Analisa Performansi Mesin Diesel Dengan Menggunakan Variasi Campuran Bahan Bakar Pertadex dan Polipropilena Cair
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.2
Pertamina Dex ( Pertadex )
Minyak diesel, adalah suatu campuran dari hydrocarbon yang telah di distilasi
setelah bensin dan minyak tanah dari minyak mentah pada temperatur 250 - 340°C.
Umumnya minyak diesel mengandung belerang dengan kadar yang cukup tinggi.
Kualitas
minyak
diesel
sangat
ditentukan
oleh
besar
kecilnya
angka
PartikulatSulphur Content, dan angka Cetane. Angka Partikulat untuk menilai tingkat
kebersihan bahan bakar, angka Sulphur Content untuk emisi kesehatan Catalytic
Converter, dan angka Cetane berkaitan dengan kemampuan bahan bakar terhadap
putaran mesin yang tinggi. Pertamina Dexadalah salah satu jenis BBM produksi
Pertamina yang dipergunakan kendaraaan bermotor dengan mesin diesel.Seperti
halnya Pertamax dan Pertamax Plus, Pertamina Dex juga termasuk BBM nonsubsidi.
Akan tetapi, Pertamina Dex lebih jarang dijumpai dibandingkan Pertamax dan
Pertamax Plus. Harga jualnya juga merupakan yang termahal dari semua jenis BBM
yang diperjualbelikan di SPBU Pertamina.
Pertamina Dex yang merupakan singkatan dari Diesel Environment Extra
adalah salah satu jenis BBM produksi PERTAMINA yang dipergunakan untuk
kendaraaan bermotor dengan mesin diesel modern. Pertamina Dex memiliki
kelebihan dibandingkan dengan bahan bakar untuk mesin diesel lainnya,
diantaranya :
•
•
Memilik angka performa tinggi dengan Cetane Number Minimal 53 (paling
tinggi dikelasnya).
Memiliki Kandungan Sulfur Paling Rendah di Indonesia (max. 300 ppm) yang
berfungsi untuk menghindari penyumbatan injektor dan menghasilkan emisi
gas buang lebih ramah lingkungan, karena jika kandungan sulfur (belerang)
tinggi akan mengotori sistem penyaringan emisi sehingga menurunkan
kemampuannya dalam menekan emisi. Sulfur yang tinggi pun bisa membuat
•
injector nozzle kotor.
Memiliki Additive yang berfungsi untuk membersihkan dan juga melindungi
mesin kendaraan.
Universitas Sumatera Utara
2.2 Plastik
2.2.1 Tentang Plastik
Plastik merupakan salah satu bahan yang paling banyak digunakan saat ini
karena plastik memiliki banyak sifat-sifat yang menguntungkan bagi kehidupan
manusia. Diantara pemanfaatan plastik adalah untuk memproduksi wadah makanan
dan minuman, peralatan dapur dan rumah tangga, komponen listrik, serta mainan
anak- anak.Di balik kelebihan-kelebihan yang dimiliki plastik, penggunaan plastik
yang sembarangan ternyata dapat memberikan dampak yang buruk bagi lingkungan
dan juga kesehatan manusia.
Plastik umumnya sulit untuk didegradasikan (diuraikan) oleh mikro
organisme sehingga dapatmenimbulkan masalah pencemaran lingkungan. Sampah
plastik juga dapat melepaskan senyawa karsinogenik (penyebab dan pemicu kanker)
pada kondisi tertentu. Plastik adalah bahan sintestis atau alami yang terdiri dari rantai
panjang dengan komponen utama C atau karbon.Ikatan ini sangat kuat sehingga
material plastik cocok untuk digunakan dalam berbagai aplikasi. Plastik merupakan
material yang baru secara luas dikembangkan dan digunakan sejak abad ke-20 yang
berkembang secara luar biasa penggunaannya dari hanya beberapa ratus ton pada
tahun 1930-an, menjadi 150 juta ton/tahun pada tahun 1990-an dan 220 juta
ton/tahun pada tahun 2005.Saat ini penggunaan material plastik di negaranegaraEropa Barat mencapai 60 kg/orang/tahun,diAmerika Serikat mencapai
80kg/orang/tahun, sementara di India hanya 2kg/orang/tahun.
Plastik salah satu bahan yang paling umum kita lihat dan gunakan. Bahan
plastik secara bertahap mulai menggantikan gelas,kayu dan logam. Hal ini
disebabkan bahan plastik mempunyai beberapa keunggulan, yaitu : ringan, kuat dan
mudah dibentuk, anti karat dan tahan terhadap bahan kimia, mempunyai sifat isolasi
listrik yang tinggi, dapat dibuat berwarna maupun transparan dan biaya proses yang
lebih murah. Namun begitu daya guna plastik juga terbatas karena kekuatannya yang
rendah, tidak tahan panas mudah rusak pada suhu yang rendah.
Contoh plastik termoplastik adalah polietilen,polipropilen, nilon, polikarbonat,
dll, yang contoh aplikasinya seperti ember polietilen, cangkir polistiren, talinilon,
dll.Contoh plastik termoset adalah fenol formaldehid, urea formaldehid, melamin
Formaldehid, termosetting poliester, dll,yang contoh aplikasinya seperti: switch
Universitas Sumatera Utara
listrik, meja sermica, melamin Cutlery.Plastik merupakan bahan yang murah, tahan
lama, serbaguna, dan sangat disukai sebagai material bahan baku pembuatan produk.
Plastik mempunyai bobot ringan, kuat, tahan bahan kimia, dan mudah dalam
pemasaran. Komoditas plastik terbesar didunia adalah polipropilen, diikuti oleh PVC
dan HDPE. Plastik dapat dibagi dalam dua klasifikasi, yaitu material termoplastik
dan material termoset. Proses pembentukan plastik diakhiri oleh reaksi curing, yaitu
reaksi ikatan sambung silang (cross – linking) yang irreversible dari polimer.
Perbedaan termoplastik dimana termoplastik dapat diproses dengan panas, ketika
material diberi panas, material termoplastik akan mencair dimana material tersebut
dapat dibentuk menjadi produk yang diinginkan. Setelah didinginkan material akan
mengeras dan mempertahankan bentuknya. Material termoplastik dapat diproses
ulang dengan pemanasan dan pembentukan atau pencetakan. Berbeda dengan
material termoset yang tidak dapat diproses dengan pemanasan berulang kali atau
dengan kata lain mempunyai bentuk yang permanen setelah pemrosesan.
2.2.2 Pembuatan Plastik
Plastik dibuat dari monomer yang berulang dengan proses kimia yang
bervariasi, seperti :
•
Polimerisasi katalitik atau inisiasi peroksida dari monomer seperti etilena,
•
propilena, atau butadiena ditambah dengan stirena (kopolimer).
•
bifungsional dan alkohol atau amina.
Polikondensasi dari monomer yang tidak sama seperti asam organik
Poliadisi dari molekul monomer yang reaktif
Sebelum suatu monomer dikonversi menjadi suatu plastik, biasanya ditambah
dengan bahan – bahan aditif untuk meningkatkan kemudahan pemrosesan dan sifat
mekanis sesuai dengan fungsi dan pemakaian plastik tersebut (pemakaian luar
ruangan, terpapar sinar matahari, dll). Beberapa bahan aditif yang ditambahkan
biasanya adalah :
•
•
Antioksidan (1%)
•
Plastisizer (40%)
•
Stabilizer panas dan cahaya (5%)
Penguat resistan terhadap impak (10%)
Universitas Sumatera Utara
•
•
Pigmen atau pewarna (5%)
•
Pelumas atau Agent foaming (2%)
•
Ketahanan api (15%)
Bahan pengisi (40%)
Plastik dapat digolongkan dalam beberapa basis kriteria:
•
Komposisi kimia, berhubungan dengan monomer dan metode polimerisasi,
plastik dapat digolongkan menjadi poliolefin, vinyl polymers, styrenics,
•
polyamides, polyesters, epoxy resins, polycarbonates, polyurethanes, dll.
Struktur kimia, misalnya rantai linear (High Density Polyethylene), rantai
bercabang (Low Density Polyethylene), ikatan sambung silang (Termosers,
•
karet).
•
Tipe pengaplikasian, pemakaian umum atau pemakaian khusus.
•
Kekakuan, elastis, fleksibel, atau rigid/keras/kaku.
Metode pemrosesan, injection molding, extrusion, film blowing, blow
molding, thermforming, casting, calendaring, dan sebagainya
Pengetahuan sifat termal dari berbagai jenis plastik sangat berguna untuk proses
pembuatan serta daur ulang plastik.. Sifat-sifat termal yang penting adalah titik lebur
(Tm),temperatur transisi (Tg) dan temperatur dekomposisi. Temperatur transisi
adalah temperatur ketika plastik mengalami perengganan struktur sehingga terjadi
perubahan dari kondisi kaku menjadi lebih fleksibel. Di atas titik lebur, plastik
mengalami pembesaran volume sehinggamolekul bergerak lebih bebas yang ditandai
dengan peningkatan kelenturannya. Temperatur lebur adalah temperatur di
manaplastik mulai melunak dan berubah menjadi cair. Temperatur dekomposisi
merupakanbatasan dari proses pencairan. Jika suhu dinaikkan di atas temperatur
lebur, plastikakan mudah mengalir dan struktur akan mengalami dekomposisi.
Dekomposisi terjadi karena energi termal melampaui energi yang mengikat rantai
molekul. Secara umum polimer akan mengalami dekomposisi pada suhu di atas 1,5
kali dari temperatur transisinya. Data sifat termal yang penting pada proses daur
ulang plastik bisa dilihat pada tabel berikut:
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.1 Data temperatur transisi dantemperatur lebur plastik.
Temperatur
Jenis Bahan
Tm (°C)
Tg (°C )
PP
168
5
80
HDPE
134
-110
82
LDPE
330
-115
260
PA
260
50
100
PET
250
70
100
ABS
-
110
85
PS
-
90
70
PMMA
-
100
85
PC
-
150
246
PVC
-
90
71
Dekomposisi (°C)
2.2.3 Daur Ulang Plastik
Produksi plastik pada tahun 2012 tercatat sebanyak 57 juta ton di Eropa dan
288 juta ton diseluruh dunia. Di Indonesia, konsumsi plastik sudah meningkat seiring
dengan perkembangan ekonomi dan pertumbuhan penduduk. Pada tahun 2011,
Indonesia telah mengkonsumsi plastik 10 kg per kapita per tahun. Bagaimanapun
pengkonsumsian plastik dalam jumlah besar akan memicu permasalahan lingkungan
karena sifat plastik yang tidak dapat terurai secara alami. Tabel berikut menunjukkan
penggunaan atau konsumsi plastik di beberapa negara di dunia.
Tabel 2.2 KonsumsiPlastikPerkapita BeberapaNegara diDunia.
Negara
Konsumsi Per kapita dalam kg
India (1998)
1,6
India (2000)
4,0
Vietnam
1,5
China
6,0
Indonesia
8,0
Universitas Sumatera Utara
Mexico
13,0
Thailand
18,0
Malaysia
22,0
Eropa Barat
60,0
Jepang
70,0
Amerika Utara
78,0
2.2.4 Plastik Jenis Propilena (PP)
(PP) adalah sebuah polimer termo-plastik yang dibuat oleh industri kimia dan
digunakan dalam berbagai aplikasi, diantaranya pengemasan, tekstil (contohnya tali,
pakaian dalam termal, dan karpet), alat tulis, berbagai tipe wadah terpakaikan ulang
serta bagian plastik, perlengkapan labolatorium, pengeras suara, komponen otomotif,
dan uang kertas polimer. Polimer adisi yang terbuat dari propilena monomer,
permukaannya tidak rata serta memiliki sifat resistan yang tidak biasa terhadap
kebanyakan pelarut kimia, basa dan asam. Polipropilena biasanya didaur-ulang, dan
simbol daur ulangnya adalah nomor "5". Pengolahan lelehnya polipropilena bisa
dicapai melalui ekstrusi dan pencetakan. Metode ekstrusi (peleleran) yang umum
menyertakan produksi serat pintal ikat (spun bond) dan tiup (hembus) leleh untuk
membentuk gulungan yang panjang buat nantinya diubah menjadi beragam produk
yang berguna seperti masker muka, penyaring, popok dan lap.
Teknik pembentukan yang paling umum adalah pencetakan suntik, yang
digunakan untuk berbagai bagian seperti cangkir, alat pemotong, botol kecil, topi,
wadah, perabotan, dan suku cadang otomotif seperti baterai. Teknik pencetakan tiup
dan injection-stretch blow molding juga digunakan, yang melibatkan ekstrusi dan
pencetakan.
Ada banyak penerapan penggunaan akhir untuk PP karena dalam proses
pembuatannya bisa di-tailor grade dengan aditif serta sifat molekul yang spesifik.
Sebagai misal, berbagai aditif antistatik bisa ditambahkan untuk memperkuat
resistensi permukaan PP terhadap debu dan pasir. Kebanyakan teknik penyelesaikan
fisik, seperti pemesinan, bisa pula digunakan pada PP. Perawatan permukaan bisa
Universitas Sumatera Utara
diterapkan ke berbagai bagian PP untuk meningkatkan adhesi (rekatan) cat dan tinta
cetak.
Polipropilena dapat mengalami degradasi rantai saat terkena radiasi ultraungu
dari sinar matahari. Jadi untuk penggunaan propilena di luar ruangan, bahan aditif
yang menyerap ultraungu harus digunakan. Jelaga (celak) juga menyediakan
perlindungan dari serangan UV.
Biosida amonium kuartener serta olaamida yang bocor dari plastik polipropilena
ditemukan mempengaruhi hasil eksperimen.Karena polipropilena digunakan sebagai
wadah penyimpan makanan seperti yoghurt, permasalahan ini sedang dipelajari.
Manfaat dan kegunaan polipropilena dalam kehidupan adalah:
1. Polipropilena dapat dibuat Tali, anyaman, karpet/permadani, dan film.
2. Polipropilena dapat digunakan untuk pengemasan makanan dan dapat juga
digunakan sebagai botol minuman.
3. Polipropilena lebih kuat dari polietilena, sehingga banyak dipakai untuk
membuat karung, tali dan sebagainya. Karena lebih kuat, botol-botol dari
polipropilena dapat dibuat lebih tipis dari pada polietilena.
4. Dalam bidang medis Polipropilena digunakan sebagai bahan pembuat benang
jahit untuk operasi yang diberi nama Prolene, yang dibuat oleh Ethicon Inc.
5. Polipropilena telah digunakan dalam operasi memperbaiki hernia untuk
melindungi tubuh dari hernia baru di lokasi yang sama. Tambalan kecil dari PP
yang diletakkan di lokasi hernia, di bawah kulit, tidak menyebabkan rasa saki
dan jarang ditolak oleh tubuh.
Jadi
untuk
pengujian
kami
ini
menggunakan
polipropilena
botol
minuman.Polipropilena, salah satu komponen utama penyusun limbah plastik di
dunia, yang mana digunakan secara luas pada industri dan rumah tangga.
Polipropilena dibuat dari polimerisasi propilen dengan menggunakan katalis.
Polipropilena adalah material termoplastik dengan kristalinitas tinggi, densitas
rendah, kekakuan yang rendah, dan ketahanan terhadap bahan kimia yang baik, tidak
menyerap air, dan ketahanan impak yang baik. Berikut ini dapat kita lihat sifat
mekanik polipropilena pada tabel 2.3.
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.3 Sifat mekanik Polipropilena
Densitas (mg/m3)
0,09 – 0,93
Modulus tarikan (GPa)
1,8
Kekuatan tarik (MPa)
37
Elongation at break (%)
10 – 60
Heat deflection temperature at 0,45 Mpa (°C)
100 – 105
Heat deflection temperature at 1,81 Mpa (°C)
60 – 65
Ekspansi linear termal (mm/mm K)
3,8 x 10-5
Kekerasan (Shore)
D76
Resistivitas volume (Ω.cm)
1,0 x 1017
Linear mold shrinkage (in./in.)
0,01 – 0,02
Flash point (°C)
~55
Pour point (°C)
-12
Plug point (°C)
-8
Water (%)
0,01
Ada penggunaan polipropilena kebanyakan pada kemasan minuman,
komponen otomotif, perlengkapan rumah tangga, dan mainan. Polipropilen dapat
diekstrusi menjadi bentuk serat atau kawat untuk penggunaan pengikat pada karpet.
Limbah plastik yang terbuat dari polipropilen (PP) mengandung 85% karbon dan
sisanya adalah hidrogen, hal ini membuat material ini sangat cocok untuk didaur
ulang menjadi produk hidrokarbon yang berguna seperti bahan bakar. Polipropilen
(PP) membutuhkan energi aktivasi yang lebih rendah untuk memecah ikatan C – H
daripada polietilen (PE) karna rantai karbon polimer PP terdiri dari atom karbon
tersier yang kurang tahan terhadap degradasi.
Secara umum proses pembuatan plsatik polipropilena terbagi dalam tiga
macam yaitu;
1. Polypropilene homopolymeradalah PP melalui proses polimerisasi monomer
propylene. PP jenis ini memiliki karakteristik kekakuan yang cukup tinggi dan
kemengkilapan yang baik,sifat optis/fisik dari PP homopolymer masuk dalam
Universitas Sumatera Utara
kategori agak buram. Contonya sepertikemasan makanan (baik rigid maupun
fleksibel),peralatan rumah tangga,karung plastik dan lain-lain.
2. Polypropilena random copolymer diproduksi melalui polimerisasi monomer
propylene, dengan tambahan comonomer ethylene. Jenis ini memiliki kebeningan
dan keuletan yang sangat baik,karenanya PP random copylemer banyak digunakan
untuk pembuatan peralatan yang bening,sepertitutup botol jenis flip-topdan kemasan
lainya.
3. Polypropilene impact copolymer (block copolymer) karakteristik terpenting
dari jenis PP ini adalah material yang memiliki ketahanan terhadap temperatur
rendah(-30oC). Selain ituPP impact copolymer dikenali dari warna dasarnya yaitu
putih susu.contohnya seperti, pallet,elektronikdan perlengkapan otomotif.
2.3
Silika Gel
Silika adalah hasil polimerisasi asam silikat, yang mana dapat berstruktur
kristalin maupun amorf. Silika tersusun dari rantai satuan SiO4 tetrahedral dengan
formula umum SiO2. Senyawa silika yang terdapat dialam dapat ditemukan di
beberapa bahan alam seperti pasir, kuarsa, gelas, dan sebagainya. Silika yang
terdapat dialam mempunyai struktur kristalin, sedangkan silika sintetis berstruktur
amorf. secara sintetis senyawa silika dapat dibuat dari larutan silikat atau dari
pereaksi silan. Silika yang terakumulasi didalam makhluk hidup, baik hewan atau
tumbuhan memiliki bentuk amorf, berbeda dengan silika yang tidak berasal dari
makhluk hidup seperti batuan dan debu yang memiliki struktur silika kristalin.
Berikut ini adalah beberapa sifat silika gel:
Simbol
:
Si
Radius Atom
:
1.32 Å
Volume Atom
:
12.1 cm3/mol
Massa Atom
:
28.0856
Titik Didih
:
2630 K
Radius Kovalensi
:
1.11 Å
Struktur Kristal
:
fcc
Massa Jenis
:
2.33 g/cm3
Elektronegativitas
:
1.9
Universitas Sumatera Utara
Konfigurasi Elektron :
[Ne]3s2p2
Formasi Entalpi
:
50.2 kJ/mol
Potensial Ionisasi
:
8.151 V
Titik Lebur
:
1683 K
Bilangan Oksidasi
:
4,2
Entalpi Penguapan
:
359 kJ/mol
Silika menyumbang sekitar 60% berat dari kerak bumi, dengan tidak berikatan
maupun berikatan dengan oksida lain pada silikat. Silika amorf biasanya digunakan
sebagai pengering, adsorben, agen penguat, bahan pengisi, dan komponen katalis.
Silika juga dapat digunakan sebagai kristal piezoelectric, elemen optical, dan bahan
pecah belah. Silika adalah material dasar bahan – bahan gelas, keramik, dan industri
bahan – bahan tahan api.
2.4 Proses Pirolisis
Pirolisis, dapat disebut juga sebagai termolisis, adalah suatu proses
dekomposisi secara kimia maupun termal, pada umumnya terdegradasi menjadi
molekul yang lebih kecil. Metode konvensional untuk mengolah limbah plastik,
seperti landfill dan insinerasi, tidak dapat digunakan dalam jangka panjang karena
dapat menyebabkan polusi udara, penyebaran racun, terkontaminasinya air tanah,
dan kerusakan tanah. Pirolisis adalah metode yang dapat dipertimbangkan dan layak
untuk dilakukan dengan mendegradasi material polimer tanpa penggunaan oksigen.
Tujuan penghilangan udara adalah untuk alasan keamanan, kualitas produk, dan
yield. Berdasarkan variasi suhu, maka pirolisis dapat dibagi menjadi tiga, rendah ( <
400 °C), sedang ( 400 – 600 °C) atau tinggi ( >600 °C). Hasil dari proses pirolisis
dapat dibagi menjadi fraksi cair, fraksi gas, dan residu padatan. Pirolisis merupakan
suatu alternatif untuk memperoleh energi dari limbah plastik. Hal ini menggunakan
prinsip dimana kebanyakan substansi organik secara termal tidak stabil sehingga
rantainya dapat pecah pada keadaan bebas oksigen.
Oleh karena itu, konversi limbah plastik menjadi bahan bakar memiliki
beberapa keuntungan, yaitu:
Universitas Sumatera Utara
1. Membentuk siklus pemakaian energi tidak terbarukan.
2. Dapat menjadi sumber petrokimia alternatif untuk menurunkan pembelian
atau pemakaian energi tidak terbarukan.
3. Solusi alternatif yang efektif untuk mengurangi limbah plastik yang
berakibat tercegahnya pencemaran lingkungan yang biasanya ditimbulkan
oleh cara pengolahan insinerasi dan landfill.
2.5
Mesin Diesel
Mesin diesel ( juga dikenal sebagai mesin kompresi / Compression) adalah
sebuah mesin pembakaran internal yang menggunakan panas kompresi untuk
memulai pengapian dan membakar bahan bakar yang telah disuntikkan ke dalam
ruang pembakaran. Ini berbeda dengan mesin busi seperti mesin bensin atau mesin
gas, yang menggunakan busi untuk menyalakan campuran udara-bahan bakar.
Pada motor diesel tidak diperlukan sistem pengapian seperti halnya pada
motor bensin, namun dalam motor diesel diperlukan sistem injeksi bahan bakar yang
berupa pompa injeksi (injection pump) dan pengabut (injector) serta perlengkapan
bantu lain. Bahan bakar yang disemprotkan harus mempunyai sifat dapat terbakar
sendiri (self ignition)
Mesin diesel juga disebut “Motor Penyalaan Kompresi” oleh karena
penyalaannya dilakukan dengan menyemprotkan bahan bakar ke dalam udara yang
telah bertekanan dan bertemperatur tinggi sebagai akibat dari proses kompresi di
dalam ruang bakar. Agar bahan bakar diesel dapat terbakar dengan sendirinya, maka
perbandingan kompresi mesin diesel harus berkisar antara 15 – 22, sedangkan
tekanan kompresinya mencapai 20 – 40 bar dengan suhu 500 – 700 0C. Aplikasi dari
motor diesel banyak pada industri-industri sebagai motor stasioner ataupun untuk
kendaraan-kendaraan dan kapal laut dengan ukuran yang besar. Hal ini dikarenakan
motor diesel mengkonsumsi bahan bakar ± 25% lebih rendah dari motor bensin,
lebih murah dan perawatannya lebih sederhana (Kubota, S., dkk, 2001).
Universitas Sumatera Utara
Keunggulan mesin diesel dibanding mesin bensin adalah sebagai berikut :
1. Mesin diesel memiliki efisensi terhadap panas yang besar bila
dibandingkan dengan mesin bensin. Tentunya hal tersebut dapat lebih menghemat
penggunaan bahan bakar (solar) daripada bensin pada mesin bensin.
2. Umumnya, mesin diesel lebih tahan lama dan tidak membutuhkan electric
igniter. Hal ini berarti bahwa kemungkinan terjadinya kesulitan tentu lebih kecil dari
pada mesin bensin.
3. Momen pada mesin diesel tidak berubah pada jenjang tingkat kecepatan
yang luas. Itu artinya mesin diesel lebih fleksibel dan lebih mudah dioperasikan bila
dibandingkan dengan mesin bensin dan karena hal inilah mesin diesel umum
digunakan untuk kendaraan-kendaraan besar.
Kelemahan mesin diesel dibanding mesin bensin adalah sebagai berikut :
1. Suara dan getaran pada mesin diesel jauh lebih besar dibanding suara dan
getaran pada mesin bensin. Hal tersebut disebabkan oleh tekanan pembakaran
maksimum pada mesin diesel hampir dua kali lebih besar daripada mesin bensin.
2. Karena tekanan pembakarannya lebih besar dari pada mesin bensin, maka
mesin diesel harus dibuat dengan menggunakan jenis bahan yang tahan terhadap
tekanan tinggi, selain itu, bahan yang digunakan juga harus memiliki struktur yang
kuat. Hal ini berarti bahwa untuk daya kuda yang sama, mesin diesel memiliki bobot
yangjauh lebih berat dibanding bobot mesin bensin,dan tentunya biaya
pembuatannya punjugapasti lebih mahaldaripada biaya pembuatan mesin bensin.
3. Harga mesin diesel lebih mahal dibanding harga mesin bensin, selain itu,
mesin diesel juga membutuhkan perawatan atau pemeliharaan yang lebih cermat
daripada mesin bensin, sebab mesin diesel membutuhkan sistem injeksi bahan bakar
yang lebih presisi dibanding sistem injeksi pada mesin bensin.
4. Mesin diesel memerlukan alat pemutar berupa motor starter dan baterai
yang berkapasitas lebih besar untuk memutarnya. Hal tersebut disebabkan karena
mesindiesel memiliki perbandingan kompresi yang lebih tinggi dari pada mesin
bensin.
Siklus diesel (ideal) pembakaran tersebut dimisalkan dengan pemasukan
panas pada volume konstan (Y. A. Çengel and M. A. Boles, Thermodynamics: An
Universitas Sumatera Utara
Engineering Approach, 5th ed, McGraw-Hill, 2006.). Siklus diesel tersebut
ditunjukkan pada gambar 2.1 dan 2.2 di bawah ini.
Gambar 2.1 Diagram P-v
Keterangan Gambar:
P = Tekanan (atm)
V = Volume Spesifik (m3/kg)
T = Temperatur (K)
S = Entropi (kJ/kg.K)
Gambar 2.2 Diagram T-S
Universitas Sumatera Utara
Keterangan Grafik:
1-2 Kompresi Isentropik
2-3 Pemasukan Kalor pada Volume Konstan
3-4 Ekspansi Isentropik
4-1 Pengeluaran Kalor pada Volume Konstan
2.5.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel
Prinsip kerja mesin diesel 4 tak sebenarnya sama dengan prinsip kerja mesin
otto, yang membedakan adalah cara memasukkan bahan bakarnya. Pada mesin diesel
bahan bakar di semprotkan langsung ke ruang bakar dengan menggunakan injector.
Dibawah ini adalah gambar langkah dalam proses mesin diesel 4 langkah :
Langkah isap
Langkah kompresi
Langkah usaha
Langkah Buang
Gambar 2.3 Prinsip Kerja Mesin Diesel
1. Langkah Isap
Waktu torak bergerak dari TMA ke TMB. Udara diisap melalui katup isap
sedangkan katup buang tertutup. Saat piston bergerak ke bawah katup isap terbuka
yang menyebabkan tekanan udara di dalam silinder seketika lebih rendah dari
tekanan atmosfer,sehingga udara murni langsung masuk ke ruang silinder melalui
filter udara.
2. Langkah kompresi
Ketika torak bergerak dari TMB ke TMA dengan memampatkan udara yang
diisap, karena kedua katup isap dan katup buang tertutup, sehingga tekanan dan suhu
udara dalam silinder tersebut akan naik.
Universitas Sumatera Utara
3. Langkah Usaha
Ketika katup isap dan katup buang masih tertutup, partikel bahan bakar yang
disemprotkan oleh pengabut bercampur dengan udara bertekanan dan suhu tinggi,
sehingga terjadilah pembakaran. Pada langkah ini torak mulai bergerak dari TMA ke
TMB karena pembakaran berlangsung bertahap
4. Langkah Buang
Ketika torak atau piston bergerak terus dari TMA ke TMB dengan katup isap
tertutup dan katup buang terbuka, sehingga gas bekas pembakaran terdorong
keluar.Begitu seterusnya sehingga terjadi siklus pergerakan piston yang tidak
berhenti.
2.5.2 Performansi Mesin Diesel
1. Nilai Kalor Bahan Bakar ( Heating Value )
Ikatan antar atom hidrokarbon ataupun non-hidrokarbon dari bahan-bahan bakar
tersebut menyimpan energi. Energi dalam ikatan antar atom inilah yang biasa kita
sebut sebagai energi kimia. Jika ikatan antar atom tersebut terlepas atau putus, energi
yang tersimpan di dalamnya akan terlepas juga dalam bentuk panas. Jumlah energi
panas yang terlepas untuk tiap satu satuan massa bahan bakar inilah yang biasa kita
kenal sebagai nilai kalor, atau biasa dikenal dalam dunia engineer sebagai heating
value. Selain melepas energi panas, terputusnya ikatan antar atom tersebut diikuti
pula dengan reaksi oksidasi, yang ditandai dengan terikatnya atom oksigen dengan
masing-masing atom karbon dan hidrogen membentuk karbon dioksida (CO2)
maupun air (H2O).
Dikenal ada dua jenis heating value yang digunakan secara luas di dunia, yakni
higher heating value (HHV) serta lower heating value (LHV). Keduanya memiliki
acuan dan metode perhitungan yang sedikit berbeda. Satu hal yang menjadi acuan di
sini adalah adanya kandungan air yang dapat dipastikan akan selalu hadir pada setiap
reaksi pembakaran hidrokarbon. 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).
Berdasarkan asumsi ikut tidaknya panas laten pengembunan uap air dihitung sebagai
Universitas Sumatera Utara
bagian dari nilai kalor suatu bahan bakar, maka nilai kalor bahan bakardapat
dibedakan menjadi nilai kalor atas dan nilai kalor bawah.
Nilai heating value diukur menggunakan sebuah alat bernama bomb
kalorimeter. Alat ini tersusun atas sebuah ruang pembakaran dengan volume konstan
sebagai tempat spesimen diukur nilai kalorinya. Ruang ini diselimuti dengan air
sebagai media ukur saat terjadi perubahan temperatur akibat proses pembakaran
terjadi. Spesimen diletakkan di dalam ruang bakar dan disulut menjadi api hingga
terjadi ekspansi udara serta kenaikan temperatur ruang. Kenaikan temperatur tersebut
akan memanaskan air yang menyelimuti ruang, sehingga didapatkan temperatur
sebelum dan sesudah pembakaran bahan bakar. Dari nilai temperatur air inilah akan
dihitung nilai kalor bahan bakar tersebut. Gambar 2.4 dibawah ini menunjukkan
bagian bagian Bom kalorimeter.
Gambar 2.4 Bagian Bagian Bom Kalorimeter
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
Universitas Sumatera Utara
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 Dulongdan
Petit yang ditunjukkan pada persamaan 2.1 di bawah ini:
�
HHV = 33950 C + 144200 (H2- 82 ) + 9400 S ....................................................... (2.1)
Dimana: HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
C
= Persentase unsur karbon
H2
= Persentase hidrogen dalam bahan bakar
O2
= Persentase oksigen dalam bahan bakar
S
= Persentase sulfur dalam bahan bakar
Nilai kalor suatu bahan bakar juga dapat di peroleh dari hasil pengujian
menggunakan alat Bom Kalorimeter Oksigen yaitu dengan persamaan 2.2. berikut
ini:
HHV = (T2-T1-Tkp) Cv .......................................................................................... (2.2)
Dimana: T1= Suhu air pendingin sebelum dinyalakan (oC)
T2= Suhu air pendingin setelah dinyalakan (oC)
Tkp = kenaikan suhu kawat penyala (0.05oC)
Cv = panas jenis alat (73.529,6 kj/kgoC)
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 mol 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
2.3. berikut :
Universitas Sumatera Utara
LHV = HHV – 2400 (M + 9 H2) .......................................................................... (2.3)
Dimana: LHV = Nilai Kalor Bawah (kJ/kg)
M
= Persentase kandungan air dalam bahan bakar (moisture)
HHV dan LHV adalah notasi theoretical, hanya dipakai untuk indikasi dan
tidak menunjukkan kondisi yang sebenarnya dalam praktek. Alasannya bahan bakar
dan gas hasil pembakaran tidak pernah berada pada temperatur yang sama sesuai
asumsi yang dipakai untuk perhitungan HHV dan LHV. Dalam praktek, energi yang
bisa kita peroleh dari pembakaran bahan bakar akan selalu lebih kecil dari HHV atau
LHV, karena ada energi dalam bentuk panas yang dibawa pergi oleh gas hasil
pembakaran. Itulah sebabnya efisiensi semua mesin konversi energi (steam power
plant, internal combustion engine, gas turbine) tidak pernah bisa 100 %.
Jadi HHV dan LHV sama sekali tidak ada hubungannya dengan fase dari
bahan bakarnya, baik bahan bakar padat maupun cair, sama-sama punya HHV dan
LHV. Kalau soal gampang atau susahnya membakar, juga tidak ada hubungannya
dengan HHV & LVH. Karena, pembakaran itu proses eksotermis, jadi tidak
mengambil panas (energi) dari lingkungan justru memberikan panas ke lingkungan.
Sebenarnya yang bisa dibakar itu adalah fase gas, kalau ada bahan bakar cair, maka
harus terbentuk cukup uap di atas permukaannya supaya bisa memulai pembakaran.
Kalau kita mulai dari temperatur ambient, untuk bahan bakar cair tertentu, misalnya
diesel oil, mesti diberikan suhu yang cukup supaya tekanan uapnya cukup tinggi
untuk membentuk fase uap yang bisa dibakar (dari sinilah muncul istilah flash point).
Tapi begitu sudah dibakar, panas dari pembakaran akan selalu menyediakan energi
yang cukup untuk menghasilkan fase uap yang siap untuk dibakar.
Berikut adalah heating value dari berbagai jenis bahan bakar :
Tabel 2.4 Heating Value beberapa Jenis Bahan Bakar
Jenis Bahan Bakar
Hidrogen
HHV (MJ/kg)
141,8
LHV (MJ/kg)
119,96
Metana
55,5
50
Etana
51,9
47,8
Propana
50,35
46,35
Butana
49,5
45,75
Universitas Sumatera Utara
Pentana
48,6
45,35
Minyak Bumi
45,54
42,68
Lilin Parafin
46
41,5
Kerosin
46,2
43
Solar
44,8
43,4
Pertadex
48,22
45,13
Bensin
47
43,48
Kayu Bakar
24,2
17
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 tersedia. Peraturan
pengujian berdasarkan ASME (American of Mechanical Engineers) menentukan
penggunaan nilai kalor atas (HHV), sedangkan peraturan SAE (Society of Automotive
Engineers) menentukan penggunaan nilai kalor bawah (LHV).
2. 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 ditunjukkan
pada persamaan 2.4 :
�� =
2�.(�.�)
60
......................................................................................................... (2.4)
Dimana :
PB = daya ( W )
Universitas Sumatera Utara
T = torsi ( Nm )
n = putaran mesin ( Rpm )
3. 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. 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.
Untuk mencari daya dan torsi dapat ditunjukkan oleh persamaan 2.5 dan 2.6 di
bawah ini.
T=
�� .60
2�.�
................................................................................................................ (2.6)
4. Laju Bahan Bakar (mf)
Laju aliran bahan bakar didapat adalah banyaknya bahan bakar yang habis
terpakai selama satu jam pemakaian dihitung dengan persamaan 2.7 berikut:
�� =
���� �� �10 −3
��
� 3600 .................................................................................... (2.7)
dimana:
sgf
= spesifik gravitasi (0.85)
Vf
= Volume bahan bakar yang diuji (8 ml)
tf
= waktu yang dibutuhkan untuk menghabiskan bahan bakar (detik)
5. Air Fuel Ratio ( AFR )
Rasio udara bahan bakar (AFR) dari masing-masing jenis pengujian dihitung
berdasarkan rumus berikut:
Universitas Sumatera Utara
��
��� = �� ............................................................................................................. (2.8)
dimana:
AFR = air fuel ratio
ma
= laju aliran massa udara(kg/jam)
Besarnya laju aliran udara (ma) diperoleh dengan membandingkan besarnya
tekanan udara masuk yang telah diperoleh melalui pembacaan air flow manometer
terhadap kurva viscous flowmeter calibration seperti pada Gambar 4.5 berikut
Gambar 2.5Viscous Flow Meter
6. Efisiensi Volumetrik
Efisiensi volumetrik untuk motor bakar 4 langkahdihitung dengan persamaan
berikut:
�� =
2��
1
60� � � ��
..................................................................................................... (2.9)
dimana:
ρa = Kerapatan udara (kg/m3)
Universitas Sumatera Utara
Vs = volume langkah torak (m3) = 0.00023 (berdasarkan spesifikasi mesin)
Diasumsikan udara sebagai gas ideal sehingga massa jenis udara dapat
diperoleh dengan persamaaan berikut:
ρa =
Pa
RTa
.............................................................................................................. (2.10)
dimana: R = Konstanta gas (untuk udara = 287 J/kg K)
7. Daya Aktual
Daya aktual didapat dengan mengalikan Daya hasil pembacaan dengan efisiensi
mekanik dan efisiensi volumetrik, sehingga didapat:
Pa = Pb x ηb x ηv x ηm ........................................................................................ (2.11)
dimana : ηm= Efisiensi mekanik mesin diesel
8.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. Untuk mencari konsumsi bahan bakar spesifik ditunjukkan oleh
persamaan 2.12 di bawah ini:
SFC =
� ̇ � � 10 3
ṁf =
���� 8 �10 −3
��
...................................................................................................... (2.12)
�
� 3600 ................................................................................. (2.13)
Dengan :
SFC = konsumsi bahan bakar spesifik (kg/kw.h)
ṁf = konsumsi bahan bakar (kg/jam)
sgf = specific gravity
t = waktu (jam)
Universitas Sumatera Utara
9. Efisiensi termal
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 maksimum yang
dapat dihasilkan dari pembakaran sejumlah bahan bakar. Efisiensi ini disebut juga
sebagai efisiensi termal (thermal efficiency, ηb).
Jika daya keluaran Pb dalam satuan KW, laju aliran bahan bakar mf dalam
satuan kg/jam, maka untuk mencari efisiensi termal ditunjukkan pada persamaan
2.14 di bawah ini
ηb =
Pb
m f . CV
x 3600 ................................................................................................. (2.14)
10. Efisiensi Termal Aktual
Efisiensi termal aktual adalah perbandingan antara daya aktual dengan laju
panas rata-rata yang dihasilkan bahan bakar, yang dapat dihitung dengan persamaan
berikut:
ηa= �
��
� . ���
� 3600 ............................................................................................... (2.15)
dimana:
nb
= efisiensi termal
LHV = nilai kalor pembakaran (kJ/kg)
Danuntuk efisiensi termal break aktual dapat dicari denganmenggunakanrumus:
��ℎ,� =
η �2 � � � � � �
10 4
........................................................................................ (2.16)
11. Heat loss in Exhaust
Heat loss in exhaust atau dapat dikatakan sebagai besar kehilangan energi yang
terjadi akibat adanya aliran gas panas buang dari exhaust manifold ke lingkungan.
Gas buang ini berupa aliran gas panas. Besarnya Heat loss dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan 2.17 di bawah ini.
Universitas Sumatera Utara
Heat loss = (ma + mf)x (Te – Ta ) ...................................................................... (2.17)
dimana:
Te = suhu gas keluar exhaust manifold
Ta = Suhu lingkungan (27oC)
Untuk mengetahui persentase heat loss, maka dilakukan perbandingan antara
besarnya heat loss dengan energi yang dihasilkan dalam pembakaran bahan bakar
dimana ditunjukkan pada persamaan 2.18.
Heat loss =
(ma x mf )x (Te – Ta )
�� � ���
.............................................................................. (2.18)
12. Persentase Heat loss
Panas yang masuk ke mesin diberikan oleh persamaan di bawah ini
Q = mf x LHV ..................................................................................................... (2.19)
dimana: Q = Panas yang masuk ke mesin
Maka besarnya persentase panas yang terbuang dari mesin dapat dihitung
dengan menggunakan persamaan 2.20 di bawah ini:
% ���� ������ ��ℎ���� =
���� ����
������
�100% .................................................... (2.20)
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.2
Pertamina Dex ( Pertadex )
Minyak diesel, adalah suatu campuran dari hydrocarbon yang telah di distilasi
setelah bensin dan minyak tanah dari minyak mentah pada temperatur 250 - 340°C.
Umumnya minyak diesel mengandung belerang dengan kadar yang cukup tinggi.
Kualitas
minyak
diesel
sangat
ditentukan
oleh
besar
kecilnya
angka
PartikulatSulphur Content, dan angka Cetane. Angka Partikulat untuk menilai tingkat
kebersihan bahan bakar, angka Sulphur Content untuk emisi kesehatan Catalytic
Converter, dan angka Cetane berkaitan dengan kemampuan bahan bakar terhadap
putaran mesin yang tinggi. Pertamina Dexadalah salah satu jenis BBM produksi
Pertamina yang dipergunakan kendaraaan bermotor dengan mesin diesel.Seperti
halnya Pertamax dan Pertamax Plus, Pertamina Dex juga termasuk BBM nonsubsidi.
Akan tetapi, Pertamina Dex lebih jarang dijumpai dibandingkan Pertamax dan
Pertamax Plus. Harga jualnya juga merupakan yang termahal dari semua jenis BBM
yang diperjualbelikan di SPBU Pertamina.
Pertamina Dex yang merupakan singkatan dari Diesel Environment Extra
adalah salah satu jenis BBM produksi PERTAMINA yang dipergunakan untuk
kendaraaan bermotor dengan mesin diesel modern. Pertamina Dex memiliki
kelebihan dibandingkan dengan bahan bakar untuk mesin diesel lainnya,
diantaranya :
•
•
Memilik angka performa tinggi dengan Cetane Number Minimal 53 (paling
tinggi dikelasnya).
Memiliki Kandungan Sulfur Paling Rendah di Indonesia (max. 300 ppm) yang
berfungsi untuk menghindari penyumbatan injektor dan menghasilkan emisi
gas buang lebih ramah lingkungan, karena jika kandungan sulfur (belerang)
tinggi akan mengotori sistem penyaringan emisi sehingga menurunkan
kemampuannya dalam menekan emisi. Sulfur yang tinggi pun bisa membuat
•
injector nozzle kotor.
Memiliki Additive yang berfungsi untuk membersihkan dan juga melindungi
mesin kendaraan.
Universitas Sumatera Utara
2.2 Plastik
2.2.1 Tentang Plastik
Plastik merupakan salah satu bahan yang paling banyak digunakan saat ini
karena plastik memiliki banyak sifat-sifat yang menguntungkan bagi kehidupan
manusia. Diantara pemanfaatan plastik adalah untuk memproduksi wadah makanan
dan minuman, peralatan dapur dan rumah tangga, komponen listrik, serta mainan
anak- anak.Di balik kelebihan-kelebihan yang dimiliki plastik, penggunaan plastik
yang sembarangan ternyata dapat memberikan dampak yang buruk bagi lingkungan
dan juga kesehatan manusia.
Plastik umumnya sulit untuk didegradasikan (diuraikan) oleh mikro
organisme sehingga dapatmenimbulkan masalah pencemaran lingkungan. Sampah
plastik juga dapat melepaskan senyawa karsinogenik (penyebab dan pemicu kanker)
pada kondisi tertentu. Plastik adalah bahan sintestis atau alami yang terdiri dari rantai
panjang dengan komponen utama C atau karbon.Ikatan ini sangat kuat sehingga
material plastik cocok untuk digunakan dalam berbagai aplikasi. Plastik merupakan
material yang baru secara luas dikembangkan dan digunakan sejak abad ke-20 yang
berkembang secara luar biasa penggunaannya dari hanya beberapa ratus ton pada
tahun 1930-an, menjadi 150 juta ton/tahun pada tahun 1990-an dan 220 juta
ton/tahun pada tahun 2005.Saat ini penggunaan material plastik di negaranegaraEropa Barat mencapai 60 kg/orang/tahun,diAmerika Serikat mencapai
80kg/orang/tahun, sementara di India hanya 2kg/orang/tahun.
Plastik salah satu bahan yang paling umum kita lihat dan gunakan. Bahan
plastik secara bertahap mulai menggantikan gelas,kayu dan logam. Hal ini
disebabkan bahan plastik mempunyai beberapa keunggulan, yaitu : ringan, kuat dan
mudah dibentuk, anti karat dan tahan terhadap bahan kimia, mempunyai sifat isolasi
listrik yang tinggi, dapat dibuat berwarna maupun transparan dan biaya proses yang
lebih murah. Namun begitu daya guna plastik juga terbatas karena kekuatannya yang
rendah, tidak tahan panas mudah rusak pada suhu yang rendah.
Contoh plastik termoplastik adalah polietilen,polipropilen, nilon, polikarbonat,
dll, yang contoh aplikasinya seperti ember polietilen, cangkir polistiren, talinilon,
dll.Contoh plastik termoset adalah fenol formaldehid, urea formaldehid, melamin
Formaldehid, termosetting poliester, dll,yang contoh aplikasinya seperti: switch
Universitas Sumatera Utara
listrik, meja sermica, melamin Cutlery.Plastik merupakan bahan yang murah, tahan
lama, serbaguna, dan sangat disukai sebagai material bahan baku pembuatan produk.
Plastik mempunyai bobot ringan, kuat, tahan bahan kimia, dan mudah dalam
pemasaran. Komoditas plastik terbesar didunia adalah polipropilen, diikuti oleh PVC
dan HDPE. Plastik dapat dibagi dalam dua klasifikasi, yaitu material termoplastik
dan material termoset. Proses pembentukan plastik diakhiri oleh reaksi curing, yaitu
reaksi ikatan sambung silang (cross – linking) yang irreversible dari polimer.
Perbedaan termoplastik dimana termoplastik dapat diproses dengan panas, ketika
material diberi panas, material termoplastik akan mencair dimana material tersebut
dapat dibentuk menjadi produk yang diinginkan. Setelah didinginkan material akan
mengeras dan mempertahankan bentuknya. Material termoplastik dapat diproses
ulang dengan pemanasan dan pembentukan atau pencetakan. Berbeda dengan
material termoset yang tidak dapat diproses dengan pemanasan berulang kali atau
dengan kata lain mempunyai bentuk yang permanen setelah pemrosesan.
2.2.2 Pembuatan Plastik
Plastik dibuat dari monomer yang berulang dengan proses kimia yang
bervariasi, seperti :
•
Polimerisasi katalitik atau inisiasi peroksida dari monomer seperti etilena,
•
propilena, atau butadiena ditambah dengan stirena (kopolimer).
•
bifungsional dan alkohol atau amina.
Polikondensasi dari monomer yang tidak sama seperti asam organik
Poliadisi dari molekul monomer yang reaktif
Sebelum suatu monomer dikonversi menjadi suatu plastik, biasanya ditambah
dengan bahan – bahan aditif untuk meningkatkan kemudahan pemrosesan dan sifat
mekanis sesuai dengan fungsi dan pemakaian plastik tersebut (pemakaian luar
ruangan, terpapar sinar matahari, dll). Beberapa bahan aditif yang ditambahkan
biasanya adalah :
•
•
Antioksidan (1%)
•
Plastisizer (40%)
•
Stabilizer panas dan cahaya (5%)
Penguat resistan terhadap impak (10%)
Universitas Sumatera Utara
•
•
Pigmen atau pewarna (5%)
•
Pelumas atau Agent foaming (2%)
•
Ketahanan api (15%)
Bahan pengisi (40%)
Plastik dapat digolongkan dalam beberapa basis kriteria:
•
Komposisi kimia, berhubungan dengan monomer dan metode polimerisasi,
plastik dapat digolongkan menjadi poliolefin, vinyl polymers, styrenics,
•
polyamides, polyesters, epoxy resins, polycarbonates, polyurethanes, dll.
Struktur kimia, misalnya rantai linear (High Density Polyethylene), rantai
bercabang (Low Density Polyethylene), ikatan sambung silang (Termosers,
•
karet).
•
Tipe pengaplikasian, pemakaian umum atau pemakaian khusus.
•
Kekakuan, elastis, fleksibel, atau rigid/keras/kaku.
Metode pemrosesan, injection molding, extrusion, film blowing, blow
molding, thermforming, casting, calendaring, dan sebagainya
Pengetahuan sifat termal dari berbagai jenis plastik sangat berguna untuk proses
pembuatan serta daur ulang plastik.. Sifat-sifat termal yang penting adalah titik lebur
(Tm),temperatur transisi (Tg) dan temperatur dekomposisi. Temperatur transisi
adalah temperatur ketika plastik mengalami perengganan struktur sehingga terjadi
perubahan dari kondisi kaku menjadi lebih fleksibel. Di atas titik lebur, plastik
mengalami pembesaran volume sehinggamolekul bergerak lebih bebas yang ditandai
dengan peningkatan kelenturannya. Temperatur lebur adalah temperatur di
manaplastik mulai melunak dan berubah menjadi cair. Temperatur dekomposisi
merupakanbatasan dari proses pencairan. Jika suhu dinaikkan di atas temperatur
lebur, plastikakan mudah mengalir dan struktur akan mengalami dekomposisi.
Dekomposisi terjadi karena energi termal melampaui energi yang mengikat rantai
molekul. Secara umum polimer akan mengalami dekomposisi pada suhu di atas 1,5
kali dari temperatur transisinya. Data sifat termal yang penting pada proses daur
ulang plastik bisa dilihat pada tabel berikut:
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.1 Data temperatur transisi dantemperatur lebur plastik.
Temperatur
Jenis Bahan
Tm (°C)
Tg (°C )
PP
168
5
80
HDPE
134
-110
82
LDPE
330
-115
260
PA
260
50
100
PET
250
70
100
ABS
-
110
85
PS
-
90
70
PMMA
-
100
85
PC
-
150
246
PVC
-
90
71
Dekomposisi (°C)
2.2.3 Daur Ulang Plastik
Produksi plastik pada tahun 2012 tercatat sebanyak 57 juta ton di Eropa dan
288 juta ton diseluruh dunia. Di Indonesia, konsumsi plastik sudah meningkat seiring
dengan perkembangan ekonomi dan pertumbuhan penduduk. Pada tahun 2011,
Indonesia telah mengkonsumsi plastik 10 kg per kapita per tahun. Bagaimanapun
pengkonsumsian plastik dalam jumlah besar akan memicu permasalahan lingkungan
karena sifat plastik yang tidak dapat terurai secara alami. Tabel berikut menunjukkan
penggunaan atau konsumsi plastik di beberapa negara di dunia.
Tabel 2.2 KonsumsiPlastikPerkapita BeberapaNegara diDunia.
Negara
Konsumsi Per kapita dalam kg
India (1998)
1,6
India (2000)
4,0
Vietnam
1,5
China
6,0
Indonesia
8,0
Universitas Sumatera Utara
Mexico
13,0
Thailand
18,0
Malaysia
22,0
Eropa Barat
60,0
Jepang
70,0
Amerika Utara
78,0
2.2.4 Plastik Jenis Propilena (PP)
(PP) adalah sebuah polimer termo-plastik yang dibuat oleh industri kimia dan
digunakan dalam berbagai aplikasi, diantaranya pengemasan, tekstil (contohnya tali,
pakaian dalam termal, dan karpet), alat tulis, berbagai tipe wadah terpakaikan ulang
serta bagian plastik, perlengkapan labolatorium, pengeras suara, komponen otomotif,
dan uang kertas polimer. Polimer adisi yang terbuat dari propilena monomer,
permukaannya tidak rata serta memiliki sifat resistan yang tidak biasa terhadap
kebanyakan pelarut kimia, basa dan asam. Polipropilena biasanya didaur-ulang, dan
simbol daur ulangnya adalah nomor "5". Pengolahan lelehnya polipropilena bisa
dicapai melalui ekstrusi dan pencetakan. Metode ekstrusi (peleleran) yang umum
menyertakan produksi serat pintal ikat (spun bond) dan tiup (hembus) leleh untuk
membentuk gulungan yang panjang buat nantinya diubah menjadi beragam produk
yang berguna seperti masker muka, penyaring, popok dan lap.
Teknik pembentukan yang paling umum adalah pencetakan suntik, yang
digunakan untuk berbagai bagian seperti cangkir, alat pemotong, botol kecil, topi,
wadah, perabotan, dan suku cadang otomotif seperti baterai. Teknik pencetakan tiup
dan injection-stretch blow molding juga digunakan, yang melibatkan ekstrusi dan
pencetakan.
Ada banyak penerapan penggunaan akhir untuk PP karena dalam proses
pembuatannya bisa di-tailor grade dengan aditif serta sifat molekul yang spesifik.
Sebagai misal, berbagai aditif antistatik bisa ditambahkan untuk memperkuat
resistensi permukaan PP terhadap debu dan pasir. Kebanyakan teknik penyelesaikan
fisik, seperti pemesinan, bisa pula digunakan pada PP. Perawatan permukaan bisa
Universitas Sumatera Utara
diterapkan ke berbagai bagian PP untuk meningkatkan adhesi (rekatan) cat dan tinta
cetak.
Polipropilena dapat mengalami degradasi rantai saat terkena radiasi ultraungu
dari sinar matahari. Jadi untuk penggunaan propilena di luar ruangan, bahan aditif
yang menyerap ultraungu harus digunakan. Jelaga (celak) juga menyediakan
perlindungan dari serangan UV.
Biosida amonium kuartener serta olaamida yang bocor dari plastik polipropilena
ditemukan mempengaruhi hasil eksperimen.Karena polipropilena digunakan sebagai
wadah penyimpan makanan seperti yoghurt, permasalahan ini sedang dipelajari.
Manfaat dan kegunaan polipropilena dalam kehidupan adalah:
1. Polipropilena dapat dibuat Tali, anyaman, karpet/permadani, dan film.
2. Polipropilena dapat digunakan untuk pengemasan makanan dan dapat juga
digunakan sebagai botol minuman.
3. Polipropilena lebih kuat dari polietilena, sehingga banyak dipakai untuk
membuat karung, tali dan sebagainya. Karena lebih kuat, botol-botol dari
polipropilena dapat dibuat lebih tipis dari pada polietilena.
4. Dalam bidang medis Polipropilena digunakan sebagai bahan pembuat benang
jahit untuk operasi yang diberi nama Prolene, yang dibuat oleh Ethicon Inc.
5. Polipropilena telah digunakan dalam operasi memperbaiki hernia untuk
melindungi tubuh dari hernia baru di lokasi yang sama. Tambalan kecil dari PP
yang diletakkan di lokasi hernia, di bawah kulit, tidak menyebabkan rasa saki
dan jarang ditolak oleh tubuh.
Jadi
untuk
pengujian
kami
ini
menggunakan
polipropilena
botol
minuman.Polipropilena, salah satu komponen utama penyusun limbah plastik di
dunia, yang mana digunakan secara luas pada industri dan rumah tangga.
Polipropilena dibuat dari polimerisasi propilen dengan menggunakan katalis.
Polipropilena adalah material termoplastik dengan kristalinitas tinggi, densitas
rendah, kekakuan yang rendah, dan ketahanan terhadap bahan kimia yang baik, tidak
menyerap air, dan ketahanan impak yang baik. Berikut ini dapat kita lihat sifat
mekanik polipropilena pada tabel 2.3.
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.3 Sifat mekanik Polipropilena
Densitas (mg/m3)
0,09 – 0,93
Modulus tarikan (GPa)
1,8
Kekuatan tarik (MPa)
37
Elongation at break (%)
10 – 60
Heat deflection temperature at 0,45 Mpa (°C)
100 – 105
Heat deflection temperature at 1,81 Mpa (°C)
60 – 65
Ekspansi linear termal (mm/mm K)
3,8 x 10-5
Kekerasan (Shore)
D76
Resistivitas volume (Ω.cm)
1,0 x 1017
Linear mold shrinkage (in./in.)
0,01 – 0,02
Flash point (°C)
~55
Pour point (°C)
-12
Plug point (°C)
-8
Water (%)
0,01
Ada penggunaan polipropilena kebanyakan pada kemasan minuman,
komponen otomotif, perlengkapan rumah tangga, dan mainan. Polipropilen dapat
diekstrusi menjadi bentuk serat atau kawat untuk penggunaan pengikat pada karpet.
Limbah plastik yang terbuat dari polipropilen (PP) mengandung 85% karbon dan
sisanya adalah hidrogen, hal ini membuat material ini sangat cocok untuk didaur
ulang menjadi produk hidrokarbon yang berguna seperti bahan bakar. Polipropilen
(PP) membutuhkan energi aktivasi yang lebih rendah untuk memecah ikatan C – H
daripada polietilen (PE) karna rantai karbon polimer PP terdiri dari atom karbon
tersier yang kurang tahan terhadap degradasi.
Secara umum proses pembuatan plsatik polipropilena terbagi dalam tiga
macam yaitu;
1. Polypropilene homopolymeradalah PP melalui proses polimerisasi monomer
propylene. PP jenis ini memiliki karakteristik kekakuan yang cukup tinggi dan
kemengkilapan yang baik,sifat optis/fisik dari PP homopolymer masuk dalam
Universitas Sumatera Utara
kategori agak buram. Contonya sepertikemasan makanan (baik rigid maupun
fleksibel),peralatan rumah tangga,karung plastik dan lain-lain.
2. Polypropilena random copolymer diproduksi melalui polimerisasi monomer
propylene, dengan tambahan comonomer ethylene. Jenis ini memiliki kebeningan
dan keuletan yang sangat baik,karenanya PP random copylemer banyak digunakan
untuk pembuatan peralatan yang bening,sepertitutup botol jenis flip-topdan kemasan
lainya.
3. Polypropilene impact copolymer (block copolymer) karakteristik terpenting
dari jenis PP ini adalah material yang memiliki ketahanan terhadap temperatur
rendah(-30oC). Selain ituPP impact copolymer dikenali dari warna dasarnya yaitu
putih susu.contohnya seperti, pallet,elektronikdan perlengkapan otomotif.
2.3
Silika Gel
Silika adalah hasil polimerisasi asam silikat, yang mana dapat berstruktur
kristalin maupun amorf. Silika tersusun dari rantai satuan SiO4 tetrahedral dengan
formula umum SiO2. Senyawa silika yang terdapat dialam dapat ditemukan di
beberapa bahan alam seperti pasir, kuarsa, gelas, dan sebagainya. Silika yang
terdapat dialam mempunyai struktur kristalin, sedangkan silika sintetis berstruktur
amorf. secara sintetis senyawa silika dapat dibuat dari larutan silikat atau dari
pereaksi silan. Silika yang terakumulasi didalam makhluk hidup, baik hewan atau
tumbuhan memiliki bentuk amorf, berbeda dengan silika yang tidak berasal dari
makhluk hidup seperti batuan dan debu yang memiliki struktur silika kristalin.
Berikut ini adalah beberapa sifat silika gel:
Simbol
:
Si
Radius Atom
:
1.32 Å
Volume Atom
:
12.1 cm3/mol
Massa Atom
:
28.0856
Titik Didih
:
2630 K
Radius Kovalensi
:
1.11 Å
Struktur Kristal
:
fcc
Massa Jenis
:
2.33 g/cm3
Elektronegativitas
:
1.9
Universitas Sumatera Utara
Konfigurasi Elektron :
[Ne]3s2p2
Formasi Entalpi
:
50.2 kJ/mol
Potensial Ionisasi
:
8.151 V
Titik Lebur
:
1683 K
Bilangan Oksidasi
:
4,2
Entalpi Penguapan
:
359 kJ/mol
Silika menyumbang sekitar 60% berat dari kerak bumi, dengan tidak berikatan
maupun berikatan dengan oksida lain pada silikat. Silika amorf biasanya digunakan
sebagai pengering, adsorben, agen penguat, bahan pengisi, dan komponen katalis.
Silika juga dapat digunakan sebagai kristal piezoelectric, elemen optical, dan bahan
pecah belah. Silika adalah material dasar bahan – bahan gelas, keramik, dan industri
bahan – bahan tahan api.
2.4 Proses Pirolisis
Pirolisis, dapat disebut juga sebagai termolisis, adalah suatu proses
dekomposisi secara kimia maupun termal, pada umumnya terdegradasi menjadi
molekul yang lebih kecil. Metode konvensional untuk mengolah limbah plastik,
seperti landfill dan insinerasi, tidak dapat digunakan dalam jangka panjang karena
dapat menyebabkan polusi udara, penyebaran racun, terkontaminasinya air tanah,
dan kerusakan tanah. Pirolisis adalah metode yang dapat dipertimbangkan dan layak
untuk dilakukan dengan mendegradasi material polimer tanpa penggunaan oksigen.
Tujuan penghilangan udara adalah untuk alasan keamanan, kualitas produk, dan
yield. Berdasarkan variasi suhu, maka pirolisis dapat dibagi menjadi tiga, rendah ( <
400 °C), sedang ( 400 – 600 °C) atau tinggi ( >600 °C). Hasil dari proses pirolisis
dapat dibagi menjadi fraksi cair, fraksi gas, dan residu padatan. Pirolisis merupakan
suatu alternatif untuk memperoleh energi dari limbah plastik. Hal ini menggunakan
prinsip dimana kebanyakan substansi organik secara termal tidak stabil sehingga
rantainya dapat pecah pada keadaan bebas oksigen.
Oleh karena itu, konversi limbah plastik menjadi bahan bakar memiliki
beberapa keuntungan, yaitu:
Universitas Sumatera Utara
1. Membentuk siklus pemakaian energi tidak terbarukan.
2. Dapat menjadi sumber petrokimia alternatif untuk menurunkan pembelian
atau pemakaian energi tidak terbarukan.
3. Solusi alternatif yang efektif untuk mengurangi limbah plastik yang
berakibat tercegahnya pencemaran lingkungan yang biasanya ditimbulkan
oleh cara pengolahan insinerasi dan landfill.
2.5
Mesin Diesel
Mesin diesel ( juga dikenal sebagai mesin kompresi / Compression) adalah
sebuah mesin pembakaran internal yang menggunakan panas kompresi untuk
memulai pengapian dan membakar bahan bakar yang telah disuntikkan ke dalam
ruang pembakaran. Ini berbeda dengan mesin busi seperti mesin bensin atau mesin
gas, yang menggunakan busi untuk menyalakan campuran udara-bahan bakar.
Pada motor diesel tidak diperlukan sistem pengapian seperti halnya pada
motor bensin, namun dalam motor diesel diperlukan sistem injeksi bahan bakar yang
berupa pompa injeksi (injection pump) dan pengabut (injector) serta perlengkapan
bantu lain. Bahan bakar yang disemprotkan harus mempunyai sifat dapat terbakar
sendiri (self ignition)
Mesin diesel juga disebut “Motor Penyalaan Kompresi” oleh karena
penyalaannya dilakukan dengan menyemprotkan bahan bakar ke dalam udara yang
telah bertekanan dan bertemperatur tinggi sebagai akibat dari proses kompresi di
dalam ruang bakar. Agar bahan bakar diesel dapat terbakar dengan sendirinya, maka
perbandingan kompresi mesin diesel harus berkisar antara 15 – 22, sedangkan
tekanan kompresinya mencapai 20 – 40 bar dengan suhu 500 – 700 0C. Aplikasi dari
motor diesel banyak pada industri-industri sebagai motor stasioner ataupun untuk
kendaraan-kendaraan dan kapal laut dengan ukuran yang besar. Hal ini dikarenakan
motor diesel mengkonsumsi bahan bakar ± 25% lebih rendah dari motor bensin,
lebih murah dan perawatannya lebih sederhana (Kubota, S., dkk, 2001).
Universitas Sumatera Utara
Keunggulan mesin diesel dibanding mesin bensin adalah sebagai berikut :
1. Mesin diesel memiliki efisensi terhadap panas yang besar bila
dibandingkan dengan mesin bensin. Tentunya hal tersebut dapat lebih menghemat
penggunaan bahan bakar (solar) daripada bensin pada mesin bensin.
2. Umumnya, mesin diesel lebih tahan lama dan tidak membutuhkan electric
igniter. Hal ini berarti bahwa kemungkinan terjadinya kesulitan tentu lebih kecil dari
pada mesin bensin.
3. Momen pada mesin diesel tidak berubah pada jenjang tingkat kecepatan
yang luas. Itu artinya mesin diesel lebih fleksibel dan lebih mudah dioperasikan bila
dibandingkan dengan mesin bensin dan karena hal inilah mesin diesel umum
digunakan untuk kendaraan-kendaraan besar.
Kelemahan mesin diesel dibanding mesin bensin adalah sebagai berikut :
1. Suara dan getaran pada mesin diesel jauh lebih besar dibanding suara dan
getaran pada mesin bensin. Hal tersebut disebabkan oleh tekanan pembakaran
maksimum pada mesin diesel hampir dua kali lebih besar daripada mesin bensin.
2. Karena tekanan pembakarannya lebih besar dari pada mesin bensin, maka
mesin diesel harus dibuat dengan menggunakan jenis bahan yang tahan terhadap
tekanan tinggi, selain itu, bahan yang digunakan juga harus memiliki struktur yang
kuat. Hal ini berarti bahwa untuk daya kuda yang sama, mesin diesel memiliki bobot
yangjauh lebih berat dibanding bobot mesin bensin,dan tentunya biaya
pembuatannya punjugapasti lebih mahaldaripada biaya pembuatan mesin bensin.
3. Harga mesin diesel lebih mahal dibanding harga mesin bensin, selain itu,
mesin diesel juga membutuhkan perawatan atau pemeliharaan yang lebih cermat
daripada mesin bensin, sebab mesin diesel membutuhkan sistem injeksi bahan bakar
yang lebih presisi dibanding sistem injeksi pada mesin bensin.
4. Mesin diesel memerlukan alat pemutar berupa motor starter dan baterai
yang berkapasitas lebih besar untuk memutarnya. Hal tersebut disebabkan karena
mesindiesel memiliki perbandingan kompresi yang lebih tinggi dari pada mesin
bensin.
Siklus diesel (ideal) pembakaran tersebut dimisalkan dengan pemasukan
panas pada volume konstan (Y. A. Çengel and M. A. Boles, Thermodynamics: An
Universitas Sumatera Utara
Engineering Approach, 5th ed, McGraw-Hill, 2006.). Siklus diesel tersebut
ditunjukkan pada gambar 2.1 dan 2.2 di bawah ini.
Gambar 2.1 Diagram P-v
Keterangan Gambar:
P = Tekanan (atm)
V = Volume Spesifik (m3/kg)
T = Temperatur (K)
S = Entropi (kJ/kg.K)
Gambar 2.2 Diagram T-S
Universitas Sumatera Utara
Keterangan Grafik:
1-2 Kompresi Isentropik
2-3 Pemasukan Kalor pada Volume Konstan
3-4 Ekspansi Isentropik
4-1 Pengeluaran Kalor pada Volume Konstan
2.5.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel
Prinsip kerja mesin diesel 4 tak sebenarnya sama dengan prinsip kerja mesin
otto, yang membedakan adalah cara memasukkan bahan bakarnya. Pada mesin diesel
bahan bakar di semprotkan langsung ke ruang bakar dengan menggunakan injector.
Dibawah ini adalah gambar langkah dalam proses mesin diesel 4 langkah :
Langkah isap
Langkah kompresi
Langkah usaha
Langkah Buang
Gambar 2.3 Prinsip Kerja Mesin Diesel
1. Langkah Isap
Waktu torak bergerak dari TMA ke TMB. Udara diisap melalui katup isap
sedangkan katup buang tertutup. Saat piston bergerak ke bawah katup isap terbuka
yang menyebabkan tekanan udara di dalam silinder seketika lebih rendah dari
tekanan atmosfer,sehingga udara murni langsung masuk ke ruang silinder melalui
filter udara.
2. Langkah kompresi
Ketika torak bergerak dari TMB ke TMA dengan memampatkan udara yang
diisap, karena kedua katup isap dan katup buang tertutup, sehingga tekanan dan suhu
udara dalam silinder tersebut akan naik.
Universitas Sumatera Utara
3. Langkah Usaha
Ketika katup isap dan katup buang masih tertutup, partikel bahan bakar yang
disemprotkan oleh pengabut bercampur dengan udara bertekanan dan suhu tinggi,
sehingga terjadilah pembakaran. Pada langkah ini torak mulai bergerak dari TMA ke
TMB karena pembakaran berlangsung bertahap
4. Langkah Buang
Ketika torak atau piston bergerak terus dari TMA ke TMB dengan katup isap
tertutup dan katup buang terbuka, sehingga gas bekas pembakaran terdorong
keluar.Begitu seterusnya sehingga terjadi siklus pergerakan piston yang tidak
berhenti.
2.5.2 Performansi Mesin Diesel
1. Nilai Kalor Bahan Bakar ( Heating Value )
Ikatan antar atom hidrokarbon ataupun non-hidrokarbon dari bahan-bahan bakar
tersebut menyimpan energi. Energi dalam ikatan antar atom inilah yang biasa kita
sebut sebagai energi kimia. Jika ikatan antar atom tersebut terlepas atau putus, energi
yang tersimpan di dalamnya akan terlepas juga dalam bentuk panas. Jumlah energi
panas yang terlepas untuk tiap satu satuan massa bahan bakar inilah yang biasa kita
kenal sebagai nilai kalor, atau biasa dikenal dalam dunia engineer sebagai heating
value. Selain melepas energi panas, terputusnya ikatan antar atom tersebut diikuti
pula dengan reaksi oksidasi, yang ditandai dengan terikatnya atom oksigen dengan
masing-masing atom karbon dan hidrogen membentuk karbon dioksida (CO2)
maupun air (H2O).
Dikenal ada dua jenis heating value yang digunakan secara luas di dunia, yakni
higher heating value (HHV) serta lower heating value (LHV). Keduanya memiliki
acuan dan metode perhitungan yang sedikit berbeda. Satu hal yang menjadi acuan di
sini adalah adanya kandungan air yang dapat dipastikan akan selalu hadir pada setiap
reaksi pembakaran hidrokarbon. 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).
Berdasarkan asumsi ikut tidaknya panas laten pengembunan uap air dihitung sebagai
Universitas Sumatera Utara
bagian dari nilai kalor suatu bahan bakar, maka nilai kalor bahan bakardapat
dibedakan menjadi nilai kalor atas dan nilai kalor bawah.
Nilai heating value diukur menggunakan sebuah alat bernama bomb
kalorimeter. Alat ini tersusun atas sebuah ruang pembakaran dengan volume konstan
sebagai tempat spesimen diukur nilai kalorinya. Ruang ini diselimuti dengan air
sebagai media ukur saat terjadi perubahan temperatur akibat proses pembakaran
terjadi. Spesimen diletakkan di dalam ruang bakar dan disulut menjadi api hingga
terjadi ekspansi udara serta kenaikan temperatur ruang. Kenaikan temperatur tersebut
akan memanaskan air yang menyelimuti ruang, sehingga didapatkan temperatur
sebelum dan sesudah pembakaran bahan bakar. Dari nilai temperatur air inilah akan
dihitung nilai kalor bahan bakar tersebut. Gambar 2.4 dibawah ini menunjukkan
bagian bagian Bom kalorimeter.
Gambar 2.4 Bagian Bagian Bom Kalorimeter
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
Universitas Sumatera Utara
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 Dulongdan
Petit yang ditunjukkan pada persamaan 2.1 di bawah ini:
�
HHV = 33950 C + 144200 (H2- 82 ) + 9400 S ....................................................... (2.1)
Dimana: HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
C
= Persentase unsur karbon
H2
= Persentase hidrogen dalam bahan bakar
O2
= Persentase oksigen dalam bahan bakar
S
= Persentase sulfur dalam bahan bakar
Nilai kalor suatu bahan bakar juga dapat di peroleh dari hasil pengujian
menggunakan alat Bom Kalorimeter Oksigen yaitu dengan persamaan 2.2. berikut
ini:
HHV = (T2-T1-Tkp) Cv .......................................................................................... (2.2)
Dimana: T1= Suhu air pendingin sebelum dinyalakan (oC)
T2= Suhu air pendingin setelah dinyalakan (oC)
Tkp = kenaikan suhu kawat penyala (0.05oC)
Cv = panas jenis alat (73.529,6 kj/kgoC)
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 mol 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
2.3. berikut :
Universitas Sumatera Utara
LHV = HHV – 2400 (M + 9 H2) .......................................................................... (2.3)
Dimana: LHV = Nilai Kalor Bawah (kJ/kg)
M
= Persentase kandungan air dalam bahan bakar (moisture)
HHV dan LHV adalah notasi theoretical, hanya dipakai untuk indikasi dan
tidak menunjukkan kondisi yang sebenarnya dalam praktek. Alasannya bahan bakar
dan gas hasil pembakaran tidak pernah berada pada temperatur yang sama sesuai
asumsi yang dipakai untuk perhitungan HHV dan LHV. Dalam praktek, energi yang
bisa kita peroleh dari pembakaran bahan bakar akan selalu lebih kecil dari HHV atau
LHV, karena ada energi dalam bentuk panas yang dibawa pergi oleh gas hasil
pembakaran. Itulah sebabnya efisiensi semua mesin konversi energi (steam power
plant, internal combustion engine, gas turbine) tidak pernah bisa 100 %.
Jadi HHV dan LHV sama sekali tidak ada hubungannya dengan fase dari
bahan bakarnya, baik bahan bakar padat maupun cair, sama-sama punya HHV dan
LHV. Kalau soal gampang atau susahnya membakar, juga tidak ada hubungannya
dengan HHV & LVH. Karena, pembakaran itu proses eksotermis, jadi tidak
mengambil panas (energi) dari lingkungan justru memberikan panas ke lingkungan.
Sebenarnya yang bisa dibakar itu adalah fase gas, kalau ada bahan bakar cair, maka
harus terbentuk cukup uap di atas permukaannya supaya bisa memulai pembakaran.
Kalau kita mulai dari temperatur ambient, untuk bahan bakar cair tertentu, misalnya
diesel oil, mesti diberikan suhu yang cukup supaya tekanan uapnya cukup tinggi
untuk membentuk fase uap yang bisa dibakar (dari sinilah muncul istilah flash point).
Tapi begitu sudah dibakar, panas dari pembakaran akan selalu menyediakan energi
yang cukup untuk menghasilkan fase uap yang siap untuk dibakar.
Berikut adalah heating value dari berbagai jenis bahan bakar :
Tabel 2.4 Heating Value beberapa Jenis Bahan Bakar
Jenis Bahan Bakar
Hidrogen
HHV (MJ/kg)
141,8
LHV (MJ/kg)
119,96
Metana
55,5
50
Etana
51,9
47,8
Propana
50,35
46,35
Butana
49,5
45,75
Universitas Sumatera Utara
Pentana
48,6
45,35
Minyak Bumi
45,54
42,68
Lilin Parafin
46
41,5
Kerosin
46,2
43
Solar
44,8
43,4
Pertadex
48,22
45,13
Bensin
47
43,48
Kayu Bakar
24,2
17
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 tersedia. Peraturan
pengujian berdasarkan ASME (American of Mechanical Engineers) menentukan
penggunaan nilai kalor atas (HHV), sedangkan peraturan SAE (Society of Automotive
Engineers) menentukan penggunaan nilai kalor bawah (LHV).
2. 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 ditunjukkan
pada persamaan 2.4 :
�� =
2�.(�.�)
60
......................................................................................................... (2.4)
Dimana :
PB = daya ( W )
Universitas Sumatera Utara
T = torsi ( Nm )
n = putaran mesin ( Rpm )
3. 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. 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.
Untuk mencari daya dan torsi dapat ditunjukkan oleh persamaan 2.5 dan 2.6 di
bawah ini.
T=
�� .60
2�.�
................................................................................................................ (2.6)
4. Laju Bahan Bakar (mf)
Laju aliran bahan bakar didapat adalah banyaknya bahan bakar yang habis
terpakai selama satu jam pemakaian dihitung dengan persamaan 2.7 berikut:
�� =
���� �� �10 −3
��
� 3600 .................................................................................... (2.7)
dimana:
sgf
= spesifik gravitasi (0.85)
Vf
= Volume bahan bakar yang diuji (8 ml)
tf
= waktu yang dibutuhkan untuk menghabiskan bahan bakar (detik)
5. Air Fuel Ratio ( AFR )
Rasio udara bahan bakar (AFR) dari masing-masing jenis pengujian dihitung
berdasarkan rumus berikut:
Universitas Sumatera Utara
��
��� = �� ............................................................................................................. (2.8)
dimana:
AFR = air fuel ratio
ma
= laju aliran massa udara(kg/jam)
Besarnya laju aliran udara (ma) diperoleh dengan membandingkan besarnya
tekanan udara masuk yang telah diperoleh melalui pembacaan air flow manometer
terhadap kurva viscous flowmeter calibration seperti pada Gambar 4.5 berikut
Gambar 2.5Viscous Flow Meter
6. Efisiensi Volumetrik
Efisiensi volumetrik untuk motor bakar 4 langkahdihitung dengan persamaan
berikut:
�� =
2��
1
60� � � ��
..................................................................................................... (2.9)
dimana:
ρa = Kerapatan udara (kg/m3)
Universitas Sumatera Utara
Vs = volume langkah torak (m3) = 0.00023 (berdasarkan spesifikasi mesin)
Diasumsikan udara sebagai gas ideal sehingga massa jenis udara dapat
diperoleh dengan persamaaan berikut:
ρa =
Pa
RTa
.............................................................................................................. (2.10)
dimana: R = Konstanta gas (untuk udara = 287 J/kg K)
7. Daya Aktual
Daya aktual didapat dengan mengalikan Daya hasil pembacaan dengan efisiensi
mekanik dan efisiensi volumetrik, sehingga didapat:
Pa = Pb x ηb x ηv x ηm ........................................................................................ (2.11)
dimana : ηm= Efisiensi mekanik mesin diesel
8.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. Untuk mencari konsumsi bahan bakar spesifik ditunjukkan oleh
persamaan 2.12 di bawah ini:
SFC =
� ̇ � � 10 3
ṁf =
���� 8 �10 −3
��
...................................................................................................... (2.12)
�
� 3600 ................................................................................. (2.13)
Dengan :
SFC = konsumsi bahan bakar spesifik (kg/kw.h)
ṁf = konsumsi bahan bakar (kg/jam)
sgf = specific gravity
t = waktu (jam)
Universitas Sumatera Utara
9. Efisiensi termal
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 maksimum yang
dapat dihasilkan dari pembakaran sejumlah bahan bakar. Efisiensi ini disebut juga
sebagai efisiensi termal (thermal efficiency, ηb).
Jika daya keluaran Pb dalam satuan KW, laju aliran bahan bakar mf dalam
satuan kg/jam, maka untuk mencari efisiensi termal ditunjukkan pada persamaan
2.14 di bawah ini
ηb =
Pb
m f . CV
x 3600 ................................................................................................. (2.14)
10. Efisiensi Termal Aktual
Efisiensi termal aktual adalah perbandingan antara daya aktual dengan laju
panas rata-rata yang dihasilkan bahan bakar, yang dapat dihitung dengan persamaan
berikut:
ηa= �
��
� . ���
� 3600 ............................................................................................... (2.15)
dimana:
nb
= efisiensi termal
LHV = nilai kalor pembakaran (kJ/kg)
Danuntuk efisiensi termal break aktual dapat dicari denganmenggunakanrumus:
��ℎ,� =
η �2 � � � � � �
10 4
........................................................................................ (2.16)
11. Heat loss in Exhaust
Heat loss in exhaust atau dapat dikatakan sebagai besar kehilangan energi yang
terjadi akibat adanya aliran gas panas buang dari exhaust manifold ke lingkungan.
Gas buang ini berupa aliran gas panas. Besarnya Heat loss dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan 2.17 di bawah ini.
Universitas Sumatera Utara
Heat loss = (ma + mf)x (Te – Ta ) ...................................................................... (2.17)
dimana:
Te = suhu gas keluar exhaust manifold
Ta = Suhu lingkungan (27oC)
Untuk mengetahui persentase heat loss, maka dilakukan perbandingan antara
besarnya heat loss dengan energi yang dihasilkan dalam pembakaran bahan bakar
dimana ditunjukkan pada persamaan 2.18.
Heat loss =
(ma x mf )x (Te – Ta )
�� � ���
.............................................................................. (2.18)
12. Persentase Heat loss
Panas yang masuk ke mesin diberikan oleh persamaan di bawah ini
Q = mf x LHV ..................................................................................................... (2.19)
dimana: Q = Panas yang masuk ke mesin
Maka besarnya persentase panas yang terbuang dari mesin dapat dihitung
dengan menggunakan persamaan 2.20 di bawah ini:
% ���� ������ ��ℎ���� =
���� ����
������
�100% .................................................... (2.20)
Universitas Sumatera Utara