BAKAR CAMPURAN PREMIUM – BIOETHANOL
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
JONATHAN ANDRIAN REKSORAHARJO 140401066
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2019
Abstrak
Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui kinerja optimal mesin otto menggunakan bahan bakar alternatif campuran premium-bioetanol serta mengetahui jenis bahan bakar yang lebih rendah tingkat emisi gas buangnya.
Parameter yang digunakan untuk mengetahui perfomansi mesin otto yaitu torsi,daya,air fuel ratio. Mesin yang digunakan dalam penelitian ini adalah mesin otto 4 silinder 1500 cc yang digunakan oleh Toyota Vios Limo 2015 dengan variasi bahan bakar yaitu Premium,Premium E10,E15,E20. Pengambilan data performansi dilakukan dengan menggunakan dynotest, Proses penelitian yang dilakukan adalah mengukur nilai kalor bahan bakar, dan mengukur tingkat densitas dan viskositas, serta mengukur performansi dan emisi gas buang. Data pengujian kemudian dihitung dan ditampilkan ke dalam bentuk grafik. Dari hasil perhitungan data pengujian diperoleh nilai kalor atas bahan bakar rata-rata sebesar 45294,21 kJ/kg (premium) dan 40459.28 kJ/kg (premium E10),37500.1 kJ/kg(premium E15),serta 28970.7 kJ/kg(premium E20).Torsi paling maksimal pada pengujian ini sebesar 108.39 Nm dengan menggunakan bahan bakar premium E10,dan torsi terendah yang didapat adalah 98.55 Nm dengan menggunakan bahan bakar premium murni. Daya maksimum yang didapat dari hasil pengujian dynotest adalah 69.88 Nm pada putaran mesin 5000 rpm dengan menggunakan bahan bakar campuran premium-bioetanol E10,dan daya terendah yang didapat adalah 35.01 HP pada putaran mesin 2500 rpm dengan menggunakan bahan bakar premium E20. Air fuel ratio maksimum yang didapatkan dari pengujian ini adalah 15.0 dengan menggunakan bahan bakar campuran E15 pada putaran mesin 2500 rpm,sementara itu nilai air fuel ratio yang terendah yaitu 12.06 menggunakan bahan bakar campuran E20 di putaran mesin 5000 rpm. Hasil uji emisi menunjukkan kadar emisi yang rendah dan lolos kategori uji emisi.Dari penelitian ini bahan bakar yang paling optimal untuk mesin ini adalah premium E10
Kata Kunci: mesin otto 4 silinder 1500 cc, bioetanol, performansi,dynotest
Abstract
This research was conducted to determine the optimal performance of the otto engine using alternative fuels with a mixture of premium-bioethanol and knowing the type of fuel with lower levels of exhaust emissions. The parameters used to determine the engine performance of otto are torque, power, air fuel ratio. The engine used in this study is a 1500 cc otto 4 cylinder engine used by the Toyota Vios Limo 2015 with variations in fuel, namely Premium, Premium E10, E15, E20. Performance data retrieval is done using dynotest. The research process is to measure fuel calorific value, and measure the level of density and viscosity, and measure the performance and exhaust emissions. The test data is then calculated and displayed in graphical form. From the calculation of the test data, the average heating value of the fuel is 45294.21 kJ / kg (premium) and 40459.28 kJ / kg (premium E10), 37500.1 kJ / kg (premium E15), and 28970.7 kJ / kg (premium E20). The maximum torque in this test is 108.39 Nm using E10 premium fuel, and the lowest torque obtained is 98.55 Nm using pure premium fuel. The maximum power obtained from the dynotest test results is 69.88 Nm at 5000 rpm engine rotation using premium-bioethanol E10 mixture fuel, and the lowest power obtained is 35.01 HP at 2500 rpm engine speed using premium E20 fuel. The maximum air fuel ratio obtained from this test is 15.0 using E15 mixed fuel at 2500 rpm engine speed, while the lowest value of the air fuel ratio is 12.06 using E20 mixed fuel at 5000 rpm engine speed. The emission test results show low emission levels and pass the emission test category. From this study the most optimal fuel for this engine is E10 premium
Keywords: otto engine 4 cylinder1500 cc, bioethanol, performance, dynotest
KATA PENGANTAR
Puji Syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan rahmatNya penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “UJI EKSPERIMENTAL KINERJA MESIN OTTO DENGAN BAHAN BAKAR PREMIUM – BIOETHANOL DENGAN MENGGUNAKAN DYNOTEST”
Penulisan skripsi ini diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Dalam pengerjaan skripsi ini, banyak tantangan yang dihadapi namun penulis selalu berupaya untuk dapat menyelesaikannya dengan segala kemampuan dan bimbingan, dorongan, serta semangat dari banyak pihak.
Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih banyak kepada Dosen. Selain itu, penulis juga mengucapkan banyak terima kasih kepada :
1. Orangtua tercinta Bpk. Hadi Ratmono & Ibu Saulina Fransiska Panjaitan yang telah mensupport dari awal masa perkuliahan baik dari segi moril dan material hingga dapat menyelesaikan tugas akhir penulis
2. Pembimbing yang terhormat Bpk. Dr. Tulus B. Sitorus, ST. MT. yang telah meluangkan waktu, tenaga dan pikirannya untuk membimbing penulis
3. Abang Joshua Manggala Reksoraharjo,S.T,adik Jessika Elizabeth Reksoraharjo, dan juga Jennifer Junitha Reksoraharjo yang selalu memberi dukungan selama masa perkuliahan hingga dapat menyelesaikan penelitian 4. Keluarga-keluarga penulis terutama Sakti Dermawan Panjaitan yang selalu
memberi dukungan dan nasihat selama masa perkuliahan hingga dapat menyelesaikan penelitian
5. Partner dari awal masa perkuliahan hingga dapat menyelesaikan studi perkuliahan penulis Sdr. Karina Febrin Azhari,S.T. yang selalu memberikan dukungan kepada penulis
6. Bapak Dr. M. Sabri, MT selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara
7. Bapak Terang UHSG, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara
8. Seluruh staf pengajar dan pegawai Departemen Teknik Mesin yang telah membantu dan membimbing penulis selama kuliah
9. Rekan – rekan tim Bluebird Gerry Siahaan dan Billy Manurung atas kerja sama yang baik selama melaksanakan penelitian ini
10. Kakak, abang, dan adik Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara yang selalu memberi nasihat dan dukungan selama penelitian
Penulis mengharapkan kritikan dan masukan yang bersifat membangun.
Semoga skripsi ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih.
Medan, Agustus 2019 Penulis,
Jonathan A.Reksoraharjo NIM 140401066
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
ABSTRACT ... ii
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... ix
DAFTAR NOTASI ... x
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Penelitian ... 3
1.3 Batasan Masalah ... 3
1.4 Manfaat Pengujian ... 4
1.5 Metodologi Penulisan ... 4
1.6 Sistematika Penulisan ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1 Mesin Otto ... 6
2.1.1 Sejarah Mesin Otto ... 6
2.1.2 Prinsip Kerja Mesin Otto ... 7
2.2 Gasoline ... 10
2.3 Bioetanol ... 14
2.4 Gasohol ... 16
2.5 Performansi Mesin Otto ... 19
2.5.1 Nilai Kalor Bahan Bakar ... 19
2.5.2 Daya ... 20
2.5.3 Torsi ... 21
2.5.4 Rasio Udara dengan Bahan Bakar (AFR) ... 21
2.6 Emisi Bahan Bakar ... 22
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 26
3.1 Penelitian ... 26
3.2 Waktu dan Tempat ... 26
3.2.1 Pengujian Nilai Bom Kalorimeter ... 26
3.2.2 Pengujian Nilai Vaskositas dan Densitas) ... 26
3.2.3 Pengujian Performansi Mobil dengan Bahan Bakar Premium-Bioetanol 10%,15% dan 20% ... 27
3.2.4 Pengujian Emisi Gas Buang ... 27
3.3 Alat dan Bahan ... 28
3.3.1 Alat ... 28
3.3.2 Bahan ... 31
3.4 Variabel Penelitian ... 34
3.5 Diagram Alir Penelitian ... 35
3.6 Persiapan Penelitian ... 36
3.6.1 Persiapan Bahan ... 36
3.6.2 Pengkondisian Alat ... 36
3.7 Prosedur Pengujian ... 37
3.7.1 Pengujian Bom Kalorimeter ... 37
3.7.2 Pengujian Karakteristik Bahan Bakar ... 39
3.7.3 Prosedur Pengujian Dynotest ... 40
3.7.4 Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang ... 41
3.8 Skema Penelitian ... 42
3.9 Metode Pengumpulan Data ... 42
3.10 Metode Pengolahan Data ... 42
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 43
4.1 Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar ... 43
4.2 Hasil Pengujian Densitas dan Viskositas ... 47
4.2.1 Densitas ... 47
4.2.2 Viskositas ... 47
4.3 Pengujian Performansi dengan Dynotest ... 48
4.3.1 Torsi ... 49
4.3.2 Daya ... 52
4.3.3 Air Fuel Ratio ... 55
4.4 Pengujian Emisi Gas Buang ... 57
4.4.1 Karbon Monoksida (CO) ... 57
4.4.2 Hidrokarbon (HC) ... 59
4.4.3 Karbondioksida (CO2) ... 60
4.4.4 Oksigen (O2) ... 61
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 62
5.1 Kesimpulan ... 62
5.2 Saran ... 63
DAFTAR PUSTAKA ... 64
LAMPIRAN ... 66
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Mesin Otto dan Nikolas August Otto ... 7
Gambar 2.2 Prinsip Kerja Mesin Otto ... 10
Gambar 2.3 Prinsip Kerja Mesin 4 Tak ... 14
Gambar 3.1 Pengujian Nilai Bom Kalorimeter ... 27
Gambar 3.2 Pengujian Nilai Vaskositas dan Densitas ... 28
Gambar 3.3 Pengujian Performansi Mobil ... 28
Gambar 3.4 Pengujian Emisi Gas Buang ... 29
Gambar 3.5 Alat Uji Bom Kalorimeter ... 29
Gambar 3.6 Toyota Vios Limo 1500 CC Tahun 2015 ... 30
Gambar 3.7 Dynotest Dynoject 224 x ... 30
Gambar 3.8 Gas Analyzer Sukyoung ... 31
Gambar 3.9 Premium Murni ... 31
Gambar 3.10 Bioethanol Singkong 96% ... 32
Gambar 3.11 Gasohol 10% ... 32
Gambar 3.12 Gasohol 15% ... 33
Gambar 3.13 Gasohol 20% ... 33
Gambar 3.14 Diagram Alir Penelitian ... 35
Gambar 3.15 Bom Kalorimeter ... 38
Gambar 3.16 Set Up Pengujian Dynotest dan Emisi gas Buang ... 42
Gambar 4.1 Grafik Hasil Pengujian Bom Kalorimeter ... 46
Gambar 4.2 Grafik Hasil Pengujian Torsi vs Putaran Mesin ... 49
Gambar 4.3 Grafik Hasil Pengujian Daya vs Putaran Mesin ... 52
Gambar 4.4 Grafik Hasil Pengujian AFR vs Putaran Mesin ... 59
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Sifat Fisik Gasoline ... 11
Tabel 2.2 Sifat Fisik Etanol ... 15
Tabel 3.1 Spesifikasi Mesin Toyota Vios Limo 1500 CC Tahun 2015 ... 30
Tabel 3.2 Spesifikasi Mesin Dynotest ... 31
Tabel 3.3 Spesifikasi Mesin Uji Emisi ... 32
Tabel 3.4 Komposisi Campuran Premium dan Bioetanol Tiap 10 Liter ... 37
Tabel 4.1 Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar Premium ... 44
Tabel 4.2 Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar Bioetanol... 45
Tabel 4.3 Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar Gasohol 10% ... 45
Tabel 4.4 Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar Gasohol 15% ... 45
Tabel 4.5 Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar Gasohol 20% ... 45
Tabel 4.6 Hasil Pengujian Densitas ... 47
Tabel 4.7 Hasil Pengujian Viskositas ... 48
Tabel 4.8 Hasil Pengujian Torsi vs Putaran Mesin ... 49
Tabel 4.9 Hasil Validasi Data Pengujian Torsi vs Putaran Mesin ... 52
Tabel 4.10 Hasil Pengujian Daya vs Putaran Mesin ... 53
Tabel 4.11 Hasil Validasi Data Pengujian Daya vs Putaran Mesin ... 55
Tabel 4.12 Hasil Pengujian AFR vs Putaran Mesin ... 56
Tabel 4.13 Hasil Pengujian Emisi Gas Buang Karbon Monoksida (CO) ... 58
Tabel 4.14 Hasil Pengujian Emisi Gas Buang Hidrokarbon (HC) ... 59
Tabel 4.15 Hasil Kadar Karbon Dioksida (CO2) dalam Gas Buang ... 60
Tabel 4.16 Kadar Sisa Oksigen (O2) dalam Gas Buang ... 61
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kelangkaan bahan bakar minyak yang terjadi belakangan ini telah memberikan dampak yang sangat luas di berbagai sektor kehidupan. Sektor yang paling cepat terkena dampaknya adalah sektor transportasi. Fluktuasi suplai dan harga minyak bumi seharusnya membuat kita sadar bahwa jumlah cadangan minyak yang ada di bumi semakin menipis. Karena minyak bumi adalah bahan bakar yang tidak bisa diperbarui maka kita harus mulai memikirkan bahan penggantinya. Sebenarnya di Indonesia terdapat berbagai sumber energi terbarukan yang melimpah, seperti biodiesel dari tanaman jarak pagar, kelapa sawit maupun kedelai. Atau methanol dan ethanol dari biomassa, tebu, jagung, dll yang bisa dipergunakan sebagai pengganti bensin.
Selain itu pembakaran bahan bakar fosil ini telah memberikan dampak negatif terhadap lingkungan. Kualitas udara yang semakin menurun akibat asap pembakaran minyak bumi, adalah salah satu efek yang dapat kita lihat dengan jelas. Kemudian efek gas rumah kaca yang ditimbulkan oleh gas CO2
hasil pembakaran minyak bumi. Seperti kita ketahui pembakaran bahan bakar fosil yang tidak sempurna akan menghasilkan gas CO2, yang lama kelamaan akan menumpuk di atmosfer. Radiasi sinar matahari yang dipancarkan kebumi seharusnya dipantulkan kembali ke angkasa, namun penumpukan CO2
ini akan menghalangi pantulan tersebut. Akibatnya radiasi akan kembali diserap oleh bumi yang akhirnya meningkatkan temperatur udara di bumi. Maka untuk mengatasi hal ini diperlukan sumber energi alternatif yang dapat mengurangi penggunaan bahan bakar fosil sekaligus dapat mengurangi emisi karbondioksida.
Salah satu sumber energi yang dapat mengurangi pengunaan bahan bakar fosil adalah bahan bakar nabati yaitu bioetanol.
Di Indonesia saat ini, penggunaan etanol sudah digunakan secara luas.
Selain digunakan sebagai campuran bahan bakar, etanol juga digunakan dalam dunia industri sebagai pelarut (solven) dan juga sebagai bahan baku industri
kimia yang lain seperti pembuatan etil asetat. Bioetanol memiliki angka oktan 117 atau lebih tinggi dibanding bensin yang hanya 88-98, sehingga campuran bensin-bioetanol secara langsung akan meningkatkan angka oktan.
Dengan problema seperti itu telah mendorong kemajuan bahan bakar alternatif untuk aplikasi mesin pembakaran dalam. Dalam dekade terakhir, campuran bioetanol dengan bensin telah diteliti secara luas dan dianggap sebagai bahan bakar alternatif yang potensial untuk mesin pembakaran dalam. Para peneliti telah menyelidiki kinerja dan emisi dari bensin mesin didorong dengan berbagai rasio campuran bioetanol bensin dan penerapannya dalam kendaraan.
Sehingga bioetanol mungkin menjadi calon bahan bakar alternatif dan banyak studi yang dilakukan untuk mengembangkan bahan bakar ini. Bioetanol memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan dengan bahan bakar fosil yang dapat langsung dicampur dalam tangki bahan bakar, disuntikkan ke ruang bakar dan dibakar untuk mengurangi emisi gas buang. Bahan ini berasal dari sumber daya terbarukan yang tidak terbatas dalam bentuk tanaman yang dapat tumbuh dengan baik atau biomassa yang mengandung gula, pati atau selulosa. Dengan mencampurkan bioetanol dengan fosil bahan bakar berbasis dalam mesin bensin dapat membantu memperpanjang umur pasokan bahan bakar, menjamin keamanan yang lebih dalam pasokan bahan bakar besar, meningkatkan efisiensi pembakaran dan mengurangi hidrokarbon (HC) dan emisi karbon monoksida (CO). Selain itu, lebih tinggi panas campuran bensin bioetanol membuat campuran yang lebih baik, yang mengarah ke pembakaran yang lebih sempurna. Sehingga mengurangi masalah lingkungan, meningkatkan ekonomi pertanian dan menghindari ketergantungan pada negara-negara bahan bakar penghasil fosil.
Dengan adanya masalah seperti itu banyak studi dan peneliti mendorong membuat bahan bakar alternatif untuk aplikasi mesin pembakaran dalam. Dalam dekade terakhir, etanol atau bisa disebut juga bioetanol digunakan sebagai campuran bahan bakar telah diteliti secara luas dan dianggap sebagai calon bahan bakar alternatif yang potensial untuk mesin pembakaran dalam. Karena bioetanol memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan dengan bahan bakar fosil yang dapat langsung dicampur dalam tangki bahan bakar dan menghasilkan
pembakaran yang lebih sempurna serta dapat mengurangi emisi gas buang kendaraan bermotor.
1.2 Tujuan Penelitian
1. Untuk mengetahui perfomansi mesin Otto Toyota Vios Limo 1500cc menggunakan bahan bakar campuran, bensin dan bioetanol. Perfomansi mesin yang dihitung adalah :
Torsi (Torque)
Daya (Brake Power)
Rasio Udara dan Bahan Bakar (Air Fuel Ratio)
2. Untuk mengetahui suhu gas buang dan perbandingan kandungan senyawa gas buang yang dihasilkan mobil ketika menggunakan bahan bakar premium (E0), Campuran premium-bioetanol 10% (E10), 15% (E15) dan 20% (E20)
1.3 Batasan Masalah
1. Bahan bakar yang digunakan adalah premium (E0) dan Campuran premium-bioetanol
Premium 100%
Premium + Bioetanol Singkong 10% (E10)
Premium + Bioetanol Singkong 15% (E15)
Premium + Bioetanol Singkong 20% (E20)
2. Alat yang digunakan dalam pengujian perfomansi mobil adalah dynojet 224x yang berada di bengkel erd racing medan.
3. Senyawa gas buang yang diamati adalah karbon monoksida (CO), karbon dioksida (CO2),Oksigen (O2) dan hidrokarbon (HC).
4. Pengujian dilakukan dengan variasi putaran mesin 2500 rpm, 3000 rpm,3500 rpm,4000 rpm,4500 rpm dan 5000 rpm.
5. Alat uji emisi yang digunakan adalah Suk Young SYGA 401 yang terdapat pada Auto2000 Medan.
1.4 Manfaat Pengujian
1. Untuk menjawab tantangan global saat ini, yaitu mengembangkan bahan bakar terbarukan contohnya bioetanol.
2. Untuk menghasilkan tingkat perfomansi yang lebih baik dengan pencampuran premium-bioetanol.
3. Untuk menurunkan tingkat polusi udara dengan meneliti penurunan konsentrasi senyawa emisi gas buang pada kendaraan.
1.5 Metodologi Penulisan
1. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku dan tulisan-tulisan yang terkait.
2. Browsing internet, berupa studi artikel-artikel, gambar-gambar dan buku elektronik (e-book) serta data-data lain yang berhubungan.
3. Metode studi lapangan, yaitu dengan mengambil data dari hasil pengujian.
4. Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing yang ditunjuk oleh Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
1.6 Sistematika Penulisan
Skripsi ini dibagi dalam beberapa bab dengan garis besar tiap bab adalah sebagai berikut:
I. PENDAHULUAN
Berisikan latar belakang, tujuan, manfaat, dan ruang lingkup pengujian.
II. TINJAUAN PUSTAKA
Berisikan landasan teori yang digunakan yaitu mengenai gasohol, pembakaran mesin otto dan persamaan-persamaan yang digunakan.
III. METODOLOGI PENELITIAN
Berisikan informasi mengenai tempat pelaksanaan pengujian, bahan dan peralatan yang dipakai serta tahapan dan prosedur pengujian.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Berisi pembahasan data hasil pengujian yang diperoleh melalui pemaparan perhitungan dan analisa dalam bentuk tabel dan grafik.
V. KESIMPULAN DAN SARAN
Berisikan kesimpulan dan saran yang diperoleh.
VI. DAFTAR PUSTAKA
Daftar pustaka berisikan literatur yang digunakan untuk menyusun laporan.
VII. LAMPIRAN
Pada lampiran dapat dilihat hasil data yang diperoleh dari pengujian dalam bentuk tabel dan gambar.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Mesin Otto
2.1.1 Sejarah Mesin Otto
Nikolaus Otto penemu mesin pembakaran dalam (internal combustion engine). Lahir 14 Juni 1832 di Holzhausen, Jerman. Dia mendirikan Engine Manufacturing Company N.A & Otto yang sekarang telah berubah nama menjadi Deutz AG di Koln. Jerman[10]. Pada akhirnya Otto menekuni dan menyempurnakan penemuan Entiene Lenoir. Tahun 1862 dia mengganggas sebuah model mesin baru dengan bergerak atas dasar empat dorongan putaran (mesin Lenoir bekerja atas dasar 2 kali dorongan putaran). Januari 1862 Otto mulai membuat jenis mesin tersebut. Karena kesulitan dalam segi sistem pembakaran untuk menggerakan mesin agar lebih praktis, maka ia meninggalkan proyek mesin 4 tak tersebut, dan beralih untuk menyempurnakan mesin tipe 2 tak yang digerakan oleh gas. Hasilnya, ia patenkan di tahun 1863. Pada tahun itu juga dia menemukan partner bernama Eugenne Langen, pemilik perusahaan gula.
Dialah yang membiayai penelitian dan ciptaannya. Mereka berdua membuat pabrik kecil, meneruskan ciptaan yang sudah dipatenkan. Tahun 1867 mesin sistim 2 dorongan putaran dengan menggunakan bahan bakar gas, dapat medali dalam Word Fair di Paris. Tahun 1872 dia merekrut seorang sarjana muda bernama Gottlieb Daimler.
Kerja sama mereka mampu memajukan pabrik yang telah dibuat. Mesin Otto menjadi pelopor pembuatann mobil Gottlieb Daimler dan Karl Benz. Mobil Daimler pertama berkekuatan 6 tenaga kuda, dijual pada Pangeran Wales. Mobil Benzine Buggy dipatenkan tahun 1895[12].
Walau mendapat keuntungan besar dari penjualan mesin dengan tipe 2 tak tersebut, Otto masih belum bisa lepas dari angan-angannya tentang mesin tipe 4 dorongan putaran atau 4tak,yang mengompres campuran bahan bakar minyak dan udara sebelum terjadi pembakaran, yang akan menjadi tenaga dorong putaran.
Merupakan penyempurnaan mesin 2 tak ciptaan Lenoir yang tak terbandingkan.
Model pertama mesin 4 tak berhasil diciptakan ditahun 1876 pada bulan Mei[14].
Hak paten atas mesin 4 tak tersebit diperoleh Otto setahun kemudian. Karena mesin tersebut mempunyai keunggulan yang amat jelas, maka sangat cepat direspon pasar. Dalam tempo 10 tahun telah terjual lebih dari 30.000 mesin.
Dampaknya, semua mesin tipe Lenoir menjadi tersisihkan.
Di tahun 1886, paten Otto atas penemuannya tersebut menjadi perkara, karena seorang Perancis bernama Alphonse Beau de Rochas mempunyai gagasan serupa di tahun 1862. Tapi Alphonse Beau de Rochas tidak bisa dianggap seorang tokoh penemu, karena penemuannya tidak pernah dipasarkan dan dipublikasikan, walaupun sudah pernah dipatenkan.Lebih jauh lagi, tidak pernah muncul model ciptaanya. Yang lebih penting lagi, Otto tidak dapat ilham ciptaanya dari Alphonse Beau de Rochas, melainkan dari mesin 2 tak ciptaan Lenoir. Otto tidak kehilangan hak paten atas ciptaannya mesin 4 tak, tapi dipasar mesinnya menjadi semakin laku.
(A) (B)
Gambar 2.1: (a) Mesin Otto, (b) Nikolaus August Otto [17]
2.1.2 Prinsip Kerja Mesin Otto
Pada motor bensin, bensin dibakar untuk memperoleh energi thermal.
Energi ini selanjutnya digunakan untuk melakukan gerakan mekanik. Prinsip kerja motor bensin, secara sederhana dapat dijelaskan sebagai berikut : campuran udara dan bensin dari karburator di hisap masuk ke dalam silinder, dimampatkan oleh gerak naik torak, dibakar untuk memperoleh tenaga panas. Bila torak bergerak
turun naik di dalam silinder dan menerima tekanan tinggi akibat pembakaran, maka suatu tenaga kerja pada torak memungkinkan torak terdorong ke bawah.
batang torak dan poros engkol berfungsi untuk merubah gerakan turun naik menjadi gerakan putar, torak akan menggerakkan batang torak dan akan memutarkan poros engkol. Dan juga diperlukan untuk membuang gas-gas sisa pembakaran dan penyediaan campuran udara bensin pada saat-saat yang tepat untuk menjaga agar torak dapat bergerak secara periodik dan melakukan kerja tetap.
Gambar 2.2 Prinsip kerja mesin otto[5]
Kerja periodik di dalam silinder dimulai dari pemasukan campuran udara dan bensin kedalam silinder, sampai pada kompresi, pembakaran dan pengeluaran gas-gas sisa pembakaran dari dalam silinder inilah yang disebut dengan “siklus mesin”. Pada motor bensin terdapat dua macam tipe yaitu: motor bakar 4 tak dan motor bakar 2 tak. Pada motor 4 tak, untuk melakukan satu siklus memerlukan 4 gerakan torak atau dua kali putaran poros engkol. sedangkan pada motor 2 tak, untuk melakukan satu siklus hanya memerlukan 2 gerakan torak atau satu putaran poros engkol. Langkah – langkah piston dalam mesin 4 tak dapat dijelaskan secara bertahap adalah sebagai berikut;
a. Piston bergerak dari TMA ke arah TMB, pada tahap ini kondisi katup masuk terbuka sedangkan katup buang tertutup. Dengan demikian terjadi hisapan terhadap saluran masuk oleh gerakan piston tersebut sehingga ada fluida yang memasuki silinder mesin. Fluida ini dalam mesin bensin berupa campuran bahan bakar dan udara. Peristiwa ini dikenal sebagai langkah pemasukan (intake stroke).
b. Piston bergerak dari TMB ke arah TMA, pada tahap ini kondisi kedua katup tertutup. Terjadilah kompresi di dalam silinder mesin, sehingga
fluida yang awalnya terhisap mengalami kenaikan tekanan dan temperatur.
Pada mesin bensin naiknya temperatur ini tidak boleh terlalu tinggi supaya bahan bakar tidak menyala dengan sendirinya. Peristiwa ini dikenal sebagai langkah kompresi (compression stroke).
c. Pada akhir langkah kompresi, yaitu beberapa derajat sebelum piston sampai di TMA maka untuk mesin bensin diberikan percikan api listrik dari busi sehingga membakar campuran bahan bakar dan udara. Sedangkan mesin diesel yang memiliki nilai suhu kompresi sangat tinggi mampu membakar bahan bakar yang disemprotkan beberapa derajat sebelum mencapai TMA. Antara mesin bensin dan diesel memiliki kesamaan waktu pembakaran (ignition timing) beralasan karena Seperti dijelaskan sebelumnya pembakaran ini akan menghasilkan tekanan tinggi dalam sil piston tertutup. Peristiwa ini dikenal sebagai Langkah Usaha (Power stroke)
d. Langkah usaha yang mendorong piston ke TMB akan diikuti oleh penambahan volume silinder yang terbentuk dengan piston tersebut tekanan buang) harus dibuang keluar. Oleh karena itu katup buang dibuka dan piston bergerak kearah TMA mendorong gas sisa keluar dari silinder.
Peristiwa ini dikenal sebagai langkah Buang (Exhaust stroke).
a) (b) (c) (d) Gambar 2.3 Prinsip Kerja Mesin 4 Tak[5]
2.2 Gasoline
Gasoline adalah cairan campuran yang berasal dari minyak bumi, yaitu cairan berwarna hitam yang dipompa dari perut bumi dan biasa disebut crude oil dan digunakan sebagai bahan bakar dalam mesin pembakaran dalam. Istilah gasoline banyak digunakan dalam industri minyak, bahkan dalam perusahaan bukan Amerika. Karena merupakan campuran berbagai bahan, daya bakar gasoline. berbeda-beda menurut komposisinya. Ukuran daya bakar ini dapat dilihat dari bilangan oktan setiap campuran. Di Indonesia, gasoline diperdagangkan dalam dua kelompok besar: campuran standar, disebut premium, dan gasoline super.
Secara sederhana, gasoline tersusun dari hidrokarbon rantai lurus dengan rumus kimia CnH2n+2 mulai dari C7 (heptana) sampai dengan C11. Dengan kata lain, gasoline terbuat dari molekul yang hanya terdiri dari hidrogen dan karbon yang terikat antara satu dengan yang lainnya sehingga membentuk rantai. Pada mesin yang baik, proses pembakaran oksigen akan mengubah semua hidrogen dalam bahan bakar menjadi air dan mengubah semua karbon menjadi karbon dioksida. Jika kita membakar gasoline pada kondisi ideal, dengan oksigen berlimpah, maka akan dihasilkan CO2, H2O dan energi panas. 1 galon gasoline (4,5 liter) mengandung 132 x 106 joule energi, yang ekuivalen dengan 125.000 BTU atau 37 kwh.
Gasoline mengandung energi kimia. Energi ini diubah menjadi energi panas melalui proses pembakaran (oksidasi) dengan udara di dalam mesin atau motor bakar. Energi panas ini meningkatkan temperatur dan tekanan gas pada ruang bakar. Gas bertekanan tinggi tersebut kemudian berekspansi melawan mekanisme mekanik mesin. Ekspansi itu diubah oleh mekanisme link menjadi putaran crankshaft sebagai output dari mesin tersebut. Selanjutnya, crankshaft dihubungkan ke sistem transmisi oleh sebuah poros untuk mentransmisikan daya atau energi putaran mekanis. Energi ini kemudian dimanfaatkan sesuai keperluan, misalnya untuk menggerakkan roda motor atau mobil. Berikut ini merupakan tabel sifat fisik dari gasoline :
Tabel 2.1 Sifat Fisik Gasoline[4]
Parameter Gasoline
Rumus Kimia C4-C12
Berat Molekul 100-105
Kadar Oksigen (% Berat) 0-4
Net Lower Heating Value (MJ/Kg) 43.5
Panas Laten (kJ/L) 223.2
Stoichiometric air/fuel Ratio 14.7 Tekanan Uap pada 23,5 oC (kPa) 60-90
Motor Octane Number 81-90
Research Octane Number 91-100
Bensin yang digunakan oleh kendaraan akan menimbulkan dua masalah utama. Masalah pertama adalah asap dan ozon di kota-kota besar. Masalah kedua adalah karbon dan gas rumah kaca. Idealnya, ketika bensin dibakar di dalam mesin kendaraan, akan menghasilkan CO2 dan H2O saja. Kenyataannya pembakaran di dalam mesin tidaklah sempurna, dalam proses pembakaran bensin, dihasilkan juga Karbon monoksida (CO) yang merupakan gas beracun, Nitrogen oksida (NOx) sebagai sumber utama asap di perkotaan yang jumlah kendaraannya sangat banyak dan Hidrokarbon yang tidak terbakar, sebagai sumber utama ozon di perkotaan
Di Indonesia terdapat beberapa bahan bakar jenis gasoline yang memiliki nilai mutu pembakaran berbeda. Nilai mutu jenis BBM gasoline ditentukan berdasarkan nilai RON (Research Octane Number), yaitu:
1. Premium (RON 88)
Premium adalah bahan bakar minyak jenis distilat berwarna kuning jernih.
Warna tersebut akibat adanya zat pewarna tambahan (dye). Umumnya, premium digunakan untuk bahan bakar kendaraan bermesin gasoline seperti mobil, sepeda motor dan motor tempel. Bahan bakar ini sering juga disebut motor gasoline atau petrol.
2. Pertalite (RON 90)
Pertalite merupakan bahan bakar gasoline yang memiliki angka oktan 90 serta berwarna hijau terang dan jernih ini sangat tepat digunakan oleh kendaraan dengan kompresi 9:1 hingga 10:1. Bahan bakar Pertalite memiliki angka oktan yang lebih tinggi daripada bahan bakar Premium 88, sehingga lebih tepat digunakan untuk kendaraan bermesin bensin yang saat ini beredar di Indonesia.
Dengan tambahan additive, Pertalite mampu menempuh jarak yang lebih jauh dengan tetap memastikan kualitas dan harga yang terjangkau.
3. Pertamax (RON 92)
Pertamax ditujukan untuk kendaraan yang mensyaratkan penggunaan bahan bakar beroktan tinggi dan tanpa timbel (unleaded). Pertamax juga direkomendasikan untuk kendaraan yang diproduksi di atas tahun 1990, terutama yang telah menggunakan teknologi setara dengan electronic fuels injection dan catalytic converters.
4. Pertamax Plus (RON 95)
Jenis BBM ini memiliki nilai oktan tinggi (95). Pertamax dan Pertamax Plus dipasarkan sejak 10 Desember 2002. Pertamax Plus ditujukan untuk kendaraan berteknologi mutakhir yang mensyaratkan penggunaan bahan bakar beroktan tinggi dan ramah lingkungan. Pertamax Plus sangat direkomendasikan untuk kendaraan yang memiliki kompresi ratio lebih besar dari 10,5 dan menggunakan teknologi electronic fuels injection (EFI)[9].
Bilangan oktan (octane number) merupakan ukuran dari kemampuan bahan bakar untuk mengatasi ketukan sewaktu terbakar dalam gasoline. Nilai bilangan 0 ditetapkan untuk n-heptana yang mudah terbakar, dan nilai 100 untuk isooktana yang tidak mudah terbakar. Bilangan oktan gasoline dapat ditentukan melalui uji pembakaran sampel gasoline untuk memperoleh karakteristik pembakarannya. Karakteristik tersebut kemudian dibandingkan dengan karakteristik pembakaran dari berbagai campuran n-heptana dan isooktana. Jika ada karakteristik yang sesuai, maka kadar isooktana dalam campuran n-heptana dan isooktana tersebut digunakan untuk menyatakan nilai bilangan oktan dari gasoline yang diuji.
Semakin tinggi kandungan oktan berarti mutunya semakin bagus. Nilai oktan tiap jenis gasoline berbeda-beda. Penentuan angka otan diwujudkan dalam dua angka, yakni Research Octane Number (RON) dan Motor Octane Number (MON). Angka ini diperoleh dari pengujian pada mesin yang disebut Cooperative Fuel Research. RON diuji pada mesin dengan putaran 600 rpm dan suhu udara luar 125oF (51,6oC), sedangkan MON diuji pada putaran 900 rpm dengan suhu 100oF (37,8oC). Dengan kata lain RON memberikan gambaran mengenai unjuk kerja dalam pengendaraan biasa, sedangkan MON adalah unjuk kerja dalam kondisi pengendara yang lebih berat. Bilangan oktan di pasaran merupakan rata- rata arimatis dari RON dan MON. Misalnya, gasoline hasil tes berskala 90, ini berarti setara dengan 90% iso-oktan dan 10% normal-heptan
Nama oktan berasal dari oktana (C8), karena dari seluruh molekul penyusun gasoline, oktana yang memiliki sifat kompresi paling baik. Oktana dapat dikompres sampai volume kecil tanpa mengalami pembakaran spontan, tidak seperti yang terjadi pada heptana, misalnya, yang dapat terbakar spontan meskipun baru ditekan sedikit. Gasoline dengan bilangan oktan 87, berarti gasoline tersebut terdiri dari 87% oktana dan 13% heptana (atau campuran molekul lainnya). Gasoline ini akan terbakar secara spontan pada angka tingkat kompresi tertentu yang diberikan, sehingga hanya diperuntukkan untuk mesin kendaraan yang memiliki rasio kompresi yang tidak melebihi angka tersebut
Beberapa pertimbangan yang perlu diperhatikan dalam pemilihan aditif bensin adalah sebagai berikut:
1. Kemampuan meningkatkan angka oktan pada bensin sebagai parameter utama dalam penentuan kualitas bensin.
2. Sifat-sifat fisik dan kimiawianya mendukung proses pencampuran bensin dengan baik.
3. Kemudahan dalam proses pembuatan.
4. Efek toksisitas yang ditimbulkan.
5. Kajian keekonomian dari segi harga produk dan biaya proses.
Bilangan oktan bensin dapat juga ditingkatkan dengan cara menambah zat aditif anti ketukan, seperti Tetra Ethyl Lead (TEL), Methyl Tertier Butyl Ether (MTBE), dan etanol.
2.3 Bioetanol
Bioetanol adalah etanol yang dihasilkan dari fermentasi glukosa yang dilanjutkan dengan proses destilasi. Etanol merupakan singkatan dari etil alkohol(C2H5OH),sering pula disebut grain alcohol atau alcohol. Wujud dari etanol berupa cairan yang tidak berwarna atau bening,mudah mengalami penguapan dan memiliki bau yang khas. Berat jenisnya adalah sebesar 0,7939 g/mL dan mmiliki titik didih 78,32⁰ C pada tekanan 766 mmHg. Sifatnya yang lain yaitu larut dalam eter dan air,serta mempunyai panas pembakaran 7093,92 kkal. Etanol umumnya digunakan sebagai bahan baku industri turunan alkohol, campuran untuk minuman keras (seperti sake dan gin), serta bahan baku farmasi dan kosmetik[15].Berdasarkan kadar alkoholnya, etanol terbagi menjadi tiga grade sebagai berikut:
1. Grade industri dengan kadar alkohol 90-94%
2. Grade netral dengan kadar alkohol 96-99,5%, umumnya digunakan untuk minuman keras atau bahan baku farmasi.
3. Grade bahan bakar dengan kadar alkohol di atas 99,5%
Pemakaian etanol sebagai sumber energi dalam industry dan kendaraan akan sangat mengurangi pembuangan gas CO2 yang dapat mengakibatkan pemanasan global. Cepat atau lambat sumber minyak akan habis karena depositnya yang terbatas. Minyak bumi merupakan sumber energi yang tidak dapat diperbaharui. Keterbatasan itu mendorong industri melirik etanol sebagai sumber energi alternatif. Selain terus-menerus dapat diproduksi oleh mikroorganisme,etanol juga ramah lingkungan[3].
Beberapa Keunggulan dari penggunaan etanol sebagai bahan bakar [18]
yaitu sebagai berikut :
1. Diproduksi dari tanaman yang bersifat renewable atau dapat diperaharui
2. Mengandung kadar oksigen sekitar 35 % sehingga dapat terbakar lebih sempurna
3. Penggunaan Gasohol dapat menurunkan emisi gas rumah kaca
4. Pembakaran tidak menghasilkan partikel timbale dan benzena yang bersifat karsiogenik(penyebab kanker)
5. Mengurangi emisi fine-particulates yang membahayakan kesehatan manusia
6. Mudah larut dalam air dan tidak mencemari air permukaan dan air tanah
Pada dasarnya etanol dapat diperoleh melalui 2 cara. Pertama, etanol yang diperoleh melalui proses fermentasi dengan bantuan mikroorganisme. Kedua, etanol diperoleh dari hasil sintesa etilen. Bioetanol dapat digunakan untuk berbagai keperluan. Bioetanol banyak digunakan dalam industri minuman, kosmetik dan industri farmasi seperti deterjen, desinfektan dan lain-lain. Alkohol dari produk petroleum atau dikenal sebagai alkohol sintetis banyak dipakai untuk bahan baku pada industri acetaldehyde, derivat acetyl dan lain-lain. Bioetanol merupakan etanol yang dihasilkan dari fermentasi glukosa yang dilanjutkan dengan proses destilasi. Proses destilasi bertujuan untuk memurnikan bioetanol menjadi berkadar lebih dari 95% agar dapat dipergunakan sebagai bahan bakar, alkohol hasil fermentasi yang mempunyai kemurnian sekitar 40% tadi harus melewati proses destilasi untuk memisahkan alkohol dengan air dengan memperhitungkan perbedaan titik didih kedua bahan tersebut yang kemudian diembunkan kembali. Untuk memperoleh bioetanol dengan kemurnian lebih tinggi dari 99,5% atau yang umum disebut Fuel Grade Ethanol (FGE), masalah yang timbul adalah sulitnya memisahkan hidrogen yang terikat dalam struktur kimia alkohol dengan cara destilasi biasa, oleh karena itu untuk mendapatkan fuel grade ethanol dilakukan pemurnian lebih lanjut dengan cara Azeotropic destilasi.
Dalam bidang kimia, distilasi azeotropik merujuk pada teknik-teknik yang digunakan untuk memecah azeotrop dalam distilasi. Dalam rekayasa kimia, salah satu teknik untuk memecah titik azeotrop adalah dengan penambahan komponen lain untuk menghasilkan azeotrop heterogen yang dapat mendidih pada suhu lebih
rendah, misalnya penambahan benzena (bisa juga dengan garam dan solvennya) ke dalam campuran air dan alkohol.
Banyak metode yang bisa digunakan untuk menghilangkan titik azeotrop pada campuran heterogen. Contoh campuran heterogen yang mengandung titik azeotrop yang paling populer adalah campuran ethanol-air, campuran ini dengan metode distilasi biasa tidak bisa menghasilkan ethanol teknis (99% lebih) melainkan maksimal hanya sekitar 96,25 %. Hal ini terjadi karena konsentrasi yang lebih tinggi harus melewati terlebih dahulu titik azeotrop, dimana komposisi kesetimbangan cair-gas ethanol-air saling bersilangan. Beberapa metode yang populer digunakan adalah Pressure Swing Distillation dan Extractive Distillation.
Berikut ini merupakan sifat fisik dari etanol :
Tabel 2.2 Sifat Fisik Etanol[5]
Parameter Etanol
Rumus Kimia C2H5OH
Berat Molekul 46
Kadar Oksigen (% Berat) 34.7
Net Lower Heating Value (MJ/Kg) 27
Panas Laten (kJ/L) 725.4
Stoichiometric air/Fuel Ratio 9 Tekanan Uap pada 23,5 C (kPa) 17
Motor Octane Number 92
Research Octane Number 111
Penggunaan etanol sebagai bahan bakar didasari oleh sifat etanol murni yang cukup mudah terbakar dan memiliki kalor-bakar netto besar, yakni 21 MJ/liter (kira-kira 2/3 dari kalor-bakar netto gasoline)
2.4 Gasohol
Bioetanol bersifat multiguna karena dicampur dengan gasoline pada komposisi berapapun memberikan dampak yang positif. Pencampuran bioetanol absolut sebanyak 10% dengan gasoline (90%) sering disebut dengan gasohol E10.
Gasohol singkatan dari gasoline plus alkohol. Etanol absolut memiliki angka oktan 117 sedangkan gasoline hanya 87-88. Gasohol E10 secara proporsional
memiliki octane number 92 atau setara pertamax. Pada komposisi ini bioetanol dikenal sebagai octane enhancer (aditif) yang paling ramah lingkungan dan di negara-negara maju telah menggeser penggunaan Tetra Ethyl Lead (TEL) maupun Methyl Tertiary Butyl Eter (MTBE). Hasilnya kinerja mesin juga akan meningkat.
Jika mesin mengalami knocking karena kualitas gasoline yang rendah, hal tersebut akan hilang dengan penggunaan gasohol. Selain itu, penggunaan gasohol juga membuat busi dan pelumas mesin tetap bersih karena pembakarannya lebih sempurna dibandingkan dengan gasoline
Pemerintah menargetkan penggantian bahan bakar minyak dengan alkohol bisa mencapai 1,8 juta kiloliter dalam beberapa tahun ke depan. Sementara itu produksi alkohol secara nasional saat ini baru sekitar 180.000 kiloliter. Ironis jika produksi etanol masih rendah sebab Indonesia memiliki potensi bahan baku yang relatif banyak. Seharusnya Indonesia dapat menyaingi negara lain jika pemerintah sejak lama mendukung penggunaan gasohol untuk mengurangi ketergantungan impor BBM.Bioetanol sudah sedemikian populer di banyak negara, di AS misalnya saat ini menggunakan lebih dari 57 miliar liter bioetanol sebagai campuran bahan bakar setiap tahunnya
Campuran bahan bakar berupa E10 atau kurang telah digunakan di lebih dari 20 negara di dunia tahun 2011, dipimpin oleh Amerika Serikat. Hampir semua gasoline yang dijual di Amerika Serikat pada tahun 2010 telah dicampur dengan etanol dengan kandungan 10%[2][6]. Campuran etanol E20 sampai E25 telah digunakan di Brasil sejak akhir 1970-an[1].
Etanol murni atau E100 digunakan di kendaraan bahan bakar etanol murni di Brasil[11]. E10, kadang-kadang disebut gasohol, adalah bahan bakar yang terdiri dari 10% etanol anhidrat dan 90% bensin yang dapat digunakan pada mesin pembakaran dalam biasa.Kebanyakan mobil-mobil dan truk ringan modern dapat menggunakan bahan bakar ini tanpa modifikasi apapun pada mesin ataupun sistem bahan bakarnya.
Riset dan penggunaan bioetanol pada kendaraan bermotor juga sudah bisa dikatakan berhasil di Indonesia. Salah satu institusi yang mengembangkan bioetanol adalah Balai Besar Teknologi Pati, Badan Pengkajian dan Penerapan
Teknologi (BPPT) di Lampung. Lembaga ini memproduksi bioetanol dari ubi kayu atau singkong di Indonesia. Produk komersilnya dinamakan gasohol E10, campuran 90% premium dan 10% bioetanol dari ubi kayu. E10 sudah diuji coba sebagai campuran bahan bakar untuk berbagai kendaraan berbahan bakar gasoline yang ada di Indonesia. Hasil uji coba tersebut menunjukkan bahwa dengan penggunaan E10, kinerja mesin sama sekali tidak terpengaruh. Bahkan, tingkat emisi gas buang jauh lebih bersih. Kinerja E10 diyakini lebih baik daripada premium. Apabila E10 diaplikasikan, hal itu akan mengurangi penggunaan minyak sebanyak 15.890 kilo liter setiap hari. Dengan perhitungan subsidi bahan bakar sebesar Rp 2.250 per liter, penggunaan bioetanol di Indonesia dapat menghemat Rp 35,9 miliar per hari hanya dari subsidi bahan bakar. Namun salah satu hambatan pengembangan gasohol di Indonesia adalah persaingan penggunaan bahan baku antara minyak dan makanan. Misalnya, penggunaan singkong masih diarahkan untuk bahan baku industri tapioka. Untuk mengatasi hambatan ini, dicarilah bahan baku yang bukan merupakan bahan makanan manusia
Etanol murni memiliki oktan rating (RON) 117 sebagai bahan bakar etanol digunakan dengan mencampur pada gasoline atau dikenal sebagai Gasohol adalah singkatan dari gasoline alkohol yaitu campuran gasoline dengan etanol yang secara luas telah digunakan sebagai bahan bakar kendaraan bermotor oleh beberapa negara di dunia seperti di Brazil, Argentina, Amerika Serikat, Australia, Thailand, Filipina dan beberapa negara di Uni Eropa. Di Uni Eropa sampai tahun 2010, E-10 akan diperkenalkan sebagai gasoline RON 95. E-10 artinya percampuran 10% etanol dan 90% gasoline. Di Thailand etanol telah digunakan pada kendaraan bermotor dan telah menggantikan gasoline oktan tinggi mulai tahun 2007[4]. Penghasil etanol terbesar Amerika Serikat dan Brazil. Kedua negara tersebut juga menjadi pengguna etanol terbesar sebagai bahan bakar nabati.
Gasohol yang merupakan bahan bakar alternatif diperuntukkan bagi motor gasoline yang umum digunakan di masyarakat. Dengan menggunakan bahan bakar gasohol, gas buang CO2 lebih sedikit, dan tidak menghasilkan gas CO dan debu timbal yang beracun. Lagi pula, penelitian menunjukkan bahwa mesin kendaraan yang memakai gasohol menimbulkan kompresi yang lebih tinggi dari pada jika memakai gasoline murni. Secara termodinamis, pencampuran dari satu
jenis bahan bakar terhadap bahan bakar lainnya akan memberikan pengaruh terhadap karakteristik bahan bakar yang pada akhirnya dapat berpengaruh pada unjuk kerja mesin.
2.5 Performansi Mesin Otto 2.5.1 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[16] :
HHV = (T2 – T1 – Tkp) x Cv = (kJ/kg) ... (2.1)
Keterangan : HHV = Nilai Kalor Atas (High Heating Value)
T1 = Temperatur air pendingin sebelum dinyalakan (°C) T2 = Temperatur air pendingin sesudah penyalaan (°C) Tkp = Kenaikan temperatur akibat ledakan(0.05 °C)
Cv = Panas jenis bom kalorimeter (73529.6 kJ/kg °C) 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 bagiannya 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 tekanan 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[16]:
LHV(rata-rata) = HHV(rata-rata) -3240 ... (2.2) Keterangan: LHV = Nilai Kalor Bawah (kJ/kg)
HHV = Nilai Kalor Atas (High Heating Value)
Dalam menghitung efisiensi panas dari motor bakar, dapat digunakan 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 Society of Mechanical Engineers)menentukan penggunaan nilai kalor atas (HHV), sedangkan peraturan SAE (Society of Automotive Engineers) menentukan penggunaan nilai kalor bawah (LHV).
2.5.2 Daya
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 indikator daya, 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 ditunjukkan pada persamaan 2.3[14]:
... (2.3) Keterangan: P = daya (W)
T = torsi (Nm)
N = putaran mesin (rpm) 2.5.3 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 sehingga mengakibatkan adanya momen putar atau torsi pada poros engkol. Untuk mengetahui besarnya torsi digunakan alat ukurdynamometer. Biasanya motor pembakaran dihubungkan dengan dynamometer dengan maksud mendapatkan torsi keluaran dari motor pembakaran dengan cara menghubungkan poros motor pembakaran dengan poros dynamometer dengan menggunakan kopling elastik. Untuk mencari torsi digunakan persamaan 2.4 dibawah ini[14].
T = ... (2.4)
Keterangan: P = Daya (W) T = Torsi (Nm)
n = Putaran Mesin (rpm)
2.5.4 Rasio Udara dengan Bahan Bakar (AFR)
Didalam mesin, bahan bakar dibakar oleh 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
C12H23 + 17,75(O2 + 3,76 N2) 12CO2 + 11,5H2O + 66,74N2
Maka perbandingan ideal udara dengan bahan bakar solar secara stoikiometris/teoritis adalah:
AFR =
AFR =
AFR = AFR = 14,59
Secara aktual nilai AFR dirumuskan dengan[14]:
AFR = ………..……….… (2.5)
Keterangan: AFR = air fuel ratio
ṁa = laju aliran massa udara.
ṁf = laju aliran bahan bakar\
2.6 Emisi Bahan Bakar
Emisi kendaraan bermotor mengandung berbagai senyawa kimia.
Komposisi dari kandungan senyawa kimianya tergantung dari kondisi mengemudi, jenis mesin, alat pengendali emisi bahan bakar, suhu operasi dan faktor lain yang semuanya ini membuat pola emisi menjadi rumit. Jenis bahan bakar pencemar yang dikeluarkan oleh mesin dengan bahan bakar gasoline maupun bahan bakar solar sebenarnya sama saja, hanya berbeda proporsinya karena perbedaan cara operasi mesin. Secara visual selalu terlihat asap dari knalpot kendaraan bermotor dengan bahan bakar solar, yang umumnya tidak terlihat pada kendaraan bermotor dengan bahan bakar gasoline. Walaupun gas
buang kendaraan bermotor terutama terdiri dari senyawa yang tidak berbahaya seperti nitrogen, karbon dioksida dan upa air, tetapi didalamnya terkandung juga senyawa lain dengan jumlah yang cukup besar yang dapat membahayakan gas buang membahayakan kesehatan maupun lingkungan.
Gasoline adalah senyawa hidrokarbon yang berisi hidrogen dan atom karbon. Pada mesin yang baik, oksigen mengubah semua hidrogen menjadi air dan mengubah semua karbon menjadi karbon dioksida. Kenyataannya, proses pembakaran ini tidak selamanya berlangsung sempurna. Akibatnya, mesin mobil mengeluarkan beberapa jenis polutan yang berbahaya, seperti hidrokarbon, oksida nitrogen, karbon monoksida, oksida belerang, dan yang paling berbahaya adalah timbel. Senyawa hidrokarbon dilepaskan udara karena molekul ini tidak terbakar sepenuhnya. Jika bercampur atau bersentuhan dengan oksida nitrogen dan matahari, hidrokarbon berubah bentuk menjadi asap yang memedihkan mata, mengganggu tenggorokan dan saluran pernafasan. karena zat besi Fe dalam Hb memicu daya tarik CO menjadi 200 kali lebih besar daripada karbon monoksida juga produk dari pembakaran yang tidak sempurna. Jika terhirup manusia, gas ini sangat mempengaruhi distribusi oksigen darah dalam jantung. Gas CO mudah sekali menyatu dengan Hb darah, meskipun dalam kadar yang rendah. Ini terjadi karena zat besi (Fe) dalam Hb memicu daya tarik CO mendjadi 200 kali lebih besar daripada daya tarik O2. Peningkatan CO dalam Hb hanya sampai 9% dalam waktu 1 sampai 2 menit bisa menimbulkan kekurangan oksigen di jantung serta terhalangnya penambahan oksigen di pembuluh darah koroner.
Unsur yang paling berbahaya adalah timbel (Pb). Penelitian kedokteran menunjukkan, meski dalam dosis yang rendah tetapi bila paparannya sangat tinggi racun ini bisa mengakibatkan kerusakan di otak, ginjal dan gangguan gastrointestinal.Pada tahun 1921 di USA, timbel atau timah hitam dalam bentuk Tetra Ethyl Lead (TEL) pertama kali ditemukan dan dicampurkan dalam gasoline oleh Thomas Midgley di pusat riset General Motors. Timbel dengan rumus kimia (C2H5)4Pb, yang ditambahkan ke dalam gasoline ternyata memiliki 2 fungsi, yaitu sebagai bahan aditif untuk meningkatkan nilai oktan bahan bakar yang bermutu rendah. Gunanya untuk mengurangi letupan di dalam mesin atau menghilangkan proses knocking pada saaat proses pembakaran. Timbel juga memiliki kegunaan
sebagai pelumas antara katup mesin dengan dudukannya. Jadi, timbel bermanfaat untuk mempertahankan umur mesin mobil. Timah hitam yang dicampurkan dalam gasoline dapat membentuk bantalan empuk berwarna hitam, sehingga dudukan katup mesin tidak cepat aus. Dampaknya, mesin menjadi awet dan tahan lama, tetapi berdampak negatif terhadap kesehatan manusia
Reaksi kimia di atmosfer kadangkala berlangsung dalam suatu rantai reaksi yang panjang dan rumit, dan menghasilkan produk akhir yang dapat lebih aktif atau lebih lemah dibandingkan senyawa aslinya. Sebagai contoh, adanya reaksi di udara yang mengubah nitrogen monoksida (NO) yang terkandung di dalam gas buang kendaraan bermotor menjadi nitrogen dioksida (NO2 ) yang lebih reaktif, dan reaksi kimia antara berbagai oksida nitrogen dengan senyawa hidrokarbon yang menghasilkan ozon dan oksida lain, yang dapat menyebabkan asap awan fotokimi (photochemical smog). Pembentukan smog ini kadang tidak terjadi di tempat asal sumber (kota), tetapi dapat terbentuk di pinggiran kota. Jarak pembentukan smog ini tergantung pada kondisi reaksi dan kecepatan angin
Bahan pencemar yang terutama terdapat didalam gas buang buang kendaraan bermotor adalah karbon monoksida (CO), berbagai senyawa hindrokarbon, berbagai oksida nitrogen (NOx) dan sulfur (SOx), dan partikulat debu termasuk timbel (PB).
1. Emisi senyawa hidrokarbon (HC)
Bensin adalah senyawa hidrokarbon, jadi setiap HC yang didapat di gas buang kendaraan menunjukkan adanya bensin yang tidak terbakar dan terbuang bersama sisa pembakaran. Apabila suatu senyawa hidrokarbon terbakar sempurna (bereaksi dengan oksigen) maka hasil reaksi pembakaran tersebut adalah karbondioksida (CO2) dan air (H2O). Walaupun rasio perbandingan antara udara dan bensin (AFR=Air-to-Fuel-Ratio) sudah tepat dan didukung oleh desain ruang bakar mesin saat ini yang sudah mendekati ideal, tetapi tetap saja sebagian dari bensin seolah-olah tetap dapat “bersembunyi” dari api saat terjadi proses pembakaran dan menyebabkan emisi HC pada ujung knalpot cukup tinggi.
2. Emisi karbon monoksida ( CO)
Gas karbon monoksida adalah gas yang relatif tidak stabil dan cenderung bereaksi dengan unsur lain. Karbon monoksida, dapat diubah dengan mudah menjadi CO2 dengan bantuan sedikit oksigen dan panas.
3. Emisi Karbon Dioksida (CO2)
Konsentrasi CO2 menunjukkan secara langsung status proses pembakaran diruang bakar. Semakin tinggi maka semakin baik.
4. Oksigen (O2)
Konsentrasi dari oksigen di gas buang kendaraan berbanding terbalik dengan konsentrasi CO2. Untuk mendapatkan proses pembakaran yang sempurna, maka kadar oksigen yang masuk ke ruang bakar harus mencukupi untuk setiap molekul hidrokarbon.
5. Emisi Senyawa NOx
Senyawa NOx adalah ikatan kimia antara unsur nitrogen dan oksigen.
Dalam kondisi normal atmosphere, nitrogen adalah gas inert yang amat stabil yang tidak akan berikatan dengan unsur lain. Senyawa NOx ini sangat tidak stabil dan bila terlepas ke udara bebas, akan bereaksi dengan oksigen untuk membentuk NO2. Inilah yang amat berbahaya karena senyawa ini amat beracun dan bila terkena air akan membentuk asam nitrat. Bahan bakar tertentu seperti hidrokarbon dan timbel organik, dilepaskan ke udara karena adanya penguapan dari sistem bahan bakar. Lalu lintas kendaraan bermotor, juga dapat meningkatkan kadar partikular debu yang berasal dari permukaan jalan, komponen ban dan rem.
Setelah berada di udara, beberapa senyawa yang terkandung dalam gas buang kendaraan bermotor dapat berubah karena terjadinya suatu reaksi, misalnya dengan sinar matahari dan uap air, atau juga antara senyawa-senyawa tersebut satu sama lain. Proses reaksi tersebut ada yang berlangsung cepat dan terjadi saat itu juga di lingkungan jalan raya, dan ada pula yang berlangsung dengan lambat
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Penelitian
Penelitian ini dilakukan dengan metode eksperimental. Metode ini ialah metode yang dipakai untuk menguji pengaruh dari suatu perlakuan atau desain baru dengan cara membandingkan dengan desain lain tanpa perlakuan baru (kondisi awal desain) sebagai pembanding pada hasil penelitian. Pada pengujian ini, kondisi awal pengujian yaitu saat pengujian menggunakan bahan bakar Premium tanpa dicampur dan hasilnya akan dibandingkan dengan pengujian berbahan bakar campuran Premium-bioetanol (gasohol) dengan kadar etanol 10%, 15%, dan 20% sehingga perbedaan setiap performansi akan dapat diketahui.
3.2 Waktu dan Tempat
3.2.1 Pengujian Nilai Bom Kalorimeter
Dilakukan di Laboratorium Prestasi Mesin Universitas Sumatera Utara selama 2 minggu.
Gambar 3.1 Pengujian Nilai Bom Kalorimeter 3.2.2 Pengujian Nilai Viskositas dan Densitas
Dilakukan di Laboratorium Kimia Fisika Universitas Sumatera Utara selama 1 minggu.
Gambar 3.2 Pengujian Nilai Viskositas dan Densitas
3.2.3 Pengujian Performansi Mobil Dengan Bahan Bakar Premium- Bioetanol 10%, 15%, dan 20 %.
Dilakukan di Bengkel Erd Racing Sumatera Utara selama 1 minggu.
Gambar 3.3 Pengujian Performansi Mobil 3.2.4 Pengujian Emisi Gas Buang
Dilakukan di AUTO 2000 Sumatera Utara selama 4 hari.
Gambar 3.4 Pengujian Emisi Gas Buang
3.3 Alat dan Bahan 3.3.1 Alat
Alat yang dipakai dalam penelitian ini terdiri dari:
1. Bom Kalori Meter
Bom kalori meter adalah alat yang digunakan untuk mengukur jumlah kalor (nilai kalori) yang dibebaskan pada pembakaran sempurna (O2 berlebih) pada suatu senyawa bahan makanan atau bahan bakar.
Gambar 3.5 Alat Uji Bom Kalorimeter
2. Toyota Vios Limo 1500 CC Tahun 2015
Mobil yang digunakan dalam pengujian ini adalah Toyota Vios Limo 1500 cc yang diberikan oleh Toyota untuk tujuan penelitian kepada Universitas Sumatera Utara dengan kondisi mesin tidak mengalami perombakan pada bagian komponen komponen mesin ditunjukkan pada gambar 3.5 berikut :
Gambar 3.6 Toyota Vios Limo 1500 CC Tahun 2015
Spesifikasi mesin dijelaskan pada tabel 3.1 berikut:
Tabel 3.1 Spesifikasi Mesin Toyota Vios Limo 1500 CC Tahun 2015
Tipe mesin 2NR-FE, 4 Cylinders in-line, 16 Valve,
DOHC Dual VVT-i
Kapasitas Silinder 1.496 cc
Sisitem Suplay Bahan bakar Port Injection
Daya Maksimum 107 Ps/6000rpm
Torsi Maksimum 14.4 Kgm/4200rpm
3. Dynotest
Dynotest digunakan untuk mengetahui perhitungan performansi mesin.
Data keluaran yang diambil antara lain: Putaran (rpm), Torsi (Nm),Daya (HP),Kecepatan(KPH),Percepatan,dan juga AFR
Gambar 3.7 Dynotest Dynojet 224 x
Spesifikasi mesin dijelaskan pada tabel 3.2 berikut:
Tabel 3.2 Spesifikasi Mesin Dynotest
Tipe mesin Dynojet 224 x
Torsi Maksimum 2000 HP / 2000 FT LBS Kecepatan Maksimum 200 MPH / 322 KPH
Berat Maksimum 3000 LBS / 1361 KG per Axle Akurasi waktu +/-1 Microsecond
Akurasi Putaran Mesin +/-1/10th RPM
Rentang Suhu Pengoperasian 32 to 158 F / 0 to 70 C Akurasi Kecepatan Roller +/-1/100th MPH 4. Gas Analyzer
Gas Analyzer digunakan untuk mengetahui kadar hydrocarbon (HC), carbon monoxide (CO), dan nitrogen oxide (NOx) yang terkandung dalam emisi gas buang mesin. Gas Analyzer ditunjukkan pada gambar 3.6 berikut :
Gambar 3.8 Gas Analyzer Sukyoung Spesifikasi mesin dijelaskan pada tabel 3.3 berikut:
Tabel 3.3 Spesifikasi Mesin Uji Emisi
Tipe mesin SY-GA401
CO 0,00 – 9,99 %
HC 0 – 99999 ppm
CO2 0,0 – 20%
O2 0,0 – 25,0 %
λ 0 - 2000
Rentang Suhu Pengoperasian 0 to 40⁰ C
3.3.2 Bahan
Pada penelitian kali ini terdapat beberapa bahan yang digunakan dalam percobaan. Bahan Bakar yang digunakan pada mesin adalah Premium, terdapat juga bioethanol yang akan berfungsi sebagai campuran bahan bakar alternatif pada mesin Toyota Vios 1500 CC.
1. Premium
Bahan bakar yang digunakan pada penelitian ini adalah Premium yang diproduksi oleh Pertamina dengan Ratio Octane Number (RON) 92.
Gambar 3.9 Premium Murni
2. Bioethanol Singkong
Bioethanol yang digunakan pada penelitian ini adalah bioethanol dari Singkong dengan kadar 96% yang didapat dari toko bahan kimia atau farmasi.
Gambar 3.10 Bioethanol Singkong 96 % 3. Gasohol 10 %
Bahan bakar campuran Premium-bioetanol 10%. Komposisi bahan bakar 9000 ml Premium dan 1000 ml bioetanol.
Gambar 3.11 Gasohol 10%
4. Gasohol 15%
Bahan bakar campuran Premium-bioetanol 10%. Komposisi bahan bakar 8500 ml Premium dan 1500 ml bioetanol.
Gambar 3.12 Gasohol 15%
5. Gasohol 20%
Bahan bakar campuran Premium-bioetanol 10%. Komposisi bahan bakar 8000 ml Premium dan 2000 ml bioetanol.
Gambar 3.13 Gasohol 20%
3.4 Variabel Penelitian
Variabel yang diukur pada penelitian ini adalah:
a. Variabel Bebas
Variabel bebas adalah variabel yang berfungsi mempengaruhi variabel lain, jadi secara bebas berpengaruh terhadap nilai variabel lain.
Dalam penelitian ini berupa penambahan Bioetanol Singkong 96%
pada Premium murni sebanyak 10%, 15%, 20%
b. Variabel Terikat
Variabel terikat adalah kondisi atau karakteristik yang berubah atau muncul ketika peneliti mengganti variabel bebas. Menurut fungsinya variabel ini dipengaruhi nilainya oleh variabel lain. Dalam penelitian ini variabel terikatnya adalah:
Torsi (T) dan
Daya (PB)
Rasio Udara Bahan Bakar (AFR)
Emisi Gas Buang
c. Variabel Kendali
Variabel Kendali adalah variabel yang dikendalikan atau dibuat konstan sehingga pengaruh variabel bebas terhadap variabel terikat tidak dipengaruhi oleh faktor luar yang tidak diteliti. Dalam penelitian ini variabel kendali berupa putaran yang akan direduksi, yaitu 2500 rpm kemudian dideduksi sampai putaran 5000 rpm dengan interval kenaikan putaran 500 rpm.
3.5 Diagram Alir Penelitian
Berikut ini adalah tahapan-tahapan penelitian yang dibuatkan kedalam bentuk diagram alir,yaitu:
Gambar 3.14 Diagram Alir Penelitian
