Pengujian Performansi Motor Diesel Dengan Biodiesel Dari Dimethil Ester

(1)

PENGUJIAN PERFORMANSI MOTOR DIESEL

DENGAN BIODIESEL DARI DIMETHIL ESTER

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

KRISNADI T.A.P NAIBAHO NIM. 04 0401 060

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

ABSTRAK

Kelangkaan akan bahan bakar minyak (BBM) yang terjadi mendorong dilakukannya penelitian untuk mengembangkan sumber bahan bakar alternatif lain sebagai pengganti solar . Berdasarkan pemikiran tersebut maka dilakukan pengujian mesin diesel TecQuipment type.TD4A 001 dengan menggunakan bahan bakar biodiesel dari kelapa sawit. Pada pengujian ini biodiesel yang didapat dari minyak kelapa sawit mengalami proses esterifikasi dan transesterifikasi dalam bentuk dimethil ester.

(3)

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala karunia dan berkat yang telah diberikan-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini.

Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin , Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara . Adapun Yang menjadi judul dari pada Skripsi ini yaitu “Pengujian Performansi Motor Diesel Dengan Biodiesel Dari Dimethil Ester “ .

Dalam menyelesaikan Skripsi ini , penulis banyak sekali mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini penulis menyampaikan penghargaan dan ucapan terimah kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus , ST, MT, selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya membimbing penulis dalam menyelesaikan Skripsi ini.

2. Bapak DR.ING.Ir.Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

3. Bapak / Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

4. Kedua orang tua penulis , Ayahanda R.N.Naibaho dan Ibunda L.br.Sitanggang yang terus membimbing dan mengarahkan penulis.

5. Adikku Riky C Naibaho.SH dan Romi D.K Naibaho, terima kasih atas segala bantuan dan dukungan yang telah diberikan baik berupa moril dan materil selama

(4)

6. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin , terkhusus stambuk 2004 yang tidak dapat disebutkan namanya satu persatu , “ Solidarity Forever “.

7. Rekan – rekan “ Aser tbk. “ , Adrian Hutagalung , Rendy Audy Sirait , Apul Tua Sipayung . Kepada Agustinus Sianturi “ My Neger “ , Lae Cipta, Ibu Friska Melva Saragih. Spd, dan yang lainnya. Terimah kasih atas segala kebersamaan dalam suka dan duka yang telah kita lalui bersama .

8. Staff Laboratorium Motor Bakar Deparetemen Teknik Mesin USU , bang Atin / DEDEN yang telah banyak membantu dan membimbing penulis selama penelitian ini berjalan .

Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam Skripsi ini. Oleh karena itu , Penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun untuk

penyempurnaan Skripsi ini. Sebelum dan sesudahnya Penulis ucapkan banyak terima kasih .

Medan 24 Februari 2009

Penulis,

(5)

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI ... .iv

DAFTAR TABEL ... .... vii

DAFTAR GAMBAR ... ... viii

DAFTAR NOTASI ... ... x

BAB 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Pengujian... 3

1.3 Manfaat pengujian ... 3

1.4 Ruang Lingkup Pengujian ... 3

1.5 Sistematika Penulisan ... 4

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Performansi Motor Bakar Diesel... 5

2.1.1 Torsi dan daya ... 5

(6)

2.1.3 Perbandingan udara bahan bakar (AFR) ... 6

2.1.4 Efisiensi volumetris ... 7

2.1.5 Efisiensi thermal brake... 8

2.2 Teori Pembakaran... 8

2.2.1 Nilai Kalor Bahan Bakar ... 9

2.3 Bahan Bakar Diesel ... 10

2.4 Biodiesel ... 12

2.4.1 Karaktristik Biodiesel ... 13

2.4.2 Biodiesel dari Minyak Kelapa Sawit ... 16

2.5 Emisi Gas Buang ... 17

BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan tempat ... 21

3.2 Bahan dan alat ... 21

3.3 Metode Pengumpulan Data ... 21

3.4 Pengamatan dan tahap pengujian ... 22

3.5 Prosedur Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar ... 23

3.6 Prosedur Pengujian Performansi Motor Diesel ... 26

(7)

BAB 4. HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN

4.1 Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar ... 33

4.2 Pengujian Performansi Motor Bakar Diesel ... 35

4.2.1 Daya ... 36

4.2.2 Torsi ... 40

4.2.3 Konsumsi bahan bakar spesifik ... 43

4.2.4 Rasio perbandingan udara bahan bakar ... 48

4.2.5 Efisiensi volumetris ... 54

4.2.6 Efisiensi termal brake ... 59

4.3 Pengujian Emisi Gas Buang 4.3.1 Kadar carbon monoksida (CO) dalam gas buang ...68

4.3.2 Kadar nitrogen oksida (NOx) dalam gas buang...71

4.3.3 Kadar unburned hidro carbon (UHC) dalam gas buang...73

4.3.4 Kadar carbon dioksida (CO2) dalam gas buang...76

(8)

BAB 5. KESIMPULAN

5.1 Kesimpulan...82 5.2 Saran ... 84

DAFTAR PUSTAKA ... 85

(9)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Karakteristik mutu solar ... 11

Tabel 2.2 Struktur Kimia Asam Lemak pada Biodiesel ... 12

Tabel 2.3 Perbandingan Biodiesel dan Solar (Petrodiesel) ... 15

Tabel 2.4 Sifat fisik dan kimia minyak jarak ... 17

Tabel 3.1 Spesifikasi Mesin Diesel TD4A 4-langkah ... .... 27

Tabel 3.2 Spesifikasi TD4A 001 Instrumentation Unit ... 28

Tabel 4.1 Data hasil pengujian dan perhitungan bom kalorimeter ... 35

Tabel 4.2 Data hasil perhitungan untuk daya ... 37

Tabel 4.3 Data hasil perhitungan untuk torsi ... 40

Tabel 4.4 Data hasil perhitungan untuk Sfc...44

Tabel 4.5 Data hasil perhitungan untuk AFR...50

Tabel 4.6 Data hasil perhitungan untuk efisiensi volumetris...56

Tabel 4.7 Jumlah air yang terbentuk dari pembakaran tiap 1 kg biodiesel...61

Tabel 4.8 Data hasil perhitungan untuk efisiensi termal brake...64

Tabel 4.9 Kadar CO dalam gas buang...68

(10)

Tabel 4.11 Kadar UHC dalam gas buang...73

Tabel 4.12 Kadar CO2 dalam gas buang...76

(11)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Reaksi Transesterifikasi ... .... 16

Gambar 3.1 Bom kalorimeter ... 23

Gambar 3.2 Diagram alir Pengujian nilai kalor bahan bakar ... 25

Gambar 3.3 Mesin uji (TD4 A 001) ... .... 26

Gambar 3.4 TD4 A 001 4 –Stroke Diesel Engine ... .... 26

Gambar 3.5 TD4 A 001 Instrumentation Unit ... .... 27

Gambar 3.6 Diagram alir pengujian performansi motor bakar diesel ... .... 30

Gambar 3.7 Auto logic gas analizer ... .... 31

Gambar 3.8 Diagram alir pengujian emisi gas buang motor bakar diesel ... .... 32

Gambar 4.1 Grafik Daya vs putaran untuk beban 10 kg ... 38

Gambar 4.2 Grafik Daya vs putaran untuk beban 25 kg ... 39

Gambar 4.3 Grafik Torsi vs putaran untuk beban 10 kg... 42

Gambar 4.4 Grafik Torsi vs putaran untuk beban 25 kg... 42

Gambar 4.5 Grafik Sfc vs putaran untuk beban 10 kg ... 47

Gambar 4.6 Grafik Sfc vs putaran untuk beban 25 kg ... 47

Gambar 4.7 Kurva Viscous Flow Meter Calibration ... 49

(12)

Gambar 4.9 Grafik AFR vs putaran untuk beban 25 kg ... 54

Gambar 4.10 Grafik Efisiensi volumetris vs putaran untuk beban 10 kg ... 58

Gambar 4.11 Grafik Efisiensi volumetris vs putaran untuk beban 25 kg ... 59

Gambar 4.12 Grafik BTE vs putaran untuk beban 10 kg... 67

Gambar 4.13 Grafik BTE vs putaran untuk beban 25 kg... 67

Gambar 4.14 Grafik kadar CO vs putaran untuk beban 10 kg...69

Gambar 4.15 Grafik kadar Co vs putaran untuk beban 25 kg...70

Gambar 4.16 Grafik kadar NOX vs putaran untuk beban 10 kg...72

Gambar 4.17 Grafik kadar NOX vs putaran untuk beban 25 kg...72

Gambar 4.18 Grafik kadar UHC vs putaran untuk beban 10 kg...74

Gambar 4.19 Grafik kadar UHCvs putaran untuk beban 25 kg...75

Gambar 4.20 Grafik kadar CO2 vs putaran untuk beban 10 kg...77

Gambar 4.21 Grafik kadar CO2 vs putaran untuk beban 25 kg...78

Gambar 4.22 Grafik kadar O2vs putaran untuk beban 10 kg...80

(13)

DAFTAR NOTASI

Lambang Keterangan

PB

Satuan

Daya keluaran Watt

n Putaran mesin Rpm

T Torsi N.m

Sfc Konsumsi bahan bakar spesifik g/kW.h

.

f

m Laju aliran bahan bakar kg/jam

sgf Spesific gravity

Vf Volume bahan bakar yang diuji Ml

tf Waktu untuk menghabiskan bahan bakar Detik

.

a

m Laju aliran massa udara kg/jam

ρ_a Kerapatan udara kg/m3

Vs Volume langkah torak Cc

Cf Faktor koreksi

AFR Air fuel ratio

(14)

η_b Efisiensi thermal brake

HHV Nilai kalor atas bahan bakar kJ/kg

LHV Nilai kalor bawah bahan bakar kJ/kg

CV Nilai kalor bahan bakar kJ/kg

CV Panas jenis bom kalorimeter kJ/kg.oC

M Persentase kandungan air dalam bahan bakar

(15)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Saat ini bahan bakar mesin diesel di Indonesia khususnya untuk jenis kendaraan roda empat didominasi oleh solar yang terbuat dari minyak bumi, padahal kebutuhan akan bahan bakar dari tahun ketahun terus meningkat berbanding terbalik dengan produksi dan cadangan minyak bumi di dalam negeri. Hal ini terlihat jelas pada akhir-akhir ini di negara kita sering terjadi kelangkaan bahan bakar minyak (BBM), bahkan Indonesia sudah menjadi negara importir netto minyak bumi. Oleh karena itu perlu dilakukan pengembangan sumber bahan bakar alternatif, khususnya untuk memenuhi kebutuhan mesin-mesin yang mengkonsumsi solar sebagai sumber bahan bakarnya (mesin diesel).

(16)

Amerika Serikat dan beberapa negara Eropa telah mengembangkan dan menggunakan biodiesel sebagai bahan bakar alternatif untuk mesin diesel secara luas dengan bahan baku minyak kedelai dan minyak rapessed ( minyak canola ).

Sebagai negara penghasil minyak sawit terbesar dunia, Malaysia dan Indonesia juga telah mengembangkan produk biodiesel dari minyak sawit ( palm biodiesel ), meskipun belum dilakukan secara komersial. Khusus di Indonesia pengembangan biodiesel dari minyak sawit dirasa memiliki prospek yang baik dimana ketersediaan akan bahan baku yang cukup banyak sangat mendukung untuk pengembangan tersebut ( Tabel 1.1 ). Hal yang juga perlu untuk diperhatikan dalam pengembangan biodiesel ini adalah emisi gas buang yang dihasilkan harus lebih baik daripada bahan bakar solar sehingga biodiesel ini layak dijadikan alternatif pengganti solar.

(17)

(18)

5. Irian

Sumber : Direktorat Jenderal Bina Produksi Perkebunan ,1997 ,1998 ,1999, 2000, 2001 , 2002.

Berdasarkan pemikiran tersebut, maka dilakukan pengujian motor diesel dengan menggunakan bahan bakar biodiesel yang berbahan baku dimethil ester dengan memanfaatkan secara maksimal peralatan laboratorium yang ada.

1.2 Tujuan Pengujian

Mengetahui pengaruh pemakaian biodiesel dimethil ester (B-10 dan B-20) terhadap unjuk kerja mesin diesel.

1.3 Manfaat pengujian

1. Untuk pengembangan bahan bakar biodiesel yang akan digunakan pada mesin diesel ditinjau dari sudut prestasi mesin.

(19)

1.4 Ruang lingkup Pengujian

1. Biodiesel yang digunakan adalah biodiesel berbahan baku minyak kelapa sawit ( Dimethil Ester B-10 dan B-20) .

2. Alat uji yang digunakan untuk menghitung nilai kalor pembakaran bahan bakar adalah ”Bom Kalorimeter”.

3. Mesin uji yang digunakan untuk mendapatkan unjuk kerja motor bakar diesel adalah Mesin Diesel 4-langkah dengan 4-silinder ( TecQuipment type. TD4A 001 ) pada laboratorium Motor Bakar Departemen Teknik Mesin USU.

4. Unjuk kerja mesin diesel yang dihitung adalah : - Daya (Brake Power)

- Rasio perbandingan udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) - Konsumsi bahan bakar spesifik (Specific Fuel Consumtion) - Efisiensi Volumetris (Volumetric Effeciency)

- Efisiensi termal brake (Brake Thermal Effeciency)

5. Pada pengujian unjuk kerja motor bakar diesel, dilakukan variasi putaran dan beban yang meliputi :

- Variasi putaran : 1000-rpm, 1400-rpm, 1800-rpm, 2200-rpm , 2600-rpm , 2800-rpm.

- Variasi beban : 10 kg dan 25 kg.

1.5 Sistematika Penulisan

(20)

 Bab I : Pendahuluan

Bab ini berisikan latar belakang, tujuan, manfaat, dan ruang lingkup pengujian.  Bab II : Tinjauan Pustaka

Bab ini berisikan landasan teori yang digunakan yaitu mengenai motor diesel, bahan bakar biodiesel, pembakaran motor diesel, persamaan-persamaan yang digunakan, emisi gas buang kendaraan dan pengendaliannya.

 Bab III : Metodologi Penelitian

Bab ini memberikan informasi mengenai tempat pelaksanaan pengujian, bahan dan peralatan yang dipakai serta tahapan dan prosedur pengujian.

 Bab IV : Hasil dan Analisa Pengujian

Bab ini membahas tentang hasil data yang diperoleh dari setiap pengujian melalui pembahasan perhitungan dan penganalisaan dengan memaparkan kedalam bentuk tabel dan grafik.

 Bab V : Kesimpulan dan Saran

Bab ini sebagai penutup berisikan kesimpulan dan saran yang diperoleh.  Daftar Pustaka

Daftar pustaka berisikan literatur yang digunakan untuk menyusun laporan.  Lampiran

(21)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Performansi Motor Diesel

Motor diesel adalah jenis khusus dari mesin pembakaran dalam. Karakteristik utama dari mesin diesel yang membedakannya dari motor bakar yang lain terletak pada metode penyalaan bahan bakarnya. Dalam mesin diesel bahan bakar diinjeksikan kedalam silinder yang berisi udara bertekanan tinggi. Selama proses pengkompresian udara dalam silinder mesin, suhu udara meningkat, sehingga ketika bahan bakar yang berbentuk kabut halus bersinggungan dengan udara panas ini, maka bahan bakar akan menyala dengan sendirinya tanpa bantuan alat penyala lain. Karena alasan ini mesin diesel juga disebut mesin penyalaan kompresi (Compression Ignition Engines).

Motor diesel memiliki perbandingan kompresi sekitar 11:1 hingga 26:1, jauh lebih tinggi dibandingkan motor bakar bensin yang hanya berkisar 6:1 sampai 9:1. Konsumsi bahan bakar spesifik mesin diesel lebih rendah (kira-kira 25 %) dibanding mesin bensin namun perbandingan kompresinya yang lebih tinggi menjadikan tekanan kerja nya juga tinggi.

2.1.1 Torsi dan daya

Torsi yang dihasilkan suatu mesin dapat diukur dengan menggunakan dynamometer yang dikopel dengan poros output mesin. Oleh karena sifat dynamometer yang bertindak seolah–olah seperti sebuah rem dalam sebuah mesin, maka daya yang dihasilkan poros output ini sering disebut sebagai daya rem (Brake Power).

B

P = n T 60

. . 2π

... (2.1) Lit.5 hal 2-7

(22)

n = Putaran mesin (rpm)

T = Torsi (N.m)

2.1.2 Konsumsi bahan bakar spesifik (specific fuel consumption, sfc)

Konsumsi bahan bakar spesifik adalah parameter unjuk kerja mesin yang berhubungan langsung dengan nilai ekonomis sebuah mesin, karena dengan mengetahui hal ini dapat dihitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu.

Bila daya rem dalam satuan kW dan laju aliran massa bahan bakar dalam satuan kg/jam, maka :

Sfc =

dimana : Sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (g/kW.h).

.

f

m = laju aliran bahan bakar (kg/jam).

Besarnya laju aliran massa bahan bakar (

.

f

m ) dihitung dengan persamaan

berikut :

t = waktu untuk menghabiskan bahan bakar sebanyak volume uji

(23)

2.1.3 Perbandingan udara bahan bakar (AFR)

Untuk memperoleh pembakaran sempurna, bahan bakar harus dicampur dengan udara dengan perbandingan tertentu. Perbandingan udara bahan bakar ini disebut dengan Air Fuel Ratio (AFR), yang dirumuskan sebagai berikut :

AFR = _.

Besarnya laju aliran massa udara (ma) juga dapat diketahui dengan

membandingkan hasil pembacaan manometer terhadap kurva viscous flow meter calibration. Kurva kalibrasi ini dikondisikan untuk pengujian pada tekanan udara 1013 mb dan temperatur 20 0C, oleh karena itu besarnya laju aliran udara yang diperoleh harus dikalikan dengan faktor koreksi (Cf) berikut :

f

2.1.4 Effisiensi volumetris

(24)

v

Berat udara segar yang terisap = n Dengan mensubstitusikan persamaan diatas, maka besarnya effisiensi volumetris :

Diasumsikan udara sebagai gas ideal, sehingga massa jenis udara dapat diperoleh dari persamaan berikut :

a

2.1.5 Effisiensi thermal brake

(25)

b

Laju panas yang masuk Q, dapat dihitung dengan rumus berikut :

Q =

.

f

m . LHV ...(2.12) Lit.5 hal 2-8

dimana, LHV = nilai kalor bawah bahan bakar (kJ/kg)

Jika daya keluaran (P ) dalam satuan kW, laju aliran bahan bakar _B

.

Pembakaran adalah reaksi kimia, yaitu elemen tertentu dari bahan bakar setelah dinyalakan dan digabung dengan oksigen akan menimbulkan panas sehingga menaikkan suhu dan tekanan gas. Elemen mampu bakar (combustable) yang utama adalah karbon (C) dan hidrogen (H), elemen mampu bakar yang lain namun umumnya hanya sedikit terkandung dalam bahan bakar adalah sulfur (S). Oksigen yang diperlukan untuk pembakaran diperoleh dari udara yang merupakan campuran dari oksigen dan nitrogen.

(26)

2.2.1 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). Bedasarkan 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 :

HHV = 33950 C + 144200 

HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)

C = Persentase karbon dalam bahan bakar H2 = Persentase hidrogen dalam bahan bakar

O2 = Persentase oksigen dalam bahan bakar

S = Persentase sulfur dalam bahan bakar

(27)

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 berikut :

LHV = HHV – 2400 (M + 9 H2)...(2.15) Lit. 3 hal. 44

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).

2.3 Bahan Bakar Diesel

Penggolongan bahan bakar mesin diesel berdasarkan jenis putaran mesinnya, dapat dibagi menjadi 2 golongan yaitu :

1. Automotive Diesel Oil, yaitu bahan bakar yang digunakan untuk mesin dengan kecepatan putaran mesin diatas 1000 rpm (rotation per minute). Bahan bakar jenis ini yang biasa disebut sebagai bahan bakar diesel yang biasanya digunakan untuk kendaraan bermotor.

(28)

Di Indonesia, bahan bakar untuk kendaraan motor jenis diesel umumnya menggunakan solar yang diproduksi oleh PT. PERTAMINA dengan karakteristik seperti pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Karakteristik mutu solar

NO P R O P E R T I E S

Alternatively calculated Centane Index 45 48

-

- D-613

4. Viscosity Kinematic at 100

0

Neutralization Value :

- Strong Acid Number mgKOH/gr -Total Acid Number mgKOH/gr

- -

Nil 0.6

(29)

Sumber : www.Pertamina.com 2.4 Biodiesel

Biodiesel adalah bahan bakar yang terbuat dari minyak tumbuh-tumbuhan atau lemak hewan. Komposisi biodiesel umumnya terdiri dari berbagai jenis asam lemak (tabel 2.2) yang melalui proses kimiawi ditransformasi menjadi ”Metil Ester Asam Lemak” (Fatty Acid Methil Esters = FAME).

Tabel 2.2 Struktur Kimia Asam Lemak Pada Biodiesel Nama Asan

Lemak

Jumlah Atom Karbon dan Ikatan

Rangkap

Rumus Kimia

Capriylic C 8 CH3(CH2)6COOH

Capric C 10 CH3(CH2)8COOH

Lauric C 12 CH3(CH2)10COOH

Myristic C 14 CH3(CH2)12COOH

Palmitic C 16 : 0 CH3(CH2)14COOH

Palmitoleic C 16 : 1 CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH

Stearic C 18 : 0 CH3(CH2)16COOH

Oleic C 18 : 1 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH

Linoleic C 18 : 2 CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH

Linolenic C 18 : 3 CH3(CH2)2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7CCOOH

(30)

Eicosenic C 20 : 1 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)9COOH

Behenic C 22 : 0 CH3(CH2)20COOH

Eurcic C 22 : 1 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)11COOH

Sumber : Biodisel Handling and Use Guedelines, National Renewable Energy Laboratory-A National Laboratory of the U.S. Departement of Energys

Cara memproduksi biodiesel dapat dilakukan melalui proses transesterfikasi minyak nabati dengan metanol atau esterfikasi langsung asam lemak hasil hidrolisis dengan metanol. Namun, transesterfikasi lebih intensif dikembangkan karena proses ini lebih efisien dan ekonomis.

Pemanfaatan minyak nabati sebagai pengganti bahan bakar yang berasal dari minyak bumi khususnya solar telah lama dikenal namun pengembangan produk biodiesel ternyata lebih menggembirakan dibandingkan dengan pemanfaatan minyak nabati yang langsung digunakan sebagai bahan bakar karena proses termal (panas) di dalam mesin akan teroksidasi atau terbakar secara relatif sempurna, tetapi dari gliserin akan terbentuk senyawa akrolein dan terpolimerisasi menjadi senyawa plastis yang agak padat. Senyawa ini menyebabkan kerusakan pada mesin, karena membentuk deposit pada pompa injektor. Karena itu perlu dilakukan modifikasi pada mesin-mesin kendaraan bermotor komersial apabila menggunakan minyak nabati langsung sebagai pengganti bahan bakar solar.

(31)

2.4.1 Karakteristik Biodiesel

Biodiesel tidak mengandung nitrogen atau senyawa aromatik dan hanya mengandung kurang dari 15 ppm (part per million) sulfur. Biodiesel mengandung kira-kira 11 % oksigen dalam persen berat yang keberadaannya mengakibatkan berkurangnya kandungan energi (LHV menjadi lebih rendah bila dibandingkan dengan solar) namun menurunkan kadar emisi gas buang yang berupa karbon monoksida (CO), hidrokarbon (HC), partikulat dan jelaga. Kandungan energi biodiesel kira-kira 10 % lebih rendah bila dibandingkan dengan solar. Efisiensi bahan bakar dari biodiesel kurang lebih sama dengan solar, yang berarti daya dan torsi yang dihasilkan proporsional dengan kandungan nilai kalor pembakarannya (LHV). Sebagai contoh, B20 cenderung menurunkan daya dan torsi sekitar 2 % dibandingkan solar.

Kandungan asam lemak dalam minyak nabati yang merupakan bahan baku biodiesel menyebabkan biodiesel sedikit kurang stabil bila dibandingkan solar

khususnya dalam hal terjadinya oksidasi. Perbedaan bahan baku menyebabkan kestabilan antara biodiesel yang satu berbeda dari biodiesel yang lainnya tergantung dari jumlah ikatan rangkap dari rantai karbon yang dikandungnya (C=C). Semakin besar jumlah ikatan rangkap rantai karbonnya maka kecenderungan untuk mengalami oksidasi semakin besar. Sebagai contoh, C 18 : 3 yang mempunyai tiga ikatan rangkap mempunyai sifat tiga kali lebih reaktif untuk mengalami oksidasi dibandingkan C 18 : 0 yang tidak memiliki tiga ikatan rangkap. Kestabilan suatu biodiesel dapat diprediksi dengan mengetahui jenis bahan bakunya.

(32)

baik pada biodiesel antara lain TBHQ (t-butyl hydroquinone), Tenox 21 dan Tocopherol (Vitamin E).

Biodiesel mempunyai sifat melarutkan (Solvency). Hal ini dapat menimbulkan permasalahan, dimana bila digunakan pada mesin diesel yang sebelumnya telah lama menggunakan solar dan didalam tangki bahan bakarnya telah terbentuk sedimen dan kerak, maka biodiesel akan melarutkan sedimen dan kerak tersebut sehingga dapat menyumbat saluran dan saringan bahan bakar. Oleh karena itu, bila kandungan sedimen dan kerak pada tangki bahan bakar cukup tinggi, sebaiknya diganti sebelum menggunakan biodiesel. Hal lain yang dapat dilakukan adalah dengan tidak menggunakan biodiesel murni melainkan campurannya. Sifat pelarut dari bahan bakar yang mengandung campuran biodiesel akan semakin berkurang seiring dengan berkurangnya kadar biodiesel didalamnya. Penelitian menunjukkan bahwa campuran antara biodiesel dan solar dengan komposisi 20 % : 80 % (B20) mempunyai sifat pelarut yang cukup kecil sehingga dapat ditoleransi.

Beberapa material seperti kuningan, tembaga, timah, dan seng dapat mengoksidasi biodiesel dan menghasilkan sedimen. Untuk mencegah hal ini, peralatan yang bersentuhan langsung dengan biodiesel sebaiknya terbuat dari stainless steel atau aluminium. Selain bereakasi terhadap sejumlah meterial logam, biodiesel juga cenderung menyebabkan peralatan yang terbuat dari karet alam mengembang sehingga sebaiknya diganti dengan karet sintetis.

Biodiesel murni mempunyai sifat pelumas yang baik, bahkan campuran bahan bakar yang mengandung biodiesel dalam komposisi yang rendah masih memiliki sifat pelumas yang jauh lebih baik dibanding solar.

(33)

aditif, tetapi penelitian menunjukkkan bahwa pemakaian zat aditif seperti ”pour point depresant” tidak cukup efektif ketika digunakan pada B100.

Tabel 2.3 Perbandingan Biodiesel dan Solar (Petrodiesel)

Fisika Kimia Biodiesel Solar

Kelembaman (%) 0.1 0.3

Energi Power Energi yang dihasilkan 128.000 BTU

Energi yang dihasilkan 130.000 BTU Komposisi Metil Ester atau asam lemak Hidrokarbon

Modifikasi Engine Tidak diperlukan -

Konsumsi Bahan Bakar

Sama Sama

Lubrikasi Lebih tinggi Lebih rendah

Emisi CO rendah, total

hidrokarbon, sulfur dioksida, dan nitroksida

CO tinggi, total hidrokarbon, sulfur dioksida, dan

nitroksida Penanganan Flamable lebih rendah Flamable lebih tinggi Lingkungan Toxisitas rendah Toxisitas 10 kali lebih tinggi Keberadaan Terbarukan (renewable) Tidak terbarukan Sumber : CRE-ITB, NOV. 2001

2.4.2 Biodiesel dari Minyak Kelapa Sawit

Proses pembuatan biodiesel dari kelapa sawit adalah melalui proses transesterifikasi, dilanjutkan dengan pencucian, pengeringan dan terakhir filtrasi, tetapi jika bahan baku dari CPO maka sebelumnya perlu dilakukan esterfikasi.

1. Transesterifikasi

(34)

transesterifikasi I berlangsung sekitar 2 jam pada suhu 58 – 650C. Bahan yang pertama kali dimasukkan ke dalam reaktor adalah asam lemak yang selanjutnya dipanaskan hingga suhu yang telah ditentukan. Reaktor transesterifikasi dilengkapai dengan pemanas dan pengaduk. Selama proses pemanasan pengaduk dijalankan. Tepat pada suhu reaktor 630C, campuran metanol dan KOH dimasukkan ke dalam reaktor. Pada akhir reaksi akan terbentuk metil ester dengan konversi sekitar 94 %. Selanjutnya produk ini diendapkan untuk memisahkan gliserol dan metil ester. Gliserol kemudian dikeluarkan dari reaktor agar tidak menggangu proses transesterifikasi II. Selanjutnya dilakukan transesterifikasi II pada metil ester dan setelah selesai dilakukan pengendapan dalam waktu yang lebih lama agar gliserol yang masih tersisa bisa terpisah.

Trigliserida Metanol Metil-Ester Gliserol Gambar 2.1 Reaksi Transesterifikasi

2. Pencucian

Pencucian hasil pengendapan pada transesterifikasi II bertujuan untuk

menghilangkan senyawa yang tidak diperlukan seperti sisa gliserol dan metanol.

Pencucian dilakukan pada suhu sekitar 550C. pencucian dilakukan tiga kali sampai

pH menjadi normal (pH 6,8 – 7,2).

(35)

Pengeringan bertujuan untuk menghilangkan air yang tercampur dalam metil ester. Pengeringan dilakukan dengan cara memberikan panas pada produk dengan suhu sekitar 950C secara sirkulasi. Ujung pipa sirkulasi ditempatkan di tengah permukaan cairan pada alat pengering.

4. Filtrasi

Tahap akhir dari proses pembuatan biodiesel adalah filtrasi. Filtrasi bertujuan untuk menghilangkan partikel-partikel pengotor biodiesel yang terbentuk selama proses berlangsung, seperti kerak (kerak besi) yang berasal dari dinding reaktor atau dinding pipa atau kotoran dari bahan baku.

Tabel : 2.4 Karakteristik Mutu Biodiesel dari Minyak Kelapa Sawit

Parameter Palm Biodiesel ASTM PS 121

Viskositas pada 400C (csst)

5,0 – 5,6 1,6 – 6,0

Flash Point 172 > 100

Cetane Indeks 47 -49 > 40

Contradson Carbon Residu 0,03 – 0,04 < 0,05

Spesific Grafity 0,8624 -

Sumber : Pusat Penelitian Kelapa Sawit (PPKS) Medan

2.5 Emisi Gas Buang

Bahan pencemar (polutan) yang berasal dari gas buang dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kategori sebagai berikut :

(36)

Polutan dibedakan menjadi polutan primer atau sekunder. Polutan primer seperti nitrogen oksida (NOx) dan hidrokarbon (HC) langsung dibuangkan ke udara bebas dan mempertahankan bentuknya seperti pada saat pembuangan. Polutan sekunder seperti ozon (O3) dan peroksiasetil nitrat (PAN) adalah polutan yang

terbentuk di atmosfer melalui reaksi fotokimia, hidrolisis atau oksidasi. 2. Komposisi kimia

Polutan dibedakan menjadi organik dan inorganik. Polutan organik

mengandung karbon dan hidrogen, juga beberapa elemen seperti oksigen, nitrogen, sulfur atau fosfor, contohnya : hidrokarbon, keton, alkohol, ester dan lain-lain. Polutan inorganik seperti : karbon monoksida (CO), karbonat, nitrogen oksida, ozon dan lainnya.

3. Bahan penyusun

Polutan dibedakan menjadi partikulat atau gas. Partikulat dibagi menjadi padatan dan cairan seperti : debu, asap, abu, kabut dan spray, partikulat dapat bertahan di atmosfer. Sedangkan polutan berupa gas tidak bertahan di atmosfer dan bercampur dengan udara bebas.

a.) Partikulat

Polutan partikulat yang berasal dari kendaraan bermotor umumnya merupakan fasa padat yang terdispersi dalam udara dan membentuk asap. Fasa padatan tersebut berasal dari pembakaran tak sempurna bahan bakar dengan udara, sehingga terjadi tingkat ketebalan asap yang tinggi. Selain itu partikulat juga mengandung timbal yang merupakan bahan aditif untuk meningkatkan kinerja pembakaran bahan bakar pada mesin kendaraan.

Apabila butir–butir bahan bakar yang terjadi pada penyemprotan kedalam silinder motor terlalu besar atau apabila butir–butir berkumpul menjadi satu, maka akan terjadi dekomposisi yang menyebabkan terbentuknya karbon–karbon padat atau angus. Hal ini disebabkan karena pemanasan udara yang bertemperatur tinggi, tetapi penguapan dan pencampuran bahan bakar dengan udara yang ada didalam silinder tidak dapat berlangsung sempurna, terutama pada saat–saat dimana terlalu banyak bahan bakar disemprotkan yaitu pada waktu daya motor akan diperbesar, misalnya untuk akselerasi, maka terjadinya angus itu tidak dapat dihindarkan. Jika angus yang terjadi itu terlalu banyak, maka gas buang yang keluar dari gas buang motor akan bewarna hitam.

(37)

Hidrokarbon yang tidak terbakar dapat terbentuk tidak hanya karena campuran udara bahan bakar yang gemuk, tetapi bisa saja pada campuran kurus bila suhu pembakarannya rendah dan lambat serta bagian dari dinding ruang pembakarannya yang dingin dan agak besar. Motor memancarkan banyak hidrokarbon kalau baru saja dihidupkan atau berputar bebas (idle) atau waktu pemanasan.

Pemanasan dari udara yang masuk dengan menggunakan gas buang meningkatkan penguapan dari bahan bakar dan mencegah pemancaran hidrokarbon. Jumlah hidrokarbon tertentu selalu ada dalam penguapan bahan bakar, di tangki bahan bakar dan dari kebocoran gas yang melalui celah antara silinder dari torak masuk kedalam poros engkol, yang disebut dengan blow by gasses (gas lalu). Pembakaran tak sempurna pada kendaraan juga menghasilkan gas buang yang mengandung hidrokarbon. Hal ini pada motor diesel terutama disebabkan oleh campuran lokal udara bahan bakar tidak dapat mencapai batas mampu bakar.

c.) Carbon Monoksida (CO)

Karbon dan Oksigen dapat bergabung membentuk senyawa karbon

monoksida (CO) sebagai hasil pembakaran yang tidak sempurna dan karbon dioksida (CO2) sebagai hasil pembakaran sempurna. Karbon monoksida merupakan senyawa

yang tidak berbau, tidak berasa dan pada suhu udara normal berbentuk gas yang tidak berwarna. Gas ini akan dihasilkan bila karbon yang terdapat dalam bahan bakar (kira–kira 85 % dari berat dan sisanya hidrogen) terbakar tidak sempurna karena kekurangan oksigen. Hal ini terjadi bila campuran udara bahan bakar lebih gemuk dari pada campuran stoikiometris, dan terjadi selama idling pada beban rendah atau pada output maksimum. Karbon monoksida tidak dapat dihilangkan jika campuran udara bahan bakar gemuk. Bila campuran kurus karbon monoksida tidak terbentuk. d.) Nitrogen Oksida (NOx)

Senyawa nitrogen oksida yang sering menjadi pokok pembahasan dalam masalah polusi udara adalah NO dan NO2. Kedua senyawa ini terbuang langsung ke

udara bebas dari hasil pembakaran bahan bakar. Nitrogen monoksida (NO) merupakan gas yang tidak berwarna dan tidak berbau sebaliknya nitrogen dioksida (NO2) berwarna coklat kemerahan dan berbau tajam. NO merupakan gas yang

(38)

dan O2 pada temperatur tinggi diatas 1210 0C. Persamaan reaksinya adalah sebagai

berikut :

O2 2O

N2 + O NO + N

N + O2 NO + O

2.6 Pengendalian Emisi Gas Buang

Tingkat polusi udara dari mesin kendaraan tidak hanya dipengaruhi oleh teknologi pembakaran yang diterapkan dalam sistem itu saja, tetapi juga besar dipengaruhi oleh mutu bahan bakar yang dipakai. Dari segi kualitas bahan bakar, Indonesia sangat jauh tertinggal dari negara–negara lain. Emisi gas yang dihasilkan oleh pembakaran kendaraan bermotor pada umumnya berdampak negatif terhadap lingkungan. Ada beberapa cara yang dapat diambil untuk mengatasi masalah tersebut antara lain :

1. Menyeimbangkan campuran udara-bahan bakar. 2. Pemanfaatan Positive Crankcase Ventilation (PCV).

3. Penggunaan sistem kontrol emisi penguapan bahan bakar antara lain : ECS (Evaporation Control System), EEC (Evaporation Emission Control), VVR

(Vehicle Vapor Recovery) dan VSS (Vapor Saver System). 4. Penggunaan Exhaust Gas Recirculation (EGR).

(39)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Waktu dan tempat

Pengujian dilakukan di laboratorium motor bakar Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara selama 3 bulan 3 minggu.

3.2 Bahan dan alat

3.2.1 Bahan

Bahan yang menjadi objek pengujian ini adalah bahan bakar biodiesel dari minyak kelapa sawit .

3.2.2 Alat

Alat yang dipakai dalam eksperimental ini terdiri dari :

1. Mesin diesel 4-langkah 4-silinder ( TecQuipment type. TD4A 001 ). 2. Bom kalorimeter untuk mengukur nilai kalor bahan bakar.

3. Untuk emisi gas buang menggunakan alat uji auto gas analizer.

4. Alat bantu perbengkelan, seperti : kunci pas, kunci Inggris, kunci ring, kunci L, obeng, tang, palu, kertas amplas dan lain sebagainya.

5. Stop watch, untuk menentukan waktu yang dibutuhkan mesin uji untuk menghabiskan bahan bakar dengan volume sebanyak 100 ml.

6. Termometer, untuk menghitung perubahan suhu yang terjadi antara sebelum masuk dan setelah keluar air cooler.

(40)

Data yang dipergunakan dalam pengujian ini meliputi :

a. Data primer, merupakan data yang diperoleh langsung dari pengukuran dan pembacaan pada unit instrumentasi dan alat ukur pada masing-masing pengujian.

b. Data sekunder, merupakan data yang diperoleh dari hasil penelitian karakteristik bahan bakar biodiesel yang dilakukan oleh Pusat Penelitian Kelapa Sawit (PPKS) Medan dan data mengenai karakteristik bahan bakar solar dari pertamina.

3.4 Metode Pengolahan Data

Data yang diperoleh dari data primer dan data sekunder diolah ke dalam rumus empiris, kemidian data dari perhitungan disajikan dalam bentuk tabulasi dan grafik.

3.5 Pengamatan dan tahap pengujian

Pada penelitian yang akan diamati adalah : 1. Parameter torsi (T) dan parameter daya (PB).

2. Parameter konsumsi bahan bakar spesifik (sfc). 3. Rasio perbandingan udara bahan bakar (AFR). 4. Efisiensi volumetris (ηv).

5. Effisiensi thermal brake (η_b). 6. Parameter komposisi gas buang.

Prosedur pengujian dapat dibagi beberapa tahap, yaitu : 1. Pengujian nilai kalor bahan bakar.

2. Pengujian motor diesel dengan bahan bakar solar murni.

(41)

4. Pengujian motor diesel dengan bahan bakar biodiesel dimethil ester ( B-20 ).

3.5 Prosedur Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar

Alat yang digunakan dalam pengukuran nilai kalor bahan bakar ini adalah alat uji “Bom Kalorimeter”.

Gambar 3.1 Bom kalorimeter.

Peralatan yang digunakan meliputi :

(42)

- Tabung gas oksigen.

- Alat ukur tekanan gas oksigen, untuk mengukur jumlah oksigen yang dimasukkan ke dalam tabung bom.

- Termometer, dengan akurasi pembacaan skala 0.01 0C.

- Elektromotor yang dilengkapi pengaduk untuk mengaduk air pendingin. - Spit, untuk menentukan jumlah volume bahan bakar.

- Pengatur penyalaan (saklar), untuk menghubungkan arus listrik ke tangkai penyala pada tabung bom.

- Kawat penyala (busur nyala), untuk menyalakan bahan bakar yang diuji. - Cawan, untuk tempat bahan bakar di dalam tabung bom.

- Pinset untuk memasang busur nyala pada tangkai penyala, dan cawan pada dudukannya.

Adapun tahapan pengujian yang dilakukan adalah sebagai berikut : 1. Mengisi cawan bahan bakar dengan bahan bakar yang akan diuji.

2. Menggulung dan memasang kawat penyala pada tangkai penyala yang ada pada penutup bom.

3. Menempatkan cawan yang berisi bahan bakar pada ujung tangkai penyala, serta mengatur posisi kawat penyala agar berada tepat diatas permukaan bahan bakar yang berada didalam cawan dengan menggunakan pinset.

4. Meletakkan tutup bom yang telah dipasangi kawat penyala dan cawan berisi bahan bakar pada tabungnya serta dikunci dengan ring “O”sampai rapat.

5. Mengisi bom dengan oksigen (30 bar).

(43)

10.Menghubungkan dan mengatur posisi pengaduk pada elektromotor. 11.Menempatkan termometer melalui lubang pada tutup kalorimeter.

12.Menghidupkan elektromotor selama 5 (lima) menit kemudian membaca dan mencatat temperatur air pendingin pada termometer.

13.Menyalakan kawat penyala dengan menekan saklar.

14.Memastikan kawat penyala telah menyala dan putus dengan memperhatikan lampu indikator selama elektromotor terus bekerja .

15.Membaca dan mencatat kembali temperatur air pendingin setelah 5 (lima) menit dari penyalaan berlangsung.

16.Mematikan elektromotor pengaduk dan mempersiapkan peralatan untuk pengujian berikutnya.

17.Mengulang pengujian sebanyak 5 (lima) kali berturut–turut.

Diagram alir pengujian nilai kalor bahan bakar yang dilakukan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 3.2

a

Mulai

b

 Berat sampel bahan

bakar 0,20 gram

 Volume air pendingin:

1250 ml

 Tekanan oksigen 30

Bar

(44)

HHVRata - rata = 5

5

1 i

iΣ= HHV _{( J/kg)}

Melakukan pengadukan terhadap air pendingin selama 5 menit

Mencatat temperatur air pendingin

T1 (OC)

Menyalakan bahan bakar

Selesai

Melanjutkan pengadukan terhadap air pendingin selama 5 menit

Mencatat kembali temperatur air

(45)

Gambar 3.2 Diagram alir Pengujian nilai kalor bahan bakar.

3.6 Prosedur Pengujian Performansi Motor Diesel

Disini dilakukan pengujian dengan menggunakan mesin diesel langkah 4-silinder ( TecQuipment type. TD4A 001 ).

Menghitung HHV bahan bakar :

HHV = (T2 – T1 – Tkp) x Cv x 1000 ( J/kg )

(46)

Gambar 3.3 Mesin uji (TD4 A 001)

Gambar 3.4 TD4 A 001 4–Stroke Diesel Engine

(47)

TD111 4-Stroke Diesel Engine Type

TecQuipment TD4A 001 Langkah dan diameter 3,125 inch-nominal dan 3,5 inch

Kompresi ratio 22 : 1

Kapasitas 107 inch3 (1,76 liter)

Valve type clearance 0,012 inch (0,30 mm) dingin

Firing order 1-3-4-2

Sumber : Panduan Praktikum Motor Bakar Diesel Laboratorium Motor Bakar Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

Mesin ini juga dilengkapi dengan TD4 A 001 Instrumentation Unit dengan spesifikasi sebagai berikut :

(48)

Tabel 3.2 Spesifikasi TD4 A 001 Instrument Unit

TD4 A 001 Instrument Unit Fuel Tank Capasity 10 liters

Fast Flow Pipette Graduated in 8 ml, 16 ml and 32 ml

Tachometer 0–5000 rev/min

Torque Meter 0–70 Nm

Exhaust Temperature Meter 0–1200 0C

Air Flow Manometer Calibrated 0–40 mm water gauge

Sumber : Panduan Praktikum Motor Bakar Diesel Laboratorium Motor Bakar Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

Pada pengujian ini, akan diteliti performansi motor diesel serta komposisi emisi gas buang . Pengujian ini dilakukan pada 5 tingkat putaran mesin, yaitu : 1000,1400,1800,2200,2600 dan 2800 rpm serta 2 variasi beban yaitu : 10 kg dan 25 kg.

Sebelum pengujian dilakukan, terlebih dahulu dilakukan pengkalibrasian terhadap torquemeter yang terdapat pada instrumentasi mesin uji dengan langkah– langkah sebagai berikut :

(49)

4. Memutar tombol zero, hingga jarum torquemetre menunjukkan angka nol.

5. Memastikan bahwa penunjukan angka nol oleh torquemeter telah akurat dengan mengguncangkan mesin kembali.

6. Menggantung beban sebesar 10 kg pada lengan beban.

7. Mengguncangkan/menggetarkan mesin sampai posisi jarum torquemeter menunjukkan angka yang tetap.

8. Melepaskan beban dari lengan beban.

Pengkalibrasian ini dilakukan setiap kali akan dilakukan pengujian sebelum mesin dihidupkan. Setelah dilakukan pengkalibrasian, maka pengujian dapat dilakukan dengan langkah–langkah sebagai berikut :

1. Menghidupkan pompa air pendingin dan memastikan sirkulasi air pendingin mengalir dengan lancar melalui mesin.

2. Menghidupkan mesin dengan cara menarik tali starter, memanaskan mesin selama 15–20 menit pada putaran rendah (± 1500 rpm).

3. Mengatur putaran mesin pada 1500 rpm dengan menggunakan tuas kecepatan dan memastikannya melalui pembacaan tachometer.

4. Menggantung beban sebesar 1 kg pada lengan beban.

5. Menutup saluran bahan bakar dari tangki dengan memutar katup saluran bahan bakar sehingga permukaan bahan bakar didalam pipette turun.

6. Mencatat waktu yang dibutuhkan mesin untuk menghabiskan 100 ml bahan bakar dengan menggunakan stopwatch dengan memperhatikan ketinggian permukaan bahan bakar didalam pipette.

7. Mencatat torsi melalui pembacaan torquemeter, temperatur gas buang melalui exhaust temperature meter, dan tekanan udara masuk melalui air flow manometer.

8. Membuka katup bahan bakar sehingga pipette kembali terisi oleh bahan bakar yang berasal dari tangki.

9. Mengulang pengujian untuk variasi putaran dan beban mesin.

(50)

Gambar 3.6 Diagram alir Pengujian performansi motor bakar diesel

Mulai

 Volume Uji bahan bakar :

100 ml

 Temperatur udara :

27 OC

 Tekanan udara: 1 bar

 Putaran: n rpm

 Mencatat waktu yang dibutuhkan

untuk menghabiskan 100 ml bahan bakar.

 Mencatat Torsi

 Mencatat temperatur gas buang

 Mencatat tekanan udara masuk mm

H2O

Menganalisa data hasil pembacaan alat ukur dengan rumus empiris

Mengulang pengujian dengan beban, putaran yang berbeda.

(51)

3.7 Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang

Pengujian emisi gas buang yang dilakukan meliputi kadar CO2, O2, HC, CO,

dan NOx yang terdapat pada hasil pembakaran bahan bakar . Pengujian ini dilakukan

(52)

Gambar 3.7 Auto logic gas analizer

Mulai

Menyambungkan perangkat autogas analizer ke komputer

(53)

Gambar 3.8 Diagram alir pengujian emisi gas buang motor bakar diesel

Memasukkan gas fitting kedalam

knalpot motor bakar

Menunggu kira-kira 2 menit hingga pembacaan stabil dan melihat tampilannya di

komputer

Mengulang pengujian dengan beban dan putaran yang berbeda

(54)

BAB IV

HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN

4.1 Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar

Data temperatur air pendingin sebelum dan sesudah penyalaan (T1 dan T2) yang telah diperoleh pada pengujian “Bom Kalorimeter” selanjutnya digunakan untuk menghitung nilai kalor atas bahan bakar (HHV) dengan persamaan berikut :

HHV = (T2 – T1 – Tkp) x Cv x 1000 ( J/kg ) Lit.1 hal 12 dimana:

HHV = Nilai kalor atas ( High Heating Value )

T1 = Temperatur air pendingin sebelum penyalaan ( 0C ) T2 = Temperatur air pendingin sesudah penyalaan ( 0C ) Cv = Panas jenis bom kalorimeter ( 73.529,6 KJ/kg 0C ) Tkp = Kenaikan temperatur akibat kawat penyala ( 0,05 0C )

Hasil dari perhitungan nilai kalor atas bahan bakar (HHV) pada pengujian ini kemudian dikalikan dengan faktor koreksi (Fk) sebesar 0,6695 akibat

kalibrasi yang dilakukan pada alat uji bom kalorimeter. Faktor koreksi tersebut didapat dari perbandingan antara standarisasi nilai kalor solar 44.800 J/kg (engineering tool box) dengan HHV rata-rata solar yang telah diuji dengan bom kalorimeter sebesar 66.911,936 J/kg.

(55)

T1 = 25,17 0C T2 = 25,97 0C, maka:

HHV(B-10) = (25,97 – 25,17 – 0,05 ) x 73.529,6 x 1000 x Fk

= 55.147,2 x 0,6695 = 36.921,050 KJ/kg

Pada pengujian pertama bahan bakar biodiesel dimethil ester (B-20) , diperoleh : T1 = 25,51 0C

T2 = 26,27 0C, maka:

HHV(B-20) = (26,27 – 25,51 – 0,05 ) x 73.529,6 x 1000 x Fk

= 52206,016 x 0,6695 = 34.951,927 KJ/kg

Pada pengujian pertama bahan bakar solar , diperoleh : T1 = 26,65 0C

T2 = 27,75 0C, maka:

HHV(solar) = (27,75 – 26,65 – 0,05 ) x 73.529,6 x 1000 x Fk

(56)

Cara perhitungan yang sama dilakukan untuk menghitung nilai kalor pada pengujian kedua hingga kelima. Selanjutnya untuk memperoleh harga nilai kalor rata–rata bahan bakar digunakan persamaan berikut ini :

HHVRata - rata = 5

5

1 i

iΣ= HHV

( J/kg ) Lit.1 hal 12

(57)

Tabel 4.1 Data hasil pengujian dan perhitungan bom kalorimeter Bahan

Bakar

No.

Pengujian

T1 T2 HHV HHV rata-rata

Biodiesel

( B-10 )

1 25,17 25,97 36.921,050

38.496,350 2 26,08 26,94 39.874,734

3 26,97 27,92 44.305,260 4 27,80 28,55 34.459,647 5 28,44 29,24 36.921,050

Biodiesel

( B-20 )

1 25,51 26,27 34.951,927

49.031,154 2 26,40 27,69 61.042,803

3 27,77 28,79 47.751,225 4 28,72 29,55 38.397,892 5 25,22 26,55 63.011,926

Solar

1 26,65 27,75 51.689,470

44.797,541 2 27,75 28,61 39.874,734

3 28,68 29,70 47.751,225 4 25,71 26,87 39.874,734 5 26,95 27,91 44.797,541

(58)

Data yang diperoleh dari pembacaan langsung alat uji mesin diesel 4-langkah 4-silinder (TecQuipment type. TD4A 001) melalui unit instrumentasi dan perlengkapan yang digunakan pada saat pengujian antara lain :

♦ Putaran (rpm) melalui tachometre. ♦ Torsi (N.m) melalui torquemetre.

♦ Tinggi kolom udara (mm H2O), melalui pembacaan air flow manometre.

♦ Temperatur gas buang (0C), melalui pembacaan exhaust temperature metre. ♦ Waktu untuk menghabiskan 100 ml bahan bakar (s), melalui pembacaan

stopwatch.

4.2.1 Daya

Besarnya daya dari masing-masing pengujian pada tiap variasi beban dan putaran dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :

B

P = n T 60

. . 2π

dimana :P = Daya keluaran (Watt) _B n = Putaran mesin (rpm)

T = Torsi (N.m)

Untuk pengujian dengan menggunakan bahan bakar biodiesel (B-10) : Beban : 10 kg

(59)

P =B T

n 60

. . 2π

= ₆₀ 30,5 1000 . 14 , 3 . 2

x

= 3192,13 W

Dengan perhitungan yang sama dapat diketahui besarnya daya yang dihasilkan dari masing–masing pengujian baik dengan menggunakan biodiesel (B-10) , biodiesel (B-20) dan solar murni pada tiap kondisi pembebanan dan putaran dapat ditampilkan dalam bentuk tabel berikut ini :

Tabel 4.2 Data hasil perhitungan untuk daya Beban

STATIS

Putaran

(rpm)

Daya (kW)

(60)

(kg) (B-10) (B-20)

10

1000 3,19213 3,19213 3,34912

1400 4,68896 4,61569 6,30079

1800 6,40560 6,40560 8,94900

2200 8,28936 8,40449 11,05248

2600 10,06881 10,20487 13,06224

2800 11,13628 11,13628 14,06688

25

1000 8,00649 7,90181 7,90183

1400 11,69309 11,60517 11,42934

1800 15,73140 15,54323 15,26040

2200 20,03262 19,68723 19,34184

2600 24,54612 23,53924 23,67531

2800 27,69417 27,14907 25,78928

• Pada pembebanan 10 kg (gambar 4.1), daya terendah mesin terjadi pada pengujian dengan menggunakan bahan bakar biodiesel (B-10) dan bahan bakar biodiesel (B-20) pada putaran 1000 rpm yaitu 3,19213 kW. Sedangkan daya tertinggi terjadi pada pengujian dengan menggunakan solar pada putaran 2800 rpm sebesar 14,06688 kW.

(61)

Daya terendah terjadi ketika menggunakan bahan bakar biodiesel (B-10) dan bahan bakar biodiesel (B-20) pada beban 10 kg dan putaran 1000 rpm yaitu 3,19213 kW. Sedangkan daya tertinggi terjadi ketika menggunakan bahan bakar biodiesel (B-10) pada beban 25 kg dan putaran 2800 rpm yaitu sebesar 27,69417 kW.

Besar kecil daya mesin bergantung pada besar kecil torsi yang didapat. Daya yang dihasilkan mesin dipengaruhi oleh putaran poros engkol yang terjadi akibat dorongan piston yang dihasilkan karena adanya pembakaran bahan bakar dengan udara. Jika konsumsi bahan bakar dan udara diperbesar maka akan semakin besar pula daya yang dihasilkan mesin. Semakin cepat poros engkol berputar maka akan semakin besar daya yang dihasilkan.

Perbandingan besarnya daya untuk masing-masing pengujian pada setiap variasi beban dan putaran dapat dilihat pada gambar dibawah ini :

0

1000 1400 1800 2200 2600 2800

Putaran (rpm)

(62)

0 5 10 15 20 25 30

1000 1400 1800 2200 2600 2800

Putaran (rpm)

D

aya (

kW

)

Biodiesel (B-10)

Biodiesel (B-20)

Solar

(63)

4.2.2 Torsi

Besarnya daya yang dihasilkan dari masing–masing pengujian baik dengan menggunakan biodiesel (B-10) , biodiesel (B-20) dan solar pada tiap kondisi pembebanan dan putaran dapat dihitung dan ditampilkan dalam bentuk tabel dibawah ini :

Tabel 4.3 Data hasil pembacaan langsung unit instrumentasi

DENGAN MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR BIODIESEL (B-10)

BEBA N

STATI S

(kg)

HASIL PEMBACAAN UNIT INSTRUMENTASI

PUTARAN (rpm)

1000 1400 1800 2200 2600 2800

10

Torsi (N.m) 30,5 32 34 36 37 38

Waktu menghabiskan 100 ml bahan bakar (s)

408 273 186 136 110 97

Aliran Udara ( mm H2O ) 4 7 14,5 18,5 25 29

Temperatur Gas Buang ( oC) 80 90 110 170 190 200

25

Torsi (N.m) 76,5 79,8 83,5 87,0 90,2 94,5

377 308 292 187 124 100

Aliran Udara ( mm H2O ) 3,5 7,0 12,5 18,0 25,5 29,0 Temperatur Gas Buang ( oC) 90 100 120 165 200 205

(64)

BEBA N

STATI S

(kg)

PUTARAN (rpm)

1000 1400 1800 2200 2600 2800

10

Torsi (N.m) 30,5 31,5 34 36,5 37,5 38

401 322 241 187 156 142

Aliran Udara ( mm H2O ) 4 7 12,5 18,5 25 28

Temperatur Gas Buang ( oC) 90 110 150 190 210 220

DENGAN MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR SOLAR

BEBA N

STATI S

(kg)

PUTARAN (rpm)

1000 1400 1800 2200 2600 2800

(65)

10

301 167 117 78 66 64

25

Torsi (N.m) 75,5 78,0 81,0 84,0 87,0 88,0

304 243 173 135 99 90

• Pada pembebanan 10 kg (gambar 4.3), torsi terendah mesin terjadi pada pengujian dengan menggunakan bahan bakar biodiesel B-10 dan biodiesel B-20 pada putaran 1000 rpm yaitu sebesar 30,5 N.m. Sedangkan torsi tertinggi mesin terjadi pada pengujian dengan menggunakan bahan bakar solari pada putaran 2800 rpm sebesar 48 N.m.

• Pada pembebanan 25 kg (gambar 4.4), torsi terendah mesin terjadi pada pengujian dengan menggunakan bahan bakar solar pada putaran 1000 rpm yaitu 75,5 N.m. Sedangkan torsi tertinggi mesin terjadi pada pengujian dengan menggunakan bahan bakar biodiesel B-10 pada putaran 2800 rpm yaitu sebesar 94,5 N.m.

Torsi terendah terjadi ketika menggunakan bahan bakar biodiesel B-10 dan biodiesel B-20 pada beban 10 kg pada putaran 1000 rpm yaitu sebesar 30,5 N.m. Sedangkan torsi tertinggi terjadi ketika menggunakan bahan bakar biodiesel B-10 pada beban 25 kg pada putaran 2800 rpm yaitu sebesar 94,5 N.m.

(66)

0 10 20 30 40 50 60

1000 1400 1800 2200 2600 2800

Putaran (rpm)

T

o

rs

i (

N

.m

)

Biodiesel (B-10)

Biodiesel (B-20)

Solar

(67)

0

1000 1400 1800 2200 2600 2800

Puataran (rpm)

Gambar 4.4 Grafik Torsi vs putaran untuk beban 25 kg.

4.2.3 Konsumsi bahan bakar spesifik

Konsumsi bahan bakar spesifik (Specific fuel consumption, Sfc) dari masing–masing pengujian pada tiap variasi beban dan putaran dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :

Sfc =

dimana : Sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (g/kW.h)

.

f

m = laju aliran bahan bakar (kg/jam)

Besarnya laju aliran massa bahan bahan bakar (

.

f

m ) dihitung dengan

(68)

3600

t = waktu untuk menghabiskan bahan bakar sebanyak volume uji (detik).

Dengan memasukkan harga sg_f, harga t_f yang diambil dari percobaan sebelumnya harga V_f yaitu sebesar 100 ml, maka laju aliran bahan bakar untuk pengujian dengan menggunakan bahan bakar biodiesel (B-10) :

Beban : 10 kg

Dengan diperolehnya besar laju aliran bahan bakar, maka dapat dihitung harga konsumsi bahan bakar spesifiknya (Sfc).

Untuk pengujian dengan menggunakan bahan bakar biodiesel (B-10) : Beban : 10 kg

(69)

Sfc =

Dengan cara yang sama untuk setiap jenis pengujian, pada putaran dan beban yang bervariasi, maka hasil perhitungan Sfc untuk kondisi tersebut dapat dilihat pada tabel di bawah ini :

Tabel 4.4 Konsumsi bahan bakar spesifik (sfc) dengan bahan bakar biodiesel (B-10), biodiesel (B-20) dan solar .

Dengan Bahan Bakar Biodiesel (B-10)

Beban Statis

(kg)

Putaran (rpm)

Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (sfc) (gr/kWh)

10

1000 238,3803843

1400 242,5336896

1800 260,5784455

2200 275,3920121

2600 280,3111788