Bab 2

Bahan Bakar dan Prestasi Mesin

2.1 Sifat Fisik dan Kimia Bahan Bakar Cair

Bahan bakar cair seperti minyak tungku atau furnace oil dan LSHS (low

sulphur heavy stock) secara umum dimanfaatkan dalam penggunaan industri

maupun otomotif. Berbagai penjelasan mengenai sifat bahan bakar cair diberikan

di bawah ini.

2.1.1 Densitas

Densitas didefinisikan sebagai perbandingan massa bahan bakar terhadap

volum bahan bakar pada suhu acuan 15°C. Densitas diukur dengan suatu alat yang

disebut hidrometer. Pengetahuan mengenai densitas ini berguna untuk

penghitungan dan pengkajian kuantitatif laju pemakaian bahan bakar dan efisiensi

termal yang terjadi selama proses pembakaran. Satuan densitas adalah kg/m3.

2.1.2 Specific Gravity

Didefinisikan sebagai perbandingan berat dari sejumlah volum minyak

bakar terhadap berat air untuk volum yang sama pada suhu tertentu. Densitas

bahan bakar, relatif terhadap air, disebut pemakaian bahan bakar spesifik. Gravitasi

spesifik air ditentukan sama dengan 1 (satu). Karena gravitasi spesifik adalah

perbandingan, maka tidak memiliki satuan. Pengukuran gravitasi spesifik

biasanya dilakukan dengan hidrometer. Gravitasi spesifik digunakan dalam

penghitungan yang melibatkan berat dan volum. Gravitasi spesifik untuk berbagai

bahan bakar minyak diberikan dalam tabel 2.1.

Tabel 2.1 Gravitasi Spesifik Berbagai Bahan Bakar Minyak [1]

Bahan Bakar Minyak Gravitasi Spesifik

L.D.O (minyak diesel ringan) 0,85 – 0,87

Furnace Oil/Minyak Tungku 0,89 – 0,95

L.S.H.S. (Low Sulphur Heavy Stock) 0,88 – 0,98

5

2.1.3 Viskositas

Viskositas suatu fluida merupakan ukuran resistansi bahan terhadap aliran.

Viskositas tergantung pada suhu dan berkurang dengan naiknya suhu. Viskositas

diukur dalam satuan Stokes/Centistokes. Kadang-kadang viskositas juga diukur

dalam Engler, Saybolt atau Redwood. Tiap jenis minyak bakar memiliki

hubungan suhu–viskositas tersendiri. Pengukuran viskositas dilakukan dengan

suatu alat yang disebut viskometer. Viskositas merupakan sifat yang sangat

penting dalam penyimpanan dan penggunaan bahan bakar minyak. Viskositas

mempengaruhi derajat pemanasan awal yang diperlukan untuk handling,

penyimpanan, dan atomisasi yang memuaskan. Jika minyak terlalu kental, maka

akan menyulitkan dalam pemompaan, sulit untuk penyalaan, dan sulit dialirkan.

Atomisasi yang kurang sempurna akan mengakibatkan terjadinya

pembentukan endapan karbon pada ujung penyala atau pada dinding-dinding.

Oleh karena itu pemanasan awal dapat menjadi hal yang penting untuk atomisasi

yang tepat.

2.1.4 Titik Nyala

Titik nyala suatu bahan bakar adalah suhu terendah dimana bahan bakar

dapat dipanaskan sehingga uap mengeluarkan nyala sebentar bila dilewatkan suatu

nyala api. Titik nyala untuk minyak tungku ( furnace oil) adalah 66oC.

2.1.5 Titik awan dan Titik tuang

Titik awan adalah temperatur pada saat bahan bakar mulai tampak

"berawan" (cloudy). Hal ini timbul karena munculnya kristal-kristal (padatan) di

dalam bahan bakar. Meski bahan bakar masih bisa mengalir pada titik ini,

keberadaan kristal di dalam bahan bakar bisa mempengaruhi kelancaran aliran

bahan bakar di dalam filter, pompa, dan injektor. Sedangkan titik tuang adalah

temperatur terendah yang masih memungkinkan terjadinya aliran bahan bakar; di

bawah titik tuang bahan bakar tidak lagi bisa mengalir karena terbentuknya kristal

atau gel yang menyumbat aliran bahan bakar. Dilihat dari definisinya, titik awan

terjadi pada temperatur yang lebih tinggi dibandingkan dengan titik tuang.

Pada umumnya permasalahan pada aliran bahan bakar terjadi pada

6

temperatur diantara titik awan dan titik tuang; pada saat keberadaan kristal mulai

mengganggu proses filtrasi bahan bakar. Oleh karena itu, digunakan metode

pengukuran yang lain untuk mengukur performansi bahan bakar pada temperatur

rendah, yakni Cold Filter Plugging Point (CFPP) di negara-negara Eropa (standar

EN 116) dan Low-Temperature Flow Test (LTFT) di Amerika Utara (standar

ASTM D4539)[2].

Pada umumnya, titik awan dan titik tuang biodiesel lebih tinggi

dibandingkan dengan solar. Hal ini bisa menimbulkan masalah pada penggunaan

biodiesel, terutama, di negara-negara yang mengalami musim dingin. Untuk

mengatasi hal ini, biasanya ditambahkan aditif tertentu pada biodiesel untuk

mencegah aglomerasi kristal-kristal yang terbentuk dalam biodiesel pada

temperatur rendah. Selain menggunakan aditif, bisa juga dilakukan pencampuran

antara biodiesel dan solar. Pencampuran (blending) antara biodiesel dan solar

terbukti dapat menurunkan titik awan dan titik tuang bahan bakar[3].

Teknik lain yang bisa digunakan untuk menurunkan cloud dan titik tuang

bahan bakar adalah dengan melakukan "winterization"[4]. Pada metode ini,

dilakukan pendinginan pada bahan bakar hingga terbentuk kristal-kristal yang

selanjutnya disaring dan dipisahkan dari bahan bakar. Proses kristalisasi parsial ini

terjadi karena asam lemak tak jenuh memiliki titik beku yang lebih rendah

dibandingkan dengan asam lemak jenuh. Maka proses winterization sejatinya

merupakan proses pengurangan asam lemak jenuh pada biodiesel. Di sisi lain,

asam lemak jenuh berkaitan dengan angka setana. Maka proses winterization bisa

menurunkan angka setana bahan bakar.

2.1.6 Panas Jenis

Panas jenis adalah jumlah energi dalam kKal yang diperlukan untuk

menaikan suhu 1 kg minyak sebesar 1oC. Satuan panas jenis adalah kkal/kgoC.

Besarnya bervariasi mulai dari 0,22 hingga 0,28 tergantung pada gravitasi spesifik

minyak. Panas jenis menentukan berapa banyak uap atau energi listrik yang

digunakan untuk memanaskan minyak ke suhu yang dikehendaki. Minyak ringan

memiliki panas jenis yang rendah, sedangkan minyak yang lebih berat memiliki

panas jenis yang lebih tinggi.

7

2.1.7 Nilai Kalor

Nilai kalor merupakan ukuran panas atau energi yang dihasilkan., dan

diukur sebagai nilai kalor kotor (gross calorific value) atau nilai kalor netto (nett

calorific value). Perbedaannya ditentukan oleh panas laten kondensasi dari uap air

yang dihasilkan selama proses pembakaran. Nilai gross calorific value (GCV)

mengasumsikan seluruh uap yang dihasilkan selama proses pembakaran

sepenuhnya terembunkan atau terkondensasikan. Nilai kalor netto (NCV)

mengasumsikan air yang keluar dengan produk pengembunan tidak seluruhnya

terembunkan.

Bahan bakar harus dibandingkan berdasarkan nilai kalor netto. Nilai kalor

batubara bervariasi tergantung pada kadar abu, kadar air dan jenis batu baranya

sementara nilai kalor bahan bakar minyak lebih konsisten. GCV untuk beberapa

jenis bahan bakar cair yang umum digunakan terlihat dibawah ini:

Tabel 2.2 Nilai Kalor Kotor (GCV) untuk Beberapa Bahan Bakar Minyak[4]

Bahan Bakar Minyak Gross Caloric Value (kKal/kg)

Minyak tanah 11.100

Minyak diesel 10.800

L.D.O. 10.700

Minyak tungku 10.500

LSHS 10.600

2.1.8 Sulfur

Jumlah sulfur dalam bahan bakar minyak sangat tergantung pada sumber

minyak mentah dan pada proses penyulingannya. Kandungan normal sulfur untuk

residu bahan bakar minyak (minyak furnace) berada pada 2-4%. Kandungan

sulfur untuk berbagai bahan bakar minyak ditunjukkan pada tabel 2.3.

8

Tabel 2.3. Persentase Sulfur untuk Berbagai Bahan Bakar Minyak [1]

Bahan Bakar Minyak Persen Sulfur

Minyak tanah 0,05 -0,2

Minyak diesel 0,05 – 0,25

L.D.O. 0,5 – 1,8

Minyak furnace 2,0 – 4,0

L.S.H.S. <0,5

Kerugian utama dari adanya sulfur adalah resiko korosi oleh asam sulfat

yang terbentuk selama dan sesudah pembakaran, dan pengembunan di cerobong

asap, pemanas awal udara, dan economizer.

2.1.9 Kadar Abu

Kadar abu erat kaitannya dengan bahan inorganik atau garam dalam bahan

bakar minyak. Kadar abu pada distilat bahan bakar diabaikan. Residu bahan bakar

memiliki kadar abu yang tinggi. Garam-garam tersebut dapat ditemukan dalam

bentuk senyawa sodium, vanadium, kalsium, magnesium, silikon, besi,

alumunium, nikel, dan lain sebagainya. Umumnya, kadar abu berada pada kisaran

0,03–0,07%. Abu yang berlebihan dalam bahan bakar cair dapat menyebabkan

pengendapan kotoran pada peralatan pembakaran. Abu memiliki pengaruh erosi

pada ujung burner, menyebabkan kerusakan pada refraktori pada suhu tinggi

dapat meningkatkan korosi suhu tinggi dan penyumbatan peralatan.

2.1.10 Residu Karbon

Residu karbon memberikan kecenderungan pengendapan residu padat

karbon pada permukaan panas, seperti pada pembakaran atau penyemprotan, bila

kandungan yang volatil menguap. Residu minyak mengandung residu karbon 1%

atau lebih.

2.1.11 Kadar Air

Kadar air minyak tungku/furnace pada saat pemasokan umumnya sangat

rendah sebab produk disuling dalam kondisi panas. Batas maksimum 1%

9

ditentukan sebagai standar. Air dapat berada dalam bentuk bebas atau emulsi dan

dapat menyebabkan kerusakan di bagian dalam permukaan tungku selama

pembakaran terutama jika mengandung garam terlarut. Air juga dapat

menyebabkan percikan nyala api di ujung burner, yang dapat mematikan nyala

api, menurunkan suhu nyala api atau memperlambat penyalaan.

2.1.12 Bilangan Setana

Motor diesel menggunakan bahan bakar yang dapat terbakar dengan

sendirinya ketika diinjeksikan ke dalam ruang bakar dengan udara yang

bertekanan tinggi. Kualitas penyalaan dari bahan bakar motor diesel dinyatakan

dengan bilangan cetana (cetane number).

Bilangan cetana merupakan suatu indeks yang umum dipergunakan untuk

menunjukkan kualitas bahan bakar motor diesel. Cetana normal (C16H34) dan α-

methyl-naphtalene (C10H7CH3) digunakan sebagai bahan bakar standar pengukur.

C16H34 adalah bahan bakar dengan persiapan pembakaran yang pendek dan

memiliki bilangan cetana 100, sedangkan α-methyl-naphtalene mempunyai

periode persiapan pembakaran yang panjang (bilangan cetana 0) sehingga tidak

baik digunakan sebagai bahan bakar motor diesel.

Untuk menentukan bilangan cetana dari suatu jenis bahan bakar motor

diesel, digunakan mesin CFR (Coordinating Fuel Research Engine). CFR

merupakan mesin yang perbandingan kompresinya dapat diubah–ubah. Bahan

bakar yang ingin diketahui bilangan cetananya digunakan sebagai bahan bakar

CFR. Kemudian perbandingan kompresi dari CFR ini diatur sehingga diperoleh

periode persiapan pembakaran sebesar 13o sudut engkol. Setelah itu, dengan

kondisi operasi yang sama, bahan bakar diganti dengan bahan bakar campuran

dari C16H34 dengan α-methyl-naphtalene. Perbandingan campuran dari bahan

bakar ini diatur sehingga diperoleh periode persiapan pembakaran sebesar 13o

sudut engkol. Presentase volume C16H34 dalam campuran bahan bakar tersebut

menunjukkan besarnya bilangan cetana bahan bakar yang diuji. Bilangan cetana

bahan bakar motor diesel putaran tinggi berkisar antara 40 sampai 60.

10

2.1.13 Penyimpanan dan Stabilitas

Biodiesel bisa mengalami degradasi apabila disimpan dalam waktu yang

lama dalam kondisi tertentu. Degradasi biodiesel pada umumnya disebabkan oleh

proses oksidasi. Beberapa faktor yang mempengaruhi degradasi biodiesel antara

lain keberadaan asam lemak tak jenuh, kondisi penyimpanan (tertutup/terbuka,

temperatur, dsb.), unsur logam, dan peroksida. Selain itu, diketahui bahwa

temperatur tinggi (40oC) yang disertai dengan keberadaan udara terbuka

menyebabkan degradasi yang sangat signifikan pada penyimpanan biodiesel

hingga 50 minggu[5]. Konsentrasi asam meningkat pada biodiesel yang telah

terdegradasi; hal ini disebabkan oleh putusnya rantai asam lemak metil ester

menjadi asam-asam lemak. Mereka menemukan bahwa faktor keberadaan air

tidak terlalu signifikan mempengaruhi proses degradasi. Namun demikian,

keberadaan air (yang terpisah dari biodiesel) bisa membantu pertumbuhan

mikroorganisme[3]. Temperatur tinggi (40oC) yang tidak disertai dengan

keberadaan udara terbuka; dan sebaliknya udara terbuka tanpa keberadaan

temperatur tinggi, tidak menyebabkan degradasi yang signifikan pada biodiesel

yang disimpan dalam waktu lama (hingga 50 minggu).

Kontak antara biodiesel dengan logam dan elastomer selama proses

penyimpanan juga bisa mempengaruhi stabilitas biodiesel[3]. Ditemukan bahwa

logam tembaga (copper) memiliki efek katalis oksidasi yang paling kuat untuk

biodiesel[4]. Oksidasi pada biodiesel dapat menyebabkan terbentuknya suatu

hidroperoksida yang selanjutnya terpolimerisasi dan membentuk gum, dimana hal

ini dapat menyebabkan penyumbatan pada filter atau saluran bahan bakar mesin

diesel[3]. Standard Eropa, EN 14214, mengatur uji stabilitas biodiesel terhadap

oksidasi, yakni dengan cara memanaskan biodiesel pada 110oC selama tak kurang

dari 6 jam[2].

Harga viskositas biodiesel juga bisa dijadikan sebagai ukuran terjadi-

tidaknya proses degradasi pada biodiesel. Dalam penelitian sebelumnya

ditemukan bahwa biodiesel minyak Castor dapat mengalami degradasi, dicirikan

dengan kenaikan viskositas yang sangat tinggi, bila dikenai temperatur yang

sangat tinggi (210oC) dalam jangka waktu lebih dari 10 jam. Degradasi ini terjadi

diduga karena terjadinya proses oksidasi dan polimerisasi pada biodiesel[6].

11

2.1.14 Bilangan Iodine

Bilangan iodine pada biodiesel menunjukkan tingkat ketidakjenuhan

senyawa penyusun biodiesel. Di satu sisi, keberadaan senyawa lemak tak jenuh

meningkatkan performansi biodiesel pada temperatur rendah, karena senyawa ini

memiliki titik leleh (melting point) yang lebih rendah[2] sehingga berkorelasi pada

cloud dan titik tuang yang juga rendah. Namun di sisi lain, banyaknya senyawa

lemak tak jenuh di dalam biodiesel memudahkan senyawa tersebut bereaksi

dengan oksigen di atmosfer dan bisa terpolimerisasi membentuk material serupa

plastik. Oleh karena itu, terdapat batasan maksimal harga angka iodine yang

diperbolehkan untuk biodiesel, yakni 115 berdasarkan standar Eropa (EN 14214).

Di samping itu, konsentrasi asam linolenic dan asam yang memiliki 4

ikatan ganda masing-masing tidak boleh melebihi 12% dan 1%[4]. Sebuah

penelitian yang dilakukan oleh Mercedez-Benz menunjukkan bahwa biodiesel

dengan angka iodine lebih dari 115 tidak bisa digunakan pada kendaraan diesel

karena menyebabkan deposit karbon yang berlebihan[3]. Meski demikian, terdapat

studi lain yang menghasilkan kesimpulan bahwa angka iodine tidak berkorelasi

secara signifikan terhadap kebersihan dan pembentukan deposit di dalam ruang

bakar [3].

2.1.15 Efek Kelumasan

Sifat kelumasan yang inheren pada solar menjadi berkurang manakala

dilakukan desulfurisasi (pengurangan kandungan solar) akibat tuntutan standard

solar di berbagai negara. Berkurangnya sifat kelumasan bahan bakar bisa

menimbulkan permasalahan pada sistem penyaluran bahan bakar, seperti pompa

bahan bakar dan injektor. Meski berkurangnya sifat kelumasan tersebut muncul

akibat proses desulfurisasi, terdapat hasil penelitian yang menunjukkan bahwa

berkurangnya sifat kelumasan tersebut bukan akibat berkurangnya konsentrasi

sulfur itu sendiri, namun karena berkurangnya komponen-komponen non-polar

yang terikut dalam proses desulfurisasi[2].

Dari analisis efek senyawa penyusun biodiesel terhadap sifat kelumasan

bahan bakar, disimpulkan bahwa ester metil dan monodigliserida adalah dua

komponen yang paling berpengaruh terhadap sifat kelumasan biodiesel secara

12

signifikan[7]. Karena memiliki sifat kelumasan yang baik, biodiesel dapat

digunakan sebagai aditif untuk meningkatkan sifat kelumasan solar berkadar

sulfur rendah (low-sulfur petrodiesel fuel). Penambahan 1-2% biodiesel bisa

mengembalikan sifat kelumasan solar berkadar sulfur rendah ke tingkat semula

(yakni setara dengan solar berkadar sulfur normal)[2]. Penggunaan biodiesel

sebagai aditif kelumasan pada solar berkadar sulfur rendah memiliki keuntungan

dibandingkan dengan aditif lain, karena biodiesel sekaligus merupakan bahan

bakar mesin diesel.

2.2 Pengaruh Sifat Bahan Bakar terhadap Kelambatan Penyalaan

Kelambatan penyalaan pada mesin diesel dinyatakan sebagai selang waktu

(atau derajat poros engkol) antara mulainya penyemprotan bahan bakar dan mulai

terjadinya pembakaran. Kelambatan penyalaan bergantung pada beberapa proses

fisis dan kimiawi. Proses fisis yang mampu mempengaruhi panjang pendeknya

kelambatan penyalaan meliputi atomisasi bahan bakar cair, penguapan droplet

bahan bakar, dan pencampuran uap bahan bakar dengan udara. Sementara proses

kimiawinya lebih dikarenakan karakter bahan bakar, dalam hal ini yang paling

dominan adalah kualitas penyalaan bahan bakar yang ditentukan oleh bilangan

cetana bahan bakar tersebut.

Bahan bakar dengan bilangan cetana lebih rendah akan memiliki ignition

delay yang lebih panjang. Akibatnya apabila gnition delay terlalu panjang dapat

menimbulkan gejala knocking. Hal ini terjadi karena terlalu banyak bahan bakar

yang ada dalam silinder sebelum penyalaan terjadi, sehingga saat terjadi

penyalaan, bahan bakar akan terbakar secara simultan, menghasilkan kecepatan

pembakaran yang tinggi dengan kenaikan tekanan yang tinggi pula. Untuk kasus

dimana nilai bilangan cetana yang terlalu rendah, penyalaan dapat terjadi sangat

terlambat, yaitu pada langkah ekspansi, sehingga proses pembakaran akan ter-

quench, menghasilkan pembakaran yang tidak sempurna, menurunkan daya

keluaran dan efisiensi konversi energi bahan bakar.

Untuk bahan bakar dengan bilangan cetana yang tinggi, dengan ignition

delay yang lebih pendek, penyalaan terjadi sebelum seluruh bahan bakar

disemprotkan. Kenaikan tekanan ditentukan oleh laju penyemprotan bahan bakar

13

dan pencampuran udara-bahan bakar, yang menghasilkan operasi mesin lebih

halus. Namun bila bilangan cetana terlalu tinggi, dapat menyebabkan penyalaan

terjadi sebelum pencampuran udara dan bahan bakar memadai, sehingga emisi

akan meningkat.

Aditif dapat ditambahkan untuk meningkatkan kualitas penyalaan. Aditif

untuk mempercepat penyalaan, atau dengan kata lain, menaikkan bilangan cetane

antara lain adalah peroksida organik, nitrat, nitrit, dan berbagai macam senyawa

sulfur. Yang paling popular secara komersial adalah alkyl nitrat (isopropil nitrat

dan amil nitrat primer). Biasanya penambahan aditif tersebut sebanyak 5%

volume akan meningkatkan bilangan cetana sampai 10 angka, meski

keefektifannya juga bergantung terhadap bahan bakar dasarnya.

Pada mesin yang telah benar–benar berada pada kondisi kerja, karakter

fisis bahan bakar, seperti viskositas dan volatilitas, tidak akan berperan secara

signifikan. Demikian juga untuk mesin yang sudah berada pada temperatur

kerjanya, variasi atomisasi dan spray penetration juga tidak memberikan

perubahan kelambatan penyalaan secara signifikan.

2.3 Parameter Prestasi[8]

Pengukuran prestasi mesin mengindikasikan daya maksimum yang mampu

dihasilkan suatu produk dalam batas–batas operasi yang ditetapkan oleh pabrikan,

dimana batas tersebut ditentukan dalam rangka menjamin tingkat reliabilitas,

durabilitas, dan satisfactory economy keseluruhan kinerja sistem. Torsi dan

kecepatan maksimum yang dapat dicapai biasanya juga diberikan dalam brosur

spesifikasi teknis. Namun, karena kedua hal tersebut—torsi dan kecepatan

maksimum—bergantung pada kapasitas volume mesin, maka pemilihan parameter

yang dinormalisasi perlu untuk dapat menjadi parameter pembanding yang

komparatif. Pemilihan parameter prestasi yang diukur juga didasarkan pada

kerakteristik operasional sehingga didapatkan perbandingan yang paling

signifikan.

Untuk pengoperasian mesin pada hampir seluruh titik operasi yang umum

digunakan sesuai fungsional mesin tersebut dirancang dan periode operasional

yang cukup lama, parameter–parameter prestasi yang tepat untuk dilakukan

14

pengukuran meliputi specific fuel consumption atau fuel conversion efficiency dan

specific emissions, selain tentu saja beberapa parameter lain seperti pencapaian

torsi dan daya terhadap putaran mesin, serta pengukuran air fuel ratio.

2.3.1 Momen Putar dan Daya

Torsi yang dihasilkan poros mesin biasanya diukur dengan mengunakan

sebuah dinamometer. Mesin didudukkan pada test bed dan poros mesin

dihubungkan dengan rotor dari dinamometer. Rotor tersebut terhubung dengan

stator secara elektromagnet, hidraulik, atau dengan memanfaatkan gesekan

mekanik. Gaya atau momen putar yang terjadi pada rotor akan ikut tersalurkan ke

stator, dimana stator itu sendiri terhubungkan dengan load cell. Pembacaan sensor

ini akan menunjukkan besarnya torsi yang dihasilkan dari putaran poros tersebut.

Dengan mengetahui kecepatan putar dan torsi poros, maka dapat dihitung

besarnya daya yang dihasilkan oleh mesin tersebut. Tentunya di dalam

perhitungan juga melibatkan faktor koreksi dan toleransi dari masing–masing

bagian dalam sistem pengukuran tersebut.

Berdasarkan skema di atas, dapat dihitung torsi yang dihasilkan, yaitu :

T = Fb

Sementara daya dapat dihitung dengan mengalikan putaran mesin :

P = 2π n T

2.3.2 Pemakaian Bahan Bakar Spesifik dan Efisiensi

Dalam pengujian, konsumsi bahan bakar diukur sebagai laju aliran bahan

bakar per satuan waktu (mf). Parameter tersebut lebih umum dan bermanfaat jika

dibandingkan terhadap output daya yang dihasilkan, dimana besarnya laju

pemakaian bahan bakar diukur untuk setiap satuan daya yang dihasilkan atau

disebut pemakaian bahan bakar spesifik (SFC). Parameter ini menggambarkan

jumlah pasokan bahan bakar yang diperlukan mesin untuk menghasilkan kerja dan

memberikan indikasi seberapa efisien suatu mesin beroperasi.

SFC = P

m f

15

Pemakaian bahan bakar spesifik merupakan parameter berdimensi, dan

parameter serupa yang juga menggambarkan perbandingan kebutuhan input

energi dengan output kerja yang dihasilkan namun merupakan parameter tak

berdimensi adalah parameter efisiensi. Efisiensi menunjukkan rasio kerja per

siklus terhadap besarnya energi yang disuplai ke ruang bakar dengan asumsi

seluruh kandungan energi dalam bahan bakar dapat termanfaatkan. Dari

pemahaman tersebut, diperoleh:

ηf = LHVm

p

f

LHV adalah nilai kandungan kalor bahan bakar yang dipasok ke ruang

bakar. Dengan mensubstitusi persamaan SFC, maka dapat diperoleh persamaan

efisiensi yang lebih sederhana:

ηf = LHVSFC

1

2.3.3 Perbandingan Udara-Bahan Bakar

Pada saat pengujian performa mesin, data aliran bahan bakar mf dan aliran

udara masuk ma umumnya ikut diukur. Rasio dari kedua data tersebut dapat

digunakan untuk mendefinisikan kondisi operasi kerja mesin.

Perbandingan Udara-Bahan Bakar (AFR) = f

a

mm

Pada operasi normal, umumnya AFR pada mesin diesel berkisar antara 18

sampai 70[9].

2.3.4 Emisi Spesifik dan Indeks Emisi

Tingkat emisi dari oksida nitrogen (nitric oxide dan nitrogen dioxide, atau

biasa dikelompokkan menjadi satu dan disebut NOx), karbon dioksida (CO2),

karbon monoksida (CO), hidrokarbon yang tidak terbakar (HC), dan partikulat

merupakan parameter yang mampu memberikan gambaran karakteristik operasi

mesin.

16

Konsentrasi dari emisi gas buang ini biasanya diukur dari aliran exhaust

gas dalam satuan part per million (ppm) atau persen volume. Selain pengamatan

dalam satuan konsentrasi volume gas, seperti

sNOx = ppm

sCO2 = %volum udara

sCO = % volum udara

sHC = ppm

sPart. = Bosch Smoke Unit

Alternatif lain dalam melakukan analisis adalah dengan menormalisasi laju

emisi terhadap laju pemakaian bahan bakar, yang kemudian disebut emission

index (EI).

2.4 Emisi Gas Buang

Mesin bensin dan mesin diesel merupakan sumber utama polusi udara di

perkotaan. Gas buang mesin bensin mengandung oksidan nitrogen (nitrat oksida,

NO, dan sebagian nitrogen dioksida, yang kemudian disebut NOx), karbon

monoksida (CO) dan sisa bahan bakar yang tidak terbakar sempurna

(hidrokarbon). Pada gas buang mesin diesel, konsentrasi NOx dapat dibandingkan

dengan yang dihasilkan oleh mesin bensin, sementara emisi hidrokarbon yang

dihasilkan pada mesin diesel 5 kali lebih rendah daripada konsentrasi hidrokarbon

pada gas buang mesin bensin. Hidrokarbon pada gas buang mesin diesel dapat

membentuk asap putih pada saat starting dan warming up mesin. Kandungan

hidrokarbon inilah yang menimbulkan bau yang khas pada gas buang mesin

diesel. Mesin diesel merupakan sumber utama dari emisi partikulat yang

mengandung soot dimana di dalamnya terdapat kandungan hidrokarbon yang

terabsorbsi. Mesin diesel tidak menghasilkan karbon monoksida secara signifikan.

Pada mesin diesel, bahan bakar diinjeksikan ke dalam silinder tepat

sebelum proses pembakaran dimulai. Hal ini mengakibatkan ketidakseragaman

distribusi bahan bakar di dalam silinder pada saat proses pembakaran.

Pembentukan polutan sangat bergantung pada distribusi bahan bakar dan

bagaimana distribusi tersebut berubah terhadap variabel waktu pencampuran. Di

bawah ini adalah ilustrasi yang menunjukkan efek terbentuknya masing-masing

17

polutan pada kepala piston, terkait pada bentuk semprotan pada mesin diesel

penyemprotan langsung.

Gambar 2.1 Formasi deposit pada kepala piston saat premixed combustion[9]

Gambar 2.2 Formasi deposit pada kepala piston saat mixing-controlled

combustion[9]

Nitrit oksida terbentuk pada daerah bertemperatur tinggi khususnya pada

daerah yang distribusi temperatur dan ratio bahan bakar/udara-nya mendekati

kondisi stokiometrik. Sementara soot terbentuk pada daerah kaya dimana banyak

bahan bakar yang tidak ikut terbakar pada proses berlangsung. Hidrokarbon

karbon dan aldehid berasal dari daerah dimana terdapat banyak dilusi udara yang

mencegah terjadinya proses persenyawaan di daerah tersebut. Bahan bakar yang

menguap pada ujung nozzle juga berkontribusi pada pembentukan hidrokarbon.

18

2.4.1. Nitrogen Oksida (NOx)

Pada dasarnya NOx berasal dari oksidasi nitrogen pada udara atmosfir

serta dimungkinkan juga berasal dari bahan bakar, terutama solar. Periode kritis

pembentukan NOx terjadi saat temperatur gas pembakaran pada keadaan

maksimum, contohnya pada periode antara mulainya pembakaran sampai sesaat

setelah tekanan puncak pada silinder tercapai. Kondisi seperti ini dapat

meningkatkan laju pembentukan NOx. Sehingga dapat dikatakan bahwa jika

temperatur pembakaran yang tercapai makin tinggi, maka laju pembentukan NOx

pun akan ikut meningkat. Hal ini dapat dilihat pada gambar 2.3.

Gambar 2.3 Grafik pembentukan konsentrasi soot, NO, dan produk pembakaran

lain terhadap sudut engkol dan temperatur ruang bakar mesin diesel

penyemprotan langsung[9]

Selain itu, dari gambar 2.4 dapat dilihat juga bahwa produksi NOx juga

bergantung pada banyaknya bahan bakar yang diinjeksikan ke dalam silinder

(dengan catatan bahwa temperatur maksimum ruang bakar dipertahankan pada

titik yang sama).

19

Gambar 2.4 Grafik produksi gas buang NO dan NOx sebagai fungsi dari

equivalence ratio pada putaran mesin dan saat penyemprotan yang sama [9]

2.4.2. Karbon Monoksida (CO)

Emisi CO pada mesin pembakaran dalam sangat bergantung pada air fuel

ratio (AFR). Di bawah ini adalah grafik yang menunjukkan keterkaitan antara

besarnya emisi karbon monoksida terhadap AFR pada mesin bensin.

Gambar 2.5 Emisi CO dengan berbagai rasio H/C bahan bakar yang bervariasi[9]

20

2.4.3 Emisi Gas Hidrokarbon (HC)

Emisi HC terjadi karena penguraian dan oksidasi bahan bakar yang tidak

sempurna pada proses pembakaran. Hal ini dapat terdeteksi dari kandungan gas

metana, etena, propana, maupun butana. Pada banyak kasus, emisi HC dihitung

sebagai total ratai karbon yang ada pada gas buang, dan bukan bedasar struktur

ikatan kimianya. Emisi HC dapat terjadi dikarenakan terlalu miskinnya

pembakaran sehingga bahan bakar tidak dapat teroksidasi, atau dapat pula akibat

sifat kimia bahan bakar yang menyulitkan proses pemutusan rantai karbon dan

oksidasi. Sifat fisis dari bentuk injeksi pada awal pembakaran juga dapat

mempengaruhi jumlah kandungan HC pada gas buang. Hal ini terjadi akibat

kualitas spray pattern yang buruk dapat memperlambat proses reaksi pembakaran.

Gambar berikut ini menunjukkan dasar sistematika terjadinya pembakaran

yang tidak sempurna:

Gambar 2.6 Skema mekanisme pembentukan HC pada mesin diesel:

(a) diinjeksikannya bahan bakar saat delay period; (b) diinjeksikannya bahan

bakar saat terjadi proses pembakaran[9]

21

2.4.4 Emisi Partikulat

Emisi partikulat yang dihasilkan oleh mesin diesel mengandung material

karbon hasil dari proses pembakaran (soot) yang juga dimungkinkan terdapat

komponen organik lain yang juga terserap.Sebagian besar partikulat berawal dari

proses pembakaran yang tidak sempurna, dan sebagian kecil juga dapat

diakibatkan oleh minyak pelumas. Rata-rata emisi partikulat pada mesin diesel

direct injection berkisar dari 0.2–0.6 g/km untuk mobil dan sekitar 0.5–1.5 g/kWh

untuk mesin stasioner yang berkapasitas besar.

Teknik pengukuran emisi partikulat dilakukan dengan menggunakan

smoke meter yang memiliki skala opacity untuk melihat besarnya dilusi yang

terjadi sepanjang jalur gas buang. Pada smokemeter, dapat dilihat dan

dibandingkan tingkat emisi partikulat yang terjadi dari satu sampel terhadap

sampel lain. Hal ini pula yang dijadikan dasar dalam penentuan tingkat emisi

partikulat. Jadi, smokemeter tidak menimbang atau mengukur secara langsung

massa partikulat yang dihasilkan, melainkan hanya dilihat dari kepekatan sampel

emisi pada kertas filter.

2.5 Proses Produksi Biodiesel Minyak Sawit[10]

Bahan bakar diesel, selain berasal dari petrokimia juga dapat disintesis dari

ester asam lemak yang berasal dari minyak nabati. Bahan bakar dari minyak

nabati (biodiesel) dikenal sebagai produk yang ramah lingkungan, tidak

mencemari udara, mudah terbiodegradasi, dan berasal dari bahan baku yang dapat

diperbaharui. Pada umumnya biodiesel disintesis dari ester asam lemak dengan

rantai karbon antara C6-C22. Minyak sawit merupakan salah satu jenis minyak

nabati yang mengandung asam lemak dengan rantai karbon C14-C20, sehingga

mempunyai peluang untuk dikembangkan sebagai bahan baku biodiesel.

Keseluruhan proses pembuatan biodiesel dari minyak kelapa sawit dapat

dilihat dari skema pada gambar 2.7, dimana minyak kelapa sawit atau yang biasa

disebut crude palm oil (CPO), dijadikan sebagai bahan dasar biodiesel. Pada

proses tersebut, minyak kelapa sawit yang sudah disiapkan akan dilanjutkan

dengan esterifikasi dalam tahap pengolahannya.

22

Gambar 2.7 Skema produksi biodiesel minyak sawit[11]

Pada umumnya biodiesel dibuat melalui proses transesterifikasi dua tahap,

dilanjutkan dengan pencucian, pengeringan dan terakhir filtrasi. Akan tetapi jika

bahan bakunya dari CPO, maka sebelumnya perlu dilakukan esterifikasi sebelum

diolah dalam proses transesterifikasi.

Gambar 2.8 Proses Esterifikasi[11]

2.5.1 Proses Transesterifikasi

Proses transesterifikasi meliputi dua tahap. Transesterifikasi I yaitu

pencampuran antara kalium hidroksida (KOH) dan metanol (CH30H) dengan

minyak sawit. Reaksi ini berlangsung sekitar 2 jam pada suhu 58-65°C. Bahan

23

yang pertama dimasukkan ke dalam reaktor adalah asam lemak yang selanjutnya

dipanaskan hingga suhu yang telah ditentukan. Reaktor transesterifikasi

dilengkapi dengan pemanas dan pengaduk. Selama proses pemanasan, pengaduk

dijalankan. Tepat pada suhu reactor 63°C, campuran metanol dan KOH

dimasukkan ke dalam reaktor dan waktu reaksi mulai dihitung pada saat itu. Pada

akhir reaksi akan terbentuk metil ester dengan konversi sekitar 94%.

Selanjutnya produk ini diendapkan selama waktu tertentu untuk

memisahkan gliserol dan metil ester. Gliserol yang terbentuk berada di lapisan

bawah karena berat jenisnya lebih besar daripada metil ester. Gliserol kemudian

dikeluarkan dari reaktor agar tidak mengganggu proses transesterifikasi II.

Selanjutnya dilakukan transesterifikasi II pada metil ester. Setelah proses

transesterifikasi II selesai, dilakukan pengendapan selama waktu tertentu agar

gliserol terpisah dari metil ester. Pengendapan II memerlukan waktu lebih pendek

daripada pengendapan I karena gliserol yang terbentuk relatif sedikit dan akan

larut melalui proses pencucian.

Gambar 2.9 Proses Transesterifikasi[11]

2.5.2 Pencucian

Pencucian hasil pengendapan pada transesterifikasi II bertujuan untuk

menghilangkan senyawa yang tidak diperlukan seperti sisa gliserol dan metanol.

24

Pencucian dilakukan pada suhu sekitar 55°C, dan dilakukan tiga kali sampai pH

campuran menjadi normal (6,8-7,2).

2.5.3 Pengeringan

Pengeringan bertujuan untuk menghilangkan air yang tercampur dalam

metil ester. Pengeringan dilakukan sekitar 10 menit pada suhu 130°C.

Pengeringan dilakukan dengan cara memberikan panas pada produk dengan suhu

sekitar 95°C secara sirkulasi. Ujung pipa sirkulasi ditempatkan di tengah

permukaan cairan pada alat pengering.

2.5.4 Filtrasi

Tahap akhir dari proses pembuatan biodiesel adalah filtrasi. Filtrasi

bertujuan untuk menghilangkan partikel-partikel pengotor biodiesel yang

terbentuk selama proses berlangsung, seperti karat (kerak besi) yang berasal dari

dinding reaktor atau dinding pipa atau kotoran dari bahan baku. Filter yang

dianjurkan berukuran lebih kecil dari atau sama dengan 10 mikron.

25