1. PENDAHULUAN
Pembakaran pada Mesin Diesel
Proses pembakaran pada mesin diesel secara mendasar telah dikenal secara luas, dan secara singkat dapat dijabarkan sebagai berikut. Bahan bakar disemprotkan ke dalam silinder beberapa saat menjelang titik mati atas pada langkah kompresi. Bahan bakar yang berfase cair tersebut disemprotkan dalam tekanan dan kecepatan tinggi melalui nozel injector, sehingga mengakibatkan atomisasi bahan bakar menjadi butiran-butiran kecil cair/kabut (droplet). Kabut tersebut kemudian menguap dan berdifusi/bercampur dengan udara yang bertekanan dan bersuhu tinggi. Apabila suhu dan tekanan udara
dalam silinder mencapai titik nyala bahan bakar, maka akan terjadi penyalaan secara spontan pada sebagian udara dan bahan bakar yang telah tercampur, setelah melalui suatu perioda kelambatan waktu (delay period) selama beberapa derajat putaran poros engkol. Tekanan gas dalam silinder akan bertambah selama proses pembakaran terjadi. Penyemprotan bahan bakar terus berlanjut sampai jumlah yang dibutuhkan terpenuhi. Atomisasi, penguapan, difusi bahan bakar dengan udara dan pembakaran terus berlanjut sampai semua bahan bakar mengalami seluruh proses tersebut. Pencampuran udara yang tersisa dengan gas yang sedang dan sudah terbakar terus berlanjut selama proses pembakaran dan proses ekspansi.
Kelambatan Waktu Penyalaan
Kelambatan waktu penyalaan (Ignition delay) pada motor diesel dinyatakan sebagai selang waktu (atau derajat sudut engkol) antara mulainya penyemprotan bahan bakar dan mulai terjadinya pembakaran [1]. Mulainya penyemprotan bahan bakar biasanya ditentukan saat jarum injektor (needle) terangkat dari dudukannya. Mulai terjadinya pembakaran dapat ditentukan dari perubahan sudut kemiringan (slope) yang tajam pada grafik tekanan terhadap sudut engkol, pθ sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1
Proses fisis dan kimiawi terjadi sebelum sebagian besar energi kimia bahan bakar dilepaskan. Proses fisisnya terutama adalah: atomisasi bahan bakar, penguapan butiran bahan bakar dan difusi uap bahan bakar dengan udara. Proses kimiawinya terutama adalah: reaksi pra pembakaran dari campuran bahan bakar-udara dan sisa gas, yang akan menyebabkan penyalaan sendiri (autoignition). Proses-proses tadi dipengaruhi oleh desain mesin, kondisi operasi dan karakter bahan bakar yang digunakan.
Kelambatan waktu penyalaan dipengaruhi oleh karakteristik penyalaan bahan bakar, sehingga sifat-sifat bahan bakar merupakan hal yang sangat penting untuk menentukan karakter operasi mesin diesel, seperti efisiensi konversi bahan bakar, kehalusan operasi, kegagalan penyalaan (misfire), asap gas buang (smoke), kebisingan (noise), dan kemudahan penyalaan (start).
Gambar 1. Proses Pembakaran Pada Motor Diesel, ditunjukkan dalam grafik perubahan vs sudut engkol [2].
Bahan Bakar dan Sifat-Sifatnya
Karena proses fisis dan kimiawi bahan bakar keduanya terjadi selama kelambatan waktu penyalaan, pengaruh perubahan sifat-sifat fisis dan kimiawi bahan bakar juga banyak dipelajari. Karakteristik kimiawi bahan bakar jauh lebih penting. Kualitas penyalaan bahan bakar ditentukan oleh bilangan setananya, yang tentu saja mempengaruhi kelambatan waktu penyalaannya.
Bilangan setana suatu bahan bakar tergantung kepada struktur molekulnya. Untuk bahan bakar diesel (solar), senyawa parafin rantai lurus (normal alkana) memiliki kualitas penyalaan yang lebih bagus, dan akan meningkat bila rantainya bertambah panjang. Senyawa aromatic memiliki kualitas penyalaan yang kurang bagus.
Metil ester sawit yang digunakan selama pengujian diperoleh dari Pusat Penelitian Kelapa Sawit (PPKS) Medan. PPKS membuat MES dari bahan baku minyak sawit mentah (CPO). Sifat kimia fisika MES produksi PPKS dan solar terdapat pada Tabel 1. Solar diperoleh langsung dari PERTAMINA, sehingga diasumsikan mempunyai spesifikasi teknis sama dengan yang dikeluarkan oleh pemerintah melalui Ditjen MIGAS.
Dari Table 1 terlihat bahwa metil ester kelapa sawit produksi PPKS Medan memiliki bilangan setana 62,4, berarti lebih tinggi dibanding dengan bilangan setana solar yang ada di Indonesia yaitu 50 s/d 53 [4].
Tabel 1. Karakteristik MES dan Solar
| Parameter | MES | Solar |
|---|---|---|
| Methyl Ester (%) | 100 | - |
| IsoParafin + | - | 55 |
| Naphthenes(%) | ||
| Parafin | - | 20 |
| Aromatik | - | 25 |
| Parameter | MES | Solar |
| Densitas, g/ml | 0,8624 | 0,8520-0,8750 |
| Viskositas, cSt | 5,55 | 3,2-4,0 |
| Flash Point, o C | 172 | 55-176 |
| Cetane Number | 62,4 | 50-53 |
| Kadar Air, % | 0,1 | 0,005-0,3 |
| Pelumasan | Tinggi | Rendah |
| Bahan Baku | Renewable | Unrenewable |
Bilangan setana campuran solar dengan metil ester kelapa sawit (MES) dapat diprediksi dengan rumus sederhana pada Persamaan (1). Perbedaan antara hasil perhitungan dengan hasil pengukuran cukup dapat diterima [3].
\[CN_{camp} = x_{solar}.CN_{solar} + x_{ME}.CN_{ME}.\] (1)
dengan :
CNcamp : bilangan setana campuran
CNsolar bilangan setana solar
CNME : bilangan setana metil ester
Xsolar : prosentase massa solar
XME : prosentase massa metil ester
Bilangan setana campuran dari hasil perhitungan dapat dilihat pada Tabel 2 berikut :
Tabel 2. Hasil Perhitungan Bilangan Setana Bahan Bakar
| Bahan Bakar | Bilangan Setana |
|---|---|
| 20% MES | 52,48 |
| 30% MES | 53,72 |
| 40% MES | 54,96 |
2. ALAT DAN METODE PENGUJIAN
Alat Uji
Pengujian dilakukan pada mesin diesel silinder tunggal injeksi langsung (direct injection) (DI) Hydra Research Engine yang dihubungkan dengan dinamometer jenis DC, dengan layout seperti ditunjukkan pada Gambar 2 Konfigurasi dasar mesin diberikan dalam Tabel 3.
Gambar 2. Layout sistem pengujian.
Tabel 3. Spesifikasi Mesin Riset Hydra
| Jenis | Diesel Injeksi langsung 2 katup/silinder | |
|---|---|---|
| Diameter silinder x langkah | 80,26 mm x 88,9 mm | |
| Kapasitas silinder | 450 cc | |
| Perbandingan Kompresi | 20,3:1 | |
| Putaran maksimum | 4500 rpm | |
Uraian lebih detail tentang spesifikasi mesin dapat dilihat pada Pustaka [2]. Sebagai dasar perbandingan, digunakan setting optimum mesin dengan bahan bakar solar untuk beberapa putaran mesin, yaitu dari putaran 1200 s/d 4200 rpm dengan selang 600 rpm. Setting mesin disini adalah penyetelan besarnya bukaan rack (menentukan banyaknya suplai bahan bakar) dan waktu mulai injeksi bahan bakar. Setting optimum didasarkan pada daya dan torsi terbesar yang dihasilkan mesin, dengan tingkat ketebalan asap gas buang (smoke level) tidak lebih dari 4 berdasar skala FSN (filter smoke number). Pengujian dengan komposisi bahan bakar yang lain menggunakan setting optimum solar. Setting yang digunakan adalah sebagaimana ditunjukkan pada Tabel 4. Untuk mengukur tekanan gas dalam silinder digunakan kistler piezo electric presssure tranducer, sedangkan posisi poros engkol diukur dengan magnetic pick-up. Kedua pengukuran tersebut dipadukan oleh Engine Electronic Indicating System Cussons P 4400.
Tabel 4. Setting mesin berdasarkan setting optimum solar
| Putaran mesin (rpm) | Saat Injeksi (sebelum TMA) (derajat) | Laju Aliran Bahan bakar ( l/jam) |
|---|---|---|
| 1200 | 24 | 0,62 |
| 1800 | 28 | 1,17 |
| 2400 | 32 | 1,70 |
| 3000 | 36 | 2,31 |
| 3600 | 38 | 2,60 |
| 4200 | 40 | 2,62 |
Pengolahan Data
Pencatatan data pada alat ukur dalam bentuk file Excel, terdiri dari dua kolom. Kolom pertama merupakan data waktu dan kolom kedua merupakan data tegangan. Kedua kolom data diatas digunakan untuk membuat grafik p-\(\theta\) (tekanan gas dalam silinder vs posisi sudut engkol). Kolom pertama (waktu) diubah menjadi posisi sudut engkol dan digunakan sebagai sumbu x. Kolom kedua (tegangan), dengan kalibrasi diubah menjadi tekanan gas dalam silinder dan digunakan sebagai sumbu y, untuk menghasilkan grafik p-\(\theta\) seperti ditunjukkan pada Gambar 3.
Kelambatan waktu penyalaan didefinisikan sebagai selang waktu antara mulainya injeksi bahan bakar sampai saat mulai terjadinya pembakaran.
Gambar 3. Grafik Tekanan dalam silinder vs posisi sudut engkol.
Pada grafik p-θ saat mulai terjadinya pembakaran dapat ditentukan berdasarkan terjadinya perubahan kemiringan (slope) pada grafik p-θ tersebut. Perubahan kemiringan
dapat diketahui dengan membuat data perubahan tekanan terhadap perubahan sudut poros engkol (\(dp/d\theta\)).
Secara lebih jelas penentuan dan contoh perhitungan hasil pengukuran kelambatan waktu penyalaan masingmasing dapat dilihat pada Gambar 4 dan Tabel 5.
Gambar 4. Penentuan Kelambatan Waktu Penyalaan dari Tekanan dalam silinder vs posisi sudut engkol.
Tabel 5. Contoh Perhitungan Hasil Pengukuran Kelambatan Waktu Penyalaan Pada Putaran 1200 rpm.
| Bahan | SIT | SOC | Kelam Wal Penya | ctu |
|---|---|---|---|---|
| Bakar | Sudut engkol (°) | Sudut engkol (°) | Sudut engkol (°) | Waktu (ms) |
| Solar | -24,0 | 0 | 24,000 | 3,333 |
| 20% ME | -24,0 | -1,312 | 22,688 | 3,151 |
| 30% ME | -24,0 | -1,456 | 22,544 | 3,131 |
| 40% ME | -24,0 | -1,744 | 22,256 | 3,091 |
SIT : Start of injection SOC : Start of combustion
3. HASIL DAN ANALISA
Hasil perhitungan
Hasil perhitungan kelambatan waktu penyalaan untuk berbagai putaran mesin dapat dilihat pada Tabel 6. Dari perhitungan tersebut dibuat grafik sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 5 dan Gambar 6. Grafik perubahan kelambatan waktu penyalaan terhadap bilangan setana untuk berbagai putaran ditunjukkan pada Gambar 7 dan Gambar 8.
Analisis
Dari Gambar 5 dan Gambar 6 dapat dilihat bahwa pada putaran yang sama kelambatan waktu penyalaan motor diesel berbahan bakar solar relatif lebih lama dibanding dengan bahan bakar campuran metil ester sawit dan solar. Semakin besar prosentase metil ester, semakin cepat kelambatan waktu penyalaannya.
Untuk bahan bakar yang sama, kelambatan waktu penyalaan dalam derajat putaran poros engkol akan semakin lama dengan naiknya putaran mesin. Sedangkan kelambatan waktu penyalaan dalam ukuran waktu (ms), akan turun dengan naiknya putaran mesin. Hal ini terjadi karena putaran mesin akan mempengaruhi perubahan temperatur dan tekanan terhadap waktu.
Tabel 6. Perhitungan kelambatan waktu penyalaan untuk berbagai putaran mesin
| Б. | Kelambatan Waktu Penyalaan | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Putaran Mesin (rpm) | Solar | Murni | ME | 20 % | ME | 30 % | ME | 40 % |
| Derajat Sudut Engkol | Waktu (ms) | Derajat Sudut Engkol | Waktu (ms) | Derajat Sudut Engkol | Waktu (ms) | Derajat Sudut Engkol | Waktu (ms) | |
| 1200 | 24,000 | 3,333 | 22,688 | 3,151 | 22,544 | 3,131 | 22,256 | 3,091 |
| 1800 | 25,272 | 2,340 | 24,840 | 2,300 | 24,408 | 2,260 | 23,976 | 2,220 |
| 2400 | 26,496 | 1,840 | 25,632 | 1,780 | 25,362 | 1,761 | 25,056 | 1,740 |
| 3000 | 29,380 | 1,632 | 28,120 | 1,562 | 26,860 | 1,492 | 26,680 | 1,482 |
| 3600 | 31,968 | 1,480 | 30,456 | 1,410 | 29,592 | 1,370 | 29,376 | 1,360 |
| 4200 | 33,326 | 1,322 | 32,760 | 1,300 | 32,508 | 1,290 | 32,226 | 1,279 |
Gambar 5. Grafik Kelambatan Waktu Penyalaan (derajat sudut engkol) terhadap Putaran Mesin Untuk Berbagai Komposisi Bahan Bakar
Gambar 6. Grafik Kelambatan Waktu Penyalaan (ms) terhadap Putaran Mesin Untuk Berbagai Komposisi Bahan Bakar.
Gambar 7. Grafik Kelambatan Waktu Penyalaan (derajat sudut engkol) Terhadap Bilangan Setana Bahan Bakar Untuk Berbagai Putaran Mesin.
Dari Gambar 7 dan 8 dapat dilihat bahwa untuk semua putaran mesin, semakin tinggi bilangan setana maka semakin pendek kelambatan waktu penyalaannya, dengan bentuk grafik yang relatif linear.
Berdasar data hasil pengujian dan grafik yang ada, maka dibuat persamaan nilai perkiraan kelambatan waktu penyalaan karena pengaruh putaran mesin dan pengaruh bilangan setana bahan bakar (komposisi campuran bahan bakar) untuk mesin diesel injeksi langsung Hydra. Persamaan ini berlaku paling tidak untuk bilangan setana dari 50 s/d 55 (campuran metil ester sampai dengan 40 %), dan putaran mesin antara 1200 s/d 4200 rpm.
Gambar 8. Grafik Kelambatan waktu Penyalaan (ms) Terhadap Bilangan Setana Bahan Bakar Untuk Berbagai Putaran Mesin.
Dari Gambar 7 atau Gambar 8 dapat dibuat persamaan garis linier :
\[y = ax + b \tag{2}\] dengan :
y = kelambatan waktu penyalaan dalam derajat sudut engkol atau dalam ms.
x = bilangan setana a = konstanta
b = konstanta akibat pengaruh putaran mesin.
Sebagai contoh untuk perhitungan dari Gambar 7 harga a dan b diberikan dalam tabel 7.
Tabel 7. Konstanta a dan b dari Persamaan (2)
| Putaran | a | B |
|---|---|---|
| 1200 | -0,309 | 18,727 |
| 1800 | -0,289 | 17,541 |
| 2400 | -0,314 | 18,723 |
| 3000 | -0,271 | 16,380 |
| 3600 | -0,281 | 17,033 |
| 4200 | -0,283 | 17,162 |
Konstanta a diambil rata-rata dari seluruh putaran dan dibuat konstanta b baru, sehingga didapat besaran seperti dalam Tabel 8.
Tabel 8. Konstanta a dan b baru Persamaan (2)
| Putaran | a' | b' |
|---|---|---|
| 1200 | -0,291 | 17,782 |
| 1800 | -0,291 | 17,646 |
| 2400 | -0,291 | 17,516 |
| 3000 | -0,291 | 17,430 |
| 3600 | -0,291 | 17,558 |
| 4200 | -0,291 | 17,582 |
Konstanta b' merupakan fungsi putaran, oleh karena itu perlu dibuat grafik b' terhadap putaran mesin, untuk mendapatkan persamaan linier,
\[b' = -6.10^{-5} x_1 + 17.759\] (3)
dimana x1 disini merupakan putaran mesin, sehingga persamaan (2) menjadi :
\[y = -6.10^{-5} x_1 - 0.291 x + 17.759\] (4)
atau :
\[\tau_{\text{id pred}} = -6.10^{-5} \text{ n} - 0.291 \text{ CN} + 17.759\] (5)
dengan :
τid pred = kelambatan waktu penyalaan perkiraan (ms)
n = putaran mesin (rpm)
CN = bilangan setana.
4. KESIMPULAN
Dari uraian di atas dapat ditarik beberapa kesimpulan.
Kelambatan waktu penyalaan (dalam derajat sudut engkol) akan bertambah bila putaran mesin naik, sedangkan kelambatan waktu penyalaan dalam waktu (ms) akan turun dengan bertambahnya putaran mesin.
Kelambatan waktu penyalaan yang dihasilkan motor diesel injeksi langsung Hydra dengan bahan bakar campuran metil ester dan solar relatif lebih pendek dibandingkan kelambatan waktu penyalaan solar murni. Penurunan yang terjadi berbanding lurus dengan kenaikan prosentase campuran metil ester.
Dari data hasil pengujian dapat dibuat persamaan linier kelambatan waktu penyalaan (τid) dalam derajat sudut engkol maupun dalam waktu (ms) yang merupakan fungsi bilangan setana (CN) dan putaran mesin (n). Persamaan ini berlaku untuk motor diesel injeksi langsung Hydra dengan menggunakan bahan bakar yang mempunyai bilangan setana 50 s.d 55. Dari persamaan yang dihasilkan dapat disimpulkan bahwa pengaruh terbesar terhadap kelambatan waktu penyalaan adalah bilangan setana, yang berarti berkaitan dengan sifat-sifat dan karakteristik bahan bakar yang digunakan. Sedangkan pengaruh putaran mesin tidak terlalu signifikan.
5. DAFTAR PUSTAKA
1. John B. Heywood, Internal Combustion Engine Fundamental, Mc Graw Hill Series in Mechanical Enginerring, 1988.
- 2. R. C. Nugroho, "Ignition Delay Mesin Disel Berbahan Bakar Campuran MES-Solar", Tesis S2 Program Pasca Sarjana, Teknik Mesin UI, 2002.
- 3. Risqon Fajar, Validasi Model Minyak Kelapa Sawit, Jurnal Termodinamika dan Fluida LTMP, Juli 1999.
- 4. Rizqon Fajar et all., Indonesian Experience in Using Biodiesel, Emission and Performance Testing on Engine Test Bed and Chassis Dynamometer, International Oil Palm Conference and Exhibition, Nusa Dua, Bali, July 2002.
- 5. Biodiesel Sebuah Harapan baru, Kompas 21 Oktober 2001.
- 6. Darnoko dan Tjahyono Herawan, Teknologi Produksi Biodiesel dan Prospek Pengembangannya di Indonesia, Pusat penelitian Kelapa Sawit, Medan.
- 7. Jon Van Gerpen, Cetane Number Testing of Biodiesel, Iowa States University, Iowa, September 1996.
- 8. L Davis Clements, Blending Ruler for Formulating Biodiesel Fuel, University of Nebraska, Lincoln, September 1996.
- 9. Masjuki, H., Abdulmuin, MZ., Investigation on Preheated Palm Oil Methyl Ester in The Diesel Engine, A00195 I Mech E 1995.
- 10. Randal von Weddel, Technical Handbook for Marine Biodisel In Recreational Boats, Cyto Culture International Inc Point Richmond, April 1999.
- 11. Sapuan, S M., Masjuki, H H, The Use of Palm Oil as Diesel Fuel Substitute, A04994 I Mech E 1995.
- 12. Schumacher et al., "Fueling a diesel engine with methyl ester in a direct injection diesel engine", SAE paper No. 930934, Warrendale, PA
RIWAYAT SINGKAT PENULIS
Prawoto, lahir di Madiun pada tanggal 10 Juni 1958. Lulus sarjana teknik mesin ITB tahun 1985. Menyelesaikan S2 bidang Aeronautika (Teknik Propulsi) dan bidang Motor Bakar masing-masing pada tahun 1988 dan 1989. S3 bidang Motor Bakar diselesaikan tahun 1993. Program S2 dan S3 dilakukan di Perancis. Tahun 1997 mengikuti program training managemen penelitian di Inggris. Saat ini sebagai peneliti bidang motor bakar di BTMP-BPPT.
Lukman Shalahuddin, lahir di Mojokerto tanggal 10 September 1967. Menyelesaikan seluruh pendidikan tingginya di Inggris dalam bidang Mechanical Engineering. Dimulai dari S1 di UMIST, Manchester (1988-1991), S2 di University of Salford (1991-1992), dan S3 di University of Leeds (1996-2000). Mulai bekerja di BPPT tahun 1992 di Deputi Pengkajian Industri, dan sejak tahun 2000 bergabung dengan BTMP-BPPT.
Rudi Cahyo Nugroho, lahir di Yogyakarta tanggal 14 Juni 1969. Menyelesaikan pendidikan sarjana teknik mesin di UGM tahun 1995 dan Magister Teknik Mesin di UI tahun 2001. Tahun 1997 mengikuti program training Automotif di Ricardo dan MIRA Inggris selama 7 bulan. Sejak tahun 1996 bekerja di BTMP-BPPT.