JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5
1
Analisis Perbandingan Emisi Gas Buang Mesin Diesel Menggunakan Bahan Bakar Solar dan CNG Berbasis Pada Simulasi Yustinus Setiawan, Semin dan Tjoek Soeprejitno Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected],
[email protected] Abstrak – Permasalahan dasar dalam pengoperasian mesin diesel diantaranya adalah ketersediaan dan biaya yang diperlukan untuk memenuhi konsumsi bahan bakar. Berawal dari hal tersebut, muncul pemikiran untuk menggunakan CNG (compressed natural gas) sebagai alternatif pengganti bahan bakar minyak karena ketersediaannya melimpah dan harganya lebih murah. Sehingga perlu diadakan analisa lebih lanjut untuk mengetahui pengaruh penggunaan CNG terhadap mesin diesel. Skripsi ini menganalisa penggunaan CNG sebagai pengganti solar terhadap mesin diesel mulai dari daya yang dihasilkan, torsi, dan tingkat emisi yang ditimbulkan. Proses analisa dilakukan melalui simulasi menggunakan software. Dari analisa yang dilakukan, performa yang dihasilkan bahan bakar CNG untuk daya menurun 9.53%, daya maksimal yang dihasilkan sebesar 56.09 kW pada RPM 2500. Untuk torsi yang dihasilkan menurun 11.14%, dimana torsi maksimal sebesar 220.11 Nm pada RPM 2000. Namun, CNG mampu menurunkan emisi gas buang NOx sebesar 65.97% untuk brake spesifik NOx dan 28.94% untuk konsentrasi NOx serta menurunkan emisi gas buang untuk jelaga hingga 100%. Kata kunci: CNG, emisi, mesin diesel, performa, simulasi,solar
PENDAHULUAN Perkembangan mesin diesel di dunia saat ini telah membantu manusia dalam pekerjaan seperti pembangunan, industri, transportasi, dll. Disamping memberikan dampak positif namun disisi lain akan memberikan dampak negatif dimana salah satunya berupa pencemaran udara. Gas buang pada mesin diesel menghasilkan unsur polutan berupa Nitrogen Oksida (Nox), Sulfur Osida (Sox), Particulate Matter (PM), Karbon Monoksida (CO), dan Hidrokarbon (HC), yang berpotensi mencemari lingkungan sekitar dalam bentuk polusi udara. Semakin tinggi penggunaan bahan bakar menyebabkan gas buang yang dihasilkan juga semakin banyak. Oleh sebab itu, perlu dilakukan solusi yang tepat untuk dapat memecahkan masalah tersebut. Banyak sumber yang sedang diteliti sebagai bahan bakar alternatif untuk mengatasi masalah tersebut, salah satunya adalah penggunaan bahan bakar CNG untuk mesin diesel. Hal ini bertujuan untuk mengurangi tingkat polusi akibat gas buang yang terjadi selama ini.
Penulisan skripsi ini membahas tentang perbandingan kualitas gas buang yang ditimbulkan oleh bahan bakar solar dan CNG pada mesin diesel MERCEDES BENZ OM314.
METODE PENELITIAN Metodologi yang digunakan dalam penelitian ini adalah dengan metode berbasis simulasi. Untuk lebih jelasnya akan dijabarkan sebagai berikut : Identifikasi dan Perumusan Masalah Penulisan skripsi ini dimulai dengan mengidentifikasi dan merumuskan masalah mengenai pengerjaan yang akan dilakukan dan juga batasan masalahnya. Hal ini dilakukan untuk menyederhanakan masalah sehingga memudahkan pengerjaan dan penyelesaian penulisan skripsi ini. Studi Literatur Pengumpulan bahan pustaka yang menunjang kegiatan penelitian ini yang bersumber dari buku, artikel, paper, tugas akhir dan internet. Tempat pencarian dilakukan dibeberapa tempat, diantaranya Perpustakaan Pusat ITS, Ruang Baca FTK, Ruang Baca Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, dan Laboratorium Mesin Kapal dan Getaran Jurusan Teknik Sistem Perkapalan FTK. Pengumpulan Data Pengumpulan data yang diperlukan untuk melakukan simulasi pada diesel engine, mulai data spesifikasi engine, properties bahan bakar yang digunakan dan data-data yang diperlukan demi menunjang pengerjaan skripsi. Menentukan Parameter Simulasi Parameter simulasi yang dibutuhkan adalah ukuran dari komponen mesin diesel yang diminta oleh software, mulai dari intake system sampai exhaust system. Input Data dan Membuat Pemodelan Pada Komputer Dilakukan input data untuk pemodelan pada diesel engine berbahan bakar solar maupun CNG. Pada pemodelan ini, semua model didesain pada spesifikasi untuk engine speed dan pada keadaan full load. Jadi pada pemodelan ini, model mesin disimulasikan berdasarkan variasi RPM pada keadaan beban penuh. Input data dan pemodelan dilakukan mulai dari intake system, injector, cylinder system, sampai pada exhaust system.
JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5
Running Simulasi Running simulasi dilakukan untuk mengetahui kinerja dari mesin diesel berbahan bakar solar dengan menggunakan model yang telah dibuat. Hasil dari running ini nantinya akan disamakan dengan kinerja dari engine yang digunakan. Jika sama, maka model sudah benar. Acuan yang digunakan untuk menyamakan hasil running adalah adalah max power dan max torsi dari engine manual book. Hasil yang akan dianalisa nantinya meliputi brake power, brake torque, brake specific fuel consumption, brake specific NOx, NOx concentration, brake specific soot, dan soot concentration. Selanjutnya adalah melakukan hal yang sama pada mesin diesel berbahan bakar CNG untuk kemudian dilakukan perbandingan.
2
Model Simulasi Pada Mesin Diesel Menggunakan Bahan Bakar CNG
ANALISA DATA Model Simulasi Pada Mesin Diesel Menggunakan Bahan Bakar Solar
Gambar 4.2 Gambar model mesin diesel bahan bakar CNG
Tabel Hasil Simulasi Pada Mesin Diesel Bahan Bakar Solar
Gambar 4.2 Gambar model mesin diesel bahan bakar solar
Tabel 4.1 Hasil simulasi pada mesin diesel bahan bakar solar Engine Max Power Torque BSFC BSFC No Speed Temperature (kW) (Nm) (g/kW-h) (kg/KJ) (RPM) (K) 1 500 9.582 183.00 248.25 13.19 2068.34 2 1000 22.33 213.19 231.29 15.37 2170.53 3 1500 35.97 228.98 220.65 16.51 2218.20 4 1800 44.31 235.09 213.75 16.95 2231.96 5 2000 48.93 233.64 212.43 16.84 2224.93 6 2500 59.26 226.36 218.09 16.32 2268.25 7 2800 63.31 215.92 234.25 15.57 2315.96 8 3000 63.19 201.16 272.89 14.50 2344.62 Max Pressure NOx (bar) (g/kW-h) 78.13 26.46 81.28 27.94 82.87 31.18 83.783 34.42 85.12 36.34 84.12 38.47 82.31 38.38 81.24 37.15
NOx (ppm) 152.46 246.98 611.13 975.28 1161.43 1245.65 1038.98 754.89
Soot (g/kW-h) 8.00E-09 3.90E-08 9.30E-08 3.28E-06 1.48E-02 1.38E-01 2.61E-01 3.25E-01
Soot (ppm) 1.45E-05 2.52E-06 8.00E-08 9.30E-07 6.00E-05 5.60E-01 1.12E+00 1.46E+00
JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5
1 2 3 4 5 6 7 8
Max Pressure (bar) 99.79 94.14 91.13 82.50 80.36 68.84 62.45 59.84
NOx (g/kW-h) 5.17 5.91 4.39 5.76 5.48 15.11 24.79 26.47
NOx (ppm) 410.88 440.68 414.52 459.74 434.21 674.09 860.30 701.90
Soot (g/kW-h) 0 0 0 0 0 0 0 0
Soot (ppm) 0 0 0 0 0 0 0 0
1. Perbandingan Brake Power (kW)
250
SOLAR CNG
200 150 100 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Engine Speed [RPM]
Gambar 4.8 Grafik brake torque terhadap engine speed
Pada grafik diatas menunjukkan bahwa untuk mesin diesel bahan bakar solar menghasilkan torsi maksimal sebesar 235.09 Nm pada kecepatan 1800 RPM. Nilai rata- rata torsi yang dihasilkan pada adalah 217.17 Nm. Pada mesin diesel bahan bakar CNG, torsi maksimal yang dihasilkan sebesar 220.11 Nm ditunjukkan pada kecepatan 2000 RPM. Nilai rata- rata torsi yang dihasilkan adalah 192.95 kW. Jadi penggunaan CNG sebagai bahan bakar mesin diesel dapat menurunkan torsi hingga 11.14%. 3. Perbandingan Brake Specific Fuel Consumption (BSFC)
70 SOLAR CNG
60
300
50 40
Solar CNG
280 BSFC [g/kW-h]
Power [kW]
2. Perbandingan Brake Torque (Nm)
Torque [Nm]
No
Tabel 4.2 Hasil simulasi pada mesin diesel bahan bakar CNG Engine Max Power Torque BSFC BSFC Speed Temperature (kW) (Nm) (g/kW-h) (kg/KJ) (RPM) (K) 500 6.68 127.69 265.32 12.59 2279.66 1000 19.46 185.91 253.99 14.70 2380.39 1500 32.91 209.59 238.51 15.81 2456.16 1800 41.06 217.93 226.93 15.99 2431.73 2000 46.08 220.11 225.15 15.86 2431.32 2500 56.09 214.37 227.74 15.09 2384.17 2800 56.02 191.16 244.90 14.17 2376.48 3000 55.54 176.89 285.89 13.57 2358.27
3
30 20 10 0 0
500
1000 1500 2000 Engine Speed [RPM]
2500
3000
Gambar 4.7 Grafik brake power terhadap engine speed
260 240 220 200 0
Gambar 4.7 menunjukkan bahwa pada diesel bahan bakar solar, power maksimal yang dihasilkan sebesar 63.31 kW pada kecepatan 2800 RPM. Power rata - rata yang dihasilkan adalah 43.36 kW. Pada diesel dengan bahan bakar CNG, power maksimal sebesar 56.09 kW pada kecepatan 2500 RPM. Power rata- rata yang dihasilkan pada adalah 39.23 kW. Jadi penggunaan CNG sebagai bahan bakar mesin diesel dapat mereduksi power dari mesin hingga 9.53%. Penurunan daya pada mesin diesel berbahan bakar CNG dipengaruhi oleh turunnya tekanan pembakaran dan kandungan energi dalam bahan bakar CNG yang rendah.
500
1000
1500
2000
2500
3000
Engine Speed [RPM]
Gambar 4.9.a Grafik brake specific fuel consumption terhadap engine speed
Gambar 4.9.a memberikan informasi bahwa konsumsi bahan bakar untuk mesin diesel dengan bahan bakar solar paling tinggi sebesar 272.89 g/kW-h pada kecepatan 3000 RPM. Nilai rata- rata konsumsi bahan bakar pada diesel engine adalah 231.44 g/kWh. Pada mesin diesel dengan bahan bakar CNG, konsumsi bahan bakar paling tinggi sebesar 285.89 g/kW-h pada kecepatan 3000 RPM. Nilai rata- rata konsumsi bahan bakar pada CNG engine adalah 246.05 g/kW-h. Dari keterangan yang ada, dapat disimpulkan bahwa penggunaan CNG sebagai bahan bakar mesin diesel akan meningkatkan konsumsi bahan bakar hingga 2.26%.
JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5
4
5. NOx Concentration (ppm) Solar CNG
16
1400
15 14 13 12 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
NOx Concentration [ppm]
BSFC Energy [MJ/kg]
17
Engine Speed [RPM]
Gambar 4.9.b Grafik perbandingan kandungan energi bahan bakar pada mesin diesel berbahan bakar solar dan CNG terhadap engine speed
Solar CNG
1200 1000 800 600 400 200 0 0
500
1000 1500 2000 Engine Speed [RPM]
2500
3000
Gambar 4.11 Grafik NOx concentration terhadap engine speed
4. Brake Specific NOx (g/kW-h)
Brake Specific NOx [g/kW-h]
45
SOLAR CNG
36
Pada grafik diatas menunjukkan bahwa untuk mesin diesel berbahan bakar solar menghasilkan NOx paling besar 1245.65 ppm pada kecepatan 2500 RPM. Nilai rata- rata NOx pada diesel engine adalah 773.35ppm. Pada CNG engine, NOx paling tinggi sebesar 860.30 ppm pada kecepatan 2800 RPM. Nilai rata- rata NOx pada CNG engine adalah 549.54 ppm. Jadi penggunaan CNG sebagai bahan bakar mesin diesel akan mereduksi konsentrasi NOx hingga 28.94%. 6. Brake Specific Soot (g/kW-h) Brake Specific Soot [g/kW-h]
Gambar 4.9.b memberikan informasi mengenai konversi kandungan energi bahan bakar antara mesin diesel menggunakan bahan bakar solar dan CNG. Pada mesin diesel dengan bahan bakar solar, kandungan energi untuk konsumsi bahan bakar tertinggi setara dengan 14.50 MJ/kg. Pada mesin diesel dengan bahan bakar CNG, kandungan energi bahan bakar untuk konsumsi bahan bakar tertinggi setara dengan 13.57 MJ/kg. Dari keterangan yang ada, dapat disimpulkan bahwa untuk dapat setara dengan performa mesin diesel berbahan bakar solar, mesin diesel berbahan bakar CNG membutuhkan konsumsi bahan bakar yang lebih banyak karena energi bahan bakar CNG lebih rendah dibandingkan dengan solar. Peningkatan konsumsi bahan bakar pada mesin diesel berbahan baakar CNG disebabkan karena energi dalam bahan bakar CNG yang rendah.
4.00E-01 Solar CNG
3.50E-01 3.00E-01 2.50E-01 2.00E-01 1.50E-01 1.00E-01 5.00E-02 0.00E+00 0
27
500
1000 1500 2000 Engine Speed [RPM]
2500
3000
Gambar 4.12 Grafik brake specific Soot terhadap engine speed
18 9 0 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Engine Speed [RPM]
Gambar 4.10 Grafik perbandingan brake specific NOx terhadap engine speed
Pada grafik 4.10 menunjukkan bahwa untuk mesin diesel berbahan bakar solar menghasilkan NOx paling besar 38.47 g/kW-h pada kecepatan 2500 RPM. Nilai rata- rata NOx pada diesel engine adalah 34.179 g/kWh. Pada mesin diesel berbahan bakar CNG, NOx paling tinggi adalah sebesar 26.47 g/kW-h pada kecepatan 3000 RPM. Nilai rata- rata NOx pada CNG engine adalah 11.64 g/kW-h. Jadi penggunaan CNG sebagai bahan bakar mesin diesel mampu mereduksi NOx hingga 65.97%.
Pada grafik diatas menunjukkan bahwa untuk mesin diesel berbahan bakar solar menghasilkan Soot (jelaga) lebih besar dibandingkan dengan menggunakan bahan bahan bakar CNG. Nilai Soot paling besar 0.325 g/kW-h pada kecepatan 3000 RPM. Nilai rata- rata Soot pada mesin diesel bahan bakar solar adalah 0.092 g/kWh. Pada mesin diesel menggunakan bahan bakar CNG, tidak ada soot yang dihasilkan. Jadi penggunaan CNG sebagai bahan bakar mesin diesel mampu mereduksi kandungan brake specific soot hingga 100%.
JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5
7. Soot Concentration (ppm)
DAFTAR PUSTAKA
Soot Concentration [ppm]
1.60E+00
[1]
Solar CNG
1.40E+00 1.20E+00 1.00E+00
[2]
8.00E-01 6.00E-01 4.00E-01
[3]
2.00E-01 0.00E+00 0
500
1000 1500 2000 Engine Speed [RPM]
5
2500
3000
[4]
Gambar 4.13 Grafik soot concentration terhadap engine speed
Pada grafik diatas menunjukkan bahwa untuk mesin diesel menggunakan bahan bakar solar menghasilkan Soot (jelaga) lebih besar dibandingkan dengan menggunakan bahan bahan bakar CNG. Nilai Soot paling besar 1.46 ppm pada kecepatan 3000 RPM. Nilai rata- rata Soot pada mesin diesel bahan bakar solar adalah 0.39 ppm. Pada mesin diesel menggunakan bahan bakar CNG, tidak ada soot yang dihasilkan. Jadi penggunaan CNG sebagai bahan bakar mesin diesel mampu mereduksi kandungan soot concentration hingga 100%.
[5] [6] [7] [8]
[9]
KESIMPULAN Berdasarkan hasil analisa yang telah dilakukan dapat diperoleh kesimpulan, yaitu: 1. Tingkat emisi yang ditimbulkan oleh bahan bakar solar untuk NOx paling besar adalah 38.47 g/kW-h dan 1245 ppm pada kecepatan 2500 RPM, sedangkan untuk jelaga (soot) paling besar adalah 0.325 g/kW-h dan 1.46 ppm pada kecepatan 3000 RPM. Pada bahan bakar CNG, tingkat emisi yang ditimbulkan untuk NOx paling besar adalah 26.47 g/kW-h pada kecepatan 500 RPM, dan 860.30 ppm pada kecepatan 2800 RPM, sedangkan untuk jelaga (soot) pada CNG tidak ada emisi yang dihasilkan. 2. Penggunaan CNG sebagai bahan bakar mesin diesel dapat menurunkan emisi gas buang untuk NOx sebesar 65.97% yang ditinjau dari brake specific NOx dan sebesar 28.94% yang ditinjau dari konsentrasi NOx. Selain itu, penggunaan CNG sebagai bahan bakar mesin diesel dapat menurunkan emisi gas buang untuk jelaga (soot) hingga 100% yang ditinjau dari brake specific soot maupun konsentrasi soot. 3. Penggunaan CNG sebagai bahan bakar mesin diesel berpengaruh terhadap menurunnya peforma dari segi power hingga 9.53% dan mereduksi torsi torsi hingga 11.14%.
[10] [11]
Anonim 1. Parameter Pencemar Udara dan Dampaknya Terhadap Kesehatan. http://www.depkes.go.id/downloads/Udara, 2010. Duffy. Modern Automotive Technology Fundamentals, Service, Diagnostics 1st English edition, Germany, 2006. Heywood, J. Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw Hill, 1988. Kahn Ribeiro, Suzana, dkk. Transport and Its Insfrastructure. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2007. Keputusan Direktorat Jendral Minyak dan Gas Bumi nomor 3675 K/24/DJM, 2006. Lesmana, Faizal. Bahan Bakar Solar dan Pembakaran Motor Diesel, 2008. Marpol 73/78 Annex VI. Regulations for the Prevention of Air Pollution from Ships, 2005. Narotama, Fajri. Analisa Performa Mesin Diesel Menjadi CNG engine Berbasis Pada Simulasi, 2010. Taylor, D.A. Introduction to Marine Engineering, Elsevier Butterworth-Heinemann, Oxford, 1990. Tugaswati, Emisi Gas Buang dan Dampaknya Terhadap Kesehatan, 2010. http://id.wikipedia.org/wiki/Gas_alam_terkompresi, diakses pada 2 Juli 2013.
