Taslim / Jurnal Teknologi Proses 5(2) Juli 2006: 105 – 111
115
Jurnal Teknologi Proses Media Publikasi Karya Ilmiah Teknik Kimia
5(2) Juli 2006: 112 – 119 ISSN 1412-7814
Analisis Eksperimental Supercarjer dan Konverter Katalitik dalam Meningkatkan Unjuk Kerja Mesin Disel
Tulus Burhanuddin Sitorus Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan 20155
Abstract The topic of research is about experimental study of supercharger and catalytic converter to increase stationary diesel engine performance. The parameters for observation are torque, power, specific fuel consumption, and exhaust gas emission. The research result shows the torque and power will increase with using supercharger and catalytic converter for diesel engine stationary. But specific fuel consumption will decrease with using supercharger and catalytic converter. The emission of exhaust gas as CO, SO2, and UHC will decrease with using of catalytic converter. Keywords: supercharger and catalytic converter, parameter of diesel engine performance.
Pendahuluan Undang-undang lingkungan hidup di Indonesia menyebutkan bahwa emisi yang diperbolehkan untuk SO2 sebesar 800 mg per meter kubik, NO x 100 mg per meter kubik, H2S dan NH3 0,5 mg per meter kubik. Tentunya hal ini sudah pasti terkait dengan polusi yang ditimbulkan dari sektor transportasi. Seperti halnya mesin-mesin bakar umumnya, mesin disel dengan bahan bakar solar memberikan emisi yang cukup besar terutama karbon dan sulfur. Seperti yang diketahui mesin disel umumnya didesain untuk berpelumas tinggi sehingga dituntut kandungan belerang yang cukup tinggi pada bahan bakar. Berdasarkan pemikiran tersebut penulis melakukan penelitian dengan menggunakan
alat konverter katalitik yang berfungsi untuk mengurangi emisi gas buang dan supercarjer untuk memperbesar daya serta mengekonomiskan penggunaan bahan bakar dengan memanfaatkan secara maksimal peralatan laboratorium yang ada. Tujuan dari penelitian yang dilakukan ini adalah untuk mengetahui unjuk kerja bila mesin diesel stasioner menggunakan supercarjer dan konverter katalitik termasuk kandungan emisi gas buang yang dihasilkan. Penelitian ini diharapkan juga bermanfaat untuk pengembangan mesin disel yang menggunakan alat konverter katalitik dan alat supercarjer baik ditinjau dari prestasi mesin maupun polusi yang dihasilkan serta sangat berguna sebagai referensi bagi kalangan dunia pendidikan yang berkeinginan melakukan riset dalam pengembangan unjuk kerja mesin disel.
Tulus Burhanuddin Sitorus / Jurnal Teknologi Proses 5(2) Juli 2006: 112 – 119
Tinjauan Pustaka Supercarjer Pada prinsipnya supercarjer dan turbocarjer mempunyai tujuan yang sama, yaitu memper-besar jumlah udara yang masuk ke dalam silinder. Hal ini bertujuan meningkatkan daya mesin tanpa memperbesar kapasitas mesin tersebut. Ada perbedaan dalam proses kerja antara supercarjer dan turbocarjer, yaitu pada penggerak sudu turbin di mana pada supercarjer sudu turbin digerakkan oleh gerakan mekanik yang ditransfer dari putaran poros engkol, sedangkan pada turbocarjer memanfaatkan gas buang sebagai penggerak sudu turbin. Tujuan utama pengunaan supercarjer adalah memperbesar daya mesin sehingga mesin menjadi lebih kompak dan ringan. Mesin disel dengan supercarjer dapat bekerja lebih efisien, pemakaian bahan bakar spesifiknya lebih rendah. Khususnya pada unit mesin disel besar, menggunakan supercarjer sangat menguntungkan karena biasanya harganya lebih murah. Konverter katalitik Saat ini pabrik mobil telah banyak melakukan perbaikan (refinement) terhadap mesin mobil dan sistem bahan bakar. Salah satunya adalah terhadap polusi yang ditimbulkan oleh kendaraan tersebut. Kini mereka mengurangi emisi gas buang dengan mengembangkan sebuah peralatan yang disebut konverter katalitik. Kendaraan modern sekarang dilengkapi dengan three-way catalytic converters. Dikatakan "three-way" yang merujuk kepada tiga cara pengaturan emisi yang membantu untuk mengurangi emisi karbon monoksida, VOCs, dan molekul-molekul NOx. Konverter tersebut menggunakan 2 tipe katalis yang berbeda yaitu reduction catalyst dan oxidization catalyst. Kedua tipe tersebut terdiri dari struktur ceramic yang dilapisi dengan suatu katalis metal biasanya platinum, rhodium, dan atau palladium. Hal tersebut untuk membuat struktur di mana permukaan area katalis maksimum menuju
116
exhaust stream, dan juga untuk meminimalkan jumlah katalis yang diperlukan karena harganya yang mahal.
GAMBAR 1: Three-way catalytic converter
Unjuk Kerja Mesin Disel Torsi dan daya Besarnya torsi yang dihasilkan oleh suatu mesin dapat diukur dengan menggunakan dynamometer yang dikopel dengan poros output mesin. Sedangkan daya keluaran yang dihasilkan mesin dapat dihitung dari perkalian torsi dengan kecepatan sudutnya dalam satuan radian per detik.
PB =
2.π .N .T 60
…
(1) di mana: PB = Daya keluaran, Brake Power (Watt) N = Putaran mesin (rpm) T = Torsi (Nm) Konsumsi bahan bakar spesifik Pengukuran lain dari efisensi sebuah mesin adalah konsumsi bahan bakar spesifiknya, yang didefenisikan sebagai perbandingan antara laju aliran massa bahan bakar (mf) terhadap daya brake (PB). Bila daya brake dalam satuan kW dan laju aliran massa bahan bakar dalam satuan kg/jam, maka:
117
Tulus Burhanuddin Sitorus / Jurnal Teknologi Proses 5(2) Juli 2006: 112 – 119
sfc =
m f . 10
3
PB
…
(2)
3. Alat IMR ® 2800–automotive emission gas analyzer untuk menguji emisi gas buang. 4. Stopwatch untuk menentukan waktu yang dibutuhkan mesin diesel dalam mengkonsumsi bahan bakar dengan volume sebanyak 8 ml.
Metodologi Penelitian Parameter pengujian Tempat dan waktu Penelitian eksperimental ini dilaksanakan di Laboratorium Motor Bakar Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara dengan jangka waktu 6 (enam) bulan. Bahan dan alat Bahan termasuk benda uji pada eksperimental ini terdiri dari supercarjer tipe sentrifugal dan katalitic konverter tipe ceramic monolitik. Komponen supercarjer yang digunakan dalam pengujian terdiri atas: Blower, terdiri atas: poros, impeler dan rumah/ casing blower. Sabuk V dan pulley 2 buah. Bantalan poros supercarjer 1 buah. Selang 2 inci dengan panjang 1 meter.
Pada penelitian yang akan diamati adalah: 1. Parameter torsi (T) 2. Parameter daya (PB) 3. Parameter konsumsi bahan bakar spesifik (sfc) 4. Parameter komposisi emisi gas buang Pada pengujian ini parameter yang diteliti adalah unjuk kerja mesin diesel serta komposisi emisi gas buang dengan supercarjer dan konverter katalitik. Pengujian yang menggunakan bahan bakar solar ini dilakukan pada 5 (lima) variasi putaran mesin yaitu: 1500 rpm, 2000 rpm, 2500rpm, 3000 rpm, dan 3500 rpm serta beban (load) 2,5 kg.
Hasil dan Pembahasan Torsi
Alat yang dipakai dalam eksperimental ini terdiri dari: 1. Mesin disel 4-langkah 1 silinder Test Rigs TD111 tipe Robin Fuji DY23D yang dilengkapi dengan TD114 Instrumentation unit dan TD115 Small Engine Test Bed yang memiliki spesifikasi seperti yang ditunjukkan pada tabel 1. 2. Bomb calorimeter untuk mengukur nilai kalor bahan bakar.
Torsi terendah mesin terjadi pada pengujian dengan menggunakan katalitic konverter pada putaran 1500 rpm yaitu 9 Nm. Sedangkan torsi tertinggi mesin terjadi dengan menggunakan supercarjer pada putaran 3000 rpm yaitu 14,7 N.m Besar kecilnya torsi dipengaruhi oleh putaran dan beban mesin. Semakin tinggi putaran mesin, maka semakin besar pula torsi yang dihasilkan oleh mesin.
TABEL 1: Spesifikasi Mesin Disel TD111 4-langkah TD111 4-Stroke Diesel Engine Type ROBIN–FUJI DY23D Swept Volume 230 cm3 Bore 70 mm Stroke 60 mm Compression Ratio 21: 1 Recommended maximum speed 3600 rev/min Nominal Out put 3,5 kW at 3600 rev/min Fuel injection timing 23O BTDC Weight 45 kg (Sumber: Manual Book of TD 110 – 115, 2000)
Tulus Burhanuddin Sitorus / Jurnal Teknologi Proses 5(2) Juli 2006: 112 – 119
118
Secara umum torsi mesin dengan menggunakan konverter katalitik rata–rata lebih rendah dibandingkan tanpa menggunakan konverter katalitik. Penurunan ini disebabkan karena pemakaian tabung katalitik yang menghambat laju aliran gas buang, sehingga terjadi penahanan aliran gas buang pada exhaust manifold yang mempengaruhi proses kerja mesin saat pembakaran. Mesin dengan menggunakan supercarjer dan konverter katalitik mengalami penurunan sekitar 5%-7% dibanding dengan menggunakan supercarjer tanpa konverter katalitik.
GAMBAR 2: Mesin diesel dengan supercarjer dan konverter katalitik
TABEL 2: Data Hasil Pengujian Mesin Disel Tanpa Supercarjer dan Konverter Katalitik Laju Aliran
Konsumsi Bahan Bakar
Perbandingan Udara
Efisiensi
Efisiensi
Spesifik (gr/kWh)
Bahan Bakar (AFR)
Volumetris
Termal
Beban
Putaran
Daya
(kg)
(rpm)
(kW)
Massa Udara (kg/jam)
Laju Aliran Massa Bahan Bakar (kg/jam)
1500 2000 2500 3000
1.617 2.323 3.035 3.830
9.465 14.008 19.214 24.041
0.172 0.240 0.320 0.410
106.422 103.319 103.600 107.165
55.000 58.352 59.460 57.549
0.787 0.874 0.951 0.972
0.809 0.834 0.831 0.804
3500
4.322
28.395
0.560
129.599
49.808
0.984
0.664
2.5
TABEL 3: Data Hasil Pengujian Mesin Disel dengan Supercarjer dan Konverter Katalitik Beban
(kg)
2.5
Putaran
(rpm) 1500 2000 2500 3000 3500
Daya
(kW) 1.946 2.700 3.532 4.521 5.055
Laju Aliran
Laju Aliran
Massa Udara
Massa Bahan Bakar
(kg/jam)
(kg/jam)
12.304 17.984 24.041 30.288 38.807
0.202 0.270 0.390 0.534 0.822
Konsumsi Bahan Bakar
Perbandingan Udara
Spesifik (gr/kWh) 104.041 100.100 105.300 120.545 162.741
Efisiensi
Efisiensi
Bahan Bakar (AFR)
Volumetris
Termal
60.750 66.531 61.556 56.717 47.170
1.023 1.122 1.200 1.259 1.383
0.828 0.860 0.818 0.714 0.529
Tulus Burhanuddin Sitorus / Jurnal Teknologi Proses 5(2) Juli 2006: 112 – 119
Besar kecil daya mesin bergantung pada besar kecil torsi yang didapat. Daya yang dihasilkan mesin dipengaruhi oleh putaran poros engkol yang terjadi akibat dorongan piston yang dihasilkan karena adanya pembakaran bahan bakar dengan udara. Jika konsumsi bahan bakar dan udara diperbesar maka akan semakin besar pula daya yang dihasilkan mesin. Semakin cepat poros engkol berputar maka akan semakin besar daya yang dihasilkan. Kondisi pemasangan sabuk supercarjer juga berpengaruh terhadap terjadinya slip yang mengakibatkan jumlah aliran udara berkurang. Dengan menggunakan konverter katalitik, daya yang didapat lebih rendah dibanding tanpa menggunakan konverter katalitik, ini disebabkan karena tertahannya aliran gas buang pada tabung konverter katalitik sehingga mengurangi kinerja mesin. Dengan memakai supercarjer dan konverter katalitik, terjadi peningkatan daya dibanding dengan memakai supercarjer tanpa konverter katalitik. Peningkatan putaran mesin, juga meningkatkan udara yang dialirkan dari supercarjer. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik Konsumsi bahan bakar spesifik atau Sfc terendah terjadi saat menggunakan supercarjer pada putaran 2000 rpm yaitu sebesar 97,206 g/kWh. Sedangkan Sfc tertinggi terjadi saat menggunakan supercarjer dan konverter katalitik pada putaran 3500 rpm sebesar 162,741 g/kWh. Dengan memakai supercarjer, konsumsi bahan bakar lebih rendah sekitar 20%-35%. Ini disebabkan karena udara berlebih dari supercarjer yang menyebabkan pembakaran menjadi lebih baik di mana bahan bakar lebih cepat terbakar sehingga dapat menghasilkan daya yang besar. Unjuk kerja mesin diesel yang meliputi torsi, daya, dan konsumsi
Efisiensi volumetris (volumetric efficiency) untuk mesin empat langkah dihitung dengan rumus berikut:
ηv =
2.ma 1 . 60.n ρ a .Vs
di mana: ma = laju aliran udara (kg / jam)
ρ a = kerapatan udara (kg/m3) V s = volume langkah torak (m3) = 230 x 10-6 m3 1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
15
16 14
12,5
12 10
10
7,5
8 6
5
4 2,5 0 1000
Daya (kW)
Daya terendah terjadi dengan menggunakan katalitic konverter pada putaran 1500 rpm yaitu sebesar 1,413 kW. Sedangkan daya tertinggi terjadi dengan menggunakan supercarjer pada putaran 3500 rpm yaitu sebesar 5,24 kW.
bahan bakar spesifik dapat dilihat pada Gambar 3. Efisiensi Volumetris
2
1500
2000
2500
3000
3500
0 4000
putaran (rpm)
GAMBAR 3: Grafik unjuk kerja mesin disel yang meliputi torsi, daya, dan konsumsi bahan bakar spesifik
Diasumsikan udara sebagai gas ideal sehingga massa jenis udara dapat diperoleh dari persamaan berikut:
ρa =
Pa R.Ta
Di mana: R = konstanta gas (untuk udara = 287 J/ kg.K) Dengan memasukkan harga tekanan dan temperatur udara yaitu sebesar 100 kPa dan 27 0C, maka diperoleh massa jenis udara yaitu sebesar:
ρa =
100.000 287.(27 + 273)
= 1,161 kg/m3
Sfc (kg/kWh)x(E-1)
Daya
torsi (N.m)
119
Tulus Burhanuddin Sitorus / Jurnal Teknologi Proses 5(2) Juli 2006: 112 – 119
Dengan diperolehnya massa jenis udara maka dapat dihitung besarnya efisiensi volumetris ( η v ) untuk tiap variasi pengujian. Efisiensi volumetris tanpa memakai konverter katalitik nilainya relatif sama dengan memakai konverter katalitik, namun pada putaran 2500 rpm terjadi penurunan aliran udara jika memakai konverter katalitik. Pengujian Emisi Gas Buang Karbon Monoksida (CO) Kadar karbon monoksida muncul akibat kurang optimalnya proses pembakaran sehingga bahan bakar tidak terbakar karena kekurangan oksigen (campuran miskin). Kadar CO dalam gas buang dengan memakai konverter katalitik berfluktuasi rata–rata lebih rendah dibanding tidak memakai konverter katalitik.
120
buang beracun CO diubah menjadi CO2. Dengan memakai supercarjer terjadi penurunan kadar CO dibanding tanpa memakai supercarjer. Kadar Nitrogen Oksida (NOx) NOx terbentuk karena tingginya temperatur pembakaran bahan bakar udara di dalam silinder. Kadar NOx dalam gas buang mesin dengan menggunakan supercarjer berfluktuasi. Semakin tinggi temperatur pembakaran, maka semakin bertambah kadar NO yang terbentuk. Secara umum kadar NOx lebih rendah diperoleh ketika menggunakan konverter katalitik dibanding tanpa memakai konverter katalitik. Dengan adanya konverter katalitik, NOx khususnya NO dan NO2 yang merupakan gas buang beracun diubah menjadi N2 akibat reaksi kimia pada tabung konverter katalitik.
Sesuai dengan fungsinya, konverter katalitik mampu meminimalisir kadar gas TABEL 4: Data Hasil Pengujian Gas Buang tanpa Supercarjer dan Konverter Katalitik
BEBAN (kg)
2,5
PUTARAN (rpm)
1500 2000 2500 3000 3500
TANPA SUPERCARJER DAN KONVERTER KATALITIK CO (%) 3.05 3.08 3.71 2.92 2.55
UHC (%) 3.21 3.02 4.54 0.26 2.61
NOx (ppm) 226 243 249 218 128
S02 (ppm) 24 26 32 18 37
CO2 (%) 0.27 0.21 0.22 0.27 0.22
O2 (%) 20.9 20.9 20.4 20.4 20.9
TABEL 5: Data Hasil Pengujian Gas Buang dengan Supercarjer dan Konverter Katalitik
BEBAN (kg)
2,5
PUTARAN (rpm)
DENGAN SUPERCARJER DAN KONVERTER KATALITIK
1500
CO (%) 0.96
UHC (%) 0.05
NOx (ppm) 286
S02 (ppm) 17
CO2 (%) 0.28
O2 (%) 20.9
2000 2500 3000 3500
1.10 0.83 0.60 1.01
0 0 0 0
299 266 287 205
16 43 49 31
0.76 0.50 0.65 0.24
20.9 20.9 20.9 20.9
121
Tulus Burhanuddin Sitorus / Jurnal Teknologi Proses 5(2) Juli 2006: 112 – 119
Kadar Unburned Hidro Carbon (UHC) Unburned Hidro Carbon (UHC) timbul tidak hanya karena campuran kaya tetapi bisa juga karena campuran miskin pada suhu pembakaran rendah dan lambat misalnya pada saat idel. Tidak sempurnanya pembakaran di mana bahan bakar tidak terbakar seluruhnya karena kekurangan udara. Untuk keseluruhan secara rata–rata kadar UHC terendah diperoleh ketika menggunakan supercarjer dan dengan konverter katalitik dibanding tanpa memakai supercarjer dan konverter katalitik. Ini disebabkan karena proses pembakaran yang lebih baik akibat adanya udara berlebih. Dengan memakai konverter katalitik kadar HC mengalami penurunan. Kadar Karbon Dioksida (CO2) Kadar CO2 yang dihasilkan mesin tanpa supercarjer dan konverter katalitik lebih kecil dibanding dengan menggunakan supercarjer dan konverter katalitik. Ini disebabkan karena tidak sempurnanya proses pembakaran bahan bakar dan udara terbakar akibat kurangnya oksigen. Dengan memakai konverter katalitik terjadi fluktuasi kenaikan kadar CO2 dibanding tidak memakai katalitik. Kenaikan kadar CO2 secara umum dengan memakai supercarjer dan dengan konverter katalitik rata-rata lebih tinggi di mana ini disebabkan akibat adanya injeksi udara berlebih yang membuat pembakaran lebih baik dan konverter katalitik yang mengubah senyawa CO menjadi CO2. Kadar Sulfur Dioksida (SO2) Dengan menggunakan konverter katalitik kadar SO2 rata-rata berkurang dibanding tanpa konverter katalitik. Konverter katalitik mampu mengurangi kadar SO2 walaupun penurunannya kecil. Kadar SO2 dalam gas buang mesin dengan menggunakan supercarjer berfluktuasi dibanding tanpa menggunakan supercarjer.
Kesimpulan dan Saran Kesimpulan 1. Dari hasil pengujian di laboratorium diperoleh nilai kalor atas (HHV) bahan bakar solar sebesar 46544,23 kJ/kg dan nilai kalor bawah (LHV) 41772,47 kJ/kg. 2. Secara umum karakteristik mesin diesel dengan pemakaian supercarjer dan konverter katalitik adalah: Laju aliran massa udara meningkat Torsi dan daya meningkat Konsumsi bahan bakar menurun Perbandingan udara bahan bakar (AFR) meningkat dan proses pembakaran lebih baik Efisiensi volumetris meningkat 3. Emisi gas buang. Dengan menggunakan supercarjer dan konverter katalitik diperoleh: Kadar emisi UHC lebih rendah Kadar emisi CO lebih rendah Kadar emisi NOx terjadi sedikit peningkatan Kadar emisi SO2 lebih rendah Kadar emisi CO2 meningkat Saran Untuk penelitian selanjutnya dapat dilakukan dengan menvariasikan bahan bakar misalnya dengan menggunakan biodisel.
Daftar Pustaka Arismunandar, Wiranto. 1988. Penggerak Mula Mesin Bakar Torak: Penerbit ITB Bandung. Arismunandar, Wiranto dan Koichi Tsuda. 1976. Motor Diesel Putaran Tinggi. Pradnya Paramita. Jakarta. Khovakh, M. 1979. Motor Vehicle Engines. MIR Publisher. Moscow. Manual Book of TD 110–115. 2000. Test Bed Instrumentation for Small En gines. TQ Education and Trainning Ltd – Product Division. Manual book of IMR ® 2800 – Automotive Emission Gas Analyzer. IMR Environmental Equipment. Inc.
Tulus Burhanuddin Sitorus / Jurnal Teknologi Proses 5(2) Juli 2006: 112 – 119
Obert, Edward. F. 1968. Internal Combustion Engines and Air Pollution. Third Edition-Harper & Row Publisher. Toyota Astra Motor. Training Manual Turbocharger dan Supercharger Step 3. Toyota Astra Motor. World Health Organization (WHO). 1996. Diesel Fuel and Exhaust Emission. Geneva. www.tq.com www.turbocalculator.com/turbochargersupercharger.html
122
