View of AT STUDI EKSPERIMENTAL VARIASI TEKANAN BAHAN BAKAR DAN SUDUT PENGAPIAN ENGINE EFI BERBAHAN BAKAR GASOHOL E 20 TERHADAP EMISI GAS BUANG
STUDI EKSPERIMENTAL VARIASI TEKANAN BAHAN BAKAR DAN SUDUT PENGAPIAN ENGINE EFI BERBAHAN BAKAR GASOHOL E 20 TERHADAP EMISI GAS BUANG
Arif Setyo Nugroho
Staf Pengajar Akademi Teknologi Warga Surakarta
ABSTRACT Bioethanol is a potential renewable fuel, because it can be mixed with gasoline to gasohol. Research purposes is to determine the influence of ethanol content of E20 on the performance and characteristics the vehicle engine exhaust gases, by varying the fuel pressure and ignition timing . From the test results obtained, an increase in CO levels along with increased pressure fuel into the combustion chamber, The lower levels of HC combustion more complete, this shows little fuel is wasted. The higher levels of CO more perfect combustion. With the change of pressure
2
variations will affect the size of the engine RPM. Where the greater the pressure and ignition timing is then lamdha (λ) will be much smaller . Key word : Gasohol,HC,Lamdha,CO,CO
2 Pendahuluan dengan angka oktan yang cukup
Proses pembakaran yang tinggi dapat ditempuh dengan terjadi diruang bakar merupakan beberapa caraantara lain : serangkaian proses kimia yang Menggunakan komponen yang melibatkan campuran bahan bakar beroktan tinggi sebagai bahan berupa HC dengan oksigen,proses bakar, contohnya dengan pembakaran ini menghasilakn penambahan alkohol atau empat macam gas buang berupa menambahkan aditif peningkat CO
2 , CO, NO x dan HC, keempat angka oktan
macam gas buang ini terbentuk Pemakaian ethanol murni pada proses pembakaran sempurnas secara langsung pada mesin bensin dan tidak sempurna. akan sulit karena diperlukan
Menaikan angka oktan pada banyak modifikasi. Pada mesin adalah salah satu upaya temperatur rendah ethanol akan untuk meningkatkan kualitas sulit terbakar, sehingga dengan bensin.Untuk mendapatkan bensin ethanol murni mesin akan sulit starting. Pencampuran ethanol dengan bensin akan mempermudah starting pada temperatur rendah. Mencampur ethanol dengan bensin akan menghasilkan gasohol. Dan komposisi ethanol dengan bensin pada komposisi tertentu akan menghasilkan performa mesin yang baik.
Penurunan emisi gas buang karbon monoksida sebesar 50% sangatlah berarti, sehingga diharapkan nilai ambang batas ambien dari gas buang tidak akan terlampaui dalam waktu cepat, mengurangi proses pemanasan global dan lokal. Pemakaian bahan bakar yang berasal dari campuran etanol dan bensin pada mesin engine stand EFI dengan perlakuan sudut throutel dan sudaut pengapian perlu dilakukan pengakajian selain kondisi seperti tersebut diatas, didasarkan hal tersebut diatas maka perlu dilakukan penelitian guna memperoleh hasil emisi gas buang.
Tujuan Penelitian Untuk mengetahui pengaruh kadar etanol untuk gas buang mesin kendaraan. Dengan cara memvariasikan tekanan bahan bakar dan sudut pengapian .
Tinjauan Pustaka Bambang sugiarto (2002) dalam penelitiannya menjelaskan bahwa untuk menaikan angka oktan pada mesin adalah salah satu upaya untuk meningkatkan kualitas bensin.Untuk mendapatkan bensin dengan angka oktan yang cukup tinggi dapat ditempuh dengan beberapa cara antara lain : Menggunakan komponen yang beroktan tinggi sebagai bahan bakar ,contohnya dengan penambahan alkohol atau menambahkan aditif peningkat
Wei-Dong Hsieh (2002) dalam penelitiannya menjelaskan hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan meningkatkan kadar etanol, nilai panas bahan bakar dicampur menurun, sedangkan angka oktan dari campuran bahan bakar meningkat. Hal ini juga menemukan bahwa dengan meningkatnya kandungan etanol, uap Reid tekanan bahan bakar dicampur awalnya meningkat menjadi maksimum pada penambahan etanol 10%, dan kemudian menurun. Hasil uji mesin menunjukkan bahwa menggunakan etanol-bensin dicampur bahan bakar, torsi output dan konsumsi bahan bakar mesin sedikit meningkat; Emisi CO dan HC menurun secara dramatis sebagai akibat dari pengaruh bersandar disebabkan oleh penambahan etanol dan CO
2 emisi meningkat karena pembakaran ditingkatkan.
Dan emisi NO x tergantung pada kadar campuran ethanol dan kondisi mesin.
Atok Setiyawan (2007) dalam penelitiannya menjelaskan pemajuan ignition timing dan peningkatan compression ratio dapat menambah unjuk kerja motor bensin berbahan bakar E-85 bila dibandingkan dengan kondisi standar, meskipun masih dibawah timing terbaik dicapai pada 30_ BTDC sedangkan compressio ratio tercapai pada kondisi maksimum, yaitu 10,2:1. Berdasarkan variasi ignition timing dan compression ratio yang diteliti, hasil peneletian menunjukkan bahwa menentukan igntion timing yang tepat dapat memberikan perbaikkan unjuk kerja motor bensin secara signifikan dibandingkan dengan compression ratio. Mereduksi CO dan mengcompered emisi HC lebih baik pada sudut pengapian ini.
Yu-Liang Chen dkk (2010),dalam penelitiannya menjelaskan untuk mengurangi jumlah polusi udara, desain baru kendaraan, seperti pengisian bahan bakar elektronik (EFI) mesin atau menggunakan bahan bakar alternatif adalah kebutuhan yang mebdesak. Dalam studi ini, dengan menggunakan etanol sebagai bahan bakar alternatif dalam mesin sepeda motor diselidiki dalam aspek analisis emisi dan kinerja mesin.
Secara umum, output mesin, emisi gas buang CO dan NOx menurun dengan meningkatnya kandungan etanol dalam bahan bakar. Etanol campuran bensin-tinggi rasio (> 20%) menghasilkan pengurangan emisi lebih kecil dibandingkan rasio campuran rendah (<15%).
Tolga Topgul dkk (2006) bahwa bensin tanpa timbal yang dicampur dengan ethanol dengan campuran tertentu dapat meningkatkan torsi dan menurunkan emisi gas karbon monoksida dan hidrokarbon,dapat meningkatkan rasio kompresi tanpa terjadi knocking.
Proses pembakaran akan terjadi jika unsur – unsur bahan bakar teroksidasi .Proses ini akan menghasilkan panas sehingga akan disebut sebagai proses oksidasi eksotermis.Jika oksigen yang dibutuhkan untuk proses pembakaran diperoleh dari udara,dimana udara terdiri dari 21 % oksigen dan 78 % nitrogen,maka reaksi stoikiometri pembakaran hidrokarbon murni C m H n dapat ditulis dengan persamaan
(1) Air Fuel Ratio (AFR) Dan Fuel Air Ratio. (FAR) Air Fuel Ratio adalah faktor yang mempengaruhi kesempurnaan proses pembakaran di dalam ruang bakar. Merupakan komposisi campuran bensin dan udara . Idealnya AFR bernilai 14,7 . Artinya campuran terdiri dari 1 bensin berbanding 14,7 udara atau disebut dengan istilah Stoichiometry. Pemakaian udara yang tidak stoikiometris, dikenal istilah Equivalent Ratio(ER). Equivalent Ratio (ER) atau Fuel Air Ratio (FAR) adalah perbandingan antara jumlah (bahan bakar/ udara) yang digunakan dan jumlah (bahan bakar/ udara) stoikiometris. Dengan demikian maka:FAR (lamda) = 1, berarti reaksi stoikiometris tetap sama dengan harga AFR ideal. (lamda) <1,berarti pemakaian udara kurang dari keperluan reaksi stoikiometris.(campuran kaya) ,(lamda) >1,berarti pemakaian udara lebih dari keperluan reaksi stoikiometris (campuran miskin)
(2) (3)
Laju aliran massa udara adalah M udara = ρ.v.A (kg/s)
(4) Laju aliran bahan bakar adalah M bahan bakar = ρ.v.A (kg/s) (5)
(6) Konsumsi bahan bakar spesifik (S
fc
) (7)
Besarnya laju aliran massa bahan bakar (m
f
) (8)
Metodologi Pengujian untuk mengetahui karakter hasil pembakaran atau sifat gas buang dari pengujian bahan bakar E 20,Pengujian dilakukan dengan engine stand jenis mesin kijang K7E.Kemudian pengujian dilakukan dengan menvariasikan tekanan pada sudut pengapian 8º,10º,12º,dan 15º dan pada tekanan 2.25,2.5,3,3.5 setiap sudut pengapian pada keadaan stasioner.
Bahan bakar yang digunakan adalah campuran bahan bakar ethanol dan premium atau sering disebut gasohol E 20,kadar ethanol yang digunakan adalah 96 %. Pengambilan data pada tekanan
4. Mesin yang digunakan adalah yang bervariasi dan pada kondisi engine stand (kijang K 7 E) rpm stationer menyebabkan emisi
5. Pengaturan tekanan di lakukan gas buang mempunyai kandungan dengan cara pemasangan katup kadar komponen yang terbesar dan alat ukur tekanan. ,bahwa gas karbon monoksida yang berasal dari gas buang kendaraan akan sangat tinggi pada saat motor dioperasikan pada beban yang besar dan putaran yang rendah, pada kondisi macet inilah maka motor beroperasi pada beban yang tinggi namun putaran rendah. Ini
Gambar 1 pemasangan alat uji pada engine
mengakibatkan, gas karbon monoksida yang dilepas ke Hasil dan Pembahasan Ethanol (E20) Campuran Ethanol pada saat macet. dan gasoline.Ethanol (C2H5OH) =
Pengujian dilakukan untuk 20 % & Gasoline (C8H18) = 80 %
mengetahui fenomena yang terjadi Campuran ideal untuk pembakaran pada mesin Otto (kijang K 7 E) antara udara dan masing-masing dengan menggunakan bahan bakar senyawa penyusun bensin dapat premium dan gashohol E dihitung dari massa relatif masing-
20.Parameter utama yang diamati masing atom dan kesetimbangan yaitu komponen gas buang dengan reaksi kimia. Massa relatif atom- cara memvariasikan sudut atom penyusun bensin dan oksigen pengapian dan tekanan bahan bakar adalah:Carbon,C: 12; Hidrogen, H : yang masuk di ruang bakar,analisa 1; Oxygen, O : 16;Nitrogen ,N :14. gas buang yang dihasilkan.
Reaksi Stoikiometrinya : Pengujian ini didasarkan pada kondisi sebagai berikut :
[C2H5OH + 4C8H18] + 53[O2 +
1. Tekanan udara luar standar 1 3,76N2] 34CO2 + atm.
39H2O + 199,28N 2 (9)
2. Bahan bakar yang digunakan C2H5OH + 4C8H18 + 53 O2 +
Gasohol E20 199,28
N2
3. Rpm stasioner mesin mengikuti variasi sudut pengapian.
34CO2 + 39 H2O + 199,28 N2 (10) Emisi gas buang lebih banyak Dari gambar 3 data hasil terjadi akibat pembakaran yang pengujian dapat diketahui besarnya tidak sempurna. Pada langkah masing – masing unsur gas buang pembakaran, sebagian dari dimana setiap unsurnya memiliki campuran bahan bakar udara besaran yang bervariasi tersebut tidak ikut terbakar akibat Sudut Tekanan RPM LANDH (%Vol) (%Vol) (%Vol) (%Vol) CO CO₂ HC O₂ pembakaran yang tidak No peng awas (kg/cm²) Stasioner A ω sempurna. 2.25 1050 5.29 9 327 1617 1.419
Hal ini menimbulkan gas 2.5 1050 5.35 8.9 331 18.6 1.482 HC yang masih berupa 1 8⁰ 3 1000 9.04 8.3 381 17.7 1.419 hidrokarbon (C x H y ).Pada tahap 3.5 990 9.36 8.1 403 16.1 1.345 ini sebagian hidrokarbon bahan 2 2.25 11 10 5.3 8.7 37 3 18 .7 1.493 bakar yang akan bereaksi dengan 2.5 1070 5.74 8.3 421 16.8 1.4 udara menjadi gas CO akibat 10⁰ 3 1090 9.24 8.3 455 17.1 1.388 reaksi pada temperatur tinggi dan 3 2.25 1160 3.5 10 40 8.12 9.76 8.7 392 7.8 49 8 16 .1 1.326 17.8 1.464
Jika campuran bahan bakar 12⁰ 2.5 1110 3 1070 9.26 8.63 7.9 474 8.2 432 18.3 1.435 17.6 1.436 dengan udara berlebih maka gas 3.5 1070 9.61 7.6 588 17.4 1.383 NO juga akan timbul pada saat 4 2.25 1240 8.33 8.5 569 18.2 1.465 temperatur tinggi. Pembakaran 15 ⁰ 2.5 1240 8.57 7.9 600 14.8 1.329 sempurna mempunyai produk 3 1150 9.56 7.7 654 17.5 1.32 CO
2 dan H
2 O. Sedang kan 3.5 1150 9.69 7.4 645 16.3 1.314
pembakaran yang tidak sempurna
Gambar 3 data hasil pengujian
menghasilkan produk tambahan Data diambil berdasarkan
CO, HC, NO X , dan partikulat. hasil pengujian dengan
Emisi inilah yang relatif berbahaya memvariasikan sudut pengapian terhadap manusia dan lingkungan. dan mengatur tekanan bahan bakar yang masuk ke injektor dengan mengendalikan saluran bahan bakar.
Gambar 2 alat uji gas analiser status proses pembakaran di ruang bakar,dengan memvariasikan tekanan dan sudut pengapian
Gambar 4 grafik pengaruh tekanan terhadap kadar CO.
Dari gambar 4 dapat diketahui bahwa adanya peningkatan kadar
Gambar 5 grafik pengaruh tekanan terhadap
CO seiring dengan peningkatan kadar CO . 2 tekanan bahan bakar yang masuk
Semakin tinggi kadar CO 2 ke dalam ruang bakar,sehingga dalam emisi gas buang maka mempengaruhi pembakaran semakin baik,artinya pembakaran diruang bakar.Kadar CO adalah didalam ruang bakar adalah kadar yang perlu ditekan karena pembakaran yang sempurna. Saat CO adalah racun. Kadar CO
AFR berada di angka ideal, emisi dipengaruhi oleh kecilnya nilai CO berkisar antara 12% sampai
2
lambda, harga lambda yang 15%. dibawah 1 maka campuran dianggap kaya, naiknya jumlah bahan bakar yang masuk keruang bakar menyebabkan jumlah oksigen yang terpakai bisa 100%. Pengaturan jumlah bahan bakar pada mesin EFI yang perlu dilakukan pengkondisian adalah nosel, ataupun proses
Gambar 6 grafik pengaruh tekanan terhadap
pembakarannya khususnya kondisi
kadar O 2 busi.
Dari gambar 5 menunjukan Gambar 6 menerangkan adanya korelasi penurunan kadar adanya kebutuhan udara terutama
CO
2 seiring dengan kenaikan
O
2 guna pembakaran sempurna
tekanan bahan bakar. Konsentrasi didalam motor bakar. Konsentrasi CO menunjukkan secara langsung
2
dari oksigen di gas buang kendaraan berbanding terbalik ,pada kondisi bahan bakar dengan konsentrasi CO . Untuk menggunakan E 20.
2
mendapatkan proses pembakaran yang sempurna, maka kadar oksigen yang masuk ke ruang bakar harus mencukupi untuk setiap molekul hidrokarbon. Kondisi ini memungkinkan molekul bensin dan molekul udara dapat dengan mudah bertemu untuk bereaksi dengan
Gambar 8 grafik pengaruh tekanan terhadap RPM sempurna pada proses pembakaran. stasioner.
Gambar 8 mengenai hubungan tekanan terhadap RPM stasioner ,dapat diketahui bahwa dengan adanya perubahan variasi tekanan akan mempengaruhi besar kecilnya RPM engine.
KESIMPULAN
Gambar 7 grafik pengaruh tekanan terhadap
1. Peningkatan kadar CO seiring
lamdha (λ)
dengan peningkatan tekanan Dari gambar 7 dapat diketahui bahan bakar yang masuk ke adanya pengaruh tekanan terhadap dalam ruang bakar,sehingga lamdha (λ). mempengaruhi pembakaran
Dimana semakin besar tekanan dan diruang bakar. Apabila unsur- sudut pengapian maka lamdha (λ) unsur oksigen (udara) tidak akan semakin mengecil artinya cukup, akan terjadi proses AFR actual nya semakin mengecil pembakaran tidak sempurna pada AFR stoic tetap.Dan ini
2. Semakin kecil kadar HC berpengaruh pada kondisi gas pembakaran semakin buang yang dihasilkan semakin sempurna, ini menunjukan tinggi tekanan dan sudut pengapian sedikitnya bahan bakar yang maka lamdha (λ) akan mengecil terbuang. Semakin tinggi kadar dan CO akan membesar dan artinya HC semakin banyak sisa bahan akan merugikan lingkungan dan bakar mentah (gas yang tidak manusia,karena sifat CO yang terbakar setelah gagal banyak sekali merugikan manusia pengapian) yang terbuang pada
Motor Bakar bensin Untuk Mencapai Persyaratan Standar Polusi Dan Penghematan
semakin mengecil pada AFR
Bambang Sugiarto,2007,Analisa mesin Otto berbahan bakar premium dengan penambahan Aditif Oksigenat dan Aditif pasaran,SNTTM-VI Universitas Syiah Kuala. Hendrata Suhada,2002,Desain
Atok Setiyawan, 2007,Pengaruh Ignition Timing Dan Compression Ratio Terhadap Unjuk Kerja dan Emisi Gas Buang Motor BENSIN Berbahan Bakar Campuran Etanol 85% dan Premium 15% (e-85),Seminar Nasional Teknologi 2007 (SNT 2007), ISSN : 1978 – 9777,Jogjakarta.
Penggerak Mula: Motor Bakar Torak, Penerbit ITB, Edisi Bandung.
DAFTAR PUSTAKA Arismunandar, Wiranto, 2000,
6. Pada proses pencampuran ethanol dan bensin harus betul
tetap.Dan ini berpengaruh pada kondisi gas buang yang dihasilkan semakin tinggi tekanan dan sudut pengapian maka lamdha (λ) akan mengecil dan CO akan membesar dan artinya akan merugikan lingkungan dan manusia,karena sifat CO yang banyak sekali merugikan manusia ,pada kondisi bahan bakar menggunakan E 20.
stoic
actual
proses pembakaran, ini menunjukan banyaknya bahan bakar yang terbuang percuma.
5. Dimana semakin besar tekanan dan sudut pengapian maka lamdha (λ) akan semakin mengecil artinya AFR
4. Dengan adanya perubahan variasi tekanan akan mempengaruhi besar kecilnya RPM engine.
dengan kandungan CO dalam emisi gas buang.
2 berkebalikan
semakin sempurna pembakarannya dan besarnya kandungan CO
2
3. Semakin tinggi kadar CO
- – betul diperhatikan dalam prosentasenya ,begitu pula proses penuangan pada tangki bahan bakar ,adanya air dibawah setelah diamkan sesaat harus dibuang dan tidak dimasukan kedalam tangki bahan bakar,karena bisa menghambat proses pembakaran dan dapat menimbulkan korosif. Dan yang tidak kalah penting adalah kondisi sistem pengapian yang betul betul baik.
Bahan Bakar,jurusan T mesin,Universitas Kristen Petra.
I Gusti Gde Badrawada, 2008, Pengaruh perubahan Sudut pengapian terhadap Prestasi mesin Motor 4 langkah,Forum Teknik Vol 32 No 3,IST Akprind,Jogjakarta.
John B Heywood,1988,Internal Combustion Engine Fundamentals,McGraw- Hillbook Company, New york.
La Ode M,Pemanfaatan Bio Kendaraan Berbahan Bakar Premium,Prosiding Prospek pengembangan bio fuel sebagai substitusi bahan bakar minyak. Martins L.D,
M.F.Andrade.,2008,Emission Scenario Assessment of Gasohol Reformulation Proposals and Ethanol Use in the Metropolitan Area of São Paul, The Open Atmospheric Science Journal, Department of Atmospheric Sciences, Institute of Astronomy, Geophysics and Atmospheric Sciences, University of São Paulo, Brazil.
M.A. Hamdan,2010, ”Simulation Of Compression Ignition Engine Powered By Biofuels,Department of
Mechanical engineering- University of Jordan”. Amman-Jordan
Tolga Topgull,Huseyin Serdar Yucesu,can Cinar,Atilla Koca,2006,”the effeccts of Ethanol – Unleaded gasolin Blends And Ignition timing on Engine performance And Exhaust Emision”,Science Direct Renewable Energy 2534-2542.
Wei-Dong Hsieh, Rong – Hong Chen,Tsung-Lin Wu,Ta-Hui Lin,2002,”Engine Performance SI Engine Using Ethanol– Gasoline BlendedFuels”,Atmospheric Environment , Taiwan.
Yu-Liag Chen, Suming Chen,Chao-Yin Tsai,Ruei- Hong Sun,Jin-Ming Tsai,Sen- Yuan Liu,Hsin,Hsiung Fang, 2010,”Effects Of Ethanol– Gasoline Blends On Engine Performance And Exhaust Emissions In Motorcycle”.Proceedings of the 5th International Symposium on Machinery and Mechatronics for Agriculture and Biosystems Engineering (ISMAB), Fukuoka, Japan .