Analisis Pemakaian Bahan Bakar Campuran Kerosene dan Minyak Pelumas terhadap Pembentukan Jelaga pada Motor Diesel Putaran Konstan Sudjud Darsopuspito, Todi Indra Brata Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Sukolilo Surabaya 60111 Telp. 031.5946230, Fax: 031.5922941 E-mail :
[email protected] ;
[email protected]
Abstrak Penggunaan campuran minyak pelumas MESRAN SAE 40 pada bahan bakar kerosene untuk mesin diesel merupakan upaya para pengguna solar dalam mengatasi terjadinya lonjakan harga . Pada eksperimen yang dilakukan di Laboratorium Motor Bakar dan Bahan Bakar Teknik Mesin FTI – ITS , ingin diketahui seberapa jauh pengaruh penambahan pelumas pada kerosene terhadap pembentukan jelaga pada motor diesel putaran konstan . Perilaku penambahan pelumas pada bahan bakar kerosene sebagai pengganti bahan bakar solar diuji coba pada motor diesel 4 langkah Kubota GA 100H 1 silinder dengan pendingin air, putaran konstan, berbeban listrik, dengan prosentase penambahan pelumas mulai dari 5%, 10% , 15% , 20% , dan 30%.. Dari data yang diperoleh kemudian dilakukan perhitungan terhadap parameter unjuk kerja motor, untuk menganalisis kandungan jelaga yang terjadi pada gas buang . Diharapkan dengan penambahan pelumas pada bahan bakar kerosene ini akan didapatkan komposisi campuran terbaik dimana produk jelaga yang dihasilkan akan mendekati produk jelaga motor diesel berbahan bakar solar. Kata kunci: bahan bakar campuran , kerosene , minyak pelumas , jelaga.
Kenaikan harga bahan bakar minyak (BBM) yang dilakukan oleh pemerintah per 2 Januari 2003 membuat masyarakat perkampungan nelayan makin terpukul . Daya beli mereka yang rendah mengakibatkan mereka kesulitan untuk mendapatkan bahan bakar mesin perahu yaitu solar. Akibatnya sebagian dari mereka mencampur bahan baker minyak tanah (kerosene) dengan oli bekas sebagai pengganti solar. Apa yang dilakukan oleh masyarakat perkampungan nelayan ini belum pernah diteliti secara ilmiah pengaruhnya terhadap unjuk kerja maupun proses pembentukan jelaga pada motor diesel. Oleh karena itu sehubungan dengan permasalahan ini maka dilakukan penelitian terhadap pengaruh beberapa komposisi campuran kerosene dan minyak pelumas terhadap motor diesel putaran konstan, dan kemudian akan dilakukan analisis terhadap kandungan jelaga yang dihasilkan.
Metodologi Penelitian Peralatan utama dalam penelitian ini adalah : Motor Diesel Uji Kubota GA 100 H Dynamometer BKB Electrical Dynamometer Gelas Ukur Exhaust Gas Analyzer Thermometer Digital Stopwatch Tachometer Multimeter Digital Higrometer Anak Timbangan Bola Lampu Pijar
1
2
Jurnal Teknik Mesin, Volume 5, Nomor 1, Januari 2005
Skema Pengujian
Keterangan : 1. Beban Lampu 2. Dynamometer 3. Lengan Dynamometer 4. Sambungan Poros 5. Saluran Gas Buang 6. Motor Diesel Uji 7. Tuas Pembuang Tekanan Diesel 8. Tuas pengatur kecepatan (speed control lever) Diesel
Pengambilan Data Penelitian dilakukan dengan metode constant speed, dimana putaran pada motor diesel uji dijaga agar tidak berubah untuk setiap penambahan beban dengan jalan mengatur speed control lever yang ada pada sisi motor, Untuk memudahkan start dalam kondisi dingin, digunakan bahan bakar solar terlebih dahulu dan motor dibiarkan berkerja kurang lebih 15 menit untuk memastikan seluruh solar telah terbakar sempurna, baru kemudian dimasukkan bahan bakar uji yang diinginkan. Lakukan pembebanan pada dinamometer dengan jalan memutar potensiometer ke skala maksimum, kemudian diikuti dengan
9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17.
Tempat Bahan Bakar Gelas Ukur Tangki Air Pendingin Board Panel Controller Amperemeter Tachometer Voltmeter Sakelar fungsi Pembebanan Potensiometer
penyalaan bola lampu pijar sesuai beban yang diinginkan. Pengambilan data dilakukan setelah dinamometer yang miring akibat gaya magnet hasil pembebanan diseimbangkan lebih dahulu dengan memberikan beban anak timbangan pada lengan dinamometer. Data yang diukur meliputi beban pada lengan dinamometer, waktu konsumsi bahan bakar tiap 40 ml, kelembaban udara, temperatur motor, gas buang, dan udara pengujian serta kadar jelaga. Dari hasil pengambilan data, dapat dilakukan perhitungan unjuk kerja motor diesel seperti daya, torsi, konsumsi bahan bakar spesifik, bmep, efisiensi serta kandungan jelaga pada gas buang .
Darsopuspito, Analisis Pemakaian Bahan Bakar Campuran
Namun pada jurnal ini hanya akan dibahas tentang pengaruh pemakaian bahan bakar campuran terhadap pembentukan jelaga pada gas buang motor diesel putaran konstan . Hasil Penelitian Dari hasil penelitian tersebut bisa didapatkan grafik pembentukan jelaga untuk solar dan masing-masing campuran seperti pada grafik Gambar 1 berikut:
Grafik Hubungan Soot Terhadap Beban Motor Diesel Kubota 0.32
0.27 solar 5% 10% 15% 0.22
20%
-1
Soot (m )
30%
0.17
0.12
0.07
0.02 300
800
1300
1800
2300
2800
3300
Beban Engine (watt)
Gambar 1. Kandungan Jelaga Pembahasan Meningkatnya kadar jelaga untuk setiap penambahan pelumas pada kerosene dapat dijelaskan sebagai berikut: semakin banyak konsentrasi pelumas yang ditambahkan pada kerosene, maka efisiensi pembakaran akan cenderung menurun, yang berarti ada produk pembakaran tidak terbakar secara sempurna sehingga menghasilkan jelaga. Menurut Spalding dan Cole [9], efisiensi pembakaran ditentukan oleh dua faktor utama, yaitu panas spesifik dan nilai kalor bahan baker , lewat rumus :
ηC =
Hm cp × ∆T = • Hp m×Q
dimana Hm adalah peningkatan panas persatuan waktu, dan Hp adalah potensial
3
panas yang dapat ditingkatkan persatuan waktu. Potensial panas, Hp, memerlukan variabel laju alir massa bahan bakar dan nilai kalor, sedangkan Hm memerlukan inlet dan outlet temperatur serta panas spesifik dari produk. Makin banyak kadar pelumas pada kerosene, makin tinggi pula massa jenis dan viskositasnya, namun nilai kalor dan panas jenisnya justru makin turun (lihat Tabel 1), sehingga efisiensi pembakaran juga makin turun. Grafik diatas menunjukkan bahwa jelaga yang dihasilkan cenderung meningkat seiring dengan naiknya beban. Hal ini disebabkan pada setiap penambahan beban, bahan bakar yang masuk dalam ruang bakar bertambah sedangkan udara yang masuk jumlahnya tetap. Akibatnya ada kemungkinan tidak tersedia oksigen yang cukup untuk memberikan nyala pembakaran yang baik. Pada proses pembakaran, hidrokarbon akan bereaksi dua tingkat. Reaksi tingkat pertama adalah menentukan besar kecilnya jumlah karbon atau jelaga. Jumlah oksigen yang memadai pada reaksi hidrokarbon akan memberikan pembakaran yang cukup bersih tanpa munculnya karbon radikal, tapi apabila oksigen kurang memadai maka akan terjadi sooting (pembentukan jelaga). Ditinjau dari struktur kimianya secara umum campuran kerosene dan pelumas memang cenderung menghasilkan kadar jelaga yang lebih banyak mengingat struktur kimianya adalah rantai tertutup (close chain) dengan C mempunyai tangan double tapi dengan posisi berseling antar atom karbon (C6H6, ikatan aromatik). Ikatan aromatik ini lebih mudah membentuk jelaga saat pembakaran berlangsung dibanding struktur kimia solar yang merupakan rangkaian hidrokarbon rantai lurus ( C16H34, hexadecane ) . Hasil kandungan jelaga pada Gambar 1 tersebut diperkuat dengan grafik efisiensi motor serta temperature gas buang yang terjadi , seperti terlihat pada Gambar 2 dan Gambar 3. Dimana Gambar 2 menunjukkan bahwa makin besar kandungan campuran minyak pelumas dalam bahan bakar, efisiensi motor semakin menurun. Hal ini menunjukkan bahwa pembakaran
Jurnal Teknik Mesin, Volume 5, Nomor 1, Januari 2005
4
yang terjadi semakin tidak sempurna, sehingga cenderung pembentukan jelaga semakin besar .
tinggi . Hal ini berarti energi yang terbawa gas buang semakin besar, akibat dari efisiensi motor yang semakin menurun sehingga kandungan jelaga semakin meningkat .
Grafik Hubungan Efisiensi Terhadap Beban Motor Diesel Kubota
380
Grafik Hubungan Temp. Gas Buang Terhadap Beban Motor Diesel Kubota
27
370 25
360
350
21
340
19
330 o
Temp ( C )
Effisiensi (%)
23
17
320
310
15
solar
300
5%
13
solar 5% 10% 15% 20% 30%
10% 15% 11
290
20% 30%
280 9
270 7 300
800
1300
1800
2300
2800
3300
260 300
Beban Engine (watt)
800
1300
1800
2300
2800
3300
Beban Engine (watt)
Gambar 2. Efisiensi Motor
Gambar 3. Temperatur Gas Buang Demikian pula jika dikaitkan dengan grafik temperature gas buang seperti pada Gambar 3, dimana makin besar kandungan campuran minyak pelumas dalam bahan bakar, temperature gas buang cenderung semakin TABEL 1 PERBANDINGAN PROPERTIES BAHAN BAKAR
Bahan Bakar Solar KP30% KP20% KP15% KP10% KP5% kerosene Mesran SAE 40
Spesific Gravity at 60oF
Density at 60oF (kg/m3)
0.8571 0.8252 0.8154 0.8138 0.8104 0.8068 0.793
857.1 825.2 815.4 813.8 810.4 806.8 793
Viskostas Kinematik at 100oF (cSt) 4.45 3.75 2.89 2.6 2.2 1.86 1.04
0.8937
893.7
141.6
Flash Point (oC)
Nilai Kalor (kcal/kg)
Calculated Cetane Index
68 60 58 55 51 49 46
10163.15025 10221.8666 10257.65191 10266.04552 10277.61658 10285.34914 10437.46171
53.02129 41.13712 41.14741 41.15243 41.22576 41.78553 45.60738
249
-
-
Darsopuspito, Analisis Pemakaian Bahan Bakar Campuran
Kesimpulan 1. Kandungan jelaga akan makin tinggi seiring makin besarnya konsentrasi pelumas pada kerosene. Untuk campuran 5 %, 10 %, 15 %, 20 % dan 30 %, jelaga akan naik sebesar 12.3 % , 19.1 %, 26.6 %, 35.3 % dan 37.6 % jika dibandingkan dengan bahan bakar solar . 2. Efisiensi motor semakin menurun seiring makin besarnya konsentrasi pelumas pada kerosene . Untuk campuran 5 %, 10 %, 15 %, 20 % dan 30 %, efisiensi berkurang sebesar 9,02 %, 12,03 %, 13,11 %, 14,30 % dan 15,43 % jika dibandingkan dengan efsiensi bahan bakar solar . 3. Temperatur gas buang semakin tinggi seiring makin besarnya konsentrasi pelumas pada kerosene. Untuk campuran 5 %, 10 %, 15 %, 20 % dan 30 %, temperatur gas buang naik sebesar 8,08 %, 10,48 % , 11,52 % , 12,49 % dan 14,20 % jika dibandingkan dengan temperatur gas buang dengan bahan bakar solar . 4. Terdapat hubungan yang logis antara menurunnya efisiensi motor , naiknya temperatur gas buang dan meningkatnya kandungan jelaga . Saran 1. Memodifikasi kondisi bahan bakar yang dipakai misalkan melalui pemanasan bahan bakar maupun udara pembakarannya agar mudah terbakar secara sempurna di ruang bakar. 2. Karena volatilitasnya yang terlalu tinggi, maka sebaiknya dilakukan modifikasi pada engine itu sendiri semisal memajukan timing injeksi hingga mendekati TMA agar bahan bakar tidak menguap terlalu cepat saat diinjeksikan ke ruang bakar. 3. Perlu dilakukan penelitian lanjutan “longterm reasearch“ untuk mengetahui ketahanan komponen-komponen engine seperti: piston, silinder maupun injektor bahan bakar , yang nantinya diinformasikan kepada pengguna motor diesel khusus-nya para nelayan .
5
Referensi [1] Ale, B.B., 2003, “Fuel Adulteration and Tailpipe Emissions”, Journal of The Institute of Engineering, Nepal. [2] Anastopoulos, G., Lois, E., Zannikos, F., Kalligeros, S., Teas, C., “High Frequency Reciprocating Rig Lubricity Response of an Additized Aviation Kerosene For Use in CI Engines”, Elsevier, Greece. [3] Hambley, Allan R., 1997, Electrical Engineering Principles and Applications, Prentice Hall, New Jersey. [4] Khraisa, Y.H., Hamdan, M.A., Quibia, J.M., 2001, “Combustion of Spent Lube Oil After Mixing With Kerosene or Diesel”, University of Jordan, Amman. [5] Mathur, M. L. and Sharma, R. P., 1980, A Course in Internal Combustion Engines, Dhampat Rai & Sons, New Delhi. [6] Murphy, K.E., 1979, “The Effects of Diesel Fuel Properties on Performance, Smoke and Emissions”, Transactions of ASME, Texas. [7] Obert, Edward F., 1973, Internal Combustion Engine and Air Pollution, Harper & Row, Publishers, Inc., New York. [8] Owen, Keith and Coley, Trevor, 1995, Automotive Fuel Reference Book, SAE, Second Edition, USA. [9] Spalding, D. B., and E. H. Cole., 1973, Engineering Thermodynamics, 3rd ed, Arnold. [10] Brata, Todi Indra., 2005, “Analisa Karakteristik dan Unjuk Kerja Motor Diesel Putaran Konstan Terhadap Pemakaian Campuran Bahan Bakar Kerosene dan Minyak Pelumas”, Tugas Akhir , Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS.
6
Jurnal Teknik Mesin, Volume 5, Nomor 1, Januari 2005
Apendiks Contoh Data Penelitian :
