KINERJA MESIN DIESEL STASIONER DENGAN DAN TANPA SUPERCHARGER DENGAN BAHAN BAKAR BIODIESEL DARI
AMPAS KELAPA
Hardy
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Email : hardy_wu@hotmail.com
ABSTRACT
Along with the rapid population growth, as well as the rapid depletion of oil become some of the things that encourage us to do research and developing of alternative fuels, one of which is by using coconut pulp to produce biodiesel.The reason behind use of coconut oil is that it is considered valuable in the international market and the remaining pulp still contains 12-15% of coconut oil, and also increase the value of the pulp which is commonly used as fodder. The aim of this research is to analyze the performance of the diesel engine TD-115 by utilizing alternative fuel which is biodiesel coconut pulp, to analyze the effect of the supercharger in the engine which employs biodiesel coconut pulp, and comparing it in certain solutions, in every added biodiesel showed declining torque, power, volumetric efficiency, and thermal efficiency, these show that the more you add biodiesel, the worse performance of diesel engine, but however the value of specific fuel consumption increases along with the additional biodiesel which shows that the diesel engine is more efficient. The use of a supercharger also gives a significant increase in the performance where the torque, power, and thermal efficiency increased, but the increased fuel consumption also indicates that the machine becomes less efficient. During exhaust emissions test, it shows the decrease in value of Opacity, HC (hydrocarbon) and CO ( Carbon monoxide ) proves that the coconut pulp biodiesel fuel is an environmentally-friendly fuel, therefore the biodiesel is currently recommended as compound fuel with diesel.
Keywords: Biodiesel, coconut pulp, coconut oil, Supercharger, Performance Diesel Engines,
I. PENDAHULUAN
Masa Indonesia sebagai negara penghasil minyak bumi telah lewat.
Ditinjau dari kebutuhan bahan bakarnya maka Indonesia sejak tahun 2007 telah menjadi net oil importer dan diprediksi bakal menjadi full oil importer pada tahun 2020.
Bahan bakar solar merupakan yang tergolong paling banyak digunakan,karena kebanyakan alat transportasi, alat pertanian,penggerak generator listrik dan peralatan berat lainnya menggunakan solar sebagai sumber energi. Berbagai upaya dilakukan untuk mencari energi alternatif pengganti solar. Bahan bakar yang digunakan sebagai pengganti adalah yang dapat diperbaharui yang lebih dikenal dengan istilah biodiesel. Keuntungan biodiesel lebih rendah tingkat pencemarannya dibandingkan petrodiesel telah melaporkan bahwa B10 & B20 dapat memberikan emisi gas
CO,CO2, dan NO lebih kecil daripada petro diesel. Juga telah dilaporkan bahwa B20 menghasilkan efisiensi energi [1].
Upaya pengembangan industri bahan bakar nabati/biofuel ini selain untuk mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil juga diharapkan dapat menciptakan lapangan kerja, sehingga dapat mengurangi pengangguran dan tingkat kemiskinan, memperkuat ekonomi nasional serta memperbaiki lingkungan. 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 pesisir pantai untuk nelayan adalah ampas kelapa, yang merupakan salah satu jenis tanaman yang menghasilkan buah mengandung minyak nabati dan potensial digunakan sebagai bahan baku pengganti solar (biodesel). Tujuan dari penelitian ini agar dapat mengetahui performansi mesin diesel dengan menggunakan Biodiesel dari bahan ampas kelapa. Untuk memperoleh komposisi Opacity, HC, dan CO dari mesin diesel satu silinder dengan menggunakan campuran bahan bakar biodiesel ampas kelapa dengan solar, Untuk membandingkan performansi mesin diesel dengan menggunakan supercharger dan tanpa menggunakan supercharger, dan Untuk mendapatkan yield dari ampas kelapa.
Dibandingkan dengan solar, biodiesel memiliki kelebihan diantaranya [2] :
a. Bahan bakar ramah lingkungan karena menghasilkan emisi yang jauh lebih baik (free sulphur, smoke number rendah)
b. Cetane number lebih tinggi sehingga efisiensi pembakaran lebih baik dibandingkan dengan minyak kasar
c. Memiliki sifat pelumasan terhadap piston mesin
d. Dapat terurai (biodegradable)
e. Merupakan renewable energy karena terbuat dari bahan alam yang dapat diperbaharui
f. Meningkatkan independensi suplai bahan bakar karena dapat diproduksi secara local
Menurut Syah (2006), karakteristik emisi pembakaran biodiesel dibandingkan dengan solar adalah sebagai berikut [3] :
a. Emisi karbon dioksida (CO2) netto berkurang 100%
b. Emisi sulfur dioksida berkurang 100%
c. Emisi debu berkurang 40-60%
d. Emisi karbon monoksida (CO) berkurang 10-50%
e. Emisi hidrokarbon berkurang 10-50%
f. Hidrokarbon aromatik polisiklik berkurang, terutama PAH beracun seperti : phenanthren berkurang 98%, benzofloroanthen berkurang 56%, benzapyren berkurang 71%, serta aldehidadan senyawa aromatik berkurang 13%.
Polutan dibedakan menjadi organik dan anorganik. Polutan organic mengandung karbon dan hydrogen, juga beberapa elemen seperti oksigen, sulfur atau fosfor. Contohnya hidrokarbon, alcohol, ester dan lain-lainnya.
Polutan anorganik seperti karbonmonoksida(CO), karbonat, nitrogenoksida, ozon, dan lain-lainya. Polutan juga dibedakan menjadi partikel atau gas. Partikel 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.[4]
a. UHC (Unburned Hidrocarbon)
Motor memancarkan banyak hidrokarbon jika baru saja dihidupkan atau berputar bebas atau pemanasan.
b. 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.
c. Opacity (Jelaga)
Jelaga adalah butiran arang yang halus dan lunak yang menyebabkan munculnya asap hitam dimana asal hitam terjadi karena proses pembakaran yang tidak sempurna. Asap ini membahayakan lingkungan, karena mengkerukan udara sehingga menggangu pandangan sekitar, dan adanya kemungkinan mengandung karsinogen yang membahayakan kesehatan.
Supercharger adalah suatu mesin mekanaisme untuk menyuplai udara dengan kepadatan yang melebihi kepadatan udara atmosfer ke dalam silinder pada langkah hisap. Udara yang lebih padat ini akan tinggal dalam silinder untuk ditekan pada langkah kompressi. Akibat udara yang densitasnya lebih tinggi maka lebih banyak bahan bakar yang dapat terbakar sehingga daya output mesin dapat meningkat. Tekanan udara dalam silinder sewaktu awal kompressi
biasanya 6 psi. [5]
Tujuan utama pemakaian supercharger adalah untuk menambah daya akibat perubahan ketinggian tempat operasi (kepadatan udara rendah), ataupun untuk meningkan daya yang dapat diperoleh dari mesin tanpa supercharger, mengurangi biaya bahan bakar, dan mengurangi berat atau ruang konstruksi pada suatu daya tertentu. Peningkatan daya output yang dapat diperoleh dari suatu mesin yang dilengkapi dengan supercharger tergantung oleh beberapa faktor, tetapi yang terpenting adalah tekanan superchargering.[5]
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 (Caloric Value). 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 bahan bakar (High Heating Value), merupakan nilai kalor yang diperoleh secara eksperimen dengan menggunakan bom kalorimeter dimana hasil pembakaran bahan bakar didinginkan sampai suhu kamar sehingga sabagian besar uap air yang terbentuk dari pembakaran hydrogen mengembun dan melepaskan panas latennya (Rangkuti, 1996:3). Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (I).[6]
….(I) Dan nilai kalor bawah bahan bakar dapat dihitung dengan persamaan (II).
………(II) Besar daya poros dapat dihitung menggunakan persamaan (IV).
………..(IV) Konsumsi bahan bakar spesifik (SFC) 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. SFC dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (V).
……….(V) AFR dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (VI).
...………(VI) Menurut Kristanto (2015) [7].
Jika sebuah mesin empat langkah dapat menghisap udara pada kondisi isapnya sebanyak volume langkah toraknya untuk setiap langkah isapnya, maka proses ini ideal. Tetapi dalam kondisi aktual dimana massa udara yang dapat dihisap selalu lebih sedikit akibat efek pemanasan yang mengurangi kerapatan udara ketika memasuki silinder mesin. Besar daya dan kinerja yang dapat diperoleh motor tergantung pada jumlah maksimum udara di dalam silinder sepanjang siklus. Lebih banyak udara berarti lebih banyak bahan bakar yang terbakar dan lebih banyak energi yang dapat dikonversikan ke keluaran daya.
Efisiensi volumetris dapat dicari dengan menggunakan persamaan (VII).
………..(VII) Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang dibangkitkan piston karena sejumlah energi hilang akibat adanya rugi-rugi mekanis seperti gesekan, kerja pompa oli dan pompa pendingin, dan panas yang terbuang. Efisiensi termal pembakaran didefinisikan untuk menyatakan fraksi dari bahan bakar yang terbakar. Efisiensi termal dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (VIII).
………(VIII) Heat loss in exhaust atau dapat dikatakan sebagai besar kehilangan energi yang terjadi akibat adanya aliran gas panas buang dari exhaust manifold ke lingkungan.Besarnya heat loss dapat dihitung dengan menggunakan persamaan IX di bawah ini.
Heat loss = (ma x mf) x (Te – Ta )…….(IX)
METODE PENELITIAN 1. Alat
1. Mesin Diesel Small engine
Test TD111-MKII
Gambar 1. Mesin Diesel Small engine Test TD111-MKII
2. Engine Smoke meter dan Gambar 3. Gas Analyzer
3. Supercharger
Gambar 4. Supercharger
Gas Analyzer
Gambar 2. Engine Smoke meter
2. Bahan
4. Tec Equipment TD-114
Bahan bakar yang digunakan pada mesin diesel adalah B-5, B10, B-15, dan B-20, sedangkan solar murni B-0 sebagai pembanding. Kualitas biodiesel (B-100) dari ampas kelapa diproses dengan metode katalis dan diuji beberapa parameter di
Gambar 5. Tec Equipment TD-114
PPKS (Pusat Penelitian Kelapa Sawit) di medan dan lab PIK di USU ditunjukkan pada Tabel 1.
III. Hasil dan Pembahasan
Tabel 1. Kualitas Biodiesel B-100 Ampas Kelapa
Parameter Satuan Hasil Uji Standar Metode Uji Tempat
Bilangan asam mg KOH/gr 0.63 Maks 0.8 AOCS Cd 2d - 63
LAB PPKS
Sulfur Ppm 16.5 Maks 100 Gravimetri PPKS
Cloud Point °C 4 Maks 18 AOCS Ce 6 – 25 PPKS
Flash Point °C 110 Min 100 AOCS Cc 9c-95 PPKS
Kadar Ester % 97.74 96.5 Gascromatography PPKS
Densitas kg/m3 873.34 850 - 890 Piknometer LAB PIK
Viskositas cSt 2.87 2.3 - 6 V.Ostwald LAB PIK
Pada pembebanan 3.5 kg daya terendah terjadi pada pengujian dengan menggunakan bahan bakar biodiesel 20%, putaran mesin 1800 rpm tanpa supercharger sebesar .71592kW sedangkan daya tertinggi terjadi pada pengujian dengan menggunakan bahan bakar solar pada putaran mesin 2800 rpm dengan supercharger sebesar 2.43kW.
Gambar 7 Grafik hasil daya bakar
Nilai Kalor Bawah Bahan Bakar
Gambar 6 Grafik LHV
40000 45000 50000 55000
Solar B5 B10 B15 B20
Pada pembebanan 3.5 kg laju aliran Efisiensi Volumetris bahan bakar terendah terjadi pada 150 Solar TS B5 TS pengujian dengan menggunakan bahan B10 TS B15 TS B20 TS Solar DS
bakar biodiesel 20%, putaran mesin 130 B5 DS B10 DS 1800rpm tanpa supercharger sebesar B15 DS B20 DS 0.1501 kg/jam ,sedangkan laju aliran 110 bahan
bakar tertinggi terjadi pada pengujian dengan menggunakan bahan 90 bakar solar pada putaran mesin 2800 rpm dengan supercharger sebesar 70
0.317538kg/jam.
Gambar 9 Hasil Rasio udara bahan bakar
Gambar 10 Grafik hasil efisiensi
50
Rasio udara bahan bakar 1700 2200 2700
100 Solar TS B5 TS
95 B10 TS B15 TS volumetric B20 TS Solar DS 90 B5 DS B10 DS
Pada pembebanan 3.5 kg efisiens B15 DS B20 DS 85 volumetris
terendah terjadi pada pengujian dengan menggunakan bahan bakar 80 biodiesel 20%, putaran mesin 1800 rpm 75 tanpa supercharger sebesar 57.6761 70 sedangkan efisiensi volumetris tertinggi 65 terjadi pada pengujian dengan menggunakan bahan bakar solar pada 60 putaran mesin 2800 rpm dengan 55 supercharger sebesar 122.8193 50 1700 2200 2700.
Efisiensi Termal Aktual
Pada pembebanan 3.5 kg rasio udara terendah terjadi pada pengujian dengan menggunakan bahan bakar biodiesel 20%, putaran mesin 2000 rpm tanpa supercharger sebesar 56.12 sedangkan rasio udara tertinggi terjadi pada pengujian dengan menggunakan bahan bakar solar pada putaran mesin 2800 rpm tanpa supercharger sebesar 91.02.
30 Solar TS B5 TS B10 TS B15 TS
25 B20 TS Solar DS B5 DS B10 DS 20 B15 DS B20 DS
15 10 5
0 1700 2200 2700
Gambar 11 Grafik hasil efisiensi termal aktual Pada pembebanan 3.5 kg efisiensi termal terendah terjadi pada pengujian dengan menggunakan bahan bakar biodiesel 15%, putaran mesin 1800 rpm tanpa supercharger sebesar 4.68% sedangkan efisiensi termal tertinggi terjadi pada pengujian dengan menggunakan bahan bakar solar pada putaran mesin 2800 rpm dengan supercharger sebesar 25.8483% bahan bakar spesifik Pada pembebanan 3.5 kg SFC terendah terjadi pada pengujian dengan menggunakan bahan bakar solar pada putaran mesin 2800 rpm dengan supercharger sebesar 259.24 gr/kWh sedangkan SFC tertinggi terjadi pada pengujian dengan menggunakan bahan bakar biodiesel 20% pada putaran mesin 1800 rpm tanpa supercharger sebesar 1261.959 gr/kWh.
Pada pembebanan 3.5 kg heat loss terendah terjadi pada pengujian dengan menggunakan bahan bakar biodiesel 20%, putaran mesin 1800 rpm tanpa supercharger sebesar 0.15629 sedangkan heat loss tertinggi terjadi pada pengujian dengan menggunakan bahan bakar solar pada putaran mesin 2800 rpm dengan supercharger sebesar 1.385139.
Pada gambar grafik dapat dilihat jika solar 100% tanpa pencampuran biodiesel dengan penggunakan supercharger memiliki nilai opacity tertinggi sebesar 24.5 Nilai tertinggi untuk pengujian HC adalah B10 dengan supercharger pada putaran 2800 sebesar 41.
Pada pengujian CO nilai tertinggi adalah sebesar 0.07 pada bahan bakar B20 menggunakan supercharger pada putaran 1800 rpm.
IV. KESIMPULAN
Pengujian secara eksperimental dilakukan
CO terbesar pada penggunaan biodiesel 20% pada putaran 2000 tanpa supercharger dengan pembebanan 4,5 kg yakni 0,08%.
3. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa semakin banyak campuran bahan bakar biodiesel ampas kelapa yang di campurkan dengan bahan bakar solar AKR maka performansi mesin diesel semakin menurun dan semakin hemat dalam penggunaan bahan bakar.
4. Penggunaan supercharger dalam mesin dapat meningkatkan daya mesin, laju aliran bahan bakar, daya aktual mesin, efisiensi termal, dan efisiensi volumetris dan menurunkan heat losses dan konsumsi bahan
bakar spesifik(semakin boros).
Yield rata-rata biodiesel pada transesterifikasi in situ ampas kelapa adalah 29.68%, diperoleh pada perlakuan temperatur 60 C, penambahan katalis kalium metoksida 3% dan tanpa menggunakan penstabil katalis. pada motor bakar 1 silinder menggunakan solar murni, B5, B10, B15, dan B20, dapat disimpulkan bahwa:
1. Secara umum perubahan karakteritik mesin diesel dengan menggunakan campuran bahan bakar solar dengan biodiesel ampas kelapa adalah Daya (Brake power) menurun
• Konsumsi Bahan bakar Spesifik (Specific Fuel Consumption) meningkat
• Efisiensi Volumetris menurun
• Efisiensi Termal Brake (Thermal Brake Efficiency) menurun
• Heat Loss menurun.
2. Opacity terbesar pada penggunaan bahan bakar solar dengan
pembebanan 3,5 kg dengan putaran 2800 denngan supercharger yakni sebesar 24.5%. Kadar HC Tertinggi pada penggunaan bahan bakar biodiesel 10% pada putaran 2800
dengan supercharger pembebanan 4,5 kg yakni sebesar 41 ppm dan nilai V. DAFTAR PUSTAKA
Bangun, N.,2008. “Dimetil Ester Rantai Cabang Sebagai Energi Biodiesel Hasil Turunan Asam Oleat Minyak Kelapa Sawit”. Laporan Hasil Penelitian, Universitas Sumatera Utara.
Hambali, Erliza dkk. 2007. Teknologi Bioenergi. Jakarta :Agromedia Pustaka.
Syah, Haerudin. 2007. “Platform Riset Konstruksi Katalis Produk Komoditi Turunan Minyak Bumi”. Jakarta: LIPI.
Sidik Budoyo, “Teknologi Proses Pencampuran Biodiesel dan Minyak Solar di Indonesia”, 2006.
Mahadi. 2007. “Efek Penggunaan Supercharger Terhadap Unjuk Kerja dan Konstruksi pada Sebuah Mesin Diesel”. Medan. USU Repository.
Rangkuti, Chalilullah (1996), “Panduan Praktikum Bom Kalorimeter”. Medan:
Laboratorium Motor Bakar Teknik Mesin: USU.
Kristanto, Philip (2015), “Motor Bakar Torak Teori & Aplikasinya”, Edisi pertama, Yogyakarta: Penerbit Andi Offset.
