bab ii tinjauan pustaka 2.1 biodiesel 2.1.1 sejarah biodiesel
Post on 14-Jan-2017
217 Views
Preview:
TRANSCRIPT
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Biodiesel
2.1.1 Sejarah Biodiesel
Biodiesel pertama kali dikenalkan di Afrika selatan sebelum perang dunia
II sebagai bahan bakar kendaraan berat.
Konsep penggunaan minyak tumbuh-tumbuhan sebagai bahan pembuatan
bahan bakar sudah dimulai pada tahun 1895 saat Dr, Rudolf Cristian Karl Diesel
(Jerman, 1858-1913) mengembangkan mesin kompresi pertama yang secara Semakin besar penambahan campuran % biodiesel Nilai Daya , Efisiensi Volumetris,
Efisiensi Thermal aktual dan Heat Loss cenderung menurun, sementara laju aliran bahan
baar (mf) dan konsumsi bahan bakar spesifik (SFC) Cenderung meningkat.zkhusus
dijalankan dengan minyak tumbuh-tumbuhan. Mesin diesel atau biasa juga
disebut Compression Ignition Engine yang ditemukannya itu merupakan suatu
mesin motor penyalaan yang mempunyai konsep penyalaan di akibatkan oleh
kompresi atau penekanan udara hingga mencapai kondisi titik nyala bahan bakar,
sehingga ketika bahan bakar di semprotkan terjadi ledakan pada ruang bakar.
Minyak pertama yang digunakan untuk mesin diesel yang dibuat oleh Dr.
Rudolf Christian Karl Diesel tersebut berasal dari minyak sayuran. Tetapi karena
pada saat itu produksi minyak bumi (petroleum) sangat melimpah dan murah,
maka bahan bakar mesin tersebut diganti menjadi bahan bakar solar dari minyak
bumi.
Biodiesel merupakan metil/etil ester yang diproduksi dari minyak
tumbuhan atau hewan dan memenuhi kualitas untuk digunakan sebagai bahan
bakar di dalam mesin diesel. Sedangkan minyak yang didapatkan langsung dari
pemerahan atau pengempaan biji sumber minyak (oilseed) yang kemudian
disaring dan dikeringkan (untuk mengurangi kadar air), disebut sebagai minyak
lemak mentah.
Minyak lemak mentah yang diproses lanjut guna menghilangkan kadar
posfor (degumming) dan asam-asam lemak bebas dengan netralisasi dan steam
refining disebut denngan refined fatty oil atau straight vegetable oil (SVO), SVO
Universitas Sumatera Utara
didominasi oleh trigliserida sehingga memiliki viskositas dinamik yang sangat
tinggi dibandingkan dengan solar (bisa mencapai 100 kali lipat). Oleh karena itu,
penggunaan SVO secara langsung di dalam mesin diesel umumnya memerlukan
modifikasi/tambahan peralatan khusus pada mesin, misalnya penambahan
pemanas bahan bakar sebelum sistem pompa dan injektor bahan bakar untuk
menurunkan harga viskositas. Viskositas (kekentalan) bahan bakar yang sangat
tinggi akan menyulitkan pompa bahan bakar dalam mengalirkan bahan bakar ke
ruang bakar. Aliran bahan bakar yang rendah akan menyulitkan terjadinya
atomisasi bahan bakar yang baik. Buruknya atomisasi berkorelasi langsung
dengan kualitas pembakaran, daya mesin.
Pemanasan bahan bakar sebelum memasuki sistem pompa dan injeksi
bahan bakar merupakan satu solusi yang paling dominan untuk mengatasi
permasalahan yang mungkin timbul pada penggunaan SVO secara langsung pada
mesin diesel. Pada umumnya orang lebih memilih untuk melakukan proses
kimiawi pada minyak mentah atau refined fatty oil /SVO untuk menghasilkan
metal ester asam lemak (fatty acid methyl ester- FAME) yang memiliki berat
molekul lebih kecil dan viskositas setara dengan solar sehingga bisa langsung
digunakan dalam mesin diesel konvensional. Biodiesel umumnya diproduksi dari
refined vegetable oil menggunakan proses transesterifikasi. Proses ini pada
dasarnya bertujuan mengubah gliserida dengan berat molekul dan viskositas tinggi
yang mendominasi komposisi refined fatty oil menjadi asam lemak metal ester
(FAME).
Biodiesel mentah (kasar) yang dihasilkan proses transesterifikasi minyak
biasanya masih mengandung sissa-sisa katalis, methanol, gliserol. Untuk
memurnikannya biodiesel mentah tersebut dicuci dengan air hangat, sehingga
pengotor-pengotor tersebut larut ke dalam dan terbawa oleh fase air pencuci yang
selanjutnya dipisahkan.
2.1.2 Biodiesel Dedak Padi
Biodiesel merupakan salah satu jenis biofuel (bahan bakar cair dari
pengolahan tumbuhan) di samping Bio-etanol. Biodiesel adalah senyawa alkil
ester yang diproduksi melalui proses alkoholisis (transesterifikasi) antara
trigliserida dengan methanol atau etanol dengan bantuan katalis basa menjadi alkil
Universitas Sumatera Utara
ester dan gliserol, atau esterifikasi asam-asam lemak bebas dengan methanol atau
etanol dengan bantuan katalis basa menjadi senyawa alkil ester dan air.
Biodiesel merupakan kandidat yang paling baik untuk menggantikan
bahan bakar fosil sebagai sumber energy transportasi utama dunia, karena
biodiesel merupakan bahan bakar terbaharui yang dapat menggantikan diesel
petrol dimesin sekarang ini dan dapat diangkut dan dijual dengan menggunakan
infrastruktur yang ada sekarang ini.
Dibandingkan dengan solar, biodiesel memiliki kelebihan diantaranya :
• Bahan bakar ramah lingkungan karena menghasilkan emisi yang jauh lebih
baik (free sulphur, smoke number rendah)
• Tidak beracun
• Memiliki sifat pelumasan yang lebih baik dari bahan bakar diesel
konvensional
• Dapat digunakan tanpa menggunakan modifikasi mesin
• Cetane number lebih tinggi sehingga efisiensi pembakaran lebih baik
dibandingkan dengan minyak kasar
• Memiliki sifat pelumasan terhadap piston mesin
• Dapat terurai (biodegradable)
• Merupakan renewable energy karena terbuat dari bahan alam yang dapat
diperbaharui
• Meningkatkan independensi suplai bahan bakar karena dapat diproduksi
secara local.
Adapun kelemahan dari biodiesel adalah:
• Biodiesel saat ini sebagian besar diproduksi dari bahan pangan seperti
minyak sawit, kacang kedelai, buah alpukat, jagung, buah singkong, dan
lain-lain, sehingga dapat menyebabkan kekurangan pangan dan
meningkatnya harga bahan pangan
• Biodiesel lebih rentan terhadap kontaminasi air dibandingkan dengan
diesel konvensional, hal ini dapat menyebabkan korosi pada mesin.
• Harga pembuatan biodiesel cenderung lebih mahal dibanding dengan
diesel konvensional.
Universitas Sumatera Utara
Menurut Syah (2006), karakteristik emisi pembakaran biodiesel dibandingkan
dengan solar adalah sebagai berikut:
• Emisi karbon dioksida (CO2) netto berkurang 100%
• Emisi sulfur dioksida berkurang 100%
• Emisi debu berkurang 40-60%
• Emisi karbon monoksida (CO) berkurang 10-50 %
• Emisi hidrokarbon berkurang 10-50%
• Hidrokarbon aromatic polisiklik (PAH=polycyclic aromatic hydrocarbon)
berkurang terutama PAH beracun seperti:phenanthren berkurang 98 %,
benzofloroanthen berkurang 56 %, benzapyren berkurang 71%, serta
aldehida dan senyawa aromatic berkurang 13%
Pada Pengujian ini dedak padi adalah bahan baku yang digunakan untuk
membuat biodiesel, Minyak dedak padi sulit dimurnikan karena tingginya
kandungan asam lemak bebas dan senyawa-senyawa tak tersaponifikasikan.
Lipase dalam dedak padi mengakibatkan kandungan asam lemak bebas minyak
dedak padi lebih tinggi dari minyak lain sehingga tidak dapat digunakan sebagai
edible oil. Karena kandungan asam lemak bebas (Free Fatty Acid (FFA)) yang
tinggi, minyak dedak padi dapat dikonversi menjadi Fatty Acid Methyl Ester
(biodiesel) dengan esterifikasi menggunakan alkohol (metanol). Metanol dapat
mengekstraksi minyak dalam dedak sehingga metanol dapat langsung
ditambahkan pada dedak dengan katalis asam dalam proses esterifikasi in situ.
Pada proses tersebut ekstraksi dan esterifikasi minyak dedak dengan metanol
membentuk metil ester berlangsung secara simultan. Oleh sebab itu dalam
penelitian ini, dedak dimanfaatkan sebagai bahan baku dalam pembuatan
biodiesel melalui metode esterifikasi dengan metanol menggunakan katalis KOH.
Karaktersitik dan standar daripada biodiesel ditunjukkan pada table 2.1 di bawah
ini:
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.1 Standar Karakteristik biodiesel
Parameter Satuan Biodiesel Biji
Wijen
Standar
Nasional
Indonesia
Biodiesel
Standard in
ASTM
Jarak pagar
Angka Asam Mg KOH/g 0.1044 Maks 0.8 Maks 0.5 0.298
Air dan Sedimen %vol 0 Maks 0.05 Maks 0.05 <0.05
Korosi Lempeng
Tembaga
%wt No. 1.b Maks No. 3 Maks No. 3
Residu Karbon %wt 0.1298 Maks 0.05 Maks 0.05
Abu Tersulfatkan %wt 0.02 Maks 0.02 Maks 0.02
Belerang mg/kg 13 Maks 100 Maks 50
Fosfor mg/kg 0.98 Maks 10 Maks 1 0.03
Gliserol Bebas %wt 0.0091 Maks 0.02 Maks 0.02 0.0045
Gliserol Total %wt 0.2086 Maks 0.24 Maks 0.24 0.053
Kadar Ester Alkil %wt 99.56 Min 96.5 98.997
Uji halphen Negatif Negatif Negatif
Sumber : Badan Standarisasi Nasional (2006) European Commision (2007)
Tjahjana dan Pranowo (2010) Kartika et al. (2011)
2.1.3 Pembuatan Biodiesel Dedak Padi
Agar biodiesel bisa digunakan sebagai bahan bakar maka diperlukan teknologi
untuk mengkonversinya. Terdapat beberapa teknologi untuk konversi biomassa,
dijelaskan pada Gambar 2.2. Teknologi konversi biodiesel tentu saja membutuhkan
Universitas Sumatera Utara
perbedaan pada alat yang digunakan untuk mengkonversi biodiesel dan menghasilkan
perbedaan bahan bakar yang dihasilkan.
Gambar 2.1 Teknologi Konversi Biodiesel
2.1.3.1 Esterifikasi
Ester merupakan salah satu gugus dari fungsi dari senyawa karbon. Ester
adalah senyawa dengan gugus fungsi – COO – dengan struktur R – COO – R,
dimana R merupakan suatu rantai karbon atau atom H, sedangkan R merupakan
rantai karbon. Ester mempunyai rumus umum CnH2nO2. Pemberian nama ester
terdiri dari dua kata yaitu gugus alkil (berasal dari alkoksi) diikuti dengan nama
asam karboksilatnya dengan menghilangkan kata asam. Gugus atom yang terikat
pada atom O (Gugus R) diberi nama alkil dan gugus R – COO – H diberi nama
alkanoat.
Esterifikasi adalah tahap konversi dari asam lemak bebas (FFA) menjadi
ester. Esterifikasi mereaksikan asam lemak dengan alcohol. Reaksi ini merupakan
reaksi kesetimbangan, jadi memerlukan katalis untuk mempercepat tercapainya
keadaan setimbang. Katalis-katalis yang cocok adalah zat yang berkarakter asam
Universitas Sumatera Utara
kuat, dan karena ini asam sulfat, asam sulfonat organik atau resin penukar kation
asam kuat merupakan katalis terpilih dalam praktek industrial
2.1.3.2 Transesterifikasi
Saat ini sebagian besar biodiesel muncul dari sumber daya yang dapat
dimakan, seperti lemak hewan, minyak sayur, dan bahkan limbah minyak goreng,
dengan katalis kondisi basa. Namun konsumsi tinggi katalis membuat biodiesel
saat ini lebih mahal daripada bahan bakar yang diturunkan dari minyak bumi.
Transesterifikasi adalah pertukaran alkohol dengan suatu ester untuk
membentuk ester yang baru. Reaksi ini bersifat reversible dan berjalan lambat
tanpa adanya katalis. Penggunaan alkohol atau mengambil alih salah satu produk
adalah langkah untuk mendorong reaksi kearah kanan atau produk.
Tahapan proses transesterifikasi pembuatan biodiesel selalu menginginkan
agar produk biodiesel dengan jumlah yang maksimum. Beberapa kondisi reaksi
yang mempengaruhi konversi serta perolehan biodiesel melalui transesterifikasi
adalah sebagai berikut:
1. Pengaruh air dan asam lemak bebas
Minyak nabati yang akan di transesterifikasi hasrus memiliki angka asam
yang lebih kecil dari 1 Banyak peneliti yang menyarankan agar kandungan
asam lemak bebas lebih kecil dari 0.5%. Selain itu, semua bahan yang
akan digunakanharus bebas dari air. Karena air akan bereaksi dengan
katalis, sehingga jumlah katalis menjadi berkurang. Katalis harus terhindar
dari udara agar tidak mengalami reaksi dengan uap air dan karbon
dioksida.
2. Perbandingan pengaruh molar alkohol dengan bahan mentah
Secara stoikiometri, jumlah alkohol yang dibutuhkan untuk reaksi adalah 3
mol untuk setiap 1 mol trigliserida, untuk memperoleh 3 mol alkil ester
dan 1 mol gliserol. Perbandingan alkohol dengan minyak nabati 4.8:1
dapat menghasilkan konversi 98%. Secara umum ditunjukkan bahwa
semakin banyak jumlah alkohol yang digunakan maka konversi yang
Universitas Sumatera Utara
didapat akan semakin bertambah. Pada rasio molar 6:1, setelah satu jam
konversi yang dihasilkan adalah 98 – 99%, sedangkan pada 3:1 adalah 74
– 89%. Nilai perbandingan yang terbaik adalah 6:1 karena menghasilkan
konversi yang maksimum.
3. Pengaruh jenis alkohol
Pada rasio 6:1, methanol akan memberikan perolehan ester yang tertinggi
dibandingkan dengan menggunakan etanol atau butanol.
4. Pengaruh jenis katalis
Alkali katalis (katalis basa) akan mempercepat reaksi transesterifikasi bila
dibandingkan dengan katalis asam. Katalis basa yang paling popular untuk
reaksi transesterifikasi adalah natrium hidroksida (NaOH), kalium
hidroksida (KOH). Katalis sejati bagi reaksi sebenarnya adalahion metilat
(metoksida). Reaksi transesterifikasi akan menghasilkan konversi yang
maksimum dengan jumlah katalis 0.5 – 1.5% berat minyak nabati.
5. Metanolisis Crude dan Refined minyak nabati
Perolehan metal ester akan lebih tinggi jika menggunakan minyak nabati
refined. Namun apabila produk metal ester akan digunakan sebagai bahan
bakar mesin diesel, cukup digunakan bahan baku berupa minyak yang
telah dihilangkan getahnya dan disaring.
6. Pengaruh temperature
Reaksi transesterifikasi dapat dilakukan pada temperatur 30 – 65 oC (titik
didih metanol sekitar 65oC) Semakin tinggi temperatur, konversi yang
diperoleh akan semakin tinggi untuk waktu yang lebih singkat. Temperatur
juga sangat berpengaruh terhadap kualitas biodiesel yang dihasilkan.
2.2Pertadex
PertaDex (singkatan dari “Diesel Environment Extra”) adalah salah satu
jenis BBM produksi PERTAMINA yang dipergunakan untuk kendaraaan
bermotor dengan mesin diesel modern. pertadex memiliki kelebihan dibandingkan
dengan bahan bakar untuk mesin diesel lainnya, diantaranya :
Universitas Sumatera Utara
• Memilik angka performa tinggi dengan Cetane Number Minimal 53 (paling
tinggi dikelasnya).
• Memiliki Kandungan Sulfur Paling Rendah di Indonesia (max. 300 ppm)
yang berfungsi untuk menghindari penyumbatan injektor dan menghasilkan
emisi gas buang lebih ramah lingkungan.
• Memiliki Additive yang berfungsi untuk membersihkan dan juga
melindungi mesin kendaraan.
2.3 Minyak Dedak Padi
Minyak dedak padi merupakan turunan penting dari dedak padi
(McCasskill dan Zhang 1999). Bergantung pada varietas beras dan derajat
penggilingannya,dedak padi mengandung 16%-32%beratminyak.Sekitar60%-
70% minyak dedak padi tidak dapat digunakan sebagai bahan makanan(non-
edibleoil) dikarenakan kestabilan dan perbedaan cara penyimpanan dedak padi
(Goffman, dkk. 2003)dan (MaF, dkk. 1999).Minyak dedak padi merupakan
salah satu jenis minyak berkandungan gizi tinggi karenaadanya kandungan
asam lemak, komponen-komponen aktif biologis,dan komponen- komponen
antioksi seperti:oryzanol,tocopherol,tocotrienol,phytosterol,polyphenol dan
squalene (Goffman, dkk.2003; Hu, dkk. 1996; Özgul dan Türkay1993;
Putrawan 2006).
Kandungan asam lemak bebas4%-8%berat pada minyak dedak paditetap
diperoleh walaupun dilakukan ekstraksi dedak padi sesegera
mungkin.Peningkatan asam lemak bebas secaracepatterjadikarenaadanya
enzimlipase aktif dalam dedak padi setelah proses penggilingan.Minyak dedak
padi sulit dimurnikan karena tingginya kandungan asam lemak bebas dan
senyawa-senyawa taktersaponifikasikan.Lipase dalam dedak padi
mengakibatkan kandungan asam lemak bebas minyak dedak padi lebih tinggi
dari minyak lain sehingga tidak dapat digunakan sebagai edibleoil.
Karakteristik minyak dedak padi menurut literatur yang ditulis oleh SBP
Boardof Consultant and Engineers disajikan dalam tabel 2.2
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.2 Karakteristik Minyak Dedak Padi (SBPBoardof Consultant and
Engineers 1998)
KARAKTERISTIK RENTANG NILAI
Specific gravity 20o/ 30oC 0,916 – 0,921
Refractive index pada 25oC 1,47 – 1,473
Bilangan Iodine 99 – 108
Material Tak Tersabunkan (%) 3 – 5
Titer (oC) 24 – 25
Asam Lemak Bebas (%) 3 -60
Bilangan Penyabungan 181 – 189
2.4 Mesin Diesel
Mesin diesel juga disebut “Motor Penyalaan Kompresi” oleh karena
penyalaannya dilakukan dengan menyemprotkan bahan bakar ke dalam udara
yang telah bertekanan dan bertemperatur tinggi sesuai dengan titik nyala bahan
bakar sebagai akibat dari proses kompresi di dalam ruang bakar. Agar bahan bakar
diesel dapat terbakar dengan sendirinya, maka perbandingan kompresi mesin
diesel harus berkisar antara 15 – 22. Aplikasi dari motor diesel banyak pada
industri-industri sebagai motor stasioner ataupun untuk kendaraan-kendaraan dan
kapal laut dengan ukuran yang besar. Hal ini dikarenakan motor diesel
mengkonsumsi bahan bakar ± 25% lebih rendah dari motor bensin, lebih murah
dan perawatannya lebih sederhana (Kubota, S., dkk, 2001).
Mesin diesel menghasilkan tekanan kerja yang tinggi, itu sebabnya
konstruksi motor diesel lebih kokoh dan lebih besar. Disamping itu, mesin diesel
menghasilkan bunyi yang lebih keras, warna dan bau gas yang kurang
menyenangkan. Namun dipandang dari segi ekonomi, bahan bakar serta polusi
udara, motor diesel masih lebih disukai (Mathur, 1980).
Siklus diesel (ideal) pembakaran tersebut dimisalkan dengan pemasukan
panas pada volume konstan (Y. A. Çengel and M. A. Boles, Thermodynamics: An
Engineering Approach, 5th ed, McGraw-Hill, 2006.).
Siklus diesel tersebut ditunjukkan pada gambar 2.2 dan 2.3 di bawah ini.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2DiagramP-v
Keterangan Gambar:
P = Tekanan (bar)
V = Volume Spesifik (m3/kg)
T = Temperatur (K)
S = Entropi (kJ/kg.K)
Diagram T-S
Gambar 2.3Diagram T-S
Keterangan Grafik:
1-2 Kompresi Isentropik
2-3 Pemasukan Kalor pada Volume Konstan
3-4 Ekspansi Isentropik
4-1 Pengeluaran Kalor pada Volume Konstan
2.4.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel
Universitas Sumatera Utara
Prinsip kerja mesin diesel 4 tak sebenarnya sama dengan prinsip kerja
mesin otto, yang membedakan adalah cara memasukkan bahan bakarnya. Pada
mesin diesel bahan bakar di semprotkan langsung ke ruang bakar dengan
menggunakan injector. Dibawah ini adalah langkah dalam proses mesin diesel 4
langkah :
1. Langkah Isap
Pada langkah ini piston bergerak dari TMA (Titik Mati Atas) ke TMB
(Titik Mati Bawah). Saat piston bergerak ke bawah katup isap terbuka yang
menyebabkan tekanan udara di dalam silinder seketika lebih rendah dari tekanan
atmosfer ,sehingga udara murni langsung masuk ke ruang silinder melalui filter
udara.
2. Langkah kompresi
Pada langkah ini piston bergerak dari TMB menuju TMA dan kedua katup
tertutup. Karena udara yang berada di dalam silinder didesak terus oleh
piston,menyebabkan terjadi kenaikan tekanan dan temperatur,sehingga udara di
dalam silinder menjadi sangat panas. Beberapa derajat sebelum piston mencapai
TMA, bahan bakar di semprotkan ke ruang bakar oleh injector yang berbentuk
kabut.
3. Langkah Kerja
Pada langkah ini kedua katup masih tertutup, akibat semprotan bahan
bakar di ruang bakar akan menyebabkan terjadi ledakan pembakaran yang akan
meningkatkan suhu dan tekanan di ruang bakar. Tekanan yang besar tersebut akan
mendorong piston ke bawah yang menyebkan terjadi gaya aksial. Gaya aksial ini
dirubah dan diteruskan oleh poros engkol menjadi gaya radial (putar).
4. Langkah Buang
Pada langkah ini, gaya yang masih terjadi di flywheel akan menaikkan
kembali piston dari TMB ke TMA, bersamaan itu juga katup buang terbuka
sehingga udara sisa pembakaran akan di dorong keluar dari ruang silinder menuju
exhaust manifold dan langsung menuju knalpot
Begitu seterusnya sehingga terjadi siklus pergerakan piston yang tidak
berhenti. Siklus ini tidak akan berhenti selama faktor yang mendukung siklus
Universitas Sumatera Utara
tersebut tidak ada yang terputus. Untuk lebih jelas, prinsip kerja mesin diesel
dapat dilihat pada gambar 2.5.
Langkah isap Langkah kompresi Langkah kerja Langkah Buang
Gambar 2.4 Prinsip Kerja Mesin Diesel
2.4.2 Performansi Mesin Diesel
1. 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). Berdasarkan 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 nilai
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 yang
ditunjukkan pada persamaan 2.1 di bawah ini:
Universitas Sumatera Utara
HHV = ( T2 – T1 - 0.05 ) x cv ........................................................................ (2.1)
Dimana: HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
T1 = Temperatur air pendingin sebelum penyalaan( oC )
T2 = Temperatur air pendingin setelah penyalaan ( oC )
cv = Panas Jenis Bom Kalorimeter, cv = 73529,6 ( J/groC )
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/m2 (tekanan yang
umum timbul pada gas buang) adalah sebesar 2400 kJ/kg,nilai air yang
terkandung di dalam bahan bakar (Moisture) adalah nol pada saat
pembakaran sempurna sehingga besarnya nilai kalor bawah (LHV) dapat
dihitung berdasarkan persamaan 2.2. berikut :
LHV = HHV – 2400 (M + 9 H2) ................................................................... (2.2)
LHV = HHV – 2400 (0 + 9. 0.15)
HV = HHV – 3240 kj/kgoC
Dimana: 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
Universitas Sumatera Utara
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).
2. Daya Poros
Daya mesin adalah besarnya kerja mesin selama waktu tertentu. Pada
motor bakar daya yang berguna adalah daya poros, dikarenakan poros tersebut
menggerakan beban. Daya poros dibangkitkan oleh daya indikator , yang
merupakan daya gas pembakaran yang menggerakan torak selanjutnya
menggerakan semua mekanisme, sebagian daya indikator dibutuhkan untuk
mengatasi gesekan mekanik, seperti pada torak dan dinding silinder dan gesekan
antara poros dan bantalan. Prestasi motor bakar pertama-tama tergantung dari
daya yang dapat ditimbulkannya. Semakin tinggi frekuensi putar motor makin
tinggi daya yang diberikan hal ini disebabkan oleh semakin besarnya frekuensi
semakin banyak langkah kerja yang dialami pada waktu yang sama. Dengan
demikian besar daya poros itu ditunjukkan pada persamaan 2.3 :
𝑃𝑃𝐵𝐵 = 2𝜋𝜋 .(𝑛𝑛 .𝑇𝑇)60
............................................................................................... (2.3)
Dimana :PB = daya ( W )
T = torsi ( Nm )
N = putaran mesin ( Rpm )
3. Torsi
Torsi adalah perkalian antara gaya dengan jarak. Selama proses usaha
maka tekanan-tekanan yang terjadi di dalam silinder motor menimbulkan suatu
gaya yang luar biasa kuatnya pada torak. Gaya tersebut dipindahkan kepada pena
engkol melalui batang torak , dan mengakibatkan adanya momen putar atau torsi
pada poros engkol. Untuk mengetahui besarnya torsi digunakan alat
dynamometer. Biasanya motor pembakaran ini dihubungkan dengan dynamometer
dengan maksud mendapatkan keluaran dari motor pembakaran dengan cara
Universitas Sumatera Utara
menghubungkan poros motor pembakaran dengan poros dynamometer dengan
menggunakan kopling elastik. Untuk mencari daya dan torsi ditunjukkan oleh
persamaan 2.4 dan 2.5 di bawah ini.
T = 𝑃𝑃𝐵𝐵 .602𝜋𝜋 .𝑛𝑛
......................................................................................................... (2.4)
Dimana :T = Torsi ( Nm)
PB = Daya (W)
n = Putaran (RPM)
4. Laju Aliran Bahan Bakar (mf)
Laju aliran bahan bakar didapat adalah banyaknya bahan bakar yang habis
terpakai selama satu jam pemakaian
𝑚𝑚𝑓𝑓 = 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑓𝑓𝑠𝑠 𝑉𝑉𝑓𝑓𝑠𝑠10−3
𝑡𝑡𝑓𝑓𝑠𝑠 360 ............................................................................(2.5)
Dimana: sgf = spesifik gravitasi biodiesel = 0.8624
Vf = Volume bahan bakar yang diuji ( ml)
tf= waktu yang dibutuhkan untuk menghabiskan bahan bakar (detik)
5. Rasio udara bahan bakar (AFR)
Rasio udara bahan bakar (AFR) dari masing-masing jenis pengujian
dihitung berdasarkan rumus berikut:
𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 = 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑓𝑓
......................................................................................................(2.6)
Dimana: AFR = air fuel ratio
ma = laju aliran massa udara(kg/jam)
Universitas Sumatera Utara
Besarnya laju aliran udara (ma) diperoleh dengan membandingkan
besarnya tekanan udara masuk yang telah diperoleh melalui pembacaan air flow
manometer terhadap kurva viscous flow mete calibration seperti pada gambar 2.6
berikut
Gambar 2.5 Viscous Flow Meter
6. Effisiensi Volumetris
Effisiensi volumetric untuk motor bakar 4 langkah dihitung dengan
persamaan berikut:
𝜂𝜂𝑣𝑣 = 2𝑚𝑚𝑚𝑚60𝑛𝑛
1𝜌𝜌𝑚𝑚𝑉𝑉𝑠𝑠
............................................................................................(2.7)
Dimana: ma = laju aliran udara (kg/jam)
ρa = Kerapatan udara (kg/m3)
Vs = volume langkah torak (m3)
7. Efisiensi Thermal
Universitas Sumatera Utara
Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang
dibangkitkan piston karena sejumlah enegi 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 disebut juga
sebagai efisiensi termal brake (thermal efficiency, ηb).
Jika daya keluaran PB dalam satuan KW, laju aliran bahan bakar mf dalam
satuan kg/jam, maka untuk mencari efisiensi termal ditunjukkan pada persamaan
2.8 di bawah ini
ηb = 𝑃𝑃𝐵𝐵𝑚𝑚𝑓𝑓 . 𝐶𝐶𝑉𝑉
𝑠𝑠 3600 ........................................................................................ (2.8)
ηb =effisiensi thermal
PB = daya aktual (W)
ṁf= laju aliran bahan bakar(kg/h)
Cv = nilai kalor bahan bakar (kJ/kg oC)
8. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)
Konsumsi bahan bakar spesifik merupakan salah satu parameter prestasi
yang penting di dalam suatu motor bakar. Parameter ini biasa dipakai sebagai
ukuran ekonomi pemakaian bahan bakar yang terpakai per jam untuk setiap daya
kuda yang dihasilkan. Untuk mencari konsumsi bahan bakar spesifik ditunjukkan
oleh persamaan 2.9 di bawah ini:
SFC = 𝑚𝑚𝑓𝑓̇ 𝑠𝑠 103
𝑃𝑃𝐵𝐵 ............................................................................................... (2.9)
SFC = konsumsi bahan bakar spesifik (kg/kwh)
PB = daya (kW)
ṁf = laju aliran bahan bakar (kg/h)
Vf = Volume Bahan Bakar yang Di uji (ml)
sgf = spesicik gravitasi biodiesel
t = waktu (h)
Universitas Sumatera Utara
9. Heat Loss in Exhaust
Heat loss in exhaust atau dapat dikatakan sebagai besar kehilangan energi
yang terjadi akibat adanya aliran gas panas buang dari exhaust manifold ke
lingkungan. Gas buang ini berupa aliran gas panas.
Besarnya Heat Loss dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.10
di bawah ini.
Heat Loss = (ma x mf)x (Te – Ta )..................................................................(2.10)
dimana:Te = suhu gas keluar exhaust manifold(oC )
Ta = Suhu lingkungan (27oC)
Untuk mengetahui persentase heat loss, maka dilakukan perbandingan antara
besarnya heat loss dengan energi yang dihasilkan dalam pembakaran bahan bakar
dimana ditunjukkan pada persamaan 2.11.
%𝐻𝐻𝐻𝐻𝑚𝑚𝑡𝑡 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑠𝑠𝑠𝑠 = (ma x mf )x (Te – Ta )𝑚𝑚𝑓𝑓𝑠𝑠𝑚𝑚𝐻𝐻𝑉𝑉
...........................................................(2.11)
Universitas Sumatera Utara
top related