BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Biodiesel
2.1.1 Sejarah Penggunaan Diesel
Rudolf Diesel (Gambar 2.1) mendemonstrasikan sebuah mesin diesel yang berjalan dengan bahan bakar minyak kacang tanah (atas permintaan pemerintah Perancis) dibangun oleh French OttoCompany pada saat pameran dunia di Paris, Perancis pada tahun 1900. Mesin ini mendapatkan harga tertinggi. Mesin ini dijadikan prototipe Diesel's vision karena menggunakan tenaga minyak kacang
tanah. Sebuah bahan bakar yang bukan termasuk biodiesel, karena tidak diproses secara transesterifikasi. Dia percaya bahwa penggunaan bahan bakar dengan
Gambar 2.1 Rudolf Christian Karl Diesel
Minyak yang didapatkan langsung dari pemerahan atau pengempaan biji sumber minyak (oilseed), yang kemudian disaring dan dikeringkan (untuk mengurangi kadar air), disebut sebagai minyak lemak mentah. Minyak lemak mentah yang diproses lanjut guna menghilangkan kadar fosfor (degumming) dan asam-asam lemak bebas (dengan netralisasi dan steam refining) disebut dengan refined fatty oil atau straight vegetable oil (SVO). SVO didominasi oleh trigliserida sehingga memiliki viskositas dinamik yang sangat tinggi dibandingkan dengan solar (bisa mencapai 100 kali lipat, misalkan pada Castor Oil). Oleh karena itu, penggunaan SVO secara langsung di dalam mesin diesel umumnya memerlukan modifikasi/tambahan peralatan khusus pada mesin, misalnya penambahan pemanas bahan bakar sebelum sistem pompa dan injektor bahan bakar untuk menurunkan harga viskositas. Viskositas (atau kekentalan) bahan bakar yang sangat tinggi akan menyulitkan pompa bahan bakar dalam mengalirkan bahan bakar ke ruang bakar. Aliran bahan bakar yang rendah akan
menyulitkan terjadinya atomisasi bahan bakar yang baik. Buruknya atomisasi berkorelasi langsung dengan kualitas pembakaran, daya mesin, dan emisi gas buang.
Portugal, Jerman, Brazil, Argentina, Jepang dan Cina telah melaporkan pengujian serta penggunaan minyak nabati sebagai bahan bahan bakar diesel pada masa ini.
Beberapa masalah terjadi karena tingkat viskositas minyak nabati yang tinggi dibandingkan dengan petroleum, yang mana menghasilkan kekurangan dalam atomisasi bahan bakar saat penyemprotan bahan bakar serta sering meninggalkan kerak pada injektor, ruang pembakaran dan katup. Untuk mengatasi masalah ini dilakukan pemanasan minyak nabati, pencampuran dengan petroleum, pirolisis serta pemecahan minyak.
2.1.2 Definisi Biodiesel
Biodiesel adalah bahan bakar mesin diesel yang berupa ester mono alkil asam-asam lemak rantai panjang, yang diturunkan dari minyak tumbuh-tumbuhan atau lemak hewan.Biodiesel merupakan salah satu bahan bakar alternatif ramah lingkungan, tidak mempunyai efek terhadap kesehatan dan
dapat dipakai sebagai bahan bakar kendaraan bermotor serta dapat lebih menurunkan emisi bila dibandingkan dengan minyak diesel. Biodiesel
mempunyai sifat pembakaran yang serupa dengan minyak solar, sehingga dapat dipergunakan langsung pada mesin berbahan bakar minyak solar tanpa mengubah mesin.
mesin. Semakin tinggi bilangan cetana, semakin cepat pembakaran dan semakin baik efisiensi termodinamisnya.
Penggunaan dan produksi biodiesel meningkat dengan cepat, terutama di Eropa, Amerika Serikat, dan Asia, meskipun dalam pasar masih sebagian kecil saja dari penjualan bahan bakar. Pertumbuhan SPBU membuat semakin banyaknya penyediaan biodiesel kepada konsumen dan juga pertumbuhan kendaraan yang menggunakan biodiesel sebagai bahan bakar.
Dibandingkan dengan solar, biodiesel memiliki kelebihan diantaranya :
1. Dapat terurai (biodegradable)
2. Tidak memerlukan modifikasi mesin diesel yang telah ada.
3. Tidak memperparah efek rumah kaca karena siklus karbon yang terlibat pendek.
4. Kandungan energi yang hampir sama dengan kandungan energi petroleum diesel.
5. Penggunaan biodiesel dapat memperpanjang usia mesin diesel karena memberikan lubrikasi lebih daripada bahan bakar petroleum.
6. Memiliki flash point yang tinggi, yaitu sekitar C, sedangkan bahan
bakar petroleum diesel flash pointnya hanya C.
7. Bilangan setana (cetane number) yang lebih tinggi daripada petroleum diesel
Menurut Syah (2006), karakteristik emisi pembakaran biodiesel dibandingkan dengan solar adalah sebagai berikut :
1. Emisi karbon dioksida (CO2) netto berkurang 100%
2. Emisi sulfur dioksida berkurang 100% 3. Emisi debu berkurang 40-60%
4. Emisi karbon monoksida (CO) berkurang 10-50% 5. Emisi hidrokarbon berkurang 10-50%
berkurang 98%, benzofloroanthen berkurang 56%, benzapyren berkurang 71%, serta aldehidadan senyawa aromatik berkurang 13%.
Karakteristik biodisel di tunjukkan pada Tabel 2.1 dibawah ini. Tabel 2.1 Karateristik dan standar biodiesel (Lit.9)
Parameter Satuan Standar Nasional Indonesia
Biodiesel dapat dibuat dari berbagai minyak hayati (minyak nabati atau
lemak hewani) melalui proses esterifikasi gliserida atau dikenal dengan proses alkoholisis. Reaksi yang terjadi dapat dituliskan sebagai berikut (Ma, F., 1999; Hariyadi, dkk,2005).
macam jenis tumbuhan seperti kedelai, kanola, inti sawit, kelapa, jarak pagar, bunga matahari, biji kapuk, jagung dan ratusan tanaman penghasil minyak lainnya. Namun bahan utama pembuatan biodiesel yang sering digunakan adalah minyak jarak pagar karena minyak ini bukan merupakan minyak untuk pangan karena minyak jarak ini memiliki sifat sangat beracun.
Pada skala kecil dapat dilakukan dengan bahan minyak goreng 1 liter yang baru atau bekas. Metanol sebanyak 200 ml atau 0.2 liter. Soda api atau NaOH 3,5 gram untuk minyak goreng bersih, jika minyak bekas diperlukan 4,5 gram atau mungkin lebih. Kelebihan ini diperlukan untuk menetralkan asam lemak bebas atau FFA yang banyak pada minyak goreng bekas. Dapat pula mempergunakan KOH namun mempunyai harga lebih mahal dan diperlukan 1,4 kali lebih banyak dari soda. Proses pembuatan; Soda api dilarutkan dalam Metanol dan kemudian dimasukan kedalam minyak
dipanaskan sekitar 55 oC, diaduk dengan cepat selama 15-20 menit kemudian dibiarkan dalam keadaan dingin semalam. Maka akan diperoleh
biodiesel pada bagian atas dengan warna jernih kekuningan dan sedikit bagian bawah campuran antara sabun dari FFA, sisa metanol yang tidak
bereaksi dan gliserin sekitar 79 ml.
Gambar 2.2 Diagram Alir Biodiesel
Pembuatan biodiesel dapat dilakukan dengan cara berikut ini:
1. Proses reaksi kimia
Reaksi kimia dalam pembuatan biodiesel bisa dilakukan dengan 2 cara, yaitu :
1.a. Reaksi Trans-esterifikasi
Transesterifikasi (biasa disebut dengan alkoholisis) adalah tahap konversi daritrigliserida (minyak nabati) menjadi alkyl ester, melalui reaksi
Gambar 2.3 Reaksi Trans-esterifikasi
Tahapan reaksi transesterifikasi pembuatan biodiesel selalu menginginkan agar didapatkan produk biodiesel dengan jumlah yang maksimum. Beberapa kondisi reaksi yang mempengaruhi konversi serta perolehan biodiesel melalui transesterifikasi adalah sebagai berikut (Freedman, 1984):
a. Pengaruh air dan asam lemak bebas
Minyak nabati yang akan ditransesterifikasi harus memiliki angka asam yang lebih kecil dari 1. Banyak peneliti yang menyarankan agar kandungan asam lemak bebas lebih kecil dari 0.5% (<0.5%). Selain itu, semua bahan yang akan digunakan harus bebas dari air. Karena air akan bereaksi dengan katalis, sehingga jumlah katalis menjadi berkurang. Katalis harus terhindar dari kontak dengan udara agar tidak mengalami reaksi dengan uap air dan karbon dioksida.
b. Pengaruh perbandingan molar alkohol dengan bahan mentah Secara stoikiometri, jumlah alkohol yang dibutuhkan untuk reaksi adalah 3 mol untuk setiap 1 mol trigliserida untuk memperoleh 3 mol alkil ester dan 1 mol gliserol. Perbandingan alkohol dengan minyak nabati 4,8:1 dapat menghasilkan
diperoleh juga akan semakin bertambah. Pada rasio molar 6:1, setelah 1 jam konversi yang dihasilkan adalah 98-99%, sedangkan pada 3:1 adalah 74-89%.Nilai perbandingan yang terbaik adalah 6:1 karena dapat memberikan konversi yang maksimum.
c. Pengaruh jenis alcohol.
Pada rasio 6:1, metanol akan memberikan perolehan ester yang tertinggi dibandingkan dengaan menggunakan etanol atau butanol.
d. Pengaruh jenis katalis
Alkali katalis (katalis basa) akan mempercepat reaksi transesterifikasi bila dibandingkan dengan katalis asam. Katalis basa yang paling populer untuk reaksi transesterifikasi adalah natrium hidroksida (NaOH), kalium hidroksida (KOH), natrium metoksida (NaOCH3), dan kalium metoksida (KOCH3).Katalis sejati bagi reaksi sebenarnya adalah ion metilat (metoksida) Reaksi transesterifikasi akan menghasilkan konversi yang maksimum dengan jumlah katalis 0,5-1,5%-b minyak nabati. Jumlah katalis yang efektif untuk reaksi adalah 0,5%-b minyak nabati untuk natrium metoksida dan 1%-b minyak nabati untuk natrium
hidroksida.
e. Metanolisis Crude dan Refined Minyak Nabati
Perolehan metil ester akan lebih tinggi jika menggunakan minyak nabati refined. Namun apabila produk metil ester akan digunakan sebagai bahan bakar mesin diesel, cukup digunakan bahan baku berupa minyak yang telah dihilangkan getahnya dan disaring.
f. Pengaruh temperature
Reaksi transesterifikasi dapat dilakukan pada temperatur 30 - 65° C (titik didih metanol sekitar 65° C). Semakin tinggi temperatur, konversi yang diperoleh akan semakin tinggi untuk waktu yang lebih singkat.
Esterifikasi adalah tahap konversi dari asam lemak bebas menjadi ester. Esterifikasi mereaksikan minyak lemak dengan alkohol.Katalis-katalis yang cocok adalah zat berkarakter asam kuat, dan karena ini, asam sulfat, asam sulfonat organik atau resin penukar kation asam kuat merupakan katalis-katalis yang biasa terpilih dalam praktek industrial (Soerawidjaja, 2006).
Untuk mendorong agar reaksi bisa berlangsung ke konversi yang sempurna pada temperatur rendah (misalnya paling tinggi 120° C), reaktan metanol harus ditambahkan dalam jumlah yang sangat berlebih (biasanya lebih besar dari 10 kali nisbah stoikhiometrik) dan air produk ikutan reaksi harus disingkirkan dari fasa reaksi, yaitu fasa minyak. Melalui kombinasi-kombinasi yang tepat dari kondisi-kondisi reaksi dan metode penyingkiran air, konversi sempurna asam-asam lemak ke ester metilnya dapat dituntaskan dalam waktu 1 sampai beberapa jam. Reaksi esterifikasi dari asam lemak menjadi metil ester pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4. Reaksi esterifikas
Hal-hal yang Mempengaruhi Reaksi Esterifikasi
a. Waktu Reaksi
Semakin lama waktu reaksi maka kemungkinan kontak antar zat semakin besar sehingga akan menghasilkan konversi yang besar. Jika kesetimbangan reaksi sudah tercapai maka dengan bertambahnya waktu reaksi tidak akan menguntungkan karena tidak memperbesar hasil.
b. Pengadukan
Pengadukan akan menambah frekuensi tumbukan antara molekul zat pereaksi dengan zat yang bereaksi sehingga mempercepat
c. Katalisator
Katalisator berfungsi untuk mengurangi tenaga aktivasi pada suatu reaksi sehingga pada suhu tertentu harga konstanta kecepatan reaksi semakin besar.Pada reaksi esterifikasi yang sudah dilakukan biasanya menggunakan konsentrasi katalis antara 1 - 4 % berat sampai 10 % berat campuran pereaksi (Mc Ketta, 1978).
d. Suhu Reaksi
Semakin tinggi suhu yang dioperasikan maka semakin banyak konversi yang dihasilkan, hal ini sesuai dengan persamaan Archenius. Bila suhu naik maka harga k makin besar sehingga reaksi berjalan cepat dan hasil konversi makin besar.
2. Proses Lanjutan (Pencucian)
Banyak cara “washing” biodiesel, yang paling banyak digunakan adalah
“The Bubblewash Methode”, caranya adalah ditambahkan air seperempat sampai setengah volume oil (campur H3PO410% 10 ml per galon) pada suhu tetap. Masukkan pompa akuarium, nyalakan 24 jam.Lakukan lagi sekitar 3 - 4 kali hingga pH air netral.
2.2 Biodiesel dari bahan-bahan lainnya
2.2.1 Biodiesel dengan Bahan Baku Biji Karet
standar SNI dan ASTM. Proses produksi biodiesel dilakukan menggunakan prototip alat berkapasitas 20 liter/jam. Proses esterifikasi dijalankan pada suhu
105C, penambahan methanol 10% dan katalis asam, waktu 90 menit. Proses
trans-esterifikasi dijalankan dalam reaktor alir osilasi dengan dosis katalis 1% berat minyak dan methanol sebanyak 15% berat minyak. Variabel yang dipelajari adalah suhu dan waktu proses. Produk biodiesel dimurnikan dengan sistem vakum. Dari hasil penelitian ini diperoleh rendemen kernel sebanyak 53% dari berat biji karet. Sedangkan minyak dalam kernel yang dapat dipungut maksimum 56% dari berat kernel. Karakteristik biodiesel sesuai dengan yang distandarisasikan, yaitu densitas 0,8565 g/ml, angka asam 0,49, angka iod 62,88, kadar ester 97,2%, flash point 178°C dan panas pembakaran 16183 J/g.
2.2.2 Biodiesel dengan Bahan Baku Kelapa
Minyak kelapa diperoleh dari buah tanaman kelapa atau Cocos nucifera L., yaitu pada bagian inti buah kelapa (kernel atau endosperm). Tanaman kelapa ini memiliki :
Famili : Pa lma e Genus : Cocos
Inti buah tanaman kelapa ini memiliki kandungan minyak kelapa sebanyak 34 % dengan kelembaban 6-8 %. Kandungan asam lemak minyak kelapa yang paling banyak adalah asam laurat C12:0 (asam lemak jenuh / saturated fatty a cid).
iod (iodine va lue), maka minyak kelapa dapat dimasukkan ke dalam golongan non drying oils, karena bilangan iod minyak tersebut berkisar antara 7,5 – 10,5.
Minyak kelapa yang belum dimurnikan mengandung sejumlah kecil komponen bukan minyak, misalnya fosfatida, gum sterol (0,06 –0,08%), tokoferol (0,003) dan asam lemak bebas (kurang dari 5%), sterol yang terdapat di dalam minyak nabati disebut phitosterol dan mempunyai dua isomer, yaitu beta sitoterol (C29H50O) dan stigmasterol (C29H48O).
Stirol bersifat tidak berwarna, tidak berbau, stabil dan berfungsi sebagai sta biliuzer dalam minyak.
Tokoferol mempunyai tiga isomer, yaitu α-tokoferol (titik cair
158o-160oC), -tokoferol (titik
cair 138o-140oC) dan -tokoferol. Persenyawaan tokoferol bersifat tidak dapat disabunkan, dan berfungsi sebagai anti oksidan.
Warna coklat pada minyak yang mengandung protein dan karbohidrat bukan disebabkan oleh zat warna alamiah, tetapi oleh reaksi
browning. Warna ini merupakan hasil reaksi dari senyawa karbonil (berasal dari pemecahan peroksida) dengan asam amino dari protein, dan terjadi terutama pada suhu tinggi. Warna pada minyak kelapa disebabkan oleh zat warna dan kotoran – kotoran lainnya.
Zat warna alamiah yang terdapat pada minyak kelapa adalah karoten yang merupakan hidrokarbon tidak jenuh dan tidak stabil pada suhu tinggi. Pada pengolahan minyak menggunakan uap panas maka warna kuning yang disebabkan oleh karoten akan mengalami degradasi. Daging buah kelapa dapat diolah menjadi santan (juice extract). Santan kelapa ini dapat dijadikan bahan penganti susu atau dijadikan minyak. Komposisi asam lemak minyak kelapa dapat di lihat pada Tabel 2.2 dibawah.
Asam lemak Rumus kimia Jumlah ( % )
Asam lemak jenuh
Asam kaproat C5H11COOH 0,0 – 0,8
Asam kaprilat C7H15COOH 5,5 – 9,5
Asam kaprat C9H19COOH 4,5 – 9,5
Asam laurat C11H23COOH 44,0 – 52,0
Asam miristat C13H27COOH 13,2 – 19,0
Asaam palmitat C15H31COOH 7,5 – 10,0
Asam stearat C17H35COOH 1,0 – 3,0
Asam lemak tidak jenuh
Asam palmitoleat C15H29COOH 0,0 – 1,3
Asam oleat C17H33COOH 5,0 – 8,0
Asam linoleat C17H31COOH 1,5 – 2
2.2.3. Biodiesel dengan Bahan Baku Sawit
Tanaman kelapa sawit (Elaeis guinensis) berasal dari Guinea di pesisir Afrika Barat, kemudian diperkenalkan ke bagian Afrika lainnya, Asia Tenggara dan Amerika Latin sepanjang garis equator (antara garis lintang
utara 15o dan lintang selatan 12o). Kelapa sawit tumbuh baik pada daerah
iklim tropis, dengan suhu antara 24 oC - 32 oC dengan kelembaban yang tinggi dan curah hujan 200 mm per tahun. Kelapa sawit mengandung kurang
lebih 80% perikarp dan 20% buah yang dilapisi kulit yang tipis. Kandungan minyak dalam perikarp sekitar 30% – 40%. Kelapa sawit menghasilkan dua macam minyak yang sangat berlainan sifatnya, yaitu :
2. Minyak inti sawit (CPKO), yaitu minyak yang berasal dari inti kelapa sawit
Pada umumnya minyak sawit mengandung lebih banyak asam-asam palmitat, oleat dan linoleat jika dibandingkan dengan minyak inti sawit. Minyak sawit merupakan gliserida yang terdiri dari berbagai asam lemak, sehingga titik lebur dari gliserida tersebut tergantung pada kejenuhan asam lemaknya. Semakin jenuh asam lemaknya semakin tinggi titik lebur dari minyak sawit tersebut. Berikut adalah Tabel Karakteristik minyak sawit pada Tabel 2.3 , 2.4 dan 2.5
Tabel 2.3 Karakteristik Minyak Sawit
Harga
Specific Gravity pada 37,8 oC 0,898-0,901
Iodine Value 44 – 58
Saponification Value 195 – 205
Unsaponification Value, % < 0,8
Titer, C 40 – 47
Komponen penyusun minyak sawit terdiri dari trigliserida dan non trigliserida. Asam- asam lemak penyusun trigliserida terdiri dari asam lemak jenuh dan asam lemak tak jenuh.
Tabel 2.4 Komposisi Komponen Trigliserida Asam Lemak pada Minyak Sawit
Asam laurat -
Asam Linoleat 7-11
Komponen non-trigliserida ini merupakan komponen yang menyebabkan rasa, aroma dan warna kurang baik. Kandungan minyak sawit yang terdapat dalam jumlah sedikit ini, sering memegang peranan penting dalam menentukan mutu minyak.
Tabel 2.5 Kandungan Minor (Komponen non-Trigliserida) Minyak Sawit
Komponen Ppm
Karoten 500 – 700
Tokoferol 400 – 600
Sterol Mendekati 300
Phospatida 500
Besi ( Fe ) 10
Tembaga ( Cu ) 0,5
Air 0,07 – 0,18
Kotoran-kotoran 0,01
2.3. Biodiesel Minyak Wijen
Berdasarkan catatan pustaka, produk minyak wijen atau sesa me oil yang diperoleh dengan cara memeras biji tanaman wijen sudah dikenal sejak zaman baheula. Salah satu sumber pustaka yang memuat tentang minyak wijen adalah kitab Hindu Ayur-Veda dari Tanah India. Sedangkan bangsa-bangsa yang sejak lama menggunakan minyak wijen, selain mereka yang berasal dari India, juga bangsa-bangsa Timur Tengah, Cina, Jepang, Amerika, dan Kanada.
lecithin yang berkasiat baik bagi pencegahan penyakit jantung, kolesterol, kanker, dan lain-lain.
Manfaat minyak wijen atau sesame oil sendiri, selain secara konvensional digunakan sebagai minyak makan (minyak goreng) juga banyak dimanfaatkan industri kimia, farmasi, dan obat-obatan. Pemanfaatan minyak wijen sebagai minyak kesehatan disebabkan di dalam minyak wijen terkandung asam lemak esensial, asam lemak dengan omega 6 dan omega 9, tokoferol, dan kandungan antioksidan lainnya. Itu sebabnya, perdagangan wijen dan minyak wijen di dunia terus mengalami peningkatan.
Test Halpen Negatif
Indeks Refraksi 1,472-1,4786
Test beku selama 5,5 jam pada 0 oC Berhasil
Sabun 0
Tabel 2.7 Tabel Profil Asam Lemak Bebas
Profil asam lemak Nama Jumlah
C16 Palmitic 7%-12%
C18 Stearic 3,6%-50%
C18:1 Oleic 35%-50%
C18:2 Linoleat 35%-50%
C18:3: Linolenic 1% max
Sebagai catatan, minyak wijen yang bukan berasal dari hasil pembakaran biji wijen, kadang- kadang dapat kita jumpai disupermarket dan tidak bagus digunakan sebagai pengganti minyak wijen yang digunakan pada bahan makanan/masakan. Karena minyak wijen yang digunakan pada makanan dihasilkan dari biji wijen yang dipress. Minyak yang mudah terbakar ini dapat ditemukan pada masakan Indian saat negara-negara Asia belum mengenalnya. Minyak wijen dapat disimpan untuk beberapa bulan jika disimpan ditempat yang kering dan dingin. Salah satu yang terbaik adalah minyak wijen Kadoya dari Japan. Selain digunakan pada masakan minyak wijen dijumpai pada pengolahan apapun dengan perlakuan stimulan. Dapat juga dilakukan pada pembuatan oksidan.
2.4 Mesin Diesel
Mesin diesel juga disebut “Motor Penyalaan Kompresi” oleh karena
penyalaannya dilakukan dengan menyemprotkan bahan bakar ke dalam udara
22, sedangkan tekanan kompresinya mencapai 20 – 40 bar dengan suhu 500 – 700 0
C.
Aplikasi dari motor diesel banyak pada industri-industri sebagai motor stasioner ataupun untuk kendaraan-kendaraan dan kapal laut dengan ukuran yang besar. Hal ini dikarenakan motor diesel mengkonsumsi bahan bakar ± 25% lebih rendah dari motor bensin, lebih murah dan perawatannya lebih sederhana (Kubota, S., dkk, 2001).
Mesin diesel menghasilkan tekanan kerja yang tinggi, itu sebabnya
konstruksi motor diesel lebih kokoh dan lebih besar. Disamping itu, mesin diesel menghasilkan bunyi yang lebih keras, warna dan bau gas yang kurang menyenangkan. Namun dipandang dari segi ekonomi, bahan bakar serta polusi udara, motor diesel masih lebih disukai (Mathur, 1980).
Siklus diesel (ideal) pembakaran tersebut dimisalkan dengan pemasukan panas pada volume konstan ( Cengel 2006 ). Siklus diesel tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.5 dan 2.6 berikut ini.
Gambar 2.5 Diagram P-v
Keterangan Gambar:
V = Volume Spesifik (m3/kg)
T = Temperatur (K)
S = Entropi (kJ/kg.K)
Diagram T-S
Gambar 2.6 Diagram T-S
Keterangan Grafik:
1-2 Kompresi Isentropik
2-3 Pemasukan Kalor pada tekanan Konstan
3-4 Ekspansi Isentropik
4-1 Pengeluaran Kalor pada Volume Konstan
2.4.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel
Prinsip kerja mesin diesel 4 tak sebenarnya sama dengan prinsip kerja mesin otto, yang membedakan adalah cara memasukkan bahan bakarnya. Pada mesin diesel bahan bakar di semprotkan langsung ke ruang bakar dengan menggunakan injector. Dibawah ini adalah langkah dalam proses mesin diesel 4 langkah :
Pada langkah ini piston bergerak dari TMA (Titik Mati Atas) ke TMB (Titik Mati Bawah). Saat piston bergerak ke bawah katup isap terbuka yang menyebabkan tekanan udara di dalam silinder seketika lebih rendah dari tekanan atmosfer ,sehingga udara murni langsung masuk ke ruang silinder melalui filter udara.
2. Langkah kompresi
Pada langkah ini piston bergerak dari TMB menuju TMA dan kedua katup tertutup. Karena udara yang berada di dalam silinder didesak terus oleh piston,menyebabkan terjadi kenaikan tekanan dan temperatur,sehingga udara di dalam silinder menjadi sangat panas. Beberapa derajat sebelum piston mencapai TMA, bahan bakar di semprotkan ke ruang bakar oleh injector yang berbentuk kabut.
3. Langkah Usaha
Pada langkah ini kedua katup masih tertutup, akibat semprotan bahan bakar di ruang bakar akan menyebabkan terjadi ledakan pembakaran yang akan meningkatkan suhu dan tekanan di ruang bakar. Tekanan yang besar tersebut akan mendorong piston ke bawah yang menyebkan terjadi gaya aksial. Gaya aksial ini dirubah dan diteruskan oleh poros engkol menjadi gaya radial (putar).
4. Langkah Buang
Pada langkah ini, gaya yang masih terjadi di flywheel akan menaikkan kembali piston dari TMB ke TMA, bersamaan itu juga katup buang terbuka sehingga udara sisa pembakaran akan di dorong keluar dari ruang silinder menuju exhaust manifold dan langsung menuju knalpot
Langkah isap Langkah kompresi Langkah usaha Langkah Buang
Gambar 2.7 Prinsip Kerja Mesin Diesel
2.4.2 Performansi Mesin Diesel
a) Nilai Kalor Bahan Bakar.
Reaksi kimia antara bahan bakar dengan oksigen dari udara menghasilkan panas. Besarnya panas yang ditimbulkan jika satu satuan bahan bakar dibakar sempurna disebut nilai kalor bahan bakar (Calorific Value, CV). Berdasarkan asumsi ikut tidaknya panas laten pengembunan uap air dihitung sebagai bagian dari nilai kalor suatu bahan bakar, maka nilai kalor bahan bakar dapat dibedakan menjadi nilai kalor atas dan nilai kalor bawah.
Nilai kalor atas (High Heating Value,HHV), merupakan nilai kalor yang diperoleh secara eksperimen dengan menggunakan kalorimeter dimana hasil pembakaran bahan bakar didinginkan sampai suhu kamar sehingga sebagian besar uap air yang terbentuk dari pembakaran hidrogen mengembun dan melepaskan panas latennya. Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung bila diketahui komposisi bahan bakarnya dengan menggunakan persamaan
Dulong yang ditunjukkan pada persamaan 2.1 di bawah ini:
HHV = 33950 + 144200 (H2- ) + 9400 S ... (2.1) Dimana: HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
Nilai kalor bawah (low Heating Value, LHV), merupakan nilai kalor bahan bakar tanpa panas laten yang berasal dari pengembunan uap air. Umumnya kandungan hidrogen dalam bahan bakar cair berkisar 15 % yang berarti setiap satu satuan bahan bakar, 0,15 bagian merupakan hidrogen. Pada proses pembakaran sempurna, air yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar adalah setengah dari jumlah mol hidrogennya.
Selain berasal dari pembakaran hidrogen, uap air yang terbentuk pada proses pembakaran dapat pula berasal dari kandungan air yang memang sudah ada didalam bahan bakar (moisture). Panas laten pengkondensasian uap air pada tekanan parsial 20 kN/m2 (tekanan yang umum timbul pada gas buang) adalah sebesar 2400 kJ/kg, sehingga besarnya nilai kalor bawah (LHV) dapat dihitung berdasarkan persamaan 2.2. berikut :
LHV = HHV – 2400 (M + 9 H2) ... (2.2)
Dimana: LHV = Nilai Kalor Bawah (kJ/kg)
M = Persentase kandungan air dalam bahan bakar (moisture)
Dalam perhitungan efisiensi panas dari motor bakar, dapat menggunakan nilai kalor bawah (LHV) dengan asumsi pada suhu tinggi saat gas buang meninggalkan mesin tidak terjadi pengembunan uap air. Namun dapat juga menggunakan nilai kalor atas (HHV) karena nilai tersebut umumnya lebih cepat tersedia. Peraturan pengujian berdasarkan ASME (American of Mechanical Enggineers) menentukan penggunaan nilai kalor atas (HHV), sedangkan peraturan SAE (Society of Automotive Engineers) menentukan penggunaan nilai kalor bawah (LHV), (Lampiran).
b) Daya Poros
antara poros dan bantalan. Prestasi motor bakar pertama-tama tergantung dari daya yang dapat ditimbulkannya. Semakin tinggi frekuensi putar motor makin tinggi daya yang diberikan hal ini disebabkan oleh semakin besarnya frekuensi semakin banyak langkah kerja yang dialami pada waktu yang sama. Dengan demikian besar daya poros itu ditunjukkan pada persamaan 2.3 :
�
�=
�. .� ... (2.3)Dimana : PB = daya ( W ) T = torsi ( Nm )
n = putaran mesin ( Rpm )
c) Torsi
Torsi adalah perkalian antara gaya dengan jarak. Selama proses usaha
maka tekanan-tekanan yang terjadi di dalam silinder motor menimbulkan suatu gaya yang luar biasa kuatnya pada torak. Gaya tersebut dipindahkan kepada pena engkol melalui batang torak , dan mengakibatkan adanya momen putar atau torsi pada poros engkol. Untuk mengetahui besarnya torsi digunakan alat dynamometer. Biasanya motor pembakaran ini dihubungkan dengan dynamometer dengan maksud mendapatkan keluaran dari motor pembakaran dengan cara menghubungkan poros motor pembakaran dengan poros dynamometer dengan menggunakan kopling elastik. Untuk mencari daya dan torsi ditunjukkan oleh persamaan 2.4 dan 2.5 di bawah ini.
P
B=
�. .�
... (2.4)
T =
.�. ... (2.5)
Konsumsi bahan bakar spesifik merupakan salah satu parameter prestasi yang penting di dalam suatu motor bakar. Parameter ini biasa dipakai sebagai ukuran ekonomi pemakaian bahan bakar yang terpakai per jam untuk setiap daya kuda yang dihasilkan. Untuk mencari konsumsi bahan bakar spesifik ditunjukkan oleh persamaan 2.6 di bawah ini:
SFC =
̇ � � ... (2.6)ṁ =
� � −�
... (2.7)Dengan : SFC = konsumsi bahan bakar spesifik (kg/kw.h) PB = daya (W)
ṁ = konsumsi bahan bakar Sgf = spesicific gravity t = waktu (jam)
e) Efisiensi Thermal
Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang dibangkitkan piston karena sejumlah enegi hilang akibat adanya rugi-rugi mekanis
(mechanical losses). Dengan alasan ekonomis perlu dicari kerja maksimum yang dapat dihasilkan dari pembakaran sejumlah bahan bakar. Efisiensi ini disebut juga sebagai efisiensi termal brake (thermal efficiency, ηb).
Jika daya keluaran PB dalam satuan KW, laju aliran bahan bakar mf dalam satuan kg/jam, maka untuk mencari effesiensi termal ditunjukkan pada persamaan 2.8 di bawah ini
ηb =
� . �� 3600...(2.8)
f) Heat Loss in Exhaust
Besarnya Heat Loss dapat dihitung dengan menggunakan persamaan di bawah ini.
Heat Loss = (ma x mf)x (Te – Ta )...(2.9)
dimana: Te = suhu gas keluar exhaust manifold
Ta = Suhu lingkungan (27oC)
Untuk mengetahui persentase heat loss, maka dilakukan perbandingan antara besarnya heat loss dengan energi yang dihasilkan dalam pembakaran bahan bakar dimana ditunjukkan pada persamaan berikut.
% Heat Loss =
ma x m x T – Ta� ���
...
...(2.10)2.5Supercarjer
Supercarjer adalah suatu mesin mekanaisme untuk menyuplai udara dengan kepadatan yang melebihi kepadatan udara atmosfer ke dalam silinder pada langkah hisap. Udara yang lebih padat ini akan tinggal dalam silinder untuk ditekan pada langkah kompressi. Akibat udara yang densitasnya lebih tinggi maka lebih banyak bahan bakar yang dapat terbakar sehingga daya output mesin dapat meningkat. Tekanan udara dalam silinder sewaktu awal kompressi biasanya 6 psi.
silinder dan menggantinya dengan udara segar yang tekanannya relatif sama dengan tekanan atmosfer. Akan tetapi dalam semua sistem superchargering terdapat sekaligus pembilasan dan superchargering.
Dengan supercarjer jumlah udara atau campuran bahan bakar-udara segar biasa dimasukan lebih besar daripada dengan proses pengisipan oleh torak pada waktu lagkah hisap. Tekanan udara masuk silinder bersekitar antara 1,2-2,2 kg/cm2. Motor 2 tak dengan supercarjer akan menaikkan sekaligus tekanan isap dan tekanan buang.
Tujuan utama pemakaian supercarjer adalah untuk menambah daya akibat perubahan ketinggian tempat operasi (kepadatan udara rendah), ataupun untuk meningkan daya yang dapat diperoleh dari mesin tanpa supercarjer, mengurangi biaya bahan bakar, dan mengurangi berat atau ruang konstruksi pada suatu daya tertentu. Peningkatan daya output yang dapat diperoleh dari suatu mesin yang dilengkapi dengan supercarjer
tergantung oleh beberapa faktor, tetapi yang terpenting adalah tekanan superchargering. Peningkatan daya output yang diperoleh dapat mencapai 40-100 , tetapi dengan disain khusus peningkatan yang lebih besardapai dicapai. Mesin yang dilengkapi dengan supercarjer seperti yang dikatakan sebelumnya juga menghemat bahan bakar karena daya yang diperolah dengan mengunakan supercarjer meningkat dengan cepat dibandingkan dengan losses-losses akibat gesekan yang relatif tetap dan juga disebabkan oleh kecepatan udara yang tinggi me nyebabkan aliran turbulen dalam ruangan bakar sehingga proses pencampuran udara + bahan bakar dapat lenih cepat dan lebih baik mutunya.
Dilihat dari konstruksinya dan harganya, motor diesel di bawah 100 PS tidak ekonomis menggunakan supercarjer. Tetapi apabila mesin harus bekerja pada ketinggian lebih dari 1500 meter diatas laut,
tersebut. Mesin dengan daya diantara 100 PS dan 200 PS yang banyak dipakai pada kendaraan laut tidak memperlihatkan pembatasan yang tegas, banyak juga yang menggunakan supercarjer. Dalam hal tersebut kapal laut kebanyakan memakai motor diesel tanpa supercarjer.
Diatas 250 PS, motor diesel untuk kendaraan darat dan kapal laut biasanya menggunakan supercarjer. Unit stasioner di bawah 1000 PS, karena ukuran dan berat tidak merupakan faktor yang terlalu menentukan pada umumnya jarang menggunakan supercarjer.
Pada motor diesel supercarjer dapat mempersingkat priode persiapan pembakaran sehingga karakteristik pembakaran menjadi lebih baik. Disamping itu terbuka kemungkinan untuk menggunakan bahan bakar dengan menggunakan bahan bakar dengan bilangan setana yang lebih rendah. Akan tetapi jangan hendaknya melupakan tekanan dan temperatur gas pembakaranya karena hal tersebut akan menyangkut
persoalan pendinginan, konstruksi, kekuatan material serta umur.
Untuk mencegah terjadinya tekanan maksimum yang terlalu tinggi ada kecenderungan untuk mengurangi perbandingan kompresi yang sekaligus memperingan start mesin. Karena supercarjer dapat memasukkan udara lebih banyak, dapat diharapkan menjadi lebih baik dan gas buangnya lebih bersih. Saat ini banyak motor diesel yang semulanya dirancang untuk bekerja tanpa supercarjer dilengkapi dengan supercarjer untuk mencapai tujuan tersebut.
Pada mesin pesawat terbang, supercharjer digunakan untuk memperoleh daya sebesar –besarnya pada waktu tinggal landas dan untuk memampas berkurangnya kepadatan udara pada ketinggian yang lebih tinggi. Boleh dikatakan, kecuali pada motor bensin yang kecil, semua pesawat terbang selalu menggunakan supercarjer. Persoalan denotasi dapat diatasi dengan menggunakan bensin dengan bilangan oktana yang lebih tinggi (aviation-type fuels) dan dalam banyak hal dengan menyemprotkan air alkohol ke dalam arus udara pada waktu tinggal landas. Demikian juga motor bensin untuk mobil balap, yang lebih mementingkan daya daripada efisiensi, banyak memakai supercarjer. Apabila motor dirancang untuk mencpai efisiensi maksimum pada daerah pembebanan tinggi, maka pembebanan rendah daya dan efisiensinya turun karena pembakaran kurang sempurnah. Adapun bentuk dari supercarjer diperlihatkan pada Gambar 2.8.
Gambar 2.8 Supercharger
2.5.1 Jenis- jenis Supercharger
Berdasarkan kompressor yangdigunakan untuk menggerakkan supercharger maka supercarjer dapat dibagi atas :
1. Impeler dengan 2 lobes 2. Impeler dengan 3 lobes
b) Supercarjer yang menggunakan centrifugal compressor.
Sedangkan berdasarkan cara penggerakkan kompressor maka supercarjer dapat dibagi atas :
1. Kompressor yang digerakkan dari crankshaft mesin itu sendiri
2. Kompressor yang digerakkan dari sumber daya luar
3. Kompressor yang digerakkan turbin dengan pemanfatan gas buang (Turbocharger) yang dapat dibagi atas :
a. Turbocarjer 2 tingkat (Two Stage Turbochargering)
b. Turbocarjer majemuk (compound Turbochargering)
Jenis-jenis kompressor
1. Positive Displacement Rotary Compressor
Positve displacement rotary compressor yang digunakan
dalam supercharger biasanya berasal dari tipe “ROOT” yang terdiri
atas dun rotor (impeler) yang bergerak secara berlawanan. Impeler dipasang pada kedua poros yang paralel dan memiliki dua atau tiga kuping (lobes) yang saling berpasangan seperti roda gigi ketika impeler ini berputar. Udara yang masuk pada awlnya akan terjebak pada ruang antara rumah dan lembah pada lobes yang saling berdekatan, yang kemudian dibawa ke saluran keluar dan udara dipaksa memasuki ruang silinder.
Untuk impeler dengan 2 kuping (lobes) memiliki sifat-sifat sebagai berikut:
1. Menghasilkan kapasitas udara yang paling maksimum
3. Pemasukan udara yang tidak kontinius
4. Sangat berisik terutama jika bentuk lobenya lurus
Sedangkan untuk imepeler dengan 3 lobes yang berbentuk spiral, merupakan tipe root kompressor yang lebih baik dibandingkan dengan 2 lobes karena tidak besrisik dan terutama karena aliran udara lebih merata (kontiniu)
2. Centrifugal kompressor
Sentrifugal kompressor merupakan tipe kompressor yang menggunakan rada kecepatan tinggi yang dilengkapi sudu-sudu dan ditiup dengan casing berbentuk valve. Udara memasuki casing melalui saluran masuk, kemudian melalui sudu-sudu roda tersebut seolah-olah dilemparkan dengan gaya sentrifugal kesaluran kompressor. Udara yang dilempar dengan kecepatan tinggi ini masuk saluran buang diubah energi kinetiknya menjadi energi tekanan melalui diffuser.
Biasanya putaran 4000-5000 rpm. Keunggulan positve displacement rotary compressor dibandingkan dengan centrifugal compressor jika penggeraknya berasal dari mesin itu sendiri adalah terletak pada kapasitas udara yang dipindahkan ke ruang silinder.
Positive displacement rotary compressor secara praktis akan melapaskan udara dalam jumlah yang sama setiap putaran mesin tanpa memperhatikan kecepatan ataupun tekanan kerja dalam silinder. Tetapi untuk kompressor sentrifugal jumlah udara yang dimasukkan ke dalam silinder tiap putaran mesin akan selslu berubah-ubah karena tergantung pada kuadrat kecepatan roda putarnhya sehingga kapasitas pemasukkan udaranya akan jauh lebih sedikit dibandingkan dengan positive displacement rotary compressor terutaman pada putaran rendah.
Supercharger dapat menyerap sebanyak sepertiga tenaga crankshaft mesin dan dalam banyak aplikasi kurang efisien daripada turbocharger.
Menurut Society of Automotive Engineers (SAE), turbocarjer berfungsi menambah tekanan dan keperekatan dari cairan – dalam hal ini campuran udara dan bensin – yang masuk ke ruang baker mesin bensin. Untuk itu digunakan kompresor yang digerakan turbin melalui pemanfaatan tenaga dan tekanan gas sisa pembakaran. Bila mengacu pada kamus bahasa otomotif, supercarjer adalah sebuah kompresor yang bekerja secara mekanis, digerakan puli crankshaft dengan bantuan tali pengerak (belt driven). Pada Gambar 2.9 ditampilkan bentuk turbocarjer.
