Top Banner
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 KE-40 Karakterisasi Pembentukan Deposit pada Ruang Bakar Mesin Diesel Dengan Metode Tetesan Pada Pelat Panas Bambang Sugiarto 1 *, M Taufiq Suryantoro 2 , M Makruf 3 1 Departemen Teknik Mesin, Fakultas teknik, Universitas Indonesia, Depok, Indonesia 2 BTMP BPPT, gd. 230 komplek Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan, Banten, Indonesia 3 BTMP BPPT, gd. 230 komplek Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan, Banten, Indonesia [email protected]*, [email protected], [email protected] Abstrak Mandatori biodiesel oleh kementrian ESDM sebesar 15% pada tahun 2015 memaksa pabrik kendaraan menyiapkan engine yang cocok buat biodisel. Penggunaan biodiesel dengan prosentase besar (> 15%) sangatlah beresiko, khususnya pembentukan deposit di ruang bakar mesin diesel. Pembentukan deposit pada injektor selain ditentukan oleh faktor jenis bahan bakar juga dipengaruhi oleh kondisi lingkungan, antara lain suhu ruang bakar, suhu impingement area dan juga pola penyemprotan bahan bakar. Untuk mengetahui karakter pembentukan deposit pada ruang bakar dapat didekati dengan model paling sederhana yaitu model tetesan (Yusmady). Potensi pembentukan deposit dari bahan bakar biodiesel dikaji dengan melakukan proses deposisi dan evaporasi bahan bakar pada plat panas stainless steel (SS). Variasi aditif antioksidan dan bahan baku biodiesel dilakukan untuk mengetahui efek yang ditimbulkan terhadap pembentukan deposit. Riset awal dengan menggunakan Antioksidan PG, BHA dan BHT, sedangkan bahan baku biodiesel yang divariasikan adalah biodiesel sawit dan biodiesel jarak. Karakterisasi deposit pada plat dilakukan dengan menggunakan FTIR, hasil FTIR deposit biodiesel sawit menunjukkan adanya kemiripan gugus fungsi bila dibandingkan dengan deposit yang terbentuk pada injektor dari data referensi. Biodiesel sawit yang memiliki ikatan tidak jenuh dan angka asam lebih kecil menghasilkan deposit yang jauh lebih sedikit bila dibandingkan dengan biodiesel jarak dengan ikatan tak jenuh dan angka asam yang tinggi. Akan tetapi riset awal tersebut tidak mampu membedakan pertumbuhan deposit berbagai additive yang digunakan dalam bahan bakar. Secara stuktur morphology deposit tidak cukup baik apabila dibandingkan dengan deposit yang dihasilkan oleh uji engine. Beberapa tahapan dan kondisi riil tidak terakomodasi pada test rig tetesan model yusmady. Penggunaan test yang lebih mirip dengan kondisi ruang bakar mulai saat tetesan keluar dari jarum, penempelan precursor sampai oksidasi lanjut deposit pada plat panas sangat diperlukan untuk menjelaskan tahapan pembentukan deposit lebih presisi. Penggunaan suhu ruang yang sesuai dengan kondisi riil bahan bakar masuk ke engine menjadi point krusial pada morphology deposit. Suhu ruang yang panas dan suhu plat empingement yang cenderung lebih rendah dari suhu ruang akan membuat tetesan bahan bakar teroksidasi terlebih dahulu sebelum menempel ke dinding piston dan area ruang bakar. Struktur morphology dan komposisi deposit dari test rig ini lebih mirip dengan test engine. Kata kunci: biodiesel, deposit, test rig, morphology, antioksidan PENDAHULUAN Dengan berkembangnya industrialisasi dan transportasi di hampir seluruh belahan dunia menyebabkan kenaikan permintaan energi yang berbasis sumber daya alam fosil seperti minyak bumi dan batu bara. Akan tetapi karena terbatasnya dan terkonsentrasinya cadangan sumber alam hanya dibagian tertentu dipermukaan bumi, maka sebagian negara yang tidak punya sumber energi berpacu dalam pengembangan sumber energi alternatif. Agar efisien secara ekonomis maka sumber energi yang banyak dikembangkan saat ini banyak mengacu ke sumber yang banyak tersedia secara lokal di masing masing negara. Indonesia dan
11

Karakterisasi Pembentukan Deposit pada Ruang Bakar Mesin ...

Jan 21, 2017

Download

Documents

lamkhanh
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Karakterisasi Pembentukan Deposit pada Ruang Bakar Mesin ...

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-40

Karakterisasi Pembentukan Deposit pada Ruang Bakar MesinDiesel Dengan Metode Tetesan Pada Pelat Panas

Bambang Sugiarto1*, M Taufiq Suryantoro2, M Makruf3

1Departemen Teknik Mesin, Fakultas teknik, Universitas Indonesia, Depok, Indonesia2BTMP BPPT, gd. 230 komplek Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan, Banten, Indonesia3BTMP BPPT, gd. 230 komplek Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan, Banten, Indonesia

[email protected]*, [email protected], [email protected]

AbstrakMandatori biodiesel oleh kementrian ESDM sebesar 15% pada tahun 2015 memaksa pabrikkendaraan menyiapkan engine yang cocok buat biodisel. Penggunaan biodiesel dengan prosentasebesar (> 15%) sangatlah beresiko, khususnya pembentukan deposit di ruang bakar mesin diesel.Pembentukan deposit pada injektor selain ditentukan oleh faktor jenis bahan bakar juga dipengaruhioleh kondisi lingkungan, antara lain suhu ruang bakar, suhu impingement area dan juga polapenyemprotan bahan bakar. Untuk mengetahui karakter pembentukan deposit pada ruang bakar dapatdidekati dengan model paling sederhana yaitu model tetesan (Yusmady). Potensi pembentukandeposit dari bahan bakar biodiesel dikaji dengan melakukan proses deposisi dan evaporasi bahanbakar pada plat panas stainless steel (SS). Variasi aditif antioksidan dan bahan baku biodieseldilakukan untuk mengetahui efek yang ditimbulkan terhadap pembentukan deposit. Riset awal denganmenggunakan Antioksidan PG, BHA dan BHT, sedangkan bahan baku biodiesel yang divariasikanadalah biodiesel sawit dan biodiesel jarak. Karakterisasi deposit pada plat dilakukan denganmenggunakan FTIR, hasil FTIR deposit biodiesel sawit menunjukkan adanya kemiripan gugus fungsibila dibandingkan dengan deposit yang terbentuk pada injektor dari data referensi. Biodiesel sawityang memiliki ikatan tidak jenuh dan angka asam lebih kecil menghasilkan deposit yang jauh lebihsedikit bila dibandingkan dengan biodiesel jarak dengan ikatan tak jenuh dan angka asam yang tinggi.Akan tetapi riset awal tersebut tidak mampu membedakan pertumbuhan deposit berbagai additiveyang digunakan dalam bahan bakar. Secara stuktur morphology deposit tidak cukup baik apabiladibandingkan dengan deposit yang dihasilkan oleh uji engine. Beberapa tahapan dan kondisi riil tidakterakomodasi pada test rig tetesan model yusmady. Penggunaan test yang lebih mirip dengan kondisiruang bakar mulai saat tetesan keluar dari jarum, penempelan precursor sampai oksidasi lanjut depositpada plat panas sangat diperlukan untuk menjelaskan tahapan pembentukan deposit lebih presisi.Penggunaan suhu ruang yang sesuai dengan kondisi riil bahan bakar masuk ke engine menjadi pointkrusial pada morphology deposit. Suhu ruang yang panas dan suhu plat empingement yang cenderunglebih rendah dari suhu ruang akan membuat tetesan bahan bakar teroksidasi terlebih dahulu sebelummenempel ke dinding piston dan area ruang bakar. Struktur morphology dan komposisi deposit daritest rig ini lebih mirip dengan test engine.Kata kunci: biodiesel, deposit, test rig, morphology, antioksidan

PENDAHULUANDengan berkembangnya industrialisasi

dan transportasi di hampir seluruh belahandunia menyebabkan kenaikan permintaanenergi yang berbasis sumber daya alam fosilseperti minyak bumi dan batu bara. Akantetapi karena terbatasnya danterkonsentrasinya cadangan sumber alam

hanya dibagian tertentu dipermukaan bumi,maka sebagian negara yang tidak punyasumber energi berpacu dalam pengembangansumber energi alternatif. Agar efisien secaraekonomis maka sumber energi yang banyakdikembangkan saat ini banyak mengacu kesumber yang banyak tersedia secara lokal dimasing masing negara. Indonesia dan

Page 2: Karakterisasi Pembentukan Deposit pada Ruang Bakar Mesin ...

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-40

beberapa negara tropis banyak menghasilkansumber energi dari tumbuhan baik panganmaupun non pangan antara lain kelapa sawit,kelapa, jarak, nyamplung, biji karet, kosambidan berbagai macam tumbuhan lain. Sumbertersebut dapat diubah menjadi biodieselataupun bioethanol. Dampak EkonomiPemanfaatan energi reversible yang berasaldari palm oil ataupun non pangan akan sangatmembantu dalam memecahkanketergantungan energi yang berasal dari fosil.Penggunaan bahan bakar yang berasal daritumbuhan akan membantu dalamkeseimbangan emisi Carbon Dioksida (CO2)di alam.

Gambar 1. Biodiesel 20 % akandiimplementasikan di Indonesia tahun 2016

Akan tetapi dalam pelaksanaannya,penggunaan biodiesel sebagai alternatifcampuran bahan bakar diesel bukan tidakmengalami kendala. Salah satu kendalapenting dalam penggunaan biodiesel padamesin diesel adalah pembentukan carbondeposit pada ruang bakar yang berlebihan.Deposit tersebut akan menyebabkan efek yangsignifikan pada perubahan perpindahan panaspermukaan [1], emisi hidrokarbon, prosespembakaran dan juga menaikkan maintenacecost. Akan tetapi biodiesel mempunyaibanyak jenis yang berbeda propertiesnya. Haltersebut akan menghasilkan perilakupembakaran yang berbeda pula. Dilihat darifuel properties, biodiesel mempunyai sifatstabilitas thermal lebih rendah, densitas danviskositas yang lebih tinggi dari bahan bakardiesel. Dari sifat biodiesel yang seperti yangdijelaskan diatas, maka kecenderungantimbulnya deposit akan semakin besar.Banyak peneliti di berbagai negara telahbeberapa tahun melakukan penelitian dalampenggunaan biodesel dalam skala

laboratorium maupun skala industri. Akantetapi sampai saat ini penggunaan biodieselmasih menjadi pertanyaan besar bagi orangkhususnya dari Engine maker dalam halketahanan mesin. Saat ini pabrikanmesin/kendaraan di eropa hanyamenyarankan penggunaan biodiesel maksimal5% v/v, hal tersebut sangat erat hubungannyadengan garansi engine yang diterima olehkonsumen.

Gambar 2. Riset penggunaan bahan bakarBiodiesel 20% di Indonesia tahun 2014-2015

Dengan menggunakan mikroskop elektron(SEM & TEM) perbedaan struktur depositdari ketiga bahan bakar akan dapatdiidentifikasi. Berdasarkan riset yangdilakukan A. Liati (2012), pengggunaan SEM& TEM dapat membuka struktur dankomposisi deposit pada Soot [2].

Gambar 3. Deposit karbon di injektor running35 jam menggunakan B5 (UI-BTMP-2013)

Page 3: Karakterisasi Pembentukan Deposit pada Ruang Bakar Mesin ...

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-40

Gambar 4. Struktur deposit dari soot denganbahan bakar diesel dengan menggunakanSEM (A. Liati, 2012)

Deposit pada injektor merupakan bagianyang mendapatkan banyak perhatian dari parapeneliti karena efek yang ditimbulkan sangatsignifikan terhadap performa engine, mulaidari berubahnya karakteristik spray,penurunan power, meningkatnya konsumsibahan bakar, meningkatnya emisi, tingginyanoise bahkan tersumbatnya lubang injektor.

Gambar 5. Efek deposit pada sistem injektorterhadap karakteristik spray (ITWAAMTech2012)

Hingga saat ini studi mengenai mekanismepembentukan deposit biodiesel masih sedikit.Kemudahan biodiesel untuk terdegradasimerupakan salah satu faktor yang diduga kuatmeningkatkan terbentuknya deposit biodiesel.Penambahan aditif antioksidan yangdilakukan yusmady telah terbukti dapatmeningkatkan nilai stabilitas biodiesel yangdiuji melalui accelerated test pada keadaanstandard 1100C, akan tetapi efek penggunaanantioksidan tersebut terhadap pembentukandeposit belum banyak dilaporkan.

Pembentukan deposit pada enginemerupakan fenomena yang cukup kompleksdan sangat tergantung pada kombinasiberbagai macam parameter seperti bahanbakar, permukaan material, temperatur,tekanan, kondisi ruang bakar dll. Selamaengine beroperasi terdapat butiran kecil bahanbakar yang tak terhitung jumlahnya yangterjadi pada saat penyemprotan bahan bakar.Pada kondisi high load, lebih dari 50% bahanbakar terdeposisi pada permukaan logam(piston bowl). Interaksi antara butiran bahanbakar dengan permukaan logam akan

menyebabkan terbentuknya lapisan filmbahan bakar. Pembentukan lapisan filmtersebut merupakan salah satu faktor yangberperan dalam pembentukan deposit. Prosespenyemprotan bahan bakar akan terusberulang selama engine beroperasi sehinggalapisan film bahan bakar akan terus terbentuk.Kondisi tersebut akan meningkatkanpembentukan deposit, dimana lapisan filmakan mengalami perubahan lebih lanjut baikperubahan fisika seperti evaporasi, atauperubahan kimia seperti degradasi termal,polimerisasi dll [3].

Pada penelitian ini, pembentukan depositpada engine didekati dengan melakukanproses deposisi dan evaporasi bahan bakarsecara berulang pada suatu plat panas. Metodesederhana ini dibuat untuk mengatasikompleksitas pengujian deposit pada engine,menghemat waktu, biaya serta sampel bahanbakar yang terbatas. Metode yang hampirsama juga pernah digunakan oleh penelitipada referensi [4]. Pembentukan deposit padaplat panas dilakukan untuk variasi bahanbakar biodiesel dengan aditif dan bahan bakuberbeda untuk mengetahui bahan bakarbiodiesel dengan potensial deposit palingrendah.

Berdasarkan riset awal tersebut tidakmampu membedakan berbagai additive yangdigunakan dalam bahan bakar dan jugatahapan Secara stuktur morphology deposittidak cukup baik apabila dibandingkandengan deposit yang dihasilkan oleh ujiengine. Karena tahapan & kondisi saatpembentukan deposit tidak sama dengankondisi aslinya. Beberapa tahapan dan kondisitersebut tidak terakomodasi pada test rigtetesan model yusmady. Sehingga perludibuat test yang lebih mirip dengan kondisiruang bakar mulai saat tetesan keluar darijarum penempelan precursor sampai oksidasilanjut deposit pada plat panas. Penggunaansuhu ruang yang sesuai dengan kondisi riilbahan bakar masuk ke engine menjadi pointkrusial pada morphology deposit. Suhu ruangyang panas dan suhu plat empingement yangcenderung lebih rendah dari suhu ruang akanmembuat tetesan bahan bakar teroksidasiterlebih dahulu sebelum menempel ke dindingpiston dan area ruang bakar. Droplet bahan

Page 4: Karakterisasi Pembentukan Deposit pada Ruang Bakar Mesin ...

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-40

bakar mengalami evaporasi, menempel padaplat panas, terpapar api pembakaran, tekanantinggi dan pusaran udara. Proses yang sangatrumit perlu disimulasikan didalam test rigagar mendapatkan kualitas deposit yangmendekati riil diengine. Sehingga jumlahdeposit yang terbentukpun mampumenggambarkan kondisi sesungguhnya. Haltersebut dapat menjelaskan tahapan & prosespembentukan deposit dengan lebih baik.

TINJAUAN PUSTAKA

Sifat deposit sangat dipengaruhi oleh suhudimana deposit tersebut terbentuk. Denganperbedaan suhu struktur deposit juga berbeda.Nagao,et.al.[5] menyatakan bahwa kualitasdeposit dipengaruhi oleh temperatur dinding.Pada suhu tinggi (> 550deg C) deposit yangterbentuk bersifat sangat tipis, lembut dankering dan mudah terbawa oleh aliran gas diruang bakar. Bahan deposit berasal daricarbon. Pada suhu dibawah 200 deg C depositberasal dari bahan bakar, adhesive, dankarbon. Berdasarkan Leperhoff strukturdeposit yang dihasilkan <200 deg C, karbongelap (dark carbon), karbon basah dan sootterlihat pada studi ini. Berdasarkan risetYusmady [6] kecepatan evaporasi dropletbahan bakar yang menempel pada dindingpanas merupakan faktor terpenting daripembentukan deposit yang berlebihan.Yusmady memperoleh kecepatan evaporasidroplet pada bahan bakar referensi hanyaberkisar 1 milisecond, sedang biodieselmencapai 9 mili second.

Akan tetapi test rig yang digunakanyusmady dengan meniadakan pengaruh suhuruang bakar, sehingga hasil tersebut kurangmampu menghasilkan test yang mirip dengantest engine. Akan tetapi sebagai tahap awalriset ini akan membandingkan desain rigYusmady dengan desain yang disempurnakan.

Hasil yang diharapkan adalah test rig yangdapat membedakan pengaruh bahan bakar danadditive terhadap pembentukan deposit diruang bakar. Kedua adalah mengetahuifenomena pembentukan deposit secara detailagar dapat mengegahnya secara efektif.

METODE PENELITIAN

Dari berbagai literature dan paper bahwapenggunaan biodiesel menyebabkan beberapaproblem, salah satunya pembentukan deposit.Untuk dapat mengurangi atau menghilangkanpembentukan deposit pada ruang bakar makaperlu adanya studi awal tentang prosespembentukan dan struktur deposit.

Pada riset ini digunakan dua jenis bahanbaku yaitu biodiesel dari kelapa sawit dan dariJarak. Keduanya memiliki sifat fisik yangberbeda. Biodiesel yang berasal dari kelapasawit memiliki nilai Iodine yang lebih kecilyang berarti lebih tahan terhadap oksidasidibanding dengan biodiesel yang berasal dariJarak.

Gambar 6. Sumber biodiesel Sawit dan Jarakyang digunakan untuk penelitianpembentukan deposit

Dengan variasi bahan bakar yangmempunya komposisi, sifat kimia fisik yangberbeda aktifitas riset bertujuan untukmeneliti hubungan parameter tersebut dalamhal pembentukan deposit. Prosespembentukan deposit dimulai saat bahanbakar disemprotkan de dalam ruang bakar.Bahan bakar mengalami evaporasi oleh suhuruang bakar dan sisanya menempel padadinding dinding ruang bakar. Saat di dindingruang bakar, fuel mengalami evaporasilanjutan dan oksidasi oleh oksigen. Saat bahanbakar yang terevaporasi terbakar, fuel yangmenempel di dinding terpapar oleh api dengansuhu diatas 1500 0C. Kemudian dilanjutkandengan penyerapan gas buang dan smoke.Selain itu masih terdapat proses shear olehaliran udara akibat swirling (percampuranudara dan bahan bakar). Berdasarkan riset dariYusmady [6] penempelan bahan bakar didinding dan proses evaporasi merupakanfaktor utama terjadinya deposit di ruangbakar. Sehingga memperoleh data evaporasi(waktu, suhu) bahan bakar di plat panas

Page 5: Karakterisasi Pembentukan Deposit pada Ruang Bakar Mesin ...

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-40

merupakan hal penting untuk diteliti lebihlanjut.

Bagaimana pengaruh penambahanadditive terhadap kecepatan evaporasi bahanbakar terhadap suhu plat. Riset awalmenggunakan test rig seperti yang dilakukanoleh Yusmady.

Gambar 7. Skema Test Rig Hot Plate DepositTest

Keterangan:1 : Modul termokopel tipe K (Max6675)

2 : Mikrokontroler Arduino Uno R3

3 : Power Supply 24 V DC & RelaySolenoid

4 : Laptop, penyimpan data temperatur &pemrogram mikrokontroler

5 : Droping bahan bakar (Prinsip MarioteSiphon )

6 : Valve

7 : Termokopel tipe K

8 : Solenoid Valve Shako PU220AR02-24V

9 : Cover transparan

10 : Jarum

11 : Holder plat tipis stainless steel

12 : Shim Plate Stainless steel SUS 304

(55x55x0.02 mm)

13 : Indikator seting temperatur hot plate

14 : Pengatur temperatur dengan skala 50C

15 : Sensor IR

16 : Video Camera

Pada tahap ini dihasilkan pengaruh suhuterhadap kecepatan evaporasi suatu bahanbakar. Kedua pengaruh penambahan additiveterhadap suhu evaporasi. Ketiga untukmengetahui suhu optimum untukmendapatkan deposit yang paling sedikit.Keempat adalah mengetahui stukturmorphology deposit yang dihasilkan oleh platpanas dan dibandingkan dengan deposit ujiriil engine.

Pembentukan deposit dilakukan dengancara meneteskan bahan bakar secara berulangpada permukaan plat SS pada temperaturtertentu melalui sebuah jarum. Sebagai tahapawal perlu dilakukan seraingkaian pengujianuntuk mengetahui karakteristik & kondisioptimum pembentukan deposit biodiesel padaplat SS. Kondisi optimum tersebut akandigunakan untuk membandingkan deposit darivariasi bahan bakar biodiesel yang berbeda.

Tahap kedua dalam riset ini akanmenggunakan test rig sudah sempurnakan.Penyempurnaan meliputi suhu ruang test rigyang disesuaikan dengan suhu ruang bakarmesin diesel 200-600 0C. Selain itu suhu platjuga divariasikan dibawah suhu suhu ruangbakar. Hal tersebut dibuat semirip mungkindengan kondisi nyata diruang bakar. Dari risetini hasil yang diharapkan antara lain: Laju evaporasi saat droplet jatuh sebelum

menyentuh hot plate dengan variasi suhuruang bakar dan plate

Laju evaporasi saat di hot plate Jumlah deposit yang dihasilkan dengan

multi droplet Perbedaan jumlah & morphology deposit

dengan dan tanpa additive

Page 6: Karakterisasi Pembentukan Deposit pada Ruang Bakar Mesin ...

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-40

HASIL YANG DICAPAI

Pembentukan deposit biodiesel pada platSS dilakukan dengan tujuan sebagai seleksitahap awal terhadap variasi bahan bakarbiodiesel yang digunakan, baik itu variasibahan baku biodiesel maupun variasi aditifantioksidan yang ditambahkan. Penggunaanmetode ini menjadi test tahap awal untukmengetahui potensial deposit dari suatuvariasi bahan bakar dengan waktu dan biayapengujian yang lebih sedikit biladibandingkan dengan pengujian menggunakandurability engine. Metode ini akan dianalisabagaimana sensitifitasnya terhadappenggunaan additive yang berbeda dan akandibandingkan dengan metode yang lebihmendekati real engine. Pada tahap awaldilakukan pengukuran waktu evaporasi darisatu tetes biodiesel. Data waktu evaporasi satutetes biodiesel digunakan untuk membantupenetapan jeda waktu tetesan saat dilakukanproses deposisi berulang..

a) Karakteristik waktu evaporasi tetesanbahan bakar pada plat Stainless Steel(SS)

Dari grafik 8 dibawah terlihat bahwa waktuevaporasi bahan bakar solar lebih cepat biladibandingkan dengan bahan bakar biodiesel,hal ini berkaitan dengan karakteristik kurvadestilasi dan titik didih bahan bakar solar yanglebih rendah bila dibandingkan denganbiodiesel.

Berdasarkan riset sebelumnya penggunaanbiodiesel B50 akan menghasilkan banyakdeposit pada injektor seperti terlihat padagambar 7 (insert). Khususnya pada suhurendah akan menghasilkan deposit yang lebihbanyak, hal tersebut jelas terlihat pada gambar

Gambar 8. Profile waktu evaporasi satu tetesbahan bakar biodiesel dan solar pertamina

Profile waktu evaporasi bahan bakarbiodiesel yang lebih lama pada plat panasdibandingkan dengan solar dapat menjelaskanmengapa penggunaan bahan bakar biodieselberdasarkan beberapa laporan literaturmengalami peningkatan dalam pembentukandeposit. Salah satu mekanisme pembentukandeposit diawali dengan terbentuknya lapisanfilm/ pembasahan dinding ruang bakar, waktutinggal yang lebih lama dan jumlah bahanbakar yang cenderung lebih banyak tertinggalpada permukaan dinding ruang bakar akanmengalami reaksi lebih lanjut danmembentuk deposit dengan kecenderunganlebih banyak.

Untuk mendapatkan deposit yang optimumpada plat panas, plat panas harus dikondisikanselalu dalam keadaan basah dengan caramengatur jeda waktu tetesan bahan bakar.Berdasarkan kurva waktu evaporasi tersebut,maka jeda tetesan pada kondisi temperaturplat lebih besar dari 3100 C harus < 15 detik.Berdasarkan hasil percobaan jeda tetesanterkecil yang paling mungkin untukdigunakan adalah 3 detik. Apabila jeda waktutetesan diperkecil lagi maka jumlah bahanbakar yang membasahi plat akan terlalubanyak dan melebihi luas area plat yangdigunakan.

b) Optimasi Pembentukan deposit padaPlat SS

Optimasi dilakukan untuk mengetahuitemperatur paling optimum pembentukandeposit pada plat SS. Range temperatur yangakan divariasikan adalah antara 310 - 4200Cyang diperkirakan merupakan range

Page 7: Karakterisasi Pembentukan Deposit pada Ruang Bakar Mesin ...

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-40

temperatur pada dinding ruang bakar/injektortip berdasarkan pada data TGA deposit dariliteratur [7]. Titik temperatur optimumtersebut akan digunakan untuk pengujianbahan bakar biodiesel dan aditif antioksidan.

Gambar 9. Pengaruh suhu plat terhadappembentukan deposit biodiesel

Pembentukan deposit biodiesel sawitpada plat tipis dengan interval tetesan 3s

terjadi pada temperatur mendekati 340oCmendekati titik didih T90 dari FAMEbiodiesel sawit yang disebutkan padareferensi. Hasil analisa TGA (TermalGravimetri Analisis) yang pernah dilakukanoleh peneliti [7] terhadap deposit bahan bakaremulsi biodiesel pada injektor menunjukkanbahwa komposisi utama deposit sebagianbesar dapat menguap pada temperatur disekitar 350-400 oC. Hal ini hampir mendekatidengan hasil pada plat SS dimanapembentukan deposit optimum padatemperatur 340oC, dan menurun secaratajam ketika temperatur dinaikkan antara

350 -400 oC.

c) Pengaruh Penambahan AditifAntioksidan Terhadap Sifat FisikBiodiesel dan Pembentukan Depositpada Plat SS

Aditif yang digunakan dalam penelitianini adalah PG, BHA dan BHT , masingmasing ditambahkan ke dalam biodieseldengan kadar 1000 ppm.

Salah satu mekanisme terbentuknyadeposit pada ruang bakar adalah melaluipembentukan lapisan film bahan bakar yangdapat terjadi karena kondensasi ataupunpembasahan dinding ruang bakar oleh bahanbakar. Salah satu upaya yang dapat dilakukanuntuk menghambat terbentuknya depositadalah dengan mempercepat proses evaporasikembali bahan bakar yang membasahi dindingsebelum reaksi lebih lanjut terjadi.

Dari grafik 10 terlihat bahwapenambahan aditif antioksidan pada biodieselsawit maupun jarak mampu mengeser waktuevaporasi bahan bakar pada beberapa titiktemperatur, sehingga diharapkan aditiftersebut mampu menghambat pembentukandeposit dengan cara menguapkan bahan bakaryang membasahi dinding ruang bakar. Darigrafik terlihat bahwa penambahan ketigaantioksidan pada biodiesel sawit mampumenurunkan deposit dalam plat panas. Akantetapi perbedaan waktu yang terjadi masihterlalu kecil. Sehingga perlu adanyapemanasan saat bahan bakar mencapai pelatpanas, hal tersebut sesuai dengan kondisi riilpada ruang bakar. Akan tetapi pada suhutinggi penambahan additive tidak banyakberpengaruh terhadap waktu evaporasi bahanbakar.

Gambar 10. Pengaruh additive terhadap waktudan suhu evaporasi

d) Pengaruh Bahan Baku BiodieselTerhadap Pembentukan Deposit PadaPlat SS

Bahan baku biodiesel yang berbedaakan memiliki komposisi asam lemak yangberbeda. Stabilitas biodiesel dan kemudahanmembentuk prekursor deposit berkaitandengan komposisi ikatan rangkap padabiodiesel. FAME dengan ikatan rangkap atau

Page 8: Karakterisasi Pembentukan Deposit pada Ruang Bakar Mesin ...

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-40

dikenal dengan ikatan tidak jenuh, cenderunglebih mudah mengalami degradasimenghasilkan asam dan sludge yangdiakibatkan karena adanya oksigen dan panas[8].

Gambar 11. Contoh ikatan rangkap C=C pada

biodiesel

Gambar 12. Grafik komposisi FAME biodieselsawit dan biodiesel jarak berdasarkan jumlahikatan rangkap

Dari hasil analisa GC-FID, biodiesel jarakmemiliki komposisi ikatan rangkap yang lebihbanyak bila dibandingkan dengan biodieselsawit, sehingga biodiesel jarak memiliki potensi untuk lebih mudah terdegradasi danMenghasilkan deposit lebih banyak biladibandingkan dengan biodiesel sawit. Hasilpengujian biodiesel sawit dan jarak pada platpanas dapat dilihat pada tabel 1.

Tabel 1. Deposit biodiesel pada plat tipisstainless steel pada temperatur 3400Cdengan deposisi 1000 tetes: deposit biodieselsawit (a), deposit biodiesel jarak (b).

Biodiesel jarak dengan jumlah ikatanrangkap / ikatan tidak jenuh yang lebih tinggi,ditambah dengan kondisi angka asam yangsudah tinggi tampak menghasilkan depositdengan jumlah yang sangat banyak biladibandingkan dengan biodiesel sawit. Datadeposit pada plat SS tersebut mampumengkonfirmasi mekanisme pembentukandeposit yang dikemukakan oleh Omori, et.al.dimana polimerisasi ikatan rangkap dandegradasi ikatan rangkap menjadi asamkarboksilat merupakan prekursorterbentuknya deposit.

e) Tingkat Pertumbuhan DepositPertumbuhan deposit pada injector dapatdilihat pada gambar dibawah ini

Gambar 13. Pertumbuhan deposit padainjektor BS50 dan B100

Dari kedua set gambar diatas (gb 13)terlihat adanya perbedaan yang mencolok.

Pada BS 50 tidak terlihat basah. Akantetapi apabila diteliti secara fisik BS 50juga cukup basah (oily). Pada pekanismepembentukan deposit oleh Lepperhorff(1993) [9] dan dikuatkan oleh riset Taufiqdkk (2013), deposit akan mengalamipembentukan /penempelan dan pelepasan.Pelepasan tersebut terjadi akibat daribeberapa faktor antara lain suhu naik, gayageser dan aliran fluida di dalam ruangbakar. Sehingga semakin banyak yang

Page 9: Karakterisasi Pembentukan Deposit pada Ruang Bakar Mesin ...

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-40

lepas maka akan semakin banyak yangdibuang lewat exhaust atau menempel dilokasi lain. Apabila deposit deposittersebut masuk kedalam ring piston makaakan menaikkan kecenderungan ringmacet. Berdasarkan riset dari Taufiq(2013) terlihat dengan bertambahnyaprosentase biodiesel akan membentukdeposit yang lebih banyak jumlahnya.Deposit tersebut akan tumbuh dan terlepassejalan dengan berjalannya waktu uji.Jumlah deposit yang lebih banyaksehingga akan menyumbat lubangsemprotan bahan bakar. Selain itu sifatdeposit BS50 yang lengket akanmeningkatkan kecenderunganpenumpukan deposit. Pada riset tersebut(200 jam) hampir semua lubang tertutupsehingga mempengaruhi pola semprotanbahan bakar. Semprotan /spray tergangguakan mengakibatkan menaikkanprosentase pembasahan pada piston crowndan dinding liner. Dengan demikian akanmenaikkan jumlah deposit pada ringpiston. Dengan naiknya jumlah depositpada ring piston akan mempercepatterjadinya macet pada ring piston.

Gambar 14. Pola pertumbuhan &pelepasan deposit kurun 200 jam durability

Pada B100 deposit pada tip terlihatbasah dan volume lebih sedikit dari BS50.Hal tersebut akibat dari evaporasi yangtidak sempurna atau akibat lubang injektoryang tertutup. Jumlah deposit yang sedikitakibat dari luruhnya deposit yangterbentuk oleh cairan bahan bakar yangtidak terbakar. Sehingga deposit yangluruh akan terbuang ke saluran gas buangatau menempel ke lokasi lainnya. Apabilaluruhan tersebut masuk kedalam ringpiston maka akan menaikkankecendrungan macetnya ring piston. Selainitu dengan basahnya deposit pada injektormerupakan indikasi adanya evaporasi yangtidak sempurna. Hal tersebut akibat dariviskositas yang tinggi ataupun olehevaporasi yang terganggu antara lain olehtertutupnya lubang injeksi. Dengan sprayburuk akan meningkatkan pembasahan didinding ruang bakar. Berdasarkan riset dariYusmady (2010)[10] pembasahan dindingruang bakar akan meningkatkan potensipembentukan deposit pada komponenkomponen di ruang bakar, seperti silinder

head, piston crown maupun ring piston.Dengan adanya pembasahan piston crowndan ring piston oleh bahan bakar akanmenyebabkan masuknya bahan bakarbiodiesel pada oli mesin.

Gambar 15. Pertumbuhan volume depositselama 200 jam

Kesimpulan

1. Pada plat panas, biodiesel sawityang memiliki ikatan tidak jenuhdan angka asam lebih kecilmenghasilkan deposit yang jauhlebih sedikit bila dibandingkandengan biodiesel jarak dengan

Page 10: Karakterisasi Pembentukan Deposit pada Ruang Bakar Mesin ...

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-40

ikatan tak jenuh dan angka asamyang tinggi

2. Semakin tinggi suhu plat panasdeposit yang dihasilkan akansemakin sedikit. Hal tersebutberhubungan dengan semakinbanyaknya bahan bakar yangmenempel pada plat cepatterevaporasi.

3. Pengujian dengan menaikkan suhuplat panas akan menghasilkan suhuoptimum pembentukan deposit.Suhu tersebut dapat digunakanuntuk titik referensi testpembentukan deposit denganmenggunakan plat panas.

4. Pada pengujian menggunakan platpanas, penambahan antioksidanPG, BHA dan BHT dengan kadar1000 ppm cenderungmemperpendek waktu evaporasidan cenderung menurunkan jumlahdeposit yang terbentuk. Akan tetapinilai tersebut tidak cukupsignifikan untuk membandingkanperforma suatu additive.

5. Pengujian pada enginemengidikasikan adanyapenumpukan deposit padapenggunaan biodiesel sawitmaupun jarak. Pertumbuhandeposit pada biodiesel jarakdisebabkan karena memiliki jumlahikatan rangkapnya lebih banyakdibandingkan dengan biodieselsawit.

Referensi

1. Caceres D, Reisel JR, Sklyarov A,Poehlman A., Exhaust emissiondeterioration and combustion chamberdeposits composition over the lifecycle of small utility engine,. J EngGas Turb Power 2003;125:358–64

2. Liati a, P. Dimopoulos Eggenschwiler ,E. Müller Gubler, D. Schreiber, M.Aguirre, 2005, Investigation of dieselash particulate matter . A scanningelectron microscope and transmission

electron microscope study.Atmospheric Environment 49 (2012)391e402

3. Ömer G, L.R.R. 2004, Harold H.Schobert, Morphology of carbondeposit as a function of coal-derivedJet fuel chemical composition. Prepr.Pap.-Am. Chem. Soc., Div. FuelChem. 2004, 49(2), 773.

4. Guralp O, H.M., Assanis D, Filipi Z,Kuo TW, Najt P, Rask R. 2006 ,Characterizing the effect ofcombustion chamber deposits on agasoline HCCI engine. SAEPaper2006; No. 2006-01-3277

5. Nagao F, Ikegami M, Tokunaga A.Temperature dependence of carbondeposits in diesel combustion chamber.Bull JSME 1966;9(35):573

6. Arifin, Y. B. M.,2009, Diesel and Bio-diesel Fuel Deposits on a Hot WallSurface. A Thesis, Department OfMechanical System EngineeringGunma University Japan

7. Lin, Y.-S., and Lin, H.-P.,2011, Spraycharacteristics of emulsified castorbiodiesel on engine emissions anddeposit formation. Renewable Energy36

8. Fattah, I. M. R., Masjuki, H. H.,Kalam, M. A., M.A. Hazrat, B. M. M.,and S. Imtenan, A. M. A.,2014, Effectof antioxidants on oxidation stability ofbiodiesel derived from vegetable andanimal based feedstocks. Renewableand Sustainable Energy Reviews 30,356–370

9. Lepperhoff, G., Houben, M.,Mechanisms of deposit formation ininternal combustion engines and heatexchangers, SAE Technical Report931032, 1993

10. Arifin, Y. M., and Arai, M.,2010, Theeffect of hot surface temperature ondiesel fuel deposit formation. Fuel 89

11. Mokhtar, M.,2014, Analisa PengaruhGlycerid pada Biodiesel dengan KadarB50 Dan B100 Terhadap Pembentukan

Page 11: Karakterisasi Pembentukan Deposit pada Ruang Bakar Mesin ...

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-40

Deposit di Injektor MenggunakanSiklus CECF98-08. Tesis, FT UI

12. Liaquat, A. M., Masjuki, H. H., Kalam,M. A., Fazal, M. A.,

13. Claydon, D.,2013, Fuel Additives andtheir Application in Engines UsingBiofuels. goriva i maziva 52

14. Omori, T., Tanaka, A., Yamada, K.,and Bunne, S.,2011, Biodiesel depositformation mechanism andimprovement of Fuel InjectionEquipment (FIE). SAE 2011-01-1935

15. Yang, Z., Hollebone, B. P., Wang, Z.,Yang, C., and Landriault, M.,2013,Factors affecting oxidation stability ofcommercially available biodieselproducts. Fuel Processing Technology106, 366–375