KAJIAN PERFORMANSI MESIN DIESEL STASIONER SATU SILINDER MENGGUNAKAN KATALITIK KONVERTER DENGAN BAHAN BAKAR CAMPURAN PERTADEX DAN
BIODIESEL BIJI KARET
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
DARWIN B. I. SIANTURI (100401066)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N
2016
ABSTRAK
Kebutuhan akan bahan bakar minyak sebagai sumber energi semakin meningkat dari tahun ke tahun yang tentunya akan membuat persediaan cadangan minyak bumi akan semakin berkurang. Disamping itu, emisi dari penggunaan bahan bakar minyak juga memberikan dampak negatif terhadap lingkungan. Hal ini lah yang mendorong kita untuk menemukan energi alternatif berupa energi terbarukan yang potensial serta ramah lingkungan dan salah satunya adalah biodiesel biji karet.
Tujuan penelitian ini adalah untuk menganalisa performansi mesin diesel satu silinder Tecquipment TD111 Four-Stroke Diesel Engine menggunakan variasi bahan bakar campuran antara pertadex dan biodiesel biji karet (Pertadex, B5, B10, B15, dan B20) pada variasi putaran mesin dan beban statis yang berbeda. Selain itu, penelitian ini juga akan menganalisa pengaruh pemakaian katalitik konverter terhadap emisi gas buang hasil pembakaran dari setiap variasi bahan bakar. Daya maksimum mesin dihasilkan pada penggunaan Pertadex dengan beban statis 4,5 kg dan putaran mesin 2800 rpm yaitu sebesar 2,2946 kW, nilai AFR maksimum terjadi pada penggunaan B5 biji karet dengan beban statis 3,5 kg dan putaran 2200 rpm yaitu sebesar 69,9785, efisiensi volumetris maksimum diperoleh pada penggunaan Pertadex dengan beban statis 4,5 kg dan putaran 2200 rpm yaitu sebesar 93,7154 %, efisiensi termal maksimum diperoleh pada penggunaan B5 biji karet dengan beban statis 4,5 kg dan putaran 2600 rpm yaitu sebesar 34,6718
%, nilai SFC maksimum terjadi pada penggunaan B20 biji karet dengan beban statis 3,5 kg dan putaran 1800 rpm yaitu sebesar 698,1436 gr/kWh, sedangkan heat loss exhaust maksimum terjadi pada penggunaan B5 biji karet dengan beban statis 3,5 kg dan putaran 2800 rpm yaitu sebesar 19,7643 %. Untuk emisi gas
buang, nilai opacity, kadar HC dan kadar CO rata-rata mengalami penurunan setelah penggunaan katalitik konverter.
Kata kunci : Biodiesel Biji Karet, Performansi, Mesin Diesel, Emisi.
ABSTRACT
The need of petroleum as energy source is increasing each year which surely leads to the decreasement of the available petroleum reserves. Besides, the emission from the usage of petroleum will also give negative impacts for the environment. This is the reasons that prompt us to find an alternative energy resource in form of renewable-energy that has potential as well as eco friendly and one of which is rubber seed biodiesel. The purpose of this research is to analyze the performance of one cylinder Four-Stroke Diesel Engine Tecquipment TD111 using the variation of mixed fuel consisting of pertadex and rubber seed biodiesel (Pertadex, B5, B10, B15, and B20) in different engine rotation and static load variation. Beside that, this research will also analyze the effect of the use of calalitic converter towards the exhaust gas emission of each fuel variations. The maximum engine power is resulted from the use of Pertadex with 4.5 kg static load and 2800 rpm engine rotation with the value of 2.2946 kW, the maximum AFR value is occured in the use of B5 rubber seed with 3.5 kg static load and 2200 rpm engine rotation with the value of 69.9785, the maximum volumetric efficiency is achieved when using Pertadex with 4.5 kg static load and 2200 rpm engine rotation with the value of 93.7154 %, the maximum thermal efficiency is achieved when using B5 rubber seed with 4.5 kg static load and 2600 rpm engine rotation with the value of 34.6718 %, the maximum SFC value is occured in the use of B20 rubber seed with 3.5 kg static load and 1800 rpm engine rotation with the value of 698.1436 gr/kWh, while the maximum heat loss exhaust is occured when using B5 rubber seed with 3.5 kg static load and 2800 rpm engine rotation
with the value of 19.7643 %. For the exhaust gas emission, the mean value of opacity, HC degree, and CO degree decreased after using the catalitic converter.
Key Words: Rubber Seed Biodiesel, Performance, Diesel Engine, Emission.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan kasih-Nya yang diberikan selama proses pengerjaan skripsi ini, sehingga skripsi ini dapat penulis selesaikan dengan baik.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan guna mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu
“KAJIAN PERFORMANSI MESIN DIESEL STASIONER SATU SILINDER MENGGUNAKAN KATALITIK KONVERTER DENGAN BAHAN BAKAR CAMPURAN PERTADEX DAN BIODIESEL BIJI KARET”
Dalam proses pengerjaan skripsi ini, tidak sedikit hambatan yang dihadapi oleh penulis. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah memberikan bantuan selama pengerjaan skripsi ini. Untuk itu, melalui pengantar ini penulis menyampaikan terima kasih kepada :
1. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST. MT. selaku dosen pembimbing yang telah meluangkan waktu dalam memberikan saran dan bimbingan dalam menyelesaikan tugs skripsi ini.
2. Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU yang memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas skripsi ini.
3. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU.
4. Orang tua saya, A. Sianturi dan T. Br. Nainggolan yang selalu memberikan kasih sayang melalui doa dan dukungan sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
5. Rekan satu tim dan partner kerja Daniel yang selalu bersama dan saling memberi semangat dari awal pengerjaan skripsi ini hingga akhir.
6. Teman-teman seperjuangan Teknik Mesin USU Stambuk 2010 yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang senantiasa memberikan semangat dan kekuatan dikala suka maupun sedih.
7. Kakak dan adik-adik tercinta Runggu, Chrishna, Debora, dan Astri yang selalu memberi dukungan dan doa dalam proses pengerjaan laporan ini.
8. Teman-teman seperjuangan EXTONE 2010 atas dukungan dan kebersamaannya.
9. Semua pihak yang membantu secara langsung maupun tidak langsung dalam proses pengerjaan skripsi ini.
Penulis juga mengharapkan kritik dan saran membangun dari pembaca demi tercapainya laporan yang lebih baik di masa yang akan datang. Akhir kata, penulis berharap laporan ini dapat memberikan manfaat bagi pembaca. Terima kasih.
Medan, Maret 2016 Penulis
Darwin B.I. Sianturi
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR TABEL ... viii
DAFTAR GAMBAR ... ix
DAFTAR NOTASI ... xii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Penelitian ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.4 Manfaat Penelitian ... 3
1.5 Metodologi Penulisan ... 3
1.6 Sistematika Penulisan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Biodiesel ... 5
2.2 Biodiesel Biji Karet ... 7
2.3 Pembuatan Biodiesel ... 9
2.3.1 Esterifikasi ... 9
2.3.2 Transesterifikasi ... 10
2.4 Mesin Diesel ... 10
2.4.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel ... 12
2.4.2 Proses Pembakaran dan Bahan Bakar ... 13
2.5 Performansi Mesin Diesel ... 17
2.6 Katalitik Konverter ... 23
2.6.1 Konstruksi Katalitik Konverter ... 24
2.6.2 Prinsip Kerja Katalitik Konverter ... 25
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 27
3.1 Waktu dan Tempat... 27
3.2 Alat dan Bahan ... 27
3.2.1 Alat Pembuatan Biodiesel Biji Karet ... 27
3.2.2 Alat Pengujian Performansi Mesin Diesel ... 34
3.2.3 Diagram Alir Penelitian ... 37
3.2.3 Bahan Pembuatan Biodiesel Biji Karet ... 38
3.2.4 Bahan Pengujian Performansi Mesin Diesel ... 38
3.3 Prosedur Pembuatan Biodiesel ... 38
3.4 Metode Pengumpulan Data ... 47
3.5 Metode Pengolahan Data ... 47
3.6 Pengamatan dan Tahapan Pengujian ... 47
3.7 Prosedur Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar ... 48
3.8 Prosedur Pengujian Performansi Mesin Diesel ... 50
3.9 Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang ... 52
BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN ... 54
4.1 Hasil Pengujian Nilai Kalor ... 54
4.2 Hasil Pengujian Performansi Mesin Diesel ... 55
4.2.1 Daya Ideal ... 59
4.2.2 Air Fuel Ratio (AFR) ... 62
4.2.3 Efisiensi Volumetris ... 68
4.2.4 Daya Aktual ... 71
4.2.5 Efisiensi Thermal Aktual ... 74
4.2.6 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC) ... 77
4.2.7 Heat Loss Exhaust ... 80
4.3 Emisi Gas Buang ... 83
4.3.1 Opacity ... 83
4.3.2 Kadar HC ... 84
4.3.3 Kadar CO ... 85
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 88
5.1 Kesimpulan ... 89
5.2 Saran ... 89
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Komposisi Asam Lemak Minyak Biji Karet ... 8
Tabel 2.2 Standar Emisi Gas Buang ... 23
Tabel 4.1 Nilai Kalor Bahan Bakar ... 54
Tabel 4.2 Data Pengujian Performansi Menggunakan Pertadex ... 55
Tabel 4.3 Data Pengujian Performansi Menggunakan B5 Biji Karet ... 56
Tabel 4.4 Data Pengujian Performansi Menggunakan B10 Biji Karet ... 56
Tabel 4.5 Data Pengujian Performansi Menggunakan B15 Biji Karet ... 57
Tabel 4.6 Data Pengujian Performansi Menggunakan B20 Biji Karet ... 57
Tabel 4.7 Data Perhitungan Daya Ideal... 59
Tabel 4.8 Laju Aliran Massa Udara ... 63
Tabel 4.9 Laju Aliran Massa Bahan Bakar ... 64
Tabel 4.10 Hasil Pengujian AFR Bahan Bakar ... 65
Tabel 4.11 Data Efisiensi Volumetris Mesin ... 68
Tabel 4.12 Data Perhitungan Daya Aktual ... 71
Tabel 4.13 Data Efisiensi Termal Aktual Mesin ... 74
Tabel 4.14 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik ... 77
Tabel 4.15 Persentase Heat Loss ... 80
Tabel 4.16 Opacity Pada Beban Statis 3,5 kg ... 82
Tabel 4.17 Opacity Pada Beban Statis 4,5 kg ... 82
Tabel 4.18 Kadar HC Pada Beban Statis 3,5 kg ... 83
Tabel 4.19 Kadar HC Pada Beban Statis 4,5 kg ... 84
Tabel 4.20 Kadar CO Pada Beban Statis 3,5 kg ... 85
Tabel 4.21 Kadar CO Pada Beban Statis 4,5 kg ... 85
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Pohon, Biji, dan Getah Karet ... 8
Gambar 2.2 Diagram Alir Pembuatan Biodiesel ... 9
Gambar 2.3 Diagram P-V Mesin Diesel ... 11
Gambar 2.4 Diagram T-S Mesin Diesel ... 11
Gambar 2.5 Langkah Kerja Mesin Diesel ... 12
Gambar 2.6 Grafik Tekanan vs Sudut Engkol ... 14
Gambar 2.7 C16H34 (Hidrokarbon Rantai Lurus) ... 16
Gambar 2.8 Alpha-methylnaphtalene ... 16
Gambar 2.9 Skema Operasi Dynamometer ... 19
Gambar 2.10 Katalitik Konverter ... 25
Gambar 3.1 Tabung Kaca ... 27
Gambar 3.2 Erlenmeyer ... 28
Gambar 3.3 Corong Gelas ... 28
Gambar 3.4 Kertas Saring ... 28
Gambar 3.5 Gelas Beker ... 29
Gambar 3.6 Labu Leher Tiga ... 29
Gambar 3.7 Refluks Kondensor ... 29
Gambar 3.8 Corong Pemisah... 30
Gambar 3.9 Termometer ... 30
Gambar 3.10 Hotplate Stirrer ... 30
Gambar 3.11 Magnetic Stirrer ... 31
Gambar 3.12 Statif dan Klem ... 31
Gambar 3.13 Gabus ... 31
Gambar 3.14 Pipet Tetes ... 32
Gambar 3.15 Selang ... 32
Gambar 3.16 Stopwatch ... 32
Gambar 3.17 Gelas Ukur ... 33
Gambar 3.18 Piknometer ... 33
Gambar 3.19 Viskometer Ostwald ... 33
Gambar 3.20 Rotary Evaporator ... 34
Gambar 3.21 Mesin Diesel Small Engine Test TD111-MKII... 34
Gambar 3.22 Engine Smoke Meter dan Gas Analyzer ... 35
Gambar 3.23 Katalitik Konverter ... 36
Gambar 3.24 Tec Equipment TD-114 ... 36
Gambar 3.25 Diagram Alir Penelitian ... 37
Gambar 3.25 Bahan Bakar Pertadex dan Biodiesel Biji Karet... 38
Gambar 3.26 Diagram Alir Pembuatan Biodiesel ... 39
Gambar 3.27 Proses Ekstraksi ... 40
Gambar 3.28 Proses Penyaringan ... 41
Gambar 3.29 Proses Evaporasi ... 41
Gambar 3.30 Proses Degumming ... 43
Gambar 3.31 Diagram Alir Pengujian Performansi Mesin ... 51
Gambar 3.32 Diagram Alir Pengujian Emisi Gas Buang ... 53
Gambar 4.1 Grafik Daya Ideal vs Putaran Mesin Beban 3,5 kg ... 61
Gambar 4.2 Grafik Daya Ideal vs Putaran Mesin Beban 4,5 kg ... 61
Gambar 4.3 Kurva Viscous Flow Meter Calibration ... 63
Gambar 4.4 Grafik AFR vs Putaran Mesin Beban 3,5 kg ... 67
Gambar 4.5 Grafik AFR vs Putaran Mesin Beban 4,5 kg ... 67
Gambar 4.6 Grafik Efisiensi Volumetris vs Putarn Mesin Beban 3,5 kg ... 70
Gambar 4.7 Grafik Efisiensi Volumetris vs Putarn Mesin Beban 4,5 kg ... 70
Gambar 4.8 Grafik Daya Aktual vs Putaran Mesin Beban 3,5 kg ... 73
Gambar 4.9 Grafik Daya Aktual vs Putaran Mesin Beban 4,5 kg ... 73
Gambar 4.10 Grafik Efisiensi Termal Aktual vs Putaran Mesin Beban 3,5 kg .. 76
Gambar 4.11 Grafik Efisiensi Termal Aktual vs Putaran Mesin Beban 4,5 kg .. 76
Gambar 4.12 Grafik SFC Aktual vs Putaran Mesin Beban 3,5 kg ... 79
Gambar 4.13 Grafik SFC Aktual vs Putaran Mesin Beban 4,5 kg ... 79
Gambar 4.14 Grafik Heat Loss vs Putaran Mesin Beban 3,5 kg ... 82
Gambar 4.15 Grafik Heat Loss vs Putaran Mesin Beban 4,5 kg ... 82
DAFTAR NOTASI
Lambang Keterangan Satuan
PB Daya Keluaran Watt
n Putaran Mesin rpm
T Torsi N.m
Sfc Konsumsi Bahan Bakar Spesifik g/kW.h
mf Laju Aliran Bahan Bakar kg/jam
sgf Spesifik Gravity
Vf Volume Bahan Bakar Yang Diuji ml
tf Waktu Untuk Menghabiskan Bahan Bakar detik
ma Laju Aliran Massa Udara kg/jam
a Kerapatan Udara kg/m3
Vs Volume Langkah Torak m3
Cf Faktor Koreksi
AFR Air Fuel Ratio
ηv Efisiensi Volumetrik
ηb Efisiensi Termal Brake
HHV Nilai Kalor Atas Bahan Bakar kJ/kg
LHV Nilai Kalor Bawah Bahan Bakar kJ/kg
CV Nilai Kalor Bahan Bakar kJ/kg
Cv Panas Jenis Bom Kalorimeter J/gr.°C
M Persentase Kandungan Air Bahan Bakar
Qlc Kalor Laten Kondensasi Uap Air kJ/kg
