KAJIAN PERFORMANSI MESIN DIESEL STASIONER SATU SILINDER MENGGUNAKAN KATALITIK KONVERTER DENGAN BAHAN BAKAR BIODIESEL BIJI KEMIRI SUNAN Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik ANDREY STEPHAN SIAHAAN NIM : 100401070 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014 i
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK USU M E D A N AGENDA : 2127/ TS / 2014 DITERIMA TGL : 07/ 10/ 2014 PARAF : TUGAS SARJANA N A M A : ANDREY STEPHAN SIAHAAN N I M : 100401070 MATA PELAJARAN : MOTOR BAKAR SPESIFIKASI : KAJIAN PERFORMANSI MESIN DIESEL STASIONER SATU SILINDER MENGGUNAKAN KATALITIK KONVERTER DENGAN BAHAN BAKAR BIODIESEL BIJI KEMIRI SUNAN DIBERIKAN TANGGAL : / 06/ 2014 SELESAI TANGGAL : MEDAN, September 2014. KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, DOSEN PEMBIMBING, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Tulus Burhanudin ST. MT NIP. 1964 1224 1992 111001 NIP. 1972 0923 1986 011001 ii
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK USU MEDAN KARTU BIMBINGAN TUGAS SARJANA MAHASISWA No : Sub. Program Studi Bidang Tugas Judul Tugas : Konversi Energi : Motor Bakar : Kajian Performansi Mesin Diesel Stasioner Diberikan tanggal : Juni 2014 Selesai Tgl : Dosen Pembimbing : Tulus Burhanudin Nama Mhs : Andrey Stephan Siahaan, ST. MT NIM : 100401070 No Tanggal Kegiatan Asistensi Bimbingan Tanda Tangan Dosen Pemb. 1 Meminta Spesifikasi Tugas 2 Studi Literatur dan Pencarian Referensi 3 Pengadaan Biodiesel Kemiri Sunan 4 Memperbaiki alat uji 5 Pemasangan Alat dan Pengujian I 6 Pemasangan Alat dan Pengujian II 7 Pemasangan Alat dan Pengujian III 8 Asistensi Laporan Bab I dan II 9 Asistensi Laporan Bab III 10 Asistensi Laporan Bab IV 11 Asistensi keseluruhan 12 Perbaikan 13 Asistensi Slide Presentasi Seminar 14 ACC Seminar CATATAN: Diketahui, KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FT USU 1. Kartu ini harus diperlihatkan kepada Dosen Pembimbing setiap Asistensi 2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi 3. Kartu ini harus dikembalikan ke Departemen, bila kegiatan Asistensi Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri Telah selesai. NIP.19641224 199211 1 001 iii
Abstrak Peningkatan jumlah penduduk secara eksponensial, keterbatasan sumber daya minyak menjadi sekian dari banyak hal yang mendorong kita untuk melakukan penelitian dan pengembangan terhadap bahan bakar alternative, salah satunya adalah penggunaan biji kemiri sunan untuk menghasilkan biodiesel. Penilitian ini bertujuan untuk menganalisa performansi mesin diesel TD-115 dengan menggunakan bahan bakar alternative biodiesel biji kemiri sunan dan membandingkannya pada campuran tertentu serta penambahan katalitik converter dengan harapan mengurangi emisi gas buang, daya tertinggi terjadi pada penggunaan solar murni yaitu sebesar 3.78056 kw, torsi maksimum pada pembebanan 4.5 kg putaran 2800 rpm menggunakan solar murni yakni sebesar 12.9 Nm, SFC Maksimum pada bahan bakar Solar + Biodiesel biji kemiri sunan 20% beban 3.5 kg putaran 1800 rpm yaitu sebesar 1161.24239 g/kw.jam, Nilai AFR maximum pada bahan bakar solar + biodiesel kemiri sunan 10% dengan beban 4.5 kg dan putaran 2400 rpm yakni sebesar 70.244234, Nilai Efisiensi Thermal maximum pada bahan bakar solar dengan beban 4.5 kg dan putaran 2600 rpm yakni sebesar 30.9212382%, Heat Loss terbesar terjadi pada penggunaan solar murni beban 4.5 kg putaran 2800 rpm yakni sebesar 5453.23181 W, Opacity terbesar pada penggunaan bahan bakar biodiesel biji kemiri sunan 15% dengan penambahan katalitik converter pada exhaust manifold yakni sebesar 42.1667%. Kadar HC (Hidro Carbon) dan CO (Carbon Monoksida) mengalami penurunan saat menggunakan katalitik converter. Kata kunci: Biodiesel, Biodiesel Kemiri Sunan, Performansi Mesin Diesel, Katalitik Konverter iv
ABSTRACT Exponential increases in population, the limited resources of oil into so many things that drive us to do the research and development of alternative fuels, one of which is the use of Sunan pecan seeds to produce biodiesel. This research aims to analyze the performance of the TD - 115 diesel engine using alternative fuel biodiesel Sunan pecan seeds and compare in the particular mix, and the addition of the catalytic converter in the hope of reducing exhaust emissions. The highest power occured when we use pure diesel is equal to 3.78056 kw, maximum torque at 4.5 kg load, 2800 rpm using pure diesel which amounted to 12.9 Nm. SFC Maximum occurred when using Solar + Biodiesel fuel Sunan pecan seed 20 % load 3.5 kg round, 1800 rpm is equal to 1161.24239 g / kw.jam. AFR maximum value on biodiesel Sunan pecan + 10% biodiesel with 4.5 kg load and 2400 rpm rotation which is equal to 70.244234. Maximum value of Thermal Efficiency on diesel fuel happened in 4.5 kg load and 2600 rpm rotation which is equal to 30.9212382 %, the biggest Heat loss occurs in the use of pure diesel 4.5 kg load rotation 2800 rpm which is equal to 5453.23181 W, the largest Opacity on the use of biodiesel fuel Sunan pecan seed 15 % with the addition of the catalytic converter in the exhaust manifold which is equal to 42.1667 %. Levels of HC ( Hydro Carbon ) and CO ( Carbon Monoxide ) decreased when using a catalytic converter. Key Words: Biodiesel, Pecan Seeds Biodiesel, Diesel Engine Performance, Catalytic Converter v
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 dan Emisi Mesin Diesel Stasioner Satu Silinder Dengan Bahan Bakar Campuran Biodiesel Biji Kemiri Sunan Dengan Penambahan Katalitik Konverter Dalam penulisan skripsi ini tidak sedikit hambatan yang dihadapi oleh penulis. Untuk itu penulis secara khusus menyampaikan terima kasih kepada dosen pembimbing Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus ST, MT 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. Kedua Orang Tua Saya M. Siahaan dan M. Br. Situmorang yang mendoakan dan mendukung penulis dalam pengerjaan Skripsi ini 2. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 3. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU. 4. Partner TA yang setia Kevin Yan Arihta Purba 5. Saudaraku, kakak Carina Etta Sari Siahaan, S.H, adik Sarah Inggrid Audina Siahaan, dan Ruth Anastasya Siahaan. 6. Seluruh teman-teman penulis, baik teman satu angkatan 2010 juga temanteman yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah menemani dan memberikan masukan serta semangat kepada penulis. vi
7. Kaum TERPELAJAR, buat diskusi, jalan-jalan dan gila-gilaan yang kita lakukan bersama; sterotip terpelajar padahal kebanyakan tidur-tiduran di Pembangunan 121. 8. Teman-teman di Departemen Teknik Kimia yang; Ruben Simangunsong, Marina, Margareth, Jeki, Retno dan kak Muti untuk sambutan hangat dan tangan yang ringan membantu dalam pembuatan biodiesel ini. 9. Teman-Teman Kelompok Kecil Saya SINCERA,HTW dan JEFLO yang mendorong, memotivasi dan mendoakan penulis dalam penyelesaian Skripsi ini. 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, 2014 Penulis Andrey Stephan Siahaan NIM. 100401070 vii
DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR TABEL... xi DAFTAR NOTASI... xvi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan Pengujian... 2 1.3 Batasan Masalah... 3 1.4 Manfaat Pengujian... 3 1.5 Metodologi Penulisan... 4 1.6 Sistematika Penulisan... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Biodiesel... 6 2.1.1 Sejarah penggunaan biodiesel... 6 2.1.2 Definisi Biodiesel... 7 2.1.3 Pembuatan Biodiesel... 10 2.1.3.1 Esterifikasi... 10 2.1.3.2 Transesterifikasi... 11 2.2 Biodiesel dari bahan-bahan lainnya... 13 viii
2.2.1 Biodiesel dari Minyak Jelantah Kelapa Sawit... 13 2.2.2 Biodiesel dari Minyak Goreng Bekas... 14 2.2.3Biodiesel dari Minyak Jarak Pagar... 15 2.2.4 Biodiesel dari Biji Karet... 16 2.3 Komposisi Bahan Baku... 17 2.4 Mesin Diesel... 19 2.4.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel... 22 2.4.2 Performansi Mesin Diesel... 25 2.5 Katalitik Konverter... 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... 55 3.3 Metode Pengumpulan Data... 56 3.4 Metode Pengolahan Data... 56 3.5 Pengamatan Dan Tahap Pengujian... 56 3.6 Prosedur Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar... 57 3.7 Prosedur Pengujian Performansi Mesin Diesel... 58 3.8 Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang... 59 3.9 Set Up alat... 61 ix
BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN 4.1 Biodiesel Kemiri Sunan... 64 4.2 Hasil Pengujian Bom Kalorimeter... 65 4.3 Hasil pengujian Engine Test Bed... 66 4.3.1 Pada Bahan Bakar Solar Murni... 67 4.3.2 Pada Solar + Biodiesel biji kemiri sunan 5%... 68 4.3.3 Pada Solar + Biodiesel biji kemiri sunan 10%... 68 4.3.4 Pada Solar + Biodiesel niji kemiri sunan 15%... 69 4.3.5 Pada Solar + Biodiesel niji kemiri sunan 20%... 69 4.4 Pengujian Performansi Motor Bakar Diesel... 70 4.4.1 Daya... 71 4.4.2 Laju aliran bahan bakar... 74 4.4.3 Rasio Udara Bahan bakar... 76 4.4.4 Effesiensi Volumetris... 80 4.4.5Daya Aktual... 83 4.4.6 Effesiensi Termal Brake Aktual... 85 4.4.7 Specific Fuel Consumption... 88 4.4.8 Heat Loss... 89 4.4.9 Persentase Heat Loss... 92 4.4.10 Emisi Gas Buang.... 95 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 103 x
5.2 Saran... 104 DAFTAR PUSTAK... xvii LAMPIRAN... xviii xi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Rudolf Christian Karl Diesel... 9 Gambar 2.1 Teknologi Konversi Biodiesel... 10 Gambar 2.2 Diagram P-V... 22 Gambar 2.3 Diagram T-S... 23 Gambar 2.4 Prinsip Kerja Mesin Diesel... 24 Gambar 2.5 Catalitic Conveter... 31 Gambar 3.1 Mesin Diesel Test Engine... 33 Gambar 3.2 Engine Smoke Meter dan Gas Analyzer... 34 Gambar 3.3 Catalitic Converter... 35 Gambar 3.4 Tec Equipment TD-114... 36 Gambar 3.5 Biji kemiri Sunan... 36 Gambar 3.6 Proses Pengepressan Biji Kemiri Sunan... 37 Gambar 3.7 Minyak mentah biji kemiri sunan... 37 Gambar 3.8 Esterifikasi... 38 Gambar 3.9 Pemisahan minyak ester dari metanol sisa... 38 Gambar 3.10 Pencucian minyak ester... 39 Gambar 3.11 Minyak ester kemiri sunan... 40 Gambar 3.12 Transesterifikasi... 40 Gambar 3.13 Pemisahan minyak trans dan gliserol... 41 Gambar 3.14 Proses pencucian biodiesel... 42 Gambar 3.15 Biodiesel kemiri sunan... 42 Gambar 3.16 Penyabunan... 43 Gambar 3.17 Pengujian nilai kalor bahan bakar... 48 Gambar 3.18 Diagram Alir Pengujian performansi mesin... 49 Gambar 3.19 Diagram Alir Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang... 50 Gambar 4.1 Grafik Daya vs Putaran untuk beban 3.5 kg... 59 Gambar 4.2 Grafik Daya vs Putaran untuk beban 4.5 kg... 60 Gambar 4.3 Grafik mf vs Putaran untuk beban 3.5 kg... 62 Gambar 4.4 Grafik mf vs Putaran untuk beban 4.5 kg... 63 Gambar 4.5 Viscous flow meter... 63 Gambar 4.6 Grafik AFR vs Putaran untuk beban 3.5 kg... 65 xii
Gambar 4.7 Grafik AFR vs Putaran untuk beban 4.5 kg... 66 Gambar 4.8 Grafik Effesiensi Volumetris vs Putaran untuk beban 3.5 kg.. 68 Gambar 4.9 Grafik effesiensi Volumetris vs Putaran untuk beban 4.5 kg... 69 Gambar 4.10 Grafik Daya Aktual vs Putaran untuk beban 3.5 kg... 71 Gambar 4.11 Grafik Daya Aktual vs Putaran untuk beban 4.5 kg... 71 Gambar 4.12 Grafik effesiensi Termal Brake Akltual vs Putaran untuk beban 3.5 kg... 73 Gambar 4.13 Grafik Effesiensi Termal Brake Aktual vs Putaran untuk beban 4.5 kg... 74 Gambar 4.14 Grafik Specific Fuel Consumption vs Putaran untuk beban.. 3.5 kg... 76 Gambar 4.15 Grafik Specific Fuel Consumption vs Putaran untuk beban.. 4.5 kg... 76 Gambar 4.16 Grafik Heat Loss vs Putaran untuk beban 3.5 kg... 79 Gambar 4.17 Grafik Heat Loss vs Putaran untuk beban 4.5 kg... 79 Gambar 4.18 Grafik Persentase Heat Loss vs Putaran untuk beban 3.5 kg... 81 Gambar 4.19 Grafik Persentase Heat Loss vs Putaran untuk beban 4.5 kg... 81 xiii
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Standar biodiesel... 8 Tabel 2.2 Hasil Metil Ester Biodiesel Jelantah Sawit... 15 Tabel 2.3 Kandungan metal ester pada minyak goreng bekas... 16 Tabel 2.4 Spesifikasi Metil Ester Minyak Jarak... 18 Tabel 2.5 Standard Emisi Gas Buang... 24 Tabel 4.1 Karateristik Biodiesel Biji Kemiri Sunan... 50 Tabel 4.2 Hasil Pengujian Bom Kalorimeter... 51 Tabel 4.3 Hasil Pengujian Dengan Bahan Bakar Solar Murni... 53 Tabel 4.4 Tabel 4.5 Tabel 4.6 Tabel 4.7 Hasil Pengujian Dengan Bahan Bakar Solar Murni + Biodiesel Kemiri Sunan 5%... 53 Hasil Pengujian Dengan Bahan Bakar Solar Murni + Biodiesel Kemiri Sunan 10%... 54 Hasil Pengujian Dengan Bahan Bakar Solar Murni + Biodiesel Kemiri Sunan 10%... 55 Hasil Pengujian Dengan Bahan Bakar Solar Murni + Biodiesel Kemiri Sunan 10%... 55 Tabel 4.8 Data Perhitungan Untuk Daya... 57 Tabel 4.9 Data Perhitungan Untuk Laju aliran Bahan Bakar... 60 Tabel 4.10 Data Perhitungan Untuk AFR... 63 xiv
Tabel 4.11 Data Perhitungan Untuk Effesiensi Volumetris... 66 Tabel 4.12 Data Perhitungan Untuk Daya Aktual... 69 Tabel 4.13 Data Perhitungan Untuk Effesiensi termal brake aktual... 71 Tabel 4.14 Data Perhitungan Untuk Specific Fuel Consumption... 74 Tabel 4.15 Data Perhitungan Untuk Heat Losses... 76 Tabel 4.16 Data Perhitungan Untuk Persentase Heat Loss... 79 xv
DAFTAR NOTASI Lambang Keterangan Satuan P B Daya Keluaran Watt n Putaran rpm T Torsi N.m Sfc Konsumsi Bahan Bakar Spesifik g/kwh Laju Aliran Bahan Bakar Kg/jam CV Nilai Kalor Kj/Kg η b Efisiensi Thermal % t Waktu Jam Laju massa udara dalam Silinder Kg/jam B Diameter Silinder mm S Panjang Langkah mm r c Rasio Kompresi V d Volume Silinder m 3 V c Volume sisa di silinder m 3 AFR Rasio campuran bahan bakar dan udara xvi