09e02482.pdf
TRANSCRIPT
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
UJI EKSPERIMENTAL PERBANDINGAN UNJUK KERJA MOTOR
BAKAR BERBAHAN BAKAR PREMIUM DENGAN CAMPURAN
PREMIUM-BIOETANOL (GASOHOL BE-5 DAN BE-10)
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
RIDHO DANIEL SIHALOHO NIM. 05 0401 055
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2009
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
KATA PENGANTAR
Puji dan Syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Kuasa, atas
segala karunia dan rahmatNya yang senantiasa diberikan kepada penulis sehingga
penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini.
Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik
di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun
Skripsi yang dipilih, diambil dari mata kuliah Motor Bakar, yaitu
Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Barbahan Bakar
Premium dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol BE-5 dan BE-10).
Dalam penulisan Skripsi ini, penulis telah berupaya dengan segala
kemampuan pembahasan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh
dari perkuliahan, menggunakan literatur serta bimbingan dan arahan dari Dosen
Pembimbing.
Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa menyampaikan terima kasih yang
sebesar-besarnya kepada:
1. Kedua Orang Tua penulis, Ayahanda tercinta H. Sihaloho dan Ibunda S. A. Sijabat
yang terus membimbing dan mengarahkan penulis.
2. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H Napitupulu, DEA, selaku dosen pembimbing yang
telah banyak meluangkan waktunya membimbing penulis dalam menyelesaikan
Skripsi ini.
3. Bapak Dr.-Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus,ST.
MT, selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
USU.
4. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc. dan Bapak Tulus Burhanuddin Sitoru, ST. MT,
selaku dosen pembanding I dan II.
5. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas
Teknik USU.
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
6. Staff Laboratorium Motor Bakar Deparetemen Teknik Mesin USU, Bang Atin
yang telah banyak membantu dan membimbing penulis selama penelitian ini
berjalan.
7. Kakakku dan adikku tersayang (dr. Kristina Sihaloho, Lestarina Veronika
Sihaloho, S.Ked., Benny Sihaloho dan Evan Josep Sihaloho), terima kasih atas
segala bantuan dan dukungan yang telah diberikan baik berupa moril dan materil
selama kuliah hingga menyelesaikan Skripsi ini.
8. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin, terkhusus stambuk 2005 yang tidak
dapat disebutkan namanya satu persatu,Solidarity Forever.
9. Rekan-rekan Polisi Toba, Andriko Silitonga, Ronny Z. P Situmeang, Gunawan
Simanjuntak, terima kasih atas segala kebersamaan dalam suka dan duka yang
telah kita lalui bersama.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena
itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun demi
penyempurnaan di masa mendatang.
Akhir kata, penulis berharap semoga tulisan ini berguna bagi kita semua.
Semoga Tuhan Yang Maha Esa selalu menyertai kita.
Medan, Juli 2009
Penulis,
NIM. 05 0401 055
Ridho Daniel Sihaloho
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ............................................................................................ i
DAFTAR ISI ......................................................................................................... iii
DAFTAR TABEL ................................................................................................. v
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. vi
DAFTAR NOTASI.............................................................................................. viii
BAB I PENDAHULUAN ...................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang.......................................................................................... 1
1.2 Tujuan Pengujian ...................................................................................... 3
1.3 Manfaat Pengujian .................................................................................... 3
1.4 Ruang Lingkup Pengujian ......................................................................... 3
1.5 Sistematika Penulisan ............................................................................... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................... 5
2.1 Bioetanol .................................................................................................. 5
2.2 Pembuatan Bioetanol ................................................................................ 6
2.3 Manfaat Bioetanol ................................................................................... 12
2.4 Bioetanol Ramah Lingkungan .................................................................. 15
2.5 Motor Bensin ........................................................................................... 18
2.5.1 Cara Kerja Motor Bensin 4 Langkah ........................................................ 19
2.5.2 Performansi Motor Bensin ....................................................................... 20
2.5.3 Teori Pembakaran .................................................................................... 24
2.5.4 Nilai Kalor Bahan Bakar .......................................................................... 25
2.6 Emisi Gas Buang ..................................................................................... 26
2.7 Harga Premium di Indonesia .................................................................... 30
BAB III METODOLOGI PENULISAN ............................................................. 32
3.1 Waktu dan Tempat ................................................................................... 32
3.2 Bahan dan Alat ........................................................................................ 32
3.2.1 Bahan ...................................................................................................... 32
3.2.2 Alat .......................................................................................................... 32
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
3.3 Metode Pengumpulan Data ...................................................................... 33
3.4 Pengamatan dan Tahap Pengujian ............................................................ 33
3.5 Prosedur Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar ........................................... 34
3.6 Prosedur Pengujian Performansi Motor Bensin ........................................ 37
3.7 Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang ...................................................... 42
BAB IV ANALISA HASIL DAN PENGUJIAN ................................................. 44
4.1 Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar ......................................................... 44
4.2 Pengujian Performansi Motor Bakar Bensin ............................................. 47
4.2.1 Torsi ........................................................................................................ 47
4.2.2 Daya ........................................................................................................ 52
4.2.3 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik .............................................................. 55
4.2.4 Rasio Perbandingan Udara Bahan Bakar (AFR) ....................................... 59
4.2.5 Effisiensi Volumetris ............................................................................... 63
4.2.6 Effisiensi Thermal Brake ......................................................................... 66
4.3 Pengujian Emisi Gas Buang ..................................................................... 70
4.3.1 Kadar Carbon Monoksida (CO) Dalam Gas Buang .................................. 70
4.3.2 Kadar Carbon Dioksida (CO2) Dalam Gas Buang .................................... 72
4.3.3 Kadar Unburned Hidro Carbon (UHC) Dalam Gas Buang........................ 74
4.3.4 Kadar Sisa Oksigen (O2) Dalam Gas Buang ............................................. 77
4.4 Analisa Perhitungan Harga Gasohol BE-5 dan BE-10 .............................. 79
4.5 Hasil Pengujian ........................................................................................ 80
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................... 83
5.1 Kesimpulan ............................................................................................... 83
5.2 Saran ......................................................................................................... 84
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Konversi bahan baku tanaman yang mengandung pati
atau karbohidrat dan tetes menjadi bioetanol ........................................ 6
Tabel 2.2 Sifat-sifat bahan bakar dari bioetanol, gasoline, dan butil eter ................ 13
Tabel 2.3 Perbandingan emisi bahan pencemar dari campuran bioetanol
dan premium .......................................................................................... 17
Tabel 2.4 Perbandingan harga premium di Amerika Serikat dan Indonesia ............ 17
Tabel 3.1 Spesifikasi Mesin Bensin TD4A 024 4-langkah ..................................... 38
Tabel 3.2 Spesifikasi TD4A 241 Instrumen Unit ................................................... 39
Tabel 4.1 Data hasil pengujian dan perhitungan bom kalorimeter .......................... 45
Tabel 4.2 Data hasil pembacaan langsung langsung unit instrumentasi
untuk bahan bakar premium pada putaran yang bervariasi ...................... 47
Tabel 4.3 Data hasil pembacaan langsung langsung unit instrumentasi
untuk bahan bakar gasohol BE-5 pada putaran yang bervariasi ............... 48
Tabel 4.4 Data hasil pembacaan langsung langsung unit instrumentasi
untuk bahan bakar gasohol BE-10 pada putaran yang bervariasi ............. 49
Tabel 4.5 Hasil perhitungan daya .......................................................................... 53
Tabel 4.6 Hasil perhitungan konsumsi bahan bakar spesifik (Sfc) ......................... 57
Tabel 4.7 Hasil perhitungan perbandingan udara dan bahan bakar (AFR) .............. 61
Tabel 4.8 Hasil perhitungan efisiensi volumetris ................................................... 64
Tabel 4.9 Hasil perhitungan efisiensi thermal brake .............................................. 67
Tabel 4.10 Kadar CO dalam emisi gas buang ........................................................ 70
Tabel 4.11 Kadar CO2 dalam gas buang ................................................................ 72
Tabel 4.12 Kadar UHC dalam gas buang ............................................................... 75
Tabel 4.11 Kadar sisa oksigen O2 dalam gas buang ............................................... 77
Tabel 4.14 Hasil uji nilai kalor atas bahan bakar (HHV) ....................................... 80
Tabel 4.15 Hasil uji performansi untuk beban 10 kg .............................................. 80
Tabel 4.13 Hasil uji performansi untuk beban 25 kg .............................................. 80
Tabel 4.13 Perbandingan kondisi performansi ....................................................... 81
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
Tabel 4.13 Hasil uji emisi gas buang untuk beban 10 kg........................................ 81
Tabel 4.13 Hasil uji emisi gas buang untuk beban 25 kg........................................ 82
Tabel 4.13 Perbandingan kondisi emisi gas buang ................................................ 82
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Reaksi pengubahan piruvat menjadi alkohol ..................................... 9
Gambar 2.2 Proses Produksi Bioetanol dari bahan berpati .................................. 11
Gambar 2.3 Diagram alir proses pembuatan Bioetanol dari ubi kayu .................. 11
Gambar 2.4 Daur ulang karbondioksida pada siklus Bioetanol ........................... 17
Gambar 2.5 Siklus Otto Ideal ............................................................................. 19
Gambar 3.1 Bom Kalorimeter ............................................................................ 34
Gambar 3.2 Diagram alir pengujian nilai kalor bahan bakar ............................... 36
Gambar 3.3 Mesin Uji TD4A 024 ...................................................................... 37
Gambar 3.4 TD4A 024 4-Stroke Bensin Engine ................................................. 37
Gambar 3.5 TD4A 024 Instrumentatio Unit ....................................................... 38
Gambar 3.6 Diagram alir pengujian performansi motor bakar bensin ................. 41
Gambar 3.7 Autologic gas analyzer .................................................................... 42
Gambar 3.8 Diagram alir pengujian emisi gas buang motor bakar bensin ........... 43
Gambar 4.1 Grafik hasil pengujian bom kalorimeter .......................................... 46
Gambar 4.2 Grafik Torsi vs Putaran untuk beban 10 kg ...................................... 50
Gambar 4.3 Grafik Torsi vs Putaran untuk beban 25 kg ...................................... 51
Gambar 4.4 Grafik Daya vs Putaran untuk beban 10 kg ...................................... 53
Gambar 4.5 Grafik Daya vs Putaran untuk beban 25 kg ...................................... 54
Gambar 4.6 Grafik Sfc vs Putaran untuk beban 10 kg ......................................... 57
Gambar 4.7 Grafik Sfc vs Putaran untuk beban 25 kg ......................................... 58
Gambar 4.8 Kurva Viscous Flow Meter Calibration ........................................... 60
Gambar 4.9 Grafik AFR vs Putaran untuk beban 10 kg ...................................... 62
Gambar 4.10 Grafik AFR vs Putaran untuk beban 25 kg ...................................... 62
Gambar 4.11 Grafik Efisiensi Volumetris vs Putaran untuk beban 10 kg .............. 65
Gambar 4.12 Grafik Efisiensi Volumetris vs Putaran untuk beban 25 kg .............. 65
Gambar 4.13 Grafik Efisiensi Thermal Brake vs Putaran untuk beban 10 kg ........ 68
Gambar 4.14 Grafik Efisiensi Thermal Brake vs Putaran untuk beban 25 kg ........ 68
Gambar 4.15 Grafik Kadar CO vs Putaran untuk beban 10 kg .............................. 71
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
Gambar 4.16 Grafik Kadar CO vs Putaran untuk beban 25 kg .............................. 71
Gambar 4.17 Grafik Kadar CO2 vs Putaran untuk beban 10 kg ............................. 73
Gambar 4.18 Grafik Kadar CO2 vs Putaran untuk beban 25 kg ............................. 73
Gambar 4.19 Grafik Kadar UHC vs Putaran untuk beban 10 kg ........................... 75
Gambar 4.20 Grafik Kadar UHC vs Putaran untuk beban 25 kg ........................... 76
Gambar 4.21 Grafik Kadar O2 vs Putaran untuk beban 10 kg ............................... 77
Gambar 4.22 Grafik Kadar O2 vs Putaran untuk beban 25 kg ............................... 78
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
DAFTAR NOTASI
Simbol Arti Satuan
AFR Air Fuel Ratio
Cv Panas jenis bom kalorimeter kJ/kg 0C
HHV Nilai kalor atas kJ/kg
LHV Nilai kalor bawah bahan bakar kJ/kg
M Persentase kandungan air dalam bahan
bakar (moisture) .
fm laju aliran bahan bakar kg/jam
ma laju aliran masa udara kg/jam
n Putaran mesin rpm
GP Daya keluaran Watt
Qin Kalor masuk ke ruang bakar J/kg
Qout Kalor yg dibuang pada proses exhaust. J/kg
R konstanta gas J/ kg.K
Sfc konsumsi bahan bakar spesifik g/kW.h
fsg Spesific gravity
T Torsi N.m
Ta Temperatur udara K
Tkp Kenaikan temperatur akibat kawat penyala 0C
T1 Temperatur air pendingin sebelum penyalaan 0C
T2 Temperatur air pendingin sesudah penyalaan 0C
ft Waktu untuk menghabiskan bahan
bakar sebanyak volume uji s
Pa Tekanan udara Pa
Vs Volume langkah torak m3
Vf Volume bahan bakar yang diuji ml
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
Simbol Yunani
Simbol Arti Satuan
a Kerapatan udara kg/m3
v Efisiensi volumetrik %
b Effisiensi thermal brake %
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Suatu saat bahan bakar fosil yang ditambang dari perut bumi akan habis,
mengingat bahwa bahan bakar fosil merupakan bahan bakar yang tidak dapat
diperbarui (unrenewable). Minyak bumi merupakan salah satu bahan bakar fosil,
dimana suplai sudah semakin berkurang. Hal ini yang membuktikan bahwa cadangan
minyak bumi sudah semakin menipis. Penggunaan bahan bakar fosil juga telah
menimbulkan dampak negatif pada lingkungan. Perubahan suhu yang semakin
meningkat merupakan permasalahan yang sangat mengkhawatirkan bagi dunia pada
saat ini. Hal ini disebut dengan pemanasan global (global warming) yaitu adanya
proses peningkatan suhu rata-rata atmosfer, laut, dan daratan bumi. Suhu rata-rata
global pada permukaan bumi telah meningkat 0,74 0,18C (1,33 0,32F) selama
seratus tahun terakhir. Pemanasan global juga disebabkan peningkatan jumlah emisi
gas rumah kaca di atmosfer. Dimana yang termasuk dalam kelompok gas rumah kaca
adalah karbondioksida (CO2), metana (CH4), dinitro oksida (N2O), hidrofluorokarbon
(HFC), perfluorokarbon (PFC), dan sulfur heksafluorida (SF6). Jenis gas rumah kaca
yang memberikan sumbangan paling besar bagi emisi gas rumah kaca adalah
karbondioksida (CO2). Sementara, untuk gas rumah kaca lainnya (HFC, PFC, dan
SF6) hanya menyumbang kurang dari 1% [38].
Salah satu sumber penyumbang karbondioksida adalah pembakaran bahan
bakar fosil. Penggunaan bahan bakar fosil mulai meningkat pesat sejak revolusi
industri pada abad ke-18. Pada saat itu, batu bara menjadi sumber energi dominan
untuk kemudian digantikan oleh minyak bumi pada pertengahan abad ke-19. Sumber
utama penghasil emisi karbondioksida secara global ada 2 macam. Pertama,
pembangkit listrik bertenaga batu bara. Kedua, pembakaran kendaraan bermotor.
Emisi gas rumah kaca harus dikurangi, jadi harus dibangun sistem industri dan
transportasi yang tidak bergantung pada bahan bakar fosil yaitu minyak bumi dan
batu bara. Maka untuk mengatasi hal ini diperlukan sumber energi alternatif yang
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
dapat mengurangi penggunaan bahan bakar fosil sekaligus dapat mengurangi emisi
karbondioksida. Salah satu sumber energi yang dapat mengurangi pengunaan bahan
bakar fosil adalah bahan bakar nabati yaitu bioetanol [39].
Bioetanol adalah alkohol yang diproduksi dari tumbuh-tumbuhan dengan
menggunakan mikroorganisme melalui proses fermentasi. Pengenalan energi
alternatif ini juga merupakan upaya untuk mengurangi penggunaan bahan bakar
minyak di Indonesia. Bioetanol merupakan bentuk sumber energi alternatif yang
menarik untuk dikembangkan karena kelimpahannya di Indonesia dan sifatnya yang
dapat diperbarui. Ada 3 kelompok bahan penghasil bioetanol yaitu nira bergula, pati,
dan bahan serat alias lignoselulosa. Semua bahan baku bioetanol itu mudah
didapatkan dan dikembangkan di Indonesia yang memiliki lahan luas dan subur [2].
Di Indonesia saat ini, penggunaan etanol sudah digunakan secara luas. Selain
digunakan sebagai campuran premium, etanol juga digunakan dalam dunia industri
sebagai pelarut (solven) dan juga sebagai bahan baku industri kimia yang lain seperti
pembuatan etil asetat [28].
Hampir semua industri memerlukan etanol antara lain industri makanan dan
minuman, bidang kedokteran, farmasi, dan lain-lain. Data perkembangan konsumsi
etanol dunia dari tahun 1975, menunjukkan bahwa peningkatan konsumsi terbesar
diakibatkan penggunaan etanol sebagai bahan bakar. Saat ini konsumsi etanol sebagai
bahan bakar terutama di Brazil, Amerika Serikat, Kanada, Uni Eropa dan Australia
berkisar 63-67% dari total penggunaan bahan bakar di dunia. Perlu pula dicatat
bahwa 95% dari etanol yang diproduksi di dunia sekarang ini adalah bioetanol [6].
Penggunaan premium telah menimbulkan emisi berbagai gas-gas yang
menjadi polutan berbahaya di udara. Disamping itu, bahan aditif timbal yang selama
ini digunakan sebagai peningkat angka oktan (octane enhancer) pada premium ikut
berkontribusi terhadap pencemaran udara tersebut. Penggunaan MTBE (Methyl
Tertiary Buthyl Ether) sebagai pengganti TEL (Tetra Ethyl Lead) merupakan upaya
untuk mengurangi pencemaran lingkungan, namun bahan tersebut harus diimpor, dan
penggunaannya sudah mulai dilarang di berbagai negara. Bioetanol dapat
menggantikan fungsi dari TEL (Tetra Ethyl Lead) dan MTBE (Methyl Tertiary
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
Buthyl Ether) sebagai campuran pada premium. Bioetanol memiliki angka oktan 117
atau lebih tinggi dibanding bensin yang hanya 87-88, sehingga campuran
premium-bioetanol secara langsung akan meningkatkan angka oktan [42].
1.2 Tujuan Pengujian
1. Untuk memperoleh perbandingan nilai kalor pembakaran bahan bakar
premium dengan nilai kalor pembakaran bahan bakar campuran
premium-bioetanol (Gasohol BE-5 dan BE-10).
2. Untuk memperoleh perbandingan unjuk kerja motor bakar berbahan bakar
premium dengan campuran premium-bioetanol (Gasohol BE-5 dan BE-10).
3. Untuk memperoleh perbandingan komposisi dari beberapa emisi gas buang motor
bakar berbahan bakar premium dengan campuran premium-bioetanol (Gasohol
BE-5 dan BE-10).
1.3 Manfaat Pengujian
1. Untuk memperoleh campuran yang paling baik dari premium-bioetanol dengan
pertimbangan ekonomis dan ramah lingkungan.
2. Memotivasi masyarakat, para petani pada khususnya, dalam memanfaatkan lahan
kosong untuk areal penanaman bahan baku bioetanol.
3. Sebagai pertimbangan terhadap pemerintah untuk menghemat devisa negara
terhadap anggaran subsidi bahan bakar premium.
4. Memberikan pertimbangan terhadap pemerintah untuk mengurangi
ketergantungan bahan bakar fosil khususnya premium.
1.4 Ruang lingkup Pengujian 1. Bioetanol yang digunakan adalah bioetanol yang berbahan baku ubi kayu.
2. Alat uji yang digunakan untuk menghitung nilai kalor pembakaran bahan bakar
adalah Bom Kalorimeter.
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
3. Mesin uji yang digunakan untuk mendapatkan unjuk kerja motor bakar bensin
adalah Mesin Bensin 4-langkah dengan 4-silinder (TecQuipment type.TD4A 024)
pada laboratorium Motor Bakar Departemen Teknik Mesin USU.
4. Unjuk kerja mesin bensin yang dihitung adalah:
- Daya (Brake Power)
- Rasio perbandingan udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio)
- Konsumsi bahan bakar spesifik (Specific Fuel Consumtion)
- Efisiensi Volumetris (Volumetric Effeciency)
- Efisiensi termal brake (Brake Thermal Effeciency)
5. Alat uji yang digunakan untuk mengetahui komposisi emisi gas buang motor
bakar bensin adalah Autologic Gas Analyzer
6. Senyawa gas buang motor bakar bensin yang diamati adalah karbon monoksida
(CO), karbon dioksida (CO2), unburned hidrokarbon (UHC) dan oksigen (O2).
7. Pada pengujian unjuk kerja dan pengamatan komposisi emisi gas buang motor
bakar bensin, dilakukan variasi putaran dan beban yang meliputi:
- Variasi putaran : 2000-rpm, 2500-rpm, 3000-rpm, 3500-rpm , 4000-rpm
- Variasi beban : 10 kg dan 25 kg.
1.5 Sistematika Penulisan
Untuk mempermudah pembaca dalam memahami tulisan ini, maka dilakukan
pembagian bab berdasarkan isinya. Tulisan ini akan disusun dalam lima bab,
BAB I PENDAHULUAN, berisi latar belakang, tujuan, manfaat, dan ruang lingkup
pengujian. BAB II TINJAUAN PUSTAKA, berisi landasan teori yang diperoleh dari
literatur untuk mendukung pengujian. BAB III METODOLOGI PENGUJIAN, berisi
metode pengujian, peralatan dan perlengkapan yang digunakan serta prosedur kerja
dari pengujian yang dilakukan. BAB IV DATA DAN ANALISA, berisi data hasil
pengujian, perhitungan dan analisa terhadap data hasil pengujian.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN, berisi kesimpulan dari hasil pengujian dan
saran-saran.
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Bioetanol
Bioetanol adalah etanol yang dihasilkan dari fermentasi glukosa yang
dilanjutkan dengan proses destilasi. Etanol merupakan kependekan dari etil alkohol
(C2H5OH); sering pula disebut grain alcohol atau alkohol. Wujud dari etanol berupa
cairan yang tidak berwarna, mudah menguap dan mempunyai bau yang khas. Berat
jenisnya adalah sebesar 0,7939 g/mL, dan titik didihnya 78,320oC pada tekanan
766 mmHg. Sifat lainnya adalah larut dalam air dan eter, serta mempunyai panas
pembakaran 7093.72 kkal. Etanol digunakan dalam beragam industri seperti sebagai
bahan baku industri turunan alkohol, campuran untuk minuman keras seperti sake
atau gin, bahan baku farmasi dan kosmetik, dan campuran bahan bakar kendaraan,
peningkat oktan, dan bensin alkohol (gasohol) [34].
Pemakaian etanol sebagai sumber energi dalam industri dan kendaraan akan
sangat mengurangi pembuangan gas CO2 yang mengakibatkan pemanasan
global. Cepat atau lambat sumber minyak (fosil fuel) akan habis karena depositnya
terbatas. Minyak bumi merupakan sumber energi yang tidak dapat diperbaharui.
Keterbatasan itu mendorong negara industri melirik etanol (biofuel) sebagai sumber
energi altenatif. Selain terus-menerus dapat diproduksi oleh mikroorganisme, etanol
juga ramah lingkungan [3].
Beberapa keunggulan dari penggunaan etanol sebagai bahan bakar [43] yaitu:
1. Diproduksi dari tanaman yang bersifat renewable.
2. Mengandung kadar oksigen sekitar 35% sehingga dapat terbakar lebih sempurna.
3. Penggunaan gasohol dapat menurunkan emisi gas rumah kaca.
4. Pembakaran tidak menghasilkan partikel timbal dan benzena yang bersifat
karsinogenik (penyebab kanker).
5. Mengurangi emisi fine-particulates yang membahayakan kesehatan manusia.
6. Mudah larut dalam air dan tidak mencemari air permukaan dan air tanah.
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
Proses destilasi dapat menghasilkan etanol dengan kadar 95%, untuk
digunakan sebagai bahan bakar perlu lebih dimurnikan lagi hingga mencapai 99,5%
yang sering disebut Fuel Grade Ethanol (FGE). Mengingat pemanfaatan etanol yang
beraneka ragam, maka kadar etanol yang dimanfaatkan harus berbeda sesuai dengan
penggunaannya. Etanol yang mempunyai kadar 90-96,5% dapat digunakan pada
industri, sedangkan etanol yang mempunyai kadar 96-99,5% dapat digunakan sebagai
campuran untuk miras dan bahan dasar industri farmasi. Etanol yang dimanfaatkan
sebagai campuran bahan bakar untuk kendaraan yang harus betul-betul kering dan
anhydrous supaya tidak korosif, sehingga etanol harus mempunyai kadar
sebesar 99,5-100%. Perbedaan besarnya kadar akan berpengaruh terhadap proses
pengolahan karbohidrat menjadi glukosa larut air [4].
2.2 Pembuatan Bioetanol
Pembuatan bioetanol yang menggunakan bahan baku tanaman yang
mengandung pati, dilakukan dengan cara mengubah pati menjadi gula (glukosa) larut
air. Konversi bahan baku tanaman yang mengandung pati atau karbohidrat dan tetes
menjadi bioetanol ditunjukkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Konversi bahan baku tanaman yang mengandung pati atau karbohidrat dan
tetes menjadi bioetanol
Bahan Baku Kandungan
Gula dalam
Bahan Baku
(kg)
Jumlah Hasil
Konversi
Bioetanol (liter)
Perbandingan
Bahan Baku
dan Bioetanol Jenis Konsumsi (kg)
Ubi Kayu 1000 250-300 166,6 6,5:1
Ubi Jalar 1000 150-200 125 8:1
Jagung 1000 600-700 200 5:1
Sagu 1000 120-160 90 12:1
Tetes 1000 500 250 4:1
Sumber : www.geocities.com
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
Pengubahan pati menjadi gula dapat dilakukan dengan dua metode yaitu
hidrolisa asam dan hidrolisa enzim. Namun, pada saat ini metode yang lebih banyak
digunakan adalah dengan hidrolisa enzim. Pada proses pengubahan pati menjadi gula
larut air yang menggunakan metode hidrolisa enzim dilakukan dengan penambahan
air dan enzim, selanjutnya dilakukan proses fermentasi gula menjadi etanol dengan
menambahkan ragi. Reaksi yang terjadi pada proses produksi bioetanol secara
sederhana ditujukkan pada reaksi 1 dan 2 [30] dibawah ini:
(C6H10O5)n + H2O N C6H12O6 (1)
(pati) enzim (glukosa)
(C6H12O6)n 2 C2H5OH + 2 CO2 (2)
(glukosa) ragi (etanol)
Secara sederhana teknologi proses produksi bioetanol yang menggunakan
bahan baku ubi kayu dapat dibagi dalam tiga tahap, yaitu gelatinasi, sakharifikasi, dan
fermentasi. Pada proses gelatinasi ubi kayu dihancurkan kemudian ditambahkan air
sehingga akan diperoleh bubur ubi kayu, dimana pati yang dihasilkan diperkirakan
mencapai 27-30 %. Kemudian pati yang telah diperoleh dari bubur ubi kayu tersebut
dipanaskan selama 2 jam sehingga berbentuk gel. Pada umumnya, proses gelatinasi
dapat dilakukan dengan 2 cara, yaitu:
1. Bubur pati dipanaskan sampai 130oC selama 30 menit, kemudian didinginkan
sampai mencapai temperatur 95oC yang diperkirakan memerlukan waktu
sekitar 15 menit. Kemudian selama sekitar 75 menit, kondisi temperatur 95oC
tersebut dipertahankan, sehingga total waktu yang dibutuhkan mencapai
2 jam.
2. Pati langsung ditambah enzim termamyl, kemudian dipanaskan sampai
mencapai temperatur 130oC selama 2 jam.
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
Gelatinasi cara pertama, yaitu cara pemanasan bertahap mempunyai
keuntungan yaitu pada suhu 95oC aktifitas termamyl merupakan yang paling tinggi,
sehingga mengakibatkan ragi cepat aktif. Pemanasan dengan suhu 130oC pada cara
pertama tersebut dimaksudkan untuk memecah granula pati, sehingga lebih mudah
terjadi kontak dengan air dan enzim serta dapat berfungsi untuk sterilisasi bahan,
sehingga bahan tersebut tidak mudah terkontaminasi. Gelatinasi cara kedua, yaitu
cara pemanasan langsung (gelatinasi dengan enzim termamyl) pada temperatur 130oC
menghasilkan hasil yang kurang baik, karena mengurangi dapat mengurangi aktifitas
dari ragi. Hal tersebut disebabkan gelatinasi dengan enzim pada suhu 130oC akan
terbentuk tri-phenyl-furane yang mempunyai sifat racun terhadap ragi. Gelatinasi
pada suhu tinggi tersebut juga akan berpengaruh terhadap penurunan aktifitas
termamyl, karena aktifitas termamyl akan semakin menurun setelah melewati suhu
95oC. Selain itu, tingginya temperature tersebut juga akan mengakibatkan half life
dari termamyl semakin pendek, sebagai contoh pada temperature 93oC, half life dari
termamyl adalah 1500 menit, sedangkan pada temperature 107oC, half life termamyl
tersebut adalah 40 menit. Hasil gelatinasi dari ke dua cara tersebut didinginkan
sampai mencapai temperatur 55oC, kemudian ditambah SAN untuk proses
sakharifikasi dan selanjutnya difermentasikan dengan menggunakan ragi. Ragi yang
sering digunakan dalam fermentasi alkohol adalah Saccharomyces cerevisiae, karena
jenis ini dapat berproduksi tinggi, toleran terhadap alkohol yang cukup tinggi
(12-18%), tahan terhadap kadar gula yang tinggi dan tetap aktif melakukan
fermentasi pada suhu 4-32oC [31].
Proses fermentasi dimaksudkan untuk mengubah glukosa menjadi bioetanol.
Mekanisme reaksi pada proses fermentasi dapat dilihat pada Gambar 2.1. Pada saat
keadaan aerob asam piruvat diubah menjadi asetil-koenzimA. Tetapi karena ragi
Saccharomyzes ceraviseze dalam keadaan anaerob, asam piruvat diubah menjadi
etanol dengan bantuan piruvat dekarboksilase dan alkohol dehidrogenase melalui
proses fermentasi alkohol [19].
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
C
O
O
C O
CH3
piruvat dekarboksilase
CO2
C
O
H
CH3
alcohol dehidrogenase
NADH NAD+
CH2 OH
CH3
Pyruvat Acetaldehida Ethanol Lehninger, A. L. 1982. Dasar-Dasar Biokimia, hal 18.
Gambar 2.1 Reaksi pengubahan piruvat menjadi alkohol.
Bioetanol yang dihasilkan dari proses fermentasi biasanya masih mengandung
gas-gas antara lain CO2 dan aldehyde. Gas CO2 pada hasil fermentasi tersebut
biasanya mencapai 35 %, sehingga untuk memperoleh bioetanol yang berkualitas
baik, maka bioetanol tersebut harus dibersihkan dari gas tersebut. Proses pembersihan
CO2 dilakukan dengan menyaring bioetanol yang terikat oleh CO2, sehingga dapat
diperoleh bioetanol yang bersih dari gas CO2. Pada umumnya bioetanol atau alkohol
yang dihasilkan dari proses fermntasi yang mempunyai kemurnian sekitar 30 40%,
sehingga harus dimurnikan lagi. Agar mendapatkan kadar bioetanol lebih dari 95%
dan dapat dipergunakan sebagai bahan bakar, alkohol hasil fermentasi yang
mempunyai kemurnian sekitar 30 40% tersebut harus melewati proses destilasi
untuk memisahkan alkohol dengan air [32].
Destilasi merupakan pemisahan larutan berdasarkan titik didihnya. Titik didih
etanol murni adalah 78oC sedangkan air adalah 100oC. Dengan memanaskan larutan
pada suhu rentang 78 100oC akan mengakibatkan sebagian besar etanol menguap
[29]. Destilasi fraksinasi merupakan pemisahan atau pengambilan uap dari setiap
tingkat yang berbeda dalam kolom destilasi. Produk yang lebih berat diperoleh di
bagian bawah, sedangkan yang lebih ringan akan keluar dari bagian atas kolom. Dari
hasil destilasi ini, kadar bioetanolnya berkisar antara 95-96%. Namun, pada kondisi
tersebut campuran membentuk azeotrope, yang artinya campuran alkohol dan air
sukar untuk dipisahkan. Untuk memperoleh bioetanol dengan kemurnian lebih tinggi
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
dari 99,5% atau yang umum disebut Fuel Grade Ethanol, masalah yang timbul adalah
sulitnya memisahkan hidrogen yang terikat dalam struktur kimia alkohol dengan cara
destilasi biasa, oleh karena itu untuk mendapatkan Fuel Grade Etanol dilaksanakan
pemurnian lebih lanjut dengan cara azeotropic destilasi.
Untuk menghasilkan anhydrous alcohol, kondisi azeotrope harus dipecahkan
dengan bahan pelarut lain. Bahan pelarut yang biasa digunakan adalah benzene atau
n-hexane. Cara lain yang umum dipakai adalah desiccants process dan molecular
sieves. Pada proses desiccant, untuk mendapatkan anhydrous alcohol digunakan
bahan kimia yang sifatnya stabil yang bereaksi hanya dengan air, dan tidak bereaksi
dengan alkohol. Contohnya adalah kalsium oksida. Reaksi antara CaO dengan air
mengeluarkan panas, sehingga perlu rancangan khusus pada kolomnya. Selain itu
berbagai macam pati juga dapat dipakai sebagai dessicant. Molecular sieves adalah
kristal aluminosilikat, merupakan bahan penyaring yang tidak mengalami hidrasi
maupun dehidrasi pada struktur kristalnya. Molekul penyaring ini secara selektif
menyerap air, karena lubang kristalnya mempunyai ukuran lebih kecil dibanding
ukuran molekul alkohol, dan lebih besar dibandingkan molekul air. Alkohol yang
berbentuk cair maupun uap dilewatkan kolom yang berisi bahan penyaring, air akan
tertahan dalam bahan tersebut dan akan diperoleh alkohol murni. Biasanya proses ini
menggunakan dua kolom, kolom kedua untuk aliran uap alkohol sedangkan pada
kolom pertama setelah proses dialirkan udara atau gas panas untuk menguapkan
air [40].
Pada industri pembuatan etanol, juga akan diperoleh hasil lain, baik yang
dapat dimanfaatkan langsung maupun harus diproses lebih lanjut. Hasil samping
tersebut antara lain stillage, karbondioksida, dan minyak fusel. Stillage adalah sisa
destilasi yang tertinggal dalam kolom bagian bawah dan masih bercampur dengan air.
Stillage tersebut masih banyak mengandung bahan-bahan organik yang tidak
terfermentasikan. Stillage dari proses destilasi jumlahnya cukup besar, yaitu 10-13
kali jumlah alkohol yang dihasilkan. Mengingat bahan yang terkandung di dalamnya,
maka stillage dapat dimanfaatkan sebagai pupuk, makanan ternak dan biogas.
Sedangkan gas karbondioksida yang dihasilkan selama proses fermentasi biasanya
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
diserap dan dimurnikan kemudian ditekan menjadi bentuk cair. Minyak fusel yang
pada prinsipnya merupakan campuran n-amyl, n-butyl, isobutyl, n-propyl dan iso-
propyl alkohol juga asam-asam, ester maupul aldehid, dapat digunakan sebagai bahan
baku kimia, bahan pelarut dan bahan bakar [41].
Sumber: www.agribisnis.deptan.go.id
Gambar 2.2 Proses produksi bioetanol dari bahan berpati.
Sumber: www.agribisnis.deptan.go.id
Gambar 2.3 Diagram alir proses pembuatan bioetanol dari ubi kayu.
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
2.4 Manfaat Bioetanol
Pada dasarnya etanol dapat diperoleh melalui 2 cara. Pertama, etanol yang
diperoleh melalui proses fermentasi dengan bantuan mikroorganisme. Kedua, etanol
diperoleh dari hasil sintesa etilen. Bioetanol dapat digunakan untuk berbagai
keperluan. Bioetanol banyak digunakan dalam industri minuman, kosmetik dan
industri farmasi seperti deterjen, desinfektan dan lain-lain. Alkohol dari produk
petroleum atau dikenal sebagai alkohol sintetis banyak dipakai untuk bahan baku
pada industri acetaldehyde, derivat acetyl dan lain-lain. Selain bioetanol dikenal pula
gasohol, yang merupakan campuran bioetanol dengan premium yang digunakan
sebagai bahan bakar. Brazil, Amerika Serikat, Argentina, Australia, Kuba, Jepang,
Selandia Baru, Afrika Selatan, Swiss dan lain-lain telah mengunakan bahan bakar
alternatif ini untuk digunakan pada kendaraan bermotor [14].
Campuran bioetanol dan premium dapat divariasikan kadarnya. Misalnya
Gasohol BE-10, yang mengandung 10% bioetanol, sisanya premium. Kualitas etanol
yang digunakan tergolong fuel grade etanol yang kadar etanolnya 99%. Etanol
mengandung 35% oksigen dapat meningkatkan efisiensi pembakaran dan mengurangi
emisi gas rumah kaca. Rendahnya biaya produksi bioetanol karena sumber bahan
bakunya merupakan limbah pertanian yang tidak bernilai ekonomis dan berasal dari
hasil pertanian budidaya yang dapat diambil dengan mudah. Dilihat dari proses
produksinya juga relatif sederhana dan murah [15].
Keuntungan lain dari bioetanol adalah nilai oktannya lebih tinggi dari premium
sehingga dapat menggantikan fungsi bahan aditif, seperti Metil Tertiary Butyl Ether
(MTBE) dan Tetra Ethyl Lead (TEL). Kedua zat aditif tersebut telah dipilih
menggantikan timbal pada premium. Etanol absolut memiliki angka oktan (ON) 117,
sedangkan Premium hanya 87-88. Gasohol BE-10 secara proporsional memiliki
ON 92 atau setara Pertamax. Pada komposisi ini bioetanol dikenal sebagai octan
enhancer (aditif) yang paling ramah lingkungan dan di negara-negara maju telah
menggeser penggunaan Tetra Ethyl Lead (TEL) maupun Methyl Tertiary Buthyl
Ether (MTBE). Hal tersebut terlihat pada Tabel 2.2.
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
Tabel 2.4 Sifat-sifat bahan bakar dari bioetanol, gasoline dan butil eter.
Sumber : McCormick. 2001. Technical Barriers to the Use of Ethanol in Diesel Fuel. hal 27.
Konsep ini pada awalnya berasal dari keinginan beberapa ahli untuk
mengganti octan booster (zat yang yang dapat menaikkan nilai oktan) dimana pada
awalnya octan booster yang digunakan tersebut adalah dari senyawa timbal, yang kita
kenal dengan TEL (Tetra Ethyl Lead), kemudian mengingat timbal yang digunakan
tidak begitu aman bahkan membahayakan bagi kesehatan manusia, maka muncullah
apa yang kita kenal dengan sebutan MTBE (Methyl Terthier Buthyl Ethylen), dan ada
beberapa senyawa octan booster lainnya yang berasal dari turunan senyawa aromatik,
diperoleh korelasi antara bensin murni dengan bensin yang ditambah (octan booster)
yaitu diketahui dengan penambahan 0,1 gram timbal per 1 liter gasoline mampu
menaikkan angka oktan sebesar 1,52 satuan angka oktan dan diketahui juga bahwa
timbal adalah merupakan komponen dengan harga relatif murah untuk kebutuhan
peningkatan 1 satuan angka oktan dibandingkan dengan menggunakan senyawa
lainnya. Berdasarkan sifat-sifat fisik dari metanol dan etanol, diperoleh bahwa etanol
lebih disukai dibanding metanol karena metanol lebih korosif daripada etanol serta
metanol juga dapat menyebabkan kesukaran untuk starting pada kondisi cuaca dingin
atau vapor lock ketika panas. Oktan metanol dan etanol lebih tinggi dari bensin,
sehingga dengan pencampuran bensin dengan metanol dan etanol diharapkan akan
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
menaikkan nilai oktan dari bensin dan diharapkan efisiensi mesin juga akan lebih
baik [27].
Perhitungan berikut menunjukkan bahwa kenaikan angka oktan saja belum
tentu menjamin bahwa efisiensi mesin akan lebih baik, berikut analisisnya.
Nilai kalor : Energi yg dilepaskan pada proses pembakaran bahan bakar per-
satuan volume atau per-satuan massanya.
Efisiensi thermal Engine = 1 - (Qout / Qin)
Qout = Kalor yg dibuang pada proses blowdown diruang bakar engine.
Qin = Kalor masuk ke ruang bakar (terjadi pada proses pembakaran bahan bakar).
Semakin besar nilai Qin, maka nilai efisiensi thermal semakin tinggi. Nilai kalor
semakin besar maka nilai Qin semakin besar sehingga semakin tinggi tekanan
pendorong piston di dalam ruang bakar. (nilai kalor untuk etanol = 29,7 MJ/Kg, dan
nilai kalor untuk bensin = 47,3 MJ/Kg).
Hasil perhitungan itu dapat dijelaskan sebagai berikut:
1. Pada bahan bakar dengan nilai oktan rendah, proses penyalaan terjadi ketika
posisi piston masih agak jauh dari TMA (Titik Mati Atas) sehingga arah gerak
piston sempat beberapa saat berlawanan dengan arah tekanan gas pembakaran.
Setelah melewati TMA, maka arah gerak keduanya menjadi searah dan
melakukan kerja positif. Jadi sempat terjadi losses. Proses penyalaan ini terjadi
dengan sendirinya karena tekanan yang tinggi di ruang bakar, dikenal dengan
istilah self ignition/knocking.
2. Pada bahan bakar dengan nilai oktan yang tinggi, proses penyalaan bahan bakar
terjadi ketika piston sudah sangat dekat dengan posisi TMA. Karena itu tekanan
dari gas pembakaran benar-benar digunakan untuk mendorong piston melakukan
kerja positif (dalam hal ini mendorong mobil) karena arah tekanan gas dan gerak
piston searah.
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
Dengan demikian untuk etanol yang mempunyai nilai oktan tinggi, tekanan
hasil pembakarannya benar-benar digunakan untuk mendorong piston melakukan
kerja positif. Bioetanol dapat langsung dicampur dengan bensin pada berbagai
komposisi untuk meningkatkan efisiensi dan emisi gas buang yang lebih ramah
lingkungan [1].
2. 5 Bioetanol Ramah Lingkungan
Mesin bensin (Otto) dan diesel adalah dua jenis mesin pembakaran dalam
yang paling banyak digunakan di dunia. Mesin diesel memiliki efisiensi lebih tinggi,
tetapi mempunyai tingkat polusi sulfur yang tinggi apabila dibandingkan dengan
mesin bensin. Etanol yang secara teoritik memiliki nilai oktan di atas standar
maksimal bensin, cocok diterapkan sebagai substitusi sebagian ataupun keseluruhan
pada mesin bensin. Terdapat beberapa karakteristik internal etanol yang
menyebabkan penggunaan etanol pada mesin Otto lebih baik daripada bensin. Etanol
memiliki angka research octane 108,6 dan motor octane 89,7. Angka tersebut
(terutama research octane) melampaui nilai maksimal yang mungkin dicapai oleh
bensin (meski setelah ditambahkan aditif tertentu pada bensin). Sebagai catatan,
bensin yang dijual Pertamina memiliki angka research octane 88 [16].
Angka oktan pada bahan bakar mesin Otto menunjukkan kemampuannya
menghindari terbakarnya campuran udara-bahan bakar sebelum waktunya
(self-ignition). Terbakarnya campuran udara-bahan bakar di dalam mesin Otto
sebelum waktunya akan menimbulkan fenomena ketuk (knocking) yang berpotensi
menurunkan daya mesin, bahkan bisa menimbulkan kerusakan serius pada komponen
mesin. Selama ini, fenomena ketuk membatasi penggunaan rasio kompresi
(perbandingan antara volume silinder terhadap volume sisa) yang tinggi pada mesin
bensin. Tingginya angka oktan pada etanol memungkinkan penggunaan rasio
kompresi yang tinggi pada mesin Otto. Korelasi antara efisiensi dengan rasio
kompresi berimplikasi pada fakta bahwa mesin Otto berbahan bakar etanol (sebagian
atau seluruhnya) memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan bahan
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
bakar gasoline. Untuk rasio campuran etanol:gasoline mencapai 60:40 tercatat
peningkatan efisiensi hingga 10 [12].
Etanol memiliki satu molekul OH dalam susunan molekulnya. Oksigen yang
inheren di dalam molekul etanol tersebut membantu penyempurnaan pembakaran
antara campuran udara-bahan bakar di dalam silinder. Ditambah dengan rentang
keterbakaran (flammability) yang lebar, yakni 4,3 19 vol dibandingkan dengan
bensin yang memiliki rentang keterbakaran 1,4 7,6 vol pembakaran campuran
udara-bahan bakar etanol menjadi lebih baik ini dipercaya sebagai faktor penyebab
relatif rendahnya emisi CO dibandingkan dengan pembakaran udara-gasolin, yakni
sekitar 4%. Etanol juga memiliki panas penguapan (heat of vaporization) yang tinggi,
yakni 842 kJ/kg. Tingginya panas penguapan ini menyebabkan energi yang
dipergunakan untuk menguapkan etanol lebih besar dibandingkan gasolin.
Konsekuensi lanjut dari hal tersebut adalah temperatur puncak di dalam silinder akan
lebih rendah pada pembakaran etanol dibandingkan dengan gasolin. Rendahnya emisi
NO, yang dalam kondisi atmosfer akan membentuk NO2 yang bersifat racun,
dipercaya sebagai akibat relatif rendahnya temperatur puncak pembakaran etanol di
dalam silinder. Pada rasio kompresi 7, penurunan emisi NOx tersebut bisa mencapai
33 dibandingkan terhadap emisi NOx yang dihasilkan pembakaran gasolin pada rasio
kompresi yang sama. Dari susunan molekulnya, etanol memiliki rantai karbon yang
lebih pendek dibandingkan bensin, rumus molekul etanol adalah C2H5OH, sedangkan
gasolin memiliki rantai C6-C12 dengan perbandingan antara atom H dan C adalah 2:1.
Pendeknya rantai atom karbon pada etanol menyebabkan emisi UHC pada
pembakaran etanol relatif lebih rendah dibandingkan dengan gasolin, yakni berselisih
hingga 130 ppm. Penggunaan etanol (sebagian atau seluruhnya) pada mesin Otto,
positif menyebabkan kenaikan efisiensi mesin dan turunnya emisi CO, NOx, dan
UHC dibandingkan dengan penggunaan gasolin [17].
Namun perlu dicatat bahwa emisi aldehida lebih tinggi pada penggunaan
etanol, sepeti yang ditunjukkan pada Tabel 2.5. Meskipun demikian bahaya emisi
aldehida terhadap lingkungan lebih rendah daripada berbagai bahaya emisi yang
ditimbulkan dari pembakaran premium.
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
Tabel 2.5 Perbandingan emisi bahan pencemar dari campuran bioetanol dan premium Emisi E10 E85
Carbon Monoxide (CO) Berkurang 25-30 % Berkurang 40%
Carbo Dioxide (CO2) Berkurang 10% Berkurang 14-102 %
Nitrogen Oxides Berkurang 5% Berkurang 30%
Voltile Organic Compound (VOCs) Berkurang 7% Berkurang 30% lebih
Sulfur Dioxides Beberapa pengurangan Berkurang sampai 80%
Particulates Beberapa pengurangan Berkurang 20%
Aldehydes Meningkat 30-50% Tidak cukup data
Aromatic (benzene dan butadiene) Beberapa pengurangan Berkurang lebih 50% Sumber: www.renewableenergypartners.org
Selain itu, pada prinsipnya emisi CO2 yang dihasilkan pada pembakaran
etanol juga akan dipergunakan oleh tumbuhan penghasil etanol tersebut. Sehingga
berbeda dengan bahan bakar fosil, pembakaran etanol tidak menciptakan sejumlah
CO2 baru ke lingkungan [37].
Sumber: Sheehan, J. 1998. Energy and Environmental Aspects of Using Corn Stover
for Fuel Ethanol, hal 17.
Gambar 2.4 Daur ulang karbondioksida pada siklus bioetanol.
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
Di Indonesia, bensin yang dijual masih mengandung timbal (TEL) sebesar
0,3 g/L serta sulfur 0,2 % berat, penggunaan etanol jelas lebih baik dari bensin.
Seperti diketahui, TEL adalah salah satu zat aditif yang digunakan untuk
meningkatkan angka oktan bensin dan zat ini telah dilarang di berbagai negara di
dunia karena sifat racunnya. Etanol murni akan bereaksi dengan karet dan plastik.
Oleh karena itu, etanol murni hanya bisa digunakan pada mesin yang telah
dimodifikasi. Dianjurkan untuk menggunakan karet fluorokarbon sebagai pengganti
komponen karet pada mesin Otto konvensional. Selain itu, molekul etanol yang
bersifat polar akan sulit bercampur secara sempurna dengan gasolin yang relatif non-
polar, terutama dalam kondisi cair. Oleh karena itu, modifikasi perlu dilakukan pada
mesin yang menggunakan campuran bahan bakar etanol-gasolin agar kedua jenis
bahan bakar tersebut bisa tercampur secara merata di dalam ruang bakar. Salah satu
inovasi pada permasalahan ini adalah pembuatan karburator tambahan khusus untuk
etanol. Pada saat langkah hisap, uap etanol dan gasolin akan tercampur selama
perjalanan dari karburator hingga ruang bakar memberikan tingkat pencampuran yang
lebih baik [18].
2.5 Motor Bensin
Motor bensin yang mengerakkan mobil penumpang, truk, sepeda motor,
skuter, dan jenis kendaraan lain saat ini merupakan perkembangan dan perbaikan
mesin yang sejak semula dikenal dengan motor Otto. Motor bensin dilengkapi dengan
busi dan karburator. Busi berfungsi sebagai penghasil loncatan api yang akan
menyalakan campuran udara dengan bahan bakar, karena hal ini maka motor bensin
disebut juga sebagai Spark Ignition Engine. Sedangkan karburator merupakan tempat
pencampuran udara dan bahan bakar [5].
Pada motor bensin, campuran udara dan bahan bakar yang dihisap ke dalam
silinder dimampatkan dengan torak kemudian dibakar untuk memperoleh tenaga
panas. Gas-gas yang terbakar akan meningkatkan suhu dan tekanan di dalam silinder,
sehingga torak yang berada di dalam silinder akan bergerak turun-naik (bertranslasi)
akibat menerima tekanan yang tinggi.
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
2.5.1 Cara Kerja Motor Bensin 4 Langkah
Motor bensin dapat dibedakan atas 2 jenis yaitu motor bensin 2-langkah dan
motor bensin 4-langkah. Pada motor bensin 2-langkah, siklus terjadi dalam dua
gerakan torak atau dalam satu putaran poros engkol. Sedangkan motor bensin
4-langkah, pada satu siklus tejadi dalam 4-langkah. Langkah langkah yang terjadi
pada motor bensin 4 langkah dapat dilihat pada gambar 2.3 dibawah ini:
Gambar 2.5 Siklus Otto Ideal
Langkah-langkah yang terjadi pada motor bensin 4 langkah adalah :
1. Langkah Isap
Pada langkah isap (0 1), campuran udara yang telah bercampur pada
karburator dihisap ke dalam silinder (ruang bakar). Hal ini akan disebabkan
tekanan di dalam silinder lebih rendah dari tekanan udara luar. Pada saat yang
sama, torak akan bergerak turun dari titik mati atas (TMA) ke titik mati bawah
(TMB) yang akan menyebabkan kehampaan (vacum) di dalam silinder, maka
dengan demikian campuran udara dan bahan bakar (bensin) akan dihisap ke
dalam silinder. Selama langkah torak ini, katup isap akan menutup dan katup
buang akan menutup.
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
2. Langkah Kompresi
Pada langkah kompresi (1 2), campuran udara dan bahan bakar yang berada
di dalam silinder dimampatkan oleh torak, dimana torak akan bergerak dari
TMB ke TMA dan kedua katup isap dan buang akan menutup, sedangkan busi
akan memercikan bunga api dan bahan bakar mulai terbakar akibatnya terjadi
proses pemasukan panas pada langkah 2-3.
3. Langkah Ekspansi
Pada langkah ekspansi (3 4), campuran udara dan bahan bakar yang dihisap
telah terbakar. Selama pembakaran, sejumlah energi dibebaskan, sehingga
suhu dan tekanan dalam silinder naik dengan cepat. Setelah mencapai TMA,
piston akan didorong oleh gas bertekanan tinggi menuju TMB. Tenaga
mekanis ini diteruskan ke poros engkol. Saat sebelum mencapai TMB, katup
buang terbuka, gas hasil pembakaran mengalir keluar dan tekanan dalam
silinder turun dengan cepat.
4. Langkah Pembuangan
Pada langkah pembuangan (4 1), torak terdorong ke bawah menuju TMB
dan naik kembali ke TMA untuk mendorong ke luar gas-gas yang telah
terbakar di dalam silinder. Selama langkah ini, katup buang membuka
sedangkan katup isap menutup.
Pada motor bensin 4-langkah, poros engkol berputar sebanyak dua putaran
penuh dalam satu siklus dan telah menghasilkan satu tenaga [13].
2.5.2 Performansi Motor Bensin
Ada beberapa hal yang mempengaruhi performansi motor bensin, antara lain
besarnya perbandingan kompresi, tingkat homogenitas campuran bahan bakar dengan
udara, angka oktan bensin sebagai bahan bakar, tekanan udara masuk ruang bakar.
Semakin besar perbandingan udara motor akan semakin efisien, akan tetapi semakin
besar perbandingan kompresi akan menimbulkan knocking pada motor yang
berpotensi menurunkan daya motor, bahkan bisa menimbulkan kerusakan serius pada
komponen motor. Untuk mengatasi hal ini maka harus dipergunakan bahan bakar
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
yang memiliki angka oktan tinggi. Angka oktan pada bahan bakar motor Otto
menunjukkan kemampuannya menghindari terbakarnya campuran udara bahan bakar
sebelum waktunya (self ignition) yang menimbulkan knocking tadi. Untuk
memperbaiki kualitas campuran bahan bakar dengan udara maka aliran udara dibuat
turbulen, sehingga diharapkan tingkat homogenitas campuran akan lebih baik.
1. Torsi dan Daya Torsi yang dihasilkan suatu mesin dapat diukur dengan menggunakan
torquemeter yang dikopel dengan poros output mesin. Oleh karena sifat torquemeter
yang bertindak seolaholah seperti sebuah rem dalam sebuah mesin, maka daya yang
dihasilkan poros output ini sering disebut sebagai daya rem (Brake Power) [20].
eP = Tn
60..2 ................................................................... (2.1)
dimana: eP = Daya keluaran (Watt)
n = Putaran mesin (rpm)
T = Torsi (N.m)
2. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (specific fuel consumption, sfc) Konsumsi bahan bakar spesifik adalah parameter unjuk kerja mesin yang
berhubungan langsung dengan nilai ekonomis sebuah mesin, karena dengan
mengetahui hal ini dapat dihitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk
menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu.
Bila daya rem dalam satuan kW dan laju aliran massa bahan bakar dalam
satuan kg/jam [25], maka:
Sfc = e
f
Pxm 3
.10 .............................................................. (2.2)
dimana: Sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (g/kW.h).
.
fm = laju aliran bahan bakar (kg/jam).
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
Besarnya laju aliran massa bahan bakar (.
fm ) dihitung dengan persamaan
[24] berikut:
360010.. 3
xt
Vsgm
f
fff
= ........................................... (2.3)
dimana: fsg = spesific gravity.
fV = volume bahan bakar yang diuji.
ft = waktu untuk menghabiskan bahan bakar sebanyak volume uji (detik).
3. Perbandingan Udara Bahan Bakar (AFR) Untuk memperoleh pembakaran sempurna, bahan bakar harus dicampur
dengan udara dengan perbandingan tertentu. Perbandingan udara bahan bakar ini
disebut dengan Air Fuel Ratio (AFR), yang dirumuskan [21] sebagai berikut:
AFR = .
.
f
a
m
m .................................................................... (2.4)
dimana: ma = laju aliran masa udara (kg/jam).
Besarnya laju aliran massa udara (ma) juga dapat diketahui dengan
membandingkan hasil pembacaan manometer terhadap kurva viscous flow meter
calibration. Kurva kalibrasi ini dikondisikan untuk pengujian pada tekanan udara
1013 mbar dan temperatur 20 0C, oleh karena itu besarnya laju aliran udara yang
diperoleh harus dikalikan dengan faktor koreksi (Cf) [22] berikut:
fC = 3564 x aP x 5,2)114(
a
a
TT +
............................. (2.5)
dimana: Pa = tekanan udara (Pa)
Ta = temperatur udara (K)
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
4. Effisiensi Volumetris Jika sebuah mesin empat langkah dapat menghisap udara pada kondisi
isapnya sebanyak volume langkah toraknya untuk setiap langkah isapnya, maka itu
merupakan sesuatu yang ideal. Namun hal itu tidak terjadi dalam keadaan
sebenarnya, dimana massa udara yang dapat dialirkan selalu lebih sedikit dari
perhitungan teoritisnya. Penyebabnya antara lain tekanan yang hilang (losses) pada
sistem induksi dan efek pemanasan yang mengurangi kerapatan udara ketika
memasuki silinder mesin. Efisiensi volumetrik ( v ) dirumuskan dengan
persamaan [23] berikut:
v = raklangkah to olumesebanyak v udaraBerat terisapyangsegar udaraBerat
..... (2.6)
Berat udara segar yang terisap = n
ma 2.60
.
...................... (2.7)
Berat udara sebanyak langkah torak = a . sV ........... (2.8)
Dengan mensubstitusikan persamaan diatas, maka besarnya effisiensi
volumetris:
v = nma.60
.2.
. sa V.
1
................................................... (2.9)
dengan : a = kerapatan udara (kg/m3)
sV = volume langkah torak (m3)
Diasumsikan udara sebagai gas ideal, sehingga massa jenis udara dapat
diperoleh dari persamaan berikut:
a = a
a
TRP.
.................................... (2.10)
dimana: R = konstanta gas (untuk udara = 29.3 kg.m/kg.K)
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
5. Effisiensi Thermal Brake Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang
dibangkitkan piston karena sejumlah energi hilang akibat adanya rugirugi mekanis
(mechanical losses). Dengan alasan ekonomis perlu dicari kerja maksimum yang
dapat dihasilkan dari pembakaran sejumlah bahan bakar. Efisiensi ini sering disebut
sebagai efisiensi termal brake (brake thermal efficiency, b ) [26].
b = masuk yang panasLaju aktualkeluaran Daya
........................................(2.11)
Laju panas yang masuk Q, dapat dihitung dengan rumus berikut:
Q = .
fm . LHV ..............................................................(2.12)
dimana, LHV = nilai kalor bawah bahan bakar (kJ/kg).
Jika daya keluaran ( eP ) dalam satuan kW, laju aliran bahan bakar .
fm dalam satuan
kg/jam, maka:
b = LHVm
P
f
e
..
. 3600 ....................................................(2.13)
2.5.3 Teori Pembakaran
Pembakaran adalah reaksi kimia, yaitu elemen tertentu dari bahan bakar
setelah dinyalakan dan digabung dengan oksigen akan menimbulkan panas sehingga
menaikkan suhu dan tekanan gas. Elemen mampu bakar (combustable) yang utama
adalah karbon (C) dan hidrogen (H), elemen mampu bakar yang lain namun
umumnya hanya sedikit terkandung dalam bahan bakar adalah sulfur (S). Oksigen
yang diperlukan untuk pembakaran diperoleh dari udara yang merupakan campuran
dari oksigen dan nitrogen. Nitrogen adalah gas lembam dan tidak berpartisipasi dalam
pembakaran. Selama proses pembakaran, butiran minyak bahan bakar dipisahkan
menjadi elemen komponennya yaitu hidrogen dan karbon dan masing-masing
bergabung dengan oksigen dari udara secara terpisah. Hidrogen bergabung dengan
oksigen untuk membentuk air dan karbon bergabung dengan oksigen menjadi karbon
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
dioksida. Jika oksigen yang tersedia tidak cukup, maka sebagian dari karbon akan
bergabung dengan oksigen dalam bentuk karbon monoksida. Pembentukan karbon
monoksida hanya menghasilkan 30 % panas dibandingkan panas yang timbul oleh
pembentukan karbon dioksida [8].
2.5.4 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. Bedasarkan 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 bom 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. Data yang diperoleh dari hasil pengujian bom kalorimeter adalah temperatur
air pendingin sebelum dan sesudah penyalaan. Selanjutnya untuk menghitung nilai
kalor atas, dapat dihitung dengan persamaan [35] berikut:
HHV = (T2 T1 Tkp) x Cv .........................................(2.14)
dimana:
HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
T1 = Temperatur air pendingin sebelum penyalaan (0C).
T2 = Temperatur air pendingin sesudah penyalaan (0C).
Cv = Panas jenis bom kalorimeter (73529.6 kJ/kg 0C).
Tkp = Kenaikan temperatur akibat kawat penyala (0.05 0C).
Sedangkan nilai kalor bawah dihitung dengan persamaan [36] berikut:
LHV = HHV 3240 ............................................................(2.15)
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas dapat dihitung bila diketahui
komposisi bahan bakarnya dengan menggunakan persamaan Dulong [9]:
HHV = 33950 C + 144200
82
2OH + 9400 S ..............(2.16)
HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg).
C = Persentase karbon dalam bahan bakar.
H2 = Persentase hidrogen dalam bahan bakar.
O2 = Persentase oksigen dalam bahan bakar.
S = Persentase sulfur dalam bahan bakar.
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,
sehingga besarnya nilai kalor bawah (LHV) dapat dihitung berdasarkan
persamaan [10] berikut:
LHV = HHV 2400 (M + 9 H2)......................................(2.17)
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
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
atas (HHV) karena nilai tersebut umumnya lebih cepat tersedia. Peraturan pengujian
berdasarkan ASME (American Society of Mechanical Enggineers) menentukan
penggunaan nilai kalor atas (HHV), sedangkan peraturan SAE (Society of Automotive
Engineers) menentukan penggunaan nilai kalor bawah (LHV) [11].
2.6 Emisi Gas Buang
Bahan pencemar (polutan) yang berasal dari kendaraan bermotor dapat
diklasifikasikan menjadi beberapa kategori [33] sebagai berikut:
1. Sumber Polutan dibedakan menjadi polutan primer atau sekunder. Polutan primer
seperti nitrogen oksida (NOx) dan hidrokarbon (HC) langsung dibuangkan ke udara
bebas dan mempertahankan bentuknya seperti pada saat pembuangan. Polutan
sekunder seperti ozon (O3) dan peroksiasetil nitrat (PAN) adalah polutan yang
terbentuk di atmosfer melalui reaksi fotokimia, hidrolisis atau oksidasi.
2. Komposisi Kimia Polutan dibedakan menjadi organik dan inorganik. Polutan organik
mengandung karbon dan hidrogen, juga beberapa elemen seperti oksigen, nitrogen,
sulfur atau fosfor, contohnya: hidrokarbon, keton, alkohol, ester dan lain-lain. Polutan
inorganik seperti: karbon monoksida (CO), karbonat, nitrogen oksida, ozon dan
lainnya.
3. Bahan Penyusun Polutan dibedakan menjadi partikulat atau gas. Partikulat dibagi menjadi
padatan dan cairan seperti: debu, asap, abu, kabut dan spray, partikulat dapat bertahan
di atmosfer. Sedangkan polutan berupa gas tidak bertahan di atmosfer dan bercampur
dengan udara bebas.
a.) Partikulat
Polutan partikulat yang berasal dari kendaraan bermotor umumnya merupakan
fasa padat yang terdispersi dalam udara dan membentuk asap. Fasa padatan tersebut
berasal dari pembakaran tak sempurna bahan bakar dengan udara, sehingga terjadi
tingkat ketebalan asap yang tinggi. Selain itu partikulat juga mengandung timbal yang
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
merupakan bahan aditif untuk meningkatkan kinerja pembakaran bahan bakar pada
mesin kendaraan.
Apabila butir-butir bahan bakar yang terjadi pada penyemprotan kedalam
silinder motor terlalu besar atau apabila butirbutir berkumpul menjadi satu, maka
akan terjadi dekomposisi yang menyebabkan terbentuknya karbonkarbon padat atau
angus. Hal ini disebabkan karena pemanasan udara yang bertemperatur tinggi, tetapi
penguapan dan pencampuran bahan bakar dengan udara yang ada didalam silinder
tidak dapat berlangsung sempurna, terutama pada saatsaat dimana terlalu banyak
bahan bakar disemprotkan yaitu pada waktu daya motor akan diperbesar, misalnya
untuk akselerasi, maka terjadinya angus itu tidak dapat dihindarkan. Jika angus yang
terjadi itu terlalu banyak, maka gas buang yang keluar dari gas buang motor akan
bewarna hitam.
b.) Unburned Hidrocarbon (UHC)
Hidrokarbon yang tidak terbakar dapat terbentuk tidak hanya karena
campuran udara bahan bakar yang gemuk, tetapi bisa saja pada campuran kurus bila
suhu pembakarannya rendah dan lambat serta bagian dari dinding ruang
pembakarannya yang dingin dan agak besar. Motor memancarkan banyak
hidrokarbon kalau baru saja dihidupkan atau berputar bebas (idle) atau waktu
pemanasan.
Pemanasan dari udara yang masuk dengan menggunakan gas buang
meningkatkan penguapan dari bahan bakar dan mencegah pemancaran hidrokarbon.
Jumlah hidrokarbon tertentu selalu ada dalam penguapan bahan bakar, di tangki
bahan bakar dan dari kebocoran gas yang melalui celah antara silinder dari torak
masuk kedalam poros engkol, yang disebut dengan blow by gasses (gas lalu).
Pembakaran tak sempurna pada kendaraan juga menghasilkan gas buang yang
mengandung hidrokarbon. Hal ini pada motor diesel terutama disebabkan oleh
campuran lokal udara bahan bakar tidak dapat mencapai batas mampu bakar.
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
c.) Carbon Monoksida (CO)
Karbon dan Oksigen dapat bergabung membentuk senyawa karbon
monoksida (CO) sebagai hasil pembakaran yang tidak sempurna dan karbon dioksida
(CO2) sebagai hasil pembakaran sempurna. Karbon monoksida merupakan senyawa
yang tidak berbau, tidak berasa dan pada suhu udara normal berbentuk gas yang tidak
berwarna. Gas ini akan dihasilkan bila karbon yang terdapat dalam bahan bakar
(kirakira 85 % dari berat dan sisanya hidrogen) terbakar tidak sempurna karena
kekurangan oksigen. Hal ini terjadi bila campuran udara bahan bakar lebih gemuk
dari pada campuran stoikiometris, dan terjadi selama idling pada beban rendah atau
pada output maksimum. Karbon monoksida tidak dapat dihilangkan jika campuran
udara bahan bakar gemuk. Bila campuran kurus karbon monoksida tidak terbentuk.
d.) Nitrogen Oksida (NOx)
Senyawa nitrogen oksida yang sering menjadi pokok pembahasan dalam
masalah polusi udara adalah NO dan NO2. Kedua senyawa ini terbuang langsung ke
udara bebas dari hasil pembakaran bahan bakar. Nitrogen monoksida (NO)
merupakan gas yang tidak berwarna dan tidak berbau sebaliknya nitrogen dioksida
(NO2) berwarna coklat kemerahan dan berbau tajam. NO merupakan gas yang
berbahaya karena mengganggu saraf pusat. NO terjadi karena adanya reaksi antara N2
dan O2 pada temperatur tinggi diatas 1210 0C. Persamaan reaksinya adalah sebagai
berikut:
O2 2O
N2 + O NO + N
N + O2 NO + O
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
2.7 Harga Premium di Indonesia
Harga premium di Indonesia saat ini Rp 4500/liter. Harga premium tersebut
merupakan harga premium yang telah disubsidi dari pemerintah. Pada saat ini, harga
Bahan Bakar Minyak (BBM) tanpa subsidi terus menurun hingga mendekati harga
BBM bersubsidi. Di sebagian lokasi pemasaran PT Pertamina, harga Premium tanpa
subsidi dijual seharga Rp 6043/liter pada awal November 2008.
Pada Tabel 2.4 berikut ditunjukkan perbandingan harga premiun yang dijual
di Stasiun Pengisian Bahan bakar Umum (SPBU) yang ada Amerika Serikat dengan
Indonesia sepanjang tahun 2008. Adapun asumsi yang digunakan adalah:
1. Harga rata-rata premium di AS diambil dari harga mingguan.
2. Harga premium di konversikan dengan rupiah dengan asumsi rata-rata kurs
rupiah terhadap dollar adalah sebagai berikut:
a. Kurs rupiah dari Januari September = Rp 9250/dollar.
b. Kers rupiah dari Oktober Desember = Rp 10800/dollar.
3. Pada bulan Mei, masih menggunakan acuan harga premium dari awal bualn
Januari hingga pertengahan Mei. Kenaikan BBM pada 24 Mei dimasukan
dalam kalkulasi bulan Juni 2008.
Jika harga premium di Amerika Serikat pada bulan Mei 2008 adalah sebesar
Rp 9342.50/liter, maka selisih harga premium di luar negeri dengan harga premium di
Indonesia, dimana harga premium di Indonesia sebesar Rp 4500/liter ini, adalah
Rp 4842.50/liter. Selisih antara harga premium di luar negeri dengan harga premium
di Indonesia inilah yang disebut sebagai subsidi pemerintah.
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
Tabel 2.4 Perbandingan harga premium di Amerika Serikat dengan Indonesia
Sumber : www.nusantara_news.com
Perbandingan
2008
Harga Amerika Serikat Harga Indonesia
$ /liter Rp/liter Rp/liter
Januari 0.82 7585.00 4500
Februari 0.81 7492.50 4500
Maret 0.87 8047.50 4500
April 0.93 8602.50 4500
Mei 1.01 9342.50 4500
Juni 1.08 9990.00 6000
Juli 1.09 10082.50 6000
Agustus 1.01 9342.50 6000
September 1.00 9250.00 6000
Oktober 0.85 9180.00 6000
November 0.58 6264.00 6000
Desember (minggu ke-1) 0.49 5335.20 5500
Desember (minggu ke-2) 0.46 5011.20 5500
Desember (minggu ke-3) 0.45 4892.40 5000
Desember (minggu ke-4) 0.45 4881.60 5000
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat
Pengujian dilakukan di Laboratorium Motor Bakar Departemen Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara selama kurang lebih 2 bulan.
3.2 Bahan dan Alat
3.2.1 Bahan
Bahan yang menjadi objek pengujian ini adalah bahan bakar premium dan
campuran premium-bioetanol dengan kadar:
1. BE-5 (95% Premium + 5% Bioetanol dalam campuran).
2. BE-10 (90% Premium + 10% Bioetanol dalam campuran).
3.2.2 Alat
Alat yang dipakai dalam eksperimental ini terdiri dari:
1. Mesin bensin 4-langkah 4-silinder ( TecQuipment type. TD4A 024 ) merupakan
mesin uji yang digunakan untuk mendapatkan unjuk kerja motor bakar bensin.
2. Bom kalorimeter untuk menghitung nilai kalor bahan bakar.
3. Autologic gas analyzer untuk menguji emisi gas buang.
4. Alat bantu perbengkelan, seperti : kunci pas, kunci Inggris, kunci ring, kunci L,
obeng, tang, palu, kertas amplas dan lain sebagainya.
5. Stop watch untuk menentukan waktu yang dibutuhkan mesin uji untuk
menghabiskan bahan bakar dengan volume sebanyak 50 ml.
6. Termometer untuk menghitung perubahan suhu yang terjadi antara sebelum
masuk dan setelah keluar air cooler.
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
3.3 Metode Pengumpulan Data
Data yang dipergunakan dalam pengujian ini meliputi:
a. Data primer, merupakan data yang diperoleh langsung dari pengukuran dan
pembacaan pada unit instrumentasi dan alat ukur pada masing-masing pengujian.
b. Data sekunder, merupakan data yang diperoleh dari hasil penelitian karakteristik
bahan bakar bioetanol yang dilakukan oleh PT Medco Etanol Lampung dan data
mengenai karakteristik bahan bakar premium dari PT Pertamina.
Metode Pengolahan Data
Data yang diperoleh dari data primer dan data sekunder diolah ke dalam
rumus empiris, kemudian data dari perhitungan disajikan dalam bentuk tabulasi dan
grafik.
3.4 Pengamatan dan tahap pengujian
Pada penelitian yang akan diamati adalah:
1. Parameter torsi (T) dan parameter daya (PB).
2. Parameter konsumsi bahan bakar spesifik (sfc).
3. Rasio perbandingan udara bahan bakar (AFR).
4. Efisiensi volumetris ( v ).
5. Effisiensi thermal brake ( b ).
6. Parameter komposisi gas buang.
Prosedur pengujian dapat dibagi beberapa tahap, yaitu:
1. Pengujian nilai kalor bahan bakar.
2. Pengujian unjuk kerja motor bensin dengan bahan bakar premium murni.
3. Pengujian unjuk kerja motor bensin dengan bahan bakar campuran
premium-bioetanol (gasohol BE-5 dan BE-10).
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
3.5 Prosedur Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar
Alat yang digunakan dalam pengukuran nilai kalor bahan bakar ini adalah alat
uji Bom Kalorimeter.
s
Gambar 3.1 Bom kalorimeter.
Peralatan yang digunakan meliputi :
- Kalorimeter, sebagai tempat air pendingin dan tabung bom.
- Tabung bom, sebagai tempat pembakaran bahan bakar yang diuji.
- Tabung gas oksigen.
- Alat ukur tekanan gas oksigen, untuk mengukur jumlah oksigen yang dimasukkan
ke dalam tabung bom.
- Termometer, dengan akurasi pembacaan skala 0.01 0C.
- Elektromotor yang dilengkapi pengaduk untuk mengaduk air pendingin.
- Spit, untuk menentukan jumlah volume bahan bakar.
- Pengatur penyalaan (saklar), untuk menghubungkan arus listrik ke tangkai
penyala pada tabung bom.
- Kawat penyala (busur nyala), untuk menyalakan bahan bakar yang diuji.
- Cawan, untuk tempat bahan bakar di dalam tabung bom.
- Pinset untuk memasang busur nyala pada tangkai penyala, dan cawan pada
dudukannya.
1
2 3
4
5
Keterangan :
1. Tabung gas oksigen 2. Termometer 3. Elektromotor 4. Kalorimeter 5. Tabung bom
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
Adapun tahapan pengujian yang dilakukan adalah sebagai berikut:
1. Mengisi cawan bahan bakar dengan bahan bakar yang akan diuji.
2. Menggulung dan memasang kawat penyala pada tangkai penyala yang ada pada
penutup bom.
3. Menempatkan cawan yang berisi bahan bakar pada ujung tangkai penyala, serta
mengatur posisi kawat penyala agar berada tepat diatas permukaan bahan bakar
yang berada didalam cawan dengan menggunakan pinset.
4. Meletakkan tutup bom yang telah dipasangi kawat penyala dan cawan berisi
bahan bakar pada tabungnya serta dikunci dengan ring Osampai rapat.
5. Mengisi bom dengan oksigen (30 bar).
6. Mengisi tabung kalorimeter dengan air pendingin sebanyak 1250 ml.
7. Menempatkan bom yang telah terpasang kedalam tabung kalorimeter.
8. Menghubungkan tangkai penyala penutup bom ke kabel sumber arus listrik.
9. Menutup kalorimeter dengan penutupnya yang dilengkapi dengan pengaduk.
10. Menghubungkan dan mengatur posisi pengaduk pada elektromotor.
11. Menempatkan termometer melalui lubang pada tutup kalorimeter.
12. Menghidupkan elektromotor selama 5 (lima) menit kemudian membaca dan
mencatat temperatur air pendingin pada termometer.
13. Menyalakan kawat penyala dengan menekan saklar.
14. Memastikan kawat penyala telah menyala dan putus dengan memperhatikan
lampu indikator selama elektromotor terus bekerja.
15. Membaca dan mencatat kembali temperatur air pendingin setelah 5 (lima) menit
dari penyalaan berlangsung.
16. Mematikan elektromotor pengaduk dan mempersiapkan peralatan untuk
pengujian berikutnya.
17. Mengulang pengujian sebanyak 5 (lima) kali berturutturut.
Diagram alir pengujian nilai kalor bahan bakar yang dilakukan dalam
penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 3.2.
-
Ridho Daniel Sihaloho : Uji Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar Berbahan Bakar Premium Dengan Campuran Premium-Bioetanol (Gasohol Be-5 Dan Be-10), 2009.
Gambar 3.2 Diagram alir Pengujian nilai kalor bahan bakar.
Mulai
b Berat sampel bahan
bakar 0,20 gram Volume air
pendingin: 1250 ml Tekanan oksigen 30
Bar
Pengujian = 5 kali
HHVrata - rata = 5
5
1 iiHHV
=
( J/kg) Melakukan pengadukan terhadap air pendingin selama 5 menit
Mencatat t