Karakteristik Spray Biodiesel Callophyllum Inophyllum dan Campurannya dengan Pemanasan
Geza Sandhiyoga
1, Mustapa
2, Lukman Hakim
2, Nasrul Ilminnafik
3, M.
Nurkoyim
3, Rika Dwi H. Q
31Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Jember, 68121
2Program Magister Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Jember, 68121
3Departemen Teknik Mesin, Universitas Jember. 68121
Abstrak
Karakteristik Spray peran penting dalam menentukan kinerja mesin diesel. Bahan bakar dengan viskositas tinggi menghasilkan karakteristik spray dengan atomisasi lebih besar. Pemanasan bahan bakar mampu memperbaiki kualitas pembakaran. Tujuan penelitian ini mengetahui pengaruh pemanasan bahan bakar terhadap karakteristik spray tip penetration, velocity of spray, dan spray cone angel. Metode penelitian menggunakan metode eksperimental pada campuran bahan bakar minyak biji nyamplung (Callophyllum Inophyllum) dan minyak diesel dengan komposisi B0, B20, B30 dan B100 dan variasi pemanasan bahan bakar 70 oC, 90 oCdan 110 oC. Bahan bakar diinjeksikan pada nozzle tester dengan tekanan 13.8 MPa. Spray yang terjadi direkam dengan high speed camera pada 480 fps dengan resolusi 224×168. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kenaikan temperatur dapat mempengaruhi karakteristik spray, yaitu pada komposisi B0 dengan pemanasan 110 oC, mendapatkan spray yang paling baik yaitu spray tip penetration sebesar 123.44 mm, spray angle 11.22o dan velocity of spray 32.07 mm/ms.
Kata-kata kunci: Karakteristik spray, Biodiesel Callophyllum Inophyllum, temperatur
Abstract
Spray characteristics play an important role in determining the performance of a diesel engine. High viscosity fuels produce spray characteristics with greater atomization. Heating the fuel can improve combustion quality.
The purpose of this study was to determine the effect of heating fuel on the characteristics of spray tip penetration, velocity of spray, and spray cone angel. The research method used experimental methods on a mixture of nyamplung seed oil (Callophyllum Inophyllum) and diesel oil with a composition of B0, B20, B30 and B100 and variations in fuel heating of 70 oC, 90 oC and 110 oC. injection into the nozzle tester with a pressure of 13.8 MPa. Spray recorded with a high speed camera at 480 fps with a resolution of 224 × 168 The results showed that the temperature increase can affect the spray characteristics, in the composition B0 with heating at 110 oC, spray tip penetration is better at 123.44 mm, 11.22o spray angle and velocity of spray 32.07 mm / ms
Keywords: Characteristics, Spray, Biodiesel Callophyllum Inophyllum, Heating
* Corresponding author E-mail address: nasrul.teknik@unej.ac.id
1. PENDAHULUAN
Salah satu bahan baku pembuatan biodiesel adalah buah nyamplung (Calophyllum inophyllum L.) merupakan salah satu dari banyak tanaman di Indonesia yang berpotensi besar untuk menjadi biodiesel karena kandungan minyak pada bijinya yang tinggi [1]. Produktivitas benih C. inophyllum juga tinggi. Ini bisa mencapai 20 ton biji / hektar, lebih tinggi dari biji karet produktivitas (2 ton benih / hektar) dan produktivitas benih jarak (5 ton benih / hektar). Selain itu, C. inophyllum adalah tanaman yang tidak dapat dimakan, sehingga pemanfaatannya sebagai bahan baku biodiesel tidak akan mengganggu rantai penyediaan makanan[1][2].
Penggunaan biodiesel minyak nyamplung telah dilakukan uji kinerja pada mesin diesel dan masih mengalami kendala, karena viskositas dan densitasnya lebih tinggi dari minyak solar. Hal ini mengakibatkan kinerja dari mesin diesel tidak optimal [3]. Viskositas bahan bakar memiliki peran penting dalam pembentukan karakteristik semprotan [4] [5], Kualitas bahan bakar juga mempengaruhi karakteristik pembakaran [6].
Sejumlah penelitian telah dilakukan untuk mengetahui karakteristik semprotan pada berbagai penelitian pengaruh pemanas bahan bakar [7], pengaruh campuran bahan bakar [8], [9]. Pengaruh pemanasan meningkatkan kecepatan semprotan sehingga kualitas pembakaran lebih cepat dengan Nox lebih rendah.
Pembakaran yang tidak sempurna dipengaruhi oleh tingkat homogenitas campuran udara dan bahan bakar.
Tingkat homogenitas campuran membuat bahan bakar yang menguap, terkompresi di udara untuk mencapai pengapian secara cepat dan memiliki campuran paling lengkap. Oleh karena itu, karakteristik spray injeksi bahan bakar juga memainkan peran utama dalam proses pembakaran, dimana sejumlah besar butiran bahan bakar diuapkan untuk pencampuran dan pembakaran yang lebih baik [10].
Upaya perubahan fase cair menjadi uap dalam optimasi karakteristik semprotan telah dilakukan untuk mengetahui perilaku semprotan berbagai variasi pemanasan bahan bakar, diantaranya pemanasan bahan bakar [7][11]. Dari hasil penelitian pendahuluan, maka selanjutnya perlu dilakukan penelitian lanjutan tentang uji pengaruh temperatur dan variasi campuran biodesel nyamplung terhadap karakteristik spray dengan sistem injeksi langsung. Tujuan dari penilitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh variasi temperatur dan campuran biodesel nyamplung pada minyak diesel terhadap karakteristik semprotan yang dihasilkan.
2. METODE PENELITIAN
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimental, yaitu suatu metode yang digunakan variasi temperatur injeksi dan komposisi campuran biodesel minyak nyamplung terhadap karakteristik spray. Bahan bakar minyak diesel diperoleh dari PT. Pertamina Indonesia cabang dan biodiesel minyak nyamplung dibuat di Lab. Konversi Energi Teknik Mesin Universitas Jember. Sebelum uji semprotan masing-masing biodiesel diuji viskositasnya berdasarkan standar ASTM D-45 dan uji densitas standar ASTM D-1298. Dalam mengetahui komposisi campuran minyak diesel dan biodiesel nyamplung, ditetapkan campuran B20 (20% Biodiesel) dan B30 (30% Biodiesel) Pencampuran dilakukan selama kurang lebih 15 menit menggunakan magnetic stirrer. Penelitian ini dilakukan pada kondisi injeksi standard yaitu 13.8 Mpa dan 14.8 Mpa dan variasi temperatur pemanasan bahan bakar seperti ditunjukkan pada Tabel 2.
Gambar 1. Campuran bahan Bakar
Gambar 2. Skema penelitian karakteristik semprotan
Keterangan : 1. Nozzle Tester 5. Nozzle Injector
2. Ruang Pengujian 6. Selang Kompressor
3. Kompressor 7. Lampu Sorot
4. Heater 8. High Speed Camera
Tabel 1. Kondisi eksperimental Sistem Injeksi Injector tester Jarum injektor Throttle (satu lubang)
Diameter lubang 0,2 mm
Tekanan injeksi 13.8 Mpa dan 14.8 Mpa Temperatur bahan bakar 70 oC, 90 oC dan 110 oC
Hasil spray direkam dengan menggunakan high speed camera Fuji Fine Pix HS 10 pada 480 fps (frame per second) pada resolusi 224x168. Kemudian Gambar diolah menggunakan Video converter jpg, Hasil olah gambar selanjutnya di ukur menggunakan Image-J dan di analisis menggunakan microsoft excel. Gambar semprotan diukur adalah Panjang semprotan (tip penetration), sudut semprotan (spray angle) dan Kecepatan semprotan velocity of spray. Hasil pengamatan seperti Gambar 3.
Gambar 3. Skema penelitian karakteristik semprotan
3. HASIL PENELITIAN
Viskositas dan Densitas Bahan Bakar
Viskositas adalah sifat cairan yang menyatakan besarnya perlawanan atau hambatan dari suatu bahan bakar cair untuk mengalir atau ukuran besarnya tahanan geser dari bahan cair. Viskositas terjadi terutama karena adanya interaksi antara molekul molekul cairan. Viskositas mempengaruhi derajat pemanasan awal yang diperlukan untuk handling, penyimpanan, dan atomisasi yang memuaskan
Tabel 2. Sifat Karakteristik bahan bakar
Gambar 4. Grafik pengaruh temperatur pemanasan bahan bakar
Pada temperatur 70oC bahan bakar B20 dapat menaikkan nilai densitas sebesar 0.25% dari bahan bakar B0, bahan bakar B30 dapat menaikkan nilai densitas sebesar 1.85%, dan bahan bakar B100 dapat menaikkan nilai densitas sebesar 4.94%. Pada temperatur 90oC bahan bakar B20 dapat menaikkan nilai densitas sebesar 0.63%
dari bahan bakar B0, bahan bakar B30 dapat menaikkan nilai densitas sebesar 1.38%, dan bahan bakar B100 dapat menaikkan nilai densitas sebesar 4.26%. Pada temperatur 110oC bahan bakar B20 dapat menaikkan nilai densitas sebesar 1.40% dari bahan bakar B0, bahan bakar B30 dapat menaikkan nilai densitas sebesar 1.52%, dan bahan bakar B100 dapat menaikkan nilai densitas sebesar 4.06%. Penelitian yang dilakukan sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh Gorica [12].
Pengaruh pemanasan pada Gambar 3. semakin tinggi kenaikan temperatur maka diikuti dengan penurunan densitas bahan bakar. Hal ini selaras dengan teori termodinamika, semakin tinggi temperatur suatu fluida, molekul fluida akan bergerak cepat sehingga secara makro akan meningkatkan tekanan. Viskositas juga memiliki tren yang sama. Kenaikan suhu akan mengakibatkan menurunnya ikatan antar molekul, yang secara langsung berpengaruh terhadap tegangan geser [12].
Spray Tip Peneteration
Spray tip penetration paling tinggi adalah komposisi bahan bakar B100 dengan variasi temperatur 70oC dengan nilai 200.045 mm dan paling rendah ada pada komposisi bahan bakar B0 dengan variasi temperatur 110oC dengan nilai 123.44 mm. di temperatur 70oC bahan bakar B20 dapat menaikkan nilai spray tip penetration sebesar 2.23% dari bahan bakar B0, bahan bakar B30 dapat menaikkan nilai spray tip penetration sebesar 7.19%, dan bahan bakar B100 dapat menaikkan nilai spray tip penetration sebesar 8.97%. Pada temperatur 90oC bahan bakar B20 dapat menaikkan nilai spray tip penetration sebesar 3.9% dari bahan bakar B0. Gambar
Parameter Satuan Hasil analisa
Metode analisa
B0 B20 B30 B100
Densitas 40 oC g/mL 0,831 0,838 0,845 0,890 ASTM D-1298
Viskositas 40 oC cSt 2,21 3 3,25 4 ASTM D-45
Gambar 5. Grafik spray tip penetration
Pada bahan bakar B30 dapat menaikkan nilai spray tip penetration sebesar 9%, dan bahan bakar B100 dapat menaikkan nilai spray tip penetration sebesar 14.42%. Pada temperatur 110oC bahan bakar B20 dapat menaikkan nilai spray tip penetration sebesar 20% dari bahan bakar B0, bahan bakar B30 dapat menaikkan nilai viskositas sebesar 35%, dan bahan bakar B100 dapat menaikkan nilai viskositas sebesar 49%. Hal ini sesuai dengan penelitian yang telah dilakukan sebelumnya [7], [11][13]
Spray angle
Pengaruh pemanasan bahan bakar mengakibatkan kenaikan angka sudut semprotan (spray angle). Kenaikan nilai spray angle diakibatkan oleh semakin turunnya nilai viskositas dan densitas bahan bakar tersebut.
Gambar 6. Grafik spray angle
Nilai spray angle paling tinggi ada pada komposisi B0 dengan temperatur 110 oC dengan nilai 11.22 dan paling rendah ada pada B100 pada kondisi pemanasan 70oC dengan nilai 6.795 mm. Pemanasan B20 pada kondisi 110oC spray angle hampir sama dengan B0 pada kondisi suhu 70 oC, Komposisi B30 mengalami penurunan nilai spray angle sebesar 16.19%, dan bahan bakar B100 mengalami penurunan nilai spray angle sebesar 30.51%. Pada temperatur 90oC bahan bakar B20 dapat mengalami penurunan nilai spray angle sebesar 10.45% dari bahan bakar B0, bahan bakar B30 mengalami penurunan nilai spray angle sebesar 17.12%, dan bahan bakar B100 mengalami penurunan nilai spray angle sebesar 28.09%. Pada temperatur 110oC bahan bakar B20 mengalami nilai spray angle sebesar 10.45% dari bahan bakar B0, bahan bakar B30 mengalami penurunan nilai Viskositas sebesar 13.26%, dan bahan bakar B100 mengalami nilai spray angle sebesar 29.16%. Penelitian pengaruh pemanasan bahan menghasilkan kualitas bahan bakar yang berbeda sehingga mampu memperbaiki kualitas pembakaran dan semprotan [7][14].
Velocity of spray
Kecepatan semprotan (velocity of spray) diakibatkan tekanan injeksi dan karakteristik bahan bakar seperti bahan bakar yang memiliki viskositas tinggi dan densitas bahan bakar mengakibatkan spray tip penetration bahan bakar semakin pendek[5], [9].
Gambar 8. Grafik velocity of spray
Velocity of spray paling tinggi ada pada komposisi bahan bakar B100 dengan variasi temperatur 70oC dengan nilai 32.07 mm/ms dan paling rendah ada pada komposisi bahan bakar B0 dengan variasi temperatur 110oC dengan nilai 19.75 mm/ms. Pada temperatur 70oC bahan bakar B20 mengalami penurunan nilai velocity of spray sebesar 2.24% dari bahan bakar B0, bahan bakar B30 mengalami penurunan nilai velocity of spray sebesar 7.20%, dan bahan bakar B100 mengalami penurunan nilai velocity of spray sebesar 8.97%. Pada temperatur 90oC bahan bakar B20 dapat mengalami penurunan nilai velocity of spray sebesar 1.75% dari bahan bakar B0, bahan bakar B30 mengalami penurunan nilai velocity of spray sebesar 9.03%, dan bahan bakar B100 mengalami penurunan nilai velocity of spray sebesar 14.44%. Pada temperatur 110oC bahan bakar B20 mengalami nilai velocity of spray sebesar 20.35% dari bahan bakar B0, bahan bakar B30 mengalami penurunan nilai viskositas sebesar 43.14%, dan bahan bakar B100 mengalami nilai velocity of spray sebesar 49.27%.
Penelitian ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan sebelumnya, Bahwa viskositas bahan bakar memiliki ukuran droplet yang lebih besar sehingga memiliki momentum yang besar untuk menembus hambatan dari lingkungan tempat bahan bakar diinjeksikan dan menyebabkan velocity of spray menjadi lebih tinggi [4], [5], [9].
4. KESIMPULAN
1. Pengaruh pemanas menyebabkan nilai viskositas dan densitas bahan bakar menurun. Pada penelitian ini, bahan bakar dengan komposisi campuran B0 dan variasi temperatur 110oC memiliki nilai densitas dan viskositas terendah sebesar 0.788 gr/ml dan 1.288 mm2/s
2. Pemanasan bahan bakar mempengaruhi spray tip penetration. Semakin tinggi temperatur spray tip penetration nilai spray menurun.
3. Pemanasan bahan bakar mempengaruhi spray angle. Semakin bertambahnya tinggi temperatur spray angle semakin lebar.
4. Penambahan variasi temperatur akan mempengaruhi velocity of spray. Semakin bertambahnya variasi temperatur akan menyebabkan penurunan nilai velocity of spray. Pada penelitian ini, bahan bakar dengan komposisi campuran B100 dan variasi temperatur 70 oC memiliki nilai velocity of spray paling tinggi sebesar 32.07 mm/ms
REFERENSI
[1] M. Fadhlullah, S. N. B. Widiyanto, and E. Restiawaty, “The potential of nyamplung (Calophyllum inophyllum L.) seed oil as biodiesel feedstock: Effect of seed moisture content and particle size on oil yield,” Energy Procedia, vol. 68, pp. 177–185, 2015, doi: 10.1016/j.egypro.2015.03.246.
[2] A. E. Atabani et al., “Non-edible vegetable oils : A critical evaluation of oil extraction , fatty acid compositions , biodiesel production , characteristics , engine performance and emissions production,”
Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 18, pp. 211–245, 2013, doi: 10.1016/j.rser.2012.10.013.
[3] N. Ilminnafik, “"The influence of biodiesel fuel oil blend Java Callophylum innopillum performance and emissionson diesel engine single-cylinder ",” Int. Res. J. Eng. Technol., pp. 1–7, 2008, [Online].
Available: www.irjet.net.
[4] Moh . Tarom , Nasrul, “Research Article Effects Of Ambient Pressure In A Constant Volume Spray Chamber On The Characteristics Of Biodiesel-Mixed Biodiesel Mixed Sprays” 2018.
18 20 22 24 26 28 30 32 34
50 70 90 110 130
V el oc it y of s pr ay (m m /m s)
Temperatur (
oC)
B0 B20
[5] M. Aziz. L, H. Lukman, and I. Nasrul, “Karakteristik Spray Bahan Bakar Campuran Minyak Diesel Dan Biodiesel Callophyllum Inophyllum” vol. 13, no. April, pp. 27–30, 2020.
[6] H. H. Bachtiar, B. A. Fachri, and N. Ilminnafik, “Flame Characteristics of Diffusion of Calophyllum inophyllum Methyl Ester on Mini Glass Tube,” vol. 1, no. 1, pp. 40–47, 2019.
[7] S. Anis and G. N. Budiandono, “Investigation of the effects of preheating temperature of biodiesel-diesel fuel blends on spray characteristics and injection pump performances,” Renew. Energy, vol. 140, pp. 274–
280, 2019, doi: 10.1016/j.renene.2019.03.062.
[8] A. K. Agarwal and V. H. Chaudhury, “Spray characteristics of biodiesel/blends in a high pressure constant volume spray chamber,” Exp. Therm. Fluid Sci., vol. 42, pp. 212–218, 2012, doi:
10.1016/j.expthermflusci.2012.05.006.
[9] A. Ghurri, K. Jae-duk, S. Kyu-Keun, J. Jae-Youn, and K. H. Gon, “Qualitative and quantitative analysis of spray characteristics of diesel and biodiesel blend on common-rail injection system,” J. Mech. Sci.
Technol., vol. 25, no. 4, pp. 885–893, 2011, doi: 10.1007/s12206-011-0142-4.
[10] B. Sudarmanta and D. Sungkono, “Transesterifikasi Crude Palm Oil dan Uji Karakteristik Semprotan Menggunakan Injektor Motor Diesel,” no. 60111, 2001.
[11] A. T. Hoang, “Experimental study on spray and emission characteristics of a diesel engine fueled with preheated bio-oils and diesel fuel,” Energy, vol. 171, pp. 795–808, 2019, doi:
10.1016/j.energy.2019.01.076.
[12] V. B. Veljkovic, M. L. Kijevc, G. R. Ivaniš, and I. R. Radovic, “Thermodynamic properties of biodiesel and petro-diesel blends at high pressures and temperatures . Experimental and modeling,” vol. 184, pp.
277–288, 2016, doi: 10.1016/j.fuel.2016.07.023.
[13] T. Nguyen, M. Pham, and T. Le, “Spray , combustion , performance and emission characteristics of a common rail diesel engine fueled by fi sh-oil biodiesel blends,” Fuel, vol. 269, no. December 2019, p.
117108, 2020, doi: 10.1016/j.fuel.2020.117108.
[14] A. Günther and K. Wirth, “International Journal of Heat and Mass Transfer Evaporation phenomena in superheated atomization and its impact on the generated spray,” vol. 64, pp. 952–965, 2013, doi:
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.05.034.
