MUHAMMAD MA'RUF

EFEK PENGGUNAAN ADITIF ANTIOKSIDAFI TERIIADAP PEMBENTUKAN DEPOSIT BIODIESEL, KAJIAN PADA PLAT PANAS DAN MESIN DIESEL

TESIS

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Teknik

MUHAMMAD MA'RUF

1306360233

FAKULTAS

TEKNIK

DEPARTEMEN

TEKNIK

MESIN PROGRAM STUDI

TEKNIK

MESIN

DEPOK JUNI2015

Tesis ini adalah hasil karya saya sendiri,

Dan semua sumher baik ^yang dikutip maupun

dirujuk

Telah saya nyatakan dengan benar

Nama

NPM

Tanda Tangan

Tanggal

Muhammad Ma'ruf

l6 Juni 2015

Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima ^{sebagai bagian} persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Magister Teknik ^pada program studi Teknik Mesin iepartemen Teknik ^Mesin f'akultas Teknik, Universitas Indonesia Tesis ini diajukan oleh

Nama

^{: Muhammad Ma'ruf}

Program Studi Judul Tesis

Pembimbing

Penguji

Penguji

Penguji

: TeknikMesin

: EFEK PENGGTINAAI\ ^ADTTIF AI\TIOKSIDAI\I TERIIADAP PEMBENTUKAI\I DEPOSIT BIODIESEL, KAJIAN PADA PLAT PANAS DAI\I MESIN DIESEL

DEWATT

Prof. Dr.Ir. Banrbang Sugiarto, M. Eng.

Prof. Dr. Ir. Adi SuryosatYo, M.Eng.

Prof. Dr. Ir. Yulianto ^S. Nugroho, M.Sc.

Yudan Whulanza S.T., M.Sc., PhD-

Penguji

^{: M. Agung} Santoso, S-T-, M.T.

Ditetapkan di Tanggal

: Depok : 16 Juni 2015

Universitas lndonesia

Puji syukur saya panjatkan kepada Allah SWT, karena aks berkat dan rahmat-Nya, saya ^dapat menyelesaikan skripsi ini. Penulisan skripsi ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Magister Teknik Jurusan Teknik Mesin Universitas Indonesia. Saya menyadari bahwa, tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak, dari masa perkuliahan sampai pada penyusunan skripsi ini, sangatlah sulit bagi saya untuk menyelesaikan skripsi ini.

Oleh karena itu, saya mengucapkan terima kasih kepada:

Prof.

Dr. Ir.

Bambang Sugiarto,

M.Sc.,

selaku dosen pembimbing yang telah menyediakan waktu, tenaga, dan pikiran untuk mengarahkan saya dalam penyusunan tesis ini.

Bpk.

Dr. Ir.

Rizqon Fajar, M.Sc. selaku kepala Lab. BTMP tempat pengujiannya berlangsung dan selaku pembimbing lapangan atas dukungan dan kemudahan fasilitas yang diberikan.

Yudan Whulanza, S.T., M.Sc., PhD. , ^{Prof. Dr.} [r. Yulianto S. Nugroho, M.Sc., Dr. Ir.

Adi Suryosatyo, M.Sc., M. Agung Santoso, S.T., M.T., selaku dosen penguji yang telah banyak memberikan masukan untuk penyempurnaan penulisan tesis ini

Orang tua dan keluarga saya yang telah memberikan bantuan dukungan material dan moral serta do'a-do'a yang selalu dipanjatkan.

5) Istri dan

anak

yang

selalu menjadi inspirasi

dan

penyemangat

untuk

segera menyelesaikan tesis ini.

6)

Bpk.

M.

Taufik S, kandidat Doktor Universitas Indonesia, yang telah memulai riset mengenai deposit biodiesel di Universitas Indonesia.

Rekan-rekan di BTMP, Bp.

Ali

akbar, Endon kumia, Mahmud, Kasa Wijaya, Safrudin, Budi Hartono, Moktar, Budi R. dan Ibu Siti Yubaida, sehingga pengujian dapat terlaksana dan berjalan dengan baik.

Pihak-pihak lain yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu.

Akhir kata, saya berharap Tuhan Yang Maha Esa berkenan membalas segala kebaikansemua pihak yang telah membantu. Semoga tesis ini membawa manfaat bagi pengembangan ilmu.

r)

2)

3)

4)

7)

8)

hL ,/

ry _I

Muhammad Ma'ruf

Nama NPM

Program Studi Departemen Fakultas Jenis Karya

Muhammad Ma'ruf

1306360233 Teknik Mesin Teknik Mesin Teknik Tesis

demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive Royalty-Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul ^:

EFEK PENGGUNAAN ADITIF ANTIOKSIDAN TERHADAP PEMBENTUKAN DEPOSIT BIODIESEL, KAJIAN PADA PLAT PANAS DAN MESIN DIESEL

beserta perangkat yang ada

(ika

diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Noneksklusif ini Universitas Indonesia berhak menyimpan, mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), _merawat, dan memublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.

Demikian pemyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat

di

^{: Depok}

Padatanggal

: 16 Juni 2015

Muhammad Ma'ruf

ang menyatakan

4

Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di bawah ini ^:

ABSTRAK

Nama

:

Muhammad Ma'ruf

Program Studi

:

Teknik Mesin

Judul Tesis

:

EFEK PENGGUNAAN ADITIF ANTIOKSIDAN TERHADAP PEMBENTUKAN DEPOSIT BIODIESEL, KAJIAN PADA PLAT PANAS DAN MESIN DIESEL

Pada penelitian ini, potensial pembentukan deposit dari bahan bakar biodiesel dengan formulasi berbeda dikaji dengan melakukan proses deposisi dan evaporasi bahan bakar secara berulang pada plat panas stainless steel (SS). Variasi aditif antioksidan dan bahan baku biodiesel dilakukan untuk mengetahui efek yang ditimbulkan terhadap pembentukan deposit. Antioksidan yang digunakan adalah PG, BHA dan BHT, sedangkan bahan baku biodiesel yang divariasikan adalah biodiesel sawit dan biodiesel jarak. Karakterisasi deposit pada plat dilakukan dengan menggunakan FTIR, hasil FTIR deposit biodiesel sawit menunjukkan adanya kemiripan gugus fungsi bila dibandingkan dengan deposit yang terbentuk pada injektor dari data referensi. Biodiesel sawit yang memiliki ikatan tidak jenuh dan angka asam lebih kecil menghasilkan deposit yang jauh lebih sedikit bila dibandingkan dengan biodiesel jarak dengan ikatan tak jenuh dan angka asam yang tinggi.

Penambahan aditif antioksidan pada biodiesel dengan kadar 1000 ppm tidak menyebabkan perubahan beberapa sifat fisik biodiesel secara berarti, meningkatkan stabilitas oksidasi & cenderung menurunkan jumlah deposit yang terbentuk pada plat SS. Biodiesel sawit dan aditif antioksidan BHT dipilih untuk dilakukan pengujian pada engine yang dilakukan selama 70 jam (10 jam perhari) dengan beban konstan  70% load. Efek penambahan aditif BHT pada engine mampu menurunkan emisi smoke sebesar 24%, sedangkan efek terhadap pembentukan deposit bervariasi tergantung komponen tempat terbentuknya deposit. Penurunan deposit terjadi pada piston, silinder head dan exhaust valve berturut turut : 32%, 8% dan 23% , kenaikan deposit terjadi pada intake valve sebesar 11%, dan pada injektor tip berdasarkan data fotografi.

Kata kunci : biodiesel, B100, FAME, degradasi, deposit, antioksidan, BHT

ABSTRACT

Name

:

Muhammad Ma'ruf

Study Program

:

Mechanical Engineering

Judul Tesis

:

INFLUENCE OF ANTIOXIDANT ADDITIVES ON BIODIESEL DEPOSITS FORMATION, A STUDY ON HOT PLATE AND DIESEL ENGINE

In this study, the potential of deposits formation of biodiesel fuels with different formulation studied by conducting the repetitive process of fuel deposition and evaporation on stainless steel (SS) hot plate. Variation of antioxidant additives and biodiesel feedstock was conducted to determine the effects on the deposits formation. Antioxidants used were PG, BHA and BHT, while the biodiesel feedstocks were Palm biodiesel and Jathropha biodiesel. Characterization of the deposit on the plate has been done by using FTIR. The result of FTIR showed that deposits of Palm biodiesel on hot plate have similar functional groups compared to deposits on the injector based on the literature data. Palm biodiesel with low unsaturated bond & acid number produced fewer deposits than Jathropa biodiesel with high unsaturated bond & acid number. The addition of 1000 ppm antioxidant were increasing the oxidation stability and reducing the amount of deposits that form on the plate, but not altering the physical properties of biodiesel significantly. Palm biodiesel and antioxidant BHT were selected for testing on the engine which performed for 70 hours (10 hours per day) with a constant load  70%

load. BHT additive could reduce smoke emissions by 24%, while the effect on the formation of deposits was varied depend on the component where deposit formed. The decrease deposits formation occurred on the piston, cylinder head and exhaust valve respectively: 32%, 8% and 23%, whereas the increase ones occurred on the intake valve by 11%. There was also an increase deposit occured on the injector tip based on photography data.

Keywords : biodiesel, B100, FAME, degradation, deposits, antioxidant, BHT

DAFTAR ISI

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ... ii 

HALAMAN PENGESAHAN ... iii 

KATA PENGANTAR ... iv 

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ... vi 

ABSTRAK ... vii 

ABSTRACT ... viii 

DAFTAR ISI ... ix 

DAFTAR TABEL ... xii 

DAFTAR GAMBAR ... xii 

BAB I ... 1 

PENDAHULUAN ... 1 

I.1. Latar Belakang ... 1 

I.2. Perumusan Masalah ... 3 

I.3. Tujuan Penelitian ... 3 

I.4. Batasan Masalah ... 4 

I.5. Sistematika Penulisan ... 4 

BAB II ... 5 

LANDASAN TEORI ... 5 

II.1 Mesin Diesel ... 5 

II.1.1 Siklus Diesel Ideal ... 5 

II.1.2 Siklus Diesel Aktual ... 7 

II.2 Bahan Bakar Biodiesel ... 7 

II.3 Proses Pembakaran dan Pembentukan Soot pada Mesin Diesel ... 9 

II.4 Deposit ... 10 

II.4.1 Mekanisme Pembentukan Deposit dan Pelepasan Deposit ... 10 

II.4.2 Pendekatan Pembentukan Deposit pada Engine dengan Plat Panas ... 14 

II.5. Degradasi Biodiesel dan Pembentukan Deposit ... 16 

II.5.1 Mekanisme degradasi biodiesel melalui proses oksidasi ... 16 

II.5.2 Mekanisme Pembentukan Deposit Melalui Degradasi Biodiesel ... 17 

II.5.3 Penelitian Deposit ... 18 

II.6. Aditif Antioksidan ... 19 

II.7 Instumentasi untuk Analisa Stabilitas Biodiesel dan Deposit ... 20 

II.7.1. Rancimate ... 20 

II.7.2. FTIR (Fourier Transform Infra Red) ... 21 

BAB III ... 23 

METODE PENELITIAN ... 23 

III.1. Tempat Penelitian ... 23 

III.2. Bahan Baku ... 23 

III.3. Alat Uji ... 23 

III.3.1. Analisa Properties Bahan Bakar Biodiesel ... 23 

III.3.1.a.Pengukuran Angka Asam ... 23 

III.3.1.b.Pengukuran Densitas ... 23 

III.3.1.c.Pengukuran Viskositas ... 23 

III.3.1.d.Analisa Komposisi FAME ... 23 

III.3.1.e.Analisa Stabilitas Oksidasi Biodiesel ... 23 

III.3.2. Pengujian Campuran Bahan Bakar dan Aditif pada Simulator Deposit ... 24 

III.3.2.a.Diameter tetesan bahan bakar ... 24 

III.3.2.b.Waktu Evaporasi Bahan Bakar ... 24 

III.3.2.c.Berat Deposit ... 24 

III.3.2.d. Analisa Gugus Fungsi Deposit ... 25 

III.3.3. Pengujian Bahan Bakar dan Aditif pada Mesin Genset ... 25 

III.3.3.a. Spesifikasi Mesin Uji ... 25 

III.3.3.b. Pembebanan ... 26 

III.3.3.c .Siklus Pengujian ... 26 

III.3.3.d. Pengukuran Konsumsi Bahan Bakar ... 27 

III.3.3.f. Pengukuran Putaran ... 27 

III.3.3.g. Pengukuran Temperatur Oli dan Exhaust ... 27 

III.3.3.h. Pengukuran Smoke ... 27 

III.3.3.i. Estimasi Pertumbuhan Volume Deposit pada Injektor ... 28 

III.3.3.j. Penimbangan deposit pada komponen engine ... 28 

III.4. Skema Penelitian ... 29 

III.4.1. Pembentukan Deposit pada Plat Panas ... 29 

III.4.2. Pengujian pada Engine ... 29 

BAB IV ... 30 

HASIL DAN PEMBAHASAN ... 30 

IV.1 Karakterisasi dan Optimasi Pembentukan Deposit Biodiesel Pada Plat Stainless Steel (SS) . 30 

IV.1.1 Karakteristik waktu evaporasi tetesan bahan bakar pada plat SS ... 30 

IV.1.2 Optimasi Pembentukan Deposit Pada Plat SS ... 32 

IV.1.3 Analisa Gugus Fungsi Deposit Biodiesel Pada Plat SS ... 33 

IV.2 Pengaruh Bahan Baku Biodiesel Terhadap Pembentukan Deposit Pada Plat SS ... 34 

IV.3 Pengaruh Penambahan Antioksidan terhadap Properties Biodiesel dan Pembentukan Deposit Pada Plat SS ... 35 

IV.3.1 Properties aditif antioksidan biodiesel ... 36 

IV.3.1.a. Rumus Molekul dan Sifat Fisik Aditif ... 36 

IV.3.1.b. Nilai Kalor Aditif Sebelum Dilarutkan ... 36 

IV.3.1.c. Kelarutan Aditif Antioksidan dalam Biodiesel ... 37 

IV.3.2 Pengaruh Penambahan Aditif Antioksidan terhadap properties biodiesel ... 38 

IV.3.3 Pengaruh Penambahan Aditif Antioksidan terhadap waktu evaporasi biodiesel pada plat SS ... 41 

IV.1.5 Pengaruh Penambahan Aditif Antioksidan Terhadap Pembentukan Deposit pada Plat SS  ... 43 

IV.2 Pengujian Pada Mesin Diesel ... 45 

IV.2.1 Pemilihan Aditif untuk Diuji pada Mesin Diesel ... 45 

IV.2.2 Pengujian pada Mesin dengan Beban Konstan ... 46 

IV.2.3 Deposit pada Komponen Mesin ... 50 

BAB V ... 55 

KESIMPULAN ... 55 

DAFTAR PUSTAKA ... 56 

LAMPIRAN ... 58   

DAFTAR TABEL  

Tabel 1. Standar dan Mutu (Spesifikasi) BBN Jenis Biodiesel (SNI 7182:2012) ... 8 

Tabel 2. Penelitian Antioksidan untuk Biodiesel ... 20 

Tabel 3. Spesifikasi Mesin Uji ... 25 

Tabel 4. Spesifikasi Generator ... 26 

Tabel 5. Properties aditif antioksidan untuk biodiesel ... 36 

DAFTAR GAMBAR   Gambar 1. Bagian-bagian injektor tempat ditemukannya deposit biodiesel, berdasarkan referensi [3] gambar (a); referensi [1] gambar (b) dan referensi [2] gambar (c). ... 1 

Gambar 2. Efek deposit pada sistem injektor terhadap karakteristik spray [4]; Injektor dengandeposit (a), Injektor tanpa deposit (b). ... 2 

Gambar 3. Siklus Diesel Ideal [11]. ... 6 

Gambar 4. Siklus Diesel Aktual [12] ... 7 

Gambar 5. Reaksi pembuatan biodiesel ... 8 

Gambar 6. Reaksi Pembakaran Pada Spray Penetration Yang Menghasilkan Soot (sumber : E. Dec, John. Sandia National Laboratories.1997 dalam literatur [14] ) ... 10 

Gambar 7. Mekanisme Pembentukan dan Pelepasan Deposit [15] ... 11 

Gambar 8. Mekanisme Pelepasan Deposit [15] ... 13 

Gambar 9. Mekanisme Pembentukan Deposit Pada Engine dan Simulasi pembentukan deposit Pada Plat logam [6] ... 15 

Gambar 10. Grafik perbandingan deposit bahan bakar emulsi biodiesel dengan aditif berbeda, pada injektor (white bar) dan hasil dari simulator deposit (black bar) [5]. ... 16 

Gambar 11. Mekanisme pengikatan oksigen dan pembentukan dimer (polimerisasi) asam lemak tak jenuh serta tipe polimer yang mungkin terbentuk [10] ... 17 

Gambar 12. Mekanisme degradasi biodiesel melalui pengikatan oksigen dan pembentukan radikal menghasilkan senyawa polimerisasi dan senyawa asam [21] ... 17 

Gambar 13. Mekanisme pembentukan deposit [2] ... 18 

Gambar 14. Mekanisme penstabilan radikal oleh antioksidan jenis fenolik [8] ... 19 

Gambar 15. Skema Alat Uji Stabilitas Oksidasi Biodiesel (Rancimate) [24] ... 21 

Gambar 16. Skema Instrumentasi FTIR [27]. ... 22 

Gambar 17. Serapan Inframerah Tengah dan Keberadaan Gugus Fungsi Molekul [28]. ... 22 

Gambar 18.Skema simulator deposit ... 24 

Gambar 19. Skema pengujian bahan bakar pada mesin ... 25 

Gambar 20 . Kurva performance mesin diesel Yanmar L48N6 MTMYI dengan menggunakan bahan bakar B100 [14] ... 26 

Gambar 21. Alur pengolahan data foto injektor dengan MATLAB ... 28 

Gambar 22. Profile waktu evaporasi satu tetes bahan bakar biodiesel dan solar pertamina ... 31 

Gambar 23. Pengaruh temperatur terhadap pembentukan deposit biodiesel pada plat tipis ... 32 

Gambar 24. Spektra FTIR : Spektra biodiesel sawit dari referensi [30] (a), Spektra deposit pada

injektor tip pada mesin genset dengan bahan bakar B100 sawit dari penelitian moktar 2014 (b) , Spektra deposit B100 sawit pada plat tipis stainless steel dengan

temperatur  340⁰C (c). ... 33 

Gambar 25. Contoh ikatan rangkap C=C pada biodiesel ... 34 

Gambar 26. Grafik komposisi FAME biodiesel sawit dan biodiesel jarak berdasarkan jumlah ikatan rangkap ... 34 

Gambar 27. Deposit biodiesel pada plat tipis stainless steel pada temperatur  340⁰C dengan deposisi 1000 tetes: deposit biodiesel sawit (a), deposit biodiesel jarak (b). ... 35 

Gambar 28. Residu Pembakaran Aditif pada Proses Analisa Nilai Kalor ... 36 

Gambar 29. Biodiesel + 1000 ppm Aditif, disimpan dalam suhu ruang ... 37 

Gambar 30. Presipitasi aditif PG pada biodiesel sawit + 1000 ppm PG (a), biodiesel sawit tanpa aditif (b) ... 38 

Gambar 31. Perubahan nilai densitas pada 15⁰C ... 38 

Gambar 32. Perubahan nilai viskositas kinematik pada 40⁰C ... 39 

Gambar 33. Perubahan nilai kalor bahan bakar biodiesel ... 39 

Gambar 34. Stabilitas oksidasi biodiesel sawit (PB) dengan metode rancimate ... 40 

Gambar 35. Jumlah atom H donor pada molekul antioksidan ... 40 

Gambar 36. Stabilitas oksidasi biodiesel jarak (JB) dengan metode rancimate ... 41 

Gambar 37. Efek penambahan antioksidan terhadap waktu evaporasi satu tetes biodiesel sawit ... 42 

Gambar 38. Efek penambahan antioksidan terhadap waktu evaporasi satu tetes biodiesel jarak ... 42 

Gambar 39. Pengaruh penambahan antioksidan terhadap pembentukan deposit biodiesel sawit pada plat tipis bertemperatur 340⁰C dengan jumlah deposisi 1000 tetes. ... 43 

Gambar 40. Pengaruh penambahan antioksidan terhadap pembentukan deposit biodiesel jarak padaplat tipis bertemperatur 340⁰C dengan jumlah deposisi 250 tetes. ... 44 

Gambar 41. Grafik power terukur vs waktu pengujian ... 46 

Gambar 42. Grafik laju aliran bahan bakar (LFF) vs waktu pengujian ... 47 

Gambar 43. Grafik konsumsi bahan bakar spesifik vs waktu pengujian ... 47 

Gambar 44. Grafik temperatur exhaust dan temperatur pelumas vs waktu pengujian... 48 

Gambar 45. Grafik viskositas pelumas setelah 70 jam ... 49 

Gambar 46. Grafik emisi smoke vs waktu pengujian ... 49 

Gambar 47. Deposit pada piston dan cylinder head ... 50 

Gambar 48. Deposit pada Intake Valve ... 51 

Gambar 49. Deposit pada Exhaust Valve ... 51 

Gambar 50. Kurva deposit pada injektor tip ... 52 

Gambar 51. Kurva Pertumbuhan deposit dan foto ujung injektor 70 jam pada referensi pengambilan gambar 90⁰ ... 52 

Gambar 52. Hubungan pembentukan deposit pada engine dan plat panas ... 53 

 

DAFTAR NOTASI  

 

BHA : Butylatedhydroxyanisole (antioksidan) B100(-)AO : Biodiesel sawit 100 % tanpa anti oksidan BHT : Butylatedhydroxytoluene (antioksidan) BSFC : Brake Specific Fuel Consumption

FAME : Fatty Acid Methyl Ester / Metil Ester Asam Lemak / Biodiesel FIE : Fuel Injection Equipment

FTIR : Fourier Transform Infra Red

GC-FID : Gas Chromatography-Flame Ionization Detector JB : Biodiesel Jarak (Jatropha Biodiesel)

LFF : Liquid Fuel Flow

PG : Propylgallate (antioksidan)

PB : Palm Biodiesel

SS : Stainless Steel

I.1. Latar Belakang

Kebutuhan energi di Indonesia semakin meningkat seiring dengan pertumbuhan ekonomi, industri dan perkembangan teknologi. Sementara itu bangsa Indonesia masih memiliki ketergantungan yang cukup tinggi terhadap sumber energi berbasis bahan bakar fosil dengan ketersediaan yang semakin menipis, sehingga perlu dilakukan terobosan untuk memanfaatkan sumber energi lain yang terbarukan. Biodiesel merupakan bahan bakar alternatif yang cukup potensial untuk dikembangkan di Indonesia sebagai alternatif untuk pengganti bahan bakar diesel. Indonesia yang merupakan negara agraris memiliki berbagai macam sumber bahan baku untuk pembuatan biodiesel dengan ketersediaan yang sangat melimpah, baik berupa tumbuhan penghasil minyak pangan maupun non pangan.

Biodiesel sangat menarik perhatian banyak peneliti karena sifatnya yang dapat diperbaharui dan lebih ramah terhadap lingkungan. Meskipun demikian penggunaan biodiesel dengan prosentase lebih besar untuk aplikasi pada mesin diesel masih menyisakan beberapa masalah terkait dengan terjadinya degradasi biodiesel dan terbentuknya deposit ketika digunakan sebagai bahan bakar pada engine. Semenjak digulirkanya penggunaan bahan bakar biodiesel pada engine, terjadi peningkatan pelaporan mengenai terbentuknya deposit baik pada ruang bakar maupun pada injektor [1-3].

Gambar 1. Bagian-bagian injektor tempat ditemukannya deposit biodiesel, berdasarkan referensi [3]

gambar (a); referensi [1] gambar (b) dan referensi [2] gambar (c).

(a) 

(b) 

(c) 

Deposit pada injektor merupakan bagian yang mendapatkan banyak perhatian dari para peneliti karena efek yang ditimbulkan sangat signifikan terhadap performa engine, mulai dari berubahnya karakteristik spray, penurunan power, meningkatnya konsumsi bahan bakar, meningkatnya emisi, tingginya noise bahkan tersumbatnya lubang injektor.

Gambar 2. Efek deposit pada sistem injektor terhadap karakteristik spray [4];

Injektor dengandeposit (a), Injektor tanpa deposit (b).

 

Hingga saat ini studi mengenai mekanisme pembentukan deposit biodiesel masih sedikit [2,5,6]. Kemudahan biodiesel untuk terdegradasi merupakan salah satu faktor yang diduga kuat meningkatkan terbentuknya deposit biodiesel [2]. Penambahan aditif antioksidan telah terbukti dapat meningkatkan nilai stabilitas biodiesel yang diuji melalui accelerated test pada keadaan standard 110⁰C [7,8], akan tetapi efek penggunaan antioksidan tersebut terhadap pembentukan deposit belum banyak dilaporkan.

Pembentukan deposit pada engine merupakan fenomena yang cukup kompleks dan sangat tergantung pada kombinasi berbagai macam parameter seperti bahan bakar, permukaan material, temperatur, tekanan, kondisi ruang bakar dll [9]. Selama engine beroperasi terdapat butiran kecil bahan bakar yang tak terhitung jumlahnya yang terjadi pada saat penyemprotan bahan bakar. Pada kondisi high load, lebih dari 50% bahan bakar terdeposisi pada permukaan logam (piston bowl). Interaksi antara butiran bahan bakar dengan permukaan logam akan menyebabkan terbentuknya lapisan film bahan bakar. Pembentukan lapisan film tersebut merupakan salah satu faktor yang berperan dalam pembentukan deposit.

Proses penyemprotan bahan bakar akan terus berulang selama engine beroperasi sehingga lapisan film bahan bakar akan terus terbentuk. Kondisi tersebut akan meningkatkan pembentukan deposit, dimana lapisan film akan mengalami perubahan lebih lanjut baik perubahan fisika seperti evaporasi, atau perubahan kimia seperti degradasi termal, polimerisasi dll [9].

Pada penelitian ini, pembentukan deposit pada engine didekati dengan melakukan proses deposisi dan evaporasi bahan bakar secara berulang pada suatu plat panas. Metode sederhana ini dibuat untuk mengatasi kompleksitas pengujian deposit pada engine,

menghemat waktu, biaya serta sampel bahan bakar yang terbatas. Metode yang hampir sama juga pernah digunakan oleh peneliti pada referensi [5,6]. Pembentukan deposit pada plat panas dilakukan untuk variasi bahan bakar biodiesel dengan aditif dan bahan baku berbeda untuk mengetahui bahan bakar biodiesel dengan potensial deposit paling rendah.

I.2. Perumusan Masalah

Beberapa faktor yang diduga menjadi penyebab peningkatan jumlah deposit yang terbentuk pada engine ketika menggunakan bahan bakar biodiesel adalah adanya perbedaan karakteristik biodiesel bila dibandingkan dengan petroleum diesel diantaranya : viskositas yang lebih tinggi, karakteristik kurva destilasi yang lebih tinggi, struktur rantai kimia yang lebih panjang, impurities dan kemudahan biodiesel terdegradasi.

Salah satu faktor penyebab bertambahnya jumlah deposit pada mesin diesel diduga kuat berasal dari hasil oksidasi ataupun degradasi termal dari FAME biodiesel [2,3,10].

Penambahan aditif antioksidan telah terbukti dapat meningkatkan nilai stabilitas biodiesel yang diuji melalui accelerated test pada keadaan standard 110⁰C [7,8], akan tetapi efek penggunaan antioksidan tersebut terhadap pembentukan deposit belum banyak dilaporkan.

Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui efek penambahan antioksidan terhadap beberapa properties biodiesel dan pengaruhnya terhadap pembentukan deposit biodiesel.

I.3. Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah :

1. Melakukan karakterisasi dan optimasi pembentukan deposit biodiesel pada plat panas yang akan digunakan sebagai simulator deposit dalam proses seleksi tahap awal terhadap bahan bakar biodiesel dan aditif.

2. Mengetahui efek penggunaan aditif antioksidan terhadap perubahan beberapa sifat fisik biodiesel dan terhadap pembentukan deposit pada simulator yang dibuat.

3. Melakukan seleksi biodiesel & aditif antioksidan untuk dilakukan pengujian durabiliti engine dan mengetahui efek antioksidan tersebut terhadap pembentukan deposit pada komponen engine.

   

I.4. Batasan Masalah  

1. Biodiesel (B100) yang digunakan dalam penelitian ini adalah biodiesel sawit (PT Darmex) dan biodiesel jarak (BRDST).

2. Aditif antioksidan yang digunakan adalah PG, BHA dan BHT dengan kadar 1000 ppm.

3. Seleksi bahan baku biodiesel & aditif antioksidan dilakukan menggunakan simulator deposit dengan cara membandingkan pembentukan deposit setiap bahan bakar pada plat panas.

4. Mesin uji yang digunakan adalah mesin diesel silinder tunggal dengan merk Yanmar L48N6-MTMYI yang dijalankan dengan beban konstan 1.8 KW.

5. Evaluasi pembentukan deposit pada engine dilakukan terhadap, piston, silinder head, valve dan injektor tip

I.5. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan ini terdiri dari 5 bab ditambah dengan lampiran yang diperlukan. Untuk setiap babnya mencakup uraian berikut ini :

Bab 1 :Pendahuluan

Pada bab ini berisi tentang hal yang melatar belakangi penulisan ini, perumusan masalah yang akan dibahas, tujuan penelitian, batasan masalah, metodologi penelitian dan sistematika penulisan.

Bab 2 :Landasan Teori

Meliputi teori dan penjelasan mengenai sifat kimia fisika biodiesel, proses biodiesel, formulasi campuran biodiesel, stabilitas oksidasi dan emisi gas buang.

Bab 3 :Metode Penelitian

Bab ini menerangkan tentang peralatan yang digunakan untuk penelitian dan proses pengujian yang dilakukan.

Bab 4 :Hasil dan Pembahasan

Pada bab ini ditampilkan hasil penelitian berupa data dalam bentuk tablel dan grafik serta analisanya.

Bab 5 :Kesimpulan

Bab ini merupakan akhir dari uraian keempat bab sebelumnya. Dan merupakan kesimpulan yang diambil berdasarkan hasil perhitungan serta analisa yang diambil.

 

II.1 Mesin Diesel

Mesin diesel atau yang biasa disebut dengan mesin penyalaan dengan kompresi (compression-ignition engine) adalah mesin pembakaran dalam yang menggunakan panas dari tekanan untuk melakukan penyalaan dan membakar bahan bakar yang telah dimasukkan kedalam ruang bakar. Mesin diesel memiliki efisiensi termal yang paling baik dibandingkan dengan mesin pembakaran dalam maupun pembakaran luar lainnya, karena memiliki rasio kompresi yang sangat tinggi. Mesin diesel kecepatan-rendah (seperti pada mesin kapal) dapat memiliki efisiensi termal lebih dari 50%.

Sistem kerja mesin diesel yaitu ketika gas ditekan, temperaturnya akan naik (kondisi stated menurut hukum Charles), jika kondisi ini telah tercapai maka bahan bakar akan terbakar. Udara masuk kedalam silinder dan dikompresi oleh naiknya piston, kondisi ini terjadi pada rasio kompresi yang sangat tinggi dibandingkan spark-ignition engine biasa.

Pada posisi TMA dari langkah piston, bahan bakar diinjeksikan kedalam ruang pembakaran pada tekanan tinggi, melalui sebuah atomising nozzle, kemudian bercampur dengan udara bertekanan tinggi. Campuran ini kemudian akan segera terbakar. Ini akan mengakibatkan ledakan karena gas didalam ruang bakar berekspansi, menggerakkan piston ke bawah dan mengakibatkan daya (Power) dalam arah vertikal. Connecting-rod meneruskan gerakan tersebut ke crankshaft, kemudian gaya putar diteruskan ke ujung output dari crankshaft.

Scavenging (pendorongan keluar gas buang dari silinder dan penarikan masuk aliran udara segar) dari mesin dilakukan oleh port atau katup.

II.1.1 Siklus Diesel Ideal

Siklus ini merupakan permodelan ideal untuk menganalisa proses termodinamika pada siklus Diesel. Diasumsikan gas yang terdapat pada silinder adalah udara. Pada persamaan di bawah, udara diasumsikan sebagai gas ideal dengan specific heat konstan. Siklus termodinamika yang terjadi pada siklus ialah :

Proses 1

Proses 2

Proses 3

Proses 4

– 2 : kom ma pist seb isen sili – 3 : pem

vol ada diin den sam – 4 : eks

com – 1 : pen

Ga

mpresi isent ati bawah (T

ton berada p bagai reversi ntropik. Ga

nder dari lan manasan rev lume berada a bahan bak njeksikan da ngan pemana ma dengan en spansi isentr mbustion me ndinginan re

ambar 3. Sikl

tropic, Prose TMB) dan p pada titik ma ibel adiabati

s yang diko ngkah intake versible teka pada nilai m kar pada sili

an dibakar.

asan pada te nergy yang d ropic, Merup enuju TMB.

versible volu

lus Diesel Ide

es dimulai p osisi katup ati atas (TM ik, maka sik

ompresikan e

anan konstan minimum. Ti

inder. Selam Pada permo ekanan kons dilepaskan p pakan perpa

ume konstan eal [11].

pada saat po intake ditut MA). Proses klus termodin

merupakan

n, Dimulai idak seperti s ma proses p odelan ideal stan, dimana pada pembak anjangan dar

n

sisi piston b tup sampai d ini biasanya namika yang n udara yan

pada posisi siklus spark pembakaran,

l, pembakara a panas yang karan bahan

ri akhir pro

berada di titi dengan posi a diasumsika

g terjadi iala ng dibawa k

TMA ketik k-engine, tida bahan baka an digantika g dimasukka

bakar.

ses injection ik isi an ah ke

ka ak ar an an

n-

II.1.2 Siklus Diesel Aktual

Gambar 4. Siklus Diesel Aktual [12]

Dari gambar, dapat terlihat bahwa garis volume dibagi menjadi 16 unit. Unit-unit ini menggambarkan rasio kompresi sebesar 16 : 1. Semakin besar rasio kompresi, maka temperatur yang dibutuhkan untuk pembakaran juga semakin meningkat. Bahan bakar diinjeksikan pada titik C, dan proses pembakaran dijabarkan dengan garis CD. Proses pembakaran pada mesin Diesel terjadi dengan volume yang dapat dikatakan konstan dalam waktu yang singkat. Pada periode ini terjadi kenaikan tekanan yang drastic hingga piston mencapai titik sedikit melebihi TDC. Kemudian, proses pembakaran berlanjut dengan tekanan yang relatif konstan yang kemudian turun perlahan hingga proses ini berhenti di titik D.

II.2 Bahan Bakar Biodiesel

Biodiesel merupakan Bahan Bakar Nabati berupa metil ester dari asam-asam lemak (fatty acid methyl ester, FAME). Biodiesel dibuat melalui reaksi antara asam lemak dengan metanol melalui proses transesterifikasi dengan menggunakan katalis KOH, hasil yang didapat berupa biodiesel dengan hasil sampingan berupa endapan gliserol.

Gambar 5. Reaksi pembuatan biodiesel

Standar dan Mutu (Spesifikasi) Bahan Bakar Nabati (Biofuel) Jenis Biodiesel Sebagai Bahan Bakar Lain yang Dipasarkan di Dalam Negeri diatur berdasarkan Keputusan Dirjen Energi Baru Terbarukan dan Konservasi Energi (DJ EBTKE) Nomor 723 K/10/DJE/2013 yang mengacu pada SNI 7182:2012 – Biodiesel. [13]

Tabel 1. Standar dan Mutu (Spesifikasi) BBN Jenis Biodiesel (SNI 7182:2012)  

No PARAMETER UJI PERSYARATAN SATUAN,

min/maks METODE UJI

1 Massa Jenis (@ 40^oC) 850-890 kg/m³ ASTM D-1298/D-4052/

lihat bag. 9.1 SNI 7182:21012

2 Viskositas Kinematik (@

40^oC) 2,3-6,0 mm²/s (cSt) ASTM D-445/ lihat bag. 9.2 SNI 7182:2012

3 Angka Setana 51 min. ASTM D-613/D-6890/

lihat bag. 9.3 SNI 7182:21012

4 Titik Nyala

(mangkok tertutup) 100 ^oC, min. ASTM D-93/

lihat bag. 9.4 SNI 7182:21012

5 Titik Kabut 18 ^oC, maks. ASTM D-2500/

lihat bag. 9.5 SNI 7182:21012

6 Korosi Lempeng Tembaga (3

jam, 50^oC) 1 - ASTM D-130/

lihat bag. 9.6 SNI 7182:21012

7

Residu Karbon,

Dalam per contoh asli, atau Dalam 10% ampas distilasi

0,05 0,3

%-massa, maks

ASTM D-4530/D-189/

lihat bag. 9.7 SNI 7182:21012

8 Air dan Sedimen 0,05 %-vol.,

maks

ASTM D-2709/

lihat bag. 9.8 SNI 7182:21012

9 Temperatur Distilasi 90% 360 ^oC, maks. ASTM D-1160/

lihat bag. 9.9 SNI 7182:21012

10 Abu Tersulfatkan 0,02 %-massa,

maks

ASTM D-874/

lihat bag. 9.10 SNI 7182:21012

No PARAMETER UJI PERSYARATAN SATUAN,

min/maks METODE UJI

11 Belerang 100 mg/kg,

maks

ASTM D-5453/D-1266/D-4294/D- 2622

lihat bag. 9.11 SNI 7182:21012

12 Fosfor 10 mg/kg,

maks

AOCS Ca 12-55/lihat bag. 9.12 SNI 7182:2012

13 Angka Asam 0,6 mg-KOH/g,

maks

AOCS Cd 3d-63/ASTM D-664/lihat bag. 9.13 SNI 7182:2012

14 Gliserol Bebas 0,02 %-massa,

maks

AOCS Ca 14-56/ASTM D- 6484/lihat bag. 9.14 SNI 7182:2012

15 Gliserol Total 0,24 %-massa,

maks

AOCS Ca 14-56/ASTM D- 6484/lihat bag. 9.14 SNI 7182:2012

16 Kadar Ester Metil 96,5 %-massa,

min

SNI 7182:2012/lihat bag. 9.15 SNI 7182:2012

17 Angka Iodium 115

%-massa, maks (gr-I2/100 g)

AOCS Cd 1-25/lihat bag. 9.16 SNI 7182:2012

18

Kestabilan Oksidasi Periode Induksi:

 Metode Rancimat, atau

 Metode Petro oksi

360 27

menit menit

EN 15751/lihat bag. 9.17.1 SNI 7182:2012

ASTM D-7545/lihat bag. 9.17 SNI 7182:2012

II.3 Proses Pembakaran dan Pembentukan Soot pada Mesin Diesel  

Mesin diesel disebut juga dengan sebutan mesin CI (Compression Ignition). Mesin diesel mengkompresi udara di ruang bakar hingga temperaturnya melebihi titik autoignition dari bahan bakar yang akan disemprotkan oleh injektor. Sehingga ketika bahan bakar disemprotkan, partikel bahan bakar yang mengalami kontak langsung dengan udara akan mengalami reaksi pembakaran. Pembakaran di atas disebut dengan pembakaran secara difusi, yakni pembakaran yang reaksinya bersamaan dengan pencampuran udara dengan bahan bakar.

Kekurangan dari pembakaran difusi adalah tingkat campuran udara-bahan bakar (AFR) yang tidak merata. Pada gambar di bawah ini terlihat bahwa pada bagian terluar spray penetration terjadi pembakaran (difusion flame) akibat AFR di daerah tersebut sudah sesuai untuk terjadinya pembakaran. Akan tetapi di area dalam spray penetration AFR-nya tidak sesuai dengan stoikiometri pembakaran karena minimnya udara di area tersebut, sehingga terjadilah incomplete combustion yakni pembakaran yang tidak sempurna yang menghasilkan residu berupa padatan carbon (soot).

Gambar 6. Reaksi Pembakaran Pada Spray Penetration Yang Menghasilkan Soot (sumber : E.

Dec, John. Sandia National Laboratories.1997 dalam literatur [14] ) II.4 Deposit

 

Lepperhoff, et. al. (1993) menjelaskan bahwa selama penggunaan mesin pembakaran dalam (internal combustion engine), deposit bisa terbentuk pada lokasi yang bervariasi. Pada mesin diesel, deposit terbentuk pada ruang bakar dan nosel injector yang menyebabkan kenaikan kadar emisi khususnya emisi partikulat dan emisi gas. Masalah juga akan muncul terhadap ketahanan mesin.

Pada mesin diesel, bore polishing menyebabkan kerusakan mesin. Pembentukan lacquer pada silinder liner menyebabkan peningkatan konsumsi oli. Suhu piston crown naik.

Terjadi fouling pada nosel injector baik untuk mesin diesel direct injection maupun indirect injection yang juga akan meningkatkan emisi partikulat. Dengan modifikasi desain mesin dan pengembangan bahan bakar, komposisi pelumas dan aditif maka pembentukan deposit bisa dikendalikan.

II.4.1 Mekanisme Pembentukan Deposit dan Pelepasan Deposit  

Proses pembentukan deposit dapat dibagi menjadi fase induksi dan fase pertumbuhan deposit. Pada kondisi kering, dinding tidak lengket, tidak ada partikel karbon yang menempel. Untuk membentuk deposit, media kontak antara permukaan dinding dan partikel diperlukan. Media kontak ini adalah komponen yang memiliki titik didih tinggi, sebagian besar komponen tersebut adalah hidrokarbon. Selama fase induksi, pembentukan deposit dimulai dengan kondensasi hidrokarbon dengan titik didih yang tinggi pada dinding. Dalam

lapisan lengket yang sangat tipis ini, partikel-partikel yang tertangkap mirip dengan flypaper effect. Deposit tumbuh terus menerus dengan penambahan dan penggabungan partikel ke lapisan. Dengan meningkatnya ketebalan deposit, efek isolasi terjadi. Hal ini menyebabkan peningkatan suhu permukaan dan kekuatan ikatan yang rendah membatasi deposisi partikel yang berlebih. Komponen gas berdifusi melalui lapisan berpori dan teradsorpsi atau mengembun di lapisan suhu yang lebih rendah. Hal ini menyebabkan peningkatan kepadatan lapisan yang didukung oleh aliran gas.

 

  Gambar 7. Mekanisme Pembentukan dan Pelepasan Deposit [15]

Menurut Lepperhoff, et. al. (1993) deposit terbentuk melalui proses sebagai berikut:

1. Pembentukan lapisan film

Lapisan film dapat terbentuk akibat kondensasi dari heavy gaseous component ataupun pembasahan dinding ruang bakar oleh bahan bakar. Reaktifitas dan daya penguapan dari bahan bakar nantinya sangat menentukan hasil deposit di dinding ruang bakar.

Dalam kasus kondensasi, kondisi dinding ruang bakar berpengaruh besar terhadap proses ini. Suhu dinding ruang bakar yang relatif lebih rendah dibandingkan bahan bakar akan menyebabkan bahan bakar yang berwujud gas yang menempel di dinding akan mentransfer kalor ke dinding ruang bakar. Akibat kalor dari gas bahan bakar terbuang ke dinding, maka kemudian gas tersebut akan mengalami kondensasi membentuk lapisan film di dinding ruang bahan bakar.

Pembasahan dinding secara langsung juga turut andil dalam pembentukan deposit.

Bahan bakar yang disemprotkan oleh injektor sebagian akan terbakar secara difusi, tetapi sebagian tidak terbakar karena AFRnya tidak tercapai, sehingga menempel di dinding ruang bakar. Area yang terkena pembasahan langsung dimungkinkan memiliki deposit dengan jumlah yang cukup besar, antara lain : piston crown dan injector tip.

2. Penempelan / penggabungan / tubrukan partikel

Gradien temperatur di dinding menyebabkan gaya termoforesis yang cukup tinggi.

Gaya termoforesis ini adalah gaya percampuran, penempelan, atau penggabungan partikel beda fase (padat dan cair) akibat perbedaan suhu. Semakin tinggi gradien temperatur semakin besar gaya termoforesis. Fenomena ini menyebabkan peningkatan konsentrasi partikel di dinding yang suhunya relatif lebih dingin dibandingkan di ruang bakar. Partikel padat akan menempel di tempat-tempat yang relatif dingin tersebut dan bergabung dengan lapisan film cair yang sudah ada.

Partikel karbon tidak dapat menempel pada permukaan yang kering. Untuk membentuk suatu deposit dibutuhkan media kontak antara permukaan dinding dan partikel.

Media penempelan ini adalah lapisan film. Deposit tumbuh secara terus menerus dengan penempelan lapisan film dan partikel padat terus menerus.

3. Penyerapan gas

Penggabungan dan impact partikel memungkinkan perkembangan deposit dengan kadar soot yang tinggi. Fenomena ini menyebabkan porositas deposit menjadi tinggi dan deposit menjadi mudah menyerap gas. Gas tersebut berdifusi dengan deposit melalui pori- pori yang ada, terserap atau akhirnya terkondensasi pada permukaan bersuhu rendah. Efek peristiwa ini menghasilkan deposit yang memiliki densitas tinggi.

4. Reaksi hidrokarbon

Ketika deposit menempel di dinding sangat dimungkinkan reaksi kimia terjadi misalkan oksidasi, pirolisis, dehidrasi, polimerisasi dll. Reaksi kimia ini disebabkan karena pengaruh temperatur disertai dengan masa tinggal yang lama. Jika temperatur dinding relatif rendah, bahan bakar yang terakumulasi di dinding akan menguap oleh panas yang diberikan oleh gas, dan meninggalkan sisa bahan bakar yang mengeras seperting proses coating.

5. Tekanan pada permukaan

Tekanan selama mesin bekerja turut mempengaruhi pembentukan deposit. Tekanan dapat mengubah struktur deposit menjadi lebih padat. Setelah mengalami tekanan secara terus menerus, deposit akan terkumpul dan mengeras menjadi suatu gumpalan padat yang

dengan mudah lepas dari permukaan akibat gaya mekanis seperti getaran, impak dari spray, ataupun gaya gesek akibat aliran gas.

Selain proses pembentukan, deposit juga memiliki proses deformasi alami yang digambarkan sebagai berikut :

Gambar 8. Mekanisme Pelepasan Deposit [15]

1. Oksidasi soot dan hidrokarbon akibat tingginya temperatur gas di ruang bakar serta temperatur di deposit

2. Evaporasi fraksi volatile ketika temperatur meningkat 3. Desorpsi komponen gas akibat temperatur meningkat 4. Abrasi akibat rendahnya daya adesifitas deposit

5. Break off, terutama pada bagian deposit yang memiliki porositas tinggi akibat shearing stress.

6. Wash off, dimana cairan yang mengalir membawa deposit dan melarutkannya.

Proses deformasi ini dimungkinkan memiliki beberapa mekanisme yang hampir bersamaan. Proses deformasi ini bisa menjadi berbeda tingkatannya berdasarkan mesin yang diuji serta kondisi pengujiannya. Secara garis besar, deformasi diakibatkan oleh tiga mekanisme, yakni mekanisme fisik, mekanisme mekanis, dan mekanisme kimia.

• Mekanisme fisik terjadi melalui penguapan dan desorpsi komponen volatile akibat temperatur naik serta melalui mekanisme pembilasan. Penguapan dan desorpsi diawali dengan peningkatan suhu, sebagai contoh ini bisa terjadi pada permukaan deposit dengan

efek isolasi termal dari deposit itu sendiri. Pembilasan terjadi dengan adanya cairan seperti air atau bahan bakar yang dapat membilas deposit yang dapat larut.

• Mekanisme mekanis terjadi melalui abrasi dan break off akibat stress yang diakibatkan gerakan piston serta getaran di ruang bakar. Abrasi deposit terjadi ketika gaya aerodinamis melebihi kekuatan ikatan deposit. Efek breaking off diawali dengan perubahan suhu yang mengakibatkan perubahan panjang antara dinding dan lapisan deposit. Perubahan panjang yang tidak seimbang ini diakibatkan karena perbedaan elastisitas, hal ini menyebabkan tekanan geser yang dapat memulai terjadinya mekanisme breaking off.

• Mekanisme kimia terjadi melalui proses washing off dan oksidasi soot dan hidrokarbon akibat adanya cairan pelarut yang masuk ke ruang bakar. Pelarut dapat mempengaruhi pelepasan deposit dan mencegah komponen depositable menempel. Air kondensat dapat bekerja sebagai pembilas dari deposit anorganik. Untuk mengoksidasi karbon dan/atau deposit hidrokarbon, lingkungan yang kaya oksigen, dibutuhkan suhu dan waktu tertentu.

Oksidasi dimulai pada suhu kurang lebih diatas 200^oC untuk hidrokarbon dan 500^oC untuk karbon. Suhu tinggi ini dapat disebabkan oleh gas dengan suhu yang tinggi atau suhu dinding deposit yang tinggi.

II.4.2 Pendekatan Pembentukan Deposit pada Engine dengan Plat Panas  

Pada engine, pada saat bahan bakar disemprotkan, terbentuk butiran butiran kecil bahan bakar dalam jumlah yang sangat banyak. Butiran bahan bakar tersebut akan terevaporasi dan terbakar pada ruang bakar, akan tetapi terdapat sejumlah butiran bahan bakar yang menabrak permukaan logam pada ruang bakar. Interaksi antara butiran bahan bakar dengan permukaan logam menyebabkan terbentuknya lapisan film bahan bakar yang dapat menjadi salah satu faktor terbentuknya deposit pada permukaan logam pada ruang bakar [6]. Proses penyemprotan bahan bakar akan terus berulang selama engine beroperasi sehingga lapisan film bahan bakar akan terus terbentuk. Kondisi tersebut akan meningkatkan pembentukan deposit, dimana lapisan film akan mengalami perubahan lebih lanjut baik perubahan fisika seperti evaporasi, atau perubahan kimia seperti degradasi termal, polimerisasi dll [9]

Gambar 9. Mekanisme Pembentukan Deposit Pada Engine dan Simulasi pembentukan deposit Pada Plat logam [6]

Proses pembentukan deposit pada engine yang terjadi melalui deposisi dan evaporasi secara berulang dapat didekati dengan cara melakukan penetesan berulang butiran bahan bakar pada plat panas dengan kondisi tanpa adanya pembakaran dan dilakukan pada kondisi tekanan konstan (tekanan atmosfir). Komponen volatil dari bahan bakar akan menguap sedangkan komponen non volatil akan tertinggal pada plat. Komponen non volatil akan mengalami perubahan lebih lanjut baik perubahan fisika maupun kimia membentuk deposit.

Metode sederhana tersebut dibuat untuk mengatasi kompleksitas pengujian deposit pada engine, menghemat waktu, biaya serta sampel bahan bakar yang terbatas. Metode tersebut pernah digunakan oleh peneliti pada referensi [5,9].

Gambar 10. Grafik perbandingan deposit bahan bakar emulsi biodiesel dengan aditif berbeda, pada injektor (white bar) dan hasil dari simulator deposit (black bar) [5].

 

Penelitian Lin, et. al, 2011 [5] menunjukkan bahwa deposit bahan bakar yang diuji dengan menggunakan simulator deposit melalui penetesan berulang bahan bakar pada plat panas memiliki trend berat deposit yang sama dengan hasil pengujian melalui durability engine.

II.5. Degradasi Biodiesel dan Pembentukan Deposit

Salah satu faktor penyebab bertambahnya jumlah deposit pada mesin diesel diduga kuat berasal dari hasil oksidasi ataupun degradasi termal dari FAME biodiesel [2,3,10] . Deposit yang terbentuk khususnya di injektor diidentifikasi sebagai senyawa garam karboksilat dan polimer [2,16-18] yang merupakan produk degradasi dari biodiesel. Pada sistem common rail adanya kondisi ekstrim berupa pressure stress dan thermal stress terhadap bahan bakar dapat meningkatkan terjadinya degradasi biodiesel dan memperburuk terbentuknya deposit [2,16].

II.5.1 Mekanisme degradasi biodiesel melalui proses oksidasi

Biodiesel sangat mudah terdegradasi bila dibandingkan dengan petroleum diesel karena adanya ikatan tidak jenuh pada rantai asam lemak [2,8,19]. Ikatan rangkap pada FAME diduga kuat berperan dalam memfasilitasi terbentuknya ikatan oksigen membentuk gugus fungsi eter (C-O-C) atau ikatan peroksida (C-O-O-C). Ikatan peroksida akan membentuk senyawa siklis intermediet yang dapat terbuka membentuk asam karboksilat ataupun aldehid atau dapat juga bereaksi dengan rantai asam lemak lain membentuk dimer (polimer) [10].

Gambar 11. Mekanisme pengikatan oksigen dan pembentukan dimer (polimerisasi) asam lemak tak jenuh serta tipe polimer yang mungkin terbentuk [10]

 

Degradasi biodiesel melalui proses oksidasi terjadi melalui pembentukan hidroperoksida (R-O-O-H). Senyawa peroksida merupakan senyawa yang tidak stabil, reaksi lebih lanjut akan menghasilkan senyawa oksidasi sekunder yang dapat menyebabkan degradasi rantai karbon menjadi lebih pendek seperti asam karboksilat, aldehid, keton, atau menyebabakan rantai karbon menjadi molekul yang lebih besar melalui proses polimerisasi [10,20].

Gambar 12. Mekanisme degradasi biodiesel melalui pengikatan oksigen dan pembentukan radikal menghasilkan senyawa polimerisasi dan senyawa asam [21]

II.5.2 Mekanisme Pembentukan Deposit Melalui Degradasi Biodiesel

Asam karboksilat hasil dekomposisi biodiesel dapat menyebabkan korosi dan melarutkan material logam pada komponen kendaraan / engine membentuk deposit garam karboksilat. Garam karboksilat memiliki kecenderungan untuk menjebak senyawa polimer

hasil degradasi biodiesel melalui proses adsorpsi fisika yang dapat melekatkan deposit [2].

Mekanisme yang dikemukakan oleh Omori, et. al. disajikan pada Gambar berikut :

Gambar 13. Mekanisme pembentukan deposit [2]

II.5.3 Penelitian Deposit

Beberapa riset mengenai deposit iantaranya ;

 Martin Mittelbach, 1996 [22]

Kandungan gliserin yang tinggi khususnya trigliserida pada biodiesel akan menyebabkan pembentukan deposit pada nosel, piston dan katup. Maka sangat diperlukan untuk menentukan standarisasi prosedur analisa untuk free gliserol dan masing-masing gliserid (mono, di, tri) sehingga mempermudah dalam hal mengetahui effek dari setiap gliserid terhadap pembentukan deposit.

 Kinoshita, 1998 (dalam literatur [14])

Solusi terbaik untuk mengontrol deposit pada injektor adalah dengan mengisolasi area yang terpapar deposit. Pengurangan deposit pada katup injeksi dengan menyelubungi bodi nosel dari panas yang berasal dari ruang bakar dengan memasan insulasi panas pada bodi injector.

 Yusmady ,2009-2010 [6,9]

Dengan menggunakan metode hot plate test untuk mengetahui karakteristik deposit, hubungan antara deposit dengan permukaan basah. Selain itu juga meneliti tentang pengaruh beberapa jenis biodiesel (palm, coconut) terhadap pembentukan deposit.

 Yung-Sung Lin &Hai-Ping Lin, 2011 [5]

Meneliti spray karakteristik pada emulsified castor biodiesel terhadap emisi dan pembentukan deposit. Dengan meningkatkan tekanan injeksi 5 – 10%, dengan kandungan bahan bakar 82,8% castor biodiesel, 15% air, 2% bioetanol, dan 0,2%

komposit Span-Tween surfaktan bisa menjadi kombinasi yang optimal. Penggunaan aditif antioksidan pada bahan bakar emulsi biodiesel castor untuk mampu menurunkan deposit pada injektor tip.

 Lacey,P., et.al., 2011 [17]

Analisa prekursor deposit pada FIE berupa lack polimer dan garam karboksilat

 Bouilly, J., et.al., 2012 [3]

Kenaikan temperatur injektor, mempercepat degradasi biodiesel pada tanki dan mempercepat kegagalan FIE.

 Liaquat, A. M. et.al., 2014 [23]

Penggunaan B20 palm meningkatkan terbentuknya deposit pada injektor tip, Elemental analisis menunjukkan unsur penyusun deposit : C,O, Fe, Na dll.

II.6. Aditif Antioksidan

Aditif merupakan komponen yang ditambahkan ke dalam bahan bakar dalam jumlah kecil untuk meningkatkan atau merubah properties dari bahan bakar. Semenjak biodiesel dijual bebas, terjadi peningkatan kebutuhan aditif untuk meningkatkan stabilitas dan menghambat korosi yang diakibatkan oleh sifat stabilitas biodiesel yang rendah dan inkompatibilitas biodiesel terhadap beberapa material logam [24].

Aditif berupa antioksidan dapat digunakan untuk mencegah prekursor deposit yang timbul melalui pembentukan peroksida. Dari beberapa penelitian antioksidan mampu menghambat proses degradasi biodiesel secara signifikan [7,8,19].

Antioksidan fenolik menjadi pilihan yang cukup baik karena memiliki donor atom hidrogen dan memiliki bentuk intermediet radikal yang stabil. Penstabilan radikal terjadi melalui resonansi/delokalisasi elektron tak berpasangan disekitar cincin aromatik.

Gambar 14. Mekanisme penstabilan radikal oleh antioksidan jenis fenolik [8]

Beberapa penelitian terkait pemanfaatan aditif antioksidan pada biodiesel disajikan pada tabel berikt;

Tabel 2. Penelitian Antioksidan untuk Biodiesel

Peneliti Antioksidan Konsentrasi Keterangan

Dunn, 2005 [25] BHA, PG 1000-5000

ppm

Peningkatan tajam parameter stabilitas oksidasi pada konsentrasi disekitar 1000 ppm

Tang e.t al. , 2008 [7]

PG, PY, TBHQ, BHA, BHT,

DTBHQ, and IB

250, 500, 1000 ppm

Meningkatkan stabilitas oksidasi

Lin, Y.S., et.

al.,2011 [5]

TBHQ, BHT, BHA

1000 ppm Menurunkan deposit yang terbentuk pada simulator deposit & injektor tip, dengan bahan bakar emulsi biodiesel

Serrano et.

al.,2013 [26]

BHT, PG, Tocopherol

1000 ppm Meningkatkan stabilitas oksidasi untuk memenuhi EN 14214

Dari beberapa penelitian mengenai antioksdian , masih sedikit yang mengkaitkan antara pemnggunaan antioksidan dengan pembentiukan deposit pada mesin .

II.7 Instumentasi untuk Analisa Stabilitas Biodiesel dan Deposit II.7.1. Rancimate

  Stabilitas oksidasi biodiesel diukur dengan menggunakan metode acceleration oxidation, dengan peralatan yang disebut dengan rancimate. Sejumlah sampel dipanaskan pada heating block dengan temperatur tertentu dan dialiri dengan udara dengan laju tertentu..

Gambar 15. Skema Alat Uji Stabilitas Oksidasi Biodiesel (Rancimate) [24]

Produk-produk hasil oksidasi biodiesel yang bersifat volatil (berupa asam karboksilat) ditransfer oleh aliran udara ke tabung pengukuran (measuring vessel) dan terlarut dalam aquades yang dapat menyebabkan perubahan nilai konduktivitas. Konduktivitas dari aquades pada measuring vessel terukur secara terus menerus menghasilkan kurva konduktivitas vs waktu induksi. Kondisi kurva dimana terjadi perubahan konduktivitas secara signifikan (titik belok kurva) disebut dengan waktu induksi / stabilitas oksidasi. Metode rancimate memiliki keterbatasan yaitu hanya mengukur perubahan konduktivitas yang disebabkan oleh hasil oksidasi berupa asam karboksilat yang bersifat volatil dan dapat ditransfer ke dalam measuring vessel, sementara hasil degradasi biodiesel berupa deposit / berupa asam yang lebih berat yang mungkin terbentuk selama oksidasi tidak ikut terukur. Meskipun demikian metode ini telah diakui secara internasional yang dituangkan ke dalam bentuk standard pengukuran AOCS Cd 12b-92, ISO 6886, EN 15751 dan telah diadopsi ke dalam standard nasional Indonesia SNI 7182:2012 .

II.7.2. FTIR (Fourier Transform Infra Red)  

FTIR merupakan metode analisis material dengan menggunakan spektroskopi sinar infra merah. Dalam spektroskopi sinar infra merah, radiasi sinar infra merah ditembakkan ke molekul. Sebagian radiasi sinar infra merah tersebut diserap (diadsorpsi) oleh molekul dan sebagian lagi diteruskan (ditransmisikan) menghasilkan sebuah spektrum yang dapat digunakan untuk identifikasi suatu molekul. Instrumen FTIR memiliki 5 komponen utama.

Berikut ini adalah komponen-komponen yang terintegrasi dalam instrument FTIR.

1. Sumber sinar infra merah 2. Interferometer

3. Sampel

4. Detektor 5. Komputer

Gambar 16. Skema Instrumentasi FTIR [27].

Spektrum inframerah didapatkan dengan cara melewatkan radiasi pada sampel dan menentukan fraksi yang terserap pada bilangan gelombang tertentu. Energi dari setiap puncak yang muncul berhubungan dengan frekuensi vibrasi dari molekul tersebut. Spektrum inframerah dapat dibagi menjadi tiga daerah utama, yaitu inframerah jauh (400-40 cm-¹), inframerah tengah (4000-400 cm^-1) dan inframerah dekat (13.000-4000 cm^-1). Aplikasi inframerah banyak menggunakan pada wilayah inframerah tengah, tetapi inframerah daerah dekat dan jauh juga memberikan informasi penting tentang bahan tertentu. Skala ordinat dapat disajikan dalam presentase transmitansi atau absorbansi sebagai ukuran intensitas spektra.

Gambar 17. Serapan Inframerah Tengah dan Keberadaan Gugus Fungsi Molekul [28].

 

III.1. Tempat Penelitian

Penelitian ini dilakukan di laboratorium Balai Termodinamika Motor dan Propulsi (BTMP-BPPT).

III.2. Bahan Baku

Bahan baku yang digunakan dalam penelitian ini meliputi :

1. Bahan bakar biodiesel : biodiesel sawit ( PT Darmex), biodiesel jarak (BRDST) 2. Aditif Antioksidan : PG (merck), BHA (Sigma Aldrich), BHT technical grade

(Brataco Chemika)

3. Bahan bakar solar (SPBU Pertamina)

4. Plat tipis stainless steel (SUS 304 55x55x0.02 mm)

III.3. Alat Uji

III.3.1. Analisa Properties Bahan Bakar Biodiesel III.3.1.a.Pengukuran Angka Asam

Angka asam biodiesel diukur dengan metode titrasi dengan mengunakan buret ukur dan magnetic stirer dengan mengacu pada standard pengujian AOCS Cd 3-63.

 

III.3.1.b.Pengukuran Densitas

Pengukuran densitas dilakukan dengan menggunakan alat densitimeter Anton Paar DMA4100M.

III.3.1.c.Pengukuran Viskositas

Pengukuran viskositas dilakukan dengan menggunakan Stabinger Viscometer Anton Paar SVM 3000.

III.3.1.d.Analisa Komposisi FAME

  Komposisi kandungan asam lemak biodiesel dilakukan dengan menggunakan GC-FID di lab. Terpadu IPB.

III.3.1.e.Analisa Stabilitas Oksidasi Biodiesel

Analisa stabilitas oksidasi biodiesel dilakukan dengan menggunakan perlatan rancimate dengan standard metode uji EN 15751 atau SNI 7182:2012.

III.3.2. Pengujian Campuran Bahan Bakar dan Aditif pada Simulator Deposit

  Gambar 18.Skema simulator deposit

  Keterangan :

1 : Modul termokopel tipe K (Max6675) 9 : Cover transparan 2 : Mikrokontroler Arduino Uno R3 10 : Jarum

3 : Power Supply 24 V DC & Relay Solenoid 11 : Holder plat tipis stainless steel 4 : Laptop, penyimpan data temperatur &

pemrogram mikrokontroler

12 : Shim Plate Stainless steel SUS 304 (55x55x0.02 mm)

5 : Droping bahan bakar (Prinsip Mariote Siphon ) 13 : Indikator seting temperatur hot plate

6 : Valve 14 : Pengatur temperatur dengan skala 5⁰C

7 : Termokopel tipe K 15 : Sensor IR

8 : Solenoid Valve Shako PU220AR02-24V 16 : Video Camera  

III.3.2.a.Diameter tetesan bahan bakar

  Diameter tetesan bahan bakar diukur dengan menggunakan kamera digital dan software scion image 4.02

III.3.2.b.Waktu Evaporasi Bahan Bakar

  Waktu evaporasi satu tetes bahan bakar dilakukan dengan menggunakan kamera video.

III.3.2.c.Berat Deposit

  Berat deposit pada plat tipis ditimbang dengan menggunakan timbangan partikulat Sartorius M5P dengan range 0-3g deviasi: 1µg.

III.3.2.d.

  A

menggun

III.3.3. P P menjalan lampu ya bakar di menguku

(Po

 

III.3.3.a.

M dengan sp

Tabel 3. S

. Analisa Gu Analisa gugu

nakan spektr

Pengujian B Pengujian b nkan mesin y ang dapat d suplai dari ur konsumsi

ower Analyzer)

. Spesifikasi Mesin yang d

pesifikasi se

Spesifikasi M

ugus Fungs us fungsi d rofotometer F

Bahan Bakar bahan bakar yang terhubu diatur sebera tangki yang bahan bakar

)

Gambar 19.

i Mesin Uji digunakan u ebagai beriku

Mesin Uji En Ty

No Di Bo Co Ou Ma Fu

i Deposit deposit yang

FTIR. Anali

r dan Aditif r biodiesel ung dengan g apa besar be g dihubungk r.

(Mes . Skema peng

untuk penguj ut :

ngine Model ype

o.Of Cylinder splacement ore x Stroke ontinous utput

ax Rated Outp uel tank capac

g terbentuk sa dilakukan

f pada Mesi tanpa dan generator da eban yang d kan dengan

sin & generato gujian bahan b

ujian adalah

L48 4stro dies rs 1

0.21 70 x Rated 2.8 k

put 3.1 k

city 2.4 l

pada plat n di Lab. Sen

in Genset n dengan a an dummy lo diinginkan s selang ke m

or)

bakar pada me

mesin diese

8N

oke, vertica el engine, dir

19 l x 57 (mm)

kW at 3000 rp

kW at 3000 rp l

panas dilak ntra Teknolo

aditif dilaku oad berupa b

selama peng mesin dan ke

(Smo esin

el satu silind

l cylinder, rect injection

pm

pm

kukan denga ogi Polimer.

ukan denga beberapa bua gujian. Baha e buret untu

oke Meter)

der stationar

air cooled an

an ah an uk

ry

Gambar 20 . Kurva performance mesin diesel Yanmar L48N6 MTMYI dengan menggunakan bahan bakar B100 [14]

 

III.3.3.b. Pembebanan

Untuk pembebanan mesin selama pengujian digunakan generator dan beberapa lampu yang dapat diatur besaran pembebanannya. Besarnya beban pada saat pengujian termonitor dengan menggunakan peralatan power quality analyzer. Spesifikasi generator yang digunakan disajikan dalam Tabel berikut ;

Tabel 4. Spesifikasi Generator Type ST-3

Power 3 kW

Voltage 220/110 V

I 13.5/27.1 A

Frequency 50hz

N 1500 rpm

 

III.3.3.c .Siklus Pengujian

  Pengujian bahan bakar biodiesel tanpa dan dengan aditif pada engine dilakukan pada setting beban konstan sebesar 1.8 KW (70% load dari beban maksimal yang dapat dijalankan mesin dengan menggunakan bahan bakar B100). Pengujian dilakukan selama 10 jam perhari selama 7 hari untuk masing-masing variasi bahan bakar.

 

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

1,250 1,500 1,750 2,000 2,250 2,500 2,750 3,000 3,250 3,500 3,750

Engine Power (KW)

Putaran Engine (rpm)

III.3.3.d. Pengukuran Konsumsi Bahan Bakar

  Pengukuran konsumsi bahan bakar dilakukan dengan menggunakan buret ukur dan dilakukan pengukuran setiap jam selama pengujian berlangsung. Pengukuran bahan bakar dilakukan dengan menghitung waktu aliran bahan bakar selama volume tertentu. Perhitungan konsumsi bahan bakar atau LFF (liquid fuel flow) adalah sebagai berikut :

3600 1000 dimana :

LFF = liquid fuel flow (l/jam) adalah aliran bahan bakar v = volume bahan bakar yang diukur = 10 mL.

tb = waktu pengukuran bahan bakar (detik)

Untuk perhitungan nilai konsumsi bahan bakar spesifik digunakan nilai densitas biodiesel B100 hasil pengukuran dengan densitimeter sebesar 875 kg/m³.

III.3.3.f. Pengukuran Putaran

Untuk mengukur putaran digunakan tachometer, putaran mesin di setting untuk mendapatkan putaran generator 1500 rpm dengan cara mengatur posisi throttle mesin.

Pengecekan putaran generator maupun mesin dilakukan setiap jam untuk memastikan putaran tetap stabil dan memastikan rasio putaran antara putaran mesin dan putaran generator tidak berubah.

 

III.3.3.g. Pengukuran Temperatur Oli dan Exhaust

Termokopel digunakan untuk mengukur temperatur oli dan exhaust selama mesin dijalankan, hasil pengukuran dari termokopel terlihat pada display Autonics T4WM.

Pengukuran temperatur oli selain untuk mencegah mesin dari kerusakan dapat digunakan untuk menganalisa kinerja oli pada mesin. 

III.3.3.h. Pengukuran Smoke

   Pengukuran smoke dilakukan dengan menggunakan peralatan smoke meter AVL 415s dengan spesifikasi sebagai berikut :

Measurement principle: Measurement of filter paper blackening

Measured value output: FSN (filter smoke number) or mg/m³ (soot concentration) Measurement range: 0 to 10 FSN

Detection limit: 0.002 FSN or ~ 0.02 mg/m³ Resolution: 0.001 FSN or 0.01 mg/m³  

III.3.3.i.

U dilakukan metode mengeva menggun diolah leb mendapa volume m

1.Pengam

 

Untuk m 1. im

p sk d 2. k fi in

III.3.3.j.

 

  D

peralatan

Estimasi Pe Untuk melih

n estimasi image proc aluasi pertu nakan kamer bih lanjut de atkan titik-ti

melalui prose

mbilan foto m

Gam melakukan pe

mage2koord engambilan kala gambar an Z) dalam koordinat2vo

ile *txt yang njektor 3D d

Penimbang

Deposit yang n spatula, ha

ertumbuhan hat terjadiny

volume dep cessing mer umbuhan d ra makro den engan meng itik koordin es integrasi.

makro 2.O

mbar 21. Alur engolahan da dinat.m untu

foto. Input r dan setting m file *txt dan

olume.m un g dihasilkan dan estimasi v

gan deposit

g terbentuk p asil deposit

n Volume D ya pertumbu posit mengg rupakan me deposit. Pe

ngan interva gunakan sof nat, visualisa

Output image

pengolahan d ata foto dibu

uk mengolah berupa file

level im2bw n visualisasi ntuk estimas n oleh imag volume hasi

pada komp

pada piston ditampung

Deposit pada uhan dan p gunakan me etode yang engambilan

al sudut pen ftware foto e

asi injektor

e2koordinat.

data foto injek at 2 buah M h foto menja foto injektor w (0-1). Outp

grafik.

si volume de e2koordinat il integrasi.

ponen engin

dan silinder pada kerta

a Injektor pelepasan d

etode fotogr paling mu foto injek gambilan ga editing dan p dalam ben

m 3.Outp

ktor dengan M file MATL adi data koo r (*png), sud put berupa k

eposit melalu .m. Output

ne

r head diker as saring pa

eposit pada rafi. Pendek ungkin dila ktor dilaku ambar terten program MA ntuk grafik

put koordina

MATLAB LAB yaitu :

ordinat untuk dut pengamb koordinat pol

ui integrasi, berupa visu

rok dengan m artikulat (Pa

a injektor ti katan denga akukan untu ukan denga ntu. Hasil fot ATLAB untu dan estima

at2volume.m

k setiap sudu bilan gamba lar (Teta, Rh

input berup ualisasi grafi

menggunaka mflex Emfa ip an uk an to uk asi

ut ar, ho

pa fik

an ab