Bab 3 Instalasi dan Prosedur Pengujian
Rangkaian pengujian dalam penelitian ini ditujukan untuk mengetahui efek penggunaan MAZ 400 sebagai zat aditif untuk pemakaian biodiesel di Indonesia. Oleh karena itu, prosedur dan mesin diesel yang digunakan dalam pengujian disesuaikan dengan keadaan yang paling mewakili kondisi di Indonesia. Evaluasi terhadap prestasi mesin, emisi yang dihasilkan, dan deposit pada ruang bakar serta kondisi komponen yang dilalui oleh bahan bakar menjadi hal–hal yang akan dianalisis lebih jauh dengan melakukan komparasi antar berbagai komposisi bahan bakar yang digunakan. Dalam pengujian ini, seluruh rangkaian pengujian yang mencakup uji ketahanan, uji prestasi, dan pengambilan sampel emisi, dilakukan berulang dengan lima jenis komposisi bahan bakar yang berbeda, yaitu solar murni, solar murni ditambah 5% biofuel (B05), B05 ditambah 1200 ppm MAZ 400, solar murni ditambah 20% biofuel (B20), dan B20 ditambah 1200 ppm MAZ 400. Seluruh bahan bakar pengujian diambil dari PERTAMINA dan supplier FAME resmi PERTAMINA yaitu PT. WAHANA ETERINDO. Pengujian yang dilakukan mengacu pada beberapa standar yaitu : 1. Economic Commissioning for Europe (ECE) United Nation Emission and Air Pollutants Regulation 049 dan 083 untuk uji ketahanan. 2. Method of air sampling no.101 (determination of C1 Hydrocarbon) untuk uji sampel emisi. 3. ASTM untuk uji sifat bahan bakar dan pelumas (lebih lengkapnya ada pada lampiran). Sementara untuk tempat pengujian dilakukan di beberapa tempat meliputi: 1. Uji ketahanan, uji prestasi, sampling emisi serta pengukuran deposit sepenuhnya dilakukan di Balai Termodinamika Motor dan Propulsi (BTMP), PUSPIPTEK – Serpong. 2. Uji sampel emisi dengan metode Gas Chromatography dilakukan di Laboratorium Kimia Terpadu, Institut Pertanian Bogor.
26
3. Uji sifat bahan bakar dan pelumas dilakukan oleh PetroLab Service, Rawamangun - Jakarta Timur.
3.1
Instalasi Pengujian Instalasi pengujian aditif bahan bakar ditunjukkan pada gambar 3.1.
Gambar 3.1 Instalasi Pengujian Secara skematis susunan peralatan yang dipakai pada pengujian dapat dilihat pada gambar 3.2.
Gambar 3.2 Skema instalasi pengujian[12]
27
Selain keberadaan dinamometer, sistem ini juga mencakup: •
Sistem akuisisi data dan pengontrolan: sistem ini mengatur siklus pengujian dan mengakuisisi data selama pengujian.
•
Sistem aliran bahan bakar: sistem ini menjamin suplai bahan bakar ke mesin terjaga dan teramati sehingga sistem ini juga dapat menentukan besarnya konsumsi bahan bakar dan tekanan serta temperatur masuk bahan bakar selama pengujian.
•
Sistem air pendingin: sistem ini sangat vital untuk mencegah terjadinya kegagalan akibat overheat dimana kondisi tersebut dapat menyebabkan perubahan geometris pada blok motor dan kepala silinder akibat pemuaian. Sistem air pendingin ini diatur dan dikontrol selama pengujian sehingga untuk membebaskan kontrol dari sistem yang telah ada sebelumnya pada mesin, dilakukan sedikit modifikasi yang menyebabkan matinya fungsi termostat pada mesin. Selain itu, sistem pendinginan ini juga berfungsi untuk mempertahankan temperatur pelumas sehingga efek perubahan sifat oli akibat perubahan temperatur terhadap prestasi mesin dapat diabaikan.
•
Sistem gas buang: sistem ini difungsikan untuk menjamin gas buang keluar ke udara bertekanan atmosfer dan memudahkan proses sampling emisi. Selain itu, dalam sistem ini juga disertakan thermocouple untuk mengetahui temperatur gas buang.
•
Sistem ventilasi: sistem ini menjamin ketersediaan udara dan sirkulasi udara di dalam ruang pengujian sehingga dapat dikontrol temperatur maupun kelembaban relatif udara selama pengujian. Spesifikasi teknis sistem-sistem dalam instalasi pengujian meliputi :
Dinamometer Tipe
Froude AG 150 Eddy Current
Max. power
150 kW
Max. speed
8000 rpm
Max. torque
520 Nm
Sistem pendingin Max. heat dissipation
400 kW
Max. flow rate
500 l/min
28
Sistem suplai bahan bakar Flow rate range
0-75 l/jam
Flow rate accuracy
± 0,5% of reading
Pump max. pressure
10 bar
Pump max. flow rate
240 l/jam
Sensor Tekanan Accuracy
0,06% full scale
Temperature effect
0,5% total error band 0-50 oC
Output
100 mV@full scale (static pressure transducers) 300 mV@full scale (differential pressure transducers)
Sensor Temperatur Temperature range
-270 oC sampai +1370 oC
Accuracy
±0,004T oC
untuk pengukuran
-40 oC sampai +1000 oC
3.1.1
Mesin Uji Pertimbangan yang dipakai dalam pemilihan mesin uji terutama mengenai
keterwakilan jenis mesin yang paling umum dipakai di masyarakat Indonesia. Sehingga dalam pengujian ini dipilih mesin dari Isuzu Panther Pick-Up dengan spesifikasi teknis mesin sebagai berikut: Mesin
Isuzu
Model
4JA1 with turbocharger
Tipe
4 silinder sebaris
Sistem injeksi bahan bakar
direct injection
Isi silinder (mm)
2499
Tenaga maksimum (PS/rpm)
86 / 3900
Torsi maksimum (Kgm/rpm)
17,5 / 2300
Garis tengah x langkah (mm x mm)
93 x 32
Pelumas
PERTAMINA Meditran SX
Coolant
Top 1 Radiator Coolant
29
Gambar 3.3 Mesin Uji Pada mesin ini terpasang beberapa sensor temperatur, yaitu : •
Temperatur udara masuk (inlet air temperature)
•
Temperatur gas buang pada exhaust manifold
•
Temperatur minyak pelumas pada oil pan
•
Temperatur air pendingin (coolant temperature)
•
Temperatur masuk bahan bakar (fuel temperature)
Selain itu juga dipasang sensor tekanan, yaitu : •
Tekanan udara pada saluran udara masuk
•
Tekanan udara pada saluran gas buang
•
Tekanan minyak pelumas
•
Tekanan suplai bahan bakar
Dan untuk mengatur bukaan katup bahan bakar, pada mesin ini juga dipasang pengontrol katup gas (throttle controller).
3.1.2
Dinamometer Mesin didudukkan pada test bed dan poros mesin dihubungkan dengan
rotor dari dinamometer. Rotor tersebut terhubung dengan stator secara
30
elektromagnet, hidraulik, atau dengan memanfaatkan gesekan mekanik. Gaya atau momen putar yang terjadi pada rotor akan ikut tersalurkan ke stator, dimana stator itu sendiri terhubungkan dengan load cell. Pembacaan sensor ini akan menunjukkan besarnya torsi yang dihasilkan dari putaran poros tersebut dan ditampilkan secara real time pada layar monitor pada ruang kontrol. Sementara itu, untuk mengatur siklus pengujian, dinamometer akan bekerja dengan close loop controlled system dimana yang diatur adalah putaran mesin dan suplai bahan bakar. Sehingga jika pada suatu saat dimana putaran mesin dipertahankan tetap sementara suplai bahan bakar ditambah, maka sistem akan berusaha mempertahankan putaran mesin pada level tersebut dengan menambah beban torsi yang bekerja pada poros. Panas yang dihasilkan dari induksi tadi kemudian didisipasikan ke sistem air pendingin. Karena menggunakan sistem induksi, perubahan beban dapat dilakukan dengan cepat. Akan tetapi, karena dinamometer jenis ini sangat rentan terhadap kerusakan akibat overheat maka harus ada sistem pendinginan. Dinamometer eddy current yang digunakan adalah Froude AG150 buatan Cussons–Inggris dengan rentang pengukuran putaran dari 0–8000 rpm dan power 0–150 kW. Dinamometer yang digunakan pada pengujian ini dapat dilihat pada gambar 3.4.
Gambar 3.4 Dinamometer eddy current
31
Di dalam pengujian sumbu poros engkol mesin uji harus segaris dengan sumbu dinamometer untuk mencegah getaran berlebihan yang dapat mengganggu proses pengujian. Sumbu yang segaris ini diilustrasikan oleh gambar 3.5.
Gambar 3.5 Alignment sumbu motor dan dinamometer[12] 3.1.3
Sistem Akuisisi Data dan Pengontrolan Pengujian ini menggunakan unit akuisisi data dan pengontrol pengujian
yang disebut AUTOTEST IV. Sistem yang diproduksi oleh Cussons ini telah terkomputerisasi sehingga semua data pengukuran dapat disimpan secara otomatis dan diolah sesuai dengan keinginan. Pengukuran yang terjadi berlangsung secara real time dimana setiap variabel yang dicatat terukur terhadap waktu. Untuk melakukan pengujian secara otomatis maka katup gas pada motor uji dihubungkan dengan throttle controller. Unit AUTOTEST IV ini dapat dilihat pada gambar 3.6. dan secara skematik, susunan sistem diilustrasikan pada gambar 3.7
Gambar 3.6 Unit akuisisi data dan pengontrol
32
Gambar 3.7 Skema sistem akuisisi data dan pengontrol[13]
3.1.4
Sistem Aliran Bahan Bakar Sistem ini mengatur ketersediaan suplai bahan bakar dan menjaga tekanan
suplai bahan bakar ke pompa injeksi pada level tertentu. Selain itu, sistem ini juga akan memberikan pembacaan besarnya aliran bahan bakar yang disuplai. Alat ukur yang digunakan utnuk fungsi tersebut adalah Pieburg Fuel Flowmeter, dimana alat ukur ini termasuk jenis positive displacement flowmeter. Sementara itu, untuk melakukan pembacaan tekanan dan temperatur bahan bakar, digunakan strain gauge pressure transducers dan thermocouple dimana semua hasil pembacaan tersebut ditampilkan real time ke layar monitor di ruang kontrol. Alat ini dapat dilihat pada gambar 3.8.
(a)
(b)
33
Gambar 3.8 (a) Tangki bahan bakar, (b) fuel flow meter 3.1.5
Sistem m Pengukur Gas Buang Sistem ini ditujukan untuk me mengeluarkan ngeluarkan gas buang dari mesin uji ke
udara bertekanan atmosfer sekaligus untuk mengambil sampel emisi dengan membuat saluran by-pass sebelum gas buang berkontak dengan udara luar. Hasil sampel emisi tersebut akan dianalisis dengan dua cara. Untuk besarnya soot akan diterjemahkan dengan varible sampling AVL smoke meter, sementara untuk CO, O2, dan NOx akan secara real time diproses dan ditampilkan oleh Emision Analyser. Sedangkan untuk mengetahui kandungan hidrokarbon pada gas buang, dilakukan pengambilan sampel emisi untuk diuji dan dianalisis dengan proses Gas Chromatography yang seluruh prosesnya dilakukan oleh pihak Laboratorium Kimia Terpadu Institut Pertanian Bogor.
(a)
(b)
(c) (d) Gambar 3.9 (a) Emission Analyser; (b) Air Filter; (c) Jalur sampling; (d) AVL Smoke Meter
34
Gambar 3.10 Skema sistem pengambilan data dan sampel emisi[13]
3.2
Prosedur Pengujian Penjabaran prosedur pengujian dibagi menjadi tiga bagian, yaitu persiapan
pengujian yang akan menjelaskan prosedur sebelum dimulainya uji ketahanan, penjelasan mengenai prosedur yang dilakukan selama pengujian ketahanan dan prestasi, serta bagian ketiga adalah penjelasan mengenai prosedur pasca pengujian prestasi. 3.2.1
Persiapan Pengujian Kalibrasi pompa injeksi bahan bakar menjadi langkah awal persiapan
pengujian yang kemudian dilanjutkan dengan test cell comissioning. Setelah pemasangan, kalibrasi, dan pengecekan fungsi kontrol dan akuisisi data selesai
35
dilakukan, rangkaian pengujian untuk mengetahui prestasi dan emisi dari kerja mesin uji didahului dengan top overhaul dengan membersihkan seluruh bagian dari ruang bakar, katup isap, katup buang, cyllinder head, dan mengganti filter oli setelah sebelumnya dilakukan pengurasan oil pan. Khusus pada silinder satu, katup isap dan katup buang akan selalu diganti dengan yang baru dari pengujian satu jenis bahan bakar ke jenis bahan bakar yang lain. Komponen lain yang juga selalu diganti pada awal pengujian suatu sampel bahan bakar adalah gasket cyllinder head. Selanjutnya dilakukan pengukuran massa katup, volume dan tekanan injeksi bahan bakar dari masing–masing injektor, dokumentasi bentuk spray dari masing–masing injektor, serta dokumentasi kondisi awal semua komponen pada ruang bakar. Prosedur ini dilakukan pada awal pengujian untuk masing–masing sampel bahan bakar dengan tujuan memperoleh data dan keseragaman kondisi awal pengujian. Namun, selain prosedur top overhaul, untuk memastikan pemasangan kembali dan penyetelan komponen pada mesin telah dilakukan dengan benar sehingga antara satu pengujian dengan pengujian lain faktor kondisi awal dapat dianggap sama, dilakukan juga pengujian terhadap tingkat suplai bahan bakar untuk bukaan fuel throttle yang tertentu serta pengujian prestasi mesin dan pengukuran emisi partikulat (soot) di setiap awal pengujian satu sampel bahan bakar. Persiapan pengujian ini biasanya memakan waktu kurang lebih 12 jam. Alat–alat yang digunakan selama persiapan pengujian meliputi timbangan, alat kalibrasi pompa injeksi yang juga merupakan alat uji injektor, serta tabung ukur untuk volume injeksi dapat dilihat pada gambar 3.11 dengan spesifikasi teknis untuk masing–masing alat meliputi : Timbangan Tipe
ADAM® PW254
Max. load
250 gr
Minimum scale
0,0001 gr
Alat kalibrasi pompa dan uji injektor Tipe
Taishan Brand Fuel Injection Pump Test 12PSDB75
Max. speed
5000 rpm
36
Max. pressure
6 Mpa
(a)
(b)
(c) Gambar 3.11 Alat-alat persiapan pengujian meliputi (a) Timbangan; (b) Alat kalibrasi pompa dan volume injeksi; (c) Tabung ukur volume injeksi; 3.2.2
Pengujian Ketahanan dan Prestasi Pengujian ketahanan / durability dilakukan selama 50 jam untuk satu
sampel bahan bakar dengan pengulangan siklus pengujian dengan periode per
37
siklusnya adalah 2 jam. Periode pemrograman siklus ditetapkan 2 jam dengan pertimbangan keamanan dan kemudahan apabila suatu saat terjadi gangguan pada sistem, sementara mode pengujian per siklusnya ditetapkan dengan mengadopsi general usage cycle yang ada pada standar pengujian ECE R.49. Pada ECE R.49 dikatakan bahwa prosedur uji ketahanan yang ditujukan untuk pengujian emisi mesin diesel konvensional atau mesin diesel dengan electronic fuel injection, exhaust gas recirculation (EGR), dan atau dengan oxidation catalyst, adalah prosedur pengujian European Steady state Cycle (ESC). Berikut ini adalah siklus pengujian ESC. Tabel 3.1 Siklus pengujian ESC[14]
Pada tabel siklus ESC tersebut, terdapat kecepatan putaran mesin uji yang menjadi salah satu variabel kontrol dalam pengujian. Masing–masing kecepatan tersebut didefinisikan sebagai berikut : Speed A = nlo + 25 % (nhi - nlo ) Speed B = nlo + 50 % (nhi - nlo ) Speed C = nlo + 75 % (nhi - nlo) Kecepatan putar nhi dan nlo yang menjadi referensi dalam penentuan kecepatan mesin uji, didefinisikan melalui ilustrasi pada gambar 3.12
38
Engine speed
Gambar 3.12 Definisi kecepatan putaran mesin untuk pengujian mesin diesel dengan prosedur ESC pada standar ECE R.49[14] Sementara untuk menetukan bentuk siklus ketahan yang mampu mewakili kondisi transportasi di Indonesia, penulis mengacu pada standar ECE R.83.
Gambar 3.13 Siklus uji ketahanan pada ECE R.83[15]
39
Tabel 3.2a Siklus uji ketahanan elementary urban operating cycle pada standar ECE R.83[15] Time (s)
Percent
60
30.8
9
4.6
Gear-changing
8
4.1
Acceleration
36
18.5
Steady-speed periods
57
29.2
Deceleration
25
12.8
195
100
Idle Vehicle moving, clutch engaged on one combination
Tabel 3.2b Siklus uji ketahanan extra urban operating cycle pada standar ECE R.83[15] Time (s)
Percent
20
5
20
5
Gear-changing
6
1.5
Acceleration
103
25.8
Steady-speed periods
209
52.2
Deceleration
42
10.5
400
100
Idle Vehicle moving, clutch engaged on one combination
Dari bentuk siklus pengujian yang pada standar ECE R.83, penulis menentukan bentuk siklus, putaran mesin, dan pembebanan dengan tujuan untuk mendapatkan hasil yang sebanding dengan prosedur pada standar yang ada dan mewakili kondisi pemakaian transportasi di Indonesia, namun dengan waktu pengujian yang lebih singkat.
40
Pembagian periode pengujian untuk satu siklusnya dijabarkan sebagai berikut ini : 1. Mesin uji dijalankan pada kondisi idle selama 10 menit. 2. Mesin uji dijalankan pada kecepatan putar torsi maksimum dengan beban 25% torsi maksimum selama 20 menit. 3. Mesin uji dijalankan pada kecepatan putar torsi maksimum dengan beban 50% torsi maksimum selama 20 menit. 4. Mesin uji dijalankan pada kondisi idle selama 10 menit. 5. Mesin uji dijalankan pada kecepatan putar torsi maksimum dengan beban 75% torsi maksimum selama 30 menit. 6. Mesin uji dijalankan pada kondisi idle selama 10 menit. 7. Mesin uji dijalankan pada kecepatan putar daya maksimum, dengan beban torsi yang akan menghasilkan 25% daya maksimum selama 10 menit. 8. Mesin uji dijalankan pada kecepatan putar daya maksimum, dengan beban torsi yang menghasilkan 50% daya maksimum selama 10 menit. Siklus ini diulang 25 kali sehingga total berjalan 50 jam untuk setiap jenis sampel bahan bakar. Gambar di bawah ini menunjukkan satu periode siklus uji ketahanan.
Daya
Gambar 3.14 Grafik siklus pengujian ketahanan dalam penelitian ini
41
Tabel 3.3 Siklus pengujian ketahanan Test
Durasi
Kecepatan
Beban Torsi
Daya
Point
(min)
putar mesin
(T)
(P)
(n) 1
10
idle
-
-
2
20
n for Tmax
25% Tmax
nxT
3
20
n for Tmax
50% Tmax
nxT
4
10
idle
-
-
5
30
n for Tmax
75% Tmax
nxT
6
10
idle
-
-
7
10
n for Pmax
P/n
25% Pmax
8
10
n for Pmax
P/n
50% Pmax
Setelah siklus ditentukan dan sebelum uji ketahan dijalankan, lebih dahulu dilakukan pengujian performa awal untuk mengetahui prestasi mesin uji dalam rangka menentukan besarnya nilai sesungguhnya dari torsi dan daya maksimum yang dapat dicapai oleh mesin uji. Hal ini penting untuk dilakukan sebagai verifikasi terhadap spesifikasi teknis yang dikeluarkan oleh pihak pabrikan mesin uji dan sebagai acuan untuk menjamin kebenaran pelaksanaan prosedur uji ketahanan yang telah disusun berdasarkan prosentase terhadap nilai torsi dan daya maksimum. Setelah semua titik pengujian diketahui nilainya, uji ketahanan dijalankan selama 50 jam untuk masing-masing sampel bahan bakar dimana di setiap akhir pelaksanaan uji ketahanan dilakukan prosedur uji prestasi termasuk di dalamnya pengambilan data emisi. Selain pengambilan data emisi yang ditampilkan real time, dilakukan juga sampling gas untuk kemudian dianalisis di Laboratorium Kimia Terpadu IPB dengan maksud mengetahui jumlah kandungan emisi hidrokarbon pada putaran mesin yang tertentu dalam kondisi torsi maksimum yang dapat dicapai pada putaran tersebut. Titik operasi yang diuji dalam uji prestasi mesin meliputi putaran 1400 rpm sampai dengan putaran 3600 rpm dengan pencatatan data setiap 200 rpm. Sementara prosedur sampling gas untuk dikirim ke Lab. Kimia Terpadu IPB
42
dilakukan pada titik–titik tertentu yang meliputi : 1400 rpm, 1800 rpm, 2400 rpm, 3000 rpm, 3400 rpm, dan 3600 rpm. Data yang dicatat selama pengujian dapat dilihat pada tabel 3.2. Tabel 3.4 Parameter dan Satuan PARAMETER Throttle set point Throttle feedback Putaran mesin uji Torsi Daya Laju konsumsi bahan bakar Laju aliran udara masuk Temperatur oli pada oil pan Tekanan oli Temperatur air pendingin masuk Temperatur air pendingin keluar Temperatur Exhaust manifold Temperatur lingkungan Tekanan lingkungan Kelembaban relatif lingkungan Kadar O2 Kadar CO Kadar NOx Kadar HC Kadar CO2
SATUAN % % rpm Nm kW l/jam l/detik °C kPa °C °C °C °C kPa abs. % % v/v ppm ppm ppm % v/v
Sebelum pengujian sampel bahan bakar berikutnya sistem saluran bahan bakar harus dikuras agar tidak terjadi pencampuran dengan sampel bahan bakar sebelumnya. Selain itu, pelumas juga harus dikuras dan diganti baru agar faktor perbedaan kondisi awal pelumas dalam pengujian dapat diabaikan.
3.2.3
Prosedur Pasca Pengujian Prestasi Setelah pengujian ketahanan 50 jam dan uji prestasi dilaksanakan, terdapat
prosedur pasca pengujian yang meliputi pembongkaran, pengukuran, pembersihan dan penyetelan kembali terhadap komponen-komponen yang dievaluasi. Prosedur tersebut secara rinci yaitu : •
Membongkar mesin uji dari bagian paling atas seperti valve cover (penutup katup) hingga cyllinder head (kepala silinder). Selama
43
pembongkaran, terutama pada bagian yang terdapat sisa pelumas, dilakukan pengeringan untuk mencegah terkontaminasinya deposit oleh tetesan pelumas. •
Dokumentasi dan pengambilan deposit dari ruang bakar yang meliputi kepala silinder, kepala piston, dan dinding silinder ruang bakar.
•
Melakukan penimbangan deposit yang terdapat pada katup masuk dan keluar, serta deposit pada ruang bakar yang telah diambil sebelumnya.
•
Pengukuran volume dan tekanan injeksi bahan bakar dari setiap injektor serta dokumentasi bentuk spray injeksi yang dihasilkan oleh masingmasing injektor.
•
Setelah semua pengukuran dan dokumentasi dilakukan, maka selanjutnya kembali pada langkah persiapan pengujian untuk sampel bahan bakar berikutnya.
44
