## PENGUJIAN PERFORMANSI MOTOR DIESEL BERBAHAN BAKAR BIODIESEL DENGAN BAHAN BAKU MINYAK GORENG BEKAS DARI RUMAH TANGGA
Ikhsan Sukri 1 , A. Halim Nasution 2 , Dian M. Nasution 3 , Terang UHSG 4 , Syahril Gultom 5 ikhsansukri055@yahoo.co.id
1,2,3,4,5 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara

## ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh persentase campuran biodiesel pada solar terhadap  unjuk  kerja  mesin  diesel  dengan  menggunakan  metode  variable  speed  (1200,  1500,  1800, 2100, dan 2400) rpm dan variable load  (0,5, 1, dan 1,5) kg. Dalam penelitian ini menggunakan mesin diesel TD110-TD115  Test  Bed  and  Instrument  for  Small  Engines .  Parameter  yang  diukur  dalam penelitian  ini  adalah  Torsi,  Daya,  Rasio  Perbandingan  Udara-Bahan  Bakar  (AFR),  Konsumsi  Bahan Bakar Spesifik (sfc), Efisiensi Volumetris, dan Efisiensi Thermal Brake. Bahan bakar yang digunakan adalah  solar  murni,  dan  campuran  biodiesel  5%  (B5),  10%  (B10),  15%  (B15)  dan  20%  (B20).  Dari penelitian ini unjuk kerja mesin diesel tertinggi diperoleh pada penggunaan bahan bakar solar masing- masing pada putaran 2400 rpm dimana Torsi maksimal sebesar  5,5 (Nm; Daya terbesar  1,382 (kW); Konsumsi  Bahan  Bakar  Spesifik  paling  ekonomis  sebesar  211,349  (g/kWh);  Perbandingan  Udara- Bahan Bakar (AFR ) terbesar 53,565; Efisiensi Volumetris terbesar 0,808 (80,8%); Efisiensi Thermal Brake terbesar 0,422 (42,2%).
Kata kunci : unjuk  kerja, mesin  diesel, biodiesel .

## 1.1. PENDAHULUAN
Cadangan  Bahan  Bakar  Minyak  (BBM)  dari  waktu  ke  waktu  menurun  jumlahnya,  cadangan tersebut  tidak  dapat  ditambah  ataupun  diperbaharui  meskipun  eksplorasi  terus  ditingkatkan,  bahkan yang  terjadi  justru  sebaliknya  semakin  hari  cadangan  minyak  bumi  semakin  menipis  dan  suatu  saat akan habis, oleh karena itu diperlukan bahan bakar alternatif yang dapat diperbaharui.
Biodiesel adalah bioenergi atau bahan bakar alternatif yang terbuat dari minyak nabati dan lemak hewani,  merupakan  bahan  bakar  alternatif  yang  sangat  potensial  digunakan  sebagai  pengganti  solar karena kemiripan karakteristiknya.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA

## 2.1. Performansi Mesin Diesel
Mesin/motor  diesel  ( diesel  engine )  merupakan  salah  satu  bentuk  motor  pembakaran  dalam ( internal  combustion  engine ).  Motor  diesel  disebut  dengan  motor  penyalaan  kompresi  ( compression ignition engine ) karena penyalaan bahan bakarnya diakibatkan oleh suhu kompresi udara dalam ruang bakar.
Dalam  motor  diesel  bahan  bakar  diinjeksikan  kedalam  silinder  yang  berisi  udara  bertekanan tinggi.  Selama  proses  pengkompresian  udara  dalam  silinder  mesin,  suhu  udara  meningkat,  sehingga ketika  bahan  bakar  yang  berbentuk  kabut  halus  bersinggungan  dengan  udara  panas  ini,  maka  bahan bakar akan menyala dengan sendirinya tanpa bantuan alat penyala lain.

## 2.2. Torsi dan Daya
Torsi yang dihasilkan suatu mesin dapat diukur dengan menggunakan dynamometer yang dikopel dengan poros output mesin. Oleh karena sifat dynamometer yang bertindak seolah-olah seperti sebuah rem dalam sebuah mesin, maka daya yang dihasilkan poros output ini sering disebut sebagai daya rem (Brake Power) .
P B = 2 𝜋 𝑛 60 𝑇

## 2.3. Konsumsi bahan bakar spesifik (specific  fuel consumtion, sfc)
Konsumsi  bahan  bakar  spesifik  adalah  parameter  unjuk  mesin  yang  berhubungan  langsung dengan nilai ekonomis sebuah mesin,
Bila daya rem dalam satuan kW dan laju aliran massa bahan bakar dalam satuan kg/jam, maka :
Sfc= 𝑚𝑓 𝑥 10³ 𝑃 𝐵 Besarnya laju aliran massa bahan bakar ( m f ) dihitung dengan persamaan berikut :
m f = 𝑠𝑔 𝑓 .𝑉 𝑓 .10 −3 𝑡 𝑓 x 3600

## 2.4. Perbandingan udara bahan bakar (AFR)
Untuk  memperoleh  pembakaran  sempurna,  bahan  bakar  harus  dicampur  dengan  perbandingan tertentu. Perbandingan udara bahan bakar ini disebut dengan Air Fuel Ratio (AFR).
AFR= 𝑚 𝑎 𝑚 𝑓 Besarnya  laju  aliran  masa  udara  (m a )  juga  dapat  diketahui  dengan  membandingkan  hasil pembacaan manometer terhadap kurva vicous flow meter calibration. Kurva kalibrasi ini dikondisikan untuk  pengujian  pada  tekanan  udara  1013  mb  dan  temperatur  20  °C,  oleh  karena  itu  besarnya  laju aliran udara yang diperoleh harus dikalikan dengan faktor koreksi (C f ) berikut :
C f = 3564 x P a x (𝑇 𝑎 +144) 𝑇 𝑎 2,5

## 2.5. Efisiensi Volumetris
Jika sebuah mesin empat langkah dapat menghisap udara pada kondisi isapnya sebanyak volume langkah toraknya untuk setiap langkah isapnya, maka itu merupakan sesuatu yang ideal.
Efisiensi volumketrik ( 𝜂ᵥ ) Dirumuskan dengan persamaan:
𝜂𝑣 = Berat udara segar yang terisap
Berat udara sebanyak volume langkah torak berat udara segar yang terisap 𝑚 𝑎 60 . 2 𝑛 berat udara sebanyak langkah torak =
𝜌 a .V Dengan mensubstitusikan persamaan diatas, maka besarnya effisiensi volumetris :
η v = 2.m a 60.n . 1 𝜌𝑎 .𝑉𝑠 dengan : 𝜌 a = kerapatan udara (kg/m 3)
V s = volume langkah torak = [spesifikasi mesin]
Diasumsikan  udara  sebagai  gas  ideal,  sehingga  massa  jenis  udara  dapat  diperoleh  dari persamaan berikut:
𝜌 a = 𝑃 𝑎 𝑅 .𝑇 𝑎 2]
Dimana R = konstanta gas (untuk udara = 287 J/kg.K)

## 2.6. Efisiensi Thermal Brake
Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang dibangkitkan piston karena sejumlah energi hilang akibat adanya rugi-rugi mekanis (mechanical losses).
𝜂 𝑏 = Daya keluar  aktual Laju panas yang masuk
Laju panas yang masuk Q, dapat dihitung dengan rumus berikut : Q = m f . CV Dimana, CV = panas jenis bom kalorimeter (kJ/kg). Jika daya keluaran ( P B ) dalam satuan kW, laju aliran bahan bakar m f dalam satuan kg/jam, maka: 𝜂 𝑏 = 𝑃 𝐵 𝑚 𝑓.  𝐶𝑉 . 3600

## 2.7. Teori Pembakaran
Pembakaran  adalah  reaksi kimia,  yaitu  elemen  tertentu  dari  bahan  bakar  setelah dinyalakan  dan digabung dengan oksigen akan menimbulkan panas sehingga menaikkan suhu dan tekanan gas.

## 2.8. Nilai Kalor Bahan Bakar
Nilai  kalor  atas (High  Heating  Value, HHV),  merupakan  nilai  kalor  yang  diperoleh  secara eksperimen  dengan  menggunakan  calorimeter  dimana  hasil  pembakaran  bahan  bakar  didinginkan sampai  suhu  kamar  sehingga  sebagian  besar  uap  air  yang  terbentuk  dari  pembakaran  hydrogen mengembun  dan  melepaskan  panas  latennya.  Secara  teoritis  besarnya  nilai  kalor  atas  (HHV)  dapat dihitung bila diketahui komposisi bahan bakarnya dengan menggunakan persamaan.
HHV = (T 2 -T 1 -T kp ) x C v x 1000 Nilai  kalor  bawah (low  Heating  value,  LHV), merupakan  nilai  kalor  bahan  bakar  tanpa  panas  laten yang berasal dari pengembunan uap air. Pada proses pembakaran sempurna, air yang  dihasilkan dari pembakaran bahan bakar setengah dari jumlah mol hidrogennya.
LHV = HHV - 3240
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 Enggineers) menentukan  penggunaan  nilai  kalor  atas  (HHV),  sedangkan  peraturan  SAE (Society  of Automotive Enggineers) menentukan penggunaan nilai kalor bawah (LHV).

## 2.9. Siklus Diesel
Gambar 2.1 Diagram P-V Udara Tekanan Konstan[1] Tabel 2.1 karakteristik mutu solar
[2]

## 2.10. Biodiesel
Nama  biodiesel  telah  disetujui  oleh Department  of  Energi (DOE), Environmental  Protection Agency (EPA) dan American Society of Testing Material (ASTM), biodiesel merupakan bahan bakar alternatif yang menjanjikan yang dapat diperoleh dari minyak tumbuhan, lemak binatang atau minyak bekas melalui esterifikasi dengan alcohol/metanol.
Pemanfaatan jelantah sebagai bahan baku biodiesel telah dilakukan dibeberapa negara, seperti Jepang,  Jerman, Austria  dan  Hawai.  Bahan  ini  diperoleh  dari  restauran-restauran fast  food ,  seperti McDonald’s, KFC dan lain sebagainya. Apabila ditinjau dari komposisi kimianya, minyak jelantah mengandung senyawa-senyawa  bersifat  karsinogenik  yang  terjadi  selama  proses  penggorengan.  Senyawa karsinogenik  ini  berbahaya  bagi  kesehatan  manusia,  karena  dapat  menyebabkan  terjadinya  penyakit kanker dan juga mengurangi kecerdasan generasi. Ketersediaan yang relatif banyak serta harga yang murah memungkinkan bahan ini dijadikan biodiesel. Dapat dilihat seperti gambar berikut: Tabel 2.2 Standar Mutu Biodiesel Indonesia
[3]

## 3. Metode Penelitian
3.1. Metode Pengumpulan Data Data yang diperoleh dalam pengujian ini meliputi:
a. Data primer, merupakan data yang diperoleh langsung dari pengukuran dan pembacaan pada unit instrumentasi dan alat ukur pada masing-masing pengujian
b. Data sekunder, data mengenai karakteristik bahan bakar solar dari pertamina.

## 3.2. Pengamatan dan tahap pengujian
Pada penelitian yang akan diamati adalah:
1. Parameter torsi (T) dan parameter daya (P B )
2. Parameter konsumsi bahan bakar spesifik (sfc)
3. Rasio perbandingan udara bahan bakar (AFR)
4. Effisiensi volumetris ( η v ) 5. Effisiensi thermal brake ( η b )

## 3.3. Prosedur Pengujian Nilai Kalor BahanBakar
Alat  yang  digunakan  dalam  pengukuran  nilai  kalor  bahan  bakar  ini  adalah  uji  “ Bom Kalorimeter”
Gambar 3.2 Diagram Alir Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar[4]

## 3.4. Prosedur Pengujian Performansi Motor Diesel
Pada pengujian motor diesel digunakan mesin diesel TD 110 – TD 115 Test Bed and Instrument for Small Engines 4 stroke - 1 cylinder .
Gambar 3.3 Mesin Uji TD 110 – TD 115 Test Bed and Instrument for Small Engines 4 stroke - 1 cylinder
Tabel 3.1 Data   Spesifikasi   mesin    diesel    uji     TD 110 – TD 115 Test   Bed   and Instrument for Small Engines
Gambar 3.4 Diagram Alir Pengujian Performansi Motor Diesel

## 4. Hasil dan Analisa Pengujian

## 4.1. Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar
Data temperatur air pendingin sebelum dan sesudah penyalaan (T 1 dan T 2 ) yang telah diperoleh pada  pengujian  “Bom  Kalorimeter”  selanjutnya  digunakan  untuk  menghitung  nilai  kalor  atas  bahan bakar (HHV) dengan persamaan berikut:
HHV = (T 2 – T 1 – T kp ) x C v x Fk (J/kg) Tabel  4.1 Data  hasil  pengujian  dan        perhitungan  Bom  Kalorimeter  untuk  campuran  variasi perbandingan bahan bakar solar dan biodiesel minyak jelantah

## 4.2. Pengujian Performansi Motor Bakar Diesel
Data yang diperoleh dari pembacaan langsung alat uji mesin diesel 4-langkah 1-silinder ( TD 110 – TD 115 Test   Bed   and Instrument for Small Engines) :

## Tabel 4.2 Bahan bakar solar
Tabel 4.3 Bahan bakar solar 95% + biodiesel minyak jelantah 5% (B5)
Tabel 4.4 Bahan bakar solar 90% + biodiesel minyak jelantah 10% (B10)
Tabel 4.5 Bahan bakar solar 85% + biodiesel minyak jelantah 15% (B15)
Tabel 4.6 Bahan bakar solar 80% + biodiesel minyak jelantah 20% (B20)

## 4.2.1. Torsi
Perbandingan nilai torsi untuk masing-masing jenis bahan bakar pada setiap variasi beban dan putaran dapat dilihat pada gambar grafik di bawah ini:
Gambar 4.1 Grafik Torsi vs Putaran Mesin (rpm) untuk Beban 0,5 kg
Gambar 4.2 Grafik Torsi vs Putaran Mesin (rpm) untuk Beban 1 kg
Gambar 4.7 Grafik Torsi vs Putaran Mesin (rpm) untuk Beban 1,5 kg

## 4.2.2. Daya
Besarnya  daya  yang  dihasilkan  oleh  masing-masing  jenis  bahan  bakar  pada  tiap  kondisi pembebanan dan putaran dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:
𝑃 𝐵 = 2 .  𝜋 .  𝑁 60 .  1000 𝑥 𝑇
Tabel 4.7 Daya tiap jenis bahan bakar dengan variasi beban dan putaran
Perbandingan  daya  untuk  masing-masing  jenis  bahan  bakar  dengan  variasi  beban  dan  putaran  dapat dilihat pada gambar grafik berikut:
Gambar 4.8 Grafik Daya vs Putaran Mesin (rpm) untuk Beban 0,5 kg
Gambar 4.9 Grafik Daya vs Putaran Mesin (rpm) untuk Beban 1 kg
Gambar 4.10 Grafik Daya vs Putaran Mesin (rpm) untuk Beban 1,5 kg

## 4.2.3. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik, sfc
Konsumsi  bahan  bakar  spesifik  dari  masing-masing  bahan  bakar  yang  digunakan  pada  tiap variasi beban dan putaran dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:
𝑠𝑓𝑐 = ṁ 𝑓 .  10 3 𝑃 𝐵 (𝑔/𝑘𝑊ℎ)
ṁ 𝑓 = 𝑠𝑔𝑓 .  𝑉 𝑓 .  10 −3 𝑡 𝑓 𝑥 3600
Tabel 4.8 sfc tiap jenis bahan bakar dengan variasi beban dan putaran
Perbandingan sfc untuk masing-masing jenis campuran bahan bakar dengan variasi beban dan putaran dapat dilihat pada gambar grafik berikut:
Gambar 4.11 Grafik sfc vs Putaran Mesin (rpm) untuk Beban 0,5 kg
Gambar 4.12 Grafik sfc vs Putaran Mesin (rpm) untuk Beban 1 kg
Gambar 4.13 Grafik sfc vs Putaran Mesin (rpm) untuk Beban 1,5 kg

## 4.2.4 Rasio perbandingan udara
bahan bakar (AFR)
Rasio  Perbandingan  Udara  –  Bahan  Bakar  ( Air  Fuel  Ratio /AFR)  dari  masing-masing  bahan bakar yang diuji dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut:
𝐴𝐹𝑅 = ṁ 𝑎 ṁ 𝑓
Tabel 4.9 AFR tiap jenis bahan bakar dengan variasi beban dan putaran
Perbandingan  AFR  untuk  masing-masing  jenis  campuran  bahan  bakar  dengan  variasi  beban  dan putaran dapat dilihat pada gambar grafik berikut:
Gambar 4.14 Grafik AFR vs Putaran Mesin (rpm) untuk Beban 0,5 kg
Gambar 4.15 Grafik AFR vs Putaran Mesin (rpm) untuk Beban 1 kg
Gambar 4.16 Grafik AFR vs Putaran Mesin (rpm) untuk Beban 1,5 kg

## 4.2.5 Effisiensi Volumetris
Efisiensi  Volumetris  ( volumetric  efficiency )  untuk  motor  bakar  4-langkah  dihitung  dengan rumus berikut:
𝜂 𝑣= 2 .  ṁ 𝑎 60 .  𝑁 .  𝜌 𝑎 .  𝑉 𝑠
Tabel 4.10 Efisiensi  volumetris  ( η v )  tiap jenis bahan bakar dengan variasi beban dan putaran
Gambar 4.17 Grafik efisiensi volumetris ( η v ) vs Putaran Mesin (rpm)

## 4.2.6. Efisiensi Thermal Brake
Efisiensi thermal  brake ( brake  thermal  eficiency , η b )  merupakan  perbandingan  antara  daya keluaran aktual terhadap laju panas rata–rata yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar. Efisiensi termal brake dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:
𝜂 𝑏 = 𝑃 𝐵 𝑚 𝑓 .  𝐶𝑉 𝑥 3600
Tabel 4.11 Efisiensi termal brake ( η b ) tiap jenis bahan bakar dengan variasi beban dan putaran
Gambar 4.18 Grafik BTE vs Putaran Mesin untuk Beban 0,5 kg
Gambar 4.19 Grafik BTE vs Putaran Mesin untuk Beban 1 kg
Gambar 4.20 Grafik BTE vs Putaran Mesin untuk Beban 1,5 kg

## 5.1.  Kesimpulan
• Pada pengujian nilai HHV dengan menggunakan Bom Kalorimeter, nilai HHV tertinggi terdapat pada bahan bakar solar  adalah 45155,825 (kJ/kg), dan nilai HHV terendah pada campuran bahan bakar solar 80% + biodiesel minyak jelantah 20% (B20) adalah 37889,370 (kJ/kg).
• Pada  pengujian  dengan  menggunakan  variasi  campuran  bahan  bakar  solar  +  biodiesel  minyak jelantah :
• Torsi  terendah  terjadi  pada  pembebanan  0,5  (kg)  dengan  bahan  bakar  solar  80%  +  biodiesel minyak jelantah 20% (B20) pada putaran 1200 (rpm) yaitu sebesar 1,6 (Nm).
Torsi tertinggi terjadi pada pembebanan 1,5 (kg) dengan bahan bakar solar pada putaran 2400 (rpm) yaitu sebesar 5,6 (Nm).
• Daya terendah terjadi pada pembebanan 0,5 kg dengan bahan bakar solar 80% + biodiesel minyak jelantah 20% (B20) pada putaran 1200 rpm yaitu sebesar 0,201 (kW).
Daya  tertinggi  terjadi  pada  pembebanan  1,5  kg  dengan  bahan  bakar  solar  pada  putaran 2400 rpm yaitu sebesar 1,382 (kW).
• Konsumsi  Bahan  Bakar  Spesifik  (sfc)  terendah  terjadi  pada  pembebanan  1,5  kg  dengan  bahan bakar solar pada putaran 2400 rpm yaitu sebesar 211,349 (g/kWh).
Konsumsi  Bahan  Bakar  Spesifik  (sfc)  tertinggi  terjadi  pada  pembebanan  0,5  kg  dengan bahan  bakar  solar  80%  +  biodiesel  minyak  jelantah  20%  (B20)  pada  putaran  1200  rpm yaitu sebesar  651,741 (g/kWh).
• Perbandingan  Udara  –  Bahan  Bakar  (AFR)  terendah  terjadi  pada  pembebanan  0,5  kg  dengan bahan  bakar  solar  90%  +  biodiesel  minyak  jelantah  10%  (B10)  pada  putaran  1500  rpm  yaitu sebesar 32,326.
Perbandingan  Udara  –  Bahan  Bakar  (AFR)  tertinggi  terjadi  pada  pembebanan  1,5  kg dengan bahan bakar solar pada putaran 2400 rpm yaitu sebesar 53,565.
• Efisiensi volumetris (η v ) terendah terjadi pada bahan bakar solar 80% + biodiesel minyak jelantah 20% (B20) pada putaran 1200 rpm yaitu sebesar 0,455 atau 45,5 %.
Efisiensi volumetris (η v ) tertinggi terjadi pada bahan bakar solar pada putaran 2400 rpm yaitu sebesar 0,808 atau 80,8%.
• Efisiensi  termal  brake  (η b )  terendah  terjadi  pada  pembebanan  0,5  kg  dengan  bahan  bakar  solar 80% + biodiesel minyak jelantah 20% (B20) pada putaran 1200 rpm yaitu sebesar 0,143 (14,3%).
Efisiensi termal brake (η b ) tertinggi terjadi pada pembebanan 1,5 kg dengan bahan bakar solar pada putaran 2400 rpm yaitu sebesar 0,422 (42,2%).

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Arismunandar, Wiranto, Motor Bakar Torak, Penerbit ITB Bandung, Bandung, 1988.
[2] www.pertamina.com
[3] google.com/biodiesel
[4] Thayab, Awaluddin, Ir., M,Sc., Buku Panduan Praktikum Bom Kalorimeter, Laboratorium Motor Bakar – Jurusan teknik Mesin USU, Medan, 2003.
[5]  Manual  Book  of  TD110  TD115  Test  Bed  and  Instrumentation  for  Small  Engines,TQ  Education and Training Ltd – Products Division, 2000.