1 Identifikasi Fisis Viskositas Oli Mesin Kendaraan Bermotor terhadap Fungsi Suhu dengan Menggunakan Laser Helium Neon Stefan Raharjo Nugroho, Hasto Sunarno Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: hastos@physics.its.ac.id Abstrak Telah dilakukan penelitian dengan tujuan untuk mengetahui karakteristik viskositas oli mesin kendaraan bermotor dengan menggunakan laser Helium Neon sebagai sumber cahayanya. Peralatan dan bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah laser Helium Neon, tabung reaksi, detector, termometer, pemanas dan oli. Oli yang digunakan adalah oli SAE 20, oli SAE 30 dan oli SAE 40. Kemudian peralatan dan bahan diatur. Didapatkan nilai absorbansi awal tanpa adanya oli, dan absorbansi akhir ketika diberi oli bersamaan dengan perubahan suhu. Semakin tinggi suhu maka makin rendah nilai absorbansinya. Secara berturut-turut absorbansi paling rendah adalah oli SAE 20, oli SAE 30 dan oli SAE 40. Dari hasil experimen, viskositas dapat dilihat dengan menggunakan laser Helium Neon. Kata Kunci: Laser Helium Neon, SAE, Viskositas I. PENDAHULUAN Terdapat beberapa jenis minyak di kehidupan sehari-hari, misal saja minyak goreng, minyak rambut, minyak wangi, minyak pelumas dan lain-lain. Untuk minyak pelumas yang digunakan pada mesin kendaraan bermotor dapat disebut dengan oli. Oli digunakan untuk melumasi mesin motor yang sedang bekerja. Tidak semua jenis mesin menggunakan oli yang sama. Misal saja oli untuk mesin motor dengan oli untuk mesin gardan. Maka dari itu kita harus pandai memilih oli yang tepat untuk motor atau mesin yang akan digunakan. Gambar 1.1 Contoh Produk Oli yang telah Dijual di Indonesia (http://pelumas.net/tips-pelumas-cara-baca-kode-spesifikasipelumas-oli/). Penelitian ini fokus pada oli kendaraan bermotor. Hal tersebut dikarenakan banyak dikonsumsi masyarakat pengguna kendaraan bermotor. Persaingan produksi di bidang oli makin ketat, maka dari itu dibentuk SAE (Society of Automotive Engineers) sebagai standarisasi. Berbeda nilai SAE maka berbeda pula tingkat kekentalannya. Pelumasan oli mesin digunakan untuk menghindari terjadinya gesekan langsung antar logam pada mesin, sehingga tingkat keausan logam dan tingkat kerusakan mesin dapat dikurangi. Dengan perawatan secara berkala umur mesin menjadi lebih lama. Keadaan optimum pelumasan logam dapat dicapai, jika permukaan logam bersentuhan dapat dilapisi secara sempurna oleh minyak pelumas. Untuk mendapatkan minyak pelumas yang sempurna, karakteristik dan jenis oli yang digunakan harus diperhatikan. Faktor kekentalan atau viskositas, bahan dasar oli merupakan besaran yang harus disesuaikan dengan klasifikasi mesin. Dengan demikian jenis minyak pelumas yang sesuai dapat digunakan menurut tipe, performa, maupun kebutuhan penggunaannya. Saat ini masyarakat masih awam mengenai oli hanya dengan melihat merk dari yang terkenal, tidak melihat kekentalan oli yang karena terbatasnya alat ukur untuk ini. Karenanya pada penelitian ini akan dihadirkan perancangan model alat ukur yang dapat mengetahui karakteristik kekentalan oli mesin. Tidak sedikit metode penelitian sebelumnya yang dilakukan untuk mendapatkan nilai viskositas dari suatu bahan. Contohnya saja dengan menggunakan viskometer Oswald, viskometer bola jatuh, viskometer Cup dan Bob (Brookfield, Viscoteste), viskometer Cone and Plate (viskometer Ferranti-Shirley) dan lain-lain. Dipenelitian kali ini akan menggunakan metode yang berbeda dari sebelumnya, yaitu dengan menggunakan laser. II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Viskositas Viskositas adalah gesekan internal fluida. Gaya viskos melawan gerakan sebagian fluida relatif terhadap yang lain. Viskositas adalah suatu pernyataan tahanan untuk mengalir dari suatu sistem yang mendapatkan suatu tekanan. Makin kental suatu cairan, makin besar gaya yang
dibutuhkan untuk membuatnya mengalir pada kecepatan tertentu. Viskositas fluida dinotasikan dengan η ( eta ) sebagai rasio tegangan geser. Untuk mengukur besaran viskositas diperlukan satuan ukuran. Dalam sistem standar internasiaonal satuan viskositas ditetapkan sebagai viskositas kinematik dengan satuan ukuran mm 2 /s atau cm 2 /s. 1 cm 2 /s = 100 mm 2 /s, 1 cm 2 /s = 1 St (Stokes) (Young, 2002). d) Kompatibilitas atau kecocokan dengan bahan lain dalam sistem (Sukirno, 2010). 2.2.2 Fungsi Pelumas Fungsi utama suatu pelumas adalah untuk mengendalikan friksi dan keausan. Namun pelumas juga melakukan beberapa fungsi lain yang bervariasi tergantung di mana pelumas tersebut diaplikasikan, misalkan saja: 2 Pencegahan Korosi Peranan pelumas dalam rangka mencegah korosi, pelumas berfungsi sebagai preservative. Pada saat mesin bekerja pelumas melapisi bagian mesin dengan lapisan pelindung yang mengandung adiktif untuk menetralkan bahan korosif. Kemampuan pelumas untuk mengendalikan korosi tergantung pada ketebalan lapisan fluida dan komposisi kimianya. Gambar 2 Kurva Viskositas Oli Mesin terhadap Suhu (M Fuad, 2011) Gambar 2 menjelaskan profil kurva setiap jenis SAE oli mesin, dari mulai SAE kode rendah sampai tinggi. Dari grafik ini terlihat bahwa sesungguhnya perbedaan nyata kekentalan dari setiap jenis SAE oli mesin hanya terjadi pada suhu-suhu rendah dibawah 40oC. Tetapi diatas suhu itu, grafik kekentalan semua jenis SAE oli mesin menuju ke satu garis lurus (M.Fuad, 2011). 2.2 Oli Oli biasanya diperoleh dari pengolahan minyak bumi yang dilakukan melalui proses destilasi bertingkat berdasarkan titik didihnya. Menurut Environmental Protection Agency (EPA s), proses pembuatan oli melalui beberapa tahap, yaitu a) Distilasi. b) Deasphalting untuk menghilangkan kandungan aspal dalam minyak. c) Hidrogenasi untuk menaikkan viskositas dan kualitas. d) Pencampuran katalis untuk menghilangkan lilin dan menaikkan temperature pelumas parafin. e) Clay or Hydrogen finishing untuk meningkatkan warna, stabilitas dan kualitas oli pelumas (Wahyu Purwo Raharjo, 2010). 2.2.1 Pelumas Mesin (Engine Oil) Beberapa sifat penting yang sangat dibutuhkan agar minyak lumas dapat berfungsi dengan baik adalah: a) Low volatility atau tidak mudah menguap, terutama pada kondisi operasi. Volatilitas suatu minyak lumas penting sekali dalam pemilihan jenis pelumas dasar sesuai dengan pemakaian. b) Fluiditas atau sifat mengalir dalam daerah suhu operasi. c) Stabilitas selama periode pemakaian. Sebagian sifat ini ditentukan oleh adiktif. Pengurangan Panas Salah satu fungsi pelumas yang lain adalah sebagai pendingin, dimana pelumas tersebut mampu menghilangkan panas yang dihasilkan baik dari gesekan atau sumber lain seperti pembakaran atau kontak dengan zat tinggi. Perubahan suhu dan oksidatif material akan menurunkan efisiensi pelumas (Sukirno, 2010). 2.2.3 Standar Minyak Pelumas Standarisasi minyak pelumas untuk mesin kendaraan bermotor pertama kali dilakukan oleh Society of Automotive Engineers (SAE) pada tahun 1911 dengan kode SAE J300. Minyak pelumas dikelompokkan berdasarkan tingkat kekentalannya. Dalam kemasan atau kaleng pelumas, biasanya dapat ditemukan kode angka yang menunjukkan tingkat kekentalannya, seperti: SAE 40, SAE 90, dsb. Semakin tinggi angkanya semakin kental minyak pelumas tersebut. Ada juga kode angka multi grade seperti SAE 10W-50, yang dapat diartikan bahwa pelumas memiliki tingkat kekentalan sama dengan SAE 10 pada suhu udara dingin (W=Winter) dan SAE 50 pada suhu udara panas (Wijaya, R. Indra, 2005). Tabel 1 Database Oli Mesran (http://www.scribd.com /doc/67976565/pdf-passenger-car-motor-oils) MESRAN 10 MESRAN 20 MESRAN 30 MESRAN 40 MESRAN 50 Specific gravity, 15 C 0.8802 0.8863 0.8895 0.8923 0.8962 Kinematic Viscosity, at 40 C, cst 39.30 63.30 100.47 144.32 236.10 Kinematic Viscosity, at 100 C, cst 6.25 8.04 11.62 14.53 19.90 Viscosity Index 106 97 102 95 95 Colour, ASTM 4.0 4.0 4.0 4.0 4.5 Flash Point, COC, C 240 240 240 249 252 Pour Point, C 9 9 9 9 9 Total Base Number, mg KOH/g 5.24 5.24 5.20 5.20 5.20 Pelumas pada Tabel 1 ini dianjurkan untuk melumasi mesin kendaraan yang mempergunakan bahan bakar bensin dan menghendaki pelumasan yang sempurna. Pelumas ini mengandung detergent-dispersant additive, sehingga pelumas ini dapat mengurangi pengotoran pada bagian dalam dari mesin, juga mengandng aditif: anti oksidasi, anti karat, anti aus dan anti busa. Minyak lumas ini diformulasikan dari bahan dasar yang memiliki indeks viskositas yang tinggi (http://www.scribd.com /doc/67976565/pdf-passenger-car-motor-oils).
2.3 Lambert-Beer Apabila sinar mengenai suatu material, maka sinar tersebut dapat mengalami tiga hal yaitu penyebaran (scaterred), penyerapan (absorped), atau ditransmisikan (transmitted). Transmitansi merupakan banyaknya cahaya yang menembus suatu materi, yang dapat juga dinyatakan sebagai rasio antara intensitas cahaya yang ditransmisikan (I t ), dan intensitas cahaya awal (I o ): sampel (oli). Kenaikan suhu pada penelitian ini digunakan bahan bakar spirtus. 3.2 Skema Kerja termometer 3 (1) detector sampel Laser Helium-Neon Dimana: T = Transmitansi. I t = Intensitas cahaya yang ditransmisikan. I o = Intensitas cahaya awal. pemanas Hubungan antara transmitansi dan absorbsi adalah: Gambar 3 Skema Kerja Penelitian (2) IV. HASIL DAN PEMBAHASAN (3) 4.1 Intensitas Dimana: A = Absorbansi. T = Transmitansi. Absorpsi (A) adalah fungsi linier dari suatu konsentrasi, itulah yang disebut hukum Lambert-Beer (Lus Roman M, 2005). III. METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Peralatan dan Bahan Peralatan yang dipakai pada eksperimen ini antara lain adalah laser Helium Neon, multimeter, detector, pemanas, termometer, tabung reaksi (Phyrex), adaptor. Bahan utama yang digunakan adalah oli MESRAN SAE 20, oli MESRAN SAE 30, oli MESRAN SAE 40, spirtus. Set-up alat dirangkai sesuai Gambar 3, dipastikan berkas laser sejajar lurus dengan detector. Laser yang digunakan adalah laser Helium Neon dengan panjang gelombang 632,8 nm. Detector yang digunakan adalah fototransistor. Prosedur berikutnya, berkas laser ditembakkan tepat mengenai wadah sampel, wadah sampel yang digunakan adalah tabung reaksi phyrex dengan diameter 1,6 cm. Setelah berkas laser melewati tabung, berkas laser ditangkap oleh detector. Dengan catatan berkas laser yang telah melewati wadah masih tetap sejajar lurus dengan detector. Kemudian dengan digunakannya multimeter, didapatkan nilai intensitas mula-mula. Sampel dimasukkan ke dalam tabung reaksi. Sampel yang digunakan adalah oli dengan variasi SAE 20, SAE 30 dan SAE 40. Merk oli yang digunakan adalah MESRAN dari PERTAMINA. Suhu pada sampel yang digunakan pada saat penelitian bermula dari suhu 30 o C hingga 100 o C, dengan pengambilan data setiap interval 5 o C. Kemudian termometer dimasukkan ke dalam tabung reaksi. Dipastikan termometer tidak menyentuh dinding dari tabung reaksi, dengan kata lain termometer tepat berada di tengah-tengah Gambar 4 Pola Perubahan Nilai Intensitas terhadap Suhu. Nilai intensitas awal didapatkan ketika oli tidak berada di dalam tabung reaksi. Jadi nilai intensitas awal disini adalah nilai intensitas pada saat laser ditembakkan langsung mengenai detector. Ketika tabung reaksi dilewati laser, tidak menutup kemungkinan terjadi pembiasan, pemantulan ataupun penyebaran dari berkas laser tersebut. Maka dari itu set-up alat diatur sehingga meminimalkan terjadinya pemantulan dan pembiasan. Jadi pada penelitian ini berkas laser benar-benar sejajar lurus antara sinar datang (sebelum mengenai tabung reaksi) dengan sinar keluar (setelah melewati tabung reaksi). Nilai intensitas akhir adalah nilai intensitas laser setelah melewati tabung reaksi dimana di dalam tabung reaksi tersebut telah terisi oleh oli dan disertai penambahan nilai suhu. Intensitas akhir menunjukkan banyaknya berkas laser yang berhasil lolos melewati oli. Gambar 4 memperlihatkan besar nilai intensitas untuk semua jenis SAE oli. Nilai intensitas pada suhu 30 o C lebih rendah dibanding dengan nilai intensitas pada suhu 100 o C. Hal ini berarti pada suhu 100 o C lebih banyak berkas laser yang berhasil lolos dibandingkan pada suhu 30 o C. Dimana teori viskositas menjelaskan bahwa makin besar suhu pada suatu cairan, ikatan molekul-molekul penyusunnya akan saling melemahkan, dan mengakibatkan suatu cairan menjadi lebih encer dari sebelumnya, menjadi encernya cairan tersebut (oli) maka nilai intensitas makin bertambah pula. Perubahan yang terlihat dari grafik tidak begitu signifikan, akan tetapi nilai perubahan yang dialami cenderung makin naik. Hal tersebut dialami oleh oli SAE 20, oli SAE 30 dan oli SAE
4 40. Variasi suhu yang digunakaan dimulai dari suhu 30 o C sampai suhu 100 o C dengan interval 5 o C. Mulai dari suhu 30 o C nilai intensitas oli SAE 40 senantiasa paling rendah bila dibandingkan dengan oli SAE 20 dan oli SAE 30 begitu juga seterusnya hingga suhu 100 o C. Maka dari itu dapat disimpulkan hubungan antara intensitas dan suhu adalah linier. Dari grafik di atas bermakna, makin tinggi suhu maka makin besar pula nilai dari intensitas. 4.3.2 Nilai Absorbansi Gambar 6 Grafik Viskositas Oli MESRAN pada Suhu 40 o C. (www.pertamina.com) Gambar 5 Pola Perubahan Nilai Absorbansi terhadap Suhu Pada Gambar 5 terlihat grafik absorbansi untuk tiaptiap oli SAE 20, SAE 30 dan SAE 40. Dimana masingmasing oli nilai absorbansinya makin menurun seiring dengan kenaikan suhu. Variasi suhu yang digunakan masih tetap yaitu mulai dari suhu 30 o C hingga suhu 100 o C. Terlihat pada Gambar 5 apabila dibandingkan antara oli SAE 20, oli SAE 30 dan oli SAE 40, nilai absorbansi untuk oli SAE 20 paling rendah. Dan selalu paling rendah walaupun diberi penambahan suhu. Perubahan nilai absorbansi untuk ketiga jenis SAE tersebut tidak terlalu signifikan, akan tetapi nilai perubahan yang dialami cenderung makin turun seiring dengan penambahan suhu. Pola grafik absorbansi berkebalikan dengan pola grafik intensitas, walaupun sama-sama memiliki hubungan linier dengan suhu, dikarenakan absorbansi merupakan banyaknya berkas laser yang terserap pada oli, sedangkan intensitas merupakan banyaknya berkas laser yang diterima setelah melewati sampel (oli). Hal ini berarti makin sedikit berkas laser yang terserap ketika suhu mengalami penurunan. 4.3.3 Nilai Viskositas dengan Absorbansi Apabila dikaitkan dengan teori viskositas, dimana makin besar suhu pada suatu cairan maka ikatan antar molekul zat cair tersebut makin renggang sehingga zat cair akan lebih encer daripada sebelumnya. Jadi apabila zat cair makin encer maka daya serap (absorbansi) juga makin berkurang. Terlihat dari Gambar 6 dimana pada suhu 40 o C nilai viskositas oli MESRAN SAE 10 sebesar 39,3 cst, SAE 20 sebesar 63,3 cst, SAE 30 sebesar 100,47 cst SAE 40 sebesar 144,32 cst dan SAE 50 sebesar 236,1 cst. Sedangkan pada suhu 100 o C dapat dilihat pada Gambar 7 dimana nilai viskositas oli MESRAN SAE 10 sebesar 6,25 cst, SAE 20 sebesar 8,04 cst, SAE 30 sebesar 11,62 cst, SAE 40 sebesar 14,53 cst dan SAE 50 sebesar 19,9 cst. Dari kedua gambar tersebut menunjukkan bahwa makin besar nilai SAE pada oli maka makin besar pula nilai viskositasnya. Gambar 7 Grafik Viskositas Oli MESRAN pada Suhu 100 o C. (www.pertamina.com) Gambar 8 Grafik Viskositas pada Suhu 40 o C dan 100 o C (http://www.scribd.com/doc/67976565/pdf- Passenger-Car-Motor-Oils.) Gambar 8 menunjukkan adanya perbedaan nilai viskositas yang mencolok antara suhu 40 o C dan suhu 100 o C. Dari grafik tersebut telah menjelaskan, bahwa nilai viskositas atau kekentalan oli tidak hanya berubah pada SAE saja tetapi juga berubah ketika ada perlakuan suhu. Pada penelitian ini, nilai absorbansi juga berubah terhadap nilai SAE dan juga adanya perubahan suhu.
5 Gambar 9 Grafik Absorbansi pada Suhu 40 o C dan 100 o C Sedangkan pada Gambar 9 adalah hasil absorbansi yang didapat ketika melaksanakan penelitian. Nilai pada Gambar 9 sama seperti halnya dengan Gambar 5, hanya saja diambil pada suhu 40 o C dan suhu 100 o C saja. Dari Gambar 9 tampak bahwa makin tinggi angka SAE, maka laju perubahan absorbansi terhadap suhu juga semakin tinggi. KESIMPULAN/RINGKASAN Kesimpulan yang didapat dari penelitian ini adalah: 1. Semakin tinggi suhu semakin rendah nilai absorbansi. 2. Semakin tinggi angka SAE oli, maka semakin tinggi pula nilai absorbansinya. DAFTAR PUSTAKA. [1] Luz, M. Roman. 2004. Design of an Ultraviolet Absorption Spectroscopy Oil Concentration for Online HVAC Measurements. Mechanical Engineering. Massachusetts Institute of Technology. [2] M, Fuad. 2011. Komparasi Sesungguhnya Kekentalan Kode SAE Oli. www.panduanolimesinbbm.com. 30 Agustus 2011 pukul 044:44:19 [3] Sukirno. 2010. Kuliah Teknologi Pelumas 3. Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Indonesia. [4] Wahyu Purwo Raharjo. 2010. The Use of Oil With Petroleum Blanded as Fuel In Burner Atomizing. Jurusan Teknik Mesin. Universitas Sebelas Maret Surakarta [5] Wijaya, R. Indra. 2005. Perencanaan dan Pembuatan Alat Ukur Viskositas Oli Mesin pada Kendaraan Bermotor Berbasis Teknologi Field Progmable Gate Array (FPGA) Xilinx XC4010-XL. Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi-LIPI. [6] Young, H. D. 2002. Fisika untuk Universitas Jilid I. Erlangga. Jakarta. [7] http://www.scribd.com/doc/67976565/pdf-passenger- Car-Motor-Oils. [8] (http://pelumas.net/tips-pelumas-cara-baca-kodespesifikasi-pelumas-oli/).