PENGARUH CAMPURAN BAHAN BAKAR PREMIUM, HIDROGEN DAN ETANOL 96 TERHADAP PERFOMANSI DAN EMISI GAS BUANG MESIN GENSET OTTO
PENGARUH CAMPURAN BAHAN BAKAR PREMIUM, HIDROGEN DAN ETANOL 96% TERHADAP PERFOMANSI DAN EMISI GAS BUANG MESIN GENSET OTTO SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Martinus Idastanta Tarigan
NIM : 090401032DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N 2014
Abstrak
Semakin berkurangnya cadangan minyak bumi dan pemakaian bahan bakar fosil yang terus meningkat menyebabkan timbulnya ancaman krisis energi. Mengantisipasi hal tersebut diperlukan pengembangan sumber energi terbarukan sebagai energi alternatif. Pencampuran bahan bakar untuk menghemat penggunaan minyak merupakan salah satu alternatif. Ketersediaan hidrogen dan melimpahnya bahan bakar dari hasil pemurnian fermentasi menempatkan hidrogen dan etanol menjadi salah satu yang bahan bakar yang diunggulkan sebagai bahan bakar alternatif. Selain itu penggunaan bahan bakar hidrogen dan etanol ini dapat digunakan pada bebagai mesin, salah satunya adalah pada mesin otto 4-langkah. Walaupun performansi mesin cenderung belum memberikan hasil yang optimal seperti performansi mesin pada saat menggunakan Premium, tetapi bahan bakar campuran hidrogen dan etanol ini tetap mempunyai keuntungan, yaitu ketersediaan bahan baku yang melimpah dan fleksibilitas dari Internal Combustion Engine ( ICE ) .
Kata kunci : bahan bakar fosil, emisi gas buang, etanol, hidrogen, performansi
Abstract The depletion of oil reserves and fuel consumption that is on the rise
cause the onset of the threat of an energy crisis. It is necessary of renewable
sources of energy as an alternative energy. Mixing fuel oil usage to save is one
alternative. The availability of hydrogen fuel and bountiful from the purification
of fermentation, placed hydrogen and ethanol become one of the highlights as an
alternative fuel. In addition the use of hydrogen and ethanol can be used on
different machines, one of them is on the oot engine 4-step. Although the
appropriate machine performance is yet to give optimal results, such us engine
performanc while using premium, but the mixed fuel of hydrogen and ethanol
are still has advantage, namely the abundent raw material availability and
flexibility of Internal Combustion Engine (ICE).Keyword : fossil fuel, exhaust emission, ethanol, hydrogen, performance
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu
“PENGARUH CAMPURAN BAHAN BAKAR PREMIUM, HIDROGEN,
DAN ETANOL 96% TERHADAP PERFORMANSI DAN EMISI GAS
BUANG ESIN GENSET OTTO”Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus ST. MT sebagai dosen pembimbing yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan arahan dan bimbingan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
2. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
3. Ir. M. Syahril Gultom, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU.
4. Laboran Laboratorium Prestasi Mesin Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
5. Kedua orang tua penulis, Ayahanda Drs B.A Tarigan dan Ibunda M br Sinuhaji, yang telah dengan sabar membesarkan penulis serta memberikan dukungan doa, dana, dan semangat.
6. Kedua saudara penulis, Eka Genta Tarigan dan Nina Karina Tarigan, yang telah membimbing penulis untuk melewati hal-hal yang sulit.
7. Seluruh kerabat penulis, yang tergabung dalam Keluarga Besar Departemen Teknik Mesin USU, terkusus rekan-rekan mahasiswa angkatan 2009 yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu, terima kasih penulis ucapkan atas kehangatan dan atas setiap cerita yang pernah dilalui bersama.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan-kekurangan di dalam skripsi ini. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang Medan, Februari 2013 Penulis,
Martinus Idastanta Tarigan NIM. 090401032
DAFTAR ISI
ABSTRAK .......................................................................................................... i DAFTAR ISI ....................................................................................................... v DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... iv DAFTAR TABEL ............................................................................................... xii DAFTAR NOTASI ............................................................................................. xiv
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ........................................................................... 1
1.2 Tujuan Pengujian ........................................................................ 2
1.3 Batasan Masalah ......................................................................... 2
1.4 Metodologi Penulisan ................................................................. 3
1.5 Sistematika Penulisan .................................................................. 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Mesin Otto ................................................................................... 5
2.1.1 Karburator .................................................................................... 5
2.1.2 Busi ............................................................................................. 6
2.1.3 Alat Pembangkit Tegangan Tinggi ................................................... 6
2.2 Mesin Otto Empat Langkah ........................................................ 9
2.3 Performansi Mesin Otto ............................................................. 10
2.3.1 Torsi dan Daya ............................................................................. 10
2.3.2 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik ................................................. 11
2.3.3 Perbandingan Udara Bahan Bakar (AFR) .................................. 11
2.3.4 Efisiensi Thermel Brake .............................................................. 12
2.4 Nilai Kalor Bahan Bakar ............................................................ 12
2.5 Bahan Bakar Hidrogen ............................................................... 14
2.5.1 Sejarah Bahan Bakar Hidrogen .................................................... 14
2.5.2 Sifat-sifat Bahan Bakar Hidrogen ................................................ 15
2
2.5.3 Hidrolisis Air (H O) .................................................................... 17
2.6 Bahan Bakar Etanol ............................................................................. 18
2.6.1 Sejarah Bahan Bakar Etanol ........................................................ 19
2.6.2 Sifat-sifat Bahan Bakar Etanol ..................................................... 20
2.6.3 Proses Pembuatan Etanol ............................................................. 21
2.7 Emisi Gas Buang ................................................................................. 23
3.1 Waktu Dan Tempat ...................................................................... 25
3.2 Alat Dan Bahan ........................................................................... 25
3.2.1 Alat ............................................................................................... 25
3.2.1.1 Alat Pendukung Pengujian ........................................................ 25
3.2.1.2 Alat Pendukung Proses Pembuatan Bahan Bakar ..................... 31
3.2.2 Bahan .......................................................................................... 36
3.3 Metode Pengumpulan Data ......................................................... 36
3.4 Metode Pengolahan Data ............................................................. 36
3.5 Pengamatan Dan Tahap Pengujian .............................................. 36
3.6 Prosedur Pengujian Performansi Mesin ...................................... 37
3.7 Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang ......................................... 40
3.8 Prosedur Pengujian Niai Kalor Bahan Bakar .............................. 41
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Daya ............................................................................................. 43
4.1.1 Besar Daya Dengan Menggunakan Bahan Bakar P 100% ............................................................................... 43
4.1.2 Besar Daya Dengan Menggunakan Bahan Bakar E 100% ............................................................................... 44
4.1.3 Besar Daya Dengan Menggunakan Bahan Bakar P50% + E50% .................................................................... 45
4.1.4 Besar Daya Dengan Menggunakan Bahan Bakar (P 50% + E 50%)97,5% + H 2,5% ..................................... 46
4.2 Torsi ............................................................................................. 49
4.2.1 Besar Torsi Dengan Menggunakan Bahan Bakar P 100% ............................................................................... 49
4.2.2 Besar Torsi Dengan Menggunakan Bahan Bakar E 100% ............................................................................... 50
4.2.3 Besar Torsi Dengan Menggunakan Bahan Bakar
P50% + E50% .................................................................... 52
4.2.4 Besar Torsi Dengan Menggunakan Bahan Bakar (P 50% + E 50%)97,5% + H 2,5% ..................................... 53
4.3.1 Besar SFC Dengan Menggunakan Bahan Bakar P100% ... 56
4.3.2 SFC Yang Dihasilkan Menggunakan Bahan Bakar E100% ......................................................................................... 59
4.3.3 SFC Yang Dihasilkan Menggunakan Bahan Bakar P50%+E50% ....................................................................... 61
4.3.4 SFC Yang Dihasilkan Menggunakan Bahan Bakar (P 50% + E 50%)97,5% + H 2,5% ............................................. 64
4.4 Efisiensi Thermal ......................................................................... 67
4.4.1 Efisiensi termal yang dihasilkan bahan bakar P100% ................. 68
4.4.2 Efisiensi termal yang dihasilkan bahan bakar E100% ....... 70
4.4.3 Efisiensi termal yang dihasilkan bahan bakar P50% + E50% ................................................................... 72
4.4.4 Efisiensi termal yang dihasilkan bahan bakar (P50% + E 50%)97,5% + H2,5% ....................................... 74
4.5 Rasio Udara- Bahan Bakar(AFR) ................................................ 83
4.5.1 AFR Yang Dihasilkan Bahan Bakar P 100% ..................... 83
4.5.2 AFR Yang Dihasilkan Bahan Bakar E (100%) ................. 88
4.5.3 AFR Yang Dihasilkan Bahan Bakar P 50% + E 50% ........ 93
4.5.4 AFR Yang Dihasilkan Bahan Bakar (P 50% + E 50%)97,5 %+ H 2,5%...................................... 98
4.6 Hasil Pembakaran ........................................................................ 108
4.7 Pengujian Emisi Gas Buang ........................................................ 111
4.7.1 Emisi Gas Buang Bahan Bakar P 100% ...................................... 111
4.7.2 Emisi Gas Buang Bahan Bakar E100% .............................. 111
4.7.3 Emisi Gas Buang Bahan Bakar P 50% + E50% ................. 112
4.7.4 Emisi Gas Buang Bahan Bakar (P 50% + E 50%)97,5 %+ H 2,5% ................................... 112
4.8 Analisa Perbandingan Kadar Gas Buang .................................... 113
4.8.1 Analisa Perbandingan Kadar CO
2 Dalam Gas Buang ................. 113
4.8.2 Analisa Perbandingan Kadar CO Dalam Gas Buang ......... 114
4.8.3 Analisa Perbandingan Kadar HC Dalam Gas Buang ......... 116
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan .................................................................................. 120
5.2 Saran ........................................................................................... 121 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................ xv LAMPIRAN ........................................................................................................ vxi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Alat Pembangkit Tegangan Tinggi ................................................. 7Gambar 2.2 P-V dan T-S diagram....................................................................... 9Gambar 2.3 Elektrolisis Air ................................................................................ 18Gambar 2.4 Bentuk Molekul Etanol ................................................................... 21Gambar 3.1 Bom Kalori Meter ........................................................................... 25Gambar 3.2 Genset STARKE Tipe GFH1900LX............................................... 26Gambar 3.3 Alat uji emisi Sukyong SY-GA 401............................................... 27Gambar 3.4 Tachometer ...................................................................................... 28Gambar 3.5 Timbangan Digital........................................................................... 28Gambar 3.6 Muti Meter....................................................................................... 29Gambar 3.7 Stop watch ....................................................................................... 30Gambar 3.8 Saluran Udara Modifikasi .............................................................. 30Gambar 3.9 Alat Hidrolisi................................................................................. 31Gambar 3.10 Wadah Penampung Hidrogen ................................................... 33Gambar 3.11 Katub Udara................................................................................ 34Gambar 3.12 Regulator..................................................................................... 34Gambar 3.13 Manometer.................................................................................. 35Gambar 3.14 Diagram Alir Pengujian PerformansiMesin Otto Generator Set........................................................... 39
Gambar 3.15 Alir Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang.................................. 40Gambar 4.1 Grafik Daya (watt) VS Beban(@100Watt).................................... 47Gambar 4.2 Grafik Daya (watt) vs Putaran (rpm) tiap bahan bakar................. 48Gambar 4.3 Grafik Torsi (Nm) VS Beban (@100 Watt)................................... 54Gambar 4.4 Grafik Torsi (N.m) vs Putaran (rpm) tiap bahan bakar .................. 55Gambar 4.4 Grafik SFC (g/kW.h) VS Beban (@ 100Watt).............................. 66Gambar 4.5 Grafik SFC (g/kW.h) vs Putaran (rpm) tiap bahan bakar .............. 67Gambar 4.6 Grafik Efisiensi Thermal Brake (%) VS Beban (@100Watt)....... 82Gambar 4.7 Grafik Efisiensi Termal (%) vs Putaran (rpm) tiap bahan bakar .... 82Gambar 4.8 Grafik AFR vs Beban (@100Watt)................................................ 107Gambar 4.9 Grafik AFR vs Putaran (rpm) tiap bahan bakar ............................. 107Gambar 4.10 Busi yang digunakan dalam pengujian.......................................... 108Gambar 4.11 Busi yang telah digunakan dalam pengujian menggunakan bahan bakar P100% ...................................................................... 109Gambar 4.12 Busi yang telah digunakan dalam pengujian menggunakan bahan bakar E100% ...................................................................... 109Gambar 4.13 Busi yang telah digunakan dalam pengujian menggunakan bahan bakar P50% + E 50% ......................................................... 110Gambar 4.14 Busi yang telah digunakan dalam pengujian menggunakan bahan bakar (P 50% + E 50%)97,5 %+ H 2,5% ........................ 110Gambar 4.16 Grafik kadar CO2 vs Beban .......................................................... 113Gambar 4.17 Grafik Kadar CO2 (%) vs Putaran (rpm) ....................................... 114
Gambar 4.18 Grafik kadar CO vs Beban ............................................................ 115Gambar 4.19 Grafik Kadar CO (%) vs Putaran (rpm) ........................................ 115Gambar 4.20 Grafik kadar Hidrokarbon vs beban .............................................. 116Gambar 4.21 Grafik Kadar HC (ppm) vs Putaran (rpm) ............................. 117Gambar 4.22 Grafik kadar O2 vs Beban ............................................................. 118Gambar 4.23 Grafik Kadar O2 (%) vs Putaran (rpm) .......................................... 118
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Properties of Hydrogen and Other Fuels ........................................ 16Tabel 4.1 Daya pengujian menggunakan bahan bakar P100% ........................... 44Tabel 4.2 Daya pengujian menggunakan bahan bakar E100% ....................... 45Tabel 4.3 Daya pengujian menggunakan bahan bakar P 50% + E50% .............. 46Tabel 4.4 Daya pengujian menggunakan bahan bakar(P50% + E50%)97,5% + H2,5% ....................................................... 47
Tabel 4.5 Torsi pengujian menggunakan bahan bakar P100% ........................... 50Tabel 4.6 Torsi pengujian menggunakan bahan bakar E100% ........................... 51Tabel 4.7 Torsi pengujian menggunakan bahan bakar P50% +E50% ................ 53Tabel 4.8 Torsi pengujian menggunakan bahan bakar(P50% +E50%)97,5% + H 2,5%...................................................... 54
Tabel 4.9 Sfc pengujian menggunakan bahan bakar P100% .............................. 58Tabel 4.10 Sfc pengujian menggunakan bahan bakar E100% ............................ 61Tabel 4.11 Sfc hasil pengujian dengan bahan bakar P 50 % + E 50% ............... 63Tabel 4.12 Sfc hasil pengujian dengan bahan bakar(P50% + E50%)97,5 % + H2,5%.................................................. 66
Tabel 4.13 Efisiensi thermal hasil pengujian dengan bahan bakar P 100%....... 70Tabel 4.14 Efisiensi thermal hasil pengujian menggunakan bahan bakar E100%......................................................................... 72Tabel 4.15 Efisiensi thermal pengujian menggunakan bahan bakar P50%+E50%................................................................74 Tabel 4.16 Efisiensi thermal hasil pengujian dengan bahan bakar (P50% + E50%)97,5% + H2.5 %..................................................
81 Tabel 4.17 AFR hasil pengujian dengan bahan bakar P 100%........................... 88
Tabel 4.18 AFR hasil pengujian dengan bahan bakar E (100%)......................... 93Tabel 4.19 AFR hasil pengujian dengan bahan bakar P 50% + E50%.............. 98Tabel 4.20 AFR hasil pengujian dengan bahan bakar (P50% + E 50%)+ H2,5%................................................................106
Tabel 4.21 Emisi Bahan Bakar P100 % .............................................................. 111Tabel 4.22 Emisi Emisi Bahan Bakar E100% .................................................... 111Tabel 4.23 Emisi Bahan Bakar P50% + E50% .................................................. 112DAFTAR NOTASI SIMBOL KETERANGAN
Massa udara kg
SATUAN
AFR Rasio massa udara-bahan bakar HHV Nilai kalor atas kJ/kg LHV Nilai kalor bawah kJ/kg
̇ Laju aliran massa udara kg/s Massa bahan bakar kg
̇ Laju aliran bahan bakar kg/jam n Putaran mesin rpm Effisiensi termal brake % Daya
Watt Sfc Konsumsi bahan bakar spesifik g/kWh
Waktu untuk menghabiskan bahan bakar detik T Torsi keluaran mesin N.m P a Tekanan udara Pa T a Temperatur udara K
V
d
Volume langkah torak m
3 V c Volume clearance m
3 R Konstanta gas J/kgK