BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Biodiesel
2.1.1 Sejarah Penggunaan Bahan Bakar Biodiesel
Penggunaan biodiesel telah ada sejak tahun 1853, bertahun-tahun sebelum
mesin diesel pertama kali ditemukan. Mesin diesel pertama, ditemukan oleh
Rudolf Diesel pada 10 Agustus 1893, yang dapat bekerja hanya dengan
menggunakan minyak yang berasal dari kacang tanah. Tetapi ada sejumlah
hambatan yang dialami mesin diesel konvensional jika memakai bahan bakar
minyak nabati secara langsung. Penyebab hal ini adalah bahwa derajat kekentalan
(viskositas) minyak nabati adalah sepuluh sampai dua puluh kali viskositas solar.
Sifat fisik ini merupakan penyebab buruknya atomisasi dan mengakibatkan
pembakaran tidak sempurna yang telah dites sejak tahun 1920 oleh ilmuan
Madhot. Flash point (titik
nyala) dari minyak nabati terlalu tinggi kurang lebih 240°C dan kecenderungan
terjadinya polimerisasi karena oksidasi dan pemanasan akan mengakibatkan
pembentukan deposit (kerak) dalam ruang bakar. Oleh karena itu, operasi jangka /
waktu panjang mesin diesel dengan bahan bakar 100 % minyak nabati maupun
campurannya dengan bahan bakar fosil akan mengakibatkan kerusakan (umur
pendek) mesin diesel (Srivastava &Prassad, 2000).
Disamping itu, ketertarikan penggunaan minyak nabati sebagai bahan
bakar dalam pembakaran internal mesin dilaporkan oleh beberapa negara pada
tahun 1920an dan 1930an. Selama bertahun-tahun, proses biodiesel telah banyak
dikembangkan pada tahun 1977, ilmuwan Brasil Expedito Parente menemukan
industi pertama untuk produksi dari biodiesel. Pabrik biodiesel pertama dibangun
tahun 1989. Saat ini, 100 % biodiesel tersedia di berbagai stasiun pengisisan
bahan bakar umum di Eropa.
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. Biodiesel juga merupakan salah satu energy terbarukan jenis
Bahan Bakar Nabati (BBN) yang dapat menggantikan Bahan Bakar Minyak
(BBM) jenis minyak solar tanpa memerlukan modifikasi pada mesin dan
menghasilkan emisi yang lebih bersih.
Peningkatan penggunaan biodiesel produksi dalam negri sebagai bahan
bakar untuk sektor transportasi,industri,dan pembangkit listrik dapat
meningkatkan pertumbuhan ekonomi nasional (pro-growth), penciptaan lapangan
kerja (projob), pemerataan pembangunan dengan orientasi pengentasan
kemiskinan (propoor), dan kepedulian terhadap lingkungan (pro-environment). Di
Indonesia standar dan mutu jenis biodiesel ditetapkan dan diatur dalam keputusan
Direktur Jenderal Energi Baru Terbarukan dan Konservasi Energi Nomor :
723K/10/DJE/2013, yang mengacu pada SNI 7182:2012 Biodiesel (Direktorat
Jenderal Energi Baru Terbarukan,2013)
Dibandingkan dengan solar, adapun kelebihan biodiesel diantaranya yaitu :
1. Bahan bakar yang ramah lingkungan karena menghasilkan emisi yang
jauh lebih baik (bebas sulfur, smoke number rendah)
2. Cetane number lebih tinggi sehingga efisiensi pembakaran lebih baik
dibandingkan minyak solar.
3. Memiliki sifat Biodegrable (dapat terurai)
4. Merupakan Renewable Energy karena terbuat dari bahan alam yang dapat
5. Memiliki sifat pelumasan yang lebih baik dibanding solar sehingga mesin
lebih awet dan tahan lama.
6. Biodiesel mengandung sulfur yang rendah dibanding solar sehingga tidak
terlalu banyak mengeluarkan zat toksik.
7. Motor diesel tidak membutuhkan modifikasi khusus untuk menggunakan
biodiesel.
Biodiesel yang dihasilkan harus memiliki standar dan mutu yang ditetapkan
oleh Direktorat Jenderal Energi Terbarukan seperti yang ditunjukkan tabel
2.1 dibawah ini :
2.1.3 Pembuatan Biodiesel
Hampir seluruh minyak nabati dapat diolah menjadi biodiesel. Minyak
nabati yang dapat diolah menjadi biodiesel dapat dihasilkan oleh berbagai macam
jenis tumbuhan seperti kanola, inti sawit, kemiri sunan, bunga matahari, biji
anggur, jagung dan ratusan tanaman penghasil minyak lainnya. Namun bahan
utama pembuatan biodiesel yang sering digunakan adalah minyak jarak pagar
karena minyak ini bukan merupakan minyak untuk pangan karena minyak jarak
ini memiliki sifat sangat beracun. Biodiesel merupakan cairan kekuningan pada
bagian atas dipisahkan dengan mudah dengan menuang dan menyingkirkan
bagian bawah dari cairan. Untuk skala besar produk bagian bawah dapat
dimurnikan untuk memperoleh gliserin yang berharga mahal, juga sabun dan sisa
metanol yang tidak bereaksi. Proses pembuatan biodiesel dapat dilakukan dengan
reaksi kimia yang menggunakan dua cara yaitu :
1.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 biasa. 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.
Tahapan proses transesterifikasi pembuatan biodiesel selalu menginginkan
agar produk biodiesel dengan jumlah yang maksimum. Berikut hal-hal yang
mempengaruhi proses transesterifikasi yaitu :
a. Pengaruh air dan asam lemak bebas
Minyak nabati yang akan ditransesterifikasi harus memiliki angka
asam yang lebih kecil dari 1. Banyak peneliti yang menyarankan agar kandungan
asam lemak bebas lebih kecil dari 0,5% (< 0,5%). Selain itu, semua bahan yang
sehingga jumlah katalis menjadi berkurang. Katalis harus terhindar dari kontak
dengan udara agar tidak mengalami reaksi dengan uapair dan karbon dioksida.
b. Pengaruh perbandingan 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% (Bradshaw and Meuly,1944). Secara umum ditunjukkan bahwa
semakin banyak jumlah alkohol yang digunakan, maka konversi yang diperoleh
juga akan semakin bertambah. Pada rasio molar 6:1, setelah 1 jam konversi yang
dihasilkan adalah 98-99%, sedangkan pada 3:1 adalah 74-89%. Nilai
perbandingan yang terbaik adalah 6:1 karena dapat memberikan konversi yang
maksimum.
c.Pengaruh jenis alcohol
Pada rasio 6:1, methanol akan memberikan perolehan ester yang
tertinggi dibandingkan dengan menggunakan etanol atau butanol.
d. Pengaruh jenis katalis
Alkali katalis (katalis basa) akan mempercepat reaksi
transesterifikasi bila dibandingkan dengan katalis asam. Katalis basa yang paling
populer untuk reaksi transesterifikasi adalah natrium hidroksida (NaOH), kalium
hidroksida (KOH), natrium metoksida (NaOCH3), dan kalium metoksida
(KOCH3). Katalis sejati bagi reaksi sebenarnya adalah ion metilat (metoksida).
Reaksi transesterifikasi akan menghasilkan konversi yang maksimum dengan
jumlah katalis 0,5-1,5% berat minyak nabati.
e. Metanolisis Crude dan Refined Minyak Nabati
Perolehan metil ester akan lebih tinggi jika menggunakan minyak
nabati refined. Namun apabila produk metil ester akan digunakan sebagai bahan
bakar mesin diesel, cukup digunakan bahan baku berupa minyak yang telah
dihilangkan getahnya dan disaring.
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 yang cocok adalah yang berkarakter asam kuat, dan
karena ini asam sulfat, asam sulfonat organic atau resin penukar kation asam kuat
merupakan katalis terpilih dalam praktek industrial.
2.2 Biodiesel dengan Biji Canola
Kanola (canola) adalah sebutan bagi sekelompok kultivar rapa (Brassica
napus Kelompok Oleifera) yang dipatenkan. Kanola umumnya diolah untuk
menghasilkan minyak rapa berkadar asam erukat rendah dan pakan berkadar
glukosinolat rendah. Minyak kanola juga dikenal dengan nama minyak "LEAR"
(singkatan dari Low Erucic Acid Rapeseed). Dalam literatur tentang rapa, minyak
dengan kadar rendah untuk asam erukat dan glukosinolat juga dikenal sebagai
"00-quality" (dibaca sebagai "double-low" atau "double-O-quality"). Kanola pada
awalnya dikembangkan di Kanada oleh Keith Downey dan Baldur
Stefansson pada tahun 1970-an. Nama aslinya, "canola", berasal dari akronim
"Canadian oil, low acid" yang diperkenalkan pada tahun 1978.Nama ini dipakai
karena adanya asosiasi negatif terhadap kata "rape" (perkosaan) di Amerika Utara,
sekaligus untuk membedakannya dengan minyak rapa biasa waktu itu yang
memiliki kadar asam erukat yang lebih tinggi.
Kanola menjadi sasaran kritik penentang tanaman transgenik karena
sebagian besar kultivar yang ditanam di Amerika merupakan hasil rekayasa
genetika, yang memasukkan gen toleran herbisida. Kritik terutama diarahkan pada
kemungkinan munculnya "gulma super" karena rapa merupakan tanaman
menyerbuk silang dan memiliki kekerabatan dengan beberapa gulma pertanian
penting. Apabila serbuk sarinya berhasil membuahi suatu gulma dan
menghasilkan biji dan tumbuhan yang fertil, akan muncul gulma yang toleran
terhadap herbisida dan hal ini membahayakan keseimbangan lingkungan. Minyak
canola dipilih secara genetik untuk kandungan rendah asam lemak tidak jenuh
karena rendah kolestrol dan dapat diformulasikan dalam pembuatan kosmetik dan
2006). Menurut (Jessop dan Toelken, 1986) tanaman canola diklasifikasikan
sebagai berikut:
Kerajaan : Plantae
Divisi : Magnoliophyta
Kelas : Magnoliophyta
Ordo : Capparales
Famili : Brassicaceae
Genus : Brassica
Spesies : Brassica napus L.
Manfaat dan kegunaan dari biji canola yaitu :
Canola sebagai bahan baku biodiesel sifatnya yang terbaharukan dan
teruraikan.
Canola digunakan sebagai bahan pangan.
Canola dapat digunakan sebagai pelumas.
Canola kaya akan vitamin E, omega 3, omega 6, omega 9, dan termasuk
antioksidan yang bermanfaat sebagai produk kecantikan. Berikut adalah
gambar biji canola seperti yang ditunjukkan gambar 2.1 sebagai berikut
Gambar 2.1 Biji Canola
Sumber : http://www.wikipedia.com/canola oil.html (diakses tanggal 17
November 2016)
Saat ini canola adalah salah satu tanaman biji penghasil minyak yang
dibudidayakan di berbagai negara dunia terutama di Kanada, selain bunga
matahari, biji anggur, zaitun, kedelai dll. Berikut adalah statistik beberapa negara
Tabel 2.2 Statistik Negara Penghasil Canola
Australia 3760 Kazakhstan 242
Ukraina 2352
Sumber : USDA Foreign Agricultural Service Production Supply and Distribution
Online Database.
2.3 Mesin Diesel
Mesin diesel juga disebut “Motor Penyalaan Kompresi” oleh karena
penyalaannya dilakukan dengan menyemprotkan bahan bakar ke dalam udara
yang bertekanan dan bertemperatur tinggi sebagai akibat dari proses kompresi di
dalam ruang bakar. Mesin diesel pertama kali ditemukan oleh Rudolf Diesel pada
tahun 1982.
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°C. 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 bensin.
Mesin diesel menghasilkan tekanan kerja yang tinggi, itu sebabnya
konstruksi motor diesel lebih kokoh dan lebih besar. Disamping itu, mesin diesel
menyenangkan. Namun dipandang dari segi ekonomi, bahan bakar serta polusi
udara, motor diesel masih lebih disukai (Mathur, 1980).
Konsep awal Rudolf Diesel pada mesin ciptaannya adalah dengan
mengasumsikan adanya penambahan kalor pada temperature konstan sehingga
mesin yang dibuatnya dapat berjalan dengan siklus Carnot. Namun,akhirnya
disadari bahwa untuk mewujudkan mesin tersebut secara praktikal adalah sangat
sulit karena pemasukan panas yang dapat dilakukan persiklus sangat kecil.
Konsep selanjutnya Rudolf Diesel menggunakan penambahan kalor pada saat
tekanan konstan. Konsep siklus tersebut secara teoritis dapat berjalan, oleh karena
itu siklus teoritis ini dinamakan atas namanya yaitu Siklus Diesel. Siklus diesel
tersebut ditunjukkan pada gambar 2.2 dan 2.3 di bawah ini.
Gambar 2.2 Diagram P-v
Sumber :http://www.linasundaritermodinamika.blogspot.co.id/diagram p-v siklus
diesel.html (diakses 17 November 2016)
Keterangan Gambar :
P = Tekanan (atm)
V = Volume Spesifik (m3/kg)
Qm = Kalor yang masuk (KJ)
Qk = Kalor yang keluar (KJ)
Keterangan grafik sebagai berikut berikut :
2. Langkah kompresi (1-2) ialah proses isentropik.
3. Proses pembakaran volume konstan (2-3) dianggap sebagai proses
pemasukan kalor pada volume konstan.
4. Langkah kerja (3-4) ialah proses isentropic
5. Proses pembuangan (4-1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada
volume konstan.
6. Langkah buang (1-0) ialah proses tekanan konstan.
Diagram T-S
Gambar 2.3 Diagram T-S
Sumber :http://www.linasundaritermodinamika.blogspot.co.id/diagram t-s siklus
diesel.html (diakses 17 November 2016)
Keterangan Gambar:
1-2 Kompresi Isentropik.
2-3 Pemasukan Kalor pada Tekanan Konstan.
3-4 Ekspansi Isentropik.
4-1 Pengeluaran Kalor pada Volume Konstan.
2.3.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel
Pada mesin diesel bahan bakar di semprotkan langsung ke ruang bakar
dengan menggunakan injector. Dibawah ini adalah langkah dalam proses mesin
Gambar 2.4 Prinsip Kerja Mesin Diesel
Sumber :http://www.google.com/prinsip kerja diesel.html (diakses 17 November
2016)
1.Langkah Isap
Piston bergerak dari TMA (Titik Mati Atas) ke TMB (Titik Mati Bawah),
kemudian katup isap terbuka dan katup buang tertutup. Karena piston bergerak ke
bawah, maka di dalam silinder terjadi ke vakuman sehingga udara bersih akan
terhisap dan mengalir masuk ke dalam ruang silinder melalui katup isap.
2.Langkah Kompresi
Poros engkol terus berputar, piston bergerak dari TMB ke TMA. Karena
piston bergerak ke atas dan kedua katup tertutup, maka udara bersih dalam
silinder akan terdorong dimampatkan di ruang bakar, akibatnya silinder tertekan
sehingga tekanan dan temperature naik hingga 35 atm dan temperature
500-700°C.
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 putar.
Pada langkah ini, piston bergerak dari TMB ke TMA. Bersamaan itu juga
katup buang membuka dan katup masuk tertutup, sehingga udara sisa pembakaran
akan didorong keluar dari ruang silinder menuju exhaust manifold.
2.3.2 Performansi Mesin Diesel
1. Daya Poros
Daya mesin adalah besarnya kerja mesin selama waktu tertentu. Pada
motor bakar daya yang berguna adalah daya poros, dikarenakan poros tersebut
menggerakkan beban. Daya poros dibangkitkan oleh daya indikator, yang
merupakan daya gas pembakaran yang menggerakkan torak dan selanjutnya
menggerakkan semua mekanisme. Sebagian daya indikator dibutuhkan untuk
mengatasi gerakan mekanik, seperti pada torak dan dinding silinder dan gesekan
antara poros dan bantalan. Prestasi motor bakar pertama-tama tergantung dari
daya yang ditimbulkannya. Semakin tinggi frekuensi putar motor semakin tinggi
daya yang diberikan. Hal ini disebabkan oleh semakin besarnya frekuensi semakin
banyak langkah kerja yang dialami pada waktu yang sama. Dengan demikian daya
poros tersebut adalah :
... (2.1)
Dimana :
PB = daya ( kW )
T = torsi ( Nm )
n = putaran mesin ( rpm )
2.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
dynamometer, alat ini di kopel dengan poros ouput motor pembakaran. Untuk
mencari torsi ditunjukkan persamaan 2.2 dibawah ini
T =
... (2.2)
3. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)
Konsumsi bahan bakar spesifik merupakan salah satu parameter prestasi
yang penting di dalam suatu motor bakar. Nilai ekonomis sebuah mesin
ditunjukkan dengan seberapa besar jumlah bahan bakar yang dipakai untuk
menghasilkan sejumlah daya selang waktu tertentu.
SFC = ̇ ... (2.3)
Besarnya laju aliran massa bahan bakar dihitung dengan persamaaan berikut :
... (2.4)
Dimana :
SFC = konsumsi bahan bakar spesifik (gr/kWh)
PB = daya (kW)
= Laju aliran bahan bakar (kg/jam)
sgf = spesifik gravitasi solar (0,842)
Vf = volume bahan bakar yang diuji (ml)
t = waktu (s)
4. Efisiensi Termal Brake Aktual
Dikarenakan adanya rugi-rugi mekanis yang terjadi pada mesin itu sendiri,
mengakibatkan kerja yang terpakai lebih kecil dari energi yang dibangkitkan oleh
pembakaran sejumlah bahan bakar. Kerja maksimum atau efisiensi ini biasa
satu massa atau volume bahan bakar. Ada dua macam nilai pembakaran yaitu nilai
pembakaran tinggi (High Heating Value) dan nilai pembakaran rendah (Low
Heating Value). Nilai kalor tinggi (High Heating Value), 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. Analisa percobaan dilakukan dengan menggunakan rumus :
HHV = 33950 + 144200 (H2- ) + 9400 S ... (2.6)
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), 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
didalam bahan bakar (moisture). Panas laten pengkondensasian uap air pada
sebesar 2400 kJ/kg, sehingga besarnya nilai kalor bawah (LHV) dapat dihitung
berdasarkan persamaan 2.2. berikut :
LHV = HHV – 2400 (M + 9 H2) ... (2.7)
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).
Nilai kalor (heating value) suatu bahan bakar dapat juga diperoleh dengan
menggunakan peralatan laboratorium, yaitu dengan bom calorimeter oksigen.
Nilai kalor yang diperoleh melalui peralatan ini adalah nilai kalor atas high
heating value (HHV) dan dapat dihitung dengan rumus,yaitu :
HHV=(T2-T1-Tkp)Cv ……… (2.8)
Dimana :
HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
T1 = Suhu air pendingin sebelum dinyalakan (°C)
T2 = Suhu air pendingin setelah dinyalakan (°C)
Energi yang masuk kedalam sebuah mesin berasal dari pembakaran bahan
bakar hidrokarbon. Udara luar digunakan untuk menyuplai oksigen yang
dibutuhkan untuk mendapatkan reaksi kimia untuk pembakaran didalam ruang
bakar. Didalam mesin, bahan bakar dibakar dengan udara.
Udara merupakan campuran berbagai gas yang memiliki komposisi
representatif 78% nitrogen, 20% oksigen, dan 2%> gas-gas lain (karbon dioksida,
neon, helium, metana, hidrogen dll.), dimana pada pembakaran, oksigen
merupakan komponen reaktif dari udara. Secara umum rumus kimia bahan bakar
solar berada diantara C10H20 hingga C15H28 (umumnya C12H23) (Anil W. Date,
2001), dimana reaksi pembakaran yang terjadi didalam ruang bakar secara
stoikiometris/teoritis adalah:
Secara aktual nilai AFR dirumuskan dengan:
AFR = ̇
̇ ……….. (2.11)
Dimana:
̇ = laju aliran udara dalam mesin.
̇ = laju aliran bahan bakar di dalam mesin.
Efisiensi volumentris didefinisikan sebagai volum aliran udara yang
memasuki sistem isap dibagi dengan laju aliran yang digunakan oleh piston.
Efisiensi volumentris mesin diesel biasanya lebih tinggi daripada mesin otto.
Efisiensi volumentris dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut :
ηv =
……….
…….(2.12)
Dimana :
= Laju aliran massa udara (kg/jam)
n = putaran mesin (rpm)
= Densitas udara (kg/m3) Vd = volume langkah torak m3
8.Heat Loss
Heat loss 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 2.13 di
bawah ini.
Heat loss = Cp(ma + mf)x (Te – Ta ) ………..
(2.13)
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.
% Heat loss = –
……….
2.4 Supercarjer
Supercarjer adalah suatu mekanisme untuk menyuplai udara dengan
kepadatan yang melebihi kepadatan udara atmosfer ke dalam silinder pada
langkah hisap, sehingga massa oksigen bertambah masuk ke silinder membuat
mesin membakar lebih banyak bahan bakar dan membuatnya lebih bertenaga.
Sebuah supercarjer ditenagai secara mekanik oleh sabuk, pulley, rantai, sprocket,
maupun mekanisme roda gigi dari poros engkol mesin. Udara yang lebih padat ini
akan tinggal dalam silinder untuk ditekan pada langkah kompresi. Akibat udara
yang densitasnya lebih tinggi maka lebih banyak bahan bakar yang dapat terbakar
sehingga daya output mesin dapat meningkat.
Tujuan utama pemakaian supercarjer adalah untuk memperbesar jumlah
udara yang masuk ke dalam silinder, menambah daya mesin tanpa memperbesar
kapasitas mesin tersebut, dan mengurangi berat atau ruang konstruksi pada mesin
diesel. Peningkatan daya output yang dapat diperoleh dari suatu mesin yang
dilengkapidengan supercarjer tergantung oleh beberapa faktor, tetapi yang
terpenting adalah tekanan superchargering. Mesin yang dilengkapi dengan
supercarjer seperti yang dikatakan sebelumnya juga menghemat bahan bakar
karena daya yang diperoleh dengan mengunakan supercarjer meningkat dengan
cepat dibandingkan dengan losses-losses akibat gesekan yang relatif tetap dan
juga disebabkan oleh kecepatan udara yang tinggi menyebabkan aliran turbulen
dalam ruangan bakar sehingga proses pencampuran udara ditambah bahan bakar
dapat lebih cepat dan lebih baik mutunya.
Prinsip kerja supercarjer yaitu berputar melalui driver pulley pada
mesin,kemudian tenaga disalurkan ke driven pulley pada supercarjer sehingga
kompressor berputar dan memompa udara ke ruang bakar. Dengan supercarjer
jumlah udara atau campuran bahan bakar udara segar yang biasa dimasukkan
lebih besar daripada dengan proses pengisapan oleh torak pada waktu langkah
isap. Tekanan udara masuk silinder berkisar antara 1,2-2,2 kg/cm2. Motor dua tak
dengan supercarjer akan menaikkan sekaligus tekanan isap dan tekanan gas buang
(Mahadi 2007). Kelebihan dari supercarjer yaitu supercarjer mulai bekerja pada
turbin selaras dengan putaran mesin. Beda halnya dengan turbocharger yang mulai
bekerja pada putaran rpm tinggi
Dilihat dari konstruksinya dan harganya, motor diesel di bawah 100 PS
tidak ekonomis menggunakan supercarjer. Tetapi apabila mesin harus bekerja
pada ketinggian lebih dari 1500 meter diatas laut, supercarjer mempunyai arti
penting dalam usaha mengatasi kerugian daya yang disebabkan berkurangnya
kepadatan udara atmosfer di tempat tersebut. Pada motor diesel supercarjer dapat
mempersingkat priode persiapan pembakaran sehingga karakteristik pembakaran
menjadi lebih baik.
Disamping itu terbuka kemungkinan untuk menggunakan bahan bakar
dengan menggunakan bahan bakar dengan bilangan setana yang lebih rendah.
Akan tetapi jangan hendaknya melupakan tekanan dan temperatur gas
pembakaranya karena hal tersebut akan menyangkut persoalan pendinginan,
konstruksi, kekuatan material serta umur. Pemakaian bahan bakar spesifik dari
motor bensin yang memakai supercarjer biasanya menjadi lebih besar. Hal ini
disebabkan karena perbandingan kompresinya
harus diperkecil untuk mencegah denotasi juga karena banyak bahan bakar yang
keluar dari dalam silnder sebelum digunakan. Persoalan denotasi dapat diatasi
dengan menggunakan bensin dengan bilangan oktana yang lebih tinggi dan dalam
banyak hal akan sangat berpengaruh pada performansi mesin tersebut. Demikian
juga pada motor bensin untuk mobil balap (supercar),yang lebih mementingkan
daya daripada efisiensi.Berikut supercarjer yang ditunjukkan pada gambar 2.6
Gambar 2.6 Supercarjer
2.4.1 Jenis-jenis Supercarjer
Supercarjer terdapat tiga jenis yaitu :
a. Root
Jenis ini merupakan jenis supercarjer tertua. Jenis supercarjer ini
menggunakan lobus yang saling bertautan. Jenis supercarjer ini
memberikan tenaga yang lebih pada putaran rpm rendah. Berikut root
yang ditunjukkan pada gambar 2.7 yaitu :
Gambar 2.7 Root
Sumber : http://www.scribd.com/supercharger.html(diakses 9 Februari
b. Twin Screw
Supercarjer ini bekerja dengan menarik udara ke dalam lobus yang saling
bertautan yang bentuknya menyerupai gerigi cacing. Jenis supercarjer ini
memberikan tenaga yang lebih pada rpm rendah. Berikut twin screw yang
ditunjukkan pada gambar 2.8 yaitu :
Gambar 2.8 Twin Screw
Sumber : http://www.scribd.com/supercharger.html(diakses 9 Februari
2017)
c. Centrifugal
Jenis supercarjer ini menggunakan impeller dengan kecepatan tinggi untuk
membawa udara ke ruang compressor. Udara yang melewati impeller
dalam kondisi kecepatan tinggi, tetapi tekanan udara yang menuju ke
diffuser bernilai rendah. Pada diffuser, udara mengalami perlambatan
kecepatan dan kenaikan tekanan. Bentuk centrifugal ditunjukkan pada
Gambar 2.9 Centrifugal
Sumber : http://www.scribd.com/supercharger.html(diakses 9 Februari
2017)
Berdasarkan kompressor yang digunakan untuk menggerakkan supercarjer
maka supercarjer dapat dibagi atas :
a. Supercarjer, yang menggunakan positive displacement rotary compressor
Impeler dipasang pada kedua poros yang parallel dan memiliki dua
atau tiga kuping (lobes) yang salig berpasangan seperti roda gigi ketika
impeller ini berputar. Udara yang masuk pada awalnya akan terjebak pada
ruang antara rumah dan lembah pada lobes yang saling berdekatan, yang
kemudian dibawa ke saluran keluar dan udara dipaksa memasuki ruang
silinder. Untuk impeler dengan 2 kuping (lobe) memiliki sifat-sifat sebagai
berikut :
1. Menghasilkan kapasitas udara yang paling maksimum.
2. Mengkonsumsi energi yang paling sedikit.
3. Pemasukan udara yang tidak kontinu.
4. Sangat berisik terutama jika bentuk lobenya lurus.
Berikut gambar positive displacement rotary dengan dua lobe yang
Gambar 2.10 Positive Displacement Rotary Compressor dengan 2 lobe
Sumber : http ://www.diyford.com/two lobe compressor (diakses 7
Februari 2017)
Sedangkan untuk impeller dengan 3 lobes yang berbentuk spiral,
merupakan tipe root compressor yang lebih baik dibandingkan dengan 2 lobes
karena tidak berisik dan terutama karena aliran udara lebih merata (kontinu).
Berikut gambar positive displacement rotary dengan tiga lobe yang ditunjukkan
pada gambar 2.11 sebagai berikut :
Gambar 2.11 Positive Displacement Rotary Compressor dengan 3 lobe
Sumber : http ://www.diyford.com/three lobe compressor (diakses 7
Februari 2017)
b. Supercarjer yang menggunakan Centrifugal Compressor.
Centrifugal Compressor merupakan tipe compressor yang
menggunakan roda kecepatan tinggi yang dilengkapi sudu-sudu dan ditiup dengan
casing berbentuk valve. Udara memasuki casing melalui saluran masuk, kemudian
melalui sudu-sudu roda tersebut seolah-olah dilemparkan dengan gaya sentrifugal
kesaluran kompressor. Udara yang dilempar dengan kecepatan tinggi ini masuk
saluran buang diubah energi kinetiknya menjadi energi tekanan melalui diffuser.
compressor dibandingkan dengan centrifugal compressor jika penggeraknya
berasal dari mesin itu sendiri adalah terletak pada kapasitas udara yang
dipindahkan ke ruang silinder. Positive displacement rotary compressor secara
praktis akan melepaskan udara dalam jumlah yang sama setiap putaran mesin
tanpa memperhatikan kecepatan ataupun tekanan kerja dalam silinder. Tetapi
untuk compressor sentrifugal jumlah udara yang dimasukkan ke dalam silinder
tiap putaran mesin akan selalu berubah-ubah karena tergantung pada kuadrat
kecepatan roda putarnya sehingga kapasitas pemasukkan udaranya akan jauh lebih
sedikit dibandingkan dengan positive displacement rotary compressor terutaman
pada putaran rendah. Berikut gambar centrifugal compressor seperti ditunjukkan
pada gambar 2.12 yaitu :
Gambar 2.12 Centrifugal Compressor
Sumber : http ://www.diyford.com/centrifugal compressor (diakses 7
Februari 2017)
BAB III
