PENGUJIAN DAN ANALISA PERFORMANSI MOTOR BAKAR DIESEL MENGGUNAKAN BIODISEL DIMETHIL ESTER B-01 DAN B-02

Transkripsi

1 PENGUJIAN DAN ANALISA PERFORMANSI MOTOR BAKAR DIESEL MENGGUNAKAN BIODISEL DIMETHIL ESTER B-01 DAN B-02 SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik JEKSON TURNIP NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN PROGRAM PENDIDIKAN EKSTENSI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009

2 SKRIPSI MOTOR BAKAR PENGUJIAN DAN ANALISA PERFORMANSI MOTOR BAKAR DIESEL MENGGUNAKAN BIODISEL DIMETHIL ESTER B-01 DAN B-02 OLEH : JEKSON TURNIP NIM : Telah diperiksa dan diperbaiki dalam seminar sarjana Periode ke 128 tanggal 13 Juni 2009 Disetujui oleh, Dosen Pembanding I Disetujui oleh, Dosen Pembanding II Ir. Zamanhuri,M.T Ir. Raskita S.Meliala NIP NIP

3 SKRIPSI MOTOR BAKAR PENGUJIAN DAN ANALISA PERFORMANSI MOTOR BAKAR DIESEL MENGGUNAKAN BIODISEL DIMETHIL ESTER B-01 DAN B-02 OLEH : JEKSON TURNIP NIM : Telah diperiksa dan diperbaiki dalam seminar sarjana Periode ke 128 tanggal 13 Juni 2009 Disetujui oleh, Ir. Isril Amir NIP

4 ABSTRAK Kelangkaan akan bahan bakar minyak (BBM) yang terjadi mendorong dilakukannya penelitian untuk mengembangkan sumber bahan bakar alternatif lain sebagai pengganti solar. Berdasarkan pemikiran tersebut maka dilakukan pengujian mesin diesel TecQuipment type.td4a 001 dengan menggunakan bahan bakar biodiesel dari kelapa sawit. Pada pengujian ini biodiesel yang didapat dari minyak kelapa sawit mengalami proses esterifikasi dan transesterifikasi dalam bentuk dimethil ester. Adapun tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui prestasi kerja mesin berbahan bakar biodiesel dimethil ester sehingga akan tampak pengaruhnya terhadap parameter unjuk kerja mesin diesel terutama mengurangi kandungan emisi gas buang yang dihasilkan motor diesel. Penelitian ini juga akan memberikan informasi sebagai referensi bagi kalangan dunia pendidikan yang ingin melakukan riset dibidang otomotif dalam pengembangan bahan bakar biodiesel dan pengaruhnya terhadap performansi motor diesel.

5 KATA PENGANTAR Puji syukur dan terima kasih Saya panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Kuasa atas berkat, kekuatan dan hikmat yang diberikan-nya sehingga Skripsi ini dapat Saya selesaikan dengan baik. Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun Yang menjadi judul dari pada Skripsi ini yaitu Pengujian dan Analisa Performansi Motor Bakar Diesel Menggunakan Dimethil Ester B 01 dan B-02; Pada Laboratorium Motor Bakar DTM-FT-USU, Pengujian Meliputi Emisi Gas Buang. Dalam menyelesaikan Skripsi ini, penulis banyak sekali mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini penulis menyampaikan penghargaan dan ucapan terimah kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Ir. Isril Amir, selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya membimbing penulis dalam menyelesaikan Skripsi ini. 2. Bapak DR.ING.Ir.Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 3. Bapak / Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 4. Kedua orang tua penulis, Ayahanda A. Turnip dan Ibunda M.br.Manik serta adik-adikku Benny, Eriprada, Nelviana, Rohani, Leonardus yang terus membimbing dan mengarahkan penulis.

6 5. Istri A. br. Panjaitan dan anakku Rudy Willy Theo Turnip yang sangat kusayangi, terima kasih atas segala bantuan dan dukungan yang telah diberikan baik berupa moril dan materil selama kuliah hingga menyelesaikan Skripsi ini. 6. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin Program Pendidikan Eksensi, terkhusus stambuk 2006 yang tidak dapat disebutkan namanya satu persatu, Solidarity Forever. 7. Staff Laboratorium Motor Bakar Deparetemen Teknik Mesin USU, bang Atin yang telah banyak membantu dan membimbing penulis selama penelitian ini berjalan. Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam Skripsi ini. Oleh karena itu, Penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun untuk penyempurnaan Skripsi ini. Sebelum dan sesudahnya Penulis ucapkan banyak terima kasih. Medan, 27 Mei 2009 Penulis, Jekson Turnip

7 DAFTAR ISI ABSTRAK...i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI...iv DAFTAR TABEL...vii DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR NOTASI... x BAB 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Tujuan Pengujian Manfaat pengujian Ruang Lingkup Pengujian Sistematika Penulisan... 4 BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Performansi Motor Bakar Diesel Torsi dan daya Konsumsi bahan bakar spesifik (sfc) Perbandingan udara bahan bakar (AFR) Efisiensi volumetris Efisiensi thermal brake Teori Pembakaran Nilai Kalor Bahan Bakar... 10

8 2.3 Bahan Bakar Diesel Biodiesel Karaktristik Biodiesel Biodiesel dari Minyak Kelapa Sawit Emisi Gas Buang BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan tempat Bahan dan alat Metode Pengumpulan Data Pengamatan dan tahap pengujian Prosedur Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar Prosedur Pengujian Performansi Motor Diesel Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang BAB 4. HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN 4.1 Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar Pengujian Performansi Motor Bakar Diesel Daya Torsi Konsumsi bahan bakar spesifik Rasio perbandingan udara bahan bakar Efisiensi volumetris Efisiensi termal brake Pengujian Emisi Gas Buang Kadar carbon monoksida (CO) dalam gas buang...78

9 4.3.2 Kadar nitrogen oksida (NOx) dalam gas buang Kadar unburned hidro carbon (UHC) dalam gas buang Kadar carbon dioksida (CO 2 ) dalam gas buang Kadar sisa oksigen (O 2 ) dalam gas buang...95 BAB 5. KESIMPULAN 5.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

10 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Karakteristik mutu solar Tabel 2.2 Struktur Kimia Asam Lemak pada Biodiesel Tabel 2.3 Perbandingan Biodiesel dan Solar (Petrodiesel) Tabel 2.4 Sifat fisik dan kimia minyak jarak Tabel 3.1 Spesifikasi Mesin Diesel TD4A 4-langkah Tabel 3.2 Spesifikasi TD4A 001 Instrumentation Unit Tabel 4.1 Data hasil pengujian dan perhitungan bom kalorimeter Tabel 4.2 Data hasil perhitungan untuk daya Tabel 4.3 Data hasil perhitungan untuk torsi Tabel 4.4 Data hasil perhitungan untuk Sfc...49 Tabel 4.5 Data hasil perhitungan untuk AFR...56 Tabel 4.6 Data hasil perhitungan untuk efisiensi volumetris...63 Tabel 4.7 Jumlah air yang terbentuk dari pembakaran tiap 1 kg biodiesel...70 Tabel 4.8 Data hasil perhitungan untuk efisiensi termal brake...72 Tabel 4.9 Kadar CO dalam gas buang...78

11 Tabel4.10 Kadar NOx dalam gas buang...82 Tabel 4.11 Kadar UHC dalam gas buang...86 Tabel 4.12 Kadar CO 2 dalam gas buang...91 Tabel 4.13 Kadar sisa oksigen (O 2 ) dalam gas buang...95

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Reaksi Transesterifikasi Gambar 3.1 Bom kalorimeter Gambar 3.2 Diagram alir Pengujian nilai kalor bahan bakar Gambar 3.3 Mesin uji (TD4 A 001) Gambar 3.4 TD4 A Stroke Diesel Engine Gambar 3.5 TD4 A 001 Instrumentation Unit Gambar 3.6 Diagram alir pengujian performansi motor bakar diesel Gambar 3.7 Auto logic gas analizer Gambar 3.8 Diagram alir pengujian emisi gas buang motor bakar diesel Gambar 4.1 Grafik Daya vs putaran untuk beban 10 kg Gambar 4.2 Grafik Daya vs putaran untuk beban 25 kg Gambar 4.3 Grafik Torsi vs putaran untuk beban 10 kg Gambar 4.4 Grafik Torsi vs putaran untuk beban 25 kg Gambar 4.5 Grafik Sfc vs putaran untuk beban 10 kg Gambar 4.6 Grafik Sfc vs putaran untuk beban 25 kg Gambar 4.7 Kurva Viscous Flow Meter Calibration Gambar 4.8 Grafik AFR vs putaran untuk beban 10 kg Gambar 4.9 Grafik AFR vs putaran untuk beban 25 kg Gambar 4.10 Grafik Efisiensi volumetris vs putaran untuk beban 10 kg Gambar 4.11 Grafik Efisiensi volumetris vs putaran untuk beban 25 kg Gambar 4.12 Grafik BTE vs putaran untuk beban 10 kg Gambar 4.13 Grafik BTE vs putaran untuk beban 25 kg... 76

13 Gambar 4.14 Grafik kadar CO vs putaran untuk beban 10 kg...79 Gambar 4.15 Grafik kadar Co vs putaran untuk beban 25 kg...81 Gambar 4.16 Grafik kadar NO X vs putaran untuk beban 10 kg...84 Gambar 4.17 Grafik kadar NO X vs putaran untuk beban 25 kg...85 Gambar 4.18 Grafik kadar UHC vs putaran untuk beban 10 kg...88 Gambar 4.19 Grafik kadar UHC vs putaran untuk beban 25 kg...89 Gambar 4.20 Grafik kadar CO 2 vs putaran untuk beban 10 kg...92 Gambar 4.21 Grafik kadar CO 2 vs putaran untuk beban 25 kg...94 Gambar 4.22 Grafik kadar O2 vs putaran untuk beban 10 kg...97 Gambar 4.23 Grafik kadar O2 vs putaran untuk beban 25 kg...99

14 DAFTAR NOTASI Lambang P B Keterangan Daya keluaran Satuan Watt n Putaran mesin rpm T Torsi N.m Sfc Konsumsi bahan bakar spesifik g/kw.h. m f Laju aliran bahan bakar kg/jam sg Spesific gravity 9,81 m/s 2 f V f Volume bahan bakar yang diuji ml t f Waktu untuk menghabiskan bahan bakar detik. m a Laju aliran massa udara kg/jam ρ Kerapatan udara kg/m 3 a V s Volume langkah torak cc C f AFR η v Faktor koreksi Air fuel ratio Efisiensi volumetrik η b Efisiensi thermal brake HHV Nilai kalor atas bahan bakar kj/kg LHV Nilai kalor bawah bahan bakar kj/kg CV Nilai kalor bahan bakar kj/kg C V Panas jenis bom kalorimeter kj/kg. o C M Persentase kandungan air dalam bahan bakar Q lc Kalor laten kondensasi uap air kj/kg

15 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Indonesia merupakan salah satu negara penghasil minyak bumi di dunia namun sampai saat ini masih mengimpor bahan bakar minyak (BBM) untuk mencukupi kebutuhan bahan bakar minyak di sektor transportasi dan energi. Kenaikan harga minyak mentah dunia akhir-akhir ini memberi dampak yang besar pada perekonomian nasional, terutama dengan adanya kenaikan harga BBM. Kenaikan harga BBM secara langsung berakibat pada naiknya biaya transportasi, biaya produksi industri dan pembangkitan tenaga listrik.dalam jangka panjang impor BBM ini akan makin mendominasi penyediaan energi nasional apabila tidak ada kebijakan pemerintah untuk melaksanakan penganeka ragaman energi dengan memanfaatkan energi terbaharukan dan lain-lain. Biodiesel salah satu bahan bakar alternatif yang ramah lingkungan, tidak mempunyai efek terhadap kesehatan yang dapat dipakai sebagai bahan bakar kendaraan bermotor dapat menurunkan emisi bila dibandingkan dengan minyak diesel. Biodiesel terbuat dari minyak nabati yang berasal dari sumber daya yang dapat diperbaharui. Beberapa bahan baku untuk pembuatan biodiesel antara lain kelapa sawit, kedelai, bunga matahari, jarak pagar, tebu dan beberapa jenis tumbuhan lainnya. Dari beberapa bahan baku tersebut di Indonesia yang punya prospek untuk diolah menjadi biodiesel adalah kelapasawit dan jarak pagar, tetapi propek kelapa sawit lebih besat untuk pengolahan secara besar-besaran. Sebagai tanaman industri kelapa sawit telah tersebar hampir di seluruh wilayah Indonesia, teknologi pengolahannya sudah mapan. Beberapa upaya telah dilakukan dalam penelitian dan pengembangan sumber energi alternatif, diantaranya adalah pemanfaatan minyak nabati sebagai bahan bakar pengganti solar. Namun ditemukan beberapa kekurangan dari minyak nabati, dimana bila digunakan secara langsung akan menghasilkan senyawa yang dapat menyebabkan kerusakan pada mesin, karena membentuk deposit pada pompa injektor. Disamping itu viskositasnya yang tinggi mengganggu kinerja

16 pompa injektor pada proses pengkabutan bahan bakar sehingga hasil dari injeksi tidak berwujud kabut yang mudah menguap melainkan tetesan bahan bakar yang sulit terbakar. Oleh karena itu, mesin-mesin kendaraan bermotor komersial perlu dimodifikasi jika akan menggunakan minyak nabati langsung sebagai pengganti bahan bakar solar. Hal ini tentu saja tidak ekonomis sehingga perlu dilakukan upaya untuk mengubah karakteristik minyak nabati sehingga dapat mengkonversi minyak nabati kedalam bentuk metil ester asam lemak (FAME : fatty acid methil esters) yang lebih dikenal sebagai biodiesel, melalui proses esterifikasi atau transesterfikasi. Amerika Serikat dan beberapa negara Eropa telah mengembangkan dan menggunakan biodiesel sebagai bahan bakar alternatif untuk mesin diesel secara luas dengan bahan baku minyak kedelai dan minyak rapessed ( minyak canola ). Sebagai negara penghasil minyak sawit terbesar dunia, Malaysia dan Indonesia juga telah mengembangkan produk biodiesel dari minyak sawit ( palm biodiesel ), meskipun belum dilakukan secara komersial. Khusus di Indonesia pengembangan biodiesel dari minyak sawit dirasa memiliki prospek yang baik dimana ketersediaan akan bahan baku yang cukup banyak sangat mendukung untuk pengembangan tersebut ( Tabel 1.1 ). Hal yang juga perlu untuk diperhatikan dalam pengembangan biodiesel ini adalah emisi gas buang yang dihasilkan harus lebih baik daripada bahan bakar solar sehingga biodiesel ini layak dijadikan alternatif pengganti solar.

17 Tabel 1.1 Perkembangan Luas Perkebunan Kelapa Sawit dan Produksi CPO X Wilayah 1.Sumatera : A. P.Rakyat B. P.Negara C. P.Swasta Luas (Ha) Prod. (ton) Luas (Ha) Prod. (ton) Luas (Ha) Prod. (ton) Luas (Ha) Prod. (ton) Luas (Ha) Prod. (ton) Luas (Ha) Prod. (ton) Jawa : A. P.Rakyat B. P.Negara C. P.Swasta Kalimantan: A. P.Rakyat B. P.Negara C. P.Swasta Sulawesi : A. P.Rakyat B. P.Negara C. P.Swasta Irian Jaya : A. P.Rakyat B. P.Negara C. P.Swasta Sumber : Direktorat Jenderal Bina Produksi Perkebunan,1997,1998,1999, 2000, 2001, Berdasarkan pemikiran tersebut, maka dilakukan pengujian motor diesel dengan menggunakan bahan bakar biodiesel yang berbahan baku minyak kelapa sawit dengan memanfaatkan secara maksimal peralatan laboratorium yang ada. 1.2 Tujuan Pengujian Mengetahui pengaruh pemakaian biodiesel minyak kelapa sawit terhadap unjuk kerja mesin diesel.

18 1.3 Manfaat Pengujian 1. Untuk pengembangan bahan bakar biodiesel yang akan digunakan pada mesin diesel ditinjau dari sudut prestasi mesin. 2 Memberikan informasi sebagai referensi bagi kalangan dunia pendidikan yang ingin melakukan riset dibidang otomotif dalam pengembangan bahan bakar biodiesel dan pengaruhnya terhadap performansi motor diesel. 1.4 Ruang Lingkup Pengujian 1. Biodiesel yang digunakan adalah biodiesel berbahan baku minyak kelapa sawit ( Dimethil Ester B-01 dan B-02) hasil penelitian Drs.Nimpan Bangun Msc ( Dosen Departemen Kimia FMIPA USU ). 2. Alat uji yang digunakan untuk menghitung nilai kalor pembakaran bahan bakar biodiesel adalah Bom Kalorimeter. 3. Mesin uji yang digunakan untuk mendapatkan unjuk kerja motor bakar diesel adalah Mesin Diesel 4-langkah dengan 4-silinder ( TecQuipment type. TD4A 001 ) pada laboratorium Motor Bakar Departemen Teknik Mesin USU. 4. Unjuk kerja mesin diesel yang dihitung adalah : - Daya (Brake Power) - Rasio perbandingan udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) - Konsumsi bahan bakar spesifik (Specific Fuel Consumtion) - Efisiensi Volumetris (Volumetric Effeciency) - Efisiensi termal brake (Brake Thermal Effeciency) 5. Pada pengujian unjuk kerja motor bakar diesel, dilakukan variasi putaran dan beban yang meliputi : - Variasi putaran : 1000-rpm, 1400-rpm, 1800-rpm, 2200-rpm, 2600-rpm, 2800-rpm. - variasi beban : 10 kg dan 25 kg. 1.5 Sistematika Penulisan Tugas sarjana ini dibagi dalam beberapa bab dengan garis besar tiap bab adalah sebagai berikut :

19 Bab I : Pendahuluan Bab ini berisikan latar belakang, tujuan, manfaat, dan ruang lingkup pengujian. Bab II : Tinjauan Pustaka Bab ini berisikan landasan teori yang digunakan yaitu mengenai motor diesel, bahan bakar biodiesel, pembakaran motor diesel, persamaan-persamaan yang digunakan, emisi gas buang kendaraan dan pengendaliannya. Bab III : Metodologi Pengujian Bab ini memberikan informasi mengenai tempat pelaksanaan pengujian, bahan dan peralatan yang dipakai serta tahapan dan prosedur pengujian. Bab IV : Hasil dan Analisa Pengujian Bab ini membahas tentang hasil data yang diperoleh dari setiap pengujian melalui pembahasan perhitungan dan penganalisaan dengan memaparkan kedalam bentuk tabel dan grafik. Bab V : Kesimpulan dan Saran Bab ini sebagai penutup berisikan kesimpulan dan saran yang diperoleh. Daftar Pustaka Daftar pustaka berisikan literatur yang digunakan untuk menyusun laporan. Lampiran Pada lampiran dapat dilihat hasil data yang diperoleh dari pengujian dalam bentuk tabel dan Undang-undang lingkungan hidup tentang baku mutu emisi untuk mesin tidak bergerak.

20 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Performansi Motor Diesel Motor diesel adalah jenis khusus dari mesin pembakaran dalam. Karakteristik utama dari mesin diesel yang membedakannya dari motor bakar yang lain terletak pada metode penyalaan bahan bakarnya. Dalam mesin diesel bahan bakar diinjeksikan kedalam silinder yang berisi udara bertekanan tinggi. Selama proses pengkompresian udara dalam silinder mesin, suhu udara meningkat, sehingga ketika bahan bakar yang berbentuk kabut halus bersinggungan dengan udara panas ini, maka bahan bakar akan menyala dengan sendirinya tanpa bantuan alat penyala lain. Karena alasan ini mesin diesel juga disebut mesin penyalaan kompresi (Compression Ignition Engines). Motor diesel memiliki perbandingan kompresi sekitar 11:1 hingga 26:1, jauh lebih tinggi dibandingkan motor bakar bensin yang hanya berkisar 6:1 sampai 9:1. Konsumsi bahan bakar spesifik mesin diesel lebih rendah (kira-kira 25 %) dibanding mesin bensin namun perbandingan kompresinya yang lebih tinggi menjadikan tekanan kerjanya juga tinggi Torsi dan Daya Torsi yang dihasilkan suatu mesin dapat diukur dengan menggunakan dynamometer yang dikopel dengan poros output mesin. Oleh karena sifat dynamometer yang bertindak seolah olah seperti sebuah rem dalam sebuah mesin, maka daya yang dihasilkan poros output ini sering disebut sebagai daya rem (Brake Power). P B = 2. π. n 60 T... (2.1) Lit.5 hal 27 dimana : P B = Daya keluaran (Watt) n T = Putaran mesin (rpm) = Torsi (N.m)

21 2.1.2 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (Specific Fuel Consumption, SFC) Konsumsi bahan bakar spesifik adalah parameter unjuk kerja mesin yang berhubungan langsung dengan nilai ekonomis sebuah mesin, karena dengan mengetahui hal ini dapat dihitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu. Bila daya rem dalam satuan kw dan laju aliran massa bahan bakar dalam satuan kg/jam, maka : Sfc =. 3 m f x10... (2.2) Lit.5 hal 2-16 P B dimana : Sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (g/kw.h).. m f = laju aliran bahan bakar (kg/jam). Besarnya laju aliran massa bahan bakar ( m. f ) dihitung dengan persamaan berikut : m f 3 sg f. V f.10 = x (2.3) Lit.5 hal 3-9 t f dimana : sg f = spesific gravity (dari tabel 2.4). V f = volume bahan bakar yang diuji (dalam hal ini 8 ml). t f = waktu untuk menghabiskan bahan bakar sebanyak volume uji (detik) Perbandingan Udara Bahan Bakar (AFR) Untuk memperoleh pembakaran sempurna, bahan bakar harus dicampur dengan udara dengan perbandingan tertentu. Perbandingan udara bahan bakar ini disebut dengan Air Fuel Ratio (AFR), yang dirumuskan sebagai berikut :. m a AFR =.... (2.4) Lit.5 hal 2-8 m f dengan : m a = laju aliran masa udara (kg/jam).

22 Besarnya laju aliran massa udara (m a ) juga dapat diketahui dengan membandingkan hasil pembacaan manometer terhadap kurva viscous flow meter calibration. Kurva kalibrasi ini dikondisikan untuk pengujian pada tekanan udara 1013 mb dan temperatur 20 0 C, oleh karena itu besarnya laju aliran udara yang diperoleh harus dikalikan dengan faktor koreksi (C f ) berikut : ( T a + 114) C f = 3564 x P a x 2, 5 T Dimana : Pa = tekanan udara (Pa) Ta = temperatur udara (K) a.. (2.5) Lit.5 hal Effisiensi Volumetris Jika sebuah mesin empat langkah dapat menghisap udara pada kondisi isapnya sebanyak volume langkah toraknya untuk setiap langkah isapnya, maka itu merupakan sesuatu yang ideal. Namun hal itu tidak terjadi dalam keadaan sebenarnya, dimana massa udara yang dapat dialirkan selalu lebih sedikit dari perhitungan teoritisnya. Penyebabnya antara lain tekanan yang hilang (losses) pada sistem induksi dan efek pemanasan yang mengurangi kerapatan udara ketika memasuki silinder mesin. Efisiensi volumetrik ( persamaan berikut : η v = η v Berat udara segar yang terisap Berat udara sebanyak volume langkah torak Berat udara segar yang terisap = Berat udara sebanyak langkah torak =. ) dirumuskan dengan... (2.6) Lit.5 hal 2-9 m a (2.7) Lit.5 hal n ρ a. V s... (2.8) Lit.5 hal 2-7 Dengan mensubstitusikan persamaan diatas, maka besarnya effisiensi volumetris : η v = 2. m. a n ρ. V a s dengan : ρ a = kerapatan udara (kg/m 3 )... (2.9) Lit.5 hal 2-10 V s = volume langkah torak = 230 x 10-6 (m 3 ). [spesifikasi mesin]

23 Diasumsikan udara sebagai gas ideal, sehingga massa jenis udara dapat diperoleh dari persamaan berikut : ρ a = Pa R. T a... (2.10) Lit.5 hal 3-12 Dimana : R = konstanta gas (untuk udara = 287 J/ kg.k) Effisiensi Thermal Brake Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang dibangkitkan piston karena sejumlah energi 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 sering disebut sebagai efisiensi termal brake (brake thermal efficiency, η b ). η b = Daya keluaran aktual...(2.11) Lit.5 hal 2-15 Laju panas yang masuk Laju panas yang masuk Q, dapat dihitung dengan rumus berikut : Q =. m. LHV...(2.12) Lit.5 hal 2-8 f dimana, LHV = nilai kalor bawah bahan bakar (kj/kg) Jika daya keluaran ( satuan kg/jam, maka : η b = P B ) dalam satuan kw, laju aliran bahan bakar m. f dalam PB (2.13) Lit.5 hal m f. LHV 2.2 Teori Pembakaran Pembakaran adalah reaksi kimia, yaitu elemen tertentu dari bahan bakar setelah dinyalakan dan digabung dengan oksigen akan menimbulkan panas sehingga menaikkan suhu dan tekanan gas. Elemen mampu bakar (combustable) yang utama adalah karbon (C) dan hidrogen (H), elemen mampu bakar yang lain namun umumnya hanya sedikit terkandung dalam bahan bakar adalah sulfur (S). Oksigen yang diperlukan untuk pembakaran diperoleh dari udara yang merupakan campuran dari oksigen dan nitrogen.

24 Nitrogen adalah gas lembam dan tidak berpartisipasi dalam pembakaran. Selama proses pembakaran, butiran minyak bahan bakar dipisahkan menjadi elemen komponennya yaitu hidrogen dan karbon dan masing-masing bergabung dengan oksigen dari udara secara terpisah. Hidrogen bergabung dengan oksigen untuk membentuk air dan karbon bergabung dengan oksigen menjadi karbon dioksida. Jika oksigen yang tersedia tidak cukup, maka sebagian dari karbon akan bergabung dengan oksigen dalam bentuk karbon monoksida. Pembentukan karbon monoksida hanya menghasilkan 30 % panas dibandingkan panas yang timbul oleh pembentukan karbon dioksida 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). Bedasarkan 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 nili 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 : HHV = C O2 H S...(2.14) Lit. 3 hal HHV = Nilai kalor atas (kj/kg) C = Persentase karbon dalam bahan bakar H 2 = Persentase hidrogen dalam bahan bakar

25 O 2 = 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, 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/m 2 (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 H 2 )...(2.15) Lit. 3 hal. 44 LHV = Nilai Kalor Bawah (kj/kg) M = Persentase kandungan air dalam bahan bakar (moisture) 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).

26 2.3 Bahan Bakar Diesel Penggolongan bahan bakar mesin diesel berdasarkan jenis putaran mesinnya, dapat dibagi menjadi 2 golongan yaitu : 1. Automotive Diesel Oil, yaitu bahan bakar yang digunakan untuk mesin dengan kecepatan putaran mesin diatas 1000 rpm (rotation per minute). Bahan bakar jenis ini yang biasa disebut sebagai bahan bakar diesel yang biasanya digunakan untuk kendaraan bermotor. 2. Industrial Diesel Oil, yaitu bahan bakar yang digunakan untuk mesin-mesin yang mempunyai putaran mesin kurang atau sama dengan 1000 rpm, biasanya digunakan untuk mesin-mesin industri. Bahan bakar jenis ini disebut minyak diesel. Di Indonesia, bahan bakar untuk kendaraan motor jenis diesel umumnya menggunakan solar yang diproduksi oleh PT. PERTAMINA dengan karakteristik seperti pada Tabel 2.1. Tabel 2.1 Karakteristik mutu solar NO P R O P E R T I E S L I M I T S TEST METHODS Min Max I P A S T M 1. Specific Grafity 60/60 0 C D Color astm D Centane Number or 45 - Alternatively calculated Centane Index 48 - D Viscosity Kinematic at C cst or Viscosity SSU at C secs D Pour Point 0 C - 65 D Sulphur strip % wt D-1551/ Copper strip (3 hr/100 0 C) - No.1 D Condradson Carbon Residue %wt D Water Content % wt D Sediment % wt - No.0.01 D Ash Content % wt D Neutralization Value : - Strong Acid Number mgkoh/gr -Total Acid Number mgkoh/gr - - Nil 0.6

27 13. Flash Point P.M.c.c 0 F D Distillation : - Recovery at C % vol 40 - D-86 Sumber : Biodiesel Biodiesel adalah bahan bakar yang terbuat dari minyak tumbuh-tumbuhan atau lemak hewan. Komposisi biodiesel umumnya terdiri dari berbagai jenis asam lemak (tabel 2.2) yang melalui proses kimiawi ditransformasi menjadi Metil Ester Asam Lemak (Fatty Acid Methil Esters = FAME). Tabel 2.2 Struktur Kimia Asam Lemak Pada Biodiesel Nama Jumlah Struktur Kimia Asam Lemak Atom Karbon dan Ikatan Rangkap Capriylic C 8 CH 3 (CH 2 ) 6 COOH Capric C 10 CH 3 (CH 2 ) 8 COOH Lauric C 12 CH 3 (CH 2 ) 10 COOH Myristic C 14 CH 3 (CH 2 ) 12 COOH Palmitic C 16 : 0 CH 3 (CH 2 ) 14 COOH Palmitoleic C 16 : 1 CH 3 (CH 2 ) 5 CH=CH(CH 2 ) 7 COOH Stearic C 18 : 0 CH 3 (CH 2 ) 16 COOH Oleic C 18 : 1 CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH(CH 2 ) 7 COOH Linoleic C 18 : 2 CH 3 (CH 2 ) 4 CH=CHCH 2 CH=CH(CH 2 ) 7 COOH Linolenic C 18 : 3 CH 3 (CH 2 ) 2 CH=CHCH 2 CH=CHCH2CH=CH(CH 2 )7CCOOH Arachidic C 20 : 0 CH 3 (CH 2 ) 18 COOH Eicosenic C 20 : 1 CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH(CH 2 ) 9 COOH Behenic C 22 : 0 CH 3 (CH 2 ) 20 COOH Eurcic C 22 : 1 CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH(CH 2 ) 11 COOH Sumber : Biodisel Handling and Use Guedelines, National Renewable Energy Laboratory-A national Laboratory of the U.S. Departement of Energys

28 Cara memproduksi biodiesel dapat dilakukan melalui proses transesterfikasi minyak nabati dengan metanol atau esterfikasi langsung asam lemak hasil hidrolisis dengan metanol. Namun, transesterfikasi lebih intensif dikembangkan karena proses ini lebih efisien dan ekonomis. Pemanfaatan minyak nabati sebagai pengganti bahan bakar yang berasal dari minyak bumi khususnya solar telah lama dikenal namun pengembangan produk biodiesel ternyata lebih menggembirakan dibandingkan dengan pemanfaatan minyak nabati yang langsung digunakan sebagai bahan bakar karena proses termal (panas) di dalam mesin akan teroksidasi atau terbakar secara relatif sempurna, tetapi dari gliserin akan terbentuk senyawa akrolein dan terpolimerisasi menjadi senyawa plastis yang agak padat. Senyawa ini menyebabkan kerusakan pada mesin, karena membentuk deposit pada pompa injektor. Karena itu perlu dilakukan modifikasi pada mesin-mesin kendaraan bermotor komersial apabila menggunakan minyak nabati langsung sebagai pengganti bahan bakar solar. Selain dapat digunakan langsung, biodiesel juga dapat dicampur dengan solar atau minyak diesel lainnya dengan tujuan untuk mengubah karakteristiknya agar sesuai dengan kebutuhan. Bahan bakar yang mengandung biodiesel kerap dikenal sebagai BXX yang merujuk pada suatu jenis bahan bakar dengan komposisi XX % biodiesel dan 1-XX % minyak diesel. Sebagai contoh, B01 merupakan campuran 50 % biodiesel B20 dengan 50% minyak diesel sedangkan B02 merupakan campuran dari 20 % biodiesel B10 dan 80 % minyak diesel Karakteristik Biodiesel Biodiesel tidak mengandung nitrogen atau senyawa aromatik dan hanya mengandung kurang dari 15 ppm (part per million) sulfur. Biodiesel mengandung kira-kira 11 % oksigen dalam persen berat yang keberadaannya mengakibatkan berkurangnya kandungan energi (LHV menjadi lebih rendah bila dibandingkan dengan solar) namun menurunkan kadar emisi gas buang yang berupa karbon monoksida (CO), hidrokarbon (HC), partikulat dan jelaga. Kandungan energi biodiesel kira-kira 10 % lebih rendah bila dibandingkan dengan solar. Efisiensi bahan bakar dari biodiesel kurang lebih sama dengan solar, yang berarti daya dan

29 torsi yang dihasilkan proporsional dengan kandungan nilai kalor pembakarannya (LHV). Kandungan asam lemak dalam minyak nabati yang merupakan bahan baku biodiesel menyebabkan biodiesel sedikit kurang stabil bila dibandingkan solar khususnya dalam hal terjadinya oksidasi. Perbedaan bahan baku menyebabkan kestabilan antara biodiesel yang satu berbeda dari biodiesel yang lainnya tergantung dari jumlah ikatan rangkap dari rantai karbon yang dikandungnya (C=C). Semakin besar jumlah ikatan rangkap rantai karbonnya maka kecenderungan untuk mengalami oksidasi semakain besar. Sebagai contoh, C 18 : 3 yang mempunyai tiga ikatan rangkap mempunyai sifat tiga kali lebih reaktif untuk mengalami oksidasi dibandingkan C 18 : 0 yang tidak memiliki tiga ikatan rangkap. Kestabilan suatu biodiesel dapat diprediksi dengan mengetahui jenis bahan bakunya. Kestabilan yang rendah dari suatu jenis biodiesel dapat meningkatkan kandungan asam lemak bebas, menaikkan viskositas dan terbentuknya gums dan sedimen yang dapat menyumbat saringan bahan bakar. Oleh karena itu, biodiesel dan bahan bakar yang mengandung campurannya sebaiknya tidak disimpan lebih dari 6 bulan karena lamanya penyimpanan mempengaruhi terjadinya oksidasi. Salah satu cara yang dapat diupayakan bila biodiesel harus disimpan lebih dari 6 bulan adalah dengan menambahkan anti oksidan. Jenis anti oksidan yang dapat bekerja dengan baik pada biodiesel antara lain TBHQ (t-butyl hydroquinone), Tenox 21 dan Tocopherol (Vitamin E). Biodiesel mempunyai sifat melarutkan (Solvency). Hal ini dapat menimbulkan permasalahan, dimana bila digunakan pada mesin diesel yang sebelumnya telah lama menggunakan solar dan didalam tangki bahan bakarnya telah terbentuk sedimen dan kerak, maka biodiesel akan melarutkan sedimen dan kerak tersebut sehingga dapat menyumbat saluran dan saringan bahan bakar. Oleh karena itu, bila kandungan sedimen dan kerak pada tangki bahan bakar cukup tinggi, sebaiknya diganti sebelum menggunakan biodiesel. Hal lain yang dapat dilakukan adalah dengan tidak menggunakan biodiesel murni melainkan campurannya. Sifat pelarut dari bahan bakar yang mengandung campuran biodiesel akan semakin berkurang seiring dengan berkurangnya kadar biodiesel

30 didalamnya. Penelitian menunjukkan bahwa campuran antara biodiesel dan solar dengan komposisi 20 % : 80 % (B02) mempunyai sifat pelarut yang cukup kecil sehingga dapat ditoleransi. Beberapa material seperti kuningan, tembaga, timah, dan seng dapat mengoksidasi biodiesel dan menghasilkan sedimen. Untuk mencegah hal ini, peralatan yang bersentuhan langsung dengan biodiesel sebaiknya terbuat dari stainless steel atau aluminium. Selain bereakasi terhadap sejumlah meterial logam, biodiesel juga cenderung menyebabkan peralatan yang terbuat dari karet alam mengembang sehingga sebaiknya diganti dengan karet sintetis. Biodiesel murni mempunyai sifat pelumas yang baik, bahkan campuran bahan bakar yang mengandung biodiesel dalam komposisi yang rendah masih memiliki sifat pelumas yang jauh lebih baik dibanding solar. Seperti halnya bahan bakar diesel lainnya, biodiesel dapat berubah fasa menjadi gel pada temperatur yang rendah. Biodiesel memiliki tempertur titik tuang (pour point) yang lebih tinggi yaitu sekitar -15 sampai 10 0 C dibandingkan solar, -35 sampai C sehingga pemakaian biodiesel murni pada daerah rendah kurang dianjurkan. Untuk menurunkan temperatur titik tuang biodiesel dapat dilakukan dengan mencampurkan solar, semakin besar komposisi solar dalam campuran, maka semakin rendah temperatur titik tuangnya. Tabel 2.3 Perbandingan Biodiesel dan Solar (Petrodiesel) Fisika Kimia Biodiesel Solar Kelembaman (%) Energi Power Energi yang dihasilkan BTU Energi yang dihasilkan BTU Komposisi Metil Ester atau asam lemak Hidrokarbon Modifikasi Engine Tidak diperlukan - Konsumsi Bahan Sama Sama Bakar Lubrikasi Lebih tinggi Lebih rendah Emisi CO rendah, total hidrokarbon, sulfur dioksida, dan nitroksida CO tinggi, total hidrokarbon, sulfur dioksida, dan nitroksida Penanganan Flamable lebih rendah Flamable lebih tinggi Lingkungan Toxisitas rendah Toxisitas 10 kali lebih tinggi Keberadaan Terbarukan (renewable) Tidak terbarukan Sumber : CRE-ITB, NOV. 2001

31 2.4.2 Biodiesel dari Minyak Kelapa Sawit Proses pembuatan biodiesel dari kelapa sawit adalah melalui proses transesterifikasi, dilanjutkan dengan pencucian, pengeringan dan terakhir filtrasi, tetapi jika bahan baku dari CPO maka sebelumnya perlu dilakukan esterfikasi. 1. Transesterifikasi Transesterifikasi meliputi dua tahap. Transesterifikasi I yaitu pencampuran antara kalium hidroksida (KOH) dan metanol (CH 3 OH) dengan minyak sawit. Reaksi transesterifikasi I berlangsung sekitar 2 jam pada suhu C. Bahan yang pertama kali dimasukkan ke dalam reaktor adalah asam lemak yang selanjutnya dipanaskan hingga suhu yang telah ditentukan. Reaktor transesterifikasi dilengkapai dengan pemanas dan pengaduk. Selama proses pemanasan pengaduk dijalankan. Tepat pada suhu reaktor 63 0 C, campuran metanol dan KOH dimasukkan ke dalam reaktor. Pada akhir reaksi akan terbentuk metil ester dengan konversi sekitar 94 %. Selanjutnya produk ini diendapkan untuk memisahkan gliserol dan metil ester. Gliserol kemudian dikeluarkan dari reaktor agar tidak menggangu proses transesterifikasi II. Selanjutnya dilakukan transesterifikasi II pada metil ester dan setelah selesai dilakukan pengendapan dalam waktu yang lebih lama agar gliserol yang masih tersisa bisa terpisah. Trigliserida Metanol Metil-Ester Gliserol Gambar 2.1 Reaksi Transesterifikasi 2. Pencucian Pencucian hasil pengendapan pada transesterifikasi II bertujuan untuk menghilangkan senyawa yang tidak diperlukan seperti sisa gliserol dan metanol.

32 Pencucian dilakukan pada suhu sekitar 55 0 C. pencucian dilakukan tiga kali sampai ph menjadi normal (ph 6,8 7,2). 3. Pengeringan Pengeringan bertujuan untuk menghilangkan air yang tercampur dalam metil ester. Pengeringan dilakukan dengan cara memberikan panas pada produk dengan suhu sekitar 95 0 C secara sirkulasi. Ujung pipa sirkulasi ditempatkan di tengah permukaan cairan pada alat pengering. 4. Filtrasi Tahap akhir dari proses pembuatan biodiesel adalah filtrasi. Filtrasi bertujuan untuk menghilangkan partikel-partikel pengotor biodiesel yang terbentuk selama proses berlangsung, seperti kerak (kerak besi) yang berasal dari dinding reaktor atau dinding pipa atau kotoran dari bahan baku. Tabel : 2.4 Karakteristik Mutu Biodiesel dari Minyak Kelapa Sawit Parameter Palm Biodiesel ASTM PS 121 Viskositas pada 40 0 C 5,0 5,6 1,6 6,0 (csst) Flash Point 172 > 100 Cetane Indeks > 40 Contradson Carbon 0,03 0,04 < 0,05 Residu Spesific Grafity 0, Sumber : Pusat Penelitian Kelapa Sawit (PPKS) Medan 2.5 Emisi Gas Buang Bahan pencemar (polutan) yang berasal dari kendaraan bermotor dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kategori sebagai berikut : 1. Sumber Polutan dibedakan menjadi polutan primer atau sekunder. Polutan primer seperti nitrogen oksida (NOx) dan hidrokarbon (HC) langsung dibuangkan ke udara bebas dan mempertahankan bentuknya seperti pada saat pembuangan.

33 Polutan sekunder seperti ozon (O 3 ) dan peroksiasetil nitrat (PAN) adalah polutan yang terbentuk di atmosfer melalui reaksi fotokimia, hidrolisis atau oksidasi. 2. Komposisi Kimia Polutan dibedakan menjadi organik dan inorganik. Polutan organik mengandung karbon dan hidrogen, juga beberapa elemen seperti oksigen, nitrogen, sulfur atau fosfor, contohnya : hidrokarbon, keton, alkohol, ester dan lain-lain. Polutan inorganik seperti : karbon monoksida (CO), karbonat, nitrogen oksida, ozon dan lainnya. 3. Bahan Penyusun 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 membentuk 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 kedalam 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 bewarna hitam.

34 b.) Unburned Hidrocarbon (UHC) Hidrokarbon yang tidak terbakar dapat terbentuk tidak hanya karena campuran udara bahan bakar yang gemuk, tetapi bisa saja pada campuran kurus bila suhu pembakarannya rendah dan lambat serta bagian dari dinding ruang pembakarannya yang dingin dan agak besar. Motor memancarkan banyak hidrokarbon kalau baru saja dihidupkan atau berputar bebas (idle) atau waktu pemanasan. 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, di tangki 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 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 (CO 2 ) 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 dari pada 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) Senyawa nitrogen oksida yang sering menjadi pokok pembahasan dalam masalah polusi udara adalah NO dan NO 2. Kedua senyawa ini terbuang langsung ke udara bebas dari hasil pembakaran bahan bakar. Nitrogen monoksida (NO)

35 merupakan gas yang tidak berwarna dan tidak berbau sebaliknya nitrogen dioksida (NO 2 ) berwarna coklat kemerahan dan berbau tajam. NO merupakan gas yang berbahaya karena mengganggu saraf pusat. NO terjadi karena adanya reaksi antara N 2 dan O 2 pada temperatur tinggi diatas C. Persamaan reaksinya adalah sebagai berikut : O 2 2O N 2 + O NO + N N + O 2 NO + O 2.6 Pengendalian Emisi Gas Buang Tingkat polusi udara dari mesin kendaraan tidak hanya dipengaruhi oleh teknologi pembakaran yang diterapkan dalam sistem itu saja, tetapi juga besar dipengaruhi oleh mutu bahan bakar yang dipakai. Dari segi kualitas bahan bakar, Indonesia sangat jauh tertinggal dari negara negara lain. Emisi gas yang dihasilkan oleh pembakaran kendaraan bermotor pada umumnya berdampak negatif terhadap lingkungan. Ada beberapa cara yang dapat diambil untuk mengatasi masalah tersebut antara lain : 1. Menyeimbangkan campuran udara-bahan bakar. 2. Pemanfaatan Positive Crankcase Ventilation (PCV). 3. Penggunaan sistem kontrol emisi penguapan bahan bakar antara lain : ECS (Evaporation Control System), EEC (Evaporation Emission Control), VVR (Vehicle Vapor Recovery) dan VSS (Vapor Saver System). 4. Penggunaan Exhaust Gas Recirculation (EGR). 5. Penggunaan filter particulate traps yang dikhususkan untuk mesin diesel. 6. Injeksi udara lebih kedalam silinder.

36 BAB III METODOLOGI PENGUJIAN 3.1 Waktu dan Tempat Pengujian dilakukan di laboratorium motor bakar Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara selama kurang lebih 2 bulan. 3.2 Bahan dan Alat Bahan Bahan yang menjadi objek pengujian ini adalah bahan bakar biodiesel dari minyak sawit yang diperoleh dari Penelitian Dosen Kimia FMIPA USU Alat Alat yang dipakai dalam eksperimental ini terdiri dari : 1. Mesin diesel 4-langkah 4-silinder ( TecQuipment type. TD4A 001 ). 2. Bom kalorimeter untuk mengukur nilai kalor bahan bakar. 3. Untuk emisi gas buang menggunakan alat uji auto gas analizer. 4. Alat bantu perbengkelan, seperti : kunci pas, kunci Inggris, kunci ring, kunci L, obeng, tang, palu, kertas amplas dan lain sebagainya. 5. Stop watch, untuk menentukan waktu yang dibutuhkan mesin uji untuk menghabiskan bahan bakar dengan volume sebanyak 100 ml. 6. Termometer, untuk menghitung perubahan suhu yang terjadi antara sebelum masuk dan setelah keluar air cooler. 3.3 Metode Pengumpulan Data Data yang dipergunakan dalam pengujian ini meliputi : a. Data primer, merupakan data yang diperoleh langsung dari pengukuran dan pembacaan pada unit instrumentasi dan alat ukur pada masingmasing pengujian. b. Data sekunder, merupakan data yang diperoleh dari hasil penelitian karakteristik bahan bakar biodiesel yang dilakukan oleh Pusat Penelitian

37 Kelapa Sawit (PPKS) Medan dan data mengenai karakteristik bahan bakar solar dari pertamina. Metode Pengolahan Data Data yang diperoleh dari data primer dan data sekunder diolah ke dalam rumus empiris, kemidian data dari perhitungan disajikan dalam bentuk tabulasi dan grafik. 3.4 Pengamatan dan Tahap Pengujian Pada penelitian yang akan diamati adalah : 1. Parameter torsi (T) dan parameter daya (P B ). 2. Parameter konsumsi bahan bakar spesifik (sfc). 3. Rasio perbandingan udara bahan bakar (AFR). 4. Efisiensi volumetris ( η v ). 5. Effisiensi thermal brake ( η b ). 6. Parameter komposisi gas buang. Prosedur pengujian dapat dibagi beberapa tahap, yaitu : 1. Pengujian nilai kalor bahan bakar. 2. Pengujian motor diesel dengan bahan bakar solar murni. 3. Pengujian motor diesel dengan bahan bakar biodiesel dimethil ester ( B-01 ). 4. Pengujian motor diesel dengan bahan bakar biodiesel dimethil ester ( B-02 ). 3.5 Prosedur Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar Alat yang digunakan dalam pengukuran nilai kalor bahan bakar ini adalah alat uji Bom Kalorimeter.

38 Gambar 3.1 Bom kalorimeter. Peralatan yang digunakan meliputi : - Kalorimeter, sebagai tempat air pendingin dan tabung bom. - Tabung bom, sebagai tempat pembakaran bahan bakar yang diuji. - Tabung gas oksigen. - Alat ukur tekanan gas oksigen, untuk mengukur jumlah oksigen yang dimasukkan ke dalam tabung bom. - Termometer, dengan akurasi pembacaan skala C. - Elektromotor yang dilengkapi pengaduk untuk mengaduk air pendingin. - Spit, untuk menentukan jumlah volume bahan bakar. - Pengatur penyalaan (saklar), untuk menghubungkan arus listrik ke tangkai penyala pada tabung bom. - Kawat penyala (busur nyala), untuk menyalakan bahan bakar yang diuji. - Cawan, untuk tempat bahan bakar di dalam tabung bom. - Pinset untuk memasang busur nyala pada tangkai penyala, dan cawan pada dudukannya. Adapun tahapan pengujian yang dilakukan adalah sebagai berikut : 1. Mengisi cawan bahan bakar dengan bahan bakar yang akan diuji. 2. Menggulung dan memasang kawat penyala pada tangkai penyala yang ada pada penutup bom. 3. Menempatkan cawan yang berisi bahan bakar pada ujung tangkai penyala, serta mengatur posisi kawat penyala agar berada tepat diatas permukaan bahan bakar yang berada didalam cawan dengan menggunakan pinset.

39 4. Meletakkan tutup bom yang telah dipasangi kawat penyala dan cawan berisi bahan bakar pada tabungnya serta dikunci dengan ring O sampai rapat. 5. Mengisi bom dengan oksigen (30 bar). 6. Mengisi tabung kalorimeter dengan air pendingin sebanyak 1250 ml. 7. Menempatkan bom yang telah terpasang kedalam tabung kalorimeter. 8. Menghubungkan tangkai penyala penutup bom ke kabel sumber arus listrik. 9. Menutup kalorimeter dengan penutupnya yang dilengkapi dengan pengaduk. 10. Menghubungkan dan mengatur posisi pengaduk pada elektromotor. 11. Menempatkan termometer melalui lubang pada tutup kalorimeter. 12. Menghidupkan elektromotor selama 5 (lima) menit kemudian membaca dan mencatat temperatur air pendingin pada termometer. 13. Menyalakan kawat penyala dengan menekan saklar. 14. Memastikan kawat penyala telah menyala dan putus dengan memperhatikan lampu indikator selama elektromotor terus bekerja. 15. Membaca dan mencatat kembali temperatur air pendingin setelah 5 (lima) menit dari penyalaan berlangsung. 16. Mematikan elektromotor pengaduk dan mempersiapkan peralatan untuk pengujian berikutnya. 17. Mengulang pengujian sebanyak 5 (lima) kali berturut turut. Diagram alir pengujian nilai kalor bahan bakar yang dilakukan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 3.2

40 Mulai a b Berat sampel bahan bakar 0,20 gram Volume air pendingin: 1250 ml Tekanan oksigen 30 Bar Pengujian = 5 kali Melakukan pengadukan terhadap air pendingin selama 5 menit HHVRata - rata = 5 Σ HHV i= 1 5 i ( J/kg) Mencatat temperatur air pendingin T1 ( O C) Berhenti Menyalakan bahan bakar Melanjutkan pengadukan terhadap air pendingin selama 5 menit Selesai Mencatat kembali temperatur air pendingin T2 ( O C) Menghitung HHV bahan bakar : HHV = (T2 T1 Tkp) x Cv x 1000 ( J/kg ) b a

41 Gambar 3.2 Diagram alir Pengujian nilai kalor bahan bakar. 3.6 Prosedur Pengujian Performansi Motor Diesel Disini dilakukan pengujian dengan menggunakan esin diesel 4-langkah 4- silinder ( TecQuipment type. TD4A 001 ). Gambar 3.3 Mesin uji (TD4 A 001) Gambar 3.4 TD4 A Stroke Diesel Engine

42 Tabel 3.1 Spesifikasi Mesin Diesel TD4A 4-langkah TD111 4-Stroke Diesel Engine Type TecQuipment TD4A 001 Langkah dan diameter 3,125 inch-nominal dan 3,5 inch Kompresi ratio 22 : 1 Kapasitas 107 inch 3 (1,76 liter) Valve type clearance 0,012 inch (0,30 mm) dingin Firing order Sumber : Panduan Praktikum Motor Bakar Diesel oleh DR.Ir.Chalilullah Rangkuti, Msc. Mesin ini juga dilengkapi dengan TD4 A 001 Instrumentation Unit dengan spesifikasi sebagai berikut : Gambar 3.5 TD4 A 001 Instrumentation Unit

43 Tabel 3.2 Spesifikasi TD4 A 001 Instrument Unit TD4 A 001 Instrument Unit Fuel Tank Capasity 10 liters Fast Flow Pipette Graduated in 8 ml, 16 ml and 32 ml Tachometer rev/min Torque Meter 0 70 Nm Exhaust Temperature Meter C Air Flow Manometer Calibrated 0 40 mm water gauge Sumber : Panduan Praktikum Motor Bakar Diesel oleh DR.Ir.Chalilullah Rangkuti, Msc Pada pengujian ini, akan diteliti performansi motor diesel serta komposisi emisi gas buang. Pengujian ini dilakukan pada 5 tingkat putaran mesin, yaitu : 1000,1400,1800,2200,2600 dan 2800 rpm serta 2 variasi beban yaitu : 10 kg dan 25 kg. Sebelum pengujian dilakukan, terlebih dahulu dilakukan pengkalibrasian terhadap torquemeter yang terdapat pada instrumentasi mesin uji dengan langkah langkah sebagai berikut : 1. Menghubungkan unit instrumentasi mesin kesumber arus listrik. 2. Memutar tombol span searah jarum jam sampai posisi maksimum. 3. Mengguncangkan/menggetarkan mesin pada bagian lengan beban. 4. Memutar tombol zero, hingga jarum torquemetre menunjukkan angka nol. 5. Memastikan bahwa penunjukan angka nol oleh torquemeter telah akurat dengan mengguncangkan mesin kembali. 6. Menggantung beban sebesar 10 kg pada lengan beban. 7. Mengguncangkan/menggetarkan mesin sampai posisi jarum torquemeter menunjukkan angka yang tetap. 8. Melepaskan beban dari lengan beban.

44 Pengkalibrasian ini dilakukan setiap kali akan dilakukan pengujian sebelum mesin dihidupkan. Setelah dilakukan pengkalibrasian, maka pengujian dapat dilakukan dengan langkah langkah sebagai berikut : 1. Menghidupkan pompa air pendingin dan memastikan sirkulasi air pendingin mengalir dengan lancar melalui mesin. 2. Menghidupkan mesin dengan cara menarik tali starter, memanaskan mesin selama menit pada putaran rendah (± 1500 rpm). 3. Mengatur putaran mesin pada 1500 rpm dengan menggunakan tuas kecepatan dan memastikannya melalui pembacaan tachometer. 4. Menggantung beban sebesar 1 kg pada lengan beban. 5. Menutup saluran bahan bakar dari tangki dengan memutar katup saluran bahan bakar sehingga permukaan bahan bakar didalam pipette turun. 6. Mencatat waktu yang dibutuhkan mesin untuk menghabiskan 8 ml bahan bakar dengan menggunakan stopwatch dengan memperhatikan ketinggian permukaan bahan bakar didalam pipette. 7. Mencatat torsi melalui pembacaan torquemeter, temperatur gas buang melalui exhaust temperature meter, dan tekanan udara masuk melalui air flow manometer. 8. Membuka katup bahan bakar sehingga pipette kembali terisi oleh bahan bakar yang berasal dari tangki. 9. Mengulang pengujian untuk variasi putaran dan beban mesin. Diagram alir pengujian performansi motor bakar diesel yang dilakukan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 3.6.

45 Mulai Volume Uji bahan bakar : 100 ml Temperatur udara : 27 O C Tekanan udara: 1 bar Putaran: n rpm Beban: L kg Mencatat waktu yang dibutuhkan untuk menghabiskan 100 ml bahan bakar. Mencatat Torsi Mencatat temperatur gas buang Mencatat tekanan udara masuk mm H2O Menganalisa data hasil pembacaan alat ukur dengan rumus empiris Mengulang pengujian dengan beban, putaran yang berbeda. Berhenti Selesai Gambar 3.6 Diagram alir Pengujian performansi motor bakar diesel

46 3.7 Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang Pengujian emisi gas buang yang dilakukan meliputi kadar CO 2, O 2, HC, CO, dan NO x yang terdapat pada hasil pembakaran bahan bakar. Pengujian ini dilakukan bersamaan dengan pengujian unjuk kerja motor bakar diesel dimana gas buang yang dihasilkan oleh mesin uji pada saat pengujian diukur untuk mengetahui kadar emisi dalam gas buang. Pengujian emsi gas buang yang dilakukan dalam penelitian ini menggunakan alat auto logic gas analizer. Gambar 3.7 Auto logic gas analizer