Kajian Performansi Mesin Diesel Stasioner Satu Silinder dengan Menggunakan Bahan Bakar Campuran Pertamina Dex dan Biodiesel Biji Bunga matahari

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 kendaraan berat.

Konsep penggunaan minyak tumbuh-tumbuhan sebagai bahan pembuatan bahan bakar sudah dimulai pada tahun 1895 saat Dr, Rudolf Cristian Karl Diesel (Jerman, 1858-1913) 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 kompresi atau penekanan udara hingga mencapai kondisi titik nyala bahan bakar, sehingga ketika bahan bakar di semprotkan terjadi ledakan pada ruang bakar.

[sumber:www.handelszeitung.ch] Gambar 2.1 Rudolf Christian Karl Diesel

Biodiesel merupakan 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 posfor (degumming) dan asam-asam lemak bebas dengan netralisasi dan steam refining disebut denngan 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). 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 (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.

Pemanasan bahan bakar sebelum memasuki sistem pompa dan injeksi bahan bakar merupakan satu solusi yang paling dominan untuk mengatasi permasalahan yang mungkin timbul pada penggunaan SVO secara langsung pada mesin diesel. Pada umumnya orang lebih memilih untuk melakukan proses kimiawi pada minyak mentah atau refined fatty oil /SVO untuk menghasilkan metal ester asam 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

Biodiesel mentah (kasar) yang dihasilkan proses transesterifikasi minyak biasanya masih mengandung sissa-sisa katalis, methanol, gliserol. Untuk memurnikannya biodiesel mentah tersebut dicuci dengan air hangat, sehingga pengotor-pengotor tersebut larut ke dalam dan terbawa oleh fase air pencuci yang selanjutnya dipisahkan.

2.1.2 Definisi Biodiesel

Biodiesel merupakan salah satu jenis biofuel (bahan bakar cair dari pengolahan tumbuhan) di samping Bio-etanol. Biodiesel adalah senyawa alkil ester yang diproduksi melalui proses alkoholisis (transesterifikasi) antara trigliserida dengan methanol atau etanol dengan bantuan katalis basa menjadi alkil ester dan gliserol, atau esterifikasi asam-asam lemak bebas dengan methanol atau etanol dengan bantuan katalis basa menjadi senyawa alkil ester dan air.

Biodiesel memiliki sifat pembakaran yang mirip dengan diesel (solar) dari minyak bumi, dan dapat menggantikannya dalam banyak kasus. Namun, biodiesel lebih sering digunakan sebagai penambah untuk diesel petroleum, meningkatkan bahan bakar diesel petrol murni ultra rendah belerang yang rendah pelumas.[lit8;hal98]

Biodiesel merupakan kandidat yang paling baik untuk menggantikan bahan bakar fosil sebagai sumber energy transportasi utama dunia, karena biodiesel merupakan bahan bakar terbaharui yang dapat menggantikan diesel petrol dimesin sekarang ini dan dapat diangkut dan dijual dengan menggunakan infrastruktur yang ada sekarang ini.

Dibandingkan dengan solar, biodiesel memiliki kelebihan diantaranya :  Bahan bakar ramah lingkungan karena menghasilkan emisi yang jauh lebih

baik (free sulphur, smoke number rendah)  Tidak beracun

 Memiliki sifat pelumasan yang lebih baik dari bahan bakar diesel

konvensional

 Dapat digunakan tanpa menggunakan modifikasi mesin

 Cetane number lebih tinggi sehingga efisiensi pembakaran lebih baik

 Memiliki sifat pelumasan terhadap piston mesin  Dapat terurai (biodegradable)

 Merupakan renewable energy karena terbuat dari bahan alam yang dapat

diperbaharui

 Meningkatkan independensi suplai bahan bakar karena dapat diproduksi

secara local.

Adapun kelemahan dari biodiesel adalah:

 Biodiesel saat ini sebagian besar diproduksi dari bahan pangan seperti

minyak sawit, kacang kedelai, buah alpukat, jagung, buah singkong, dan lain-lain, sehingga dapat menyebabkan kekurangan pangan dan meningkatnya harga bahan pangan

 Biodiesel lebih rentan terhadap kontaminasi air dibandingkan dengan

diesel konvensional, hal ini dapat menyebabkan korosi pada mesin.

 Harga pembuatan biodiesel cenderung lebih mahal disbanding dengan diesel konvensional.

Tabel 2.1 Standar Karakteristik biodiesel [lit21,hal3]

2.1.3 Pembuatan Biodiesel

Agar biodiesel bisa digunakan sebagai bahan bakar maka diperlukan teknologi untuk mengkonversinya. Terdapat beberapa teknologi untuk konversi

Gambar 2.2 Teknologi Konversi Biodiesel [lit 5;hal18] 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

Saat ini sebagian besar biodiesel muncul dari sumber daya yang dapat dimakan, seperti lemak hewan, minyak sayur, dan bahkan limbah minyak goreng, dengan katalis kondisi basa. Namun konsumsi tinggi katalis membuat biodiesel saat ini lebih mahal daripada bahan bakar yang diturunkan dari minyak bumi.

Transesterifikasi adalah pertukaran alkohol dengan suatu ester untuk membentuk ester yang baru. Reaksi ini bersifat reversible dan berjalan lambat tanpa adanya katalis. Penggunaan alkohol atau mengambil alih salah satu produk adalah langkah untuk mendorong reaksi kearah kanan atau produk.

Tahapan proses transesterifikasi pembuatan biodiesel selalu menginginkan agar produk biodiesel dengan jumlah yang maksimum. 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 digunakanharus 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

61.5 – 89%. Nilai perbandingan yang terbaik adalah 6:1 karena menghasilkan konversi yang maksimum.[lit15]

3. Pengaruh jenis alkohol

Pada rasio 6:1, methanol akan memberikan perolehan ester yang tertinggi dibandingkan dengan menggunakan etanol atau butanol.

4. Pengaruh jenis katalis

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.[lit15] 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 oC (titik didih metanol sekitar 65oC) Semakin tinggi temperatur, konversi yang diperoleh akan semakin tinggi untuk waktu yang lebih singkat. Temperatur juga sangat berpengaruh terhadap kualitas biodiesel yang dihasilkan.

2.2 Biodiesel dari bahan-bahan lainnya

2.2.1 Biodiesel dari bahan baku minyak jelantah kelapa sawit

ester(biodiesel) seperti: metil miristat, metal palmitat, metil linoleat, metil oleat, metil stearat dan metil arakhidat. Biodiesel yang didapat mempunyai berat jenis (0,8976±0,0003g/mL), vikositas (4,53±0,0872mm/s), bilangan asam (0,4238±0,0397mgKOH/g), dan bilangan iod (9,3354±0,0288g iod/100g sampel) yang memenuhi syarat seperti yang ditetapkan oleh standar Jerman DIN 51606. Dengan kandungan metal ester mencapai 100 % yang diuji dengan menggunakan teknik GC (Gas Cromatography)

Sintesis biodiesel dilakukan dengan metoda two stage acid-base melalui dua tahap reaksi, yaitu tahap Esterifikasi, dilakukan dengan mereaksikan sejumlah volume minyak jelantah dengan methanol pada suhu 35oC dengan katalis asam dan disertai dengan pengadukan selama 5 menit, dan dilanjutkan dengan pengadukan tanpa pemanasan selama 1 jam. Kemudian didiamkan selama 24 jam. Setelah itu dilanjutkan dengan tahap reaksi kedua yaitu Reaksi Transesterifikasi. Campuran hasil tahap pertama ditambahkan dengan larutan natrium metoksida, kemudian dipanaskan pada suhu 55oC selama 2,5 jam diikuti dengan pengadukan. Setelah itu campuran dipindahkan ke dalam corong pisah dan didiamkan selam 1

jam, akan terbentuk lapisan gliserol dan lapisan biodiesel. Pisahkan lapisan biodiesel dan dicuci pada pH netral beberapa kali dengan air. Keringkan air yang terdistribusi dalam biodiesel dengan garam penarik air (MgSO4 anhidrid).

Pisahkan biodiesel dari garam-garam yang mengendap dengan penyaringan. Filtrat yang diperoleh merupakan senyawa metil ester (biodiesel) hasil sintesis.

 Identifikasi dan interpretasi hasil sintesis

dengan GC-MS yakni biodiesel hasil sintesis dianalisis dengan GC-MS di Lab Kimia Organik Jurusan Kimia FMIPA UGM, untuk memastikan hasil yang diperoleh benar merupakan metil ester (biodiesel).

 Penentuan sifat fisika dan sifat kimia

biodiesel dalam etanol dengan larutan KOH yang telah dibakukan dengan asam oksalat, dengan indicator phenolphtalein (pp), Angka Penyabunan, Sejumlah berat tertentu biodiesel direaksikan dengan jumlah tertentu KOH alkoholis berlebih dalam erlenmeyer tertutup kemudian dididihkan sampai semua biodiesel tersabunkan, ditandai dengan larutan bebas dari butir-butir minyak. Kelebihan KOH dititrasi dengan HCl untuk

mencari jumlah KOH yang bereaksi dengan biodiesel, Bilangan Iod, sejumlah berat tertentu biodiesel direaksikan dengan I2 dan KI, kemudian ditutup rapat dan didiamkan

selama 30 menit sambil sesekali digoyang. Campuran kemudian dititrasi dengan natrium tiosulfat yang telah dibakukan dengan kalium bikromat, dengan indikator amilum, sampai warna biru hilang. Dengan cara yang sama dilakukan titrasi blangko (tanpa biodiesel) dengan natrium tiosulfat. Selisih tiosulfat yang digunakan blanko dan sampel mencerminkan jumlah iodine yang bereaksi dengan biodiesel. hasil metal ester minyak jelantah sawit ditunjukkan pada tabel 2.2 di bawah ini.

Tabel 2.2 Hasil Metil Ester Biodiesel Jelantah Sawit [lit 16]

2.2.2. Biodiesel dengan bahan baku Biji Kemiri Sunan

Tanaman kemiri sunan (Reutealis trisperma (Blanco) Airy Shaw) sebagai tanaman penghasil minyak nabati. Bijinya yang beracun menjadikan tanaman ini tidak bersaing dengan pangan sebagai bahan baku pembuatan bahan bakar nabati. Buah kemiri sunan (BKS) terdiri atas sabut atau husk, kulit biji atau cangkang dan inti biji atau kernel, biji atau kernel inilah yang mengandung

Puncak Waktu Retensi Luas Puncak Senyawa yang di Duga

minyak kasar yang cukup tinggi (>50 %). Inti dari buah kemiri sunan mampu menghasilkan minyak sebesar 56% [lit 19]

Hasil penelitian terhadap warna kernel kemiri sunan yang dipres diperoleh bahwa rendemen MKKS yang dihasilkan berbeda, yaitu : (1) biji dengan warna kernel coklat kehitaman menghasilkan minyak kasar dengan redemen 24,72 % dengan warna minyak coklat kehitaman, (2) kernel berwarna coklat diperoleh sebanyak 37,22 % dengan warna minyak coklat, (3) kernel berwarna coklat keputihan menghasilkan minyak kasar 46,73 % dengan warna minyak coklat kekuningan, (4) kernel berwarna putih menghasilkan minyak kasar sebanyak 52,17 % dengan warna minyak kuning jernih, dan (5) biji tanpa dikupas (dipres dengan cangkangnya) diperoleh rendemen minyak sebanyak 29,81 % dengan warna minyak kasar coklat kekuningan. Dengan hasil yang demikian, biji yang menghasilkan kernel berwarna putihlah yang harus diperoleh untuk menghasilkan rendemen MKKS paling tinggi. Dari biji kemiri sunan dengan kadar air 12 % setelah dikupas cangkangnya akan diperoleh sekitar 70 % kernel dan 30 % cangkang. Kondisi kadar air yang demikian belum dapat menghasilkan MKKS

yang optimal dan akan berpengaruh terhadap karakter fisik MKKS yang dihasilkan. Pembuatan minyak kasar dapat dilakukan dengan dua cara yaitu : (1) biji kemiri sunan dikeringkan sampai dengan kadar air 7 % kemudian langsung

dipres dengan alat pengepres. Dengan cara ini akan diperoleh minyak kasar sekitar 30 % dengan warna coklat kehitaman dan bungkil 70 % berwarna coklat keputihan. (2) biji kemiri sunan dikupas terlebih dahulu kemudian daging buah/kernelnya dikeringkan sampai dengan kadar air 7% baru dilakukan pengepresan. Dengan cara ini akan diperoleh minyak kasar yang lebih baik dan lebih banyak, yaitu 53 % minyak kasar yang berwarna kuning jernih dan 47 % bungkil yang berwarna putih[lit 13].

sehingga dapat diolah lebih lanjut menjadi pupuk dan biogas untuk menuju Desa Mandiri Energi [lit19].

2.2.3. Biodiesel dengan bahan baku minyak jarak pagar

Biodiesel (metil ester) dihasilkan dari proses transesterifikasi minyak nabati antara lain dari minyak jarak pagar. Proses transesterifikasi dengan pereaksi metanol dan katalis basa (KOH) dapat dilakukan satu atau dua tahap pada berbagai variabel suhu reaksi dan nisbah molar metanol dengan minyak. Penelitian ini bertujuan membandingkan karakteristik físiko-kimia (viskositas, densitas dan bilangan asam) serta persentase ester asam lemak dari metil ester yang dihasilkan. Digunakan rancangan acak lengkap faktorial dengan tiga variabel perlakuan yaitu (A) tahap transesterifikasi (A1= satu tahap, A2= dua tahap), (B) suhu reaksi (B1= 30oC, B2= 65oC) dan (C) nisbah molar metanol-minyak (C1=3:1, C2=4:1, C3=5:1 dan C4=6:1), serta dua kali ulangan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa proses transesterifikasi satu tahap pada suhu 30°C dengan nisbah molar metanol- minyak 5:1 menghasilkan karakteristik metil ester terbaik

yaitu viskositas kinematik 3,89 cSt, densitas 0,88g/cm3 dan bilangan asam 0,48 mg KOH/g sampel. Tidak terdapat perbedaan jenis senyawa ester asam lemak pada metil ester hasil transesterifikasi satu dan dua tahap yaitu berturut-turut metil

Tabel 2.4 Spesifikasi Metil Ester Minyak Jarak [lit 1]

2.2.4. Biodiesel dengan Bahan Baku Biji Karet

prototip alat berkapasitas 20 liter/jam. Proses esterifikasi dijalankan pada suhu 105C, penambahan methanol 10% dan katalis asam, waktu 90 menit. Proses

trans-esterifikasi dijalankan dalam reaktor alir osilasi dengan dosis katalis 1% berat minyak dan methanol sebanyak 15% berat minyak. Variabel yang dipelajari adalah suhu dan waktu proses. Produk biodiesel dimurnikan dengan sistem vakum. Dari hasil penelitian ini diperoleh rendemen kernel sebanyak 53% dari berat biji karet. Sedangkan minyak dalam kernel yang dapat dipungut maksimum 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[lit17].

2.3 Komposisi Bahan Baku

Bunga matahari (Helianthus anuus L.) adalah tumbuhan semusim dari suku kenir-keniran (Asteraceae) yang popular baik sebagai tanaman hias maupun tanaman penghasil minyak. Bunga tumbuhan ini sangat khas yaitu besar, biasanya berwarna kuning terang, dengan kepala bunga yang besar (diameter bisa mencapai 30cm). Bunga ini sebetulnya adalah bunga majemuk, tersusun atas ratusan hingga ribuan bunga kecil pada satu bongkol. Bunga matahari juga memiliki perilaku

khas, yaitu bunganya selallu menghadap kearah matahari atau heliotropisme.

Tumbuhan ini telah di budidayakan oleh orang-orang India Amerika utara sejak ribuan tahun lalu. Selanjutnya tersebar ke Amerika Selatan dan menjadi salah satu sumber pangan warga Inka. Setelah penaklukan oleh orang Eropa. Bunga matahari diperkenalkan ke eropa dan berbagai penjuru dunia lainnya pada abad ke-16. Semenjak abad ke-17 bijinya digunakan dalam campuran roti atau diolah sebagai pengganti kopi serta coklat. Penggunaannya sebagai sumber minyak mulai dirintis pada abad ke-19.

Ada empat kelompok budidaya bagi bunga matahari yang dibedakan berdasarkan kegunaannya:

cangkang biji yang tipis. Kandungan minyaknyanya berkisar 48%-52%. Untuk menghasilkan satu liter minyak diperlukan biji dari kira-kira 60 tandan bunga majemuk.

 Kelompok pakan ternak, pada kelompok budidaya ini yang dipanen adalah

daunnya yang digunakan sebagai pakan ternak atau pupuk hijau.

 Kelompok tanaman hias, Kelompok ini menanam bunga matahari sebagai tanaman hias, jenis bunga matahari yang di tanam adalah bunga matahari

yang memiliki warna kelopak yang bervariasi dan memiliki banyak cabang berbunga.

 Kelompok bahan pangan, Kelompok ini merupakan kelompok yang

menanam bunga matahari untuk diambil biji yang dijadkan sebagai bahan pangan.

Seperti telah disinggung dalam bagian kelompok budidaya, pemanfaatan bunga matahari terutama adalah sebagai sumber minyak, baik pangan maupun industry. Sebagai bahan pangan, minyak bunga matahari cocok dipakai untuk menggoreng, mengentalkan, serta campuran salad. Minyak bunga matahari kaya akan asam linoleat (C18:2), suatu asam lemak tak jenuh yang baik untuk kesehatan manusia dan rendah akan asam oleat. Untuk kepentingan non pangan terdapat jenis minyak biji bunga matahari dengan kandungan asam oleat yang tinggi yaitu 80% hingga 90% asam oleat yang baik digunakan untuk kepentingan

teknik.

Komposisi Asam lemak pada Biji bunga matahari

 Dalam 100 g minyak biji bunga matahari (jenis pangan)

 Dalam 100 g minyak biji bunga matahari (jenis non pangan)

Asam Lemak Kadar (%)

Asam lemak Jenuh

Asam Palmitat 3

Asam Stearat 5

Asam Lemak tak jenuh

Asam oleat 83

Asam Linoleat 9

Gambar 2.3 (a)Gambar bunga matahari (b) biji bunga matahari

Karakteristik tanaman matahari : a. Klasifikasi Ilmiah

Regnum : Plantae

Divisio : Magnoliophyta

Kelas : Magnolipsida

Ordo : Asterales

Familia : Asteraceae

Genus : Helianthus

Spesies : H. annuus

b. Deskripsi

Habitat :Pohon, tinggi 1 - 3 m

Daun :Daun tunggal berbentuk jantung dengan panjang 15

sentimeter dan lebar 12 sentimeter dan gagang daunnya yang panjang kemas tersusun

Bunga : Diameter bunga dapat sampai 30 cm, dengan mahkota

berbentuk pita disepanjang tepi cawan dengan ukuran melintang antara 10 hingga 15 sentimeter,berwarna kuning, dan di tengahnya terdapat bunga-bunga yang kecil berbentuk tabung, warnanya coklat.

Biji : Berwarna hitam bergaris-garis putih berkumpul di dalam

cawan.

Akar :Tunggang, bulat, dan berwarna coklat

Tabel 2.5 kandungan gizi bunga matahari

Sifat Fisika

dan Kimia Minyak biji bunga matahari Sifat fisik

Berbentuk cair

Warna : kuning

Specific Grafity : 0,920561

Flash point (℃) : 121 Sifat kimia

Free fatty acid (%) : 1,35 Bilangan penyabunan : 188-194 Bilangan iod : 130-144

Moisture : 0,2

Impuritis :0,05

2.4 Mesin Diesel

Mesin diesel juga disebut “Motor Penyalaan Kompresi” oleh karena penyalaannya dilakukan dengan menyemprotkan bahan bakar ke dalam udara yang telah bertekanan dan bertemperatur tinggi sesuai dengan titik nyala bahan bakar 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. 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 [lit 9].

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 [lit 10].

Siklus diesel (ideal) pembakaran tersebut dimisalkan dengan pemasukan

Gambar 2.4 Diagram P-v [lit.20] Keterangan Gambar:

P = Tekanan (atm)

V = Volume Spesifik (m3/kg)

T = Temperatur (K)

S = Entropi (kJ/kg.K)

Diagram T-S

Keterangan Grafik:

1-2 Kompresi Isentropik

2-3 Pemasukan Kalor pada Tekanan Konstan

3-4 Ekspansi Isentropik

4-1 Pengeluaran Kalor pada Volume Konstan

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 menggunakan injector. Dibawah ini adalah langkah dalam proses mesin diesel 4 langkah :

1. Langkah Isap

Pada langkah ini piston bergerak dari TMA (Titik Mati Atas) ke TMB (Titik Mati Bawah). Saat piston bergerak ke bawah katub buang tertutup dan katup isap terbuka yang 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

Pada langkah ini piston bergerak dari TMB menuju TMA dan kedua katup tertutup. Sehingga udara yang ada pada ruang bakar di kompres sehingga tekanan dan temperatur naik hingga mencapai titik nyala bahan bakar

3. Langkah Usaha

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 2.6.

Langkah isap Langkah kompresi Langkah usaha Langkah Buang

Gambar 2.6 Prinsip Kerja Mesin Diesel [Lit.11,hal 10] 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.

pembakaran bahan bakar didinginkan sampai suhu kamar sehingga sebagian besar uap air yang terbentuk dari pembakaran hidrogen mengembun dan melepaskan panas latennya. Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung bila diketahui komposisi bahan bakarnya dengan menggunakan persamaan

Dulong yang ditunjukkan pada persamaan 2.1 di bawah ini: ��� = 33950 + 144200 (�2− 2

8) + 9400 ... (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

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, uap air yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar adalah setengah

dari jumlah mol hidrogennya.

Selain berasal dari pembakaran hidrogen, uap air yang terbentuk pada proses pembakaran dapat pula berasal dari kandungan air yang memang sudah ada didalam bahan bakar (moisture). Panas laten pengkondensasian uap air pada tekanan parsial 20 kN/m2 (tekanan yang umum timbul pada gas buang) adalah sebesar 2400 kJ/kg, sehingga besarnya nilai kalor bawah (LHV) dapat dihitung berdasarkan persamaan 2.2. berikut :

�� = ���– 2400 ( + 9 �2) ... (2.2)

Dimana: LHV = Nilai Kalor Bawah (kJ/kg)

M = Persentase kandungan air dalam bahan bakar (moisture)

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).

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 2.3 :

= 2�. ( . )

60 … … … …(2.3)

Dimana :

PB = daya ( W )

T = torsi ( Nm )

n = putaran mesin ( rpm )

3. Torsi

Torsi adalah perkalian antara gaya dengan jarak. Selama proses usaha maka tekanan-tekanan yang terjadi di dalam silinder motor menimbulkan suatu

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 daya dan torsi ditunjukkan oleh persamaan 2.4 dan 2.5 di bawah ini.

= 2�. .

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 2.6 di bawah ini:

SFC = konsumsi bahan bakar spesifik (g/kw.h)

PB = daya (W)

sgf = spesicific gravity

t = waktu (jam)

5. Efisiensi Termal

Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang dibangkitkan piston karena sejumlah enegi hilang akibat adanya rugi-rugi mekanis (mechanical losses). Dengan alasan ekonomis perlu dicari kerja maksimum yang dapat dihasilkan dari pembakaran sejumlah bahan bakar. Efisiensi ini disebut juga sebagai efisiensi termal brake (thermal efficiency, ηb).

Jika daya keluaran PB dalam satuan KW, laju aliran bahan bakar mf dalam satuan kg/jam, maka untuk mencari effesiensi termal ditunjukkan pada persamaan 2.8 di bawah ini

� =

. ��

3600… … … …. . (2.8)

ηb =effisiensi thermal

PB = daya (W)

ṁf = konsumsi bahan bakar

Cv = nilai kalor bahan bakar

6. Heat Loss in Exhaust

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 2.9 di bawah ini.

� = ( + ) × × ( – )……….………(2.9)

dimana:

= laju aliran bahan bakar

Te = suhu gas keluar exhaust manifold

Ta = Suhu lingkungan (27oC)

Cp=Panas speseifik Fluida (Kj/KgK) dimana cp yang digunakan adalah cp udara pada temperature 27 oC yaitu sebesar 1.005 Kj/KgK [lit 23]

Untuk mengetahui persentase heat loss, maka dilakukan perbandingan antara besarnya heat loss dengan energi yang dihasilkan dalam pembakaran bahan bakar dimana ditunjukkan pada persamaan 2.10.

%� = �

× �� … … … …. (2.10)

1. Emisi Gas Buang

Untuk mesin Diesel emisi gas buang yang dilihat adalah opasitas (ketebalan asap). Adapun Standart nilai opasitas berdasarkan peraturan menteri negara lingkungan hidup nomor 21 tahun 2008 tentang ambang batas emisi gas

buang untuk mesin stasioner pembangkit tenaga ditunjukkan dalam tabel 2.5 di

Polutan dibedakan menjadi organik dan inorganik. Polutan organik mengandung karbon dan hidrogen, juga beberapa elemen seperti oksigen, sulfur atau fosfor. Contohnya hidrokarbon, alkohol, ester dan lain-lain. Polutan

inorganik seperti karbon monoksida (CO), karbonat, nitrogen oksida, ozon dan lain-lain.

Polutan dibedakan menjadi Partikulat atau gas. Partikulat dibagi menjadi padatan, dan cairan seperti debu, asap, abu, kabut dan spray. Partikulat dapat bertahan di atmosfer sedangkan Polutan berupa gas tidak bertahan di atmosfer dan bercampur dengan udara bebas.

a. Partikulat

Polutan partikulat yang berasal dari kendaraan bermotor umumnya merupakan fasa padat yang terdispersi dalam udara dan magnetik asap. Fasa padatan tersebut berasal dari pembakaran tak sempurna bahan bakar dengan udara sehingga terjadi tingkat ketebalan asap yang tinggi. Selain itu Partikulat juga mengandung timbal yang merupakan bahan aditif untuk meningkatkan kinerja pembakaran bahan bakar pada mesin kendaraan. Apabila butir-butir bahan bakar

yang terjadi pada penyemprotan ke dalam silinder motor terlalu besar atau apabila butir-butir berkumpul menjadi satu maka akan terjadi dekomposisi yang menyebabkan terbentuknya karbon-karbon padat atau angus. Hal ini disebabkan

karena pemanasan udara yang bertemperatur tinggi tetapi penguapan dan pencampuran bahan bakar dengan udara yang ada didalam silinder tidak dapat berlangsung sempurna terutama pada saat-saat dimana terlalu banyak bahan bakar disemprotkan yaitu pada waktu daya motor akan diperbesar misalnya untuk

akselerasi maka terjadinya angus itu tidak dapat dihindarkan. Jika angus yang terjadi itu terlalu banyak maka gas buang yang keluar dari gas buang motor akan berwarna hitam.

b. UHC (Unburned Hidrocarbon)

Pemanasan dari udara yang masuk dengan menggunakan gas buang meningkatkan penguapan dari bahan bakar dan mencegah pemancaran hidrokarbon. Jumlah hidrokarbon tertentu selalu ada dalam penguapan bahan bakar ditangki bahan bakar dan dari kebocoran gas yang melalui celah antara silinder dari torak masuk kedalam poros engkol yang disebut dengan blow by gasses (gas lalu). Pembakaran tak sempurna pada kendaraan juga akan menghasilkan gas buang yang mengandung hidrokarbon. Hal ini pada motor diesel terutama disebabkan oleh campuran lokal udara bahan bakar tidak dapat mencapai batas mampu bakar.

c. Carbon Monoksida (CO)

Karbon dan oksigen dapat bergabung membentuk senyawa karbon monoksida (CO) sebagai hasil pembakaran yang tidak sempurna dan karbon dioksida (CO2) sebagai hasil pembakaran sempurna. Karbon monoksida merupakan senyawa yang tidak berbau, tidak berasa dan pada suhu udara normal berbentuk gas yang tidak berwarna. Gas ini akan dihasilkan bila karbon yang terdapat dalam bahan bakar (kira-kira 85% dari berat dan sisanya hidrogen)

terbakar tidak sempurna karena kekurangan oksigen. Hal ini terjadi bila campuran udara bahan bakar lebih gemuk daripada campuran stoikiometris dan terjadi selama idling pada beban rendah atau pada output maksimum. Karbon monoksida

tidak dapat dihilangkan jika campuran udara bahan bakar gemuk, bila campuran kurus karbon monoksida tidak terbentuk.

d. Nitrogen Oksida (NOX)

2.4.3. Polutan Mesin Diesel

Polusi udara oleh gas buang dan bunyi pembakaran motor diesel merupakan gangguan terhadap lingkungan. Komponen-komponen gas buang yang membahayakan itu antara lain adalah asap hitam (jelaga), hidro karbon yang tidak terbakar (UHC), karbon monoksida (CO), nitrogen oksida (NO) dan NO2. NO dan NO2 biasa dinyatakan dengan NOx. Namun jika dibandingkan dengan motor bensin, motor diesel tidak banyak mengandung CO dan UHC. Disamping itu, kadar NO2 sangat rendah jika dibandingkan dengan NO. Jadi boleh dikatakan bahwa komponen utama gas buang motor diesel yang membahayakan adalah NO dan asap hitam. Selain dari komponen tersebut di atas beberapa hal berikut yang merupakan bahaya atau gangguan meskipun bersifat sementara. Asap putih yang terdiri atas kabut bahan bakar atau minyak pelumas yang terbentuk pada saat start dingin, asap biru yang terjadi karena adanya bahan bakar yang tidak terbakar atau tidak terbakar sempurna terutama pada periode pemanasan mesin atau pada beban rendah, serta bau yang kurang sedap merupakan bahaya yang menggangu lingkungan. Selanjutnya bahan bakar dengan kadar belerang yang tinggi

sebaiknya tidak digunakan karena akan menyebabkan adanya SO2 di dalam gas buang.

2.4.4. Soot (Jelaga)

Butir bahan bakar akan lebih mudah menguap dan mempengaruhi proses pengkabutan saat penyemprotan. Butiran bahan bakar yang disemprotkan sangat berpengaruh terhadap proses pembakaran sehingga tekanan penyemprotan divariasikan untuk mempercepat dan memperbaiki proses pencampuran bahan bakar dengan udara. Langkah ini dilakukan dengan tujuan untuk dapat diperoleh

homogenitas campuran yang lebih sempurna sehingga pembakaran yang sempurna dapat tercapai. Dengan langkah ini diharapkan besar konsumsi bahan bakar dan kepekatan asap hitam gas buang dapat dikurangi.

2.4.4 Dampak Pencemaran Udara Terhadap Kesehatan 2.4.4.1 Sulfur Dioksida

Pencemaran SOx menimbulkan dampak terhadap manusia dan hewan, kerusakan pada tanaman terjadi pada kadar sebesar 0,5 ppm. Pengaruh utama

polutan SOx terhadap manusia adalah iritasi sistim pernafasan. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa iritasi tenggorokan terjadi pada kadar SO2 sebesar 5 ppm atau lebih bahkan pada beberapa individu yang sensitif iritasi terjadi pada kadar 1-2 ppm. SO2 dianggap pencemar yang berbahaya bagi kesehatan terutama

terhadap orang tua dan penderita yang mengalami penyakit kronis pada sistem pernafasan kadiovaskular.

Individu dengan gejala penyakit tersebut sangat sensitif terhadap kontak dengan

SO2, meskipun dengan kadar yang relatif rendah. 2.4.4.2 Karbon Monoksida

Didalam banyak penelitian mengenai mesin diesel diketahui bahwa kandungan karbon monoksida dalam gas buang mesin diesel jauh lebih kecil dibanding kandungan dalam gas buang mesin bensin sehingga hampir dikatakan kandungan CO dalam gas buang mesin diesel tidak ada, tetapi tetap saja harus diketahui potensi bahaya polusi karbon monoksida terhadap kesehatan.

Karakteristik biologik yang paling penting dari CO adalah kemampuannya untuk berikatan dengan haemoglobin, pigmen sel darah merah yang mengangkut oksigen keseluruh tubuh. Sifat ini menghasilkan pembentukan

karboksihaemoglobin (HbCO) yang 200 kali lebih stabil dibandingkan

Penguraian HbCO yang relatif lambat menyebabkan terhambatnya kerja molekul sel pigmen tersebut dalam fungsinya membawa oksigen keseluruh tubuh. Kondisi seperti ini bisa berakibat serius, bahkan fatal, karena dapat menyebabkan keracunan. Selain itu, metabolisme otot dan fungsi enzim intra-seluler juga dapat terganggu dengan adanya ikatan CO yang stabil tersebut. Dampat keracunan CO sangat berbahaya bagi orang yang telah menderita gangguan pada otot jantung atau sirkulasi darah periferal yang parah.

Dampak dari CO bervasiasi tergantung dari status kesehatan seseorang pada saat terpajan. Pada beberapa orang yang berbadan gemuk dapat mentolerir pajanan CO sampai kadar HbCO dalam darahnya mencapai 40% dalam waktu singkat. Tetapi seseorang yang menderita sakit jantung atau paru-paru akan menjadi lebih parah apabila kadar HbCO dalam darahnya sebesar 5–10%.

Pengaruh CO kadar tinggi terhadap sistem syaraf pusat dan sistem

kardiovaskular telah banyak diketahui. Namun respon dari masyarakat berbadan sehat terhadap pemajanan CO kadar rendah dan dalam jangka waktu panjang masih sedikit diketahui. Misalnya kinerja para petugas jaga, yang harus

mempunyai kemampuan untuk mendeteksi adanya perubahan kecil dalam lingkungannya yang terjadi pada saat yang tidak dapat diperkirakan sebelumnya dan membutuhkan kewaspadaan tinggi dan terus menerus, dapat terganggu/

terhambat pada kadar HbCO yang berada dibawah 10% dan bahkan sampai 5% (hal ini secara kasar ekivalen dengan kadar CO di udara masing-masing sebesar 80 dan 35 mg/m3). Pengaruh ini terlalu terlihat pada perokok, karena kemungkinan sudah terbiasa terpajan dengan kadar yang sama dari asap rokok.

Hasil studi diatas menunjukkan bahwa paling sedikit untuk para bukan perokok, ternyata ada hubungan yang linier antara HbCO dan menurunnya kapasitas maksimum oksigen.