## PERAN PENGELOMPOKAN MOLEKUL PADA HYDROUS ETANOL TERHADAP KINERJA MESIN
I Made Suarta 1) , I Putu  Gede Sopan Rahtika 2) , Putu Wijaya Sunu 3), Ketut Bangse 4) , I Nengah 5)
Darma Susila 5)
1 Teknik Mesin, Politeknik Negeri Bali, Bukit Jimbaran, Badung 80351
2 Teknik Mesin, Politeknik Negeri Bali, Bukit Jimbaran, Badung 80351
3 Teknik Mesin, Politeknik Negeri Bali, Bukit Jimbaran, Badung 80351
4 Teknik Mesin, Politeknik Negeri Bali, Bukit Jimbaran, Badung 80351
5 Teknik Mesin, Politeknik Negeri Bali, Bukit Jimbaran, Badung 80351 E-mail: suarta@pnb.ac.id

## Abstract
In this study observed the role of molecular clustering on engine performance produced by hydrous ethanol fuel (95.5%  v).  The  test  was  performed  using  variation  load  for  four-cylinder  motor.  Engine  performance  is measured using Brake Power Engine load cell type indicator TD 800PM. The engine performance produced by anhydrous  ethanol  was  also  tested.  The  resulting  engine  performance  of  both  fuels  is  compared.  The  results showed  that  the  power  produced  by  hydrous  ethanol  was  slightly  higher  than  that  of  anhydrous  ethanol.  The charging effisiency generated by hydrous ethanol is upper than that of anhydrous ethanol.
Keywords: anhydrous ethanol; fuel; ethanol; hydrous ethanol; engine performance

## Abstrak
Pada penelitian ini diamati peran pengelompokan molekul terhadap kinerja mesin yang dihasilkan bahan bakar hydrous  etanol  (95,5%v).  Pengujian  dilakukan  menggunakan  pembebanan  bervariasi  pada  motor  bakar  satu silinder  empat  langkah.  Kinerja  mesin  diukur  menggunakan  Engine  Brake  Power  indikator  load  cell  tipe  TD 800PM. Kinerja mesin yang dihasilkan oleh anhydrous etanol juga diuji. Kinerja mesin yang dihasilkan kedua bahan bakar tersebut dibandingkan. Hasil penelitian menunjukkan Daya mesin yang dihasilkan hydrous etanol sedikit lebih tinggi dari anhydrous etanol. effisiensi pengisian yang dihasilkan oleh hydrous etanol lebih tinggi dari anhydrous etanol.
Kata Kunci: anhydrous etanol; bahan bakar; etanol; hydrous etanol; kinerja mesin

## PENDAHULUAN
Keamanan energi dan pemanasan global menjadi alasan  utama  dalam  penggunaan  energi  alternatif dimasa  depan  yang  tidak  dapat  dielakkan  (Omar dkk,2018; Suarta dkk,2017). Etanol adalah salah satu energi  alternatif  yang  bersifat  renewable  yang  dapat digunakan secara langsung hampir pada semua mesin pembakaran menggunakan busi(Chuepeng dkk,2016).  Penggunaan  etanol  membutuhkan  energi yang  sangat  tinggi  dalam  pemurniannya  (Suarta dkk,2016; Fagundez dkk,2016). Salah satu cara untuk mengurangi  biaya  produksi  etanol  sebagai  bahan bakar  adalah  menggunakannya  dengan  sedikit  kadar air(Lanzanova  dkk,2016).  Disamping  membutuhkan biaya  yang  lebih  rendah  dalah  proses  produksinya, kecepatan pembakaran pembakaran dan batas mampu
nyala (ER) dari azeotrope etanol juga lebih baik dari anhydrous  etanol  (Suarta  dkk,2016;  Breaux  dan Acharya,2013).
Pemanfaatan  biofuel  dari  kelompok  alkohol memainkan  peran  penting  untuk  mengurangi  Emisi gas  buang  yang  berbahaya.  Karena  itu,  peneliti  di seluruh dunia selama beberapa dekade terakhir sudah mulai meneliti pengaruh alkohol terhadap kinerja dan emisi gas buang dalam motor bensin. Memang benar bahwa  performa  mesin  dan  emisi  gas  buang  pada motor  bakar  dipengaruhi  oleh  beberapa  faktor. Perbedaan  dalam  properti  dari  bahan  bakar  alkohol menyebabkan  variasi  sifat  dari  kinerja  dan  emisi mesin bensin maupun diesel (Suarta dkk,2017; Yusri dkk 2017).
e -ISSN: 2548-9828
Morganti  dkk(2018);  Schifter  dkk(2013);  Suarta dkk(2016).  Etanol  adalah  salah  satu  bahan  bakar yang  paling  diminati  untuk  mesin  bensin.  Sehingga etanol  banyak  digunakan  sebagai  oktan enhancer maupun  diblending  dengan  bahan  bakar  lain.  Etanol menawarkan  bahan  bakar  kualitas  oktan  tinggi  dan panas  penguapan  empat  kali  lebih  besar  dari  pada bensin  secara  stoikiometri.  Data  ini  kemudian digunakan  untuk  membandingkan  peta  konsumsi bahan bakar untuk mensimulasikan kebutuhan bahan bakar kendaraan.
Pengujian  emisi  dan  performance  generator  set dengan  menggunakan  bahan  bakar  etanol  dilakukan oleh  (Suarta  dkk,2017;  Munsin  dkk2013).  Munsin dkk  (2013)  menyimpulkan  bahwa  etanol  dengan kadar  air  5%  pada  putaran  mesin  konstan  3600  rpm campuran  stoichiometri  emisinya  sangat  rendah. Grafik hasil penelitiannya dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Hubungan kadar air terhadap kebutuhan bahan bakar.
Sumber: R . Munsin . 2013
Hasil  percobaan  (Munsin  dkk,2013)  telah menemukan  bahwa  mesin  mengkonsumsi  etanol hidrous  lebih  besar  sebesar  10%  secara  umum dibandingkan dengan etanol anhidrat pada campuran kurus equivalen ratio 0,67.
Penelitian  saat  ini  bertujuan  membandingkan kinerja  mesin  menggunakan  bahan  bakar  hydrous etanol  (azeotropik)  dengan  bahan  bakar  anhydrous etanol.  Pengujian  dilakukan  menggunakan  beban bervariasi pada kedua jenis bahan bakar tersebut.

## METODE PENELITIAN
Penelitian  dilakukan  dengan  metode  pengujian dengan  peralatan  uji  laboratorium.  Langkah  awal pada  penelitian  dilakukan  dilaboratorium  analitik. Anhydrous  etanol  yang  digunakan  adalah absolute ethanol  for  analisys dari  Merck,  selanjutnya diencerkan  menjadi  etanol  hydrous  pada  kadar  air (95,5%v).  Selanjutnya  pengujian  eksperimental ( experimental  research ),  yaitu  melakukan  pengujian terhadap kinerja mesin menggunakan dinamo meter.
Gambar 2. Set-up pengujian
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dengan  menggunakan  data  awal  putaran mesin 3500 rpm, beban meningkat tiap 1 kg. Panjang
lengan  beban  20cm,  Dengan  penggunakan  formula (Torsi) ,  Konsumsi  bahan  bakar  Q mf (kg/s) didapat  dari  persamaan
,  Daya  yang
dihasilkan
dalam  kW.  Laju  aliran
udara melalui plat orifice dihitung dengan persamaan
, Volume ruang bakar
,
effisiensi volumetrik
Sehingga  didapat  hasil  perhitungan  seperti  yang disajikan dalam tabel 1 dan 2
Tabel 1. Hasil perhitungan data etanol murni Room temperatur :  29 Engine type : ...................... Tested by : .................. Date : 5/7/2018 Atmospheric pressure :  105,2 kPa Fuel type :  etanol Air box / Orifice diameter :    300/15 Opening position of throttle valve :  - Specific gravity : ................... Manometer slope : 1:5 Manometer reading for zero air flow : Left Right Net 3500 0 0 5 17.62 0.00028 5.96311 0.0002242 285 115 170 0.0057 0.00161 0.0019 8.4004 28 281 0 28.155 3136 1 1.96 5 18.01 0.00028 5.83398 0.0002193 285 115 170 0.0051 0.00161 0.0019 8.5863 28 300 0.6443 31.424 3100 2 3.92 5 19.11 0.00026 5.49817 0.0002067 285 115 170 0.0051 0.00161 0.0019 9.1108 28 281 1.2739 31.788 3000 3 5.88 5 19.45 0.00026 5.40206 0.0002031 280 120 160 0.0049 0.001561 0.0018 8.996 28 282 1.8491 31.867 2600 4 7.84 5 20.15 0.00025 5.21439 0.000196 270 130 140 0.0042 0.001461 0.0017 8.7178 28 261 2.1368 34.395 2313 5 9.8 5 21.18 0.00024 4.96081 0.0001865 270 130 140 0.0038 0.001461 0.0017 9.1635 28 247 2.3761 38.663 Manometer Reading mm H2O Q th (m 3 /s) Net Force (kg) Volume (ml) Time (s) Q vf ( l/s)
h v (%) Graduated cylinder
Indicator Q f (kW) Q mf (kg/s) Air box Indicator Q va (m 3 /s) Q ma (kg/s) Engine Inlet air (T1) Exhaust gas
(T2)
TD 800PM SINGLE-CYLINDER ENGINE TEST-BED, Mechanical Absorber
n (rpm) t
(N.m) Fuel Consumtion
Air flow rate
A/F ratio Temperatur ( o C)
P (kW)
Tabel 2. Hasil perhitungan data etanol 95,5%
Room temperatur :  29 Engine type : ...................... Tested by : .................. Date : 5/7/2018 Atmospheric pressure :  105,2 kPa Fuel type :  etanol 95,5 Air box / Orifice diameter :    300/15 Opening position of throttle valve :  - Specific gravity : ................... Manometer slope : 1:5 Manometer reading for zero air flow : Left Right Net 3500 0 0 5 10.34 0.00048 9.93772 0.00038685 370 30 340 0.0057 0.002276 0.0027 6.8844 28 320 0 39.818 3321 1 1.96 5 10.97 0.00046 9.367 0.00036463 365 30 335 0.0054 0.002259 0.0026 7.25 29 332 0.6823 41.654 3244 2 3.92 5 11.23 0.00045 9.15013 0.00035619 360 30 330 0.0053 0.002243 0.0026 7.3662 29 334 1.333 42.324 3221 3 5.88 5 11.65 0.00043 8.82026 0.00034335 360 30 330 0.0053 0.002243 0.0026 7.6417 29 337 1.9854 42.626 3147 4 7.84 5 12.06 0.00041 8.5204 0.00033167 360 40 320 0.0051 0.002208 0.0026 7.7899 29 323 2.5863 42.962 2575 5 9.8 5 12.94 0.00039 7.94096 0.00030912 335 55 280 0.0042 0.002066 0.0024 7.8184 29 334 2.6453 49.114 Manometer Reading mm H2O Q th (m 3 /s) Net Force (kg) Volume
(ml) Time (s) Q vf ( l/s) h v (%) Graduated cylinder Indicator Q f (kW) Q mf (kg/s) Air box Indicator Q va (m 3 /s) Q ma (kg/s) Engine Inlet air (T1) Exhaust gas (T2)
TD 800PM SINGLE-CYLINDER ENGINE TEST-BED, Mechanical Absorber
n (rpm) t
(N.m) Fuel Consumtion
Air flow rate
A/F ratio Temperatur ( o C)
P (kW)
Hasil  pengujian  menunjukan  bahwa  effisiensi volumetrik ( v ) menggunakan bahan bakar azeotropk etanol lebh tinggi dari bahan bakar etanol murni. Hal ini  disebabkan  kadar  air  pada  azeotrik  etanol menyebabkan  densitas  bahan  bakar  meningkat, temperatur  penguapan  juga  meningkat.  Operasi mesin  pada  suhu  ruangan  (temperatur  inlet) menyebabkan  lebih  banyak  campuran  bahan  bakar dan  udara  yang  masuk  kedalam  ruang  bakar.  Ikatan hidrogen  pada  atom  O  dan  H  pada  molekul  etanol
dan  air  menyebabkan  molekul  berkelompok  dengan ikatan  yang  kuat.  Dengan  demikian  pada  proses pengkabutan di dalam karburator jarak antar molekul bahan  bakar  menjadi  lebih  rapat  rapat  yang berimplikasi  menempati  ruangan  yang  lebih  sempit sehingga  lebih  banyak  bahan  bakar  yang  masuk  ke ruang  bakar.  Grafik  perbandingan  effisiensi  antara bahan bakar azeotropik etanol dan etanol murni dapat dilihat pada gambar 2.
0 10 20 30 40 50 60 0 2 4 6 h v (% ) Load (kg) 99 95,5
Gambar 2. Perbandingan effisiensi pengisian azeotrik etanol dengan etanol murni
Hasil pegujian terhadap daya mesin menunjukkan daya yang dihasilkan oleh etanol murni lebih rendah dari etanol azeotropik. Walaupun etanol azeotropik  mengandung  sedikit  air  yang  tidak memiliki  nilai  kalor  sehingga  nilai  kalor  etanol azeotropik lebih rendah dari etanol murni tetapi daya yang  dihasilkan  etanol  azeotropik  lebih  besar  dari
etanol murni. Seperti terlihat pada Gambar 3. Hal ini disebabkan lebih banyak bahan bakar yang masuk ke ruang  bakar.  Dengan  lebih  banyaknya  bahan  bakar yang masuk ke ruang bakar berarti kita memasukkan lebih  banyak  energi  sehingga  berakibat  lebah banyaknya daya yang dihasilkan.
Gambar 3. Perbandingan daya yang dihasilkan oleh bahan bakar azeotik dengan bahan bakar etanol murni

## SIMPULAN
Dengan  menggunakan  bahan  bakar  etanol azeotropik  dihasilkan  daya  yang  lebih  besar  dari etanol  murni  pada  beban  yang  sama.  Semakin  besar beban perbedaan daya yang dihasikan semakin besar.
Dengan menggunakan bahan bakar azeotropik effisiensi  pengisian  bahan  bakar  ke  dalam  ruang bakar  semakin  besar.  Perbedaan  effisiensi  tidak dipengruhi oleh beban.
Untuk  memperjelas  keunggulan  dari  etanol azeotropik  agar  dilakukan  pengujian  terhadap kebutuhan  bahan  bakar  spesifik  terhadap  etanol azeotropik dibandingkan dengan etanol murni.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Awad,  Omar  I.,  Mamat,  R.,  Ali  Obed  M.,  Sidik N.A.C.,  Yusaf,  T.,  Kadirgama  K.&  Maurice Kettner. (2018). Alcohol and ether as alternative
fuels  in  spark  ignition  engine. Renewable  and Sustainable Energy Reviews .
[2] Suarta I Made; Baliarta I Nyoman Gede; Rahtika I.P.G. Sopan & Sunu Putu Wijaya . (2017). The Role  of  Hydrogen  Bonds  Of  The  Azeotropic Hydrous  Ethanol  Fuel  Composition  To  The Exhaust Emissions. IOP Conf. Series: Journal of Physics : Conf. Series 953
[3]  Sathaporn  Chuepeng;  Sudecha  Srisuwan  & Manida  Tongroon.  (2016)  Lean  hydrous  and anhydrous  bioethanol  combustion  in  spark ignition  engine  at  idle.  Energy  Conversion  and Management 128 (2016) 1–11
[4]  Suarta  I  Made;  Wardana  I.  N.  G.;  Hamidi Nurkholis & Wijayanti Widya. (2016) The Role of  Molecule  Clustering  by  Hydrogen  Bond  in Hydrous  Ethanol  on  Laminar  Burning  Velocity. Journal  of  Combustion. Article  ID  5127682,  9 pages. http://dx.doi.org/10.1155/2016/5127682
[5]  Fagundez  J.L.S.;  Sari  R.L.;  Mayer  F.D.;  Martins M.E.S.& Salau N.P.G. (2016). Determination of optimal  wet  ethanol  composition  as  a  fuel  in spark ignition engine. Applied Thermal Engineering
http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016. 10.099
[6] Thompson Diórdinis Metzka Lanzanova; Macklini  Dalla  Nora  &  Hua  Zhao.  (2016) Performance  and  economic  analysis  of  a  direct injection  spark  ignition  engine  fueled  with  wet ethanol. Applied Energy 169 (2016) 230–239 [7] Breaux Baine B.& Sumanta Acharya. (2013). The effect  of  elevated  water  content  on  swirl- stabilized  ethanol/air  flames. Fuel 105  (2013) 90–102.
[8]  Yusri  I.M.;  Mamat  R.;  Najafi  G.;  Razman  A.; Awad  Omar  I.;  Azmi  W.H.;  Ishak  W.F.W.& Shaiful A.I.M. (2017). Alcohol based automotive fuels  from  first  four  alcohol  family  in compression and spark ignition engine: A review on  engine  performance  and  exhaust  emissions. Renewable  and  Sustainable  Energy  Reviews 77 (2017) 169–181
[9]  Morganti  Kai;  Almansour  Mohammed;  Khan Ahmad;  Kalghatgi  Gautam  &  Przesmitzki Steven.  (2018).  Leveraging  the  benefits  of ethanol in advanced engine-fuel systems. Energy Conversion  and  Management 157  (2018)  480– 497
[10]  Schifter  I.;  Diaz  L.;  Gómez  J.P.&  Gonzalez U.(2013).  Combustion  characterization  in  a single  cylinder  engine  with  mid-levels  hydrated ethanol–gasoline blended  fuels. Fuel 103 (2013) 292–298
[11]  Suarta  I  Made;  Wardana  I.  N.  G.;  Hamidi Nurkholis & Wijayanti Widya. (2016). The Role of  Hydrogen  Bonding  on  Laminar  Burning Velocity  of  Hydrous  and  Anhydrous  Ethanol Fuel with Small Addition of n-Heptane. Journal of  Combustion
Volume  2016,  Article  ID 9093428, 8 pages http://dx.doi.org/10.1155/2016/9093428
[12]  Munsin  R.;Laoonual  Y.;  Jugjai  S.;,  Imai  Y. (2016).  An  experimental  study  on  performance and emissions of a small SI engine generator set fuelled  by  hydrous  ethanol  with  high  water contents up to 40%. Fuel 106 (2013) 586–592