BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Biodiesel Biodiesel adalah bahan bakar alternatif yang diformulasikan khusus untuk mesin diesel yang terbuat dari minyak nabati (bio-oil). Proses pembuatan biodiesel adalah proses transesterifikasi antara minyak nabati dengan methanol dan katalis pada suhu 60 o C. Biodiesel memiliki keuntungan antara lain tidak diperlukan modifikasi mesin, memiliki cetane number tinggi, ramah lingkungan, memiliki daya pelumasan yang tinggi, aman dan tidak beracun. Biodiesel juga merupakan bahan bakar alternatif dari bahan mentah terbarukan (renewable) yang terbuat bukan dari minyak bumi. Biodiesel tersusun dari berbagai macam ester asam lemak yang dapat diproduksi dari minyakminyak tumbuhan seperti minyak sawit (palm oil), minyak kelapa, minyak jarak pagar, minyak biji kapuk randu, minyak kemiri, minyak nyamplung dan masih ada lebih dari 30 macam tumbuhan Indonesia yang potensial untuk dijadikan sumber energi bentuk cair ini [7] dan dalam penelitian ini bahan bakar nabati berasal dari minyak nyamplung. Gambar. 2.1. Biji dan minyak nyamplung [8] 5
Hasil pengujian menunjukkan, setelah mengalami beberapa proses seperti ektraksi, transesterifikasi diperoleh metil ester (biodiesel) yang memiliki sifat sifat fisika mendekati sama dengan solar, pemakaian biodiesel mengurangi pemakaian bahan bakar solar serta mengurangi pemanasan global dan pencemaran udara, karena biodiesel ramah lingkungan [8]. Secara kimia, transesterifikasi berarti mengambil molekul asam lemak kompleks dari minyak nabati atau hewani, menetralkan asam lemak tak jenuh minyak nabati atau hewani dan menghasilkan alcohol-ester. Karena komposisi asam lemak tak jenuh pada minyak nyamplung sudah berkurang secara drastis, maka pembuatan biodiesel dengan bahan baku minyak nyamplung diperkirakan akan terjadi dengan lebih cepat. Prinsip proses transesterifikasi dapat dilihat pada Gambar 2.2 berikut ini: + C 2 H 5 OH Alkohol Gambar. 2.2. Proses transesterifikasi secara kimia [4]. 2.1.1. Density (Kerapatan Massa) Adalah perbandingan antara massa bahan bakar dengan volume bahan bakar. Density bahan bakar dipengaruhi oleh temperatur, dimana semakin tinggi temperatur, maka density semakin turun dan sebaliknya. 6
2.1.2.Viskositas/kekentalan Kekentalan suatu bahan bakar menunjukkan sifat menghambat terhadap aliran, dan menunjukkan sifat pelumasannya pada permukaan benda yang dilumasi. Kekentalan bisa didefinisikan sebagai gaya yang diperlukan untuk menggerakkan suatu bidang dengan luas tertentu pada jarak tertentu dan dalam waktu yang tertentu pula. Viskositas bahan bakar mempunyai pengaruh yang besar terhadap bentuk semprotan bahan bakar. Dimana untuk bahan bakar dengan viskositas yang terlalu tinggi akan memberikan atomisasi yang rendah sehingga mengakibatkan mesin sulit di start. Selain itu, gas buang yang dihasilkan juga akan menjadi hitam dengan smoke density yang cukup tinggi. Jika viskositas bahan bakar terlalu rendah maka akan terjadi kebocoran pada pompa bahan bakarnya dan mempercepat keausan pada komponen pompa dan injektor bahan bakar. 2.1.3. Titik Nyala (flash Point) Flash point adalah temperatur pada keadaan dimana uap di atas permukaan bahan bakar (biodiesel) akan terbakar dengan cepat (meledak). Flash point menunjukan kemudahan bahan bakar untuk terbakar. Makin tinggi flash point, maka bahan bakar semakin sulit terbakar. Makin mudah bahan bakar untuk terbakar maka flash point-nya menurun dan bahan bakar lebih effisien. 2.1. 4. Specific Gravity Berat bahan bakar atau specific gravity memegang peranan yang sangat penting dalam hal nilai kalor bahan bakar, flash point, dan sifat pelumasan pada 7
mesin. Makin tinggi specific gravity berarti bahan bakar akan semakin berat, dan nilai kalor yang dihasilkan tiap volume akan semakin besar pula. Specific gravity yang lebih tinggi juga menunjukkan sifat pelumasan yang lebih baik. Tetapi specific gravity yang terlalu tinggi akan menyebabkan viskositas yang terlalu tinggi, dan flash point yang terlalu tinggi. Specific gravity terhadap air =...... 2.1 Tabel 2.1. Specific gravity of various fuel [9]. Fuel oil type LDO (Light diesel oil) Furnace oil LSHS (Low sulphur heavy stock) Specific gravity 0,85 0,87 0,89 0,95 0,88 0,98 2.1.5. Nilai Kalor Nilai kalor dari bahan bakar diesel diukur dengan oksigen bomb kalorimeter. Untuk memperoleh perkiraan nilai kalornya, bisa dipakai rumus empiris di bawah ini: NK = 18,650 + 40 (API 10) BTU/lb...2.2 API = API Gravity pada 60 of = (141,5/specific gravity) 131,5....2.3 Untuk menghitung lower heating volue (LHV) dan higher heating value digunakan persamaan sebagai berikut: LHV= HHV-.. 2.4 2.2. Minyak Solar Bahan bakar solar adalah bahan bakar minyak hasil sulingan dari minyak bumi mentah dengan warna kuning coklat yang jernih. Penggunaan solar pada 8
umumnya adalah untuk bahan bakar pada semua jenis mesin diesel dengan putaran tinggi (1000 rpm), yang juga dapat digunakan sebagai bahan bakar pada pembakaran langsung dalam dapur-dapur kecil yang terutama diinginkan pembakaran yang bersih [9]. Tabel 2.2. Spesifikasi bahan bakar solar [9]. Air Fuel Ratio ( AFR) Air fuel ratio adalah perbandingan antara udara dan bahan bakar (proses pencampuran udara dan bahan bakar), bahan bakar yang hendak dimasukkan ke dalam ruang bakar haruslah dalam keadaan mudah terbakar, hal tersebut agar didapatkan effisiensi tenaga motor yang maksimal. Campuran bahan bakar yang belum sempurna akan sulit dibakar oleh percikan bunga api di dalam ruang bakar, bahan bakar tidak dapat terbakar tanpa adanya udara (O 2 ), tentunya dalam keadaan yang homogen. Bahan bakar yang di gunakan dalam pembakaran sesuai dengan ketentuan sebab bahan bakar yang melimpah pada ruang bakar justru tidak meningkatkan tenaga dari motor tersebut, semakin banyak bahan bakar yang tidak terbakar pada ruang bakar akan mengakibatkan filament pada dinding silinder. 9
Air fuel ratio adalah factor yang mempengaruhi kesempurnaan proses pembakaran didalam ruang bakar. Merupakan komposisi campuran bahan bakar dan udara idealnya AFR bernilai 14,7 (1 bahan bakar : 14,7 udara) stoichiometry, berikut pengaruh AFR pada kinerja mesin: AFR Terlalu kurus : Tenaga mesin menjadi sangat lemah Sering menimbulkan detonasi Mesin cepat panas Dapat membuat kerusakan pada sillinder ruang bakar AFR Kurus : Tenaga mesin berkurang Terkadang terjadi detonasi Konsumsi bahan bakar irit AFR Ideal : Kondisi paling ideal AFR Kaya : Bensin agak boros Tidak terjadi detonasi Mesin lebih bertenaga AFR Terlalu kaya : Bensin sangat boros Asap knalpot berwarna hitam Menimbulkan filament pada gesekan dinding sillinder dengan ring piston [10]. 10
Perbandingan jumlah udara dengan bahan bakar disebut dengan Air Fuel Ratio (AFR). Perbandingan ini dapat dibandingkan baik dalam jumlah massa ataupun dalam jumlah volume. = : = :.. 2.5 Besarnya AFR dapat diketahui dari uji coba reaksi pembakaran yang benar-benar terjadi, nilai ini disebut AFR aktual. Sedangkan AFR lainnya adalah AFR stoikiometri, merupakan AFR yang diperoleh dari persamaan reaksi pembakaran. Dari perbandingan nilai AFR tersebut dapat diketahui nilai Rasio Ekuivalen ( ) : = :.... 2.6 Untuk dapat mengetahui nilai AFR, maka harus dihitung jumlah keseimbangan atom C, H dan O dalam suatu reaksi pembakaran. Adapun rumus umum reaksi pembakaran yang menggunakan oksigen adalah : C55H104O6+78 O2 55 CO2+52 H2O... 2.7 2.3. Motor Diesel Motor diesel ditemukan oleh seorang insinyur Jerman benama Rudolf Diesel pada tahun 1897 sebagai salah satu jenis motor pembakaran dalam (Internal Combustion Engine). Konsep dari mesin ini adalah mesin dengan pembakaran sendiri yaitu tanpa bantuan percikan api, dimana udara dikompresikan dengan tekanan tinggi sehingga suhu dari udara ini tinggi dan diakhir langkah kompresi bahan bakar diinjeksikan keruang bakar, bahan bakar lalu bercampur dengan udara yang sudah panas dan akhirnya bahan bakar terbakar dengan sendirinya. 11
Tipe- Tipe Motor Diesel : Tipe Motor Diesel Injeksi Langsung (Direct Injection Type) Bahan bakar disemprotkan langsung ke ruang bakar utama, letak ruang bakar utama ada di antara piston & silinder head bagian atas piston dibuatkan ruang dengan desain khusus. Tipe Injeksi Tidak Langsung ( Indirect Injection Type) Pada ruang bakar motor diesel injeksi tidak langsung, bahan bakar disemprotkan ke dalam ruang bakar pendahuluan (pre chamber) yang telah dipanaskan dan disinilah awal pembakaran terjadi untuk mendapatkan campuran yang baik kemudian dilanjukan dengan pembakaran utama diruang bakar utama [11]. Gambar 2.3. Motor diesel injeksi langsung/ injeksi tidak langsung [11]. 2.4. Prinsip Kerja Motor Diesel Empat Langkah Pada motor diesel empat langkah, katup masuk dan katup buang digunakan untuk mengontrol proses pemasukan udara murni dan pembuangan gas sisa pembakaran dengan membuka dan menutup saluran masuk dan saluran buang. 12
Gambar 2.4. Prinsip kerja motor diesel 4 langkah [11]. 1. Langkah isap, yaitu waktu torak bergerak dari TMA ke TMB. Katup isap terbuka dan katup buangmenutup, udara murni diisap melalui katup isap. 2. Langkah kompresi, yaitu torak bergerak dari TMB ke TMA dengan memampatkan udara murni yang diisap, karena kedua katup isap dan katup buang tertutup, sehingga tekanan dan suhu udara dalam silinder tersebut akan naik. 3. Langkah usaha, katup isap dan katup buang tertutup, sebelum torak mencapai titik mati atas bahan bakar disemprotkan keruang bakar kemudian bercampur dengan udara dengan temperatur tinggi, sehingga terjadi pembakaran dengan sendirinya. Pada langkah ini torak mulai bergerak dari TMA ke TMB karena pembakaran berlangsung bertahap. 4. Langkah buang, katup isap tertutup dan katup buang terbuka, torak bergerak dari TMB ke TMA sehingga gas bekas pembakaran terdorong keluar melewati katup buang. 13
2.5. Siklus Motor Diesel Siklus diesel adalah siklus teoritis untuk Compression Ignition Engine atau motor diesel. Perbadaan siklus diesel dengan siklus otto adalah: pada motor diesel penambahan panas terjadi pada tekanan tetap [12]. Prosesnya: Gambar: 2.5. Siklus diesel digram P-V dan T-S [12]. 1-2 Kompresi isentropik (Reversibel Adiabatik) 2-3 Pembakaran isobarik 3-4 Ekspansi Isentropik (Reversibel Adiabatik) 4-1 Pembakaran kalor isochoric Efisiensi teoritis siklus diesel : =1-..... 2.8 Efisiensi teoritis siklus dual: = 1-..2.9 Dimana: P3/P2 (Perbandingan tekanan pada volume konstan) V4/V2 (Cut-off ratio/ perbandingan pemancuan) K = 1,40 r= V1/V2 14
2.6. Komponen Bahan Bakar Motor Diesel. Gambar 2.6. Komponen bahan bakar motor diesel [12]. Adapun fungsi fungsi komponen tersebut : 1. Fuel tank berfungsi untuk menyimpan bahan bakar sementara yang akan digunakan dalam penyaluran bahan bakar yang dibutuhkan oleh mesin; 2. Feed pump atau pompa penyalur berfungsi untuk mengalirkan bahan bakar dengan cara memompa bahan bakar dari tangki dan mengalirkannya ke pompa injeksi. Didalam feed pump juga terpasang komponen yang bernama priming pump, yang berfungsi untuk mengeluarkan udara palsu dari sistem bahan bakar; 3. Fuel filter biasanya terdapat 2 (dua) yaitu pada bagian sebelum feed pump yang dilengkapi pula dengan water sedimenter yang berfungsi untuk memisahkan air dalam sistem bahan bakar dan fuel filter (saringan bahan bakar) yang berfungsi untuk menyaring kotoran 15
kotoran yang terdapat pada bahan bakar untuk menjaga kualitas bahan bakar agar selalu bersih dan tidak menghambat aliran bahan bakar; 4. Injection pump yang berfungsi untuk menaikkan tekanan sehingga bahan bakar solar dapat mudah dikabutkan oleh nosel. Didalam pompa injeksi ada komponen yang bernama automatic timer dan governor yang fungsinya ada dibawah ini ; 5. Automatic timer yang terpaang pada bagian depan pompa injeksi yang berhubungan dengan timing gear berfungsi untuk memajukan saat injeksi sesuai dengan putaran motor; 6. Governor terpasang pada bagian belakang pompa injeksi yang berfungsi sebagai pengatur jumlah injeksi bahan bakar sesuai dengan pembebanan motor; 7. Pengabut (nosel) berfungsi untuk mengabutkan bahan bakar agar mudah bercampur dengan oksigen sehingga mudah terbakar dalam silinder; 8. Pipa tekanan tinggi terbuat dari bahan baja yang berfungsi untuk mengalirkan bahan bakar bertekanan tinggi dari pompa injeksi ke masing-masing pengabut; 9. Busi pijar atau busi pemanas (glow plug) berfungsi untuk memanaskan ruangan pre chamber pada saat mulai start. Dengan merubah energi listrik dari battery menjadi energi panas; 16
10. Battery (aki) berfungsi sebagai sumber energi listrik yang mensuplai energi yang dibutuhkan oleh busi pijar untuk memanaskan ruangan pre chamber; 11. Kunci kontak (ignition switch) berfungsi sebagai saklar utama pada sistem kelistrikan kendaraan; 12. Relay yang berfungsi sebagai pengaman dan pengatur saat pemanasan ruang pre chamber. 2.6.1. Tangki Bahan bakar Tangki bahan bakar terbuat dari bahan yang tidak korosi atau terbuat dari baja tipis yang bagian dalamnya dilapisi bahan anti karat. Tangki bahan bakar harus bebas dari kebocoran dan tahan terhadap tekanan minimal 0-3 bar, serta tahan terhadap getaran mekanis yang ditimbulkan pada saat motor beroperasi, dalam tangki bahan bakar terdapat fuel sender gauge yang berfungsi untuk menujukan jumlah bahan bakar yang ada didalam tangki. 2.6.2. Filter Bahan Bakar Umur komponen sistem aliran bahan bakar motor diesel sangat ditentukan oleh mutu saringan/ filter serta perawantan berkala sistem bahan bakar. Tekanan bahan bakar dapat dibangkitkan oleh pompa injektor melalui plunyer, barel serta nosel. Hal ini mengharuskan bahan bakar yang selalu bersih dan tidak terkontaminasi oleh material lain sebelum masuk ke pompa injektor dan nosel. 17
2.6.3.Pompa Injeksi Berfungsi memberikan tekanan pada solar yang akan diinjeksikan / disemprotkan oleh nosel. 2.6.4.Injektor /Nosel Gambar.2.7. Pompa injector [12]. Injektor/nosel adalah alat untuk memisahkan fluida atau minyak menjadi tetesan kecil yang membutuhkan energi tertentu, energi yang diberikan melalui pompa yang memiliki tekanan tinggi. Dengan pompa bertekanan tinggi akan memecahkan minyak atau fluida dengan kecepatan tertentu, tekanan dan kecepatan yang diberikan mencapai 100 psi sehingga memaksa fluida atau minyak melalui lubang nosel. Gambar 2.8. Injektor/nosel [12]. 18
Macam-macam injektor seperti disebutkan diatas dengan sifat pengabutan dan karakteristik yang berbeda maka pemilihan untuk fungsi pemakaiannya juga berbeda yang bergantung pada proses pembakarannya dan proses pembakaran ini ditentukan oleh bentuk ruang bakarnya, untuk sifat-sifat injector ini antara lain adalah seperti berikut: a. Injector berlubang satu (Single Hole) proses pengabutannya sangat baik akan tetapi mememrlkukan tekanan injektion pump yang tinggi. b. Demikian halnya dengan Injektor berlubang banyak (Multi Hole) pengabutannya sangat baik. Injector ini sangat tepat digunakan pada direct injection (Injeksi Langsung). c. Injektor dengan model pin, injektor model pin ini model trotle maupun model pintle lebih tepat digunakan pada motor diesel dengan ruang bakar yang memiliki combustion chamber, kamar muka maupun kamar pusar (Turbulen). Pada umunyan injector/nozel yang digunakan dalam pengujian ini adalah Injektor/Nozel mesin diesel tipe Broch,Injektor/Nozel dihubungkan dengan Tester Injektor/nozel untuk memberi tekana berdasarkan kecepatan aliran atau semprotan serta pengabutan yang diingginkan. 2.7. Penyemprotan (Spray) Penyemprotan atau spray adalah aliran udara/gas yang mengandung droplet atau droplet yang bergerak dalam aliran udara/gas, oleh karena itu dalam proses pengabutan ini pada dasarnya adalah mencampur bahan bakar dengan oksigen, 19
untuk itu proses pengabutan untuk memperoleh gas bahan bakar yang sempurna pada injektor dapat dilakukan dengan tiga sistem pengabutan yaitu: 2.7.1. Pengabutan Udara Proses pengabutan udara terjadi pada saat bahan bakar yang bertekanan 60 sampai 85 kg/cm² mengakibatkan tekanan pada rumah pengabut sebesar 60 kg/cm² yang selalu berhubungan langsung dengan tabung udara dengan tekanan bahan bakar dari pompa mencapai 70 kg/cm² pada volume tertentu akan tertampung pada cincin pembagi dari pengabut tersebut. 2.7.2. Pengabutan tekan. Pada proses pengabut tekan ini saluran bahan bakar dan ruangan dalam rumah pengabut harus selalu terisi penuh oleh bahan bakar, dengan jarum pengabut yang tertekan oleh pegas sehingga saluran akan tertutup. Namun ketika bahan bakar dari injection pump yang beterkanan 250 kg/cm² mengalir kebagian takikan jarum pengabut, pengabut akan tertekan keatas sehingga saluran akan terbuka. Dengan demikian, bahan bakar akan terdesak melalui celah di antara jarum pengabut dalam bentuk gas. 2.7.3. Pengabutan gas. Pengabut ini dikonstruksi dengan komponen-komponen yang terdiri atas rumah pengabut, katup dan bak pengabut yang ditempatkan di bagian bawah dari pengabut dan berada di dalam ruang bakar. Dalam proses pengabutan ini bahan 20
bakar telah berada dalam keadaan bertekanan tinggi dan katup injeksi sudah terbuka sejak langkah pengisapan oleh torak dan pada kondisi demikan ini sebagian bahan bakar telah menetes ke bak pengabut yang di bagian sisinya terdapat lubang-lubang kecil [14]. Gambar 2.9. Sistem peyemprotan ( spray) [14]. Untuk mesin diesel, penetrasi ujung semprot terlalu lama disebabkan oleh injeksi tekanan tinggi juga memiliki efek yang merugikan pada kontrol akurasi campuran dan kinerja emisi karena penguapan [ 15]. Berdasarkan pembahasan diatas sehingga untuk dapat mengetahui tingkat penyemprotan dengan tekana atomisasi, dan dapat diukur sudut kerucut berdasarkan jarak semprotan digunakan persamaan empirical dimana, jarak penetrasi L [16], Gambar 2.10. Penyemprotan tip penetrasi [16]. 21
2.10.. 2.11 Dimana : L = jarak penetrasi (m); = tekanan injeksi (bar); = lubang nosel (m); = break-up time;(s) = densitas udara lingkungan (kg/m 3 ); = diameter nosel (m). Diameter semprotan merupakan hasil rata rata dari panjang semprotan di sumbu vertikal dan sumbu horizontal. Berdasarkan data diameter hasil semprotan, besarnya sudut semprotan dapat dihitung dengan menggunakan rumus [16] :. 2.12 Dimana : Ɵ = Sudut semprotan (deg) p = Tekanan injector (bar) = Diameter semprotan (µm) = Velocity (m/s) Panjang semprotan penetrasi ditentukan dengan mencari arah axial semprotan yang terjauh dari nosel, sudut yang meliputi struktur semprotan dari nosel hingga 1/3 dari penetrasi. Garis linear digunakan untuk mengukur sudut yang dekat dan garis singgung kontur yang ada sampai ujung semprotan [17]. 22
.l Gambar 2.11. Tip Penetrasi [17]. Untuk menganalisis sifat penetrasi seprotan diatas digunakan persamaan Hiroyasu :...... 2.13.. 2.14....2.15...2.16.... 2.17 Dimana : = diameter nosel (m); = penetrasi tip penyemprotan (m); = waktu setelah mulai injeksi (s); = break up time (s); = kecepatan awal semprotan (m/s); = discharge koofisen nosel; = tekanan injeksi (bar); = fuel density (kg/m 3 ); = density udara lingkungan (kg/m 3 ); 23
= Volume fraction pengabutan dari semprotan (m 3 ); = sudut kerucut semprotan (deg). Konsumsi bahan bakar spesifik (SFC) adalah menyatakan jumlah pemakaian bahan bakar yang dikonsumsi oleh motor untuk menghasilkan daya (HP) dalam kurun waktu tertentu. Semakin rendah nilai SFC maka semakin rendah pula konsumsi bahan bakar yang digunakan. Berikut ini merupakan hasil dari pengukuran konsumsi bahan bakar spesifik. Rumus yang digunakan untuk menghitung SFC adalah :...... 2.18 Dimana : Sfc : specific fuel consumption (Kg/Hp.jam); Mf : laju aliran bahan bakar (Kg/jam); ρ : 0.00075 kg/cc; v : 10 ml; mf : laju aliran bahan bakar (Kg/jam) v x ρ; P : daya yang dihasilkan oleh mesin (HP). Sementara nilai diameter rata rata dari semprotan yang terjadi ini dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Sauter Mean Diameter (SMD) berikut [18] :.. 2.19 Dimana : σ = Tegangan permukaan minyak (N/m) ρl = Massa jenis minyak (kg/m 3 ) V a = Kecepatan Udara (m/s) 24
µl = Viskositas minyak (mm 2 /s) ρ a = densitas udara lingkungan (kg/m 3 ) AFR = Rasio bahan bakar dengan udara 2.8. Camera. Camera high divinition (HD) digunakan untuk mengambil proses gambar semprotan dan sudut pengabutan pada saat penetrasi bahan bakar, untuk menganalisis data tentang panjang penyemprotan, sudut penyemprotan, butiran penyemprotan digunakan software. 25