## Pengaruh Bahan Bakar Biodiesel dari Dimetil Ester Terhadap Kinerja Mesin Diesel Empat Langkah
Tulus B. Sitorus 1 , Yosua F. S. R. Zebua 2 , Daniel F. B. Sianturi 2 , Jonathan A. R. Siagian 2 , Suprihatin 1 , Lestina Siagian 3
1 Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU-Medan, Indonesia
2 Alumni Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU-Medan, Indonesia 3Prodi Teknik Elektro, Universitas HKBP Nommensen, Medan-20234
tulus.burhanuddin@usu.ac.id

## Abstract
This study aims to determine the effect of biodiesel fuel from dimethyl ester on four-stroke  stationary  diesel  engines'  performance  and  exhaust  emissions.  Tests were carried out using B10 and B30 fuels with engine speed variations and load variations without modifying the engine. The results showed that the torque, power, and thermal efficiency tended to decrease when using B10 and B30. In addition, the specific fuel consumption has increased when the engine uses B10 and B30. But exhaust emissions of CO and unburned hydrocarbon (UHC) decreased NOx and increased CO2 when the engine uses B10 and B30. This research also obtains the correlations and regression equations involving engine performance parameters.
Keywords: fuel, dimethyl ester, biodiesel, engine performance

## 1. PENDAHULUAN
Adanya peningkatan konsumsi energi yang terus meningkat di setiap negara membuat ketahanan  energi  menjadi  jaminan  penting  bagi  keamanan  nasional  semua  negara  di dunia[1]–[3]. Menurut International Energi Outlook 2016 bahwa konsumsi energi total dunia telah dan akan meningkat secara signifikan sebesar 48% dari tahun 2012 hingga 2040  [4].  Krisis  energi,  perubahan  iklim,  dan  pencemaran  lingkungan  adalah  masalah kritis  yang  saat  ini  dihadapi  dunia  [5].  Krisis  energi  telah  menjadi  isu  penting  dalam beberapa tahun terakhir dan menjadi fokus penelitian di banyak negara di seluruh dunia [6]. Salah satu solusi dari hal tersebut adalah pengurangan konsumsi minyak bumi atau bahan  bakar  fosil.  Hal  ini  juga  terkait  dengan  terjadinya  fluktuasi  pasokan  dan  harga minyak telah menyadarkan masyarakat bahwa jumlah cadangan minyak di bumi semakin menipis. Minyak bumi merupakan bahan bakar yang tidak dapat diperbaharui, sehingga bahan penggantinya harus diperhatikan[7], [8]. Selain itu, polusi dari pembakaran bahan bakar  fosil  merusak  lingkungan.  Salah  satu  bahan  bakar  alternatif  adalah  biodiesel sebagai  pengganti  bahan  bakar  mesin  diesel.  Bahan  baku  biodiesel  bisa  berasal  dari minyak  sawit,  minyak  jarak,  minyak  goreng  bekas,  mentega,  dan  sebagainya[9]. Biodiesel merupakan salah satu jenis bahan bakar terbarukan yang selalu menarik untuk dikaji.  Jenis  bahan  bakar  yang  digunakan  secara  positif  mempengaruhi  karakteristik kinerja mesin. Seperti diketahui bahwa setiap mesin memiliki karakteristik yang berbeda dengan mesin lainnya sesuai dengan spesifikasi yang dimilikinya. Karakteristik ini erat kaitannya dengan performa yang dihasilkan mesin, dimana performa dipengaruhi oleh jenis bahan bakar yang digunakan [10], [11]. Hal ini dikarenakan bahan bakar merupakan sumber  energi  utama  agar  mesin  dapat  beroperasi.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk mengetahui pengaruh penggunaan campuran solar-biodiesel dari CPO ( crude palm oil ) dimetil  ester  terhadap  unjuk  kerja  dan  emisi  gas  buang  mesin  diesel  stasioner  empat langkah.
Untuk mendapatkan tujuan penelitian tersebut maka perlu diketahui parameter yang mempengaruhi  performansi  motor  bakar[12]–[15].  Pada  umumnya  mesin  pembakaran dalam  memiliki  parameter  yang  dapat  menunjukkan  performa  mesin  dan  beberapa parameter tersebut dijelaskan sebagai berikut.

## 1.1. Torsi
Torsi  merupakan  parameter  indikator  yang  cocok  untuk  mengetahui  kemampuan mesin menghasilkan tenaga. Torsi  didefinisikan  sebagai gaya yang bekerja pada jarak tertentu dan memiliki satuan Nm. Torsi suatu mesin dapat diperoleh dari hasil pengujian menggunakan alat uji dinamometer.

## 1.2. Daya Mesin
Pada  mesin  pembakaran  dalam  umumnya  memiliki  dua yaitu  daya  poros  dan  daya indikator. Daya tersebut dipengaruhi  oleh putaran mesin dan torsi. Dalam prakteknya, medan yang digunakan adalah daya poros. Daya poros atau daya efektif (W) adalah daya yang dihasilkan oleh mesin pada poros keluarannya atau biasa disebut dengan daya kuda yang dihitung dengan persamaan:
(1)
dimana N adalah putaran mesin (rpm), dan  adalah torsi (Nm).

## 1.3. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik
Konsumsi bahan bakar merupakan jumlah bahan bakar yang dikonsumsi oleh setiap unit daya yang dihasilkan per jam operasi. Secara tidak langsung konsumsi bahan bakar spesifik merupakan indikasi efisiensi mesin dalam menghasilkan daya dari pembakaran bahan  bakar.  Konsumsi  bahan  bakar  spesifik  (gr/kWh)  dapat  didefinisikan  sebagai berikut:
(2)
dimana ṁ f adalah aliran massa bahan bakar ke dalam ruang bakar (kg/s).

## 1.4. Efisiensi Termal
Efisiensi  termal  dari  mesin  pembakaran  internal  didefinisikan  sebagai  rasio  antara energi keluaran dan energi kimia yang terkandung dalam bahan bakar saat pembakaran di ruang bakar. Efisiensi termal dapat didefinisikan sebagai:
(3)
dimana Q HV adalah nilai kalor (kJ/kg), dan  c adalah efisiensi pembakaran (0,97).

## 2. METODE PENELITIAN
Metode penelitian yang dilakukan adalah dengan melakukan proses eksperimental di laboratorium. Tahapan yang dilakukan adalah persiapan bahan bakar dan alat uji serta alat ukur, pengujian nilai kalor bahan bakar dan pengujian kinerja mesin diesel stasioner empat  Langkah.  Pengujian  dilakukan  dengan  menggunakan  minyak  solar,  B10  (10%
60000 τ x N x 2π W .  3619080 x W m sfc . . f  c HV f . . t η x Q x m W η 
dimetil ester biodiesel CPO-90% minyak solar), dan B30 (30% dimetil ester biodiesel- 70%  minyak  solar).  Peralatan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  terdiri  dari  mesin diesel stasioner empat silinder, kalorimeter bom untuk mengetahui nilai kalor bahan bakar dan auto  logic  gas  analyzer untuk  mengetahui  komposisi  emisi  gas  buang.  Pada penelitian ini dilakukan pengujian unjuk kerja mesin dengan variasi bahan bakar (minyak solar, B10, dan B30), variasi putaran mesin 1000 rpm, 1400 rpm, 1800 rpm, 2200 rpm, 2600 rpm dan 2800 rpm serta variasi beban 10 kg dan 25 kg.
Gambar 1. Skema eksperimental
Spesifikasi alat uji mesin diesel yang digunakan dapat dilihat pada tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi mesin diesel uji
Mesin Diesel Tipe 4 langkah Diameter / Panjang Langkah 88,9 mm /79,37 mm Rasio Kompresi 22 : 1 Jumlah Silinder 4 Kapasitas Mesin 1760 cc Kapasitas Tangki 10 liter Tachometer 0 - 5000 rpm Torque Meter 0 - 100 Nm Exhaust Temperature Meter 0 -1200 0 C

## 3. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Hasil  dan  analisa  pembahasan  dari  penelitian  yang  telah  dilakukan  akan  diuraikan sebagai berikut.

## 3.1. Nilai Kalor Bahan Bakar
Hasil  pengujian  dengan  menggunakan  bom  kalorimeter  diperoleh  nilai  kalor maksimum terdapat pada minyak solar sebesar 44754,6476 kJ/kg. Nilai kalor minimum diperoleh pada B30, yaitu 41483,9039 kJ/kg. Nilai kalor bahan bakar menunjukkan energi yang dihasilkan selama  proses pembakaran bahan bakar per satuan massa. Nilai kalor dipengaruhi  oleh  komposisi  bahan  bakar.  Semakin  tinggi  konsentrasi  biodiesel  dalam suatu campuran, semakin rendah nilai kalor bahan bakar. Nilai kalor B30 yang paling rendah disebabkan oleh meningkatnya kadar oksigen dalam struktur bahan bakar. Jadi untuk mendapatkan energi yang sama, jumlah B30 yang dibutuhkan lebih signifikan.
Tabel 2. Hasil uji nilai kalor bahan bakar Bahan Bakar Nilai Kalor  (kJ/kg) Solar 44754,6476 B10 42194,9352 B30 41483,9039

## 3.2. Performansi Mesin Diesel
Hasil pengujian menunjukkan bahwa torsi maksimum sebesar 88,2 Nm terjadi pada saat  mesin  menggunakan  minyak  solar  pada  2.800  rpm  dan  25  kg.  Torsi  minimum diperoleh 28 Nm dengan B30 dan beban 10 kg pada 1000 rpm. Torsi minimum dihasilkan saat mesin menggunakan B30 karena torsi dipengaruhi oleh energi yang dihasilkan oleh pembakaran  bahan  bakar.  Nilai  kalor  bahan  bakar  mempengaruhi  hasil  pembakaran bahan bakar. Nilai kalor B30 merupakan yang paling rendah jika dibandingkan dengan nilai kalor minyak solar dan B10.
Gambar 2. Daya mesin yang dihasilkan untuk setiap bahan bakar yang diuji
Gambar 3. Konsumsi bahan bakar spesifik setiap bahan bakar yang diuji
Gambar  4. Efisiensi termal dari setiap pengujian bahan bakar

## 3.2.1  Daya
Hasil pengujian menunjukkan bahwa daya maksimum sebesar 25,86 kW terjadi pada saat  mesin  diesel  menggunakan  minyak  solar  pada  2800  rpm  dan  beban  25  kg.  Daya minimum yang diperoleh 2,93 kW dengan B30 untuk beban 10 kg pada 1000 rpm. Daya mesin yang dihasilkan dipengaruhi oleh torsi. Saat torsi semakin besar maka daya mesin yang dihasilkan juga semakin besar begitu juga sebaliknya. Hal ini disebabkan perubahan daya sebanding dengan torsi. Faktor lain yang memungkinkan penurunan daya mesin di B10  dan  B30  adalah  karena  pengaturan  waktu  injeksi  yang  tidak  memadai.  Hal  ini dikarenakan angka setana biodiesel lebih tinggi dari minyak solar, sehingga diperlukan waktu tunda pengapian yang lebih singkat. Sehingga diperlukan upaya memajukan timing injeksi untuk mendapatkan daya yang optimal.

## 3.2.2 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik
Dari hasil didapatkan sfc maksimum sebesar 1196,06 gr/kWh saat menggunakan B30 pada putaran 1000 rpm  dan beban 10 kg. Sfc minimum yang diperoleh adalah 225,39 gr/kWh pada 2800 rpm bila menggunakan minyak solar untuk beban 25 kg. Rata-rata sfc yang  dihasilkan  dari  pengujian  yang  dilakukan  adalah  508,38  gr/kWh.  Secara  umum, konsumsi  bahan  bakar  spesifik  saat  mesin  menggunakan  B10  dan  B30  mengalami peningkatan.  Nilai  kalor  B10  menyebabkan  hal  tersebut,  dan  B30  lebih  rendah  dari minyak  solar  karena  adanya  oksigen  dalam  biodiesel,  yang  mengakibatkan  campuran udara-bahan bakar menjadi miskin ( lean mix) sehingga campuran udara-bahan bakar yang dibutuhkan harus dibuat campuran kaya ( rich mix ). Kondisi ini membuat bahan bakar yang dibutuhkan lebih banyak dibandingkan saat mesin menggunakan minyak solar.

## 3.2.3 Efisiensi Termal
Hasil  pengujian  menunjukkan  bahwa  efisiensi  termal  maksimum  diperoleh  38,14% saat mesin menggunakan minyak solar pada 2800 rpm dan beban 25 kg. Efisiensi termal minimum adalah 7,19% pada 1000 rpm dan untuk beban 10 kg saat mesin menggunakan B30. Rata-rata efisiensi termal yang dihasilkan adalah 20,85%. Sebagaimana diketahui bahwa  efisiensi  termal  mesin  pembakaran  dalam  dipengaruhi  oleh  beberapa  variabel seperti tenaga mesin, laju aliran bahan bakar ke ruang bakar, dan nilai kalor bahan bakar. Ketiga parameter tersebut secara bersamaan mempengaruhi pencapaian efisiensi termal suatu mesin.

## 3.2.4 Emisi Gas Buang
Berdasarkan hasil pengujian diketahui bahwa pada saat mesin menggunakan B10 dan B30, penurunan emisi gas buang CO (karbon monoksida) berkisar antara 8,09% - 9,31%. Emisi  gas  buang  CO  terjadi  karena  kekurangan  oksigen,  sehingga  proses  pembakaran berlangsung tidak sempurna karena banyak atom karbon yang tidak mendapatkan oksigen yang cukup untuk membentuk gas CO. Emisi CO 2 (karbon dioksida) meningkat sekitar 18,85%-34,74%. Hal ini menjadi argumentasi bahwa biodiesel memiliki kelebihan atom oksigen sehingga biodiesel merupakan bahan bakar teroksigenasi yang dapat mengikat molekul CO menjadi CO 2 . Penurunan emisi gas buang UHC ( Unburned Hydro Carbon ) berkisar antara 19,28%-24,4%. Proses pembakaran yang tidak sempurna menyebabkan emisi UHC. Biodiesel B10 dan B30 yang memiliki ikatan OH dalam susunan molekulnya, membuat  proses  pembakaran  bahan  bakar  di  ruang  bakar menjadi  lebih  baik.  Tingkat emisi  gas  buang  NO x mengalami  peningkatan  jika mesin  menggunakan  B10  dan  B30 berkisar 39,24%-99,58%. Hal ini disebabkan karena titik nyala biodiesel lebih rendah dari minyak solar yang mengakibatkan masa penyalaan lebih singkat sehingga pembakaran berlangsung lebih awal yang pada akhirnya akan berdampak pada peningkatan temperatur dan  tekanan  pada  ruang  bakar.  Kondisi  terakhir  ini  berdampak  pada  peningkatan konsentrasi NO x pada gas buang.

## 3.3.  Analisa Regresi dan Korelasi Parameter
Nilai korelasi antara ketiga parameter performansi tersebut adalah signifikan. Korelasi daya mesin dengan konsumsi bahan bakar spesifik adalah -0,83. Hal ini  menunjukkan bahwa  jika  daya  mesin  meningkat  maka  konsumsi  bahan  bakar  spesifik  menurun  dan sebaliknya.  Korelasi  yang  terjadi  antara  daya  mesin  dengan  efisiensi  termal  berkisar antara  0,94,  yang  berarti  bila  daya  mesin  meningkat  maka  efisiensi  termal  juga  akan meningkat dan sebaliknya. Nilai korelasi antara parameter konsumsi bahan bakar spesifik dengan efisiensi termal adalah -0,90, yang berarti dengan peningkatan konsumsi bahan bakar spesifik akan menurunkan efisiensi termal dan sebaliknya. Dengan menggunakan analisis  regresi  berganda  diperoleh  persamaan  regresi  yang  melibatkan  parameter efisiensi termal (Y), daya mesin (X 1 ), dan konsumsi bahan bakar spesifik (X 2 ), yaitu:
Y = 17,5928 + 0,8123 X 1 - 0,014 X 2
Koefisien  determinasi  yang  diperoleh  adalah  93,5%,  hal  ini  menyatakan  bahwa pengaruh daya mesin dan konsumsi bahan bakar spesifik terhadap efisiensi termal untuk mesin diesel yang diuji adalah 93,5%.

## 4. KESIMPULAN
Pengujian  biodiesel  dari  dimetil  ester  terhadap  kinerja  mesin  diesel  stasioner  telah dilakukan.  Pengujian  yang  dilakukan  meliputi  uji  nilai  kalor  bahan  bakar  dan  uji performansi mesin diesel. Tampak bahwa nilai kalor suatu bahan bakar dipengaruhi oleh komposisi  unsur-unsur  penyusun  bahan  bakar  tersebut.  Semakin  tinggi  konsentrasi biodiesel dalam campuran bahan bakar, semakin rendah nilai kalor bahan bakar tersebut. Daya maksimum sebesar 25,86 kW terjadi pada saat mesin beroperasi pada 2800 rpm dan beban  25  kg  menggunakan  minyak  solar.  Daya  minimum  diperoleh  2,93  kW  dengan beban B30 dan 10 kg pada 1000 rpm. Konsumsi bahan bakar spesifik minimum diperoleh 225,39 gr/kWh pada 2800 rpm dengan minyak solar untuk beban 25 kg. Efisiensi termal maksimum adalah 38,14% dengan menggunakan minyak solar pada 2800 rpm dan beban 25 kg. Emisi gas buang saat mesin menggunakan B10 dan B30 mengalami penurunan untuk  CO  dan  UHC  serta  meningkat  untuk  CO 2 dan  NO x .  Hasil  analisis  regresi menunjukkan  bahwa  koefisien  determinasi  adalah  93,5%  yang  menyatakan  bahwa pengaruh daya mesin dan konsumsi bahan bakar spesifik terhadap efisiensi termal adalah 93,5%.

## 5. DAFTAR PUSTAKA
[1] C. McCaffery et al. , “Real-world NOx emissions from heavy-duty diesel, natural gas,  and  diesel  hybrid  electric  vehicles  of  different  vocations  on  California roadways,” Sci.  Total  Environ. ,  vol.  784,  p.  147224,  2021,  doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.147224.
[2] A.  G.  Olabi,  D.  Maizak,  and  T.  Wilberforce,  “Review  of  the  regulations  and techniques  to  eliminate  toxic  emissions  from  diesel  engine  cars,” Sci.  Total Environ. , vol. 748, p. 141249, 2020, doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.141249.
[3] J. Yuan and X. Luo, “Regional energy security performance evaluation in China using  MTGS  and  SPA-TOPSIS,” Sci.  Total  Environ. ,  vol.  696,  2019,  doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.133817.
[4] S.  N.  Gebremariam  and  J.  M.  Marchetti,  “Economics  of  biodiesel  production: Review,” Energy  Convers.  Manag. ,  vol.  168,  pp.  74–84,  2018,  doi: 10.1016/j.enconman.2018.05.002.
[5] X. Zhou and C. Feng, “The impact of environmental regulation on fossil energy consumption in China: Direct and indirect effects,” J. Clean. Prod. , vol. 142, pp. 3174–3183, 2017, doi: 10.1016/j.jclepro.2016.10.152.
[6] S. Dharma, H. C. Ong, H. H. Masjuki, A. H. Sebayang, and A. S. Silitonga, “An overview of engine durability and compatibility using biodiesel–bioethanol–diesel blends in compression-ignition engines,” Energy Convers. Manag. , vol. 128, pp. 66–81, 2016, doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.08.072.
[7] J. M. Marchetti, “A summary of the available technologies for biodiesel production based on a comparison of different feedstock’s properties,” Process Saf. Environ. Prot. , vol. 90, no. 3, pp. 157–163, 2012, doi: 10.1016/j.psep.2011.06.010.
[8] F.  Yaşar,  “Comparision  of  fuel  properties  of  biodiesel  fuels  produced  from different oils to determine the most suitable feedstock type,” Fuel , vol. 264, 2020, doi: 10.1016/j.fuel.2019.116817.
[9] T. B. Sitorus, F. Ariani, and Z. Lubis, “Efek Bahan Bakar Biodiesel Dari Minyak Kedelai Terhadap Emisi Gas Buang Dan Temperatur Ruang Bakar Mesin Diesel,” Simetris J. Tek. Mesin, Elektro dan Ilmu Komput. , vol. 9, no. 2, pp. 1083–1090,
2018, doi: 10.24176/simet.v9i2.2569.
[10]  D.  Singh et  al. ,  “A  comprehensive  review  of  biodiesel  production  from  waste cooking  oil  and  its  use  as  fuel  in  compression  ignition  engines:  3rd  generation cleaner feedstock,” J. Clean. Prod. , vol. 307, no. May 2020, p. 127299, 2021, doi: 10.1016/j.jclepro.2021.127299.
[11]  T. N. Verma et al. , “A comprehensive review of the influence of physicochemical properties  of  biodiesel  on  combustion  characteristics,  engine  performance  and emissions,” J. Traffic Transp. Eng. (English Ed. , vol. 8, no. 4, pp. 510–533, 2021, doi: 10.1016/j.jtte.2021.04.006.
[12]  W. W. Pulkrabek, “Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine, 2nd Ed.,” J. Eng. Gas Turbines Power , vol. 126, no. 1, pp. 198–198, 2004, doi: 10.1115/1.1669459.
[13]  John  B.  Heywood.,  “Internal  combustion  engine  fundamentals,” Choice  Rev. Online , vol. 26, no. 02, pp. 26-0943-26–0943, 1988, doi: 10.5860/choice.26-0943.
[14]  Q. Tong et al. , “Experimental studies of combustion and emission characteristics of diesel engine fueled with diesel/cyclopentanone blend,” Energy Reports , vol. 7, pp. 6756–6768, 2021, doi: 10.1016/j.egyr.2021.09.155.
[15]  Q.  Ma,  Q.  Zhang,  J.  Liang,  and  C.  Yang,  “The  performance  and  emissions characteristics  of  diesel/biodiesel/alcohol  blends  in  a  diesel  engine,” Energy Reports , vol. 7, pp. 1016–1024, 2021, doi: 10.1016/j.egyr.2021.02.027.