Kajian Performansi Mesin Diesel Stasioner Satu Silinder Menggunakan Blower yang Dimodifikasi Menjadi Supercharger Dengan Sistem Dua Bahan Bakar (Solar dan Biogas)
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Bahan Bakar Hidrokarbon
Bahan bakar adalah suatu materi yang bisa terbakar dan bisa diubah menjadi
energi. Bahan bakar hidrokarbon adalah bahan bakar yang didominasi oleh
susunan unsur Hidrogen dan Karbon. Pada proses pembakaran terbuka, umumnya
bahan bakar yang digunakan tersususun dari bahan hidrokarbon seperti solar dan
kerosin yang di peroleh dari hasil proses penyulingan minyak bumi atau minyak
mentah (Gambar 2.1).
Gambar 2.1 Penyulingan Minyak
Sumber : id.wikipedia.org/wiki/ Crude_Oil_Distillation
2.1.1 Solar
Solar (light oil) merupakan suatu campuran hidrokarbon yang diperoleh dari
penyulingan minyak mentah pada temperatur 200oC – 340oC. Minyak solar
ini biasa disebut juga Gas Oil, Automotive Diesel Oil, High Speed Diesel.
(Pertamina,2005)
Minyak solar ini digunakan untuk bahan bakar mesin “Compression
Ignition”. Udara yang dikompresi menimbulkan tekanan dan panas yang tinggi
sehingga membakar solar yang disemprotkan oleh injektor. Indonesia menetapkan
solar dalam peraturan Ditjen Migas No. 3675K/24/DJM/2006. Minyak solar yang
6
Universitas Sumatera Utara
sering digunakan adalah hidrokarbon rantai lurus hetadecene (C16H34) dan
alpha-methilnapthalene. (Darmanto, 2006)
2.1.2 Karakteristik Solar
Dapat menyala dan terbakar sesuai dengan kondisi ruang bakar adalah
syarat umum yang harus dipenuhi oleh suatu bahan bakar. Minyak solar sebagai
bahan bakar memiliki karakteristik yang dipengaruhi oleh banyak sifat-sifat
seperti Cetane Number (CN), penguapan (volality), residu karbon, viskositas,
belerang, abu dan endapan, titik nyala, titik tuang, sifat korosi, mutu nyala dan
(Mathur, Sharma, 1980).
a. Cetane Number (CN)
Mutu penyalaan yang diukur dengan indeks yang disebut Cetana . Mesin diesel
memerlukan bilangan cetana sekitar 50. Bilangan cetana bahan bakar adalah
persen volume dari cetana dalam campuran cetana dan alpha-metyl
naphthalene. Cetana mempunyai mutu penyalaaan yang sangat baik dan alphametyl naphthalene mempunyai mutu penyalaaan yang buruk. Bilangan cetana
48 berarti bahan bakar cetana dengan campuran yang terdiri atas 48% cetana
dan 52% alpha- metyl naphthalene. Angka CN yang tinggi menunjukkan
bahwa minyak soloar dapat menyala pada temperatur yang relatif rendah dan
sebaliknya angka CN yang rendah menunjukkan minyak solar baru dapat
menyala pada temperatur yang relatif tinggi.
b. Penguapan (Volality)
Penguapan dari bahan bakar diesel diukur dengan 90% suhu penyulingan. Ini
adalah suhu dengan 90 % dari contoh minyak yang telah disuling, semakin
rendah suhu ini maka semakin tinggi penguapannya.
c. Residu karbon.
Residu karbon adalah karbon yang tertinggal setelah penguapan dan
pembakaran habis Bahan yang diuapkan dari minyak, diperbolehkan residu
karbon maksimum 0,10 %.
7
Universitas Sumatera Utara
d. Viskositas.
Viskositas minyak dinyatakan oleh jumlah detik yang digunakan oleh volume
tertentu dari minyak untuk mengalir melalui lubang dengan diameter kecil
tertentu, semakin rendah jumlah detiknya berarti semakin rendah viskositasnya.
e. Belerang atau Sulfur.
Belerang dalam bahan bakar terbakar bersama minyak dan menghasilkan gas
yang sangat korosif yang diembunkan oleh dinding-dinding silinder, terutama
ketika mesin beroperasi dengan beban ringan dan suhu silinder menurun
kandungan belerang dalam bahan bakar tidak boleh melebihi 0,5% - 1,5%.
f. Kandungan abu dan endapan.
Kandungan abu dan endapan dalam bahan bakar adalah sumber dari bahan
mengeras yang mengakibatkan keausan mesin. Kandungan abu maksimal yang
diijinkan adalah 0,01% dan endapan 0,05%.
g. Titik nyala.
Titik nyala merupakan suhu yang paling rendah yang harus dicapai dalam
pemanasan
minyak
untuk
menimbulkan
uap
terbakar
sesaat
ketika
disinggungkan dengan suatu nyala api. Titik nyala minimum untuk bahan
bakar diesel adalah 60oC.
h. Titik Tuang.
Titik tuang adalah suhu minyak mulai membeku/berhenti mengalir. Titik tuang
minimum untuk bahan bakar diesel adalah -15 oC.
i. Sifat korosif.
Bahan bakar minyak tidak boleh mengandung bahan yang bersifat korosif dan
tidak boleh mengandung asam basa.
j. Mutu penyalaan.
Nama ini menyatakan kemampuan bahan bakar untuk menyala ketika diinjeksikan
ke dalam pengisian udara tekan dalam silinder mesin diesel. Suatu bahan bakar
dengan mutu penyalaan yang baik akan siap menyala, dengan sedikit
keterlambatan penyalaan bahan bakar dengan mutu penyalaan yang buruk akan
menyala dengan sangat terlambat. Mutu penyalaan adalah salah satu sifat yang
paling penting dari bahan bakar diesel untuk dipergunakan dalam mesin kecepatan
tinggi. Mutu penyalaan bahan bakar tidak hanya menentukan mudahnya
8
Universitas Sumatera Utara
penyalaan dan penstarteran ketika mesin dalam keadaan dingin tetapi juga jenis
pembakaran yang diperoleh dari bahan bakar. Bahan bakar dengan mutu
penyalaan yang baik akan memberikan mutu operasi mesin yang lebih halus, tidak
bising, terutama akan menonjol pada beban ringan. (ASTM D-975, 1991)
Minyak solar yang dihasilkan harus memiliki standar dan mutu (spesifikasi)
yang memenuhi persyaratan yang bisa dilihat dalam tabel 2.1.
Tabel 2.1 Spesifikasi minyak solar
Sumber: Surat Keputusan Dirjen Migas 3675/K/24/DJM/2006
2.2
Bahan Bakar Gas (BBG)
Bahan Bakar Gas merupakan Bahan bakar hidrokarbon dengan fase gas
yang telah dimampatkan. Secara umum lebih dari 80% komponen gas bumi yang
dipakai sebagai BBG merupakan gas metana, 10%-15% gas etana, dan sisanya
adalah gas karbon dioksida, dan gas-gas lain. Bahan bakar gas dapat
dikelompokkan ke dalam dua bagian utama yaitu gas alam (natural gas) dan gas
buatan (manufactured gas). Gas alam umumnya berada di tempat yang sama
9
Universitas Sumatera Utara
dengan endapan minyak dan batubara. Sedangkan gas buatan diproduksi dari
kayu, tanah gambut, batubara, minyak, dan sebagainya. Komponen mampu bakar
dari gas adalah metana, karbondioksida, dan hidrogen dalam jumlah yang
bervariasi. Karakteristik dari gas sangat tergantung pada komponen yang ada
dalam gas tersebut. Berdasarkan sumbernya bahan bakar gas dapat dibagi 2 yaitu :
Bahan bakar yang secara alami didapatkan dari alam:
o Gas alam
o Metan dari penambangan batubara
Bahan bakar gas yang terbuat dari bahan bakar padat
o Gas yang terbentuk dari batubara
o Gas yang terbentuk dari limbah dan biomasa
o Dari proses industri lainnya (gas blast furnace)
Biogas merupakan gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik atau
fermentasi dengan kandungan methana 55-65 %.
2.2.1 Sejarah Biogas
Gas methan (biogas) ini sudah lama digunakan oleh warga Mesir, China,
dan Roma kuno untuk dibakar dan digunakan sebagai penghasil panas. Sejarah
penemuan proses anaerobik digestion untuk menghasilkan biogas tersebar di
benua Eropa. Penemuan ilmuan Alessandro Volta terhadap gas yang dikeluarkan
dirawa-rawa terjadi pada tahun 1770, beberapa decade kemudian Avogadro
mengidentifikasikan tentang gas Methana. Setelah tahun 1875 dipastikan bahwa
biogas merupakan produk dari proses anaerobik digestion. Tahun 1884 Pateour
melakukan penelitian tantang biogas menggunakan kotoran hewan. Era penelitian
Pasteour menjadi landasan untuk penelitian biogas hingga saat ini. Pada akhir
abad ke-19 ada beberapa riset dalam bidang ini dilakukan. Di Jerman dan Perancis
melakukan riset pada masa antara dua perang dunia dan beberapa unit pembangkit
biogas dengan memanfaatkan limbah pertanian. Selama perang dunia II banyak
petani di Inggris dan benua Eropa yang membuat digester kecil untuk
menghasilkan biogas yang digunakan untuk menggerakkan traktor. Karena harga
BBM semakin murah dan mudah memperolehnya pada tahun 1950-an pemakaian
biogas di Eropa ditinggalkan. Namun, di Negara-negara berkembang kebutuhan
10
Universitas Sumatera Utara
akan sumber energi yang murah dan selalu tersedia ada. Kegiatan produksi biogas
di India telah dilakukan semenjak abad ke-19. Alat pencerna anaerobik pertama
dibangun pada tahun 1900. (BurhaniRahman,http://www.energi.lipi.gi.id)
2.2.2 Definisi Biogas
Biogas merupakan gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik atau
fermentasi dari bahan-bahan organik termasuk diantaranya; kotoran manusia dan
hewan, limbah domestik (rumah tangga), sampah biodegradable atau setiap
limbah organik yang biodegradable dalam kondisi anaerobik. Kandungan utama
dalam biogas adalah metana (CH4) dan karbon dioksida (CO2). Biogas dapat
dimanfaatkan sebagai bahan bakar alternatif yang berasal dari sumber energi
terbarukan.
Energi yang terkandung dalam biogas tergantung dari konsentrasi metana
(CH4). Semakin tinggi kandungan metana maka semakin besar kandungan energi
(nilai kalor) pada biogas, dan sebaliknya semakin kecil kandungan metana
semakin kecil nilai kalor. Kualitas biogas dapat ditingkatkan dengan
memperlakukan beberapa parameter yaitu : Menghilangkan hidrogen sulphur,
kandungan air dan karbon dioksida (CO2).
Saat ini pemanfaatan Biogas yaitu digunakan sebagai bahan bakar altrenatif
pengganti bahan bakar fosil, salah satunya Biogas digunakan sebagai pengganti
LPG untuk kompor gas rumah tangga, selain itu Biogas juga digunakan sebagai
bahan bakar untuk mengoperasikan generator listrik.
2.2.3 Karakteristik Biogas
Kandungan komposisi biogas dapat berbeda-beda tergantung dari bahan
pembuatnya. Kandungan utama dari biogas adalah gas metana (CH4) dan karbon
dioksida (CO2) kandungan gas lainnya ialah karbon monoksida (CO), nitrogen
(N), hidrogen sulfide (H2S), oksigen (O2), hidrogen (H2), dan ammonia (NH3).
Sifat fisik dan kimiawi biogas dipengaruhi oleh bahan baku pembuat biogas
tersebut dan nilainya berbeda-beda akan tetapi tidak terlalu jauh. (Omid dkk,
2011)
Secara umum komposisi kandungan biogas ditunjukan pada tabel 2.2.
11
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.2 Komposisi kandungan biogas
Sumber : Biogas Composistion and qualities (Omid dkk, 2011)
Biogas memiliki beberapa sifat fisik secara umum. Sifat fisik biogas dapat
dilihat pada tabel 2.3.
Tabel 2.3 Sifat fisik biogas
Sifat Fisik
Titik Bakar
Specific Gravity
Desnsitas
RON
Nilai Kalor
Laju Nyala
Keterangan
650-750 C
0,55
1,2 kg/m3
130
17 - 30 MJ/kg
0,25 m/s
0
12
Universitas Sumatera Utara
Adapun sifat kimiawi dari biogas secara umum adalah:
1. Biogas mudah terbakar bila bercampur dengan oksigen flash point -188 0C.
2. Biogas sulit untuk disimpan dalam tabung praktis karena biogas dapat berubah
fase menjadi cair pada suhu -1780C.
3. Biogas tidak menghasilkan karbon monoksida bila dibakar sehingga aman
untuk penggunakan rumah tangga.
4. Biogas tidak memiliki warna dan tidak berbau.
2.2.4 Nilai Kalor Biogas
Dengan menggunakan rumus pembakaran, berat dari uap air yang
dihasilkan dapat dihitung.
CH4 + O2 >>> CO2 + 2H2O
16.042 + 64 >>> 44.011 + 36.032
36.032/16.042 = 2.246 lb H2O/lb CH4
Dengan mengasumsikan panas kondensasi air sebesar 1040 Btu/lb, maka
panas kondensasi pembakaran metana sekitar 2336 Btu per pound metana yang
dibakar. HHV dan LHV untuk pembakaran metana dapat kita lihat sebagai
berikut.
HHV = 23,890 Btu/lb or 994.7 Btu/ft3*
LHV = 21,518 Btu/lb or 896.0 Btu/ft3*
* At 68 °F and 14.7 psia.
Sifat-sifat biogas tiap % CH4 yang dikandungnya dapat dilihat pada tabel 2.4.
Tabel 2.4 Nilai LHV biogas tiap % CH4 yang dikandungnya
Sumber : David Ludington, 2006
Biogas Kering (CH4 dan CO2) pada 32 F & 1 atm
%
Densitas
%Volume
g mol
CH 4
wt
40
32,8
19,60
0,09160
10,920
385
42
32,3
20,90
0,09000
11,110
405
44
31,7
22,30
0,08850
11,300
424
46
31,1
23,70
0,08690
11,500
443
Berat
CH4
lbs d.g/ft3
ft3/lb
d.g
LHV
Btu/ft3
13
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.4 Lanjutan
Biogas Kering (CH4 dan CO2) pada 32 F & 1 atm
%Volume %Volume %Volume
%Volume CH 4
%Volume
ft3/lb
CH 4
CH 4
CH 4
lbs d.g/ft3
48
30,6
25,20
0,08540
11,710
463
50
30,0
26,70
0,08380
11,930
482
52
29,5
28,30
0,08220
12,160
501
54
28,9
30,00
0,08070
12,390
520
56
28,4
31,70
0,07910
12,640
540
58
27,8
33,50
0,07760
12,890
559
60
27,2
35,40
0,07600
13,160
578
62
26,7
37,30
0,07440
13,430
598
64
26,1
39,30
0,07290
13,720
617
66
25,6
41,40
0,07130
14,020
636
68
25,0
43,70
0,06980
14,340
655
70
24,4
46,00
0,06820
14,660
675
CH 4
d.g
Biogas Kering
2.2.5 Proses Pembuatan Biogas
Pada dasarnya pembuatan biogas sangat sederhana, yaitu hanya dengan
memasukkan substrat seperti kotoran ternak, limbah pertanian, limbah rumah
tangga ke dalam digester yang anaerob yang kemudian akan menghasilkan biogas
dan dapat disimpan di dalam tangki penyimpanan kemudian dapat digunakan.
Prinsip pembuatan biogas adalah adanya dekomposisi bahan organik secara
anaerobik (tertutup dari udara bebas) untuk menghasilkan gas yang sebagian besar
adalah berupa gas metan (yang memiliki sifat mudah terbakar) dan karbon
dioksida, gas inilah yang disebut biogas. Proses dekomposisi anaerobik dibantu
oleh sejumlah mikroorganisme, terutamabakteri metan. Suhu yang baik untuk
proses fermentasi adalah 30-55oC, dimana pada suhu tersebut mikro organisme
mampu
merombak bahan bahan organik secara optimal.
Berikut ini skema
proses pembuatan biogas dapat dilihat pada gambar 2.2.
14
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Proses pembuatan biogas sederhana
Sumber : http://denipriyatin.blogspot.com,teknik-dan-analisa-pembuatan-biogas
Proses pembuatan biogas dalam perkembangan saat ini dibagi menjadi 3
jenis yaitu:
1. Fixed Dome Plant
Pada fixed dome plant, digesternya tetap. Penampung gas ada pada
bagian atas digester. Ketika gas mulai timbul, gas tersebut menekan
slurry ke bak slurry. Jika pasokan kotoran ternak terus menerus, gas
yang timbul akan terus menekan slurry hingga meluap keluar dari bak
slurry. Gas yang timbul digunakan/dikeluarkan lewat pipa gas yang
diberi katup/kran.
2. Floating Drum Plant
Floating drum plant terdiri dari satu digester dan penampung gas yang
bisa bergerak. Penampung gas ini akan bergerak keatas ketika gas
bertambah dan turun lagi ketika gas berkurang, seiring dengan
penggunaan dan produksi gasnya.
3. Jenis Balon
Reaktor balon merupakan jenis reaktor yang banyak digunakan pada
skala rumah tangga yang menggunakan bahan plastik sehingga lebih
efisien dalam penanganan dan perubahan tempat biogas. reaktor ini
terdiri dari satu bagian yang berfungsi sebagai digester dan penyimpan
gas masing masing bercampur dalam satu ruangan tanpa sekat. Material
organik terletak dibagian bawah karena memiliki berat yang lebih besar
dibandingkan gas yang akan mengisi pada rongga atas.
15
Universitas Sumatera Utara
Dalam perencanaan pembangunan biogas, rancangan anggaran biayanya dapat
dilihat pada tabel 2.5.
Tabel 2.5 Rancangan anggaran pembangunan biogas
Sumber: ITS-paper
Rancangan Anggaran Biaya Pembangunan Biogas
Waktu
Biaya
Beroperasi
anaerobic
(tahun)
digester (Rp)
445
10
26.600.000,-
4,1
658
10
38.050.000,-
Type 3
5,2
870
10
47.720.000,-
Type 4
8
1083
10
54.640.000,-
Tipe
Vol digester
Produksi
Digester
( m3)
(L/hari)
1
Type 1
3
2
Type 2
3
4
No
2.2.6 Kelebihan dan Kekurangan Biogas
Biogas memiliki beberapa kelebihan dan keuntungan dibandingkan dengan
bahan bakar gas lainnya seperti LPG dan CNG. Berikut ini adalah beberapa
kelebihan dan kekurangan biogas:
Kelebihan :
a. Energi yang terbaharukan dan tidak membutuhkan material yang masih di
gunakan sehingga tidak mengganggu keseimbangan karbon dioksida.
b. Energi yang dihasilkan biogas dapat menggantikan bahan bakar fosil (nilai
kalor tinggi).
c. Ramah lingkungan.
d. Harga biogas murah.
e. Emisi gas buang yang rendah.
f. Menghasilkan pupuk organic yang berkulitas tinggi.
Kekurangan :
a. Memerlukan biaya instalasi yang cukup besar.
b. Belum dapat dikemas dalam bentuk cair dalam tabung.
c. Belum dikenal masyarakat luas.
16
Universitas Sumatera Utara
2.3
Dual Fuel System
Berbeda dengan mesin berbahan bakar bensin, mesin diesel tidak memiliki
katup
penghambat/penutup
(throttle).
Sebagai
gantinya
mesin
diesel
menggunakan governor yang mengatur kecepatan mesin. Mesin diesel
menggunakan governor yang sepenuhnya mekanik, sederhana namun berputar
dengan efektif. Fungsi governor adalah untuk menjaga kecepatan mesin tanpa
mempedulikan bebannya (jenis governor lainnya dapat menanggung beban dalam
kecepatan berapa saja namun sekali lagi, ini lebih canggih dan lebih mahal).
Governor mengatur permintaan bahan bakar sehingga dapat mempertahankan
kecepatan yang telah ditetapkan. Kecepatan mesin disesuaikan oleh 'rak' yang
diatur oleh operator untuk mencapai kecepatan tertentu yang diinginkan. Oleh
sebab itu, sesungguhnya operator menggunakan posisi rak sebagai pengendali
katup penghambat, meskipun fungsinya berbeda dari mesin bensin karena dalam
hal ini yang diatur adalah bahan bakarnya dan bukan udaranya, namun hasil
akhirnya tetap sama. Hal ini penting untuk diketahui, karena ketika kita
memperkenalkan biogas ke dalam sistem, kita mengganti udara yang 'lembam'
dengan campuran yang mudah meledak/eksplosif sehingga seluruh fisika yang
terlibat dalam proses pembakarannya benar-benar mengalami penataan ulang.
Untungnya, kita tidak harus lebih dulu menjadi ahli termodinamika supaya dapat
membuat
semuanya
berjalan.
Pada
kenyataannya,
sistem
cenderung
menyeimbangkan dirinya sendiri dan rasio campuran eksplosif tersebut terbentuk
secara otomatis.
Biogas tidak dapat menyalakan dirinya sendiri di bawah tekanan/kompresi,
sehingga sedikit solar masih diperlukan untuk pemantik. Rasio optimal yang dapat
dicapai saat menggunakan biogas sebagai bahan bakar utama adalah sekitar 20%
solar untuk 80% biogas. Menambahkan sedikit solar ke dalam campuran juga
penting untuk melumasi injektor bahan bakar, ini adalah fungsi sekunder solar.
Jika Anda ingin menjalankan sebuah mesin sepenuhnya menggunakan biogas
murni, maka diperlukan sebuah 'mesin gas'. Mesin gas ini pada dasarnya adalah
mesin diesel dengan pemantik percikan, berbeda sekali dengan mesin diesel sejati,
yang menggunakan kompresi untuk memantik campuran bahan bakar/udara.
Mesin gas tersedia dalam ukuran relatif kecil, tetapi harganya cenderung lebih
17
Universitas Sumatera Utara
mahal dan sulit dicari dibandingkan mesin diesel biasa. Karena mesin gas
memiliki sistem pemantik, maka mesin tersebut cenderung lebih kompleks.
Keunggulan mesin diesel adalah kesederhanaannya, mesin diesel murni dapat
berfungsi dengan mengandalkan unsur-unsur mekanik saja. Penambahan
gulungan, busi, waktu pemantik, dll hanya membuat sistem menjadi lebih
kompleks sehingga lebih menuntut perawatan dan meningkatkan kemungkinan
terjadinya kegagalan mekanis. (Gordon Hirst,2013)
Dual fuel system solar-biogas adalah sistem bahan bakar yang menggunakan
dua jenis bahan bakar sekaligus di dalam bekerjanya motor bakar sebagai motor
penggerak yaitu bahan liquid (solar) dan bahan bakar gas (biogas) melalui sedikit
modofikasi mixer mesin pada bagian intake manifold mesin diesel dan
menggunakan gas injector untuk menyuplai biogas. Biogas yang masuk
bercampur dengan udara di mixer kemudian masuk ke dalam ruang bakar,
kemudian dari sisi lain bahan bakar liquid (solar) akan masuk sekaligus. Bahan
bakar yang terdiri dari solar, biogas, dan udara akan dikompresi di ruang bakar
untuk selanjutnya terbakar dan menghasilkan energi. Sistem dua bahan bakar
dapat dilihat pada gambar 2.2.
Gambar 2.3 Mesin dengan sistem dua bahan bakar
Sumber: http://dualfueltech.net/dualfuel.php
2.4
Mesin Diesel
Salah satu penggerak awal yang banyak dipakai adalah mesin kalor, yaitu
mesin yang menggunakan energi panas untuk melakukan kerja mekanik atau yang
mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Energi itu sendiri didapat
dengan proses pembakaran, proses fusi bakan bakar nuklir atau proses-proses
18
Universitas Sumatera Utara
yang lain. Ditinjau dari cara memperoleh energi termal ini, mesin kalor dibagi
menjadi dua golongan yaitu mesin pembakaran luar dan mesin pembakaran
dalam.
Pada mesin pembakaran luar, proses pembakaran terjadi di luar mesin
dimana energi panas dari gas hasil pembakaran dipindah ke fluida kerja mesin
melalui beberapa dinding pemisah. Sedangkan pada mesin pembakaran dalam
atau dikenal dengan motor bakar, proses pembakaran terjadi di dalam motor bakar
itu sendiri sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai
fluida kerja. Motor diesel disebut juga motor bakar atau mesin pembakaran dalam
karena pengubahan tenaga kimia bahan bakar menjadi tenaga mekanik
dilaksanakan di dalam mesin itu sendiri. Di dalam motor diesel terdapat torak
yang mempergunakan beberapa silinder yang di dalamnya terdapat torak yang
bergerak bolak-balik (translasi). Di dalam silinder itu terjadi pembakaran antara
bahan bakar solar dengan oksigen yang berasal dari udara. Gas yang dihasilkan
oleh proses pembakaran mampu menggerakkan torak yang dihubungkan dengan
poros engkol oleh batang penggerak. Gerak translasi yang terjadi pada torak
menyebabkan gerak rotasi pada poros engkol dan sebaliknya gerak rotasi tersebut
mengakibatkan gerak bolak-balik torak.
Konsep pembakaran pada motor diesel adalah melalui proses penyalaan
kompresi udara pada tekanan tinggi. Pembakaran ini dapat terjadi karena udara
dikompresi pada ruangan dengan perbandingan kompresi jauh lebih besar
daripada motor bensin, yaitu antara 14-22. Akibatnya, udara akan mempunyai
tekanan dan temperatur melebihi suhu dan tekanan penyalaan bahan bakar.
Hal ini berbeda untuk percikan pengapian mesin bensin yang menggunakan
busi untuk menyalakan campuran bahan bakar udara. Mesin dan siklus
termodinamika keduanya dikembangkan oleh Rudolph Diesel pada tahun 1892.
(Wiranto Arismunandar, 1988)
2.4.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel
Siklus Diesel adalah siklus teoritis untuk compression-ignition engine atau
mesin diesel. Siklus Perbedaan antara siklus diesel dan Otto adalah penambahan
panas pada tekanan tetap. Karena alasan ini siklus Diesel kadang disebut siklus
19
Universitas Sumatera Utara
tekanan tetap. Dalam diagram P-v dan T-s, siklus diesel dapat dilihat pada gambar
2.4.
Gambar 2.4 Diagram T - S dan P - V siklus diesel
Sumber: Mc Graw Hill, 1982
Dalam kondisi ideal siklus diesel dibatasi dua garis isentropik dan dua garis
isovolum. Masing-masing proses ini dijelaskan sebagai berikut:
Proses 1-2
Proses 2-3
: adalah kompresi isentropik dimana piston bergerak dari
TMB ke TMA
: adalah proses perpindahan panas dari bahan bakar ke fluida
kerja (pembakaran). Proses ini terjadi saat piston berada di
Proses 3-4
Proses 4-1
TMA atau terjadi secara isovolum.
: Proses ekspansi (proses menghasilkan daya) secara
isentropik
: Proses pembuangan panas ke lingkungan dimana piston
berada pada TMB.
Gambar 2.5 Prinsip Kerja Mesin Diesel
Sumber : http://mesinpokok.blogspot.co.id/2012/03/cara-kerja-mesin-diesel.html
1.
Langkah Isap
Pada langkah ini piston bergerak dari TMA (Titik Mati Atas) ke TMB (Titik
Mati Bawah). Saat piston bergerak dari bawah katup isap terbuka, yang
20
Universitas Sumatera Utara
menyebabkan ruang didalam silinder menjadi vakum, sehingga udara murni
langsung masuk ke ruang silinder melalui filter udara.
2.
Langkah Kompresi
Poros engkol terus berputar, piston bergerak dari TMB ke TMA, kedua katup
tertutup, Udara murni yang terhisap tadi terkompresi dalam ruang bakar. Karena
terkompresi, suhu dan tekanan udara tersebut naik hingga mencapai 35 atm
dengan temperatur 5000C-8000C (pada perbandingan kompresi 21 : 1).
3.
Langkah Usaha
Poros engkol masih terus berputar, beberapa derajat sebelum torak mencapai
TMA. Pada akhir langkah kompresi, bahan bakar diinjeksikan ke dalam ruang
bakar. Karena suhu udara kompresi yang tinggi, terjadilah pembakaran yang
menghasilkan tekanan eksplosif yang mendorong piston bergerak dari TMA ke
TMB. Kedua katup masih dalam keadaah tertutup. Gaya dorong ke bawah
diteruskan oleh batang piston ke poros engkol untuk dirubah menjadi gerak rotasi.
Langkah usaha ini berhenti ketika katup buang mulai membuka beberapa derajat
sebelum torak mencapai TMB.
4.
Langkah Buang
Pada langkah ini, gaya yang masih terjadi di flywheel akan menaikkan
kembali piston dari TMB ke TMA. Bersamaan itu juga, katup buang terbuka
sehingga udara sisa pembakaran akan di dorong keluar dari ruang silinder menuju
saluran pembuangan (exhaust).
2.4.2 Performansi Mesin Diesel
a. Nilai Kalor Bahan Bakar.
Reaksi kimia antara bahan bakar dengan oksigen dari udara menghasilkan
Reaksi kimia antara bahan bakar dengan oksigen dari udara menghasilkan panas.
Besarnya panas yang ditimbulkan jika satu satuan bahan bakar dibakar sempurna
disebut nilai kalor bahan bakar (Calorific Value, CV). Bedasarkan asumsi ikut
tidaknya panas laten pengembunan uap air dihitung sebagai bagian dari nilai kalor
suatu bahan bakar, maka nilai kalor bahan bakar dapat dibedakan menjadi nilai
kalor atas dan nilai kalor bawah.
21
Universitas Sumatera Utara
Nilai kalor atas (High Heating Value, HHV), merupakan nilai kalor yang
diperoleh secara eksperimen dengan menggunakan kalorimeter dimana hasil
pembakaran bahan bakar didinginkan sampai suhu kamar sehingga sebagian besar
uap air yang terbentuk dari pembakaran hidrogen mengembun dan melepaskan
panas latennya. Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung
bila diketahui komposisi bahan bakarnya dengan menggunakan persamaan:
��V = (�2 – �1 – �kp) � �v ................................................................. (2.1)
Dimana:
HHV
= Nilai kalor atas (kJ/kg)
T1
= Temperatur air pendingin sebelum penyalaan (0C)
T2
= Temperatur air pendingin sesudah penyalaan (0C)
Tkp
= Kenaikan temperatur akibat kawat penyala (0,05 0C)
Cv
= Panas jenis bom kalorimeter (KJ/Kg0C)
Nilai kalor bawah (low Heating Value, LHV), merupakan nilai kalor bahan bakar
tanpa panas laten yang berasal dari pengembunan uap air. Umumnya kandungan
hidrogen dalam bahan bakar cair berkisar 15% yang berarti setiap satu satuan
bahan bakar, 0,15 bagian merupakan hidrogen. Pada proses pembakaran
sempurna, air yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar adalah setengah dari
jumlah hidrogennya.
Selain berasal dari pembakaran hidrogen, uap air yang terbentuk pada
proses pembakaran dapat pula berasal dari kandungan air yang memang sudah ada
didalam bahan bakar (moisture). Panas laten pengkondensasian uap air pada
tekanan parsial 20 kN/m2 (tekanan yang umum timbul pada gas buang) adalah
sebesar 2400 kJ/kg, sehingga besarnya nilai kalor bawah (LHV) dapat dihitung
berdasarkan persamaan berikut:
LHV = HHV – 3240 ........................................................................................ (2.2)
Dimana:
LHV = Nilai Kalor Bawah (kJ/kg)
Dalam perhitungan efisiensi panas dari motor bakar, dapat menggunakan
nilai kalor bawah (LHV) dengan asumsi pada suhu tinggi saat gas buang
meninggalkan mesin tidak terjadi pengembunan uap air. Namun dapat juga
menggunakan nilai kalor atas (HHV) karena nilai tersebut umumnya lebih cepat
22
Universitas Sumatera Utara
tersedia. Peraturan pengujian berdasarkan ASME (American of Mechanical
Enggineers) menentukan penggunaan nilai kalor atas (HHV), sedangkan
peraturan SAE (Society of Automotive Engineers) menentukan penggunaan nilai
kalor bawah (LHV)
b. Daya Poros
Daya mesin adalah besarnya kerja mesin selama waktu tertentu. Pada motor
bakar daya yang berguna adalah daya poros, dikarenakan poros tersebut
menggerakan beban. Daya poros dibangkitkan oleh daya indikator, yang
merupakan daya gas pembakaran yang menggerakan torak selanjutnya
menggerakan semua mekanisme, sebagian daya indikator dibutuhkan untuk
mengatasi gesekan mekanik, seperti pada torak dan dinding silinder dan gesekan
antara poros dan bantalan. Prestasi motor bakar pertama-tama tergantung dari
daya yang dapat ditimbulkannya. Semakin tinggi frekuensi putar motor makin
tinggi daya yang diberikan hal ini disebabkan oleh semakin besarnya frekuensi
semakin banyak langkah kerja yang dialami pada waktu yang sama. Dengan
demikian besar daya poros itu adalah:
�
.................................................................................................... (2.3)
Dimana :
PB
= daya (W)
V
= Beda potensial dari pembebanan (Volt)
I
= Kuat arus yang dibutuhkan dari pembebanan (A)
c. Torsi
Torsi adalah perkalian antara gaya dengan jarak. Selama proses usaha maka
tekanan-tekanan yang terjadi di dalam silinder motor menimbulkan suatu gaya
yang luar biasa kuatnya pada torak. Gaya tersebut dipindahkan kepada pena
engkol melalui batang torak , dan mengakibatkan adanya momen putar atau torsi
pada poros engkol. Untuk mengetahui besarnya torsi digunakan alat
dynamometer . Skema operasi dynamometer dapat dilihat pada gambar 2.6.
23
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Skema operasi dynamometer
Sumber : docplayer. dasar teori mesin diesel
Biasanya motor pembakaran ini dihubungkan dengan dynamometer dengan
maksud
mendapatkan
keluaran
dari
motor
pembakaran
dengan
cara
menghubungkan poros motor pembakaran dengan poros dynamometer dengan
menggunakan kopling elastik.
..................................................................................................... (2.4)
PB =
T=
........................................................................................................... (2.5)
Dimana :
PB
= Daya ( W )
T
= Torsi ( Nm )
N
= Putaran mesin ( rpm )
d. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)
Konsumsi bahan bakar spesifik merupakan salah satu parameter prestasi
yang penting di dalam suatu motor bakar. Parameter ini biasa dipakai sebagai
ukuran ekonomi pemakaian bahan bakar yang terpakai per jam untuk setiap daya
kuda yang dihasilkan.
̇
SFC =
dimana :
.................................................................................................. (2.6)
�
.............................................................................. (2.7)
SFC
= konsumsi bahan bakar spesifik (kg/kw.h)
PB
= daya (W)
= konsumsi bahan bakar (kg/jam)
24
Universitas Sumatera Utara
ρf
= massa jenis bahan bakar (kg/m3)
Vf
= Volume bahan bakar (ml)
t
= waktu (s)
e. Efisiensi Thermal
Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang
dibangkitkan piston karena sejumlah enegi hilang akibat adanya rugi-rugi mekanis
(mechanical losses). Dengan alasan ekonomis perlu dicari kerja maksimium yang
dapat dihasilkan dari pembakaran sejumlah bahan bakar. Efisiensi ini disebut juga
sebagai efisiensi termal brake (thermal efficiency, ηb).
Jika daya keluaran PB dalam satuan KW, laju aliran bahan bakar mf dalam
satuan kg/jam, maka:
ηb =
� 3600............................................................................................ (2.8)
f. Rasio Udara - Bahan Bakar (AFR)
Energi yang masuk kedalam sebuah mesin
berasal dari pembakaran
bahan bakar hidrokarbon. Udara digunakan untuk menyuplai oksigen yang
dibutuhkan untuk mendapatkan reaksi kimia didalam ruang bakar. Agar terjadinya
reaksi pembakaran, jumlah oksigen dan bahan bakar harus tepat. Yang
dirumuskan sebagai berikut:
.............................................................................................. .(2.9)
.................................................................................................(2.10)
Dimana:
massa udara di dalam silinder per siklus
massa bahan bakar di dalam silinder per siklus
laju aliran udara didalam mesin
laju aliran bahan bakar di dalam mesin
tekanan udara masuk silinder
�
temperatur udara masuk silinder
konstanta udara
volume langkah (displacement)
volume sisa
25
Universitas Sumatera Utara
g. Brake mean Effective Preasure (bmep)
Brake mean effective preasure (bmep) adalah tekanan rata rata ruang bakar
untuk setiap satu kali siklus pembakaran. Untuk mesin 4 tak dengan 2 kali putaran
mesin setiap satu siklus pembakaran, nilai tekanan efektif rata-rata dapat dicari
dengan menggunakan rumus:
4
T = (bmep) Vd ....................................................................................... (2.11)
.............................................................................................. (2.12)
bmep =
Dimana :
= Daya keluaran (Watt)
2.5
N
= Putaran mesin (rpm)
T
= Torsi (N.m)
Bmep
= Tekanan efektif rata-rata (kPa)
Vd
= Volume ruang bakar (m3)
Tinjauan Nilai Ekonomis
Nilai ekonomis adalah nilai yang dimiliki oleh suatu benda yang bisa
diperhitungkan dengan nilai uang sejak dia memasuki masa produktif sampai
dengan habisnya masa produktif tersebut. Nilai ekonomis bahan bakar erat
kaitannya dengan konsumsi bahan bakar spesifik (SFC). Dimana dihitungnya
jumlah harga dari banyaknya bahan bakar yang habis selama penyalaan mesin
dalam waktu tertentu.
Untuk menghitung nilai ekonomis dari tiap bahan bakar, rumus yang
digunakan adalah :
�
2.6
/kg ................................... (2.13)
Blower
Blower adalah mesin atau alat yang digunakan untuk menaikkan atau
memperbesar tekanan udara atau gas yang akan dialirkan dalam suatu ruangan
tertentu juga sebagai pengisapan atau pemvakuman udara atau gas tertentu.
Mesin blower termasuk bagian dari mesin fluida. Mesin fluida adalah mesin
yang mengubah kerja menjadi energi mekanis fluida yaitu energi potensial dan
energi kinetic atau sebaliknya. Suatu pompa sentrifugal atau blower sentrifugal
26
Universitas Sumatera Utara
pada dasarnya terdiri dari satu impeller atau lebih yang dilengkapi dengan sudusudu yang dipasangkan pada poros yang berputar dan diselubungi oleh rumah
(casing). Blower dapat dilihat pada gambar 2.7.
Gambar 2.7 Blower
Sumber: https://laskarteknik.com/2010/08/02/cara-menghitung-daya-blowerfan/
2.6.1 Jenis -Jenis blower
Blower dapat mencapai tekanan yang lebih tinggi daripada fan, sampai 1,20
kg/cm2. Dapat juga digunakan untuk menghasilkan tekanan negatif untuk sistim
vakum di industri. Blower sentrifugal dan blower positive displacement
merupakan dua jenis utama blower , yang dijelaskan dibawah ini:
a.
Blower sentrifugal
Blower sentrifugal terlihat lebih seperti pompa sentrifugal daripada fan.
Impelernya digerakan oleh gir dan berputar 15.000 rpm. Pada blower multi- tahap,
udara dipercepat setiap melewati impeler. Pada blower tahap tunggal, udara tidak
mengalami banyak belokan, sehingga lebih efisien. Blower sentrifugal beroperasi
melawan tekanan 0, 35 sampai 0,70 kg/cm2, namun dapat mencapai tekanan yang
lebih tinggi. Satu karakteristiknya adalah bahwa aliran udara cenderung turun
secara drastic begitu tekanan sistim meningkat, yang dapat merupakan kerugian
pada sistim pengangkutan bahan yang tergantung pada volum udara yang mantap.
Oleh karena itu, alat ini sering digunakan untuk penerapan sistim yang cenderung
tidak terjadi penyumbatan.
b.
Blower positive displacement
Blower jenis positive displacement memiliki rotor, yang "menjebak" udara
dan mendorongnya melalui rumah blower. Blower ini menyediakan volum udara
27
Universitas Sumatera Utara
yang konstan bahk an jika tekanan sistimnya bervariasi. Cocok digunakan untuk
sistim yang cenderung terjadi penyumbatan, karena dapat menghasilkan tekanan
yang cukup (biasanya sampai mencapai 1,25 kg/cm2) untuk menghembus bahanbahan yang menyumbat sampai terbebas. Mereka berputar lebih pelan daripada
blower sentrifugal (3.600 rpm) dan seringkali digerakkan dengan belt untuk
memfasilitasi perubahan kecepatan. (http://artikel-teknologi.com/macam-macamblower/)
2.7
Supercharger
Supercharger (juga dikenal dengan blower ), adalah sebuah kompresor gas
digunakan untuk memompa udara ke silinder mesin pembakaran dalam. Massa
oksigen tambahan yang dipaksa masuk ke silinder membuat membuat mesin
membakar lebih banyak bahan bakar. Dan meningkatkan efisiensi mesin dan
membuat mesin lebih bertenaga. Sebuah supercharger di tenagai oleh listrik,
pully sabuk, atau sprocket rantai maupun mekanisme roda gigi dari poros engkol
mesin. (https://id.wikipedia.org/wiki/Supercharger)
Supercharger mirip dengan turbocharger, tetapi turbocharger ditenagai oleh
arus gas keluaran mesin (exhaust) yang mendorong turbin. Supercharger dapat
menyerap sebanyak sepertiga tenaga crankshaft mesin dan dalam banyak aplikasi
kurang efisien daripada turbocharger. Dalam aplikasi di mana tenaga besar lebih
penting dari pertimbangan lain, seperti dragster top fuel dan kendaraan digunakan
dalam kompetisi tractor pull, supercharger sangat umum.
Supercharger mesin pertama dunia yang bisa digunakan dan diuji
diciptakan oleh Dugald Clerk, dimana dia menggunakannya pertama kali pada
mesin 2-tak pada tahun 1878. Sebuah supercharger memampatkan asupan udara
untuk tekanan atmosfer yang meningkatkan densitas saluran udara masuk ke
ruang bakar. Daya dihasilkan ketika campuran udara dan bahan bakar dibakar di
dalam sebuah silinder mesin. Jika udara dipaksa lebih banyak ke dalam silinder,
maka bahan bakar akan lebih banyak yang akan terbakar.
Mesin beroperasi dengan udara terkompresi pada tekanan atmosfer, yaitu 1
bar. Ketika katup intake silinder terbuka, tekanan atmosfer mendorong udara ke
dalam silinder disaat piston diturunkan. Ketika katup buang terbuka, piston
28
Universitas Sumatera Utara
mendorong gas buang keluar ke dalam sistem knalpot, pada tekanan atmosfer
normal. Semua sistem ini berada pada tekanan udara yang sama. Pada mesin
tersebut, timing katup, timing camshaft & ukuran knalpot sangat penting untuk
mendapatkan output daya yang maksimum.
Dalam sistem supercharger , laju aliran massa udara yang lebih besar akan
dipasok atau dimasukkan ke ruang bakar, sehingga kerapatan udara yang lebih
tinggi dan kecepatan aliran udara yang lebih tinggi pula. Tekanan udara yang
masuk keruang bakar akan meningkat, sehingga daya akan meningkat akibat
pembakaran yang lebih sempurna. (http://motormobile.net/)
Supercharger
membutuhkan
sumber
putaran
untuk
menggerakan
komponennya, sumber putarannya biasanya diambil dari tenaga mesin, sehingga
hal ini akan mengurangi performansi mesin. Namun semua itu akan tertutupi oleh
daya yang dihasilkan setelah penggunaan alat ini. Keunggulan dari supercharger
ini, efek peningkatan performansi mesin terasa lebih spontan dibanding
penggunaan turbocharger , dimana mulai dari putaran rendah sudah terjadi
kenaikkan tenaga. Tidak seperti halnya pada penggunaan turbocharger , dimana
efek penambahan performansi mesin akan dirasakan pada saat rpm 3000 ke atas,
sehingga akan terasa kurang pada hal akselerasi pada rpm rendah, ditambah
dengan tenaga yang digunakan untuk memutar turbin berasal dari gas buang
pembakaran, sehingga akan menghambat pelepasan kalor dari ruang bakar.
Prinsip kerja dari supercharger dapat dilihat pada gambar2.8.
Gambar 2.8 Prinsip kerja supercharger
Sumber: http://www.mech4study.com/2016/02/difference-between-superchargervs-turbocharger.html
29
Universitas Sumatera Utara
2.8
Generator
Generator atau alternator merupakan kumparan atau gulungan tembaga yang
terdiri dari stator (kumparan statis) dan rotor (kumparan berputar). Generator akan
dikopel pengan mesin penngerak yang selanjutnya akan menghasilka daya.
Dalam ilmu fisika yang sederhana dapat dijelaskan bahwa mesin memutar
rotor
pada generator sehingga
timbul
medan
magnet
pada
kumparan
stator generator, medan magnit yang timbul pada stator dan berinteraksi dengan
rotor yang berputar akan menghasilkan arus listrik sesuai hukum Lorentz.
Gambar 2.9 Generator
Sumber: https://id.wikipedia.org/wiki/Generator_listrik
Arus listrik yang dihasilkan oleh generator akan memiliki perbedaan
tegangan di antara kedua kutub generatornya sehingga apabila dihubungkan
dengan beban akan menghasilkan daya listrik.
Dalam aplikasi dijumpai bahwa generator terdiri dari genset 1 phasa atau 3
phasa. Pengertian 1 phasa atau 3 phasa adalah merujuk pada kapasitas tegangan
yang dihasilkan oleh genset tersebut. Tegangan 1 phasa artinya tegangan yang
dibentuk dari kutub L yang mengandung arus dengan kutub N yang tidak berarus,
atau berarus No.l atau sering dikenal sebagai Arde atau Ground. Sedangkan
tegangan 3 phase dibentuk dari dua kutub yang bertegangan. Genset tiga phase
menghasilkan tiga kali kapasitas genset 1 phase. Pada sistem kelistrikan PLN,
kapasitas 3 phase yang dihasilkan untuk aplikasi rumah tangga adalah 380 Volt,
sedangkan kapasitas 1 phase adalah 220 Volt.
Daya listrik dalam ilmu fisika merupakan besaran vektor, artinya besaran
yang memiliki besar dan arah, tegangan dan arus yang dihasilkan merupakan
gelombang sinusoidal dengan frekuensi tertentu. Di Indonesia, frekuensi tegangan
dan arus ditetapkan sebesar 50 Hz, dimana hal ini mengikuti standar frekuensi di
30
Universitas Sumatera Utara
Belanda atau negara-negara Eropa, sedangkan di negara Amerika Serikat dan
Kanada menggunakan frekuensi 60 Hz. (Herringshaw Brian, 2009)
2.9
Emisi Gas Buang
Untuk mesin Diesel emisi gas buang yang dilihat adalah opasitas. Opasitas
sendiri adalah tingkat ketebalan asap/gas buang dari mesin. Pada pengujian ini
digunakan alat Heshbon Automative Opacity Smokemeter , dimana alat ini
digunakan untuk mengukut tingkat ketebalan (opacity) dari gas buang kendaraan.
Alat ini sendiri bekerja dengan prinsip penerangan cahaya. Dimana gas buang
kendaraan lewat melalui sebuah tabung yang didalamnya telah terpasang lampu.
Kemudian, alat pendeteksi photodiode, mendeteksi ketebalan gas buang tersebut
dan mengkonversi nilainya untuk dimunculkan pada display. Adapun Standart
nilai opasitas berdasarkan peraturan menteri Negara lingkungan hidup nomor 05
tahun 2006 tentang ambang batas emisi gas buang dapat dilihat pada gambar 2.10.
Gambar 2.10 standar Uji Emisi Gas Buang
Sumber : Peraturan Menteri Negara Lingkungan Hidup Nomor 05 Tahun 2006
Tentang Ambang Batas Emisi Gas Buang
2.9.1 Sumber
Polutan dibedakan menjadi polutan primer atau sekunder.Polutan primer
seperti nitrogen oksida (NOx) dan hidrokarbon (HC) langsung dibuangkan ke
udara bebas dan mempertahankan bentuknya seperti pada saat pembuangan.
Polutan sekunder seperti ozon (O3) dan peroksiasetil nitrat (PAN) adalah polutan
yang terbentuk di atmosfer melalui reaksi fotokimia, hidrolisis atau oksidasi.
31
Universitas Sumatera Utara
2.9.2 Komposisi Kimia
Polutan dibedakan menjadi organik dan inorganik. Polutan organik
mengandung karbon dan hidrogen, juga beberapa elemen seperti oksigen,
nitrogen, sulfur atau fosfor, contohnya : hidrokarbon, keton, alkohol, ester dan
lain-lain. Polutan inorganik seperti : karbon monoksida (CO), karbonat, nitrogen
oksida, ozon dan lainnya.
2.9.3 Bahan Penyusun
Polutan dibedakan menjadi partikulat atau gas. Partikulat dibagi menjadi
padatan dan cairan seperti : debu, asap, abu, kabut dan spray, partikulat dapat
bertahan di atmosfer. Sedangkan polutan berupa gas tidak bertahan di atmosfer
dan bercampur dengan udara bebas.
c. Partikulat
Polutan partikulat yang berasal dari kendaraan bermotor umumnya merupakan
fasa padat yang terdispersi dalam udara dan membentuk asap. Fasa padatan
tersebut berasal dari pembakaran tak sempurna bahan bakar dengan udara,
sehingga terjadi tingkat ketebalan asap yang tinggi. Selain itu partikulat juga
mengandung timbal yang merupakan bahan aditif untuk meningkatkan kinerja
pembakaran bahan bakar pada mesin kendaraan. Apabila butir-butir bahan
bakar yang terjadi pada penyemprotan kedalam silinder motor terlalu besar
atau apabila butir–butir berkumpul menjadi satu, maka akan terjadi
dekomposisi yang menyebabkan terbentuknya karbon–karbon padat atau
angus. Hal ini disebabkan karena pemanasan udara yang bertemperatur tinggi,
tetapi penguapan dan pencampuran bahan bakar dengan udara yang ada di
dalam silinder tidak dapat berlangsung sempurna, terutama pada saat–saat
dimana terlalu banyak bahan bakar disemprotkan yaitu pada waktu daya motor
akan diperbesar, misalnya untuk akselerasi, maka terjadinya angus itu tidak
dapat dihindarkan. Jika angus yang terjadi itu terlalu banyak, maka gas buang
yang keluar dari gas buang motor akan bewarna hitam.
d. Unburned Hidrocarbon (UHC)
Hidrokarbon yang tidak terbakar dapat terbentuk tidak hanya karena campuran
udara bahan bakar yang gemuk, tetapi bisa saja pada campuran kurus bila suhu
32
Universitas Sumatera Utara
pembakarannya rendah dan lambat serta bagian dari dinding ruang
pembakarannya yang dingin dan agak besar. Motor memancarkan banyak
hidrokarbon kalau baru saja dihidupkan atau berputar bebas (idle) atau waktu
pemanasan. Pemanasan dari udara yang masuk dengan menggunakan gas
buang meningkatkan penguapan dari bahan bakar dan mencegah pemancaran
hidrokarbon. Jumlah hidrokarbon tertentu selalu ada dalam penguapan bahan
bakar, di tangki bahan bakar dan dari kebocoran gas yang melalui celah antara
silinder dari torak masuk kedalam poros engkol, yang disebut dengan blow by
gasses (gas lalu).Pembakaran tak sempurna pada kendaraan juga menghasilkan
gas buang yang mengandung hidrokarbon. Hal ini pada motor diesel terutama
disebabkan oleh campuran lokal udara bahan bakar tidak dapat mencapai batas
mampu bakar.
e. Karbon Monoksida (CO)
Karbon dan Oksigen dapat bergabung membentuk senyawa karbon monoksida
(CO) sebagai hasil pembakaran yang tidak sempurna dan karbon dioksida
(CO2) sebagai hasil pembakaran sempurna. Karbon monoksida merupakan
senyawa yang tidak berbau, tidak berasa dan pada suhu udara normal
berbentuk gas yang tidak berwarna. Gas ini akan dihasilkan bila karbon yang
terdapat dalam bahan bakar (kira–kira 85 % dari berat dan sisanya hidrogen)
terbakar tidak sempurna karena kekurangan oksigen. Hal ini terjadi bila
campuran udara bahan bakar lebih gemuk dari pada campuran stoikiometris,
dan terjadi selama idling pada beban rendah atau pada output maksimum.
Karbon monoksida tidak dapat dihilangkan jika campuran udara bahan bakar
gemuk. Bila campuran kurus karbon monoksida tidak terbentuk.
f. Oksigen (O2)
Oksigen (O2) sangat berperan dalam proses pembakaran, dimana oksigen
tersebut akan diinjeksikan ke ruang bakar. Dengan tekanan yang sesuai akan
mengakibatkan terjadinya pembakaran bahan bakar. Nitrogen monoksida (NO)
merupakan gas yang tidak berwarna dan tidak berbau sebaliknya nitrogen
dioksida (NO2) berwarna coklat kemerahan dan berbau tajam. NO merupakan
gas yang berbahaya karena mengganggu saraf pusat. NO terjadi karena adanya
33
Universitas Sumatera Utara
reaksi antara N2 dan O2 pada temperature tinggi di atas 1210oC. Persamaan
reaksinya adalah sebagai berikut:
O2
2O
N2+O
NO+N
N+O2
NO+
2.10 Teori Pembakaran
Pada motor bakar, proses pembakaran merupakan reaksi kimia yang
berlangsung sangat cepat antara bahan bakar dengan oksigen yang menimbulkan
panas, sehingga mengakibatkan tekanan dan temperatur gas yang tinggi
Kebutuhan oksigen untuk pembakaran diperoleh dari udara yang merupakan
campuran antara oksigen dan nitrogen, serta beberapa gas lain dengan presentase
yang relatif kecil dan dapat diabaikan. Reaksi kimia antara bahan bakar dan
oksigen yang diperoleh dari udara akan menghasilkan produk hasil pembakaran
yang komposisinya tergantung dari kualitas pembakaran yang terjadi. Dalam
pembakaran, prose yang terjadi adalah oksidasi dengan reaksi dapat dilihat pada
gambar 2.11.
Gambar 2.11 proses pembakaran mesin diesel
Sumber: http://docplayer.info/
Pembakaran diatas dikatakan sempurna bila campuran bahan bakar dan
oksigen (dari udara) mempunyai perbandigan yang tepat, hingga tidak diperoleh
sisa. Bila oksigen terlalu banyak, dikatakan campuran “lean” (kurus), pembakaran
ini menghasilkan api oksidasi. Sebaliknya, bila bahan bakarnya terlalu banyak
(atau tidak cukup oksigen), dikatakan campuran “rich” (kaya), pembakaran ini
menghasilkan api reduksi. (http://docplayer.info/163275-Bab-ii-dasar-teori-2-1mesin-diesel.html)
34
Universitas Sumatera Utara
Dalam pembakaran, ada pengertian udara primer yaitu udara yang
dicampurkan dengan bahan bakar di dalam burner (sebelum pembakaran) dan
udara sekunder yaitu udara yang dimasukkan dalam ruang pembakaran setelah
burner, melalui ruang sekitar ujung burner atau melalui tempat lain pada dinding
dapur.
Produk pembakaran campuran udara-bahan bakar dapat dibedakan menjadi:
1.
Pembakaran sempurna (Pembakaran ideal)
Setiap pembakaran sempurna menghasilkan karbon dioksida dan air.
Peristiwa ini hanya dapat berlangsung dengan perbandingan udara-bahan
bakar stoikiometris dan waktu pembakaran yang cukup bagi proses ini.
2.
Pembakaran tak sempurna
Peristiwa ini terjadi bila tidak tersedia cukup oksigen. Produk pembakaran
ini adalah hidrokarbon terbakar maka aldehide, ketone, asam karbosiklis dan
sebagian karbon monoksida menjadi polutan dalam gas buang.
3.
Pembakaran dengan udara berlebihan
Pada kondisi temperatur tinggi, nitrokgen dan oksigen dari udara
pembakaran akan bereaksi dan akan membentuk oksida nitrogen (NO dan
NO2).
35
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Bahan Bakar Hidrokarbon
Bahan bakar adalah suatu materi yang bisa terbakar dan bisa diubah menjadi
energi. Bahan bakar hidrokarbon adalah bahan bakar yang didominasi oleh
susunan unsur Hidrogen dan Karbon. Pada proses pembakaran terbuka, umumnya
bahan bakar yang digunakan tersususun dari bahan hidrokarbon seperti solar dan
kerosin yang di peroleh dari hasil proses penyulingan minyak bumi atau minyak
mentah (Gambar 2.1).
Gambar 2.1 Penyulingan Minyak
Sumber : id.wikipedia.org/wiki/ Crude_Oil_Distillation
2.1.1 Solar
Solar (light oil) merupakan suatu campuran hidrokarbon yang diperoleh dari
penyulingan minyak mentah pada temperatur 200oC – 340oC. Minyak solar
ini biasa disebut juga Gas Oil, Automotive Diesel Oil, High Speed Diesel.
(Pertamina,2005)
Minyak solar ini digunakan untuk bahan bakar mesin “Compression
Ignition”. Udara yang dikompresi menimbulkan tekanan dan panas yang tinggi
sehingga membakar solar yang disemprotkan oleh injektor. Indonesia menetapkan
solar dalam peraturan Ditjen Migas No. 3675K/24/DJM/2006. Minyak solar yang
6
Universitas Sumatera Utara
sering digunakan adalah hidrokarbon rantai lurus hetadecene (C16H34) dan
alpha-methilnapthalene. (Darmanto, 2006)
2.1.2 Karakteristik Solar
Dapat menyala dan terbakar sesuai dengan kondisi ruang bakar adalah
syarat umum yang harus dipenuhi oleh suatu bahan bakar. Minyak solar sebagai
bahan bakar memiliki karakteristik yang dipengaruhi oleh banyak sifat-sifat
seperti Cetane Number (CN), penguapan (volality), residu karbon, viskositas,
belerang, abu dan endapan, titik nyala, titik tuang, sifat korosi, mutu nyala dan
(Mathur, Sharma, 1980).
a. Cetane Number (CN)
Mutu penyalaan yang diukur dengan indeks yang disebut Cetana . Mesin diesel
memerlukan bilangan cetana sekitar 50. Bilangan cetana bahan bakar adalah
persen volume dari cetana dalam campuran cetana dan alpha-metyl
naphthalene. Cetana mempunyai mutu penyalaaan yang sangat baik dan alphametyl naphthalene mempunyai mutu penyalaaan yang buruk. Bilangan cetana
48 berarti bahan bakar cetana dengan campuran yang terdiri atas 48% cetana
dan 52% alpha- metyl naphthalene. Angka CN yang tinggi menunjukkan
bahwa minyak soloar dapat menyala pada temperatur yang relatif rendah dan
sebaliknya angka CN yang rendah menunjukkan minyak solar baru dapat
menyala pada temperatur yang relatif tinggi.
b. Penguapan (Volality)
Penguapan dari bahan bakar diesel diukur dengan 90% suhu penyulingan. Ini
adalah suhu dengan 90 % dari contoh minyak yang telah disuling, semakin
rendah suhu ini maka semakin tinggi penguapannya.
c. Residu karbon.
Residu karbon adalah karbon yang tertinggal setelah penguapan dan
pembakaran habis Bahan yang diuapkan dari minyak, diperbolehkan residu
karbon maksimum 0,10 %.
7
Universitas Sumatera Utara
d. Viskositas.
Viskositas minyak dinyatakan oleh jumlah detik yang digunakan oleh volume
tertentu dari minyak untuk mengalir melalui lubang dengan diameter kecil
tertentu, semakin rendah jumlah detiknya berarti semakin rendah viskositasnya.
e. Belerang atau Sulfur.
Belerang dalam bahan bakar terbakar bersama minyak dan menghasilkan gas
yang sangat korosif yang diembunkan oleh dinding-dinding silinder, terutama
ketika mesin beroperasi dengan beban ringan dan suhu silinder menurun
kandungan belerang dalam bahan bakar tidak boleh melebihi 0,5% - 1,5%.
f. Kandungan abu dan endapan.
Kandungan abu dan endapan dalam bahan bakar adalah sumber dari bahan
mengeras yang mengakibatkan keausan mesin. Kandungan abu maksimal yang
diijinkan adalah 0,01% dan endapan 0,05%.
g. Titik nyala.
Titik nyala merupakan suhu yang paling rendah yang harus dicapai dalam
pemanasan
minyak
untuk
menimbulkan
uap
terbakar
sesaat
ketika
disinggungkan dengan suatu nyala api. Titik nyala minimum untuk bahan
bakar diesel adalah 60oC.
h. Titik Tuang.
Titik tuang adalah suhu minyak mulai membeku/berhenti mengalir. Titik tuang
minimum untuk bahan bakar diesel adalah -15 oC.
i. Sifat korosif.
Bahan bakar minyak tidak boleh mengandung bahan yang bersifat korosif dan
tidak boleh mengandung asam basa.
j. Mutu penyalaan.
Nama ini menyatakan kemampuan bahan bakar untuk menyala ketika diinjeksikan
ke dalam pengisian udara tekan dalam silinder mesin diesel. Suatu bahan bakar
dengan mutu penyalaan yang baik akan siap menyala, dengan sedikit
keterlambatan penyalaan bahan bakar dengan mutu penyalaan yang buruk akan
menyala dengan sangat terlambat. Mutu penyalaan adalah salah satu sifat yang
paling penting dari bahan bakar diesel untuk dipergunakan dalam mesin kecepatan
tinggi. Mutu penyalaan bahan bakar tidak hanya menentukan mudahnya
8
Universitas Sumatera Utara
penyalaan dan penstarteran ketika mesin dalam keadaan dingin tetapi juga jenis
pembakaran yang diperoleh dari bahan bakar. Bahan bakar dengan mutu
penyalaan yang baik akan memberikan mutu operasi mesin yang lebih halus, tidak
bising, terutama akan menonjol pada beban ringan. (ASTM D-975, 1991)
Minyak solar yang dihasilkan harus memiliki standar dan mutu (spesifikasi)
yang memenuhi persyaratan yang bisa dilihat dalam tabel 2.1.
Tabel 2.1 Spesifikasi minyak solar
Sumber: Surat Keputusan Dirjen Migas 3675/K/24/DJM/2006
2.2
Bahan Bakar Gas (BBG)
Bahan Bakar Gas merupakan Bahan bakar hidrokarbon dengan fase gas
yang telah dimampatkan. Secara umum lebih dari 80% komponen gas bumi yang
dipakai sebagai BBG merupakan gas metana, 10%-15% gas etana, dan sisanya
adalah gas karbon dioksida, dan gas-gas lain. Bahan bakar gas dapat
dikelompokkan ke dalam dua bagian utama yaitu gas alam (natural gas) dan gas
buatan (manufactured gas). Gas alam umumnya berada di tempat yang sama
9
Universitas Sumatera Utara
dengan endapan minyak dan batubara. Sedangkan gas buatan diproduksi dari
kayu, tanah gambut, batubara, minyak, dan sebagainya. Komponen mampu bakar
dari gas adalah metana, karbondioksida, dan hidrogen dalam jumlah yang
bervariasi. Karakteristik dari gas sangat tergantung pada komponen yang ada
dalam gas tersebut. Berdasarkan sumbernya bahan bakar gas dapat dibagi 2 yaitu :
Bahan bakar yang secara alami didapatkan dari alam:
o Gas alam
o Metan dari penambangan batubara
Bahan bakar gas yang terbuat dari bahan bakar padat
o Gas yang terbentuk dari batubara
o Gas yang terbentuk dari limbah dan biomasa
o Dari proses industri lainnya (gas blast furnace)
Biogas merupakan gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik atau
fermentasi dengan kandungan methana 55-65 %.
2.2.1 Sejarah Biogas
Gas methan (biogas) ini sudah lama digunakan oleh warga Mesir, China,
dan Roma kuno untuk dibakar dan digunakan sebagai penghasil panas. Sejarah
penemuan proses anaerobik digestion untuk menghasilkan biogas tersebar di
benua Eropa. Penemuan ilmuan Alessandro Volta terhadap gas yang dikeluarkan
dirawa-rawa terjadi pada tahun 1770, beberapa decade kemudian Avogadro
mengidentifikasikan tentang gas Methana. Setelah tahun 1875 dipastikan bahwa
biogas merupakan produk dari proses anaerobik digestion. Tahun 1884 Pateour
melakukan penelitian tantang biogas menggunakan kotoran hewan. Era penelitian
Pasteour menjadi landasan untuk penelitian biogas hingga saat ini. Pada akhir
abad ke-19 ada beberapa riset dalam bidang ini dilakukan. Di Jerman dan Perancis
melakukan riset pada masa antara dua perang dunia dan beberapa unit pembangkit
biogas dengan memanfaatkan limbah pertanian. Selama perang dunia II banyak
petani di Inggris dan benua Eropa yang membuat digester kecil untuk
menghasilkan biogas yang digunakan untuk menggerakkan traktor. Karena harga
BBM semakin murah dan mudah memperolehnya pada tahun 1950-an pemakaian
biogas di Eropa ditinggalkan. Namun, di Negara-negara berkembang kebutuhan
10
Universitas Sumatera Utara
akan sumber energi yang murah dan selalu tersedia ada. Kegiatan produksi biogas
di India telah dilakukan semenjak abad ke-19. Alat pencerna anaerobik pertama
dibangun pada tahun 1900. (BurhaniRahman,http://www.energi.lipi.gi.id)
2.2.2 Definisi Biogas
Biogas merupakan gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik atau
fermentasi dari bahan-bahan organik termasuk diantaranya; kotoran manusia dan
hewan, limbah domestik (rumah tangga), sampah biodegradable atau setiap
limbah organik yang biodegradable dalam kondisi anaerobik. Kandungan utama
dalam biogas adalah metana (CH4) dan karbon dioksida (CO2). Biogas dapat
dimanfaatkan sebagai bahan bakar alternatif yang berasal dari sumber energi
terbarukan.
Energi yang terkandung dalam biogas tergantung dari konsentrasi metana
(CH4). Semakin tinggi kandungan metana maka semakin besar kandungan energi
(nilai kalor) pada biogas, dan sebaliknya semakin kecil kandungan metana
semakin kecil nilai kalor. Kualitas biogas dapat ditingkatkan dengan
memperlakukan beberapa parameter yaitu : Menghilangkan hidrogen sulphur,
kandungan air dan karbon dioksida (CO2).
Saat ini pemanfaatan Biogas yaitu digunakan sebagai bahan bakar altrenatif
pengganti bahan bakar fosil, salah satunya Biogas digunakan sebagai pengganti
LPG untuk kompor gas rumah tangga, selain itu Biogas juga digunakan sebagai
bahan bakar untuk mengoperasikan generator listrik.
2.2.3 Karakteristik Biogas
Kandungan komposisi biogas dapat berbeda-beda tergantung dari bahan
pembuatnya. Kandungan utama dari biogas adalah gas metana (CH4) dan karbon
dioksida (CO2) kandungan gas lainnya ialah karbon monoksida (CO), nitrogen
(N), hidrogen sulfide (H2S), oksigen (O2), hidrogen (H2), dan ammonia (NH3).
Sifat fisik dan kimiawi biogas dipengaruhi oleh bahan baku pembuat biogas
tersebut dan nilainya berbeda-beda akan tetapi tidak terlalu jauh. (Omid dkk,
2011)
Secara umum komposisi kandungan biogas ditunjukan pada tabel 2.2.
11
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.2 Komposisi kandungan biogas
Sumber : Biogas Composistion and qualities (Omid dkk, 2011)
Biogas memiliki beberapa sifat fisik secara umum. Sifat fisik biogas dapat
dilihat pada tabel 2.3.
Tabel 2.3 Sifat fisik biogas
Sifat Fisik
Titik Bakar
Specific Gravity
Desnsitas
RON
Nilai Kalor
Laju Nyala
Keterangan
650-750 C
0,55
1,2 kg/m3
130
17 - 30 MJ/kg
0,25 m/s
0
12
Universitas Sumatera Utara
Adapun sifat kimiawi dari biogas secara umum adalah:
1. Biogas mudah terbakar bila bercampur dengan oksigen flash point -188 0C.
2. Biogas sulit untuk disimpan dalam tabung praktis karena biogas dapat berubah
fase menjadi cair pada suhu -1780C.
3. Biogas tidak menghasilkan karbon monoksida bila dibakar sehingga aman
untuk penggunakan rumah tangga.
4. Biogas tidak memiliki warna dan tidak berbau.
2.2.4 Nilai Kalor Biogas
Dengan menggunakan rumus pembakaran, berat dari uap air yang
dihasilkan dapat dihitung.
CH4 + O2 >>> CO2 + 2H2O
16.042 + 64 >>> 44.011 + 36.032
36.032/16.042 = 2.246 lb H2O/lb CH4
Dengan mengasumsikan panas kondensasi air sebesar 1040 Btu/lb, maka
panas kondensasi pembakaran metana sekitar 2336 Btu per pound metana yang
dibakar. HHV dan LHV untuk pembakaran metana dapat kita lihat sebagai
berikut.
HHV = 23,890 Btu/lb or 994.7 Btu/ft3*
LHV = 21,518 Btu/lb or 896.0 Btu/ft3*
* At 68 °F and 14.7 psia.
Sifat-sifat biogas tiap % CH4 yang dikandungnya dapat dilihat pada tabel 2.4.
Tabel 2.4 Nilai LHV biogas tiap % CH4 yang dikandungnya
Sumber : David Ludington, 2006
Biogas Kering (CH4 dan CO2) pada 32 F & 1 atm
%
Densitas
%Volume
g mol
CH 4
wt
40
32,8
19,60
0,09160
10,920
385
42
32,3
20,90
0,09000
11,110
405
44
31,7
22,30
0,08850
11,300
424
46
31,1
23,70
0,08690
11,500
443
Berat
CH4
lbs d.g/ft3
ft3/lb
d.g
LHV
Btu/ft3
13
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.4 Lanjutan
Biogas Kering (CH4 dan CO2) pada 32 F & 1 atm
%Volume %Volume %Volume
%Volume CH 4
%Volume
ft3/lb
CH 4
CH 4
CH 4
lbs d.g/ft3
48
30,6
25,20
0,08540
11,710
463
50
30,0
26,70
0,08380
11,930
482
52
29,5
28,30
0,08220
12,160
501
54
28,9
30,00
0,08070
12,390
520
56
28,4
31,70
0,07910
12,640
540
58
27,8
33,50
0,07760
12,890
559
60
27,2
35,40
0,07600
13,160
578
62
26,7
37,30
0,07440
13,430
598
64
26,1
39,30
0,07290
13,720
617
66
25,6
41,40
0,07130
14,020
636
68
25,0
43,70
0,06980
14,340
655
70
24,4
46,00
0,06820
14,660
675
CH 4
d.g
Biogas Kering
2.2.5 Proses Pembuatan Biogas
Pada dasarnya pembuatan biogas sangat sederhana, yaitu hanya dengan
memasukkan substrat seperti kotoran ternak, limbah pertanian, limbah rumah
tangga ke dalam digester yang anaerob yang kemudian akan menghasilkan biogas
dan dapat disimpan di dalam tangki penyimpanan kemudian dapat digunakan.
Prinsip pembuatan biogas adalah adanya dekomposisi bahan organik secara
anaerobik (tertutup dari udara bebas) untuk menghasilkan gas yang sebagian besar
adalah berupa gas metan (yang memiliki sifat mudah terbakar) dan karbon
dioksida, gas inilah yang disebut biogas. Proses dekomposisi anaerobik dibantu
oleh sejumlah mikroorganisme, terutamabakteri metan. Suhu yang baik untuk
proses fermentasi adalah 30-55oC, dimana pada suhu tersebut mikro organisme
mampu
merombak bahan bahan organik secara optimal.
Berikut ini skema
proses pembuatan biogas dapat dilihat pada gambar 2.2.
14
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Proses pembuatan biogas sederhana
Sumber : http://denipriyatin.blogspot.com,teknik-dan-analisa-pembuatan-biogas
Proses pembuatan biogas dalam perkembangan saat ini dibagi menjadi 3
jenis yaitu:
1. Fixed Dome Plant
Pada fixed dome plant, digesternya tetap. Penampung gas ada pada
bagian atas digester. Ketika gas mulai timbul, gas tersebut menekan
slurry ke bak slurry. Jika pasokan kotoran ternak terus menerus, gas
yang timbul akan terus menekan slurry hingga meluap keluar dari bak
slurry. Gas yang timbul digunakan/dikeluarkan lewat pipa gas yang
diberi katup/kran.
2. Floating Drum Plant
Floating drum plant terdiri dari satu digester dan penampung gas yang
bisa bergerak. Penampung gas ini akan bergerak keatas ketika gas
bertambah dan turun lagi ketika gas berkurang, seiring dengan
penggunaan dan produksi gasnya.
3. Jenis Balon
Reaktor balon merupakan jenis reaktor yang banyak digunakan pada
skala rumah tangga yang menggunakan bahan plastik sehingga lebih
efisien dalam penanganan dan perubahan tempat biogas. reaktor ini
terdiri dari satu bagian yang berfungsi sebagai digester dan penyimpan
gas masing masing bercampur dalam satu ruangan tanpa sekat. Material
organik terletak dibagian bawah karena memiliki berat yang lebih besar
dibandingkan gas yang akan mengisi pada rongga atas.
15
Universitas Sumatera Utara
Dalam perencanaan pembangunan biogas, rancangan anggaran biayanya dapat
dilihat pada tabel 2.5.
Tabel 2.5 Rancangan anggaran pembangunan biogas
Sumber: ITS-paper
Rancangan Anggaran Biaya Pembangunan Biogas
Waktu
Biaya
Beroperasi
anaerobic
(tahun)
digester (Rp)
445
10
26.600.000,-
4,1
658
10
38.050.000,-
Type 3
5,2
870
10
47.720.000,-
Type 4
8
1083
10
54.640.000,-
Tipe
Vol digester
Produksi
Digester
( m3)
(L/hari)
1
Type 1
3
2
Type 2
3
4
No
2.2.6 Kelebihan dan Kekurangan Biogas
Biogas memiliki beberapa kelebihan dan keuntungan dibandingkan dengan
bahan bakar gas lainnya seperti LPG dan CNG. Berikut ini adalah beberapa
kelebihan dan kekurangan biogas:
Kelebihan :
a. Energi yang terbaharukan dan tidak membutuhkan material yang masih di
gunakan sehingga tidak mengganggu keseimbangan karbon dioksida.
b. Energi yang dihasilkan biogas dapat menggantikan bahan bakar fosil (nilai
kalor tinggi).
c. Ramah lingkungan.
d. Harga biogas murah.
e. Emisi gas buang yang rendah.
f. Menghasilkan pupuk organic yang berkulitas tinggi.
Kekurangan :
a. Memerlukan biaya instalasi yang cukup besar.
b. Belum dapat dikemas dalam bentuk cair dalam tabung.
c. Belum dikenal masyarakat luas.
16
Universitas Sumatera Utara
2.3
Dual Fuel System
Berbeda dengan mesin berbahan bakar bensin, mesin diesel tidak memiliki
katup
penghambat/penutup
(throttle).
Sebagai
gantinya
mesin
diesel
menggunakan governor yang mengatur kecepatan mesin. Mesin diesel
menggunakan governor yang sepenuhnya mekanik, sederhana namun berputar
dengan efektif. Fungsi governor adalah untuk menjaga kecepatan mesin tanpa
mempedulikan bebannya (jenis governor lainnya dapat menanggung beban dalam
kecepatan berapa saja namun sekali lagi, ini lebih canggih dan lebih mahal).
Governor mengatur permintaan bahan bakar sehingga dapat mempertahankan
kecepatan yang telah ditetapkan. Kecepatan mesin disesuaikan oleh 'rak' yang
diatur oleh operator untuk mencapai kecepatan tertentu yang diinginkan. Oleh
sebab itu, sesungguhnya operator menggunakan posisi rak sebagai pengendali
katup penghambat, meskipun fungsinya berbeda dari mesin bensin karena dalam
hal ini yang diatur adalah bahan bakarnya dan bukan udaranya, namun hasil
akhirnya tetap sama. Hal ini penting untuk diketahui, karena ketika kita
memperkenalkan biogas ke dalam sistem, kita mengganti udara yang 'lembam'
dengan campuran yang mudah meledak/eksplosif sehingga seluruh fisika yang
terlibat dalam proses pembakarannya benar-benar mengalami penataan ulang.
Untungnya, kita tidak harus lebih dulu menjadi ahli termodinamika supaya dapat
membuat
semuanya
berjalan.
Pada
kenyataannya,
sistem
cenderung
menyeimbangkan dirinya sendiri dan rasio campuran eksplosif tersebut terbentuk
secara otomatis.
Biogas tidak dapat menyalakan dirinya sendiri di bawah tekanan/kompresi,
sehingga sedikit solar masih diperlukan untuk pemantik. Rasio optimal yang dapat
dicapai saat menggunakan biogas sebagai bahan bakar utama adalah sekitar 20%
solar untuk 80% biogas. Menambahkan sedikit solar ke dalam campuran juga
penting untuk melumasi injektor bahan bakar, ini adalah fungsi sekunder solar.
Jika Anda ingin menjalankan sebuah mesin sepenuhnya menggunakan biogas
murni, maka diperlukan sebuah 'mesin gas'. Mesin gas ini pada dasarnya adalah
mesin diesel dengan pemantik percikan, berbeda sekali dengan mesin diesel sejati,
yang menggunakan kompresi untuk memantik campuran bahan bakar/udara.
Mesin gas tersedia dalam ukuran relatif kecil, tetapi harganya cenderung lebih
17
Universitas Sumatera Utara
mahal dan sulit dicari dibandingkan mesin diesel biasa. Karena mesin gas
memiliki sistem pemantik, maka mesin tersebut cenderung lebih kompleks.
Keunggulan mesin diesel adalah kesederhanaannya, mesin diesel murni dapat
berfungsi dengan mengandalkan unsur-unsur mekanik saja. Penambahan
gulungan, busi, waktu pemantik, dll hanya membuat sistem menjadi lebih
kompleks sehingga lebih menuntut perawatan dan meningkatkan kemungkinan
terjadinya kegagalan mekanis. (Gordon Hirst,2013)
Dual fuel system solar-biogas adalah sistem bahan bakar yang menggunakan
dua jenis bahan bakar sekaligus di dalam bekerjanya motor bakar sebagai motor
penggerak yaitu bahan liquid (solar) dan bahan bakar gas (biogas) melalui sedikit
modofikasi mixer mesin pada bagian intake manifold mesin diesel dan
menggunakan gas injector untuk menyuplai biogas. Biogas yang masuk
bercampur dengan udara di mixer kemudian masuk ke dalam ruang bakar,
kemudian dari sisi lain bahan bakar liquid (solar) akan masuk sekaligus. Bahan
bakar yang terdiri dari solar, biogas, dan udara akan dikompresi di ruang bakar
untuk selanjutnya terbakar dan menghasilkan energi. Sistem dua bahan bakar
dapat dilihat pada gambar 2.2.
Gambar 2.3 Mesin dengan sistem dua bahan bakar
Sumber: http://dualfueltech.net/dualfuel.php
2.4
Mesin Diesel
Salah satu penggerak awal yang banyak dipakai adalah mesin kalor, yaitu
mesin yang menggunakan energi panas untuk melakukan kerja mekanik atau yang
mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Energi itu sendiri didapat
dengan proses pembakaran, proses fusi bakan bakar nuklir atau proses-proses
18
Universitas Sumatera Utara
yang lain. Ditinjau dari cara memperoleh energi termal ini, mesin kalor dibagi
menjadi dua golongan yaitu mesin pembakaran luar dan mesin pembakaran
dalam.
Pada mesin pembakaran luar, proses pembakaran terjadi di luar mesin
dimana energi panas dari gas hasil pembakaran dipindah ke fluida kerja mesin
melalui beberapa dinding pemisah. Sedangkan pada mesin pembakaran dalam
atau dikenal dengan motor bakar, proses pembakaran terjadi di dalam motor bakar
itu sendiri sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai
fluida kerja. Motor diesel disebut juga motor bakar atau mesin pembakaran dalam
karena pengubahan tenaga kimia bahan bakar menjadi tenaga mekanik
dilaksanakan di dalam mesin itu sendiri. Di dalam motor diesel terdapat torak
yang mempergunakan beberapa silinder yang di dalamnya terdapat torak yang
bergerak bolak-balik (translasi). Di dalam silinder itu terjadi pembakaran antara
bahan bakar solar dengan oksigen yang berasal dari udara. Gas yang dihasilkan
oleh proses pembakaran mampu menggerakkan torak yang dihubungkan dengan
poros engkol oleh batang penggerak. Gerak translasi yang terjadi pada torak
menyebabkan gerak rotasi pada poros engkol dan sebaliknya gerak rotasi tersebut
mengakibatkan gerak bolak-balik torak.
Konsep pembakaran pada motor diesel adalah melalui proses penyalaan
kompresi udara pada tekanan tinggi. Pembakaran ini dapat terjadi karena udara
dikompresi pada ruangan dengan perbandingan kompresi jauh lebih besar
daripada motor bensin, yaitu antara 14-22. Akibatnya, udara akan mempunyai
tekanan dan temperatur melebihi suhu dan tekanan penyalaan bahan bakar.
Hal ini berbeda untuk percikan pengapian mesin bensin yang menggunakan
busi untuk menyalakan campuran bahan bakar udara. Mesin dan siklus
termodinamika keduanya dikembangkan oleh Rudolph Diesel pada tahun 1892.
(Wiranto Arismunandar, 1988)
2.4.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel
Siklus Diesel adalah siklus teoritis untuk compression-ignition engine atau
mesin diesel. Siklus Perbedaan antara siklus diesel dan Otto adalah penambahan
panas pada tekanan tetap. Karena alasan ini siklus Diesel kadang disebut siklus
19
Universitas Sumatera Utara
tekanan tetap. Dalam diagram P-v dan T-s, siklus diesel dapat dilihat pada gambar
2.4.
Gambar 2.4 Diagram T - S dan P - V siklus diesel
Sumber: Mc Graw Hill, 1982
Dalam kondisi ideal siklus diesel dibatasi dua garis isentropik dan dua garis
isovolum. Masing-masing proses ini dijelaskan sebagai berikut:
Proses 1-2
Proses 2-3
: adalah kompresi isentropik dimana piston bergerak dari
TMB ke TMA
: adalah proses perpindahan panas dari bahan bakar ke fluida
kerja (pembakaran). Proses ini terjadi saat piston berada di
Proses 3-4
Proses 4-1
TMA atau terjadi secara isovolum.
: Proses ekspansi (proses menghasilkan daya) secara
isentropik
: Proses pembuangan panas ke lingkungan dimana piston
berada pada TMB.
Gambar 2.5 Prinsip Kerja Mesin Diesel
Sumber : http://mesinpokok.blogspot.co.id/2012/03/cara-kerja-mesin-diesel.html
1.
Langkah Isap
Pada langkah ini piston bergerak dari TMA (Titik Mati Atas) ke TMB (Titik
Mati Bawah). Saat piston bergerak dari bawah katup isap terbuka, yang
20
Universitas Sumatera Utara
menyebabkan ruang didalam silinder menjadi vakum, sehingga udara murni
langsung masuk ke ruang silinder melalui filter udara.
2.
Langkah Kompresi
Poros engkol terus berputar, piston bergerak dari TMB ke TMA, kedua katup
tertutup, Udara murni yang terhisap tadi terkompresi dalam ruang bakar. Karena
terkompresi, suhu dan tekanan udara tersebut naik hingga mencapai 35 atm
dengan temperatur 5000C-8000C (pada perbandingan kompresi 21 : 1).
3.
Langkah Usaha
Poros engkol masih terus berputar, beberapa derajat sebelum torak mencapai
TMA. Pada akhir langkah kompresi, bahan bakar diinjeksikan ke dalam ruang
bakar. Karena suhu udara kompresi yang tinggi, terjadilah pembakaran yang
menghasilkan tekanan eksplosif yang mendorong piston bergerak dari TMA ke
TMB. Kedua katup masih dalam keadaah tertutup. Gaya dorong ke bawah
diteruskan oleh batang piston ke poros engkol untuk dirubah menjadi gerak rotasi.
Langkah usaha ini berhenti ketika katup buang mulai membuka beberapa derajat
sebelum torak mencapai TMB.
4.
Langkah Buang
Pada langkah ini, gaya yang masih terjadi di flywheel akan menaikkan
kembali piston dari TMB ke TMA. Bersamaan itu juga, katup buang terbuka
sehingga udara sisa pembakaran akan di dorong keluar dari ruang silinder menuju
saluran pembuangan (exhaust).
2.4.2 Performansi Mesin Diesel
a. Nilai Kalor Bahan Bakar.
Reaksi kimia antara bahan bakar dengan oksigen dari udara menghasilkan
Reaksi kimia antara bahan bakar dengan oksigen dari udara menghasilkan panas.
Besarnya panas yang ditimbulkan jika satu satuan bahan bakar dibakar sempurna
disebut nilai kalor bahan bakar (Calorific Value, CV). Bedasarkan asumsi ikut
tidaknya panas laten pengembunan uap air dihitung sebagai bagian dari nilai kalor
suatu bahan bakar, maka nilai kalor bahan bakar dapat dibedakan menjadi nilai
kalor atas dan nilai kalor bawah.
21
Universitas Sumatera Utara
Nilai kalor atas (High Heating Value, HHV), merupakan nilai kalor yang
diperoleh secara eksperimen dengan menggunakan kalorimeter dimana hasil
pembakaran bahan bakar didinginkan sampai suhu kamar sehingga sebagian besar
uap air yang terbentuk dari pembakaran hidrogen mengembun dan melepaskan
panas latennya. Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung
bila diketahui komposisi bahan bakarnya dengan menggunakan persamaan:
��V = (�2 – �1 – �kp) � �v ................................................................. (2.1)
Dimana:
HHV
= Nilai kalor atas (kJ/kg)
T1
= Temperatur air pendingin sebelum penyalaan (0C)
T2
= Temperatur air pendingin sesudah penyalaan (0C)
Tkp
= Kenaikan temperatur akibat kawat penyala (0,05 0C)
Cv
= Panas jenis bom kalorimeter (KJ/Kg0C)
Nilai kalor bawah (low Heating Value, LHV), merupakan nilai kalor bahan bakar
tanpa panas laten yang berasal dari pengembunan uap air. Umumnya kandungan
hidrogen dalam bahan bakar cair berkisar 15% yang berarti setiap satu satuan
bahan bakar, 0,15 bagian merupakan hidrogen. Pada proses pembakaran
sempurna, air yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar adalah setengah dari
jumlah hidrogennya.
Selain berasal dari pembakaran hidrogen, uap air yang terbentuk pada
proses pembakaran dapat pula berasal dari kandungan air yang memang sudah ada
didalam bahan bakar (moisture). Panas laten pengkondensasian uap air pada
tekanan parsial 20 kN/m2 (tekanan yang umum timbul pada gas buang) adalah
sebesar 2400 kJ/kg, sehingga besarnya nilai kalor bawah (LHV) dapat dihitung
berdasarkan persamaan berikut:
LHV = HHV – 3240 ........................................................................................ (2.2)
Dimana:
LHV = Nilai Kalor Bawah (kJ/kg)
Dalam perhitungan efisiensi panas dari motor bakar, dapat menggunakan
nilai kalor bawah (LHV) dengan asumsi pada suhu tinggi saat gas buang
meninggalkan mesin tidak terjadi pengembunan uap air. Namun dapat juga
menggunakan nilai kalor atas (HHV) karena nilai tersebut umumnya lebih cepat
22
Universitas Sumatera Utara
tersedia. Peraturan pengujian berdasarkan ASME (American of Mechanical
Enggineers) menentukan penggunaan nilai kalor atas (HHV), sedangkan
peraturan SAE (Society of Automotive Engineers) menentukan penggunaan nilai
kalor bawah (LHV)
b. Daya Poros
Daya mesin adalah besarnya kerja mesin selama waktu tertentu. Pada motor
bakar daya yang berguna adalah daya poros, dikarenakan poros tersebut
menggerakan beban. Daya poros dibangkitkan oleh daya indikator, yang
merupakan daya gas pembakaran yang menggerakan torak selanjutnya
menggerakan semua mekanisme, sebagian daya indikator dibutuhkan untuk
mengatasi gesekan mekanik, seperti pada torak dan dinding silinder dan gesekan
antara poros dan bantalan. Prestasi motor bakar pertama-tama tergantung dari
daya yang dapat ditimbulkannya. Semakin tinggi frekuensi putar motor makin
tinggi daya yang diberikan hal ini disebabkan oleh semakin besarnya frekuensi
semakin banyak langkah kerja yang dialami pada waktu yang sama. Dengan
demikian besar daya poros itu adalah:
�
.................................................................................................... (2.3)
Dimana :
PB
= daya (W)
V
= Beda potensial dari pembebanan (Volt)
I
= Kuat arus yang dibutuhkan dari pembebanan (A)
c. Torsi
Torsi adalah perkalian antara gaya dengan jarak. Selama proses usaha maka
tekanan-tekanan yang terjadi di dalam silinder motor menimbulkan suatu gaya
yang luar biasa kuatnya pada torak. Gaya tersebut dipindahkan kepada pena
engkol melalui batang torak , dan mengakibatkan adanya momen putar atau torsi
pada poros engkol. Untuk mengetahui besarnya torsi digunakan alat
dynamometer . Skema operasi dynamometer dapat dilihat pada gambar 2.6.
23
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Skema operasi dynamometer
Sumber : docplayer. dasar teori mesin diesel
Biasanya motor pembakaran ini dihubungkan dengan dynamometer dengan
maksud
mendapatkan
keluaran
dari
motor
pembakaran
dengan
cara
menghubungkan poros motor pembakaran dengan poros dynamometer dengan
menggunakan kopling elastik.
..................................................................................................... (2.4)
PB =
T=
........................................................................................................... (2.5)
Dimana :
PB
= Daya ( W )
T
= Torsi ( Nm )
N
= Putaran mesin ( rpm )
d. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)
Konsumsi bahan bakar spesifik merupakan salah satu parameter prestasi
yang penting di dalam suatu motor bakar. Parameter ini biasa dipakai sebagai
ukuran ekonomi pemakaian bahan bakar yang terpakai per jam untuk setiap daya
kuda yang dihasilkan.
̇
SFC =
dimana :
.................................................................................................. (2.6)
�
.............................................................................. (2.7)
SFC
= konsumsi bahan bakar spesifik (kg/kw.h)
PB
= daya (W)
= konsumsi bahan bakar (kg/jam)
24
Universitas Sumatera Utara
ρf
= massa jenis bahan bakar (kg/m3)
Vf
= Volume bahan bakar (ml)
t
= waktu (s)
e. Efisiensi Thermal
Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang
dibangkitkan piston karena sejumlah enegi hilang akibat adanya rugi-rugi mekanis
(mechanical losses). Dengan alasan ekonomis perlu dicari kerja maksimium yang
dapat dihasilkan dari pembakaran sejumlah bahan bakar. Efisiensi ini disebut juga
sebagai efisiensi termal brake (thermal efficiency, ηb).
Jika daya keluaran PB dalam satuan KW, laju aliran bahan bakar mf dalam
satuan kg/jam, maka:
ηb =
� 3600............................................................................................ (2.8)
f. Rasio Udara - Bahan Bakar (AFR)
Energi yang masuk kedalam sebuah mesin
berasal dari pembakaran
bahan bakar hidrokarbon. Udara digunakan untuk menyuplai oksigen yang
dibutuhkan untuk mendapatkan reaksi kimia didalam ruang bakar. Agar terjadinya
reaksi pembakaran, jumlah oksigen dan bahan bakar harus tepat. Yang
dirumuskan sebagai berikut:
.............................................................................................. .(2.9)
.................................................................................................(2.10)
Dimana:
massa udara di dalam silinder per siklus
massa bahan bakar di dalam silinder per siklus
laju aliran udara didalam mesin
laju aliran bahan bakar di dalam mesin
tekanan udara masuk silinder
�
temperatur udara masuk silinder
konstanta udara
volume langkah (displacement)
volume sisa
25
Universitas Sumatera Utara
g. Brake mean Effective Preasure (bmep)
Brake mean effective preasure (bmep) adalah tekanan rata rata ruang bakar
untuk setiap satu kali siklus pembakaran. Untuk mesin 4 tak dengan 2 kali putaran
mesin setiap satu siklus pembakaran, nilai tekanan efektif rata-rata dapat dicari
dengan menggunakan rumus:
4
T = (bmep) Vd ....................................................................................... (2.11)
.............................................................................................. (2.12)
bmep =
Dimana :
= Daya keluaran (Watt)
2.5
N
= Putaran mesin (rpm)
T
= Torsi (N.m)
Bmep
= Tekanan efektif rata-rata (kPa)
Vd
= Volume ruang bakar (m3)
Tinjauan Nilai Ekonomis
Nilai ekonomis adalah nilai yang dimiliki oleh suatu benda yang bisa
diperhitungkan dengan nilai uang sejak dia memasuki masa produktif sampai
dengan habisnya masa produktif tersebut. Nilai ekonomis bahan bakar erat
kaitannya dengan konsumsi bahan bakar spesifik (SFC). Dimana dihitungnya
jumlah harga dari banyaknya bahan bakar yang habis selama penyalaan mesin
dalam waktu tertentu.
Untuk menghitung nilai ekonomis dari tiap bahan bakar, rumus yang
digunakan adalah :
�
2.6
/kg ................................... (2.13)
Blower
Blower adalah mesin atau alat yang digunakan untuk menaikkan atau
memperbesar tekanan udara atau gas yang akan dialirkan dalam suatu ruangan
tertentu juga sebagai pengisapan atau pemvakuman udara atau gas tertentu.
Mesin blower termasuk bagian dari mesin fluida. Mesin fluida adalah mesin
yang mengubah kerja menjadi energi mekanis fluida yaitu energi potensial dan
energi kinetic atau sebaliknya. Suatu pompa sentrifugal atau blower sentrifugal
26
Universitas Sumatera Utara
pada dasarnya terdiri dari satu impeller atau lebih yang dilengkapi dengan sudusudu yang dipasangkan pada poros yang berputar dan diselubungi oleh rumah
(casing). Blower dapat dilihat pada gambar 2.7.
Gambar 2.7 Blower
Sumber: https://laskarteknik.com/2010/08/02/cara-menghitung-daya-blowerfan/
2.6.1 Jenis -Jenis blower
Blower dapat mencapai tekanan yang lebih tinggi daripada fan, sampai 1,20
kg/cm2. Dapat juga digunakan untuk menghasilkan tekanan negatif untuk sistim
vakum di industri. Blower sentrifugal dan blower positive displacement
merupakan dua jenis utama blower , yang dijelaskan dibawah ini:
a.
Blower sentrifugal
Blower sentrifugal terlihat lebih seperti pompa sentrifugal daripada fan.
Impelernya digerakan oleh gir dan berputar 15.000 rpm. Pada blower multi- tahap,
udara dipercepat setiap melewati impeler. Pada blower tahap tunggal, udara tidak
mengalami banyak belokan, sehingga lebih efisien. Blower sentrifugal beroperasi
melawan tekanan 0, 35 sampai 0,70 kg/cm2, namun dapat mencapai tekanan yang
lebih tinggi. Satu karakteristiknya adalah bahwa aliran udara cenderung turun
secara drastic begitu tekanan sistim meningkat, yang dapat merupakan kerugian
pada sistim pengangkutan bahan yang tergantung pada volum udara yang mantap.
Oleh karena itu, alat ini sering digunakan untuk penerapan sistim yang cenderung
tidak terjadi penyumbatan.
b.
Blower positive displacement
Blower jenis positive displacement memiliki rotor, yang "menjebak" udara
dan mendorongnya melalui rumah blower. Blower ini menyediakan volum udara
27
Universitas Sumatera Utara
yang konstan bahk an jika tekanan sistimnya bervariasi. Cocok digunakan untuk
sistim yang cenderung terjadi penyumbatan, karena dapat menghasilkan tekanan
yang cukup (biasanya sampai mencapai 1,25 kg/cm2) untuk menghembus bahanbahan yang menyumbat sampai terbebas. Mereka berputar lebih pelan daripada
blower sentrifugal (3.600 rpm) dan seringkali digerakkan dengan belt untuk
memfasilitasi perubahan kecepatan. (http://artikel-teknologi.com/macam-macamblower/)
2.7
Supercharger
Supercharger (juga dikenal dengan blower ), adalah sebuah kompresor gas
digunakan untuk memompa udara ke silinder mesin pembakaran dalam. Massa
oksigen tambahan yang dipaksa masuk ke silinder membuat membuat mesin
membakar lebih banyak bahan bakar. Dan meningkatkan efisiensi mesin dan
membuat mesin lebih bertenaga. Sebuah supercharger di tenagai oleh listrik,
pully sabuk, atau sprocket rantai maupun mekanisme roda gigi dari poros engkol
mesin. (https://id.wikipedia.org/wiki/Supercharger)
Supercharger mirip dengan turbocharger, tetapi turbocharger ditenagai oleh
arus gas keluaran mesin (exhaust) yang mendorong turbin. Supercharger dapat
menyerap sebanyak sepertiga tenaga crankshaft mesin dan dalam banyak aplikasi
kurang efisien daripada turbocharger. Dalam aplikasi di mana tenaga besar lebih
penting dari pertimbangan lain, seperti dragster top fuel dan kendaraan digunakan
dalam kompetisi tractor pull, supercharger sangat umum.
Supercharger mesin pertama dunia yang bisa digunakan dan diuji
diciptakan oleh Dugald Clerk, dimana dia menggunakannya pertama kali pada
mesin 2-tak pada tahun 1878. Sebuah supercharger memampatkan asupan udara
untuk tekanan atmosfer yang meningkatkan densitas saluran udara masuk ke
ruang bakar. Daya dihasilkan ketika campuran udara dan bahan bakar dibakar di
dalam sebuah silinder mesin. Jika udara dipaksa lebih banyak ke dalam silinder,
maka bahan bakar akan lebih banyak yang akan terbakar.
Mesin beroperasi dengan udara terkompresi pada tekanan atmosfer, yaitu 1
bar. Ketika katup intake silinder terbuka, tekanan atmosfer mendorong udara ke
dalam silinder disaat piston diturunkan. Ketika katup buang terbuka, piston
28
Universitas Sumatera Utara
mendorong gas buang keluar ke dalam sistem knalpot, pada tekanan atmosfer
normal. Semua sistem ini berada pada tekanan udara yang sama. Pada mesin
tersebut, timing katup, timing camshaft & ukuran knalpot sangat penting untuk
mendapatkan output daya yang maksimum.
Dalam sistem supercharger , laju aliran massa udara yang lebih besar akan
dipasok atau dimasukkan ke ruang bakar, sehingga kerapatan udara yang lebih
tinggi dan kecepatan aliran udara yang lebih tinggi pula. Tekanan udara yang
masuk keruang bakar akan meningkat, sehingga daya akan meningkat akibat
pembakaran yang lebih sempurna. (http://motormobile.net/)
Supercharger
membutuhkan
sumber
putaran
untuk
menggerakan
komponennya, sumber putarannya biasanya diambil dari tenaga mesin, sehingga
hal ini akan mengurangi performansi mesin. Namun semua itu akan tertutupi oleh
daya yang dihasilkan setelah penggunaan alat ini. Keunggulan dari supercharger
ini, efek peningkatan performansi mesin terasa lebih spontan dibanding
penggunaan turbocharger , dimana mulai dari putaran rendah sudah terjadi
kenaikkan tenaga. Tidak seperti halnya pada penggunaan turbocharger , dimana
efek penambahan performansi mesin akan dirasakan pada saat rpm 3000 ke atas,
sehingga akan terasa kurang pada hal akselerasi pada rpm rendah, ditambah
dengan tenaga yang digunakan untuk memutar turbin berasal dari gas buang
pembakaran, sehingga akan menghambat pelepasan kalor dari ruang bakar.
Prinsip kerja dari supercharger dapat dilihat pada gambar2.8.
Gambar 2.8 Prinsip kerja supercharger
Sumber: http://www.mech4study.com/2016/02/difference-between-superchargervs-turbocharger.html
29
Universitas Sumatera Utara
2.8
Generator
Generator atau alternator merupakan kumparan atau gulungan tembaga yang
terdiri dari stator (kumparan statis) dan rotor (kumparan berputar). Generator akan
dikopel pengan mesin penngerak yang selanjutnya akan menghasilka daya.
Dalam ilmu fisika yang sederhana dapat dijelaskan bahwa mesin memutar
rotor
pada generator sehingga
timbul
medan
magnet
pada
kumparan
stator generator, medan magnit yang timbul pada stator dan berinteraksi dengan
rotor yang berputar akan menghasilkan arus listrik sesuai hukum Lorentz.
Gambar 2.9 Generator
Sumber: https://id.wikipedia.org/wiki/Generator_listrik
Arus listrik yang dihasilkan oleh generator akan memiliki perbedaan
tegangan di antara kedua kutub generatornya sehingga apabila dihubungkan
dengan beban akan menghasilkan daya listrik.
Dalam aplikasi dijumpai bahwa generator terdiri dari genset 1 phasa atau 3
phasa. Pengertian 1 phasa atau 3 phasa adalah merujuk pada kapasitas tegangan
yang dihasilkan oleh genset tersebut. Tegangan 1 phasa artinya tegangan yang
dibentuk dari kutub L yang mengandung arus dengan kutub N yang tidak berarus,
atau berarus No.l atau sering dikenal sebagai Arde atau Ground. Sedangkan
tegangan 3 phase dibentuk dari dua kutub yang bertegangan. Genset tiga phase
menghasilkan tiga kali kapasitas genset 1 phase. Pada sistem kelistrikan PLN,
kapasitas 3 phase yang dihasilkan untuk aplikasi rumah tangga adalah 380 Volt,
sedangkan kapasitas 1 phase adalah 220 Volt.
Daya listrik dalam ilmu fisika merupakan besaran vektor, artinya besaran
yang memiliki besar dan arah, tegangan dan arus yang dihasilkan merupakan
gelombang sinusoidal dengan frekuensi tertentu. Di Indonesia, frekuensi tegangan
dan arus ditetapkan sebesar 50 Hz, dimana hal ini mengikuti standar frekuensi di
30
Universitas Sumatera Utara
Belanda atau negara-negara Eropa, sedangkan di negara Amerika Serikat dan
Kanada menggunakan frekuensi 60 Hz. (Herringshaw Brian, 2009)
2.9
Emisi Gas Buang
Untuk mesin Diesel emisi gas buang yang dilihat adalah opasitas. Opasitas
sendiri adalah tingkat ketebalan asap/gas buang dari mesin. Pada pengujian ini
digunakan alat Heshbon Automative Opacity Smokemeter , dimana alat ini
digunakan untuk mengukut tingkat ketebalan (opacity) dari gas buang kendaraan.
Alat ini sendiri bekerja dengan prinsip penerangan cahaya. Dimana gas buang
kendaraan lewat melalui sebuah tabung yang didalamnya telah terpasang lampu.
Kemudian, alat pendeteksi photodiode, mendeteksi ketebalan gas buang tersebut
dan mengkonversi nilainya untuk dimunculkan pada display. Adapun Standart
nilai opasitas berdasarkan peraturan menteri Negara lingkungan hidup nomor 05
tahun 2006 tentang ambang batas emisi gas buang dapat dilihat pada gambar 2.10.
Gambar 2.10 standar Uji Emisi Gas Buang
Sumber : Peraturan Menteri Negara Lingkungan Hidup Nomor 05 Tahun 2006
Tentang Ambang Batas Emisi Gas Buang
2.9.1 Sumber
Polutan dibedakan menjadi polutan primer atau sekunder.Polutan primer
seperti nitrogen oksida (NOx) dan hidrokarbon (HC) langsung dibuangkan ke
udara bebas dan mempertahankan bentuknya seperti pada saat pembuangan.
Polutan sekunder seperti ozon (O3) dan peroksiasetil nitrat (PAN) adalah polutan
yang terbentuk di atmosfer melalui reaksi fotokimia, hidrolisis atau oksidasi.
31
Universitas Sumatera Utara
2.9.2 Komposisi Kimia
Polutan dibedakan menjadi organik dan inorganik. Polutan organik
mengandung karbon dan hidrogen, juga beberapa elemen seperti oksigen,
nitrogen, sulfur atau fosfor, contohnya : hidrokarbon, keton, alkohol, ester dan
lain-lain. Polutan inorganik seperti : karbon monoksida (CO), karbonat, nitrogen
oksida, ozon dan lainnya.
2.9.3 Bahan Penyusun
Polutan dibedakan menjadi partikulat atau gas. Partikulat dibagi menjadi
padatan dan cairan seperti : debu, asap, abu, kabut dan spray, partikulat dapat
bertahan di atmosfer. Sedangkan polutan berupa gas tidak bertahan di atmosfer
dan bercampur dengan udara bebas.
c. Partikulat
Polutan partikulat yang berasal dari kendaraan bermotor umumnya merupakan
fasa padat yang terdispersi dalam udara dan membentuk asap. Fasa padatan
tersebut berasal dari pembakaran tak sempurna bahan bakar dengan udara,
sehingga terjadi tingkat ketebalan asap yang tinggi. Selain itu partikulat juga
mengandung timbal yang merupakan bahan aditif untuk meningkatkan kinerja
pembakaran bahan bakar pada mesin kendaraan. Apabila butir-butir bahan
bakar yang terjadi pada penyemprotan kedalam silinder motor terlalu besar
atau apabila butir–butir berkumpul menjadi satu, maka akan terjadi
dekomposisi yang menyebabkan terbentuknya karbon–karbon padat atau
angus. Hal ini disebabkan karena pemanasan udara yang bertemperatur tinggi,
tetapi penguapan dan pencampuran bahan bakar dengan udara yang ada di
dalam silinder tidak dapat berlangsung sempurna, terutama pada saat–saat
dimana terlalu banyak bahan bakar disemprotkan yaitu pada waktu daya motor
akan diperbesar, misalnya untuk akselerasi, maka terjadinya angus itu tidak
dapat dihindarkan. Jika angus yang terjadi itu terlalu banyak, maka gas buang
yang keluar dari gas buang motor akan bewarna hitam.
d. Unburned Hidrocarbon (UHC)
Hidrokarbon yang tidak terbakar dapat terbentuk tidak hanya karena campuran
udara bahan bakar yang gemuk, tetapi bisa saja pada campuran kurus bila suhu
32
Universitas Sumatera Utara
pembakarannya rendah dan lambat serta bagian dari dinding ruang
pembakarannya yang dingin dan agak besar. Motor memancarkan banyak
hidrokarbon kalau baru saja dihidupkan atau berputar bebas (idle) atau waktu
pemanasan. Pemanasan dari udara yang masuk dengan menggunakan gas
buang meningkatkan penguapan dari bahan bakar dan mencegah pemancaran
hidrokarbon. Jumlah hidrokarbon tertentu selalu ada dalam penguapan bahan
bakar, di tangki bahan bakar dan dari kebocoran gas yang melalui celah antara
silinder dari torak masuk kedalam poros engkol, yang disebut dengan blow by
gasses (gas lalu).Pembakaran tak sempurna pada kendaraan juga menghasilkan
gas buang yang mengandung hidrokarbon. Hal ini pada motor diesel terutama
disebabkan oleh campuran lokal udara bahan bakar tidak dapat mencapai batas
mampu bakar.
e. Karbon Monoksida (CO)
Karbon dan Oksigen dapat bergabung membentuk senyawa karbon monoksida
(CO) sebagai hasil pembakaran yang tidak sempurna dan karbon dioksida
(CO2) sebagai hasil pembakaran sempurna. Karbon monoksida merupakan
senyawa yang tidak berbau, tidak berasa dan pada suhu udara normal
berbentuk gas yang tidak berwarna. Gas ini akan dihasilkan bila karbon yang
terdapat dalam bahan bakar (kira–kira 85 % dari berat dan sisanya hidrogen)
terbakar tidak sempurna karena kekurangan oksigen. Hal ini terjadi bila
campuran udara bahan bakar lebih gemuk dari pada campuran stoikiometris,
dan terjadi selama idling pada beban rendah atau pada output maksimum.
Karbon monoksida tidak dapat dihilangkan jika campuran udara bahan bakar
gemuk. Bila campuran kurus karbon monoksida tidak terbentuk.
f. Oksigen (O2)
Oksigen (O2) sangat berperan dalam proses pembakaran, dimana oksigen
tersebut akan diinjeksikan ke ruang bakar. Dengan tekanan yang sesuai akan
mengakibatkan terjadinya pembakaran bahan bakar. Nitrogen monoksida (NO)
merupakan gas yang tidak berwarna dan tidak berbau sebaliknya nitrogen
dioksida (NO2) berwarna coklat kemerahan dan berbau tajam. NO merupakan
gas yang berbahaya karena mengganggu saraf pusat. NO terjadi karena adanya
33
Universitas Sumatera Utara
reaksi antara N2 dan O2 pada temperature tinggi di atas 1210oC. Persamaan
reaksinya adalah sebagai berikut:
O2
2O
N2+O
NO+N
N+O2
NO+
2.10 Teori Pembakaran
Pada motor bakar, proses pembakaran merupakan reaksi kimia yang
berlangsung sangat cepat antara bahan bakar dengan oksigen yang menimbulkan
panas, sehingga mengakibatkan tekanan dan temperatur gas yang tinggi
Kebutuhan oksigen untuk pembakaran diperoleh dari udara yang merupakan
campuran antara oksigen dan nitrogen, serta beberapa gas lain dengan presentase
yang relatif kecil dan dapat diabaikan. Reaksi kimia antara bahan bakar dan
oksigen yang diperoleh dari udara akan menghasilkan produk hasil pembakaran
yang komposisinya tergantung dari kualitas pembakaran yang terjadi. Dalam
pembakaran, prose yang terjadi adalah oksidasi dengan reaksi dapat dilihat pada
gambar 2.11.
Gambar 2.11 proses pembakaran mesin diesel
Sumber: http://docplayer.info/
Pembakaran diatas dikatakan sempurna bila campuran bahan bakar dan
oksigen (dari udara) mempunyai perbandigan yang tepat, hingga tidak diperoleh
sisa. Bila oksigen terlalu banyak, dikatakan campuran “lean” (kurus), pembakaran
ini menghasilkan api oksidasi. Sebaliknya, bila bahan bakarnya terlalu banyak
(atau tidak cukup oksigen), dikatakan campuran “rich” (kaya), pembakaran ini
menghasilkan api reduksi. (http://docplayer.info/163275-Bab-ii-dasar-teori-2-1mesin-diesel.html)
34
Universitas Sumatera Utara
Dalam pembakaran, ada pengertian udara primer yaitu udara yang
dicampurkan dengan bahan bakar di dalam burner (sebelum pembakaran) dan
udara sekunder yaitu udara yang dimasukkan dalam ruang pembakaran setelah
burner, melalui ruang sekitar ujung burner atau melalui tempat lain pada dinding
dapur.
Produk pembakaran campuran udara-bahan bakar dapat dibedakan menjadi:
1.
Pembakaran sempurna (Pembakaran ideal)
Setiap pembakaran sempurna menghasilkan karbon dioksida dan air.
Peristiwa ini hanya dapat berlangsung dengan perbandingan udara-bahan
bakar stoikiometris dan waktu pembakaran yang cukup bagi proses ini.
2.
Pembakaran tak sempurna
Peristiwa ini terjadi bila tidak tersedia cukup oksigen. Produk pembakaran
ini adalah hidrokarbon terbakar maka aldehide, ketone, asam karbosiklis dan
sebagian karbon monoksida menjadi polutan dalam gas buang.
3.
Pembakaran dengan udara berlebihan
Pada kondisi temperatur tinggi, nitrokgen dan oksigen dari udara
pembakaran akan bereaksi dan akan membentuk oksida nitrogen (NO dan
NO2).
35
Universitas Sumatera Utara