KAJIAN PERFORMANSI MESIN DIESEL STASIONER SATU SILINDER DENGAN BAHAN BAKAR CAMPURAN BIODIESEL SESAMUM INDICUM Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik ARTHUR K.M. BINTANG NIM : 110401061 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016
Abstrak Semakin menurunnya ketersediaan sumber daya bahan bakar fosil, mendorong kita untuk melakukan penelitian dan pengembangan terhadap bahan bakar alternatif. Di antara sumber bahan bakar alternatif didapatkan dari biji wijen (Sesamum Indicum L) untuk menghasilkan biodiesel. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa performansi mesin diesel TD-115 dengan biodiesel biji wijen 5 %, 10 %, 15 %, dan 20 %. Hasil pengujian menunjukkan bahwa nilai kalor (CV), putaran mesin (rpm), dan pembebanan (W) yang diberikan mengakibatkan penurunan daya (P) hingga 36,44 %, peningkatan konsumsi bahan bakar spesifik (SFC) hingga 148 %, penurunan efisiensi volumentris ( ) hingga 16,52 %, penurunan efisiensi termal aktual ( hingga 56,74 % dan penurunan heat loss hingga 35,01 %. Kata kunci: Akra Sol, Biji Wijen, Biodiesel, Diesel, Performansi
ABSTRACT Due to the decreasing of fosil fuel resources which encourage us to do the research and development of alternative fuels. One of the alternative fuels resources is using sesame seeds (Sesamum Indicum L) to produce biodiesel. This study aims is to analyze the performance of TD - 115 diesel engine using sesame seeds biodiesel mixture of 5 %, 10 %, 15 % and 20 %. The test results indicate that Calorific Value (CV), engine rotations (rpm) and Load (W) given affects the amount of Torque (T) and so the Power (P) decrease up to 36,44 %, while Specific Fuel Consumption (SFC) of the mixture increase up to 148 %, Volumetric Efficiency ( ) decrease up to 16,52 %, Thermal Actual Brake Efficiency ( decrease up to 56,74 % and Heat Losses decrease up to 35,01 %. Keywords : Akra Sol, Biodiesel, Diesel, Performance, Sesame Seeds
KATA PENGANTAR Puji dan syukur saya ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas berkat, kasih, kekuatan dan kesehatan yang diberikan selama pengerjaan skripsi ini, sehingga skripsi ini dapat saya selesaikan. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu Kajian Performansi Mesin Diesel Stasioner Satu Silinder Dengan Campuran Bahan Bakar Biodiesel Sesamum Indicum Dalam penulisan skripsi ini tidak sedikit hambatan yang dihadapi oleh penulis. Untuk itu penulis secara khusus menyampaikan terima kasih kepada dosen pembimbing Bapak Ir. A. Halim Nasution, MSc yang telah bersedia meluangkan waktunya untuk memberikan saran dan membimbing serta sumbangan pikiran bagi penulisan skripsi ini. Selama penulisan skripsi ini, penulis juga mendapat banyak bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis juga mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 2. Kedua Orang Tua Saya R.Ch Bintang dan H. Sianturi serta saudara saudari yang mendoakan dan mendukung penulis dalam pengerjaan Skripsi ini. 3. Partner TA saya Benni Agustinus. 4. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU Seluruh teman-teman penulis, baik teman satu angkatan 2011 juga temanteman yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah menemani dan memberikan masukan serta semangat kepada penulis. 5. Bapak Dr. Eng. Taufiq bin Nur, ST.,M.Eng.Sc dan Ir. Alfian Hamsi, M.Sc selaku dosen pembanding dalam seminar hasil penulis yang telah memberikan banyak masukan dan kritik yang membangun. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna,oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi penyempurnaan dimasa mendatang.
Akhirnya penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Terima kasih. Medan, 30 Maret 2016 Penulis Arthur K.M. Bintang NIM. 110401061
DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR TABEL... xii DAFTAR NOTASI... xiv BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan Pengujian. 2 1.3 Batasan Masalah......2 1.4 Manfaat Pengujian......3 1.5 Metodologi Penulisan......3 1.6 Sistematika Penulisan......3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Biodiesel......5 2.1.1 Sejarah Biodiesel......5 2.1.2 Definisi Biodiesel......7 2.1.3 Pembuatan Biodiesel......9 2.1.3.1 Esterifikasi....10 2.1.3.2 Transesterifikasi....11
2.2 Biodiesel dari bahan-bahan lainnya....12 2.2.1 Biodiesel dari Bahan Baku Biji Karet....12 2.2.2 Biodiesel dari Bahan Baku Kelapa....13 2.2.3Biodiesel dari Bahan Baku Sawit....15 2.3 Komposisi Bahan Baku....17 2.4 Mesin Diesel....23 2.4.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel....30 2.4.2 Performansi Mesin Diesel....34 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Waktu Dan Tempat....43 3.2 Alat Dan Bahan....43 3.2.1 Alat....43 3.2.2 Bahan....45 3.3 Metode Pengumpulan Data....50 3.4 Metode Pengolahan Data....50 3.5 Pengamatan Dan Tahap Pengujian....51 3.6 Prosedur Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar....51 3.7 Prosedur Pengujian Performansi Mesin Diesel....53 3.8 Set Up alat....54 BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN
4.1 Hasil Pengujian Bom Kalorimeter....57 4.2 Hasil pengujian Engine Test Bed....58 4.2.1 Pada Bahan Bakar Akra Sol....58 4.2.2 Pada Akra Sol+ Biodiesel Wijen 5%....59 4.2.3 Pada Akra Sol+ Biodiesel Wijen 10%....59 4.2.4 Pada Akra Sol+ Biodiesel Wijen 15%....60 4.2.5 Pada Akra Sol+ Biodiesel Wijen 20%....60 4.3 Pengujian Performansi Motor Bakar Diesel....61 4.3.1 Daya....61 4.3.2 Laju aliran bahan bakar....64 4.3.3 Rasio Udara Bahan bakar....67 4.3.4 Efisiensi Volumetris....69 4.3.5 Daya Aktual....72 4.3.6 Efisiensi Termal Aktual....74 4.3.7 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik....77 4.3.8 Heat Loss....79 4.3.9 Persentase Heat Loss....82 4.3.10 Kondisi Injektor....84 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan....86 5.2 Saran....88
DAFTAR PUSTAKA...i LAMPIRAN...iii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Gambar 2.2 Gambar 2.3 Gambar 2.4 Rudolf Christian Karl Diesel......6 Teknologi Konversi Biodiesel.... 10 Tumbuhan Wijen.... 18 Biji Wijen Putih...20 Gambar 2.5 Kebun Wijen.... 21 Gambar 2.5 Biji Wijen...22 Gambar 2.7 Diagram P-V 24 Gambar 2.8 Diagram T-S. 24 Gambar 2.9 Ruang Bakar Langsung. 25 Gambar 2.10 Ruang Bakar Kamar Depan...26 Gambar 2.11 Ruang Bakar Pusar.... 27 Gambar 2.12 Ruang Bakar Air Cell.... 28 Gambar 2.13 Prinsip Kerja Mesin Diesel...31 Gambar 2.14 Turbocharger..33 Gambar 2.15 Viscous Flow Meter...38 Gambar 3.1 Gambar 3.2 Gambar 3.3 Gambar 3.4 Gambar 3.5 Gambar 3.6 Gambar 3.7 Gambar 3.8 Bom Kalorimeter....4 Mesin Diesel Test Engine....4 Tec Equipment TD-114....45 Minyak Nabati Biji Wijen....46 Proses Mengukur Nilai FFA....46 Transesterifikasi....47 Pemisahan minyak dari gliserol....47 Pencucian Biodiesel dengan air....48
Gambar 3.9 Biodiesel Biji Wijen....48 Gambar 3.10 Diagram Alir Pengujian performansi mesin....54 Gambar 3.11 Set up alat...55 Gambar 3.12 Set up Pengujian Mesin Diesel..56 Gambar 4.1 Gambar 4.2 Gambar 4.3 Gambar 4.4 Gambar 4.6 Gambar 4.7 Gambar 4.8 Gambar 4.9 Grafik Daya vs Putaran untuk beban 3,5 kg....64 Grafik Daya vs Putaran untuk beban 4,5 kg....65 Grafik mf vs Putaran untuk beban 3,5 kg....67 Grafik mf vs Putaran untuk beban 4,5 kg....67 Grafik AFR vs Putaran untuk beban 3,5 kg....69 Grafik AFR vs Putaran untuk beban 4,5 kg....70 Grafik Efisiensi Volumetris vs Putaran untuk beban 3,5 kg.....72 Grafik Efisiensi Volumetris vs Putaran untuk beban 4,5 kg....72 Gambar 4.10 Grafik Daya Aktual vs Putaran untuk beban 3,5 kg....74 Gambar 4.11 Grafik Daya Aktual vs Putaran untuk beban 4,5 kg....75 Gambar 4.12 Grafik Efisiensi Termal Brake Aktual vs Putaran untuk beban 3,5 kg....77 Gambar 4.13 Grafik Efisiensi Termal Brake Aktual vs Putaran untuk beban 4,5 kg....77 Gambar 4.14 Grafik Specific Fuel Consumption vs Putaran untuk beban.. 3,5 kg....79 Gambar 4.15 Grafik Specific Fuel Consumption vs Putaran untuk beban.. 4,5 kg....80 Gambar 4.16 Grafik Heat Loss vs Putaran untuk beban 3,5 kg....82 Gambar 4.17 Grafik Heat Loss vs Putaran untuk beban 4,5 kg....82
Gambar 4.18 Grafik Persentase Heat Loss vs Putaran untuk beban 3,5 kg. 84 Gambar 4.19 Grafik Persentase Heat Loss vs Putaran untuk beban 4,5 kg....84 Gambar 4.20 Kondisi injektor.85
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Standar biodiesel......8 Tabel 2.2 Komposisi Asam Lemak Minyak Kelapa......14 Tabel 2.3 Karakteristik Minyak Sawit....15 Tabel 2.4 Komposisi Trigliserida Asam Lemak.... 16 Tabel 2.5 Kandungan Minor Minyak Sawit....16 Tabel 4.1 Hasil Pengujian Bom Kalorimeter....58 Tabel 4.2 Hasil Pengujian Dengan Bahan Bakar Akra Sol....59 Tabel 4.3 Hasil Pengujian Dengan Bahan Bakar Akra Sol + Biodiesel Biji Wijen 5%...60 Tabel 4.4 Hasil Pengujian Dengan Bahan Bakar Akra Sol + Biodiesel Biji Wijen 10 %...60 Tabel 4.5 Hasil Pengujian Dengan Bahan Bakar Akra Sol + Biodiesel Biji Wijen15%...61 Tabel 4.6 Hasil Pengujian Dengan Bahan Bakar Akra Sol + Biodiesel Biji Wijen20 %...62 Tabel 4.7 Data Perhitungan Untuk Daya... 63 Tabel 4.8 Data Perhitungan Untuk Laju Aliran Bahan Bakar......66
Tabel 4.9 Data Perhitungan Untuk AFR....68 Tabel 4.10 Data Perhitungan Untuk Efisiensi Volumetris....71 Tabel 4.11 Data Perhitungan Untuk Daya Aktual....73 Tabel 4.12 Data Perhitungan Untuk Efisiensi Termal Brake Aktual....76 Tabel 4.13 Data Perhitungan Untuk Specific Fuel Consumption....78 Tabel 4.14 Data Perhitungan Untuk Heat Losses....81 Tabel 4.15 Data Perhitungan Untuk Persentase Heat Loss....83
DAFTAR NOTASI Lambang Keterangan Satuan HHV Nilai Kalor Atas kj/kg LHV Nilai Kalor Bawah kj/kg P B Daya Keluaran Watt P A Daya Aktual Watt T Torsi N.m n Putaran rpm Sfc Konsumsi Bahan Bakar Spesifik g/kwh Laju Aliran Bahan Bakar kg/jam C V Panas Jenis Bom Kalorimeter kj/kg o C η a Efisiensi Thermal (%) η v Efisiensi Volumetris (%) η m Efisiensi Mekanis t Waktu detik Laju Massa Udara dalam Silinder kg/jam D Diameter Silinder mm S Panjang Langkah mm r c Rasio Kompresi V f Volume Bahan Bakar Uji m 3 V d Volume Silinder m 3 V c Volume Sisa di Silinder m 3 AFR Rasio Campuran Bahan Bakar dan Udara P Tekanan kpa
Te Ta Suhu Udara Keluar Suhu Udara Luar o C o C ρ a Kerapatan Udara kg/m 3 Vs Volume Langkah Torak m 3 Q Kalor Joule