BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Seiring perkembangan bidang industri dan transportasi, konsumsi bahan bakar minyak bumi semakin meningkat. Akibatnya persediaan minyak bumi yang terdapat di dunia semakin menipis perkiraan tentang penurunan produk minyak bumi pada massa yang akan datang dan ketergantungan yang besar terhadap sumber energi minyak bumi, mendorong penelitian dan pengembangan sumber energi alternatif dari bahan – bahan alam yang jumlahnya melimpah dan bersifat terbarukan (renewable natural resources). Biodiesel adalah salah satu bahan bakar alternatife yang memungkinkan sebagai bahan bakar pengganti yang memiliki beberapa keunggulan diantaranya mudah digunakan, ramah lingkungan (biodegradable), tidak beracun, dan mempunyai titik nyala yang lebih tinggi dari pada petroleum diesel sehingga lebih aman dalam penggunaannya. Biodiesel merupakan sumber daya yang dapat di perbaharui karena pada umumnya dapat diekstrak dari berbagai produk hasil pertanian dan perkebunan. Ada beberapa banyak macam minyak biodiesel ditinjau dari bahan – bahan campurannya, ada yang menggunakan jarak pagar, ada yang menggunakan biji nyamplung, dan mungkin banyak lagi jenis – jenis yang lain. Disini penulis menganalisa jenis biodiesel yang berasal dari biji alpukat, karena diketahui biji alpukat merupakan sumber daya yang cukup melimpah dan mudah untuk ditemui di masyarakat, selain itu juga biji alpukat juga memiliki beberapa keunggulan lain di antaranya kandungan minyaknya relatif tinggi dibandingkan tanaman lain yaitu sekitar 2638 liter/ha dalam 2217 kg/ha. Sedangkan tanaman seperti jarak adalah 1590 kg/ha : 1892 liter/ha dan bunga matahari 800 kg/ha : 925 liter/ha. Selain itu bahan bakar ini lebih ekonomis dan ramah lingkungan karena kadar belerang dalam minyak tersebut kurang dari 15 ppm, sehingga pembakaran berlangsung sempurna dengan dampak emisi CO, CO2 serta polusi udara yang rendah. Penelitian ini menggunakan biji alpukat sebagai bahan dasar pembuatan biodiesel untuk dapat mengetahui perbandingan dari penggunaan biodiesel berbahan biji alpukat dan terhadap performansi ditinjau dari karakteristik panjang penyemprotan dan ukuran butiran.
1
1.2 Rumusan Masalah Biodiesel merupakan suatu sumber energy yang sangat baik, karena merupakan suatu energy terbarukan, akan tetapi karakteristik dari suatu biodiesel tersebut terlebih dahulu perlu di ketahui. Salah satu permasalahan yang ada adalah pengaruh dari viskositas biodiesel terhadap panjang penyemprotan dan ukuran butiran yang berdampak kepada performansi Bagaimana performansi suatu biodiesel dengan perbandingan 5%, 10%, 15%, dan 20% ditinjau dari panjang penyemprotan dan ukuran butirannya.
1.3 Batasan Masalah Adapun permasalah – permasalahan yang ada, akan dibatasi untuk mendapatkan hasil penelitian yang terfokus dan tidak bias. Adapun batasan – batasan permasalahan tersebut adalah : Solar digunakan sebagai data perbandingan untuk biodiesel minyak alpukat pada saat mengamati hasil penyemprotan. Alat uji yang dirancang agar dapat melakukan pengujian yang memungkinkan menyerupai kondisi ruang bakar Parameter pengujian yang diambil adalah pompa injeksi dan Nozel pada saat pemakaian biodiesel minyak alpukat dan solar serta dapat mengamati karakteristik semprotan dari biodiesel biji alpukat dan solar dengan tekanan pompa 10bar. Pada Tekanan 10 bar akan dilakukan pengukuran terhadap panjang penyemprotan dan ukuran butiran yang keluar dari Nozel. Penelitian dilakukan dalam volume dan tekanan konstan.
1.4 Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut : Mengetahui karakteristik dari suatu biodiesel ditinjau dari pengaruh viskositas biodiesel terhadap panjang penyemprotan dan ukuran butiran yang berdampak kepada performansi Mengetahui performansi suatu biodiesel dengan perbandingan 5%, 10%, 15%, dan 20% ditinjau dari panjang penyemprotan dan ukuran butirannya.
2
1.5 Manfaat Penelitian Manfaat yang diperoleh dari penelitian ini adalah: 1. Dapat mengetahui jenis karakteristik biodiesel minyak alpukat yang dapat menghasilkan performansi maksimal. 2. Memperdalam ilmu tentang biodiesel yang nantinya akan dapat bermanfaat untuk perkembangan keilmuan terutama yang berkaitan dengan mesin diesel 3. Memberikan informasi kepada mayarakat tentang pengunaan biodiesel minyak alpukat sebagai bahan bakar alternative pada mesin diesel. 4. Penggunaan biodiesel minyak alpukat yang lebih ramah lingkungan dan merupakan renewable energy dibandingan dengan solar.
3
BAB II KAJIAN PUSTAKA
2.1 Alpukat Alpukat, atau Persea Americana tumbuhan ini berasal dari Meksiko dan Amerika Tengah dan kini banyak dibudidayakan di Amerika Selatan dan Amerika Tengah sebagai tanaman perkebunan monokultur dan sebagai tanaman pekarangan di daerah – daerah tropika lainnya di dunia, seperti juga Indonesia yang memiliki iklim tropis, pembudidayaan tanaman alpukat sendiri juga tidak terlalu sulit karena iklim yang cocok dengan Negara kita Indonesia. Alpukat merupakan salah satu jenis buah bergizi tinggi yang semakin banyak diminati. Hal ini terlihat dari banyaknya permintaan alpukat di pasaran. Sebagai contoh, seorang grosir membutuhkan alpukat 12-20 ton/minggu untuk pedagang pengecer di Bogor. Manfaat buah dan biji alpukat. Selain buah dan daunnya ternyata khasiat biji alpukat juga bermanfaat untuk beberapa penyakit, yaitu diantaranya adalah: Manfaat biji alpukat untuk pengobatan dapat digunakan untuk mengobati sakit gigi, manfaat biji alpukat untuk maag dan kencing manis, dan banyak lagi maanfaat lain yang terdapat dalam kandungan biji alpukat. Pohon, dengan batang mencapai tinggi 20 m dengan daun sepanjang 12 hingga 25 cm. Bunganya tersembunyi dengan warna hijau kekuningan dan ukuran 5 hingga 10 milimeter. Ukurannya bervariasi dari 7 hingga 20 sentimeter, dengan massa 100 hingga 1000 gram; biji yang besar, 5 hingga 6,4 sentimeter. Selain dari beberapa keunggulan diatas alpukat juga dapat dimanfaatkan sebagai sumber bahan baku biodiesel. Bagian dari buah alpukat yang dapat digunakan sebagai biodiesel adalah bijinya. Bahan ini (biji alpukat) merupakan limbah yang begitu banyak orang membuangnya setelah memanfaatkan daging buah tersebut. Padahal biji alpukat mengandung lemak nabati yang tersusun dari senyawa yang bisa menghasilkan minyak. Senyawa ini sangat unik karena memiliki komposisi yang sama dengan bahan bakar diesel solar. Selain itu kadar belarang dalam alpukat lebih sedikit dibandingkan kadar belerang dalam solar. Hal ini membuat pembakaran berlangsung sempurna sehingga gas buangnya lebih ramah lingkungan.
4
Disamping itu, biji alpukat merupakan bahan biomassa yang mengandung trigliserida serta kandungan asam lemak bebas (FFA) pada minyak biji alpukat rendah yakni 0,367% sehingga dapat dijadikan biodiesel dengan proses transesterifikasi. Adapaun kandungan minyak nabati dari berbagai tanaman ditunjukkan pada tabel 2.1 Tabel 2.1. kandungan minyak
kandungan minyak alpukat lebih tinggi dibandingkan tanaman-tanaman seperti kedelai, jarak, bunga matahari, dan kacang tanah. Namun, kandungan minyak alpukat masih lebih rendah dibandingkan sawit. Karakteristik fisika minyak alpukat dapat dilihat pada tabel 2.2, disana ditunjukkan berbagai karakteristiknya seperti specific gravity, dan viscosity dari minyak biji alpukat. Asam-asam lemak/minyak tumbuh-tumbuhan terdiri dari komponen senyawa utamanya adalah trigliserida dimana karakteristik fisik minyak biji alpukat sebagai berikut: Tabel 2.2. Karakteristik fisika minyak biji alpukat
2.2 Biodiesel Biodiesel adalah bahan bakar alternatife yang diformulasikan khusus untuk mesin diesel yang terbuat dari minyak nabati (bio-oil). Proses pembuatan biodiesel adalah proses transesterifikasi antara minyak nabati dengan methanol dan katalis pada suhu 70oC. Biodiesel memiliki keuntungan antara lain tidak diperlukan modifikasi mesin, 5
memiliki cetane number tinggi, ramah lingkungan, memiliki daya pelumasan yang tinggi, aman dan tidak beracun. Biodiesel juga merupakan bahan bakar alternatif dari bahan mentah terbarukan (renewable) yang terbuat bukan dari minyak bumi. Biodiesel tersusun dari berbagai macam ester asam lemak yang dapat diproduksi dari minyak-minyak tumbuhan seperti minyak sawit (palm oil), minyak kelapa, minyak jarak pagar, minyak biji kapuk randu, minyak kemiri, minyak nyamplung dan masih ada lebih dari 30 macam tumbuhan Indonesia yang potensial untuk dijadikan sumber energi bentuk cair ini. Pada gambar 2.1 dapat dilihat biji dari alpukat yang masih utuh dan minyak yang berasal dari biji alpukat.
Gambar 2.1. Biji dan minyak Alpukat Secara kimia, transesterifikasi berarti mengambil molekul asam lemak kompleks dari minyak nabati atau hewani, menetralkan asam lemak tak jenuh minyak nabati atau hewani dan menghasilkan alcohol-ester. Karena komposisi asam lemak tak jenuh pada minyak jarak sudah berkurang secara drastis, maka pembuatan biodiesel dengan bahanbaku minyak jarak diperkirakan akan terjadi dengan lebih cepat. Prinsip proses transesterifikasi dapat dilihat pada Gambar 2.2 berikut ini:
+ C2H5OH
Gambar 2.2. Proses Transesterifikasi Secara Kimia
6
2.3 Rapat Massa (Density) Adalah perbandingan antara massa bahan bakar dengan volume bahan bakar. Density bahan bakar dipengaruhi oleh temperatur, dimana semakin tinggi temperatur, maka density semakin turun dan sebaliknya.
2.4 Viskositas / kekentalan Kekentalan suatu bahan bakar menunjukkan sifat menghambat terhadap aliran, dan menunjukkan sifat pelumasannya pada permukaan benda yang dilumasi. Kekentalan bisa didefinisikan sebagai gaya yang diperlukan untuk menggerakkan suatu bidang dengan luas tertentu pada jarak tertentu dan dalam waktu yang tertentu pula. Viskositas bahan bakar mempunyai pengaruh yang besar terhadap bentuk semprotan bahan bakar. Dimana untuk bahan bakar dengan viskositas yang terlalu tinggi akan memberikan atomisasi yang rendah sehingga mengakibatkan mesin sulit di start. Selain itu, gas buang yang dihasilkan juga akan menjadi hitam dengan smoke density yang cukup tinggi. Jika viskositas bahan bakar terlalu rendah maka akan terjadi kebocoran pada pompa bahan bakarnya dan mempercepat keausan pada komponen pompa dan injektor bahan bakar.
2.5 Titik Nyala (flash Point) Flash point adalah temperatur pada keadaan di mana uap di atas permukaan bahan bakar (biodiesel) akan terbakar dengan cepat (meledak). Flash Point menunjukan kemudahan bahan bakar untuk terbakar. Makin tinggi flash point, maka bahan bakar semakin sulit terbakar.Makin mudah bahan bakar untuk terbakar maka flash point-nya menurun dan bahan bakar lebih effisien.
2.6 Specific Gravity Berat bahan bakar atau Specific Gravity memegang peranan yang sangat penting dalam hal nilai kalor bahan bakar, flash point, dan sifat pelumasan pada mesin. Makin tinggi specific gravity berarti bahan bakar akan semakin berat, dan nilai kalor yang dihasilkan tiap volume akan semakin besar pula. Specific Gravity yang lebih tinggi juga menunjukkan sifat pelumasan yang lebih baik. Tetapi Specific Gravity yang terlalu tinggi akan menyebabkan viskositas yang terlalu tinggi, dan flash point yang terlalu tinggi.
7
Specific Gravity terhadap air =
…………………
2.1
2.7 Nilai Kalor Nilai kalor dari bahan bakar diesel diukur dengan bomb kalorimeter. Untuk memperoleh perkiraan nilai kalornya, bisa dipakai rumus empiris di bawah ini: NK = 18,650 + 40 (API – 10) BTU/lb ...................................................... 2.2 API = API Gravity pada 60 oF = (141,5/Specific Gravity) – 131,5 .........
2.3
Untuk menghitung lower heating value (LHV ) dan higher heating Value digunakan persamaan sebagai berikut: LHV= HHV-
………………………………………………
2.4
2.8 Minyak Solar Bahan bakar solar adalah bahan bakar minyak hasil sulingan dari minyak bumi mentah bahan bakar ini berwarna kuning coklat yang jernih. Penggunaan solar pada umumnya adalah untuk bahan bakar pada semua jenis mesin Diesel dengan putaran tinggi (diatas 1000 rpm), yang juga dapat digunakan sebagai bahan bakar pada pembakaran langsung dalam dapur-dapur kecil yang terutama diinginkan pembakaran yang bersih.(www. Com Pertamina: 2005 ), pada tabel 2.3 dapat dilihat spesifikasi bahan bakar solar. Tabel 2.3. Spesifikasi bahan bakar solar.
8
Air Fuel Ratio ( AFR) Air fuel ratio adalah perbandingan antara udara dan bahan bakar (proses pencampuran udara dan bahan bakar), bahan bakar yang hendak dimasukkan ke dalam ruang bakar haruslah dalam keadaan mudah terbakar, hal tersebut agar didapatkan effisiensi tenaga motor yang maksimal. Campuran bahan bakar yang belum sempurna akan sulit dibakar oleh percikan bunga api di dalam ruang bakar, bahan bakar tidak dapat terbakar tanpa adanya udara (O2), tentunya dalam keadaan yang homogen. Bahan bakar yang di gunakan dalam pembakaran sesuai dengan ketentuan sebab bahan bakar yang melimpah pada ruang bakar justru tidak meningkatkan tenaga dari motor tersebut, semakin banyak bahan bakar yang tidak terbakar pada ruang bakar akan mengakibatkan filament pada dinding silinder. Air fuel ratio adalah faktor yang mempengaruhi kesempurnaan proses pembakaran didalam ruang bakar. Merupakan komposisi campuran bahan bakar dan udara idealnya AFR bernilai 13,6 (1 bahan bakar : 13,6 udara) stoichiometry, berikut pengaruh AFR pada kinerja mesin: AFR Terlalu kurus :
Tenaga mesin menjadi sangat lemah
Sering menimbulkan detonasi
Mesin cepat panas
Dapat membuat kerusakan pada sillinder ruang bakar AFR Kurus :
Tenaga mesin berkurang
Terkadang terjadi detoansi
Konsumsi bahan bakar irit AFR Ideal :
Kondisi Paling Ideal AFR Kaya :
Bensin agak boros
Tidak terjadi detonasi 9
Mesin lebih bertenaga AFR Terlalu kaya :
Bensin sangat boros
Asap knalpot berwarna hitam
Menimbulkan filament pada gesekan dinding sillinder dengan ring piston
(Sumber : Wisnu Arya Wardana, 2001 : 38) Perbandingan jumlah udara dengan bahan bakar disebut dengan Air Fuel Ratio (AFR). Perbandingan ini dapat dibandingkan baik dalam jumlah massa ataupun dalam jumlah volume. 𝐴𝐹𝑅 = 𝑚𝑓𝑢 : 𝑚𝑎𝑖𝑟 = 𝑉𝑓𝑢𝑒𝑙 : 𝑉𝑎𝑖𝑟
………………………………………………………
2.5
Besarnya AFR dapat diketahui dari uji coba reaksi pembakaran yang benar-benar terjadi, nilai ini disebut AFR aktual. Sedangkan AFR lainnya adalah AFR stoikiometri, merupakan AFR yang diperoleh dari persamaan reaksi pembakaran. Dari perbandingan nilai AFR tersebut dapat diketahui nilai Rasio Ekuivalen (ϕ) : 𝜙 = 𝐴𝐹𝑅𝑠 : 𝐴𝐹𝑅𝑎𝑘𝑡
…………………………………………………………………………….
2.6
Untuk dapat mengetahui nilai AFR , maka harus dihitung jumlah keseimbangan atom C, H dan O dalam suatu reaksi pembakaran. Adapun rumus umum reaksi pembakaran yang menggunakan udara kering adalah : ……………………….
2.7
2.9 Motor Diesel Motor diesel ditemukan oleh seorang insinyur Jerman benama Rudolf Diesel pada tahun 1897 sebagai salah satu jenis motor pembakaran dalam (Internal Combustion Engine). Konsep dari mesin ini adalah memulai pembakaran dengan menyemprotkan bahan bakar cair ke dalam udara yang dipanaskan kompresi yang dapat menghasilkan efisiensi yang lebih dari motor bensin. Motor bakar diesel yang bebeda dengan motor bakar bensin proses penyalaan bukan dengan loncatan bunga api listrik. Pada langkah hisap hanyalah udara segar yang
10
masuk ke dalam silinder. Pada waktu torak hampir mencapai TMA bahan bakar disemprotkan ke dalam sillinder. Terjadilah penyalaan untuk pembakaran, pada saat udara masuk ke dalam silinder sudah bertemperatur tinggi. Tipe- Tipe Motor Diesel :
Tipe Motor Diesel Injeksi Langsung (Direct Injection Type) Bahan bakar disemprotkan langsung ke Ruang bakar utama letak ruang bakar utama ada di antara piston & silinder headBagian atas piston dibuatkan ruang dengan desain khusus.
Tipe Injeksi Tidak Langsung ( Indirect Injection Type) Pada ruang bakar Motor diesel Injeksi tidak langsung, Bahan bakar disemprotkan ke dalam ruang bakar pendahuluan (prechamber) yang telah dipanaskan dan disinilah awal pembakaran terjadi untuk mendapatkan campuran yang baik kemudian dilanjukan dengan pembakaran utama diruang bakar utama.
2.10
Prinsip Kerja Motor Diesel Empat Langkah Pada motor diesel empat langkah, katup masuk dan katup buang digunakan untuk
mengontrol proses pemasukan dan pembuangan gas dengan membuka dan menutup saluran masuk dan saluran buang.
Gambar 2.3. Prinsip kerja motor diesel 4 langkah 1. Langkah isap, yaitu waktu torak bergerak dari TMA ke TMB. Udara diisap melalui katup isap sedangkan katup buang tertutup.
11
2. Langkah kompresi, yaitu ketika torak bergerak dari TMB ke TMA dengan memampatkan udara yang diisap, karena kedua katup isap dan katup buang tertutup, sehingga tekanan dan suhu udara dalam silinder tersebut akan naik. 3. Langkah usaha, ketika katup isap dan katup buang masih tertutup, partikel bahan bakar yang disemprotkan oleh pengabut bercampur dengan udara bertekanan dan suhu tinggi, sehingga terjadilah pembakaran. Pada langkah ini torak mulai bergerak dari TMA ke TMB karena pembakaran berlangsung bertahap. 4. Langkah buang, ketika torak bergerak terus dari TMA ke TMB dengan katup isap tertutup dan katup buang terbuka, sehingga gas bekas pembakaran terdorong keluar. 2.11
Siklus Motor Diesel Siklus Diesel adalah Siklus teoretis untuk (Compression Ignition Engine) atau motor diesel.Perbadaan siklus diesel dengan siklus otto adalah: pada motor diesel penambahan panas terjadi pada tekana tetap.
Gambar:2.4. Siklus diesel digram P-V dan T-S Prosesnya: 1-2 Kompresi Isentropik (Reversibel Adiabatik). 2-2 Pembakaran Isobarik. 3-4 Ekspansi Isentropik (Reversibel Adiabatik) 4-1 Pembakaran kalor Isochoric.
12
Efisiensi teoritis siklus diesel ………………………………………… 2.1
𝜂 =1Efisiensi teoritis siklus dual:
𝜂 = 1-
……………………………………….. 2.2
Dimana: P3/P2 (Perbandingan tekana pada volume konstan) V4/V2 (Cut-off ratio/ perbandingan pemancuan). K = 1,40 r= V1/V2 2.12
Komponen Bahan Bakar Motor Diesel
Gambar 2.5. Komponen Bahan bakar Motor diesel
13
Dapat dilihat pada gambar 2.5 komponen – komponen bahan bakar pada motor diesel Adapun fungsi – fungsi komponen tersebut : 1. Fuel tank berfungsi untuk menyimpan bahan bakar sementara yang akan digunakan dalam penyaluran bahan bakar yang dibutuhkan oleh mesin. 2. Feed pump atau pompa penyalur berfungsi untuk mengalirkan bahan bakar dengan cara memompa bahan bakar dari tangki dan mengalirkannya ke pompa injeksi. Didalam feed pump juga terpasang komponen yang bernama priming pump, yang berfungsi untuk mengeluarkan udara palsu dari sistem bahan bakar. 3. Fuel filter biasanya terdapat 2 (dua) yaitu pada bagian sebelum feed pump yang dilengkapi pula dengan water sedimenter yang berfungsi untuk memisahkan air dalam sistem bahan bakar dan fuel filter (saringan bahan bakar) yang berfungsi untuk menyaring kotoran kotoran yang terdapat pada bahan bakar untuk menjaga kualitas bahan bakar agar selalu bersih dan tidak menghambat aliran bahan bakar. 4. Injection pump yang berfungsi untuk menaikkan tekanan sehingga bahan bakar solar dapat mudah dikabutkan oleh nozzle. didalam pompa injeksi ada komponen yang bernama automatic timer dan governor yang fungsinya ada dibawah ini. 5. Automatic timer yang terpaang pada bagian depan pompa injeksi yang berhubungan dengan timing gear berfungsi untuk memajukan saat injeksi sesuai dengan putaran motor. 6. Governor terpasang pada bagian belakang pompa injeksi yang berfungsi sebagai pengatur jumlah injeksi bahan bakar sesuai dengan pembebanan motor. 7. Pengabut (Nozzle) berfungsi untuk mengabutkan bahan bakar agar mudah bercampur dengan oksigen sehingga mudah terbakar dalam silinder 8. Pipa tekanan tinggi terbuat dari bahan baja yang berfungsi untuk mengalirkan bahan bakar bertekanan tinggi dari pompa injeksi ke masing-masing pengabut 9. Busi pijar atau busi pemanas (glow plug) berfungsi untuk memanaskan ruangan prechamber pada saat mulai start. Dengan merubah energi listrik dari battery menjadi energi panas 10. Battery (aki) berfungsi sebagai sumber energi listrik yang mensupply energi yang dibutuhkan oleh busi pijar untuk memanaskan ruangan pre chamber 11. Kunci kontak (ignition switch) berfungsi sebagai saklar utama pada sistem kelistrikan kendaraan 12. Relay yang berfungsi sebagai pengaman dan pengatur saat pemanasan ruang pre chamber. 14
2.12.1. Tangki Bahan bakar Tangki bahan bakar terbuat dari bahan yang tidak korosi atau terbuat dari baja tipis yang bagian dalamnya melapisi bahan anti karat. Tangki bahan bahar harus bebas dari kebocoran dan tahan terhadap tekana minimal 0-3 bar, serta tahan terhadap getaran mekanis yang ditimbulkan pada saat motor beroperasi. Dalam tangki bahan bakar terdapat fuel sender gauge yang berfungsi untuk menujukan jumlah bahan bakar yang ada didalam tangki.
2.12.2. Filter Bahan Bakar Umur komponen system aliran bahan bakar motor diesel sangat ditentukan oleh mutu saringan / filter serta perawantan berkala system bahan bakar.Tekanan bahan bakar dapat dibangkitkan oleh pompa injector melalui plunyer dan barel serta nozel. Hal ini mengharuskan bahan bakar yang selalu bersih dan tidak terkontaminasi oleh material lain sebelum masuk ke pompa injektor dan nozel.
2.12.3. Pompa Injeksi Berfungsi memberikan tekanan pada solar yang akan diinjeksikan / disemprotkan oleh nozzel. Pada gambar 2.6 dapat dilihat gambar pompa injector dan bagian – bagianya.
Gambar 2.6. Pompa Injektor 15
2.12.4. Injektor / Nozel Injektor / Nozel adalah Pemisahan fluida atau minyak menjadi tetesan kecil yang membutuhkan energi tertentu, energi yang diberikan melalui pompa yang memiliki tekanan, yang tinggi. Dengan pompa bertekanan tinggi akan memecahkan minyak atau fluida dengan kecepatan tertentu, tekanan dan kecepatan yang diberikan biasaya mencapai 100 psi sehinga memaksa fluida atau minyak melalui lubang nozel. Dapat dilihat pada gambar 2.7 model injektor / nozel dan bagian – bagian dari injektor / nozel tersebut.
Gambar 2.7. Injektor/Nozel Untuk mengatahui model laju aliran masa tekanan injeksi, tekanan udara lingkungan, sifat fisik bahan bakar yang diuji, dapat di notasi dengan L/D geometri lubang Nozel R/D Rasio Inlet. Parameter output koefisien debit aliran, kecepatan injeksi yang efektif, dan diameter efektif dapat digunakan persamaan sebagai berikut : ……………………………………………
2.8
Keterangan : = mean velocity. = injeksi rate. 16
= liquid density. = nozel hole area. Dan untuk menghitung tekanan masuk dan keluar (P1, P2) digunakan persamaan Bernoulli’s. …………………………………
2.9
Dimana tekanan lingkungan (P2) akan diganti kooefisienya ( Cd) maka. ………………………………..…..
2.10
Fraksi kooefisenya adalah: ……………………………………. 2.11 Macam – macam injektor seperti disebutkan diatas dengan sifat pengabutan dan karakteristik yang berbeda maka pemilihan untuk fungsi pemakaiannya juga berbeda yang tergantung pada proses pembakarannya dan proses pembakaran ini ditentukan oleh bentuk ruang bakarnya, untuk sifat-sifat injektor ini antara lain adalah seperti berikut: a. Injector berlubang satu (Single hole) proses pengabutannya sangat baik akan tetapi mememrlkukan tekanan injection pump yang tinggi. b. Demikian
halnya
dengan
injektor
berlubang
banyak
(multi
hole)
pengabutannya sangat baik. Injector ini sangat tepat digunakan pada direct injection (injeksi langsung). c. Injektor dengan model pin, injektor model pin ini model trotle maupun model pintle lebih tepat digunakan pada motor diesel dengan ruang bakar yang memiliki combustion chamber, kamar muka maupun kamar pusar (turbulen) dan Tipe Lanova.
17
2.13
Penyemprotan (Spray) Penyemprotan atau spray adalah aliran udara / gas yang mengandung droplet; atau droplet yang bergerak dalam aliran udara / gas.Oleh karena itu, dalam proses pengabutan ini pada dasarnya adalah mencampur bahan bakar dengan oksigen, untuk itu proses pengabutan untuk memperoleh gas bahan bakar yang sempurna pada injector dapat dilakukan dengan tiga sistem pengabutan yaitu: a. Pengabutan Udara Proses pengabutan udara terjadi pada saat bahan bakar yang bertekanan 60 sampai 85 kg/cm² mengakibatkan tekanan pada rumah pengabut sebesar 60 kg/cm² yang selalu berhubungan langsung dengan tabung udara dengan tekanan bahan bakar dari pompa mencapai 70 kg/cm² pada Volume tertentu akan tertampung pada cincin pembagi dari pengabut tersebut.
b. Pengabutan Tekanan Pada proses pengabut tekan ini saluran bahan bakar dan ruangan dalam rumah pengabut harus selalu terisi penuh oleh bahan bakar, dengan jarum pengabut yang tertekan oleh pegas sehingga saluran akan tertutup. Namun ketika bahan bakar dari injection pump yang beterkanan 250 kg/Cm² mengalir kebagian takikan jarum pengabut, pengabut akan tertekan keatas sehingga saluran akan terbuka. Dengan demikian, bahan bakar akan terdesak melalui celah di antara jarum pengabut dalam bentuk gas.
c. Pengabutan Gas Pengabutan ini dikonstruksi sedemikisn rupa dengan komponen – komponen yang terdiri atas rumah pengabutan, katup dan bak pengabutan yang ditempatkan di bagian bawah dari pengabutan dan berada di dalam ruang bakar. Dalam proses pengabutan ini bahan bakar telah berada dalam keadaan bertekanan tinggi dan katup injeksi sudah terbuka sejak langkah pengisapan oleh torak dan pada kondisi demikan ini sebagian bahan bakar telah menetes ke bak pengabut yang di bagian sisinya terdapat lubang-lubang kecil (Taufiq, 2012). Pada gambar 2.8 dapat dilihat sistem semprotan (spray) yang terjadi pada proses pengabutan.
18
Gambar 2.8. Sistem peyemprotan ( spray) (Adapted from: www.elsevier.com/locate/renene)
Untuk mesin diesel, penetrasi ujung semprotan terlalu lama disebabkan oleh injeksi tekanan tinggi juga memiliki efek yang merugikan pada kontrol akurasi campuran dan kinerja emisi karena penguapan. Berdasarkan topik diatas sehingga untuk dapat mengetahui tingkat penyemprotan dengan tekanan atomisasi, dan dapat di ukur sudut kerucut berdasarkan jarak semprotan digunakan persamaan empiris dimana
, dapat
dilihat pada gambar 2.9 penyemprotan tip penetrasi, jarak penetrasi L oleh (Arai et al)
Gambar 2.9. Penyemprotan tip Penetrasi
……………………………
2.12
……………………………………….. 2.13
……………………………………………… 2.14 19
……………………………………..
2.15
Dimana : L
= Jarak penetrasian. = Tekana injeksi. = Lubang Nozel. = Break-up time = Udara lingkungan. = Diameter nozel. Diameter semprotan merupakan hasil rata – rata dari panjang semprotan di
sumbu vertikal dan sumbu horizontal. Berdasarkan data diameter hasil semprotan, menurut (Borman, 1998) besarnya sudut semprotan dapat dihitung dengan menggunakan rumus: ………………………………………………….
2.16
Dimana : Ɵ = Sudut semprotan ( o) Δp = Tekanan injector (MPa) = Diameter semprotan (mm) = Velocity (m/s)
Sepanjang semprotan penetrasi ditentukan dengan mencari arah axial semprotan yang terjauh dari nozzel, sudut yang meliputi struktur semprotan dari nozzle hingga 1/3 dari penetrasi. Garis linear digunakan untuk mengukur sudut yang dekat dan garis singgung kontur yang ada sampai ujung semprotan. (Ghurri et.el)
20
Gambar 2.10. Tip Penetrasi
Pada gambar 2.10 dapat dilihat tip penetrasi yang terjadi pada nozel spray. Untuk menganalisis sifat penetrasi semprotan diatas digunakan persamaan Hiroyasu ……………………………… 2.17 ...……………...…………….. 2.18 ...………….………………… 2.19 ……………………………. 2.20
.……………………………. 2.21
Dimana : = Diameter Nozel. = Penetrasi tip penyemprotan. = Waktu setelah mulai injeksi. = Break up time. = Kecepatan awal semprotan. = Discharge Koofisen Nozel. 21
= Tekanan Injeksi. = Fuel Density. = Density udara Lingkungan. = Volume fraction pengabutan dari semprotan. = Sudut kerusut semprotan.
Konsumsi bahan bakar spesifik (SFC) adalah menyatakan jumlah pemakaian bahan bakar yang dikonsumsi oleh motor untuk menghasilkan daya (Hp) dalam kurun waktu tertentu. Semakin rendah nilai Sfc maka semakin rendah pula konsumsi bahan bakar yang digunakan. Berikut ini merupakan hasil dari pengukuran konsumsi bahan bakar spesifik. Rumus yang digunakan untuk menghitung Sfc adalah : ……………………………………………….
2.22
Dimana : Sfc
: Specific fuel consumption (Kg/Hp.jam)
mf
: laju aliran bahan bakar (Kg/jam)
P
: daya yang dihasilkan oleh mesin (Hp)
Sementara nilai diameter rata – rata dari semprotan yang terjadi ini dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Sauter Mean Diameter (SMD) berikut (Viriato, 1996) : .......
2.23
Dimana : σ = Tegangan permukaan minyak ρl = Massa jenis minyak Va = Kecepatan Udara µl = Viskositas minyak ρa = Udara lingkungan AFR = Rasio bahan bakar dengan udara 22
2.14
Camera Camera High speed digunakan untuk mengambil proses gambar panjang penyemprotan dan ukuran butiran pada saat penetrasi bahan bakar. untuk menganalisis data dari panjang semprotan, dan ukuran butiran digunakan softwere. Adapun model camera high speed dapat dilihat pada gambar 2.11.
Gambar 2.11. High Speed Camera
23
BAB III KERANGKA BERPIKIR, KONSEP DAN HIPOTESIS PENELITIAN
2.1. Kerangka Berpikir Biodiesel adalah salah satu bahan bakar alternatif yang mempunyai beberapa keunggulan di antaranya mudah digunakan, ramah lingkungan (biodegradable), tidak beracun, bebas dari logam berat seperti sulfur dan senyawa aromatik serta memiliki titik nyala yang tinggi. Biji alpukat merupakan salah satu sumber minyak nabati yang melimpah, cukup mudah untuk dapat ditemukan dan memiliki kandungan minyak yang relatif tinggi dibandingkan dengan tanaman lain, sehingga dalam pengolahan menjadi minyak nabati memiliki keberlanjutan yang baik. Biodiesel dari minyak biji alpukat lebih ekonomis dan ramah lingkungan karena kadar belerang dalam minyak tersebut kurang dari 15 ppm. Memiliki angka setana yang tinggi, maka pembakaran biodiesel berlangsung lebih sempurna. Dengan berbagai hal di atas diperlukan penelitian lebih lanjut untuk dapat mengetahui performansi mesin diesel yang menggunakan biodiesel minyak biji alpukat ditinjau dari panjang penyemprotan dan ukuran butirannya.
2.2. Konsep Dengan berbagai keunggulan yang terdapat pada biji alpukat dan memiliki kandungan minyak yang relative lebih besar bila dibandingkan dengan penggunaan sumber nabati yang lain dihitung per gram yang sama, maka akan di lakukan pengamatan dan analisis dari karaktersitik minyak biodiesel biji alpukat, adapun proses dalam pembuatan biodiesel biji alpukat diantaranya proses transesterifikasi dan titrasi untuk menentukan banyaknya katalis (KOH/NaOH) yang diperlukan Dari biodiesel tersebut akan diamati karakteristik panjang penyemprotan dan ukuran butiran dari masing – masing campuran biodiesel 5%, 10%, 15%, dan 20%, maka akan dapat di ketahui karakteristik dari masing – masing campuran tersebut yang berdampak terhadap performansi dan effisiensi.
24
2.3. Hipotesis Penelitian Mengacu pada pemasalahan di atas, hipotesis yang disampaikan dalam penelitian ini adalah biodiesel menghasilkan karakteristik panjang penyemprotan dan ukuran butiran yang lebih baik bila dibandingkan dengan minyak solar.
25
BAB IV METODE PENELITIAN
4.1 Metode Penelitian Pengujian dilakukan terhadap biodiesel biji alpukat dengan perbandingan campuran 5%, 10%, 15%, 20%, dan 100% solar, ditinjau dari panjang penyemprotan dan ukuran butiran, maka akan dapat diketahui karakteristik panjang penyemprotan dan ukuran butiran dari masing – masing campuran. Dilakukan pengamatan dan analisis data dari masing – masing hasil pengujian sehingga dapat menentukan campuran terbaik dari masing – masing campuran tersebut. 4.2 Tempat Penelitian Tempat penelitian dilakukan di laboratorim Mekanik Politeknik Negeri Bali dan Laboratorium Konversi Energi Universitas Udayana Jimbaran Badung Bali.
4.3 Batas Dan Prosedur Pengujian Pengujian dilakukan dengan mengunakan Injektor / Nozel berdasarkan perbandingan bahan bakar biodiesel minyak biji alpukat dan minyak solar atau fosil. a. Pengujian dilakukan berdasarkan persentase campuran biodiesel minyak biji alpukat dengan minyak solar/fosil. b. Pengujian ini dilakukan tanpa modifikasi pada injektor/ Nozel agar dapat memperoleh fleksibilitas dalam penggunaan bahan bakar. c. Pengujian ini dilakukan pada tekan 150 bar pada nozel injektor
26
4.4 Skema Pembuatan Biodiesel Minyak Alpukat
Biji Alpukat
C
Pengupasan & Pengeringan
Esterifikasi (E1)
Ekstraksi / Pengepresan
Esterifikasi (E2)
ET
EET
Transesterifikasi (T) Cruid Oil T
Deguming
Biodiesel Alpukat
Refined Oil
C
Gambar. 4.1 Skema proses pengolahan biji alpukat menjadi biodiesel alpukat Dapat dilihat pada gambar 4.1 skema proses pengolahan biji alpukat menjadi biodiesel minyak alpukat. Biji alpukat dikupas dan dikeringkan terlebih dahulu lalu di ekstraksi menjadi crude oil, dimurnikan dengan H2SO4 / HCl sehingga minyak tersebut mengalami deguming / pengendapan, kemudian minyak nabati yang telah di murnikan tersebut di esterifikasi dengan penambahan katalis berupa KOH / NaOH, kemudian di transesterifikasi dengan penambahan ethanol / methanol, barulah di dapatkan hasil berupa biodiesel minyak alpukat. Pada gambar 4.2 di bawah ini dapat dilihat biji buah alpukat yang telah dikupas dan dikeringkan.
27
Gambar 4.2. Biji Buah Alpukat
Gambar 4.3. Proses Pembuatan Biodiesel Minyak Alpukat Pada gambar 4.3 diatas dapat dilihat biji buah alpukat yang telah mengalami proses pengeringan dan di parut, lalu di ekstraksi agar dapat menghasilkan minyak biji alpukat.
28
Gambar 4.4. Proses Esterifikasi dan Transesterifikasi Pada Gambar 4.4 dapat dilihat minyak nabati yang di murnikan agar menghasilkan degumming, dan melalui proses esterifikasi dan transesterifikasi agar dapat menghasilkan biodiesel minyak alpukat. Pada proses pemurnian di tambahkan H2SO4 / HCL pada temperature 80o – 100o sehingga menghasilkan deguming, barulah kemudian dilanjutkan dengan penambahan katalis berupa NaOH, dan penambahan methanol untuk dapat menjadi biodiesel minyak alpukat.
29
\
Gambar 4.5. Gambar Peralatan dan Proses Pengujian Pada gambar 4.5 dapat dilihat alat – alat pengujian yang di gunakan dalam penelitian ini, adapun alat uji yang di gunakan antara lain, rangkaian alat uji panjang semprotan dan ukuran butiran, alat uji flas dan fire point, dan alat uji bomb calorimeter.
30
4.5 Diagram Alir Pengujian Adapun proses diagram alir pengujian bahan bakar biodiesel minyak alpukat di tunjukkan pada gambar diagram alir di bawah ini :
Persiapan Alat
Pelaksanaan Pengujian Bahan Bakar BD & D
Camera HS
% BIODIESEL
Hasil Semprotan
% DIESEL / SOLAR
Plot Grafik
Kesimpulan
Keterangan : : Garis Pembanding
Gambar 4.6 Diagram Alir Pengujian
31
4.6 Proses Pengambilan Data Pada gambar 4.7 di bawah dapat dilihat skema proses pengambilan data pengujian, berikut merupakan proses alur pengambilan data yang dilakukan dalam penelitian panjang semprotan, ukuran butiran, dan sudut semprotan bahan bakar. Nozzle berfungsi menginjeksikan bahan bakar biodiesel dan campuran biodiesel ke dalam ruang pengujian, adapun tekanan hidrolis pada nozzle tester adalah 150 bar. Bahan bakar di injeksikan ke dalam simulasi ruang bakar melalui nozell injector, kemudian bahan bakar yang masuk ke dalam simulasi ruang bakar di rekam dengan high speed kamera sehingga di dapatkan gambar sudut semprotan, ukuran butiran, dan panjang semprotan, tekanan ambinen dalam simulasi ruang bakar tersebut di kondisikan konstan sebesar 10 bar.
Gambar 4.7. Skema Proses pengambilan Data
32
BAB V DATA PENELITIAN
5.1 Prosedur Penelitian Pada gambar 5.1 dapat dilihat pengujian penelitian panjang penyemprotan, sudut, dan ukuran butiran bahan bakar digunakan dua buah bahan bakar yaitu minyak biodiesel biji alpukat dan minyak solar. Pengujian ini dilakukan dengan memvariasikan campuran dari kedua bahan bakar minyak tersebut, adapun variasi campuran bahan bakar pengujian dapat dilihat pada gambar 5.2. Pengujian awal dari bahan bakar adalah pengujian 100% minyak solar, lalu 100% minyak biodiesel biji alpukat, 5%BD (5% Biodiesel + 95% Solar), 10% BD (10% Biodiesel + 90% Solar), 15%BD (15% Biodiesel + 85% Solar), 20%BD (20% Biodiesel + 80% Solar). Variable tetap pada pengujian ini adalah tekanan injector dari tester injector (Pinj) 150 bar dan tekanan ruang bakar (Pamb) 10 bar.
Tangki Minyak
Pipa kapiler
Tekanan Ruang bakar 10 bar
Tekanan tester nozel 150 bar
Tester Nozel Simulasi Ruang bakar
Kamera HD
Gambar 5.1. Rangkaian Alat Pengujian
33
Gambar 5.2. Variasi Campuran Bahan Bakar Pengujian
5.2 Data Penelitian Data yang di dapat dari pengamatan kamera video pada penelitian adalah sebagai berikut, Panjang tip penetrasi semprotan (L), Kecepatan tip penetrasi (Uin), Sudut semprotan (Ɵ), Luas area semprotan (A), dan distribusi ukuran diameter dari butiran / droplet (D) yang terjadi pada semprotan minyak biodiesel. Untuk dapat menemukan nilai – nilai dari karakter semprotan tersebut di atas, data mentah tersebut kemudian di ubah dalam format (jpg). Gambar 5.3 menunjukkan salah satu semprotan hasil pengujian yang telah di ubah formatnya menjadi format gambar (jpg).
Gambar 5.3. Pengolahan data awal semprotan dengan program image J
34
5.3 Pengolahan Data
Data panjang dan kecepatan tip penetrasi semprotan Gambar 5.4. di bawah ini menunjukkan pengukuran sudut dan panjang tiap variasi biodiesel hasil pengolahan dimana ditunjukkan karakteristik semprotan dimulai dari ujung nozzle hingga akhir semprotan (semprotan yang sempurna) untuk setiap variasi biodiesel.
Gambar 5.4. Pengukuran sudut dan panjang tiap variasi biodiesel Panjang tip penetrasi semprotan (L) yang terbentuk pada tiap pengujian tersebut diatas rata – rata menunjukkan panjang lebih besar dari pada 200 mm dan memiliki kecepatan yang bervariasi untuk terbentuknya tip penetrasi yang berbeda 35
untuk tiap pengujiannya. Dan berikut ini merupakan table lengkap dari hasil karakteristik semprotan yang terjadi pada tiap pengujian. Tabel 5.1 data sudut, kecepatan dan panjang semprotan untuk tiap variasi biodiesel 5 % BD
10 % BD
No
Sudut Ѳ ( Deg)
Jarak L ( 10-3 m)
Waktu t ( 10-3 s)
Kecepatan V (m/s)
No
Sudut Ѳ (Deg )
Jarak L ( 10-3 m)
Waktu t ( 10-3 s)
Kecepatan V (m/s)
1
8.16
192.46
19.6
9.82
1
6.60
202.58
32.30
6.27
2
8.92
204.84
22.4
9.14
2
6.37
229.03
36.40
6.29
3
9.05
212.58
24
8.86
3
7.45
236.45
37.00
6.39
4
9.58
219.37
27.4
8.01
4
8.39
243.23
38.20
6.37
5
11.77
228.06
29.2
7.81
5
9.77
244.36
39.00
6.27
9.50
211.46
24.52
8.73
7.72
231.13
36.58
6.32
No
Sudut Ѳ (Deg )
Jarak L ( 10-3 m)
Waktu t ( 10-3 s)
Kecepatan V (m/s)
No
Sudut Ѳ (Deg )
Jarak L ( 10-3 m)
Waktu t ( 10-3 s)
Kecepatan V (m/s)
1
5.19
238.06
26.40
9.02
1
5.19
216.25
24.40
8.86
2
7.82
245.32
27.00
9.09
2
7.82
229.69
27.20
8.44
3
9.04
246.13
28.20
8.73
3
9.04
236.27
35.20
6.71
4
11.66
249.68
29.00
8.61
4
11.66
239.53
38.20
6.27
5
11.47
254.03
38.00
6.69
5
11.47
237.21
44.00
5.39
9.04
246.64
29.72
8.43
9.04
231.79
33.80
7.14
No
Sudut Ѳ (Deg )
Jarak L ( 10-3 m)
Waktu t ( 10-3 s)
Kecepatan V (m/s)
No
Sudut Ѳ (Deg )
Jarak L ( 10-3 m)
Waktu t ( 10-3 s)
Kecepatan V (m/s)
1
6.29
233.00
34.40
6.77
1
4.72
183.45
8.20
22.37
2
6.97
242.00
37.20
6.51
2
8.43
198.31
9.20
21.56
3
7.62
243.00
45.20
5.38
3
11.21
212.20
10.50
20.21
4
8.76
244.00
48.20
5.06
4
13.80
215.41
12.00
17.95
5
9.19
245.00
54.00
4.54
5
14.82
217.05
16.00
13.57
7.77
241.40
43.80
5.65
10.59
205.28
11.18
19.13
15 % BD
20 % BD
100% BD
100 % D
36
Sedangkan untuk grafik karakteristik lengkap dari panjang tip penetrasi tiap semprotan pada pengujian ini dapat dilihat seperti pada grafik 5.1 sampai grafik 5.3 berikut :
Grafik 5.1 Hubungan panjang tip penetrasi dengan waktu semprotan Dari grafik 5.1 diatas, dapat dijelaskan bahwa semakin besar kandungan persentase biodiesel sangat berpengaruh pada panjang tip penetrasi, dimana penambahan persentase biodiesel berdampak pada peningkatkan panjang tip penetrasi dan peningkatkan waktu semprotannnya.
Grafik 5.2 Perubahan sudut penyemprotan setiap Pengujian Sedangkan dari grafik 5.2, dapat dijelaskan bahwa penambahan persentase biodiesel pada minyak solar berpengaruh pada terbentuknya sudut semprotan 37
bahan bakar tersebut, begitu juga berpengaruh terhadap waktu terbentuknya semprotan. Dimana semakin besar kandungan persentase biodiesel akan meningkatkan waktu penyemprotannya. Nilai sudut semprotan pada variasi campuran 5%BD, 10%BD, 15%BD, dan 20% BD, adalah 9.50o, 7.72o, 9.04o, 9.04o. Secara signifikan sudut semprotan pada minyak solar murni (100%D) cenderung lebih besar daripada minyak biodiesel murni dalam beberapa variasi dengan besar sudut maksimum sampai 10.59o
sedangkan minyak biodiesel
100%BD sudut maksimum hanyan mencapai 7.77o.
Grafik 5.3 Variasi Kecepatan semprotan pengujian
Grafik 5.3 diatas merupakan perbedaan kecepatan semprotan yang terdapat pada tiap persentase biodiesel. Grafik tersebut menunjukkan bahwa penambahan persentase biodiesel cenderung akan mengakibatkan semakin kecilnya kecepatan yang terbentuk pada semprotan yang berarti semakin lama terbentuknya semprotan pada persentase biodiesel yang lebih besar. Perbedaan kecepatan biodiesel murni (100%BD) dengan kecepatan solar murni (100%D) cukup besar dimana nilai kecepatan 100%BD 5.65 m/s sedangkan nilai kecepatan 100%D adalah 19.13 m/s.
38
Grafik 5.4 Variasi Sudut semprotan pengujian
Sedangkan grafik 5.4 diatas merupakan perbedaan sudut semprotan maksimal yang terjadi pada tiap persentase biodiesel. Grafik tersebut menunjukkan bahwa sudut semprotan yang terbentuk cenderung meningkat untuk tiap penurunan persentase kandungan biodiesel. Sudut maksimum yang mampu terbentuk oleh solar murni (100%D) adalah yang paling besar yaitu hingga 14,82o. Namun hal ini berbeda signifikan dengan sudut semprotan pada minyak biodiesel murni (100%BD) dimana sudut maksimum yang terbentuk oleh minyak biodiesel murni adalah yang paling rendah yaitu sebesar 9,19o, lebih kecil 3o dari sudut semprotan solar murni.
Data distribusi butiran (droplet) Selanjutnya untuk dapat mengetahui distribusi butiran untuk semprotan pada tiap pengujian, data yang telah berbentuk gambar seperti pada gambar 5.3 dan 5.4 diatas, dapat diketahui melalui olah data lebih lanjut dengan menggunakan program image J yang banyak beredar di pasaran. Hasil olah data lebih lanjut ini akan dapat diketahui berapa banyak jumlah butiran yang terdapat pada setiap semprotan, diameter butirannya, luas area semprotan, dan persentase jumlah dari tiap butiran dengan diameter tertentu. Gambar 5.5 berikut merupakan salah satu contoh hasil oleh data dengan menggunakan program Image J tersebut. 39
Gambar 5.5 hasil olah data dengan menggunakan program Image J
Dan table 5.2 berikut merupakan contoh hasil keseluruhan distribusi butiran yang ada pada semprotan dengan campuran 5%BD, dan table 5.3 adalah hasil resume dari total tabel untuk tiap campuran biodiesel yang berbeda. Sedangkan grafik 5.5 sampai grafik 5.10 merupakan implementasi data yang mewakili tabel – tabel distribusi diameter butiran pada masing – masing semprotan.
40
Tabel 5.2 Data distribusi butiran semprotan pada campuran 5% BD Data ke-n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 .... 2671 2672 2673 2674 2675 2676 2677
Area
Mean
X
Y
124860 2 1 1 1 3 2 1 7 2 5 14 1 1 5 7 1 5 …. 17 9 1 6 1 1 5
14.60 24.50 9.00 1.00 0.00 17.33 7.00 25.00 22.57 30.50 17.20 22.36 11.00 5.00 20.00 23.29 29.00 21.40 …. 15.29 12.89 0.00 8.00 0.00 31.00 1.80
517.64 340.00 383.50 694.50 741.50 668.17 725.50 684.50 717.21 708.00 710.70 680.86 700.50 675.50 707.90 682.36 684.50 676.10 …. 461.15 457.39 460.50 461.50 913.50 461.50 561.50
99.13 0.50 0.50 0.50 0.50 21.50 31.00 32.50 35.07 35.50 36.70 37.71 36.50 37.50 38.90 41.50 38.50 40.50 …. 175.56 180.39 182.50 184.00 186.50 187.50 195.50
D (µm) 1561.59 3.26 2.31 2.31 2.31 4.00 3.26 2.31 6.10 3.26 5.16 8.63 2.31 2.31 5.16 6.10 2.31 5.16 …. 9.51 6.92 2.31 5.65 2.31 2.31 5.16
Tabel 5.3 Data total distribusi butiran tiap campuran biodiesel
Biodiesel / Diesel No 1 2 3 4 5 6
(%) 5 % BD 10 % BD 15 % BD 20 % BD 100% BD 100 % D
Jumlah Butir (n)
(µm)
%
2677 2596 2266 2342 3177 3682
2.31 2.71 2.20 0.00 1.49 3.06
50.24 53.21 58.87 52.69 52.22 66.97
D Min
D Max (µm) 19.98 31.62 8.53 17.70 11.81 344.69
Luas Total % 0.04 0.04 0.04 0.04 0.03 0.03
(µm2) 10934.37 11844.53 6389.43 9066.32 7856.62 17926.84
41
Grafik 5.5 Distribusi diameter butiran semprotan minyak 5% BD
Gambar 5.6 Distribusi butiran semprotan minyak 5 % BD
42
Grafik 5.6 Distribusi diameter butiran semprotan minyak 10% BD
Gambar 5.7 Distribusi butiran semprotan minyak 10 % BD
43
Grafik 5.7 Distribusi diameter butiran semprotan minyak 15% BD
Gambar 5.8 Distribusi butiran semprotan minyak 15 % BD
44
Grafik 5.8 Distribusi diameter butiran semprotan minyak 20% BD
Gambar 5.9 Distribusi butiran semprotan minyak 20 % BD
45
Grafik 5.9 Distribusi diameter butiran semprotan minyak 100% D
Gambar 5.10 Distribusi butiran semprotan minyak 100% D
46
Grafik 5.10 Distribusi diameter butiran semprotan minyak 100 % BD
Gambar 5.11 Distribusi butiran semprotan minyak 100 % BD Grafik 5.5 sampai 5.10 diatas menunjukkan distribusi butiran untuk tiap persentase biodiesel dan solar murni (100%D). Pada persentase biodiesel 5%BD sampai 20%BD (grafik 5.5 sampai 5.8) memiliki karakter distribusi butiran yang 47
relative sama, dimana nilai diameter butiran yang mendominasi berada pada diameter 45µm. Sedangkan pada biodiesel murni dan solar murni (grafik 5.9 dan grafik 5.10) memiliki nilai diameter butiran dominan pada nilai sekitar 50µm. Perbedaan yang cukup signifikan antara minyak biodiesel murni dengan solar murni adalah pada biodiesel murni banyak juga didominasi oleh ukuran butiran yang lebih besar dari 50 µm, sedangkan pada solar murni sedikit sekali jumlah butiran yang diameternya lebih dari 50 µm tersebut. Tabel 5.4 merupakan perbandingan persentase jumlah butiran yang terdapat pada semprotan tiap campuran biodiesel yang diuji, sedangkan grafik 5.11 berikutmerupakan imploementasi dari tabel 5.4 tersebut. Dari grafik 5.11 tersebut terlihat bahwa karakter distribusi semprotan pada biodiesel murni (100%BD) dan campurannya masih terdapat perbedaan yang cukup signifikan,
Data Flash dan Fire Poin Dari tabel 5.4 dan 5.5 di bawah ini dapat dilihat flash point / titik nyala dan fire point dari masing – masing campuran biodiesel minyak alpukat. Tabel 5.4 Flash Point
Flash Point No
t1(oC)
t2(oC)
Σt (oC)
100 % D
49
51
50
100 % BD
65,5
74
74
5 % BD
44
49
46.5
10 % BD
46
47
46.5
15 % BD
44
49
46.5
20 % BD
43
45
44
48
Tabel 5.5 Fire Point
Fire Point
t1(oC)
t2(oC)
Σt(oC)
100 % D
57
58.5
57.75
100 % BD
83
88
85.5
5 % BD
50
58
54
10 % BD
57
61
59
15 % BD
51
55
53
20 % BD
49.5
51.5
50.5
Massa Jenis Bahan Bakar Tabel 5.6 Massa Jenis Bahan Bakar
Massa Jenis Bahan Bakar (ρ) ml
gr
ρ (gr/ml)
5 % BD
50
35.85
0.717
10 % BD
50
35.982
0.71964
15 % BD
50
35.332
0.70664
20 % BD
50
35.654
0.71308
100 % D
50
35.796
0.71592
100 % BD
50
36.816
0.73632
49
Nilai Kalor Bahan Bakar Tabel 5.7 Nilai Kalor Bahan Bakar Nilai kalor Bahan Bakar
No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Standarisasi benzoid acid (cal/gr°C)
1950.000
saample A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2 E1 E2 F1 F2
massa (gr) 1.996 1.902 2.050 2.028 2.026 2.050 2.084 2.080 2.052 2.050 2.020 2.120
T1(°C) T2(°C) 22.060 31.185 30.060 31.700 39.051 22.410 32.120 39.660 42.700 47.600 16.820 25.695
33.153 41.520 40.380 41.925 49.046 32.516 42.170 49.650 52.205 57.080 25.840 35.219
m.H2O 2.296 2.114 2.204 2.144 2.038 2.114 2.264 2.300 2.194 2.142 2.378 2.226
HHV (cal/gr) 10837.350 10595.820 9816.585 9831.731 9620.064 9613.024 9403.791 9365.625 9032.529 9017.561 8707.426 8760.283
LHV (cal/gr) 9597.992 9454.704 8626.888 8674.421 8519.972 8471.908 8181.706 8124.108 7848.230 7861.331 7423.805 7558.710
Keterangan : A : 100 % Diesel B : 5 % BD C : 10 % BD D : 15 % BD E : 20 % BD F : 100 % BD
50
BAB VI PEMBAHASAN
6.1 Anaslisis Panjang Tip Penetrasi Dari tabel 5.1 pada Bab 5 diatas di ketahui bahwa panjang tip penetrasi semprotan untuk masing – masing pengujian memiliki kecendrungan yang serupa yaitu memiliki panjang lebih dari 200 mm, hal ini dapat di akibatkan oleh tekanan pada pompa injeksi yang memiliki perbedaan yang cukup besar bila dibandingkan dengan tekanan ruang pengujian. Dari tabel tersebut dapat diketahui bahwa untuk campuran 5% BD jarak 0,2 m tercapai dalam waktu 0,0196 s sehingga kecepatan tip penetrasinya adalah 8,73 m/s sedangkan untuk solar murni (100%D) jaraknya 0,2 m tercapai hanya dalam waktu 0,0082 s sehingga kecepatan tip penetrasinya 19,13 m/s. Terlihat dari tabel tersebut bahwa semakin besar kandungan persentase biodiesel pada campuran akan berdampak pada penurunan kecepatan tip penetrasi. kecepatan tip penetrasi yang paling kecil terdapat pada minyak biodiesel murni 100%BD dimana nilai kecepatan tip penetrasinya tersebut hanya sekitar 5,65 m/s jauh lebih kecil dari nilai kecepatan pada minyak solar murni (100%D). Hal tersebut sangat di pengaruhi oleh kekentalan (viskositas) dari minyak biodiesel yang lebih besar dari pada minyak solar murni sehingga untuk dapat tercapainya tip penetrasi tersebut membutuhkan waktu yang lebih lama. Terbentuknya panjang tip penetrasipun memiliki nilai yang berbeda – beda untuk setiap pengujian yaitu pada pada 5%BD : 211,46x10-3, 10%BD : 231,13x10-3, 15%BD : 246x10-3, dan 20%BD 231,79x10-3 Sedangkan secara teoritis, panjang tip penetrasi ini juga dapat diperkirakan dengan menggunakan persamaan pada bab 2 diatas. Secara teoritis panjang tip penetrasi ini juga dapat diperkirakan dengan menggunakan persamaan 2.12. Dengan nilai Lb dapat dihitung melalui rumus seperti pada persamaan 2.14. Dimana diketahui bahwa dari data pada tabel pengujian dan tabel propertis minyak solar murni 100% D didapat : ΔPinj = 150 bar = 1,5 x 107 pa t
= 16.00 ms = 0,016s
ρL
= 840 kg/m3
ρa
= 1,2 kg/m3, dan
do
= 0,2 mm 51
sehingga panjang Lb :
Dan panjang tip penetrasi, L :
Melalui mekanisme perhitungan yang sama dengan di atas, selanjutnya di dapat data panjang tip penetrasi untuk campuran yang lain. Berikut ini merupakan tabel perbandingan panjang tip penetrasi yang didapat melalui eksperimen dengan panjang tip penetrasi secara teoritis untuk tiap campuran biodiesel. Tabel 6.1 perbedaan panjang tip penetrasi hasil pengujian dengan hasil perhitungan teoritis
No 1 2 3 4 5 6
% Campuran 5%BD 10% BD 15% BD 20% BD 100% BD 100% D
Jarak Aktual (mm) 211,46 231,13 246,64 237,21 245,00 205,28
Waktu ms 29,2 39,00 38,00 44,00 54,00 16,00
s 0,0029 0,0039 0,0038 0,0044 0,0054 0,0016
Jarak Teoritis (mm) 213 284 277 321 394 232
Panjang tip penetrasi yang didapat melalui perhitungan memiliki perbedaan dengan panjang tip penetrasi yang di dapat dengan pengujian, hal tersebut dapat diakibatkan oleh keterbatasan pada penelitian ini baik dari sisi alat pengujian, software, maupun tingkat ketepatan skala pada pengolahan data pengujian yang dilakukan secara manual. Jika dibandingkan dengan penelitian – penelitian yang telah dilakukan sebelumnya juga terdapat perbedaan yang relative besar tentang kecepatan tercapainya tip penetrasi ini. Waktu yang diperlukan untuk tercapainya panjang tip 52
penetrasi penuh berkisar antara rentang waktu 16,00 – 54,00 ms ( 16,00ms untuk 100%D, dan 54,00 ms untuk 100%BD). Sedangkan hasil yang didapat pada pengujian yang sama dengan tekanan injector yang sama pula sekitar 150 bar, waktu yang diperlukan untuk tercapainya tip penetrasi tersebuthanya berkisar pada nilai 1,2 ms saja (Liguan2007). Terjadinya perbedaan yang cukup jauh, ini besar dipengaruhi oleh alat (kamera) dan program yang digunakan untuk pengolahan data yang tidak memiliki spesifikasi yang memadai. High speed kamera yang digunakan pada penelitian sebelumnya telah menggunakan kamera yang memiliki nilai fps (fram per second) yang cukup tinggi yaitu sekitar 10000 fps (Yuan Gao et al, 2005) sedangkan high speed kamera yang digunakan pada penelitian ini hanya memiliki kemampuan 50 fps saja (NIKON D5200 series). Sehingga dapat dirasa wajar jika terjadi perbedaan dan masih cukup jauh dari hasil – hasil yang telah di peroleh pada penelitian sebelumnya. Pada tabel 5.1 juga di dapatkan nilai kecepatan tip semprotan yang terjadi berkisar 19,13 m/s yang terjadi pada minyak diesel murni (100%D). sedangkan untuk minyak biodiesel murni (100%BD) nilai kecepatan semprotan paling rendah yaitu hanya sekitar 5,65 m/s. Nilai kecepatan semprotan ini dapat diperkirakan secara teoritis dengan menggunakan persamaan 2.21. Dimana : Cd
= 0,8 (asumsi)
ρL
= 840 kg/m3
ΔPinj = 150 bar =1,5 x 107Pa Sehingga nilai kecepatan semprotan ini adalah : = 151,2 m/s Nilai ini sangat berbeda jauh dengan nilai hasil pengujian pada minyak solar murni yang hanya sekitar 19,13 m/s. Besarnya nilai error tersebut dapat diakibatkan oleh kesalahan pada saat olah gambar dengan menggunakan program tertentu.
53
6.2 Analisa Sudut Semprotan Dari data yang terdapat pada tabel 5.1 pada bab 5 diatas terlihat bahwa tidak ada perbedaan yang berarti dari semua semprotan yang terbentuk baik untuk tiap campuran biodiesel maupun dengan minyak solar murni 100% D. Untuk campuran biodiesel 5% BD, 10% BD, dan 15% BD memiliki sudut yang mendekati dengan solar murni 100% D yaitu 9,04o hingga 9,50o. perbedaan sudut jelas terlihat pada campuran 100% BD dan 100%D. Campuran 100% BD memiliki sudut yang lebih kecil dari solar murni 100% D, yaitu 7,77o, sedangkan campuran 100% D memiliki sudut yang lebih besar yaitu sebesar 10,59o. Ini berarti dapat dikatakan bahwa kecendrungan penambahan persentase biodiesel pada solar akan berakibat pada sudut semprotannya menjadi lebih kecil daripada minyak solar murni itu sendiri. Hal ini dikarenakan kekentalan minyak biodiesel yang relative lebih besar, sehingga memiliki hambatan yang besar pada semprotannya sehingga pola semprotan cendrung melancip dengan hasil semprotan kabut yang kurang homogen. Penelitian sebelumnya yang pernah dilakukan oleh beberapa penelitian menunjukkan bahwa sudut yang dibentuk oleh semprotan biodiesel dan campurannya dengan solar, memiliki sudut dengan kisaran nilai antara 15o sampai 25o (Liguan, 2007). Hal ini berarti memang sudah sesuai antara hasil pengujian pada penelitian ini, dengan hasil yang didapat pada penelitian – penlitian sebelumnya. Sedangkan
untuk
besarnya
sudut
semprotan
secara
teoritis,
dapat
menggunakan rumus pada persamaan 2.16. Dimana : ΔPinj = 150 bar = 1.5 x 107 Pa υL
= 5 x 10-7 m2/s
ρL
= 840 kg/m3 ; dan
do
= 0.2 mm
υL2 = 25 x 10-14 m2/s
Sehingga :
Nilai ini sudah hampir sesuai dengan sudut semprotan yang terjadi pada hasil pengujian ini yang sebesar 9o – 11o ( nilai rata – rata sebagian besar semprotan yang terjadi).
54
6.3 Analisis Distribusi Diameter Butiran Terlihat dari tabel 5.3 dan 5.4 pada bab 5 diatas, bahwa jumlah butiran yang ada pada semprotan akan semakin berkurang seiring dengan bertambahnya persentase campuran biodiesel. Untuk campuran 5%BD jumlah total butirannya mencapai 2677 butiran, sementara 10% BD, 15% BD, 20% BD dan, 100% BD jumlah butirannya masing – masing adalah 2596 butir, 2266 butir, 2342 butir, dan 3177 butir, namun demikian terdapat kesamaan dalam hal persentase ukuran diameter butiran yang paling dominan. Ukuran diameter butiran yang paling mendominasi pada tiap semprotannya adalah butiran dengan ukuran diameter 2.31 – 2.36 µm. Ukuran diameter yang paling dominan pada semprotan 5% BD sampai 100% BD adalah sekitar 2.31 – 2.36 µm dengan persentase rata – rata sekitar 50% dari jumlah butiran yang ada. Sedangkan pada minyak solar murni 100%D, diameter yang paling dominan adalah berukuran 1.49 µm dengan persentase 52.21%, jauh lebih besar nilainya dari semua nilai persentase pada biodiesel dan campurannya. Sehingga dapat dikatakan bahwa penambahan persentase biodiesel
pada solar murni akan
mengakibatkan jumlah partikel yang lebih kecil akan berkurang persentasenya seiring dengan meningkatnya persentase biodiesel pada solar tersebut. Jika dibandingkan dengan penelitian – penelitian yang telah dilakukan sebelumnya, terdapat banyak perbedaan tentang distribusi ukuran diameter butiran ini. Penelitian sebelumnya dengan metode dan variable yang sama, didapatkan hasil diameter semprotan yang paling mendominasi adalah butiran dengan ukuran diameter sekitar 10 – 25 µm saja seperti terlihat pada gambar 6.1 diatas (Liguan, 2007). Hal ini kemungkinan terjadi dikarenakan oleh adanya kebocoran pada sisi lubang nozzle injector yang mengakibatkan semburannya makin banyak sehingga panjang tip penetrasinya lebih panjang dan juga butiran yang terjadi pada semprotannya menjadi lebih besar ukuran diameternya daripada ukuran seharusnya. Sedangkan pada tabel 5.4 pada bab 5 diatas juga didapatkan nilai diameter rata – rata yang terjadi pada semprotan dengan minyak solar (100% D), didapatkan diameter rata – ratanya adalah sekitar 60 µm dan yang paling besar adalah terjadi pada campuran minyak biodiesel 20% dimana, di dapatkan nilai diameter rata – rata sebesar 82 µm. Sementara nilai diameter rata – rata dari semprotan yang terjadi ini dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Sauter Mean Diameter (SMD) berikut, seperti pada persamaan 2.23.
55
Dimana dari data – data sifat minyak biodiesel murni (100% BD) yang ada pada lampiran didapat : σ
= 35 dyne / cm = 0.035 N/m
ρL
= 736 kg/m3
υa
= 103.55 m/s
µL
= 55 mm2/s
AFR
= 10
Sehingga nilai teoritis dari diameter rata – rata untuk semprotan pada minyak 100% BD tersebut adalah sbb:
Nilai ini lebih kecil dari pada nilai yang di dapat dari hasil pengujian yang diameter rata – ratanya berkisar pada nilai 1.49 – 11.81 µm.
56
BAB VII KESIMPULAN
7.1 Kesimpulan Dari penelitian yang telah dilakukan, dapat disimpulkan adalah sebagai berikut, yaitu :
Dari semprotan biodiesel minyak alpukat terlihat bahwa panjang tip penetrasi campuran biodiesel minyak alpukat dari masing – masing campuran 5%BD 20%BD mengalami peningkatan 211,46x10-3 – 231,13x10-3 dimana untuk solar murni sendiri panjang tip penetrasinya adalah 205,28x10-3. Kecepatan semprotan dari msing – masing campuran bahan bakar biodiesel tersebut adalah 5%BD : 8.73m/s, 10%BD : 6.32 m/s, 15%BD : 8.43m/s, 20%BD : 7.14 m/s. Jadi dari masing – masing campuran bahan bakar tersebut yang paling mendekati untuk panjang tip penetrasi adalah campuran biodiesel dengan komposisi 5%BD yang memiliki panjang 211.46x10-3 dimana kecepatan dari pembentukan semprotan juga yang paling mendekati dari solar murni
Karakteristik distribusi butiran pada semprotan yang terbentuk pada pengujian campuran minyak biodiesel (5%BD, 10 %BD, 15%BD, dan 20%BD) diameter yang paling mendominasi adalah butiran dengan ukuran 2.20 µm. persentase diameter yang dominan tersebut berkisar pada nilai 58.87%, sedangkan untuk minyak solar murni, persentase diameter butiran yang dominan tersebut berkisar pada nilai 66.97%, jauh lebih besar dari pada minyak biodiesel alpukat dan campurannya
7.2 Saran Mengingat dengan segala keterbatasan dalam penelitian ini, sangat di mungkinkan terdapat benyak kekurangan dalam penelitian ini, untuk semakin baiknya penelitian yang dilakukan sangat diharapkan berbagai saran yang membangun, sehingga akan di dapatkan hasil penelitian semakin baik di kemudian harinya.
57
DAFTAR PUSTAKA
Daryanto dan Setyabudi, I., 2013, Teknik Motor Diesel, Alfabeta, Bandung Manai, S., 2010, Membuat Sendiri Biodiesel, Lyly publisher, Jakarta Yuan Gao1, Jun Deng2, Chunwang Li3, Fengling Dang4, Zhuo Liao5, Zhijun Wu6, Liguang Li7, 2007, Experimental study of the spray characteristics of biodiesel based on inedible oil. I.G.B.W Kusuma, 2003 Pembuatan biodiesel dan pengujian terhadap prestasi kinerja mesin diesel. Journal poros, V 6 (4). Rabiman, A.Z., 2011, Sistem Bahan Bakar Motor Diesel, edisi pertama – Yogyakarta, Graham Ilmu. Pudjanarsa, Astu1., Nursuhud, Djati2., MSME, 2006, Mesin konversi energi. Park, Su Han1, Hyun Kyu Suh2, Chang Sik Lee3, 2009. Nozzle flow and atomization characteristics of ethanol blended biodiesel fuel. Journal home page: Available online: www.elsevier.com/locate/renene. Borman, G.L1., Ragland, Kennth W2 1998, Combustion Engineering International Editions. Oxford, USA. Ghurri, A,1, Kim Jae-duk2, Song Kyu-Keun3, Jung Jae-Youn4 and Kim Hyung Gon5, Qualitative and quantitative analysis of spray characteristics of dieseland biodiesel blend on common-rail injection system. Journal of Mechanical science and Thecnology Available From : URL: http://www.springerlink.com/content. Liguang Li (Dong and Liu, and Senatore et al: (2007): Experimental study of the spray characteristic of biodiesel based on inedible oil.(Biotechnology Advances 27 (2009) 616-624.Journal homepage: www.elsevier.com/locate/biotechad Viriato1, Pedro Andrade2 and Maria da Gracea Carvalho3, 1996. Spray Characterization: numerical prediction of sauter mean diameter and droplet size distribution. Departemento de Engeharia Mechanical, Instituto Superior Tecnic, Universidade Tecnico de Lisboa, Portugal.
58
Dong, Quan1, Wuqiang Long2, Tsuneaki Ishima3, Hisanobu Kawashima4, 2012. Spray characteristic of V-type intersecting hole nozzle for diesel engines. Journal home page : Available online : www.elsevier.com/locate/fuel. Havendri, A., 2008. Kaji eksperimental perbandingan prestasi dan emisi gas buang motor bakar diesel menggunakan bahan bakar campuran solar dengan biodiesel cpo, minyak jarak dan minyak kelapa. No.29 Vol.1 Thn. XV April 2008. ISSN: 0854-8471. Jurusan Teknik Mesin – Fakultas Teknik Universitas Andalas.
59
