Studi Perbandingan Performa Motor Diesel dengan Bahan Bakar Solar dan Palm Methyl Ester Berbasis Pada Simulasi Oleh Yahya Putra Anugerah1), Semin Sanuri 2), Aguk Zuhdi MF 2) 1) Mahasiswa : Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, FTK – ITS 2) Dosen Pembimbing : Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, FTK - ITS
ABSTRAK Biaya yang dibutuhkan dalam memenuhi konsumsi bahan bakar merupakan permasalahan dalam penggunaan mesin diesel. Sehingga muncul inisiatif penggunaan bahan bakar alternatif selain bahan bakar minyak diesel. Dan Palm Methyl Esterdirekomendaikan ebagai bahan bakar alternatif dengan beberapa alasan, diantaranya jumlahnya melimpah, harga lebih murah. Pada skripsi ini dilakukan pencampuran antara PME dan solar dengan perbandingan ( 30% : 70%). Dalam skripsi ini yang dianalisa adalah performansi mesin diesel menggunakan bahan bakar solar dan Campuran Palm Methyl Eter + Solar. Performa yang dianalisa adalah brake power, brake torque, BMEP, BSFC.dengan variasi RPM 500,1000, 1500, 1800, 2000, 2500, 2800, 3000. Proses analisa melalui simulasi menggunakan software. Dan didapatkan hasil bahwa untuk diesel menggunakan PME 30 sebagai bahan bakarakan mengalami penurunan performa tetapi kecil. Diantaranya mengurangi brake power dari mesin hingga kisaran 2,71 %, brake torque 2,9 %, brake mean effective pressure dari 2,9 % dan peningkatanbrake spesific fuel consumption dari mesin hingga kisaran 3,03% Kata kunci : Mesin diesel, minyak solar, Palm Methyl Ester, simulasi
1. Pendahuluan 1.1 Latar Belakang Mesin diesel adalah mesin yang paling banyak digunakan di dunia maritim. Namun ada permasalahan pada penggunaan mesin diesel diantaranya dampaknya terhadap lingkungan, bahan bakar yang mulai menipis, dan biaya yang dibutuhkan untuk memenuhi fuel oil consumptionnya. Dan akhirnya berkembang pemikiran tentang penggunaan bahan bakar alternatif selain bahan bakar minyak untuk mesin diesel juga mesin otto. Biodiesel (Palm Methyl Ester) direkomendasikan menjadi salah satu bahan bakar alternatif mesin diesel.. Adapun alasannya adalah memiliki efek pelumasan yang lebih baik dibanding minyak diesel, materi masih melimpah, dan emisi gas buang yang lebih bersih jika dibandingkan dengan bahan bakar minyak. Dan di sini kami membandingkan performa dari engine , bagaimana jika menggunakan bahan bakar Solar dan Biodiesel (Palm Methyl Ester). Dalam proses pengerjaannya akan dilakukan secara simulasi. Tujuan dari penulisan skripsi ini adalah mengetahui performa mesin diesel jika menggunakan Solar dan Palm Methyl Ester menggunakan simulasi. Mesin Diesel Pada motor pembakaran dalam, pembakaran terjadi di dalam ruang bakar yang terletak di dalam silinder dengan tujuan menghasilkan energi mekanik dari energi kimia
yang terkandung di dalam bahan bakar. Di mana bahan bakar dinyalakan oleh tekanan udara di dalam silinder, bukan oleh spark. (Houghton,2010) Proses pembakaran akan ditunjukkan melalui gambar berikut
Gambar 1 Grafik Pembakaran Motor Diesel
Seperti pada gambar di atas, bahan bakar diinjeksikan kedalam silinder pada akhir proses kompresi, tidak sekali injeksi namun pada periode tertentu, yang digambarkan mulai dari titik A sampai D. Mulai dari titik A tersebut, kabutan
1
bahan bakar mulai bertemu dengan udara yang dikompresikan dan temperatur udara, dan pada titik B bahan bakar mulai terbakar. Mulai dari titik B garis grafik tekanan terus naik sampai berakhirnya injeksi bahan bakar pada titik D. Sesudah titik D, pembakaran bahan bakar masih berlanjut hingga titik E, namun tekanan didalam silinder sudah mulai turun. Bahan bakar mulai diinjeksikan dari titik A dan diharapkan mulai terbakar pada titik B. Periode ini diistlahkan dengan ignition delay atau kelambatan penyalaan. Pada periode tersebut terjadi proses udara dan bahan bakar yang akan ditentukan oleh dua kondisi yang diberikan yaitu penetrasi dan atomisasi. Periode ignition delay ini menentukan kualitas yang terjadi pada titik B, yaitu apakah titik tersebut maju, mundur, atau mungkin justru tidak terjadi. Kualitas yang diharapkan terjadi titik B adalah dihasilkan jarak yang pendek dengan titik A. Sebab bila titik B semakin mundur, maka kemungkinan terjadinya detonasi akan semakin besar.(Narotama, 2010) Minyak Solar Minyak solar merupakan bahan bakar jenis distilat berwarna kuning kecoklatan yang jernih dengan cetane number 48. Penggunaan minyak solar ini pada umumnya adalah untuk bahan bakar pada semua jenis mesin diesel dengan putaran tinggi (di atas 1.000 RPM). Minyak solar ini biasa disebut juga Automotive Diesel Oil (ADO) atau High Speed Diesel (HSD). Spesifikasi dari minyak solar dapat dilihat pada tabel di bawah ini. (Cakrawalaoil, 2012). Adapun Spesifikasinya, seperti tabel di bawah ini : Tabel 1 Karakteristik Minyak Solar
transesterifikasi, dimana sebelumnya dilakukan proses penghilangan asam lemak bebas atau yang disebutdengan proses deasidifikasi, karena CPO yang digunakan mengandung asam lemak bebas (ALB) 5%. ( Rahayu, 2005) Di bawah ini terdapat perbandingan karakteristik dari CPOME ( minyak kelapa sawit), CPOME30 ( campuran 30% CPO dan 70% solar), dan MS (minyak solar). Tabel 2 Karakteristik Palm Methyl Ester 30
2. Metodologi 2.1 Pendahuluan Pada bab ketiga ini berisi tentang metodologi, yang meliputi identifikasi dan perumusan masalah, mengumpulkan data, menentukan parameter simulasi, memasukkan data dan membuat model, running simulasi, validasi hasil simulasi, kesimpulan, flowchart pengerjaan. 2.2 Identifikasi Pada tahap ini, penulis mengidentifikasi bahwa apa masalah yang akan diselesaikan dalam skripi ini.
Palm Methyl Ester Mendapatkan Palm Methyl Ester, bahan baku yang digunakan adalah minyak sawit mentah atau Crude Palm Oil (CPO). Proses produksi Palm Methyl Ester dilakukan dengan metode
2.3 Mengumpulkan Data Setelah mengumpulkan materi untuk pembuatan dasar teori, lalu dilanjutkan dengan mengumpulkan data engine yang akan kita olah ( dimensi, komponen, dll). Motor diesel yang digunakan adalah Marcedes Benz OM 314 dengan dimensi secara umum sebagai berikut : Merk : Marcedes Benz Model : OM 314 Bore : 97 mm Stroke : 128 mm
2
: 3784 cc Displacement Compression Ratio : 17 Method Of Operation : Direct Injection Diesel 4 stroke Number Of cylinder :4 Ignition System : Compression Fuel : Diesel Power Maksimum : 63 kW pada 2800 RPM Torsi Maksimum : 235 Nm pada 1800 RPM
Selanjutnya bahan bakar yang akan digunakan, diantaranya : Solar Rumus kimia :C3 – C25 Komposisi dari berat (%)Karbon : 8487 Hidrogen : 8 - 10 Specific grafity : 0.81-0.89 Densitas (kg/m3) : 802-886 Titik didih (0C) : 188-343 Titik beku (0C) : -40 Flash point (0C) : 73 Autoignition temperature (0C) : 316 Specific heat (J/kg K) : 1800 Angka Cetane : 48 Indeks Cetane : 45 Titik Tuang (oC) : 18
2.6 Running Simulasi Setelah model yang dibentuk sudah jadi lalu dilakukan running simulasi untuk mengetahui performa dari motor diesel. Untuk performa yang akan dianalisa diantaranyabrake power, brake torque, brake mean effective pressure, BSFC. Lalu pada parameter hasil running disamakan dengan performa dari engine asli Marcedes Benz OM 314 . Jika sama maka model sudah benar. Dan parameter yang digunakan adalah power dari mesin.Menurut spesifikasi dari engine yang asli daya yang dihasilkan 63 kW. 2.7 Analisa Hasil dan Penyajian Yang akan dianalisa adalah brake power, brake torque, brake mean effective pressure, BSFC. Semuanya berdasarkan kecepatan putaran 500,1000, 1500, 1800, 2000, 2500, 2800, 3000 rpm. Lalu menentukan efek perubahan performa dieselengine menggunakan bahan bakar biodiesel PME30 sebagai bahan bakar pengganti solar pada performa mesin. 2.8 Kesimpulan Setelah proses analisa dan penentuan rekomendasi selesai, maka dari semua bahan dan hasil sebelumnya diambil kesimpulan. Yang mana kesimpulan berupa jawaban dari tujuan yang terdapat pada skripsi ini.
Palm Methyl Ester
Berat Jenis : 0,864 Viskositas (CSt) : 4,57 Titik nyala(oC) : 115 Titik Tuang (oC) : 11 Bilangan Asam (mgKHO/gr) : 3,5 Kandungan Air %Vol : 0,0492 Nilai Kalor (kJ/kg) : 43,946 Densitas(kg/m3 : 840-890
2.4 Menentukan Parameter Simulasi Parameter simulasi yang dibutuhkan di sini adalah data dan ukuran komponen – komponen diesel yang dibutuhkan oleh software. Dari sistem intake, masuk silinder, injeksi , sistem exhaust. 2.5 Memasukkan Data dan Ukuran Komponen serta Membuat Model Computer. Pada pembuatan model ini, kita rencanakan untuk variabel yang berubah adalah RPM. Sedangkan load kita buat sama.
Gambar 2 Flow Chart Simulasi Percobaan
3
3. 4. 5. 6. 7. 8.
3. Hasil dan Pembahasan 3.1 Model Gambar Gambar di bawah ini adalah model simulasi diesel engine Marcedes Benz OM – 314 dengan 4 silinder.
Stage 1 Exhaust pipe Stage 2 Muffler Exhaust runner exit End Environment
3.2 Validasi Hasil Simulasi Menurut spesifikasi dari engine Marcedes Benz OM 314, daya maksimal 63 kW pada RPM 2800, dan Torsi maksimal 235 N-m pada RPM 1800. Dan pada hasil running simulasi ya-g telah dibuat telah memenuhi hal tersebut. 3.3 Tabel Hasil Simulasi Tabel 3 Hasil Simulasi Diesel Engine Berbahan Bakar Solar
RPM
Gambar 3 Model Simulasi Diesel Engine
Dari gambar di atas dapat dilihat beberapa bagian / sistem dari engine, diantaranya bagian 1 adalah sistem intake, bagian 2 adalah sistem silinder, dan bagian 3 adalah sistem exhaust. Pada sistem intake terdapat beberapa komponen, diantaranya : 1. End Environtment 2. Intake runner_air filter 3. Air Filter 4. Inpipe 1 5. Throttle 6. Inpipe 2 7. Intake manifold 8. Intake runner 9. Intake port Selanjutnya pada system silinder terdapat beberapa komponen, diantaranya : 1. Intake dan exhaust valve 2. Injector 3. Silinder 4. Engine Crank Train
Brake Power (kW)
Brake Torsi (Nm)
BSFC (g/kWh)
BMEP (Bar)
500
9.58
183
272.9
6.1
1000
22.33
213.2
234.25
7.1
1500
35.97
228.98
218.1
7.6
1800
44.3
235.1
212.4
7.8
2000
48.9
233.64
213.75
7.76
2500
59.3
226.4
220.62
7.5
2800
63.3
215.92
231.3
7.2
3000
63.2 201.2 248.3 6.7 Dari tabel di atas terdapat beberapa data performa yang didapat dari running simulasi. Seperti pada brake power, brake torsi, BSFC, dan BMEP. Pada brake power, nilai terbesar pada RPM 2800 sebesar 63,3 kW sedangkan nilai terendah pada RPM 500 sebesar 9,58 kW. Pada brake torsi nilai terbesar pada RPM 1800 sebesar 235,1 Nm sedangkan nilai terendah pada RPM 500 sebesar 183 Nm. Pada Brake Spesific Fuel Consumption nilai terbesar pada RPM 500 sebesar 272,9 g / kWh sedangkan nilai terendah pada RPM 1800 sebesar 212,4 g / kWh. Pada Brake Mean Effective Pressure nilai terbesar pada RPM 1800 sebesar 7,8 Bar sedangkan nilai terendah pada RPM 500 sebesar 6,1 Bar.
Dan pada system exhaust terpat beberapa komponen, diantaranya : 1. Exhaust port 2. Exhaust runner
4
Brake Power (kW) 9.2 21.6 34.95 43.12 47.6 57.7 61.7 61.6
RPM 500 1000 1500 1800 2000 2500 2800 3000
Brake Torsi (Nm) 175.5 206.3 222.52 228.8 227.5 220.5 210.4 195.92
BSFC (g/kWh) 284.6 242.04 224.43 218.3 219.53 226.5 237.4 254.9
BMEP (Bar) 5.82 6.9 7.4 7.6 7.55 7.32 6.99 6.5
Dari tabel di atas terdapat beberapa data performa yang didapat dari running simulasi. Seperti pada brake power, brake torsi, BSFC, dan BMEP. Pada brake power, nilai terbesar pada RPM 2800 sebesar 61,7 kW sedangkan nilai terendah pada RPM 500 sebesar 9,2kW. Pada brake torsi nilai terbesar pada RPM 1800 sebesar 228,8 Nm sedangkan nilai terendah pada RPM 500 sebesar 175,5 Nm. Pada Brake Spesific Fuel Consumption nilai terbesar pada RPM 500 sebesar 284,6 g / kWh sedangkan nilai terendah pada RPM 1800 sebesar 218,3. Pada Brake Mean Effective Pressure nilai terbesar pada RPM 1800 sebesar 7,6 Bar sedangkan nilai terendah pada RPM 500 sebesar 5,82 bar.
Brake Torque 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150
SOLAR PME30 0
500
1000 1500 2000 2500 3000 RPM
Gambar 5 Grafik Perbandingan Brake Torque Diesel Berbahan Bakar Solar dengan PME30
70
Pada grafik sebelumnya, menunjukkan bahwa performa brake torque dari diesel berbahan bakar CPOME30 lebih rendah jika dibandingkan dengan brake torque dari diesel berbahan bakar solar.Nilai tertinggi mesin diesel berbahan bakar solar berada pada 235N-m pada kondisi 1800 rpm, sedangkan pada diesel berbahan bakar CPOME30 nilai tertinggi pada 228,8 N-m pada kondisi 1800 rpm. Jadi penggunaan CPOME30 sebagai bahan bakar akan mengurangi brake torque dari mesin hingga kisaran 2,9 %.
60
Brake Specific Fuel Consumption
3.4 Grafik Perbandingan Performa Diesel dengan Bahan Bakar Solar dan PME30 Brake Power
50
290 SOLAR
40 30 SOLAR
20
PME30
10 0 0
500 1000 1500 2000 2500 3000 RPM
Gambar 4 Grafik Perbandingan Brake Power Diesel Berbahan Bakar Solar dengan PME30
BSFC (g/kWh)
BRAKE POWER (kW)
Pada grafik sebelumnya, ditunjukkan bahwa performa brake power dari diesel berbahan bakar PME30 lebih rendah jika dibandingkan dengan brake power dari diesel berbahan bakar solar.Nilai tertinggi mesin diesel berbahan bakar solar berada pada 63,3 kW pada kondisi 2800 rpm, sedangkan pada diesel berbahan bakar PME30 nilai tertinggi pada 61,7 kW pada kondisi 2800 rpm. Jadi penggunaan PME30 sebagai bahan bakar akan mengurangi brake power dari mesin hingga kisaran 2,71 %.
BRAKE TORQUE (Nm)
Tabel 4 Hasil Simulasi Diesel Engine Berbahan Bakar PME30
270
PME30
250 230 210 190 0
500
1000 1500 2000 2500 3000 RPM
Gambar 6 Grafik Perbandingan BSFC Diesel Berbahan Bakar Solar dengan PME30
5
Pada grafik sebelumnya, menunjukkan bahwa performa brake spesific fuel consumption dari diesel berbahan bakar PME30 lebih tinggi jika dibandingkan dengan brake spesific fuel consumption dari diesel berbahan bakar solar.Nilai tertinggi mesin diesel berbahan bakar solar berada pada 272,9g/kWh pada kondisi 500 rpm, sedangkan pada diesel berbahan bakar PME30 nilai tertinggi pada 284,6 g/kWh pada kondisi 500 rpm. Jadi penggunaan PME30 sebagai bahan bakar akan menambah brake spesific fuel consumption dari mesin hingga kisaran 3,03%.
Brake Mean Effective Pressure
Kesimpulan Dari pemodelan yang dilakukan menggunakan simulasi didapatkan beberapa kesimpulan, bahwa terjadi penurunan performa yang tidak terlalu besar pada penggunaan PME30 sebagai bahan bakar,diantaranya penggunaan PME30 sebagai bahan bakar akan mengurangi brake power dari mesin hingga kisaran 2,71 %, brake torque2,9 %, brake mean effective pressure dari 2,9 % dan peningkatanbrake spesific fuel consumption dari mesin hingga kisaran 3,03%.
Daftar Pustaka Ferguson CR, Kirrkpatrick AT .2001.” Internal Combustion Engines “.California:Colorado State University.
8 7,5 BMEP (BAR)
4.
Narotama, F.2010.”Analisa Performa Mesin Diesel Menjadi CNG Engine Berbasis Pada Simulasi” Surabaya: Insitut Teknologi Sepuluh Nopember
7 6,5 6
SOLAR
5,5
PME30
5 0
500
Semin, Bakar AR, Rosli,Ismail A R. “Investigation of Diesel Engine Performance Based on Simulation”. Surabaya:Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Faculty of Mechanical Engineering, University Malaysia Pahang,Malaysia.
1000 1500 2000 2500 3000 RPM
Gambar 7 Grafik Perbandingan BMEP Diesel Berbahan Bakar Solar dengan PME30
Pada grafik sebelumnya, menunjukkan bahwa performa brake mean effective pressure dari diesel berbahan bakar PME30 lebih rendah jika dibandingkan dengan brake mean effective pressure dari diesel berbahan bakar solar.Nilai tertinggi mesin diesel berbahan bakar solar berada pada 7,8 bar pada kondisi 1800 rpm, dan diesel berbahan bakar PME30 nilai tertinggi pada 7,6 bar pada kondisi 1800 rpm. Jadi penggunaan PME30 sebagai bahan bakar akan mengurangi brake mean effective pressure dari mesin hingga kisaran 2,9 %.
Sher Er.1998.” Air Pollution from Internal Combustion Engines”.United State of America Sher, Heywood B John.1999. “Two Stroke Cycle Engines”.New York : Taylor & Francis Group Sukoco, Arifin.2008.“ Teknologi Mesin Diesel”.Bandung : Alfabeta Zuhdi M.F.A, Rahayu B.S .2005.” PROSES PEMBUATAN DAN KARAKTERISTIK BIODIESEL DARI CRUDE PALM OIL (CPO) SERTA TEKNIK BLENDING DENGAN MINYAK SOLAR” Surabaya : Institut Teknologi Sepuluh Nopember.
6
