PENGARUH PENAMBAHAN ADITIF NABATI SOLAR TERHADAP UNJUK KERJA DAN KETAHANAN MESIN DIESEL
GENERATOR SET TF55R
WilviariVekky V.R dan Bambang Sudarmanta Lab. TPBB Jurusan Teknik Mesin FTI - ITS
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail : [email protected]; [email protected]
Abstrak
Seiring berkembangnya jaman dan teknologi maka mendorong manusia untuk menciptakan engine yang memiliki efisiensi yang tinggi. Salah satunya adalah dengan menggunakan aditif nabati sebagai campuran bahan bakar yang diharapkan dapat meningkatkan efisiensi dari mesin industri maupun transportasi. Aditif nabati ditujukan untuk mengubah struktur molekul pada bahan bakar, sehingga diharapkan mudah menyerap dan merapatkan oksigen pada proses pembakaran. Pengujian yang digunakan yakni pengujian Fourier Transform Infrared (FTIR), pengujian propertis aditif nabati, unjuk kerja engine, pengujian ketahanan 200 jam kerja, dan pengujian properties pelumas.
Pada pengujian unjuk kerja dilakukan dengan menambahkan aditif nabati sebesar 1ml; 1,2ml; 1,4ml; dan 1,6ml per liter solar. Pengujian dilakukan pada engine Diesel Yanmar TF55R putaran konstan 2200 rpm dan generator listrik 3000 W putaran 1500 rpm. Pembebanan dimulai dari beban 400 hingga 2800 Watt dengan interval kenaikan pembebanan 400 Watt. Pengukuran dilakukan terhadap waktu konsumsi minyak solar 20 ml, temperatur: Texhaust, Toil, Tradiator, Tengine. Setelah dilakukan pengujian unjuk kerja, Selanjutnya diambil campuran aditif terbaik untuk dilakukan uji ketahanan mesin. Pengukuran uji ketahanan mesin dilakukan dengan beban 500 Watt. Selama pengujian pengukuran dilakukan terhadap jumlah konsumsi bahan bakar, kandungan oli pelumas, dan temperatur operasi : Texhaust, Toil, Tradiator,. Sedangkan pengujian FTIR dimaksudkan untuk mengetahui perubahan struktur molekul sebelum dan sesudah diberikan aditif nabati pada solar. Hasil pengujian FTIR dengan penambahan aditif nabati 1,2ml menunjukkan perubahan molekul bahan bakar yang terbaik, untuk pengujian unjuk kerja terbaik adalah dengan campuran aditif nabati sebasar 1,2ml dengan hasil konsumsi bahan bakar mengalami penurunan rata-rata sebesar 6,52%, dan effisiensi thermal mengalami kenaikan rata-rata sebesar 5,14%. Adapun Emisi CO, HC, dan NO2
terendah didapatkan penurunan rata-rata pada penambahan aditif nabati sebesar 1,6ml yaitu masing-masing sebesar 23,53%; 40,69%; dan 27,4%. Sedangkan untuk pengujian 200 jam kerja dengan penambahan aditif nabati mengakibatkan pengotoran di dalam ruang bakar mengalami penurunan, dan lebih mudah dibersihkan, akan tetapi dengan pemakaian aditif nabati solar ini mengakibatkan penurunan kualitas oli pelumas dibandingkan dengan menggunakan solar standar.
Kata kunci : Aditif nabati, emisi gas buang, solar, unjuk kerja, FTIR
PENDAHULUAN
Seiring dengan perkembangan jaman dan teknologi khususnya di bidang industri dan alat transportasi dewasa ini membuat jumlah penggunanya juga mengalami peningkatan yang cukup signifikan. Hal ini juga mempengaruhi pada konsumsi bahan bakar minyak yang sangat banyak, namun hal ini tidak didukung oleh ketersediaan dari bahan bakar minyak itu sendiri. Sehingga hal itu mendorong manusia untuk menciptakan kendaraan dengan mesin yang memiliki tingkat efisiensi yang tinggi.
Dengan kondisi perekonomian Indonesia pada saat ini, pemakai BBM khususnya di Indonesia berusaha menekan konsumsi BBM mereka secara ekonomis dengan cara menggunakan jenis BBM dengan kualitas lebih rendah dan lebih murah.
Solar merupakan salah satu jenis bahan bakar cair yang digunakan dalam proses pembakaran pada mesin diesel. Salah satu sifat yang harus dipunyai dari bahan bakar diesel adalah Cetane Number dari bahan bakar tersebut. Angka setana adalah angka yang
menunjukkan berapa besar tekanan maksimum yang bisa diberikan di dalam mesin sebelum bahan bakar diesel terbakar secara spontan. Jadi, semakin tinggi angka setananya, semakin cepat bahan bakar diesel itu terbakar spontan.
Salah satu cara alternatif yang dapat dipakai untuk memperbaiki kualitas bahan bakar adalah dengan menggunakan aditif nabati. Dengan menambahkan aditif nabati pada bahan bakar solar, secara cepat bahan bakar tersebut mengalami perubahan struktur kimiawi yang dikenal dengan perubahan struktur molekul.
Proses re-formulasi ini merubah susunan struktur molekul pada bahan bakar. Sehingga mudah menyerap dan merapatkan oksigen menyebabkan kemudahan pada proses pembakaran yang sempurna. Dengan tidak adanya bahan bakar yang tersisa pada proses pembakaran menjadikan hasil pembakaran yang lebih sempurna, maka hal ini dapat mengurangi terjadinya pemborosan bahan bakar.
Berdasarkan uraian tersebut, maka kami mengusulkan penelitian dengan topik Pengaruh Penambahan Aditif Nabati Solar Terhadap
Unjuk Kerja dan Ketahanan Mesin Diesel Generator Set TF55R dengan Pembebanan 500 Watt.
METODE PENELITIAN
Pengujian dilakukan pada mesin diesel constant speed electrical dynamometer.
Pengujian dilakukan pada mesin sebagai alat uji dengan poros utama yang telah terkopel langsung dengan electrical generator sebagai electrical dynamometer. Pengujian ini dilakukan di Lab TPBB ITS Surabaya.
Penelitian dilakukan dengan menggunakan metode eksperimental yang dibagi atas 2 (dua) kelompok, yaitu:
1. Kelompok kontrol adalah mesin diesel menggunakan minyak solar,
2. Kelompok uji adalah mesin diesel menggunakan aditif
Prosedur Percobaan
Dalam pengujian nantinya, beban maksimum yang diambil 2800 Watt dengan pertimbangan daya mesin serta transmisi mekanis antara mesin diesel dan generator listrik.
Tahapan-tahapan pengujian yang dilakukan adalah sebagai berikut:
A. Persiapan pengujian
Hal-hal yang diperlukan dalam persiapan pengujian ini adalah sebagai berikut:
1. Memeriksa kondisi kesiapan mesin yang meliputi kondisi fisik mesin, pelumas, sistem pendinginan, sistem bahan bakar dan kesiapan generator listrik.
2. Memeriksa kondisi sistem pembebanan, sistem kelistrikan dan sambungan- sambungan listrik yang ada.
3. Memeriksa kesiapan alat-alat ukur.
4. Mempersiapkan alat tulis dan tabel untuk pengambilan data.
B. Pengujian unjuk kerja dengan bahan bakar minyak solar dan kombinasi aditif- minyak solar
Percobaan dilakukan dengan putaran mesin tetap dengan variasi beban listrik. Tahapannya adalah sebagai berikut:
1. Menghidupkan mesin diesel,
2. Melakukan pemanasan mesin diesel ± 20 menit pada putraran mesin 2200 rpm hingga temperatur mesin mencapai temperatur operasi,
3. Mengatur pembebanan pada mesin diesel mulai 400 Watt sampai dengan 2800 Watt dengan interval kenaikan setiap 400 Watt, 4. Mencatat data-data yang dibutuhkan setiap
kenaikan beban, seperti:
waktu konsumsi minyak solar setiap 20 ml,
temperatur oli pelumas, mesin, cairan pendingin, dan gas buang,
tegangan listrik (V) dan arus listrik (I).
5. Setelah pengambilan data selesai dilakukan, maka beban diturunkan secara bertahap hingga beban nol,
6. Mesin dibiarkan dalam kondisi tanpa beban selama lebih kurang 5 menit, 7. Mesin dimatikan dan ditunggu kembali
dingin.
8. Ulangi langkah – langkah diatas dengan bahan bakar kombinasi aditif nabati- minyak solar
C. Pengujian ketahanan mesin selama 200 jam kerja
Setelah didapatkan variasi penambahab aditif yang terbaik setelah uji unjuk kerja, kemudian dilakukan pengujian ketahanan mesin selama 200 jam kerja. Percobaan dilakukan dengan putaran mesin tetap dengan solar standar dan penambahan aditif nabati. Tahapannya adalah sebagai berikut:
1. Menghidupkan mesin diesel,
2. Melakukan pemanasan mesin diesel ± 20 menit pada putraran mesin 2200 rpm hingga temperatur mesin mencapai temperatur operasi,
3. Memberi pembebanan lampu sebesar 500 Watt.
4. Mencatat data-data yang dibutuhkan, seperti:
Penambahan bahan bakar solar selama beroperasi 200 jam,
temperatur oli pelumas, mesin, cairan pendingin, dan gas buang,
tegangan listrik (V) dan arus listrik (I).
5. Setelah pengambilan data selesai dilakukan, maka beban dilepaskan.
6. Mesin dibiarkan dalam kondisi tanpa beban selama lebih kurang 5 menit, 7. Mesin dimatikan dan ditunggu kembali
dingin.
8. Melakukan uji properties oli pelumas.
9. Melakukan visualisasi ruang bakar.
10. Ulangi langkah – langkah diatas dengan bahan bakar yang telah ditambah dengan aditif.
Skema Peralatan Percobaan
Gambar 1. Skema Peralatan Percobaan
ANALISA DATA
Dari uji properties aditif adalah sebagai berikut : Tabel 1. Properties aditif diesel yang diuji
Dari tabel 2 terlihat bahwa pada analisa properties aditif nabati solar terdapat kandungan air, Pb, dan Cr. Dimana kandungan air ini apabila berikatan dengan sulful pada kandungan bahan bakar akan menjadikan asam sitrat.
Sedangkan Pb sendiri adalah senyawa kimia yang berbahaya bagi tubuh, apabila polutan Pb dari hasil pembakaran kendaraan bermotor terhirup oleh manusia maka akan mengakibatkan terganggunya kerja syaraf.
Sedangkan terdeteksinya unsur Cr pada aditif nabati memungkinkan terjadinya pengikisan antara liner dengan piston. Sehingga akan menyebabkan umur dari ring piston lebih pendek.
Hasil Pengujian Fourier Transform Infrared (FTIR)
Gambar 2. Grafik transmitan fungsi Panjang gelombang
Berdasarkan grafik transmitan fungsi panjang gelombang terlihat bahwa dengan penambahan aditif sebanyak 1ml dan 1,2ml memiliki trend line yang sama dengan solar standar. Pada penambahan aditif 1ml memiliki persentase dibawah solar standar, dan dengan penambahan 1,2ml aditif memiliki persentase transmitan diatas solar standar, begitu juga dengan penambahan aditif sebanyak 1,4ml dan 1,6ml. Hal ini bisa dikatakan penurunan dan kenaikan intensitas ini menyatakan perubahan struktur molekul.
Analisa Unjuk Kerja
Unit generator-set bekerja dengan menghasilkan tegangan listrik dimana untuk mendapatkan tegangan listrik yang tetap, maka putaran generator harus dijaga konstan pada 1500 rpm. Seiring dengan panambahan beban
listrik akan menyebabkan putaran generator listrik semakin turun. Putaran mesin yang digunakan untuk memutar generator tersebut diperoleh dari bahan bakar minyak solar yang diinjeksikan ke dalam ruang bakar dengan melalui mekanisme pada pompa injeksi minyak solar dengan melakukan kontrol pada bukaannya. Setiap penambahan beban listrik maka jumlah bahan bakar minyak solar yang diinjeksikan ke dalam ruang bakar akan lebih banyak untuk menjaga putaran mesin konstan.
Gambar 3. Daya fungsi beban
Gambar 4. Torsi fungsi beban
Gambar 5. bmep fungsi beban
Berdasarkan grafik daya, Torsi, dan bmep fungsi beban yang terlihat pada gambar, besarnya daya, torsi, bmep yang diperlukan oleh mesin akan naik seiring dengan bertambahnya beban listrik yang diberikan sebagai kompensasi bertambahnya bahan bakar yang masuk ke ruang bakar. Bahan bakar yang bertambah banyak menyebabkan semakin banyak energi yang dapat dikonversi menjadi energi panas dan mekanik dengan udara yang cukup. Energi menjadikan daya mesin semakin besar sesuai dengan beban yang diberikan kepada mesin.
Sedangkan pada torsi dan bmep dikarenakan putaran mesin yang konstan sehingga torsi akan sebanding dengan bertambahnya daya, dan begitupun juga bmep yang terjadi.
No Parameter Hasil Unit
1 Kinematic Viscosity at 40 ⁰C 4,528 cSt 2 Kinematic Viscosity at 100 ⁰C 1,636 cSt
3 Flash Point 155 °C
4 Pour Point 1 °C
5 Water Content 0,1 %
6 Density at 15⁰C 0,875 gr/ml
7 pH at 25⁰C 7,9 -
Analisis elemen/unsur:
- Pb 1,192 gr/ml
- Cd Tidak terdeteksi %
- Hg Tidak terdeteksi ppm
- Cr 0,465 ppm
9 Ash Content Tidak terdeteksi %
10 Lower Heating Value 9374 Cal/g
11 TAN/TBN Tidak terdeteksi mg KOH/g
8
Gambar 6. sfc fungsi beban
Dari grafik terlihat bahwa sfc tertinggi pada saat beban terendah dan terus mengalami penurunan dengan bertambahnya beban hingga , dimana sfc hanya dipengaruhi oleh besarnya perubahan daya engine dan waktu konsumsi bahan bakar, sedangkan massa bahan bakar konstan. Daya engine naik seiring dengan kenaikan beban listrik sementara waktu konsumsi bahan bakar solar semakin singkat.
Pada kisaran beban 80 s.d. 90 % adalah kondisi optimal dimana waktu dan daya yang diberikan memberikan nilai sfc paling rendah.
Gambar 7. Efisiensi thermal fungsi beban Dapat dilihat bahwa sfc dengan nilai efisiensi termal saling berhubungan, dimana nilai sfc merupakan kebalikan dari nilai efisiensi termal dan sebaliknya. Dimana saat sfc turun hingga nilai terendah maka efisiensi termal naik hingga bernilai maksimum, yang menggambarkan bahwa dengan naiknya efisiensi termal maka semakin banyak bahan bakar yang dapat dikonversi selama proses pembakaran menjadi daya yang dikeluarkan melalui poros mesin. Saat nilai sfc naik kembali maka nilai efisiensi termal turun yang mengindikasikan semakin banyak bahan bakar yang terbuang bersama gas sisa pembakaran karena tidak dapat dikonversi menjadi daya mesin pada saat proses pembakaran berlangsung di ruang bakar.
Analisa Temperatur Mesin
Temperatur mesin adalah salah satu indikasi pembakaran yang terjadi di dalam ruang bakar.
Gambar 8. Temperatur pendingin fungsi beban
Gambar 9. Temperatur engine fungsi beban
Gambar 10. Temperatur oli fungsi beban Terlihat pada grafik Temperatur pendingin, Temperatur engine, dan temperatur oli fungsi beban menunjukkan besaran nilai yang cenderung menurun dengan penambahan aditif nabati. Hal ini diakibatkan karena pengotoran pada ruang bakar lebih sedikit sehingga temperatur lebih rendah, karena panas di ruang bakar diakibatkan olek deposit karbon yang membara saat proses pembakaran di ruang bakar.
Gambar 11. Temperatur exhaust fungsi beban Terlihat pada grafik temperatur exhaust fungsi beban menunjukkan besaran nilai yang cenderung menurun dengan penambahan aditif nabati. Hal ini diakibatkan karena untuk mendapatkan daya yang sama pada saat pembakaran, bahan bakar yang di injeksikan didalam ruang bakar dengan penambahan aditif lebih sedikit dibandingkan dengan solar standar dan proses pembakaran bahan bakar dapat terjadi lebih tuntas didalam ruang bakar sehingga gas hasil pembakaran yang keluar ruang bakar suhunya relatif lebih rendah dikarenakan lebih sedikitnya bahan unburn.
Analisa Emisi Gas Buang
Pada motor pembakaran dalam, emisi gas buang merupakan hal yang harus diperhatikan dikarenakan berkaitan dengan pencemaran lingkungan dan pemanasan global. Oleh karena itu banyak pemikiran untuk mengurangi polutan gas buang yang dihasilkan seminimum mungkin dengan performa unjuk kerja yang maksimal.
Sehingga perlu diketahui bagaimana pengaruh dari unjuk kerja mesin dengan emisi gas buang yang dihasilkan.
Gambar 12. Polutan CO fungsi beban Dari grafik emisi gas CO fungsi kenaikan beban memiliki tren grafik yang cenderung menurun mulai beban mesin rendah hingga mencapai titik optimum. Pada grafik CO diatas diketahui bahwa dengan penambahan aditif nabati, emisi CO yang dihasilkan semakin rendah, hal ini menandakan bahwa dengan penambahan aditif 1,6 ml bahan bakar lebih mudah menyerap atau mengikat oksigen lebih bagus. Sehingga pembakaran yang terjadi pada ruang bakar menghasilkan sedikit polutan CO.
Gambar 13. Polutan HC fungsi beban Dari grafik HC fungsi kenaikan beban diatas diketahui bahwa dengan penambahan aditif emisi HC yang dihasilkan semakin rendah., hal ini menandakan bahwa dengan penambahan aditif nabati, untuk mendapatkan daya yang sama dengan bahan bakar standar, bahan bakar yang dibutukhan lebih sedikit. Sehingga polutan dari hasil pembakaran di ruang bakar semakin rendah pula.
Gambar 14. NO2 fungsi beban
Dari grafik NO2 fungsi kenaikan beban diatas diketahui bahwa dengan penambahan aditif emisi NO2 semakin turun, hal tersebut menandakan bahwa pembakaran yang terjadi didalamnya adalah yang terbaik dibandingkan dengan bahan bakar yang lain.
Hasil Uji Ketahanan Mesin 200 jam Kerja
Tabel 2. Properties minyak pelumas setelah 200 jam kerja (solar standar)
Tabel 3. Properties minyak pelumas setelah 200 jam kerja (solar + aditif)
Berdasarkan properties minyak pelumas yang telah diuji setelah pengujian ketahanan mesin selama 200 jam (pada penambahan aditif dibandingkan dengan solar standar) menunjukkan bahwa akibat pemakaian aditif menyebabkan hal-hal sebagai berikut:
a. Viskositas kinematis mengalami penurunan sebesar 3,1% pada suhu 400C dan 0,05% pada suhu 1000C.
b. Densitas mengalami penurunan 0,005%
c. Flash point mengalami kenaikan 2,38%
d. Water content mengalami penurunan 0,17%
e. Kenaikan kandungan elemen-elemen pada minyak
- Fe naik 3,1%
- Al naik 1,2%
- Cu naik 0,6%
- Cr naik 1,9%
- Ni naik 0,2%
- Pb naik 0,1%
- Co dan Si masing-masing tidak terdeteksi
No Parameter Hasil Unit
1 Kinematic Viscosity 40 ⁰C 123,302 cSt 2 Kinematic Viscosity 100 ⁰C 12,287 cSt
3 Densitas 15 ⁰C 0,892 g/ml
4 Flash Point ⁰C
5 Water Content 0,17 %
Analisa elemen/unsur :
Fe 1,933 ppm
Al 1,723 ppm
Cu 0,292 ppm
Cr 0,835 ppm
Ni 1,332 ppm
Pb 1,2 ppm
Co tidak terdeteksi ppm
Si 0,032 ppm
TAN/TBN 2,27 mg KOH/g
6
No Parameter Hasil Unit
1 Kinematic Viscosity 40 ⁰C 114,26 cSt 2 Kinematic Viscosity 100 ⁰C 11,615 cSt
3 Densitas 15 ⁰C 0,888 g/ml
4 Flash Point 238 ⁰C
5 Water Content 0,16 %
Analisa elemen/unsur :
Fe 7,822 ppm
Al 3,783 ppm
Cu 0,458 ppm
Cr 2,445 ppm
Ni 1,561 ppm
Pb 1,304 ppm
Co ppm
Si ppm
TAN/TBN tidak terdeteksi mg KOH/g 6
Visualisasi ruang bakar Mesin Diesel Visualisasi ruang bakar mesin diesel ditunjukkan melalui pengambilan foto pada penampang injektor, piston cavity, dan slinder head sebagai berikut:
Gambar 15. Visualisasi injector pada mesin diesel
Gambar 16. Visualisasi piston cavity pada mesin diesel
Gambar 17. Visualisasi silinder head pada mesin diesel
Pada visualisai ruang bakar dimana pada penggunaan solar standar pengotor yang dihasilkan saat proses pembakaran diruang bakar lebih keras dan merekat pada ruang bakar, sehingga lebih susah saat dibersihkan.
Sedangkan dengan penambahan aditif nabati solar pada bahan bakar menyebabkan pengotoran yang dihasilkan saat proses pembakaran diruang bakar lebih tidak begitu melekat pada permukaan, sehingga lebih mudah dibersihkan.
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian ini dan serangkaian pengujian yang dilakukan, dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
a) Pada pengujian FTIR dengan penambahan aditif nabati 1,2ml paling baik, karena mengalami kenaikan persentase transmitan yang paling tinggi dengan panjang gelombang yang sama dengan solar standar.
b) Nilai specific fuel consumption (sfc) dengan adanya penambahan aditif nabati sebanyak 1,2 ml mengalami penurunan rata-rata sebesar 6,5%.
c) Efisiensi termal mesin secara umum mengalami kenaikan dengan penambahan aditif nabati. Pada penambahan aditif nabati sebanyak 1,2 ml per 1 liter solar, efisiensi thermal mengalami kenaikan rata-rata sebesar 5,15%.
d) Penurunan emisi gas buang paling tinggi adalah dengan penambahan aditif nabati sebanyak 1,6 ml per 1 liter solar, dengan pengurangan rata-rata emisi CO, HC, dan NO2 masing-masing 23,53%; 40,69%; dan 27,40%.
e) Penurunan temperatur operasi paling tinggi adalah dengan penambahan aditif nabati sebanyak 1 ml per 1 liter solar, dengan penurunan temperatur operasi rata-rata meliputi tempeatur pendingin, temperatur engine, temperatur oli, dan ekshaust masing- masing 9,37%; 10,31%; 13,14%; dan 3,66%.
f) Dengan penambahan aditif, oli pelumas mengalami penurunan kualitas, ditunjukkan dengan pengujian properties oli pelumas setelah pengujian 200 jam kerja.
g) Visualisasi ruang bakar menunjukkan dengan penambahan aditif nabati mengakibatkan pengotoran akibat proses pembakaran lebih mudah dibersihkan dan lebih tidak menempel.
DAFTAR PUSTAKA
1. Nasution, A.S., Proses Pembuatan Bahan Bakar Bensin dan Solar Ramah Lingkungan, Pusat penelitian dan pengembangan teknologi minyak dan gas bumi, Jakarta, 2010.
2. Mathur, M.L.,& Sharma, R.P., A Course in Internal Combustion Engine 3rd edition, Dhanpat Rai & Sons, Nai Sarak, Delhi, 1980.
3. Robert W. Fox, Alan T. McDonald, Philip J.Pritchard, Introduction to Fluid Mechanics 6th edition, John Wiley &
Sons, Denver, 2003.
4. Kawano, D. Sungkono., Motor Bakar Torak (Diesel), Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS, Surabaya, 2011.
5. John, B. Heywood, Internal Combustion Engine, Mc GrawHill, London, 1988.
6. Cholifah Siti. Penggunaan Metode FTIR (Fourier Transform Infra Red) Untuk Studi Analisis Gugus Fungsi Sampel Minyak Goreng dengan Perlakuan Variasi Pemanasan. Jurusan Fisika FMIPA UNDIP.
