LAPORAN AKHIR

HIBAH KLUSTERISASI PENELITIAN

PENGARUH GEOMETRI ASAM LEMAK PADA MINYAK SAWIT TERHADAP

KARAKTERISTIK PEMBAKARAN DROPLET

PENGUSUL

NAMA DOSEN NIDN/NIP

Dr. Ena Marlina, S.T., M.T. 0717037603/131703197632216

Mochammad Basjir, S.T., M.T. 0722047507/15224197532132

LEMBAGA PENELITIAN DAN PENGABDIAN KEPADA MASYARAKAT

UNIVERSITAS ISLAM MALANG

2020

ii

IDENTITAS DAN URAIAN UMUM

Judul Penelitian : Pengaruh Geometri Asam Lemak Pada Minyak Sawit terhadap

Karakteristik Pembakaran Droplet

Tim Pelaksana

No Nama Jabatan Bidang

Keahlian

Instansi

Asal

Alokasi

Waktu

(jam/mg)

1 Dr. Ena Marlina, S.T., M.T

Ketua Konversi

Energi

UNISMA

2 Mochammad Basjir, S.T.,

M.T

Anggota Manufaktur UNISMA

1. Objek Penelitian

Minyak Nabati (Crude Sun Flower Oils)/ minyak biji matahari

2. Masa Pelaksanaan

Mulai : Agustus Tahun: 2019

Berakhir : Juli Tahun: 2020

3. Usulan Biaya : Rp. 14.000.000,-

4. Lokasi Penelitian : Universitas Islam Malang

5. Instansi lain yang terlibat :

6. Temuan yang ditargetkan : Bahan Bakar alternatif untuk Biodiesel

7. Kontribusi mendasar pada suatu bidang ilmu : Bahan Bakar dan Pembakaran

8. Rencana luaran HKI, buku, purwarupa atau luaran lain yang ditargetkan:

Jurnal Nasional terindeks SINTA, IPI, DOAJ, CABI, COPERNICUS, Google Scholer,

Garuda

iii

DAFTAR ISI

HALAMAN PENGESAHAN ........................................................................................ i

IDENTITAS DAN URAIAN UMUM............................................................................ ii

DAFTAR ISI ................................................................................................................... iii

RINGKASAN ................................................................................................................. iv

BAB 1. PENDAHULUAN .......................................................................................... 1

1.1.Latar Belakang ......................................................................................... 1

1.2. Rumusan Masalah ................................................................................... 2

1.3. Batasan Masalah ...................................................................................... 2

1.3.Tujuan dan kegunaan................................................................................ 2

1.4. Target Capaian

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................. 4

2.1. Penelitian Sebelumnya ............................................................................ 4

2.2. Landasan Teori ........................................................................................ 5

2.2.1 Minyak Nabati ................................................................................ 7

2.2.2 Minyak Sawit ................................................................................. 7

2.2.3 Polaritas Minyak Nabati ................................................................. 7

2.2.4 Penelitian Droplet Minyak Nabati .................................................. 7

2.2.5 Droplet ............................................................................................ 7

2.3. Kerangka Berpikir ................................................................................... 8

BAB 3. METODE PENELITIAN .................................................................................. 12

3.1 Metode Penelitian ..................................................................................... 12

3.2 Rancangan Penelitian ............................................................................... 12

3.3 Alat, Bahan dan instalasi penelitian ......................................................... 12

3.4 Bagan Penelitian ....................................................................................... 13

BAB 4. HASIL DAN ANALISA DATA ...................................................................... 14

4.1 Uji Propertis ................................................................................................ 14

4.2 Karakteristik Pembakaran ........................................................................... 17

BAB 5. KESIMPULAN................................................................................................. 21

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN 1. Luaran

LAMPIRAN 1I. Laporan Keuangan

iv

RINGKASAN

Penggunaan minyak nabati sebagai bahan bakar alternatif biodiesel dewasa ini telah

banyak dilakukan, tetapi minyak nabati mempunyai keterbatasan salah satunya yaitu

mempunyai viskositas yang tinggi karena minyak nabati memiliki rantai hidrokarbon yang

panjang dan kandungan trigliserida yang tak jenuh, sehingga mengakibatkan penguapan

rendah. Sifat kimia dan fisik minyak nabati sangat dipengaruhi oleh komposisi asam lemak

penyusunnya. Trigliserida minyak nabati tersusun dari rantai karbon asam lemak yang

berbeda-beda, sehingga peran polaritas dan geometri asam lemak minyak nabati pada

karakteristik pembakaran akan berbeda pula.

Penelitian ini mengamati pengaruh geometri asam lemak pada minyak sawit terhadap

karakteristik pembakaran. Metode pengujian menggunakan single droplet yaitu suatu metode

analisa yang sederhana dan murah, untuk mengetahui karakteristik bahan bakar berdasar

properties yang dimiliki bahan bakar.

Kata kunci : minyak nabati (vegetable oil), minyak sawit, karakteristik pembakaran ,

pembakaran single droplet.

1

BAB I.

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Minyak nabati tersusun oleh trigliserida yang terdiri dari tiga asam lemak yang digabung

oleh gliserol. Asam lemak ini mengandung rantai karbon panjang, dihubungkan dengan satu

ikatan, dikombinasikan dengan hidrogen dan diakhiri dengan group karboksil (Blin et.al., 2013).

Berdasarkan kejenuhan asam lemak dibedakan menjadi tiga golongan, yaitu asam lemak jenuh

rantai pendek, asam lemak jenuh medium dan asam lemak jenuh rantai panjang. Sifat-sifat fisik

dan kimia minyak nabati sangat dipengaruhi oleh komposisi asam lemak di dalamnya. Tingkat

kejenuhan menyebabkan minyak nabati bersifat polar (Meher et al., 2013).

Untuk mengamati karakteristik pembakaran pada percampuran bahan bakar dilakukan

dengan uji single droplet. Hoxie., (2014) Untuk dapat mengetahui karakteristik pembakaran

berdasarkan propertis, single droplet adalah salah satu cara metode analisa atraktif. Wardana.,

(2010) melakukan penelitian tentang karakteristik pembakaran minyak nabati dengan melakukan

pengujian droplet dalam berbagai diameter pada minyak jarak yang diberi perlakuan pemanasan

awal berkisar antara 25-80 oC. Pemanasan awal minyak jarak menurunkan viskositas dan

menaikkan kemungkinan terjadinya microexplosion tanpa mengubah paramater pembakaran

seperti ignition delay dan laju pembakaran.

Dilihat dari latar belakang dan penelitian-penelitian sebelumnya dan untuk melengkapi

beberapa penelitian terdahulu, maka perlu adanya penelitian tentang pengaruh geometri asam

lemak pada minyak biji matahari terhadap karakteristik pembakaran, dengan menggunakan

penelitian droplet. karakteristik pembakaran yang diamati mulai dari mengamati pola api,

microexplosion, ignition delay, laju pembakaran serta pertumbuhan gelembung.

1.2. Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang diatas, maka dapat dirumuskan permasalahan sebagai berikut

1. Bagaimana pengaruh geometri asam lemak pada minyak sawit terhadap properties fisik

bahan bakar dan karakteristik pembakaran ?

2

1.3.Tujuan dan Kegunaan

Berdasarkan rumusan masalah penelitian, maka ditetapkan tujuan dan kegunaan yang

akan dicapai dari penelitian ini adalah:

1. Mengungkapkan pengaruh geometri asam lemak penyusun minyak sawit terhadap

karakteristik pembakaran droplet minyak biji matahari.

2. Mengungkap salah satu jenis minyak nabati yang bisa dijadikan bahan bakar biodiesel

yang ramah lingkungan.

1.4.Target Luaran

Tabel 1. Rencana Target Capaian

Luaran Penelitian

1. Target luaran

a. Publikasi pada jurnal Nasional

2. HKI

3

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Penelitian Sebelumnya

Minyak nabati tersusun oleh trigliserida yang terdiri dari tiga asam lemak yang digabung

oleh gliserol. Asam lemak ini mengandung rantai karbon panjang, dihubungkan dengan satu

ikatan, dikombinasikan dengan hidrogen dan diakhiri dengan grup karboksil (Blin et al., 2013).

Minyak nabati memiliki molekul oksigen pada struktur kimia sehingga memudahkan dalam

proses pembakaran. Rantai panjang alkil pada asam lemak menyebabkan minyak cocok untuk

pembakaran dengan sistem penyalaan kompresi (Hellier et al., 2015). Minyak nabati terdiri dari

trigliserida (90-98%) dan sejumlah kecil mono dan digliserida. Struktur molekul asam lemak

trigliserida memiliki panjang rantai karbon dan jumlah ikatan rangkap yang bervariasi (Agarwal

et al., 2017). Panjang rantai asam lemak dan kadar kejenuhan adalah yang penting dari

komposisi asam lemak dalam menentukan sifat bahan bakar (Ramirez, et al., 2015). Keberadaan

ikatan rangkap karbon pada rantai alkyl asam lemak minyak nabati mempunyai pengaruh negatif

pada ignition, karena tiap ikatan rangkap karbon mereduksi cetana dengan jumlah yang

signifikan (Westbrook et al., 2013). Berdasarkan kejenuhan asam lemak dibedakan menjadi tiga

golongan, yaitu asam lemak jenuh rantai pendek, asam lemak jenuh rantai medium dan asam

lemak jenuh rantai panjang. Knothe, 2014 menyatakan bahwa ikatan rangkap karbon memiliki

dampak yang sangat kecil terhadap ignition bahan bakar minyak nabati. Sifat-sifat fisik dan

kimia minyak nabati sangat dipengaruhi oleh komposisi asam lemak di dalamnya. Semakin

panjang rantai hidrokarbon, maka angka cetane semakin meningkat, semakin banyak ikatan

rangkap pada suatu rantai hidrokarbon maka angka cetane semakin kecil. Semakin tidak jenuh

suatu rantai karbon, maka angka cetane semakin rendah (Knothe et al., 2003). Tingkat kejenuhan

menyebabkan minyak nabati bersifat polar (Meher et al., 2013). Monounsaturated fatty acid

merupakan asam lemak yang mengandung satu ikatan rangkap pada rantai hidrokarbonnya.

Ikatan rangkap pada rantai hidrokarbon akan memudahkan reaksi dengan oksigen. Saturated

fatty acid adalah asam lemak ikatan tunggal pada rantai hidrokarbonnya. Asam lemak jenuh

mempunyai sifat lebih stabil atau sulit untuk bereaksi. Polyunsaturated merupakan asam lemak

yang mengandung lebih dari satu ikatan rangkap pada rantai hidrokarbonnya. Asam lemak

monounsaturated didominasi non-polar, sedangkan saturated dan polyunsaturated didominasi

asam lemak polar ( J. Parcerisa et al., 1998). Asam lemak tak jenuh pada minyak nabati jarak

4

berkisar antara 77-83%, sisanya asam lemak jenuh dengan komponen terbanyaknya yaitu asam

palmitat dan asam stearat (Meher et al., 2013). Komposisi asam lemak mempengaruhi persentasi

massa yang berbeda pada minyak nabati (M Plank et al., 2017). Rantai panjang pada biodiesel

yang memiliki banyak ikatan rangkap tak jenuh menyebabkan tegangan permukaan menjadi

tinggi, sehingga menghambat terbentuknya droplet dan menyebabkan laju penguapan pada

droplet menjadi lambat dan proses atomisasi menjadi tidak efisien (M. Hajbaebai et al., 2014).

Tingkat penguapan pada bahan bakar dipengaruhi oleh komponen asam lemak dan jumlah rantai

rangkap karbon. Volatilitas rendah jika asam lemak memiliki rantai karbon yang panjang, tetapi

volatilitas naik apabila asam lemak memiliki rantai rangkap karbon yang banyak (Carareto et al.,

2012).

Penelitian tentang karakteristik pembakaran minyak nabati dilakukan oleh Wardana

(2010) dengan melakukan pengujian droplet dalam berbagai diameter pada minyak jarak yang

diberi perlakuan pemanasan awal berkisar antara 25-80 oC. Pemanasan awal minyak jarak

menurunkan viskositas dan menaikkan kemungkinan terjadinya microexplosion tanpa mengubah

paramater pembakaran seperti ignition delay dan laju pembakaran. Pada penelitian ini, terjadi

penguapan secara dua tahap karena adanya pemecahan dua komponen yaitu asam lemak dan

gliserol. Densitas dan viskositas pada asam lemak lebih rendah dari pada gliserol sehingga asam

lemak terbakar pada tahap awal dan disusul oleh gliserol pada tahap kedua. Hasil penelitian

menunjukkan bahwa pemanasan awal minyak jarak berpengaruh terhadap proses microexplosion

dan bentuk api. Pada suhu tinggi pemanasan minyak jarak, microexplosion terjadi pada api saat

berbentuk runcing memanjang seperti paku, sedangkan microexplosion minyak jarak pada

pemanasan suhu rendah ditandai dengan api yang pendek melebar dan berbentuk seperti jamur.

Dari perubahan diameter disimpulkan bahwa semakin besar ukuran diameter droplet, maka

microexplosion lebih cepat terjadi.

Hoxie (2014) untuk dapat mengetahui karakteristik pembakaran berdasarkan propertis,

single droplet adalah salah satu cara metode analisa atraktif. Wardana (2010) melakukan

penelitian tentang karakteristik pembakaran minyak nabati dengan melakukan pengujian droplet

dalam berbagai diameter pada minyak jarak yang diberi perlakuan pemanasan awal berkisar

antara 25-80oC. Pemanasan awal minyak jarak menurunkan viskositas dan menaikkan

kemungkinan terjadinya microexplosion tanpa mengubah paramater pembakaran seperti ignition

delay dan laju pembakaran.

5

2.2 Landasan Teori

2.2.1 Minyak Nabati

Minyak nabati umumnya memiliki komposisi utama yaitu senyawa gliserida dan asam

lemak dengan rantai karbon yang panjang. Asam lemak merupakan asam karboksilat yang

diperoleh dari hidrolisis suatu lemak atau minyak dan pada umumnya memiliki rantai karbon

yang panjang dan tidak bercabang. Minyak nabati yang ada kebanyakan mengandung 90-98%

trigliserida, yaitu tiga molekul asam lemak yang terikat pada gliserol (gambar 2.3). Semakin

panjang rantai atom C asam lemak, maka titik cair akan semakin tinggi dan semakin sulit untuk

terbakar. Sedangkan asam lemak yang sering ditemukan pada minyak nabati adalah asam stereat,

palmitat, oleat, linoleat dan linolenat.(Wijayanti,. 2008).

Gambar 2.1. Susunan molekul trigliserida

Asam lemak yang terkandung dalam minyak nabati berbeda tergantung darimana sumber

tanaman yang menghasilkan minyak. Perbedaan yang dimaksud adalah dalam jumlah

konsentrasi asam lemak jenuh dan asam lemak tidak jenuh, serta dari jumlah persentase asam

lemak yang terkandung di dalamnya.

2.2.2 Minyak Sawit

Minyak kelapa sawit mengandung asam lemak jenuh dan asam lemak tidak jenuh dengan

prosentase yang hampir sama. Asam lemak yang pada rantai hidrokarbonnya terdapat ikatan

rangkap disebut asam lemak tidak jenuh, dan apabila tidak terdapat ikatan rangkap pada rantai

hidrokarbonnya disebut asam lemak jenuh. Asam palmitat (C16H32O2) dan asam oleat (C18H34O2)

merupakan asam lemak yang dominan terkandung dalam minyak sawit, sedangkan kandungan

asam lemak linoleat (C18H32O2) dan asam stearat (C18H36O2) sedikit (Simeh MA, 2004).

6

Asam Palmitat merupakan asam lemak jenuh rantai panjang yang memiliki titik cair

(melting point) yang tinggi yaitu 64oC. Kandungan asam palmitat (C16H32O2) yang tinggi ini

membuat minyak sawit lebih tahan terhadap oksidasi ( ketengikan) dibanding dengan jenih

minyak lain. Asam oleat (C18H34O2) merupakan asam lemak tidak jenuh rantai panjang dengan

panjang rantai C18 dan memiliki satu ingkatan rangkap. Titik cair asam oleat (C18H34O2) lebih

rendah dibanding asaam palmitat yaitu 14o C (Belitz HD et al., 2004).

Kelapa sawit termasuk tanaman tropis yang berbuah sepanjang tahun, memiliki kapasitas

produksi yang tinggi, penggunaan pupuk yang rendah, tetapi banyak dalam penggunaan air dan

pestisida. Minyak sawit dihasilkan dari bagian mesocarp dan kernel (endosperm). Kandungan

minyak pada bagian mesocarp sebanyak 49%, sedangkan pada bagian kernel sebanyak 50% (HC

Ong et al., 2011). Minyak sawit adalah bahan bakar yang mengandung oksigen dengan kadar

tinggi (highly oxygenated fuel). Pembakaran dari minyak sawit dapat mengurangi emisi polusi

seperti total hidrokarbon, karbon monoksida, sulfur oksida, dan polycylic aromatic hidrokarbon

(Yusaf, 2011). Adapun properties dari minyak kelapa sawit seperti tabel 2.6 dibawah ini.

Tabel 2.2 Komposisi asam lemak pada minyak kelapa (Sandford, 2009)

Properties Nilai

Nilai Kalor 40.14

Viskositas kinematik 45

Densitas 0.86

Flash point 193

Cetane number 49

Kandungan Sulfur 0.04

2.2.3 Polaritas Minyak Nabati

Karakteristik polar dan non-polar dari senyawa trigliserida, jumlah massa molekul dan

ketidakstabilan ikatan rantai karbon adalah sebagai penyebabnya. CCO ( Crude Coconut Oils)

termasuk saturated fatty acid dan CSFO (Crude Sun Flower Oils) termasuk monounsaturated

fatty acid, keduanya di dominasi asam lemak polar. Sedangkan CJO (Crude Jatropha Oils) dan

CPO ( Crude Palm Oils) termasuk polyunsaturated fatty acid, keduanya didominasi asam lemak

non polar. Beberapa minyak nabati CCO, CSFO dan CJO pernah di bahas oleh (Javier et al.,

1997) dengan pembahasan yang berbeda.

7

Rantai karbon yang semakin panjang membuat asam lemak semakin sukar untuk larut,

maka minyak tersebut semakin polar. Asam lemak tak jenuh lebih mudah larut dalam pelarut

organik dari pada asam lemak jenuh dengan panjang atom karbon yang sama (Keteren, 1986).

Sifat fisik trigliserida ditentukan oleh komposisi dan struktur kimia dari asam lemak yang

membentuknya. Dalam kimia polaritas adalah pemisahan muatan listrik yang mengarah kepada

molekul atau gugus kimia yang memiliki momen listrik dipol atau multipol (Raymond, 2005).

Molekul polar berinteraksi melalui gaya antar molekul dipol-dipol dan ikatan hidrogen. Polaritas

mendasari sejumlah sifat fisik termasuk tegangan permukaan, kelarutan, serta titik leleh dan titik

didih (Nordstrom, 1984). Molekul polar dengan dua atau lebih ikatan kutub harus memiliki

geometri asimetris sehingga momen ikatan tidak saling meniadakan (Huggins, 1937). Ikatan

polar lebih tepat disebut ikatan ionik, dan terjadi ketika perbedaan antara elektronegativitas

cukup besar sehingga satu atom benar-benar mengambil elektron dari yang lain. Istilah polar dan

non polar diterapkan pada ikatan kovalen. Polaritas ikatan dikelompokkan berdasarkan

perbedaan elektronegativitas antara kedua atom yang berikatan. Menurut skala pauling ikatan

non polar umumnya terjadi ketika perbedaan elektronegativitas antara kedua atom kurang dari

0,5. Ikatan polar terjadi ketika perbedaan elektronegativitas antara kedua atom kira-kira antara

0,5 dan 2,0, ikatan ionik umumnya terjadi ketika perbedaan elektronegativitas antara duaom

lebih besar dari 2,0. Pauling mendasarkan skema klasifikasi ini pada karakter ionik parsial dari

sebuah ikatan, yang merupakan fungsi perkiraan dari perbedaan elektronegativitas antara kedua

atom yang berikatan. Diperkirakan bahwa selisih 1,7 sesuai dengan karakter ion 50%, sehingga

perbedaan yang lebih besar sesuai dengan ikatan yang sebagian besar bersifat ionik (Pauling,

1960).

2.2.4 Penelitian Droplet Minyak Nabati

Penelitian tentang karakteristik pembakaran minyak nabati dilakukan oleh Wardana

(2010) dengan melakukan pengujian droplet dalam berbagai diameter pada minyak jarak yang

diberi perlakuan pemanasan awal berkisar antara 25-80 oC. Pemanasan awal minyak jarak

menurunkan viskositas dan menaikkan kemungkinan terjadinya microexplosion tanpa mengubah

paramater pembakaran seperti ignition delay dan laju pembakaran. Pada penelitian ini, terjadi

penguapan secara dua tahap karena adanya pemecahan dua komponen yaitu asam lemak dan

gliserol. Densitas dan viskositas pada asam lemak lebih rendah daripada gliserol sehingga asam

lemak terbakar pada tahap awal dan disusul oleh gliserol pada tahap kedua. Hasil penelitian

8

menunjukkan bahwa pemanasan awal minyak jarak berpengaruh terhadap proses microexplosion

dan bentuk api. Pada suhu tinggi pemanasan minyak jarak, microexplosion terjadi pada api saat

berbentuk runcing memanjang seperti paku, sedangkan microexplosion minyak jarak pada

pemanasan suhu rendah ditandai dengan api yang pendek melebar dan berbentuk seperti jamur.

Dari perubahan diameter disimpulkan bahwa semakin besar ukuran diameter droplet, maka

microexplosion lebih cepat terjadi.

Hoxie, et al. (2014) meneliti tentang karakteristik droplet pada campuran minyak kedelai-

butanol (SBO-Bu) pada variasi butanol sebesar 25, 40, 50, 75 dan 99 %. Pada campuran SBO-

Bu75, terjadi penguapan yang rendah pada SBO sehingga menyebabkan api mengecil saat

temperatur permukaan meningkat. Microexplosion paling banyak terjadi pada campuran butanol

sebanyak 40%.Microexplosionakan sering terjadi saat prosentase dari minyak kedelai lebih

banyak daripada prosentase butanol. Perbedaan tingkat penguapan, ukuran droplet dan

konsentrasi menjadi faktor terjadinya microexplosion.

2.2.5 Droplet

Bahan bakar masuk kedalam ruang bakar dalam bentuk spray yang tersusun atas banyak

droplet melalui injektor atau nosel. Spray bahan bakar menjadi efisien apabila terjadi penguapan

yang baik pada droplet. Droplet yang berasal dari spray nozzle memiliki ukuran diameter yang

berbeda. Diameter droplet memiliki pengaruh terhadap laju penguapan bahan bakar. Semakin

kecil diameter droplet, maka akumulasi penguapan bahan bakar semakin meningkat dan proses

difusi menjadi lebih cepat (Awasthi, et al. 2013). Kim, et al. (2014) dalam penelitiannya

menyatakan bahwa semakin kecil ukuran droplet maka volume menjadi turun, temperatur

droplet semakin cepat naik dan laju penguapan semakin besar. Berdasarkan hukum Spalding, d2,

perubahan ukuran diameter droplet tidak berpengaruh terhadap laju pembakaran (Jackson &

Avedisian, 1994; Bae & Avedisian, 2007; Wardana, 2010). Hara & Kumagai (1994) melakukan

penelitian droplet dengan diameter 70 µm dan menyatakan bahwa ukuran diameter droplet kecil

dapat membentuk nyala api bulat (spherical) pada kondisi normal gravity (suhu pada temperatur

ruang dan tekanan atmosfer). Jackson & Avedisian (1994) mendefinisikan diameter droplet kecil

adalah diameter dengan ukuran dibawah 1 mm. Istilah diameter kecil droplet pada penelitian Bae

& Avedisian (2007) adalah antara 0.4 mm hingga 0.8 mm.

9

Single droplet adalah suatu metode analisa untuk mengetahui karakteristik bahan bakar

berdasar properties yang dimiliki bahan bakar (Hoxie, et.al, 2014). Sifat Pembakaran droplet

sangat mungkin dipengaruhi oleh properties bahan bakar seperti volatilitas, reaktifitas dan

struktur molekul. Struktur molekul bahan bakar mengacu pada panjang dan derajat

ketidakjenuhan dari rantai karbon, yaitu ikatan rangkap dua dan tiga (Aggarwal, 2014).

Pembakaran droplet merupakan pembakaran difusi, hal ini dikarenakan pencampuran

bahan bakar dengan oksidator terjadi setelah droplet terbakar. Ketika droplet dipanaskan, maka

akan terjadi evaporasi dimana uap bahan bakar akan berdifusi dengan oksidator menuju flame

front. Sehingga api akan terbentuk pada jarak tertentu dari permukaan droplet(gambar 2.5).

Bentuk api akan dipengaruhi oleh kondisi gravitasi di sekitar droplet. Pada kondisi gravitasi yang

rendah atau microgravity, api akan berbentuk lingkaran yang disebabkan oleh tidak adanya gaya

apung. Namun pada keadaan gravitasi normal, api akan berbentuk memanjang keatas

dikarenakan efek dari konveksi alami.

10

2.3 Kerangka Berpikir

Berdasarkan roadmap diatas, belum ada penelitian yang meneliti minyak nabati di tinjau

dari peran geometri asam lemak yang menyusun minyak nabati, khususnya minyak biji matahari.

Minyak Nabati (minyak Sawit)

UJI GCMS

UJI DROPLET

SIMULASI

HYPERCHAM

KARAKTERISTIK PEMBAKARAN

1. Ignition delay

2. Burnig rate

3. Visualisasi gelembung

Temperatur

Energi Kinetik

SELESAI

MULAI

11

BAB 3.

METODE PENELITIAN

3.1 Metode Penelitian

Penelitian yang dilakukan adalah penelitian eksperimental (true experimental research).

Dengan mengamati karakteristik pembakaran ignition delay, burning rate, visualisasi droplet dan

visualisasi api.

3.2 Rancangan Penelitian

Penelitian yang dilakukan yaitu mengamati hasil campuran minyak kayu putih dan minyak

nabati dengan pengujian properties dan pengujian single droplet untuk analisa pembakaran dan

fenomena gelembung.

1. Variable bebas

Variabel bebasnya adalah minyak nabati (minyak sawit).

2. Variable terikat

Variabel terikatnya adalah karakteristik pembakaran single droplet. Pengujian

karakteristik pembakaran menggunakan single droplet dilakukan untuk mengamati

perubahan pertumbuhan gelembung didalam droplet, diameter droplet akibat adanya

pemanasan dan pembakaran, panjang dan lebar api, besarnya burning rate, dan ignition

delay.

3.3 Alat, bahan dan instalasi penelitian

Bahan penelitian yang berupa minyak biji matahari yang didapatkan dari proses ekstraksi

biji matahari dengan menggunakan mesin screw press. Metode pengujian droplet menggunakan

suspended droplet dimana satu droplet berukuran 1 mm diletakkan pada ujung termokopel

kemudian dipanaskan hingga terbakar menggunakan heater yang berjarak 3 mm dari droplet.

Termokopel yang digunakan adalah tipe K dengan diameter 0.1 mm. Heater (Pemanas) yang

dipakai adalah koil listrik berupa lilitan logam dengan panjang 40 mm dan tahanan 1.02 ohm,

berbahan Ni-Cr dan memiliki diameter 0.9 mm. Sumber energi dari pemanas adalah arus bolak

balik 220 volt diubah menjadi arus searah 12 volt menggunakan trafo stepdown dengan arus 8

12

ampere, hambatan 8 ohm, dan daya 50 watt. Suhu api diukur menggunakan termokopel yang

dihubungkan dengan datalogger dimana pembacaannya menggunakan program excel pada

komputer. Adapun skema instalasi penelitian dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Gambar 3.1. Instalasi Penelitian

3.4 Bagan Penelitian

Pada bagan penelitian dijelaskan mengenai variabel bebas yang diambil dan macam

pengujian yang dilakukan. Beberapa pengujian dilakukan di instansi luar kampus seperti

Universitas Gajah Mada dan Universitas Brawijaya.

Keterangan :

1. Data longger

2. Laptop

3. Kamera

4. Thermokopel

5. Heater

13

Gambar 3.2 Bagan Penelitian

Start

Variabel

penelitian 1. Minyak sawit

Macam

Pengujian

Karakteristik

pembakaran

Dimensi

droplet

Dimensi

api

1. Panjang api

2. Lebar api

3. Ignition delay

4. Burning rate

1. Penyusutan

droplet

2. Fenomena

gelembung

dalam

droplet

1. Lab. Riset

2. Teknik Mesin

3. Unibraw

1. LPPT UGM dan Brawijaya

1. Densitas

2. Viskositas

3. Flash point

Propertis

minyak

Simulasi dengan program HyperChem

14

BAB IV. HASIL DAN ANALISA DATA

Hasil riset dan analisisnya disajikan dalam paparan berikut. Tahap riset awal dimulai dari

asumsi bahwa minyak kayu putih (melaleuca leucadendra) yang mengandung 59,05% 1-8

sineol merupakan salah satu minyak atsiri yang bersifat mudah menguap yang memiliki rumus

C10H18O adalah ester siklik alami dari anggota monoterpen, dan sebagai oxygeneted fuel karena

sineol memiliki atom oksigen, sehingga minyak kayu putih (melaleuca leucadendra) bisa

sebagai campuran minyak nabati yang akan membantu menurunkan nilai viskositas minyak

nabati sehingga minyak nabati dapat diaplikasikan pada mesin diesel.

Untuk mendapatkan nilai viskositas nabati yang lebih rendah maka dilakukan

pencampuran minyak sawit dengan minyak kayu putih (melaleuca leucadendra) dengan

prosentase campuran 5, 10 dan 15 %. Variasi prosentase dilakukan untuk mengetahui

prosentase campuran yang paling efisien.

Untuk membuktikan asumsi dasar ini dilakukan beberapa pengujian secara mikro dan

makro, melalui proses kimia dan fisika. Uji mikro secara kimia dengan properties dan GCMS.

Uji makro melalui pengujian single droplet dengan variabel terukur, properties dan

karakteristik pembakaran.

4.1 Hasil Uji Properties

Telah dilakukan penelitian awal untuk mendapatkan sifat fisik dan kimia dari beberapa

campuran minyak nabati dan minyak kayu putih seperti pada table dibawah ini :

Table 4.1. Kandungan asam lemak minyak sawit

Komposisi

Kimia

Cn:db Formula Struktur Kandungan%

CPO

Massa Molekular,

g/mole

Palmitic 16:0 C16H32O2 CH3(CH2)14COOH 40-47 256.4241

Palmitioleic 16:1 C16H30O2 CH3(CH2)5CH-CH(CH2)7COOH 0-0.6 254,4042

Stearic 18:0 C18H36O2 CH3(CH2)16COOH 3-6 284,4772

Oleic 18:1 C18H34O2 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH 36-44 282,4614

Linoleic 18:2 C18H32O2 CH3(CH2)4CH=CH(CH2)CH(CH2)7COOH 6-12 280.4455

Linolenic 18:3 C18H30O2 CH3(CH2)(CH=(CH2)3(CH2)6COOH 0-0.5 278.4296

15

Tabel 4.2. Tabel properties bahan bakar

Properties Eucalyptus

Viscosity at 400 (cSt) 2,197 mm2/s

Flash point (oC) 490C (1200F) Close up

Densitas pada 150C (gr/ml) 154,253 g/mol

Gambar 4.1 Grafik perbandingan viskositas Crude Palm Oil dan Crude Eucalyptus Oil

CPO memiliki viskositas yang tinggi yaitu 48.7 mm2/s, karena CPO termasuk ke dalam

kelompok asam lemak jenuh monounsaturated karena mengandung asam palmitat (C16H32O2)

sebesar 40-47%. (Marlina, 2020). CPO juga memiliki asam oleat ( C18H34O2) sebesar 36-44%

(Misra & Murthy, 2011) merupakan asam lemak tidak jenuh rantai panjang dengan panjang

rantai C18 dan memiliki satu ikatan rangkap, dimana kehadiran satu ikatan rangkap karbon

menjadi salah satu penyebab viskositas meningkat (Rodrigues et al, 2006).

CEO memiliki nilai viskositas yaitu 2.197 mm2/s, dan berada dibawah range viskositas solar

yaitu antara 2.2-5.3 mm2/s, adapun nilai viskositas kinematik dari campuran CPO–CEO lebih

rendah dari pada CPO. Gambar 4.1 terlihat penurunan viskositas terjadi dikarenakan

penambahan CEO. Semakin besar prosentase penambahan CEO maka viskositas akan semakin

menurun. Hal ini terjadi karena adanya pencampuran antara CPO dan CEO, sehingga ketika

16

terjadi pencampuran kedua molekul mengalami gaya tarik antar molekul, sehingga terjadi

pergerakan molekul yang lebih aktif pada campuran CPO-CEO jika dibandingkan dengan CPO

murni. Keaktifan pergerakan molekul secara bersama-sama ini menyebabkan ikatan antar

molekul menjadi lemah, viskositas menjadi turun dan campuran menjadi lebih encer. Pada CPO

murni yang bersifat kurang polar, terjadi gaya tarik antar molekul akibat adanya dipol sesaat dan

dipol terimbas. Pergerakan molekul tersebut sangat lambat. Saat ditambahkan CEO yang bersifat

lebih polar, maka waktu terbentuknya dipol sesaat dan dipol terimbas menjadi lebih sering,

sehingga gaya antar molekulnya menjadi lebih aktif, ini menyebabkan viskositas menjadi turun,

disebabkan melemahnya ikatan van der walls.

Flash Point

Gambar 4.2 Grafik perbandingan flash point Crude Palm Oil dan Crude Eucalyptus Oil

Minyak nabati memiliki flash point yang tinggi disebabkan karena berat molekul,

panjang rantai karbon pada asam lemak (Kashavars, 2011; Carareto, 2012). CPO memiliki nilai

flash point yang tinggi karena CPO memiliki asam lemak bebas yang tinggi, bisa dilihat pada

angka asamnya (SN), yaitu 0,53 mg KOH/gr (hasil uji lab). CPO memiliki nilai SN yang kecil,

maka semakin tinggi massa molekul minyak, karena semakin panjang rantai molekul minyak.

17

Percampuran CEO dan CPO mampu menurunkan flash point, terlihat pada gambar 4.2,

semakin bertambahnya prosentase CEO maka flash point akan mengalami penurunan. Senyawa

aromatis pada CEO menjadi faktor utama yang membantu nilai flash point CPO menjadi turun,

senyawa aromatis pada molekul trigliserida menyebabkan ikatan antar molekul menjadi lemah

(Kadarohman, 2003), karena momen-momen ikatan yang ada saling meniadakan. Perbedaan

kepolaran menyebabkan perbedaan titik lebur dan titik didih senyawa. (Effendi, 2017). Pada saat

terjadinya proses penguapan, molekul dengan mudah mencapai permukaan campuran bahan

bakar dan berubah fase dari cairan menuju uap dan kemudian terbakar. Semakin rendah suhu

flash point maka semakin mudah bahan bakar menguap dan terbakar. Penambahan CEO

mengakibatkan viskositas CPO menurun, karena keaktifan molekul pada CPO, sehingga CPO

menjadi lebih mudah terbakar.

4.2 Karakteristik Pembakaran

Pengaruh Penambahan CEO Terhadap Ignition Delay time Pembakaran Droplet CPO

Gambar 4.3 Grafik hubungan prosentase crude eucalyptus oil terhadap ignation delay

18

Gambar 4.3 menujukkan hubungan antara prosentase penambahan CEO (Crude Eucalyptus Oil)

pada CPO terhadap ignation delay time. Ignation delay time merupakan waktu jeda ketika heater

mulai dipanaskan sehingga droplet mulai terbakar. Penambahan CEO ( Crude Eucalyptus Oil)

pada CPO akan mengakibatkan berkurangnya waktu ignation delay time. Hal ini dikarenakan

adanya kandungan seniol pada eucalyptus oil yang melemahkan ikatan van der walls pada palm

oil, sehingga gaya van der walls pada CPO lemah. Saat palm oil bercampur dengan eucalyptus

oil, seniol pada eucalyptus oil akan menyusup diantara rantai karbon palm oil. Struktur kimia

Palm oil yang berupa rantai lurus akan merenggang akibat penyisipan seniol tersebut. Akibatnya

rantai karbon akan lebih mudah terlepas dan mengakibatkan campuran lebih reaktif. Sehingga

ignation delay time yang dihasilkan juga lebih rendah. Selain itu, nilai ignation delay time

campuran 15% lebih rendah bila dibandingkan dengan 5% dan 10%. Hal ini menunjukan bahwa

semakin banyak penambahan prosentase eucalyptus oil akan mengurangi nilai ignation delay

time.

Pengaruh Penambahan CEO Terhadap Burning Rate Pembakaran Droplet CPO.

19

Gambar 4.4 Grafik hubungan prosentase crude eucalyptus oil terhadap burning rate

Gambar 4.4 menjelaskan grafik pengaruh hubungan antara prosentase campuran crude

eucalyptus oil (CEO) – crude palm oil (CPO) terhadap burning rate, dimana nilai burning rate

terendah ada pada CEO5 yaitu 0.005259 mm2/s dan nilai burning rate tertinggi ada pada CEO15

yaitu 0.11885 mm2/s. Burning rate didapatkan dari hasil perbandingan antara diameter droplet

terhadap lama waktu bahan bakar habis terbakar, semakin lama waktu nyala api pembakaran

droplet maka kecepatan pembakarannya semakin lambat.

Burning rate mengalami peningkatan seiring bertambahnya prosentase campuran eucalyptus oil.

Hal ini karena palm oil memiliki ikatan rangkap monounsaturated yang dominan. Ikatan rangkap

pada palm oil cukup reaktif dan mudah beroksidasi, sehingga akan mempercepat reaksi

pembakaran. Dan kandungan atom oksigen pada sineol akan cepat bereaksi dengan atom carbon

dan atom hidrogen pada palm oil sehingga menyebabkan reaksi pembakaran semakin cepat dan

nilai burning rate semakin tinggi.

Visualisasi nyala api

(a)

(b)

20

(c)

Gambar 4.5 Visualisasi nyala pembakaran droplet campuran crude eucalyptus oil – palm oil

(a) CPO-CEO15%; (b) CPO-CEO10%; (c) CPO-CEO 5%

Tabel 4.3 Tabel burning rate

Api mulai menyala Api padam Lama api menyala

CEO0 0,5s 4,233s 3,733s

CEO5 0,517s 4,543s 4,033s

CEO10 0,467s 4,234s 3,767s

CEO15 0,433s 4,033s 3,6s

Gambar 4.5 terlihat adanya perbedaan evolusi perubahan api pada setiap prosentase campuran

bahan bakar. Lama nyala api pada CEO15 yaitu selama 0,433 s, CEO10 selama 0,467 s, CEO5

selama 0,517 s dan CEO0 selama 0,5 s. Waktu yang diperlukan untuk mencapai titik api

maksimum pada CEO15 yaitu selama 3,6 s, CEO10 selama 3,767s, CEO5 selama 4,033s dan

CEO0 selama 3,733s.

Waktu yang diperlukan untuk mencapai titik maksimum pada CEO lebih cepat dibandingkan

CEO5,10,15, tetapi lama waktu nyala api pada bahan bakar campuran CEO lebih cepat

dibandingkan CPO, hal ini di sebabkan laju pembakaran atau burning rate campuran CEO lebih

tinggi dibandingkan CPO. Selain itu pada nyala api campuran terdapat microexplosion yaitu

fenomena ledakan kecil yang terjadi pada droplet bahan bakar.

21

Tinggi nyala api pada penelitian ini dipengaruhi oleh kecepatan penguapan dan difusi bahan

bakar, semakin cepat bahan bakar menguap dan berdifusi ke udara, maka nyala api yang

dihasilkan akan lebih tinggi. CEO memiliki kecepatan penguapan dan difusi bahan bakar yang

lebih cepat dibanding CPO, sehingga menghasilkan api yang lebih tinggi. Selain itu, nyala api

dipengaruhi oleh laju reaksi pembakaran. CEO mempunyai laju pembakaran yang lebih cepat

dibanding CPO. Semakin tinggi Prosentase CEO yang ditambahkan pada minyak nabati maka

laju reaksi pembakaran akan meningkat. Semakin meningkat laju reaksi pembakaran maka waktu

nyala api yang dihasilkan relatif singkat sehingga tinggi api yang dihasilkan semakin rendah.

22

BAB V. KESIMPULAN

Dari hasil penelitian dan analisa data , maka dapat diambil kesimpulan, bahwa dengan

dicampurkannya eucalyptus oil yang mengandung 1-8 cineole sebagai komponen utamanya

berfungsi sebagai oxygeneted fuel, karena 1-8 cineole memiliki atom oksigen yang

menyebabkan pembakaran menjadi lebih sempurna. Terlihat dengan bertambahnya campuran

eucalyptus oil terhadap palm oil mampu memperbaiki properties dan karakteristik pembakaran.

Viscositas mengalami penurunan karena adanya gaya antar molekul yaitu gaya london dan flash

point mengalami penurunan dikarenakan melemahnya gaya van der walls. Sedangkan ignation

delay dan burning rate mengalami peningkatan.

23

DAFTAR PUSTAKA

Aggarwal SK. Single droplet ignition: Theoretical analyses and experimental findings. Prog

Energy Combust Sci 2014;45:79–107. doi:10.1016/j.pecs.2014.05.002.

Awasthi I, Gogos G, Sundararajan T. Effects of size on combustion of isolated methanol

droplets. Combust Flame 2013;160:1789–802. doi:10.1016/j.combustflame.2013.03.023.

Bae JH, Avedisian CT. Experimental study of the effect of helium/nitrogen concentration and

initial droplet diameter on nonane droplet combustion with minimal convection. Proc

Combust Inst 2007;31 II:2157–64. doi:10.1016/j.proci.2006.08.042.

Blin, J., Brunschwig, C., Chapuis, A., Changotade, O., Sidibe, S., Noumi, E., et al. (2013).

Characteristics of vegetable oils for use as fuel in stationary diesel engines—Towards

specifications for a standard in West Africa. Renewable and Sustainable Energy Reviews ,

580-597.

Carareto NDD, Kimura CYCS, Oliveira EC, Costa MC, Meirelles AJA. Flash points of mixtures

containing ethyl esters or ethylic biodiesel and ethanol. Fuel 2012;96:319–26.

doi:10.1016/j.fuel.2012.01.025.

G. Knothe, A. C. Matheaus, and T. W. Ryan, “Cetane numbers of branched and straight-chain

fatty esters determined in an ignition quality tester,” Fuel, vol. 82, no. 8, pp. 971–975,

2003.

Hellier P, Ladommatos N, Yusaf T. The influence of straight vegetable oil fatty acid composition

on compression ignition combustion and emissions 2015;143:131–43.

Hoxie A, Schoo R, Braden J. Microexplosive combustion behavior of blended soybean oil and

butanol droplets. Fuel 2014;120:22–9. doi:10.1016/j.fuel.2013.11.036.

Huggins,M.L. (1937). The Polarity of Chemical Bonds.J.Chem. Phys.5:527.

Doi:10.1063/1.1750070.

Jackson GS, Avedisian CT. The Effect of Initial Diameter in Spherically Symmetric Droplet

Combustion of Sooting Fuels. Proc R Soc A Math Phys Eng Sci 1994;446:255–76.

doi:10.1098/rspa.1994.0103.

Kim H, Baek SW, Chang D. A single n-heptane droplet behavior in rapid compression machine.

Int J Heat Mass Transf 2014;69:247–55. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.10.028.

Knothe G, Matheaus AC, Ryan TW. Cetane numbers of branched and straight-chain fatty esters

determined in an ignition quality tester. Fuel 2003;82:971–5. doi:10.1016/S0016-

2361(02)00382-4.

Knothe G. Some aspects of biodiesel oxidative stability. Fuel Process Technol 2007;88:669–77.

doi:10.1016/j.fuproc.2007.01.005.

24

L. C. Meher, C. P. Churamani, M. Arif, Z. Ahmed, and S. N. Naik, “Jatropha curcas as a

renewable source for bio-fuels - A review,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 26, pp.

397–407, 2013.

M. Hajbabaei, G. Karavalakis, K. C. Johnson, J. Guthrie, A. Mitchell, and T. D. Durbin,

“Impacts of biodiesel feedstock and additives on criteria emissions from a heavy-duty

engine,” Fuel Process. Technol., vol. 126, no. 2014, pp. 402–414, 2014.

M. Plank, G. Wachtmeister, K. Thuneke, E. Remmele, and P. Emberger, “Effect of fatty acid

composition on ignition behavior of straight vegetable oils measured in a constant volume

combustion chamber apparatus,” Fuel, vol. 207, pp. 293–301, 2017.

P. Hellier, N. Ladommatos, and T. Yusaf, “The influence of straight vegetable oil fatty acid

composition on compression ignition combustion and emissions,” vol. 143, pp. 131–143,

2015.

Parcerisa J, Casals I, Boatella J, Codony R, Rafecas M. Analysis of olive and hazelnut oil

mixtures by high-performance liquid chromatography-atmospheric pressure chemical

ionisation mass spectrometry of triacylglycerols and gas-liquid chromatography of non-

saponifiable compounds (tocopherols and sterols). J Chromatogr A 2000;881:149–58.

doi:10.1016/S0021-9673(00)00352-6.

Parcerisa J, Richardson DG, Rafecas M, Codony R, Boatella J. Fatty acid, tocopherol and sterol

content of some hazelnut varieties (Corylus avellana L.) harvested in Oregon (USA). J

Chromatogr A 1998;805:259–68. doi:10.1016/S0021-9673(98)00049-1.

Ramirez, Brown R, Rainey, T.A Review of hydrothermal liquefaction bio crude properties for

upgranding to transfortation fuels. Energies 2015, 8, 6765-6794.

Sastrohamidjojo, H. (2004). Kimia Minyak Atsiri. Yogyakarta: Gadjah Mada University Press.

Wardana ING. Combustion characteristics of jatropha oil droplet at various oil temperatures.

Fuel 2010;89:659–64. doi:10.1016/j.fuel.2009.07.002.

Westbrook CK, Naik CV, Herbinet O, Pitz WJ, Mehl M, Sarathy SM, et al. Detailed Chemical

Kinetic Reaction Mechanisms for soy and repeseed biodiesel fuel. Combust Flame

2011;158(4):742-55.

Wijayanti, Febnita Eka. 2008. Pemanfaatan Minyak Jelantah Sebagai Sumber Bahan Baku

Produksi Metil Ester. FMIPA UI.

25

Lampiran I. Luaran

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0

International License. Automotive Experiences 33

Automotive Experiences Vol. 3 No.1 (2020) pp. 33-38

Available online at http://journal.ummgl.ac.id/index.php/AutomotiveExperiences

p-ISSN: 2615-6202 e-ISSN: 2615-6636

The Role of Eucalyptus Oil in Crude Palm Oil As Biodiesel Fuel

Ena Marlina1 , Mochammad Basjir1, Mitsuhisa Ichiyanagi2, Takashi Suzuki2, Gabriel Jeremy

Gotama3,4, and Willyanto Anggono5,6 1Department of Mechanical Engineering, Islamic University Malang 65145, East Java, Indonesia 2Department of Engineering and Applied Sciences, Sophia University, Tokyo 102-8554, Japan 3School of Mechanical and Aerospace Engineering, Nanyang Technological University, Nanyang 639798, Singapore 4Department of Aerospace and Geodesy, Technical University of Munich, Taufkirchen/Ottobrunn 82024, Germany 5Mechanical Engineering Department, Petra Christian University, Surabaya 60236, East Java , Indonesia 6Centre for Sustainable Energy Studies, Petra Christian University, Surabaya 60236, East Java , Indonesia

ena.marlina@unisma.ac.id

https://doi.org/10.31603/ ae.v3i1.3257

Published by Automotive Laboratory of Universitas Muhammadiyah Magelang collaboration with Association of Indonesian Vocation al Educators (AIVE)

Abstract

Article Info Submitted:

16/02/2020

Revised:

19/03/2020

Accepted:

23/03/2020

Utilization of crude palm oils (CPO) as biodiesel faces difficulty due to their high level of

viscosity. Mixing crude eucalyptus oils (CEO) with CPO may reduce the viscosity due to the

presence of aromatic compounds in CEO. The single droplet analysis was performed to

determine the characteristics of mixing CPO with the CEO. The results showed that the

addition of CEO decreased the viscosity due to the presence of intermolecular attractions,

thereby leading to more active molecules in the CPO-CEO mixture. Furthermore, the aromatic

compound in the CEO helped in decreasing the CPO flash point, while the aromatic compound

in the triglyceride molecule weakens the bonds between molecules. The addition of CEO to

CPO tends to reduce the ignition delay due to the presence of cineol content in the CEO, which

weakens the van der Waals bond in CPO.

Keywords: Eucalyptus oil, Crude palm oil, Biodiesel, Droplet

Abstrak

Minyak sawit (CPO) sebagai bahan bakar biodiesel memiliki viskositas yang tinggi, sehingga perlu

penanganan untuk mengurangi viskositasnya. Perpaduan minyak kayu putih (CEO) dengan minyak

sawit dapat menurunkan nilai viskositas minyak sawit karena adanya senyawa aromatik di dalam

minyak kayu putih. Analisa tetesan (single droplet analysis) telah dilakukan untuk menentukan

karakteristik campuran dari minyak sawit dengan minyak kayu putih. Penambahan minyak kayu putih

menghasilkan penurunan viskositas karena interaksi antar molekul yang saling tarik-menarik. Interaksi

ini menghasilkan pergerakan molekul yang lebih aktif pada campuran minyak sawit -minyak kayu putih.

Penambahan minyak kayu putih menurunkan titik nyala bahan bakar. Senyawa aromatik dalam minyak

kayu putih menjadi faktor utama yang membantu mengurangi nilai titik nyala pada minyak sawit;

senyawa aromatik dalam molekul trigliserida menyebabkan ikatan antar molekul menjadi lemah.

Penambahan minyak kayu putih pada minyak sawit menghasilkan pengurangan waktu tunda

pengapian karena adanya senyawa Cineol pada minyak kayu putih yang melemahkan ikatan van der

Waals dalam minyak sawit.

Kata-kata kunci: Minyak kayu putih, Minyak sawit, Biodiesel, Droplet

1. Introduction

Although considered as an alternative

renewable fuel, the long-term use of vegetable oil

may damage the engine due to its high viscosity.

Mixing vegetable oil with other types of fuel is one

of many solutions to reduce its viscosity [1].

© Ena Marlina, Mochammad Basjir, Mitsuhisa Ichiyanagi, Takashi Suzuki, Gabriel Jeremy Gotama, and Willyanto Anggono

Automotive Experiences 34

According to research conducted by Mahmudul et

al., mixing castor oil and diesel fuel with volume

ratios of 100, 80, 60, 40, 20 and 10% decreases the

viscosity of castor oil from 45.75 to 26.58 cSt [2].

Furthermore, adding volatile liquids such as

ethanol reduces the flash point and increases the

combustibility of the fuel.

Ethanol has strong evaporation characteristic,

comprises of hydrogen bonds, and tends to

produce low CO and NOx emissions when mixed

with fuel [3]. However, ethanol can be considered

as non-polar as its high polarity makes it

impossible to obtain a homogenous mixture when

added to diesel and pure vegetable oils [4]. In a

research carried out by Sarin et al., 1-butanol was

added to coconut oil-ethanol as an emulsifier and

the results showed that higher percentage of

ethanol and butanol in the mixture led to reduced

viscosity and density [5]. Kivevele et al. mixed

crude rapeseed oil with propanol and butanol,

which are considered to be non-polar and contain

high level of alcohol, to obtain a homogenous

mixture. This combination led to a decrease in

viscosity and flash point of rapeseed oil due to an

increase in the percentage of propanol and

butanol.

Alternatively, the viscosity may also be

reduced by mixing the vegetable oil with essential

oils, which are low in specific gravity and consists

of volatile components. It is also dissolvable in

diesel oil and contains a large sum of oxygen

atoms based on the analysis results of its

constituent components [6]. Eucalyptus oil is one

of many essential oils classified as aromatic

hydrocarbons with good antiknock properties

due to the presence of the cyclic compound of six

carbon atoms that bind with hydrogen. It is an

aromatic compound with the largest cineol

content. It is possible to mix eucalyptus oils with

vegetable oils due to the aromatic compounds in

eucalyptus oils.

With such advantageous properties, it is

imperative to further investigate the potential of

eucalyptus oils as additives for vegetable oil-

based fuel. In this study, crude palm oil (CPO), a

vegetable oil, was mixed with crude eucalyptus

oil (CEO), an essential oil, to reduce the viscosity

of CPO. CPO is a fuel containing high levels of

oxygen. Combustion from palm oil reduces

emissions such as total hydrocarbons, carbon

monoxide, sulfur oxides, and polycylic aromatic

hydrocarbons [7]. On the other hand, CEO

contains 44 components, with cineol as the largest

at 77.40%, therefore, it is an oxygenated

monoterpene.

In order to analyse the efficacy of mixing both

oils in reducing the viscosity, single droplet

analysis was performed. Hoxie et al. [8] stated that

a single droplet analysis is an attractive analysis

method used to determine the properties of fuel.

2. Materials and Method

2.1. Properties measurement

During property testing, CPO and CEO were

obtained from the chemical extraction process

using hexane solvent and the distillation of

eucalyptus oil in Maluku, Indonesia.

Measurement of fuel viscosity using Leybold

Didactic brand viscometer with ASTM D445

measurement standards, at UGM integrated

research and testing laboratory. Their kinematic

viscosity and flash point were measured to

determine their quality as those properties are

related to the size of the fuel droplet, jet

penetration, atomization quality, and spray

characteristics [9]. Kinematic viscosity was

measured in this study as damages tend to occur

in the system when the fuel used is highly viscous

and thick, thereby widening the surface area and

evaporation time. On the other hand, flash point

was measured to obtain the characteristics of a

combustible or non-combustible components of

the fuel and as a standard in the safety of

transportation and storage (ASTM D-92). The

flash point is defined as the ignitable air obtained

at the lowest temperature from the mixture of

steam and air above the surface.

2.2. Droplet

Single droplet is an analysis method used to

determine the characteristics of the fuel [7], in

which the combustion properties measured are

greatly influenced by the fuel properties such as

volatility, reactivity, and molecular structure. The

length and degree of unsaturation of the carbon

chain, such as double and triple bonds are

common properties of the molecular structure

[10]. Single droplet analysis is a convenient

research method as the combustion can be easily

carried out [11],[12]. Schematic for single droplet

analysis is shown in Figure 1.

© Ena Marlina, Mochammad Basjir, Mitsuhisa Ichiyanagi, Takashi Suzuki, Gabriel Jeremy Gotama, and Willyanto Anggono

Automotive Experiences 35

Figure 1. Schematic of the experimental configuration

This study aimed to test the combustion

characteristics of a CPO-CEO mixed droplet by

adding 5% CEO (hereinafter referred as CEO5).

The testing method was performed by suspending

a 1 mm droplet at the end of the thermocouple and

heated it until it burned using a heater placed 3

mm away from the droplet. The temperature was

measured using a thermocouple connected to the

data logger which sent the data to the laptop for

recording and processing purposes.

The ignition delay time was obtained by

measuring the time needed for the flame to start

propagating. The flame was induced through

using a heater placed under the droplet. The

constant burning rate is calculated using the

diameter of the droplet and the length of the

droplet on. The visualization of the flame was

obtained using a Nikon D3300 camera for 60

frames per second.

3. Resuts and Discussion

The fatty acid content contained in CPO was

tested using GC-MS (Gas Chromatography-Mass

Spectrometry), as shown in Table 1. The properties

of the eucalyptus oil used in this study is shown

in Table 2. CPO has a high viscosity of 48.7

mm2/sec as it belongs to the monosaturated fatty

group which are predominantly made up of

palmitic acid (C16H32O2) as much as 40-47%

[13],[14]. It also consists of oleic acid (C18H34O2)

by 36-44% [1], with a C18 chain length and a

carbon double bond that primarily cause the high

viscosity of CPO [15].

3.1. Viscosity

A comparison of the CPO and CEO5 viscosity

is given in Figure 2. CEO has a viscosity of 2.197

mm2/sec, while a typical biodiesel fuel has

viscosity value between 2.2 - 5.3 cst. Figure 2 shows

a decrease in viscosity due to the addition of the

CEO. The decrease was due to the molecules of

CEO and CPO experienced intermolecular

attraction forces. These forces caused the

molecules of CEO5 to be more dynamic and

actively moving as opposed to the molecules of

pure CPO. Furthermore, the intermolecular

attraction forces also led to a decrease in

molecular bonds, and mixture rate. In pure CPO,

which has less polar characteristic, intermolecular

attractions occurred due to momentary and

impacted dipoles. The movement of these

molecules is sluggish. However, the addition of a

polar CEO led to an increase in the formation time

of momentary and impacted dipole to happen

more frequently. This led to more active

intermolecular forces with eventual decrease in

viscosity due to the weakening of the van der

Waals bond.

Figure 2. Viscosity comparison of CPO and CEO5

© Ena Marlina, Mochammad Basjir, Mitsuhisa Ichiyanagi, Takashi Suzuki, Gabriel Jeremy Gotama, and Willyanto Anggono

Automotive Experiences 36

Table 1. The fatty acids content in CPO

Chemical

composition Cn:db Formula Structure

Content

(%)

Molecular mass

(g/mole)

Palmitic 16:0 C16H32O2 CH3(CH2)14COOH 40-47 256.4241

Palmitoleic 16:1 C16H30O2 CH3(CH2)5CH-CH(CH2)7COOH 0-0.6 254.4042

Stearic 18:0 C18H36O2 CH3(CH2)16COOH 3-6 284.4772

Oleic 18:1 C18H34O2 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH 36-44 282.4614

Linoleic 18:2 C18H32O2 CH3(CH2)4CH=CH(CH2)CH(CH2)7COOH 6-12 280.4455

Linolenic 18:3 C18H30O2 CH3(CH2)(CH=(CH2)3(CH2)6COOH 0-0.5 278.4296

Table 2. Eucalyptus properties

Properties of Crude Eucalyptus Oil (CEO)

Viscosity at 40° (mm2/sec) : 2.197

Flash point (°C) : 49 (120°F) close up

Density at 15°C (gr/cm3) : 0.900-0.930

3.2. Flash point

Vegetable oil has a high flash point due to the

molecular weight and carbon chain length in fatty

acids [16]. Meanwhile, CPO has a high flash point

value due to the increase in the number of free

fatty acids (SN) at 0.53 mg KOH/gr, as obtained

from the laboratory results of this study. It also

has a small SN value due to an increase in

molecular oil mass.

Mixing CEO and CPO reduced the flash point,

as shown in Figure 3. The aromatic compound,

which is triglyceride molecule, weakened the

bonds [17]. Furthermore, the difference in polarity

led to varying melting and boiling points of the

compounds. During the evaporation process, the

molecules easily reached the surface of the fuel

mixture and evaporated before combustion. The

lower the flashpoint temperature, the easier it is

for the fuel to evaporate and combust. Therefore,

addition of the CEO led to a decrease in the CPO

viscosity, due to the activeness of the molecules

and thereby making it highly flammable.

3.3. Ignition delay time

The influence of CEO addition on ignition

delay time of CPO droplets combustion is shown

in Figure 4. It shows the relationship between

adding the CEO to the CPO towards the ignition

delay time. The addition of CEO reduced the

ignition delay time due to the presence of cineol

content in eucalyptus oil. It also weakened the van

der Waals bond in palm oil when it mixed with

the CEO, thereby infiltrating the carbon chain.

Furthermore, the chemical structure of CPO in the

form of a straight chain got stretched due to the

insertion of cineol and therefore promote the

separation of the carbon chains and enhanced

their reactivity, thereby lowering the ignition

delay time.

Figure 3. Flash point comparison of CPO and CEO5 Figure 4. The percentage of crude eucalyptus oil

towards ignition delay

© Ena Marlina, Mochammad Basjir, Mitsuhisa Ichiyanagi, Takashi Suzuki, Gabriel Jeremy Gotama, and Willyanto Anggono

Automotive Experiences 37

3.4. Droplet visualization

The visualizations of droplet testing are shown

in Figure 5. The presence of internal gasification

led to an increase in the growth of bubbles, and

this form caused micro-explosion [18],[19]. The

addition of CEO promoted the bubble growth and

decreased ignition time.

4. Conclusion

Mixing CPO with CEO improves combustion

properties and characteristics. Viscosity of CPO

decreased due to the intermolecular forces, while

flash point decreased due to the weakening of van

der Waals forces. Furthermore, this led to a

decrease in the ignition rate due to the polarity

effects on the intermolecular forces and

combustion characteristics of vegetable oil

droplets. Therefore, the addition of cineol towards

viscosity and flash point tend to change with the

geometrical structure of carbon triglyceride

chains, thereby weakening the bonding forces of

the carbon chain and improving the combustion

performance of the fuel in vegetable oils. ___________________________________________ Authors’ contributions and responsibilities

The authors made substantial contributions to the

conception and design of the study. The authors took

responsibility for data analysis, interpretation and discussion

of results. The authors read and approved the final

manuscript.

Funding

Not applicable.

Availability of data and materials

All data are available from the authors.

Competing interests

The authors declare no competing interest.

Additional information

No additional information from the authors.

___________________________________________

(a) CPO

(b) CEO5

Figure 5. Transient droplet of (a) CEO and (b) CEO 5 (CPO-CEO mixture) from heating until ignition

References [1] R.D.Misra, M.S. Murthy, “Blending of

additives with biodiesels to improve the cold

flow properties, combustion and emission

performance in a compression ignition

engine - A review,” Renewable and Sustainable

Energy Reviews, vol. 15, no. 5, pp. 2413–2422,

2011. doi:10.1016/j.rser.2011.02.023.

[2] H. M. Mahmudul, F. Y. Hagos, R. Mamat,

A.A. Abdullah, “Impact of oxygenated

additives to diesel-biodiesel blends in the

context of performance and emissions

characteristics of a CI engine,” in IOP Conf Ser

Mater Sci Eng, 160, pp. 149–1458, 2016.

doi:10.1088/1757-899X/160/1/012060.

[3] N. Yilmaz, “Performance and emission

characteristics of a diesel engine fuelled with

biodiesel-ethanol and biodiesel-methanol

blends at elevated air temperatures,” Fuel,

vol. 94, pp. 440–443, April 2012.

doi:10.1016/j.fuel.2011.11.015.

[4] A. Sarin, R. Arora, N. P. Singh, R. Sarin, R. K.

Malhotra, M. Sharma, A. A. Khan,

“Synergistic effect of metal deactivator and

antioxidant on oxidation stability of metal

contaminated Jatropha biodiesel,” Energy,

vo. 35, no. 5, pp.2333–2337, 2010.

doi:10.1016/j.energy.2010.02.032.

[5] T. T. Kivevele , M.M. Mbarawa, A. Bereczky,

T. Laza, J. Madarasz, “Impact of antioxidant

additives on the oxidation stability of

© Ena Marlina, Mochammad Basjir, Mitsuhisa Ichiyanagi, Takashi Suzuki, Gabriel Jeremy Gotama, and Willyanto Anggono

Automotive Experiences 38

biodiesel produced from Croton

Megalocarpus oil,” Fuel Processing

Technology, vol. 92, no. 11, pp. 1244–1248,

2011. doi:10.1016/j.fuproc.2011.02.009.

[6] A. Kadarohman, H. Hernani, F. Khoerunisa,

R. M. Astuti, “A potential study on clove oil,

eugenol and eugenyl acetate as diesel fuel

bio‐additives and their performance on one

cylinder engine,” Transport, vol. 25, no.1, pp.

66–76, 2010. doi:10.3846/transport.2010.09.

[7] T. F. Yusaf, B. F. Yousif, M. M. Elawad,

“Crude palm oil fuel for diesel-engines:

Experimental and ANN simulation

approaches,” Energy, vol. 36, pp. 4871–4878,

2011. doi:10.1016/j.energy.2011.05.032.

[8] A. Hoxie, R. Schoo, J. Braden,

“Microexplosive combustion behavior of

blended soybean oil and butanol droplets,”

Fuel, vol. 120, pp. 22–29, 2014.

doi:10.1016/j.fuel.2013.11.036.

[9] A. Demirbas. Relationships derived from

physical properties of vegetable oil and

biodiesel fuels,” Fuel, vol. 87, pp. 1743–1748,

2008. doi:10.1016/j.fuel.2007.08.007.

[10] A. Dhar, A. K. Agarwal, “Effect of Karanja

biodiesel blend on engine wear in a diesel

engine,” Fuel, vol. 134, pp. 81–89, 2014.

doi:10.1016/j.fuel.2014.05.039.

[11] C.H. Wang, S. Y. Fu, L. J. Kung, C. K. Law,

“Combustion and microexplosion of

collision-merged methanol/alkane droplets,”

Proceedings of the Combustion Institute, vo.

30, no. 2, pp. 1965–1972, 2005.

doi:10.1016/j.proci.2004.08.111.

[12] G. S. Jackson, C. T. Avedisian, “The Effect of

Initial Diameter in Spherically Symmetric

Droplet Combustion of Sooting Fuels,” Proc

R Soc A Math Phys Eng Sci, vol. 446, no. 1927,

pp.255–276, 1994. doi:10.1098/rspa.1994.0103.

[13] E. Marlina, W. Wijayanti, L. Yuliati, I. N. G.

Wardana, “The role of pole and molecular

geometry of fatty acids in vegetable oils

droplet on ignition and boiling

characteristics,” Renewable Energy, vol. 145,

pp. 596–603, 2020.

doi:10.1016/j.renene.2019.06.064.

[14] E. Marlina, I. N. G. Wardana, L. Yuliati, W.

Wijayanti, “The effect of fatty acid polarity on

the combustion characteristics of vegetable

oils droplets,” in. IOP Conference Series:

Materials Science and Engineering, 2019.

doi:10.1088/1757-899X/494/1/012036.

[15] M. Lapuerta, O. Armas, J. Rodríguez-

FernándezJ, “Effect of biodiesel fuels on

diesel engine emissions,” Progress in Energy

and Combustion Science, vo. 34, no. 2, pp. 198–

223, 2008. doi:10.1016/j.pecs.2007.07.001.

[16] N. D. D. Carareto, C. Y. C. S. Kimura, E. C.

Oliveira, M. C. Costa, A. J. A. Meirelles,

“Flash points of mixtures containing ethyl

esters or ethylic biodiesel and ethanol,” Fuel,

vol. 96, pp. 319–326, 2012.

doi:10.1016/j.fuel.2012.01.025.

[17] A. Kadarohman, H. Hernani, I. Rohman, R.

Kusrini, R. M. Astuti, “Combustion

characteristics of diesel fuel on one cylinder

diesel engine using clove oil, eugenol, and

eugenyl acetate as fuel bio-additives,” Fuel,

vol. 98, pp. 73–79, 2012.

doi:10.1016/j.fuel.2012.03.037.

[18] I. N. G. Wardana, “Combustion

characteristics of jatropha oil droplet at

various oil temperatures,” Fuel, vol. 89, pp.

659–664, 2010. doi:10.1016/j.fuel.2009.07.002.

[19] V. Dee, B. D. Shaw, “Combustion of

propanol-glycerol mixture droplets in

reduced gravity,” Int J Heat Mass Transf, vol.

47, pp. 4857–4867, 2004.

doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.05.025.

26

Lampiran II. Laporan Keuangan

1. Honor

Honor

Honor/Jam

(Rp)

Waktu

(Jam/minggu) Minggu

Honor Per

Tahun

(Rp)

Pelaksana (1 orang) 10.000 5 20 1.000.000

Pengumpul data

(2 orang)

7000 5 20 700.000

Pengolah data

(1 orang)

7000 5 20 700.000

SUB TOTAL (Rp) 2.400.000

2. Bahan Habis Pakai dan Peralatan

Material Justifikasi Pemakaian Kuantitas Harga Satuan

(Rp)

Harga

Peralatan

Penunjang

(Rp)

Minyak Sawit Bahan Penelitian 1 liter 500.000 500.000

Pembentuk Droplet

(u insulin)

Untuk menghasilkan droplet

ukuran 1 mm

2 buah 200.000 400.000

ATK Digunakan untuk kegiatan

administrasi

1 Paket 200.000 200.000

Fotocopy Duplikasi untuk proposal dan

laporan kegiatan

1 Paket 50.000 50.000

Penjilidan Jilid proposal dan laporan

kegiatan sebagai arsip

1 Paket 50.000 50.000

Pengiriman via

ekspedisi

Pengiriman sample yang akan

diuji di instansi luar kota (UGM)

1 Paket 100.000 100.000

Botol sampel 100 ml Wadah minyak penelitian 20 buah 2.000 40.000

Botol sample 500 ml Wadah minyak penelitian 10 buah 4.000 40.000

Botol sample 30 ml Wadah minyak penelitian 10 buah 1.500 15.000

Termokopel tipe K Sensor pengukur suhu 1 unit 3.250.000 3.250.000

Batang alumunium Kerangka instalasi pengujian

single droplet

1 lonjor 100.000 100.000

Motor listrik dc Penggerak heater 1 unit 125.000 125.000

Heater Elemen pemanas droplet hingga

menjadi api

2 unit 25.000 50.000

Saklar Pemutus aliran listrik pada

motor listrik dan heater

5 unit 15.000 75.000

Kabel instalasi Penyalur arus dari saklar menuju

motor listrik dan heater

1 rol 100.000 100.000

Lampu 7 watt Penerangan instalasi pengujian 2 unit 125.000 250.000

Penggaris besi Pengukur dimensi api 2 buah 7.500 15.000

27

Kertas milimeter

blok

Pengukur single droplet 1 buah 10.000 10.000

Gelas ukur 100 ml Gelas untuk mengukur

campuran minyak nabati-minyak

kayu putih

1 buah 125.000 125.000

Gelas ukur 10 ml Gelas untuk mengukur

campuran minyak nabati-minyak

kayu putih

1 buah 50.000 50.000

Kabel rol Penyalur arus dari saklar gedung 2 buah 65.000 130.000

Akrilik 1x1m, t= 1

mm

Dinding ruang bakar instalasi

pengujian single droplet

1 lembar 125.000 125.000

Suntikan 1ml Tempat minyak yg akan diuji

yang dimasukkan ke pembentuk

droplet

10 buah 3.000 30.000

Data logger 1 unit 1.370.000 1.370.000

SUB TOTAL (Rp) 7.200.000

3. Luaran

Kegiatan Justifikasi Pemakaian Kuantitas Harga Satuan

(Rp)

Biaya Per

Tahun (Rp)

Submit Jurnal Jurnal Nasional terindeks

SINTA, IPI, DOAJ, CABI,

COPERNICUS, Google

Scholer, Garuda.

(automotive experiences)

1 lumpsum 1.200.000 1.200.000

SUB TOTAL (Rp) 1.200.000

5. Penunjang Penelitian

Kegiatan Justifikasi Kuantitas Harga Satuan

(Rp)

Biaya Per

Tahun (Rp)

Sewa Kamera 2 unit Melakukan perekaman

droplet dan pertumbuhan api

1 Paket 1.200.000 1.200.000

SUB TOTAL (Rp) 1.200.000

TOTAL ANGGARAN YANG DIPERLUKAN DALAM 1 TAHUN (Rp) 14.000.000

TOTAL ANGGARAN KEGIATAN (Rp) 14.000.000

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0

International License. Automotive Experiences 33

Automotive Experiences Vol. 3 No.1 (2020) pp. 33-38

Available online at http://journal.ummgl.ac.id/index.php/AutomotiveExperiences

p-ISSN: 2615-6202 e-ISSN: 2615-6636

The Role of Eucalyptus Oil in Crude Palm Oil As Biodiesel Fuel

Ena Marlina1 , Mochammad Basjir1, Mitsuhisa Ichiyanagi2, Takashi Suzuki2, Gabriel Jeremy

Gotama3,4, and Willyanto Anggono5,6 1Department of Mechanical Engineering, Islamic University Malang 65145, East Java, Indonesia 2Department of Engineering and Applied Sciences, Sophia University, Tokyo 102-8554, Japan 3School of Mechanical and Aerospace Engineering, Nanyang Technological University, Nanyang 639798, Singapore 4Department of Aerospace and Geodesy, Technical University of Munich, Taufkirchen/Ottobrunn 82024, Germany 5Mechanical Engineering Department, Petra Christian University, Surabaya 60236, East Java , Indonesia 6Centre for Sustainable Energy Studies, Petra Christian University, Surabaya 60236, East Java , Indonesia

ena.marlina@unisma.ac.id

https://doi.org/10.31603/ ae.v3i1.3257

Published by Automotive Laboratory of Universitas Muhammadiyah Magelang collaboration with Association of Indonesian Vocation al Educators (AIVE)

Abstract

Article Info Submitted:

16/02/2020

Revised:

19/03/2020

Accepted:

23/03/2020

Utilization of crude palm oils (CPO) as biodiesel faces difficulty due to their high level of

viscosity. Mixing crude eucalyptus oils (CEO) with CPO may reduce the viscosity due to the

presence of aromatic compounds in CEO. The single droplet analysis was performed to

determine the characteristics of mixing CPO with the CEO. The results showed that the

addition of CEO decreased the viscosity due to the presence of intermolecular attractions,

thereby leading to more active molecules in the CPO-CEO mixture. Furthermore, the aromatic

compound in the CEO helped in decreasing the CPO flash point, while the aromatic compound

in the triglyceride molecule weakens the bonds between molecules. The addition of CEO to

CPO tends to reduce the ignition delay due to the presence of cineol content in the CEO, which

weakens the van der Waals bond in CPO.

Keywords: Eucalyptus oil, Crude palm oil, Biodiesel, Droplet

Abstrak

Minyak sawit (CPO) sebagai bahan bakar biodiesel memiliki viskositas yang tinggi, sehingga perlu

penanganan untuk mengurangi viskositasnya. Perpaduan minyak kayu putih (CEO) dengan minyak

sawit dapat menurunkan nilai viskositas minyak sawit karena adanya senyawa aromatik di dalam

minyak kayu putih. Analisa tetesan (single droplet analysis) telah dilakukan untuk menentukan

karakteristik campuran dari minyak sawit dengan minyak kayu putih. Penambahan minyak kayu putih

menghasilkan penurunan viskositas karena interaksi antar molekul yang saling tarik-menarik. Interaksi

ini menghasilkan pergerakan molekul yang lebih aktif pada campuran minyak sawit -minyak kayu putih.

Penambahan minyak kayu putih menurunkan titik nyala bahan bakar. Senyawa aromatik dalam minyak

kayu putih menjadi faktor utama yang membantu mengurangi nilai titik nyala pada minyak sawit;

senyawa aromatik dalam molekul trigliserida menyebabkan ikatan antar molekul menjadi lemah.

Penambahan minyak kayu putih pada minyak sawit menghasilkan pengurangan waktu tunda

pengapian karena adanya senyawa Cineol pada minyak kayu putih yang melemahkan ikatan van der

Waals dalam minyak sawit.

Kata-kata kunci: Minyak kayu putih, Minyak sawit, Biodiesel, Droplet

1. Introduction

Although considered as an alternative

renewable fuel, the long-term use of vegetable oil

may damage the engine due to its high viscosity.

Mixing vegetable oil with other types of fuel is one

of many solutions to reduce its viscosity [1].

© Ena Marlina, Mochammad Basjir, Mitsuhisa Ichiyanagi, Takashi Suzuki, Gabriel Jeremy Gotama, and Willyanto Anggono

Automotive Experiences 34

According to research conducted by Mahmudul et

al., mixing castor oil and diesel fuel with volume

ratios of 100, 80, 60, 40, 20 and 10% decreases the

viscosity of castor oil from 45.75 to 26.58 cSt [2].

Furthermore, adding volatile liquids such as

ethanol reduces the flash point and increases the

combustibility of the fuel.

Ethanol has strong evaporation characteristic,

comprises of hydrogen bonds, and tends to

produce low CO and NOx emissions when mixed

with fuel [3]. However, ethanol can be considered

as non-polar as its high polarity makes it

impossible to obtain a homogenous mixture when

added to diesel and pure vegetable oils [4]. In a

research carried out by Sarin et al., 1-butanol was

added to coconut oil-ethanol as an emulsifier and

the results showed that higher percentage of

ethanol and butanol in the mixture led to reduced

viscosity and density [5]. Kivevele et al. mixed

crude rapeseed oil with propanol and butanol,

which are considered to be non-polar and contain

high level of alcohol, to obtain a homogenous

mixture. This combination led to a decrease in

viscosity and flash point of rapeseed oil due to an

increase in the percentage of propanol and

butanol.

Alternatively, the viscosity may also be

reduced by mixing the vegetable oil with essential

oils, which are low in specific gravity and consists

of volatile components. It is also dissolvable in

diesel oil and contains a large sum of oxygen

atoms based on the analysis results of its

constituent components [6]. Eucalyptus oil is one

of many essential oils classified as aromatic

hydrocarbons with good antiknock properties

due to the presence of the cyclic compound of six

carbon atoms that bind with hydrogen. It is an

aromatic compound with the largest cineol

content. It is possible to mix eucalyptus oils with

vegetable oils due to the aromatic compounds in

eucalyptus oils.

With such advantageous properties, it is

imperative to further investigate the potential of

eucalyptus oils as additives for vegetable oil-

based fuel. In this study, crude palm oil (CPO), a

vegetable oil, was mixed with crude eucalyptus

oil (CEO), an essential oil, to reduce the viscosity

of CPO. CPO is a fuel containing high levels of

oxygen. Combustion from palm oil reduces

emissions such as total hydrocarbons, carbon

monoxide, sulfur oxides, and polycylic aromatic

hydrocarbons [7]. On the other hand, CEO

contains 44 components, with cineol as the largest

at 77.40%, therefore, it is an oxygenated

monoterpene.

In order to analyse the efficacy of mixing both

oils in reducing the viscosity, single droplet

analysis was performed. Hoxie et al. [8] stated that

a single droplet analysis is an attractive analysis

method used to determine the properties of fuel.

2. Materials and Method

2.1. Properties measurement

During property testing, CPO and CEO were

obtained from the chemical extraction process

using hexane solvent and the distillation of

eucalyptus oil in Maluku, Indonesia.

Measurement of fuel viscosity using Leybold

Didactic brand viscometer with ASTM D445

measurement standards, at UGM integrated

research and testing laboratory. Their kinematic

viscosity and flash point were measured to

determine their quality as those properties are

related to the size of the fuel droplet, jet

penetration, atomization quality, and spray

characteristics [9]. Kinematic viscosity was

measured in this study as damages tend to occur

in the system when the fuel used is highly viscous

and thick, thereby widening the surface area and

evaporation time. On the other hand, flash point

was measured to obtain the characteristics of a

combustible or non-combustible components of

the fuel and as a standard in the safety of

transportation and storage (ASTM D-92). The

flash point is defined as the ignitable air obtained

at the lowest temperature from the mixture of

steam and air above the surface.

2.2. Droplet

Single droplet is an analysis method used to

determine the characteristics of the fuel [7], in

which the combustion properties measured are

greatly influenced by the fuel properties such as

volatility, reactivity, and molecular structure. The

length and degree of unsaturation of the carbon

chain, such as double and triple bonds are

common properties of the molecular structure

[10]. Single droplet analysis is a convenient

research method as the combustion can be easily

carried out [11],[12]. Schematic for single droplet

analysis is shown in Figure 1.

© Ena Marlina, Mochammad Basjir, Mitsuhisa Ichiyanagi, Takashi Suzuki, Gabriel Jeremy Gotama, and Willyanto Anggono

Automotive Experiences 35

Figure 1. Schematic of the experimental configuration

This study aimed to test the combustion

characteristics of a CPO-CEO mixed droplet by

adding 5% CEO (hereinafter referred as CEO5).

The testing method was performed by suspending

a 1 mm droplet at the end of the thermocouple and

heated it until it burned using a heater placed 3

mm away from the droplet. The temperature was

measured using a thermocouple connected to the

data logger which sent the data to the laptop for

recording and processing purposes.

The ignition delay time was obtained by

measuring the time needed for the flame to start

propagating. The flame was induced through

using a heater placed under the droplet. The

constant burning rate is calculated using the

diameter of the droplet and the length of the

droplet on. The visualization of the flame was

obtained using a Nikon D3300 camera for 60

frames per second.

3. Resuts and Discussion

The fatty acid content contained in CPO was

tested using GC-MS (Gas Chromatography-Mass

Spectrometry), as shown in Table 1. The properties

of the eucalyptus oil used in this study is shown

in Table 2. CPO has a high viscosity of 48.7

mm2/sec as it belongs to the monosaturated fatty

group which are predominantly made up of

palmitic acid (C16H32O2) as much as 40-47%

[13],[14]. It also consists of oleic acid (C18H34O2)

by 36-44% [1], with a C18 chain length and a

carbon double bond that primarily cause the high

viscosity of CPO [15].

3.1. Viscosity

A comparison of the CPO and CEO5 viscosity

is given in Figure 2. CEO has a viscosity of 2.197

mm2/sec, while a typical biodiesel fuel has

viscosity value between 2.2 - 5.3 cst. Figure 2 shows

a decrease in viscosity due to the addition of the

CEO. The decrease was due to the molecules of

CEO and CPO experienced intermolecular

attraction forces. These forces caused the

molecules of CEO5 to be more dynamic and

actively moving as opposed to the molecules of

pure CPO. Furthermore, the intermolecular

attraction forces also led to a decrease in

molecular bonds, and mixture rate. In pure CPO,

which has less polar characteristic, intermolecular

attractions occurred due to momentary and

impacted dipoles. The movement of these

molecules is sluggish. However, the addition of a

polar CEO led to an increase in the formation time

of momentary and impacted dipole to happen

more frequently. This led to more active

intermolecular forces with eventual decrease in

viscosity due to the weakening of the van der

Waals bond.

Figure 2. Viscosity comparison of CPO and CEO5

© Ena Marlina, Mochammad Basjir, Mitsuhisa Ichiyanagi, Takashi Suzuki, Gabriel Jeremy Gotama, and Willyanto Anggono

Automotive Experiences 36

Table 1. The fatty acids content in CPO

Chemical

composition Cn:db Formula Structure

Content

(%)

Molecular mass

(g/mole)

Palmitic 16:0 C16H32O2 CH3(CH2)14COOH 40-47 256.4241

Palmitoleic 16:1 C16H30O2 CH3(CH2)5CH-CH(CH2)7COOH 0-0.6 254.4042

Stearic 18:0 C18H36O2 CH3(CH2)16COOH 3-6 284.4772

Oleic 18:1 C18H34O2 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH 36-44 282.4614

Linoleic 18:2 C18H32O2 CH3(CH2)4CH=CH(CH2)CH(CH2)7COOH 6-12 280.4455

Linolenic 18:3 C18H30O2 CH3(CH2)(CH=(CH2)3(CH2)6COOH 0-0.5 278.4296

Table 2. Eucalyptus properties

Properties of Crude Eucalyptus Oil (CEO)

Viscosity at 40° (mm2/sec) : 2.197

Flash point (°C) : 49 (120°F) close up

Density at 15°C (gr/cm3) : 0.900-0.930

3.2. Flash point

Vegetable oil has a high flash point due to the

molecular weight and carbon chain length in fatty

acids [16]. Meanwhile, CPO has a high flash point

value due to the increase in the number of free

fatty acids (SN) at 0.53 mg KOH/gr, as obtained

from the laboratory results of this study. It also

has a small SN value due to an increase in

molecular oil mass.

Mixing CEO and CPO reduced the flash point,

as shown in Figure 3. The aromatic compound,

which is triglyceride molecule, weakened the

bonds [17]. Furthermore, the difference in polarity

led to varying melting and boiling points of the

compounds. During the evaporation process, the

molecules easily reached the surface of the fuel

mixture and evaporated before combustion. The

lower the flashpoint temperature, the easier it is

for the fuel to evaporate and combust. Therefore,

addition of the CEO led to a decrease in the CPO

viscosity, due to the activeness of the molecules

and thereby making it highly flammable.

3.3. Ignition delay time

The influence of CEO addition on ignition

delay time of CPO droplets combustion is shown

in Figure 4. It shows the relationship between

adding the CEO to the CPO towards the ignition

delay time. The addition of CEO reduced the

ignition delay time due to the presence of cineol

content in eucalyptus oil. It also weakened the van

der Waals bond in palm oil when it mixed with

the CEO, thereby infiltrating the carbon chain.

Furthermore, the chemical structure of CPO in the

form of a straight chain got stretched due to the

insertion of cineol and therefore promote the

separation of the carbon chains and enhanced

their reactivity, thereby lowering the ignition

delay time.

Figure 3. Flash point comparison of CPO and CEO5 Figure 4. The percentage of crude eucalyptus oil

towards ignition delay

© Ena Marlina, Mochammad Basjir, Mitsuhisa Ichiyanagi, Takashi Suzuki, Gabriel Jeremy Gotama, and Willyanto Anggono

Automotive Experiences 37

3.4. Droplet visualization

The visualizations of droplet testing are shown

in Figure 5. The presence of internal gasification

led to an increase in the growth of bubbles, and

this form caused micro-explosion [18],[19]. The

addition of CEO promoted the bubble growth and

decreased ignition time.

4. Conclusion

Mixing CPO with CEO improves combustion

properties and characteristics. Viscosity of CPO

decreased due to the intermolecular forces, while

flash point decreased due to the weakening of van

der Waals forces. Furthermore, this led to a

decrease in the ignition rate due to the polarity

effects on the intermolecular forces and

combustion characteristics of vegetable oil

droplets. Therefore, the addition of cineol towards

viscosity and flash point tend to change with the

geometrical structure of carbon triglyceride

chains, thereby weakening the bonding forces of

the carbon chain and improving the combustion

performance of the fuel in vegetable oils. ___________________________________________ Authors’ contributions and responsibilities

The authors made substantial contributions to the

conception and design of the study. The authors took

responsibility for data analysis, interpretation and discussion

of results. The authors read and approved the final

manuscript.

Funding

Not applicable.

Availability of data and materials

All data are available from the authors.

Competing interests

The authors declare no competing interest.

Additional information

No additional information from the authors.

___________________________________________

(a) CPO

(b) CEO5

Figure 5. Transient droplet of (a) CEO and (b) CEO 5 (CPO-CEO mixture) from heating until ignition

References [1] R.D.Misra, M.S. Murthy, “Blending of

additives with biodiesels to improve the cold

flow properties, combustion and emission

performance in a compression ignition

engine - A review,” Renewable and Sustainable

Energy Reviews, vol. 15, no. 5, pp. 2413–2422,

2011. doi:10.1016/j.rser.2011.02.023.

[2] H. M. Mahmudul, F. Y. Hagos, R. Mamat,

A.A. Abdullah, “Impact of oxygenated

additives to diesel-biodiesel blends in the

context of performance and emissions

characteristics of a CI engine,” in IOP Conf Ser

Mater Sci Eng, 160, pp. 149–1458, 2016.

doi:10.1088/1757-899X/160/1/012060.

[3] N. Yilmaz, “Performance and emission

characteristics of a diesel engine fuelled with

biodiesel-ethanol and biodiesel-methanol

blends at elevated air temperatures,” Fuel,

vol. 94, pp. 440–443, April 2012.

doi:10.1016/j.fuel.2011.11.015.

[4] A. Sarin, R. Arora, N. P. Singh, R. Sarin, R. K.

Malhotra, M. Sharma, A. A. Khan,

“Synergistic effect of metal deactivator and

antioxidant on oxidation stability of metal

contaminated Jatropha biodiesel,” Energy,

vo. 35, no. 5, pp.2333–2337, 2010.

doi:10.1016/j.energy.2010.02.032.

[5] T. T. Kivevele , M.M. Mbarawa, A. Bereczky,

T. Laza, J. Madarasz, “Impact of antioxidant

additives on the oxidation stability of

© Ena Marlina, Mochammad Basjir, Mitsuhisa Ichiyanagi, Takashi Suzuki, Gabriel Jeremy Gotama, and Willyanto Anggono

Automotive Experiences 38

biodiesel produced from Croton

Megalocarpus oil,” Fuel Processing

Technology, vol. 92, no. 11, pp. 1244–1248,

2011. doi:10.1016/j.fuproc.2011.02.009.

[6] A. Kadarohman, H. Hernani, F. Khoerunisa,

R. M. Astuti, “A potential study on clove oil,

eugenol and eugenyl acetate as diesel fuel

bio‐additives and their performance on one

cylinder engine,” Transport, vol. 25, no.1, pp.

66–76, 2010. doi:10.3846/transport.2010.09.

[7] T. F. Yusaf, B. F. Yousif, M. M. Elawad,

“Crude palm oil fuel for diesel-engines:

Experimental and ANN simulation

approaches,” Energy, vol. 36, pp. 4871–4878,

2011. doi:10.1016/j.energy.2011.05.032.

[8] A. Hoxie, R. Schoo, J. Braden,

“Microexplosive combustion behavior of

blended soybean oil and butanol droplets,”

Fuel, vol. 120, pp. 22–29, 2014.

doi:10.1016/j.fuel.2013.11.036.

[9] A. Demirbas. Relationships derived from

physical properties of vegetable oil and

biodiesel fuels,” Fuel, vol. 87, pp. 1743–1748,

2008. doi:10.1016/j.fuel.2007.08.007.

[10] A. Dhar, A. K. Agarwal, “Effect of Karanja

biodiesel blend on engine wear in a diesel

engine,” Fuel, vol. 134, pp. 81–89, 2014.

doi:10.1016/j.fuel.2014.05.039.

[11] C.H. Wang, S. Y. Fu, L. J. Kung, C. K. Law,

“Combustion and microexplosion of

collision-merged methanol/alkane droplets,”

Proceedings of the Combustion Institute, vo.

30, no. 2, pp. 1965–1972, 2005.

doi:10.1016/j.proci.2004.08.111.

[12] G. S. Jackson, C. T. Avedisian, “The Effect of

Initial Diameter in Spherically Symmetric

Droplet Combustion of Sooting Fuels,” Proc

R Soc A Math Phys Eng Sci, vol. 446, no. 1927,

pp.255–276, 1994. doi:10.1098/rspa.1994.0103.

[13] E. Marlina, W. Wijayanti, L. Yuliati, I. N. G.

Wardana, “The role of pole and molecular

geometry of fatty acids in vegetable oils

droplet on ignition and boiling

characteristics,” Renewable Energy, vol. 145,

pp. 596–603, 2020.

doi:10.1016/j.renene.2019.06.064.

[14] E. Marlina, I. N. G. Wardana, L. Yuliati, W.

Wijayanti, “The effect of fatty acid polarity on

the combustion characteristics of vegetable

oils droplets,” in. IOP Conference Series:

Materials Science and Engineering, 2019.

doi:10.1088/1757-899X/494/1/012036.

[15] M. Lapuerta, O. Armas, J. Rodríguez-

FernándezJ, “Effect of biodiesel fuels on

diesel engine emissions,” Progress in Energy

and Combustion Science, vo. 34, no. 2, pp. 198–

223, 2008. doi:10.1016/j.pecs.2007.07.001.

[16] N. D. D. Carareto, C. Y. C. S. Kimura, E. C.

Oliveira, M. C. Costa, A. J. A. Meirelles,

“Flash points of mixtures containing ethyl

esters or ethylic biodiesel and ethanol,” Fuel,

vol. 96, pp. 319–326, 2012.

doi:10.1016/j.fuel.2012.01.025.

[17] A. Kadarohman, H. Hernani, I. Rohman, R.

Kusrini, R. M. Astuti, “Combustion

characteristics of diesel fuel on one cylinder

diesel engine using clove oil, eugenol, and

eugenyl acetate as fuel bio-additives,” Fuel,

vol. 98, pp. 73–79, 2012.

doi:10.1016/j.fuel.2012.03.037.

[18] I. N. G. Wardana, “Combustion

characteristics of jatropha oil droplet at

various oil temperatures,” Fuel, vol. 89, pp.

659–664, 2010. doi:10.1016/j.fuel.2009.07.002.

[19] V. Dee, B. D. Shaw, “Combustion of

propanol-glycerol mixture droplets in

reduced gravity,” Int J Heat Mass Transf, vol.

47, pp. 4857–4867, 2004.

doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.05.025.