BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Biodiesel
2.1.1 Sejarah Biodiesel
Biodiesel pertama kali dikenalkan di Afrika selatan sebelum perang dunia II sebagai bahan bakar kenderaan berat. Biodiesel didefinisikan sebagai metil/etil ester yang diproduksi dari minyak tumbuhan atau hewan dan memenuhi kualitas untuk digunakan sebagai bahan bakar di dalam mesin diesel. Sedangkan minyak yang didapatkan langsung dari pemerahan atau pengempaan biji sumber minyak (oilseed), yang kemudian disaring dan dikeringkan (untuk mengurangi kadar air), disebut sebagai minyak lemak mentah. Minyak lemak mentah yang diproses lanjut guna menghilangkan kadar fosfor (degumming) dan asam-asam lemak bebas (dengan netralisasi dan steam refining) disebut dengan refined fatty oil atau straight vegetable oil (SVO).
SVO didominasi oleh trigliserida sehingga memiliki viskositas dinamik yang sangat tinggi dibandingkan dengan solar (bisa mencapai 100 kali lipat, misalkan pada Castor Oil). Oleh karena itu, penggunaan SVO secara langsung di dalam mesin diesel umumnya memerlukan modifikasi/tambahan peralatan khusus pada mesin, misalnya penambahan pemanas bahan bakar sebelum sistem pompa dan injektor bahan bakar untuk menurunkan harga viskositas. Viskositas (atau kekentalan) bahan bakar yang sangat tinggi akan menyulitkan pompa bahan bakar dalam mengalirkan bahan bakar ke ruang bakar. Aliran bahan bakar yang rendah akan menyulitkan terjadinya atomisasi bahan bakar yang baik. Buruknya atomisasi berkorelasi langsung dengan kualitas pembakaran, daya mesin, dan emisi gas buang.
lemak (fatty acid methyl ester - FAME) yang memiliki berat molekul lebih kecil dan viskositas setara dengan solar sehingga bisa langsung digunakan dalam mesin diesel konvensional. Biodiesel umumnya diproduksi dari refined vegetable oil menggunakan proses transesterifikasi. Proses ini pada dasarnya bertujuan mengubah [tri, di, mono] gliserida berberat molekul dan berviskositas tinggi yang mendominasi komposisi refined fatty oil menjadi asam lemak methil ester (FAME).
Konsep penggunaan minyak tumbuh-tumbuhan sebagai bahan pembuatan bahan bakar sudah dimulai pada tahun 1895 saat Dr. Rudolf Christian Karl Diesel (Jerman, 1858-1913, Gambar 2.1) mengembangkan mesin kompresi pertama yang secara khusus dijalankan dengan minyak tumbuh-tumbuhan. Mesin diesel atau biasa juga disebut Compression Ignition Engine yang ditemukannya itu merupakan suatu mesin motor penyalaan yang mempunyai konsep penyalaan di akibatkan oleh kompressi atau penekanan campuran antara bahan bakar dan oksigen didalam suatu mesin motor, pada suatu kondisi tertentu. Konsepnya adalah bila suatu bahan bakar dicampur dengan oksigen (dari udara) maka pada suhu dan tekanan tertentu bahan bakar tersebut akan menyala dan menimbulkan tenaga atau panas. Pada saat itu, minyak untuk mesin diesel yang dibuat oleh Dr. Rudolf Christian Karl Diesel tersebut berasal dari minyak sayuran. Tetapi karena pada saat itu produksi minyak bumi (petroleum) sangat melimpah dan murah, maka minyak untuk mesin diesel tersebut digunakan minyak solar dari minyak bumi. Hal ini menjadi inpirasi terhadap penerus Karl Diesel yang mendesain motor diesel dengan spesifikasi minyak diesel.
2.1.2 Definisi Biodiesel
Biodiesel merupakan bahan bakar yang terdiri dari campuran mono-alkil ester dari rantai panjang asam lemak, yang dipakai sebagai alternatif bagi bahan bakar dari mesin diesel dan terbuat dari sumber terbaharui seperti minyak sayur atau lemak hewan.
Sebuah proses dari transesterifikasi lipid digunakan untuk mengubah minyak dasar menjadi ester yang diinginkan dan membuang asam lemak bebas. Setelah melewati proses ini, tidak seperti minyak sayur langsung, biodiesel memiliki sifat pembakaran yang mirip dengan diesel (solar) dari minyak bumi, dan dapat menggantikannya dalam banyak kasus. Namun, dia lebih sering digunakan sebagai penambah untuk diesel petroleum, meningkatkan bahan bakar diesel petrol murni ultra rendah belerang yang rendah pelumas.
Biodiesel merupakan kandidat yang paling baik untuk menggantikan bahan bakar fosil sebagai sumber energi transportasi utama dunia, karena biodiesel merupakan bahan bakar terbaharui yang dapat menggantikan diesel petrol di mesin sekarang ini dan dapat diangkut dan dijual dengan menggunakan infrastruktur zaman sekarang.
Penggunaan dan produksi biodiesel meningkat dengan cepat, terutama di Eropa, Amerika Serikat, dan Asia, meskipun dalam pasar masih sebagian kecil saja dari penjualan bahan bakar. Pertumbuhan SPBU membuat semakin banyaknya penyediaan biodiesel kepada konsumen dan juga pertumbuhan kendaraan yang menggunakan biodiesel sebagai bahan bakar.
Dibandingkan dengan solar, biodiesel memiliki kelebihan diantaranya (Hambali, 2007) :
1. Bahan bakar ramah lingkungan karena menghasilkan emisi yang jauh lebih baik (free sulphur, smoke number rendah)
3. Memiliki sifat pelumasan terhadap piston mesin 4. Dapat terurai (biodegradable)
5. Merupakan renewable energy karena terbuat dari bahan alam yang dapat diperbaharui
6. Meningkatkan independensi suplai bahan bakar karena dapat diproduksi secara lokal
Menurut Syah (2006), karakteristik emisi pembakaran biodiesel dibandingkan dengan solar adalah sebagai berikut :
1. Emisi karbon dioksida (CO2) netto berkurang 100% 2. Emisi sulfur dioksida berkurang 100%
3. Emisi debu berkurang 40-60%
4. Emisi karbon monoksida (CO) berkurang 10-50% 5. Emisi hidrokarbon berkurang 10-50%
6. Hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH = polycyclic aromatic hydrocarbon) berkurang, terutama PAH beracun seperti : phenanthren berkurang 98%, benzofloroanthen berkurang 56%, benzapyren berkurang 71%, serta aldehidadan senyawa aromatik berkurang 13%.
Belerang mg/kg 13 Maks 100 Maks 50
Fosfor mg/kg 0.98 Maks 10 Maks 1 0.03
Gliserol Bebas %wt 0.0091 Maks 0.02 Maks 0.02 0.0045
Gliserol Total %wt 0.2086 Maks 0.24 Maks 0.24 0.053
Kadar Ester
Alkil
%wt 99.56 Min 96.5 98.997
Uji halphen Negatif Negatif Negatif
Sumber : Badan Standarisasi Nasional (2006) European Commision (2007)
Tjahjana dan Pranowo (2010) Kartika et al. (2011)
2.1.3. Pembuatan biodiesel
Gambar 2.2 Teknologi Konversi Biodiesel [13]
2.1.3.1 Esterifikasi
Ester merupakan salah satu gugus dari fungsi dari senyawa karbon. Ester adalah senyawa dengan gugus fungsi – COO – dengan struktur R – COO – R, dimana R merupakan suatu rantai karbon atau atom H, sedangkan R merupakan rantai karbon. Ester mempunyai rumus umum CnH2nO2. Pemberian nama ester
terdiri dari dua kata yaitu gugus alkil (berasal dari alkoksi) diikuti dengan nama asam karboksilatnya dengan menghilangkan kata asam. Gugus atom yang terikat pada atom O (Gugus R) diberi nama alkil dan gugus R – COO – H diberi nama alkanoat.
2.1.3.2 Transesterifikasi
Transesterifikasi adalah pertukaran alkohol dengan suatu ester untuk membentuk ester yang baru. Reaksi ini bersifat reversible dan berjalan lambat tanpa adanya katalis. Penggunaan alcohol atau mengambil alih salah satu produk adalah langkah untuk mendorong reaksi kearah kanan atau produk.
Beberapa kondisi reaksi yang mempengaruhi konversi serta perolehan biodiesel melalui transesterifikasi adalah sebagai berikut:
1. Pengaruh air dan asam lemak bebas
Minyak nabati yang akan di transesterifikasi hasrus memiliki angka asam yang lebih kecil dari 1. Banyak peneliti yang menyarankan agar kandungan asam lemak bebas lebih kecil dari 0.5%. Selain itu, semua bahan yang akan digunakan harus bebas dari air. Karena air akan bereaksi dengan katalis, sehingga jumlah katalis menjadi berkurang. Katalis harus terhindar dari udara agar tidak mengalami reaksi dengan uap air dan karbon dioksida.
2. Perbandingan pengaruh molar alkohol dengan bahan mentah
Secara stoikiometri, jumlah alkohol yang dibutuhkan untuk reaksi adalah 3 mol untuk setiap 1 mol trigliserida, untuk memperoleh 3 mol alkil ester dan 1 mol gliserol. Perbandingan alkohol dengan minyak nabati 4.8:1 dapat menghasilkan konversi 98%. Secara umum ditunjukkan bahwa semakin banyak jumlah alkohol yang digunakan maka konversi yang didapat akan semakin bertambah. Pada rasio molar 6:1, setelah satu jam konversi yang dihasilkan adalah 98 – 99%, sedangkan pada 3:1 adalah 74
– 89%. Nilai perbandingan yang terbaik adalah 6:1 karena menghasilkan konversi yang maksimum.
3. Pengaruh jenis alkohol
Pada rasio 6:1, methanol akan memberikan perolehan ester yang tertinggi dibandingkan dengan menggunakan etanol atau butanol.
Alkali katalis (katalis basa) akan mempercepat reaksi transesterifikasi bila dibandingkan dengan katalis asam. Katalis basa yang paling popular untuk reaksi transesterifikasi adalah natrium hidroksida (NaOH), kalium hidroksida (KOH). Katalis sejati bagi reaksi sebenarnya adalahion metilat (metoksida). Reaksi transesterifikasi akan menghasilkan konversi yang maksimum dengan jumlah katalis 0.5 – 1.5% berat minyak nabati.
5. Metanolisis Crude dan Refined minyak nabati
Perolehan metal ester akan lebih tinggi jika menggunakan minyak nabati refined. Namun apabila produk metal ester akan digunakan sebagai bahan bakar mesin diesel, cukup digunakan bahan baku berupa minyak yang telah dihilangkan getahnya dan disaring.
6. Pengaruh temperature
Reaksi transesterifikasi dapat dilakukan pada temperatur 30 – 65% (titik didih metanol sekitar 65oC) Semakin tinggi temperatur, konversi yang diperoleh akan semakin tinggi untuk waktu yang lebih singkat.
2.2 Biodiesel dari bahan-bahan lainnya
2.2.1 Biodiesel dengan Bahan Baku Biji Karet
56% dari berat kernel. Karakteristik biodiesel sesuai dengan yang distandarisasikan, yaitu densitas 0,8565 g/ml, angka asam 0,49, angka iod 62,88, kadar ester 97,2%, flash point 178°C dan panas pembakaran 16183 J/g.
2.2.2 Biodiesel dengan Bahan Baku Kelapa
Minyak kelapa diperoleh dari buah tanaman kelapa atau Cocos
Pada pembuatan minyak kelapa yang menjadi bahan baku utamanya adalah daging kelapa. Minyak kelapa berdasarkan kandungan asam lemak, Tabel 2.2, digolongkan ke dalam minyak asam laurat, karena kandungan asam lauratnya paling besar jika dibandingkan dengan asam lemak lainnya. Berdasarkan tingkat ketidakjenuhannya yang dinyatakan dengan bilangan iod (iodine va lue), maka minyak kelapa dapat dimasukkan ke dalam golongan non drying oils, karena bilangan iod minyak tersebut berkisar antara 7,5 – 10,5.
Tokoferol mempunyai tiga isomer, yaitu α-tokoferol (titik cair 158o-160oC), -tokoferol (titik
cair 138o-140oC) dan -tokoferol. Persenyawaan tokoferol bersifat tidak dapat disabunkan, dan berfungsi sebagai anti oksidan.
Warna coklat pada minyak yang mengandung protein dan karbohidrat bukan disebabkan oleh zat warna alamiah, tetapi oleh reaksi browning. Warna ini merupakan hasil reaksi dari senyawa karbonil (berasal dari pemecahan peroksida) dengan asam amino dari protein, dan terjadi terutama pada suhu tinggi. Warna pada minyak kelapa disebabkan oleh zat warna dan kotoran – kotoran lainnya.
Zat warna alamiah yang terdapat pada minyak kelapa adalah karoten yang merupakan hidrokarbon tidak jenuh dan tidak stabil pada suhu tinggi. Pada pengolahan minyak menggunakan uap panas maka warna kuning yang disebabkan oleh karoten akan mengalami degradasi. Daging buah kelapa dapat diolah menjadi santan (juice extract). Santan kelapa ini dapat dijadikan bahan penganti susu atau dijadikan minyak.
Tabel 2.2 Komposisi Asam Lemak Minyak Kelapa
Asam lemak Rumus kimia Jumlah ( % )
Asam linoleat C17H31COOH 1,5 – 2,5
2.2.3 Biodiesel dengan Bahan Baku Sawit
Tanaman kelapa sawit (Elaeis guinensis) berasal dari Guinea di pesisir Afrika Barat, kemudian diperkenalkan ke bagian Afrika lainnya, Asia Tenggara dan Amerika Latin sepanjang garis equator (antara garis lintang utara 15o dan lintang selatan 12o). Kelapa sawit tumbuh baik pada daerah iklim tropis, dengan suhu antara 24 oC - 32 oC dengan kelembaban yang tinggi dan curah hujan 200 mm per tahun. Kelapa sawit mengandung kurang lebih 80% perikarp dan 20% buah yang dilapisi kulit yang tipis. Kandungan minyak dalam perikarp sekitar 30% – 40%. Kelapa sawit menghasilkan dua macam minyak yang sangat berlainan sifatnya, yaitu :
1. Minyak sawit (CPO), yaitu minyak yang berasal dari sabut kelapa sawit
2. Minyak inti sawit (CPKO), yaitu minyak yang berasal dari inti kelapa sawit
Pada umumnya minyak sawit mengandung lebih banyak asam-asam palmitat, oleat dan linoleat jika dibandingkan dengan minyak inti sawit. Minyak sawit merupakan gliserida yang terdiri dari berbagai asam lemak, sehingga titik lebur dari gliserida tersebut tergantung pada kejenuhan asam lemaknya. Semakin jenuh asam lemaknya semakin tinggi titik lebur dari minyak sawit tersebut. Karakteristik minyak sawit ditunjukkan pada Tabel 2.3 berikut ini:
Tabel 2.3 Karakteristik Minyak Sawit
Karakteristik Nilai
Specific Gravity pada 37,8 oC 0,898-0,901
Iodine Value 44 – 58
Unsaponification Value, % < 0,8
Titer, C 40 – 47
Komponen penyusun minyak sawit terdiri dari trigliserida dan non trigliserida. Asam- asam lemak penyusun trigliserida terdiri dari asam lemak jenuh dan asam lemak tak jenuh seperti ditunjukkan pada Tabel 2.4 berikut:
Tabel 2.4 Komposisi Komponen Trigliserida Asam Lemak pada Minyak
Tabel 2.5 Kandungan Minor (Komponen non-Trigliserida) Minyak Sawit
2.3 Komposisi Bahan Baku
Sistematika wijen menurut Van-Rheenen (1981) cit Suprijono dan Sunardi (1996) masuk ke dalam divisi Spermatophyta, sub-divisi Angiospermae, class Dicotyledoneae, ordo Solanales (Tubiflorae), famili Pedaliaceae, genus Sesamum, spesies Sesamum indicum. Wijen diperkirakan berasal dari Benua Afrika dan pertama kali dibudidayakan di Ethiopia. Karena itu diduga daerah asal wijen dari Ethiopia, tetapi sampai sekarang tidak tersedia data yang menyebutkan secara jelas asal usul wijen. Wijen digunakan untuk bahan baku aneka industri, termasuk industri makanan dan minyak goreng. Minyak wijen mempunyai asam lemak jenuh rendah, sehingga tidak berbahaya jika dikonsumsi oleh penderita kolesterol tinggi (Rismunandar, 1976).
Gambar 2.3 Tumbuhan Wijen
Indonesia memiliki potensi alamiah yang bagus untuk mengembangkan sektor pertanian, salah satu sub sektor dari sektor pertanian adalah sektor perkebunan. Sebagai suatu kepulauan yang terletak di daerah tropis sekitar khatulistiwa, Indonesia memiliki beragam jenis tahan yang mampu menyuburkan tanaman, sinar matahari yang konsisten sepanjang tahun, konsisi alam yang memenuhi persyaratan tumbuh tanaman, dan curah hujan rata-rata per tahun yang cukup tinggi, semua kondisi itu merupakan faktor-faktor ekologis yang baik untuk membudidayakan tanaman perkebunan (Rahardi, 1993).
kedelai tersebar mulai dari kawasan Laut Tengah, seperti Yunani dan Turki, hingga Jepang dan semenanjung Korea.
Afrika daerah tropis diduga merupakan daerah asalnya, yang lalu tersebar ke timur hingga ke India dan Tiongkok. Di Afrika Barat ditemukan pula kerabatnya, S. Ratiatum Schumach. dan S. Alabum Thom, yang di sana dimanfaatkan daunnya sebagai lalap. S. ratiatum juga mengandung minyak, tetapi mengandung rasa pahit karena tercampur dengan saponin yang juga beracun. Saat ini, wijen ditanam terutama di India, Tiongkok, Mesir, Turki, Sudan, serta Meksiko dan Venezuela.
Biji wijen juga dimanfaatkan untuk membuat minyak nabati. Minyak dari biji tanaman ini mengandung antioksidan yang mampu mencegah tumbuhnya penyakit. Negara Amerika memanfaatkan antioksidan dari biji wijen untuk carrier obat suntik dan bahan pengawet alami. Minyak biji wijen mengandung asam lemak tak jenuh tinggi yang mampu mengikat kolesterol dalam darah sehingga aman jika dikonsumsi penderita kolesterol tinggi. Negara dengan tingkat konsumsi wijen tinggi adalah Jepang, Korea, Eropa, dan Amerika Serikat, negara yang tergolong sebagai negara maju dan kaya. Sedangkan produsen biji wijen dunia umumnya adalah negara berkembang. China, India, Bangladesh serta Indonesia merupakan negara dengan produsen biji wijen tinggi di dunia. Tanaman wijen termasuk tanaman tropis sehingga cocok untuk tanah Indonesia. Tanaman dengan nama latin sesamum indicum L dapat ditanam di daerah kering. Beberapa daerah di Indonesia menanam wijen di lahan kering saat musim penghujan dan ditanam pada lahan sawah di musim kemarau. Wijen yang ditanam di lahan sawah biasanya setelah tanam padi sehingga digunakan sebagai tanaman rotasi sebelum ditanami padi kembali.
tergantung dari varietas yang ditanam. Tinggi tanaman wijen dapat mencapai 1,52 meter.
Bunga wijen nampak seperti terompet, dengan warna putih dan muncul di sela-seladaun. Buah wijen berbentuk polong dengan ujung runcing serta mempunyai ruang di dalamnya. Ruang buah atau sering disebut juga dengan rongga buah merupakan tempat biji menempel. Jumlah rongga buah (lokul) juga bervariasi, ada yang berlokul 4 dan ada pula yang berlokul 8. Seperti buah pada kacang hijau dan kedelai, buah wijen sangat rentan pecah apalagi kalau sudah mengering. Biji akan menyebar dari buah wijen dan jatuh dengan sendirinya saat pecah buah.
Kehilangan hasil terbesar disebabkan oleh pecah biji dan terjadi apabila terlambat memanen. Buah wijen dapat dipanen apabila daun wijen telah menguning dan mulai rontok. Biji wijen, Gambar 2.4, berbentuk pipih dan halus di permukaan. Warna biji ada yang berwarna putih dan ada pula yang hitam. Cara memanen dapat dilakukan dengan memotong batang wijen kemudian mengumpulkannya menjadi satu. Batang yang sudah dipotong kemudian dikeringkan dalam terpal plastik atau pada lantai jemur. Biji akan keluar dengan sendirinya apabila buah telah kering atau dapat dilakukan juga dengan menggilang buah kering sehingga biji keluar.
Gambar 2.4 Biji Wijen Putih
memisahkan biji wijen dengan kulit buah secara manual karena tanaman wijen masih di tanam dalam luas area lahan yang kecil.
Wijen (Sesamum indicum L), merupakan komoditas perkebunan, Gambar 2.5, yang potensial. Berdasarkan hasil analisis ekonomi, komoditas wijen memiliki nilai ekonomi tinggi dan multiguna. Prospek ekonomi wijen cenderung makin cerah untuk diangkat sebagai komoditas perdagangan antar negara dunia karena kebutuhan wijen semakin meningkat terutama berupa minyak wijen. Biji wijen merupakan komoditas pendukung aneka industri dan menghasilkan minyak makan yang berkadar lemak jenuh rendah. Produktifitas wijen di Indonesia masih relatif rendah, sekitar 300-400 kg/ha. Wijen di Australia mampu menghasilkan lebih dari 1 ton. Menurut Wirawan dan Wahyuni (2002) berdasarkan komposisi kimia benih dikatakan berlemak (oily seed) jika memiliki kandungan lemak antara 18-50%. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa benih wijen termasuk benih berlemak (oily seed).
Gambar 2.5 Kebun Wijen
pembuatan kue. Seperti onde-onde, roti, dll. Padahal wijen mengandung banyak minyak. Minyak tersebut merupakan minyak tidak jenuh yang dapat digunakan untuk menurunkan kolesterol. Dalam hal ini mengekstrak minyak dari biji wijen untuk memperoleh rendemen yang optimal dengan mengepres bahan menggunakan mesin pengepresan diawali perlakuan pendahuluan berupa pemanasan. Pemanasan dapat memecah dinding sel biji sehingga minyak dapat mudah keluar.
Gambar 2.6 Biji Wijen
Di Indonesia, tanaman wijen banyak dibudidayakan di daerah Jawa Tengah dan Jawa Timur. Tanaman wijen bukan merupakan komoditas utama bagi petani. Tanaman ini hanya dijadikan sebagai tanaman sampingan. Di daerah Ngawi Jawa Timur, wijen banyak ditanam di lahan kering dan ditumpangsarikan dengan tanaman lain. Sedangkan di daerah Sukoharjo dan Klaten Jawa Tengah, tanaman wijen ditanam di lahan sawah ketika musim kemarau telah tiba. Wijen dijadikan sebagai tanaman rotasi yang berfungsi untuk memutus siklus hama padi, namun hasil wijen yang ditanam di lahan sawah lebih tinggi daripada wijen lahan kering.
belum banyak dikenal oleh petani di Indonesia. Hanya beberapa daerah saja di Indonesia yang mengembangkan tanaman wijen.
2.4 Mesin Diesel
Mesin diesel ditemukan pada tahun 1892 oleh Rudolf Diesel, yang menerima paten pada 23 Februari 1893. Diesel menginginkan sebuah mesin untuk dapat digunakan dengan berbagai macam bahan bakar termasuk debu batu bara. Dia mempertunjukkannya pada Exposition Universelle (Pameran Dunia) tahun 1900 dengan menggunakan minyak kacang (Biodiesel) Kemudian diperbaiki dan disempurnakan oleh Charles F. Kettering.
Mesin diesel juga disebut “Motor Penyalaan Kompresi” oleh karena
penyalaannya dilakukan dengan menyemprotkan bahan bakar ke dalam udara yang telah bertekanan dan bertemperatur ringgi sebagai akibat dari proses kompresi di dalam ruang bakar. Agar bahan bakar diesel dapat terbakar dengan sendirinya, maka perbandingan kompresi mesin diesel harus berkisar antara 15 – 22, sedangkan tekanan kompresinya mencapai 20 – 40 bar dengan suhu 500 – 700
0
C. Aplikasi dari motor diesel banyak pada industri-industri sebagai motor stasioner ataupun untuk kendaraan-kendaraan dan kapal laut dengan ukuran yang besar. Hal ini dikarenakan motor diesel mengkonsumsi bahan bakar ± 25% lebih rendah dari motor bensin, lebih murah dan perawatannya lebih sederhana (Kubota, S., dkk, 2001).
Mesin diesel menghasilkan tekanan kerja yang tinggi, itu sebabnya konstruksi motor diesel lebih kokoh dan lebih besar. Disamping itu, mesin diesel menghasilkan bunyi yang lebih keras, warna dan bau gas yang kurang menyenangkan. Namun dipandang dari segi ekonomi, bahan bakar serta polusi udara, motor diesel masih lebih disukai (Mathur, 1980).
Gambar 2.7 Diagram P-V [17]
Keterangan Gambar:
P = Tekanan (atm)
V = Volume Spesifik (m3/kg)
T = Temperatur (K)
S = Entropi (kJ/kg.K)
Diagram T-S
Gambar 2.8 Diagram T-S [12]
1-2 Kompresi Isentropik
2-3 Pemasukan Kalor pada Volume Konstan 3-4 Ekspansi Isentropik
4-1 Pengeluaran Kalor pada Volume Konstan
Ruang bakar pada motor diesel lebih rumit dibanding ruang bakar motor bensin. Bentuk ruang bakar pada motor diesel sangat menentukan kemampuan mesin, sebab ruang bakar tersebut direncanakan dengan tujuan agar campuran udara dan bahan bakar menjadi homogen dan mudah terbakar sekaligus.
Ruang bakar motor diesel digolongkan menjadi 2 tipe, yaitu:
a) Tipe ruang bakar langsung (direct combustion chamber) seperti ditunjukkan pada Gambar 2.9 berikut:
Gambar 2.9 Ruang Bakar Langsung
Keuntungan ruang bakar langsung adalah:
(1) Efisiensi panas lebih tinggi, pemakaian bahan bakar lebih hemat karena bentuk ruang bakar yang sederhana,
(2) Start dapat mudah dilakukan pada waktu mesin dingin tanpa menggunakan alat bantu start busi pijar (glow plug), dan
(3) Cocok untuk mesin-mesin besar karena konstruksi kepala silinder sederhana.
Kerugian ruang bakar langsung adalah:
(1) Memerlukan kualitas bahan bakar yang baik, (2) Memerlukan tekanan injeksi yang lebih tinggi,
menggunakan nozzle lubang banyak (multiple hole nozzle), dan
(4) Dibandingkan dengan jenis ruang bakar tambahan, turbulensi lebih lemah, jadi sukar untuk kecepatan tinggi.
b) Tipe ruang bakar tambahan (auxiliary combustion chamber) Tipe ruang bakar tambahan terdapat dalm 3 macam, yaitu:
1). Ruang bakar kamar depan / antar muka (precombustion chamber) seperti ditunjukkan pada Gambar 2.10 berikut:
Gambar 2.10 Ruang Bakar Kamar Depan
Dalam ruang bakar ini bahan bakar solar disemprotkan ke dalam ruang bakar muka oleh nozzle injeksi. Sebagian bahan bakr yang tidak terbakar di ruang bakar muka didorong melalui saluran kecil antara ruang bakar muka dan ruang bakar utama. Percampuran yang baik dan terbakar seluruhnya berada pada ruang bakar utama
Keuntungan ruang bakar muka adalah:
(1) Jenis bahan bakar yang digunakan lebih luas, karena turbulensinya sangat baik untuk pengabutan,
(2) Perawatan pompa injeksi lebih mudah karena tekanan injeksi lebih rendah dan tidak terlalu peka terhadap perubahan saat injeksi, dan
(3) Detonasi berkurang serta mesin bekerja lebih baik karena menggunakan nozzle lubang banyak.
Kerugian ruang bakar depan adalah:
(2) Memerlukan motor starter yang besar dan kemampuan start lebih jelek sehingga harus menggunakan alat pemanas, dan
(3) pemakaian bahan bakar boros.
2). Ruang bakar pusar (swirl chamber) seperti ditunjukkan pada Gambar 2.11 berikut:
Gambar 2.11 Ruang Bakar Pusar
Ruang bakar model pusar ini berbentuk bundar. Ketika torak memampatkan udara, sebagian udara akan masuk ke dalam ruang bakar pusar dan membuat aliran turbulensi. Bahan bakar diinjeksikan ke dalam udara turbulensi dan terbakar di dalam ruang bakar pusar, tetapi sebagian bahan bakar yang belum terbakar masuk ke ruang bakar utama melalui saluran tersebut. Selanjutnya campuran tersebut akan terbakar di ruang bakar utama.
Keuntungan ruang bakar pusar adalah:
(1) Dapat menghasilkan putaran tinggi, karena turbulensi yang sangat baik pada saat kompresi,
(2) Gangguan pada nozzle berkurang karena menggunakan nozzle tipe pin, dan (3) Putaran mesin lebih tinggi dan operasinya lebih lembut, menyebabkan jenis ini cocok untuk mobil.
(2) Efisiensi panas dan pemakaian bahan bakar lebih boros dibandingkan dengan tipe ruang bakar langsung,
(3) Penggunaan alat pemanas tidak begitu efektif, sebab ruang bakar sangat luas, dan
(4) detonasi lebih besar pada kecepatan rendah.
3). Ruang bakar air cell (Air cell combustion chamber) seperti ditunjukkan pada Gambar 2.12 berikut:
Gambar 2.12 Ruang Bakar Air Cell
Pada ruang bakar air cell ini bahan bakar disemprotkan langsung ke dalam air cell dan terbakar langsung di ruang bakar utama. Sebagian bahan bakar yang yang disemprotkan ke air cell dan terbakar, mengakibatkan tekanan dalam air cell bertambah. Bila torak bergerak ke TMB, udara dalam air cell keluar ke ruang bakar utama membantu menyempurnakan pembakaran. Pada ruang bakar ini tidak memerlukan pemanas.
Keuntungan ruang bakar air cell adalah:
(1) Mesin bekerja lebih lembut karena pembakaran terjadi secara berangsur-angsur,
(2) tidak memerlukan pemanas,
(3) gangguan nozzle berkurang karena menggunakan nozzle tipe pin.
Kerugian ruang bakar air cell adalah:
(1) Saat injeksi bahan bakar sangat mempengaruhi kemampuan mesin,
(3) Bahan bakar boros.
Keunggulan mesin diesel dibanding mesin bensin adalah sebagai berikut :
1. Mesin diesel memiliki efisensi terhadap panas yang besar bila dibandingkan dengan mesin bensin. Tentunya Hal tersebut dapat lebih menghemat penggunaan bahan bakar (solar) daripada bensin pada mesin bensin.
2. Umumnya, mesin diesel lebih tahan lama dan tidak membutuhkan electric igniter. Hal ini berarti bahwa kemungkinan terjadinya kesulitan tentu lebih kecil dari pada mesin bensin.
3. Momen pada mesin diesel tidak berubah pada jenjang tingkat kecepatan yang luas. Itu artinya mesin diesel lebih fleksibel dan lebih mudah dioperasikan bila dibandingkan dengan mesin bensin dan karena hal inilah mesin diesel umum digunakan untuk kendaraan-kendaraan besar.
Penambahan turbocharger atau supercharger ke mesin bertujuan meningkatkan jumlah udara yang masuk dalam ruang bakar dengan demikian pada saat kompresi akan menghasilkan tekanan yang tinggi dan pada saat penyalaan atau pembakaran akan menghasilkan tenaga yang besar. Akan tetapi penambahan turbocharger atau supercharger pada mesin diesel tidak berpengaruh besar terhadap pemakaian bahan bakar karena bahan bakar disemprotkan secara langsung ke ruang bakar pada saat ruang bakar dalam keadaan kompresi tertinggi untuk memicu penyalaan agar terjadi proses pembakaran. Sedangkan penambahan turbocharger atau supercharger pada mesin bensin sangat memengaruhi pemakaian bahan bakar karena udara dan bahan bakar dicampur dengan komposisi yang tepat sebelum masuk ruang bakar, baik untuk mesin bensin dengan sistem karburator maupun sistem injeksi.
2. Karena tekanan pembakarannya lebih besar dari pada mesin bensin, maka mesin diesel harus dibuat dengan menggunakan jenis bahan yang tahan terhadap tekanan tinggi, selain itu, bahan yang digunakan juga harus memiliki struktur yang kuat. Hal ini berarti bahwa untuk daya kuda yang sama, mesin diesel memiliki bobot yang jauh lebih berat dibanding bobot mesin bensin, dan tentunya biaya pembuatannya pun juga pasti lebih mahal daripada biaya pembuatan mesin bensin.
3. Harga mesin diesel lebih mahal dibanding harga mesin bensin, selain itu, mesin diesel juga membutuhkan perawatan atau pemeliharaan yang lebih cermat daripada mesin bensin sebab Mesin diesel membutuhkan sistem injeksi bahan bakar yang lebih presisi dibanding sistem injeksi pada mesin bensin. 4. Mesin diesel memerlukan alat pemutar berupa motor starter dan baterai yang berkapasitas lebih besar untuk memutarnya. Hal tersebut disebabkan karena mesin diesel memiliki perbandingan kompresi yang lebih tinggi dari pada mesin bensin.
2.4.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel
Prinsip kerja mesin diesel 4 tak sebenarnya sama dengan prinsip kerja mesin otto, yang membedakan adalah cara memasukkan bahan bakarnya. Pada mesin diesel bahan bakar di semprotkan langsung ke ruang bakar dengan menyebabkan tekanan udara di dalam silinder seketika lebih rendah dari tekanan atmosfer ,sehingga udara murni langsung masuk ke ruang silinder melalui filter udara.
2. Langkah kompresi
dalam silinder menjadi sangat panas. Beberapa derajat sebelum piston mencapai TMA, bahan bakar di semprotkan ke ruang bakar oleh injector yang berbentuk kabut.
3. Langkah Usaha
Pada langkah ini kedua katup masih tertutup, akibat semprotan bahan bakar di ruang bakar akan menyebabkan terjadi ledakan pembakaran yang akan meningkatkan suhu dan tekanan di ruang bakar. Tekanan yang besar tersebut akan mendorong piston ke bawah yang menyebkan terjadi gaya aksial. Gaya aksial ini dirubah dan diteruskan oleh poros engkol menjadi gaya radial (putar).
4. Langkah Buang
Pada langkah ini, gaya yang masih terjadi di flywheel akan menaikkan kembali piston dari TMB ke TMA, bersamaan itu juga katup buang terbuka sehingga udara sisa pembakaran akan di dorong keluar dari ruang silinder menuju exhaust manifold dan langsung menuju knalpot.
Begitu seterusnya sehingga terjadi siklus pergerakan piston yang tidak berhenti. Siklus ini tidak akan berhenti selama faktor yang mendukung siklus tersebut tidak ada yang terputus. Untuk lebih jelas, prinsip kerja mesin diesel dapat dilihat pada Gambar 2.13.
Langkah isap Langkah kompresi Langkah usaha Langkah Buang
Gambar 2.13 Prinsip Kerja Mesin Diesel [13]
menggunakan sifat ini untuk proses pembakaran. Udara disedot ke dalam ruang bakar mesin diesel dan dikompresi oleh piston yang merapat, jauh lebih tinggi dari rasio kompresi dari mesin bensin. Beberapa saat sebelum piston pada posisi Titik Mati Atas (TMA) atau BTDC (Before Top Dead Center), bahan bakar diesel disemprotkan ke ruang bakar dalam tekanan yang cukup tinggi melalui nozzle supaya bercampur dengan udara panas yang bertekanan tinggi. Hasil pencampuran ini terbakar dengan sendirinya dan terbakar dengan cepat. Penyemprotan bahan bakar ke ruang bakar mulai dilakukan saat piston mendekati (sangat dekat) TMA untuk menghindari detonasi. Penyemprotan bahan bakar yang langsung ke ruang bakar di atas piston dinamakan injeksi langsung (direct injection) sedangkan penyemprotan bahan bakar kedalam ruang khusus yang berhubungan langsung dengan ruang bakar utama dimana piston berada dinamakan injeksi tidak langsung (Indirect injection). Ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran mengembang dengan cepat mendorong piston ke bawah dan menghasilkan tenaga linear. Batang penghubung (connecting rod) menyalurkan gerakan ini ke crankshaft dan oleh crankshaft tenaga linear tadi diubah menjadi tenaga putar. Tenaga putar pada ujung poros crankshaft dimanfaatkan untuk berbagai keperluan.
Untuk meningkatkan kemampuan mesin diesel, umumnya ditambahkan komponen :
Turbocharger atau supercharger, Gambar 2.14, untuk memperbanyak volume udara yang masuk ruang bakar karena udara yang masuk ruang bakar didorong oleh turbin pada turbo/supercharger.
Gambar 2.14 Turbo charger
Mesin diesel sulit untuk hidup pada saat mesin dalam kondisi dingin. Beberapa mesin menggunakan pemanas elektronik kecil yang disebut busi pijar (spark/glow plug) di dalam silinder untuk memanaskan ruang bakar sebelum penyalaan mesin. Lainnya menggunakan pemanas "resistive grid" dalam "intake manifold" untuk menghangatkan udara masuk sampai mesin mencapai suhu operasi. Setelah mesin beroperasi pembakaran bahan bakar dalam silinder dengan efektif memanaskan mesin.
Dalam cuaca yang sangat dingin, bahan bakar diesel mengental dan meningkatkan viscositas dan membentuk kristal lilin atau gel. Ini dapat memengaruhi sistem bahan bakar dari tanki sampai nozzle, membuat penyalaan mesin dalam cuaca dingin menjadi sulit. Cara umum yang dipakai adalah untuk memanaskan penyaring bahan bakar dan jalur bahan bakar secara elektronik.
bahan bakar dan waktu melalui aktuator elektronik atau hidraulik untuk mengatur kecepatan mesin.
2.4.2 Performansi Mesin Diesel 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 di bawah ini:
HHV = 33950 + 144200 (H2- ) + 9400 S ... (2.1)
Dimana: HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
H2 = Persentase hidrogen dalam bahan bakar
O2 = Persentase oksigen dalam bahan bakar
S = Persentase sulfur dalam bahan bakar
Pengujian bom kalorimeter dilakukan untuk mendapatkan nilai kalor daripada bahan bakar. Nilai kalor bahan bakar didapat dengan melihat perbedaan suhu air sebelum dan sesudah proses pengeboman bahan bakar berlangsung, atau dapat dituliskan dalam persamaan :
HHV= (t2- t1-tkp) x Cv ... (2.2)
HHV = High Heating Value (Nilai Kalor Atas)
t2 = Suhu air setelah penyalaan (oC)
t1 = Suhu air sebelum penyalaan (oC)
tkp = Kenaikan temperature akibat kawat penyala ( 0.05oC)
Cv = Panas jenis bom kalorimeter (73529.6 kj/kg oC)
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 bagian merupakan hidrogen. Pada proses pembakaran sempurna, air yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar adalah setengah dari jumlah mol hidrogennya.
Selain berasal dari pembakaran hidrogen, uap air yang terbentuk pada proses pembakaran dapat pula berasal dari kandungan air yang memang sudah ada didalam bahan bakar (moisture). Panas laten pengkondensasian uap air pada 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 berikut :
LHV = HHV – 2400 (M + 9 H2) ... (2.3)
Dimana: LHV = Nilai Kalor Bawah (kJ/kg)
M = Persentase kandungan air dalam bahan bakar (moisture)
LHV = HHV – 3240 kj/kgoC………(2.4)
Dalam perhitungan efisiensi panas dari motor bakar, dapat menggunakan nilai kalor bawah (LHV) dengan asumsi pada suhu tinggi saat gas buang meninggalkan mesin tidak terjadi pengembunan uap air. Namun dapat juga menggunakan nilai kalor atas (HHV) karena nilai tersebut umumnya lebih cepat tersedia. Peraturan pengujian berdasarkan ASME (American of Mechanical Enggineers) menentukan penggunaan nilai kalor atas (HHV), sedangkan peraturan SAE (Society of Automotive Engineers) menentukan penggunaan nilai kalor bawah (LHV), (Lampiran).
2. Daya Poros
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 daya indikator , 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 itu ditunjukkan pada persamaan berikut :
... (2.5)
Dimana :
PB = daya ( W )
T = torsi ( Nm )
Torsi adalah perkalian antara gaya dengan jarak. Selama proses usaha maka tekanan-tekanan yang terjadi di dalam silinder motor menimbulkan suatu gaya yang luar biasa kuatnya pada torak. Gaya tersebut dipindahkan kepada pena engkol melalui batang torak , dan mengakibatkan adanya momen putar atau torsi pada poros engkol. Untuk mengetahui besarnya torsi digunakan alat dynamometer. Biasanya motor pembakaran ini dihubungkan dengan dynamometer dengan maksud mendapatkan keluaran dari motor pembakaran dengan cara menghubungkan poros motor pembakaran dengan poros dynamometer dengan menggunakan kopling elastik. Untuk mencari nilai torsi ditunjukkan oleh persamaan 2.6 di bawah ini.
T = ... (2.6)
4. Laju Aliran Bahan Bakar (mf)
Laju aliran bahan bakar merupakan banyaknya bahan bakar yang habis terpakai selama satu jam pemakaian, dapat dihitung dengan persamaan di bawah ini.
………..………..(2.7)
dimana:
sgf = spesifik gravitasi biodiesel = 0.8624
Vf = Volume bahan bakar yang diuji (liter)
tf = waktu yang dibutuhkan untuk menghabiskan bahan bakar (detik)
5. Rasio udara bahan bakar (AFR)
Rasio udara bahan bakar (AFR) dari masing-masing jenis pengujian dihitung berdasarkan rumus berikut :
dimana:
AFR = air fuel ratio
ma = laju aliran massa udara.
Besarnya laju aliran udara (ma) diperoleh dengan membandingkan besarnya tekanan udara masuk yang telah diperoleh melalui pembacaan air flow manometer terhadap kurva viscous flow mete calibration seperti pada Gambar 2.15 berikut
Gambar 2.15 Viscous Flow Meter
Pada pengujian ini dianggap tekanan udara sebesar 100 kPa dan temperatur udara 27oC. Kurva kalibrasi dikondisikan untuk pengujian pada tekanan 101.3 kPa dan temperatur 20oC. maka besarnya laju aliran udara yang diperoleh harus dikalikan dengan faktor pengali berikut:
Cf = 0.94
6. Efisiensi Volumetris
Efisiensi volumetris untuk motor bakar 4 langkah dihitung dengan persamaan berikut:
………..………..(2.10)
dimana:
ma = laju aliran udara (kg/jam)
ρa = Kerapatan udara (kg/m3)
Vs = volume langkah torak (m3) = 0.00023 (berdasarkan spesifikasi mesin)
Diasumsikan udara sebagai gas ideal sehingga massa jenis udara dapat diperoleh dengan persamaaan berikut:
ρa = ……..……….……..(2.11)
Dimana: R = Konstanta gas (untuk udara = 287 J/kg K)
Dengan memasukkan harga tekanan dan temperature udara yaitu sebesar100 kPa dan suhu 27oC, maka diperoleh massa jenis udara sebesar:
ρa =
= 1.16 kg/m3
7. Daya Aktual
Pa = Pb x ηv x ηb x ηm……..….………..…..(2.12)
dimana: besar efisiensi mekanis (ηm) adalah 0.75 – 0.95 untuk mesin diesel dan
yang diambil untuk perhitungan ini adalah 0.85
8. Efisiensi Termal Aktual
Efisiensi termal aktual adalah perbandingan antara daya aktual dengan laju panas rata-rata yang dihasilkan bahan bakar, yang dapat dihitung dengan persamaan berikut:
….………..…..(2.13)
dimana:
ηa = efisiensi termal aktual
LHV = nilai kalor pembakaran (kJ/kg)
Dengan nilai LHV untuk masing-masing sesuai dengan variasi persentase biodiesel yang didapat melalui percobaan bom kalori meter.
9. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)
Konsumsi bahan bakar spesifik merupakan salah satu parameter prestasi yang penting di dalam suatu motor bakar. Parameter ini biasa dipakai sebagai ukuran ekonomi pemakaian bahan bakar yang terpakai per jam untuk setiap daya kuda yang dihasilkan. Untuk mencari konsumsi bahan bakar spesifik ditunjukkan oleh persamaan 2.14 di bawah ini:
SFC = ………..(2.14)
Dengan :
= konsumsi bahan bakar
sgf = spesicific gravity
t = waktu (jam)
10. ... Heat
Loss dan Persentase Heat Loss
Heat loss in exhaust atau dapat dikatakan sebagai besar kehilangan energi yang terjadi akibat adanya aliran gas panas buang dari exhaust manifold ke lingkungan. Gas buang ini berupa aliran gas panas.
Besarnya Heat Loss dapat dihitung dengan menggunakan persamaan di bawah ini.
Heat Loss = (ma x mf)x (Te – Ta ) ……….………(2.15)
dimana:
Te = suhu gas keluar exhaust manifold
Ta = Suhu lingkungan (27oC)
Untuk mengetahui persentase heat loss, maka dilakukan perbandingan antara besarnya heat loss dengan energi yang dihasilkan dalam pembakaran bahan bakar dimana ditunjukkan pada persamaan berikut
% Heat Loss = ……….………..…(2.16)
11.Efisiensi Thermal
Jika daya keluaran PB dalam satuan KW, laju aliran bahan bakar mf dalam
satuan kg/jam, maka untuk mencari effesiensi termal ditunjukkan pada persamaan di bawah ini
![Tabel 2.1 Standar biodiesel [9]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/2055978.1197023/4.595.99.525.494.756/tabel-standar-biodiesel.webp)
![Gambar 2.2 Teknologi Konversi Biodiesel [13]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/2055978.1197023/6.595.185.476.82.382/gambar-teknologi-konversi-biodiesel.webp)
