KAJIAN PERFORMANSI MESIN DIESEL STASIONER SATU
SILINDER MENGGUNAKAN KATALITIK KONVERTER
DENGAN BAHAN BAKAR BIODIESEL BIJI KEMIRI SUNAN
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
ANDREY STEPHAN SIAHAAN
NIM : 100401070
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK USU
M E D A N
TUGAS SARJANA
N A M A : ANDREY STEPHAN SIAHAAN
N I M : 100401070
MATA PELAJARAN : MOTOR BAKAR
SPESIFIKASI : KAJIAN PERFORMANSI MESIN DIESEL
STASIONER SATU SILINDER MENGGUNAKAN KATALITIK KONVERTER DENGAN BAHAN BAKAR BIODIESEL BIJI KEMIRI SUNAN
DIBERIKAN TANGGAL : / 06/ 2014
SELESAI TANGGAL :
MEDAN, September 2014.
KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, DOSEN PEMBIMBING,
Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Tulus Burhanudin ST. MT
NIP. 1964 1224 1992 111001 NIP.1972 0923 1986 011001
AGENDA : 2127/ TS / 2014
DITERIMA TGL : 07/ 10/ 2014
KARTU BIMBINGAN
TUGAS SARJANA MAHASISWA
No :
Sub. Program Studi : Konversi Energi Bidang Tugas : Motor Bakar
Judul Tugas : Kajian Performansi Mesin Diesel Stasioner
Diberikan tanggal : Juni 2014 Selesai Tgl :
Dosen Pembimbing : Tulus Burhanudin Nama Mhs : Andrey Stephan Siahaan
, ST. MT NIM : 100401070
No Tanggal Kegiatan Asistensi Bimbingan Tanda Tangan
Dosen Pemb.
1 Meminta Spesifikasi Tugas
2 Studi Literatur dan Pencarian Referensi
3 Pengadaan Biodiesel Kemiri Sunan
4 Memperbaiki alat uji
5 Pemasangan Alat dan Pengujian I
6 Pemasangan Alat dan Pengujian II
7 Pemasangan Alat dan Pengujian III
8 Asistensi Laporan Bab I dan II
9 Asistensi Laporan Bab III
10 Asistensi Laporan Bab IV
11 Asistensi keseluruhan
12 Perbaikan
13 Asistensi Slide Presentasi Seminar
14 ACC Seminar
CATATAN: Diketahui,
KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
Departemen, bila kegiatan Asistensi Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri
Telah selesai. NIP.19641224 199211 1 001
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK USU
Abstrak
Peningkatan jumlah penduduk secara eksponensial, keterbatasan sumber daya minyak menjadi sekian dari banyak hal yang mendorong kita untuk melakukan penelitian dan pengembangan terhadap bahan bakar alternative, salah satunya adalah penggunaan biji kemiri sunan untuk menghasilkan biodiesel. Penilitian ini bertujuan untuk menganalisa performansi mesin diesel TD-115 dengan menggunakan bahan bakar alternative biodiesel biji kemiri sunan dan membandingkannya pada campuran tertentu serta penambahan katalitik converter dengan harapan mengurangi emisi gas buang, daya tertinggi terjadi pada penggunaan solar murni yaitu sebesar 3.78056 kW, torsi maksimum pada pembebanan 4.5 kg putaran 2800 rpm menggunakan solar murni yakni sebesar 12.9 Nm, SFC Maksimum pada bahan bakar Solar + Biodiesel biji kemiri sunan 20% beban 3.5 kg putaran 1800 rpm yaitu sebesar 1161.24239 g/kW.jam, Nilai AFR maximum pada bahan bakar solar + biodiesel kemiri sunan 10% dengan beban 4.5 kg dan putaran 2400 rpm yakni sebesar 70.244234, Nilai Efisiensi Thermal maximum pada bahan bakar solar dengan beban 4.5 kg dan putaran 2600 rpm yakni sebesar 30.9212382%, Heat Loss terbesar terjadi pada penggunaan solar murni beban 4.5 kg putaran 2800 rpm yakni sebesar 5453.23181 W, Opacity terbesar pada penggunaan bahan bakar biodiesel biji kemiri sunan 15% dengan penambahan katalitik converter pada exhaust manifold yakni sebesar 42.1667%. Kadar HC (Hidro Carbon) dan CO (Carbon Monoksida) mengalami penurunan saat menggunakan katalitik converter.
ABSTRACT
Exponential increases in population , the limited resources of oil into so many things that drive us to do the research and development of alternative fuels , one of which is the use of Sunan pecan seeds to produce biodiesel . This research aims to analyze the performance of the TD - 115 diesel engine using alternative fuel biodiesel Sunan pecan seeds and compare in the particular mix, and the addition of the catalytic converter in the hope of reducing exhaust emissions. The highest power occured when we use pure diesel is equal to 3.78056 kW, maximum torque at 4.5 kg load, 2800 rpm using pure diesel which amounted to 12.9 Nm. SFC Maximum occurred when using Solar + Biodiesel fuel Sunan pecan seed 20 % load 3.5 kg round, 1800 rpm is equal to 1161.24239 g / kW.jam. AFR maximum value on biodiesel Sunan pecan + 10% biodiesel with 4.5 kg load and 2400 rpm rotation which is equal to 70.244234. Maximum value of Thermal Efficiency on diesel fuel happened in 4.5 kg load and 2600 rpm rotation which is equal to 30.9212382 % , the biggest Heat loss occurs in the use of pure diesel 4.5 kg load rotation 2800 rpm which is equal to 5453.23181 W , the largest Opacity on the use of biodiesel fuel Sunan pecan seed 15 % with the addition of the catalytic converter in the exhaust manifold which is equal to 42.1667 % . Levels of HC ( Hydro Carbon ) and CO ( Carbon Monoxide ) decreased when using a catalytic converter.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur saya ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas
berkat, kasih, kekuatan dan kesehatan yang diberikan selama pengerjaan skripsi
ini, sehingga skripsi ini dapat saya selesaikan.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu “Kajian Performansi dan Emisi Mesin Diesel Stasioner Satu Silinder Dengan Bahan Bakar Campuran
Biodiesel Biji Kemiri Sunan Dengan Penambahan Katalitik Konverter”
Dalam penulisan skripsi ini tidak sedikit hambatan yang dihadapi oleh
penulis. Untuk itu penulis secara khusus menyampaikan terima kasih kepada
dosen pembimbing Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus ST, MT
yang telah bersedia meluangkan waktunya untuk memberikan saran dan
membimbing serta sumbangan pikiran bagi penulisan skripsi ini.
Selama penulisan skripsi ini, penulis juga mendapat banyak bantuan dari
berbagai pihak. Oleh karena itu penulis juga mengucapkan terima kasih kepada:
1. Kedua Orang Tua Saya M. Siahaan dan M. Br. Situmorang yang mendoakan
dan mendukung penulis dalam pengerjaan Skripsi ini
2. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik USU.
3. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU.
4. Partner TA yang setia Kevin Yan Arihta Purba
5. Saudaraku , kakak Carina Etta Sari Siahaan, S.H, adik Sarah Inggrid Audina
Siahaan, dan Ruth Anastasya Siahaan.
6. Seluruh teman-teman penulis, baik teman satu angkatan 2010 juga teman-
teman yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah menemani
7. Kaum TERPELAJAR, buat diskusi, jalan-jalan dan gila-gilaan yang kita
lakukan bersama; sterotip terpelajar padahal kebanyakan tidur-tiduran di
Pembangunan 121.
8. Teman-teman di Departemen Teknik Kimia yang; Ruben Simangunsong,
Marina, Margareth, Jeki, Retno dan kak Muti untuk sambutan hangat dan
tangan yang ringan membantu dalam pembuatan biodiesel ini.
9. Teman-Teman Kelompok Kecil Saya SINCERA,HTW dan JEFLO yang
mendorong, memotivasi dan mendoakan penulis dalam penyelesaian Skripsi
ini.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena
itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi
penyempurnaan dimasa mendatang.
Akhirnya penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Terima kasih.
Medan, 2014
Penulis
Andrey Stephan Siahaan
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... ix
DAFTAR TABEL ... xi
DAFTAR NOTASI ... xvi
BAB I PENDAHULUAN 1.1Latar Belakang ... 1
1.2Tujuan Pengujian ... 2
1.3Batasan Masalah ... 3
1.4Manfaat Pengujian ... 3
1.5Metodologi Penulisan ... 4
1.6Sistematika Penulisan ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Biodiesel ... 6
2.1.1 Sejarah penggunaan biodiesel ... 6
2.1.2 Definisi Biodiesel ... 7
2.1.3 Pembuatan Biodiesel ... 10
2.1.3.1 Esterifikasi ... 10
2.1.3.2 Transesterifikasi ... 11
2.2.1 Biodiesel dari Minyak Jelantah Kelapa Sawit ... 13
2.2.2 Biodiesel dari Minyak Goreng Bekas... 14
2.2.3Biodiesel dari Minyak Jarak Pagar ... 15
2.2.4 Biodiesel dari Biji Karet ... 16
2.3 Komposisi Bahan Baku ... 17
2.4 Mesin Diesel ... 19
2.4.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel ... 22
2.4.2 Performansi Mesin Diesel ... 25
2.5 Katalitik Konverter ... 34
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Waktu Dan Tempat... 43
3.2 Alat Dan Bahan ... 43
3.2.1 Alat ... 43
3.2.2 Bahan ... 55
3.3 Metode Pengumpulan Data ... 56
3.4 Metode Pengolahan Data ... 56
3.5 Pengamatan Dan Tahap Pengujian ... 56
3.6 Prosedur Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar ... 57
3.7 Prosedur Pengujian Performansi Mesin Diesel ... 58
3.8 Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang ... 59
BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN
4.1 Biodiesel Kemiri Sunan ... 64
4.2 Hasil Pengujian Bom Kalorimeter... 65
4.3 Hasil pengujian Engine Test Bed ... 66
4.3.1 Pada Bahan Bakar Solar Murni ... 67
4.3.2 Pada Solar + Biodiesel biji kemiri sunan 5% ... 68
4.3.3 Pada Solar + Biodiesel biji kemiri sunan 10% ... 68
4.3.4 Pada Solar + Biodiesel niji kemiri sunan 15% ... 69
4.3.5 Pada Solar + Biodiesel niji kemiri sunan 20% ... 69
4.4 Pengujian Performansi Motor Bakar Diesel ... 70
4.4.1 Daya ... 71
4.4.2 Laju aliran bahan bakar ... 74
4.4.3 Rasio Udara Bahan bakar ... 76
4.4.4 Effesiensi Volumetris ... 80
4.4.5Daya Aktual ... 83
4.4.6 Effesiensi Termal Brake Aktual ... 85
4.4.7 Specific Fuel Consumption ... 88
4.4.8 Heat Loss ... 89
4.4.9 Persentase Heat Loss ... 92
4.4.10 Emisi Gas Buang. ... 95
5.2 Saran ... 104
DAFTAR PUSTAK... xvii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Rudolf Christian Karl Diesel ... 9
Gambar 2.1 Teknologi Konversi Biodiesel ... 10
Gambar 2.2 Diagram P-V ... 22
Gambar 2.3 Diagram T-S ... 23
Gambar 2.4 Prinsip Kerja Mesin Diesel ... 24
Gambar 2.5 Catalitic Conveter ... 31
Gambar 3.1 Mesin Diesel Test Engine ... 33
Gambar 3.2 Engine Smoke Meter dan Gas Analyzer ... 34
Gambar 3.3 Catalitic Converter... 35
Gambar 3.4 Tec Equipment TD-114 ... 36
Gambar 3.5 Biji kemiri Sunan ... 36
Gambar 3.6 Proses Pengepressan Biji Kemiri Sunan... 37
Gambar 3.7 Minyak mentah biji kemiri sunan ... 37
Gambar 3.8 Esterifikasi ... 38
Gambar 3.9 Pemisahan minyak ester dari metanol sisa ... 38
Gambar 3.10 Pencucian minyak ester ... 39
Gambar 3.11 Minyak ester kemiri sunan ... 40
Gambar 3.12 Transesterifikasi ... 40
Gambar 3.13 Pemisahan minyak trans dan gliserol ... 41
Gambar 3.14 Proses pencucian biodiesel ... 42
Gambar 3.15 Biodiesel kemiri sunan ... 42
Gambar 3.16 Penyabunan... 43
Gambar 3.17 Pengujian nilai kalor bahan bakar ... 48
Gambar 3.18 Diagram Alir Pengujian performansi mesin ... 49
Gambar 3.19 Diagram Alir Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang ... 50
Gambar 4.7 Grafik AFR vs Putaran untuk beban 4.5 kg ... 66
Gambar 4.8 Grafik Effesiensi Volumetris vs Putaran untuk beban 3.5 kg .. 68
Gambar 4.9 Grafik effesiensi Volumetris vs Putaran untuk beban 4.5 kg ... 69
Gambar 4.10 Grafik Daya Aktual vs Putaran untuk beban 3.5 kg ... 71
Gambar 4.11 Grafik Daya Aktual vs Putaran untuk beban 4.5 kg ... 71
Gambar 4.12 Grafik effesiensi Termal Brake Akltual vs Putaran untuk beban
3.5 kg ... 73
Gambar 4.13 Grafik Effesiensi Termal Brake Aktual vs Putaran untuk beban
4.5 kg ... 74
Gambar 4.14 Grafik Specific Fuel Consumption vs Putaran untuk beban ..
3.5 kg ... 76
Gambar 4.15 Grafik Specific Fuel Consumption vs Putaran untuk beban ..
4.5 kg ... 76
Gambar 4.16 Grafik Heat Loss vs Putaran untuk beban 3.5 kg ... 79
Gambar 4.17 Grafik Heat Loss vs Putaran untuk beban 4.5 kg ... 79
Gambar 4.18 Grafik Persentase Heat Loss vs Putaran untuk beban 3.5 kg ... 81
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Standar biodiesel ... 8
Tabel 2.2 Hasil Metil Ester Biodiesel Jelantah Sawit ... 15
Tabel 2.3 Kandungan metal ester pada minyak goreng bekas ... 16
Tabel 2.4 Spesifikasi Metil Ester Minyak Jarak ... 18
Tabel 2.5 Standard Emisi Gas Buang ... 24
Tabel 4.1 Karateristik Biodiesel Biji Kemiri Sunan ... 50
Tabel 4.2 Hasil Pengujian Bom Kalorimeter... 51
Tabel 4.3 Hasil Pengujian Dengan Bahan Bakar Solar Murni ... 53
Tabel 4.4 Hasil Pengujian Dengan Bahan Bakar Solar Murni + Biodiesel Kemiri Sunan 5% ... 53
Tabel 4.5 Hasil Pengujian Dengan Bahan Bakar Solar Murni + Biodiesel Kemiri Sunan 10% ... 54
Tabel 4.6 Hasil Pengujian Dengan Bahan Bakar Solar Murni + Biodiesel Kemiri Sunan 10% ... 55
Tabel 4.7 Hasil Pengujian Dengan Bahan Bakar Solar Murni + Biodiesel Kemiri Sunan 10% ... 55
Tabel 4.8 Data Perhitungan Untuk Daya ... 57
Tabel 4.9 Data Perhitungan Untuk Laju aliran Bahan Bakar ... 60
Tabel 4.11 Data Perhitungan Untuk Effesiensi Volumetris ... 66
Tabel 4.12 Data Perhitungan Untuk Daya Aktual ... 69
Tabel 4.13 Data Perhitungan Untuk Effesiensi termal brake aktual ... 71
Tabel 4.14 Data Perhitungan Untuk Specific Fuel Consumption ... 74
Tabel 4.15 Data Perhitungan Untuk Heat Losses ... 76
DAFTAR NOTASI
Lambang Keterangan Satuan
PB Daya Keluaran Watt
n Putaran rpm
T Torsi N.m
Sfc Konsumsi Bahan Bakar Spesifik g/kWh
Laju Aliran Bahan Bakar Kg/jam
CV Nilai Kalor Kj/Kg
η
b Efisiensi Thermal %t Waktu Jam
Laju massa udara dalam Silinder Kg/jam
B Diameter Silinder mm
S
Panjang Langkah mmrc Rasio Kompresi
Vd Volume Silinder m3
V
c Volume sisa di silinder m3Abstrak
Peningkatan jumlah penduduk secara eksponensial, keterbatasan sumber daya minyak menjadi sekian dari banyak hal yang mendorong kita untuk melakukan penelitian dan pengembangan terhadap bahan bakar alternative, salah satunya adalah penggunaan biji kemiri sunan untuk menghasilkan biodiesel. Penilitian ini bertujuan untuk menganalisa performansi mesin diesel TD-115 dengan menggunakan bahan bakar alternative biodiesel biji kemiri sunan dan membandingkannya pada campuran tertentu serta penambahan katalitik converter dengan harapan mengurangi emisi gas buang, daya tertinggi terjadi pada penggunaan solar murni yaitu sebesar 3.78056 kW, torsi maksimum pada pembebanan 4.5 kg putaran 2800 rpm menggunakan solar murni yakni sebesar 12.9 Nm, SFC Maksimum pada bahan bakar Solar + Biodiesel biji kemiri sunan 20% beban 3.5 kg putaran 1800 rpm yaitu sebesar 1161.24239 g/kW.jam, Nilai AFR maximum pada bahan bakar solar + biodiesel kemiri sunan 10% dengan beban 4.5 kg dan putaran 2400 rpm yakni sebesar 70.244234, Nilai Efisiensi Thermal maximum pada bahan bakar solar dengan beban 4.5 kg dan putaran 2600 rpm yakni sebesar 30.9212382%, Heat Loss terbesar terjadi pada penggunaan solar murni beban 4.5 kg putaran 2800 rpm yakni sebesar 5453.23181 W, Opacity terbesar pada penggunaan bahan bakar biodiesel biji kemiri sunan 15% dengan penambahan katalitik converter pada exhaust manifold yakni sebesar 42.1667%. Kadar HC (Hidro Carbon) dan CO (Carbon Monoksida) mengalami penurunan saat menggunakan katalitik converter.
ABSTRACT
Exponential increases in population , the limited resources of oil into so many things that drive us to do the research and development of alternative fuels , one of which is the use of Sunan pecan seeds to produce biodiesel . This research aims to analyze the performance of the TD - 115 diesel engine using alternative fuel biodiesel Sunan pecan seeds and compare in the particular mix, and the addition of the catalytic converter in the hope of reducing exhaust emissions. The highest power occured when we use pure diesel is equal to 3.78056 kW, maximum torque at 4.5 kg load, 2800 rpm using pure diesel which amounted to 12.9 Nm. SFC Maximum occurred when using Solar + Biodiesel fuel Sunan pecan seed 20 % load 3.5 kg round, 1800 rpm is equal to 1161.24239 g / kW.jam. AFR maximum value on biodiesel Sunan pecan + 10% biodiesel with 4.5 kg load and 2400 rpm rotation which is equal to 70.244234. Maximum value of Thermal Efficiency on diesel fuel happened in 4.5 kg load and 2600 rpm rotation which is equal to 30.9212382 % , the biggest Heat loss occurs in the use of pure diesel 4.5 kg load rotation 2800 rpm which is equal to 5453.23181 W , the largest Opacity on the use of biodiesel fuel Sunan pecan seed 15 % with the addition of the catalytic converter in the exhaust manifold which is equal to 42.1667 % . Levels of HC ( Hydro Carbon ) and CO ( Carbon Monoxide ) decreased when using a catalytic converter.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Harga minyak dunia yang bersumber dari fosil saat ini sangat tinggi,
sementara itu cadangan minyak bumi di Indonesia semakin menipis, yang
diperkirakan ketersediaannya sebanyak 86,9 milyar barel. Jumlah tersebut
diperkirakan hanya akan dapat memenuhi kebutuhan energi dalam negeri selama
23 tahun ke depan (Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral, 2005).
Keadaan ini menjadikan pengembangan diversifikasi energi termasuk bioenergi
merupakan prioritas utama yang harus dilakukan demi terjaganya energy security
Peningkatan jumlah penduduk dan tingginya ketergantungan masyarakat
Indonesia terhadap minyak bumi semakin memperparah kondisi tersebut.
Penambahan jumlah penduduk berdampak pada peningkatan kebutuhan sarana
transportasi dan aktivitas industri yang mengakibatkan terjadinya peningkatan
kebutuhan dan konsumsi bahan bakar minyak (BBM) nasional.
Kebutuhan minyak solar secara nasional dari tahun ke tahun terus
meningkat berturut-turut dari 15,84 milyar liter (tahun 1995), 21,39 milyar liter
(tahun 2000), 27,05 milyar liter (tahun 2005) dan diproyeksikan menjadi 34,71
milyar liter pada tahun 2010. Impor solar meningkat dari 5 miliar liter pada tahun
1999 menjadi 8 miliar liter pada tahun 2001 (Soerawidjaja, 2006), dan pada tahun
2007 menjadi 10,7 miliar liter (Energi dan Sumber Daya Mineral, 2006). Akibat
dari ketergantungan terhadap minyak bumi sebagai bahan bakar, dampaknya
sangat dirasakan oleh Pemerintah Indonesia, apalagi setelah harga bahan bakar
minyak mentah mencapai US $ 70 per barel pada tahun 2005 bahkan mencapai
US $ 140 per barel pada tahun 2008. Peningkatan laju konsumsi BBM tersebut
diperparah lagi dengan semakin menurunnya kemampuan produksi minyak bumi
di dalam negeri secara alami. Oleh karena itu, dalam rangka mengurangi
ketergantungan terhadap bahan bakar fosil, perlu segera mengambil
atau bahan bakar nabati sebagai sumber energi alternatif sangat strategis untuk
mengatasi permasalahan tersebut.
Upaya pengembangan industri bahan bakar nabati/biofuel ini selain untuk
mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil (BBM) juga diharapkan dapat
menciptakan lapangan kerja, sehingga dapat mengurangi pengangguran (pro job);
dan tingkat kemiskinan (pro poor ); memperkuat ekonomi nasional (pro growth);
serta memperbaiki lingkungan (pro planet) . Berkenaan dengan hal tersebut,
sebagai upaya pencarian bahan baku lain berupa tanaman penghasil minyak nabati
potensial untuk dikembangkan sebagai bahan baku pembuatan bahan bakar nabati
yang prospektif. Salah satu energi terbarukan yang dapat dihasilkan dengan
teknologi tepat guna yang relatif lebih sederhana dan sesuai potensi wilayah di
Indonesia terutama di pedesaan adalah Buah Kemiri Sunan, yang merupakan salah
satu jenis tanaman yang menghasilkan buah mengandung minyak nabati dan
potensial digunakan sebagai bahan baku pengganti solar (biodesel).
Selain itu meningkatnya jumlah kedaraan bermotor saat ini berimbas pada
kualitas udara yang buruk di daerah perkotaan menuntut pabrikan motor
berinovasi, salah satunya adalah catalytic converter yang terdapat pada mobil
keluaran saat ini. Alat tersebut berfungsi untuk mengurangi intensitas
pencemaran udara gas buang dikarenakan proses pembakaran kendaraan
bermotor.
1.2 Tujuan Pengujian
1. Untuk mengetahui performansi genset mesin diesel dengan menggunakan
Biodiesel biji Kemiri Sunan.
2. Untuk memperoleh komposisi Opacity, HC, dan CO dari mesin diesel satu
silinder dengan menggunakan bahan bakar biodiesel biji Kemiri Sunan.
3. Melihat pengaruh Catalitic Converter dalam pengurangan emisi dan
1.3 Batasan Masalah
1. Bahan bakar yang digunakan dalam pengujian yaitu biodiesel biji Kemiri
Sunan.
2. Mesin uji yang digunakan untuk mendapatkan unjuk kerja mesin Diesel
adalah Small Engine Test Bed TD111-MKII pada laboratorium Motor
Bakar Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
3. Performansi mesin yang dihitung adalah :
Daya (Brake Power)
Konsumsi bahan bakar spesifik (Spesific Fuel Consumption)
Effesiensi Volumetris
Efisiensi Thermal Brake (Thermal Brake Efficiency)
Heat Losses
4. Alat uji yang digunakan untuk mengetahui komposisi emisi gas buang
mesin solar yaitu Smoke Meter (Opacity) Model HD – 410 dan Gas
Analyzer Model HG – 510
5. Gas buang mesin solar yang diamati adalah Opacity, HC (Hidro Carbon) dan CO (Carbon Monoksida)
1.4 Manfaat Pengujian
1. Sebagai pertimbangan terhadap pemerintah untuk menghemat devisa
Negara terhadap anggaran subsidi bahan bakar solar.
2. Untuk memberikan dukungan terhadap pemerintah dalam mengurangi
ketergantungan bahan bakar fosil khususnya solar.
3. Untuk mengetahui kelebihan dan kekurangan dari masing-masing bahan
bakar yang diuji yaitu solar, dan campuran solar dengan biodiesel biji
kemiri sunan
4. Untuk melihat pengaruh penggunaan Katalitik Konverter pada mesin
diesel, dan signifikansinya terhadap pengurangan emisi gas buang dari
1.5 Metodologi Penulisan
Metodologi penulisan yang digunakan pada penulisan skripsi ini adalah
sebagai berikut :
a. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku dan
tulisan-tulisan yang terkait.
b. Browsing internet, berupa studi artikel-artikel, gambar-gambar dan
buku elektronik (e-book) serta data-data lain yang berhubungan. c. Metode studi lapangan, yaitu dengan mengambil data dari hasil
pengujian yang dilakukan di laboratorium motor bakar fakultas teknik.
d. Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing yang ditunjuk
oleh Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
1.6Sistematika Penulisan
Skripsi ini dibagi dalam beberapa bab dengan garis besar tiap bab adalah
sebagai berikut :
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 biodiesel,
pembakaran mesin Diesel, persamaan-persamaan yang digunakan, dan
emisi gas buang mesin 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 memarpakan
kedalam bentuk tabel dan grafik.
Bab V : Kesimpulan dan Saran
Daftar Pustaka
Daftar pustaka berisikan literatur yang digunakan untuk menyusun
laporan.
Lampiran
Pada lampiran dapat dilihat hasil data yang diperoleh dari pengujian dalam
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Biodiesel
2.1.1 Sejarah Penggunaan Bahan Bakar Alternatif Biodiesel
Biodiesel pertama kali dikenalkan di Afrika selatan sebelum perang dunia II
sebagai bahan bakar kenderaan berat. Biodiesel didefinisikan sebagai metil/etil
ester yang diproduksi dari minyak tumbuhan atau hewan dan memenuhi kualitas
untuk digunakan sebagai bahan bakar di dalam mesin diesel. Sedangkan 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.
Pemanasan bahan bakar sebelum memasuki sistem pompa dan injeksi bahan
bakar merupakan satu solusi yang paling dominan untuk mengatasi permasalahan
yang mungkin timbul pada penggunaan SVO secara langsung pada mesin diesel.
Pada umumnya, orang lebih memilih untuk melakukan proses kimiawi pada
lemak (fatty acid methyl ester - FAME) yang memiliki berat molekul lebih kecil
dan viskositas setara dengan solar sehingga bisa langsung digunakan dalam mesin
diesel konvensional. Biodiesel umumnya diproduksi dari refined vegetable oil
menggunakan proses transesterifikasi. Proses ini pada dasarnya bertujuan
mengubah [tri, di, mono] gliserida berberat molekul dan berviskositas tinggi yang
mendominasi komposisi refined fatty oil menjadi asam lemak methil ester (FAME).
Konsep penggunaan minyak tumbuh-tumbuhan sebagai bahan pembuatan
bahan bakar sudah dimulai pada tahun 1895 saat Dr. Rudolf Christian Karl Diesel
(Jerman, 1858-1913) mengembangkan mesin kompresi pertama yang secara
khusus dijalankan dengan minyak tumbuh-tumbuhan (gambar 2.1). Mesin diesel
atau biasa juga disebut Compression Ignition Engine yang ditemukannya itu
merupakan suatu mesin motor penyalaan yang mempunyai konsep penyalaan di
akibatkan oleh kompressi atau penekanan campuran antara bahan bakar dan
oxygen didalam suatu mesin motor, pada suatu kondisi tertentu. Konsepnya
adalah bila suatu bahan bakar dicampur dengan oksigen (dari udara) maka pada
suhu dan tekanan tertentu bahan bakar tersebut akan menyala dan menimbulkan
tenaga atau panas. Pada saat itu, minyak untuk mesin diesel yang dibuat oleh Dr.
Rudolf Christian Karl Diesel tersebut berasal dari minyak sayuran. Tetapi karena
pada saat itu produksi minyak bumi (petroleum) sangat melimpah dan murah,
maka minyak untuk mesin diesel tersebut digunakan minyak solar dari minyak
bumi. Hal ini menjadi inpirasi terhadap penerus Karl Diesel yang mendesain
motor diesel dengan spesifikasi minyak diesel.
2.1.2 Definisi Biodiesel
Biodiesel merupakan bahan bakar yang terdiri dari campuran mono--alkil
ester dari rantai panjang asam lemak, yang dipakai sebagai alternatif bagi bahan
bakar dari mesin diesel dan terbuat dari sumber terbaharui seperti minyak sayur
atau lemak hewan.
Sebuah proses dari transesterifikasi lipid digunakan untuk mengubah
minyak dasar menjadi ester yang diinginkan dan membuang asam lemak bebas.
Setelah melewati proses ini, tidak seperti minyak sayur langsung, biodiesel
memiliki sifat pembakaran yang mirip dengan diesel (solar) dari minyak bumi,
dan dapat menggantikannya dalam banyak kasus. Namun, dia lebih sering
digunakan sebagai penambah untuk diesel petroleum, meningkatkan bahan bakar
diesel petrol murni ultra rendah belerang yang rendah pelumas.
Biodiesel merupakan kandidat yang paling baik untuk menggantikan
bahan bakar fosil sebagai sumber energi transportasi utama dunia, karena
biodiesel merupakan bahan bakar terbaharui yang dapat menggantikan diesel
petrol di mesin sekarang ini dan dapat diangkut dan dijual dengan menggunakan
infrastruktur zaman sekarang.
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
(Hambali,2007) :
1. Bahan bakar ramah lingkungan karena menghasilkan emisi yang jauh lebih
baik (free sulphur, smoke number rendah)
3. Memiliki sifat pelumasan terhadap piston mesin
4. Dapat terurai (biodegradable)
5. Merupakan renewable energy karena terbuat dari bahan alam yang dapat diperbaharui
6. Meningkatkan independensi suplai bahan bakar karena dapat diproduksi
secara lokal
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%
6. Hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH = polycyclic aromatic hydrocarbon) berkurang, terutama PAH beracun seperti : phenanthren berkurang 98%, benzofloroanthen berkurang 56%, benzapyren berkurang
71%, serta aldehidadan senyawa aromatik berkurang 13%.
Karateristik dan standar daripada biodiesel ditunjukkan pada tabel 2.1 di
bawah ini:
Tabel 2.1 Standar biodiesel [lit 9]
Parameter Satuan Biodiesel
Fosfor mg/kg 0.98 Maks 10 Maks 1 0.03
Gliserol Bebas %wt 0.0091 Maks 0.02 Maks 0.02 0.0045
Gliserol Total %wt 0.2086 Maks 0.24 Maks 0.24 0.053
Kadar Ester
Alkil
%wt 99.56 Min 96.5 98.997
Uji halphen Negatif Negatif Negatif
Sumber : Badan Standarisasi Nasional (2006) European Commision (2007)
Tjahjana dan Pranowo (2010) Kartika et al. (2011)
2.1.3. Pembuatan biodiesel
Agar biodiesel bisa digunakan sebagai bahan bakar maka diperlukan teknologi untuk mengkonversinya. Terdapat beberapa teknologi untuk konversi biomassa, dijelaskan pada Gambar 2.1. Teknologi konversi biodiesel tentu saja membutuhkan perbedaan pada alat yang digunakan untuk mengkonversi biodiesel dan menghasilkan perbedaan bahan bakar yang dihasilkan.
2.1.3.1 Esterifikasi
Ester merupakan salah satu gugus dari fungsi dari senyawa karbon. Ester
adalah senyawa dengan gugus fungsi – COO – dengan struktur R – COO – R,
dimana R merupakan suatu rantai karbon atau atom H, sedangkan R merupakan
rantai karbon. Ester mempunyai rumus umum CnH2nO2. Pemberian nama ester terdiri dari dua kata yaitu gugus alkil (berasal dari alkoksi) diikuti dengan nama
asam karboksilatnya dengan menghilangkan kata asam. Gugus atom yang terikat
pada atom O (Gugus R) diberi nama alkil dan gugus R – COO – H diberi nama
alkanoat.
Esterifikasi adalah tahap konversi dari asam lemak bebas (FFA) menjadi
ester. Esterifikasi mereaksikan asam lemak dengan alcohol. Reaksi ini merupakan
reaksi kesetimbangan, jadi memerlukan katalis untuk mempercepat tercapainya
keadaan setimbang. Katalis-katalis yang cocok adalah zat yang berkarakter asam
kuat, dan karena ini asam sulfat, asam sulfonat organic atau resin penukar kation
asam kuat merupakan katalis terpilih dalam praktek industrial
2.1.3.2 Transesterifikasi
Saat ini sebagian besar biodiesel muncul dari sumber daya yang dapat
dimakan, seperti lemak hewan, minyak sayur, dan bahkan limbah minyak goreng,
dengan katalis kondisi basa. Namun konsumsi tinggi katalis membuat biodiesel
saat ini lebih mahal daripada bahan bakar yang diturunkan dari minyak bumi.
Transesterifikasi adalah pertukaran alcohol dengan suatu ester untuk
membentuk ester yang baru. Reaksi ini bersifat reversible dan berjalan lambat
tanpa adanya katalis. Penggunaan alcohol atau mengambil alih salah satu produk
adalah langkah untuk mendorong reaksi kearah kanan atau produk.
Tahapan proses transesterifikasi pembuatan biodiesel selalu menginginkan
agar produk biodiesel dengan jumlah yang maksimum. Beberapa kondisi reaksi
yang mempengaruhi konversi serta perolehan biodiesel melalui transesterifikasi
1. Pengaruh air dan asam lemak bebas
Minyak nabati yang akan di transesterifikasi hasrus memiliki angka asam
yang lebih kecil dari 1. Banyak peneliti yang menyarankan agar
kandungan asam lemak bebas lebih kecil dari 0.5%. Selain itu, semua
bahan yang akan digunakanharus bebas dari air. Karena air akan bereaksi
dengan katalis, sehingga jumlah katalis menjadi berkurang. Katalis harus
terhindar dari udara agar tidak mengalami reaksi dengan uap air dan
karbon dioksida.
2. Perbandingan pengaruh 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 konversi 98%. Secara umum ditunjukkan bahwa
semakin banyak jumlah alkohol yang digunakan maka konversi yang
didapat akan semakin bertambah. Pada rasio molar 6:1, setelah satu jam
konversi yang dihasilkan adalah 98 – 99%, sedangkan pada 3:1 adalah 74 – 89%. Nilai perbandingan yang terbaik adalah 6:1 karena menghasilkan konversi yang maksimum.
3. Pengaruh jenis alkohol
Pada rasio 6:1, methanol akan memberikan perolehan ester yang tertinggi
dibandingkan dengan menggunakan etanol atau butanol.
4. Pengaruh jenis katalis
Alkali katalis (katalis basa) akan mempercepat reaksi transesterifikasi bila
dibandingkan dengan katalis asam. Katalis basa yang paling popular untuk
reaksi transesterifikasi adalah natrium hidroksida (NaOH), kalium
hidroksida (KOH). Katalis sejati bagi reaksi sebenarnya adalahion metilat
(metoksida). Reaksi transesterifikasi akan menghasilkan konversi yang
maksimum dengan jumlah katalis 0.5 – 1.5% berat minyak nabati.
5. Metanolisis Crude dan Refined minyak nabati
Perolehan metal ester akan lebih tinggi jika menggunakan minyak nabati
bakar mesin diesel, cukup digunakan bahan baku berupa minyak yang
telah dihilangkan getahnya dan disaring.
6. Pengaruh temperature
Reaksi transesterifikasi dapat dilakukan pada temperatur 30 – 65% (titik
didih metanol sekitar 65oC) Semakin tinggi temperatur, konversi yang diperoleh akan semakin tinggi untuk waktu yang lebih singkat.
2.2 Biodiesel dari bahan-bahan lainnya
2.2.1 Biodiesel dari bahan baku minyak jelantah kelapa sawit
Menurut Wibisono, Adhi; 19 Februari 2013, telah dilakukan sintesis
biodiesel dari minyak jelantah kelapa sawit dengan cara reaksi esterifikasi dan
transesterifikasi. Biodiesel yang didapat kemudian dianalisis dengan teknik
kromatografi gas dan spektrometer massa (GC-MS). Kualitasnya ditentukan
dengan analisis sifat fisika dan kimia kemudian dibandingkan dengan standar
Jerman DIN V 51606. Hasil analisis GC-MS menunjukkan enam senyawa metil
ester(biodiesel) seperti: metil miristat, metal palmitat, metil linoleat, metil oleat,
metil stearat dan metil arakhidat. Biodiesel yang didapat mempunyai berat jenis
(0,8976±0,0003g/mL), vikositas (4,53±0,0872mm/s), bilangan asam
(0,4238±0,0397mgKOH/g), dan bilangan iod (9,3354±0,0288g iod/100g sampel)
yang memenuhi syarat seperti yang ditetapkan oleh standar Jerman DIN 51606.
Dengan kandungan metal ester mencapai 100 % yang diuji dengan menggunakan
teknik GC (Gas Cromatography)
Sintesis biodiesel dilakukan dengan metoda two stage acid-base melalui dua tahap reaksi, yaitu tahap Esterifikasi, dilakukan dengan mereaksikan sejumlah
volume minyak jelantah dengan methanol pada suhu 35oC dengan katalis asam dan disertai dengan pengadukan selama 5 menit, dan dilanjutkan dengan
pengadukan tanpa pemanasan selama 1 jam. Kemudian didiamkan selama 24 jam.
Setelah itu dilanjutkan dengan tahap reaksi kedua yaitu Reaksi Transesterifikasi.
Campuran hasil tahap pertama ditambahkan dengan larutan natrium metoksida,
jam, akan terbentuk lapisan gliserol dan lapisan biodiesel. Pisahkan lapisan
biodiesel dan dicuci pada pH netral beberapa kali dengan air. Keringkan air yang
terdistribusi dalam biodiesel dengan garam penarik air (MgSO4 anhidrid). Pisahkan biodiesel dari garam-garam yang mengendap dengan penyaringan.
Filtrat yang diperoleh merupakan senyawa metil ester (biodiesel) hasil sintesis.
Identifikasi dan interpretasi hasil sintesis
dengan GC-MS yakni biodiesel hasil sintesis dianalisis dengan GC-MS di
Lab Kimia Organik Jurusan Kimia FMIPA UGM, untuk memastikan hasil
yang diperoleh benar merupakan metil ester (biodiesel).
Penentuan sifat fisika dan sifat kimia
biodiesel hasil sintesis, meliputi; Densitas, diukur dengan menimbang
volume tertentu biodisel dalam gelas piknometer, Viskositas, diukur
dengan metoda Oswald yaitu dengan mengukur laju mengalir biodiesel
kemudian dibandingkan dengan laju mengalir dari senyawa pembanding
yang telah diketahui densitasnya, Angka Asam, diukur dengan mentitrasi
biodiesel dalam etanol dengan larutan KOH yang telah dibakukan dengan
asam oksalat, dengan indicator phenolphtalein (pp), Angka Penyabunan,
Sejumlah berat tertentu biodiesel direaksikan dengan jumlah tertentu KOH
alkoholis berlebih dalam erlenmeyer tertutup kemudian dididihkan sampai
semua biodiesel tersabunkan, ditandai dengan larutan bebas dari butir-butir
minyak. Kelebihan KOH dititrasi dengan HCl untuk
mencari jumlah KOH yang bereaksi dengan biodiesel, Bilangan Iod,
sejumlah berat tertentu biodiesel direaksikan dengan I2 dan KI, kemudian ditutup rapat dan didiamkan
selama 30 menit sambil sesekali digoyang. Campuran kemudian dititrasi
dengan natrium tiosulfat yang telah dibakukan dengan kalium bikromat,
dengan indikator amilum, sampai warna biru hilang. Dengan cara yang
sama dilakukan titrasi blangko (tanpa biodiesel) dengan natrium tiosulfat.
Selisih tiosulfat yang digunakan blanko dan sampel mencerminkan jumlah
iodine yang bereaksi dengan biodiesel. hasil metal ester minyak jelantah
Puncak Waktu Retensi Luas Puncak Senyawa yang di Duga
1 15.645 1.32 Metil miristat
2 17.917 34.18 Metil palmitat
3 19.416 11.17 Metil inoleat
4 19.625 46.60 Metil oleat
5 19.801 5.46 Metil staarat
6 21.546 1.28 Metil astilat
2.2.2. Biodiesel dengan bahan baku minyak goreng bekas
Menurut Evy Setiawati, Fatmir Edwar; Balai Riset dan Standardisasi Industri
Banjarbaru, rendemen yang dihasilkan pada penelitian ini tergolong tinggi dikarenakan
adanya proses pengolahan bahan baku jelantah yang sesuai. Berdasarkan analisis GC, hasil
metal ester terdapat dalam 7 senyawa yang dapat dilihat pada tabel 2.3 di bawah ini:
Tabel 2.3 Kandungan metal ester pada minyak goreng bekas [lit.3]
Puncak Waktu Retensi % Senyawa Senyawa
1 17.070 0.56 Metil ester tridekanoat
2 19.368 39.93 Metil ester heksadekanoat
(palmitat)
3 20.850 0.15 Olealdehid
4 21.163 51.29 Metil ester 9-octadecanoat (oleat) 5 21.326 4.58 Metil ester oktadekanoat (stearat)
6 22.925 3.31 Metal ester risinoleat
(undekanoat)
7 23.137 0.18 Metil ester eikosanoat (arachidat)
2.2.3. Biodiesel dengan bahan baku minyak jarak pagar
Biodiesel (metil ester) dihasilkan dari proses transesterifikasi minyak nabati antara
lain dari minyak jarak pagar. Proses transesterifikasi dengan pereaksi metanol dan katalis
basa (KOH) dapat dilakukan satu atau dua tahap pada berbagai variabel suhu reaksi dan
nisbah molar metanol dengan minyak. Penelitian ini bertujuan membandingkan karakteristik
físiko-kimia (viskositas, densitas dan bilangan asam) serta persentase ester asam lemak dari
perlakuan yaitu (A) tahap transesterifikasi (A1= satu tahap, A2= dua tahap), (B) suhu reaksi
(B1= 30oC, B2= 65oC) dan (C) nisbah molar metanol-minyak (C1=3:1, C2=4:1, C3=5:1 dan C4=6:1), serta dua kali ulangan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa proses transesterifikasi
satu tahap pada suhu 30°C dengan nisbah molar metanol- minyak 5:1 menghasilkan
karakteristik metil ester terbaik yaitu viskositas kinematik 3,89 cSt, densitas 0,88g/cm3 dan bilangan asam 0,48 mg KOH/g sampel. Tidak terdapat perbedaan jenis senyawa ester asam
lemak pada metil ester hasil transesterifikasi satu dan dua tahap yaitu berturut-turut metil
oleat (47,09-47,46%), metil linoleat (32,20-32,53%), metil palmitat (18,65-18,93) dan metil
lignoserat (0,26-0,30%). Jumlah persentase senyawa ester asam lemak yang menunjukkan
persentase konversi trigliserida menjadi metil ester pada proses satu tahap adalah 100%,
sedangkan pada proses dua tahap adalah 99,62%. Rendemen (yield) metil ester pada proses
satu tahap adalah 77,99%, lebih tinggi dibandingkan proses dua tahap yaitu 70,80%.
Berdasarkan karakteristik dan rendemen metal ester, proses satu tahap lebih baik
dibandingkan dua tahap. Spesifikasi Metil ester minyak jarak pagar ditunjukkan pada tabel
2.4 di bawah ini.
Tabel 2.4 Spesifikasi Metil Ester Minyak Jarak [lit 1]
No Sample ME Waktu Retensi (menit)
Nama Senyawa Komposisi %
1 ME satu tahap
25.217 Metil Palmitat 18.93 25.334 Metil
Palmitoleat
1.11
28.598 Metil Oleat 47.46 28.986 Metil Linoleat 32.20 31.440 Metil
Lignoserat
0.3
Jumlah: 100
No Sample ME Waktu retensi (menit)
Nama Senyawa Komposisi %
25.25 Metil Palmitat 18.65 25.348 Metal
palmitoleat
2 ME dua tahap 28.443-28.817 Metil oleat 47.09 28.991 Metil Linoleat 32.53 31.457 Metil
Lignoserat
0.26
Jumlah: 99.62
2.2.4. Biodiesel dengan Bahan Baku Biji Karet
Menurut Soemargono, Edy Mulyadi; pemanfaatan biji karet (Hevea
Brasiliensis), sebagai sumber bahan baku biodiesel merupakan terobosan yang tepat
untuk meningkatkan nilai tambah perkebunan karet. Penelitian ini dimaksudkan
untuk menentukan pola pemungutan minyak biji karet secara maksimal dan
mendapatkan kondisi proses produksi biodiesel yang memenuhi 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.
2.3 Komposisi Bahan Baku
Tanaman kemiri sunan (Reutealis trisperma (Blanco) Airy Shaw) sebagai tanaman
penghasil minyak nabati. Tanaman ini telah tumbuh dengan baik di daerah Jawa Barat pada
ketinggian 0–1000 m dpl, mampu berproduksi tinggi, berumur panjang dengan kanopi daun
yang lebar dan perakaran dalam dengan produktivitas tanaman dan rendemen minyak yang
sebagai tanaman konservasi (Natakarmana, 2009). Bijinya yang beracun menjadikan tanaman
ini tidak bersaing dengan pangan sebagai bahan baku pembuatan bahan bakar nabati.
Buah kemiri sunan (BKS) terdiri atas sabut atau husk, kulit biji atau cangkang dan inti
biji atau kernel, biji atau kernel inilah yang mengandung minyak kasar yang cukup tinggi
(>50 %). Inti dari buah kemiri sunan mampu menghasilkan minyak sebesar 56% (Vassen dan
Umali, 2001 dalam Anomin,2009).
Untuk mendapatkan minyak kasar kemiri sunan (MKKS), kernel biji harus diperah
terlebih dahulu, setelah itu baru diekstraksi. Hasil ekstraksi ini berupa minyak cairan bening
berwarna kuning dan bungkil ekstraksi. Beberapa permasalahan dalam memproduksi MKKS
ini diantaranya adalah : (1) Mutu atau kualitas biji sangat menentukan rendemen minyak
yang diperoleh, sehingga diperlukan penanganan pasca panen yang sesuai, (2) Belum tersedia
alat pengupas cangkang, sehingga pengupasan masih dilakukan secara manual dengan
potensi yang sangat rendah dan membahayakan bagi pekerja karena biji beracun sehingga
diperlukan penanganan biji secara khusus, (3) Belum tersedianya alat pengepres yang
memadai, penggunaan alat pengepres jarak pagar belum mampu memerah minyak secara
maksimal.
Hasil penelitian pendahuluan terhadap warna kernel kemiri sunan yang dipres dengan
alat press mini Balittri-2 diperoleh bahwa rendemen MKKS yang dihasilkan berbeda, yaitu :
(1) biji dengan warna kernel coklat kehitaman menghasilkan minyak kasar dengan redemen
24,72 % dengan warna minyak coklat kehitaman, (2) kernel berwarna coklat diperoleh
sebanyak 37,22 % dengan warna minyak coklat, (3) kernel berwarna coklat keputihan
menghasilkan minyak kasar 46,73 % dengan warna minyak coklat kekuningan, (4) kernel
berwarna putih menghasilkan minyak kasar sebanyak 52,17 % dengan warna minyak kuning
jernih, dan (5) biji tanpa dikupas (dipres dengan cangkangnya) diperoleh rendemen minyak
sebanyak 29,81 % dengan warna minyak kasar coklat kekuningan. Dengan hasil yang
demikian, biji yang menghasilkan kernel berwarna putihlah yang harus diperoleh untuk
menghasilkan rendemen MKKS paling tinggi. Dari biji kemiri sunan dengan kadar air 12 %
setelah dikupas cangkangnya akan diperoleh sekitar 70 % kernel dan 30 % cangkang. Kondisi
kadar air yang demikian belum dapat menghasilkan MKKS yang optimal dan akan
berpengaruh terhadap karakter fisik MKKS yang dihasilkan. Pembuatan minyak kasar dapat
dilakukan dengan dua cara yaitu : (1) biji kemiri sunan dikeringkan sampai dengan kadar air
7 % kemudian langsung dipres dengan alat pengepres. Dengan cara ini akan diperoleh
minyak kasar sekitar 30 % dengan warna coklat kehitaman dan bungkil 70 % berwarna coklat
dikeringkan sampai dengan kadar air 7% baru dilakukan pengepresan. Dengan cara ini akan
diperoleh minyak kasar yang lebih baik dan lebih banyak, yaitu 53 % minyak kasar yang
berwarna kuning jernih dan 47 % bungkil yang berwarna putih.
Hasil analisis laboratorium terhadap asam-asam lemak MKKS diperoleh komposisi
minyak yang terdiri dari asam palmitat 10 %, asam stearat 9 %, asam oleat 12 %, asam
linoleat 19 % dan asam alpha-elaeostearat 51 %. Asam alpha-elaeostearat mengandung
kandungan racun pada minyak. Sedang bungkil yang dihasilkan masih mengandung 6 %
nitrogen, 1,7 % potassium dan 0,5 % phosphor sehingga dapat diolah lebih lanjut menjadi
pupuk dan biogas untuk menuju Desa Mandiri Energi (Vassen dan Umali, 2001 dalam
Anonim, 2009).
Minyak nabati dengan kadar asam lemak bebas (ALB) tinggi tidak dapat langsung
diproses menjadi biodiesel dengan proses transesterifikasi karena akan terbentuk emulsi
sabun sehingga menyulitkan proses pemisahan metil ester (biodiesel). Apabila dilakukan
netralisasi terlebih dahulu akan berakibat pada kenaikan biaya produksi dan rendahnya
rendemen. Salah satu cara untuk mengatasi hal tersebut adalah dengan memperbaiki
penanganan pasca panen sehingga diperoleh mutu kernel yang baik atau melakukan proses
produksi biodiesel melalui proses dua tahap yaitu esterifikasi yang bertujuan untuk
mengurangi bilangan asam (kadar asam lemak bebas) dan transesterifikasi untuk mengubah
trigliserida, monogliserida, dan digliserida menjadi metil ester. Hasil penelitian menunjukkan
bahwa asam lemak bebas minyak kemiri sunan sangat bervariatif antara 1,67–8,56 tergantung
dari mutu biji yang diproses.
2.4 Mesin Diesel
Mesin diesel juga disebut “Motor Penyalaan Kompresi” oleh karena penyalaannya dilakukan dengan menyemprotkan bahan bakar ke dalam udara yang telah bertekanan dan
bertemperatur ringgi sebagai akibat dari proses kompresi di dalam ruang bakar. Agar bahan
bakar diesel dapat terbakar dengan sendirinya, maka perbandingan kompresi mesin diesel
harus berkisar antara 15 – 22, sedangkan tekanan kompresinya mencapai 20 – 40 bar dengan
suhu 500 – 700 0C. 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
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 (Y. A. Çengel and M. A. Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach, 5th ed, McGraw-Hill, 2006.). Siklus diesel tersebut ditunjukkan pada gambar 2.2 dan 2.3 di bawah ini.
Gambar 2.2 Diagram P-v [lit.17]
Keterangan Gambar:
P = Tekanan (atm)
V = Volume Spesifik (m3/kg)
T = Temperatur (K)
Diagram T-S
Gambar 2.3 Diagram T-S [lit.12]
Keterangan Grafik:
1-2 Kompresi Isentropik
2-3 Pemasukan Kalor pada Volume 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 :
1. Langkah Isap
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.
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
Begitu seterusnya sehingga terjadi siklus pergerakan piston yang tidak berhenti.
Siklus ini tidak akan berhenti selama faktor yang mendukung siklus tersebut tidak ada yang
terputus. Untuk lebih jelas, prinsip kerja mesin diesel dapat dilihat pada gambar 2.4.
Langkah isap Langkah kompresi Langkah usaha Langkah Buang
2.4.2 Performansi Mesin Diesel
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). 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)
H2 = Persentase hidrogen dalam bahan bakar
O2 = Persentase oksigen dalam bahan bakar
S = Persentase sulfur dalam bahan bakar
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
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).
2. Daya Poros
Daya mesin adalah besarnya kerja mesin selama waktu tertentu. Pada motor bakar
daya yang berguna adalah daya poros, dikarenakan poros tersebut menggerakan beban. Daya
poros dibangkitkan oleh daya indikator , yang merupakan daya gas pembakaran yang
menggerakan torak selanjutnya menggerakan semua mekanisme, sebagian daya indikator
dibutuhkan untuk mengatasi gesekan mekanik, seperti pada torak dan dinding silinder dan
gesekan 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 :
Dimana :
PB = daya ( W )
T = torsi ( Nm )
n = putaran mesin ( Rpm )
3. 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 day dan torsi ditunjukkan oleh persamaan 2.4
dan 2.5 di bawah ini.
PB =
... (2.4)
T =
... (2.5)
4. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)
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)
... (2.7)
Dengan :
SFC = konsumsi bahan bakar spesifik (kg/kw.h)
= konsumsi bahan bakar
sgf = spesicific gravity
t = waktu (jam)
5. 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)
6. Heat Loss in Exhaust
Heat loss in exhaust atau dapat dikatakan sebagai besar kehilangan energi yang terjadi
akibat adanya aliran gas panas buang dari exhaust manifold ke lingkungan. Gas buang ini
berupa aliran gas panas.
Besarnya Heat Loss dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.9 di bawah ini.
Heat Loss = (ma x mf)x (Te – Ta )
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 2.10.
7. Emisi Gas Buang
Untuk mesin Diesel emisi gas buang yang dilihat adalah opasitas (ketebalan asap).
Adapun Standart nilai opasitas berdasarkan peraturan menteri negara lingkungan hidup
nomor 21 tahun 2008 tentang ambang batas emisi gas buang untuk mesin stasioner
pembangkit tenaga ditunjukkan dalam tabel 2.5 di bawah ini.
Polutan dibedakan menjadi organik dan inorganik. Polutan organik
mengandung karbon dan hydrogen, juga beberapa elemen seperti oksigen, sulfur
atau fosfor. Contohnya hidrokarbon, alkohol, ester dan lain-lain. Polutan inorganik
seperti karbon monoksida (CO), karbonat, nitrogen oksida, ozon dan lain-lain.
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 magnetik 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 ke dalam 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 berwarna
hitam.
b. UHC (Unburned Hidrocarbon)
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
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
ditangki 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 akan 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 daripada 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 berwarna coklat kemerahan dan berbau tajam. Gas NO merupakan
gas yang berbahaya karena mengganggu syaraf pusat. Gas NO terjadi karena