Kajian Performansi Mesin Diesel Stasioner Satu Silinder Menggunakan Katalitik Konverter Dengan Sistem Dual Fuel
KAJIAN PERFORMANSI MESIN DIESEL STASIONER SATU
SILINDER MENGGUNAKAN KATALITIK KONVERTER
DENGAN SISTEM DUA BAHAN BAKAR (DUAL FUEL)
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
Baringin Manalu
(100401108)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015
Abstrak
Permasalahan umum yang dihadapi dunia pada dewasa ini adalah
semakin menipisnya cadangan bahan bakar minyak dan dampak negatif yang
ditimbulkan dari penggunaan bahan bakar minyak tersebut. Fenomena ini
mendorong kita untuk mencari bahan bakar alternatif yang dapat mengatasi kedua
masalah di atas, dalam hal ini adalah Bahan Bakar Gas yaitu biogas. Penelitian ini
bertujuan untuk menganalisa performansi mesin diesel TIGER R175AN yang
dirancang menggunakan sistem dua bahan bakar (dual fuel) solar dan biogas hasil
limbah kelapa sawit dengan kandungan methan 70% untuk menghasilkan listrik
serta penambahan katalitik konverter dengan harapan mengurangi emisi gas
buang. Daya maksimum diperoleh pada penggunaan solar murni + 4 l/min biogas
sebesar 1381,76 Watt, torsi maksimum terjadi pada solar murni + 4 l/min biogas,
sebesar 8,8 Nm pada pembebanan 1500 Watt putaran 1500 rpm, SFC maksimum
terjadi pada bahan bakar solar pembebanan 600 Watt putaran 1000 rpm sebesar
875,29 gr/kWjam, nilai AFR maksimum pada solar + 6 l/min biogas pembebanan
600 Watt putaran 1000 rpm sebesar 292,37, efisiensi thermal maksimum pada
solar + 6 l/min biogas sebesar 45,26 % pada pembebanan 600 Watt putaran
1000rpm, tekanan efektif rata-rata maksimum terjadi pada solar + 4 l/min biogas
pembebanan 1200 Watt putaran 1500 rpm sebesar 312,93 kPa, opacity terbesar
pada penggunaan solar + 2 l/min biogas pada pembebanan 1500 watt putaran
1500 rpm sebesar 31 %. Kadar HC (Hidro Carbon) dan CO (Carbon Monoksida)
mengalami penurunan saat menggunakan katalitik konverter. Dengan memakai
biogas dapat menghemat nilai ekonomis solar.
Kata kunci : Mesin Diesel, Bahan bakar fosil, Bahan Bakar solar, Biogas,
Performansi, uji emisi, nilai ekonomis.
Abstract
Common problems facing the world at the present time is the depletion of
petroleum reserves and negative impacts of the use of fuel oil. This phenomenon
prompted us to look for alternative fuels that can solve both problems at the top,
in this case the gas fuel is biogas. This study aims to analyze the performance of
the diesel engine designed R175AN TIGER system uses two fuel (dual fuel) diesel
and biogas results of palm oil waste to methane content of 70% to produce
electricity as well as the addition of catalytic converters in the hope of reducing
exhaust emissions. Maximum power is obtained on the use of pure diesel + 4 l /
min for 1381.76 biogas Watt, maximum torque occurs in pure diesel + 4 l / min
biogas, amounting to 8.8 Nm at 1500 Watt load rotation 1500 rpm, maximum SFC
occur on materials diesel fuel loading 600 Watt 1000 rpm rotation of 875.29 g /
kWjam, AFR value at solar maximum + 6 l / min biogas load 600 Watt 292.37
rotation of 1000 rpm, the maximum thermal efficiency in solar + 6 l / min for
biogas 45.26% at 1000rpm rotation load of 600 Watt, the average effective
pressure occurs at solar maximum of + 4 l / min biogas loading 1200 Watt 1500
rpm rotation of 312.93 kPa, the largest opacity on the use of diesel + 2 l / min
biogas in 1500 watt load 1500 rpm rotation by 31%. Levels of HC (Hydro
Carbon) and CO (Carbon Monoxide) decreased when using catalytic converters.
By
using
biogas
can
save
the
economic
value
of
solar.
Keywords: Diesel, Fossil Fuel, Fuel diesel, biogas, Performance, emissions
testing, the economic value.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur saya ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas
berkat, kasih, kekuatan dan kesehatan yang diberikan selama pengerjaan skripsi
ini, sehingga skripsi ini dapat saya selesaikan dengan baik.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan
untuk mencapai gela sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu
“KAJIAN
PERFORMANSI
MESIN
DIESEL
STASIONER
SATU
SILINDER MENGGUNAKAN KATALITIK KONVERTER DENGAN
SISTEM DUAL FUEL ”
Dalam penulisan skripsi ini tidak sedikit hambatan yang dihadapi penulis.
Untuk itu penulis secara khusus menyampaikan terima kasih kepada dosen
pembimbing Bapak Dr.Eng. Himsar Ambarita, ST.MT yang telah memberikan
saran dan bimbingan untuk kelancaran penulisan skripsi ini.
Selama penulisan skripsi ini, penulis juga banyak mendapat bantuan dari
berbagai pihak. Oleh karena itu penulis juga mengucapkan terima kasih kepada :
1. Orang tua saya M. Manalu dan E. Br. Siregar yang selalu menjadi
inspirasi buat penulis dari awal masuk kuliah sampai penyelesaian
Skripsi ini.
2. Bapak Dr.Ing.Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin USU yang memberikan kesempatan kepada penulis dalam
menyelesaikan tugas sarjana ini.
3. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT selaku dosen pembimbing,
yang bersedia meluangkan waktu dalam memberikan bimbingan serta
masukan dalam penyelesaian tugas sarjana ini.
4. Partner TA
Arie, Gunung, Bensazar yang saling menerima
kekurangan dan kelebihan satu sama lain, serta selalu menebarkan
virus semangat dalam kekompakan.
5. Seluruh Dosen dan Pegawai Departemen Teknik Mesin USU yang
telah memberikan kesempatan dan urusan administrasi.
6. Saudaraku, abang dan adek serta keluarga besar di kampung yang
tidak berhenti mendukung dan mendoakan penulis.
7. Abang-abang dan rekan-rekan yang tergabung di BMC, Lapo Tuak
Mora, Lapo Tuak KUMAN, VOC, MASTUR FM, SCOOTERIST
SUMUT, SLANKERS MEDAN, ANTI FORMAL, BREAKING
DOWN 94, SVAC, T.SIPIL NOMENSEN, SOPO Community yang
selalu membius semangat kepada penulis dengan slogan “Long Life
Rock n Roll”.
8. Adinda Ricky Maycel Purba, Efenetus, Bayu Bakkara dan semua
adek-adek di Teknik Mesin USU yang telah banyak memberikan doa
serta semangat bagi penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.
9. Abang - abang Senior dan rekan – rekan seperjuangan Teknik Mesin
USU Stambuk 2010 yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang
telah banyak memberikan bantuan serta semangat bagi penulis.
Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurang sempurnaan
dan
kekeliruan dalam penulisan skripsi ini. Oleh karena itu penulis akan sangat
berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran dan kritik yang
membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik.
Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat
kepada pembaca. Terima kasih.
Medan, 17 Agustus 2015
Penulis
Baringin Manalu
NIM. 100401013
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR .................................................................................... i
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ............................................................................... 1
1.2 Tujuan Pengujian............................................................................ 2
1.3 Batasan Masalah ............................................................................. 2
1.4 Manfaat Pengujian.......................................................................... 3
1.5 Metodologi Penulisan ..................................................................... 4
1.6 Sistemetika Penulisan ..................................................................... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Bahan Bakar Hidrokarbon .............................................................. 6
2.1.1 Bahan Bakar Diesel ............................................................... 6
2.1.2 Karakteristik Bahan Bakar Diesel(Solar) .............................. 7
2.2 Bahan Bakar Gas ............................................................................ 9
2.2.1 Sejarah Biogas ....................................................................... 10
2.2.2 Defenisi Biogas ..................................................................... 11
2.2.3 Karakteristik Bahan Bakar Biogas ........................................ 11
2.2.4 Nilai Kalor Bahan Bakar Biogas ........................................... 12
2.2.5 Proses Pemurnian Biogas ...................................................... 13
2.2.6 Proses Pembuatan Biogas …………………………………..14
2.2.7 Kelebihan dan Kekurangan Biogas…………………………16
2.3 Dual Fuel System ........................................................................... 17
2.4 Mesin Diesel ................................................................................... 18
2.4.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel ................................................... 20
2.4.2 Performansi Mesin Diesel ..................................................... 21
2.5 Generator Set.................................................................................. 26
2.6 Emisi Gas Buang ............................................................................ 28
2.6.1 Sumber .................................................................................. 29
2.6.2 Komposisi Kimia................................................................... 29
2.6.3 Bahan Penyusun .................................................................... 29
2.7 Proses Pembakaran dan Bahan Bakar ............................................ 31
2.8 Katalitik Konverter ......................................................................... 35
2.8.1 Konstruksi Katalitik Konverter ............................................. 36
2.8.2 Tipe – Tipe Katalitik Konverter ............................................ 37
2.8.3 Efek Pada Lingkungan .......................................................... 37
2.8.4 Fungsi Lain Dari Katalitik Konverter ................................... 40
2.8.4.1 Sound Absorption Muffler ..................................... 41
2.8.4.2 Sound Cancelation Muffler .................................... 41
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat ......................................................................... 43
3.2 Alat dan Bahan ............................................................................... 43
3.2.1 Alat ........................................................................................ 43
3.2.2 Bahan.... ................................................................................. 55
3.3 Metode Pengumpulan data ............................................................. 55
3.4 Metode Pengolahan data ................................................................ 55
3.5 Pengamatan dan Tahap Pengujian.................................................. 55
3.6 Prosedur Perakitan.......................................................................... 56
3.7 Prosedur Pengujian Prestasi Mesin Diesel .................................... 56
3.8 Diagram Alir Pengujian Performansi Mesin .................................. 59
3.9 Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang ............................................ 60
3.10 Set Up Alat.... ............................................................................... 61
BAB IV HASIL DAN ANALISA DATA
4.1 Daya………………. ......................................................................... 65
4.1.1 Daya yang dihasilkan dengan solar murni ............................ 65
4.1.2 Daya yang dihasilkan dengan solar + biogas 2 l/menit ......... 67
4.1.3 Daya yang dihasilkan dengan solar + biogas 4 l/menit ......... 68
4.1.4 Daya yang dihasilkan dengan solar + biogas 6 l/menit ......... 70
4.2 Torsi………………. ......................................................................... 75
4.2.1 Torsi yang dihasilkan dengan solar murni ............................ 75
4.2.2 Torsi yang dihasilkan dengan solar + biogas 2 l/menit ......... 77
4.2.3 Torsi yang dihasilkan dengan solar + biogas 4 l/menit ......... 78
4.2.4 Torsi yang dihasilkan dengan solar + biogas 6 l/menit ......... 79
4.3 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik.................................................... 84
4.3.1 SFC yang dihasilkan dengan solar murni ............................ 85
4.3.2 SFC yang dihasilkan dengan solar + biogas 2 l/menit .......... 87
4.3.3 SFC yang dihasilkan dengan solar + biogas 4 l/menit .......... 88
4.3.4 SFC yang dihasilkan dengan solar + biogas 6l/menit ........... 90
4.4 Efisiensi Thermal Brake................................................................. 95
4.4.1 Efisiensi Thermal dengan solar murni .................................. 96
4.4.2 Efisiensi Thermal dengan solar + biogas 2 l/menit ............... 97
4.4.3 Efisiensi Thermal dengan solar + biogas 4 l/menit................99
4.4.4 Efisiensi Thermal dengan solar + biogas 6 l/menit...............100
4.5 Rasio Udara Bahan Bakar..............................................................105
4.5.1 AFR dengan solar murni.......................................................106
4.5.2 AFR dengan solar + biogas 2 l/menit....................................108
4.5.3 AFR dengan solar + biogas 4 l/menit....................................110
4.5.4 AFR dengan solar + biogas 6 l/menit....................................111
4.6 Brake Mean Effective Preasure......................................................117
4.6.1 bmep dengan solar murni.....................................................117
4.6.2 bmep dengan solar + biogas 2 l/menit.................................118
4.6.3 bmep dengan solar + biogas 4 l/menit.................................119
4.6.4 bmep dengan solar + biogas 6 l/menit.................................120
4.7 Tinjauan Nilai Ekonomis...............................................................124
4.7.1 Nilai Ekonomis untuk solar murni........................................125
4.7.2 Nilai Ekonomis untuk solar + biogas 2 l/menit.....................126
4.7.3 Nilai Ekonomis untuk solar + biogas 4 l/menit.....................127
4.7.4 Nilai Ekonomis untuk solar + biogas 6 l/menit.....................128
4.8 Emisi Gas Buang........................................................................... 133
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ....................................................................................138
5.2 Saran...............................................................................................139
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Proses Penyulingan Minyak ............................................................6
Gambar 2.2 Pemurnian Biogas ..........................................................................14
Gambar 2.3 Proses Pembuatan Biogas ...............................................................15
Gambar 2.4 Mesin Dengan Sistem Dua Bahan Bakar ........................................17
Gambar 2.5 Diagram P-V Mesin Diesel .............................................................19
Gambar 2.6 Diagram T-S Mesin Diesel..............................................................19
Gambar 2.7 Prinsip Kerja Mesin Diesel .............................................................20
Gambar 2.8 Skema Operasi Dynamometer .........................................................24
Gambar 2.9 Generator ........................................................................................27
Gambar 2.10 Standar Uji Emisi Nasional Indonesia ..........................................28
Gambar 2.11 Grafik Tekanan vs Sudut Engkol ..................................................32
Gambar 2.12 Hidrokarbon rantai lurus ...............................................................34
Gambar 2.13 Alpha-methylnaphtalene................................................................34
Gambar 2.14 Katalitik Konverter........................................................................38
Gambar 2.15 Sound Absorptio............................................................................41
Gambar 2.16 Sound cancelation Muffler………………………………………41
Gambar 2.17 Kombinasi Absorption dan Cancelation………………………...42
Gambar 2.18 Skema Pereduksian Kebisingan…………………………………42
Gambar 3.1 Tiger Diesel Engine Single-Cylinder R175AN……………………...43
Gambar 3.2 Syncronous Generators Single Phase AC…………………………..44
Gambar 3.3 Engine Smoke meter dan Gas Analyzer ...........................................45
Gambar 3.4 Thermocouple Thermometer ............................................................46
Gambar 3.5 Catalitic Converter……………………………………………………….47
Gambar 3.6 Kompressor………………………………………………………...47
Gambar 3.7 Tachometer ......................................................................................48
Gambar 3.8 Flowmeter Gas ................................................................................48
Gambar 3.9 Multi meter ......................................................................................49
Gambar 3.10 Tabung Penyimpanan Biogas ........................................................50
Gambar 3.11 Regulator Gas ................................................................................51
Gambar 3.12 Solenoid Valve ..............................................................................51
Gambar 3.13 Stop watch .....................................................................................52
Gambar 3.14 Manometer ....................................................................................52
Gambar 3.15 Selang Bertekanan .........................................................................53
Gambar 3.16 Rangkaian Lampu .........................................................................53
Gambar 3.17 Alat Perbengkelan .........................................................................54
Gambar 3.18 V-Belt dan Pulley ..........................................................................54
Gambar 3.19 Panel Listrik .................................................................................55
Gambar 3.20 Diagram Alir Pengujian Performansi Mesin Diesel......................59
Gambar 3.21 Diagram Alir Pengujian Emisi Gas Buang ...................................60
Gambar 3.22 Set Up Alat ....................................................................................61
Gambar 3.22 Set Up Pengujian Performansi Mesin Diesel ................................63
Gambar 4.1 Grafik Daya vs RPM , Beban 600 Watt ..........................................71
Gambar 4.2 Grafik Daya vs RPM , Beban 900 Watt ..........................................72
Gambar 4.3 Grafik Daya vs RPM, Beban 1200 Watt .........................................73
Gambar 4.4 Grafik Daya vs RPM, Beban 1500 Watt .........................................74
Gambar 4.5 Grafik Torsivs RPM , Beban 600 Watt ...........................................81
Gambar 4.6 Grafik Torsi vs RPM, Beban 900 Watt ...........................................82
Gambar 4.7 Grafik Torsi vs RPM, Beban 1200 Watt .........................................83
Gambar 4.8 Grafik Torsi vs RPM, Beban 1500 Watt .........................................84
Gambar 4.9 Grafik SFC vs RPM, Beban 600 Watt ............................................92
Gambar 4.10 Grafik SFC vs RPM, Beban 900 Watt ..........................................93
Gambar 4.11 Grafik SFC vs RPM, Beban 1200 Watt .......................................94
Gambar 4.12 Grafik SFC vs RPM, Beban 1500 Watt ........................................95
Gambar 4.13 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM, Beban 600 Watt……………102
Gambar 4.14 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM, Beban 900 Watt……………103
Gambar 4.15 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM , Beban 1200 Watt………….104
Gambar 4.16 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM, Beban 1500 Watt…………..105
Gambar 4.17 Grafik AFR vs RPM, Beban 600 Watt……………………….. .113
Gambar 4.18 Grafik AFR vs RPM, Beban 900 Watt..........................................114
Gambar 4.19 Grafik AFR vs RPM, Beban1200 Watt.........................................115
Gambar 4.20 Grafik AFR vs RPM, Beban 1500 Watt........................................116
Gambar 4.21 Grafik Bmep vs RPM, Beban 600 Watt ........................................122
Gambar 4.22 Grafik Bmep vs RPM, Beban 900 Watt ........................................122
Gambar 4.23 Grafik Bmep vs RPM, Beban 1200 Watt ......................................123
Gambar 4.24 Grafik Bmep vs RPM, Beban 1500 Watt ......................................124
Gambar 4.25 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM, Beban 600 Watt ........................130
Gambar 4.26 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM, Beban 900 Watt ........................131
Gambar 4.27 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM, Beban 1200 Watt ......................132
Gambar 4.28 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM, Beban 1500 Watt ......................133
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Spesifikasi Minyak Solar ...................................................................... 9
Tabel 2.2 Komposisi Kandungan Biogas .............................................................. 11
Tabel 2.3 Sifat Fisik Biogas .................................................................................. 12
Tabel 2.4 Nilai LHV Biogas ................................................................................ 13
Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Daya Solar Murni .................................................... 66
Tabel 4.2 Daya Solar Murni + 2 l/min Biogas ...................................................... 67
Tabel 4.3 Daya Solar Murni + 4 l/min Biogas ...................................................... 69
Tabel 4.4 Daya Solar Murni + 6 l/min Biogas ...................................................... 70
Tabel 4.5 Torsi Solar Murni .................................................................................. 76
Tabel 4.6 Torsi Solar Murni + 2 l/min Biogas ...................................................... 77
Tabel 4.7 Torsi Solar Murni + 4 l/min Biogas ...................................................... 78
Tabel 4.8 Torsi Solar Murni + 6 l/min Biogas ...................................................... 80
Tabel 4.9 SFC Bahan Bakar Solar Murni ............................................................. 86
Tabel 4.10 SFC Bahan Bakar Solar Murni + 2 l/min Biogas ............................... 88
Tabel 4.11 SFC Bahan Bakar Solar Murni + 4 l/min Biogas ............................... 89
Tabel 4.12 SFC Bahan Bakar Solar Murni + 6 l/min Biogas ............................... 91
Tabel 4.13 Efisiensi Thermal Solar Murni............................................................ 97
Tabel 4.14 EfisiensiThermal Solar Murni + 2 l/min Biogas ................................ 98
Tabel 4.15 Efisiensi Thermal Solar Murni + 4 l/min Biogas…………………....99
Tabel 4.16 Efisiensi Thermal Solar Murni + 6 l/min Biogas…………………...101
Tabel 4.17 AFR Bahan Bakar Solar Murni…………………............................107
Tabel 4.18 AFR Bahan Bakar Solar Murni + 2 l/min Biogas………………….109
Tabel 4.19 AFR Bahan Bakar Solar Murni + 4 l/min Biogas………………….110
Tabel 4.20 AFR Bahan Bakar Solar Murni + 6 l/min Biogas………………….112
Tabel 4.21 Besarnya Bmep Pada Solar Murni.. ...................................................117
Tabel 4.22 Besarnya Bmep Pada Solar Murni + 2 l/min Biogas.. .......................118
Tabel 4.23 Besarnya Bmep Pada Solar Murni + 4 l/min Biogas.. .......................120
Tabel 4.24 Besarnya Bmep Pada Solar Murni + 6 l/min Biogas.. .......................121
Tabel 4.25 Nilai Ekonomis Bahan Bakar Solar Murni ........................................125
Tabel 4.26 Nilai Ekonomis Bahan Bakar Solar Murni + 2 l/min Biogas ............127
Tabel 4.27 Nilai Ekonomis Bahan Bakar Solar Murni + 4 l/min Biogas ............128
Tabel 4.28 Nilai Ekonomis Bahan Bakar Solar Murni +6 l/min Biogas .............129
Tabel 4.29 Emisi Gas Buang Solar Murni……………………………………134
Tabel 4.30 Emisi Gas Buang Solar Murni + 2 l/min Biogas…………………...135
Tabel 4.31 Emisi Gas Buang Solar Murni + 4 l/min Biogas ...............................136
Tabel 4.32 Emisi Gas Buang Solar Murni + 6 l/min Biogas ...............................137
DAFTAR NOTASI
SIMBOL
KETERANGAN
SATUAN
PB
Daya Keluaran
Watt
CV
Nilai kalor
kJ/kg
Laju aliran massa udara
kg/s
Lajualiranbahanbakar
kg/jam
Putaran mesin
rpm
Effisiensi termal
%
Sfc
Konsumsibahanbakarspesifik
g/kW.jam
t
Waktupengujian yang ditentukan
jam
Ʈ
Torsi keluaran mesin
N.m
massa jenis bahan bakar
kg/m3
V
Tegangan listrik
Volt
I
Arus Listrik
Ampere
v
Volume bahan bakar
ml
d
Diameter Silinder
mm
S
Panjang Langkah
mm
rc
Rasio Kompresi
Vd
Volume Silinder
m3
Vc
Volume sisa di silinder
m3
AFR
Rasio campuran bahan bakar dan udara
n
SILINDER MENGGUNAKAN KATALITIK KONVERTER
DENGAN SISTEM DUA BAHAN BAKAR (DUAL FUEL)
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
Baringin Manalu
(100401108)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015
Abstrak
Permasalahan umum yang dihadapi dunia pada dewasa ini adalah
semakin menipisnya cadangan bahan bakar minyak dan dampak negatif yang
ditimbulkan dari penggunaan bahan bakar minyak tersebut. Fenomena ini
mendorong kita untuk mencari bahan bakar alternatif yang dapat mengatasi kedua
masalah di atas, dalam hal ini adalah Bahan Bakar Gas yaitu biogas. Penelitian ini
bertujuan untuk menganalisa performansi mesin diesel TIGER R175AN yang
dirancang menggunakan sistem dua bahan bakar (dual fuel) solar dan biogas hasil
limbah kelapa sawit dengan kandungan methan 70% untuk menghasilkan listrik
serta penambahan katalitik konverter dengan harapan mengurangi emisi gas
buang. Daya maksimum diperoleh pada penggunaan solar murni + 4 l/min biogas
sebesar 1381,76 Watt, torsi maksimum terjadi pada solar murni + 4 l/min biogas,
sebesar 8,8 Nm pada pembebanan 1500 Watt putaran 1500 rpm, SFC maksimum
terjadi pada bahan bakar solar pembebanan 600 Watt putaran 1000 rpm sebesar
875,29 gr/kWjam, nilai AFR maksimum pada solar + 6 l/min biogas pembebanan
600 Watt putaran 1000 rpm sebesar 292,37, efisiensi thermal maksimum pada
solar + 6 l/min biogas sebesar 45,26 % pada pembebanan 600 Watt putaran
1000rpm, tekanan efektif rata-rata maksimum terjadi pada solar + 4 l/min biogas
pembebanan 1200 Watt putaran 1500 rpm sebesar 312,93 kPa, opacity terbesar
pada penggunaan solar + 2 l/min biogas pada pembebanan 1500 watt putaran
1500 rpm sebesar 31 %. Kadar HC (Hidro Carbon) dan CO (Carbon Monoksida)
mengalami penurunan saat menggunakan katalitik konverter. Dengan memakai
biogas dapat menghemat nilai ekonomis solar.
Kata kunci : Mesin Diesel, Bahan bakar fosil, Bahan Bakar solar, Biogas,
Performansi, uji emisi, nilai ekonomis.
Abstract
Common problems facing the world at the present time is the depletion of
petroleum reserves and negative impacts of the use of fuel oil. This phenomenon
prompted us to look for alternative fuels that can solve both problems at the top,
in this case the gas fuel is biogas. This study aims to analyze the performance of
the diesel engine designed R175AN TIGER system uses two fuel (dual fuel) diesel
and biogas results of palm oil waste to methane content of 70% to produce
electricity as well as the addition of catalytic converters in the hope of reducing
exhaust emissions. Maximum power is obtained on the use of pure diesel + 4 l /
min for 1381.76 biogas Watt, maximum torque occurs in pure diesel + 4 l / min
biogas, amounting to 8.8 Nm at 1500 Watt load rotation 1500 rpm, maximum SFC
occur on materials diesel fuel loading 600 Watt 1000 rpm rotation of 875.29 g /
kWjam, AFR value at solar maximum + 6 l / min biogas load 600 Watt 292.37
rotation of 1000 rpm, the maximum thermal efficiency in solar + 6 l / min for
biogas 45.26% at 1000rpm rotation load of 600 Watt, the average effective
pressure occurs at solar maximum of + 4 l / min biogas loading 1200 Watt 1500
rpm rotation of 312.93 kPa, the largest opacity on the use of diesel + 2 l / min
biogas in 1500 watt load 1500 rpm rotation by 31%. Levels of HC (Hydro
Carbon) and CO (Carbon Monoxide) decreased when using catalytic converters.
By
using
biogas
can
save
the
economic
value
of
solar.
Keywords: Diesel, Fossil Fuel, Fuel diesel, biogas, Performance, emissions
testing, the economic value.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur saya ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas
berkat, kasih, kekuatan dan kesehatan yang diberikan selama pengerjaan skripsi
ini, sehingga skripsi ini dapat saya selesaikan dengan baik.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan
untuk mencapai gela sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu
“KAJIAN
PERFORMANSI
MESIN
DIESEL
STASIONER
SATU
SILINDER MENGGUNAKAN KATALITIK KONVERTER DENGAN
SISTEM DUAL FUEL ”
Dalam penulisan skripsi ini tidak sedikit hambatan yang dihadapi penulis.
Untuk itu penulis secara khusus menyampaikan terima kasih kepada dosen
pembimbing Bapak Dr.Eng. Himsar Ambarita, ST.MT yang telah memberikan
saran dan bimbingan untuk kelancaran penulisan skripsi ini.
Selama penulisan skripsi ini, penulis juga banyak mendapat bantuan dari
berbagai pihak. Oleh karena itu penulis juga mengucapkan terima kasih kepada :
1. Orang tua saya M. Manalu dan E. Br. Siregar yang selalu menjadi
inspirasi buat penulis dari awal masuk kuliah sampai penyelesaian
Skripsi ini.
2. Bapak Dr.Ing.Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin USU yang memberikan kesempatan kepada penulis dalam
menyelesaikan tugas sarjana ini.
3. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT selaku dosen pembimbing,
yang bersedia meluangkan waktu dalam memberikan bimbingan serta
masukan dalam penyelesaian tugas sarjana ini.
4. Partner TA
Arie, Gunung, Bensazar yang saling menerima
kekurangan dan kelebihan satu sama lain, serta selalu menebarkan
virus semangat dalam kekompakan.
5. Seluruh Dosen dan Pegawai Departemen Teknik Mesin USU yang
telah memberikan kesempatan dan urusan administrasi.
6. Saudaraku, abang dan adek serta keluarga besar di kampung yang
tidak berhenti mendukung dan mendoakan penulis.
7. Abang-abang dan rekan-rekan yang tergabung di BMC, Lapo Tuak
Mora, Lapo Tuak KUMAN, VOC, MASTUR FM, SCOOTERIST
SUMUT, SLANKERS MEDAN, ANTI FORMAL, BREAKING
DOWN 94, SVAC, T.SIPIL NOMENSEN, SOPO Community yang
selalu membius semangat kepada penulis dengan slogan “Long Life
Rock n Roll”.
8. Adinda Ricky Maycel Purba, Efenetus, Bayu Bakkara dan semua
adek-adek di Teknik Mesin USU yang telah banyak memberikan doa
serta semangat bagi penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.
9. Abang - abang Senior dan rekan – rekan seperjuangan Teknik Mesin
USU Stambuk 2010 yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang
telah banyak memberikan bantuan serta semangat bagi penulis.
Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurang sempurnaan
dan
kekeliruan dalam penulisan skripsi ini. Oleh karena itu penulis akan sangat
berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran dan kritik yang
membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik.
Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat
kepada pembaca. Terima kasih.
Medan, 17 Agustus 2015
Penulis
Baringin Manalu
NIM. 100401013
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR .................................................................................... i
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ............................................................................... 1
1.2 Tujuan Pengujian............................................................................ 2
1.3 Batasan Masalah ............................................................................. 2
1.4 Manfaat Pengujian.......................................................................... 3
1.5 Metodologi Penulisan ..................................................................... 4
1.6 Sistemetika Penulisan ..................................................................... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Bahan Bakar Hidrokarbon .............................................................. 6
2.1.1 Bahan Bakar Diesel ............................................................... 6
2.1.2 Karakteristik Bahan Bakar Diesel(Solar) .............................. 7
2.2 Bahan Bakar Gas ............................................................................ 9
2.2.1 Sejarah Biogas ....................................................................... 10
2.2.2 Defenisi Biogas ..................................................................... 11
2.2.3 Karakteristik Bahan Bakar Biogas ........................................ 11
2.2.4 Nilai Kalor Bahan Bakar Biogas ........................................... 12
2.2.5 Proses Pemurnian Biogas ...................................................... 13
2.2.6 Proses Pembuatan Biogas …………………………………..14
2.2.7 Kelebihan dan Kekurangan Biogas…………………………16
2.3 Dual Fuel System ........................................................................... 17
2.4 Mesin Diesel ................................................................................... 18
2.4.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel ................................................... 20
2.4.2 Performansi Mesin Diesel ..................................................... 21
2.5 Generator Set.................................................................................. 26
2.6 Emisi Gas Buang ............................................................................ 28
2.6.1 Sumber .................................................................................. 29
2.6.2 Komposisi Kimia................................................................... 29
2.6.3 Bahan Penyusun .................................................................... 29
2.7 Proses Pembakaran dan Bahan Bakar ............................................ 31
2.8 Katalitik Konverter ......................................................................... 35
2.8.1 Konstruksi Katalitik Konverter ............................................. 36
2.8.2 Tipe – Tipe Katalitik Konverter ............................................ 37
2.8.3 Efek Pada Lingkungan .......................................................... 37
2.8.4 Fungsi Lain Dari Katalitik Konverter ................................... 40
2.8.4.1 Sound Absorption Muffler ..................................... 41
2.8.4.2 Sound Cancelation Muffler .................................... 41
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat ......................................................................... 43
3.2 Alat dan Bahan ............................................................................... 43
3.2.1 Alat ........................................................................................ 43
3.2.2 Bahan.... ................................................................................. 55
3.3 Metode Pengumpulan data ............................................................. 55
3.4 Metode Pengolahan data ................................................................ 55
3.5 Pengamatan dan Tahap Pengujian.................................................. 55
3.6 Prosedur Perakitan.......................................................................... 56
3.7 Prosedur Pengujian Prestasi Mesin Diesel .................................... 56
3.8 Diagram Alir Pengujian Performansi Mesin .................................. 59
3.9 Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang ............................................ 60
3.10 Set Up Alat.... ............................................................................... 61
BAB IV HASIL DAN ANALISA DATA
4.1 Daya………………. ......................................................................... 65
4.1.1 Daya yang dihasilkan dengan solar murni ............................ 65
4.1.2 Daya yang dihasilkan dengan solar + biogas 2 l/menit ......... 67
4.1.3 Daya yang dihasilkan dengan solar + biogas 4 l/menit ......... 68
4.1.4 Daya yang dihasilkan dengan solar + biogas 6 l/menit ......... 70
4.2 Torsi………………. ......................................................................... 75
4.2.1 Torsi yang dihasilkan dengan solar murni ............................ 75
4.2.2 Torsi yang dihasilkan dengan solar + biogas 2 l/menit ......... 77
4.2.3 Torsi yang dihasilkan dengan solar + biogas 4 l/menit ......... 78
4.2.4 Torsi yang dihasilkan dengan solar + biogas 6 l/menit ......... 79
4.3 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik.................................................... 84
4.3.1 SFC yang dihasilkan dengan solar murni ............................ 85
4.3.2 SFC yang dihasilkan dengan solar + biogas 2 l/menit .......... 87
4.3.3 SFC yang dihasilkan dengan solar + biogas 4 l/menit .......... 88
4.3.4 SFC yang dihasilkan dengan solar + biogas 6l/menit ........... 90
4.4 Efisiensi Thermal Brake................................................................. 95
4.4.1 Efisiensi Thermal dengan solar murni .................................. 96
4.4.2 Efisiensi Thermal dengan solar + biogas 2 l/menit ............... 97
4.4.3 Efisiensi Thermal dengan solar + biogas 4 l/menit................99
4.4.4 Efisiensi Thermal dengan solar + biogas 6 l/menit...............100
4.5 Rasio Udara Bahan Bakar..............................................................105
4.5.1 AFR dengan solar murni.......................................................106
4.5.2 AFR dengan solar + biogas 2 l/menit....................................108
4.5.3 AFR dengan solar + biogas 4 l/menit....................................110
4.5.4 AFR dengan solar + biogas 6 l/menit....................................111
4.6 Brake Mean Effective Preasure......................................................117
4.6.1 bmep dengan solar murni.....................................................117
4.6.2 bmep dengan solar + biogas 2 l/menit.................................118
4.6.3 bmep dengan solar + biogas 4 l/menit.................................119
4.6.4 bmep dengan solar + biogas 6 l/menit.................................120
4.7 Tinjauan Nilai Ekonomis...............................................................124
4.7.1 Nilai Ekonomis untuk solar murni........................................125
4.7.2 Nilai Ekonomis untuk solar + biogas 2 l/menit.....................126
4.7.3 Nilai Ekonomis untuk solar + biogas 4 l/menit.....................127
4.7.4 Nilai Ekonomis untuk solar + biogas 6 l/menit.....................128
4.8 Emisi Gas Buang........................................................................... 133
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ....................................................................................138
5.2 Saran...............................................................................................139
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Proses Penyulingan Minyak ............................................................6
Gambar 2.2 Pemurnian Biogas ..........................................................................14
Gambar 2.3 Proses Pembuatan Biogas ...............................................................15
Gambar 2.4 Mesin Dengan Sistem Dua Bahan Bakar ........................................17
Gambar 2.5 Diagram P-V Mesin Diesel .............................................................19
Gambar 2.6 Diagram T-S Mesin Diesel..............................................................19
Gambar 2.7 Prinsip Kerja Mesin Diesel .............................................................20
Gambar 2.8 Skema Operasi Dynamometer .........................................................24
Gambar 2.9 Generator ........................................................................................27
Gambar 2.10 Standar Uji Emisi Nasional Indonesia ..........................................28
Gambar 2.11 Grafik Tekanan vs Sudut Engkol ..................................................32
Gambar 2.12 Hidrokarbon rantai lurus ...............................................................34
Gambar 2.13 Alpha-methylnaphtalene................................................................34
Gambar 2.14 Katalitik Konverter........................................................................38
Gambar 2.15 Sound Absorptio............................................................................41
Gambar 2.16 Sound cancelation Muffler………………………………………41
Gambar 2.17 Kombinasi Absorption dan Cancelation………………………...42
Gambar 2.18 Skema Pereduksian Kebisingan…………………………………42
Gambar 3.1 Tiger Diesel Engine Single-Cylinder R175AN……………………...43
Gambar 3.2 Syncronous Generators Single Phase AC…………………………..44
Gambar 3.3 Engine Smoke meter dan Gas Analyzer ...........................................45
Gambar 3.4 Thermocouple Thermometer ............................................................46
Gambar 3.5 Catalitic Converter……………………………………………………….47
Gambar 3.6 Kompressor………………………………………………………...47
Gambar 3.7 Tachometer ......................................................................................48
Gambar 3.8 Flowmeter Gas ................................................................................48
Gambar 3.9 Multi meter ......................................................................................49
Gambar 3.10 Tabung Penyimpanan Biogas ........................................................50
Gambar 3.11 Regulator Gas ................................................................................51
Gambar 3.12 Solenoid Valve ..............................................................................51
Gambar 3.13 Stop watch .....................................................................................52
Gambar 3.14 Manometer ....................................................................................52
Gambar 3.15 Selang Bertekanan .........................................................................53
Gambar 3.16 Rangkaian Lampu .........................................................................53
Gambar 3.17 Alat Perbengkelan .........................................................................54
Gambar 3.18 V-Belt dan Pulley ..........................................................................54
Gambar 3.19 Panel Listrik .................................................................................55
Gambar 3.20 Diagram Alir Pengujian Performansi Mesin Diesel......................59
Gambar 3.21 Diagram Alir Pengujian Emisi Gas Buang ...................................60
Gambar 3.22 Set Up Alat ....................................................................................61
Gambar 3.22 Set Up Pengujian Performansi Mesin Diesel ................................63
Gambar 4.1 Grafik Daya vs RPM , Beban 600 Watt ..........................................71
Gambar 4.2 Grafik Daya vs RPM , Beban 900 Watt ..........................................72
Gambar 4.3 Grafik Daya vs RPM, Beban 1200 Watt .........................................73
Gambar 4.4 Grafik Daya vs RPM, Beban 1500 Watt .........................................74
Gambar 4.5 Grafik Torsivs RPM , Beban 600 Watt ...........................................81
Gambar 4.6 Grafik Torsi vs RPM, Beban 900 Watt ...........................................82
Gambar 4.7 Grafik Torsi vs RPM, Beban 1200 Watt .........................................83
Gambar 4.8 Grafik Torsi vs RPM, Beban 1500 Watt .........................................84
Gambar 4.9 Grafik SFC vs RPM, Beban 600 Watt ............................................92
Gambar 4.10 Grafik SFC vs RPM, Beban 900 Watt ..........................................93
Gambar 4.11 Grafik SFC vs RPM, Beban 1200 Watt .......................................94
Gambar 4.12 Grafik SFC vs RPM, Beban 1500 Watt ........................................95
Gambar 4.13 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM, Beban 600 Watt……………102
Gambar 4.14 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM, Beban 900 Watt……………103
Gambar 4.15 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM , Beban 1200 Watt………….104
Gambar 4.16 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM, Beban 1500 Watt…………..105
Gambar 4.17 Grafik AFR vs RPM, Beban 600 Watt……………………….. .113
Gambar 4.18 Grafik AFR vs RPM, Beban 900 Watt..........................................114
Gambar 4.19 Grafik AFR vs RPM, Beban1200 Watt.........................................115
Gambar 4.20 Grafik AFR vs RPM, Beban 1500 Watt........................................116
Gambar 4.21 Grafik Bmep vs RPM, Beban 600 Watt ........................................122
Gambar 4.22 Grafik Bmep vs RPM, Beban 900 Watt ........................................122
Gambar 4.23 Grafik Bmep vs RPM, Beban 1200 Watt ......................................123
Gambar 4.24 Grafik Bmep vs RPM, Beban 1500 Watt ......................................124
Gambar 4.25 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM, Beban 600 Watt ........................130
Gambar 4.26 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM, Beban 900 Watt ........................131
Gambar 4.27 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM, Beban 1200 Watt ......................132
Gambar 4.28 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM, Beban 1500 Watt ......................133
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Spesifikasi Minyak Solar ...................................................................... 9
Tabel 2.2 Komposisi Kandungan Biogas .............................................................. 11
Tabel 2.3 Sifat Fisik Biogas .................................................................................. 12
Tabel 2.4 Nilai LHV Biogas ................................................................................ 13
Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Daya Solar Murni .................................................... 66
Tabel 4.2 Daya Solar Murni + 2 l/min Biogas ...................................................... 67
Tabel 4.3 Daya Solar Murni + 4 l/min Biogas ...................................................... 69
Tabel 4.4 Daya Solar Murni + 6 l/min Biogas ...................................................... 70
Tabel 4.5 Torsi Solar Murni .................................................................................. 76
Tabel 4.6 Torsi Solar Murni + 2 l/min Biogas ...................................................... 77
Tabel 4.7 Torsi Solar Murni + 4 l/min Biogas ...................................................... 78
Tabel 4.8 Torsi Solar Murni + 6 l/min Biogas ...................................................... 80
Tabel 4.9 SFC Bahan Bakar Solar Murni ............................................................. 86
Tabel 4.10 SFC Bahan Bakar Solar Murni + 2 l/min Biogas ............................... 88
Tabel 4.11 SFC Bahan Bakar Solar Murni + 4 l/min Biogas ............................... 89
Tabel 4.12 SFC Bahan Bakar Solar Murni + 6 l/min Biogas ............................... 91
Tabel 4.13 Efisiensi Thermal Solar Murni............................................................ 97
Tabel 4.14 EfisiensiThermal Solar Murni + 2 l/min Biogas ................................ 98
Tabel 4.15 Efisiensi Thermal Solar Murni + 4 l/min Biogas…………………....99
Tabel 4.16 Efisiensi Thermal Solar Murni + 6 l/min Biogas…………………...101
Tabel 4.17 AFR Bahan Bakar Solar Murni…………………............................107
Tabel 4.18 AFR Bahan Bakar Solar Murni + 2 l/min Biogas………………….109
Tabel 4.19 AFR Bahan Bakar Solar Murni + 4 l/min Biogas………………….110
Tabel 4.20 AFR Bahan Bakar Solar Murni + 6 l/min Biogas………………….112
Tabel 4.21 Besarnya Bmep Pada Solar Murni.. ...................................................117
Tabel 4.22 Besarnya Bmep Pada Solar Murni + 2 l/min Biogas.. .......................118
Tabel 4.23 Besarnya Bmep Pada Solar Murni + 4 l/min Biogas.. .......................120
Tabel 4.24 Besarnya Bmep Pada Solar Murni + 6 l/min Biogas.. .......................121
Tabel 4.25 Nilai Ekonomis Bahan Bakar Solar Murni ........................................125
Tabel 4.26 Nilai Ekonomis Bahan Bakar Solar Murni + 2 l/min Biogas ............127
Tabel 4.27 Nilai Ekonomis Bahan Bakar Solar Murni + 4 l/min Biogas ............128
Tabel 4.28 Nilai Ekonomis Bahan Bakar Solar Murni +6 l/min Biogas .............129
Tabel 4.29 Emisi Gas Buang Solar Murni……………………………………134
Tabel 4.30 Emisi Gas Buang Solar Murni + 2 l/min Biogas…………………...135
Tabel 4.31 Emisi Gas Buang Solar Murni + 4 l/min Biogas ...............................136
Tabel 4.32 Emisi Gas Buang Solar Murni + 6 l/min Biogas ...............................137
DAFTAR NOTASI
SIMBOL
KETERANGAN
SATUAN
PB
Daya Keluaran
Watt
CV
Nilai kalor
kJ/kg
Laju aliran massa udara
kg/s
Lajualiranbahanbakar
kg/jam
Putaran mesin
rpm
Effisiensi termal
%
Sfc
Konsumsibahanbakarspesifik
g/kW.jam
t
Waktupengujian yang ditentukan
jam
Ʈ
Torsi keluaran mesin
N.m
massa jenis bahan bakar
kg/m3
V
Tegangan listrik
Volt
I
Arus Listrik
Ampere
v
Volume bahan bakar
ml
d
Diameter Silinder
mm
S
Panjang Langkah
mm
rc
Rasio Kompresi
Vd
Volume Silinder
m3
Vc
Volume sisa di silinder
m3
AFR
Rasio campuran bahan bakar dan udara
n