh dunia untuk memperbaiki konsepnya.

Karena mesin wankel sangat kompak, ringan, mesin ini banyak digunakan pada

berbagai kendaraan dan peralatan seperti pada mobil balap, pesawat terbang, go-

kart, speed boat.

a. Siklus kerja mesin rotary wankle

Langkah hisap

Sewaktu ujung rotor (triangular rotor) melewati saluran masuk, campuran bahan

bakar dan udara terhisap masuk ke ruang rotor akibat gaya hisapan tinggi dari gaya

perputaran rotor mengelilingi gigi sumbu (gaya orbit).

Gambar 2.14. langkah hisap

Langkah kompresi

Seketika rotor melanjutkan putaran, campuran bahan bakar dan udara dibawa ke sisi

ruang rotor lainnya. Campuran bahan bakar dan udara pada sisi ruang rotor ini

termampatkan oleh kekuatan gaya orbit rotor.

Gambar 2.14. Langkah hisap

Langkah usaha

Pada saat campuran bahan bakar dan udara dalam keadaan mampat/terkompressi busi

memercikan bunga api listrik dan membakar campuran bahan bakar dan udara,

sehingga terjadi peningkatan tekanan udara dan menekan sisi rotor sehingga berputar

dan memotar poros rotor.

Gambar 2.15. Langkah Usaha

Langkah Buang

Rotor terus bergerak akibat gaya dorong hasil langkah usaha, salah satu sisi rotor yang

bergerak membuka salurang buang, sisi rotor lainyya mendorong gas sisa hasil

pembakaran menuju salurang buang, dan gas sisa hasil pembakaran pun keluar dari

ruang rotor melalui saluran buang, dan seterusnya siklus berulang.

Gambar 2.16. langkah buang

Dari penjelasan diatas, dapat diketahui bahwa dalam satu kali gerakan rotor terjadi 3

proses kerja secara bersamaan. Hal ii dikarenakan bentuk rotor yang menyerupai

segitiga dimana setiap sisinya melakukan proses kerja yang berbeda pada setiap kali

gerakan rotor.

Gambar 2.17.

Keterangan gambar: 1. salah satu sisi rotor melakukan langkah hisap

2. sisi lain rotor melakukan langkah kompresi

3. sisi rotor lainnya melakukan langkah buang

3.2 Sistem Bahan Bakar

A. Karburator

Karburator adalah sebuah alat yang mencampur udara dan bahan bakar sebagai

salah satu sistem suplai bahan bakar pada mesin pembakaran dalam. Hingga saat ini

karburator masih banyak digunakan sebagai suplai sistem bahan bakar karena

harganya yang relatif lebih murah dibandingkan sisitem suplai bahan bakar yang lebih

moderen seperti injeksi, saat ini karburator digunakan terutama oleh mesin

berkapasitas kecil seperti sepeda motor.

Karburator pertama kali ditemukan oleh Karl Benz pada tahun 1885 dan dipatenkan

pada tahun 1886. Pada tahun 1893 insinyur kebangsaan Hungaria bernama János

Csonka dan Donát Bánki juga mendesain alat yang serupa. Adalah Frederick William

Lanchester dari Birmingham, Inggris.

Pada dasarnya karburator bekerja menggunakan Prinsip Bernoulli: semakin cepat

udara bergerak maka semakin kecil tekanan statis-nya namun makin tinggi tekanan

dinamis-nya. Pedal gas sebenarnya tidak secara langsung mengendalikan besarnya

aliran bahan bakar yang masuk kedalam ruang bakar. Pedal gas sebenarnya

mengendalikan katup dalam karburator untuk menentukan besarnya aliran udara yang

dapat masuk kedalam ruang bakar. Udara bergerak dalam karburator inilah yang

memiliki tekanan untuk menarik serta bahan bakar masuk kedalam ruang bakar.

Berdasarkan aliran udaranya, karburator dapat dibedakan menjadi 3 jenis, yaitu jenis

aliran naik (up draft), aliran samping (side draft) dan alitan turun (down draft).

1. Karburator Aliran Naik (up draft)

Gambar 2.18. Karburator aliran naik (up draft)

Adapun sistem kerjanya adalah dimana udara masuk melalui bagian bawah karburator

lalu keluar melalui bagian atas. Keuntungan desain ini adalah dapat menghindari

terjadinya mesin banjir, karena kelebihan bahan bakar. Bahan bakar cair akan

langsung tumpah keluar karburator dan tidak sampai masuk kedalam intake mainfold.

Gambar 2.19. Skema sistem kerja pada karburator aliran naik

2. Karburator Aliran Samping (side draft)

Gambar 2.19. Karburator aliran samping (side draft)

Karburator jenis ini memiliki sistem kerja dimana aliran udaranya searah horisontal.

Karburator jenis ini kebanyakan di gunakan untukmesin 4 langkah dengan kapasitas

silinder kecil seperti sepeda motor.

Gambar 2.20. skema sitem kerja pada karburator aliran samping

3. Karburator Aliran Turun (down draft)

Gambar 2.21 Karburator aliran turun (down draft)

Dinamakan karburator aliran turun karena udara masuk dari bagian atas karburator

lalu keluar melalui bagian bawah karburator. Adapun tujuan dibuatnya aliran turun ini

adalah untuk memanfaatkan adanya grafitasi bumi, supaya aliran udara yang terjadi

dalam karburator bisa lebih cepat karena mendapat percepatan dari gaya grafitasi

bumi. Namun pada jenis karburator ini sangat rawan terjadi banjir bahan bakar, karna

jika terjadi suplay bahan bahkar berlebih pada karburator, bahan bakar cair akan turun

dan masuk kedalam ruang silinder.

Gambar 2.22. skema sitem kerja pada karburator aliran turun

B. Injeksi

Sistem bahan bakar injeksi adalah sebuah teknologi yang digunakan dalam

mesin pembakaran dalam untuk mencampur bahan bakar dengan udara sebelum

dibakar. Penggunaan injeksi bahan bakar akan meningkatkan tenaga mesin bila

dibandingkan dengan penggunaan karburator, karena injektor membuat bahan bakar

tercampur secara homogen. Hal ini, menjadikan injeksi bahan bakar dapat mengontrol

pencampuran bahan bakar dan udara yang lebih tepat, baik dalam proporsi dan

keseragaman.

Sistem bahan bakar injeksi dapat berupa sistem injeksi mekanis, elektronik atau

gabungan dari keduanya. Awal mula sistem injeksi berupa sistem injeksi mekanis,

namun sekitar tahun 1980-an mulai banyak menggunakan sistem elektronik. Sistem

elektronik modern menggunakan banyak sensor untuk memonitor kondisi mesin, dan

sebuah unit kontrol elektronik untuk menghitung jumlah bahan bakar yang diperlukan.

Oleh karena itu, injeksi bahan bakar dapat meningkatkan efisiensi bahan bakar dan

mengurangi polusi, dan juga memberikan tenaga keluaran yang lebih.

Secara umum, sistem injeksi dapat di bedakan dalam 3 jenis, yaitu injeksi mekanis,

injeksi elektronik, dan kombinasi keduanya. Pada sistem injeksi mekanis, sumber

energi berupa tekanan yang diperlukan untuk menginjeksikan bahan bakar berasal dari

tenaga mekanis putaran mesin, dan waktu penyemprotan bahan bakarnya ditentukan

secara mekanis berdasarkan gerakan poros engkol atau poros nok. Selanjutnya sitem

injeksi Pada sistem injeksi elektronik, sumber energi berupa tekanan yang diperlukan

untuk menginjeksikan bahan bakar berasal dari pompa yang digerakan oleh energi

listrik, begitu pula dengan waktu penyemprotan bahan bakarnya dilakukan

berdasarkan sinyal yang diberikan oleh sensor tertentu. Jenis sistem injeksi ini

digunakan pada mesin bensin, karena pada mesin bensin bahan bakar di injeksikan

pada saluran masuk (intake manifold), sehingga tidak dibutuhkan energi yang besar

untuk memompa dan meng-injeksikan bahan bakar. Dan ketiga yaitu jenis kombinasi

antara injeksi mekanis dan elektrik, dimana sistem mekanis digunakan sebagai sumber

energy untuk menggerakkan penekan (plunger) pada injektor, dan sistem elektrik

digunakan sebagai sistem pengatur waktu penyemprotan bahan bakar dengan

mengatur besaran volume bahan bakar yang diinjeksikan kedalam ruang silinder

berdasarkan sinyal dari sensor – sensor tertentu. Sistem injeksi ini banyak digunakan

oleh mesin disel dengan kapasitas besar seperti lokomotif atau mesin industri.

Sistem injeksi elektronik diciptakan untuk meningkatkan efisiensi kerja dari system

bahan bakar. Oleh karena itu, sistem injeksi memiliki beberapa keunggulan, namun

juga tetap memiliki kelemahan dibandingkan sistem bahan bakar sebelumnya.

a. Keunggulan sistem bahan bakar injeksi elektronik

Emisi gas buang rendah dan daya lebih besar

Pencampuran bahan bakar lebih homogen, sehingga pembakaran yang terjadi pada

ruang bakar lebih baik dibandingkan system bahan bakar karburator, sehingga emisi

gas buang yang dihasilkan relatif lebih sedikit terlebih jika menggunakan knalpot

yang dilengkapi catalic converter.

Lebih hemat bahan bakar

Perbandingan udara dan bahan bakar (Air-fuel ratio) atau disebut AFR, sangat

mempengaruhi kesempurnaan pembakaran pada mesin. Motor bakar memiliki standar

AFR sesuai Janis bahan bakar yang digunakan. AFR dapat berubah-ubah, misalnya

pada saat kondisi mesin dingin, pada saat idle, akselerasi, dan pada saat pemakaian

ekonomis. Sistem injeksi elektronik mampu menyesuaikan perbandingan

penggunakan bahan bakar dengan bantuan sensor – sensor yang ada, Sehingga

konsumsi bahan bakar pada motor injeksi elektronik lebih irit dibandingkan

karburator.

Tidak memerlukan cok (choke)

Sistem injeksi bahan bakar elektronik dilengkapi sensor temperatur yang akan

melaporkan suhu mesin ke engine control module (ECM) yang akan memerintahkan

injektor untuk memperkaya campuran bensin pada suhu mesin dingin.

Perawatan yang lebih praktis

Teknologi sistem bahan bakar injeksi elektronik berkonsep bebas perawatan.

Perawatan hanya busi, dan pengaturan kerenggangan katup masuk dan katup buang.

b. Kelemahan sistem bahan bakar injeksi elektronik

Akselerasi kurang responsif

Terjadinya proses yang panjang dari sensor untuk pengatur AFR dan debit aliran

bahan bakar serta dari sensor-sensor lainnya, sehingga membutuhkan waktu yang

lebih lama untuk berakselerasi.

Sensitif terhadap benturan/guncangan

Hampir semua perangkat terutama ECM menggunakan sistem elektronik, sehingga

rentan terjadi kerusakan apabila mengalami guncangan keras. Pada saat terjadi hal

tersebut, kendaraan beresiko tidak bisa dihidupkan kembali, selain itu, biaya

perbaikan membutuhkan biaya yang relatif mahal.

Sensitif bahan bakar

Lubang nosel pada injektor berukuran mikro, sehingga sistem injeksi bahan bakar

mudah terjadi penyumbatan jika bahan bakar yang digunakan kotor. Hal ini akan

mempengaruhi kinerja kendaraan.

Sensitif kelistrikan

Kondisi mesin selalu dipantau oleh sensor, dan sensor terhubung ke ECM untuk

memberikan signal menggunakan kabel berkonektor. Kabel dan konektor sangat

rawan terhadap korosi atau korsleting jika terkena air, sehingga signal dari sensor

menuju ECM bisa terganggu. Hal ini akan mengakibatkan ECM tidak berfungsi

dengan baik dan dapat mengakibatkan kerusakan yang disebabkan aliran listrik yang

tidak stabil.

Seluruh kelemahan pada bahan bakar injeksi elektronik hanya terjadi karena faktor

manusia yang tidak hati saat menggunakan atau merawat kendaraan kecuali pada poin

pertama.

3.3 Bahan Bakar

Bahan bakar adalah suatu materi apapun yang bisa diubah menjadi energi

panas. Bahan bakar mengandung energi panas yang dapat dilepaskan dan

dimanipulasi. Kebanyakan bahan bakar digunakan manusia melalui

proses pembakaran dimana bahan bakar tersebut akan melepaskan panas setelah

direaksikan dengan oksigen.

Berdasarkan bentuk materianya, bahan bakar dapat dibedakan menjadi tiga macam,

yaitu:

A. Bahan bakar padat

Bahan bakar padat merupakan bahan bakar berbentuk padat, yang digunakan secara

langsung dan pada lingkungan terbuka. Misalnya kayu dan batubara. Energi panas

yang dihasilkan bisa digunakan untuk memanaskan air menjadi uap untuk

menggerakkan peralatan dan menyediakan energi.

B. Bahan bakar cair

Bahan bakar berbentuk cair sangat beragam namun yang banyak digunakan

adalah bahan bakar minyak atau disebut BBM seperti bensin, solar, pertamax dan

minyak tanah. Selain bisa digunakan untuk memanaskan air menjadi uap sebagai

energi penggerak, bahan bakar cair biasa digunakan langsung sebagai fluida kerja

seperti pada motor bakar jenis pembakaran dalam (internal combustion engine).

C. Bahan bakar gas

Bahan bakar gas ada dua jenis, yakni Compressed Natural Gas (CNG) dan Liquid

Petroleum Gas (LPG). CNG pada dasarnya terdiri dari metana sedangkan LPG adalah

campuran dari propana, butana dan bahan kimia lainnya. LPG yang digunakan untuk

kompor rumah tangga, sama bahannya dengan Bahan Bakar Gas yang biasa

digunakan untuk sebagian kendaraan bermotor.